Mikrobiella bränsleceller i kombination med våtmarker är ett framväxande intresseområde. Här har i pilotskala testats en tvåstegscell med seriekopplade våtmarksprofiler för att uppnå gynnsamma redoxförhållanden.
Av: Jörgen Hanaeus
Kombinationen avloppsvåtmark och mikrobiella bränsleceller medger att våtmarkens redoxförhållanden och nedbrytning av organiskt material utnyttjas till att driva elproducerande mikrobiella bränsleceller. Dessa har krav på aerob miljö för katoden och anaerob miljö för anoden.
I artikeln föreslås ett tvåstegs arrangemang i våtmarksprofilen för att ge gynnsammare avloppsbehandling, särskilt för kvävereduktion. Våtmarken har byggts i pilotskala med avvattnat aluminiumhydroxidslam som växtmedium och med planterad bladvass på ytan.
Bakgrund
Den mikrobiella bränslecellen utnyttjar de elektroner som frigörs vid bakteriell oxidation av organiskt material till att forma en elektrisk ström. I cellen kräver anoden anaeroba och katoden aeroba förhållanden.
Elektroderna förenas med en extern strömkrets, men elektrontransporten mellan dem i jordmaterialet gynnas av låg ohmsk resistans, vilket innebär att ett kort avstånd dem emellan är gynnsamt.
Båda miljöerna ovan finns i en avloppsvåtmark, som dessutom förses med goda mängder organiskt material (COD). Mot djupet blir miljön anaerob, medan ytan nås av syre från atmosfären och från våtmarksväxternas rotsystem.
Utmaningen är att ur konstruktionen parallellt få en elektrisk effekt samt en god nedbrytning av tillfört organiskt material.
Försök
Två kvadratiska våtmarkssektioner i pilotskala konstruerades; med 17 cm sida och höjden 0,7 m. Sektion 1 bestod av underifrån: 9 cm grus, 20 cm avvattnat aluminiumslam (8,8 kg; partikelstorlekar 15-30 mm), 10 cm anod :3 stavformade elektroder, D =1 cm, L = 16 cm omgivna av granulär grafit (8-13 mm). Därefter 1 cm glasull följd av 10 cm katod med samma elektrodarrangemang som för anoden och överst åter 20 cm avvattnat aluminiumslam.
Elektroderna i sektion 1 förenades med en extern resistans om 950 Ω.
Avloppsvatten (från svinuppfödning, utspätt med kranvatten) tillfördes både uppifrån och nerifrån till sektionen. Uttaget skedde vid katoden, alltså ganska mitt i sektionen.
Sektion 2 hade underifrån samma uppbyggnad till och med anoden. På denna följde 21 cm aluminiumslam och därefter 10 cm katod, med lika uppbyggnad som ovan. Katoden fick därigenom närmare kontakt med atmosfären. Elektroderna i sektion 2 förenades med en extern resistans om 300 Ω.
Bladvass (P. Australis) planterades på båda sektionerna. Sektionerna omgavs av svart plast för att undvika algbildning.
Till sektion 2 fördes avloppsvatten endast underifrån; upflow alltså. Uttag vid ytan.
Anoderna inokulerades med rötslam och katoderna med aktivt slam vid starten för att skapa gynnsamma bakteriekulturer.
Sektionerna drevs först var för sig och därefter i serie. Varje sektion gavs en uppehållstid av 1 dygn.
Avloppsvattnet höll kring 600 mg COD/L, Tot-N 63 mg/L, NH4-N 40 mg/L Tot-P 9 mg/L och löst P 6 mg/L under den första perioden där sektionerna drevs var för sig.
Under den andra perioden, med seriedrift, höll avloppsvattnet kring 500 mg COD/L, Tot-N 59 mg/L, NH4-N 38 mg/L, Tot-P 8 mg/L och löst P 6 mg/L.
Resultat
Avloppsvattenkvalitet
Vid enkeldrift, period 1, under 90 dygn med daglig provtagning gav sektion 1 209 mg COD/L, Tot-N 27 mg/L, NH4-N 10 mg/L, NO3-N 15 mg/L, Tot-P 1,3 mg/L och löst P 0,6 mg/L.
Sektion 2 gav 120 mg COD/L, Tot-N 32 mg/L, NH4-N 18 mg/L, NO3-N 9 mg/L, Tot-P 1,2 mg/L och löst P 0,6 mg/L.
I sektion 1 med flöde både upp- och nerifrån var COD-reduktionen effektivare i den övre, syrerika halvan (75 % reduktion jämfört med 50 % i den nere, syrefria).
Under 90 dygns seriedrift, period 2, erhölls liknande värden efter sektion 1 som i den första perioden.
Efter passage av båda sektionerna blev värdena: 35 mg COD/L, Tot-N 8 mg/L, NH4-N 3,7 mg/L, NO3-N 2,6 mg/L, Tot-P 0,14 mg/L och löst P 0,05 mg/L.
Kvävereduktionen gynnades förstås av att såväl nitrifikation som denitrifikation blev möjlig i seriekopplingen. Fosforreduktionen gynnades av flera passager av aluminiumhydroxidslammet.
Elproduktion
Efter 50 dygns drift i period 1 uppnåddes ett stationärt tillstånd som gav 0,43 V i sektion 1 och 0,30 V i sektion 2. Det lägre avståndet för sektion 2 tillskrevs det längre avståndet mellan elektroderna.
Elproduktionen hämmades av höga COD-halter, vilket tillskrevs en ökad mängd heterotrofa bakterier och därigenom en kritisk minskning av syrehalten kring katoden.
Under period 1 blev den elektriska energin för sektion 1: 2,6 Wh/kg COD (max 3,8) och för sektion 2: 0,75 Wh/kg COD (max 1,2).
Under period 2 (serie) blev den elektriska energin för sektion 1: 4,2 Wh/kg COD (max 9,6) och för sektion 2: 0,49 Wh/kg COD (max 8,0).
Slutsatser
Tvåstegsdriften är uppenbart bättre med hänsyn till resultatet av avloppsvattenbehandlingen, som är gott.
Många praktiska problem återstår att lösa i uppskalningen av konceptet; bl a fördelningen av avloppsvatten till olika nivåer; val av elektrodtäthet för att inte få för höga COD-halter och problem med höga bakteriehalter och syrebrist vid katoderna. Aluminiumhydroxidslammet kommer förstås att mättas på fosfor och behöver ersättas för att en excellent fosforreduktion ska kunna upprätthållas.
Att använda bränsleceller kan ställas mot elproduktion vid rötkammardrift; dvs olika sätt att utnyttja energin i det organiska materialet. Cellerna får ges mer utveckling innan strikt jämförelse görs, men med våtmarkskombinationen blir det troligen i småskaliga tillämpningar som den största potentialen finns.
Källa: Doherty, L. & Zhao, Y. (2015): ”Operating a two-stage microbial fuel cell-constructed wetland for fuller wastewater treatment and more efficient electricity generation.”Water Science&Technology 72.3 pp 421-428.
Författarna från:
UCD Dooge Centre for Water Resources Research. School of Civil, Structure and Environmental Engineering, University of Dublin, Belfield, Dublin 4. Ireland.
Kontakt: liam.padraig.doherty@googlemail.com
