Kan mikrobiell elektrokemi tillämpas inom avloppsvattenrening?

Oskar ModinDocent, Avd. Vatten Miljö Teknik, Inst. Arkitektur och Samhällsbyggnad, Chalmers Tekniska Högskola

Email: oskar.modin@chalmers.se

Malmö, 29 november 2018

VA-teknik Södra

1

Innehåll

• Vad är mikrobiell elektrokemi?

• Vad kan det potentiellt användas för?

• Vad kan det användas för i praktiken?

2

Mikroorganismer och elektronflöden

Organiska

ämnen

Koldioxid

(CO2)

Syre

(O2)

Vatten

(H2O)

e-

H+

H+

3

Mikrobiell elektrokemi – biologiska anoder

Organiska

ämnen

Koldioxid

(CO2)

Syre

(O2)

Vatten

(H2O)

e-

H+

H+

V

e-

e-

e-

Anod Katod4

Mikroorganismer och elektronflöden

H2

H+

CO2

CH4

e-

H+

5

Mikrobiell elektrokemi – biologiska katoder

H2O

H+, O2

CO2

CH4

e-

H+

+ Volt -

e-

e-

e-

Anod Katod

6

7

Akt

ivt

sla

m

An

od

me

d

ace

tat

An

od

me

d

glu

kos

Acetat

eller glukos

Koldioxid

(CO2)

e-

H+

e-

Anod

8

Anod som

oxiderar

acetat

Katod som

producerar

metan

Katod som

producerar acetat9

Vad kan det potentiellt användas för?

• Elproduktion från organiska ämnen

• Lagra energi som vätgas (H2)

• Lagra energi som metangas (CH4)

• Anlagda våtmarker

• Denitrifikation (katod som elektrongivare)

• Utvinning av N och P

• Kemikalieproduktion • Väteperoxid (H2O2)• Kaustiksoda (NaOH)

• Metallutvinning

• Sensorer för BOD, toxicitet, flyktiga fettsyror

• Produktion av diverse energibärare och organiska kemikalier

• In-situ behandling av förorenad mark

• Förhindra CH4-emissioner

• Behandling av avfallsdeponier

• Autonoma robotar

• El/belysning från växter

10

Elproduktion från avloppsvatten

• Tuber eller kassetter som sänks ner i en tank.(t.ex. He et al. 2016. Water Research, 105, 351-360)

• Passiv luftning

• Gjorts pilotförsök upp till några kubikmeter i reaktorvolym.

• Elen har använts till att t.ex. driva pumpar (t.ex. Ge and He, 2016, Environ. Sci: Water Res. Technol. 2, 274-281)

• Jämfört med konventionell rening tror jag att man kan förvänta sig bättre energieffektivitet, sämre rening (speciellt N och P), högre installationskostnad.

11

Tillämpning eventuellt mer realistiskt i liten skala.

T.ex. för belysning och mobiltelefonladdning i flyktingläger.

12

13

Mikrobiella bränsleceller för demonstrationssyften:

Biologi + kemi + elektronik + avloppsvattenrening + resurshushållning + hållbarhet

Produktion av väteperoxid

Organics

CO2e-

H+ H+

e-

H2O2

Volt

O2

Anaerobic Aerobic

Anode Cathode

e- Miljövänlig, in-situ

produktion av ett starkt

oxidationsmedel

Modin, O., Fukushi, K. (2012). Development and testing of bioelectrochemical reactors converting wastewater organics in

hydrogen peroxide. Water Science and Technology. 66(4), 831-836

Modin, O., Fukushi, K. (2013). Production of high concentrations of H2O2 in a bioelectrochemical reactor fed with real

municipal wastewater. Environmental Technology, 34(19), 2737-274214

Rötning deluxe 1 – in med elektroder

CH4

Koldioxid

(CO2)

e-

H+

e-

Katod

Cambrian Innovation – Ecovolt

En process för att producera biogas

med bioelektrokemiska system

https://cambrianinnovation.com/

15

Rötning deluxe 2 – in med aktivt kol

• Aktivt kol erbjuder mikroorganismerna en konduktiv yta som de kan använda för att utbyta elektroner.

• Detta kan leda till ökad biogasproduktion och bättre nedbrytning av slam.(Yang et al. 2017, J. Cleaner Production, 149, pp. 1101-1108)

16

Våtmark packad med konduktivt bärarmaterial

• EU projekt (imetland.eu) där tekniken testas i Spanien, Danmark, Argentina och Mexiko.

• Högre reningshastighet än konventionella våtmarker

• Processövervakning genom att mäta bakteriernas elektriska signal

17

Tillämpningen som jag vill betona…

• Sensorer för BOD, toxicitet eller flyktiga fettsyror

Organiska

ämnen

Koldioxid

(CO2)

Syre

(O2)

Vatten

(H2O)

e-

H+

H+

V

e-

e-

e-

Anod Katod 18

Nytt projekt

• ”Bioelektrokemiska system för hållbar avloppsvattenrening”

• Start 2019

• Fokus på att förstå hur mikrobiella samhällen på en anod bildas och utvecklas över tid.

• Vi vill använda kunskapen för att designa stabila biologiska elektroder

19

Sensorer

• Den elektriska strömmen eller spänningen är alltid ett realtidsmått på hur behaglig miljön är för mikroorganismer

• Realtidsmätning av lättnedbrytbara ämnen in till aktivslam

• Realtidsmätning av VFAs i rötkammare

• Toxicitetsmätning i inkommande

• Finns det intresse av att utveckla och hitta tillämpningar för den här typen av sensor?Email: oskar.modin@chalmers.se

20