Samverkan mellan våtmarker och mikrobiella bränsleceller utgör en möjlig avloppsbehandling där elektricitet genereras. Indien, Kina, Tyskland, Irland, Spanien och Malaysia är länder med aktivitet på detta område.
Av: Jörgen Hanaeus
Under de senaste tio åren har mikrobiella bränsleceller studerats för att kunna uppnå elektricitetsutvinning ur avloppsvatten. En lovande väg är att kombinera bränslecellerna med avloppsvåtmarker som har en naturlig redoxgradient i sedimenten där det också finns rum för anoder i elkretsar.
Tekniken är ännu ung och försök i större skala har inte rapporterats. Flera länder bedriver dock forskning på området och artikeln samlar vad som är publicerat.
Bakgrund
Mikrobiella bränsleceller har utvecklats sedan tidigt 1900-tal och dess effektivitet i el-produktion har förbättrats avsevärt. Man har sökt integrationsmöjligheter inom avloppsvattenbehandlingen och gjort framsteg med aktivt slam- och membranbioreaktorprocesserna.
På senare tid har också de redoxgradienter som finns i sediment i våtmarker med avloppsvattentillförsel identifierats som en lovande MFC- (Microbial Fuel Cells)tillämpning.
Den anaeroba miljön i sedimenten och den aeroba miljön i vattnet ovan sedimenten är goda förutsättningar för att driva en strömkrets.
Parallellt med utvunnen el-energi kan alltså nedbrytning av organiskt material försiggå.
Nuvarande kunskapsläge
Man har så långt sökt sig fram längs tre linjer: 1) Hur kombinationen MFC-våtmark kan utföras (t ex vid horisontell resp vertikal strömning; vilken typ av avloppsvatten som tillförts). 2) Att utnyttja elektrodreaktionerna för att avskilja någon specifik förorening eller 3) Att försöka optimera energiframställningen(t ex genom flödesbild eller elektrodutveckling).
Anoden fungerar som elektronacceptor och skickar elektronerna till katodens processer; t ex för syrereduktion. Högre halt av organiskt material vid anoden kan leverera fler elektroner till katoden och öka elproduktionen.
Mest intresse har ägnats anodutformningen eftersom luftsyret fanns tillgängligt som katodlösning. Katodutformningens betydelse för föroreningsavskiljning återstår därför att utforska. Det kan finnas möjlighet till väteperoxidproduktion t ex. Separation av tungmetaller är också tänkbar, liksom nitrifikation.
Beträffande generering av el har MFC:s under åren utvecklats från en handfull W/m3 till nivån tusen W/m3. Bakomliggande försök är dock utförda i mL-skala. MFC-våtmarksförsöken är främst utförda i L-skala för anoden och gav då 2-3 tiopotenser lägre värden jämfört med MFC. Sambandet mellan försöksskalan och utvunnen specifik energi är negativt; den största MFC-skalan som rapporterats är ca 10 L (gav ca 0,1 W/m3) och den minsta ca 5 mL (gav ca 1 000 W/m3).
Framtida ansatser
I våtmarkskombinationen är det i mycket den inre resistansen som håller värdena nere. Ansträngningar har framgångsrikt gjorts att minska avståndet mellan anod och katod.
Man har även sökt påverka anodens biofilm genom en järnoxidbeläggning eller genom att blanda in järnoxyhydroxid i anodsubstratet. Anodformen kan varieras; t ex till tredimensionell och makroporös.
Beträffande katoden kan kolbaserade material vara effektökande och förhållandevis billiga. Dyra elektrodmaterial är måttligt intressanta i våtmarken. Biologiskt byggda katoder är en intressant väg och syreproducerande alger kan öka katodens prestanda.
Ämnen att selektivt separera, förutom organiskt material och tungmetaller som redan nämnts, är pesticider och läkemedelsrester.
Då den teoretiska gränsen för en MFC är av storleken 1 Volt kommer framtida utveckling att behöva omfatta flera parallella celler och även möjligheter att transformera till högre spänning. De låga nivåerna kan dock användas till att driva biosensorer, mätande omgivande miljö; just nu kanske den attraktivaste möjligheten.
Slutsatser
Kombinationen MFC-våtmark är ännu FoU-mässigt på ett tidigt stadium. I svensk forskningstradition skulle nog ett halvskaleförsök ha lagts in vid den här tidpunkten; att lyckas med ett elektrodsystem vid varierande sedimentnivåer och halter organiskt material är en utmaning som mår bra av att lyftas från skrivbordsnivån – och därigenom generera feedback till ytterligare detaljstudier.
Källa: Wang, Y.1), Zhao, Y.1, 2), Xu, L.2), Wang, W.2), Doherty, L.2), Tang, C.2, 3), Ren, B.2) & Zhao, J.4) (2017):”Constructed wetland integrated microbial fuel cell system: looking back, moving forward”. Water Science & Technology, Vol 76, No 2, pp 471-477.
Författarna från:
1) School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiatong University Lanzhou, Gansu 730070, China.
2) UCD Dooge Centre for Water Reeseources Research,
School of Civil Engineering, University College Dublin,
Belfield, Dublin 4, Ireland.
3) Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas,
School of Environmental Science and Engineering,
Chang’an University, Xi’an 710054, China
4) College of Urban Construction
Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China
Kontakt: yaquian.zhao@ucd.ie
