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Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15744 (2015) Citare questo articolo

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Le tecnologie convenzionali di purificazione delle acque reflue consumano grandi quantità di energia, mentre l’abbondante energia chimica e le risorse nutritive contenute nelle acque reflue vengono sprecate in tali processi di trattamento. È stata sviluppata una cella di recupero microbico dei nutrienti (MNRC) per sfruttare l’energia contenuta nelle acque reflue, al fine di purificare contemporaneamente le acque reflue e recuperare gli ioni nutritivi. Quando le acque reflue venivano fatte circolare tra le camere anodica e catodica dell'MNRC, le sostanze organiche (COD) venivano rimosse dai batteri mentre ammonio e fosfato (NH4+-N e PO43−-P) venivano recuperati dal campo elettrico prodotto utilizzando l'energia in situ nelle acque reflue senza ulteriore apporto di energia. Le efficienze di rimozione dalle acque reflue erano >82% per COD, >96% per NH4+-N e >64% per PO43−-P in tutti i cicli operativi. Contemporaneamente, le concentrazioni di NH4+ e PO43− nella camera di recupero sono aumentate rispettivamente di oltre 1,5 e 2,2 volte rispetto alle concentrazioni iniziali nelle acque reflue. Il MNRC fornisce una prova di concetto come approccio sostenibile e autonomo alla purificazione efficiente delle acque reflue e al recupero dei nutrienti in un sistema bioelettrochimico completo.

La carenza idrica globale e la crisi delle risorse causata dall’esplosione demografica sono diventate preoccupazioni cruciali per lo sviluppo della società umana nel corso di diversi decenni. I ricercatori si sono concentrati sull'esplorazione di nuove fonti di acqua, energia e sostanze nutritive; tuttavia, il riutilizzo dell’acqua e il recupero di risorse ed energia dalle acque reflue sono ancora più importanti e sostenibili, poiché le acque reflue contengono abbondanti nutrienti ed energia chimica oltre a fornire una risorsa idrica riutilizzabile1. I trattamenti convenzionali delle acque reflue si sono concentrati principalmente sulla purificazione piuttosto che sul recupero delle risorse. Il processo più comunemente utilizzato, il processo aerobico/anossico/aerobico (A2O), viene utilizzato principalmente per la rimozione del COD e dei nutrienti ma non per il loro recupero. Le tecnologie di trattamento convenzionali sprecano quindi i nutrienti e l’energia chimica contenuti nelle acque reflue, consumando contemporaneamente grandi quantità di elettricità nel processo di aerazione. I ricercatori hanno compiuto grandi sforzi per esplorare tecnologie realizzabili nel tentativo di recuperare le risorse e l’energia contenute nelle acque reflue. È stato riferito che l'adsorbimento utilizzando diversi tipi di assorbenti potrebbe separare il fosfato dalle acque reflue2. Lo scambio ionico, che agisce come un processo reversibile, potrebbe essere utilizzato per recuperare sia l'ammonio che il fosfato3,4. Un approccio comune e pratico consiste nel recuperare simultaneamente ammonio e fosfato come struvite dalle vasche di digestione dei fanghi in cui il fosforo viene rilasciato nel liquido dai biosolidi arricchiti di fosforo scaricati dagli impianti di trattamento delle acque reflue municipali5,6,7. L'arricchimento del fosforo dalle acque reflue nei fanghi attivi potrebbe essere ottenuto dal gruppo di organismi che accumulano polifosfati (PAO) attraverso condizioni anaerobiche e aerobiche alternate. Tuttavia, questo processo di arricchimento biologico è solitamente associato al consumo di energia. Pertanto, sarebbe significativo se il nutriente potesse essere recuperato in modo economicamente vantaggioso e direttamente dalle acque reflue senza ulteriore apporto di energia.

I sistemi bioelettrochimici (BES) sono una nuova tecnologia di trattamento delle acque reflue in grado di ossidare le sostanze presenti nelle acque reflue e contemporaneamente generare elettricità o produrre composti preziosi utilizzando batteri bioelettricamente attivi8,9,10,11,12,13. I BES tipici includono celle a combustibile microbiche (MFC) che generano elettricità14,15,16,17,18, celle di elettrolisi microbica (MEC) che producono idrogeno19,20,21 e celle di desalinizzazione microbica (MDC) che dissalano l'acqua salmastra utilizzando coppie di cationi e membrane a scambio anionico22,23,24,25,26. L’emergere dell’MDC rappresenta un nuovo campo nell’uso dell’energia elettrica derivata dall’energia contenuta nelle acque reflue per realizzare la migrazione diretta di ioni carichi e quindi la desalinizzazione dell’acqua. Ha rivelato la possibilità che i nutrienti in forma ionica nelle acque reflue possano anche essere trasportati attraverso le membrane all'interno di un BES. Diversi studi sulla rimozione dei nutrienti tramite BES hanno mostrato il potenziale di questa applicazione27. I BES basati sulla configurazione MEC che hanno ottenuto la rimozione dei nutrienti con la produzione di idrogeno hanno mostrato ottime prestazioni di rimozione quando è stata applicata una tensione esterna adeguata28,29,30. Un approccio recentemente segnalato, denominato R2-BES, tenta di recuperare i nutrienti dalle acque reflue31. Gli ammonii sono stati fatti migrare fuori dalle acque reflue dalla forza motrice della bioelettricità mentre i fosfati sono stati scambiati con gli idrossili generati in una reazione catodica. L'R2-BES potrebbe ottenere il risultato desiderato con l'applicazione di tensioni esterne adeguate.

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>