Récupération d'ammonium électrochimique et Bioelectrochemically induite

Récupération des produits précieux provenant des eaux usées prend de l'importance que de précieuses ressources se raréfient et le traitement sans récupération représente seulement un coût. Les eaux usées contiennent à la fois l'énergie et les nutriments qui peuvent être récupérés et la récupération des nutriments peut aider à fermer la boucle de production ^1. Récupération de l'énergie par la digestion anaérobie est un processus bien établi, alors que la récupération des nutriments est moins fréquent. Récupération des nutriments provenant des flux de déchets liquides tels que l'urine et du fumier a été largement étudié, par exemple, par la production de struvite et de décapage directe d'ammoniac ^2,3. Toutefois, la nécessité pour l'addition chimique est un inconvénient de ces procédés ^4. Ici, nous présentons une technique pour la récupération des éléments nutritifs cationiques des flux de déchets, y compris à la fois de potassium et d'ammonium. La forme cationique de ces nutriments permet une récupération à l'aide d'une membrane sélective d'ions dans un système électrochimique. Dans ce cas, le electrochemical système consiste en une chambre d'anode (où l'oxydation a lieu), une chambre de cathode (où la réduction a lieu) et une membrane sélective d'ions pour séparer les compartiments. Une tension est appliquée à travers la cellule pour produire un flux de courant de l'anode à la cathode. Cette tension peut être générée par une source d'alimentation externe pour conduire l'oxydation de l'eau et des réactions de réduction. En variante, l'oxydation anodique, par exemple, des composés organiques, peut être catalysée par des bactéries électroactifs, nécessitant moins de puissance. Pour fermer le circuit et maintenir l'équilibre de charge, une espèce chargée doivent migrer entre les électrodes pour chaque électrons généré. le transport d'ammonium à partir de la chambre anodique à la chambre de cathode à travers une membrane échangeuse de cations (CEM) peut ainsi compenser le flux d'électrons ^{de 4,5.}

La technique présentée ici non seulement supprime ammonium des flux de déchets, mais permet également la récupération. Azote ammoniacal total (TAN) existe en équilibre des deux ammonium (NH ₄ ⁺⁾ et l'ammoniac (NH _3), et est dépendante du pH et de la température ^6. NH ₄ ⁺ est disponible en abondance en raison de la concentration élevée et à proximité de TAN pH neutre dans la chambre d'anode et cette espèce à charge positive peut donc être entraîné par le courant à travers la CEM dans la chambre de cathode. Le courant entraîne la réduction de l'eau à la cathode, ce qui conduit à la production d'ions hydroxyde et de l'hydrogène gazeux. L'équilibre se déplace TAN à près de 100% de NH ₃ en raison du pH élevé dans la chambre de cathode (> 10,0). NH ₃ est un gaz qui peut être facilement transféré par circulation d'air de l'unité de stripping à la colonne d'absorption où il est piégé et concentré dans une solution acide.

Cette technologie a le potentiel de diminuer la toxicité d'ammonium lors de la digestion anaérobie des flux de N riches comme le fumier, augmentant ainsi la récupération d'énergie à partir de ces flux de déchets, tandis que simultanémentnutriments récupération ^4. Extraction électrochimique et bioélectrochimique de l'ammonium peut également être appliquée comme technique de récupération des nutriments sur les flux de déchets à haute teneur TAN comme l'urine évitant ainsi les coûts pour l'élimination des nutriments à une station d'épuration ^7.

Le protocole présenté ici peut servir de base pour de nombreuses expériences électrochimiques différents et bioélectrochimiques, comme on utilise un réacteur modulaire. Différents types d'électrodes, des membranes et des épaisseurs de cadre peuvent être combinés comme expliqué dans le protocole ci-dessous. Le principal objectif du protocole est de fournir un moyen pour la comparaison de récupération électrochimique d'ammonium et d'ammonium récupération bio-électrochimique en utilisant une cellule d'électrolyse. Les systèmes sont évalués en termes d'efficacité d'extraction, entrée de puissance et de reproductibilité.