Förutsättningar och vägar för att kunna utnyttja de bakteriellt inducerade redoxreaktionerna i våtmarker till elproduktion överblickas i ett irländskt-kinesiskt samarbete.
Av: Jörgen Hanaeus
Våtmarker och mikrobiella bränsleceller (MFC:s) är båda beroende av den bakteriella aktiviteten om än i olika skalor. MFC kräver anaeroba förhållanden vid anoden och syre vid katoden. Våtmarker erbjuder zoner med olika redoxförhållanden, varför en kombination av dessa tekniker är möjlig. Artikeln överblickar, främst via erfarenheter i litteratur och labskala, möjligheter och hinder för att kunna etablera MFC:s i våtmarker.
Bakgrund
Våtmarker är en sedan länge känd teknik för att behandla olika typer av avloppsvatten med måttlig resursåtgång. Sedan millennieskiftet har intresset för att utveckla mikrobiella bränsleceller ökat kraftigt. En MFC består av en anod i anaerob miljö, en katod, en separerande enhet och en yttre strömkrets.
Såväl reduktionen av organiskt material som driften av MFC bygger på bakteriell aktivitet med nedbrytning av det organiska materialet. För MFC-ändamålet krävs den elektronström som bildas vid oxidationen och för våtmarkseffekten vill man ha det organiska materialet omvandlat till CO2 och ny bakteriemassa. Protonerna vandrar mot katoden genom separatorn eller via avloppsvattnet. Kretsen är komplett när elektroner och protoner arbetar i en reducerande reaktion vid katoden, oftast med syre som elektronacceptor.
Redoxgradienten kan åstadkommas genom att anoden begravs i vattenmättade sediment och katoden placerades i den fria vattenvolymen.
Flera elektrogena bakterier kan via organiskt material försörja MFC:s. Flera arter av Geobacter, vana vid anaeroba miljöer och sediment, till exempel.
Tillgången till organiskt material och därmed substrat kan öka om växtrötter finns i jorden. Planterade ytor har visat sig ge upp till 18 ggr större strömtäthet än oplanterade sådana.
Denna artikel söker sammanfatta de få publikationer som finns om kombinationen MFC-våtmark och spekulera i framtida utveckling.
Design och drift
De flesta system som provats har arbetat med uppströmsflöde med en nergrävd anod och en katod vid ytan eller i växternas rotsystem. Någon typ av grafitplatta är vanlig som separator, men även glasull har provats. Grafit och kol är uppskattade material då de har god elektrisk ledningsförmåga, oxideras inte lätt och är goda växtplatser för bakterier. Det gör dem bättre än metalliska material. När stora elektrodytor efterfrågas med långa transportsträckor för elektroner i materialet är dock den relativt höga resistiviteten hos grafit en nackdel.
Effekter
Beträffande COD-reduktionen i våtmarken har värden kring 75% noterats för de kombinerade systemen, vilket också är vad som förväntas av en våtmark utan MFCs. Exempel finns även på ett bättre utfall med MFC:s i våtmarken än utan. Den hydrauliska uppehållstiden är viktig, ca 3 dygn har visat sig lämplig då både COD-reduktion och strömgenerering värderades. Vid höga ingående COD-halter till planterad jord har andelen som använts till elproduktion minskat. Nämnda Geobacterfamiljen får konkurrens av bl a Ruminococcaceae, Clostridiaceae och Anaerolineaceae, vilket behöver beaktas också för våtmarkstillämpningen.
Vad gäller elproduktionen är COD-tillförseln annars mycket viktig. I en upflow våtmark med MFC:s fann man att när COD-nivåerna ökade från 50 till 250 mg/L ökade även tätheten hos eleffektproduktionen, då till ca 44 mW/m2. Vidare COD-ökningar, till 500 och 1000 mg/L, minskade effekttätheten till 21 mW/m2. Man menar att ett högt COD-inflöde ökar riskerna för växt och beläggningar på katoden, där syret måste räcka till för reduktionsreaktioner så att strömkretsen kan fungera.
Vid en horisontell våtmark ökade COD-tillförseln från 560 till 1100 mg/L, varvid syrehalten vid katoden sjönk från 2 mg O2/L till nära noll och spänningen över cellen minskade från 700 mV till 200 mV. Ytterligare elektrodreaktioner kan komplicera bilden.
Vad gäller uppnådda redoxgradienter mellan elektroderna visade en planterad våtmark med kontinuerligt avloppsvattenflöde värdet 407 mV, vilket var upp till 20 % bättre än motsvarande utan plantering. Växtrötterna förbättrade syresättningen vid katoden, vilket gav större frihet vid placering av denna och möjlighet att korta ner elektrodavståndet.
En dygnsrytm, från fotosyntesen, har även noterats för elproduktionen i en våtmark, planterad med P. australis.
När en extern strömkrets kopplas in, stimuleras tillväxten av elektrogena bakterier, såsom Geobacter, vid anoden medan växten av Archae hämmas.
Slutsatser
MFC:s med reaktorvolymer > 2 L producerar i allmänhet strömtätheter mindre än 30 W/m3, vilket är två tiopotenser lägre än vad som uppnåtts i våtmarker med MFC:s. Större volym kan i någon mån kompenseras med större värde på förhållandet mellan elektrodyta och reaktorvolym samt ett minskande elektrodavstånd.
Författarna menar också att nettoenergiutvinningen ur det organiska materialet är ett värdefullt mått och påpekar att det högsta värdet som nåtts så långt i en MFC-försedd våtmark är 0,047 kWh/kg COD. Teoretiskt nåbart är 3,86 kWh/kg COD vid oxidation till CO2 och vatten, så det finns marginal att utveckla på.
Som författarna anmärker är det ont om material som beskriver detta kombinerade koncept, och man har nog fått med det mesta. Från svensk utgångspunkt skulle man önska lite mer information om i vilken skala de olika, citerade försöken bedrivits och vilka teknikproblem som upplevts i uppskalningen. Luttrade VA-ingenjörer kan rapportera om att de vid åtskilliga tillfällen fastnat på ett högt staket mellan laboratorium och färdig anläggning.
Åtskilligt MFC-material finns upplagt på YouTube; t ex från University of Alcala, Madrid.
Källa: Doherty,L..a), Zhao, Y.a,b), Zhao, X.b) , Hu, X.c) , Hao, X.c), Xu, L.a) & Liu, R.a) (2015): “A review of a recently emerged technology: Constructed wetland – Microbial fuel cells”. Water Research 85, pp 38-45.
Författarna:
a) UCD Dooge Centre for Water Resource Research, School of Civil, Structural and Environmental Engineering, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland
b) Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas, (Ministry of Education), Chang’an University, Xi’an 710054, China
c) Bejing University of Civil Engineering and Architecture/Bejing Climate Change Research and Education Centre, Bejing 10044, China
Korrespondens och kontakt: Yaqian Zhao e-mail: yaqian.zhao@ucd.ie
