Роман Я | Наньнин Павлин Прайд, ООО

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15744 (2015) Цитировать эту статью

3815 Доступов

42 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Обычные технологии очистки сточных вод потребляют большое количество энергии, в то время как богатая химическая энергия и питательные ресурсы, содержащиеся в сточных водах, тратятся впустую в таких процессах очистки. Микробная ячейка восстановления питательных веществ (MNRC) была разработана для использования энергии, содержащейся в сточных водах, для одновременной очистки сточных вод и восстановления ионов питательных веществ. Когда сточные воды циркулировали между анодной и катодной камерами MNRC, органика (ХПК) удалялась бактериями, а аммоний и фосфат (NH4+-N и PO43--P) восстанавливались с помощью электрического поля, которое создавалось с использованием энергии на месте. в сточных водах без дополнительных энергозатрат. Эффективность удаления из сточных вод составила >82% для ХПК, >96% для NH4+-N и >64% для PO43--P во всех рабочих циклах. При этом концентрации NH4+ и PO43− в камере регенерации увеличились более чем в 1,5 и 2,2 раза соответственно по сравнению с исходными концентрациями в сточных водах. MNRC обеспечивает подтверждение концепции устойчивого, самостоятельного подхода к эффективной очистке сточных вод и восстановлению питательных веществ в комплексной биоэлектрохимической системе.

Глобальная нехватка воды и кризисы ресурсов, вызванные демографическим взрывом, стали важнейшими проблемами для развития человеческого общества на протяжении нескольких десятилетий. Исследователи сосредоточились на изучении новых источников воды, энергии и питательных веществ; однако повторное использование воды и извлечение ресурсов и энергии из сточных вод еще более важны и устойчивы, поскольку сточные воды содержат большое количество питательных веществ и химической энергии, а также являются водными ресурсами, пригодными для повторного использования1. Традиционная очистка сточных вод в основном сосредоточена на очистке, а не на восстановлении ресурсов. Наиболее часто используемый процесс, аэробный/бескислородный/аэробный (А2О) процесс, в основном используется для удаления ХПК и питательных веществ, но не для их восстановления. Таким образом, традиционные технологии очистки тратят впустую питательные вещества и химическую энергию, содержащиеся в сточных водах, одновременно потребляя большое количество электроэнергии в процессе аэрации. Исследователи приложили большие усилия для изучения возможных технологий в попытках восстановить ресурсы и энергию, содержащиеся в сточных водах. Сообщалось, что адсорбция с использованием нескольких видов сорбентов позволяет отделить фосфаты из сточных вод2. Ионный обмен, действующий как обратимый процесс, может быть использован для восстановления как аммония, так и фосфата3,4. Распространенным и практичным подходом является одновременное извлечение аммония и фосфата в виде струвита из резервуаров для разложения осадка, где фосфор высвобождается в щелок из обогащенных фосфором твердых биологических веществ, сбрасываемых с городских очистных сооружений5,6,7. Обогащение фосфора из сточных вод в активный ил может быть достигнуто группой полифосфатаккумулирующих организмов (ПАО) посредством чередования анаэробных и аэробных условий. Однако этот процесс биологического обогащения обычно связан с потреблением энергии. Поэтому было бы важно, если бы питательное вещество можно было экономически эффективно и напрямую извлекать из сточных вод без дополнительных затрат энергии.

Биоэлектрохимические системы (БЭС) — это новая технология очистки сточных вод, которая может окислять вещества в сточных водах и одновременно генерировать электричество или производить ценные соединения с использованием биоэлектрически активных бактерий8,9,10,11,12,13. Типичные BES включают микробные топливные элементы (MFC), которые генерируют электричество14,15,16,17,18, микробные электролизные ячейки (MEC), которые производят водород19,20,21 и микробные опресняющие ячейки (MDC), которые опресняют солоноватую воду с использованием пар катионов и анионообменные мембраны22,23,24,25,26. Появление MDC представляет собой новую область использования электроэнергии, получаемой из энергии сточных вод, для реализации прямой миграции заряженных ионов и, таким образом, опреснения воды. Это выявило возможность того, что питательные вещества в ионных формах в сточных водах также могут проходить через мембраны внутри BES. Несколько исследований удаления питательных веществ с помощью BES показали потенциал этого применения27. BES, основанные на конфигурации MEC, которая обеспечивает удаление питательных веществ за счет производства водорода, показали отличную эффективность удаления при подаче соответствующего внешнего напряжения28,29,30. Недавно описанный подход, получивший название R2-BES, пытается извлечь питательные вещества из сточных вод31. Аммоний мигрировал из сточных вод под действием биоэлектричества, а фосфаты заменялись гидроксилами, образующимися в катодной реакции. R2-BES может достичь желаемого результата при подаче соответствующего внешнего напряжения.

90% for COD, >97% for NH4+-N and >64% for PO43−-P in each experiment (Fig. 2B). These results confirm that synthetic wastewater could be well purified in the MNRC when the initial concentrations of recovery solutions varied within a certain range. However, removal performance still showed disparities among the three recovery solution concentrations. The highest removals of COD (92%), NH4+-N (99%) and PO43−-P (71%) were simultaneously achieved with recovery solution containing 164 mg/L NaCl. In that experiment, COD was reduced from 369 mg/L to 30 mg/L, NH4+-N was reduced from 23.8 mg/L to 0.3 mg/L and PO43−-P was reduced from 6.4 mg/L to 1.8 mg/L. The differing removal results for different recovery solution concentrations might be caused by a balance between the MNRC internal resistance and ion diffusions in the recovery chamber. When the concentration of the recovery solution was increased, the conductivity was higher, leading to lower internal resistance and higher current production. However, with more concentrated recovery solution, the diffusion of Na+ and Cl− from recovery chamber to electrode chambers would be reinforced, resulting in an opposed current flow and thus a detrimental effect on the overall current production. Therefore, the concentration of recovery solution could be optimized to obtain the maximum current, which would lead to optimal contaminant removal efficiency. The concentrations of Na+ and Cl− in the 164 mg/L NaCl recovery solution were similar to those in the synthetic wastewater and thus the undesired diffusion of ions could be minimized and the highest COD, NH4+-N and PO43−-P removals were achieved./p>

82%, >96% and >64%, respectively, in all the 10 operational cycles during the two concentrating tests (Fig. 3B). This indicates that the continuous recovery of NH4+-Ns and PO43−-Ps in the recovery solution facilitated steady removal from the synthetic wastewater. The average total removal quantity of PO43−-P in the two concentrating tests was 1.9 ± 0.1 mg, with total recovery of 1.2 ± 0.1 mg. This result shows that approximately 63% of the removed PO43−-P was recovered in the recovery solution. The removal performance of NH4+-N remained high throughout the concentrating tests (Fig. 3B). The average total removal and recovery quantities of NH4+-N in the two concentrating tests were 11.6 ± 0.1 mg and 2.8 ± 0.1 mg. This indicates that the NH4+-N that diffused into the recovery solution, driven by the electrical field, only accounted for 24% of the total removed quantity, whereas more than three quarters of the NH4+-N was removed by other paths. Anion-exchange chromatography showed that concentrations of NO3− and NO2− were below detectable limits and therefore the presence of these ions could not be confirmed. The result of abiotic control shows that, the concentrations of NH4+-N and PO43−-P in the wastewater effluent were nearly the same as that in the initial wastewater (Supporting Information, Fig. S2). In contrast, the result of open circuit control experiment shows that, even without current production, about 60% of NH4+-N and 16% of PO43−-P were removed. It was probably via bio-uptake of microorganisms in the electrode chambers and circulation tubes of MNRC, physical adsorption, chemical precipitation, or membrane fouling, etc. In addition, the nitrification and denitrification might take place in the cathode chamber and thus result in the loss of the nitrogen. The overall mass balances and mechanisms in nutrient removal will be further investigated in the future to illustrate the path to improve the performance of this system./p> PO43− > SO42− under the conditions used in this experiment. H+ was considered to balance the electrical charge and its concentration changes are not discussed further here. After 120 h the total recovered quantities of those ions were 6.04 mM Na+, 2.70 mM NH4+, 1.35 mM H+, 8.06 mM Cl−, 0.52 mM PO43− and 0.49 mM SO42− in the recovery solution. The increments of Na+ and Cl− at 120 h were 5.1 and 4.9 times those in the first 24 h, demonstrating that these two ions maintained a steady rate of migration from synthetic wastewater to the recovery solution throughout the concentrating test. However, the final concentrations of NH4+, PO43− and SO42− were 3.5, 2.5 and 1.9 times those in the first operational cycle, which indicates that the migration rates of those ions decreased in the latter part of the concentrating test. The molar conductivity, radius, mobility and concentration of each ion, in combination with the electrical field intensity and exchange selectivity of membrane, were factors affecting migration processes in the solutions and across the membranes32,33. Further studies will be conducted to better understand the competitive migration characteristics. It should be mentioned that ion recovery quantities were less than removal quantities for all types of ions examined in the MNRC, with losses of: 11% Na+, 77% NH4+, 42% Cl−, 27% PO43− and 51% SO42−. Those ion losses might be due to bio-uptake, adsorption, precipitation, membrane fouling, or measurement error, etc. The mechanisms of the ion losses will be further investigated in the future./p>80%) and HPO42− (<20%) in the solutions in this study. Thus, 1.2 was assumed as the average electric charge of PO43−-P ions for calculation and estimation, although this might introduce some errors./p>