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Study of microbial desalination cell performance with different saline streams: Analysis of current efficiency and freshwater production
No full textMicrobial desalination cell (MDC) is a sustainable and energy-self-sufficient technology that simultaneously treats wastewater, produces electric energy, and desalinates water in a single device. The optimal desalination process depends on the potential generated in the system, which is mainly limited by cathode reaction, high external load values used, initial salinity of saline stream, or other conditions such as anolyte buffer concentration. As transport processes (i.e., migration and diffusion) in the device overlap under such conditions, it is difficult to identify the factors that affect desalination performance. Most of the existing MDC studies have used oxygen reduction (at neutral pH) as a cathode reaction limiting the performance. The removal of the cathode reaction limitation could help to clarify the operation of the MDC and identify different transport phenomena and their influence on the performance (current efficiency, freshwater production, and salt removal rate). This study presents a systematic analysis of a laboratory-scale MDC (cross-section 100 cm2, batch mode) behaviour under different initial saline concentrations from slightly brackish water (1.3 g L−1 NaCl) to seawater (40 g L−1 NaCl) without limitation in the desalination process (i.e., using a low value of external resistance and potassium ferricyanide as a liquid catholyte). For each initial salinity, the parameters of wastewater treatment capacity, energy and freshwater production are discussed and compared with the literature. The values of freshwater production between 0.5 and 10.6 L m−2 h−1 for each initial saline concentration in the saline compartment are achieved with optimal current efficiency values (80–100%). Additionally, the influence of anolyte buffer capacity on current density in the MDC system (from 0.8 to 1.2 mA cm−2) is analysed. Furthermore, the behaviour of the system during a seawater desalination process is discussed in terms of treatment capacity and Coulombic efficiency. This study could help understand the performance of these systems in possible natural saline scenarios where MDC technology can be implemented in the future
Effects of intensive agriculture and urbanization on water quality and pesticide risks in freshwater ecosystems of the Ecuadorian Amazon
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Using life‐history trait variation to inform ecological risk assessments for threatened and endangered plant species
No full textFuid-like electrodes and Purple Phototrophic Bacteria: bridging the gap in wastewater biorefineries
No full textWastewater biorefineries aim to generate value-added products in an economically viable process while removing pollutants. In this scenario, Purple phototrophic bacteria (PPB), the most versatile microorganisms on earth, are highly effective for sustainable wastewater treatment and nutrient recovery as cell protein. One of the most innovative approaches for applying PPB in the wastewater sector is their capacity for interchanging electrons with electroconductive materials. In contrast with classical biofilm-based techniques, we have demonstrated that a fluid-like electrode can accept electrons from planktonically grown PPB. We anticipate that such findings will impact in wastewater electrobioremediating capacity of PPB. Moreover, controlling the electrochemical nature of the extracellular electron acceptor (fluid-like electrode) allows for fine-tuning the metabolism of a planktonic PPB-dominated community to enhance their biodegradation rate (2-fold) while growing on brewery wastewater. For this purpose, a twin set of microbial electrochemical fluidized bed reactors (ME-FBR) were operated in identical conditions, except for illumination conditions (dark vs. infrared), to promote the development of PPB. Illumina sequencing revealed that both infrared radiation and polarization led to changes in the microbial population while producing an electrical current of 7 A·m-3. Indeed, the Geobacter genus was the electroactive bacteria outcompeting under dark conditions. In contrast, electroactive PPB genera like the Rhodopseudomonas and Rhodobacter outcompeted others under infrared illumination and electrostimulation. In this work, we have demonstrated how microbial selection can contribute to the sustainability of an electrobioremediation wastewater treatment by avoiding emissions of greenhouse gases such as methane. In addition, fluid-like bed bioreactors have shown their usefulness in recovering nutrients as PPB biomass, favoring planktonic growth and thus facilitating the recovery of a valuable product: the biomass of PPB
Operational Decision-Making on Desalination Plants: From Process Modelling and Simulation to Monitoring and Automated Control With Machine Learning
No full textThis paper describes some of the work carried out within the Horizon 2020 project MIDES (MIcrobial DESalination for low energy drinking water), which is developing the world’s largest demonstration of a low-energy sys-tem to produce safe drinking water. The work in focus concerns the support for operational decisions on desalination plants, specifically applied to a mi-crobial-powered approach for water treatment and desalination, starting from the stages of process modelling, process simulation, optimization and lab-validation, through the stages of plant monitoring and automated control. The work is based on the application of the environment IPSEpro for the stage of process modelling and simulation; and on the system DataBridge for auto-mated control, which employs techniques of Machine Learning
On the probability of ecological risks from microplastics in the Laurentian Great lake
No full textThe Laurentian Great Lakes represent important and iconic ecosystems. Microplastic pollution has become a major problem among other anthropogenic stressors in these lakes. There is a need for policy development, however, assessing the risks of microplastics is complicated due to the uncertainty and poor quality of the data and incompatibility of exposure and effect data for microplastics with different properties. Here we provide a prospective probabilistic risk assessment for Great Lakes sediments and surface waters that corrects for the misalignment between exposure and effect data, accounts for variability due to sample volume when using trawl samples, for the random spatiotemporal variability of exposure data, for uncertainty in data quality (QA/QC), in the slope of the power law used to rescale the data, and in the HC5 threshold effect concentration obtained from Species Sensitivity Distributions (SSDs). We rank the lakes in order of the increasing likelihood of risks from microplastics, for pelagic and benthic exposures. A lake-wide risk, i.e. where each location exceeds the risk limit, is not found for any of the lakes. However, the probability of a risk from food dilution occurring in parts of the lakes is 13–15% of the benthic exposures in Lakes Erie and Huron, and 8.3–10.3% of the pelagic exposures in Lake Michigan, Lake Huron, Lake Superior, and Lake Erie, and 24% of the pelagic exposures in Lake Ontario. To reduce the identified uncertainties, we recommend that future research focuses on characterizing and quantifying environmentally relevant microplastic (ERMP) over a wider size range (ideally 1–5000 μm) so that probability density functions (PDFs) can be better calibrated for different habitats. Toxicity effect testing should use a similarly wide range of sizes and other ERMP characteristics so that complex data alignments can be minimized and assumptions regarding ecologically relevant dose metrics (ERMs) can be validated
Análisis de ciclo de vida en la transición de la Economía Circular. Caso de estudio: El reciclaje en la tecnología de membrana
No full textLa Osmosis Inversa (OI) es la tecnología más extendida para la desalinización. OI es una tecnología de membrana. No obstante, esta tecnología tiene algunos problemas ambientales, como el uso de energía, la eliminación de salmuera y la generación de módulos de membrana de ósmosis inversa al final de su vida útil. Por ello, se ha investigado en el desarrollo de soluciones técnicas. Entre otros, cabe destacar los esfuerzos en la transición hacia la circularidad de esta tecnología a través de la innovación en alternativas de reciclaje. Las novedades de estos últimos años provienen de novedosos resultados a escala piloto de reciclado en nanofiltración (NF) y ultrafiltración (UF), y la segunda generación de reciclado indirecto que incluye el reciclado en osmosis directa (OD), que ha sido probado a escala de laboratorio. No obstante, existe una brecha de conocimiento sobre las implicaciones ambientales y económicas de estas tecnologías. La presente tesis tiene como objetivo actualizar y completar la comprensión del reciclaje directo en NF, UF y OD. Para garantizar la protección del medio ambiente y prevenir el impacto de la transición a la Economía Circular y alineada con la Directiva Marco de Residuos (2008/98/CE), se ha señalado como herramienta más adecuada la aplicación del Análisis de Ciclo de Vida (ACV). Por lo tanto, la presente tesis aplica el ACV y otras evaluaciones económicas a diferentes avances en la investigación del reciclaje OI al final de la vida útil. Eso es, la selección de pilotos de reciclaje, la integración de la variabilidad de los residuos, la definición y análisis de la cadena de suministro y una evaluación holística con una perspectiva de ciclo de vida del reciclaje en NF y OD. Además, se realizó una primera evaluación del reciclaje emergente en OD. En cuanto a las novedades metodológicas, cabe destacar el desarrollo de indicadores basados en resultados de ACV para salvar los vacios de datos y la incertidumbre de las tecnologías con bajos niveles de madureza tecnológica. Los resultados muestran que las tres tecnologías de reciclaje, reciclaje directo en NF y UF; y el reciclaje indirecto en OD tienen un impacto potencial bajo en el medio ambiente. Además, en la mayoría de los casos, se ha identificado que tienen un impacto menor que sus homologos comerciales. No obstante, los puntos críticos y otras barreras tecnológicas podrían complicar los ahorros ambientales potenciales del reciclaje. Es por ello que se han identificado los puntos donde aún se necesita algo de investigación o definición del proceso como en el caso de la caracterización de los módulos de OI desechados. Finalmente, la presente tesis define los criterios, indicadores y metodologías para continuar la investigación y el desarrollo mejorando la protección ambiental y la viabilidad económica de las tecnologías aquí estudiadas
Electromicrobial strategies for sustainable growth of purple phototrophic bacteria
No full textEl impacto de la actividad humana en el medio ambiente ha llevado al planeta a una situación de emergencia climática. La concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera junto con la contaminación de ambientes naturales tiene enormes consecuencias como las intensas sequías, escasez de agua, incendios, incremento del nivel del mar, tormentas catastróficas y reducción de la biodiversidad. Esta situación requiere un cambio drástico en el modelo de consumo y producción. El sector alimentario es responsable de aproximadamente un 25% de las emisiones de gases de efecto invernadero. Los hábitos de consumo están cambiando, según Boston Consulting Group (BCG), los modelos de predicción señalan que las fuentes alternativas de proteínas representarán entre el 11% y el 22% del consumo de éstas en 2035. Por lo tanto, la búsqueda de nuevas fuentes de proteína es crucial. Las bacterias fotótrofas rojas, los microorganismos más versátiles de la tierra, se han propuesto como posible fuente alternativa de proteína. Su principal limitación en el mercado es el precio de los compuestos químicos como sustratos utilizados para su cultivo, que representan un alto porcentaje del precio de venta del producto. Por lo tanto, el uso de sustratos alternativos permitiría su implantación en el mercado. En esta tesis se han explorado dos sustratos alternativos en los que los electrodos son protagonistas: la corriente eléctrica y el agua residual. En el uso de corriente eléctrica como sustrato investigamos como un electrodo actúa como donador de electrones para el cultivo de un consorcio bacteriano dominado por bacterias fotótrofas rojas (Capítulo 2). El uso del segundo sustrato, agua residual de la industria cervecera, se hará en combinación con electrodos como herramienta de control metabólico de las bacterias fotótrofas rojas (Capítulo 3 y 4). La memoria de esta tesis se organiza en cinco capítulos. En el Capítulo 1 se resume el estado del arte de la electromicrobiolgía, con especial atención a la biología de las bacterias fotótrofas rojas y su interacción con electrodos. Los capítulos del 2 al 4 recogen los resultados de investigación. Finalmente, en el capítulo 5 se discuten los resultados y se comparan con los estudios previos. Estos microorganismos pueden utilizar electrodos como donador de electrones de la misma forma que utilizan minerales insolubles como el hierro (Capítulo 2). La fijación de carbono asociada a los electrones procedentes un electrodo permite utilizar la electricidad y el dióxido de carbono como sustrato para cultivar bacterias fotótrofas rojas. El electrodo, actuando como cátodo (-0.6 V vs. Ag/AgCl) sirve para cultivar un consorcio bacteriano dominado por estos microorganismos. Los análisis electroquímicos y el estudio de la comunidad microbiana apuntan a que el género Rhodopseudomonas, una bacteria fotótrofa roja, es el actor principal en la interacción con el electrodo, mediando entre éste y el resto de la comunidad de microorganismos. Utilizar el agua residual como sustrato es más un servicio que un gasto, ya que muchas industrias necesitan tratar sus efluentes para ajustarse a la legislación. Además, utilizar un residuo como son las aguas contaminadas por la industria para generar un producto tiene un impacto ambiental muy positivo. Aunque el agua residual se ha utilizado como sustrato para cultivar bacterias fotótrofas rojas, la composición del agua determina el comportamiento metabólico de los microorganismos. El electrodo, tanto actuando como donador como aceptor de electrones, puede ayudar a controlar el metabolismo bacteriano, “domesticando” las bacterias fotótrofas rojas. Las bacterias fotótrofas rojas cultivadas con polarización anódica duplican la eficacia del tratamiento de agua residual de la industria cervecera con respecto al tratamiento sin polarización. Además, la producción de biomasa se triplica con respecto al tratamiento con microorganismos no fotosintéticos (Capítulo 3). El electrodo minimiza o elimina completamente la producción de metano en el reactor. En cuanto a la ecología microbiana, los géneros de bacterias fotótrofas rojas electroactivas Rhodopseudomonas y Rhodobacter predominan cuando se utiliza de forma simultanea polarización e iluminación. El electrodo actuando como cátodo, sirve como fuente adicional de electrones en el cultivo de bacterias fotótrofas rojas (Capítulo 4), lo cuál activa las rutas “sumideros de electrones”, en concreto la fijación de carbono y, en consecuencia, se maximiza la producción de biomasa. De hecho el rendimiento celular de las PPB se vio incrementado entre tres y siete veces durante el tratamiento de agua residual de la industria cervecera en presencia de polarización catódica. Finalmente, el Capítulo 5 recoge la discusión de los resultados experimentales de esta tesis, poniendo sus implicaciones en contexto. Además, se presentan algunas ideas para acercar la tecnología al mercado