新型電營養脫氮系統有效淨化養豬業廢水
2021/08/11 @國際
摘要
日本沖繩的養豬產業蓬勃發展，但其排放含大量硝酸鹽的廢水仍無妥善處理的方法，而硝酸鹽污染會嚴重影響人體健康與環境，為使畜牧業的硝酸鹽排放量有效降低，沖繩科學技術大學的研究人員開發一種新型電營養脫氮系統處理養豬業廢水，其具有陰、陽極二個艙室，並以豐富的菌群來協助處理廢水，陽極管表面之細菌可與原廢水中的有機物反應並釋放電子，電子轉移後，陰極管表面的細菌接受這些電子，並淨化已經由曝氣處理並含有大量硝酸鹽的廢水。
示意圖
日本沖繩擁有大規模的養豬業，估計有超過 225,000 頭豬。雖然養豬產業有助於沖繩發展經濟和文化，但其產生的大量廢水是該行業的重大問題。目前農民一般使用的曝氣系統(aerated system)主要是處理廢水中的有機物，並將銨轉化為硝酸鹽，但不再進一步處理硝酸鹽，然而硝酸鹽污染會對人體健康和環境造成重大影響，當人們攝入硝酸鹽，它會轉化為亞硝酸鹽，進而影響血液的攜氧能力，並可能造成變性血紅素血症(methemoglobinemia)或藍嬰症(blue baby syndrome)。在日本，畜牧業的硝酸鹽排放限量將降低至目前限量(即500mg/L硝態氮)的五分之一，而沖繩約有超過35%的養豬場將超過此調降後的限量標準。
沖繩科學技術大學院大學(Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, OIST) Biological Systems Unit的研究團隊開發一種處理養豬業廢水的電營養脫氮系統(electrotrophic denitrification system)，提升產業永續性。研究人員Anna Prokhorova 博士說明新系統使用兩個不同的艙室，並依靠豐富的菌群來協助處理廢水。在第一個艙室—陽極室中，將未經處理的原廢水去除異味、病原體和有機物質，陽極管表面的細菌會與原廢水中的有機分子反應並釋放電子；而後電子經由電極轉移到第二個艙室—陰極室，陰極管表面的細菌接受這些電子，驅動硝酸鹽轉化為氮氣，故可在此艙室淨化已經由傳統曝氣系統處理、含大量硝酸鹽的廢水。此法的好處是有機物(尤其是揮發性脂肪酸)可在原廢水中降解，使氣味與病原體數量減少，並可在有機物含量低的廢水(如已經過曝氣的廢水)中去除硝酸鹽，據悉這是第一個可同時處理兩種不同類型廢水的系統，此研究結果發表於Bioresource Technology。
另外，藉由在電極上施加 -0.4V ~ -0.6V的電位來增強細菌的活性，菌群可在陰極室中成長 60% 以上，進而提高硝酸鹽的還原率，更有效淨化廢水。在實驗室實驗成功後，該團隊進一步於沖繩一養豬場進行實驗，並證明負責去除硝酸鹽的細菌可以接受電子而生長。Prokhorova 博士說明此系統的成效比預期佳，其具有可拓展性、低成本、易組裝和易維護的特點，希望在未來幾年，其他地區也可應用。【延伸閱讀】利用微生物製成的燃料電池清理養豬廢水
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