Cточные воды содержат больше пригодной энергии, чем считали ученые

В основном благодаря экскрементам эти воды наполнены органическими соединениями, хранящими в своих химических связях пригодную для использования энергию. Для ее сбора существует несколько методов: например, инженеры могут получать метан при помощи анаэробного (бескислородного) разложения или производить электричество с использованием микробных источников энергии.

В течение последних лет возросло количество исследований о развитии и улучшении этих методов, так как полученная из сточных вод энергия могла бы удовлетворить потребности в электричестве станций очистки воды и даже стать источником в развивающихся странах, где в данное время снабжение недостаточно надежное. Но интересно, сколько же пригодной энергии хранят в себе неочищенные сточные воды? Этот вопрос подняли авторы исследования, опубликованного в январском выпуске журнала Environmental Science & Technology. И их ответ таков: сточные воды, очевидно, содержат гораздо больше энергии, чем предполагалось ранее.

Элизабет Хайдрих, аспирант Университета Ньюкасла Великобритании и ведущий автор нового исследования, изучает микробные источники энергии – устройства, генерирующие электрический ток путем захватывания электронов, высвобождающихся при разложении бактериями органической материи в сточных водах. Во время подготовки докторского научно-исследовательского проекта она решила определить, на какой объем энергии из сточных вод могут рассчитывать инженеры. «Казалось бы, очевидно и логично начать с этой проблемы», – отмечает она, но, к удивлению, практически никто не задавался этим вопросом ранее.

Хайдрих нашла только одно исследование, опубликованное в 2004 году, в котором была сделана попытка решить эту проблему. Авторы провели испытания неочищенных сточных вод, собранных очистной станцией в Торонто, и, используя калориметрию (измерение производства и поглощения тепла), подсчитали внутреннюю химическую энергию образца и получили значение 6,3 килоджоулей на литр. Они также сопоставили объем энергии, полученной от образца, с его химической потребностью в кислороде (ХПК), обычное непрямое измерение растворенных органических соединений. На основе этого сравнения они определили, что в общей сложности в сточных водах, произведенных в 2004 году 6,8 биллионами людей во всем мире, содержалось от 70 до 140 гигаватт непрерывного энергоснабжения. (Одна большая ядерная электростанция производит около 1 гигаватта.)

Однако, по словам Хайдрих, результаты этого исследования, ссылки на которое можно найти во многих научных статьях о микробных источниках энергии, вызывают сомнения.

До тестирования образца в калориметре его необходимо высушить, и потому авторы поместили его на ночь в печь с температурой 103 градуса Цельсия. И так как температура кипения некоторых органических жидкостей, содержащихся в сточных водах, включая метанол, этанол и муравьиную кислоту, ниже 103 градусов, Хайдрих пришла к выводу, что при такой температуре какая-то часть испаряется. Эта утеря означает, что авторы не учли весь объем энергии, содержащийся в образце.

Итак, ученая со своими коллегами подготовили образцы: один со станции, обрабатывающей коммунально-бытовые сточные воды, а другой с очистительных сооружений для смешанных сточных вод, содержащих химические вещества, утилизированные промышленными предприятиями. Вместо печи они высушили образцы сублимацией перед тестированием в калориметре. Обнаружилось, что промышленные сточные воды содержат около 16,8 килоджоулей на литр, в то время как бытовые – 7,6, что на 20 процентов больше, чем определялось предыдущим исследованием. Еще одним немаловажным открытием Хайдрих и ее коллег стало то, что, учитывая крайнюю изменчивость сточных вод, обычно используемое измерение ХПК в действительности не связано с содержанием энергии, а потому эти показатели являются недостоверными. Если бы они использовали те же методы расчетов, что и в предыдущем исследовании, то, по словам авторов, они обнаружили бы лишь около половины объема энергии, содержащейся в каждом образце. Таким образом, предыдущее исследование можно охарактеризовать как «существенно недооцененное».

Метод Хайдрих имеет свои ограничения: высушивание сублимацией занимает недели, а потому его нельзя использовать как метод стандартного тестирования. И хотя этот способ сохраняет больше органической материи, чем высушивание в печи, в его результате некоторые энергетические молекулы все же теряются. Тем не менее, Хайдрих отмечает, что результаты исследования имеют сиюминутное реальное применение. Она объясняет: «Я думаю, до сего момента считалось, что из коммунально-бытовых сточных вод невозможно получить энергию, а потому не стоит и пытаться. Теперь, надеюсь, это мнение изменится».