We demonstreren de extractie van ammonium uit een ammonium-rijke stroom met behulp van een elektrochemisch en een bio-elektrochemisch systeem. De reactoropstelling, werking en gegevensanalyse worden besproken.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Elektrochemisch en Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Stromen zoals urine en mest kunnen hoge niveaus van ammonium bevatten, die kunnen worden teruggewonnen voor hergebruik in de landbouw of chemie. De extractie van ammonium uit een ammoniumrijke stroom wordt gedemonstreerd met behulp van een elektrochemisch en een bio-elektrochemisch systeem. Beide systemen worden bestuurd door een potentiostaat om de stroom vast te stellen (voor de elektrochemische cel) of het potentieel van de werkelektrode vast te stellen (voor de bio-elektrochemische cel). In de bio-elektrochemische cel katalyseren elektroactieve bacteriën de anodisc reactie, terwijl in de elektrochemische cel de potentiostaat een hogere spanning toepast om een stroom te produceren. De stroom en de daaruit voortvloeiende herstelling van de ladingsbalans over de cel maken het transport van kationen, zoals ammonium, mogelijk door een kationenuitwisselingsmembraan van de anoliet naar de katholiet. De hoge pH van de katholiet leidt tot de vorming van ammoniak, dat uit het medium kan worden afgetrokken en in een zure oplossing kan worden opgevangen, waardoor de herwinning van een waardevolle voedingsstof mogelijk wordt. De flux van ammonium door het membraan wordt gekarakteriseerd bij verschillende ammoniumconcentraties in de anoliet en stromingen voor zowel de abiotische als biotische reactorsystemen. Beide systemen worden vergeleken op basis van stroom en verwijderingsefficiënties voor ammonium, evenals de energie-invoer die nodig is om de ammoniumoverdracht door het kationenuitwisselingsmembraan aan te drijven. Ten slotte wordt een vergelijkende analyse gemaakt met betrekking tot belangrijke aspecten zoals betrouwbaarheid, elektrodekosten en snelheid.
Dit videoartikel en protocol bieden de nodige informatie om elektrochemische en bio-elektrochemische ammoniak herwinning experimenten uit te voeren. De reactoropstelling voor de twee gevallen wordt uitgelegd, evenals de reactorwerking. We gaan in op de gegevensanalyse voor beide reactortypen en op de voor- en nadelen van bio-elektrochemische en elektrochemische systemen.
Inleiding
Herstel van waardevolle producten uit afvalwater belang wint als waardevolle middelen schaars worden en de behandeling zonder herstel vertegenwoordigt slechts een kostenpost. Afvalwater bevat zowel de energie en voedingsstoffen die kunnen worden hersteld, en het herstel van voedingsstoffen kan helpen om de productie lus 1 sluiten. Terugwinning van energie door anaerobe vergisting is een gevestigde proces, terwijl het herstel van voedingsstoffen komt minder vaak voor. Terugwinnen van nutriënten uit vloeibare afvalstromen, zoals urine en mest wijd onderzocht, bijvoorbeeld door de productie van struviet en directe strippen van ammoniak 2,3. Echter, de noodzaak van chemische toevoeging is een nadeel van deze processen 4. Hier presenteren we een techniek voor het herstel van kationische voedingsstoffen uit afvalstromen, met inbegrip van zowel kalium en ammonium. De kationische vorm van deze voedingsstoffen toont het vinden middels een ionen selectief membraan in een elektrochemische systeem. In dit geval, de electrochemieAl bestaat uit een anodekamer (waar oxidatie plaatsvindt), een kathodekamer (wanneer reductie plaatsvindt) en een ion selectief membraan naar de compartimenten te scheiden. Een spanning wordt aangelegd over de cel een stroom van anode naar kathode produceren. Deze spanning kan worden opgewekt door een externe stroombron om water oxidatie- en reductiereacties rijden. Ook de anodische oxidatie, bijvoorbeeld van organische kan worden gekatalyseerd door elektro bacteriën, minder stroom nodig. Om het circuit te sluiten en onderhouden van de lading balans, moet een geladen soorten migreren tussen de elektroden voor elk elektron gegenereerd. Ammonium vervoer van het anodekamer naar de kathode kamer over een kationenwisselingsmembraan (CEM) kan dus compenseren de flux van elektronen 4,5.
De hier gepresenteerde techniek verwijdert niet alleen ammonium uit afvalstromen, maar maakt ook haar herstel. Totaal ammoniak stikstof (TAN) bestaat in evenwicht van beide Ammonium (NH4 +) en ammoniak (NH3), en is afhankelijk van pH en temperatuur 6. NH4 + is overvloedig beschikbaar vanwege hoge TAN concentratie en bijna neutrale pH in de anodekamer en deze positief geladen soorten kunnen daarom worden aangedreven door de stroom over de CEM in de kathodekamer. De huidige drijft de reductie van water aan de kathode, leidt tot de productie van hydroxide-ionen en waterstofgas. De TAN evenwicht naar bijna 100% NH3 door de hoge pH in de kathodekamer (> 10.0). NH3 is een gas dat gemakkelijk kan worden overgedragen via luchtcirculatie van de stripeenheid naar de absorptiekolom waar het wordt opgesloten en geconcentreerd in een zure oplossing.
Deze technologie heeft het potentieel om toxiciteit ammonium afnemen in anaerobe vergisting van N-rijke stromen bijvoorbeeld mest, waardoor de terugwinning van energie uit deze afvalstromen, terwijl tegelijkertijdherstellende voedingsstoffen 4. Elektrochemische en bioelektrische winning van ammonium kan ook toegepast worden als voedingsstof wintechniek op afvalstromen met een hoog TAN gehalte zoals urine waardoor de kosten voor de verwijdering van nutriënten te vermijden bij een RWZI 7.
De hier gepresenteerde protocol kan als basis dienen voor veel verschillende elektrochemische en bioelektrische experimenten, zoals we modulaire reactor. Verschillende types elektroden, membranen en het frame diktes kunnen worden gecombineerd zoals in de onderstaande protocol. Het voornaamste doel van het protocol is een middel voor het vergelijken van elektrochemische ammonium herstel en bio-elektrochemische ammonium herstel met een elektrolysecel verschaffen. De systemen worden geëvalueerd in termen van extractie-efficiëntie, het vermogen en reproduceerbaarheid.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Montage van de Reactor en aansluiten Strippen en Absorption Units
- Verzamel alle nodige materiaal om de reactor te bouwen: elektroden, frames en rubbers (zie lijst van materialen). Knip voorzichtig alle onderdelen op dezelfde afmetingen om lekken te vermijden tijdens het monteren van de reactor.
- Boor gaten in de reactor compartimenten om een man op man connector passen. Boor een extra gat in het midden van de zijde van een van de reactor compartimenten van de referentie-elektrode passen.
- Bereid een voorraad van 1 MH 2 SO 4 voor de kolom absorptie. Verhoog de concentratie noodzakelijk hogere belastingen ammoniak tegemoet.
- Zorg ervoor dat het membraan wordt voorbehandeld volgens de instructies van de fabrikant. Voorbehandelen van de koolstof gevoeld elektrode door het weken in 2 mM CTAB (afwasmiddel) gedurende 3 min. Spoel de carbon voelde met gedemineraliseerd water 8. De stabiele anode voor elektrochemische experimenten geen pr nodigetreatment.
- Stapel de verschillende onderdelen reactor om volgens het type reactor. Voor de bioreactor: Perspex eindplaat, rubber, roestvrij staal stroomafnemer, voorbehandeld grafiet voelde, Perspex reactor compartiment, rubber, kationenuitwisselingsmembraan, rubber, spacer materiaal, roestvrij stalen gaas elektrode, rubber, perspex reactor compartiment, rubber, Perspex eindplaat
- Stapel de reactor onderdelen voor de elektrochemische cel als volgt: Perspex eindplaat, rubber, IROX anode door de eindplaat, Perspex reactor compartiment, rubber, spacer, rubber, kationenuitwisselingsmembraan, rubber, spacer materiaal, roestvrij stalen gaas elektrode, rubber, Perspex reactor compartiment, rubber, Perspex eindplaat.
- Gebruik Teflon om de aansluitingen van de reactor dichten. Plaats de referentie elektrode in dezelfde ruimte als de werkelektrode: de anode bij een bioelektrische cel, de kathode en anode in het geval van een elektrochemische cel.
- Gebruik noten enbouten aan de reactor sluiten. Bouten aan weerszijden om de druk te egaliseren. Gebruik geen gereedschap om de reactor te sluiten als handvast is genoeg om een volledig afgesloten reactor te waarborgen.
- Vul de reactor met water te testen of de reactor lekvrij. Als er lekkage verschijnen, controleer dan of de bouten genoeg zijn aangedraaid, of als een van de reactor onderdelen verplaatst terwijl de montage van de reactor. Wanneer er geen lekken worden waargenomen, leeg het water uit de reactor.
- Voeg Raschigringen in zowel de kolom strip en absorptie aan de kolommen halverwege vullen.
- Kalibreer het debiet van de pompen. Sluit de voeding en circulatiepompen aan de reactor en de luchtpomp naar de strip- en absorptie-eenheden (figuur 1). Minimaliseren van de lengte van de buis zo veel mogelijk.
- Vul de absorptiekolom met 250 ml 1 MH 2 SO 4, betrekking moet hebben op het Raschig ringen. Zorg ervoor dat de luchtstroom mengt het zuur goed wanneer de pomp wordt ingeschakeld. Verhogen of de hoeveelheid zuur op basis van de stripkolom ontwerp en luchtpomp capaciteit verminderen.
Figuur 1. Reactor setup voor de bioelektrische systeem waardoor ammonium extractie. De hier gepresenteerde systeem werkt in continue modus. Volle lijnen stellen de vloeistofstroom, gestippelde lijnen geven de gasstroom. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2. Reactor setup voor de bioelektrische systeem waardoor ammonium extractie. De hier gepresenteerde systeem werkt in continue modus. Volle lijnen stellen de vloeistofstroom, gestippelde lijnen geven gasstroom.ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Ontwerp van het Perspex reactor frames. Elke reactor bestaat uit twee eindplaat reactoren en 2 reactor compartimenten. Alle delen hebben een dikte van 2 cm. Details met betrekking tot de grootte van andere materialen zijn te vinden in de lijst van materialen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
2. Bioanode Gedreven Extraction
- De voorbereiding van de media.
- Bereid anolyt- voor de bioreactor, zoals beschreven in tabel 1 9. Verhoog de ammonium concentratie in het medium om een stikstofrijke afvalstroom na te bootsen.
- Om de medi slaanum vóór gebruik autoclaaf het medium te zorgen voor de koolstofbron niet uitgeput door verontreiniging heen. Bereid vitaminen en sporenelementen volgens tabel 1 en voeg na het autoclaveren en het medium te koelen.
- Spoel het medium door spoelen met stikstofgas gedurende ten minste 30 minuten om zuurstof te verwijderen. Om dit te doen, plaatst u een buis of naald in het medium en zet de stroom stikstofgas.
- Bereid een geleidende oplossing katholiet. In dit geval gebruikt u 0,1 M NaCl aan bijtende productie mogelijk te maken.
| Bestanddeel | Bedrag | ||
| Na 2 HPO 4 | 6 g / l | ||
| KH 2 PO 4 | 3 g / l | ||
| NaCl | 0,5 g / l | ||
| NH4Cl | 0,5 g / l | ||
| MgSO4 · 7H 2 O | 0,1 g / l | ||
| CaCl2 · 2H 2 O-oplossing (14,6 g / l) | 1 ml | ||
| Natriumacetaat | 2 g / L (voor start-up) | ||
| Trace Elements | 1 ml | ||
| Vitamineoplossing | 1 ml | ||
| Trace Elements (1000x) | g / l | Vitaminen (1000x) | g / l |
| CoCl2 | 0.1 | biotine | 0.004 |
| Na 2 MoO 4 .2H 2 O | 0.01 | foliumzuur | 0.004 |
| H 3 BO 3 | 0.01 | pyridoxine hydrochloride | 0.02 |
| 2 Mg Cl2 .6H 2 O | 3 | riboflavine | 0.01 |
| ZnCl2 | 0.1 | thiaminechloorhydraat | 0.01 |
| CaCl2 .2H 2 O | 0.1 | nicotinezuur | 0.01 |
| NaCl | 1 | DL-calciumpantothenaat | 0.01 |
| nitrilotriazijnzuur | 1.5 | Vit B12 | 0.0002 |
| AlCl3 .6H O 2 | 0.01 | p-aminobenzoëzuur | 0.01 |
| CuCl2 | 0.01 | lipoic (thioctisch) zuur | 0.01 |
| FeCl2 | 0.1 | myo-inositol | 0.01 |
| MnCl2 .2H 2 O | 0.5 | choline chloride | 0.01 |
| Op pH 6,5 met behulp van KOH | niacinamide | 0.01 | |
| pyridoxaal hydrochloride | 0.01 | ||
| natriumascorbaat | 0.01 |
Tabel 1. Anolyte samenstelling voor bio-anode gedreven ammonium extractie.
- Inoculatie van de bioreactor
OPMERKING: Het werken in steriele omstandigheden niet noodzakelijk deze bioreactor, een mengcultuur entmateriaal wordt gebruikt en reactoromstandigheden kiest voor de specifieke elektro-organismen.- Bereid de entstof. Voor deze bioreactor, bereiden een 30 ml mengsel van afvalwater van actieve anaerobe bioreactoren, waaronder een vergister, Een bioanode, een anaërobe vergister en / of ruwe afvalwater. Verzamel het mengsel in een spuit.
- Sluit een gas zak gevuld met N2 anolyt fles om de druk stabiel terwijl niet mogelijk zuurstof te voeren houden. Meng inoculatiebron met een volume van anolyt (hier 100 ml anolyt 30 ml inoculum bron) ledigen van de spuit met inoculum in het medium fles. Zorg ervoor dat het volume nodig is om de anode compartiment vullen verkrijgen.
- Met een injectiespuit, vul de anode- en kathodecompartiment gelijktijdig hun respectieve oplossingen. Sluit een gas zak gevuld met N2 naar de anolyt- fles zodat de anolytoplossing kan worden verwijderd door middel van een steekproef haven zonder invoering van zuurstof. Sluit het monster haven met een kraan tussen de overschrijvingen.
OPMERKING: Voer deze stap samen met een collega om ervoor te zorgen dat zowel de reactor compartimenten tegelijk worden gevuld. - Wanneer beide reactor compartimenten gevuld zijn, zet derecirculatiepomp met een recirculatie van ongeveer 6 l / uur.
- Sluit de potentiostaat kabel met drie elektroden, waarbij de anode als werkelektrode. Plaats de referentie-elektrode in het anodecompartiment.
- Schakel de potentiostaat in chronoamperometry modus met de potentiostaat software. Selecteer een vaste anode potentiaal van -200 mV versus Ag / AgCl.
- Het runnen van een continue reactor voor ammonium extractie
OPMERKING: de biofilm zich ontwikkelt, zal stroom worden geproduceerd met gebruik van acetaat. Als gevolg van acetaat uitputting, zal de huidige dalen (zie Resultaten sectie, figuur 3).- Om te veranderen naar continue toevoer, het inschakelen van de voedingspomp voor de anode en kathode. Het toerental van de pomp zal de hydraulische verblijftijd (HRT) te bepalen. Hier werken de reactor bij een HRT van 6 uur.
- Schakel de luchtpomp van de strip en absorptie-eenheid. Recirculeren de lucht in een gesloten lus, of circuleren in eenopen lus met behulp van de omgevingslucht. Luchtstroom configuratie kan invloed hebben op de absorptie efficiëntie.
- Vernieuw de medium drie keer per week. Bereid verse anolyt- en katholyt zoals beschreven in de stappen 2.1.1-2.1.4.
- Na deze stappen, bevestig een gas zak gevuld met N2 naar de gesloten-feed fles, stop de voedingspomp, zet een klem op de influent lijn, schakelt de oude en nieuwe flessen en uiteindelijk verwijderen van de klemmen en de pomp opnieuw te starten.
- Elke keer dat de feed is vernieuwd, neem 5 ml vloeibare monsters van het effluent en het influent van de anolyt en katholyt voor het meten van geleidbaarheid, pH, acetaatgehalte en ammonium concentratie.
- Bij het wijzigen van de voeding, een 3 ml monster van de absorptiekolom naar de pH en TAN analyse volgen. Wanneer de pH benadert 4, vervangt de absorberende met verse 1 M zwavelzuur oplossing voor hoge absorptie efficiëntie te garanderen.
- Aangezien de huidige eerste zal toenemen en dan een plateau haalt, wordt de aastate inhoud in de anolyt influent en effluent deze niet wordt veroorzaakt door koolstof beperking: acetaat concentraties in de anolyt effluent onder 100 mg / l aangeven carbon beperking. Verhoog het acetaat concentratie in het voer in dat geval (tabel 2).
- Als de huidige stabilisatie niet wordt veroorzaakt door acetaat beperkingen geleidelijk de ammonium concentratie in de voeding, en wacht op stabilisatie van de stroom teneinde extractie efficiëntie (Tabel 3) bepalen.
OPMERKING: de ammonium concentratie wordt verhoogd, zal toxiciteit ammoniak en hoge geleidbaarheid van de biofilm uitdaging en de stroom zal uiteindelijk dalen als gevolg.
| Tijd | Hoeveelheid natriumacetaat toegevoegd aan de anode toevoer (g / l) |
| Dag 0 - Dag 35 | 2 |
| Dag 35 - Dag 37 | 3 |
| Dag 37 - Dag 51 | 4 |
| Dag 51 - Dag 61 | 5 |
Tabel 2. Concentratie van natriumacetaat in het anolyt het bioanode aangedreven ammonium extractie.
| Tijd | Hoeveelheid NH 4 HCO 3 toegevoegd aan de anode toevoer (g / l) | Fase |
| Dag 0 - Dag 16 | 2.26 | Ik |
| Dag 16 - Dag 26 | 4.5 | II |
| Dag 26 - Dag 33 | 9 | III |
| Dag 33 - Dag 40 | 14.1 | IV |
| Dag 40 - Dag 47 | 20 | V |
| Dag 47 - Dag 54 | 25.4 | VI |
| Dag 54 - Dag 63 | 31 | VII |
Tabel 3. De concentratie van ammonium in de anolyt de bioanode aangedreven ammonium extractie. De fasen worden op de stroomdichtheid grafiek (figuur 2).
3. elektrochemische Extraction
- De voorbereiding van de media
- Bereid een synthetisch afvalwaterstroom als anolyt volgens tabel 4 4. Voeg ammoniumsulfaat tot een uiteindelijke concentratie van 1, 3 of 5 g N / l bereikt.
- Bereid een 0,1 M NaCl-oplossing voor het katholytcompartiment.
| Bestanddeel | Bedrag |
| Na 2 HPO 4 .2H 2 O | 1,03 g / l |
| KH 2 PO 4 | 0,58 g / l |
| MgSO4 · 7H 2 O | 0,1 g / l |
| CaCl2 .2H 2 O | 0,02 g / l |
| (NH4) 2 SO4 | Afhankelijk van het experiment te 1/3/5 g N / l eindconcentratie verkrijgen |
Tabel 4. Anolyte samenstelling voor elektrochemische ammonium extractie 4.
- Het runnen van een continue reactor voor ammonium extractie
- Schakel de voedingspomp naar de reactor vakken vullen. Om het proces te versnellen tijdelijk verhogen van de pompsnelheid.
- Verminder het toerental van de pomp om een HRT van 6 uur te verkrijgen zodra de reactor wordt gevuld. Schakel de circulatiepomp met een snelheid van 6 l / uur. Neem een monster van het influent (5 ml).
OPMERKING: Meet het debiet periodiek gedurende het experimentom ervoor te zorgen dat niet varieert. - Start de strip en absorptie-eenheid. De werking van dit toestel is hetzelfde als voor de bioreactor.
- Schakel de potentiostaat in chronopotentiometrie modus met de potentiostaat software. Breng eerst een lage stroomdichtheid van ongeveer 0,5 A / m² aan het membraan polariseren en stikstof flux alleen bepalen door diffusie.
- Wanneer het systeem is gepolariseerd voor 24 uur, passen de stroomdichtheid voor de proef. Test verschillende huidige dichtheden, meestal variërend van 10 A / m² tot 50 A / m². Neem monsters van de anode en kathode afvalwater en de absorptiekolom voor het verhogen van de stroomdichtheid.
OPMERKING: Na 3 HRT cycli, moet de reactor steady state te benaderen. - Zodra de reactor stabiele toestand heeft bereikt, nemen ten minste 3 monsters over een tijdsverloop. Neem monsters van de anode en kathode afvalwater en de absorptiekolom (elk 5 ml). Noteer volume van het monster, datum en tijd.
- Afhankelijk van de stabiliteit van de anode influent, neem een nieuw anode influent sample indien nodig. Dit is noodzakelijk als echte afvalwater wordt gebruikt.
- Wijzig de testomstandigheden, zoals toegepaste stroomdichtheid en TAN concentratie. Na elke verandering, laat de reactor te stabiliseren gedurende minstens 3 HST vóór het nemen van monsters.
- Wanneer de pH van de absorptiekolom komt bij 4 wordt de absorberende verse 1 M zwavelzuuroplossing.
4. Sample Analysis
- Meet de pH en de geleidbaarheid van de monsters dezelfde dag als bemonstering onnauwkeurigheden door het verlies van vluchtige ammoniak verminderen. Meet pH en geleidbaarheid met voldoende gekalibreerde pH en geleidbaarheid probes.
- Indien het monster niet direct gemeten, opslag monsters voor analyse TAN (beide reactoren) en vetzuuranalyse (bioreactor) bij 4 ° C. Filter monsters uit de bioreactor anode effluent en influent door 0,45 urn filters opnieuwbewegen biomassa en bijdragen aan het behoud vetzuren. Vul alle monsterbuizen de velg om NH3 te minimaliseren.
- Meet stikstof als TAN door de standaard stoomdestillatie methode of andere betrouwbare methode voor het meten TAN 10.
- Meet vetzuren zoals acetaat met een betrouwbare werkwijze, zoals ionen of gaschromatografie 11.
5. Data-analyse en berekeningen
- De potentiostaat gegevensbestand exporteren vanuit de software en deze importeren naar een spreadsheet programma. Bereken gemiddelden per uur voor de elektrochemische variabelen het aantal gegevenspunten verminderen en glad de bochten bij het plotten hen.
- Verzamel alle meetgegevens (pH, ammonium, VFA) in een gegevensbestand voor de berekeningen. De berekeningen worden besproken in de paragraaf resultaten.
- Bereken de lopende produktie van de bioreactor. Dit wordt het best weergegeven als stroomdichtheid, die als volgt wordt berekend (Vergelijking 1,12):
Vergelijking 1
met j als de stroomdichtheid, I de absolute stroom en A de geprojecteerde oppervlakte van de elektrode. In bepaalde software is het mogelijk automatisch deze berekend door het oppervlak anode gebied voor aanvang van het experiment hebben. - Bereken de parameters voor ammonium extractie
- Bereken de stikstof flux. Normaliseren stikstofstroom (g N / m / d) aan het membraanoppervlak vervolgens uitgedrukt stroomdichtheid (I N). Met deze waarde voor de berekening CE (Vergelijking 2, 3, en 4):
Vergelijking 2
waar C An, in (g N / L) en C An, uit (g N / l) worden de gemeten concentraties ammonium die in en uit de anode compartiment,respectievelijk. Q (L / d) is de anode debiet en A (m 2) is het membraanoppervlak (gelijk aan geprojecteerde anode en kathode oppervlak). - Presenteer de stikstof flux als stroomdichtheid (I N, A / m²):
Vergelijking 3
waarbij z NH4 + (-) is de lading van NH4 +, F de constante van Faraday (96485 C / mol) en M het molecuulgewicht van stikstof (14 g / mol). - Bereken het stroomrendement (CE,%) als:
Vergelijking 4
waar ik Toegepaste (A / m²) is van de toegepaste (elektrochemische extractie) of gemeten (bioelektrische extractie) stroomdichtheid. - Bereken de theoretische stikstofstroom. Bereken de maximale theoretische stikstofflux (J N, Max g N / m / d) voor een gegeven aangelegde stroom en membraanoppervlak (Vergelijking 5) als:
Vergelijking 5 - Bereken de stikstofverwijdering efficiëntie (RE,%). Zie het percentage ammonium dat wordt verwijderd uit de anolyt als de verwijderingsefficiëntie. Berekenen op basis van de anode in- en uitloop van TAN concentraties (Vergelijking 6).
Vergelijking 6 - Bereken de maximale theoretische stikstofverwijdering efficiëntie (RE max,%) voor een gegeven influent TAN belasting en toegepast huidige (Vergelijking 7):
Vergelijking 7
waarbij J N, toegepast (g N m -2 d - 1) de toegepaste stroomdichtheid uitgedrukt stikstofstroom.
- Bereken de stikstof flux. Normaliseren stikstofstroom (g N / m / d) aan het membraanoppervlak vervolgens uitgedrukt stroomdichtheid (I N). Met deze waarde voor de berekening CE (Vergelijking 2, 3, en 4):
- Bereken gas / vloeistof verhouding als (vergelijking 8):
Vergelijking 8 - Bereken de maximale capaciteit van de absorptiekolom. Bereken de maximale theoretische N uit de absorptiekolom van de maximale theoretische stikstofstroom J Nmax, de TAN-concentratie in het influent (mol / L), de bedrijfstijd t, het membraanoppervlak A en het volume van absorberend V ( Vergelijking 9):
Vergelijking 9 - Bereken het striprendement SE (%) (vergelijking 10):
60; Vergelijking 10 - Bereken de energie-input voor ammonium extractie via de kationenwisselingsmembraan (E N, uitgedrukt in kWh / kg N) (Vergelijking 11):
Vergelijking 11
Met AV de gemeten potentiaalverschil tussen anode en kathode. In het geval van de bioreactor, werd AV berekend als het gemiddelde van de bemonsteringsperiode, voor de elektrochemische reactor het gemiddelde voor de hele oplage wordt genomen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Chronoamperometry gevolg van de bioreactor
De chronoamperometry resultaten, berekend volgens vergelijking 1, vertonen een typische grafiek voor een continue reactor (figuur 4). Bij aanvang van het experiment, de anode en kathode werden in de recirculatiestand. Hierdoor kan een biofilm te ontwikkelen en het begin van de lopende productie. Na 5 dagen in bedrijf, de stroomdichtheid een maximum bereikte, gevolgd door een afname in de lopende productie. Dit is ee...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Dit manuscript biedt de noodzakelijke gereedschappen voor het opzetten van een bioelektrische en een elektrochemische cel voor ammonium herstel. De in de resultaten sectie berekeningen vormen de parameters voor de evaluatie van de prestaties van het systeem. De biologische en elektrochemische systemen qua opzet en functie. Het belangrijkste verschil tussen de twee systemen is de keuze van een vaste stroom van de elektrochemische cel versus vaste anode potentieel voor de bioelektrische setup. De vaste stroom van de abiot...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door de BOF-subsidie voor SG van de Universiteit Gent. AL wordt ondersteund door de Rutgers University NSF Fuels-IGERT. SA wordt ondersteund door het project “ProEthanol 2G” van het Europees Kaderprogramma 7. SA en KR worden ondersteund door het Multidisciplinair Onderzoekspartnerschap (MRP) van de Universiteit Gent - Biotechnologie voor een duurzame economie (01 MRA 510W). JD wordt ondersteund door een IOF Advanced-subsidie (F2012/IOF-Advanced/094). KR wordt ondersteund door de ERC Starter Grant “Electrotalk”. De auteurs danken Tim Lacoere voor het ontwerpen van de TOC-kunstfiguur, Robin Declerck voor het bouwen van de strip- en absorptiekolommen en Kun Guo voor het leveren van de inoculumbron.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Carbon Felt 3,18 mm Dik | Alfa Aesar | ALFA43199 | Gebruikt als bioanode, 110 mm x 110 mm |
| Ti-elektrode bedekt met Ir MMO | Magneto Special Anodes (The Netherlands) | Gebruikt als stabiele anode voor elektrochemische tests | |
| Roestvrijstalen gaas | Solana (Belgium) | RVS 554/64: materiaal AISI 316L, maaswijdte: 564 micron, draaddikte: 140 micron, maasnummer: 36,6 | Gebruikt als kathode, 110 mm x 110 mm |
| Roestvrijstalen plaat | Solana (Belgium) | inox 304 plaat, dikte: 0,5 mm | Gebruikt als stroomcollector voor de bioanode |
| Ag/AgCl Referentie-elektrode | Bio-Logic (France) | A-012167 RE-1B | |
| Potentiostaat (VSP Multipotentiostaat) | Bio-Logic (France) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (France) | software voor het uitvoeren van elektrochemische metingen | |
| Kationenuitwisselingsmembraan | Membranes International (USA) | Ultrex CMI-7000 | Voorbereidt volgens de instructies van de fabrikant |
| Turbulentiepromotor gaas | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark) | EPC20432-PP-2 | Spacer materiaal, 110 mm x 110 mm |
| Connectoren | Serto | 1,281,161,120 | Andere maten mogelijk, afhankelijk van het type slang en de grootte van de gaten in de frames |
| Strip en absorptiekolom | In-house ontwerp | ||
| Slang | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Gaszak | Keika Ventures | Kynar gaszak met Roberts klep | |
| Rashig-ringen | Glasatelier Saillart (Belgium) | Raschig-ringen 4 x 4 mm | Geplaatst in de strip en absorptiekolom om de lucht/vloeistof-contact te verbeteren. Beschikbaar bij veel leveranciers |
| Rubberstrook | Op maat gesneden om op de perspex frames te passen | ||
| Perspex reactor frames | Vlaeminck, Beernem | In-house ontwerp, zie tabblad "reactor frames" in dit bestand |
Referenties
- Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. Maximum use of resources present in domestic "used water". Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).
- Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification. Journal of Hazardous Materials. 145 (3), 391-397 (2007).
- Siegrist, H. Nitrogen removal from digester supernatant-comparison of chemical and biological methods. Water Science and Technology. 34 (1), 399-406 (1996).
- Desloover, J., Abate Woldeyohannis, A., Verstraete, W., Boon, N., Rabaey, K. Electrochemical Resource Recovery from Digestate to Prevent Ammonia Toxicity during Anaerobic Digestion. Environmental Science & Technology. 46 (21), 12209-12216 (2012).
- Kim, J. R., Zuo, Y., Regan, J. M., Logan, B. E. Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater. Biotechnology and Bioengineering. 99 (5), 1120-1127 (2008).
- Emerson, K., Russo, R. C., Lund, R. E., Thurston, R. V. Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature. Journal of the Fisheries Board of Canada. 32 (12), 2379-2383 (1975).
- Kuntke, P., Sleutels, T. H. J. A., Saakes, M., Buisman, C. J. N. Hydrogen production and ammonium recovery from urine by a Microbial Electrolysis Cell. International Journal of Hydrogen Energy. 39 (10), 4771-4778 (2014).
- Guo, K., et al. Surfactant treatment of carbon felt enhances anodic microbial electrocatalysis in bioelectrochemical systems. Electrochemistry Communications. 39, 1-4 (2014).
- Guo, K., Chen, X., Freguia, S., Donose, B. C. Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems. Biosensors and Bioelectronics. 47, 184-189 (2013).
- Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater. Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. , American Public Health Association. (1992).
- Andersen, S. J., et al. Electrolytic Membrane Extraction Enables Production of Fine Chemicals from Biorefinery Sidestreams. Environmental Science & Technology. 48 (12), 7135-7142 (2014).
- Harnisch, F., Rabaey, K. The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization. Chemsuschem. 5 (6), 1027-1038 (2012).
- Clauwaert, P., et al. Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications. Applied Microbiology and Biotechnology. 79 (6), 901-913 (2008).
- Atkins, P., De Paula, J. Elements of Physical Chemistry. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2012).
- Aelterman, P., Freguia, S., Keller, J., Verstraete, W., Rabaey, K. The anode potential regulates bacterial activity in microbial fuel cells. Applied Microbiology and Biotechnology. 78 (3), 409-418 (2008).
- Kuntke, P., et al. Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell. Water Research. 46 (8), 2627-2636 (2012).
- Liu, H., Cheng, S., Logan, B. E. Power Generation in Fed-Batch Microbial Fuel Cells as a Function of Ionic Strength. Temperature, and Reactor Configuration. Environmental Science & Technology. 39 (14), 5488-5493 (2005).
- Gimkiewicz, C., Harnisch, F. Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization. JoVE. (82), e50800(2013).
- Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., He, Z. Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells. Desalination. 325, 48-55 (2013).
- Guerin, T., Mondido, M., McClenn, B., Peasley, B. Application of resazurin for estimating abundance of contaminant-degrading micro-organisms. Letters in Applied Microbiology. 32 (5), 340-345 (2001).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
