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废水也有高价值?新技术让养猪业更环保

日本冲绳科学技术研究生院(OIST)生物系统部门的研究人员研制出了一种处理养猪场废水的新系统,并且已经成功通过实地测试。

日本冲绳岛的养猪业正密集化发展。根据日本内阁府的数据,截至2018年,当地猪的数量已经超过22.5万。这些养猪场对岛屿的经济和文化都有着巨大的影响。然而,这些影响并非都是积极的――养猪场的恶劣气味便是最大的困扰。

一定程度上,这种恼人的气味是由养猪的副产品(废水)所引起。现在,来自冲绳科学技术研究生院(OIST)生物系统部门的研究人员研制出了一种处理养猪场废水的新系统,并且已经在冲绳当地的某养猪场成功完成了测试。

“我们的新系统用到了两个不同的腔室。”论文第一作者Anna Prokhorov博士说,“未经处理的废水在第一个腔室内祛除气味、致病菌和有机物。之后,经过传统曝气系统的废水再次进入第二个腔室,滤除其中的硝酸盐和磷酸盐。据我们所知,这是首个同时成功处理两种不同类型废水的系统。”

该系统与目前使用的传统曝气系统形成了鲜明的对比。传统曝气系统主要处理废水中的有机物,也将现有的铵态氮转化为硝酸盐,但不会进一步处理硝酸盐。在日本,畜牧业的硝酸盐排放限制值很快将降为目前水平的五分之一(现在的标准是每升500毫克硝酸盐-氮),而35%冲绳农场排出的废水可能会超过这一新标准。“硝酸盐污染会对人类的健康以及环境造成毁灭性的影响。”研究小组的领导者Mami Kainuma说,“摄入到人体内的硝酸盐会转化为亚硝酸盐,进而影响血液的携氧能力,导致高铁血红蛋白血症或蓝婴综合征。”

在第一个腔室(即阳极室),大量细菌会与有机物进行反应,释放出电子。这些电子之后通过电极转移至第二个腔室(即阴极室)。阴极室内含有已经经过曝气反应、硝酸盐浓度较高的废水。阴极室表面的细菌接受电子后,利用它们来为硝酸盐转化为氮气提供动力。新系统的优势在于:可以在有机物含量较低的情况下,去除废水中的硝酸盐。

在实验室测试完成后,研究人员与冲绳县环境科学中心合作,在冲绳县畜牧业和草原研究中心的养猪场建立了初步的试点实验。由于细菌群落扮演着不可或缺的角色,研究人员还调查了存在哪些细菌物种,群落组成如何随时间变化以及每一步骤由哪些物种负责。

长期实验表明,除硝酸盐的优势菌是那些能够接收电子用于生长的细菌。在处理过程中,研究人员通过在电极上施加-0.4 v - -0.6 v的电势,刺激这些细菌的活性,提高了废水的处理效率。不仅如此,阴极室中的细菌群落增长总量超过了60%,并继续表现出很强的活性,进而获得了较高的硝酸盐还原率。新系统的另一优点是,由于原废水中的有机物(特别是挥发性脂肪酸)被降解,气味和病原体数量都减少了。

“到目前为止,我们对结果非常满意。这比我们预期的要高效得多。”Prokhorova博士说,“该系统可扩展、成本低,易于组装和维护。我们希望在未来几年内,冲绳和其他有类似问题地区的农民,比如日本大陆和东南亚的农村社区,能够使用它。”

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编译:橘子 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《生物资源技术》

期刊编号:0960-8524

原文链接:https://phys.org/news/2021-04-sewage-technology-pig-farming-environmentally.html

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