Вниз и в грязь: Очистка сточных вод свиноферм Окинавы с помощью микробных топливных элементов
Одной из серьёзных угроз для окружающей среды являются сточные воды от производственной деятельности. Сельскохозяйственные практики, такие как свиноводство, производят огромное количество сточных вод, содержащих органические загрязнители, дурно пахнущие газы и другие вещества, вредные для водных ресурсов. Обычные методы обработки и рециклинга такой воды включают аэрацию, использование в качестве удобрения или сброс в специальные пруды и водно-болотные угодья для естественной очистки.
Однако в таких регионах, как Окинава (Япония), с ограниченными земельными ресурсами и большим количеством свиноферм, объём производимых сточных вод превышает доступные площади для их обработки. Поэтому существует острая потребность в более эффективных, быстрых и дешёвых методах очистки. Этой задачей занимается Отдел биологических систем в Окинавском институте науки и технологий (OIST), используя перспективную технологию — микробный топливный элемент (МТЭ).
МТЭ представляет собой анаэробный контейнер с концентрированными бактериями, которые питаются биоразлагаемым материалом в сточных водах. Устройство работает на основе биоэлектрохимии: энергия генерируется за счёт переноса электронов от бактерий к электродам внутри устройства, без внешнего источника. Проходя через МТЭ, вода очищается, а процесс "переваривания" органики вырабатывает электричество. Результат — устройство, которое очищает сточные воды и одновременно производит энергию.
«[Элементы] требуют минимального обслуживания, дёшевы и имеют мало движущихся частей», — объясняет техник отдела Дэвид Симпсон. «В идеале мы работаем над тем, чтобы установить топливный элемент [где нужно] и забыть о нём», — добавляет руководитель отдела, профессор Игорь Горянин.
Исследователи OIST уже разработали МТЭ, способные работать долгое время без поломок. В статье, опубликованной в Scientifica, они также нашли способ повысить эффективность устройств. Учёные выдвинули гипотезу, что МТЭ будет лучше очищать сточные воды, если анод (часть элемента) подготовить с использованием ила, ранее контактировавшего с этим конкретным типом стоков. Гипотезу проверили на местной свиноферме в деревне Накидзин, используя ил из отстойника фермы и ил из реактора местной пивоварни. МТЭ со свиным илом очищал сточные воды фермы значительно лучше, что оценивалось по скорости удаления химической потребности в кислороде и летучих жирных кислот, а также по выработке электроэнергии.
Помимо свинофермы, устройства OIST работают на других площадках в Окинаве и по всему миру, включая винокурни по производству авамори (Окинава), виски (Шотландия) и винодельню в Калифорнии (США). На площадке авамори МТЭ работают уже около 5 лет, очищая воду до уровня, безопасного для сброса в канализацию.
«Мы можем удалять органику с высокой степенью, около 90%», — поясняет Симпсон. — «Но при обработке высвобождаются аммиак и фосфаты», которые могут вызывать дефицит кислорода в воде и вредоносное цветение водорослей. Поэтому исследователи работают над тем, чтобы «замкнуть цикл», и в лабораторных масштабах пытаются извлекать эти питательные вещества (фосфат, аммиак) для получения ценных побочных продуктов, например, удобрений.
«Идея очистки сточных вод — в конечном итоге помочь тем странам, у которых нет доступа к чистой питьевой воде», — объясняет профессор Горянин, — «возможно, очищая воду для использования в питьевых колодцах». Сейчас исследователи OIST продолжают тестировать, эксплуатировать и оптимизировать свои МТЭ, надеясь однажды облегчить мировую проблему сточных вод.