Un sistema combinado de pila de combustible microbiana y filtro biológico aireado intermitentemente para autoenergía | Grupo de ánodos de titanio ICCP de Baoding

Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 18070 (2015) Citar este artículo

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La autosuficiencia energética es un objetivo muy deseable del tratamiento sostenible de aguas residuales. En este caso, se diseñó y operó un sistema combinado de una celda de combustible microbiana y un filtro biológico aireado intermitentemente (MFC-IABF) de manera autosuficiente desde el punto de vista energético. El sistema se alimentó con aguas residuales sintéticas (DQO = 1000 mg L-1) en modo continuo durante más de 3 meses a temperatura ambiente (~25 °C). La salida de voltaje se aumentó a 5 ± 0,4 V utilizando un circuito basado en condensador. El MFC produjo electricidad para alimentar los sistemas de bombeo y aireación del IABF, eliminando al mismo tiempo la DQO. El IABF que opera bajo un modo de aireación intermitente (tasa de aireación 1000 ± 80 ml h-1) eliminó los nutrientes residuales y mejoró la calidad del agua a HRT = 7,2 h. Este sistema combinado de dos etapas obtuvo un 93,9% de eliminación de SCOD y un 91,7% de eliminación de TCOD (efluente SCOD = 61 mg L-1, TCOD = 82,8 mg L-1). El análisis energético indicó que la unidad MFC produjo suficiente energía (0,27 kWh m-3) para soportar el sistema de bombeo (0,014 kWh m-3) y el sistema de aireación (0,22 kWh m-3). Estos resultados demostraron que el sistema combinado MFC-IABF podría funcionar de manera autosuficiente desde el punto de vista energético, lo que daría como resultado un efluente de alta calidad.

La crisis energética y la contaminación ambiental son dos grandes desafíos que enfrenta el mundo hoy. La pila de combustible microbiana (MFC) es una tecnología incipiente pero prometedora para ayudar a abordar parcialmente estos desafíos1. Se ha estudiado ampliamente en exoelectrógenos2, materiales de electrodos3, configuraciones de reactores4, etc. Una función principal de la tecnología MFC es el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, los problemas relacionados con la calidad de los efluentes de los MFC aún no se han abordado suficientemente. El MFC por sí solo puede no ser una vía factible para cumplir con los estrictos requisitos de calidad del efluente, por lo que se requiere otro paso, como la integración del MFC con la tecnología de membrana5 o la tecnología de tratamiento convencional6 para purificar aún más el efluente tratado. Además, la generación directa de electricidad es una característica integral de MFC. Se sabe que los sistemas MFC típicos generan energía a nivel de milivatios (mW), dependiendo de las características del afluente, la configuración del reactor y los parámetros operativos. Esta producción de energía baja e inestable ha sido un gran obstáculo para evitar que MFC, como fuente de energía renovable, acceda a la red eléctrica, que se encuentra en el nivel de kW o MW de capacidad instalada en la generación de energía convencional. Por eso, la falta de una rendición de cuentas adecuada sobre la generación de electricidad ha atraído más atención en los últimos años.

Se propuso una posible estrategia basada en la utilización in situ de la electricidad generada para un proceso de tratamiento de aguas residuales energéticamente autosuficiente con un sistema combinado basado en MFC7. La energía potencial almacenada en las diferentes aguas residuales es variable, oscilando entre 4,92 ~ 7,97 kWh kgDQO–1, lo que supera los requerimientos energéticos de su tratamiento8. Por lo tanto, sería interesante si un sistema basado en MFC ofreciera la posibilidad de generar suficiente energía para un proceso de tratamiento de aguas residuales autosuficiente. En el pasado, se ha demostrado teóricamente un equilibrio energético neutro o positivo en el proceso de tratamiento de aguas residuales en muchos reactores, como el biorreactor electroquímico de membrana9, el reactor bioelectroquímico de membrana10 y el biorreactor de membrana de lecho fluidizado anaeróbico y de pila de combustible microbiana de dos etapas11. Sin embargo, no ha habido operación real de un sistema combinado basado en MFC y autosuficiente desde el punto de vista energético para el tratamiento de aguas residuales.

Para lograr un proceso de tratamiento de aguas residuales autosuficiente desde el punto de vista energético con un sistema combinado basado en MFC, se necesitan métodos eficaces para aumentar el voltaje del MFC. En el pasado se han utilizado diferentes enfoques para aumentar los voltajes de MFC. Esto incluye conectar múltiples MFC en serie o usar un convertidor DC-DC12. El otro método en la aplicación es el apilamiento en serie de MFC, aunque se ha demostrado que esto no es efectivo para aumentar el voltaje debido a la inversión de voltaje, lo que puede provocar fallas en todo el sistema13. Se demostró que el convertidor CC-CC aumenta eficazmente el voltaje del MFC, pero también tenía limitaciones debido a un circuito complicado y una pérdida sustancial de energía en el sistema de refuerzo dual. Sin embargo, un enfoque alternativo consistente en utilizar un circuito basado en condensadores resultó útil para aumentar la electricidad14. Con este método, la energía eléctrica primero se recogía en condensadores y luego se distribuía de forma intermitente con una salida de alto voltaje. Los condensadores se cargaron en paralelo y se descargaron en serie utilizando múltiples MFC, mejorando la salida de voltaje con una pérdida de energía insignificante12.

Desde el punto de vista de la ingeniería, convertir el tratamiento de aguas residuales en un proceso energéticamente autosuficiente y cumplir con los estrictos estándares de descarga de efluentes es muy deseable, pero también un gran desafío. Afortunadamente, estudios previos que utilizan circuitos basados en condensadores para aumentar el voltaje del MFC y sistemas combinados basados en MFC para pulir el efluente han brindado nuevas oportunidades. Este estudio se centra en un concepto innovador propuesto para la utilización in situ de la electricidad generada para lograr un proceso de tratamiento de aguas residuales energéticamente autosuficiente utilizando un sistema combinado de MFC y filtro biológico aireado intermitentemente (IABF). MFC fue diseñado y operado para la eliminación de DQO y también para la generación de electricidad para impulsar el bombeo y la aireación del IABF para un tratamiento profundo que produzca efluentes de alta calidad. También se analizó el balance energético en términos de producción y consumo de energía en el innovador sistema combinado.

Los potenciales de los electrodos fueron monitoreados durante todo el experimento para investigar el desempeño del sistema de generación de electricidad en un circuito basado en capacitores. La salida de voltaje de MFC cambió con una tendencia similar en diferentes ciclos de carga y descarga (Fig. 1a y Fig. S1). Durante el ciclo de carga, cuando se conectó el MFC a los condensadores, el voltaje del MFC disminuyó rápidamente a 100 ± 5 mV y luego aumentó gradualmente a 400 ± 10 mV. Cuando estaba completamente cargado, el MFC funcionó en modo de circuito abierto y produjo un voltaje más alto de 450 ± 5 mV. El potencial del ánodo disminuyó drásticamente de −50 ± 5 mV a −350 ± 10 mV con el aumento de la salida de voltaje, mientras que el potencial del cátodo permaneció casi constante (50 ± 18 mV) (Fig. 1b). Esto sugiere que el cambio de voltaje se atribuyó a la variación del potencial anódico. De hecho, esta variación periódica del potencial del ánodo indicó que los microorganismos del ánodo mostraron un rendimiento bien adaptado al cambio drástico de corriente. Y el potencial casi constante del cátodo estaba relacionado con la alta actividad catalítica y conductividad del cátodo fabricado con carbón activado y politetrafluoroetileno (PTFE)15.

Curva de voltaje (a), potenciales de ánodo y cátodo (b) de MFC durante 6 ciclos de carga y descarga. Se informaron los potenciales de los electrodos frente al electrodo de referencia Ag/AgCl (+197 mV frente a un electrodo de hidrógeno estándar).

El efecto del circuito basado en condensadores sobre el aumento de CE parecía ser relativamente obvio. Las CE basadas en SCOD fueron del 40 ± 2 % en condiciones de flujo continuo usando un circuito basado en capacitores y del 35 ± 2 % cuando los MFC se conectaron con resistencias de 10 Ω. El valor CE más alto reflejó una mayor eficiencia de recuperación de electrones al conectar el reactor MFC con un capacitor que con una resistencia. Se especuló que con un circuito basado en capacitores, se podría lograr un estado transitorio (la corriente cambiaba continuamente) debido a procesos repetidos de carga y descarga, en comparación con el estado estacionario (la corriente permanecía relativamente estable) cuando el reactor MFC estaba conectado con un resistencia externa. En estado estacionario, la corriente estaba limitada por la transferencia de masa de exoelectrógenos al ánodo14. Esta limitación de la transferencia de masa podría reducirse logrando un estado transitorio que podría poner la proximidad de la capa límite al electrodo en los cambios dinámicos, lo que en consecuencia daría como resultado una mayor producción de electrones16. Además, se podría lograr un mayor potencial del ánodo después del proceso de descarga (ya que el ánodo está conectado directamente a la placa del capacitor) y así promover que los exoelectrógenos produzcan más electrones.

La densidad de potencia producida por los MFC cambió ligeramente con el tiempo. Las densidades de potencia máxima de cada celda disminuyeron ligeramente a 412 mW m-2 (MFC-1) y 407 mW m-2 (MFC-2) después de 5 meses en comparación con los datos obtenidos después de 2 meses (430 mW m-2, MFC -1; 427 mW m-2, MFC-2) (Fig. 2a). Los potenciales del cátodo fueron ligeramente más bajos después de tres meses de operación, mientras que los potenciales del ánodo no tuvieron cambios obvios (Fig. 2b). La razón principal de la disminución en la generación de energía podría atribuirse al ligero deterioro del rendimiento del cátodo. Estas densidades de potencia máximas de los MFC en flujo continuo fueron inferiores a las obtenidas previamente en pruebas preliminares cuando los dos MFC se operaron en modo por lotes (518 mW m-2, MFC-1; 520 mW m-2, MFC-2). . Por otro lado, la disminución en la producción de potencia podría estar asociada a la penetración de oxígeno disuelto a la cámara del ánodo.

Densidad de potencia, potenciales de ánodo y cátodo a lo largo del tiempo de los MFC: (a) producción de densidad de potencia de MFC-1, MFC-2 a los 2 y 5 meses; (b) potenciales de ánodo y cátodo de MFC-1, MFC-2 a los 2 meses y 5 meses. Las letras "AP" y "CP" en (b) representan el potencial anódico y el potencial catódico. Todos los potenciales de los electrodos se informaron frente al electrodo de referencia Ag/AgCl (+197 mV frente a un electrodo de hidrógeno estándar).

El sistema MFC-IABF mostró un excelente rendimiento de tratamiento en términos de DQO efluente. El IABF se inoculó por primera vez con lodos activados obtenidos de la planta de tratamiento de aguas residuales de Wenchang (Harbin, China). Algunas características del lodo fueron las siguientes: volumen sedimentado (SV) 24%, sólidos suspendidos del licor de mezcla (MLSS) 2.3 g L-1 e índice de volumen de lodo (SVI) 104 mL g-1. Después de la inoculación, el IABF primero se hizo funcionar en modo discontinuo durante 7 días sin retrolavado y luego se pasó a funcionamiento continuo alimentado con el efluente del reactor MFC durante 20 días. Durante el período de inoculación y arranque, el ciclo de operación del aireador se fijó en 6 min incluyendo una fase de aireación de 1 min y una fase de reposo de 5 min (relación aire-líquido de 12). Después de un mes de formación de biopelículas y aclimatación al efluente del reactor MFC, el sistema IABF logró un buen rendimiento en términos de DQO del efluente (Fig. S2).

El reactor MFC eliminó una gran cantidad de SCOD (83,8%) con concentraciones de SCOD en el efluente de 162,2 mg L-1. El IABF logró una eliminación adicional de SCOD del 10,0 % y el efluente de SCOD del IABF alcanzó 61 mg L-1 (Fig. 3). El TCOD del afluente disminuyó de 1000 mg L-1 a 217,6 mg L-1 después del tratamiento con MFC y posteriormente a 82,8 mg L-1 en el efluente del IABF, lo que proporcionó una eliminación general de TCOD para el sistema combinado del 91,7 % (78,2 % para el MFC). reactor, 13,4% para el IABF) (Fig. 3). Las etapas MFC e IABF lograron un rendimiento diferente en términos de tasa de degradación del sustrato (SDR). Los DEG fueron 0,26 kg DQO m-3 d-1 para el MFC de primera etapa y 0,45 kg DQO m-3 d-1 para el IABF de segunda etapa, con un DEG total para el sistema combinado de 0,28 kg DQO m-3 d-1 −1. La tasa de degradación del sustrato relativamente más rápida reflejó una mayor eficiencia del IABF en la eliminación total de DQO. Este rendimiento del tratamiento de aguas residuales podría mejorarse aún más optimizando el diseño del reactor y las condiciones operativas, incluido el aumento de la relación volumétrica de MFC, el aumento de HRT en IABF (Tabla S1) y la optimización del tiempo de carga y descarga.

Rendimiento del tratamiento de aguas residuales del sistema combinado MFC-IABF.

El valor dentro de la figura era la tasa de eliminación en términos de SCOD y TCOD (DQO afluente = 1000 mg/L).

Es vital tener en cuenta que el proceso de lodos activados convencional representa una de las operaciones que consumen más energía, ya que consume entre el 3% y el 5% de la carga total de energía eléctrica en los países desarrollados. Mientras tanto, el tratamiento y eliminación de lodos de depuradora plantean un grave desafío para las plantas de tratamiento de aguas residuales de todo el mundo17. Una ventaja notable del sistema combinado MFC-IABF frente al proceso de lodos activados convencional fue su alta tasa de eliminación de DQO. La eficiencia del tratamiento de DQO en el sistema combinado MFC-IABF alcanzó más del 90%, mientras que el valor correspondiente para el proceso de lodos activados convencional fue relativamente menor, lo que sugiere la viabilidad del sistema combinado como función de tratamiento de aguas residuales. Otra ventaja importante del sistema combinado es el bajo rendimiento de lodos, mucho menor que el del proceso de lodos activados convencional. Vale la pena señalar que la producción de lodos en este sistema combinado se redujo en un 25% con un rendimiento de lodos de 0,25 kgVSS kgCODremoved-1. Esta reducción adicional de lodos equivale a unos 0,07 kgVSS m-3 d-1 utilizando el sistema combinado (información detallada y cálculos en el SI), lo que podría resultar muy costoso en términos de tratamiento y eliminación. Además, se ha descubierto que el proceso de tratamiento aeróbico en IABF es relativamente eficaz en términos de tiempo de detención corto y efluente de alta calidad, en comparación con la tecnología de membranas de alto costo.

Una aireación adecuada en el reactor IABF es esencial para alcanzar el nivel deseado de tratamiento, ya que la bioactividad microbiana dentro del reactor estuvo marcadamente influenciada por la concentración de oxígeno disuelto (OD)18. La concentración de OD disminuyó de 4,2 mg L-1 a 1,3 mg L-1 durante cada ciclo de cambio y descarga (Fig. 4), lo que resultó del modo de aireación intermitente (tasa de aireación de 1000 ± 80 ml h-1). La concentración de OD fluctuó alrededor de 2,7 mg L-1 en comparación con 2 mg L-1 en el proceso de tratamiento aeróbico convencional, una indicación de que esto no podría conducir a un cambio significativo en la eliminación de DQO19,20. Este reactor IABF operó en conjunto con MFC durante más de 3 meses sin ningún retrolavado. Es probable que esto sea una combinación de factores que incluyen un reactor a pequeña escala, el uso de fibra de carbono como medio21, aireación intermitente22 y un ciclo operativo corto. El uso de MFC como proceso de tratamiento primario podría contribuir a este desempeño estable del IABF debido a la eliminación de DQO y SST en MFC. Un bajo rendimiento de lodo de MFC también condujo a la operación estable del fundente a través de IABF sin retrolavado, ya que es un proceso que consume mucha energía.

Cambios de concentración de OD en el fondo del reactor IABF en un ciclo de carga (5 min) y descarga (1 min).

El primer punto se midió después de que el circuito basado en condensador finalizó el proceso de descarga de un minuto. Los siguientes cinco puntos se midieron durante un proceso de carga de cinco minutos (intervalo de un minuto).

Todas las densidades de energía volumétrica se expresaron sobre la base de la normalización a 1 m3 de afluente. En este sistema MFC-IABF de dos etapas, el consumo de energía se debió principalmente al bombeo (alimentación al reactor MFC) y a la aireación en el sistema IABF. La energía eléctrica producida por MFC se calculó en 0,27 kWh m-3 mediante la fórmula (3). Una gran fracción de la energía total (0,22 kWh m-3) se consumió para la aireación en IABF. El consumo de energía del bombeo fue de 0,014 kWhm-3, una pequeña fracción del consumo total de energía, que podría ser insignificante en comparación con el requerimiento de energía para la aireación. Sin embargo, la pérdida de energía eléctrica ocupó el 13,3% (0,036 kWh m-3) del consumo total de energía y se presume que ocurre cuando la entrada de voltaje disminuyó por debajo del voltaje mínimo de trabajo de la bomba y el aireador (1,5 V para el aireador y 3 V para la bomba). . Vale la pena señalar que en esta investigación se asumieron eficiencias de conversión de energía del 4% para la bomba y del 3% para el aireador (información detallada y cálculos en el SI). El balance de energía en la Tabla 1 se estableció con base en el valor η supuesto.

La energía eléctrica se asignó a la bomba o aireador dependiendo del cambio de nivel de líquido en el tanque de cabeza controlado por un interruptor de flotador (FBS-70S-531A, Zetian Corporation, China). Cuando el nivel del líquido cayó 1 mm por debajo de la altura del interruptor instalado, los condensadores se descargaron a través de la bomba. En consecuencia, cuando el nivel del líquido aumentó en el tanque principal hasta la altura del interruptor instalado, los capacitores se descargaron a través del aireador (Fig. S3). En los dos ciclos de descarga consecutivos (definidos como etapa 1 y etapa 2), la salida de voltaje del circuito basado en capacitor permaneció en 5 ± 0,4 V, que se aplicó a la bomba en la etapa 1 (duró 1-2 s) para mantener un caudal de 2 L d-1. En la etapa 2, el aireador consumió primero energía eléctrica antes de que el voltaje cayera por debajo de 1,5 V (duró entre 10 y 15 s) (Fig. S4). El corto tiempo de aireación fue suficiente para obtener una tasa de aireación de 1000 ± 80 mL h-1. Después de eso, la energía eléctrica restante se liberó en forma de calor y el relé cambió el modo de descarga de alimentar el aireador a la bomba debido a la caída en el nivel del líquido en el tanque principal (ver video para bombeo y aireación).

La estimación del consumo de energía en el balance energético era compleja. El factor principal η en las fórmulas (4) y (5) refleja la eficiencia de conversión de energía eléctrica en energía de bombeo o aireación, lo que tiene un impacto importante en el análisis del balance energético. Es necesario tener en cuenta las eficiencias del motor eléctrico para accionar la bomba axial, el impulsor de la bomba y el inversor cuando se asumió la eficiencia de conversión general de la bomba para el cálculo del consumo de energía. Hasta el momento, existen pocas investigaciones que tengan en cuenta la eficiencia de conversión de energía η al estimar el consumo de energía (Tabla 2). El consumo de energía típico en estos sistemas surge del sistema de bombeo, que consta de tres partes: alimentación del afluente, permeado y recirculación del electrolito. Las eficiencias de conversión de energía de estas bombas variaron entre 60 y 100 % según el análisis teórico combinado con la experiencia práctica de ingeniería de estas bombas de CA más grandes. Sin embargo, la pequeña bomba de CC y el aireador de esta investigación fueron menos eficientes en comparación con la bomba y el aireador de CA más grandes7 debido a la combinación de factores que incluyen la fluctuación del voltaje de entrada, una mayor altura de la bomba (0,2 m) y la resistencia de la tubería. El efecto principal de η estimado de manera inexacta podría resultar en energía de bombeo y aireación imprecisas y eventualmente impedir un análisis preciso del balance energético. Tomando como ejemplo el cálculo del consumo de energía de aireación, suponiendo una eficiencia de conversión de energía para el aireador del 4% en comparación con el valor del 3%, el requerimiento total de energía eléctrica para la aireación podría ser de 0,165 kWh m-3. Este pequeño aumento del 1% en la eficiencia de conversión de energía podría representar una disminución del 20,4% en la proporción del consumo de aireación en el consumo total de energía. Por lo tanto, la estimación del consumo de energía en el análisis del balance energético es necesaria para estudios posteriores y análisis en profundidad de todo el sistema.

En el presente estudio, se construyó un sistema combinado MFC-IABF y se operó con éxito de manera autosuficiente desde el punto de vista energético a temperatura ambiente. La carga total de la tasa de degradación del sustrato (SDR) del sistema combinado fue de 0,28 kg DQO m-3 d-1 (0,26 kg DQO m-3 d-1 para el MFC de primera etapa y 0,45 kg DQO m-3 d-1 para IABF de segunda etapa. La energía eléctrica producida por MFC (0,27 kWh m-3) se utilizó con éxito para alimentar el sistema de bombeo (0,014 kWh m-3) y el sistema de aireación (0,22 kWh m-3). Estos resultados demuestran que: ( 1) La tecnología MFC puede recolectar la energía reservada en las aguas residuales para realizar el proceso de tratamiento de aguas residuales con cero aporte de energía; (2) Se puede obtener un mejor rendimiento del tratamiento de aguas residuales en un sistema combinado basado en MFC, en comparación con el avance de la tecnología MFC sola. Una vez demostrada la viabilidad del sistema combinado, será necesario trabajar adicionalmente para conseguir más ventajas funcionales, como la nitrificación, desnitrificación o la recuperación de fosfato en MFC o IABF, así como una distribución más eficaz de la energía entre la bomba y el aireador para permitir un sistema sostenible. funcionamiento de dicho sistema combinado.

El sistema combinado MFC-IABF constaba de un MFC y un IABF conectados hidráulicamente (Fig. 5). El MFC contenía dos filas de ánodos de escobillas conectados entre sí externamente con alambre de cobre y dos piezas de cátodos rodantes. Los ánodos eran cepillos de fibra de carbono con un núcleo de alambre de titanio (4 cm de diámetro por 20 cm de largo, área de superficie de 2,41 m2) que se trataron térmicamente a 450 °C durante 30 minutos antes de su uso. Los cátodos (30 × 20 cm, área de superficie del cátodo = 600 cm2) se fabricaron mediante el método de "prensa rodante" utilizando carbón activado y PTFE23. Este MFC se colocó en una caja rectangular (40 × 10 × 20 cm), con un volumen efectivo de 6 L (Fig. S5 y Fig. 5a). El reactor IABF (10 cm de diámetro interior, 20 cm de altura) estaba hecho de plexiglás y lleno de escobillas de carbón que se utilizaron como material filtrante, con un volumen efectivo de 600 ml. Se ubicó un difusor de aire (10 cm de diámetro exterior, Xiangsu Corporation, China) en la parte inferior del reactor para inyectar aire. Para soportar el medio filtrante y garantizar un suministro de aire bien distribuido, se colocó una placa de distribución de gas porosa (10 cm de diámetro exterior, tamaño de poro 3 mm) encima del difusor de aire. El efluente de MFC fluyó hacia abajo a través del reactor IABF y el aireador (SC3301PM, Lichang Corporation, China) (Tabla S2 y Fig. S6) funcionó de manera intermitente para inyectar aire hacia arriba.

Diagrama esquemático de: (a) el reactor MFC, (b) el sistema combinado MFC-IABF de dos etapas. Los triángulos verdes indicaron los puntos de muestreo de los reactores MFC e IABF para análisis de calidad de líquidos. Las líneas azules y blancas indicaron las direcciones del flujo de líquido y aire.

El reactor MFC se inoculó con el efluente de un MFC existente que funcionaba a temperatura ambiente. Durante los primeros dos meses, los dos MFC independientes (MFC-1 y MFC-2 en la Fig. 5a) se aclimataron primero a una resistencia externa de 500 Ω y luego la resistencia externa cambió constantemente a 10 Ω para maximizar la generación de energía. El medio contenía glucosa (1 g L-1) en una solución tampón de fosfato (PBS) 50 mM y también contenía oligoelementos y vitaminas como se describió anteriormente24.

Se cambiaron dos MFC a una conexión paralela para cargar los condensadores cuando se combinan con IABF. Se usó una bomba de CC (Mini260, Aoqi Corporation, China) (Tabla S2 y Fig. S6) para transportar el afluente desde un contenedor a un tanque de cabeza colocado a 20 cm por encima del contenedor y luego fluyó desde el tanque de cabeza a través de un flujo de líquido. metro (LZB-2, Flowtech Corporation, China) en la parte superior izquierda del reactor MFC debido a la presión hidráulica. Luego, el efluente de la parte inferior derecha del reactor MFC fluyó hacia la parte superior del reactor IABF aguas abajo, debido a la presión hidráulica (Fig. 5b). Las muestras de efluentes del reactor MFC y del reactor IABF para análisis de DQO se tomaron cada 10 días durante los tres meses de operación.

Se utilizó un circuito basado en condensadores para recolectar energía eléctrica del reactor MFC (Fig. S7). El circuito estuvo compuesto por capacitores (3.3 F, Panasonic Corporation, Japón) y relés controlados por un microcontrolador programable (XD-J16H, Xunda Corporation, China). Los MFC cargaron los capacitores (5 min, proceso óptimo en la Fig. S8) en paralelo y cargaron los capacitores conectados en serie para alimentar la bomba y el aireador (1 min).

La DQO total (TCOD) y la DQO soluble (SCOD) se midieron utilizando métodos estándar. Las muestras para la medición de SCOD se filtraron primero a través de filtros de jeringa con un diámetro de poro de 0,45 µm. La concentración de oxígeno disuelto se midió con un medidor de OD (en Lab Oxi730, WTW, Alemania).

Los voltajes a través del MFC se registraron utilizando un sistema de adquisición de datos PISO-813 (32 Channel ICP DAS Co., Ltd.). Las curvas de polarización y potencia se obtuvieron cambiando la resistencia externa de circuito abierto a 2,7 Ω en condiciones de flujo continuo.

Los condensadores se cargaron y descargaron cíclicamente desde un potencial de descarga (Vd) hasta un potencial de carga (Vc).

La calidad de la carga (Q) recolectada en un ciclo de carga se puede calcular con la siguiente fórmula (1).

Donde C representa la capacitancia (3,3 F) y 32 representa el número de condensadores conectados en paralelo.

La eficiencia coulómbica (CE) se calculó basándose en la eliminación de SCOD en MFC mediante la fórmula (2)25.

Donde Cth representa la carga total disponible según el consumo de sustrato.

La energía (Wc) obtenida del MFC en un único ciclo de carga se calculó utilizando la fórmula (3)26.

El consumo de energía eléctrica de la bomba se estimó mediante la fórmula (4)27.

Donde representa el consumo de energía eléctrica de la bomba (kW), Q es el caudal de entrada (m3 s-1), E es la altura de presión hidráulica (m), η es la eficiencia de conversión de energía de la bomba. En este estudio, Q fue 2,3 × 10-8 m3 s-1 (1,39 ml min-1) para el caudal del afluente. La altura de presión hidráulica era de 0,2 m.

El consumo de energía eléctrica del aireador se estimó mediante la fórmula (5)28.

Donde representa el consumo de energía eléctrica del aireador (kW), w en peso del flujo de aire (kg s-1), R = constante de gas, 8.314 kJ kmol-1 K-1, T = temperatura absoluta del aire de entrada (298 K), n = constante para aire o 0,283, η = eficiencia del aireador, P2 y P1 son la presión absoluta de salida y entrada (atm), respectivamente.

Cómo citar este artículo: Dong, Y. et al. Un sistema combinado de pila de combustible microbiana y filtro biológico aireado intermitentemente para el tratamiento de aguas residuales energéticamente autosuficiente. Ciencia. Rep. 5, 18070; doi: 10.1038/srep18070 (2015).

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Este trabajo fue apoyado por el Laboratorio Estatal Clave de Recursos Hídricos Urbanos y Medio Ambiente, Instituto de Tecnología de Harbin (Subvención No. 2013DX08) y por el Fondo Nacional de Ciencias Naturales para Jóvenes Académicos Distinguidos (Subvención No. 51125033) y el Fondo Nacional de Ciencias Naturales de China ( Subvención N° 51209061 y 51135033). Los autores también agradecen el apoyo del proyecto de colaboración internacional entre China y Canadá (2011DFG93360).

Laboratorio Estatal Clave de Recursos Hídricos Urbanos y Medio Ambiente, Instituto de Tecnología de Harbin, No 73 Huanghe Road, Distrito de Nangang, 150090, Harbin, China

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

Escuela de Tecnología y Ciencias de la Vida, Instituto de Tecnología de Harbin, No. 2 Yikuang Street, Nangang District, 150080, Harbin, China

Youpeng Qu

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YD llevó a cabo los experimentos, analizó los datos y escribió el manuscrito principal; YPQ diseñó los experimentos, analizó los datos y escribió el manuscrito; YD y XTZ llevaron a cabo experimentos; YJF y JL analizaron los datos y discutieron la idea científica. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Dong, Y., Feng, Y., Qu, Y. et al. Un sistema combinado de pila de combustible microbiana y filtro biológico aireado intermitentemente para el tratamiento de aguas residuales energéticamente autosuficiente. Representante científico 5, 18070 (2015). https://doi.org/10.1038/srep18070

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Recibido: 12 de agosto de 2015

Aceptado: 05 de noviembre de 2015

Publicado: 15 de diciembre de 2015

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

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