Microbial fuel cell running on high strength animal wastewater : nitrogen removal strategies and microbial community characterization

Abstract

A microbial fuel cell (MFC) is a bioelectrochemical system (BES) capable of converting the chemical energy contained in the chemical bonds of a substrate into electrical energy by means of electrochemical reactions catalyzed by microorganisms. The amount of energy to be gained by bacteria capable of transferring electrons to an anode is significantly higher compared to other alternative electron acceptors. Exoelectrogenic microbial populations tend to be selectively enriched on the anode electrode, being essential for the performance improvement of the MFC in terms of electricity production from organic matter oxidation. MFC technology arises as an attractive alternative for the treatment of high strength animal wastewater, such as pig slurries, to potentially improve energetic valorisation of organic wastes, concomitantly to carbon and nitrogen content reduction or recovery. The first part of the thesis (Chapters 4, 5 and 6) focuses on the study of microbial populations harboured on the anode electrode of MFCs. The effect of different ion exchange membrane materials and different inoculum sources over the microbial population was studied in discontinuously fed MFCs. A detailed study of the microbial community dynamics and composition onto the anode biofilms, under different feeding conditions (synthetic wastewater and the liquid fraction of pig slurry), was then studied in continuously fed MFC. A highly diverse microbial community is shown to be present under these different scenarios and, its final composition is being dependent on the factors studied. The second part of the thesis is focused on understanding the nitrogen dynamics in a two-chambered MFC, and the possible strategies available to remove or recover it. First of all, the diffusion/migration of ammonia nitrogen through the cation exchange membrane was studied in batch essays under different operational conditions (Chapter 7). The results obtained showed that the diffusion/migration of ammonia nitrogen is dependent on the voltage applied and, when using pig slurry, ammonia migration reaches values close to 50%. These results suggested that the use of MFC technology could be a good strategy to deal with the nitrogen excess in this kind of substrates. Two different processes for MFC nitrogen recovery and removal were developed. First, a physicochemical-based process for nitrogen recovery was developed coupling a stripping-absorption unit to the cathode chamber (Chapter 7). Results showed the stripping/absorption-BES system is a feasible technology to recover ammonia from pig slurries. Second, a nitrogen removal strategy by means of biological processes was studied using synthetic high strength wastewater as feed (Chapter 8). In this case, the ammonia nitrogen migrating from the anode to the cathode, was removed applying intermittent aeration cycles in the cathode chamber of the MFC where a concomitant nitrifying-denitrifying microbial community being established. The feasibility to recover/remove nitrogen from high strength animal wastewater, such as pig slurries, using different MFC strategies has been demonstrated at lab scale. Hence, it can be considered as a potential technology for scaling up the treatment of high strength (organic and nitrogen) wastewaters, so as to accomplish the requirements needed for agricultural uses. Likewise, the knowledge acquired about the biofilm developed on the anode reveals itself as a key point for the resilience of BES at different environmental conditions and for further developments.

Una celda de combustible microbiana (MFC), es un tipo de sistema bioelectroquímico (BES) capaz de convertir la energía contenida en los compuestos químicos en energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas catalizadas por microorganismos. Las poblaciones de microorganismos exoelectrogénicos tienden a enriquecerse selectivamente en los electrodos del compartimento ánodico, siendo esenciales para la mejora del rendimiento de las MFCs en términos de producción de electricidad a partir de la oxidación de la materia orgánica. La tecnología de las MFCs se plantea como una alternativa para el tratamiento de aguas residuales de alta carga de origen animal, como por ejemplo los purines, para mejorar potencialmente su valorización energética, vinculada a la reducción o recuperación del contenido de carbono y nitrógeno. La primera parte de esta tesis (Capítulos 4, 5 y 6) está centrada en el estudio de las poblaciones microbianas hospedadas en los electrodos de las MFCs. Se estudió el efecto de diferentes tipos de materiales de membranas de intercambio iónico, así como inóculos de diferente naturaleza, sobre las poblaciones de microorganismos en MFCs operando en discontinuo. Posteriormente, se realizó un estudio más detallado de la dinámica y la composición microbiana establecida sobre el biofilm del ánodo, bajo diferentes condiciones de alimentación (agua residual sintética y la fracción líquida de purín porcino), en MFCs operadas en modo continuo. Bajo estas condiciones de estudio, se mostró una elevada diversidad de la comunidad microbiana, siendo la composición final dependiente de los factores estudiados. La segunda parte de la tesis está centrada en el estudio de la dinámica del nitrógeno en MFCs de doble compartimento, y el desarrollo de posibles estrategias para eliminarlo o recuperarlo. Primero, se estudió la difusión/migración del amonio a través de una membrana de intercambio catiónico, en experimentos en discontinuo bajo diferentes condiciones de operación (Capítulo 7). Los resultados obtenidos mostraron que la difusión/migración del amonio es función del voltaje aplicado, y cuando se usan purines, la migración de amonio llega a valores cercanos al 50%. Estos resultados sugirieron que el uso de la tecnología de las MFCs podría ser una buena estrategia para tratar el exceso de nitrógeno de esta clase de residuos orgánicos. Se desarrollaron dos procesos diferentes de recuperación y eliminación de nitrógeno. Primero, se desarrolló un proceso fisicoquímico para la recuperación de nitrógeno acoplando una unidad de stripping/absorción al compartimento catódico (Capítulo 7). Los resultados mostraron que este sistema de BES-stripping/absorción se puede considerar como una tecnología factible para llevar a cabo la recuperación del nitrógeno de los purines. En segundo lugar, se estudió una estrategia de eliminación de nitrógeno mediante procesos biológicos, utilizado en este caso agua residual sintética de alta carga (Capítulo 8). En este caso, el amonio que migró desde el ánodo al cátodo, fue eliminado aplicando ciclos intermitentes de aireación en el compartimento catódico de la MFC, lo que provoca el establecimiento de una población nitrificante-desnitrificante. La viabilidad para recuperar/eliminar nitrógeno de aguas residuales de alta carga de origen animal, como purines, mediante MFCs ha sido demostrada a escala de laboratorio utilizando diferentes estrategias. Por lo tanto, se puede considerar, que es una tecnología potencialmente aplicable en el tratamiento de aguas residuales de alta carga (carbono y nitrógeno), así como para lograr los requerimientos necesarios para uso agrícola. Igualmente, el conocimiento adquirido sobre el desarrollo del biofilm en el ánodo, revela que es un factor clave para la adaptabilidad de BES en diferentes condiciones medioambientales y para futuros desarrollos.