Electricity generation from industrial wastewaters in bioelectrochemical systems
Haavisto, Johanna (2019)
Haavisto, Johanna
Tampere University
2019
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2019-10-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1264-0
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1264-0
Tiivistelmä
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.
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.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4612]