Urin svarar för 75% av kvävetillförseln till svenska avloppsverk. Traditionella metoder för kväveseparation är energikrävande, liksom den ursprungliga kväveutvinningen. Ett sätt att utnyttja energi från urinen och därtill återvinna kvävet som ammonium är via reaktioner i mikrobiella bränsleceller som är ett växande koncept. Ett holländskt forskarlag har fått en sådan cell att fungera i labskala och räknat hem en energivinst samt tillvaratagit ammonium.
Av: Jörgen Hanaeus
Artikeln beskriver (något översiktligt) möjliga och dominerande reaktioner vid anod och katod. Ammoniumjonernas vandring och övergång till ammoniak vid katoden, där pH är högt beskrivs. Ammoniken luftas sedan genom en borsyreflaska till en svavelsyraflaska där den återgår till ammoniumform och kan återvinnas. Ammoniumjonernass andel av laddningstransporten mellan kamrarna diskuteras och effektiviteten i överföringen fokuseras som funktion av den laddningstäthet man arbetar med. Försök gjordes först med syntetisk urin (ammoniumklorid, kaliumfosfat, natriumacetat mfl salter) och därefter med verklig urin som recirkulerades flera gånger genom cellen. Energianalyser inkl jämförelser med ammoniakstripping visade att denmikrobiella bränslecellen var intressant ur ett resursperspektiv.
Funktion
Anod och katod har komplex sammansättning i den mikrobiella cell som använts. Anoden är av grafit och täckt av bakteriefilm. Vid anoden utnyttjar bakterierna energin i omgivande substrat (urin) (i artikeln exemplifierat med acetat) och frigjorda elektroner kan föredra anodytan. Katoden består av platinerat titannät. Anod och katod kopplas utanför cellen till en strömkrets. Kamrarna har obalans i laddning och en jonrörelse startar för att jämna ut obalansen. Mellan polerna finns ett jonbytande membran. Membranet medger även att katodkammaren kan exponeras för gasfasen. De reaktioner som avger resp upptar elektroner anges vara:
CH3COO– + 4 H2O => 2 HCO3– + 8 e– + 9H+ (anod)
O2 +4 e– + 2 H2O => 4 OH– (katod)
Vid katodytan produceras alltså hydroxyljoner och pH stiger. Då övergår ammonium till ammoniak som med hjälp av inblåst luft stiger uppåt och kan samlas in. Vid laddningsjämvikt sker en viss återgång av hydroxyljoner mot anoden och pH stabiliseras.
Genom att justera resistansen i den yttre strömkretsen kunde strömtätheten över elektrodytan varieras och därefter relateras till ammoniumtransporten. Ammoniumtransporten mättes indirekt via koncentrationsökningen i uppsamlingsflaskan.
Sedan försöken med syntetisk urin varit framgångsrika fortsatte experimenten med verklig urin. Denna recirkulerades även.
Systemet kan alltså beskrivas så, att mikroorganismerna vid anoden tar energi ur substratet och bidrar med de elektroner som behövs för att i nästa led transportera ammonium till katoden.
Viss transport av ammonium sker också via ammoniakbildning vid anoden och gasdiffusion till katoden. Vissa farhågor har funnits beträffande ammoniumförgiftning av anoden, men de har inte besannats.
pH-värdet vid anoden var 6,8 för den syntetiska urinen och 8,85 för den verkliga, där ammonium/ammoniak och bikarbonat/karbonat buffrar.
Resultat
Den aktiva biomassan fungerade väl med verklig urin. Den högsta ammoniumutvinningen var 3,29 gN/d, m2 vid en strömtäthet över anoden av 0,50A/m2. Ungefär 30% av de elektroner som producerades av bakterierna användes till transport av ammonium. Ett nettotillskott om 3,46 kJ/gN beäknades.
Slutsatser
Utveckling av mikrobiella bränsleceller (MFC:s) sker på många områden; säkert behövs mera utvecklingsarbete innan de goda laboratorievärdena kan skalas upp till urindrivna elverk i Sverige. Direkt spridning av urin till odlingsytor är naturligtvis ett gångbart alternativ. I båda fallen ska urin källsepareras och det kan noteras att de holländska forskarna använt en toalett av Gustavsbergs fabrikat för insamlingen. MFC:s diskuteras även för andra lågt värderade substrat; t ex industriella avloppsvatten. Då MFC:s diskuteras för många tillämpningar i avsikt att spara energi, kan man förvänta sig att teknikutvecklingen, t ex vad gäller anodutformning, kommer att vara snabb och det kan vara klokt av svenska VA-tekniker att hålla sig orienterade på området.
Källa: P.Kuntke, K.M.Smiech, H.Bruning, G. Zeeman, M.Saakes, T.H.J.A. Sleutels, H.V.M. Hamelers, C.J.N. Buisman (2012): Ammonium recovery and energy producion from urine by a microbial fuel cell. Water Research (46) 2627-2636.
Hela artikeln i Water Research kan köpas här.
Författarna: Wetsus: Centre of excellence for Sustainable Water Technology, Leeuwarden, Nederländerna.
Korrespondens: philipp.kuntke@wetsus.nl
