Очистка сточных вод микроводорослями: удаление фосфора и азота в темноте

Исследователи из Университета Кадиса (UCA, группа TEP-181) разработали новую систему очистки сточных вод на основе микроводорослей, которая позволяет удалять питательные вещества (азот и фосфор) даже в темноте.

Проблема и стандартные решения

Городские сточные воды содержат высокие концентрации азота и фосфора, которые необходимо удалять перед сбросом, чтобы избежать эвтрофикации. Существующие методы часто имеют недостатки: высокую стоимость, сложность эксплуатации, образование осадка (шлама) и/или большое энергопотребление.

Фотобиологическая очистка и её ограничения

Традиционный фотобиологический метод с использованием микроводорослей требует света для протекания процесса. Это создаёт два основных недостатка:

1. Большая площадь, занимаемая реакторами (из-за необходимости небольшой глубины для проникновения света).
2. Высокое энергопотребление при отделении (сборе) биомассы водорослей от очищенной воды. Такой сбор рентабелен только для получения ценных продуктов из биомассы (например, каротиноидов), но не для очистки воды.

Ключевое открытие

В ходе экспериментов учёные обнаружили, что микроводоросли способны ассимилировать (поглощать и накапливать) азот и фосфор из воды в темноте. Свет необходим водорослям для роста, но не для усвоения питательных веществ.

"Свет был нужен водорослям, чтобы расти, но не для усвоения питательных веществ, поэтому мы можем использовать эту способность в реакторах без ограничения по глубине (без света). Таким образом, мы частично преодолели проблему пространства, необходимого для фото-биореакторов", — объясняет профессор Хосе Антонио Перелес Варгас-Мачука.

Принцип работы новой системы

1. Фаза света (день): Водоросли в реакторе растут за счёт света и одновременно ассимилируют питательные вещества из сточных вод, создавая внутренние резервы.
2. Фаза темноты (ночь): Водоросли продолжают очищать воду, поглощая азот и фосфор за счёт своих резервов, но не растут.
3. Непрерывный процесс: Используя технологию мембранного разделения, можно непрерывно отделять часть очищенной воды, поддерживая в реакторе высокую концентрацию водорослей. Это позволяет либо получать небольшое количество биомассы с высоким содержанием питательных веществ, либо большое количество биомассы с низкой их концентрацией, в зависимости от цели (очистка воды или производство биомассы).

Преимущества и дальнейшие шаги

Разработанная система может работать непрерывно как в темноте, так и при свете, в то время как обычные системы выращивают водоросли только при освещении. На основе этого открытия уже получен патент.

Следующий этап — создание и испытание работающего прототипа в непрерывном режиме, сначала в лабораторных условиях, а затем на открытой площадке с учётом сезонных изменений освещённости, температуры и других переменных.

Исследование поддержано Национальным планом Испании и правительством Андалусии в рамках проектов по удалению питательных веществ из сточных вод, биофиксации CO₂ и производству биотоплива с использованием микроводорослей.