Napowietrzanie bezpęcherzykowe w procesach oczyszczania ścieków

System napowietrzania jest jednym z najważniejszych elementów odpowiadających za efektywną pracę układów biologicznego oczyszczania ścieków z procesami tlenowymi [16]. Jego zła optymalizacja prowadzić będzie do deficytów tlenu w reaktorze, co może powodować załamanie procesu tlenowego (np. nitryfikacji). Jednocześnie w warunkach mikrograwitacji dodatkowo dochodzi problem braku siły wyporu, w związku z czym należy rozważyć inne rozwiązania technologiczne niż konwencjonalne drobnopęcherzykowe. System oczyszczania ścieków w instalacji kosmicznej zlokalizowany będzie w obiegu zamkniętym, zobrazowanym na rys. 1.

W artykule omówiono alternatywne rozwiązanie układu napowietrzania w systemach biologicznego oczyszczania ścieków, które mogłoby zostać zastosowane w obiektach kosmicznych. Poniżej przedstawiono charakterystykę i problematykę związaną z wpływem grawitacji na układ napowietrzania i budowę systemu z bezpęcherzykowym (bezbąbelkowym) napowietrzaniem, przedstawiono wyniki eksperymentu przeprowadzonego na wodzie wodociągowej w warunkach laboratoryjnych, a także oszacowano rozmiary systemu wymagane dla sześcioosobowej załogi. Przedstawiono również potencjalne zastosowania napowietrzania bezbąbelkowego w warunkach ziemskich. W podsumowaniu wskazano m.in. na dalsze możliwe kroki zmierzające do rozwoju tego tematu.

Problematyka obniżonej grawitacji

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej. Pomimo bliskiej odległości od Ziemi (ok. 300 km) [3] panuje tam stan nieważkości, czyli zerowej grawitacji. Nie oznacza to jednak, że siły grawitacji nie działają – do tego obszaru dochodzi ok. 80–90% ziemskiej grawitacji [13], która jest jednak niwelowana. Widać to doskonale w bilansie sił grawitacji i bezwładności działających na stację [13]. W rezultacie obserwujemy zjawisko „zero-g”, zwane mikrograwitacją, które wynika ze szczątkowych sił działających na stację (np. opory aerodynamiczne czy siła odśrodkowa). Ma to ogromny wpływ na przyszłe projektowanie technologii oczyszczania ścieków. Dzieje się tak, ponieważ przyspieszenie grawitacyjne oddziałuje na zjawiska związane z ciężarem i siłą wyporu. Zestawienie tych zjawisk przedstawiono na rys. 2. W rezultacie wewnątrz Stacji Kosmicznej obserwuje się brak: sedymentacji, siły wyporu, ciśnienia hydrostatycznego i konwekcji swobodnej. Wszystkie powyżej wymienione fenomeny mają swoje implikacje w systemach inżynierii środowiska, a szczególnie technologii oczyszczania ścieków i wody.

System oczyszczania ścieków z bezpęcherzykowym napowietrzaniem

Jednym z obecnie badanych rozwiązań jest system bezpęcherzykowego napowietrzania wody [7, 4], który nie jest zależny od sił grawitacji. Zastosowanie będą tu miały membrany hollow fiber i węże silikonowe [7, 8]. Te drugie, chociaż charakteryzują się mniejszą sprawnością niż membrany [7], mogą być efektywniejsze pod względem ekonomicznym. Zasada działania napowietrzania bezpęcherzykowego została przedstawiona na rys. 3. Przez przewód silikonowy gazoprzepuszczalny (lub membranę) transportowane jest powietrze. Cząstki tlenu dyfundują przez wąż i dostają się do mieszaniny. Jeśli zastosowanym wsadem są ścieki (a nie, jak w przeprowadzonym eksperymencie, woda wodociągowa), na powierzchni węża wytworzy się biofilm, który dodatkowo może poprawić sprawność oczyszczania.

Eksperyment przedstawiony w artykule zakłada zastosowanie węża silikonowego, gazoprzepuszczalnego o średnicy 6×8 mm.

Testy napowietrzania na wodzie czystej

W celu sprawdzenia efektywności natleniania systemem bezpęcherzykowym przeprowadzono eksperyment z wykorzystaniem stanowiska eksperymentalnego przedstawionego na rys. 4. Głównymi elementami stanowiska były: zbiornik wypełniony wodą wodociągową (2,5 dm3), sonda tlenowa wraz z termometrem, sprężarka, manometr, rotametr, mieszadło zapewniające ciągłe mieszanie całej objętości wody oraz wąż silikonowy 8×6 mm o długości 1,30 m umieszczony na dnie zbiornika.

Eksperyment przeprowadzono zgodnie z wytycznymi zawartymi w niemieckiej normie ATV-M209. Zastosowano metodę absorpcji przy użyciu chlorku kobaltu i siarczynu sodu. Sprawdzono trzy różne ciśnienia podawania powietrza w seriach po trzy pomiary. W tabeli 1 przedstawiono uśrednione wyniki testów. Szacunkową wielkość systemu biologicznego przedstawiono w dalszej części artykułu. Szacunkowa wielkość systemu dla stacji kosmicznejW literaturze kosmicznej istnieje spora rozbieżność dotycząca ładunków azotu amonowego występujących w urynie załogantów. Wartości te sięgają nawet 17,39 g · dobę–1 · osobę–1 [12, 11].

Przyjmując jednak wartość średnią około 7,20 g N-NH4 · dobę–1 · osobę–1 do utlenienia [5] i zakładając, że proces nitryfikacji zużywa 4,57 g O2 na utlenienie 1 g N-NH4­ [16], aby system mógł funkcjonować przy sześciu załogantach, długość węża silikonowego musiałaby wynieść ponad 295 m (rys. 5). Zakładając niezmienną efektywność zachodzenia procesu w przypadku ułożenia węża w kształcie „ślimaka”, otrzymana podłoga z węża miałaby średnicę 1,54 m, wysokość 8 mm i objętość 15 dm3. Porównując to z wymiarami jednostki oczyszczającej mocz i odzyskującej wodę na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która ma objętość 3,68 m3 [6], rozwiązanie reaktora biologicznego po dopracowaniu może się stać w przyszłości konkurencyjne. 

Możliwość zastosowania w warunkach ziemskich

Omówiony powyżej eksperyment został przeprowadzony w warunkach ziemskich (1 g), co daje nadzieję na możliwość implementacji tego systemu właśnie do zastosowań ziemskich. Biorąc pod uwagę przykładowy ładunek azotu amonowego w ściekach bytowo-gospodarczych na poziomie 9,36 g N-NH4 · d–1 (na rodzinę czteroosobową) [1], system napowietrzania bezbąbelkowego mógłby zostać zastosowany w przydomowych oczyszczalniach ścieków zamiast układu konwencjonalnego (rys. 5). Warto zwrócić uwagę, że ładunek przyjęty do obliczeń systemu ziemskiego jest niższy, niż przyjęto do obliczeń systemu kosmicznego. Wynika to z faktu, że dieta kosmiczna może być bardziej bogata w azot [12], a zatem bezpiecznie jest przyjąć zwiększoną wartość. Długość węża silikonowego wyniosłaby ponad 150 m (rys. 6).

Zakładając niezmienną efektywność zachodzenia procesu w przypadku ułożenia węża w kształcie „ślimaka”, otrzymana podłoga z węża miałaby średnicę 1,10 m, wysokość 8 mm i objętość 8 dm3. Przedstawione powyżej obliczenia odniesiono do przetestowanego najprostszego węża silikonowego. Dodatkowe zwiększenie sprawności można uzyskać, stosując np. OxyFas®. Potencjalnym miejscem wykorzystania takiego rozwiązania mogłyby być reaktory do miejscowego oczyszczania uryny. Takie podejście jest coraz szerzej badane i wykorzystywane na świecie [14, 9]. Przykładem wielkiego systemu, w którym zastosowano rozdzielenie strumieni i miejscowe oczyszczanie uryny, jest szwedzki projekt Gebers. Uczestniczy w nim 80 osób, a reaktory gromadzące urynę mają objętość 150 m3. Oszacowanie wielkości tego systemu przedstawiono na rys. 7.

W odniesieniu do systemów miejscowo oczyszczających urynę ciekawym przypadkiem są instalacje stawiane na festiwalach DGTL [17]. Toaleta ta wykorzystuje proces strącania struwitu i została przedstawiona na fot. 1. Z powodzeniem mógłby tu zostać wykorzystany również proces nitryfikacji. Zakładając, że w festiwalu weźmie udział 100 tys. osób i biorąc pod uwagę przyjmowane normy dotyczące kabin ustępowych [10] – tych ostatnich będzie 634. Oznacza to, że na jedną kabinę przypadnie 157 użytkowników dziennie. System napowietrzania jednej kabiny powinien mieć 0,3 m3, a długość węża blisko 6000 m. Widać zatem, że przy takim krótkoterminowym rozwiązaniu system ten powinien zostać ulepszony.

Podsumowanie i kierunki przyszłych badań

Stworzenie efektywnego układu oczyszczania ścieków i jego podsystemów w obiektach kosmicznych będzie jednym z ważniejszych kroków do stworzenia niezależnej i samowystarczalnej kolonii pozaziemskiej. W odniesieniu do biologicznych systemów oczyszczania ścieków kluczowe będzie stworzenie odpornego na działanie grawitacji systemu napowietrzania i separacji osadu. Wstępne badania nad napowietrzaniem bezpęcherzykowym wykazały, że metody te mogłoby mieć zastosowanie również w systemach kosmicznych. Dalsze badania powinny obejmować prace nad zwiększeniem efektywności transferu tlenu np. poprzez zastosowanie bardziej wydajnego materiału lub większego ciśnienia cząstkowego tlenu. Równocześnie technologia ta może być wykorzystywana w systemach ziemskich – zarówno w mniejszych, przydomowych instalacjach, jak i w oczyszczalniach ścieków. 

Prace nad napowietrzaniem bezbąbelkowym były możliwe dzięki projektowi 0402/0093/18 Wydziału Inżynierii Środowiska, Politechniki Wrocławskiej

Literatura

1. Almeida M.C., Butler D., Friedler E., At-source domestic wastewater quality, „Urban Water” 1(1), 1999, p. 49–55.
2. ATV-M 209: Messung der Sauerstoffzufuhr von Belüftungseinrichtungen in Belebungsanlagen in Reinwasser und in belebtem Schlamm, Juni 1996.
3. Anderson M.S., Ewert M.K., Keener J.F., Wagner S.A., Life Support Baseline Values and Assumptions Document, National Aeronautics and Space Administration Washington, D.C., Report No. NASA/TP-2015–218570, 2018. 
4. Barta D.J., Pickering K.D., Meyer C., Pensinger S., Vega L., Flynn M., Jackson A., Wheeler R., A Biologically-Based Alternative Water Processor for Long Duration Space Missions, NASA Johnson Space Center, Houston, TX, Report No. NASA/JSC-CN-33488, 2015. 
5. Bornemann G., Waßer K., Hauslage J., The influence of nitrogen concentration and precipitation on fertilizer production from urine using a trickling filter, „Life Sci. Sp. Res.”, 2018.
6. Carrasquillo R.L., Reuter J.L., Philistine C.L., Summary of Resources for the International Space Station Environmental Control and Life Support System in Lake Tahoe, NV, 1997. 
7. Cote P., Bersillon J.L., Huyard A., Bubble-free aeration using membranes: mass transfer analysis, „Journal of Membrane Science”, 47(1-2), 1989, p. 91–106. 
8. DeLombard R., Kelly E., Hrovat K., Nelson E., Pettit D., Motion of air bubbles in water subjected to microgravity accelerations, in: „43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit”, 2006, p. 722. 
9. Ganrot Z., Urine processing for efficient nutrient recovery and reuse in agriculture, Göteborg University, 2005. 
10. Glapa R., Bezpieczeństwo sanitarne imprez masowych, 2012, www.lubuskie.uw.gov.pl/download/1140.pdf (dostęp: 12.07.2019).
11. Jurga A., Janiak K., Ratkiewicz K., Podstawczyk D., An overview of blackwater data collection from space life support systems and its comparison to a terrestrial wastewater dataset, „Journal of Environmental Management”, 241, 2019, p. 198–210. 
12. Leonard J.I., Energy balance and the composition of weight loss during prolonged space flight, „National Aeronautics and Space Administration”, 1982.
13. Monti R., Physics of fluids in microgravity, CRC Press, 2002.
14. Otterpohl R., Braun U., Oldenburg M., Innovative technologies for decentralised wastewater management in urban and peri-urban areas, „Berichte-Wassergute Und Abfallwirtschaft Technische Universitat Munchen Berichtsheft”, 173, 2002, p. 109–126.
15. 15. Rosengren A.J., Skoulidou D.K., Tsiganis K., Voyatzis G., Dynamical cartography of Earth satellite orbits, „Advances in Space Research” 63(1), 2019, p. 443–460.
16. Tchobanoglous G., Burton F.L., Stensel H.D., Metcalf & Eddy wastewater engineering: treatment and reuse. International Edition, McGrawHill, 4, 2003.
17. www.bcn.dgtl.nl/en/dgtl-recycles-your-pee.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!