Electricity generation from industrial wastewaters in bioelectrochemical systems

Abstract

Olutpanimot sekä sellu- ja paperitehtaat tuottavat suuria määriä jätevesiä, jotka täytyy puhdistaa ennen vesistöön laskemista. Perinteisesti panimo- ja metsäteollisuuden jätevesiä on käsitelty aktiivilieteprosessilla, jolla pystytään saavuttamaan hyvä puhdistustehokkuus. Energiaa kuluttavan ilmastuksen välttämiseksi myös anaerobisia menetelmiä on hyödynnetty näiden jätevesien käsittelyssä. Mikrobipolttokennoissa (MFC) elektrokemiallisesti aktiiviset mikrobit tuottavat hapettamistaan jäteveden orgaanisista yhdisteitä sähköä. Näiden etu perinteisempään biokaasuprosessiin verrattuna on tehokas toiminta myös suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa ja laimeiden jätevesien käsittelyssä.

Tämän työn tavoitteena oli tutkia MFC:n soveltuvuutta teollisten jätevesien, kuten panimo- ja sellutehtaan jätevesien, käsittelyyn ja niiden sisältämän kemiallisen energian hyödyntämiseen sähköntuotannossa. Vaihtelut jäteveden koostumuksessa ja virtaamassa ovat tyypillisiä teollisissa prosesseissa ja aiheuttavat haasteita biologiselle jätevedenpuhdistusprosessille. Tämän vuoksi tässä työssä varauduttiin mahdollisiin prosessihäiriöihin tutkimalla erilaisia aloitusmenetelmiä bioelektrokemiallisten käsittelyprosessien käynnistämisen nopeuttamiseksi. Lisäksi puhdistusprosessin toimintaa optimoitiin vertaamalla erilaisia anodielektrodimateriaaleja ja orgaanista kuormitusta.

Aloitusmenetelmiä tutkittiin panostoimisissa ilmakatodi- ja kolmikammio- reaktoreissa ja prosessioptimointia jatkuvatoimisessa ylösvirtausreaktorissa. Panimojätevedellä syötetyssä prosessissa suurimpaan tehontiheyteen (0.65 Wm-3) aloitusvaiheen jälkeisessä vertailussa päästiin säätämällä aloitusvaiheen anodipotentiaaliksi -200 mV (Ag/AgCl referenssielektrodiin nähden). Säilytyskokeissa osoitettiin ensimmäistä kertaa, että kuukauden anolyytin säilyttämisen jälkeen (+4 tai -20 °C:ssa) tehon tiheys palautui lähes alkuperäisiin arvoihin, mutta kuuden kuukauden säilytyksen jälkeen tehon tiheys oli hyvin alhainen. Tutkituista anodimateriaaleista aktiivihiiligranulat osoittautuivat potentiaalisimmaksi anodielektrodimateriaaliksi. Ksyloosilla syötetyssä ylösvirtausreaktorissa suurimmat tehontiheydet saavutettiin 0.31 ja 0.53 gCODL-1d-1 orgaanisilla kuormituksilla.

Tämän työn tulokset osoittavat, että panimo- ja TMP-jätevedet soveltuvat bioelektrokemialliseen käsittelyyn MFC:ssä, mutta jätevesi tarvitsee vielä jatkokäsittelyn ennen vesistöön laskemista. Keskimääräisiä tehontiheyksiä pystytään todennäköisesti kasvattamaan optimoimalla MFC:n rakennetta ja operointia.

Brewing and pulp and paper making are water-intensive industries generating biodegradable wastewaters that need to be treated prior to discharge. These wastewaters are generally treated with conventional activated sludge process, producing good quality effluent. To avoid energy intensive aeration, anaerobic methods are another option for the treatment. In microbial fuel cells (MFCs), electrochemically active microorganisms degrade organic compounds with simultaneous electricity generation. Compared to more traditional methanogenic treatment, MFCs can be operated at lower temperatures and with less concentrated wastewaters.

The aim of this work was to study the applicability of MFCs for treatment and resource recovery from synthetic wastewaters and real brewery and thermomechanical (TMP) wastewaters. Varying wastewater flow rates and compositions are typical for industrial operations, but challenging for biological treatment processes. For this reason, as a preparation to possible process upsets, different start-up methods were studied to accelerate the start-up of bioelectrochemical treatment. In addition, stable operation was optimized by comparing different anode electrode materials and organic loading rates.

The start-up was studied in semi-continuously operated air-cathode and three- chamber MFCs, and process optimization in a continuously fed up-flow MFC. Among studied electrochemical methods, -200 mV vs. Ag/AgCl adjusted anode potential resulted in the highest average power density of 0.65 Wm-3 after the start- up in brewery wastewater fed reactors. MFCs inoculated with stored (at +4 or -20 °C) anolyte demonstrated for the first time that power densities recovered after one month storing, but not after six months storing. Granular activated carbon was the most potential anode electrode material among the studied electrode materials. In xylose-fed up-flow MFC, organic loading rates of 0.31 and 0.53 gCODL-1d-1 enabled the highest power densities.

This study demonstrates the applicability of brewery and for the first time TMP wastewaters for bioelectrochemical treatment in MFCs. Power densities can likely be further increased by optimizing MFC design and operation. Partial removal of degradable compounds in brewery and TMP wastewater indicated the need for e.g. aerobic post-treatment.