Un sistema combinato di cella a combustibile microbica e filtro biologico aerato in modo intermittente per l'autoenergia

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 18070 (2015) Citare questo articolo

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L’autosufficienza energetica è un obiettivo altamente auspicabile per il trattamento sostenibile delle acque reflue. In questo caso, un sistema combinato di una cella a combustibile microbica e un filtro biologico aerato in modo intermittente (MFC-IABF) è stato progettato e gestito in modo autosufficiente dal punto di vista energetico. Il sistema è stato alimentato con acque reflue sintetiche (COD = 1000 mg L−1) in modalità continua per più di 3 mesi a temperatura ambiente (~25 °C). La tensione in uscita è stata aumentata a 5 ± 0,4 V utilizzando un circuito basato su condensatore. L'MFC ha prodotto elettricità per alimentare i sistemi di pompaggio e di aerazione nell'IABF, rimuovendo contemporaneamente il COD. L'IABF operante in modalità di aerazione intermittente (velocità di aerazione 1000 ± 80 mL h−1) ha rimosso i nutrienti residui e ha migliorato la qualità dell'acqua a HRT = 7,2 h. Questo sistema combinato a due stadi ha ottenuto una rimozione di SCOD del 93,9% e una rimozione di TCOD del 91,7% (SCOD dell'effluente = 61 mg L−1, TCOD = 82,8 mg L−1). L'analisi energetica ha indicato che l'unità MFC ha prodotto energia sufficiente (0,27 kWh m−3) per supportare il sistema di pompaggio (0,014 kWh m−3) e il sistema di aerazione (0,22 kWh m−3). Questi risultati hanno dimostrato che il sistema combinato MFC-IABF potrebbe essere gestito in modo autosufficiente dal punto di vista energetico, producendo effluenti di alta qualità.

La crisi energetica e l’inquinamento ambientale sono due grandi sfide che il mondo di oggi deve affrontare. La cella a combustibile microbica (MFC) è una tecnologia neonatale ma promettente per contribuire ad affrontare parzialmente queste sfide1. È stato ampiamente studiato nell'esoelettrogeno2, nei materiali degli elettrodi3, nelle configurazioni dei reattori4 e così via. Una funzione primaria della tecnologia MFC è il trattamento delle acque reflue. Tuttavia, le questioni relative alla qualità degli effluenti delle MFC non sono state ancora sufficientemente affrontate. L'MFC da solo potrebbe non essere una strada fattibile per soddisfare i rigorosi requisiti di qualità dell'effluente, richiedendo quindi un ulteriore passaggio come l'integrazione dell'MFC con la tecnologia a membrana5 o la tecnologia di trattamento convenzionale6 per purificare ulteriormente l'effluente trattato. Inoltre, la generazione diretta di elettricità è una caratteristica integrante delle MFC. È noto che i tipici sistemi MFC generano energia a livello di milliwatt (mW), a seconda delle caratteristiche dell'affluente, della configurazione del reattore e dei parametri operativi. Questa produzione di energia bassa e instabile ha rappresentato un grosso ostacolo nell’impedire all’MFC come fonte di energia rinnovabile di accedere alla rete elettrica che è a livello di kW o MW di capacità installata nella generazione di energia convenzionale. Pertanto, la mancanza di un’adeguata responsabilità in merito alla produzione di energia elettrica ha attirato maggiore attenzione negli ultimi anni.

È stata proposta una possibile strategia basata sull'utilizzo in situ dell'elettricità generata per un processo di trattamento delle acque reflue energeticamente autosufficiente con un sistema combinato basato su MFC7. L'energia potenziale immagazzinata nelle diverse acque reflue è variabile, compresa tra 4,92 ~ 7,97 kWh kgCOD–1, che supera i requisiti energetici del loro trattamento8. Sarebbe quindi interessante se un sistema basato su MFC offrisse la possibilità di generare energia sufficiente per il processo di trattamento delle acque reflue autosufficiente. In passato, un bilancio energetico neutro o positivo è stato dimostrato teoricamente nel processo di trattamento delle acque reflue in molti reattori, come il bioreattore elettrochimico a membrana9, il reattore bioelettrochimico a membrana10 e la cella a combustibile microbica a due stadi e il bioreattore anaerobico a membrana a letto fluidizzato11. Tuttavia, non vi è stato un effettivo funzionamento di un sistema combinato energeticamente autosufficiente basato su MFC per il trattamento delle acque reflue.

Per ottenere un processo di trattamento delle acque reflue effettivamente autosufficiente dal punto di vista energetico con un sistema combinato basato su MFC, sono necessari metodi efficaci per aumentare la tensione MFC. In passato sono stati utilizzati diversi approcci per aumentare le tensioni MFC. Ciò include il collegamento di più MFC in serie o l'utilizzo di un convertitore CC-CC12. L'altro metodo utilizzato nell'applicazione è l'impilamento seriale di MFC, sebbene questo si sia rivelato inefficace per aumentare la tensione a causa dell'inversione di tensione, che potrebbe portare al guasto dell'intero sistema13. È stato dimostrato che il convertitore DC-DC aumenta efficacemente la tensione MFC, ma presentava anche i limiti di un circuito complicato e una sostanziale perdita di energia nel sistema a doppio boost. Tuttavia, un approccio alternativo che prevede l'utilizzo di un circuito basato su condensatori si è rivelato utile per l'aumento dell'elettricità14. Con questo metodo, l'energia elettrica veniva prima raccolta nei condensatori e poi erogata in modo intermittente con un'uscita ad alta tensione. I condensatori sono stati caricati in parallelo e scaricati in serie utilizzando più MFC, migliorando la tensione in uscita con una perdita di energia trascurabile12.