Ned og snavset:Rensning af Okinawan svinefarms spildevand med mikrobielle brændselsceller

En af de største trusler mod miljøet i dag er spildevand, der er tilbage fra produktionsaktiviteter. Landbrugspraksis, såsom svineavl, producere en stor mængde spildevand indeholdende organiske forurenende stoffer, ildelugtende gasser, og andre stoffer, der er skadelige for vandforsyningen. Sædvanlige metoder til behandling og genanvendelse af sådant spildevand omfatter beluftning, at anvende det som gødning til andre landbrugsområder eller begrænse det til specialiserede damme og vådområder for at gennemgå naturlige renseprocesser.

Imidlertid, i områder som Okinawa, Japan, med begrænsede jordressourcer og mange svinefarme, mængden af ​​produceret spildevand opvejer den jord, der er til rådighed til behandling og genanvendelse. Som sådan, der er et stort behov for at finde bedre, hurtigere, og billigere metoder til spildevandsrensning, som er en del af det, der fødte Biological Systems Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Ved at bruge en lovende spildevandsbehandlingsteknologi, kaldet en mikrobiel brændselscelle (MFC), Enheden har til formål at hjælpe øen – og ved fuldmagt, andre steder med lignende spildevandsproblemer – reducerer dets spildevandsbyrde.

En MFC er, i en vis forstand, en anaerob beholder med koncentrerede bakterier, der lever af biologisk nedbrydeligt materiale og bakterier, der findes i spildevand. Det fungerer via bio-elektrokemi, hvilket betyder, at den energi, der bruges til at drive cellen, genereres fra elektronoverførsel fra bakterierne til elektroder i enheden - ingen ekstern energikilde er nødvendig. Når spildevand passerer gennem en MFC, de "fødende" bakterier fordøjer de organiske forbindelser i spildevandet, og der kommer renere vand ud på den anden side. Ud over, fordøjelsesprocessen udstøder energi, som omdannes til brugbar elektricitet. Slutresultatet er en enhed, der renser spildevand og genererer elektricitet, mens du gør det.

"[Cellerne er] lav vedligeholdelse, lavpris, og har ikke mange bevægelige dele, " forklarer David Simpson, en tekniker i OIST Biological Systems Unit. Dette er vigtigt for dem, der ikke har tid eller ressourcer til at vedligeholde dyrt behandlingsudstyr - en beskrivelse, der passer til regningen for hærdede arbejdere såsom svineavlere.

"Ideelt set er det, vi arbejder hen imod, at placere brændselscellen [hvor du har brug for den] og glemme det, " forklarer professor Igor Goryanin, der leder enheden på OIST. "Det vil overvåge og rense spildevandet af sig selv."

Allerede OIST-forskerne har udviklet MFC'er med evnen til at fungere i lange perioder uden at gå i stykker eller "knokle" op. Nu, i et blad udgivet i Scientifica , de har også identificeret en måde at styrke enhedernes ydeevne på. Før du kører en MFC, det skal først dyrkes, eller podet, med de "fordøjende" bakterier. At gøre dette, man skovler slam indeholdende bakterier ind i en del af MFC'en kaldet anoden. Her, de ønskede bakterier formeres til senere brug i spildevandsrensning.

I deres undersøgelse, OIST-forskerne antog, at en MFC vil være bedre til at behandle spildevand, hvis anoden er klargjort med slam, der tidligere har været i kontakt med den pågældende affaldsstrøm. De testede denne hypotese på en lokal svinefarm, der ledes af Okinawa Animal Husbandry Research Center i Nakijin, en landsby i den nordlige del af øen. De brugte slam indsamlet fra en svinespildevandsmodtagertank på denne gård, samt slam opsamlet fra en spildevandsreaktor på et lokalt bryggeri. Ved at sammenligne produktiviteten af ​​de to typer MFC'er, de fandt ud af, at svineslammet MFC behandlede svinefarmens spildevand meget bedre end det fra det lokale bryggeri. De markører, forskerne brugte til at bedømme dette, var fjernelseshastigheden af ​​kemisk iltbehov og flygtige fedtsyrer - forurenende stoffer i vandforsyningen - samt elproduktion.

Udover svinefarmen, enheden har MFC'er placeret på andre steder i Okinawa og rundt om i verden - inklusive et Awamori-destilleri i Okinawa, et whiskydestilleri i Skotland, og en vingård i Californien, Forenede Stater. I Californien bruger de det rensede spildevand til kunstvanding. MFC'erne på Awamori-destilleriet har været i drift i omkring 5 år. Simpson forklarer, at i øjeblikket, disse MFC'er på Awamori-stedet renser vandet til et niveau, der giver mulighed for sikker udledning i kloakker.

"[Vi kan] fjerne organiske stoffer i høj grad, med omkring 90 procent effektivitet, " Simpson forklarer. "Men behandling af det frigiver ammoniak og fosfater." Det er kemikalier, der kan forårsage iltsvind i vand såvel som skadelige algeopblomstringer. "Så vi forsøger at lukke sløjfen." De arbejder på at høste næringsstofferne - fosfat, ammoniak - på laboratorieskalaen.

Enheden arbejder i øjeblikket med samarbejdspartnere i Okinawa Prefectural Livestock and Grassland Research Center og Okinawa Environment Science Center, med finansiering fra Okinawa-præfekturets regering, at udvikle en løsning til at opfange og fjerne næringsstofferne, potentielt føre til værdifulde og bæredygtige biprodukter til gødning.

"Idéen med spildevandsrensning er til sidst at hjælpe de lande uden adgang til rent drikkevand, " Professor Goryanin forklarer, "måske ved at rense vand, der skal bruges i drikkevandsbrønde."

For nu, OIST-forskerne vil fortsætte med at teste, løb, og optimere deres MFC'er med håbet om, at de en dag kan lette klodens spildevandsbyrde.