Bioelectrochemically-assisted recovery of valuable resources from urine: investigation of anode performance and microbial community dynamics

Abstract

Source separated urine is highly concentrated in nutrients and biodegradable compounds. This thesis explores the potential of combining nutrient recovery from urine with simultaneous energy production in bioelectrochemical systems (BESs). Non-spontaneous phosphorus (P) recovery by struvite precipitation was analysed by adding three different magnesium (Mg) sources (magnesium chloride (MgCl2), magnesium hydroxide (Mg(OH)2) and magnesium oxide (MgO)). A statistical design of experiments was used to evaluate the effect of Mg:P molar ratio (1:1, 1.5:1 and 2:1) combined with stirring speed (30, 45 and 60 rpm) for each Mg source tested. MgO at 2:1 molar ratio and a stirring speed of 30 rpm allowed to achieve the highest P recovery efficiency (99 %) with struvite crystals size of 50 to 100 μm. Urine obtained after P recovery, showed high concentration of biodegradable compounds being subsequently fed as substrate in a microbial fuel cell (MFC). Microbial acclimation to urine was performed in a MFC resulting in an anaerobic community successfully enriched in “urine-degrading” electroactive microorganisms. When compared to the control assay operated without preliminary microbial enrichment (81±9 mA m-2), the acclimation method achieved significantly higher current density (455 mA m-2) (p<0.05). Tissierella and Paenibacillus were the dominant genus identified in the adapted microbial community. Tissierella can convert creatinine to acetate, whereas bacterial species belonging to the Paenibacillus genus are known to function as exoelectrogens. Corynebacterium that comprise urea-hydrolysing bacteria was also detected in the developed biofilms. The potential of urine obtained after P recovery for energy production in a microbial electrolysis cell (MEC) was evaluated using three different carbon anode materials, phenol-based (Keynol), cellulose-based (C-TEX) and polyacrilonitrile-based (PAN). The MECs were inoculated using the previously acclimated microbial community. Analyses of textural, chemical and electrochemical properties of the tested anodes made possible to conclude that the difference between the anode materials morphology, namely surface area available for microbial attachment which significantly affect current production. MEC using C-Tex generated the highest current density (904 mA m-2), which was almost 3-fold higher than the MEC with Keynol (338 mA m-2) and almost 8-fold higher than the MEC with PAN (118 mA m-2) at an anode potential of -0.300 V vs. Ag/AgCl. The higher percentage of bacteria belonging to Lactobacillales and Enterobacteriales identified on C-Tex, suggest that microbes assigned to these orders were the responsible for the higher current generation. Finally, raw and anaerobically digested urine were investigated in MEC. Anaerobic digestion was performed as pre-treatment to promote the acidification of urine. The main compounds initially identified in the acidified urine were methylamine, acetate and propionic acid. The combined anaerobic digestion-MEC system achieved higher average current density (218±6 mA m-2), higher Coulombic efficiency (17±1 %), and higher COD removal rate (0.14±0.02 g L-1 d-1) than MEC with raw urine. Furthermore, MEC with acidified urine displayed the lower effluent ammonium nitrogen (NH4 +-N) concentration (678±127 mg L-1) which corresponds to a removal efficiency of 87±3 %. Bioaugmentation with Geobacter sulfurreducens to the native microbial population slightly improved the current generation suggesting that the abundance of electrochemically active bacteria (EAB) was one of the limiting factors. In conclusion, this thesis contributed with new insights on the degradation of organics in urine, changes in anodic bacterial community, the effect of anode materials and pre-acidification of urine, aiming at improving anode performance on BESs operating with urine.

A urina separada de outras correntes de resíduos apresenta elevada concentração em nutrientes e compostos biodegradáveis. Esta tese explora o potencial da recuperação de nutrientes a partir de urina combinado com a produção simultânea de energia em sistemas bioelectroquímicos. A recuperação não espontânea de P através da precipitação de estruvite foi analisada adicionando três diferentes fontes de magnésio (Mg) (cloreto de magnésio (MgCl2), hidróxido de magnésio (Mg(OH)2) e óxido de magnésio (MgO)). Foi utilizado um desenho experimental baseado em modelos estatísticos para avaliar o efeito da razão molar Mg:P (1:1, 1.5:1 e 2:1), combinada com a velocidade de agitação (30, 45 e 60 rpm) para cada fonte de Mg testada. O MgO com uma razão molar de 2:1 e uma velocidade de agitação de 30 rpm, permitiu obter a maior eficiência de recuperação de P (99 %) e cristais de estruvite de tamanho entre 50 e 100 μm. A urina obtida após a recuperação de P apresentou elevada concentração de compostos biodegradáveis sendo posteriormente usada como substrato numa célula de combustível microbiana (CCM). A adaptação microbiana à urina foi realizada numa CCM resultando numa comunidade anaeróbia enriquecida em microrganismos electroactivos capazes de degradar urina. Em comparação com o ensaio de controlo operado sem o enriquecimento microbiano prévio (81±9 mA m-2), o processo de adaptação microbiana permitiu obter uma densidade de corrente significativamente superior (455 mA m-2) (p<0.05). Na comunidade microbiana adaptada identificaram-se predominantemente os géneros Tissierella e Paenibacillus. Tissierella tem a capacidade de converter creatinina a acetato, enquanto algumas espécies pertencentes ao género Paenibacillus são conhecidas pela sua atividade electroactiva. Corynebacterium, que incluí bactérias capazes de hidrolisar ureia, foi também detetado no biofilme desenvolvido. O potencial da urina obtida após a remoção de P, para a produção de energia em células de eletrólise microbiana (CEM) foi avaliado usando três materiais de carbono diferentes como ânodo, com base em fenol (Keynol), celulose (C-Tex) e poliacrilonitrilo (PAN). As CEMs foram inoculadas utilizando a comunidade microbiana previamente adaptada. As análises às propriedades texturais, químicas e eletroquímicas dos materiais possibilitaram concluir que a diferença na morfologia dos materiais, nomeadamente a área de superfície disponível para a adesão microbiana, afetou significativamente a produção de corrente elétrica. A CEM com C-Tex gerou a maior densidade de corrente (904 mA m-2), que corresponde a aproximadamente 3x a corrente elétrica gerada na CEM com Keynol (338 mA m-2) e 8x a corrente elétrica gerada na CEM com PAN (118 mA m-2) a um potencial do ânodo controlado a -0.300 V vs. Ag/AgCl. A elevada percentagem de bactérias pertencentes a Lactobacillales e Enterobacteriales identificadas na CEM com C-Tex, sugerem que os microrganismos pertencentes a estas ordens são os responsáveis pela elevada produção de corrente. Finalmente, urina digerida anaerobiamente e não digerida foram estudadas na CEM. A digestão anaeróbia foi o processo utilizado para promover a acidificação da urina. Os principais compostos identificados na urina acidificada foram metilamina, acetato e propionato. A combinação dos processos de digestão anaeróbia e a CEM permitiram obter maior densidade de corrente (218±6 mA m-2), maior eficiência Coulômbica (17±1 %) e maior taxa de remoção de CQO (0.14±0.02 g L-1 d-1). Além disso, a CEM com urina acidificada demonstrou a menor concentração de NH4 +-N (678±127 mg L-1) no efluente, que corresponde a uma taxa de remoção de 87±3 %. A bioaumentação com Geobacter sulfurreducens melhorou ligeiramente a corrente produzida o que sugere que a abundância de microrganismos eletroactivos foi um fator limitante. Em conclusão, esta tese contribuiu com novos conhecimentos sobre a degradação de compostos orgânicos na urina, sobre as dinâmicas na comunidade bacteriana anódica, o efeito de diferentes materiais anódicos e a pré-acidificação da urina com o objetivo de melhorar o desempenho do ânodo em sistemas bioelectroquímicos operados com urina.