Scale-up opportunities of microbial electrolysis cells for hydrogen production from wastewater

Resumo

El tractament d’aigües residuals és avui en dia un procés energèticament intensiu, tot i l’energia química emmagatzemada dins la matèria orgànica contaminant. Mitjançant l’aplicació d’un potencial elèctric, les cel·les d’electròlisi microbiana (MEC) permeten recuperar part d’aquesta energia en forma d’hidrogen. Aquesta tecnologia, però, encara ha de superar obstacles abans de poder ser implementada a escala real. En aquesta tesi, es va avaluar el potencial d’ampliació de MEC en configuració d’una sola cambra, la qual presenta un disseny i operació més senzills i uns requeriments energètics inferiors. Per contra, la disponibilitat de l’hidrogen per altres microorganismes en pot reduir la recuperació i la puresa. L’operació a llarg termini d’una MEC va permetre la quantificació de les pèrdues d’hidrogen lligades al seu consum per part d’homoacetògens o metanògens per a la producció d’acetat i metà, respectivament. En tots dos casos, la recuperació d’hidrogen va ser baixa, i per tant, aquesta configuració va ser exclosa. La configuració de MEC en doble cambra evita que l’hidrogen sigui consumit, però la presència d’una membrana provoca pèrdues de potencial associades a gradients de pH. Per això, una gran part dels experiments a escala laboratori reportats s’han dut a terme amb medis amb una alta capacitat tamponant en comparació a la de les aigües residuals. Així doncs, el funcionament de les MEC treballant amb un medi de cultiu sense tamponar va ser avaluat. Es va observar que tant l’ànode com el càtode presentaven unes pèrdues de potencial més grans que amb el medi tamponat, sent aquestes però, més elevades en el cas de l’ànode pel fet de tractar-se d’un sistema biològic i per tant, més sensible als canvis de pH. Per tal de millorar el funcionament de les MEC en doble cambra, es va implementar una estratègia de control de pH. Controlant el pH de l’ànode a valors propers a 7, l’activitat biològica es mantenia. A més, la termodinàmica del sistema va ser afavorida controlant el pH del càtode a valors baixos, la qual cosa va permetre produir hidrogen amb un contingut energètic fins a 8 cops superior a l’energia invertida en produir-lo. Posteriorment, el control de pH al càtode va ser substituït per l’ús d’un efluent àcid de la indústria formatgera com a catòlit. Durant aquesta tesi es van dur a terme les primeres proves d’inoculació i operació en discontinu en una unitat que formarà part d’una planta pilot MEC. Els resultats van ser satisfactoris, si bé és cert que algunes modificacions són necessàries per tal de millorar-ne el funcionament. En aquest sentit, s’haurà de millorar la recuperació de l’hidrogen i la duració d’un cicle en discontinu s’haurà de reduir per tal de minimitzar el consum de matèria orgànica per part d’altres microorganismes, i maximitzar per tant, la recuperació energètica de les aigües residuals en forma d’hidrogen. Per últim, es va investigar la resistència dels exoelectrògens a la inanició. Es va observar que l’activitat biològica del sistema no es veia afectada per un període de fins a 10 dies sense substrat sempre i quan el potencial elèctric es mantingués aplicat, ja que d’aquesta manera, es permetia el consum del substrat acumulat com a polímer a l’interior cel·lular. Segons el treball desenvolupat en aquesta tesi, la implementació de les MEC a escala real per a la producció d’hidrogen serà possible si: (i) es treballa en configuració de doble cambra evitant el consum d’hidrogen per part d’altres microorganismes, (ii) s’evita un gran descens en el pH de l’ànode i (iii) s’aconsegueix reduir el potencial elèctric aplicat per a la producció d’hidrogen seguint estratègies similars a la utilització d’un efluent àcid com a catòlit.