Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

Резкое увеличение спроса на воду и энергию при одновременном их дефиците усиливает вероятность гуманитарного кризиса. Как ожидается, в следующем десятилетии нехватка доступной пресной воды и рост потребления энергии составят 40% и 36% соответственно, что потребует устойчивых решений этих проблем [1]. Существующие способы очистки сточных вод страдают от дисбаланса в соотношении работа-энергия в обеспечении стандартов очистки [2].

В настоящее время общепризнанно, что сточные воды являются возобновляемыми источниками энергии, удерживающими в химических связях органического вещества энергию в несколько раз большую, чем требуется для их очистки [3]. Концепции преобразования отходов в энергию и разработки менее энергоемких технологий управления сточными водами развивались и широко исследовались во всем мире. Разработка экономичных и энергонейтральных технологий в настоящее время является наиболее востребованным подходом [4].

Водоемы, в которые попал избыток органических веществ (например, из канализации или из стоков скотоводческих ферм), становятся «мертвой зоной»: в них зацветает вода и гибнет рыба и фауна. Чтобы этого не допустить, необходимо очищать воды от органических загрязнений. В среднем развитые страны ежегодно тратят на такие мероприятия до 3% всей вырабатываемой энергии.

Для повышения степени очистки и снижения потерь энергии используется биологическая доочистка. Наиболее простым и эффективным способом служит почвенная очистка по технологии полей орошения и фильтрации, а также ветланды. К биологическим способам очистки относятся и растительно-микробные топливные элементы (РМТЭ), которые позволяют минимизировать потери энергии, превратив очистку сточных вод из энергозатратного процесса в способ получения электроэнергии.

В настоящее время применение РМТЭ распространилось на экологически чистые инженерные системы [5], для выработки биоэлектричества из рисовых полей [6], водно-болотных угодий [7], зеленых крыш [8] и плавучих водоемов [9]. Кроме того, существует потенциал для PMFC-включения в сельскохозяйственные угодья без какого-либо воздействия на производство продуктов питания [10]. Растения, выращиваемые в помещении, зеленые крыши и сады на крышах также могут использоваться в PMFC для выработки биоэлектричества, поддерживать качество воздуха и оказывать экосистемные услуги [11].

Целью данной работы является определение оптимального дизайна растительно-микробных топливных элементов (РМТЭ), оценка электрогенной активности различных растений и проведение анализа состава микрофлоры.

Материалы и методы исследований

В качестве растений для создания растительно-микробных топливных элементов были подобраны представители водной фитофторы, произрастающие в водоемах и заболоченных местностях: пистия, эйхорния толстоножковая, камыш, рис. Растения подрощены до стадии кущения: пистия (лист – 10 см, корень – 5 см), эйхорния (лист – 20 см, корень – 18 см), камыш (стебель – 30 см, корень – 13 см), рис (стебель – 15 см, корень – 7 см).

Конструкция безмембранная. Электроды, включенные в систему, замыкают электрическую цепь. В качестве электродов послужили: алюминиевая сетка 3,23.2×13.4×2.4 мм ПВС (ТУ У00236010. 001-97), угольные (графитовые) электроды диаметром 8 мм (ГОСТ 10720-75), графитовый электрод, а также лист из нержавеющей стали 2 мм, анод выполнен из тех же материалов.

Расстояние между электродами – 5, 10, 20 см. Два электрода подключались к портативному цифровому мультиметру типа UT33C+ с помощью медных проводов или через сопротивление в 1000 Ом. Производительность системы определяется путем измерения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания.

В качестве сточной воды использовался имитат следующего состава (г/л): CH3COONa – 256,41 мг/л; NH4Cl – 76,43 мг/л; NaNO3 – 30,36; KH2PO4 – 14,24 мг/л; CaCl2 – 14,7 мг/л; MgCl2 – 20,3 мг/л и раствор микроэлементов 10 мл/л [21]. На дно устройства нанесли болотный ил высотой не более 3 см. Синтетические сточные воды подавались на поверхность каждого CW-MFC. Изначальный показатель ХПК сточной синтетической воды в системе РМТЭ в среднем был в пределах 110-250 мгО2/л.

Измерения вольт-амперных характеристик проводили с помощью аппарата мультиметр Fluke 8808A.

Выделение, очистку и идентификацию микроорганизмов проводили общепринятыми классическими методами.

Статистическую обработку результатов проводили с использованием программ Statistica 6,0, Microsoft Excel 97.

Результаты исследования и их обсуждение

В рамках создания модельных РМТЭ в CW проведена серия экспериментов по получению электроэнергии на различных установках с использованием растений: пистия, водяной гиацинт, камыш и рис. Выращенные культуры устанавливали в экспериментальные РМТЭ.

Экспериментальные РМТЭ созданы на основе трубы ПВХ (поливинилхлорид) диаметром 150 мм, толщиной 2 мм, высотой 37 см. Рабочий объём РМТЭ составил 6 литров (рис. 1).

При культивировании растений на экспериментальных установках корни и окисляемый субстрат находятся в аэробных условиях, аэрируются воздухом в катодной камере РМТЭ. В нижнем отсеке РМТЭ содержится анод, где создаются анаэробные условия (рис. 1).

Предлагаемый РМТЭ не имеет в своей конструкции протонселективной мембраны. На аноде микроорганизмы ассимилируют органические вещества из воды, при этом свободные протоны диффундируют к катоду, где окисляются кислородом до воды. В качестве субстрата использована синтетическая сточная вода. Сточная вода подавалась с нижнего клапана со скоростью 6 л/сутки, таким образом, обновление обьема осуществляется за 24 часа.

Рис. 1. Экспериментальные РМТЭ

Рис. 2. Динамика электрогенной активности РМТЭ с различными растениями

Показатели напряжения, силы тока и разности потенциала определяли ежедневно с помощью мультиметра. Положительные показатели электрогенной активности получены при культивировании 50-100 ч, максимальные показатели достигались на 10-15-е сутки (рис. 2).

В рамках исследования высокую электрогенную активность проявили установки с графитовым электродом, где максимальный показатель напряжения достигнут на уровне 512 mV, при длительности культивирования 74 суток с использованием пистии, сила тока 1,61 мА (рис. 3).

Было исследовано РМТЭ с различными параметрами: расстояние между электродами (100-200 мм), растения (пистия, эйхорния, рис, камыш), форма и размеры электродов (классический графитовый электрод, графитовый стержневый электрод 8 мм), а также алюминиевая сетка.

В среднем между различным дизайном электродов существенных различий между генерируемыми напряжением и силой тока РМТЭ в экспериментальных установках не наблюдалось (табл. 1). Однако важно отметить, что РМТЭ, содержащие электроды из нержавеющей стали, достигали наиболее высоких показателей напряжения тока 607 mV. При этом установки с графитом наиболее быстрее «запускались» и производили ток, в свою очередь электроды из алюминиевой сетки также показали высокий потенциал с максимальным показателем на уровне 468 mV.

Таким образом, анализ результатов, полученных в рамках исследования экспериментальных РМТЭ, позволил определить оптимальное расстояние между электродами в установке, которое составило 10 см. Наиболее высокий потенциал развивали электроды из нержавеющей стали и графита. Из растений более эффективными оказались пистия, затем рис и эйхорния, наименьшие показатели генерации тока отмечали при использовании камыша.

Таблица 1

Показатели электрогенной активности экспериментальных РМТЭ

По данным таблицы 2, наибольшим напряжением обладает вариант № 9, который состоит из электродов из нержавеющей стали, расположенных на расстоянии 10 см, с использованием пистии в качестве растительного элемента. Также высокое напряжение показали вариант № 5 (рис, графитовый стержень, 10 см) и № 8 (пистия, нержавеющая сталь, 20 см).

Проведена оценка электрогенного микробиоценоза, выделенного из электродов РМТЭ классическими методами. Для выделения микроорганизмов с электродов отбирали пробы методом смыва с дальнейшим проведением предельных разведений и посевом суспензий клеток на селективные питательные среды: СПА, МПА, Клигера, МРС и Сабуро (рис. 3).

В выделенных культурах доминировали бактерии с колониями бежевого цвета. Также встречались колонии желтого, розового и черного цветов. Выявлено, что на электродах экспериментальных РМТЭ присутствовали грамотрицательные и грамположительные бактерии. Культуры чистые, имеют однородный рост по штриху посева, также клетки в мазке однородные.

По фенотипическим характеристикам и биохимическим свойствам большинство выделенных чистых жизнеспособных микроорганизмов были представителями рода Bacillus, остальные физиологические группы отнесены к следующим родам: Shigella, Lactobacillus, Actinobacteria, Clostridium, Shewanella, Proteus, Pseudomonas. Основное количество микроорганизмов выделены из аэробной зоны, из анаэробной только Clostridium и Lactobacillus.

Результаты химического анализа по определенио ХПК на 15-е сутки показали снижение значения до 28 мгО2/л.

Таблица 2

Вольт-амперные показатели различных вариантов РМТЭ

Рис. 3. Первичное выделение культур микроорганизмов

Заключение

Таким образом, нам удалось создать однокамерную установку растительно-микробных топливных элементов и произвести отбор эффективных электродных материалов. В нашем исследовании наибольшую эффективность показали РМТЭ из нержавеющей стали и графита с оптимальным расстоянием между электродами в установке 10 см. Из растений более эффективными оказались пистия, рис и эйхорния, наименьшие показатели генерации тока отмечали при использовании камыша.

Наибольшим напряжением обладал вариант опыта № 9 (468 mV), который состоит из электродов из нержавеющей стали, расположенных на расстоянии 10 см, с использованием растения – пистии, вариант № 5 (468 mV, рис, графитовый стержень, 10 см) и вариант № 8 (431 mV, пистия, нержавеющая сталь, 20 см).

Микробиоценоз с поверхности электрода и сточных вод составили следующие таксономические группы бактерий: Bacillus, Shigella, Lactobacillus, Actinobacteria, Clostridium, Shewanella, Proteus, Pseudomonas.