Nyt anlæg tester energibesparende måde at rense spildevand på

For milliarder af år siden, da Jordens atmosfære lugtede af uåndbare gasser, mikrober udviklet i fravær af ilt. Efterhånden som Jorden modnes og nitrogen-ilt-atmosfæren dannes, disse anaerobe, eller ilt-averse, bakterier trak sig tilbage i mudderet på havbunden og andre miljøer, hvor de ville være sikre mod iltrig luft.

Nu sætter Stanfords miljøingeniører Craig Criddle og Bill Mitch disse ældgamle mikroorganismer i arbejde i den største demonstration af en mere omkostningseffektiv spildevandsbehandlingsproces, støttet af et tilskud på $2 millioner fra California Energy Commission (CEC). Mindre anlæg baseret på anaerobe bakterier behandler i øjeblikket spildevand i Sydkorea og på Stanford campus.

I tæt samarbejde med miljøingeniører fra Silicon Valley Clean Water (SVCW), et vandbehandlingsværk, Stanford-teamet vil hjælpe med at bygge og drive et lille anaerobt rensningsanlæg i Redwood Shores, Californien, sammen med det enorme konventionelle anlæg, der renser spildevand for en kvart million mennesker og virksomheder fra Redwood City til Menlo Park.

Gruppen har brudt terræn på demonstrationsanlægget, som er beregnet til at komme i drift i efteråret 2018. Det vil i sidste ende behandle 20, 000 liter spildevand om dagen for at give validering og driftserfaring for, hvad der kunne blive et fuldskalaanlæg, der er i stand til at behandle millioner af gallons spildevand om dagen.

"Anaerob behandling kan reducere energiforbruget og reducere omkostningerne, og gør spildevandsrensning mere bæredygtig" sagde Criddle, professor i civil- og miljøteknik.

Ud over omkostningseffektivitet, forskerne mener, at anaerob behandling kan vise sig bedre til at filtrere husholdnings- og industrikemikalier ud af affaldsstrømmen, så det behandlede vand kan dryppe tilbage under jorden for at genopbygge vandførende lag eller endda, en dag, give vand rent nok til at vande haven eller endda slukke ens tørst.

"Anaerob behandling er et grundlæggende skift inden for vandgenbrugsteknologi, " sagde Mitch, også professor i civil- og miljøteknik.

Aerob vs. anaerob

I over et århundrede, spildevandsrensning har været afhængig af aerobe bakterier, der kræver ilt for at overleve. Spildevandsrensningsanlæg giver den ilt med enorme og dyre elektrisk drevne blæsere.

"Tiden er inde til et teknologiskifte, sagde Erik Hansen, den Stanford-uddannede civilingeniør, der står i spidsen for Silicon Valley Clean Waters involvering i projektet. "At tage disse blæsere ud af processen hjælper med at reducere omkostningerne ved vandgenvinding og gør kommunale behandlingsoperationer mere bæredygtige."

Reduktion af omkostninger er blot en fordel ved spildevandsrensning baseret på anaerobe bakterier, ifølge Sebastien Tilmans, civilingeniøren, der driver Codiga Resource Recovery Center på Stanford campus. Hos Codiga, som har en mindre version af teknologien, de ilt-averse bakterier renser spildevand og bøvser metan ud. Almindeligvis kendt som naturgas, dette output kan brændes som brændstof eller bruges som et kemisk råmateriale til fremstilling af bionedbrydelig plast. At, Tillman sagde, eksemplificerer en ændring i tænkning.

"Begrebet affald findes ikke i naturen, " sagde han. "Hvert biprodukt af en naturlig proces er input til en anden. Alle de ting, vi skyller ned i toilettet eller i kloakken – vand, energi, gødning – kan genvindes som værdifulde biprodukter af den anaerobe proces."

Velkommen til metanverdenen

Anaerob vandbehandlingsteknologi blev udviklet for årtier siden af ​​Stanfords miljøingeniør Perry McCarty, nu professor emeritus. Men tilbage i 1950'erne, da han først begyndte at arbejde med disse ilt-averse, metan-dannende bakterier, energi virkede billig og uudtømmelig. Der var ingen tvingende grund til at teste et energibesparende alternativ.

I løbet af de efterfølgende årtier, efterhånden som omkostningerne til bortskaffelse af energi og biosolider steg, anaerob behandling blev gradvist mere tiltalende. I 2008 McCarty hjalp med at bygge et unikt anaerobt rensningssystem i den sydkoreanske by Bucheon, der viste sig at være yderst effektivt til spildevandsrensning. I 2016 Stanford-forskere byggede et lidt større system på Codiga-anlægget, som blev den første sådan plante på den vestlige halvkugle. Det nye demoanlæg i Redwood City bliver det største, og kun det tredje anaerobe renseanlæg af denne type i verden.

Downstream fordele

En gang i anlægget, spildevand passerer gennem en silo af anaerobe bakterier, der langsomt fordøjer affaldet. Vand presses derefter gennem en ultrafiltreringsmembran for at fjerne bakterier og er derefter rent nok til landskabsvanding og visse industrielle applikationer. Med hjælp fra avancerede behandlingssystemer doneret af Santa Clara Valley Water District og andre, gruppen vil også undersøge vandets egnethed til yderligere behandling forud for genbrug som drikkevand.

Ud over dens energieffektivitet, et anaerobt rensningssystem kræver mindre plads end traditionelle spildevandsrensningsanlæg, som kræver store tanke og mere komplekse filtreringssystemer. Et anaerobt anlæg i industriel skala kan være så meget som 40 procent mindre end et konventionelt anlæg og producere mindst 30 procent mindre fast affald, et biprodukt, der i øjeblikket skal behandles yderligere og transporteres væk, genererer ekstra omkostninger og drivhusgasser.

Forskerne anslår, at et fuldskala anaerobt anlæg, der er i stand til at operere med 15 millioner gallons om dagen, kan spare så meget som $3, 000 om dagen i energiefterspørgsel – 1 million dollars om året – over et sammenligneligt aerobt anlæg. Medregner andre besparelser fra den mere effektive proces, forskerne anslår en potentiel besparelse på over 2 millioner dollars om året.

Ser på fremtiden

Ud over at spare plads og penge, Stanford-forskerne sagde, at deres anaerobe proces har endnu en fordel:evnen til at fordøje farmaceutiske lægemidler og kraftfulde husholdnings- og industrielle herbicider, som har vist sig at være vanskelige for standard aerobe bakterier at fordøje.

Det er derfor, McCarty mener, at fremtiden tilhører hårdføre anaerober. "De har tilpasset sig de hårdeste miljøer på Jorden, sagde han. De kan spise det meste.

Demonstrationsprojektet ved Redwood Shores er i øjeblikket beregnet til at fungere indtil marts 2021. Hvorvidt projektet fortsætter og skaleres op, afhænger til dels af, hvor godt de metan-opstødende mikrober lever op til McCartys forventninger.

"Vi tror på, at dette prototypesystem kan være til gavn for elektricitetsbetalerne ved at tilbyde en bæredygtig tilgang til spildevandsrensning givet en vellykket demonstration, " sagde David Weightman fra California Energy Commission, som finansierede dette projekt.

I mellemtiden forskerne ser det lange blik.

"Vi foreslår at ændre en teknologi, der ikke har ændret sig i over hundrede år, sagde Hansen.