Miljarden jaren geleden, toen de atmosfeer van de aarde stonk naar onadembare gassen, microben ontwikkelden zich in afwezigheid van zuurstof. Naarmate de aarde volwassener werd en de stikstof-zuurstofatmosfeer werd gevormd, deze anaërobe, of zuurstof-avers, bacteriën trokken zich terug in de modder van de oceaanbodem en andere omgevingen waar ze veilig zouden zijn voor zuurstofrijke lucht.

Nu zetten de milieu-ingenieurs Craig Criddle en Bill Mitch van Stanford deze oude micro-organismen aan het werk in de grootste demonstratie van een meer kosteneffectief afvalwaterzuiveringsproces, ondersteund door een subsidie ​​van $ 2 miljoen van de California Energy Commission (CEC). Momenteel zuiveren kleinere installaties op basis van anaërobe bacteriën afvalwater in Zuid-Korea en op de campus van Stanford.

Nauw samenwerken met milieu-ingenieurs van Silicon Valley Clean Water (SVCW), een waterbehandelingsbedrijf, het Stanford-team zal helpen bij het bouwen en exploiteren van een kleine anaërobe zuiveringsinstallatie in Redwood Shores, Californië, naast de enorme conventionele installatie die afvalwater zuivert voor een kwart miljoen mensen en bedrijven van Redwood City tot Menlo Park.

De groep heeft baanbrekend werk verricht op de demonstratiefabriek, die naar verwachting in de herfst van 2018 online zal komen. Het zal uiteindelijk 20, 000 gallons afvalwater per dag om validatie en operationele ervaring te bieden voor wat een grootschalige fabriek zou kunnen worden die miljoenen gallons afvalwater per dag kan verwerken.

"Anaërobe verwerking kan het energieverbruik verminderen en de kosten verlagen, en afvalwaterzuivering duurzamer te maken", aldus Criddle, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek.

Naast kosteneffectiviteit, de onderzoekers geloven dat anaërobe verwerking beter zou kunnen zijn in het filteren van huishoudelijke en industriële chemicaliën uit de afvalstroom, zodat het behandelde water ondergronds terug kan druppelen om watervoerende lagen aan te vullen of zelfs, op een dag, water opleveren dat zuiver genoeg is om de tuin te irrigeren of zelfs de dorst te lessen.

"Anaërobe behandeling is een fundamentele verschuiving in de technologie voor waterrecycling, " zei Mitch, ook een professor in civiele en milieutechniek.

Aëroob versus anaëroob

Voor meer dan een eeuw, afvalwaterzuivering is gebaseerd op aërobe bacteriën die zuurstof nodig hebben om te overleven. Afvalwaterzuiveringsinstallaties leveren die zuurstof met enorme en dure elektrisch aangedreven blowers.

"Het is tijd voor een technologische verandering, " zei Erik Hansen, de door Stanford opgeleide burgerlijk ingenieur die de leiding had over de betrokkenheid van Silicon Valley Clean Water bij het project. "Door die blazers uit het proces te halen, kunnen de kosten van waterterugwinning worden verlaagd en worden gemeentelijke zuiveringsactiviteiten duurzamer."

Het verlagen van de kosten is slechts één voordeel van afvalwaterzuivering op basis van anaërobe bacteriën, volgens Sébastien Tilmans, de burgerlijk ingenieur die het Codiga Resource Recovery Center op de campus van Stanford runt. Bij Codiga, die een kleinere versie van de technologie heeft, de zuurstofmijdende bacteriën reinigen afvalwater en braken methaan uit. Algemeen bekend als aardgas, deze output kan worden verbrand als brandstof of worden gebruikt als chemische grondstof om biologisch afbreekbare kunststoffen te maken. Dat, Tillman zei, is een voorbeeld van een verandering in denken.

"Het begrip afval bestaat niet in de natuur, " zei hij. "Elk bijproduct van een natuurlijk proces is een input voor een ander. Alle dingen die we door het toilet of in het riool spoelen - water, energie, kunstmest - kan worden teruggewonnen als waardevolle bijproducten van het anaërobe proces."

Welkom in de methaanwereld

Anaërobe waterbehandelingstechnologie werd decennia geleden ontwikkeld door Stanford-milieuingenieur Perry McCarty, nu emeritus hoogleraar. Maar in de jaren vijftig, toen hij voor het eerst begon te werken met deze zuurstofmijdende, methaanproducerende bacteriën, energie leek goedkoop en onuitputtelijk. Er was geen dwingende reden om een ​​energiebesparend alternatief te testen.

In de daaropvolgende decennia, aangezien de kosten voor de verwijdering van energie en biovaste stoffen stegen, anaërobe verwerking werd geleidelijk aantrekkelijker. In 2008, McCarty hielp bij de bouw van een uniek anaëroob zuiveringssysteem in de Zuid-Koreaanse stad Bucheon, dat zeer effectief bleek voor de behandeling van afvalwater. in 2016, Stanford-onderzoekers bouwden een iets groter systeem in de Codiga-faciliteit, die de eerste dergelijke plant op het westelijk halfrond werd. De nieuwe demofabriek in Redwood City wordt de grootste, en pas de derde anaërobe zuiveringsinstallatie van dit type ter wereld.

Downstream voordelen

Eenmaal in de fabriek, afvalwater passeert een silo van anaërobe bacteriën die het afval langzaam verteren. Water perst vervolgens door een ultrafiltratiemembraan om bacteriën te elimineren en is dan schoon genoeg voor landschapsirrigatie en sommige industriële toepassingen. Met behulp van geavanceerde behandelingssystemen geschonken door het Santa Clara Valley Water District en anderen, de groep zal ook de geschiktheid van het water voor verdere behandeling onderzoeken alvorens het als drinkwater te hergebruiken.

Naast de energiezuinigheid, een anaëroob zuiveringssysteem heeft minder ruimte nodig dan traditionele afvalwaterzuiveringsinstallaties, waarvoor enorme tanks en complexere filtratiesystemen nodig zijn. Een anaërobe installatie op industriële schaal kan maar liefst 40 procent kleiner zijn dan een conventionele fabriek en minstens 30 procent minder vast afval produceren, een bijproduct dat momenteel verder moet worden behandeld en afgevoerd, extra kosten en broeikasgassen genereren.

De onderzoekers schatten dat een anaërobe fabriek op volledige schaal die kan werken met 15 miljoen gallons per dag wel $ 3 kan besparen, 000 per dag in de vraag naar energie - $ 1 miljoen per jaar - over een vergelijkbare aerobe fabriek. Rekening houdend met andere besparingen van het efficiëntere proces, de onderzoekers schatten een potentiële besparing van meer dan $ 2 miljoen per jaar.

Op zoek naar de toekomst

Naast het besparen van ruimte en geld, de Stanford-onderzoekers zeiden dat hun anaërobe proces nog een ander voordeel heeft:het vermogen om farmaceutische medicijnen en krachtige huishoudelijke en industriële herbiciden te verteren die moeilijk te verteren zijn voor standaard aerobe bacteriën.

Daarom denkt McCarty dat de toekomst aan sterke anaëroben toebehoort. "Ze hebben zich aangepast aan de meest barre omstandigheden op aarde, "zei hij. "Ze kunnen bijna alles eten."

Het demonstratieproject bij Redwood Shores is momenteel gepland om te werken tot maart 2021. Of het project wordt voortgezet en opgeschaald, hangt gedeeltelijk af van hoe goed die methaanophopende microben voldoen aan de verwachtingen van McCarty.

"Wij zijn van mening dat dit prototypesysteem voordelen kan bieden aan de elektriciteitstariefbetalers door een duurzame benadering van afvalwaterzuivering te bieden, gegeven een succesvolle demonstratie, " zei David Weightman van de California Energy Commission, die dit project financierde.

In de tussentijd, de onderzoekers kijken op de lange termijn.

"We stellen voor om een ​​technologie te veranderen die in meer dan honderd jaar niet is veranderd, ' zei Hansen.