Odsalanie dzięki bakteriom
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu MIDES(odnośnik otworzy się w nowym oknie) postanowił zająć się rozwiązaniem tego problemu, opracowując i uruchamiając pierwszy na świecie przemysłowy prototyp oparty na technologii mikrobiologicznych ogniw odsalających(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. microbial desalination cells, MDC). „W ramach naszych prac wykorzystaliśmy MDC do obróbki wstępnej przed procesem odwróconej osmozy(odnośnik otworzy się w nowym oknie), co pozwoliło na jednoczesne odsalanie i uzdatnianie wody”, opisuje koordynator projektu Frank Rogalla. Odwrócona osmoza jest obecnie najszerzej stosowaną metodą odsalania, jednak jej wykorzystywanie wiąże się z koniecznością zapewniania wysokiego ciśnienia, co przekłada się na zużycie energii wynoszące co najmniej 3 kWh/m3 wody morskiej. Inne technologie są jeszcze bardziej energochłonne. Zastosowanie ogniw mikrobiologicznych pozwala na obejście tego ograniczenia dzięki wsparciu procesu odwróconej osmozy i wytwarzaniu energii wykorzystywanej w procesie odsalania. W ogniwach MDC wykorzystywane są bioelektroaktywne bakterie Geobacter(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które przetwarzają energię zawartą w materii organicznej obecnej w ściekach w energię elektryczną. Różnica potencjałów pomiędzy elektrodami powoduje oddzielenie soli przez membrany jonowymienne, co pozwala na odsalanie wody morskiej i słonawej bez potrzeby zapewniania dodatkowego zasilania. „Takie rozwiązanie pozwala na ograniczenie zapotrzebowania na energię elektryczną o co najmniej rząd wielkości w porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań wykorzystujących odwróconą osmozę”, wyjaśnia Rogalla.
Od laboratorium do zakładu pilotażowego
Zaangażowani w prace partnerzy byli w stanie obejść dotychczasowe ograniczenia technologii MDC – niską szybkość odsalania, wysoki koszt produkcji oraz problemy związane z zanieczyszczeniami biologicznymi oraz osadami na membranach – optymalizując mikrobiologiczny proces elektrochemiczny. Udało im się to osiągnąć dzięki kompleksowemu procesowi zwiększania skali rozwiązania, który obejmował między innymi nowatorskie jonowymienne membrany odporne na zanieczyszczenia, a także nowe elektrody węglowe. Co więcej, badacze wdrożyli podejście oparte na gospodarce o obiegu zamkniętym, wykorzystując tworzywa sztuczne pochodzące z recyklingu do konfiguracji ogniw oraz baterii MDC. W celu optymalizacji procesu opracowali również matematyczne modele symulacyjne w oparciu o wyniki poprzednich etapów projektu – badań laboratoryjnych, a także faz przedpilotażowej i pilotażowej. Ponadto prace objęły także wdrożenie nowych parametrów operacyjnych oraz protokołów czyszczenia membran, które przyczyniły się do usprawnienia reakcji bioelektrycznych. Po udanym zwiększeniu skali rozwiązania zespół projektu MIDES zaprojektował i zbudował dwa prototypy – każdy stanowił jedną baterię złożoną z 15 ogniw MDC o łącznej powierzchni 0,4 m2. „Oba prototypy pozwalają na przetwarzanie tysięcy litrów wody słonawej i morskiej dziennie przy bardzo niskim zużyciu energii”, mówi Rogalla. Pierwsza pilotażowa instalacja rozwiązania MIDES w hiszpańskim mieście Dénia obejmuje urządzenia do wstępnego oczyszczania wody słonawej i ścieków, a także ogniwa MDC oraz system odwróconej osmozy pod niskim ciśnieniem. Drugi obiekt na hiszpańskiej Teneryfie wykorzystuje ogniwa w celu wstępnego odsalania wody morskiej, któremu towarzyszy dalsze uzdatnianie przy pomocy odwróconej osmozy. W wyniku tego procesu powstaje woda pitna bez konieczności dostarczania energii z zewnątrz.
Korzyści dla społeczności wiejskich i miejskich
Dzięki opracowaniu połączonego systemu odsalania wody i oczyszczania ścieków, projekt MIDES może przyczynić się do zwiększenia dostępu do niedrogiej, bezpiecznej wody pitnej zgodnie z przepisami krajowymi oraz unijnymi. Co więcej, jego wdrożenie może pozwolić na dostarczanie oczyszczonych ścieków do zastosowania w rolnictwie, między innymi w celu nawadniania, co zmniejszy obciążenie bieżących zasobów. Rozwiązanie MIDES może umożliwić stworzenie zdecentralizowanych instalacji oczyszczających ścieki o mniejszej przepustowości, zachowujących jednak dodatni bilans energetyczny. W praktyce oznacza to, że dzięki technologii MDC tego rodzaju systemy będą mogły zostać wdrożone w zakładach przemysłowych oddalonych od innych ośrodków, w gospodarstwach rolnych i miejscowościach o ograniczonym dostępie do energii elektrycznej. Nowe rozwiązanie może przynieść także wiele korzyści mieszkańcom terenów nadmorskich dzięki budowie kompleksowych oczyszczalni ścieków wytwarzających energię elektryczną i odsalających wodę morską w ramach inteligentnych systemów zarządzania i kontroli. „Sukces projektu MIDES jest niezwykle ważny – wraz ze wzrostem liczby ludności na świecie, zwłaszcza na terenach przybrzeżnych, konieczne jest stworzenie nowych, zrównoważonych strategii zapewnienia dostępu do taniej i wysokiej jakości wody pitnej dla wszystkich ludzi”, podsumowuje Rogalla.
