Scale-up opportunities of microbial electrolysis cells for hydrogen production from wastewater

Abstract

El tractament d’aigües residuals és avui en dia un procés energèticament intensiu, tot i l’energia química emmagatzemada dins la matèria orgànica contaminant. Mitjançant l’aplicació d’un potencial elèctric, les cel·les d’electròlisi microbiana (MEC) permeten recuperar part d’aquesta energia en forma d’hidrogen. Aquesta tecnologia, però, encara ha de superar obstacles abans de poder ser implementada a escala real. En aquesta tesi, es va avaluar el potencial d’ampliació de MEC en configuració d’una sola cambra, la qual presenta un disseny i operació més senzills i uns requeriments energètics inferiors. Per contra, la disponibilitat de l’hidrogen per altres microorganismes en pot reduir la recuperació i la puresa. L’operació a llarg termini d’una MEC va permetre la quantificació de les pèrdues d’hidrogen lligades al seu consum per part d’homoacetògens o metanògens per a la producció d’acetat i metà, respectivament. En tots dos casos, la recuperació d’hidrogen va ser baixa, i per tant, aquesta configuració va ser exclosa. La configuració de MEC en doble cambra evita que l’hidrogen sigui consumit, però la presència d’una membrana provoca pèrdues de potencial associades a gradients de pH. Per això, una gran part dels experiments a escala laboratori reportats s’han dut a terme amb medis amb una alta capacitat tamponant en comparació a la de les aigües residuals. Així doncs, el funcionament de les MEC treballant amb un medi de cultiu sense tamponar va ser avaluat. Es va observar que tant l’ànode com el càtode presentaven unes pèrdues de potencial més grans que amb el medi tamponat, sent aquestes però, més elevades en el cas de l’ànode pel fet de tractar-se d’un sistema biològic i per tant, més sensible als canvis de pH. Per tal de millorar el funcionament de les MEC en doble cambra, es va implementar una estratègia de control de pH. Controlant el pH de l’ànode a valors propers a 7, l’activitat biològica es mantenia. A més, la termodinàmica del sistema va ser afavorida controlant el pH del càtode a valors baixos, la qual cosa va permetre produir hidrogen amb un contingut energètic fins a 8 cops superior a l’energia invertida en produir-lo. Posteriorment, el control de pH al càtode va ser substituït per l’ús d’un efluent àcid de la indústria formatgera com a catòlit. Durant aquesta tesi es van dur a terme les primeres proves d’inoculació i operació en discontinu en una unitat que formarà part d’una planta pilot MEC. Els resultats van ser satisfactoris, si bé és cert que algunes modificacions són necessàries per tal de millorar-ne el funcionament. En aquest sentit, s’haurà de millorar la recuperació de l’hidrogen i la duració d’un cicle en discontinu s’haurà de reduir per tal de minimitzar el consum de matèria orgànica per part d’altres microorganismes, i maximitzar per tant, la recuperació energètica de les aigües residuals en forma d’hidrogen. Per últim, es va investigar la resistència dels exoelectrògens a la inanició. Es va observar que l’activitat biològica del sistema no es veia afectada per un període de fins a 10 dies sense substrat sempre i quan el potencial elèctric es mantingués aplicat, ja que d’aquesta manera, es permetia el consum del substrat acumulat com a polímer a l’interior cel·lular. Segons el treball desenvolupat en aquesta tesi, la implementació de les MEC a escala real per a la producció d’hidrogen serà possible si: (i) es treballa en configuració de doble cambra evitant el consum d’hidrogen per part d’altres microorganismes, (ii) s’evita un gran descens en el pH de l’ànode i (iii) s’aconsegueix reduir el potencial elèctric aplicat per a la producció d’hidrogen seguint estratègies similars a la utilització d’un efluent àcid com a catòlit.

Nowadays wastewater treatment is an energy-intensive process, even though wastewater contains a large amount of chemical energy stored within the organic contaminants. Microbial electrolysis cells (MEC) are able to recover part of this energy as hydrogen by applying an electric potential. However, there are still important hurdles to overcome before implementation at full-scale of this technology. In this thesis, the scale-up potential of single-chamber MEC was first evaluated. Single-chamber configuration has as advantage the simple design and operation and lower energy requirements. However, the availability of hydrogen for other microorganisms can reduce both its recovery and purity. The long-term operation of MEC allowed quantifying hydrogen losses related to the consumption by either homoacetogens or methanogens for acetate and methane production, respectively. In both cases the recovery of hydrogen was low and therefore this configuration was excluded. Two-chamber configuration prevents hydrogen to be consumed, but on the drawback side, the presence of a membrane causes potential losses associated to pH gradients. For this reason, much of the reported experiments at lab-scale have been carried out with media with high buffering capacity when compared to that in wastewater. The performance of MEC with non-buffered medium was assessed and it was observed that both anode and cathode had a higher overpotential than when working with buffered media. The overpotential of the anode, however, was significantly higher as it is a biological system and thus, more sensitive to pH changes. A pH control was implemented to improve the performance of two-chamber MEC. It was observed that the biological activity could be maintained by controlling the anodic pH at a value close to 7. Furthermore, thermodynamics of the system was favoured by controlling the cathodic pH at low values, leading to hydrogen productions with an energy content 8 times higher than the energy invested on producing it. Thereafter, pH control in the cathode was replaced by the use of an acid effluent from the dairy industry as catholyte. During this thesis, preliminary experiments regarding inoculation and discontinuous operation were carried out in one unit that will be part of a pilot-scale MEC. The obtained results were quite promising but some modifications are required for improving the cell performance. Hydrogen recovery must be improved and the duration of batch cycles must be reduced in order to minimize the organic matter consumption by other microorganisms and maximize therefore, the energy recovery from wastewater as hydrogen. Finally, the resistance of exoelectrogens to starvation was also investigated. It was observed that biological activity was not affected by a period up to 10 days without substrate as long as an electric voltage was applied, thus allowing the consumption of the accumulated substrate as polymer inside the bacterial cell. With the work developed in this thesis it was concluded that the implementation of MEC aiming at hydrogen production at full-scale has opportunities if a series of strategies are addressed: (i) working in two-chamber configuration thus, preventing hydrogen consumption by other microorganisms, (ii) avoiding a large pH drop in the anode and (iii) reducing the applied potential requirements for hydrogen production by following strategies similar to the use of acid effluents as catholytes.