Wetenschap
Studies beoordelen de haalbaarheid van methoden voor de behandeling van afvalwater in de aquacultuur
Aquacultuurproductieactiviteiten die de groeiende wereldbevolking helpen voeden, genereren ook vervuild afvalwater dat schadelijk is voor het milieu. Vier onderzoeken die sinds mei vorig jaar door wetenschappers van Purdue University zijn gepubliceerd, documenteren de haalbaarheid van voorheen onbewezen methoden voor de succesvolle behandeling van afvalwater.
"Die afvalwaters zijn niet goed voor het milieu omdat ze een grote hoeveelheid voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor lozen", zegt Jen-Yi Huang, universitair hoofddocent voedingswetenschappen.
"Deze voedingsstoffen veroorzaken schadelijke omstandigheden zoals zuurstofgebrek en algenbloei wanneer ze in het watermilieu worden geloosd. We willen microalgen gebruiken als aanpak voor de behandeling van afvalwater. We kweken algen in het afvalwater van de aquacultuur", zegt Huang, die een onderzoek leidde dat zich richtte op over microbieel gebruik van voedingsstoffen als biologische afvalwaterzuiveringsmethode.
Huangs onderzoek werd gepubliceerd in het meinummer van Bioresource Technology . Halis Simsek, universitair docent landbouw- en biologische technologie, leidde de andere drie onderzoeken. Eén ervan zal op 1 juni worden gepubliceerd in Environmental Research , en de andere zijn gepubliceerd in de nummers van 15 augustus 2023 en 15 maart 2024 van Environmental Pollution . Een tiental wetenschappers van Purdue en instellingen in Egypte, India en Turkije hebben bijgedragen aan het onderzoek.
In Bioresource-technologie Huang en zijn co-auteurs presenteerden de resultaten van hun levenscyclusanalyse (LCA) van op microalgen gebaseerde behandelingen van afvalwater uit een recirculerend aquacultuursysteem voor garnalen. De LCA analyseerde de milieu-impact van het garnalenproductieproces, van voerproductie tot afvalwaterzuivering, voor een commerciële boerderij in Fowler, Indiana.
"Het resultaat van dit artikel levert het proof-of-concept op experimentele schaal", aldus Huang.
De USDA-projecten streven naar de ontwikkeling van zero-waste aquacultuursystemen (het kweken van waterorganismen onder gecontroleerde omstandigheden) en aquaponics (de combinatie van aquacultuur met plantenteelt in met voedingsstoffen verrijkt water). "We willen de voedingsstoffen volledig uit het afvalwater terugwinnen met behulp van microalgen", aldus Huang.
Het doel is ervoor te zorgen dat voedselproductie zonder afval zowel technisch haalbaar als ecologisch duurzaam is. Dit laatste vereist een productiesysteem dat vermijdt een grote ecologische voetafdruk te genereren.
"Er is een afweging omdat het exploiteren van de afvalwaterzuivering met microalgen nog steeds enige energie-input vereist", zei Huang. "De LCA evalueerde de afweging tussen het terugwinnen van voedingsstoffen en extra energie-input voor de afvalwaterzuivering van algen."
Het team van Huang ontdekte dat het afvalwaterzuiveringsproces met microalgen vanuit milieuoogpunt haalbaar is. Verder ontdekte het team dat zelfs als rekening wordt gehouden met de energiebehoeften, de behandeling van microalgen beter werkt dan de conventionele methode voor de behandeling van afvalwater met actief slib.
"Het gebruik van microalgen als afvalwaterzuiveringsmethode kan inderdaad de milieuprestaties van de aquacultuurproductie verbeteren", aldus Huang.
Alle drie de onderzoeken door het team van Simsek werden uitgevoerd in Purdue's Aquaculture Research Laboratory. In twee van die onderzoeken analyseerden de wetenschappers de behandeling van afzonderlijke afvalwaterstromen van tilapia en garnalen met dezelfde vier algenstammen en twee bacteriestammen.
"Afvalwater bevat altijd bacteriën", zei Simsek. "We gebruiken natuurlijke bacteriën die al in het afvalwater voorkomen om verontreinigingen te verwijderen."
Het onderzoeksteam mat tijdens de experimenten nitraat, nitriet, ammonium en andere parameters in het afvalwater. Deze omvatten het chemische zuurstofverbruik, een maatstaf voor de lozing van afvalwater die schadelijk is voor het milieu.
"Al deze parameters kunnen uit het afvalwater worden verwijderd door algen en bacteriën samen te gebruiken", zei Simsek. De voor het onderzoek geselecteerde soorten algen en bacteriën zijn de meest voorkomende natuurlijke stammen. "Elk afvalwater is anders", merkte hij op, wat betekent dat verschillende industriële sectoren verschillend afvalwater produceren en daarom mogelijk verschillende behandelingsmethoden nodig hebben.
De milieuvervuiling van 15 maart 2024 studieresultaten toonden het potentieel aan om microalgen en inheemse bacteriën samen te gebruiken voor de behandeling van grootschalige tilapia-afvalwater.
In het onderzoek uit 2023 evalueerden Simsek en zijn co-auteurs elektrocoagulatie (EC) en elektrooxidatie (EO) behandelingen van garnalenafvalwater, zowel afzonderlijk als samen. EC en EO, veelgebruikte methoden voor de behandeling van landbouw- en andere soorten afvalwater, verwijderen verontreinigende stoffen via elektriciteit om chemische reacties op gang te brengen.
De onderzoekers pasten ook een modelleringsaanpak toe die vaak wordt gebruikt om optimale factoren te bepalen die de elektrochemische methode beïnvloeden.
"De resultaten van het onderzoek laten zien dat EC- en EO-processen potentieel gunstig zijn voor de behandeling van afvalwater van de aquacultuur", schreven Simsek en zijn co-auteurs. Ze stelden voor om op grotere schaal EC en EO te testen voor de behandeling om toxische milieueffecten te verminderen.
"Het ontwikkelde behandelingssysteem in combinatie met andere behandelingsmethoden zou nuttig kunnen zijn om verschillende soorten afvalwater over de hele wereld te behandelen, wat de ontwikkeling van het zero-waste-beleid kan helpen ondersteunen", schreven ze.