Nova auto | Nanning Peacock Pride Co.,Ltd

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 15744 (2015) Citar este artigo

3815 acessos

42 Citações

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

As tecnologias convencionais de purificação de águas residuais consomem grandes quantidades de energia, enquanto os abundantes recursos químicos e nutrientes contidos no esgoto são desperdiçados em tais processos de tratamento. Uma célula microbiana de recuperação de nutrientes (MNRC) foi desenvolvida para aproveitar a energia contida nas águas residuais, a fim de purificar simultaneamente as águas residuais e recuperar íons de nutrientes. Quando a água residual circulou entre as câmaras de ânodo e cátodo do MNRC, os orgânicos (COD) foram removidos por bactérias enquanto amônio e fosfato (NH4+-N e PO43−-P) foram recuperados pelo campo elétrico produzido usando energia in situ nas águas residuais sem entrada de energia adicional. As eficiências de remoção de efluentes foram >82% para COD, >96% para NH4+-N e >64% para PO43−-P em todos os ciclos operacionais. Simultaneamente, as concentrações de NH4+ e PO43− na câmara de recuperação aumentaram para mais de 1,5 e 2,2 vezes, respectivamente, em comparação com as concentrações iniciais nas águas residuais. O MNRC fornece prova de conceito como uma abordagem sustentável e autodirigida para purificação eficiente de águas residuais e recuperação de nutrientes em um sistema bioeletroquímico abrangente.

A escassez global de água e as crises de recursos causadas pela explosão populacional tornaram-se preocupações cruciais para o desenvolvimento da sociedade humana ao longo de várias décadas. Os pesquisadores têm se concentrado em explorar novas fontes de água, energia e nutrientes; no entanto, a reutilização da água e a recuperação de recursos e energia das águas residuais são ainda mais importantes e sustentáveis, uma vez que as águas residuais contêm nutrientes e energia química abundantes, além de fornecer um recurso hídrico reutilizável1. Os tratamentos convencionais de águas residuais têm se concentrado principalmente na purificação, e não na recuperação de recursos. O processo mais comumente usado, o processo aeróbico/anóxico/aeróbico (A2O), é utilizado principalmente para remoção de DQO e nutrientes, mas não para sua recuperação. As tecnologias convencionais de tratamento, portanto, desperdiçam os nutrientes e a energia química contida nas águas residuais, ao mesmo tempo em que consomem grandes quantidades de eletricidade no processo de aeração. Pesquisadores têm feito grandes esforços para explorar tecnologias viáveis na tentativa de recuperar recursos e energia contidos em águas residuais. Foi relatado que a adsorção usando vários tipos de sorventes pode separar o fosfato das águas residuais2. A troca iônica, que atuou como um processo reversível, pode ser usada para recuperar tanto amônio quanto fosfato3,4. Uma abordagem comum e prática é recuperar simultaneamente amônia e fosfato como estruvita de tanques de digestão de lodo, onde o fósforo é liberado para o licor de biossólidos enriquecidos com fósforo descarregados de estações municipais de tratamento de águas residuais5,6,7. O enriquecimento de fósforo de águas residuais em lodo ativado pode ser alcançado pelo grupo de organismos acumuladores de polifosfato (PAOs) por meio de condições anaeróbicas e aeróbicas alternadas. No entanto, este processo de enriquecimento biológico está geralmente associado ao consumo de energia. Portanto, seria significativo se o nutriente pudesse ser recuperado de forma econômica e diretamente das águas residuais sem entrada de energia adicional.

Os sistemas bioeletroquímicos (BESs) são uma nova tecnologia de tratamento de águas residuais que podem oxidar substâncias em águas residuais e simultaneamente gerar eletricidade ou produzir compostos valiosos usando bactérias bioeletricamente ativas8,9,10,11,12,13. BESs típicos incluem células de combustível microbianas (MFCs) que geram eletricidade14,15,16,17,18, células de eletrólise microbiana (MECs) que produzem hidrogênio19,20,21 e células de dessalinização microbiana (MDCs) que dessalinizam água salobra usando pares de cátions e membranas de troca aniônica22,23,24,25,26. O surgimento do MDC representa um novo campo no uso de energia elétrica derivada da energia em águas residuais para realizar a migração direta de íons carregados e, portanto, a dessalinização da água. Ele revelou a possibilidade de que nutrientes em formas iônicas em águas residuais também possam ser conduzidos através de membranas dentro de um BES. Vários estudos de remoção de nutrientes via BES mostraram o potencial para esta aplicação27. Os BESs baseados na configuração MEC que obtiveram remoção de nutrientes com produção de hidrogênio mostraram um ótimo desempenho de remoção quando uma voltagem externa apropriada foi aplicada28,29,30. Uma abordagem recentemente relatada, denominada R2-BES, tenta recuperar nutrientes de águas residuais31. Os amônios foram migrados para fora das águas residuais pela força motriz da bioeletricidade, enquanto os fosfatos foram trocados por hidroxilas geradas em uma reação catódica. O R2-BES pode alcançar o resultado desejado com tensões externas apropriadas aplicadas.

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>