Elektrokemiskt och Bioelectrochemically Inducerad Ammonium Återhämtning
Summary
We demonstrate the extraction of ammonium from an ammonium-rich stream using an electrochemical and a bioelectrochemical system. The reactor setup, operation and data analysis are discussed.
Abstract
Streams such as urine and manure can contain high levels of ammonium, which could be recovered for reuse in agriculture or chemistry. The extraction of ammonium from an ammonium-rich stream is demonstrated using an electrochemical and a bioelectrochemical system. Both systems are controlled by a potentiostat to either fix the current (for the electrochemical cell) or fix the potential of the working electrode (for the bioelectrochemical cell). In the bioelectrochemical cell, electroactive bacteria catalyze the anodic reaction, whereas in the electrochemical cell the potentiostat applies a higher voltage to produce a current. The current and consequent restoration of the charge balance across the cell allow the transport of cations, such as ammonium, across a cation exchange membrane from the anolyte to the catholyte. The high pH of the catholyte leads to formation of ammonia, which can be stripped from the medium and captured in an acid solution, thus enabling the recovery of a valuable nutrient. The flux of ammonium across the membrane is characterized at different anolyte ammonium concentrations and currents for both the abiotic and biotic reactor systems. Both systems are compared based on current and removal efficiencies for ammonium, as well as the energy input required to drive ammonium transfer across the cation exchange membrane. Finally, a comparative analysis considering key aspects such as reliability, electrode cost, and rate is made.
This video article and protocol provide the necessary information to conduct electrochemical and bioelectrochemical ammonia recovery experiments. The reactor setup for the two cases is explained, as well as the reactor operation. We elaborate on data analysis for both reactor types and on the advantages and disadvantages of bioelectrochemical and electrochemical systems.
Introduction
Återvinning av värdefulla produkter från avloppsvatten vinster betydelse som värdefulla resurser blir knappa och behandling utan återhämtning endast utgör en kostnad. Avloppsvatten innehåller både energi och näringsämnen som kan återvinnas, och näringsåtervinning kan hjälpa till att stänga produktionsslingan 1. Återvinning av energi genom rötning är en väl etablerad process, medan återvinning av näringsämnen är mindre vanligt. Återvinning av näringsämnen från avfallsströmmar flytande såsom urin och gödsel har brett undersökts, t.ex., genom produktion av struvit och direkt strippning av ammoniak 2,3. Emellertid är behovet av kemisk tillsats en Nackdelen med dessa processer 4. Här presenterar vi en teknik för återvinning av katjoniska näringsämnen från avfallsströmmar, både kalium och ammonium. Den katjoniska formen av dessa näringsämnen kan återhämtningen använder en jon selektiv membran i ett elektrokemiskt system. I detta fall den electrochemical-systemet består av en anodkammare (där oxidation äger rum), en katodkammare (där reduktion äger rum) och en jonselektiv membran för att separera avdelningarna. En spänning appliceras över cellen för att producera ett strömflöde från anod till katod. Denna spänning kan genereras av en extern strömkälla för att driva vatten oxidation och reduktionsreaktioner. Alternativt den anodiska oxidationsbehandlingen, t.ex., av organiska, kan katalyseras av elektroaktiva bakterier, som kräver mindre ström. För att stänga kretsen och upprätthålla laddningsbalans, måste en laddad migrera mellan elektrod för varje elektron som genereras. Ammonium transport från anodkammaren till katodkammaren över ett katjonbytarmembran (CEM) kan sålunda kompensera flödet av elektroner 4,5.
Tekniken som presenteras här inte bara tar bort ammonium från avfallsflöden, men gör också sin återhämtning. Total ammoniumkväve (TAN) existerar i jämvikt både ammonium (NH4 +) och ammoniak (NH3), och är beroende av pH och temperatur 6. NH 4 + finns i överflöd på grund av hög TAN koncentration och nära neutralt pH i anodkammaren och detta positivt laddade arter kan därför drivas av strömmen över CEM in i katodkammaren. Strömmen driver reduktionen av vatten vid katoden, vilket leder till produktion av hydroxidjoner och vätgas. TAN jämvikt skiftar till nästan 100% NH 3 på grund av det höga pH i katodkammaren (> 10,0). NH 3 är en gas som lätt kan överföras via luftcirkulation från strippningsenheten till absorptionskolonnen där det infångas och koncentreras i en syralösning.
Denna teknik har potential att minska ammonium toxicitet under rötning av N-rika strömmar som gödsel, vilket ökar energiåtervinning från dessa avfallsflöden, samtidigtåterhämtar näringsämnen fyra. Elektrokemisk och bioelektrokemisk extraktion av ammonium kan också appliceras som näringsämne utvinningsmetod på avfallsflöden med hög TAN innehåll såsom urin därigenom undvika kostnader för avlägsnande av näringsämnen vid en WWTP 7.
Protokollet presenteras här kan tjäna som grund för många olika elektrokemiska och bioelektrokemiska experiment, som vi använder en modulär reaktor. Olika elektrodtyper, membran och ramtjocklekar kan kombineras som förklaras i protokollet nedan. Huvudsyftet med protokollet är att ge ett medel för jämförelse av elektro ammonium återhämtning och bio-elektro ammonium återhämtning med hjälp av en elektrolys cell. Systemen utvärderas i termer av utvinning effektivitet, ineffekt och reproducerbarhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta manuskript ger de nödvändiga verktygen för att skapa en bioelektrokemisk och en elektrokemisk cell för ammonium återhämtning. De beräkningar som presenteras i avsnittet Resultaten ger parametrarna för utvärdering av systemets prestanda. De biologiska och elektrokemiska system är liknande i installationen och funktion. Den huvudsakliga skillnaden mellan de två systemen är valet av en fast ström för den elektrokemiska cellen jämfört med en fast anodpotential för bioelektrokemisk setup. Den fasta str…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the BOF grant for SG from Ghent University. AL is supported by the Rutgers University NSF Fuels-IGERT. SA is supported by the European Union Framework Programme 7 project “ProEthanol 2G.” SA and KR are supported by Ghent University Multidisciplinary Research Partnership (MRP)—Biotechnology for a sustainable economy (01 MRA 510W). JD is supported by an IOF Advanced grant (F2012/IOF-Advanced/094). KR is supported by by the ERC Starter Grant “Electrotalk”. The authors thank Tim Lacoere for designing the TOC art figure, Robin Declerck for building the strip and absorption columns and Kun Guo for providing the inoculum source.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Carbon Felt 3.18 mm Thick | Alfa Aesar | ALFA43199 | Used as bioanode, 110 mm x 110 mm |
| Ti electrode coated with Ir MMO | Magneto Special Anodes (The Netherlands) | Used as stable anode for electrochemical tests | |
| Stainless steel mesh | Solana (Belgium) | RVS 554/64: material AISI 316L, mesh width: 564 micron, wire thickness: 140 micron, mesh number: 36,6 | Used as cathode, 110 mm x 110 mm |
| Stainless steel plate | Solana (Belgium) | inox 304 sheet, thickness: 0,5mm | Used as current collector for the bioanode |
| Ag/AgCl Reference Electrode | Bio-Logic (France) | A-012167 RE-1B | |
| Potentiostat (VSP Multipotentiostat) | Bio-Logic (France) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (France) | software for performing electrochemistry measurements | |
| Cation Exchange Membrane | Membranes International (USA) | Ultrex CMI-7000 | Pretreated according to the manufacturers' instructions |
| Turbulence Promotor mesh | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark) | EPC20432-PP-2 | spacer material, 110 mm x 110 mm |
| Connectors | Serto | 1,281,161,120 | Other sizes possible, dependant on tubing type and size of holes in frames |
| Strip and absorption column | In house design | ||
| Tubing | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Gas bag | Keika Ventures | Kynar gas bag with Roberts valve | |
| Rashig Rings | Glasatelier Saillart (Belgium) | Raschig rings 4 x 4 mm | Put inside the strip and absorption column to improve the air/liquid contact. Available with many suppliers |
| Rubber sheet | Cut to fit on the perspex frames | ||
| Perspex reactor frames | Vlaeminck, Beernem | In-house design, see tab "reactor frames" in this file |
References
- Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. Maximum use of resources present in domestic "used water". Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).
- Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification. Journal of Hazardous Materials. 145 (3), 391-397 (2007).
- Siegrist, H. Nitrogen removal from digester supernatant-comparison of chemical and biological methods. Water Science and Technology. 34 (1), 399-406 (1996).
- Desloover, J., Abate Woldeyohannis, A., Verstraete, W., Boon, N., Rabaey, K. Electrochemical Resource Recovery from Digestate to Prevent Ammonia Toxicity during Anaerobic Digestion. Environmental Science & Technology. 46 (21), 12209-12216 (2012).
- Kim, J. R., Zuo, Y., Regan, J. M., Logan, B. E. Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater. Biotechnology and Bioengineering. 99 (5), 1120-1127 (2008).
- Emerson, K., Russo, R. C., Lund, R. E., Thurston, R. V. Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature. Journal of the Fisheries Board of Canada. 32 (12), 2379-2383 (1975).
- Kuntke, P., Sleutels, T. H. J. A., Saakes, M., Buisman, C. J. N. Hydrogen production and ammonium recovery from urine by a Microbial Electrolysis Cell. International Journal of Hydrogen Energy. 39 (10), 4771-4778 (2014).
- Guo, K., et al. Surfactant treatment of carbon felt enhances anodic microbial electrocatalysis in bioelectrochemical systems. Electrochemistry Communications. 39, 1-4 (2014).
- Guo, K., Chen, X., Freguia, S., Donose, B. C. Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems. Biosensors and Bioelectronics. 47, 184-189 (2013).
- Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. . Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater. , (1992).
- Andersen, S. J., et al. Electrolytic Membrane Extraction Enables Production of Fine Chemicals from Biorefinery Sidestreams. Environmental Science & Technology. 48 (12), 7135-7142 (2014).
- Harnisch, F., Rabaey, K. The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization. Chemsuschem. 5 (6), 1027-1038 (2012).
- Clauwaert, P., et al. Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications. Applied Microbiology and Biotechnology. 79 (6), 901-913 (2008).
- Atkins, P., De Paula, J. . Elements of Physical Chemistry. , (2012).
- Aelterman, P., Freguia, S., Keller, J., Verstraete, W., Rabaey, K. The anode potential regulates bacterial activity in microbial fuel cells. Applied Microbiology and Biotechnology. 78 (3), 409-418 (2008).
- Kuntke, P., et al. Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell. Water Research. 46 (8), 2627-2636 (2012).
- Liu, H., Cheng, S., Logan, B. E. Power Generation in Fed-Batch Microbial Fuel Cells as a Function of Ionic Strength. Temperature, and Reactor Configuration. Environmental Science & Technology. 39 (14), 5488-5493 (2005).
- Gimkiewicz, C., Harnisch, F. Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization. JoVE. (82), e50800 (2013).
- Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., He, Z. Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells. Desalination. 325, 48-55 (2013).
- Guerin, T., Mondido, M., McClenn, B., Peasley, B. Application of resazurin for estimating abundance of contaminant-degrading micro-organisms. Letters in Applied Microbiology. 32 (5), 340-345 (2001).
