Путь к экономике замкнутого цикла

Путь к будущей экономике замкнутого водного цикла

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИООЧИСТКИ ОСАДКА В ЗАМКНУТОМ ЦИКЛЕ

Утилизация осадка сточных вод - это значительная и растущая стоимость коммунальных услуг. GWI рассматривает потенциал технологического проектирования для максимального извлечения ресурсов, чтобы создать биоочистку и извлечь выгоду из стоимости отходов.

Растущий рынок для устойчивых возможностей

По оценкам GWI, общие глобальные расходы на утилизацию шлама достигнут 15,5 миллиардов долларов в 2022 году, и эта цифра будет расти по мере роста населения и сокращения маршрутов утилизации. Это особенно ощущается на развитых рынках, таких как Европа, где правила утилизации становятся все более строгими.

Германия, например, приняла законодательство, которое запретит использование шлама на суше в качестве пути утилизации с 2032 года – вслед за аналогичными запретами, действующими в Нидерландах и Швейцарии. Однако появляющиеся инновации в технологии рекуперации ресурсов могут позволить компенсировать затраты на утилизацию осадка за счет внедрения множества потоков, генерирующих ценность.

Концепция биоочистного завода рассматривает потенциал перепроектирования установок по переработке ила для извлечения выгоды из таких источников дохода. Вместо того, чтобы сосредотачиваться на уменьшении объемов отходов, эти установки могут быть тщательно спроектированы для максимального извлечения ресурсов на каждом этапе очистки. Вдохновляясь опытом нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, где процессы разработаны для максимальной эффективности и получения прибыльных конечных продуктов, биоочистные заводы могут использовать сточные воды в качестве сырья для производства ценных продуктов.

Внедряя этот процесс рекуперации ресурсов в процесс очистки осадка сточных вод, биоочистки могут также способствовать переходу к экономике замкнутого цикла, поскольку восстановленные продукты могут снизить потребность в производстве сырья. Хотя полностью максимизированное извлечение ресурсов из шлама все еще может быть футуристической мечтой, захватывающей умы инженеров–технологов биоресурсов, а не планы среднего предприятия, инновационные технологии уже воплощают многие аспекты биоочистки в реальность.

Какие ресурсы могут быть извлечены на биоочистке?

Повышенный акцент на переработке и повторном использовании отходов приводит к более высокой оценке ресурсов, которые они содержат. Осадок сточных вод обладает огромным потенциалом для использования в коммунальных целях, причем многие из них уже извлекают энергию, фосфор и азот с помощью процессов анаэробного сбраживания и извлечения питательных веществ соответственно. Предпринимаются предварительные шаги по извлечению биополимеров и производству водорода, а в будущем может стать более целесообразным извлечение летучих жирных кислот и целлюлозы. Следовательно, концепция биоочистки может превратить управление шламом из необходимых затрат в ценную возможность и предложить устойчивую потенциальную бизнес-модель.

Как можно видеть, существует множество возможных путей извлечения ресурсов из потока обработки осадка сточных вод. Однако уровень готовности используемых технологий к рынку значительно варьируется. Улавливание биогаза в результате анаэробного сбраживания, например, широко используется на коммерческой основе в качестве процесса выработки энергии как для использования на месте, так и для экспорта в национальные сети. Одним из развивающихся рынков, пока имеющих ограниченное применение, но демонстрирующих большой потенциал, является утилизация аммиака.

Сокращение выбросов и создание ценности за счет рекуперации аммиака

Извлекая и повторно используя аммиак при обработке осадка, коммунальные предприятия могут соответствовать нормативным стандартам по загрязнению биогенными веществами, производя дополнительный продукт. Кроме того, когда аммиак остается в шламе, он выделяет высокоэффективный парниковый газ закись азота (N2O), при этом утилизация аммиака является новой стратегией по снижению этих выбросов. По оценкам моделей GWI, на долю N2O, выделяющегося при утилизации осадка, приходится 5,2 миллиона тонн выбросов в углеродном эквиваленте во всем мире каждый год; это составляет 32 процента выбросов парниковых газов при утилизации осадка.

Щелоки и конденсаты, образующиеся при переработке осадка, содержат высокий уровень аммиака. Британская инжиниринговая компания Atkins сообщает, что 2-3% от общего объема производства аммиака в Великобритании может быть компенсировано за счет извлечения из осадка. Ключевыми технологиями для достижения такого восстановления являются химическая и термическая очистка от аммиака, обе из которых могут быть применены при обработке щелоков. Среди компаний, предлагающих эти решения, Anaergia, Organics Group и Nijhuis Saur.

После извлечения аммиака наиболее распространенным конечным применением является производство удобрений вместо аммиака, получаемого с помощью доминирующего, но зависимого от ископаемого топлива процесса Haber-Bosch. Эта отрасль, требующая повышенного потребления аммиака, предоставляет возможность для двукратного сокращения выбросов: замена углеродоемкого нового материала переработанным материалом, снижающим выбросы.

Меняющиеся перспективы распространения в сельском хозяйстве

Учитывая высокую питательную ценность шлама, неудивительно, что извлечение аммиака - не единственный вклад, который шламовые заводы могут внести в производство удобрений. Разбрасывание шлама в сельском хозяйстве является распространенным методом утилизации, обеспечивающим получение прибыли, при этом предоставляя фермерам вариант внесения удобрений, который значительно дешевле синтетических удобрений.

Этот способ утилизации обычно доступен для осадка, который был подвергнут сбраживанию для стабилизации, чтобы уменьшить количество патогенов и запахов, создавая растекающийся дигестат. В Великобритании, например, по данным регулятора Ofwat, более 90% утилизируемого осадка сточных вод перерабатывается на сельскохозяйственных угодьях. Эта практика также доминирует в Испании, Австралии и Китае.

Однако опасения по поводу высокой потенциальной концентрации питательных веществ, тяжелых металлов и возникающих загрязняющих веществ (таких как PFAS, микропластики и фармацевтические препараты) в дигестате влияют на доступность сельского хозяйства, распространяющегося в качестве пути утилизации. Это можно увидеть в Швейцарии и Нидерландах, где законодательство в настоящее время запрещает распространение дигестата на суше.

Аналогичным образом, в 2032 году вступит в силу Постановление Германии об осадке сточных вод от 2017 года, запрещающее использование земли заводами, численность населения которых превышает 50 000 человек. В то время как в некоторых странах существуют стандарты, обеспечивающие качество осадка для разбрасывания – например, с помощью Схемы обеспечения биосолидности в Великобритании и стандартов EPA biosolid в США – сохраняется неопределенность в отношении будущего разбрасывания дигестата.

Биоуголь: на что стоит посмотреть

Одной из набирающих популярность альтернатив перевариванию является биоуголь. Биоуголь - это высокоуглеродистое твердое вещество, получаемое в результате термохимической обработки осадка с использованием процессов пиролиза или газификации. Было показано, что эта высокотемпературная обработка удаляет PFAS и другие загрязняющие вещества, вызывающие озабоченность, из получаемого биоугля.

Кроме того, биоугольные удобрения не растворимы в воде, и питательные вещества высвобождаются медленно, что ограничивает проблемы эвтрофикации, связанные с утечкой питательных веществ в поверхностные воды. Эта высокая стабильность еще больше повышает привлекательность биоугольных удобрений, поскольку их эффективность измеряется столетиями – по сравнению с неделями эффективности синтетических удобрений. Наконец, биоуголь служит стабильной формой улавливания углерода, тем самым поддерживая целевые показатели по нулевым выбросам углерода, устанавливаемые растущим числом коммунальных предприятий.

Однако рынок биоуглей все еще развивается. В настоящее время изучается множество альтернативных применений продукта, в то время как такие компании, как Anaergia, Kore Infrastructure, Pyreg и Aqua Green, лидируют на рынке биоугольных удобрений. Кроме того, нормативные барьеры, такие как Регламент ЕС по удобрениям, который был обновлен в июле 2022 года и исключает осадок сточных вод в качестве приемлемого сырья для биоугольных удобрений, в настоящее время ограничивают объем рынка.

Некоторые государства–члены ЕС, включая Чешскую Республику, Данию и Швецию, недавно взяли дело в свои руки, введя регулирование на уровне страны, которое позволяет биоуглю из осадка сточных вод поступать на рынки удобрений. Кроме того, организация по промышленным стандартам European Biochar Certificate проводит проверку, в результате которой осадок сточных вод может быть включен в качестве разрешенного сырья для удобрений; этот шаг может привести к более широким изменениям на уровне ЕС. Если и когда законодательный ландшафт изменится, чтобы лучше поддерживать биоуголь осадка сточных вод, может возникнуть значительный потенциал для роста.

Путь к будущей экономике замкнутого цикла

Наряду с законодательной поддержкой, как уже отмечалось, по-прежнему необходимо технологическое развитие для эффективного извлечения многих ресурсов, содержащихся в осадке. Например, летучие жирные кислоты начинают вызывать ажиотаж в отрасли, но процессы извлечения еще предстоит продемонстрировать. Растущий энтузиазм в отношении принципов круговой экономики, однако, поощряет исследования и разработки в области того, как такие ресурсы могут быть преобразованы в ценность снова. Это можно увидеть в таких возможностях финансирования, как Инновационный фонд Ofwat и Европейский фонд Horizon, которые доступны для поддержки внедрения устойчивых новых технологий на ранних стадиях.

По мере развития технологий и внедрения таких инновационных решений в водном секторе в ближайшее десятилетие появятся возможности для создания значительной стоимости. Хотя изменения, вероятно, будут постепенными, биоочистка может продемонстрировать возможность полностью внедрить принципы замкнутой экономики в сектор сточных вод и замкнуть ресурсный цикл за счет минимизации потерь материалов. Все эти меры позволяют экономить водные питьевые ресурсы для будущих поколений.