Een van de grootste bedreigingen voor het milieu is tegenwoordig afvalwater dat overblijft na productieactiviteiten. landbouwpraktijken, zoals varkenshouderij, produceren een grote hoeveelheid afvalwater met organische verontreinigingen, onwelriekende gassen, en andere stoffen die schadelijk zijn voor de watervoorziening. Gebruikelijke methoden voor het behandelen en recyclen van dergelijk afvalwater omvatten beluchting, het toe te passen als meststof voor andere landbouwgebieden of het te beperken tot gespecialiseerde vijvers en wetlands om natuurlijke reinigingsprocessen te ondergaan.

Echter, in gebieden zoals Okinawa, Japan, met beperkte grondvoorraden en veel varkenshouderijen, de hoeveelheid geproduceerd afvalwater is groter dan het land dat beschikbaar is voor behandeling en recycling. Als zodanig, er is een grote behoefte om beter te vinden, sneller, en goedkopere methoden voor de behandeling van afvalwater, dat deel uitmaakt van de geboorte van de Biological Systems Unit aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Met behulp van een veelbelovende technologie voor de behandeling van afvalwater, zogenaamde microbiële brandstofcel (MFC), de eenheid wil het eiland helpen - en bij volmacht, andere locaties met vergelijkbare afvalwaterproblemen — de afvalwaterbelasting verminderen.

Een MFC is, in zekere zin, een anaërobe container met geconcentreerde bacteriën die zich voeden met biologisch afbreekbaar materiaal en bacteriën die in afvalwater worden aangetroffen. Het werkt via bio-elektrochemie, wat betekent dat de energie die wordt gebruikt om de cel te laten werken, wordt gegenereerd door elektronenoverdracht van de bacteriën naar elektroden in het apparaat - er is geen externe energiebron nodig. Wanneer afvalwater door een MFC gaat, de "voedende" bacteriën verteren de organische verbindingen in het afvalwater en er komt aan de andere kant schoner water uit. In aanvulling, bij het verteringsproces komt energie vrij die wordt omgezet in bruikbare elektriciteit. Het eindresultaat is een apparaat dat afvalwater reinigt en daarbij elektriciteit opwekt.

"[De cellen zijn] onderhoudsarm, goedkoop, en heb niet veel bewegende delen, " legt David Simpson uit, een technicus in de OIST Biological Systems Unit. Dit is belangrijk voor degenen die niet de tijd of middelen hebben om dure behandelingsapparatuur te onderhouden - een beschrijving die past bij de rekening van gehaaste werknemers zoals varkenshouders.

"Idealiter waar we naartoe werken, is om de brandstofcel te plaatsen [waar je hem nodig hebt] en hem te vergeten, " legt professor Igor Goryanin uit, die de eenheid bij OIST leidt. "Het zal het afvalwater zelf controleren en behandelen."

De OIST-onderzoekers hebben al MFC's ontwikkeld met het vermogen om gedurende lange tijd te functioneren zonder kapot te gaan of te "slurpen". Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd in Wetenschappelijk , ze hebben ook een manier gevonden om de prestaties van de apparaten te verbeteren. Voordat u een MFC uitvoert, het moet eerst worden gekweekt, of ingeënt, met de "verterende" bacteriën. Om dit te doen, men schept slib met bacteriën in een deel van de MFC dat de anode wordt genoemd. Hier, de gewenste bacteriën worden vermeerderd voor later gebruik in de afvalwaterzuivering.

In hun studie hebben de OIST-onderzoekers veronderstelden dat een MFC beter is in het behandelen van afvalwater als de anode wordt bereid met slib dat eerder in contact is geweest met die specifieke afvalstroom. Ze testten deze hypothese op een lokale varkensboerderij die wordt beheerd door het Okinawa Animal Husbandry Research Center in Nakijin, een dorp in het noorden van het eiland. Ze gebruikten slib dat was verzameld uit een afvalwatertank voor varkens op deze boerderij, evenals slib verzameld uit een afvalwaterreactor bij een lokale brouwerij. Bij het vergelijken van de productiviteit van de twee soorten MFC's, ze ontdekten dat het varkensslib MFC het afvalwater van de varkenshouderij veel beter behandelde dan dat van de plaatselijke brouwerij. De markers die de onderzoekers gebruikten om dit te beoordelen, waren de verwijderingssnelheid van de chemische zuurstofbehoefte en vluchtige vetzuren - verontreinigingen van de watervoorziening - evenals de elektriciteitsopwekking.

Naast de varkenshouderij de eenheid heeft MFC's geplaatst op andere locaties in Okinawa en over de hele wereld, waaronder een Awamori-distilleerderij in Okinawa, een whiskystokerij in Schotland, en een wijnmakerij in Californië, Verenigde Staten. In Californië gebruiken ze het gezuiverde afvalwater voor irrigatie. De MFC's op de distilleerderij van Awamori zijn al ongeveer 5 jaar in bedrijf. Simpson legt uit dat momenteel, deze MFC's op de Awamori-site reinigen het water tot een niveau dat een veilige lozing in het riool mogelijk maakt.

"[We kunnen] organische stoffen in hoge mate verwijderen, met een efficiëntie van ongeveer 90 procent, Simpson legt uit. "Maar bij de behandeling ervan komen ammoniak en fosfaten vrij." Dit zijn chemicaliën die zuurstofgebrek in het water en schadelijke algenbloei kunnen veroorzaken. "Dus we proberen de kringloop te sluiten." Ze werken aan het oogsten van de voedingsstoffen - fosfaat, ammoniak - op laboratoriumschaal.

De eenheid werkt momenteel samen met medewerkers in het Okinawa Prefectural Livestock and Grassland Research Center en het Okinawa Environment Science Center, met financiering van de regering van de prefectuur Okinawa, een oplossing te ontwikkelen voor het opvangen en verwijderen van de voedingsstoffen, mogelijk leidend tot waardevolle en duurzame bijproducten voor meststoffen.

"Het idee van afvalwaterzuivering is om uiteindelijk die landen te helpen die geen toegang hebben tot schoon drinkwater, " Professor Goryanin legt uit, "Misschien door water te reinigen voor gebruik in drinkputten."

Voor nu, de OIST-onderzoekers zullen blijven testen, loop, en hun MFC's optimaliseren in de hoop dat ze op een dag de afvalwaterlast van de wereld kunnen verlichten.