Constructed wetland microbial fuel cells : electricity generation, treatment efficiency improvement, COD bioindication and clogging assessment

Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetlands (HSSF CWs) are natural wastewater treatment systems showing a marked redox gradient between the surface of the system and the bottom zone of the treatment bed. Therefore, they constitute a suitable environment for Microbial Fuel Cells (MFCs) implementation. MFCs are bioelectrochemical systems in which the electrons resulting from the oxidation of the organic matter are transferred, by means of exoelectrogenic bacteria, to an external circuit thus generating an electric current. The implementation of MFC into HSSF CWs (CW-MFCs) allows the removal of organic matter and the production of electricity simultaneously. Besides electricity generation, MFCs implemented in HSSF CWs could encompass other beneficial aspects of special relevance within the constructed wetlands domain such as the semi-continuous monitoring of the organic matter entering the system, the improvement of CWs¿ treatment efficiency and the assessment of the clogging state of the treatment bed. However, CW-MFC is a novel research field that lacks from specific knowledge on both HSSF CWs and MFC design and operational aspects to optimize the technology. Therefore, the objective of this thesis was to determine, quantify and maximize the benefits resulting from the synergy between HSSF CW and MFCs. To address the objectives of this study two different experimental designs were considered: pilot-scale and lab-scale CW-MFCs. Results showed that continuous flow regime and planted wetlands generate higher redox gradients through the bed gravel than unplanted wetlands operated under discontinuous flow regime. CW-MFCs performed to a better extent under the presence of a HUSB reactor as primary treatment when compared to conventional settling. More precisely, the presence of HUSB reactor stimulated the presence of exoelectrogenic bacteria in anodic biofilms. Optimal cathode to anode surface ratio was that of 4:1. In order to maximize CW-MFCs performance, the cathode shall be placed semi-submerged within the water and kept at a distance of ca. 10 cm from the anode. Overall, even under these optimal wetlands and MFC operational and design conditions the energy produced by CW-MFCs would only cover between the 3 and the 14% of the total energy requirements of a CW treatment plant. Therefore, energy surplus provided by CW-MFCs, yet interesting, is not its most advantageous feature. In terms of CW-MFCs environmental applications, MFCs showed the capacity to improve CWs treatment efficiency. Organic matter effluent concentration for connected CW-MFCs was significantly lower either in terms of total or soluble COD than unconnected CW-MFCs. Furthermore, CW-MFCs showed potential for COD assessment. Although results indicate that linear relationships can be established between both parameters, several factors can affect the precision, repeatability and operational stability of the sensor. Therefore, other alternatives such as its utilization as qualitative response tools should be considered for biosensor CW-MFCs. Finally, CW-MFCs also showed potential as a tool for indirect, continuous clogging assessment. In terms of the environmental impacts associated to the implementation of MFCs, CW system coupled with graphite-based anode MFC appeared as the most environmentally friendly solution which could reduce CW both surface requirements and system footprint (by around 20%). Also CW systems coupled with high performance MFCs would be competitive with conventional CWs in terms of costs. In conclusion, though to be at its infancy, CW-MFCs represent a novel technology able produce energy while wastewater is treated. Although it might not be a very attractive technology if the electrical gain is considered exclusively, CW-MFCs is a very promising technology when it comes down to environmental applications such as the improvement of HSSF CWs removal efficiency, or the utilization of CW-MFCs as both organic matter and clogging assessment tool. Els aiguamolls construïts horitzontals de flux subsuperficial (AC HFSS) són sistemes naturals de tractament d'aigua residual i constitueixen un entorn favorable per a la implementació de Piles de Combustible Microbianes (PCM). Les PCM son sistemes bioelectroquímics que permeten la eliminació de la matèria orgànica i la generació d'electricitat de forma simultània. A més a més de la generació d'electricitat, les PCM implementades en AC, poden generar altres beneficis que són d'especial importància en el context dels AC. El monitoreig semi-continu de la qualitat de l'aigua que entra i surt dels sistemes, la millora de la eficiència de tractament dels AC o el seguiment de l'estat de colmatació del llit de grava dels AC són alguns dels potencials beneficis resultants. Tot i això, les PCM implementades en AC, constitueixen un camp de recerca molt recent en el que encara falten coneixements específics tant sobre el disseny dels AC com sobre la operació de les PCM per optimitzar la sinèrgia entre ambdues tecnologies. Així doncs, l'objectiu de la tesi que es presenta és el de determinar, quantificar i maximitzar els beneficis que resulten de la sinergia entre els AC HFSS i les PCM. Per assolir els objectius d'aquest estudi s'han utilitzat dos dissenys experimentals diferents: PCM-AC implementades en sistemes a escala pilot i a escala de laboratori. Els resultats obtinguts demostren que el flux hidràulic continu i els aiguamolls plantats generen gradients redox superiors en el llit de grava quan es comparen amb els aiguamolls no-plantats operats en flux discontinu. A més a més, les PCM-AC generen corrents elèctrics superiors quan el tractament primari aplicat és el reactor HUSB en comparació al decantador convencional. La relació òptima de superfície càtode : ànode obtinguda és de 4:1. Finalment, per tal de maximitzar el potencial de les PCM-AC, cal situar el càtode en posició semi-submergida i a una distància de 10 cm de l'ànode. Tot i això, quan s'apliquen les condicions d'operació dels AC i l'arquitectura de les PCM òptima, l'energia produïda per les PCM-AC pot cobrir només entre el 3 i el 14% d'una planta de tractament d'aigua residual constituïda per aiguamolls construïts. Així doncs, tot i que l'energia generada per les PCM-AC constitueix un resultat positiu, no esdevé el benefici principal. En termes de les seves aplicacions ambientals, les PCM-AC han demostrat poder millorar la capacitat de tractament dels AC. La concentració de matèria orgànica a l'efluent de les PCM-AC connectades fou significativament inferior que a l'efluent dels sistemes no connectats. A més a més, les PCM-AC han mostrat potencial per a la determinació de la DQO. Tot i això, hi ha molts factors que poden afectar la precisió, la repetibilitat i la estabilitat operativa del sistema de manera que la seva viabilitat com a biosensor passa per utilitzar-les com a eina de bioindicació qualitativa. Per últim, les PCM-AC també tenen potencial per a la determinació en continu del grau de colmatació dins el llit de grava dels AC. De l'estudi dels impactes ambientals associats a la implementació de les PCM en els AC se'n conclou que els sistemes amb l'ànode de grafit constitueixen la millor alternativa en termes d'impactes ambientals per reduir tant la superfície dels aiguamolls com la seva petjada ecològica (sobre un 20% de reducció). Finalment, tot i trobar-se en un estadi d'estudi prematur, les PCM implementades en AC representen una tecnologia innovadora capaç de produir energia alhora que es tracta l'aigua residual. Encara que, si es considera de forma exclusiva el guany energètic, la sinèrgia entre ambdues tecnologies pot no semblar molt atractiva, les PCM-AC constitueixen una tecnologia molt prometedora pel que fa a les seves aplicacions ambientals tals com la millora de la eficiència de tractament dels AC o la seva utilització per a la determinació del contingut de matèria orgànica en l'aigua residual i el grau de colmatació dels sistemes.