Establint les bases dels sistemes bioelectroquímics com a tractament innovador d'aigües residuals

Abstract

L'energia necessària per a tractar les aigües residuals és actualment el principal cost associat a aquest procés. Els sistemes bioelectroquímics permeten tractar les aigües residuals alhora que són capaços d'extreure'n part de l'energia emmagatzemada. Per una banda les cel·les microbianes de combustibles (MFC, Microbial Fuel Cells), és una tecnologia que permet obtenir electricitat directament del procés de tractament i, per una altra, les cel·les l'electròlisi microbiana (MEC, Microbial Electrolysis Cells), que basant-se en la tecnologia anterior i realitzant una petita modificació, se'n pot obtenir hidrogen gas com a vector energètic o altres productes de valor afegit. Aquesta tesi ha indagat en alguns aspectes innovadors dels sistemes biolectroquímics que poden ser útils per millorar el seu desenvolupament. El primer punt d'estudi es va centrar en la part comuna d'ambdues tecnologies: els bacteris exoelectrògens. Es va seleccionar biomassa exoelectrògena a partir de llots anaerobis per tal que formessin una biopel·lícula al voltant de l'ànode. Es va utilitzar un mètode ràpid, efectiu i de cost reduït utilitzant un càtode flotant de llana d'acer inoxidable i un ànode format per un escovilló de grafit submergit en llots anaerobis. Posteriorment, durant l'estada a la Penn State University, es va posar el focus en l'estudi de les MEC. Concretament, es va avaluar l'efecte del pH inicial del càtode en absència de solució tamponadora i el comportament de quatre materials diferents sota aquestes condicions: platí (utilitzat com a referència), sulfat de molibdè, escuma de níquel, i llana d'acer inoxidable. Es va comprovar que la influència del pH inicial del càtode era pràcticament nul·la i que en canvi el major efecte el tenia el material escollit. Es va veure com el platí obtenia els millors resultats com ja era d'esperar, i que després d'aquest l'escuma de níquel oferia uns resultats força prometedors, que tot i tenir un cost inferior al platí continua essent elevat. És per això que es va concloure que l'elecció final del material havia de ser una solució de compromís entre eficiència, producció i cost. El tercer punt d'estudi va ser avaluar la resistència dels microorganismes durant diferents períodes sense substrat. Els experiments es van dur a terme en dues condicions. Per una banda en condicions de circuit obert, és a dir, el càtode i l'ànode desconnectats, i per l'altra en condicions de circuit tancat, el càtode i l'ànode connectats. Els resultats van mostrar que en condicions de circuit tancat, el temps d'absència de substrat no tenia una afectació significativa sobre l'activitat de la biomassa, tan sols en el cas d'haver estat 21 dies en condicions de fam, les cel·les van mostrar una baixada reversible de la seva activitat. No obstant això, en el cas en que les cel·les es van deixar en circuit obert durant els períodes d'absència de substrat, a partir del cinquè dia ja mostraven una baixada notable de la seva activitat si bé al cap de dos cicles amb substrat es tornaven a recuperar. En canvi al cap de 21 dies, es va causar un dany irreparable a l'ànode. Per tant, es va concloure que per llargs períodes en absència de substrat era millor mantenir les cel·les en circuit tancat. Finalment es va estudiar el consum de metanol en MFC. Es va escollir aquest substrat degut a que és un possible candidat a tractar com a subproducte de certs processos industrials. A més a més es va voler estudiar fins a quin punt els microorganismes presents a les cel·les serien capaços de consumir un substrat força tòxic i difícilment assimilable per molts microorganismes donat que solament té un àtom de carboni. Per dur-ho a terme es van dissenyar i avaluar tres estratègies d'inoculació.

La energía necesaria para tratar las aguas residuales es actualmente el coste principal asociado a este proceso. Los sistemas bioelectroquímicos permiten tratar las aguas residuales y a la vez son capaces de extraer parte de la energía almacenada. Por un lado, las celdas microbianas de combustible (MFC, Microbial Fuel Cells), son una tecnología que permite obtener electricidad directamente del proceso de tratamiento y, por otro lado, las celdas de electrólisis microbianas (MEC, Microbial Electrolysis Cells), que basándose en la tecnología anterior y realizando una pequeña modificación, permiten obtener hidrógeno gas como vector energético. Esta tesis ha indagado algunos aspectos innovadores de los sistemas bioelectroquímicos que pueden ser útiles para mejorar su desarrollo. El primer punto de estudio se centró en la parte común de ambas tecnologías: las bacterias exoelectrógenas. Se seleccionó biomasa exoelectrogénica procedente de lodos anaerobios con el objetivo de formar una biopelícula alrededor del ánodo. Se utilizó un método rápido, efectivo y de coste reducido que consistió en un cátodo flotante de lana de acero inoxidable y un ánodo formado por un escobillón de fibras de grafito sumergido en lodos anaeróbicos. Posteriormente, durante una estancia en la Penn State University, se puso el foco en el estudio de las MEC. Concretamente, se evaluó el efecto del pH inicial en el cátodo en ausencia de una solución tamponadora, así como el comportamiento de cuatro materiales diferentes bajo estas condiciones: platino (utilizado como referencia), sulfato de molibdeno, espuma de níquel y lana de acero inoxidable. Se comprobó que la influencia del pH inicial del cátodo era prácticamente nula y, en cambio, el material escogido tenía un efecto mayor. Se comprobó que el platino obtenía los mejores resultados, tal como era de esperar, y que después de este la espuma de níquel ofrecía unos resultados prometedores, que aun teniendo un coste inferior al platino continuaba siendo elevado. Es por este motivo que se llegó a la conclusión que la elección del material tenía que ser una solución de compromiso entre eficiencia, producción y coste. El tercer punto de estudio fue la evaluación de la resistencia de los microorganismos durante diferentes periodos sin sustrato. Los experimentos se llevaron a cabo en dos condiciones. Por un lado, en circuito abierto (es decir cátodo y ánodo desconectados) y, por otro lado, en circuito cerrado (cátodo y ánodo conectados). Los resultados mostraron que, en condiciones de circuito cerrado, el tiempo transcurrido sin sustrato no tenía un efecto significativo sobre la actividad de la biomasa, Tan solo en el caso de haber estado 21 días sin sustrato, las celdas mostraron una bajada reversible de su actividad. No obstante, en el caso de las celdas que se dejaron en circuito abierto durante periodos de ausencia de sustrato, a partir del quinto día ya mostraban una bajada notable de su actividad, aunque al cabo de dos ciclos con sustrato se recuperaban de nuevo. En cambio, al cabo de 21 días, se causó un daño irreparable al ánodo. Por tanto, se concluyó que por largos periodos de ausencia de sustrato era mejor mantener las celdas en circuito cerrado. Finalmente se estudió el consumo de metanol en las celdas MFC. El motivo fue que el metanol es un posible candidato a tratar debido a que es un subproducto de ciertos procesos industriales, y a la vez para comprobar hasta qué punto los microorganismos presentes en las celdas serían capaces de consumir un sustrato fuertemente tóxico y difícilmente asimilable para muchos microorganismos, dado que solo contiene un átomo de carbono. Se evaluaron tres estrategias de inoculación.

The energy required to treat wastewater is currently the main cost associated with this process. Bioelectrochemical systems allow treating wastewater and, at the same time, are capable of extracting part of the energy present in the wastewater. Microbial fuel cells (MFC) are a technology that allows the production of electricity obtained directly from the treatment process. On the other hand, microbial electrolysis cells (MEC), based on the previous technology and making a small modification, allow obtaining hydrogen gas. This thesis has investigated some innovative aspects of bioelectrochemical systems that may be useful to improve their development. The first point of study was focused on the common part of both technologies: exoelectrogenic bacteria. Exoelectrogenic biomass from anaerobic sludge was selected with the objective of forming a biofilm around the anode. A fast, effective, and low-cost method was used. This method consisted of a floating stainless steel wool cathode and an anode formed by a graphite fibre brush immersed in anaerobic sludge. Later, during a stay at Penn State University, the focus of study was placed on MEC. Specifically, the effect of the initial pH in the cathode in the absence of a buffer solution was evaluated, as well as the behaviour of four different materials under these conditions: platinum (used as a reference), molybdenum sulfate, nickel foam and stainless steel wool. It was found that the influence of the initial pH of the cathode was practically null and instead the chosen material had a greater effect. It was found that platinum obtained the best results as expected, and after it the nickel foam offered promising results, which even having a lower cost than platinum it continued to be high. It is for this reason that it was concluded that the choice of material had to be a compromise solution between efficiency, production, and cost. The third point of study was the evaluation of the resistance of the microorganisms during different periods without substrate (starvation). The experiments were carried out under two conditions. On the one hand in an open circuit, that is, the cathode and anode disconnected, and on the other hand in a closed circuit, the cathode and anode connected. The results showed that under closed circuit conditions, the time elapsed without substrate did not have a significant effect on the biomass activity; only in the case of maintaining 21 days under starvation, the cells showed a reversible decrease in their activity. However, in the case of the cells that were left in open circuit during periods of starvation, from the fifth day they already showed a notable decrease in their activity, although after two cycles with substrate they recovered again. Nevertheless, after 21 days, irreparable damage was done to the anode. Therefore, it was concluded that for long starvation periods it was better to keep the cells in a closed circuit. Finally, the consumption of methanol in the MFC cells was studied. The reason was that methanol is a possible candidate to be treated because it is a by-product of certain industrial processes, and at the same time to check if the microorganisms present in the cells would be capable of consuming a highly toxic substrate that is difficult to assimilate for many species since it only has one carbon atom. To design the experiment, three inoculation strategies were evaluated.