Одной из самых больших угроз для окружающей среды сегодня являются сточные воды, оставшиеся от производственной деятельности. Сельскохозяйственные методы, такие как свиноводство, производят большое количество сточных вод, содержащих органические загрязнители, зловонные газы и другие вещества, которые наносят ущерб системе водоснабжения. Обычные методы очистки и рециркуляции таких сточных вод включают аэрацию, применение их в качестве удобрения в других сельскохозяйственных районах или их ограничение в специализированных прудах и заболоченных местах для прохождения процессов естественной очистки.
Однако в таких районах, как Окинава, Япония, с ограниченными земельными ресурсами и большим количеством свиноферм, количество производимых сточных вод превышает количество земли, доступной для очистки и переработки. Таким образом, существует острая необходимость в поиске лучших, быстрых и более дешевых методов очистки сточных вод, что является частью того, что является частью того, что породило Подразделение биологических систем в Окинавском институте науки и технологий (OIST). Используя многообещающую технологию очистки сточных вод, называемую микробным топливным элементом (MFC), подразделение стремится помочь острову - и, косвенно, другим местам с аналогичными проблемами сточных вод - уменьшить нагрузку на сточные воды.
МТЭ в некотором смысле представляет собой анаэробный контейнер с концентрированными бактериями, которые питаются биоразлагаемым материалом и бактериями, обнаруженными в сточных водах. Он работает посредством биоэлектрохимии, а это означает, что энергия, используемая для работы клетки, генерируется за счет переноса электронов от бактерий к электродам внутри устройства - внешний источник энергии не требуется. Когда сточные воды проходят через МТЭ, «питающие» бактерии переваривают содержащиеся в сточных водах органические соединения, и с другой стороны выходит более чистая вода. Кроме того, в процессе пищеварения выделяется энергия, которая преобразуется в полезную электроэнергию. Конечным результатом является устройство, которое очищает сточные воды и при этом вырабатывает электроэнергию.
«[Элементы] требуют минимального обслуживания, низкой стоимости и не имеют большого количества движущихся частей», - объясняет Дэвид Симпсон, техник из отдела биологических систем OIST. Это важно для тех, у кого нет времени или ресурсов для обслуживания дорогостоящего очистного оборудования - описание, которое подходит для изнуренных рабочих, таких как свиноводы.
«В идеале мы стремимся поставить топливный элемент [там, где он вам нужен] и забыть о нем», - объясняет профессор Игорь Горянин, руководитель подразделения OIST. «Он будет контролировать и очищать сточные воды самостоятельно».
Исследователи OIST уже разработали МФЦ, способные функционировать в течение длительного периода времени, не ломаясь и не разрушаясь. Теперь, в статье, опубликованной в Scientifica, они также нашли способ повысить производительность устройств. Перед запуском MFC его необходимо сначала культивировать или инокулировать «переваривающими» бактериями. Для этого в часть МТЭ, называемую анодом, засыпают шлам, содержащий бактерии. Здесь нужные бактерии размножаются для последующего использования при очистке сточных вод.
В своем исследовании исследователи OIST выдвинули гипотезу о том, что MFC будет лучше очищать сточные воды, если анод будет подготовлен из шлама, который ранее контактировал с этим конкретным потоком отходов. Они проверили эту гипотезу на местной свиноферме, находящейся в ведении Исследовательского центра животноводства Окинавы в Накидзине, деревне в северной части острова. Они использовали шлам, собранный из резервуара для приема сточных вод свиней на этой ферме, а также ил, собранный из реактора сточных вод на местном пивоваренном заводе. При сравнении производительности двух типов MFC они обнаружили, что MFC на основе свиного ила намного лучше очищает сточные воды свинофермы, чем вода местного пивоваренного завода. Маркеры, которые исследователи использовали, чтобы судить об этом, были скоростью удаления химической потребности в кислороде и летучих жирных кислот - загрязнителей водоснабжения - а также выработки электроэнергии..
Помимо свинофермы, у Подразделения есть МФЦ, размещенные на других объектах на Окинаве и по всему миру, включая винокурню Awamori на Окинаве, винокурню в Шотландии и винодельню в Калифорнии, США. В Калифорнии очищенные сточные воды используют для орошения. МТЦ на ликероводочном заводе в Авамори работают уже около 5 лет. Симпсон объясняет, что в настоящее время эти МФЦ на объекте Авамори очищают воду до уровня, позволяющего безопасно сбрасывать ее в канализацию.
«[Мы можем] удалять органические вещества в высокой степени с эффективностью около 90%», - объясняет Симпсон. «Но при его обработке выделяются аммиак и фосфаты». Это химические вещества, которые могут вызвать истощение кислорода в воде, а также вредное цветение водорослей.«Поэтому мы пытаемся замкнуть петлю». Они работают над сбором питательных веществ - фосфатов, аммиака - в лабораторных масштабах.
В настоящее время подразделение работает с сотрудниками Центра исследований животноводства и пастбищ префектуры Окинава и Центра экологических исследований Окинавы при финансовой поддержке правительства префектуры Окинава над разработкой решения для улавливания и удаления питательных веществ, что может привести к ценные и устойчивые побочные продукты для удобрений.
«Идея очистки сточных вод состоит в том, чтобы в конечном итоге помочь тем странам, которые не имеют доступа к чистой питьевой воде, - объясняет профессор Горянин, - …возможно, очищая воду для использования в питьевых колодцах».
На данный момент исследователи OIST будут продолжать тестировать, запускать и оптимизировать свои МФЦ в надежде, что однажды они смогут уменьшить бремя сточных вод во всем мире.