Городские биорефинерии и переработка биоотходов

Очистные сооружения уже собирают и концентрируют органическое вещество целого города. Извлечение из него продуктов — не добавление стадий к потоку отходов, а использование тех немногих точек, где химия разделение уже произвела.

Узкое место — гидролиз, а подготовка есть реология

Анаэробное сбраживание осадка идёт через гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Для взвешенного субстрата определяющей является первая стадия: бактериальные клетки защищены стенками и матрицей внеклеточных полимерных веществ, удерживающей хлопок вместе, и внеклеточным ферментам приходится разобрать её прежде, чем появится хоть что-то сбраживаемое. Поэтому избыточный активный ил разлагается плохо, отдавая в обычном метантенке заметно меньше половины беззольного вещества.

Термический гидролиз — выдержка около 165 °C под давлением порядка 6 бар в течение десятков минут с последующим сбросом давления — бьёт прямо сюда, разрушая клетки и переводя полимерную матрицу в раствор. Прирост распада беззольного вещества реален, но более крупный эффект физический. Разрушение сетки внеклеточных полимеров обрушивает вязкость осадка, и метантенк можно загружать при 8–12 % сухого вещества вместо 3–5 %, так что та же производительность умещается в существенно меньший объём. Именно поэтому технологию применяют на стеснённых городских площадках. Плата за это конкретна: при таких температурах реакции Майяра образуют меланоидины, и фугат возвращается на сооружения окрашенным, богатым аммонием и с трудноокисляемой органикой, которую биологическая очистка не снимет.

Струвит — это реакция отложений, проведённая намеренно

Иловая вода богата аммонием и, если на станции работает биологическое удаление фосфора, ортофосфатом, который фосфатаккумулирующие организмы отдают в анаэробных условиях. Эти два иона вместе с магнием осаждаются в виде струвита — шестиводного фосфата аммония-магния — всякий раз, когда произведение их активностей превышает предел растворимости. Неуправляемо это происходит в трубопроводах и теплообменниках, а процесс извлечения есть та же реакция, перенесённая в реактор с псевдоожиженным слоем, где дозируют магний (лимитирующий ион, поскольку в сточной воде его мало) и поднимают pH примерно до 8–8,5, обычно отдувкой углекислого газа, а не подачей щёлочи, чтобы кристаллы выросли до извлекаемого размера.

Потолок задан выше по цепочке. Кристаллизовать можно только фосфор, присутствующий в виде растворённого ортофосфата. Станция, выполняющая норматив по фосфору дозированием солей железа, связывает фосфат в осадке как фосфат железа, и в метантенке этот фосфор не высвобождается и струвитом извлечён быть не может. Выбор способа удаления фосфора решает, за годы вперёд, возможно ли извлечение вообще. Полученный струвит признан в ЕС Регламентом об удобрительных продуктах 2019/1009 в категории осаждённых фосфатов — именно это позволяет продавать его как удобрение, а не обращаться с ним как с осадком.

Что ещё концентрируется само

Целлюлозное волокно туалетной бумаги составляет заметную долю взвешенных веществ на входе и физически обособлено, поэтому тонкое процеживание до биологической ступени извлекает его и одновременно снижает последующую потребность в аэрации. Полигидроксиалканоаты можно получать, отбирая смешанную культуру чередованием избытка и голода на сброженных летучих жирных кислотах, то есть эксплуатируя настоящую запасающую реакцию, а не чистый штамм; ограничениями остаются содержание полимера в клетке, разброс состава сополимера от партии к партии и извлечение без растворителей. Во всех случаях качество продукта решает вход: металлы, лекарственные вещества и возбудители приходят вместе со стоком, и ни одна стадия извлечения не удаляет то, на что она не нацелена.