Innowacyjny bioreaktor do wydajnego beztlenowego oczyszczania wody zęzowej
Woda zęzowa statku to mieszanina wody morskiej i ścieków, takich jak paliwa, detergenty, cząstki stałe i oleje. Uwalniania takich pozostałości oleju do środowiska morskiego zakazują regulacje MARPOL.aspx (Międzynarodowej Organizacji Morskiej) oraz unijne przepisy. W związku z tym stosuje się rozmaite metody oczyszczania wody zęzowej. Obejmują one oddzielanie membranowe, elektrokoagulację, odwirowywanie oraz stosowanie środków chemicznych. Niestety, metody te nie są pozbawione wad: przyczyniają się do wtórnego zanieczyszczenia i generują wysokie koszty. Choć biologiczne oczyszczanie beztlenowe jest bardziej zrównoważonym rozwiązaniem, zespół wspieranego przez Unię Europejską projektu ElectroSAnMBR ustalił, że związki organiczne zawarte w wodzie zęzowej hamują rozwój mikroorganizmów beztlenowych, szczególnie metanogenów, co ogranicza wydajność tej metody. Twórcy projektu ElectroSAnMBR opracowali więc innowacyjną technologię, która zakłada umieszczenie jednokomorowego ogniwa do elektrolizy (ang. single-chamber electrolysis cell, EC) w zanurzonym beztlenowym bioreaktorze membranowym (ang. Submerged Anaerobic Membrane Bioreactor, SAnMBR). Technologia nosi nazwę e-SAnMBR. „Jako że membrany zachowują beztlenową biomasę, mikroorganizmy (w tym metanogeny) nie są wypłukiwane, mogą więc przystosować się do opornych ścieków, z powodzeniem stając się zaszczepione, a tym samym – aktywne”, wyjaśnia Ioannis Vyrides, koordynator projektu. Takie działanie ogniwa EC zaprezentowano w dwóch pilotażowych bioreaktorach.
Beztlenowy bioreaktor drobnoustrojowy z ogniwem do elektrolizy
Beztlenowy bioreaktor, w którym zastosowano technologię e-SAnMBR, składa się z dwóch elektrod. Anoda pomaga tworzyć warunki mikroaerobowe, przyczyniając się do biodegradacji tak zwanych opornych związków, które trudno poddać biodegradacji. Z kolei na katodzie wydziela się wodór, a następnie mikroorganizmy przekształcają dwutlenek węgla w metan. e-SAnMBR zawiera również zanurzoną membranę do mikrofiltracji, która utrzymuje mikroorganizmy i materiały organiczne na miejscu. Aby stworzyć ten system elektrochemiczny, zespół przetestował najpierw, w jaki sposób woda zęzowa wchodzi w interakcje z biomasą, która zawiera beztlenowe mikroorganizmy przyczyniające się do biodegradacji – w tym przypadku zgranulowany szlam. Jako że granulki biomasy w e-SAnMBR miały zwykle średnicę większą niż 500 mikrometrów, tlen nie przenikał wystarczająco głęboko, by metanogeny w granulkach pomagały tworzyć konieczne warunki aerobowe. „Na szczęście odkryliśmy, że dodanie drobnoustrojowego ogniwa do elektrolizy do szlamu umożliwiło bioreaktorowi wytwarzanie wodoru i tlenu koniecznych dla stworzenia warunków mikroaerobowych, przyspieszających biodegradację opornych związków”, opowiada Vyrides. Przez trzy miesiące testowano dwa pilotażowe bioreaktory w pięciu eksperymentalnych cyklach. e-SAnMBR zawierał membranę i elektrody ze stali nierdzewnej o napięciu poniżej 1 V, zaś SAnMBR – samą membranę. Oba bioreaktory SAnMBR wykazały względnie wysokie poziomy usuwania związków organicznych (zwane wskaźnikami usuwania COD) na poziomie blisko 75 % przy funkcjonowaniu w wysokim hydraulicznym czasie retencji (ang. hydraulic retention time, HRT) przez około 12 dni – to całkowity czas, przez jaki woda zęzowa pozostaje wewnątrz bioreaktora. Jednakże przy niższym HRT (około 4 dni) dla e-SAnMBR odnotowano wskaźnik usuwania COD na poziomie blisko 50 %, zaś dla SAnMBR – na poziomie około 40 %. Choć zanurzona membrana mikrofiltracyjna w obu bioreaktorach przyczyniła się do zaledwie około 10–15 % usuwania COD, ścieki były po tym czasie wolne od cząstek.
Przyszłe możliwości
Europejska dyrektywa 2000/59/WE stanowi, że statki o masie powyżej 400 ton powinny oddzielać olej od wody, wylewając za burtę wodę z pozostałościami ścieków w ilości poniżej 15 g/l, do uzdatniania na lądzie. Z kolei statki o masie poniżej 400 ton powinny przechowywać wodę zęzową na pokładzie do uzdatniania w portach. e-SAnMBR można zamontować na statkach, by wstępnie oczyszczać wodę zęzową, a tym samym ograniczać ilość wody, którą trzeba oczyszczać na morzu. „Dodatkowo, jako że biofilm anody powoduje częściową biodegradację wody zęzowej oraz jako że nierozrzedzona woda zęzowa hamuje metanogenezę przy niskim HRT, moglibyśmy wytwarzać wodór jako końcowy gaz katodowy – cenne odnawialne źródło energii, zamiast metanu, gazu cieplarnianego”, dodaje Vyrides. Oznaczałoby to, że system mógłby pracować przy niskim HRT, poniżej 24 godzin, bez konieczności dodawania pomocniczych substancji chemicznych, aby skutecznie oczyszczać wodę zęzową i jednocześnie wytwarzać wodór. Obecnie rozwiązanie e-SAnMBR jest testowane w pilotażowym projekcie Ecofuel Cyprus. Badania przeprowadzono dzięki wsparciu otrzymanemu w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Słowa kluczowe
ElectroSAnMBR, bioreaktor, biodegradacja, woda zęzowa, statek, metanogeny, mikroorganizm, wodór, metan, ogniwo elektrolityczne, biomasa, oporny związek
