Innowacje i gospodarka cyrkularna w oczyszczalniach ścieków: Wyzwania i bariery

System wodny jest częścią systemów środowiskowych, rolniczych, przemysłowych i komunalnych. Wiedza o tym, jak te systemy są ze sobą połączone, ma kluczowe znaczenie dla identyfikacji możliwości gospodarki cyrkulacyjnej, które istnieją w systemie wodnym i innych powiązanych z nim systemach.

Oczyszczalnie ścieków (WWTP) mogą stanowić ważny element zrównoważonego rozwoju cyrkularnego ze względu na integrację produkcji energii i odzyskiwania zasobów podczas produkcji czystej wody [2, 3]. W niedalekiej przyszłości oczyszczalnie ścieków staną się „ekologicznie zrównoważonymi” systemami technologicznymi. Obecnie globalne zapotrzebowanie na składniki odżywcze oraz odzyskiwanie wody i energii ze ścieków dyktują rozwój przemysłu ściekowego [4-6]. Rysunek z witryny Cerahelix.com przedstawia obieg wody w modelu gospodarki cyrkulacyjnej:

Źródło: https://www.cerahelix.com/news/treat-reuse-extract-create-and-repeat-the-circular-economy-explained-using-the-water-cycle-as-an-example/

Aby sprostać wyzwaniu, jakim jest zmniejszenie zanieczyszczenia ścieków w obliczu wzrostu liczby ludności, zmian w procesach przemysłowych i rozwoju technologicznego, Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (US EPA) stworzyła dokument, który ma na celu udostępnienie wszystkim informacji o najnowszych osiągnięciach i innowacyjnych technikach [7]. Cel dokumentu jest prosty: zapewnienie przewodnika dla osób poszukujących informacji na temat innowacyjnych i pojawiających się technologii oczyszczania ścieków. W przewodniku wymieniono nowe technologie, oceniono ich zalety i koszty, a także podano źródła do dalszych badań technologicznych. Dokument ten powinien służyć jako przewodnik dla właścicieli obiektów oczyszczania ścieków, operatorów, planistów i konsultantów.

W kolejnych rozdziałach przedstawiamy najważniejsze zasoby, które można pozyskać z oczyszczalni ścieków, oraz możliwości, jakie mają przedsiębiorcy, a także pokazujemy mocne i słabe strony tych procesów.

3.1 Stosowanie biosolidów w glebie

Biosolidy (osady ściekowe) składają się ze związków cennych dla rolnictwa (materia organiczna, azot, fosfor, potas i mikroskładniki odżywcze, takie jak wapń, siarka i magnez) oraz zanieczyszczeń, do których należą metale ciężkie, związki organiczne i patogeny. Choć mogą one być cennym zasobem, należy z nich korzystać z rozwagą. Często zawierają mikroorganizmy, które mogą przenosić choroby, zanieczyszczenia chemiczne lub inne niestabilne substancje.

Biosolidy mogą wzbogacać glebę i uzupełniać lub zastępować nawozy komercyjne. Biosolidy są stosowane w różnych miejscach, w tym na gruntach rolnych, w lasach, na terenach rekultywacji kopalń i innych terenach, w parkach i na polach golfowych. Stosowanie biosiarczanów w glebie ma znaczący pozytywny wpływ na żyzność gleby, zapewniając ich stosowanie w sposób bardziej zrównoważony. Oprócz wysokiej wartości odżywczej, biosolidy poprawiają właściwości gleby (kondycjonowanie gleby) poprzez zwiększenie zawartości materii organicznej w glebie, agregacji cząstek gleby, struktury i porowatości gleby oraz zmniejszenie gęstości nasypowej.

Stosowanie osadów ściekowych w glebie jest powszechnie praktykowane w Europie i innych krajach [8]. Ryzyko związane ze stosowaniem biosolidów na gruntach rolnych zależy od pochodzenia ładunków zanieczyszczeń, które dostają się do oczyszczalni ścieków (ładunki komunalne lub przemysłowe). Główne problemy związane z takim składowaniem biosolidów to kwestie zdrowia i  ezpieczeństwa, odór, uciążliwość i inne problemy publiczne. Ponadto nadmierne ilości składowanych odpadów mogą negatywnie wpływać na jakość wód gruntowych ze względu na wypłukiwanie składników odżywczych. Z tego powodu amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) opracowała przewodnik dla podmiotów zajmujących się stosowaniem osadów na gruntach rolnych, oparty na normach federalnych dotyczących stosowania lub usuwania osadów ściekowych. Celem tego programu federalnego jest zapewnienie, że osady ściekowe są wykorzystywane lub usuwane w sposób, który chroni zarówno zdrowie ludzi, jak i środowisko. Część 503, Normy wykorzystania lub unieszkodliwiania osadów ściekowych, ustanawia ogólne wymagania, limity zanieczyszczeń, normy operacyjne i praktyki zarządzania, jak również częstotliwość monitorowania, prowadzenie dokumentacji i wymagania dotyczące sprawozdawczości dla osadów ściekowych, które są stosowane w glebie, umieszczane na powierzchniowych składowiskach odpadów lub spalane w spalarni osadów ściekowych [9].

Zabiegi wymagane przed zastosowaniem biosolidów w glebie

Aby zachować zgodność z przepisami proponowanymi przez ustawodawcę, osady ściekowe muszą zostać poddane obróbce w oczyszczalniach ścieków (odwodnione i ustabilizowane) przed zastosowaniem w glebie w formie nawożenia lub rekultywacji. Procesy przetwarzania biosolidów przed ich zastosowaniem w glebie obejmują fermentację beztlenową lub tlenową, kompostowanie, suszenie i obróbkę chemiczną (głównie alkaliczną).

• Fermentacja beztlenowa (ogólnie) to naturalnie występujący proces biologiczny, w którym duża liczba bakterii beztlenowych przekształca materię organiczną w metan i dwutlenek węgla (mieszaninę zwaną biogazem). Proces ten stabilizuje materię organiczną w ściekach stałych, redukuje patogeny i nieprzyjemne zapachy oraz zmniejsza całkowitą ilość ciał stałych/osadu poprzez przekształcenie części frakcji lotnych ciał stałych (VS) w biogaz.
• Fermentacja beztlenowa. Proces ten można podzielić na trzy odrębne etapy, z których każdy jest realizowany przez inną grupę mikroorganizmów:
  • Hydroliza, podczas której białka, celuloza, lipidy i inne złożone substancje organiczne są rozbijane na mniejsze cząsteczki i stają się rozpuszczalne dzięki wykorzystaniu wody do rozszczepienia wiązań chemicznych tych substancji.
  • Fermentacja lotnych kwasów, podczas której produkty hydrolizy są przekształcane w kwasy organiczne poprzez biochemiczne procesy acidogenezy (gdzie monomery są przekształcane w kwasy tłuszczowe) i acetogenezy (kwasy tłuszczowe są przekształcane w kwas octowy, dwutlenek węgla i wodór).
  • Tworzenie metanu, podczas którego kwasy organiczne powstałe podczas fermentacji są przekształcane w metan i dwutlenek węgla.
• Kompostowanie pozostałości ścieków jest procesem bio-termiczno-tlenowym, w którym część organiczna pozostałości ulega rozkładowi o około 25%. Przed kompostowaniem konieczne jest odwodnienie pozostałości. Odwadnianie nie tylko zmniejsza objętość nadmiaru, ale także zmniejsza ilość wilgoci, która odparuje pod wpływem ciepła wytworzonego w procesie rozkładu organicznej części pozostałości, a także stabilizuje ją i przekształca nadmiar w użyteczne biosolidy. Problemem związanym z kompostowaniem surowych pozostałości jest intensywniejszy zapach pozostałości z większym udziałem materiału organicznego. W celu kontrolowania zapachu można stosować różne metody. Na ogół zapach kontroluje się przez dodanie wapna palonego (CaO) w celu zmiany pH pozostałości. Jeśli nieprzyjemny zapach nadal stanowi problem, prostą procedurę polegającą na zasysaniu powietrza przez pryzmę kompostową i odprowadzaniu go do biofiltra można dodatkowo zredukować.
• Suszenie. Rodzaj i populacja mikroorganizmów zmienia się w trakcie procesu kompostowania. Dlatego bardzo ważne jest kontrolowanie środowiska kompostowania, aby mikroorganizmy mogły się rozwijać. Parametry środowiska kompostowania obejmują temperaturę pryzmy kompostowej, zawartość wilgoci w kompoście, poziomy tlenu i dwutlenku węgla w pryzmie kompostowej oraz dostępność składników odżywczych, w tym węgla, azotu, fosforu i potasu dla mikroorganizmów. Parametry te należy monitorować, ponieważ wpływają one na żywotność mikroorganizmów. Tlen jest dostarczany do pryzmy kompostowej przez wprowadzenie powietrza. Ilość dostarczanego powietrza zależy od zawartości wilgoci w stosie kompostowym. Im wyższa zawartość wilgoci, tym większa ilość powietrza jest wymagana. Należy utrzymywać minimalny poziom tlenu, a poziom dwutlenku węgla nie może przekroczyć poziomu maksymalnego.

 

Źródło: https://pixabay.com/images/search/sewage%20sludge%20composting/

3.2 Odzysk substancji odżywczych

Odzyskiwanie substancji odżywczych to praktyka polegająca na odzyskiwaniu substancji odżywczych, takich jak azot i fosfor, ze strumieni zużytej wody, które w przeciwnym razie zostałyby wyrzucone, i przekształcaniu ich w przyjazny dla środowiska nawóz do celów ekologicznych i rolniczych. Proces ten pomaga oczyścić ścieki, usuwając z nich składniki odżywcze i ostatecznie przekształcając je w wydajny surowiec nadający się do ponownego wykorzystania. Mając na uwadze te cele, w branży oczyszczania ścieków opracowano różne procesy pozwalające na optymalne odzyskiwanie tych składników odżywczych.

Proces odzyskiwania substancji biogennych daje gminom możliwość generowania przychodów, a jednocześnie zapewnia przedsiębiorstwom rolniczym rafinowany, użyteczny fosfor – zasób naturalny, którego jest coraz mniej. Co więcej, umożliwia to jednostkom oczyszczania ścieków pełnienie funkcji nie tylko oczyszczalni, ale także jednostek odzyskujących zasoby, co zmienia postrzeganie tradycyjnego oczyszczania ścieków. Recykling składników odżywczych z oczyszczalni ścieków ma zatem pozytywny wpływ na środowisko, ponieważ zmniejsza zapotrzebowanie na konwencjonalne nawozy kopalne, a w konsekwencji ogranicza zużycie wody i energii.

Odzyskiwanie składników odżywczych ze ścieków może być prowadzone ze ścieków surowych, częściowo oczyszczonych oraz osadów ściekowych (biosolidów) [10].

Obecnie fosfor (P) jest odzyskiwany w oczyszczalniach ścieków głównie metodami chemicznymi, takimi jak proces krystalizacji struwitu, np. w technologiach Pearl, NuReSys i AirPrex, które zostały wdrożone na pełną skalę [11]. Obecnie w Europie odzyskuje się technicznie ponad 2000 Mg P/rok [12]. Głównymi problemami związanymi z krystalizacją struwitu są wysokie koszty chemiczne oraz niezamierzone tworzenie się struwitu, który blokuje zawory, rury, pompy itp. Mimo że wysokie koszty operacyjne ograniczają ekonomiczną wykonalność odzyskiwania składników odżywczych, system ten może przynieść wiele innych korzyści. Na przykład, odzyskiwanie składników odżywczych ze ścieków może znacznie ograniczyć produkcję osadów i niepożądanych osadów, dzięki czemu koszty utylizacji związane z nieoczekiwanymi substancjami mogą być lepiej kontrolowane lub nawet obniżone. Ponadto, odzyskiwanie składników odżywczych ze ścieków może poprawić odwadnianie oczyszczonych osadów i zmniejszyć szybkość osadzania się kamienia, co w obu przypadkach prowadzi do poprawy gospodarki ściekowej [14]. Odzysk substancji odżywczych może również zmniejszyć stężenie amonu i fosforanu w zrzucie ścieków z oczyszczalni, co zapobiega eutrofizacji środowisk wodnych. Jednak zarówno korzyści dla środowiska, jak i regulacje rządowe nie przyczynią się do odzyskiwania substancji biogennych, jeśli nie będzie wystarczających bodźców ekonomicznych.

Nowe technologie w odzyskiwaniu składników pokarmowych

Ye i in. 2020 zwrócili uwagę, że mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC), jako zaawansowana technologia odzyskiwania składników odżywczych, mogą generować energię elektryczną i oferować strefę wysokiego pH dla chemicznego strącania [15]. Technologia ta jest dość obiecująca dla odzyskiwania składników odżywczych. Dlatego MFC i jej modyfikacje powinny być szeroko badane w celu odzyskiwania składników odżywczych w oczyszczaniu ścieków.

W tym scenariuszu osmoza wstępna (FO), destylacja membranowa (MD) i elektrodializa (ED) to trzy główne technologie membranowe stosowane do odzyskiwania składników odżywczych. Procesy MD i ED są kompatybilne z MFC przy zastosowaniu MFC do odzyskiwania składników odżywczych z rozcieńczonych ścieków. Taka integracja może niewątpliwie zwiększyć jakość i ilość odzyskiwanych składników odżywczych i jest opłacalna w przyszłości. Innym ważnym aspektem jest zwiększenie beztlenowego uwalniania fosforanów w istniejących zbiornikach w odpowiednich ilościach [16]. Ponadto, właściwości roztworu zasilającego mogą decydować o wydajności bioreaktora membranowego poprzez bezpośredni wpływ na właściwości osadu, zanieczyszczenie membrany i strumień permeatu [17]. Jednak rola roztworu zasilającego w systemach OMBR nie została jeszcze wystarczająco przeanalizowana. Konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań w celu oceny wykonalności zastosowania różnych źródeł ścieków w odniesieniu do odzysku składników odżywczych i zaproponowania odpowiedniego wstępnego oczyszczania roztworu zasilającego, jeśli jest to konieczne. W ten sposób można zwiększyć techniczną wykonalność systemu odzyskiwania składników odżywczych, a także jego wydajność.

W przyszłości można się spodziewać, że nowe badania doprowadzą do dalszego rozwoju ekonomicznych systemów oczyszczania ścieków, a w szczególności osmotycznych bioreaktorów membranowych (OMBR) i systemów hybrydowych opartych na bioelektrochemii (BES).

Może to stworzyć nowe możliwości dla przedsiębiorców i firm rozpoczynających działalność.

3.3 Woda odzyskana

Dlaczego warto ponownie wykorzystywać oczyszczone ścieki?

Tylko 2,5% wody dostępnej na naszej planecie to woda słodka. W związku z szybkim wzrostem liczby ludności na świecie, przyspieszeniem urbanizacji i globalnym ociepleniem zasoby te stają się coraz rzadsze. Nadmierny pobór wody jest główną przyczyną jej niedoboru. Główne presje związane ze zużyciem wody koncentrują się na nawadnianiu i zapotrzebowaniu gospodarstw domowych, w tym turystyki. Wykorzystanie powtórnego użycia oczyszczonych ścieków jako alternatywnego źródła zaopatrzenia w wodę jest obecnie uznawane w międzynarodowych, europejskich i krajowych strategiach zrównoważonego rozwoju. Cel Zrównoważonego Rozwoju ONZ dotyczący wody (SDG 6) zakłada znaczne zwiększenie recyklingu i bezpiecznego ponownego wykorzystania wody na świecie do roku 2030. Ponowne wykorzystanie wody jest głównym priorytetem w strategicznym planie wdrażania europejskiego partnerstwa innowacyjnego na rzecz wody, a maksymalizacja ponownego wykorzystania wody jest celem szczegółowym określonym w komunikacie „Plan ochrony zasobów wodnych Europy”. Ponowne wykorzystanie oczyszczonych ścieków może przynieść znaczące korzyści środowiskowe, społeczne i ekonomiczne. Zgodnie z planem, ponowne wykorzystanie wody może poprawić stan środowiska zarówno pod względem ilościowym, jak i jakościowym, zmniejszając presję poprzez zastąpienie poboru wody. W porównaniu z alternatywnymi źródłami zaopatrzenia w wodę, takimi jak odsalanie lub przesyłanie wody, ponowne wykorzystanie wody często wymaga niższych kosztów inwestycji i energii, co zmniejsza emisję gazów cieplarnianych.

Ponowne wykorzystanie wody przynosi korzyści szerszemu sektorowi wodnemu, który jest kluczowym elementem ekoprzemysłu UE. Ponowne wykorzystanie wody ma znaczny potencjał, jeśli chodzi o tworzenie zielonych miejsc pracy w przemyśle związanym z wodą. Szacuje się, że zwiększenie tempa wzrostu przemysłu wodnego w UE o 1% mogłoby stworzyć do 20 000 nowych miejsc pracy [18]. Obecnie ilość oczyszczonych ścieków komunalnych ponownie wykorzystywanych w ciągu roku stanowi około 2,4% oczyszczonych ścieków komunalnych i mniej niż 0,5% rocznego poboru wody słodkiej w UE. Potencjał UE jest jednak znacznie większy – szacuje się, że jest on sześciokrotnie większy niż obecnie. Zarówno południowe państwa członkowskie, takie jak Hiszpania, Włochy, Grecja, Malta i Cypr, jak i północne, takie jak Belgia i Niemcy, podjęły już liczne inicjatywy w zakresie ponownego wykorzystania wody do nawadniania, celów przemysłowych i zasilania warstw wodonośnych. Cypr i Malta wykorzystują już ponownie odpowiednio ponad 90% i 60% swoich ścieków, podczas gdy Grecja, Włochy i Hiszpania wykorzystują ponownie od 5 do 12% swoich ścieków, co wyraźnie wskazuje na potencjał do dalszego rozwoju.

Ponowne wykorzystanie oczyszczonych ścieków z oczyszczalni do nawadniania rolnictwa i gruntów, celów przemysłowych, spłukiwania toalet i uzupełniania wód gruntowych jest kluczowym elementem obecnie wdrażanej strategii ukierunkowanej na uwalnianie słodkiej wody do użytku domowego, poprawę jakości ścieków z oczyszczalni, a w konsekwencji wyższą jakość wód rzecznych wykorzystywanych do poboru wody pitnej [19]. Wykorzystanie oczyszczonych ścieków do nawadniania w rolnictwie jest znane od wielu lat i może zapewnić dostawy wody zastępujące zapotrzebowanie rolnictwa oraz zmniejszyć lokalny stres wodny. Ponadto składniki odżywcze zawarte w ściekach zmniejszają potrzebę stosowania nawozów komercyjnych. Zaleca się wykorzystywanie ścieków z oczyszczania wtórnego do nawadniania upraw niespożywczych, a ścieków z oczyszczania trzeciego stopnia do nawadniania upraw spożywczych.

Ponowne wykorzystanie ścieków komunalnych może być planowane (bezpośrednie lub pośrednie) lub nieplanowane, co jest związane głównie z wykorzystaniem do celów innych niż pitne, choć zdarzają się przypadki nieplanowanego ponownego wykorzystania do celów pitnych. Ponowne wykorzystanie wody miejskiej dotyczy głównie nawadniania budynków mieszkalnych i zastosowań komercyjnych do ochrony przeciwpożarowej, mycia samochodów, spłukiwania toalet itp. Głównymi problemami związanymi z ponownym wykorzystaniem wody w miastach są: zagrożenia dla zdrowia ludzkiego i wysokie koszty podwójnych systemów dostarczania wody zregenerowanej [20]. W przypadku pośredniego ponownego wykorzystania wody pitnej wysokiej jakości ścieki z oczyszczalni ścieków są odprowadzane bezpośrednio do wód gruntowych lub powierzchniowych w celu uzupełnienia zasobów wody pitnej. Innym rozwiązaniem może być bezpośrednie ponowne wykorzystanie wody pitnej (pipe to pipe) polegające na bezpośrednim wprowadzeniu oczyszczonych ścieków do systemu dystrybucji wody [21].

Jednak bezpośrednie ponowne wykorzystanie wody pitnej znacznie zwiększa koszty operacyjne ze względu na bardzo wysokie wymagania dotyczące jakości ścieków. Istotny jest również brak akceptacji społecznej.

 

Źródło: https://pixabay.com/images/search/water%20garden/?pagi=2

Woda odzyskana dla procesów przemysłowych

W zależności od wymagań dotyczących jakości wody, ograniczeń przestrzennych i względów budżetowych dostępne są różne metody recyklingu lub ponownego wykorzystania wody przemysłowej. Korzyści mogą obejmować obniżenie kosztów świeżej wody, zmniejszenie przepływu ścieków oraz zmniejszenie śladu wodnego. Wraz z poprawą zdolności produkcyjnych może wzrosnąć wydajność operacyjna i zrównoważony rozwój dzięki zwiększeniu ilości dostępnej czystej wody.

Technologie

Z punktu widzenia oczyszczania ścieków, mikrofiltracja (MF), ultrafiltracja (UF), nanofiltracja (NF) i odwrócona osmoza (RO) są najbardziej rozpowszechnionymi membranowymi technikami separacji stosowanymi w przemyśle. Ostatnio wprowadzono także osmozę wstępną (FO) jako zaawansowaną technikę membranową do oczyszczania ścieków. W zastosowaniach przemysłowych wykorzystuje się szereg innych zaawansowanych technologii oczyszczania wody, w tym węgiel aktywny, wymianę jonową, dejonizację, elektrodeonizację, dezynfekcję UV (ultrafioletową) i ozonową oraz dozowanie chemiczne.

W oczyszczaniu ścieków technologia membranowa została uznana za kluczową dla oddzielania zanieczyszczeń z zanieczyszczonych źródeł [22]. Membrany są selektywnymi barierami, które oddzielają dwie różne fazy, umożliwiając przejście pewnych składników i zatrzymanie innych. Czynnikiem inicjującym procesy membranowe może być gradient ciśnienia oraz potencjał chemiczny lub elektryczny w obrębie membrany. Procesy membranowe polegają na fizycznej separacji, zwykle bez zmiany fazy i dodatku substancji chemicznych w strumieniu zasilającym, dlatego wyróżniają się jako alternatywna technika oczyszczania ścieków w stosunku do procesów konwencjonalnych (tj. destylacji, strącania, koagulacji/flokulacji, adsorpcji na węglu aktywnym, wymiany jonowej, oczyszczania biologicznego itp. Niskie zużycie energii, zmniejszenie liczby etapów przetwarzania, większa wydajność separacji i wyższa jakość produktu końcowego to główne zalety tych procesów [22-24]. Jednak ograniczona odporność chemiczna, mechaniczna i termiczna membran ogranicza ich zastosowanie. Wiele wysiłku włożono w poprawę zarówno strumienia, jak i selektywności membran. Co więcej, niektórzy badacze skupili się na kontrolowaniu zamulania membran, które jest najważniejszym problemem w zastosowaniu membran w oczyszczaniu ścieków. W rezultacie, wydajność membran znacznie wzrosła, a rynki komercyjne membran rozwijają się w ostatnich latach.

Sukces operacji membranowych w oczyszczaniu ścieków przypisuje się kompatybilności pomiędzy różnymi operacjami w zintegrowanych systemach. Oczyszczanie ścieków w systemach zintegrowanych pozwala obecnie na ograniczenie szkodliwego wpływu na środowisko, zmniejszenie zużycia wody gruntowej i energii oraz odzyskiwanie cennych związków jako produktu ubocznego. Bioreaktor membranowy (MBR), łączący filtrację membranową z oczyszczaniem biologicznym, jest uznawany za jeden z najbardziej udanych hybrydowych systemów membranowych w oczyszczaniu ścieków.

W różnych gałęziach przemysłu w oczyszczaniu ścieków stosuje się membrany ciśnieniowe, MBR, a także kombinacje membran w systemach hybrydowych.

 

 

 

 

Woda odzyskana do nawadniania

Rolnictwo jest zdecydowanie największym światowym konsumentem wody. Nawadnianie gruntów rolnych stanowi 70% wody zużywanej na całym świecie. W kilku krajach rozwijających się nawadnianie stanowi do 95% wszystkich zastosowań wody i odgrywa ważną rolę w produkcji żywności i bezpieczeństwie żywnościowym. Przyszłe strategie rozwoju rolnictwa w większości tych krajów zależą od możliwości utrzymania, ulepszenia i rozwoju rolnictwa nawadnianego.

Ponowne wykorzystanie wody jest powszechnie i z powodzeniem stosowane w kilku państwach członkowskich UE, a także np. w Izraelu, Kalifornii, Australii i Singapurze. Jednak w UE praktyka ta jest jak dotąd wykorzystywana w stopniu niewystarczającym. Za dwie główne przeszkody uniemożliwiające szersze rozpowszechnienie tej praktyki w UE uznano ograniczoną świadomość potencjalnych korzyści wśród zainteresowanych stron i ogółu społeczeństwa oraz brak wspierających i spójnych ram prawnych dla ponownego wykorzystania wody. Z tych powodów Komisja zaproponowała w 2018 r. rozporządzenie mające na celu promowanie ponownego wykorzystania wody, gdy jest ono opłacalne i bezpieczne dla zdrowia i środowiska.

Niedawno weszło w życie nowe rozporządzenie w sprawie minimalnych wymagań dotyczących ponownego wykorzystania wody do nawadniania rolnictwa, które ma stymulować i ułatwiać ponowne wykorzystanie wody w UE [25]. Komisja przygotowała także różne kluczowe dokumenty, które można znaleźć na stronie ec.Europa.eu [18].

Ze ścieków należy usunąć potencjalne patogeny. Jeśli organizmy chorobotwórcze nie są specjalnie przetwarzane podczas oczyszczania, należy dokładnie ocenić sposób wykorzystania oczyszczonych ścieków. Na skuteczne usuwanie mikroorganizmów patogennych i wskaźnikowych mają wpływ różne parametry [26]. Ocena technologii usuwania patogenów opiera się głównie na wskaźnikach zanieczyszczenia kałowego, takich jak całkowita liczba bakterii grupy coli, termotolerancyjne bakterie grupy coli lub Escherichia coli. Chlor, ultrafiolet (UV), ozon, stawy dojrzewania, CW, filtracja membranowa, filtracja wgłębna i metody elektrochemiczne to techniki stosowane do dezynfekcji [26]. Jeśli chodzi o stosowanie utleniaczy do dezynfekcji, podchlorynu sodu (NaClO) i ozonu, w literaturze można znaleźć kilka przykładów praktyk związanych z systemami rekultywacji do nawadniania. Oczyszczanie ultrafioletowe jest zalecane w kilku wytycznych jako najlepsza dostępna technologia dezynfekcji wody odzyskanej, która nie wiąże się z nadmiernymi kosztami, zwłaszcza w przypadku zastosowań wymagających wysokiego lub średniego kontaktu [26]. Jeśli chodzi o oczyszczanie biologiczne, stawy dojrzewania są uznawane za najlepsze rozwiązanie w kilku wytycznych, w tym WHO [27]. Metoda ta ma pewne zalety i wady. Więcej informacji można znaleźć na stronie TheWaterTreatments.com [28].

Jako alternatywa dla filtracji złożowej i oczyszczania chemicznego, filtracja membranowa jest technologią często uważaną za skuteczną w usuwaniu patogenów ze ścieków stosowanych w nawadnianiu. Wyniki badań wskazują, że całkowita redukcja wirusów jest możliwa przy zastosowaniu membrany Ultra Filtration (UF), co oznacza, że można pominąć proces dezynfekcji chemicznej [27].

W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się substancjom chemicznym zaburzającym gospodarkę hormonalną (EDC) ze względu na ich szkodliwy wpływ na ludzi i zwierzęta. Obecność EDCs w wodzie do nawadniania i glebach rolniczych może powodować skażenie produktów rolnych, stwarzając zagrożenie dla zdrowia ludzi. Nowe technologie usuwania EDC ze ścieków stwarzają nowe możliwości dla przedsiębiorców i firm rozpoczynających działalność.

Źródło: https://pixabay.com/images/search/agriculture%20water/?pagi=2

3.4 Odzyskiwanie energii

Odzyskiwanie energii w oczyszczalniach ścieków stanowi ważną dźwignię polityczną dla zrównoważonego rozwoju, ponieważ może znacząco zmniejszyć ślad węglowy związany z oczyszczaniem ścieków. Oczyszczanie ścieków wymaga znacznego zużycia energii. Analiza energii chemicznej i cieplnej zawartej w ściekach wykazuje, że jest jej nawet 14 razy więcej niż potrzeba do ich oczyszczenia. Chociaż znaczna część tej energii to ciepło niskiej jakości, osiągnięcie pozytywnego bilansu energetycznego w oczyszczalniach ścieków powinno być teoretycznie możliwe.

W oczyszczalniach ścieków odzysk energii może być realizowany poprzez [29-30]:

• Produkcja biogazu. W komorach fermentacyjnych w procesie fermentacji beztlenowej (AD) powstaje biogaz, który jest głównym źródłem energii w oczyszczalniach ścieków. Biogaz może być wykorzystywany do ogrzewania i/lub wytwarzania energii elektrycznej. Zwiększanie wydajności AD jest powszechną praktyką mającą na celu zwiększenie samowystarczalności energetycznej oczyszczalni ścieków.
• Pompy ciepła w ściekach z oczyszczalni ścieków, oraz
• Odzyskiwanie energii z różnych strumieni wysokotemperaturowych za pomocą wymiennika ciepła

Optymalizacja AD obejmuje różne metody wstępnej obróbki osadów ściekowych, mające na celu zwiększenie ich biodegradowalności. Obecnie najbardziej rozpowszechnionymi technologiami dostępnymi na rynku są mechaniczna i termiczna obróbka wstępna. Technologie hydrolizy termicznej (THP), takie jak Cambi, Biothelys, Exelys, są najczęściej stosowane w celu poprawy fermentacji beztlenowej w oczyszczalniach ścieków. Pierwsza oczyszczalnia ścieków w Ameryce Północnej (Waszyngton, DC, USA), w której zastosowano technologię Cambi, odnotowała 50% wzrost produkcji biogazu. Inną opcją jest współfermentacja osadów ściekowych z innymi odpadami ulegającymi biodegradacji, co zapewnia szereg korzyści ekonomicznych i środowiskowych. Współfermentacja odpadów organicznych w połączeniu z osadami ściekowymi nie tylko pozwala oczyszczalniom ścieków na osiągnięcie neutralności energetycznej, ale także na obniżenie kosztów gospodarowania odpadami organicznymi pochodzenia komunalnego i przemysłowego. Na przykład w Mossberg (Niemcy) od 10 lat stosuje się współfermentację osadów ściekowych z sześcioma różnymi substratami. Produkcja ciepła i energii w oczyszczalni ścieków w Mossbergu jest znacznie wyższa niż jej wewnętrzne zapotrzebowanie. Nadmiar energii jest przekazywany do sieci, natomiast nadmiar ciepła jest wykorzystywany do suszenia odwodnionych osadów z innych oczyszczalni ścieków.

Technologie najczęściej stosowane przez istniejące samowystarczalne oczyszczalnie ścieków to technologie skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej (CHP), które wytwarzają jednocześnie energię elektryczną i ciepło z biogazu. Niezawodnym i ekonomicznym źródłem ciepła do wykorzystania w pompach ciepła (HP) są ścieki z komunalnych oczyszczalni ścieków [31]. Ciepło z pomp ciepła może być wykorzystywane do ogrzewania i chłodzenia budynków mieszkalnych, socjalnych i administracyjnych zakładu i/lub sąsiadującej infrastruktury.

W duńskim mieście Odense oczyszczalnia ścieków dostarcza energię cieplną i elektryczną dla prawie 400 000 mieszkańców i osiągnęła 150-procentowy dodatni bilans energetyczny, wytwarzając energię elektryczną i cieplną dla lokalnej sieci. Transformacja była możliwa dzięki dokładnej analizie historycznych danych operacyjnych, która pozwoliła zidentyfikować szereg opcji optymalizacji zużycia energii, z których wiele zostało wdrożonych poprzez modyfikację strategii operacyjnych, a nie znaczącą modernizację sprzętu. Od momentu wprowadzenia początkowych zmian wprowadzono szereg ulepszeń w zakładzie, dzięki którym osiągnięto 200% pozytywnego bilansu energetycznego. Interwencje techniczne opierały się na przyjęciu bardzo jasnego sposobu myślenia o „neutralności węglowej” w całej organizacji, co z kolei doprowadziło do opracowania i zaangażowania się w realizację bardzo agresywnego korporacyjnego celu środowiskowego [32].

 

Źródło: https://www.billundbiorefinery.com/