Vattenbruksproduktionsverksamhet som hjälper till att föda världens växande befolkning genererar också förorenat avloppsvatten som skadar miljön. Fyra studier publicerade av Purdue University-forskare sedan maj förra året dokumenterar genomförbarheten av tidigare oprövade metoder för att framgångsrikt behandla avloppsvattnet.
"Dessa avloppsvatten är inte bra för miljön eftersom de släpper ut en stor mängd näringsämnen som kväve och fosfor", säger Jen-Yi Huang, docent i livsmedelsvetenskap.
"Dessa näringsämnen orsakar skadliga förhållanden som syrebrist och algblomning när de släpps ut i vattenmiljön. Vi vill använda mikroalger som ett tillvägagångssätt för avloppsvattenrening. Vi odlar alger i vattenbrukets avloppsvatten", säger Huang, som lett en studie med fokus på om mikrobiell användning av näringsämnen som biologisk reningsmetod för avloppsvatten.
Huangs studie publicerades i maj 2024 av Bioresource Technology . Halis Simsek, biträdande professor i jordbruks- och biologisk teknik, ledde de övriga tre studierna. En kommer att publiceras 1 juni i Environmental Research , och de andra publicerades i numren 15 augusti 2023 och 15 mars 2024 av Environmental Pollution . Ett dussin forskare vid Purdue och institutioner i Egypten, Indien och Turkiet bidrog till forskningen.
I Bioresource Technology , Huang och hans medförfattare presenterade resultaten av deras livscykelbedömning (LCA) på mikroalgbaserad behandling av avloppsvatten från ett recirkulerande vattenbrukssystem för räkor. LCA analyserade miljöpåverkan från produktionsprocessen för räkor från foderproduktion till avloppsvattenrening för en kommersiell gård i Fowler, Indiana.
"Resultatet av detta dokument ger bevis på konceptet i experimentell skala," sa Huang.
USDA-projekten syftar till att utveckla vattenbrukssystem med noll avfall (odling av vattenlevande organismer under kontrollerade förhållanden) och vattenkultur (kombination av vattenbruk med växtodling i näringsberikat vatten). "Vi vill till fullo återvinna näringsämnena från avloppsvattnet med hjälp av mikroalger," sa Huang.
Målet är att säkerställa att noll-waste livsmedelsproduktion är både tekniskt genomförbar och miljömässigt hållbar. Det senare kräver ett produktionssystem som undviker att generera ett stort miljöavtryck.
"Det finns en avvägning eftersom driften av mikroalgerna av avloppsvatten fortfarande kräver viss energiinsats," sa Huang. "LCA utvärderade avvägningen mellan återvinning av näringsämnen och ytterligare energitillförsel för reningen av algavloppsvatten."
Huangs team fann att behandlingen av mikroalger avloppsvatten är miljömässigt genomförbar. Vidare fann teamet att även med energikraven inkluderade fungerar mikroalgbehandlingen bättre än den konventionella reningsmetoden för aktivt slam.
"Att använda mikroalger som reningsmetod för avloppsvatten kan verkligen förbättra miljöprestandan för vattenbruksproduktion," sa Huang.
Alla tre studierna av Simseks team genomfördes vid Purdues Aquaculture Research Laboratory. I två av dessa studier analyserade forskarna behandling av separata tilapia- och räkoravloppsvattenströmmar med samma fyra stammar av alger och två bakteriestammar.
"Avloppsvatten har alltid bakterier," sa Simsek. "Vi använder naturliga bakterier som redan finns i avloppsvattnet för att ta bort föroreningar."
Forskargruppen mätte nitrat, nitrit, ammonium och andra parametrar i avloppsvattnet under experimenten. Dessa inkluderade kemisk syreförbrukning, ett mått på miljöskadliga utsläpp av avloppsvatten.
"Alla dessa parametrar kan tas bort i avloppsvattnet med hjälp av alger och bakterier tillsammans," sa Simsek. De typer av alger och bakterier som valts ut för studien är de vanligast förekommande naturliga stammarna. "Alla avloppsvatten är olika," noterade han, vilket betyder att olika industrisektorer producerar olika avloppsvatten och därför kan behöva olika behandlingsmetoder.
Den 15 mars 2024, Miljöföroreningar studieresultat visade potentialen för att applicera mikroalger och inhemska bakterier tillsammans för behandling av tilapiaavloppsvatten i stor skala.
I 2023 års studie utvärderade Simsek och hans medförfattare elektrokoagulation (EC) och elektrooxidation (EO) behandlingar av räkors avloppsvatten, både separat och tillsammans. EC och EO, ofta använda metoder för att behandla jordbruks- och andra typer av avloppsvatten, tar bort föroreningar via elektricitet för att driva kemiska reaktioner.
Forskarna tillämpade också en modelleringsmetod som ofta används för att fastställa optimala faktorer som påverkar den elektrokemiska metoden.
"Resultaten av studien visar att EC- och EO-processer är potentiellt fördelaktiga för rening av vattenbruksavloppsvatten", skrev Simsek och hans medförfattare. De föreslog större tester av EC och EO för behandlingen för att minska toxiska miljöeffekter.
"Det utvecklade reningssystemet i kombination med andra reningsmetoder kan vara användbart för att behandla olika typer av avloppsvatten över hela världen, vilket kan hjälpa till att stödja utvecklingen av noll-avfallspolitiken", skrev de.
Mer information: April J. Arbor et al, Livscykelbedömning av miljömässig genomförbarhet av mikroalgbaserad avloppsvattenrening för räkor som återcirkulerar vattenbrukssystem, Bioresource Technology (2024). DOI:10.1016/j.biortech.2024.130578
Pankaj Bhatt et al., Elektrokemisk behandling av vattenbruksavloppsvatten och optimering av parametrarna med hjälp av responsytmetodik, Environmental Pollution (2023). DOI:10.1016/j.envpol.2023.121864
Yolanys Aranda-Vega et al, Biologisk nedbrytbarhet och biotillgänglighet av upplösta ämnen i vattenbruksavlopp:Prestanda för inhemska bakterier, cyanobakterier och gröna mikroalger, Environmental Pollution (2024). DOI:10.1016/j.envpol.2024.123468
Journalinformation: Miljöforskning , Miljöföroreningar , Bioresource Technology
Tillhandahålls av Purdue University
