Wprowadzenie do odzysku zasobów ze ścieków

W szybko rozwijającym się świecie gospodarka wodno‑ściekowa stoi przed wyzwaniem nie tylko neutralizacji zanieczyszczeń, ale również wykorzystania strumieni odpadów jako źródeł cennych surowców. W ostatnich latach koncepcja resource recovery zyskała na znaczeniu. Zamiast postrzegać ścieki jedynie jako problem, inżynierowie i naukowcy zaczęli patrzeć na nie jak na „miejski surowiec”, z którego można odzyskać energię, składniki mineralne oraz surowce dla przemysłu. Szczególną uwagę poświęca się osadowi ściekowemu – frakcji powstającej podczas oczyszczania, zawierającej materię organiczną, mikroorganizmy i często pierwiastki metaliczne. Tradycyjnie osad trafia na składowiska lub jest spalany; obie metody obciążają środowisko i nie przynoszą dodatkowych korzyści ekonomicznych. W niniejszym artykule przedstawiamy zaawansowaną metodę konwersji osadów ściekowych w zielony wodór i białko jednokomórkowe oraz uzupełniamy ją o przykład produkcji wodoru z biogazu w oczyszczalniach komunalnych.

Zielony wodór – czyli wodór wytwarzany bez emisji gazów cieplarnianych – jest uznawany za kluczowy nośnik energii w nadchodzącej transformacji energetycznej. Procesy odzysku wodoru z odpadów mają podwójną korzyść: redukują obciążenie środowiskowe poprzez usuwanie zanieczyszczeń i jednocześnie dostarczają paliwo dla przemysłu, transportu oraz magazynowania energii. Natomiast produkcja białka jednokomórkowego pozwala na wytworzenie wysokobiałkowej paszy dla zwierząt lub surowca do produkcji karmy, co przyczynia się do zwiększenia zrównoważenia produkcji żywności.

Wyzwania związane z osadami ściekowymi

Oczyszczalnie ścieków każdego dnia generują ogromne ilości osadów. Według szacunków UN‑Habitat globalnie powstaje ponad 100 mln ton osadów ściekowych rocznie, a ich ilość rośnie wraz z urbanizacją i industrializacją. Osady charakteryzują się złożonym składem: składają się z frakcji organicznej, minerałów, metali ciężkich, substancji chemicznych i mikroorganizmów. Utylizacja tego materiału jest kosztowna i często prowadzi do emisji gazów cieplarnianych oraz zanieczyszczeń wtórnych. Typowe metody obejmują suszenie i spalanie, kompostowanie bądź składowanie. Niestety spalanie osadów wiąże się ze znacznym zużyciem energii i emisją CO₂, a składowiska wymagają dużych powierzchni i generują odcieki oraz gazy składowiskowe.

W ostatniej dekadzie pojawiły się koncepcje gospodarki cyrkularnej w branży wodno‑ściekowej, w których osad nie jest problemem, lecz surowcem. Zawarta w nim materii organicznej można użyć do produkcji biogazu (głównie metanu i dwutlenku węgla) w procesie fermentacji beztlenowej. Biogaz jest spalany w silnikach gazowych lub turbinach kogeneracyjnych wytwarzając energię elektryczną i ciepło. Jednakże tradycyjna fermentacja anaerobowa ma kilka ograniczeń: sprawność konwersji jest niska, powstaje duża ilość ścieków poreakcyjnych, a osad pofermentacyjny wciąż wymaga dalszej utylizacji.

Alternatywą jest zaawansowana hydroliza chemiczna, piroliza lub gazyfikacja osadów – procesy te prowadzą do wytworzenia gazów palnych (syntezy). Jednakże wymogi temperaturowe i presyjne są wysokie, co generuje znaczne koszty energetyczne. Poszukuje się zatem technologii, które będą w stanie w sposób zrównoważony przekształcić osady w produkty wartościowe przy minimalnym zużyciu energii i emisji. W tym kontekście rozwinięta przez zespół z Nanyang Technological University (NTU) koncepcja wykorzystania energii słonecznej do konwersji osadu ściekowego w wodór i białko stanowi przełom.

Słoneczna konwersja osadu ściekowego na wodór i białko

Innowacyjna metoda opracowana na NTU jest trzyetapowym procesem łączącym mechaniczne rozdrobnienie, separację chemiczną oraz konwersję elektrochemiczną zasilaną energią słoneczną. W pierwszym etapie osad jest fizycznie rozdrabniany, co zwiększa powierzchnię kontaktu i poprawia uwalnianie związków organicznych. Następnie zostaje poddany obróbce chemicznej, która oddziela szkodliwe metale ciężkie od składników organicznych. Wyizolowany komponent organiczny zawiera węglowodany, białka i tłuszcze – jest on bogatym substratem dla dalszych reakcji.

Drugi etap polega na elektrochemicznej konwersji organicznej części osadu przy użyciu specjalnych elektrod i energii pochodzącej ze słońca. Proces ten prowadzi do wytworzenia kwasu octowego oraz wodoru. Elektroda anodowa katalizuje utlenianie związków organicznych do małocząsteczkowych kwasów, podczas gdy na katodzie zachodzi redukcja wody do czystego wodoru. Kluczowym elementem jest zasilanie modułów prądem pochodzącym z ogniw fotowoltaicznych, dzięki czemu całe urządzenie może pracować bez konieczności przyłącza do sieci elektroenergetycznej. W badaniach pilotowych uzyskano produkcję do 13 l wodoru na godzinę, a sprawność energetyczna procesów elektrochemicznych osiągnęła około 10 %, co jest lepszym wynikiem niż w przypadku wielu instalacji wytwarzających wodór konwencjonalnie (np. elektrolizerów zasilanych z sieci energetycznej). Ponadto emisja CO₂ została zredukowana o 99,5 % w porównaniu z tradycyjnymi metodami utylizacji osadów, a zużycie energii spadło o 99,3 %.

W ostatnim etapie, po elektrochemicznej konwersji, pozostały strumień odżywczy trafia do bioreaktora z mikroorganizmami światłoczułymi. Bakterie te, pobudzane światłem, syntetyzują białko jednokomórkowe z substancji rozpuszczonych. Białko to może być wykorzystane jako pasza dla zwierząt hodowlanych lub jako dodatek do karmy dla zwierząt domowych. Testy laboratoryjne wskazują, że metoda odzyskuje 91,4 % węgla zawartego w osadzie i konwertuje 63 % w białko, przy braku powstawania szkodliwych produktów ubocznych. Cały proces wpisuje się w ideę gospodarki o obiegu zamkniętym, zmieniając osady ściekowe z obciążenia w cenny surowiec.

Korzyści i wyzwania technologii NTU

Potencjalne zalety słonecznej konwersji osadów są wielowymiarowe. Po pierwsze, zmniejszenie ilości osadów przeznaczanych na składowiska lub spalanie ogranicza emisję gazów cieplarnianych i zapobiega powstawaniu zanieczyszczeń wtórnych. Po drugie, wytwarzanie zielonego wodoru umożliwia oczyszczalniom częściową samowystarczalność energetyczną; wodór może być używany jako paliwo do napędu generatorów, pojazdów terenowych lub do magazynowania energii. Po trzecie, produkcja białka jednokomórkowego otwiera nowy strumień przychodów: wysokobiałkowa mączka może zastąpić importowane pasze i zmniejszyć presję na rolnictwo. Dodatkowym produktem jest kwas octowy, który znajduje zastosowanie w przemyśle chemicznym, spożywczym oraz farmaceutycznym.

Mimo licznych zalet technologia ta stoi też przed wyzwaniami. W badaniach prowadzonych na skalę laboratoryjną i półtechniczną nie ma jeszcze doświadczeń z dużych instalacji komunalnych. Jednym z kluczowych aspektów jest koszt elektrod i ogniw fotowoltaicznych oraz ich trwałość w środowisku o wysokiej zawartości jonów i związków organicznych. Ponadto projektowanie reaktora elektrochemicznego musi uwzględniać równowagę między wydajnością produkcji wodoru a zapewnieniem bezpiecznych warunków pracy (np. zapobieganie wydzielaniu metanu czy siarkowodoru). Kolejną trudnością może być pełna sterylizacja osadu w celu uniknięcia ryzyka związania się metali ciężkich z produktem białkowym. Dlatego kontynuowane są badania nad optymalizacją materiałów elektrodowych, kondycjonowaniem osadu oraz bioreaktorami światłoczułymi.

Perspektywy komercjalizacji są jednak obiecujące. NTU wskazuje, że podobne moduły mogłyby być instalowane w średnich i dużych oczyszczalniach, a nawet w zakładach przemysłowych generujących osady organiczne, np. browarach lub przetwórniach spożywczych. Dzięki modułowej konstrukcji można stopniowo zwiększać moce produkcyjne, a energię słoneczną wykorzystać zarówno z instalacji dachowych, jak i z farm fotowoltaicznych na terenach oczyszczalni.

Produkcja wodoru z biogazu – system H₂Gen

Niezależnie od technologii NTU, coraz większe zainteresowanie budzą systemy wytwarzające wodór z biogazu powstającego podczas fermentacji beztlenowej osadów. Biogaz zawiera głównie metan (CH₄) i dwutlenek węgla (CO₂). Po oczyszczeniu i separacji może zostać wykorzystany jako paliwo lub surowiec do syntezy innych związków. Jednym z przykładów jest system H₂Gen rozwijany przez amerykańską firmę Utility Global we współpracy z koreańską spółką Hanwha. W ramach studium wykonalności oceniane jest wdrożenie tego systemu w południowokoreańskich oczyszczalniach ścieków. Projekt zakłada produkcję wodoru wysokiej czystości z biogazu generowanego w instalacjach fermentacji oraz wykorzystanie go w sektorze transportu wodorowego, który w Korei dynamicznie się rozwija. System H₂Gen jest modułowy i skalowalny, co pozwala dostosować wielkość instalacji do ilości dostępnego biogazu. Istotne jest to, że proces nie wymaga zewnętrznego zasilania elektrycznego – energia chemiczna zawarta w biogazie umożliwia produkcję wodoru i generuje strumień CO₂ o wysokim stężeniu, ułatwiający późniejszy wychwyt dwutlenku węgla.

Dzięki takiej koncepcji oczyszczalnie mogą zwiększyć wartość ekonomiczną fermentacji beztlenowej, wykorzystując całą energię chemiczną metanu do wytwarzania produktu, który znajduje zbyt w gospodarce niskoemisyjnej. Co ważne, projekt wymaga jedynie niewielkich modyfikacji istniejącej infrastruktury – biogaz jest kierowany do modułu H₂Gen, gdzie poddawany jest konwersji poprzez reforming i separację membranową. W ciągu ostatnich lat rozwinięto również technologie wzbogacania metanu i usuwania siarkowodoru, co zwiększa efektywność pracy instalacji wodorowych.

Poza Koreą technologia produkcji wodoru z biogazu jest testowana także w innych regionach, np. w Skandynawii i Stanach Zjednoczonych. W Polsce zainteresowanie rośnie w kontekście programów wodorowych oraz konieczności modernizacji oczyszczalni ścieków. Włączenie modułów wodorowych do istniejących instalacji może pomóc zakładom w spełnieniu zaostrzonych norm emisji gazów cieplarnianych i tworzyć nowe źródła przychodów ze sprzedaży wodoru lub jego wykorzystania we własnej flocie pojazdów.

Perspektywy i kierunki rozwoju

Technologie odzysku zasobów z osadów ściekowych wpisują się w szersze trendy transformacji energetycznej i gospodarki o obiegu zamkniętym. W najbliższych latach możemy oczekiwać wzrostu liczby instalacji demonstracyjnych wykorzystujących zarówno słoneczny reaktor NTU, jak i system H₂Gen. Dużym wyzwaniem będzie przejście od badań laboratoryjnych do przemysłowej skali, co wymaga wsparcia regulatorów, inwestorów i operatorów oczyszczalni.

W obszarze rozwoju technologii NTU badacze koncentrują się na obniżeniu kosztów i zwiększeniu trwałości elektrod. Prowadzone są badania nad wykorzystaniem nowych materiałów, takich jak katalizatory oparte na metalach ziem rzadkich czy tlenkach metali przejściowych, które zwiększają wydajność produkcji wodoru. Kolejnym kierunkiem jest integracja procesu z innymi technologiami odzysku, np. wytwarzaniem biopolimerów z osadu lub ekstrakcją metali. W obszarze systemów wodorowych z biogazu rozwijane są wysokotemperaturowe membrany ceramiczne, które umożliwiają selektywne oddzielanie wodoru w warunkach przemysłowych. Dodatkowo prowadzone są prace nad magazynowaniem wodoru i jego bezpiecznym transportem w instalacjach oczyszczalni.

Nie bez znaczenia pozostają regulacje prawne i zachęty ekonomiczne. Komisja Europejska w ramach strategii wodorowej dąży do stworzenia rynku wodoru w Europie, a krajowe programy dotacyjne promują projekty związane z energią odnawialną i gospodarką obiegu zamkniętego. Oczyszczalnie będą musiały dostosować swoje plany inwestycyjne, aby wykorzystać te możliwości i przekształcić się z tradycyjnych zakładów neutralizujących zanieczyszczenia w nowoczesne huby surowcowo‑energetyczne. W dłuższej perspektywie technologie odzysku zasobów mogą także zwiększyć odporność miast na kryzysy energetyczne oraz wspierać lokalne systemy żywnościowe.

Podsumowanie i wnioski

Opracowywane na całym świecie technologie konwersji osadów ściekowych potwierdzają, że strumienie odpadowe mogą być źródłem wartościowych surowców. Słoneczny reaktor zaproponowany przez zespół NTU to przykład synergii między inżynierią środowiskową a energią odnawialną – wykorzystuje energię słońca do wyprodukowania wodoru i białka jednokomórkowego przy znacznie mniejszym zużyciu energii i emisji niż tradycyjne metody. Z kolei system H₂Gen pokazuje, jak istniejące procesy fermentacji beztlenowej można wzbogacić o produkcję czystego wodoru, który staje się coraz bardziej poszukiwanym paliwem w gospodarce niskoemisyjnej.

Choć technologia jest na etapie badań i wczesnych wdrożeń, rosnące zainteresowanie przemysłu oraz wsparcie instytucjonalne sugerują, że w perspektywie dekady może stać się jednym z filarów zrównoważonej gospodarki wodno‑ściekowej. Jednocześnie należy pamiętać o wyzwaniach związanych z skalowaniem, bezpieczeństwem i kosztem inwestycji. Niezbędne będzie interdyscyplinarne podejście łączące inżynierię, ekonomię, zarządzanie oraz politykę środowiskową. Sukces takich projektów może otworzyć nową erę, w której oczyszczalnie przekształcą się w fabryki produkujące energię i surowce potrzebne dla innych sektorów gospodarki.

Źródła

• ScienceDaily – „Scientists develop solar‑powered method to convert sewage sludge into green hydrogen and animal feed” – artykuł opisujący trzyetapowy proces słonecznej konwersji osadu ściekowego na wodór i białko.
• Media Utility Global – „Utility Global and Hanwha E&C Division to collaborate on cost‑effective clean hydrogen production using biogas from wastewater treatment facilities” – komunikat o planach wdrożenia systemu H₂Gen w koreańskich oczyszczalniach ścieków.
• Dodatkowe źródła naukowe i branżowe dotyczące fermentacji beztlenowej, gospodarki cyrkularnej oraz technologii membranowych stosowanych przy produkcji wodoru.