Generación de energía eléctrica a partir del proceso de reducción de sulfato de un reactor UASB

Abstract

RESUMEN:

El sulfuro de hidrógeno (H2S) biogénico es un producto del metabolismo de las bacterias sulfato reductoras (BSR) que se ha utilizado en diferentes aplicaciones biotecnológicas como en la recuperación de metales. Por otra parte, investigaciones recientes sugieren la posibilidad de emplear este compuesto para la generación de energía eléctrica en celdas de combustible microbianas (CCM). El objetivo general de este trabajo fue generar energía eléctrica a partir del proceso de reducción de sulfato en un reactor UASB adaptado a configuración de celda. Para esto, se empleó como inóculo un cultivo mixto derivado de una mezcla de 200 g de sedimento marino y 100 g de lodo sulfurogénico. Éste se mantuvo en pre cultivo para la adaptación de los microorganismos al medio con AGV y sulfato. Posteriormente, el inóculo se transfirió a un reactor UASB para la obtención de biomasa con mayor actividad sulfato reductora. El reactor se alimentó con agua residual sintética empleando una mezcla de acetato, propionato y butirato como donador de electrones (4.02 g DQO/L) y sulfato (6 g/L) como aceptor de electrones y se operó en lote alimentado con recirculación. Posteriormente, el inóculo adaptado se transfirió a un reactor UASB acoplado a configuración de celda donde se determinó la generación de energía eléctrica a partir del proceso de sulfato reducción. La operación del reactor UASB-celda a circuito abierto arrojó un voltaje de 0.643 ± 0.07 V, con un porcentaje de error del 11.7% respecto al potencial calculado teóricamente con las reacciones de óxido-reducción en el ánodo y el cátodo, y que entra dentro del rango de voltaje alcanzado en estudios anteriores. Por otra parte, el sistema presentó una eficiencia coulómbica del 0.02% utilizando una resistencia externa de 6,000 Ω en el circuito, ya que ésta arrojo una mayor densidad de potencia y corriente (64.2 μW/m2, 0.47 μA/m22) con respecto a la curva de polarización y potencia. De igual manera, en el sistema se logró una remoción de los sustratos del 100% y se observó que la sulfato reducción en la parte anaerobia de la celda, juega un papel tanto para la oxidación de los sustratos como para la transferencia de los electrones hacía el ánodo, lo cual es una buena pauta para utilizar este sistema en la remediación de aguas residuales que contengan residuos orgánicos e inorgánicos como el SO42-.

ABSTRACT:

Biogenic sulfide (H2S) is obtained as a product in the metabolism of sulfate reducing bacteria (SRB). This may be a valuable product due to its applications in biotechnology such as for example the precipitation of heavy metals found in several waste water streams coming from industrial effluents. Along the same lines, recent research suggests that this compound may be used in the generation of electricity in microbial fuel cells (MFC). The goal of this work was to generate electricity from the sulfate reduction process carried out in a UASB (Upflow anaerobic sludge blanket) reactor adapted to a microbial fuel cell configuration. In order to carry out the experimental work, the inoculum was a mixture of marine sediment (200 g) and sulfidogenic sludge (100 g) previously generated from marine sediments. This inoculum was acclimated to sulfate reducing conditions in a culture medium supplemented with VFA and sulfate. After acclimation it was transferred to a UASB reactor to increase the biomass and sulfate reducing activity (SRA). The reactor was fed with artificial waste water in which a mixture of acetate, propionate and butyrate were the substrates. (4.02 g COD/L) and sulfate as electron acceptor (6 g/L). The reactor was operated in batch mode with recirculation. Afterwards the acclimated inoculum was transferred to a UASB coupled to a MFC configuration in which the generation of electricity was determined from the sulfate reduction process. The open circuit operation of the UASB-Cell exhibited a voltage of 0.643 ± 0.07 V, which was very close to the value estimated theoretically with the reactions in the anode and cathode. The largest power density and current were obtained with the external resistances of 14,000 Ω (89.5 μW/m2, 0.35 μA/m22) y 6,000 Ω (64.2 μW/m2, 0.47 μA/m22). The coulombic efficiency obtained in the system was of 0.02% along with a 100 % removal of the substrates utilized with an external resistance of 6,000 Ω. It was proved that the sulfate reduction reaction plays and important role in both, the oxidation of the substrates and the electrons transfer to the anode.