Miliardi di anni fa, quando l'atmosfera terrestre puzzava di gas irrespirabili, microbi si sono evoluti in assenza di ossigeno. Quando la Terra è maturata e si è formata l'atmosfera di azoto e ossigeno, questi anaerobici, o avversi all'ossigeno, i batteri si sono ritirati nel fango del fondo dell'oceano e in altri ambienti dove sarebbero stati al sicuro dall'aria ricca di ossigeno.
Ora gli ingegneri ambientali di Stanford Craig Criddle e Bill Mitch stanno mettendo questi antichi microrganismi al lavoro nella più grande dimostrazione di un processo di trattamento delle acque reflue più conveniente, sostenuto da una sovvenzione di 2 milioni di dollari dalla California Energy Commission (CEC). Impianti più piccoli basati su batteri anaerobici stanno attualmente trattando le acque reflue in Corea del Sud e nel campus di Stanford.
Lavorando a stretto contatto con gli ingegneri ambientali della Silicon Valley Clean Water (SVCW), un servizio di trattamento delle acque, il team di Stanford aiuterà a costruire e gestire un piccolo impianto di trattamento anaerobico a Redwood Shores, California, accanto all'enorme impianto convenzionale che purifica le acque reflue per un quarto di milione di persone e aziende da Redwood City a Menlo Park.
Il gruppo ha aperto la strada all'impianto dimostrativo, che dovrebbe entrare in linea nell'autunno 2018. Alla fine elaborerà 20, 000 galloni di acque reflue al giorno per fornire convalida ed esperienza operativa per quello che potrebbe diventare un impianto su vasta scala in grado di elaborare milioni di galloni di acque reflue al giorno.
"Il trattamento anaerobico può ridurre il consumo di energia e diminuire i costi, e rendere il trattamento delle acque reflue più sostenibile", ha affermato Criddle, professore di ingegneria civile e ambientale.
Oltre all'economicità, i ricercatori ritengono che il trattamento anaerobico potrebbe rivelarsi migliore nel filtrare i prodotti chimici domestici e industriali dal flusso di rifiuti, in modo che l'acqua trattata possa ricadere nel sottosuolo per reintegrare le falde acquifere o addirittura, un giorno, produrre acqua abbastanza pura per irrigare il giardino o anche dissetarsi.
"Il trattamento anaerobico è un cambiamento fondamentale nella tecnologia di riciclaggio dell'acqua, " ha detto Mitch, anche professore di ingegneria civile e ambientale.
Aerobico vs. anaerobico
Da oltre un secolo, il trattamento delle acque reflue si è basato su batteri aerobici che necessitano di ossigeno per sopravvivere. Gli impianti di trattamento delle acque reflue forniscono quell'ossigeno con enormi e costosi ventilatori alimentati elettricamente.
"È giunto il momento per un cambiamento tecnologico, "ha detto Eric Hansen, l'ingegnere civile formato a Stanford che guida il coinvolgimento della Silicon Valley Clean Water nel progetto. "L'eliminazione di questi soffiatori dal processo aiuta a ridurre il costo del recupero dell'acqua e rende le operazioni di trattamento municipale più sostenibili".
La riduzione dei costi è solo uno dei vantaggi del trattamento delle acque reflue basato su batteri anaerobi, secondo Sebastien Tilmans, l'ingegnere civile che gestisce il Codiga Resource Recovery Center nel campus di Stanford. A Codiga, che ha una versione più piccola della tecnologia, i batteri avversi all'ossigeno puliscono le acque reflue ed emettono metano. Comunemente noto come gas naturale, questa produzione può essere bruciata come combustibile o utilizzata come materia prima chimica per produrre plastiche biodegradabili. Quella, Tillman ha detto, esemplifica un cambiamento di pensiero.
"Il concetto di rifiuto non esiste in natura, " ha detto. "Ogni sottoprodotto di un processo naturale è un input per un altro. Tutte le cose che buttiamo nel water o nelle fogne:acqua, energia, fertilizzante - possono essere recuperati come preziosi sottoprodotti del processo anaerobico."
Benvenuti nel mondo del metano
La tecnologia di trattamento anaerobico dell'acqua è stata introdotta decenni fa dall'ingegnere ambientale di Stanford Perry McCarty, ora professore emerito. Ma negli anni Cinquanta, quando ha iniziato a lavorare con questi avversi all'ossigeno, batteri che producono metano, l'energia sembrava a buon mercato e inesauribile. Non c'erano ragioni convincenti per testare un'alternativa a risparmio energetico.
Nei decenni successivi, con l'aumento dei costi per lo smaltimento dell'energia e dei biosolidi, il trattamento anaerobico divenne gradualmente più attraente. Nel 2008, McCarty ha aiutato a costruire un sistema di trattamento anaerobico unico nella città sudcoreana di Bucheon che si è dimostrato altamente efficace per il trattamento delle acque reflue. Nel 2016, I ricercatori di Stanford hanno costruito un sistema leggermente più grande presso la struttura di Codiga, che divenne la prima pianta del genere nell'emisfero occidentale. Il nuovo impianto demo a Redwood City sarà il più grande, e solo il terzo impianto di trattamento anaerobico di questo tipo al mondo.
Vantaggi a valle
Una volta in pianta, le acque reflue passano attraverso un silo di batteri anaerobici che digeriscono lentamente i rifiuti. L'acqua quindi spreme attraverso una membrana di ultrafiltrazione per eliminare i batteri ed è quindi sufficientemente pulita per l'irrigazione del paesaggio e alcune applicazioni industriali. Con l'aiuto di sistemi di trattamento avanzati donati dal distretto idrico di Santa Clara Valley e altri, il gruppo esaminerà anche l'idoneità dell'acqua per ulteriori trattamenti prima del riutilizzo come acqua potabile.
Oltre alla sua efficienza energetica, un sistema di trattamento anaerobico richiede meno spazio rispetto ai tradizionali impianti di trattamento delle acque reflue, che richiedono serbatoi enormi e sistemi di filtrazione più complessi. Un impianto anaerobico su scala industriale potrebbe essere fino al 40% più piccolo di un impianto convenzionale e produrre almeno il 30% in meno di rifiuti solidi, un sottoprodotto che attualmente deve essere ulteriormente trattato e trasportato via, generando costi aggiuntivi e gas serra.
I ricercatori stimano che un impianto anaerobico su vasta scala in grado di funzionare a 15 milioni di galloni al giorno potrebbe risparmiare fino a $ 3, 000 al giorno nella domanda di energia - $ 1 milione all'anno - rispetto a un impianto aerobico comparabile. Tenendo conto di altri risparmi derivanti dal processo più efficiente, i ricercatori stimano un potenziale risparmio di oltre $ 2 milioni all'anno.
Guardando al futuro
Oltre a risparmiare spazio e denaro, i ricercatori di Stanford hanno affermato che il loro processo anaerobico ha un altro vantaggio:la capacità di digerire farmaci e potenti erbicidi domestici e industriali che si sono dimostrati difficili da digerire per i batteri aerobici standard.
Ecco perché McCarty pensa che il futuro appartenga ai resistenti anaerobi. "Si sono adattati agli ambienti più difficili della Terra, " ha detto. "Possono mangiare quasi tutto."
Il progetto dimostrativo a Redwood Shores è attualmente previsto per funzionare fino a marzo 2021. Se il progetto continuerà e si espanderà dipenderà in parte da quanto bene quei microbi eruttatori di metano saranno all'altezza delle aspettative di McCarty.
"Riteniamo che questo prototipo di sistema potrebbe avvantaggiare i contribuenti dell'elettricità offrendo un approccio sostenibile al trattamento delle acque reflue dopo una dimostrazione di successo, " ha affermato David Weightman della California Energy Commission, che ha finanziato questo progetto.
Nel frattempo, i ricercatori sono lungimiranti.
"Stiamo proponendo di cambiare una tecnologia che non è cambiata da oltre cento anni, "Ha detto Hansen.
