För miljarder år sedan, när jordens atmosfär luktade av andningsbara gaser, mikrober utvecklades i frånvaro av syre. När jorden mognade och kväve-syre atmosfären bildades, dessa anaeroba, eller syreavers, bakterier drog sig tillbaka i leran på havsbotten och andra miljöer där de skulle vara säkra från syrerik luft.

Nu sätter Stanfords miljöingenjörer Craig Criddle och Bill Mitch dessa uråldriga mikroorganismer i arbete i den största demonstrationen av en mer kostnadseffektiv avloppsvattenreningsprocess, stöds av ett anslag på 2 miljoner dollar från California Energy Commission (CEC). Mindre växter baserade på anaeroba bakterier behandlar för närvarande avloppsvatten i Sydkorea och på Stanford campus.

I nära samarbete med miljöingenjörer från Silicon Valley Clean Water (SVCW), ett vattenreningsverk, Stanford -teamet kommer att hjälpa till att bygga och driva ett litet anaerobt reningsverk i Redwood Shores, Kalifornien, vid sidan av den enorma konventionella anläggningen som renar avloppsvatten för en kvarts miljon människor och företag från Redwood City till Menlo Park.

Gruppen har brutit mark på demonstrationsanläggningen, som är tänkt att komma på nätet under hösten 2018. Det kommer så småningom att behandla 20, 000 liter avloppsvatten per dag för att ge validering och driftserfarenhet för vad som kan bli en fullskalig anläggning som kan behandla miljontals liter avloppsvatten per dag.

"Anaerob bearbetning kan minska energianvändningen och minska kostnaderna, och göra avloppsreningen mer hållbar ", säger Criddle, professor i byggnads- och miljöteknik.

Förutom kostnadseffektivitet, forskarna tror att anaerob bearbetning kan visa sig bättre på att filtrera hushålls- och industrikemikalier ur avfallsflödet, så att det behandlade vattnet kan droppa tillbaka under jorden för att fylla på akviferer eller till och med, en dag, ge vatten tillräckligt rent för att bevattna trädgården eller till och med släcka törsten.

"Anaerob behandling är ett grundläggande skifte inom teknik för vattenåtervinning, sa Mitch, även professor i byggnads- och miljöteknik.

Aerob vs anaerob

I över ett sekel, avloppsvattenrening har förlitat sig på aeroba bakterier som kräver syre för att överleva. Avloppsreningsverk ger det syret med enorma och kostsamma eldrivna fläktar.

"Det är dags för en teknikförändring, sa Eric Hansen, den Stanford-utbildade civilingenjören som leder Silicon Valley Clean Waters engagemang i projektet. "Att ta dessa fläktar ur processen hjälper till att minska kostnaderna för vattenåtervinning och gör den kommunala reningsverksamheten mer hållbar."

Att minska kostnaderna är bara en fördel med avloppsvattenrening baserad på anaeroba bakterier, enligt Sebastien Tilmans, civilingenjören som driver Codiga Resource Recovery Center på Stanford campus. På Codiga, som har en mindre version av tekniken, de syreaverse bakterierna renar avloppsvatten och rapar ut metan. Allmänt känd som naturgas, denna produktion kan brännas som bränsle eller användas som ett kemiskt råmaterial för att göra biologiskt nedbrytbar plast. Den där, Tillman sa, exemplifierar en förändring i tänkande.

"Begreppet avfall finns inte i naturen, ", sade han. "Varje biprodukt av någon naturlig process är en input för en annan. Allt vi spolar ner i toaletten eller i avloppet – vatten, energi, gödselmedel - kan återvinnas som värdefulla biprodukter av den anaeroba processen. "

Välkommen till metanvärlden

Anaerob vattenbehandlingsteknik var banbrytande för decennier sedan av Stanfords miljöingenjör Perry McCarty, nu professor emeritus. Men redan på 1950-talet, när han först började arbeta med dessa syreaversa, metanframställande bakterier, energi verkade billig och outtömlig. Det fanns ingen övertygande anledning att testa ett energibesparande alternativ.

Under de följande decennierna har eftersom kostnaderna för bortskaffande av energi och biosolider ökade, anaerob bearbetning blev gradvis mer tilltalande. 2008, McCarty hjälpte till att bygga ett unikt anaerobt behandlingssystem i den sydkoreanska staden Bucheon som visade sig vara mycket effektivt för behandling av avloppsvatten. 2016, Stanford-forskare byggde ett lite större system vid Codiga-anläggningen, som blev den första sådana växten på västra halvklotet. Den nya demofabriken i Redwood City blir den största, och endast det tredje anaeroba reningsverket av denna typ i världen.

Nedströmsfördelar

Väl i anläggningen, avloppsvatten passerar genom en silo av anaeroba bakterier som långsamt smälter avfallet. Vatten pressas sedan genom ett ultrafiltreringsmembran för att eliminera bakterier och är sedan tillräckligt rent för landskapsbevattning och vissa industriella tillämpningar. Med hjälp av avancerade behandlingssystem donerade av Santa Clara Valley Water District och andra, gruppen kommer också att undersöka vattnets lämplighet för vidare behandling innan det återanvänds som dricksvatten.

Förutom sin energieffektivitet, ett anaerobt reningssystem behöver mindre utrymme än traditionella avloppsreningsverk, som kräver enorma tankar och mer komplexa filtreringssystem. En anaerob anläggning i industriell skala kan vara så mycket som 40 procent mindre än en konventionell anläggning och producera minst 30 procent mindre fast avfall, en biprodukt som för närvarande måste behandlas och transporteras vidare, genererar merkostnader och växthusgaser.

Forskarna uppskattar att en fullskalig anaerob anläggning som kan drivas med 15 miljoner gallon per dag kan spara så mycket som $3, 000 per dag i energibehov - 1 miljon dollar per år - över en jämförbar aerob anläggning. Ta hänsyn till andra besparingar från den mer effektiva processen, forskarna uppskattar en potentiell besparing på över 2 miljoner dollar per år.

Ser till framtiden

Förutom att spara utrymme och pengar, forskarna från Stanford sa att deras anaeroba process har ytterligare en fördel:förmågan att smälta farmaceutiska läkemedel och kraftfulla hushålls- och industriherbicider som har visat sig vara svåra att smälta för vanliga aeroba bakterier.

Det är därför McCarty tror att framtiden tillhör härdiga anaerober. "De har anpassat sig till de hårdaste miljöerna på jorden, sa han. De kan äta det mesta.

Demonstrationsprojektet vid Redwood Shores är för närvarande planerat att fungera fram till mars 2021. Om projektet fortsätter och skala upp beror delvis på hur väl de metan-rapande mikroberna lever upp till McCartys förväntningar.

"Vi tror att detta prototypsystem kan gynna elprisbetalarna genom att erbjuda ett hållbart tillvägagångssätt för rening av avloppsvatten givet en framgångsrik demonstration, " sa David Weightman från California Energy Commission, som finansierade detta projekt.

Under tiden, forskarna ser på lång sikt.

"Vi föreslår att man ska förändra en teknik som inte har förändrats på över hundra år, sa Hansen.