Исследователи WSU разработали устойчивую систему очистки сточных вод, которая опирается на микробные сообщества, производящие электроны, для очистки воды.
Работа может когда-нибудь привести к снижению зависимости от энергоемких процессов, которые используются для перемещения и очистки сточных вод, на долю которых приходится целых два процента от общего потребления электроэнергии в Соединенных Штатах.
Во главе с Абдельрманом Мохамедом, постдокторским научным сотрудником, и Халуком Бейеналом, заслуженным профессором Школы генетики и биоинженерии Пола Хоэншу, и Линды Войланд исследователи сообщают о своей работе в журнале Bioelectrochemistry.
При очистке сточных вод аэрация является энергоемкой и необходимой процедурой для удаления загрязняющих веществ. Насосы работают непрерывно, смешивая воздух с водой, добавляя кислород, который бактерии затем используют для окисления органических веществ и загрязняющих веществ. В своей работе исследователи использовали уникальную систему микробных топливных элементов, которую они разработали вместо внешней аэрации.
«Если мы сократим потребление энергии даже на небольшой процент в США, это составит миллиарды долларов ежегодных затрат», - сказал Мохамед. «Затраты на энергию - это одна часть, но это также означает сокращение выбросов в окружающую среду».
Микробные топливные элементы работают, заставляя микробы преобразовывать химическую энергию в электричество, подобно батарее. Они не производят много электроэнергии, поэтому их используют в устройствах с низким энергопотреблением, особенно в отдаленных районах, где использование батарей невозможно.
В случае очистки сточных вод микробный топливный элемент может выполнять ту роль, которую играют аэрация и кислород, - принимая электроны, которые бактерии генерируют в результате своей метаболической работы.
Помимо замены кислорода, система также может генерировать небольшое количество электроэнергии, которую можно использовать для дополнительной аэрации.
"Мы попытались обдумать это в два этапа", - сказал Мохамед. «Мы снижаем затраты на энергию, потому что вам не нужно аэрировать и добавлять кислород, но во-вторых, мы вырабатываем немного энергии, которую можем использовать для некоторых полезных приложений на самой станции очистки сточных вод».
«Это похоже на то, что мы дважды погружаемся», - добавила Бейеналь. «Мы используем электроды, а затем акцептор электронов, чтобы стимулировать рост микробов. С другой стороны, мы получаем немного электроэнергии для насоса и аэрации. С таким подходом он более мощный и может очищать сточные воды быстрее».
Топливные элементы экспериментально использовались в системах очистки сточных вод в идеальных условиях, но в реальных и изменяющихся условиях они часто выходят из строя.
«У микробных топливных элементов отсутствует внутренняя регуляция, контролирующая потенциал анодов и катодов и, следовательно, потенциал ячейки», - сказал Мохамед. «Это может привести к сбою системы».
В системе, разработанной командой WSU, исследователи добавили дополнительный электрод, который позволяет дополнительно контролировать их систему топливных элементов. Система переключаемая. Он может либо работать сам по себе как микробный топливный элемент, не потребляя энергии, поскольку медленно очищает отходы, либо его можно заменить на элемент, который потребляет меньше энергии, чем аэрация, и очищает более интенсивно. Мохамед изобрел дешевое портативное электронное устройство, управляющее электродами.
Исследователи смогли безотказно эксплуатировать свою систему в течение года в лаборатории, а также в экспериментальном масштабе на тестовом очистном сооружении в Москве, штат Айдахо. Пилотная очистная установка принадлежит и управляется профессором экологической инженерии Университета Айдахо Эриком Р. Коутса, который был соавтором проекта. Система удаляла отходы со скоростью, сравнимой с аэрацией.
Система потенциально может использоваться полностью независимо от энергосистемы, и исследователи надеются, что когда-нибудь ее можно будет использовать для небольших очистных сооружений, например, для очистки мест содержания крупного рогатого скота или в очень сельской местности.
«Со временем мы добились большого прогресса», - сказал Мохамед, который впервые заинтересовался микробными топливными элементами, будучи студентом WSU. «Есть еще проблемы, которые нам нужно преодолеть, чтобы увидеть это как реальное приложение, но интересно видеть, как область значительно меняется с течением времени».
«Эти системы сложно построить», - добавила Бейеналь. "Я думаю, что все так просто, когда я пишу предложение, но это требует много времени и много новых открытий. На рынке нет ничего подобного."
Работа финансировалась Управлением военно-морских исследований.