Ein kombiniertes System aus mikrobieller Brennstoffzelle und intermittierend belüftetem biologischem Filter zur Energieselbstgewinnung

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 18070 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Energieautarkie ist ein höchst wünschenswertes Ziel einer nachhaltigen Abwasserbehandlung. Dabei wurde ein kombiniertes System aus einer mikrobiellen Brennstoffzelle und einem intermittierend belüfteten biologischen Filter (MFC-IABF) konzipiert und energieautark betrieben. Das System wurde im kontinuierlichen Betrieb mehr als 3 Monate lang bei Raumtemperatur (~25 °C) mit synthetischem Abwasser (CSB = 1000 mg L−1) gespeist. Der Spannungsausgang wurde mithilfe einer kondensatorbasierten Schaltung auf 5 ± 0,4 V erhöht. Das MFC erzeugte Strom für den Betrieb der Pump- und Belüftungssysteme in der IABF und entfernte gleichzeitig CSB. Die im intermittierenden Belüftungsmodus arbeitende IABF (Belüftungsrate 1000 ± 80 ml h−1) entfernte die restlichen Nährstoffe und verbesserte die Wasserqualität bei HRT = 7,2 Stunden. Dieses zweistufige kombinierte System erzielte eine SCOD-Entfernung von 93,9 % und eine TCOD-Entfernung von 91,7 % (Abfluss-SCOD = 61 mg L−1, TCOD = 82,8 mg L−1). Die Energieanalyse ergab, dass die MFC-Einheit ausreichend Energie (0,27 kWh m-3) produzierte, um das Pumpsystem (0,014 kWh m-3) und das Belüftungssystem (0,22 kWh m-3) zu unterstützen. Diese Ergebnisse zeigten, dass das kombinierte MFC-IABF-System energieautark betrieben werden kann, was zu einer hochwertigen Abwasserqualität führt.

Die Energiekrise und die Umweltverschmutzung sind zwei große Herausforderungen, vor denen die Welt heute steht. Die mikrobielle Brennstoffzelle (MFC) ist eine junge, aber vielversprechende Technologie, die teilweise zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen kann1. Es wurde umfassend in Exoelektrogen2, Elektrodenmaterialien3, Reaktorkonfigurationen4 usw. untersucht. Eine Hauptfunktion der MFC-Technologie ist die Abwasserbehandlung. Allerdings wurden die Probleme im Zusammenhang mit der MFC-Abwasserqualität noch nicht ausreichend gelöst. MFC allein ist möglicherweise kein praktikabler Weg, um strenge Anforderungen an die Abwasserqualität zu erfüllen. Daher ist ein weiterer Schritt wie die Integration von MFC mit Membrantechnologie5 oder konventioneller Behandlungstechnologie6 erforderlich, um das behandelte Abwasser weiter zu reinigen. Darüber hinaus ist die direkte Stromerzeugung ein wesentliches Merkmal von MFC. Typische MFC-Systeme erzeugen bekanntermaßen Strom im Milliwatt-Bereich (mW), abhängig von der Zuflusscharakteristik, der Reaktorkonfiguration und den Betriebsparametern. Diese niedrige und instabile Leistungsabgabe war ein großes Hindernis dafür, dass MFC als erneuerbare Energiequelle keinen Zugang zum Stromnetz hat, das bei der konventionellen Stromerzeugung auf dem Niveau der installierten Leistung in kW oder MW liegt. Daher hat der Mangel an ordnungsgemäßer Rechenschaftspflicht bei der Stromerzeugung in den letzten Jahren mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Es wurde eine mögliche Strategie vorgeschlagen, die auf der In-situ-Nutzung des erzeugten Stroms für einen energieautarken Abwasserbehandlungsprozess mit einem MFC-basierten kombinierten System7 basiert. Die in verschiedenen Abwässern gespeicherte potenzielle Energie ist unterschiedlich und liegt zwischen 4,92 und 7,97 kWh kg COD–1, was den Energiebedarf seiner Behandlung übersteigt8. Es wäre also spannend, wenn ein MFC-basiertes System die Möglichkeit bieten würde, ausreichend Energie für einen autarken Abwasserbehandlungsprozess zu erzeugen. In der Vergangenheit wurde theoretisch in vielen Reaktoren eine neutrale oder positive Energiebilanz im Abwasserbehandlungsprozess nachgewiesen, beispielsweise im elektrochemischen Membranbioreaktor9, im bioelektrochemischen Membranreaktor10 und in zweistufigen mikrobiellen Brennstoffzellen und anaeroben Wirbelschichtmembranbioreaktoren11. Ein energieautarkes MFC-basiertes kombiniertes System zur Abwasserbehandlung wurde jedoch nicht tatsächlich in Betrieb genommen.

Um einen tatsächlich energieautarken Abwasserbehandlungsprozess mit einem MFC-basierten kombinierten System zu erreichen, sind wirksame Methoden zur Erhöhung der MFC-Spannung erforderlich. In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Ansätze zur Erhöhung der MFC-Spannungen verwendet. Dazu gehört die Reihenschaltung mehrerer MFCs oder die Verwendung eines DC-DC-Wandlers12. Die andere Methode in der Anwendung ist die serielle Stapelung von MFCs, obwohl sich diese aufgrund der Spannungsumkehr als unwirksam erwiesen hat, um die Spannung zu erhöhen, was zum Ausfall des gesamten Systems führen kann13. Es wurde gezeigt, dass der DC-DC-Wandler die MFC-Spannung effektiv steigert, aber er hatte auch Einschränkungen aufgrund einer komplizierten Schaltung und eines erheblichen Energieverlusts im Dual-Boosting-System. Allerdings erwies sich ein alternativer Ansatz zur Verwendung einer kondensatorbasierten Schaltung als hilfreich für die Stromsteigerung14. Bei dieser Methode wurde elektrische Energie zunächst in Kondensatoren gesammelt und dann intermittierend mit Hochspannungsabgabe abgegeben. Die Kondensatoren wurden mithilfe mehrerer MFCs parallel geladen und in Reihe entladen, wodurch die Spannungsausgabe bei vernachlässigbarem Energieverlust verbessert wurde12.

Aus technischer Sicht ist die Umwandlung der Abwasserbehandlung in einen energieautarken Prozess und die Einhaltung strenger Abwasserentsorgungsnormen äußerst wünschenswert, aber auch eine große Herausforderung. Glücklicherweise haben frühere Studien mit kondensatorbasierten Schaltkreisen zur Erhöhung der MFC-Spannung und MFC-basierten kombinierten Systemen zur Reinigung des Abwassers neue Möglichkeiten eröffnet. Diese Studie konzentriert sich auf ein innovatives Konzept, das für die In-situ-Nutzung des erzeugten Stroms vorgeschlagen wird, um einen energieautarken Abwasserbehandlungsprozess unter Verwendung eines kombinierten MFC- und intermittierend belüfteten biologischen Filtersystems (IABF) zu erreichen. MFC wurde für die CSB-Entfernung und auch für die Stromerzeugung konzipiert und betrieben, um das Pumpen und die Belüftung des IABF für eine Tiefenbehandlung anzutreiben, die hochwertiges Abwasser liefert. Auch die Energiebilanz hinsichtlich Energieproduktion und Energieverbrauch im innovativen Verbundsystem wurde analysiert.

Die Elektrodenpotentiale wurden während des gesamten Experiments überwacht, um die Leistung des Systems zur Stromerzeugung in einer kondensatorbasierten Schaltung zu untersuchen. Der Spannungsausgang des MFC änderte sich in verschiedenen Lade- und Entladezyklen in ähnlicher Tendenz (Abb. 1a und Abb. S1). Während des Ladezyklus, als MFC an Kondensatoren angeschlossen war, sank die Spannung des MFC schnell auf 100 ± 5 mV und stieg dann allmählich auf 400 ± 10 mV an. Bei voller Ladung wurde der MFC im Leerlaufmodus betrieben und lieferte eine höhere Spannung von 450 ± 5 mV. Das Anodenpotential sank mit zunehmender Ausgangsspannung dramatisch von –50 ± 5 mV auf –350 ± 10 mV, während das Kathodenpotential nahezu konstant blieb (50 ± 18 mV) (Abb. 1b). Dies lässt darauf schließen, dass die Spannungsänderung auf die Variation des Anodenpotentials zurückzuführen ist. Tatsächlich zeigte diese periodische Variation des Anodenpotentials, dass die Anodenmikroorganismen eine gut angepasste Leistung an die drastische Stromänderung zeigten. Und das nahezu konstante Kathodenpotential hing mit der hohen katalytischen Aktivität und Leitfähigkeit der Kathode zusammen, die aus Aktivkohle und Polytetrafluorethylen (PTFE)15 hergestellt wurde.

Spannungsverlauf (a), Anoden- und Kathodenpotentiale (b) von MFC während 6 Lade- und Entladezyklen. Die Elektrodenpotentiale wurden im Vergleich zur Ag/AgCl-Referenzelektrode (+197 mV im Vergleich zu einer Standard-Wasserstoffelektrode) angegeben.

Die Auswirkung einer kondensatorbasierten Schaltung auf die Erhöhung von CE schien relativ offensichtlich zu sein. Die auf SCOD basierenden CEs betrugen 40 ± 2 % unter kontinuierlichen Durchflussbedingungen unter Verwendung eines kondensatorbasierten Schaltkreises und 35 ± 2 %, wenn MFCs mit Widerständen von 10 Ω verbunden waren. Der höhere CE-Wert spiegelte eine höhere Effizienz der Elektronenrückgewinnung wider, wenn der MFC-Reaktor mit einem Kondensator statt mit einem Widerstand verbunden wurde. Es wurde spekuliert, dass mit einer kondensatorbasierten Schaltung aufgrund wiederholter Lade- und Entladevorgänge ein Übergangszustand (der Strom ändert sich kontinuierlich) erreicht werden könnte, verglichen mit dem stationären Zustand (der Strom blieb relativ stabil), wenn MFC-Reaktoren mit einem verbunden waren externer Widerstand. Im stationären Zustand wurde der Strom durch den Massentransfer von Exoelektrogenen zur Anode begrenzt14. Diese Einschränkung des Stofftransports könnte durch das Erreichen eines Übergangszustands verringert werden, der die Grenzschicht in der Nähe der Elektrode in dynamische Veränderungen versetzen könnte, was folglich zu einer erhöhten Elektronenproduktion führen würde16. Darüber hinaus könnte nach dem Entladevorgang ein höheres Anodenpotential erreicht werden (da die Anode direkt mit der Kondensatorplatte verbunden ist) und so die Erzeugung von mehr Elektronen durch Exoelektrogene gefördert werden.

Die von MFCs erzeugte Leistungsdichte veränderte sich im Laufe der Zeit geringfügig. Die maximale Leistungsdichte jeder Zelle sank nach 5 Monaten leicht auf 412 mW m-2 (MFC-1) und 407 mW m-2 (MFC-2) im Vergleich zu den nach 2 Monaten erhaltenen Daten (430 mW m-2, MFC). -1; 427 mW m−2, MFC-2) (Abb. 2a). Die Kathodenpotentiale waren nach dreimonatigem Betrieb etwas niedriger, während die Anodenpotentiale keine offensichtliche Veränderung aufwiesen (Abb. 2b). Der Hauptgrund für den Rückgang der Stromerzeugung könnte auf eine leichte Verschlechterung der Kathodenleistung zurückzuführen sein. Diese maximalen Leistungsdichten der MFCs im kontinuierlichen Fluss waren niedriger als diejenigen, die zuvor in Vorversuchen erhalten wurden, als die beiden MFCs im Fed-Batch-Modus betrieben wurden (518 mW m-2, MFC-1; 520 mW m-2, MFC-2). . Andererseits könnte eine Verringerung der Leistungsabgabe damit zusammenhängen, dass gelöster Sauerstoff in die Anodenkammer eindringt.

Leistungsdichte, Anoden- und Kathodenpotentiale von MFCs im Zeitverlauf: (a) Leistungsdichteleistung von MFC-1, MFC-2 nach 2 Monaten und 5 Monaten; (b) Anoden- und Kathodenpotentiale von MFC-1, MFC-2 nach 2 Monaten und 5 Monaten. Die Buchstaben „AP“ und „CP“ in (b) stehen für Anodenpotential und Kathodenpotential. Alle Elektrodenpotentiale wurden im Vergleich zur Ag/AgCl-Referenzelektrode (+197 mV im Vergleich zu einer Standard-Wasserstoffelektrode) angegeben.

Das MFC-IABF-System zeigte eine hervorragende Behandlungsleistung im Hinblick auf den CSB des Abwassers. Die IABF wurde zunächst mit Belebtschlamm geimpft, der aus der Kläranlage Wenchang (Harbin, China) stammte. Einige Eigenschaften des Schlamms waren wie folgt: Absetzvolumen (SV) 24 %, suspendierte Feststoffe der Mischflüssigkeit (MLSS) 2,3 g/l und Schlammvolumenindex (SVI) 104 ml/g. Nach der Beimpfung wurde die IABF zunächst 7 Tage lang im Batch-Modus ohne Rückspülung betrieben und dann 20 Tage lang auf kontinuierlichen Betrieb umgestellt, der mit dem Abfluss des MFC-Reaktors gespeist wurde. Während der Inokulations- und Startphase wurde der Betriebszyklus des Belüfters auf 6 Minuten festgelegt, einschließlich einer Belüftungsphase von 1 Minute und einer Ruhephase von 5 Minuten (Luft-Flüssigkeits-Verhältnis von 12). Nach einem Monat Biofilmbildung und Akklimatisierung an das Abwasser des MFC-Reaktors erzielte das IABF-System eine gute Leistung hinsichtlich des CSB des Abwassers (Abb. S2).

Eine große Menge SCOD wurde durch den MFC-Reaktor entfernt (83,8 %), wobei die SCOD-Ablaufkonzentrationen 162,2 mg L−1 betrugen. Eine weitere SCOD-Entfernung von 10,0 % wurde durch die IABF erreicht, und der abfließende SCOD der IABF betrug 61 mg L−1 (Abb. 3). Der Zulauf-TCOD verringerte sich von 1000 mg L−1 auf 217,6 mg L−1 nach der MFC-Behandlung und später auf 82,8 mg L−1 im Abfluss von IABF, was einer Gesamt-TCOD-Entfernung für das kombinierte System von 91,7 % (78,2 % für die MFC) entspricht Reaktor, 13,4 % für die IABF) (Abb. 3). Die MFC- und IABF-Stufen erzielten unterschiedliche Leistungen hinsichtlich der Substratabbaurate (SDR). Die SDRs betrugen 0,26 kg CSB m-3 d-1 für die MFC der ersten Stufe und 0,45 kg CSB m-3 d-1 für die IABF der zweiten Stufe, mit einem Gesamt-SDR für das kombinierte System von 0,28 kg CSB m-3 d −1. Die relativ schnellere Substratabbaurate spiegelte eine höhere Effizienz der IABF bei der gesamten CSB-Entfernung wider. Diese Abwasserbehandlungsleistung könnte durch die Optimierung des Reaktordesigns und der Betriebsbedingungen weiter verbessert werden, einschließlich einer Erhöhung des MFC-Volumenverhältnisses, einer Erhöhung der HRT im IABF (Tabelle S1) und einer Optimierung der Lade- und Entladezeit.

Abwasserbehandlungsleistung des kombinierten MFC-IABF-Systems.

Der Wert in der Abbildung ist die Entfernungsrate in Bezug auf SCOD und TCOD (Zufluss-CSB = 1000 mg/L).

Es ist wichtig zu beachten, dass das konventionelle Belebtschlammverfahren eines der energieintensivsten Verfahren darstellt und in Industrieländern etwa 3–5 % der gesamten elektrischen Energie verbraucht. Mittlerweile stellen die Behandlung und Entsorgung von Klärschlamm Kläranlagen auf der ganzen Welt vor große Herausforderungen17. Ein bemerkenswerter Vorteil des kombinierten MFC-IABF-Systems gegenüber dem herkömmlichen Belebtschlammverfahren war seine hohe CSB-Entfernungsrate. Die CSB-Behandlungseffizienz im kombinierten MFC-IABF erreichte mehr als 90 %, während der entsprechende Wert für das herkömmliche Belebtschlammverfahren relativ niedriger war, was darauf hindeutet, dass das kombinierte System als Abwasserbehandlungsrolle geeignet ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des kombinierten Systems ist die geringe Schlammausbeute, die viel geringer ist als bei herkömmlichen Belebtschlammverfahren. Es ist erwähnenswert, dass die Schlammproduktion in diesem kombinierten System um 25 % reduziert wurde, wobei die Schlammausbeute 0,25 kgVSS kgCODremoved−1 betrug. Diese zusätzliche Schlammreduzierung entspricht etwa 0,07 kgVSS m−3 d−1 bei Verwendung des kombinierten Systems (detaillierte Informationen und Berechnungen im SI), was hinsichtlich der Behandlung und Entsorgung sehr kostspielig sein könnte. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der aerobe Behandlungsprozess im IABF im Vergleich zur kostenintensiven Membrantechnologie im Hinblick auf kurze Verweilzeiten und hochwertiges Abwasser relativ effektiv ist.

Eine ausreichende Belüftung im IABF-Reaktor ist wichtig, um das gewünschte Behandlungsniveau zu erreichen, da die Mikrobenbioaktivität im Reaktor deutlich von der Konzentration des gelösten Sauerstoffs (DO) beeinflusst wird18. Die DO-Konzentration verringerte sich während jedes Wechsel- und Entladezyklus von 4,2 mg L-1 auf 1,3 mg L-1 (Abb. 4), was auf den intermittierenden Belüftungsmodus zurückzuführen war (Belüftungsrate von 1000 ± 80 ml h-1). Die DO-Konzentration schwankte um 2,7 mg L-1 im Vergleich zu 2 mg L-1 bei herkömmlichen aeroben Behandlungsverfahren, ein Hinweis darauf, dass dies nicht zu einer signifikanten Änderung der CSB-Entfernung führen konnte19,20. Dieser IABF-Reaktor arbeitete mehr als drei Monate lang zusammen mit MFC ohne jegliche Rückspülung. Dies ist wahrscheinlich auf eine Kombination von Faktoren zurückzuführen, darunter ein kleiner Reaktor, die Verwendung von Kohlefasern als Medium21, eine intermittierende Belüftung22 und ein kurzer Betriebszyklus. Der Einsatz von MFC als Primärbehandlungsprozess könnte aufgrund der Entfernung von CSB und TSS in MFC zu dieser stabilen Leistung von IABF beitragen. Eine geringe Schlammausbeute an MFC führte auch zu einem stabilen Betrieb des Flussmittels durch IABF ohne Rückspülung, da es sich um einen energieintensiven Prozess handelt.

Änderungen der DO-Konzentration am Boden des IABF-Reaktors in einem Lade- (5 Min.) und Entladezyklus (1 Min.).

Der erste Punkt wurde gemessen, nachdem der kondensatorbasierte Schaltkreis den einminütigen Entladevorgang abgeschlossen hatte. Die folgenden fünf Punkte wurden während des fünfminütigen Ladevorgangs (einminütiges Intervall) gemessen.

Alle volumetrischen Energiedichten wurden auf der Grundlage einer Normierung auf 1 m3 Zufluss ausgedrückt. In diesem zweistufigen MFC-IABF-System war der Energieverbrauch hauptsächlich auf das Pumpen (Einspeisung in den MFC-Reaktor) und die Belüftung im IABF-System zurückzuführen. Die von MFC erzeugte elektrische Energie wurde nach der Formel (3) mit 0,27 kWh m−3 berechnet. Ein großer Teil der Gesamtenergie (0,22 kWh m−3) wurde für die Belüftung im IABF verbraucht. Der Energieverbrauch beim Pumpen betrug 0,014 kWhm-3, ein kleiner Bruchteil des Gesamtenergieverbrauchs, der im Vergleich zum Energiebedarf für die Belüftung vernachlässigbar sein könnte. Der Verlust elektrischer Energie machte jedoch 13,3 % (0,036 kWh m−3) des gesamten Energieverbrauchs aus und tritt vermutlich auf, wenn die Eingangsspannung unter die minimale Betriebsspannung von Pumpe und Belüfter fällt (1,5 V für Belüfter und 3 V für Pumpe). . Bemerkenswert ist, dass hier in dieser Untersuchung von Energieumwandlungswirkungsgraden von 4 % für die Pumpe und 3 % für den Belüfter ausgegangen wurde (detaillierte Informationen und Berechnungen im SI). Die Energiebilanz in Tabelle 1 wurde auf Basis des angenommenen η-Wertes erstellt.

Abhängig von der Änderung des Flüssigkeitsstands im Kopftank wurde der Pumpe oder dem Belüfter elektrische Energie zugewiesen, gesteuert durch einen Schwimmerschalter (FBS-70S-531A, Zetian Corporation, China). Wenn der Flüssigkeitsspiegel 1 mm unter die Höhe des installierten Schalters fiel, wurden die Kondensatoren über die Pumpe entladen. Als folglich der Flüssigkeitsspiegel im Kopftank auf die Höhe des installierten Schalters anstieg, wurden die Kondensatoren über den Belüfter entladen (Abb. S3). In den beiden aufeinanderfolgenden Entladezyklen (definiert als Stufe 1 und Stufe 2) blieb die Ausgangsspannung der kondensatorbasierten Schaltung bei 5 ± 0,4 V, die an die Pumpe in Stufe 1 angelegt wurde (dauerte 1–2 s), um eine Flussrate von 2 aufrechtzuerhalten L d−1. In Stufe 2 wurde zunächst elektrische Energie vom Belüfter verbraucht, bevor die Spannung unter 1,5 V abfiel (dauerte 10–15 s) (Abb. S4). Die kurzzeitige Belüftung reichte aus, um eine Belüftungsrate von 1000 ± 80 ml pro Stunde zu erreichen. Danach wurde die verbleibende elektrische Energie in Form von Wärme abgegeben und das Relais schaltete den Entlademodus von der Stromversorgung des Belüfters auf die Pumpe um, da der Flüssigkeitsspiegel im Kopftank absinkte (siehe Video zum Pumpen und Belüften).

Die Abschätzung des Energieverbrauchs in der Energiebilanz war komplex. Der Hauptfaktor η in den Formeln (4) und (5) spiegelt die Energieumwandlungseffizienz von elektrischer Energie in Pump- oder Belüftungsenergie wider, was einen wichtigen Einfluss auf die Energiebilanzanalyse hat. Die Wirkungsgrade des Elektromotors zum Antrieb der Axialpumpe, des Pumpenlaufrads und des Wechselrichters müssen alle berücksichtigt werden, wenn der Gesamtumwandlungswirkungsgrad der Pumpe für die Berechnung des Energieverbrauchs angenommen wird. Bisher gibt es nur begrenzte Untersuchungen, die den Energieumwandlungswirkungsgrad η bei der Schätzung des Energieverbrauchs berücksichtigen (Tabelle 2). Der typische Energieverbrauch dieser Systeme entsteht durch das Pumpsystem, das aus drei Teilen besteht: Zulauf, Permeat und Rezirkulation des Elektrolyten. Der Energieumwandlungswirkungsgrad dieser Pumpen schwankte zwischen 60 und 100 %, basierend auf theoretischen Analysen in Kombination mit technischen Erfahrungen aus der Praxis dieser größeren Wechselstrompumpen. Allerdings waren die kleine Gleichstrompumpe und der Belüfter in dieser Untersuchung im Vergleich zu größeren Wechselstrompumpen und Belüftern7 aufgrund der Kombination von Faktoren, darunter Schwankungen der Eingangsspannung, größerer Pumpenhöhe (0,2 m) und Rohrwiderstand, weniger effizient. Der primäre Effekt einer ungenauen Schätzung von η könnte zu einer ungenauen Pump- und Belüftungsenergie führen und schließlich eine präzise Energiebilanzanalyse unmöglich machen. Nimmt man die Berechnung des Energieverbrauchs für die Belüftung als Beispiel und geht man von einem Energieumwandlungswirkungsgrad des Belüfters von 4 % im Vergleich zum Wert von 3 % aus, könnte der gesamte elektrische Energiebedarf für die Belüftung 0,165 kWh m−3 betragen. Diese kleine Steigerung der Energieumwandlungseffizienz um 1 % könnte zu einer Verringerung des Anteils des Belüftungsverbrauchs am Gesamtenergieverbrauch um 20,4 % führen. Daher ist eine Schätzung des Energieverbrauchs in der Energiebilanzanalyse für weitere Untersuchungen und eine eingehende Analyse des gesamten Systems erforderlich.

In der vorliegenden Studie wurde ein kombiniertes MFC-IABF-System aufgebaut und erfolgreich energieautark bei Umgebungstemperatur betrieben. Die Gesamtbelastung der Substratabbaurate (SDR) des kombinierten Systems betrug 0,28 kg CSB m−3 d−1 (0,26 kg CSB m−3 d−1 für die MFC der ersten Stufe und 0,45 kg CSB m−3 d−1 für IABF der zweiten Stufe. Die von MFC erzeugte elektrische Energie (0,27 kWh m-3) wurde erfolgreich zum Antrieb des Pumpsystems (0,014 kWh m-3) und des Belüftungssystems (0,22 kWh m-3) genutzt. Diese Ergebnisse zeigen, dass: ( 1) Die MFC-Technologie kann die im Abwasser gespeicherte Energie nutzen, um den Abwasserbehandlungsprozess ohne Energieaufwand durchzuführen. (2) Mit einem MFC-basierten kombinierten System kann eine bessere Abwasserbehandlungsleistung erzielt werden als mit der Weiterentwicklung der MFC-Technologie allein. Während Nachdem die Machbarkeit des kombinierten Systems nachgewiesen wurde, sind zusätzliche Arbeiten erforderlich, um weitere funktionelle Vorteile zu erzielen, wie z. B. Nitrifikation, Denitrifikation oder Phosphatrückgewinnung in MFC oder IABF. Außerdem ist eine effektivere Energieverteilung zwischen Pumpe und Belüfter erforderlich, um eine nachhaltige Entwicklung zu ermöglichen Betrieb eines solchen kombinierten Systems.

Das kombinierte MFC-IABF-System bestand aus einem MFC und einem IABF, die hydraulisch verbunden waren (Abb. 5). Der MFC enthielt zwei Reihen Bürstenanoden, die außen durch Kupferdraht miteinander verbunden waren, und zwei Stück Rollkathoden. Die Anoden waren Kohlefaserbürsten mit einem Titandrahtkern (4 cm Durchmesser x 20 cm Länge, Oberfläche 2,41 m2), die vor der Verwendung 30 Minuten lang bei 450 °C wärmebehandelt wurden. Kathoden (30 × 20 cm, Kathodenoberfläche = 600 cm2) wurden durch das „Roll-Press“-Verfahren unter Verwendung von Aktivkohle und PTFE23 hergestellt. Dieser MFC wurde in eine rechteckige Box (40 × 10 × 20 cm) mit einem effektiven Volumen von 6 l gegeben (Abb. S5 und Abb. 5a). Der IABF-Reaktor (10 cm Innendurchmesser, 20 cm Höhe) bestand aus Plexiglas und war mit Kohlebürsten gefüllt, die als Filtermaterial dienten, mit einem effektiven Volumen von 600 ml. Am Boden des Reaktors befand sich ein Luftdiffusor (10 cm Außendurchmesser, Xiangsu Corporation, China), um Luft einzublasen. Um die Filtermedien zu unterstützen und eine gleichmäßige Luftzufuhr zu gewährleisten, wurde oberhalb des Luftverteilers eine poröse Gasverteilerplatte (10 cm Außendurchmesser, Porengröße 3 mm) angebracht. Der MFC-Abfluss floss nach unten durch den IABF-Reaktor und der Belüfter (SC3301PM, Lichang Corporation, China) (Tabelle S2 und Abb. S6) arbeitete intermittierend, um Luft nach oben einzublasen.

Schematische Darstellung von: (a) dem MFC-Reaktor, (b) dem zweistufigen kombinierten MFC-IABF-System. Die grünen Dreiecke zeigten die Probenahmepunkte von MFC- und IABF-Reaktoren für Flüssigkeitsqualitätsanalysen an. Die blauen und weißen Linien zeigen die Richtungen des Flüssigkeits- und Luftstroms an.

Der MFC-Reaktor wurde mit dem Abfluss eines bestehenden MFC beimpft, der bei Umgebungstemperatur betrieben wurde. Während der ersten zwei Monate wurden die beiden unabhängigen MFCs (MFC-1 und MFC-2 in Abb. 5a) zunächst bei einem Außenwiderstand von 500 Ω akklimatisiert und dann der Außenwiderstand konsequent auf 10 Ω umgeschaltet, um die Stromerzeugung zu maximieren. Das Medium enthielt Glucose (1 g L−1) in einer 50 mM Phosphatpufferlösung (PBS) und enthielt außerdem Spurenelemente und Vitamine, wie zuvor beschrieben24.

Zwei MFCs wurden in eine Parallelschaltung umgewandelt, um die Kondensatoren in Kombination mit IABF aufzuladen. Eine Gleichstrompumpe (Mini260, Aoqi Corporation, China) (Tabelle S2 und Abb. S6) wurde verwendet, um den Zulauf aus einem Behälter in einen Kopftank zu transportieren, der 20 cm über dem Behälter platziert war, und dann floss er aus dem Kopftank durch einen Flüssigkeitsstrom Meter (LZB-2, Flowtech Corporation, China) in die obere linke Ecke des MFC-Reaktors aufgrund des hydraulischen Drucks. Dann floss der Abfluss aus der unteren rechten Ecke des MFC-Reaktors aufgrund des hydraulischen Drucks in die Oberseite des nachgeschalteten IABF-Reaktors (Abb. 5b). Während des dreimonatigen Betriebs wurden alle 10 Tage Abflussproben des MFC-Reaktors und des IABF-Reaktors zur CSB-Analyse entnommen.

Zur Gewinnung elektrischer Energie aus dem MFC-Reaktor wurde ein kondensatorbasierter Schaltkreis verwendet (Abb. S7). Die Schaltung bestand aus Kondensatoren (3,3 F, Panasonic Corporation, Japan) und Relais, die von einem programmierbaren Mikrocontroller (XD-J16H, Xunda Corporation, China) gesteuert wurden. Die MFCs luden die Kondensatoren parallel auf (5 Min., optimaler Prozess in Abb. S8) und in Reihe geschaltete Kondensatoren, um die Pumpe und den Belüfter mit Strom zu versorgen (1 Min.).

Der Gesamt-CSB (TCOD) und der lösliche CSB (SCOD) wurden mit Standardmethoden gemessen. Die Proben für die SCOD-Messung wurden zunächst durch Spritzenfilter mit einem Porendurchmesser von 0,45 μm filtriert. Die Konzentration des gelösten Sauerstoffs wurde mit einem DO-Messgerät gemessen (im Labor Oxi730, WTW, Deutschland).

Die Spannungen am MFC wurden mit einem Datenerfassungssystem PISO-813 (32 Channel ICP DAS Co., Ltd.) aufgezeichnet. Polarisations- und Leistungskurven wurden durch Ändern des externen Widerstands von offenem Stromkreis auf 2,7 Ω unter kontinuierlichen Durchflussbedingungen erhalten.

Die Kondensatoren wurden zyklisch von einem Entladepotential (Vd) auf ein Ladepotential (Vc) geladen und entladen.

Die in einem Ladezyklus gewonnene Ladungsqualität (Q) kann mit der folgenden Formel (1) berechnet werden.

Dabei steht C für die Kapazität (3,3 F) und 32 für die Anzahl der parallel geschalteten Kondensatoren.

Die Coulomb-Effizienz (CE) wurde basierend auf der SCOD-Entfernung in MFC nach Formel (2)25 berechnet.

Wobei Cth die verfügbare Gesamtladung basierend auf dem Substratverbrauch darstellt.

Die vom MFC in einem einzelnen Ladezyklus gewonnene Energie (Wc) wurde mithilfe der Formel (3)26 berechnet.

Der elektrische Energieverbrauch der Pumpe wurde gemäß Formel (4)27 geschätzt.

Dabei stellt der elektrische Energieverbrauch der Pumpe (kW) dar, Q ist die Zuflussrate (m3 s−1), E ist die hydraulische Druckhöhe (m), η ist der Energieumwandlungswirkungsgrad der Pumpe. In dieser Studie betrug Q 2,3 × 10−8 m3 s−1 (1,39 ml min−1) für die Zuflussrate. Die hydraulische Druckhöhe betrug 0,2 m.

Der elektrische Energieverbrauch des Belüfters wurde nach Formel (5)28 geschätzt.

Wo stellt den elektrischen Energieverbrauch des Belüfters (kW) dar, w als Gewicht des Luftstroms (kg s−1), R = Gaskonstante, 8,314 kJ kmol−1 K−1, T = absolute Einlasslufttemperatur (298 K), n = Konstante für Luft oder 0,283, η = Effizienz des Belüfters, P2 und P1 sind absolute Auslass- bzw. Einlassdrücke (atm).

Zitierweise für diesen Artikel: Dong, Y. et al. Ein kombiniertes System aus mikrobieller Brennstoffzelle und intermittierend belüftetem biologischem Filter zur energieautarken Abwasserbehandlung. Wissenschaft. Rep. 5, 18070; doi: 10.1038/srep18070 (2015).

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Diese Arbeit wurde vom State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology (Grant No. 2013DX08) und vom National Natural Science Fund for Distinguished Young Scholars (Grant No. 51125033) und dem National Natural Science Fund of China ( Zuschuss Nr. 51209061 & 51135033). Die Autoren danken außerdem für die Unterstützung des internationalen Kooperationsprojekts zwischen China und Kanada (2011DFG93360).

Staatliches Schlüssellabor für städtische Wasserressourcen und Umwelt, Harbin Institute of Technology., No 73 Huanghe Road, Nangang District, 150090, Harbin, China

Yue Dong, Yujie Feng, Yue Du, Xiangtong Zhou und Jia Liu

School of Life Science and Technology, Harbin Institute of Technology., No. 2 Yikuang Street, Nangang District, 150080, Harbin, China

Youpeng Qu

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YD führte die Experimente durch, analysierte die Daten und verfasste das Hauptmanuskript; YPQ entwarf die Experimente, analysierte die Daten und schrieb das Manuskript; YD und XTZ führten Experimente durch; YJF und JL analysierten die Daten und diskutierten die wissenschaftliche Idee. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Dong, Y., Feng, Y., Qu, Y. et al. Ein kombiniertes System aus mikrobieller Brennstoffzelle und intermittierend belüftetem biologischem Filter zur energieautarken Abwasserbehandlung. Sci Rep 5, 18070 (2015). https://doi.org/10.1038/srep18070

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Eingegangen: 12. August 2015

Angenommen: 5. November 2015

Veröffentlicht: 15. Dezember 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep18070

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