Bioelectrochemical systems for ammonium removal in contaminated water

Abstract

Summary Nowadays, ammonium (NH4+) is a pollutant present in all kinds of water bodies, leading to multiple environmental and health issues. The current NH4+-removing technologies are very expensive, as they require a lot of energy. Microbial electrochemical technologies (METs) are a less energy-consuming alternative to the conventional ammonium removal methods. The doctoral thesis “Bioelectrochemical systems for ammonium removal in contaminated water” by Miguel Osset Álvarez aims to contribute to the development of the two main ammonium-removing METs: bioelectrochemical nitrification and the combination of aerobic nitrification with bioelectrochemical denitrification. Bioelectrochemical nitrification is a very promising technology for NH4+ removal. However, the mechanisms behind this process have not been fully unveiled. A nitrifying bioelectrochemical system (niBES) was built, operated and studied for 550 days. A nitrifier (Achromobacter sp.) was found as the dominant microorganism in the niBES, while hydroxylamine (NH2OH) and nitrite (NO2-), two nitrification intermediates, were revealed as electroactive compounds. Overall, these results suggest that ammonium was converted into dinitrogen gas (N2) by a process combining bioelectrochemical NH4+ oxidation, denitrification and, to a lesser extent, anammox. On the other hand, a new ammonium-removing bioelectrochemical system (BES), the e-biofilter, was built by integrating bioelectrochemical denitrification into a biotrickling filter. E-biofilters were used to transform the NH4+ in synthetic aquaculture wastewater into nitrate (NO3-) and N2, enabling the reuse of this water for hydroponic culture. Moreover, the e-biofilters were capable of removing most of the ammonium, organic matter and suspended solids present in the secondary effluent of an urban wastewater treatment plant (WWTP), showing that e-biofilters can provide holistic wastewater treatment

Avui dia, l'amoni (NH4+) és un contaminant present a tot tipus d'aigües, fet que ocasiona múltiples problemes ambientals i de salut. Les tecnologies actuals d'eliminació de NH4+ són molt costoses, ja que requereixen molta energia. Les tecnologies electroquímiques microbianes (METs; sigles en anglès) suposen una alternativa amb un cost energètic més baix que els mètodes convencionals d'eliminació d'amoni. La tesi doctoral “Bioelectrochemical systems for ammonium removal in contaminated water” de Miguel Osset Álvarez té com a objectiu contribuir al desenvolupament de les dues principals METs d'eliminació d'amoni: la nitrificació bioelectroquímica i la combinació de nitrificació aeròbica amb desnitrificació bioelectroquímica. La nitrificació bioelectroquímica és una tecnologia molt prometedora per eliminar NH4+. Tot i això, els mecanismes darrere d'aquest procés no han estat completament revelats. Es va construir, operar i estudiar un sistema bioelectroquímic nitrificant (niBES; sigles en anglès) durant 550 dies. Es va descobrir que el microorganisme dominant al niBES era un nitrificant (Achromobacter sp.), i que la hidroxilamina (NH2OH) i el nitrit (NO2-), dos intermediaris de la nitrificació, són compostos electroactius. En general, aquests resultats suggereixen que l'amoni es va transformar en nitrogen gas (N2) mitjançant un procés que combina l'oxidació bioelectroquímica de NH4+, la desnitrificació i, menys, l'anammox. D'altra banda, es va construir un nou sistema bioelectroquímic (BES; sigles en anglès) d'eliminació d'amoni, l'e-biofiltre, integrant la desnitrificació bioelectroquímica en un biofiltre percolador. Es van utilitzar els e-biofiltres per transformar l'NH4+ present en aigua sintètica d'aqüicultura en nitrat (NO3-) i N2, cosa que va permetre reutilitzar aquesta aigua per a cultiu hidropònic. A més, els e-biofiltres van ser capaços d'eliminar la major part de l'amoni, la matèria orgànica i els sòlids en suspensió presents a l'efluent secundari d'una planta de tractament d'aigües residuals (EDAR) urbana, cosa que demostra que els e-biofiltres poden proporcionar un tractament holístic de les aigües residuals