Энергоэффективные очистные сооружения

Производство биотоплива на основе микроводорослей характеризуется целым рядом преимуществ:

• высокая производительность с единицы занимаемой площади,
• использование незанятых необрабатываемых земель,
• высокое липидное содержание биомассы,
• низкая эмиссия парниковых газов.

В то же время анализ жизненного цикла производства биотоплива из микроводорослей, основывающийся на водном следе и воздействии на окружающую среду, позволяет сделать вывод о том, что культивирование микроводорослей является наиболее экономичным вариантом обработки сточных вод, которые в свою очередь представляются перспективным субстратом для данного производства.

Обработка сточных вод с получением биомассы микроводорослей создает возможность одновременного производства энергии и удаления биогенов (азот и фосфор), что, при решении соответствующих технологических проблем, будет иметь преимущества перед биологическим удалением биогенов, связанным с высокими энергозатратами и повышенной эмиссией парниковых газов.

Существуют предварительные оценки, свидетельствующие о высокой энергоэффективности одновременного удаления биогенов из сточных вод и культивирования микроводорослей. Кроме этого, помимо удаления биогенов возможно удаление некоторых тяжелых металлов и следов других элементов. В то же время, несмотря на существенные потенциальные преимущества, производство биотоплива из микроводорослей с использованием в качестве субстрата сточных вод не практикуется еще в промышленном масштабе из-за наличия ряда нерешенных проблем.

Проблемы производства биомассы водорослей из сточных вод имеются в каждом звене технологической схемы [9]. В отличие от прогнозируемых результатов культивирования микроводорослей в пресной воде, в случае сточных вод скорость роста и состав микроводорослей изменяются в зависимости от исходных параметров субстрата. Липидный состав и другие характеристики определяют выбор видов водорослей для культивирования в пресной воде. Когда в качестве субстрата используют сточные воды, выбор типа водорослей увязывают с характеристиками сточной воды.

Описан опыт культивирования пресноводных водорослей Clorella zofingiensis в сточных водах свинофермы шести различных концентраций. При том, что биогены были успешно удалены в каждом случае, удельная скорость роста и выход биомассы микроводорослей были различными, и липидное содержание уменьшалось с ростом исходной концентрации биогенов, что оказывает влияние на эффективность совместного удаления биогенов и производства биодизельного топлива из монокультуры микроводорослей, культивируемых на сточных водах свинофермы.

В процессе культивирования микроводорослей идеальным является получение высокого выхода биомассы с высоким липидным содержанием. Однако получение данных показателей возможно только в результате компромисса.

Обычным при использовании сточных вод в качестве субстрата является повышенное содержание биогенов. Это усиливает рост биомассы микроводорослей, но снижает содержание липидов. Водоросли, выращенные в сточных водах, имеют обычно низкое липидное содержание в сравнении с условиями с ограниченным уровнем азота в субстрате.

В нескольких работах показана возможность повышения содержания липидов без понижения выхода биомассы. Так установлено, что подача экзогенного СО₂ при культивировании Auxenochlorella protothecoides увеличивает и липидное содержание и выход биомассы. Кроме этого, компромисс между липидным содержанием и производительностью по биомассе может быть преодолен путем культивирования поликультуры микроводорослей [10].

Из-за сложного состава сточных вод поликультура микроводорослей, вероятно, имеет преимущества в сравнении с монокультурой. Однако выход биомассы не всегда коррелирует с многообразием видов микроводорослей, в некоторых случаях отмечено снижение выхода поликультуры в сравнении с монокультурой, что указывает на необходимость обоснованного выбора состава поликультуры.

Другим ограничением, сдерживающим полномасштабное применение культивирования микроводорослей для удаления биогенов и производства энергии, является энергоемкий процесс сбора микроводорослей. Обычно требуется один или несколько этапов разделения фаз для концентрирования биомассы. Перспективной здесь считается мембранная технология. Сообщается об использовании половолоконной полихлорвиниловой мембраны для 150-кратного концентрирования суспензии микроводорослей при постоянном давлении 34,5 кПа. В данном случае обратная промывка проводилась каждые 15 мин [11].

Наряду с совершенствованием процесса отделения биомассы внимание уделяют иммобилизационному культивированию микроводорослей с получением биомассы с меньшим содержанием воды. В этом случаем перспективным в качестве матрицы считается альгинат [12].

Не все микроводоросли успешно культивируются на матрице. Показано успешное культивирование иммобилизованных микроводорослей Chlorella sorokiniana на альгинате кальция. Достигнуто большее удаление фосфатов и аммония в сравнении с суспендированными микроводорослями. Также микроводоросли Gloeocapsa gelatinosa на альгинате кальция эффективно удаляли нитраты и фосфаты. В настоящее время, однако, крупномасштабное использование полимерных матриц ограничивается их высокой стоимостью. Различные биопленочные системы, включая биопленочный фотобиореактор, вращающийся биопленочный реактор с барабаном для сбора водорослей, рекомендуются в качестве эффективных систем для получения биомассы высокой плотности.

Следующей стадией после сбора водорослей является их конвертирование в жидкое биотопливо или биогаз. Традиционные методы экстракции липидов не подходят для микроводорослей, выращенных на сточных водах. В данном случае, ввиду более низкого в сравнении с пресноводными культурами содержанием липидов, целесообразно использовать гидротермическое сжижение, не требующее предварительной сушки. Кроме этого, сырое биотопливо может быть получено не только из липидной фракции водорослей, но и из карбогидратов и протеинов.

Перспективными для извлечения энергии, вне зависимости от липидного содержания, является анаэробное сбраживание и совместное сбраживание с активным илом. Показана осуществимость анаэробного сбраживания Micracinium nov. и Chlorella sp., выращенных на смеси центрата обезвоживания избыточного активного ила и сточных вод после первичной обработки. В обоих случаях повышены эффективность удаления летучих твердых веществ избыточного активного ила и выход биогаза. Сходные результаты получены при совместном сбраживании Spirulina platensis и Chlorella sp., выращенных на смеси центрата обезвоживания избыточного активного ила и сточных вод после нитрификации [13].

Автор статьи: Кофман Владимир Яковлевич