Kan mikrobiell elektrokemi tillämpas inom avloppsvattenrening?

Transkript

1 VA-teknik Södra Kan mikrobiell elektrokemi tillämpas inom avloppsvattenrening? Oskar Modin Docent, Avd. Vatten Miljö Teknik, Inst. Arkitektur och Samhällsbyggnad, Chalmers Tekniska Högskola Malmö, 29 november

2 Innehåll Vad är mikrobiell elektrokemi? Vad kan det potentiellt användas för? Vad kan det användas för i praktiken? 2

3 Mikroorganismer och elektronflöden Organiska ämnen Syre (O 2 ) Koldioxid (CO 2 ) Vatten (H 2 O) 3

4 Mikrobiell elektrokemi biologiska anoder Organiska ämnen V Syre (O 2 ) Koldioxid (CO 2 ) Vatten (H 2 O) Anod Katod 4

5 Mikroorganismer och elektronflöden H 2 CO 2 CH 4 5

6 Mikrobiell elektrokemi biologiska katoder + Volt - H 2 O CO 2,O 2 CH 4 Anod Katod 6

7 7

8 Acetat eller glukos Koldioxid (CO 2 ) Anod 8 Aktivt slam Anod med acetat Anod med glukos

9 Anod som oxiderar acetat Katod som producerar metan Katod som producerar acetat 9

10 Vad kan det potentiellt användas för? Elproduktion från organiska ämnen Lagra energi som vätgas (H 2 ) Lagra energi som metangas (CH 4 ) Anlagda våtmarker Denitrifikation(katod som elektrongivare) Utvinning av N och P Kemikalieproduktion Väteperoxid (H 2 O 2 ) Kaustiksoda (NaOH) Metallutvinning Sensorer för BOD, toxicitet, flyktiga fettsyror Produktion av diverse energibärare och organiska kemikalier In-situ behandling av förorenad mark Förhindra CH 4 -emissioner Behandling av avfallsdeponier Autonoma robotar El/belysning från växter 10

11 Elproduktion från avloppsvatten Tuber eller kassetter som sänks ner i en tank. (t.ex. He et al Water Research, 105, ) 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, ) Jämfört med konventionell rening tror jag att man kan förvänta sig bättre energieffektivitet, sämre rening (speciellt N och P), högre installationskostnad. 11

12 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 13

14 Produktion av väteperoxid Anode CO 2 Volt Cathode O 2 Miljövänlig, in-situ produktion av ett starkt oxidationsmedel Organics H 2 O 2 Anaerobic Aerobic Modin, O., Fukushi, K. (2012). Development and testing of bioelectrochemical reactors converting wastewater organics in hydrogen peroxide. Water Science and Technology. 66(4), Modin, O., Fukushi, K. (2013). Production of high concentrations of H 2 O 2 in a bioelectrochemical reactor fed with real municipal wastewater. Environmental Technology, 34(19),

15 Rötning deluxe1 in med elektroder Cambrian Innovation Ecovolt En process för att producera biogas med bioelektrokemiska system CH 4 Koldioxid (CO 2 ) Katod 15

16 Rötning deluxe2 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 ) 16

17 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

18 Tillämpningen som jag vill betona Sensorer för BOD, toxicitet eller flyktiga fettsyror Organiska ämnen V Syre (O 2 ) Koldioxid (CO 2 ) Vatten (H 2 O) Anod Katod 18

19 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

20 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? oskar.modin@chalmers.se 20