Biotechnologia w gospodarce wodno-ściekowej i jej wpływ na oczyszczanie ścieków

Procesy biologicznego oczyszczania ścieków skupiają się przede wszystkim na skutecznym usuwaniu związków azotu i fosforu, ograniczając w ten sposób ich negatywny wpływ na środowisko wodne. Aktualnie gospodarka ściekowa znajduje się w fazie przemian, tzn. linearne oczyszczanie ścieków przechodzi w model cyrkularny [1]. Chociaż oczyszczalnie realizują cel poprawy jakości środowiska, to wciąż nie wykorzystują pełni możliwości ścieków jako surowca, a nie odpadu.

Oczyszczanie ścieków – wyzwania współczesnych oczyszczalni

Rocznie na świecie powstaje około 380 mld m³ ścieków i oczekuje się, że ich globalna produkcja, w stosunku do obecnego poziomu, wzrośnie o 24 proc. do 2030 oraz o 51 proc. do 2050 r. [2]. Objętość ta generuje ogromny ładunek zanieczyszczeń. Nie wszystkie mogą być skutecznie usunięte, a dodatkowo na każdym etapie oczyszczania (pośrednio lub bezpośrednio) emitowane są gazy cieplarniane. Oczyszczanie ścieków odpowiada za około 5 proc. globalnych emisji gazów cieplarnianych, w tym za około 13 proc. podtlenku azotu oraz 5-8 proc. metanu. W kolejnych dekadach prognozowany jest wzrost emisji metanu ze ścieków nawet o połowę, a podtlenku azotu o 25 proc., w stosunku do aktualnych wartości [3].

Oczyszczanie ścieków jest coraz droższe. Rosną też oczekiwania odnośnie do zero emisyjności obiektów. Coraz częściej oczyszczalnie poszukują długofalowych rozwiązań technologicznych, które umożliwiłyby im nie tylko obniżenie kosztów działalności, ale również stopniowe przekształcenie obiektów w fabryki surowców i energii. Wraz ze światową produkcją ścieków powstaje m.in. 17 mln ton azotu oraz 3 mln ton fosforu, które mogą zostać odzyskane i wykorzystane w rolnictwie, częściowo zastępując nawozy sztuczne [2]. Dodatkowo ścieki stanowią coraz istotniejsze źródło wody i energii, nie tylko na potrzeby rolnictwa i przemysłu, ale również mieszkalnictwa. Łączenie wyzwań w zakresie odzysku i recyklingu surowców z czystą produkcją sprawnie realizuje biotechnologia środowiskowa, w ramach której coraz silniejszą pozycję zaznacza trend „biotechnologii cyrkularnej”.

Metody biotechnologii środowiskowej promują opłacalne i zrównoważone oczyszczanie ścieków. Aktualnie dostępna wiedza technologiczna, analityczna i mikrobiologiczna umożliwia modyfikację procesów, w kierunku wyższej efektywności usuwania zanieczyszczeń, niższej emisji gazów cieplarnianych oraz odzysku użytecznych surowców. Chociaż eksperci szacują, że w skali technologicznej trend ten ma szansę wkroczyć do obiektów dopiero około 2050 r., to już teraz obserwujemy intensywny rozwój badań naukowych w skali laboratoryjnej i pilotażowej (rys. 1). Widzimy też ogromne zainteresowanie nowymi technologiami ze strony samych obiektów. Wśród aktualnie wiodących trendów proklimatycznych lub cyrkularnych możemy wyróżnić: ograniczenie emisji podtlenku azotu, nowoczesne metody usuwania związków azotu oraz biologiczny odzysk amonu w postaci tlenku azotu.

Dlaczego emisje podtlenku azotu znalazły się pod szczególną obserwacją?

W żadnym z etapów transportu, oczyszczania ścieków lub unieszkodliwiania osadów nie dostrzega się takiego potencjału do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych jak w przypadku biologicznego usuwania związków azotu. [4]. Bioreaktory są uznane za główne źródło gazów w obiektach. To tam dochodzi do uwalniania aż w 90 proc. silnie cieplarnianego podtlenku azotu (którego współczynnik globalnego ocieplenia jest 310 razy wyższy niż dla dwutlenku węgla) (rys. 2). Podtlenek azotu w oczyszczalniach ścieków pochodzi przede wszystkim z trzech reakcji mikrobiologicznych, które wymagają warunków tlenowych lub beztlenowych. Pośredniczą w nich bakterie utleniające amoniak (proces nitryfikacji) oraz heterotrofy biorące udział w denitryfikacji.

W wyniku rosnącej presji antropogenicznej (przemysł, nowe zanieczyszczenia, zmienna jakość dopływających do oczyszczalni ścieków) oraz klimatycznej (coraz częstsze ekstremalne zdarzenia pogodowe, nasilenie zjawisk suszy oraz intensywnych opadów), będziemy obserwować wzrost emisji gazów cieplarnianych. W przypadku podtlenku azotu nagłe wahania warunków procesu biologicznego (zmiany stężenia rozpuszczonego tlenu oraz amonu, niestabilne przemiany środowiska beztlenowego w tlenowe) będą szczególnie sprzyjały temu zjawisku [5, 6]. Choć zainteresowanie stałym monitoringiem podtlenku azotu w obiektach rośnie, a w niedalekiej przyszłości również prawodawstwo unijne będzie wymagało przyjrzenia się temu problemowi, to w większości przypadków skala emisji wciąż pozostaje poza kontrolą.

W strategii łagodzenia emisji podtlenku azotu kluczowe znaczenie ma wiedza technologiczna związana z optymalizacją procesu napowietrzania, mieszania czy całkowitej denitryfikacji, a także zapewniająca zewnętrzne źródło węgla [7]. Wprowadzenie skomplikowanych zmian technologicznych wymaga współpracy z ekspertami i badaczami spoza grona obsługującego obiekt. Dlatego ważne jest, aby fundusze krajowe oraz międzynarodowe wspierały inicjowanie projektów na linii przemysł – nauka.

Czy nowatorskie metody usuwania azotu dają przestrzeń na odzysk?

Z emisją podtlenku azotu w przemianach mikrobiologicznych nieodłącznie wiąże się konfiguracja procesów technologicznych. W tej chwili mamy dostęp do wielu modyfikacji klasycznego ciągu z wykorzystaniem osadu czynnego, które opierają się na beztlenowym utlenianiu amoniaku (anammox) oraz skracaniu procesów przemian związków azotu (tzw. częściowej/skróconej nitryfikacji). Dzięki czemu technologie te mogą skutecznie oczyszczać ścieki bogate w amoniak, jednocześnie zmniejszając zużycie energii i produkcję osadów [6]. Usuwanie związków azotu ze ścieków komunalnych zmniejsza ryzyko eutrofizacji wód oraz ich potencjalnej toksyczności dla żyjących w niej organizmów.

Zmiany klimatu również są czynnikiem sprzyjającym wzrostowi ryzyka zakwitu. Procesy biologicznego usuwania azotu pierwotnie skupiały się na reakcjach utleniania – redukcji i nie uwzględniały możliwości odzysku zasobów. W konwencjonalnym procesie nitryfikacji – denitryfikacji, azot amonowy w ściekach komunalnych jest utleniany do azotanów w obecności tlenu, co generuje wysokie zapotrzebowanie na energię związaną z napowietrzaniem (2,6-6,2 kWh/kg usuniętego azotu) [8]. Dodatkowo denitryfikacja, a więc redukcja powstających azotanów do azotu gazowego potrzebuje źródła węgla. Aktualnie musi być on dostarczony z zewnątrz, aby proces przebiegał efektywnie. W kontekście przekształcenia związków azotu w gazowy azot mamy do czynienia zarówno z wysokimi kosztami zakupu energii, jak i substratów.

Ponadto nawozy amonowe produkowane są w reakcji Habera-Boscha, która jest procesem wysoce energochłonnym. Tu pojawia się przestrzeń do połączenia wiedzy o procesach przemiany związków azotu w oczyszczalniach, z możliwościami jakie daje odzysk amoniaku ze ścieków. Obecnie szacuje się, że ścieki miejskie zawierają około 40 mg azotu amonowego na litr. Przy założeniu, że rocznie na świecie powstaje 380 mld m³ ścieków, daje to możliwość wyprodukowania około 20 mln ton amoniaku rocznie. Oczyszczanie ścieków może być proekologicznym sposobem zaspokajania potrzeb rolnictwa [8].

Podtlenek azotu coraz częściej postrzegany jest nie tylko jako wysoce cieplarniany gaz, ale również jako reaktywna forma azotu posiadająca pewną ilość energii chemicznej, którą można wykorzystać. Próby odzysku podtlenku azotu ze ścieków i wykorzystania go jako paliwa były już podejmowane. Jednym z przykładów jest tzw. proces CANDO, który obejmuje częściową nitryfikację, częściową beztlenową redukcję azotynów (azotanów (III)) do podtlenku amonu, a następnie konwersję podtlenku azotu do gazowego azotu z odzyskiem energii w drodze katalitycznego rozkładu do azotu i tlenu [9]. Ostatecznie podtlenek azotu ulega współspalaniu z metanem w biogazie, dostarczając o 30 proc. więcej energii w porównaniu do standardowej mieszanki biogazu.

Około 60-80 proc. azotynów powstających w procesie CANDO może zostać przekształconych w użyteczny podtlenek azotu [9]. W procesie jako tzw. zewnętrzne źródło węgla, wykorzystano polihydroksymaślan (PHB) pochodzący ze społeczności drobnoustrojów, które posiadają zdolność do akumulowania tego związku (wyizolowane szczepy np. z gleby), a następnie wykorzystywania go do redukcji podtlenku azotu. Ponadto proces wykazywał wysoką efektywność usuwania związków azotu, aż 98 proc. przez ponad 200 badanych cykli. Osiągnięto zmniejszenie zapotrzebowania na tlen, niższą produkcję osadów oraz wspomniany odzysk energii w postaci biogazu [9].

Obecnie istnieje coraz więcej dowodów, które potwierdzają, że systemy bioelektrochemiczne, np. mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC), mikrobiologiczne ogniwa elektrochemiczne (MEC) i mikrobiologiczne komórki odsalające (MDC), mogą stanowić alternatywne podejście do oczyszczania ścieków wraz z odzyskiem amoniaku oraz energii [10, 11]. W bioelektrochemii bakterie na anodzie mogą przekształcać związki chemiczne zmagazynowane w materii organicznej w energię, jednocześnie ułatwiając transfer azotu amonowego przez membranę kationowymienną.

Stężony strumień amoniaku otrzymany na katodzie może być dalej zbierany różnymi metodami, takimi jak odpędzanie amoniaku czy wytrącanie. Do tej pory mikrobiologiczne ogniwa elektrochemiczne były wykorzystywane do oczyszczania ścieków z wysokim stężeniem amoniaku (np. moczu, odcieków z odwadniania osadów) [10]. Efektywność odzysku tego typu procesów wahała się od 30 do nawet 80 proc. [11]. Należy jednak pamiętać, że w przypadku standardowych ścieków komunalnych, gdzie stężenie azotu amonowego zazwyczaj nie przekracza 40 mg/l, systemy te nie będą miały zastosowania.

Drobnoustroje są kluczowe, jeśli chodzi o oczyszczanie ścieków i w najbliższych latach ich rola będzie tylko rosnąć. Nowoczesne techniki biologii molekularnej dają nam szczegółowy wgląd w mechanizmy i zależności panujące w mikrobiologicznych społecznościach. Ważne jest, aby wykorzystywać nowoczesne techniki do modyfikacji i ulepszania istniejących już procesów, równolegle z rozwijaniem innowacyjnych technologii przyszłości. Biotechnologia ścieków w ostatniej dekadzie przeszła szereg zmian, które umożliwiły jej wdrażanie założeń gospodarki cyrkularnej. W dobie kryzysu klimatycznego dalszy rozwój niskoemisyjnych i bezodpadowych technologii stanowi absolutną konieczność, jeśli chcemy sprostać przyszłym zagrożeniom i zwiększyć możliwości adaptacyjne sektora ściekowego.

Dr inż. Edyta Łaskawiec na III Kongresie 3W

Autorka powyższego artykułu, ekspertka w dziedzinie biotechnologii w gospodarce wodno-ściekowej, podzieli się swoją wiedzą podczas nadchodzącego III Kongresu 3W. Jest to niepowtarzalna okazja, aby osobiście wysłuchać prelekcji dr inż. Edyty Łaskawiec, ale także innych znakomitych ekspertów, którzy zajmują się technologiami z obszaru wody, wodoru i węgla. Zapraszamy na to wyjątkowe wydarzenie, które odbędzie się już 27-28 listopada w Warszawie.

dr inż. Edyta Łaskawiec – technolożka wody i ścieków, adiunkt w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Śląskiej. Uczestniczy w realizacji międzynarodowych projektów dotyczących biotechnologii środowiskowej:

• Shortcut nitrification in activated sludge process treating domestic wastewater – key technology for low-carbon and clean wastewater treatment (SNIT) – https://snit.pwr.edu.pl/;
• Integrated system for Simultaneous Recovery of Energy, organics and Nutrients and generation of valuable products from municipal wastewater (SIREN) – https://siren.put.poznan.pl/;
• Anaerobic biorefinery for resource recovery from waste feedstock (WASTEVALUE) – https://wastevalue.put.poznan.pl/.

---

W artykule korzystałam m.in. z prac:

[1] Marshall Donna i inni, Are you ready for the sustainable, biocircular economy? Business Horizons 2023, 66(6), 805-816 https://doi.org/10.1016/j.bushor.2023.05.002

[2] Zhang Xiaoyuan, Liu Yu, Resource recovery from municipal wastewater: A critical paradigm shift in the post era of activated sludge, Bioresource Technology 2022, 363, 127932 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127932

[3] Phuong Tram VO i inni, A mini-review on the impacts of climate change on wastewater reclamation and reuse, Science of The Total Environment 2014, 494-495, 9-17 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.06.090

[4] Song Cuihong i inni, Methane Emissions from Municipal Wastewater Collection and Treatment Systems, Environmental Science & Technology 2023, 57, 6, 2248–2261 https://doi.org/10.1021/acs.est.2c04388

[5] Maktabifard Mojtaba i inni, Net-zero carbon condition in wastewater treatment plants: A systematic review of mitigation strategies and challenges, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2023, 185, 113638 https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113638

[6] Kehrein Philipp i inni, A critical review of resource recovery from municipal wastewater treatment plants – market supply potentials, technologies and bottlenecks, Environmental Science: Water Research & Technology 2020, 6, 877-910 https://doi.org/10.1039/C9EW00905A

[7] Duan Huan i inni, Insights into nitrous oxide mitigation strategies in wastewater treatment and challenges for wider implementation, Environmental Science & Technology 2021, 55, 7208-7224 https://doi.org/10.1021/acs.est.1c00840

[8] Winkler Mari KH, Straka Levi, New directions in biological nitrogen removal and recovery from wastewater, Current Opinion in Biotechnology 2019, 57, 50-55 https://doi.org/10.1016/j.copbio.2018.12.007

[9] Scherson Yaniv D. i inni, Nitrogen removal with energy recovery through N₂O decomposition, Energy & Environmental Science, 2013,6, 241-248 https://doi.org/10.1039/C2EE22487A

[10] Ghimire Umesh i inni, Transitioning Wastewater Treatment Plants toward Circular Economy and Energy Sustainability, ACS Omega 2021, 6(18), 11794–11803 https://doi.org/10.1021/acsomega.0c05827

[11] Zhang Xiaoyuan, Liu Yu, Circular economy-driven ammonium recovery from municipal wastewater: State of the art, challenges and solutions forward, Bioresource Technology 2021, 334, 125231 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125231