Reningssystem för avloppsvatten som kombinerar konventionella installationer med en relativt ny teknik kan skörda en mängd fördelar:mindre anläggningsstorlekar, lägre energikostnader och mer kväveföroreningar bort.

Forskare vid University of Michigan har visat hur användning av en "membranluftad biofilmreaktor" (MABR) i en hybridkonfiguration med traditionell teknik kan överladda behandling. Bioreaktorer är behållare på reningsverk där bakterier bryter ner det organiska materialet i de avfallsströmmar som produceras i hem och företag.

Med en MABR som en del av systemet, det kan innebära drift till en tredjedel av kostnaden, en tredjedel av storleken och med en större förmåga än traditionell teknik att ta bort kväve från avloppsvattnet – det renade vattnet som växter skickar tillbaka till floder och bäckar. Att minska halterna av kväve i en anläggnings avloppsvatten kan minska föroreningen av lokala vattendrag och dricksvatten, och hjälpa till att stoppa tillväxten av skadliga alger.

"Vi gifter MABR med konventionell behandlingsteknik, dra nytta av var och ens starka sidor, sa Glen Daigger, en U-M professor i byggnads- och miljöteknik. "Vårt modelleringsarbete visar genomförbarheten av ett hybridt tillvägagångssätt och kvantifierar fördelarna. Det kommer att bidra till att skapa förutsättningar för en mycket bredare användning av MABR-teknik."

Daiggers forskning visas denna vecka i Vattenvetenskap och teknik .

Tekniken bakom MABR har funnits i mer än två decennier, men kommersialiseringen började bara under de senaste fem till sex åren.

Denna ökade prestanda och effektivitet beror främst på det faktum att MABR inte behöver samma mängd utrymme som traditionella bioreaktorer för avloppsvatten. Det mesta av utrymmet i dessa reaktorer används för att hålla bakterierna som bryter ner mänskligt avfall och matrester.

Dessa bakterier behöver syre för att överleva, och den viktigaste skillnaden mellan en MABR och en konventionell reaktor är hur syret tillförs i tanken. En traditionell bioreaktor använder bubbeldiffusorer i botten av tanken för att frigöra och trycka syrebubblor uppåt, men det är ett ineffektivt leveranssätt.

En MABR förlitar sig på "bubbelfri luftning". Tunn, rörliknande membran är belagda med bakterier i form av en biofilm. Syre skickas genom membranen, och det passerar direkt till bakterierna i biofilmen. Den direkta överföringen minskar avsevärt mängden energi som processen kräver och gör att bioreaktorn blir mycket mindre.

Med hybrid MABR-metoden, det behövs mindre organiskt material för att ta bort kvävet så att mer finns tillgängligt för omvandling till biogas som kan användas för energiproduktion.

"Denna hybridmetod kommer att leda mer av det organiska materialet som kommer in i växten till kokaren, där dess nedbrytning kan skapa mer biogas, som kan användas som energikälla, sa Daigger.

Hybridreaktorplanen som utarbetades vid U-M kommer att få ett verkligt test under de kommande månaderna med en demonstrationsskalaversion placerad i Nanjing, Kina med partner Nanjing Zhidao Water Technology Co., Ltd. Om det lyckas, forskare kommer att ta hem systemet till staden Ann Arbors avloppsreningsverk.

"Just nu, MABR är vid en viktig brytpunkt i teknikutvecklingsprocessen, sa Avery Carlson, doktorand forskarassistent vid U-M:s civil- och miljötekniska avdelning. "Vårt mål är att reda ut några av de biologiska interaktionerna i en liten behandlingsenhet här i Ann Arbor för att underlätta teknikantagandet i större skala och i scenarier med omedelbar stor påverkan på andra håll, som pilotanläggningen i Kina.

"I sista hand, vi tror att hybrid MABR-konstruktioner kommer att gå långt för att optimera behandlingen vid befintliga anläggningar, samtidigt som man lägger grunden för en resursfångst, framtidens energigenererande reningsverk."