Elektrochemisch und Bioelectrochemically Induzierte Ammonium Erholung

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Rückgewinnung von Nährstoffen aus stickstoffreichen Flüssen entweder mit einem elektrochemischen oder bioelektrochemischen Ansatz zu untersuchen. Der erste Ansatz wird erreicht, indem der Strom durch ein elektrochemisches System geleitet wird, das nach der Oxidation von Wasser eine treibende Kraft erzeugt, die genutzt werden kann, um die Ladung Ammonium von der Anodenseite über eine Ionenaustauschmembran zur Kathodenseite zu transportieren. In einem zweiten Schritt führt der hohe pH-Wert auf der Kathodenseite zur Umwandlung von Ammonium in flüchtiges Ammoniak.

Die hohe Selektivität der Ionenaustauschmembran ermöglicht die Erzeugung eines reinen Ammoniak-Wasserstoffstroms. Als nächstes wird die Katho durch eine Stripping- und Absorptionssäule zirkuliert, um das Ammoniak in einem sauren Medium einzuschließen. Die elektrochemische Extraktion kann auch durch bioelektrochemische Prozesse angetrieben werden, bei denen die Entwicklung eines Biofilms auf der Anode die Umwandlung von im Abfallstrom vorhandenen organischen Stoffen in Kohlendioxid, Protonen und Elektronen ermöglicht.

Dies wird wiederum einen Ammoniumfluss von der Anode zur Kathode antreiben. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Ansätze Nährstoffe aus stickstoffreichen Strömen wie Urin zurückgewinnen können. Der konventionelle Nitrifikations-Denitrifikationsansatz bei der Abwasserbehandlung nimmt das Ammoniak aus dem Abwasser und wandelt es in Stickstoffgas um, das in die Atmosphäre zurückkehrt, so dass wir den Stickstoff verlieren.

Der Vorteil unseres Ansatzes ist, dass wir das Ammoniak nehmen und es in sauberer Form zurückgewinnen, damit wir etwas damit machen können. Wir können es wiederverwenden oder in ein anderes Produkt umwandeln. Ein zweiter Vorteil unseres Ansatzes ist, dass wir Strom als Antrieb nutzen.

Es handelt sich im Wesentlichen um eine saubere und billige Energiequelle, die den Einsatz von Chemikalien vermeidet. Das Verfahren wird von Sylvia Hilde Bain und Steven Anderson vorgeführt. Die beiden Doktoranden aus meinem Labor Bevor sie mit diesem Verfahren beginnen, sammeln sie alles notwendige Material für den Bau des Reaktors, einschließlich der Elektroden, Rahmen und Gummis.

Nachdem Sie sichergestellt haben, dass die Membran gemäß den Anweisungen des Herstellers vorbehandelt wurde, behandeln Sie die Kohlenstofffilzelektrode vor, indem Sie sie drei Minuten lang in zwei millimolaren Acetyltrimethylammoniumbromid oder A-C-T-A-B einweichen. Spülen Sie dann die Kohlefilzelektrode mit demineralisiertem Wasser ab. Stapeln Sie anschließend die verschiedenen Reaktorteile in der Reihenfolge des Reaktortyps.

Stapeln Sie dann die Reaktorteile für die elektrochemische Zelle. Verwenden Sie Schrauben und Muttern, um den Reaktor zu schließen, und ziehen Sie die Schrauben an den gegenüberliegenden Seiten von Hand fest, um den Druck auszugleichen. Verschließen Sie die Anschlüsse des Reaktors mit Teflon.

Stellen Sie sicher, dass der Anschluss richtig festgezogen ist. Platzieren Sie die Referenzelektrode im selben Fach wie die Arbeitselektrode. Füllen Sie anschließend den Reaktor mit Wasser, um zu testen, ob er leckfrei ist.

Wenn Undichtigkeiten festgestellt werden, prüfen Sie, ob die Schrauben ausreichend angezogen sind oder ob sich eines der Reaktorteile beim Zusammenbau des Reaktors bewegt hat. Wenn keine Lecks festgestellt werden, entleeren Sie das Wasser aus dem Reaktor. Verbinden Sie die Speise- und Umwälzpumpen mit dem Reaktor und die Luftpumpe mit den- und Absorptionseinheiten.

Die Absorptionssäule wird mit 250 Millilitern eines molaren Schwefelsäures gefüllt, um die inneren Ringe zu bedecken. Stellen Sie sicher, dass der Airstream die Säure beim Einschalten der Pumpe gut vermischt. Nach der Herstellung von Analyt- und Katalytlösungen spülen Sie den Analyten, indem Sie ihn mindestens 30 Minuten lang mit Stickstoffgas spülen, um Sauerstoff zu entfernen.

Für das Inokulum wird ein 30-Milliliter-Gemisch aus Abwässern aus aktiven anaeroben Bioreaktoren vorbereitet, einschließlich einer Bioanode. Sammle die Mischung in einer Spritze. Verbinden Sie als Nächstes einen mit Stickstoff gefüllten Gasbeutel mit der Analytflasche.

Um den Druck stabil zu halten und gleichzeitig keinen Sauerstoff eindringen zu lassen. Mischen Sie die Inokulumquelle mit dem Volumen des Analyten, indem Sie die Spritze mit dem Inokulum in die Mediumflasche entleeren, wobei eine Spritze verwendet wird, die die Anoden- und Kathodenfächer gleichzeitig mit ihren jeweiligen Lösungen füllt. Wenn beide Reaktorkammern gefüllt sind, schalten Sie die Umwälzpumpe mit einer Umwälzrate von etwa sechs Litern pro Stunde ein.

Verbinden Sie anschließend das Potentialstat-Kabel mit drei Elektroden, wobei die Anode als Arbeitselektrode dient. Schalte den potentiellen Wert im Chrono-Aberrometry-Modus ein. Wählen Sie mit der Potentialstatistik-Software ein festes Anodenpotential von minus 200 Millivolt im Vergleich zur Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode aus, um auf kontinuierliche Speisung umzuschalten.

Schalten Sie die Förderpumpe für die Anode und Kathode an einem hydraulischen Wohnort ein. Nach einer Zeit von sechs Stunden schaltet sich die Luftpumpe der Streifen- und Absorptionseinheit ein. Anschließend wird die Luft in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt.

Frischen Sie das Medium dreimal pro Woche mit frischem Analyten und Katalysator auf, wie im Text beschrieben. Befestigen Sie einen mit Stickstoff gefüllten Gassack an der geschlossenen Futterflasche. Stoppen Sie die Förderpumpe und setzen Sie eine Klemme auf die Abwasserleitung.

Tauschen Sie dann die alten und neuen Flaschen aus. Entfernen Sie die Klemmen und starten Sie die Pumpe jedes Mal neu, wenn der Vorschub aufgefrischt wird. Entnahme von fünf Millilitern flüssiger Proben des Abwassers und des Abwassers des Analyten und des Katalysators zur Messung der Leitfähigkeit, des pH-Werts, des Acetatgehalts und der Ammoniumkonzentration.

Entnehmen Sie außerdem eine drei Milliliter große Probe aus der Absorptionssäule, um den pH-Wert zu überwachen und die Gesamtammoniumstickstoff- oder Bräunungsanalyse durchzuführen. Wenn sich der pH-Wert vier nähert, ersetzen Sie das AB-Absorptionsmittel durch frische einmolare Schwefelsäurelösung, um eine hohe Absorptionseffizienz zu gewährleisten. Wenn die Stromstabilisierung nicht durch Acetat-Limitierungen verursacht wird, erhöhen Sie die Ammoniumkonzentration im Vorschub und warten Sie, bis sich der Strom stabilisiert hat.

Um die Extraktionseffizienz für die elektrochemische Extraktion zu beurteilen, bereiten Sie einen synthetischen Abwasserstrom als Analyt gemäß der folgenden Tabelle vor. Fügen Sie Ammoniumsulfat hinzu, um eine Endkonzentration von fünf Gramm Stickstoff pro Liter zu erreichen. Nach dem Einschalten der Förderpumpe zum Befüllen der Reaktorräume wird die Pumpendrehzahl reduziert, um eine hydraulische Verweilzeit von sechs Stunden zu erreichen.

Sobald der Reaktor wie bisher gefüllt ist, schalten Sie die Umwälzpumpe mit einer Geschwindigkeit von sechs Litern pro Stunde ein. Entnehmen Sie dann eine Fünf-Milliliter-Probe des Influents, nachdem Sie den Streifen und die Absorptionseinheit gestartet haben. Schalte den Potenzialwert im Chronometriemodus mit der Potentialstatistik-Software ein.

Zuerst wird eine niedrige Stromdichte von etwa 0,5 NPIs pro Quadratmeter für 24 Stunden angewendet, um die Membran zu polarisieren und den Stickstofffluss allein durch Diffusion zu bestimmen. Wenn das System 24 Stunden lang polarisiert war, wenden Sie die für das Experiment erforderliche Stromdichte an, die normalerweise zwischen 10 Ampere Pfeilern pro Quadratmeter und 50 Ampere Pfeilern pro Quadratmeter liegt. Sobald der Reaktor den stationären Zustand erreicht hat, werden über einen längeren Zeitraum mindestens drei Fünf-Milliliter-Proben aus dem Anoden- und Kathodenabfluss sowie der Absorptionssäule entnommen.

Die Ergebnisse des Chrono-Porometers zeigen ein typisches Diagramm für einen kontinuierlichen Reaktor. Die Umstellung auf den Dauerbetrieb am sechsten Tag führte zu einer kontinuierlichen Steigerung der Stromproduktion, bis zwischen Tag 12 und 16 ein Plateau bei 3,5 Ampere pro Quadratmeter erreicht wurde. Der Einfluss der Tages- und Nachttemperatur auf die aktuelle Produktion ist deutlich sichtbar.

So wurde beispielsweise von Tag 42 bis 46 die Ammoniumkonzentration im Futter in mehreren Schritten erhöht. Der Stromanstieg hing mit einer erhöhten Leitfähigkeit der Anodenzuführung zusammen, bei der die Zugabe von Ammoniumbicarbonat die Ionenkonzentration und damit die Leitfähigkeit erhöhte. Die Zellspannung für das elektrochemische System ist höher als für den Bioreaktor.

Dies ist vor allem auf das höhere Anodenpotential zurückzuführen, das für die elektrochemische Oxidation von Wasser zu Sauerstoff erforderlich ist. Der Stickstofffluss für den Bioreaktor ist höher als für das elektrochemische System. Dies kann durch die geringere Alkalität des Vorschubs des elektrochemischen Systems erklärt werden, was zu einem niedrigeren analytischen pH-Wert h führt.

Dies führte zu einer stärkeren Konkurrenz zwischen Ammonium und Protonen, um das Ladungsgleichgewicht über der Membran wiederherzustellen. Diese Technik ebnet nun den Weg für Umweltingenieure, die biologische und nicht-biologische elektrochemische Rückgewinnung geladener Spezies aus Abfallströmen wie dem anaeroben Aufschlusszustand zu erforschen. Genauer gesagt haben wir hier gezeigt, dass ein biologischer Ansatz mit einem geringeren Energieaufwand einhergeht, aber unter einer etwas geringeren Robustheit und einer längeren Startzeit leiden kann.

Der rein elektrochemische Ansatz bietet vielleicht nur diese Robustheit, ist aber mit etwas höheren Kosten verbunden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ein biochemisches System zur Rückgewinnung von Ammonium aus Abwasser einrichten. Sie sollten in der Lage sein, eine robuste und leckagefreie biochemische Zelle zu konstruieren, und sie entfernen eine Absorptionseinheit, um das Ammoniak zurückzugewinnen.