Scalable microbial fuel cell coupled with granular activated carbon for decentralized greywater treatment

Abstract

La escasez hídrica ha puesto en la mesa nuevos enfoques para la gestión del recurso hídrico, como los sistemas descentralizados que buscan la reutilización de aguas residuales a escala domiciliaria como las aguas grises. Sin embargo, las tecnologías de tratamiento de estas aguas descentralizadas aún deben responder a las nuevas escalas, a diferentes condiciones de operación, a los estándares de calidad y a la sustentabilidad energética. Los Sistemas Bioelectroquímicos, específicamente las Celdas de Combustible Microbioano son sistemas de tratamiento biológicos capaces de oxidar la materia orgánica (MO) disuelta al mismo tiempo que generan electricidad. Esta transformación de energía es debida a la capacidad de microorganismos electroquímicamente activos de transferir electrones metabólicos extracelularmente a un aceptor no soluble (e.g., electrodos). De esta forma, en un reactor bioelectroquímico (BER), el metabolismo de respiración de los microorganismos cambia, y no requieren aireación directa. A pesar de esto, la utilización de BERs combinados con sistemas de filtración de alta adsorción y con propiedades capacitivas como el carbón activado, no ha sido estudiado para el tratamiento directo de aguas grises. Este trabajo estudió el tratamiento de aguas grises sintéticas usando un nuevo BER (4L de capacidad de tratamiento, en duplicado (n=2)) con un diseño escalable y soporte de gránulos de carbón activado (GAC). El rendimiento del BER (i.e., pH, conductividad eléctrica, turbidez y demanda química de oxígeno disuelta de salida (DQOs)) es comparado con un biofiltro de GAC aireado equivalente (BF, n=2). Los reactores fueron operados por 503 días, midiendo la corriente generada por el BER y estudiando el desarrollo de biopelícula mediante microscopía electrónica de barrido y conteo celular con microscopía de epifluorescencia. BERs y BFs reportaron eficiencias de remoción de DQOs estadísticamente similares, superiores al 88% (con afluentes desde 180 a 580 mg/L). Al mismo tiempo, los BERs presentaron niveles de turbiedad efluente estadísticamente similares a los de BFs en un rango de 1.6 ± 1.2 a 4.1 ± 1.2 NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Además, los BERs presentan una mayor cantidad de microrganismos sésiles en comparación con los BFs. El rendimiento eléctrico de los BERs con cátodo no aireado presentó un cambio de polarización del sistema junto a densidades de potencia promedio inestables de 44.2 ± 21.2 y 7.0 ± 7.4 mW/m³. En comparación, con cátodo aireado, las densidades de potencia promedio fueron estables con valores de 8.7 ± 1.7 y 8.2 ± 2.2 mW/m³, y con un 16% de aumento en operación de carga/descarga. Al mismo tiempo, los BERs fueron estables en la generación de corriente a pesar de no tener MO en el medio, sugiriendo que estos pueden aprovechar la MO adsorbida en los gránulos, obteniendo así una bio-regeneración de estos sin costos adicionales. En conclusión, los resultados mostraron que los BERs pueden proveer tasas de tratamiento elevadas con un consumo energético neto menor al de un biofiltro aireado convencional, operando de forma robusta y estable en el tiempo, pudiendo ofrecer un tratamiento sustentable para sistema descentralizados aprovechando la recuperación de energía directa, la señal eléctrica para monitoreo y una disminución de costos gracias a la bio-regeneración.

Key findings

• ▸The MFC system effectively removes organic matter and generates electricity from greywater.
• ▸The addition of GAC enhances the treatment efficiency and reduces the energy consumption of the system.
• ▸The proposed system is scalable and can be applied to various decentralized greywater treatment scenarios.

Keywords

Identifiers

DOI

10.7764/tesisuc/ing/66779

Journal

Unknown journal

Year

2023