Bioelectrochemical systems for sustainable wastewater management

Research Project, 2019 – 2021

Rening av avloppsvatten är en viktig samhällsfunktion. Processerna som används är komplexa och involverar mekaniska, kemiska och biologiska reningssteg. De är också resurskrävande; energi och kemikalier konsumeras. Idag är reningsverk byggda för att avskilja organiska ämnen, kväve och fosfor från avloppsvattnet. Fokus är på att avskilja ämnen i syfte att skydda miljön och människors hälsa. Detta är naturligtvis viktigt och kommer att fortsätta vara reningens huvudfokus. Det finns dock en ökad medvetenhet om att avloppsvatten också kan vara en resurs som innehåller stora mängder organiskt material och näringsämnen. Industriella avloppsvatten kan även innehålla t.ex. metaller av högt värde. Idag används ofta anaerob rötning för att producera biogas från avloppsslam. Genom användandet av slam i jordbruk så återförs även en viss del av näringsämnena till kretsloppet. Det finns dock en stor potential att utöka resursutvinningen och på sikt omvandla reningsverk från en första hand miljöskyddande verksamhet till bioproduktionsanläggningar som bidrar till den cirkulära ekonomin. För att nå detta mål krävs ny teknik som möjliggör effektiv resursutvinning och bioproduktion från avloppsvatten.Bioelektrokemiska system innefattar en rad olika tekniker med tillämpningar som är relevanta för resursutvinning från avloppsvatten. I en bioelektrokemisk reaktor kombineras elektrokemi med levande mikroorganismer. Olika kemiska reaktioner katalyseras av mikroorganismerna på elektrodytan. Den mest kända typen av reaktor kallas mikrobiell bränslecell. I en sådan oxiderar mikroorganismer organiska ämnen vid anoden. Elektronerna som frigörs färdas genom en extern krets till katoden där syre reduceras. Elektrisk energi kan utvinnas från den externa kretsen. Mikrobiella bränsleceller kan användas som sensorer för organiska ämnen eller för elproduktion från avloppsvatten. Det finns även en mängd andra tillämpningar. Man kan använda de elektroner som färdas till katoden för att generera energibärare som vätgas och metangas och kemikalier som väteperoxid och lut. Med hjälp av mikroorganismer som katalyserar reaktionen vid katoden kan man även producera mer komplexa kolväten som skulle kunna användas som bränslen. Bioelektrokemiska system har också undersökts för utvinning av näringsämnen och metaller. Forskningen inom området har växt kraftigt det senaste decenniet och det finns åtminstone två kommersiella aktörer i världen som marknadsför produkter baserade på bioelektrokemisk teknik.De elektrokemiskt aktiva mikroorganismerna finns naturligt i miljön. När man startar en reaktor med t.ex. ett slamprov så anrikas snabbt en elektrokemiskt aktiv blandkultur. På elektrodytan uppstår naturligt en konkurrens mellan olika grupper av mikroorganismer, de som producerar el och de som utför andra processer. Syftet med det här projektet är att undersöka vilka faktorer som påverkar hur det mikrobiella samhället utvecklas på elektroden. För att tekniken ska fungera väl vill vi designa system som gynnar elektrokemiskt aktiva mikroorganismer och missgynnar andra mikrobiella grupper. Vi vill också att sammansättningen av det mikrobiella samhället ska vara stabilt och resultera i en stabil strömproduktion.Projektet är uppdelat i tre delar. I del 1 av projektet kommer vi att undersöka om mikrostrukturer av grafen kan användas för att förbättra kontakten mellan anoden och mikroorganismerna och anoden. Grafen är ett väldigt konduktivt material och genom att design anoder med vertikala flagor av grafen skulle det kunna gå att mångdubbla den effektiva kontaktytan.I del 2 undersöker hur utveckling av mikrobiella samhällen på anodytan påverkar funktionen. Vi kommer att anrika en elektrokemiskt aktiva biofilmer från olika startkulturer av mikroorganismer. Vi kommer även undersöka hur utbyte av celler mellan biofilmen och vattnet som omger elektroden påverkar det mikrobiella samhället.I del 3 av projektet kommer vi att undersöka hur predation påverkar det mikrobiella samhället på anoden. Predatorer som virus, vissa bakterier, och små djur påverkar den mikrobiella sammansättningen. Vi kommer att fokusera på virus och undersöka hur de påverkar konkurrensen mellan olika grupper av mikroorganismer som utför olika funktioner på anodytan.Resultaten från projektet kommer att vara viktiga för den fortsatta utvecklingen av bioelektrokemiska system för resursutvinning från avloppsvatten.