Scaling-up and future perspectives of bioelectrochemical systems for wastewater treatment and hydrogen production

Abstract

Entre la multitud d'oportunitats per a recuperar recursos de les aigües residuals, les cel·les d'electròlisi microbianes (MECs) ofereixen un enfocament prometedor, ja que tracten simultàniament les aigües residuals i produeixen hidrogen, una font d'energia renovable. Les MECs han obtingut resultats prometedors a escala laboratori, però la seva rellevància pràctica està molt menys estudiada. De fet, la major part de la recerca sobre les MECs es centra en els aspectes fonamentals de la producció bioelectroquímica d'hidrogen en condicions controlades, amb reactors de baix volum i emprant substrats fàcilment biodegradables. Amb aquesta visió, aquesta tesi es centra en els factors crítics que influeixen en el rendiment a escala pilot de les MECs per al tractament d'aigües residuals. En primer lloc, es va avaluar el funcionament d'una MEC de doble cambra de 135 L sota diferents condicions operacionals (concentració de demanda química d'oxigen (DQO), temperatura, temps de residència hidràulic i potencial aplicat) per a determinar com es pot millorar la producció d'hidrogen i l'eficiència energètica modificant els paràmetres operatius. Els resultats experimentals es van utilitzar per a avaluar el tractament d'1 m3 d'aigües residuals urbanes mitjançant una MEC i els resultats es van comparar amb dues tecnologies existents reportades a la bibliografia: llots actius convencionals (CAS) i llots actius d'alta velocitat (HRAS). D'altra banda, es va estudiar per primera vegada a escala pilot, l'efecte de l'escuma de níquel (Ni) en la generació de corrent i la producció d'hidrogen, desenvolupant una nova configuració de càtode basada en dues làmines d'escuma de Ni interconnectades. El rendiment de l'escuma es va comparar amb un càtode de llana d'acer inoxidable (SS). En base als coneixements adquirits a escala pilot, es va escalar i construir una MEC d'1 m3 dins per a avaluar el seu rendiment en condicions reals d'una planta de tractament d'aigües residuals. Els resultats experimentals es van utilitzar per a estudiar la viabilitat tecnoeconòmica del procés i es va comparar amb la del CAS. En conjunt, aquesta tesi situa les MEC en el context actual del tractament d'aigües residuals, aportant idees valuoses per a reduir la distància entre la recerca a escala laboratori i l'aplicació pràctica. Si bé encara existeixen reptes per superar, el desenvolupament i la reducció de costos són l'esperança de cara a la seva aplicació a gran escala i a la gestió sostenible de les aigües residuals.

Entre la multitud de oportunidades para recuperar recursos de las aguas residuales, las celdas de electrólisis microbianas (MECs) ofrecen un enfoque prometedor, ya que tratan simultáneamente las aguas residuales y producen hidrógeno, una fuente de energía renovable. Las MECs han obtenido resultados prometedores a escala laboratorio, pero su relevancia práctica está mucho menos estudiada. De hecho, la mayor parte de la investigación sobre las MECs se centra en los aspectos fundamentales de la producción bioelectroquímica de hidrógeno en condiciones controladas, con reactores de bajo volumen y empleando sustratos fácilmente biodegradables. Con esta visión, esta tesis se centra en los factores críticos que influyen en el rendimiento a escala piloto de las MECs para el tratamiento de aguas residuales. En primer lugar, se evaluó el funcionamiento de una MEC de doble cámara de 135 L en una amplia gama de condiciones operacionales (concentración de demanda química de oxígeno (DQO), temperatura, tiempo de residencia hidráulico y potencial aplicado) para determinar cómo se puede mejorar la producción de hidrógeno y la eficiencia energética modificando los parámetros operativos. Los resultados experimentales se utilizaron para evaluar el tratamiento de 1 m3 de aguas residuales urbanas mediante una MEC y los resultados se compararon con dos tecnologías existentes reportadas en la bibliografía: lodos activos convencionales (CAS) y lodos activos de alta velocidad (HRAS). Por otra parte, se estudió por primera vez a escala piloto el efecto de la espuma de níquel (Ni) en la generación de corriente y la producción de hidrógeno, desarrollando una novedosa configuración de cátodo basada en dos láminas de espuma de Ni interconectadas. El rendimiento de la espuma de Ni se comparó con un cátodo de lana de acero inoxidable (SS). En base a los conocimientos adquiridos a escala piloto, se escaló y construyó una MEC de 1 m³ para evaluar su rendimiento en condiciones reales de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas. Los resultados experimentales se utilizaron para estudiar la viabilidad tecnoeconómica del proceso y se compararon con los del CAS. En conjunto, esta tesis sitúa a las MECs en el contexto actual del tratamiento de aguas residuales, aportando ideas valiosas para reducir la distancia entre la investigación a escala laboratorio y su aplicación práctica. Aunque todavía existen retos por superar, el desarrollo y la reducción de costes son la esperanza de cara a su aplicación a gran escala y a la gestión sostenible de las aguas residuales.

Among the plethora of opportunities to recover resources from wastewater, microbial electrolysis cells (MECs) offer a promising approach, simultaneously treating wastewater and producing hydrogen, a renewable energy source. MECs have reported promising results at lab-scale, but its practical relevance is less explored. In fact, most of the research about MECs focuses on fundamental aspects of bioelectrochemical hydrogen production under controlled conditions, low reactors volumes, and employing easily biodegradable substrates. With this view, this thesis focuses into the critical factors influencing the pilot-scale performance of MECs for wastewater treatment. Initially, a 135 L double-chamber MEC was operated under a wide range of operational conditions (chemical oxygen demand (COD) concentration, temperature, hydraulic residence time and applied potential) to determine how hydrogen yield and energy efficiency can be improved by modifying the operational parameters. The experimental outcomes were used to evaluate the treatment of 1 m3 of urban wastewater by an MEC and the results were compared with two existing technologies reported in the literature: conventional activated sludge (CAS) and high-rate activated sludge (HRAS). Furthermore, the effect of nickel (Ni) foam in current generation and hydrogen production was studied for the first time at pilot-scale, developing a novel cathode configuration based on two interconnected Ni-foam sheets. The performance of Ni-foam was compared to a cassette operating with stainless-steel (SS) wool cathode. Building upon the pilot-scale knowledge, a 1 m³ MEC pilot reactor was scaled up within a real wastewater treatment plant to assess its performance under real-conditions. The experimental outcomes were used to evaluate the techno-economic viability of the process and the results were compared to CAS. Overall, this thesis places MECs in the current context of wastewater treatment, providing valuable insights for bridging the gap between lab-scale research and real-world applications. While challenges remain, further development and cost reduction hold promise for large-scale implementation and sustainable wastewater management