Станция биологической очистки сточных вод, где обработка получаемого в отстойниках осадка производится в метантенках, представляет собой готовый завод по производству биогаза. Метантенк – это резервуар для сбраживания осадка сточных вод с помощью микроорганизмов в анаэробных условиях (без доступа воздуха) при повышенной температуре. В процессе сбраживания выделяется газ, состоящий преимущественно из метана (около 65-70%) и углекислого газа. Этот газ обычно аккумулируется на станции и используется для подогрева осадка в самих метантенках.
Количество осадка, которое можно выделить из сточных вод, и, соответственно, количество исходного «сырья» для метантенка определяется содержанием органических веществ в бытовых сточных водах. Превратив полученный в метантенках биогаз в тепло, можно теоретически извлечь от 3 до 6 MДж энергии на 1 куб. м стоков. Для полной очистки сточных вод необходимо от 1,2 до 2,4 МДж на 1 куб. м, так что теоретически очистные сооружения могут полностью перейти на самообеспечение энергией. В реальности количество получаемой энергии существенно ниже (по опыту Мосводоканала – только 0,5 МДж на 1 куб. м), так как только малая часть органических веществ, содержащихся в сточных водах, трансформируется в итоге в биогаз.
Первым примером использования биогаза в России стала мини-ТЭС, запущенная в 2009 году на Курьяновских очистных сооружениях в Москве. Биогаз, образующийся в метантенках и содержащий около 65% метана, после предварительной очистки сжигается в двигателях внутреннего сгорания. Двигатели приводят в действие электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию, которая подается на технологическое оборудование. Мини-ТЭС электрической мощностью 10 МВт на 50% обеспечивает электрической и тепловой энергией Курьяновские очистные сооружения.
Есть и другие способы утилизации энергии, заключающейся в биомассе. Например, гидротермальная карбонизация осадка, превращающая его в так называемый биоуголь, а также пиролиз и газификация. Наконец, существуют процессы, позволяющие получать электроэнергию напрямую, без промежуточной стадии (сжигания) – это микробные топливные элементы. В них электричество вырабатывается в результате анаэробного окисления органических веществ, содержащихся в сточных водах, бактериями. Такие элементы выполняют двойную функцию, так как в них одновременно происходит частичная очистка сточных вод от органических загрязнений.
Микробный топливный элемент обычно состоит из двух отдельных камер, анодной и катодной. В анодной камере микроорганизмы окисляют органические вещества и передают электроны на анод. Электроны движутся по внешней цепи через нагрузку к катоду, где кислород или другие химические вещества, такие как гексацианоферрат (комплексное соединение двухвалентного железа) принимают электроны. Эти электроны взаимодействуют с ионами Н+ (протонами), которые проникают из анодной камеры через специальную катионообменную мембрану в катодную камеру, образуя воду (при взаимодействии с кислородом) или ферроцианид (при взаимодействии с гексацианоферратом).
Одна из проблем, связанных с этой технологией, – это низкая удельная мощность топливных элементов, особенно при работе на городских сточных водах. Большей мощности удается достичь для производственных сточных вод, характеризующихся высокой концентрацией органических веществ.