Groundwater (GW) accounting for most of the freshwater available around the World, finding sustainable techniques to depollute it is of crucial importance for safe drinking water supply. The extensive use of fertilizers in the agriculture, as well as other anthropogenic activities, are contributing to the excessive nitrate levels in some aquifers. These levels need to be reduced to obtain potable water. Bioelectrochemical systems (BES), using microorganisms to catalyze a desired electrochemical reaction, recently proved to be a very promising technology for water remediation. Groundwater denitrification using Microbial Electrolysis Cell (MEC) needs to be improved for further scaled-up on-site system. The advantages conferred by fluidized bed reactor (FBR), as well as the outstanding electrochemical properties of reduced graphene oxide (rGO), are two potential enhancements of such bioelectrochemical denitrification system that were investigated in this thesis. Some essential parameters could be determined during the preliminary steps' experiments. The fluidization trials gave us a clear insight that Coconut-based Activated Carbon (CAC) particles were resistant carrier particles, nicely fluidized within a 39.27cm3 circular cathodic chamber for a flow rate ranging between 450ml/min to 590ml/min. For the same flow rate of 500ml/min, we could obtain CAC particles fluidization for the upstream fluidized configuration, and still bed particles for the fixed bed downstream configuration, which would be very useful for later unbiased comparison. The denitrifying bacteria showed during their enrichment, a nitrate removal rate of up to 1.986ppm NO3-N/h in serum bottles, with an average of 0.38ppm NO2-N/h accumulation. The parallel running of fixed bed versus fluidized bed denitrifying reactor in order to compare their denitrification performances, was planned, but could not be performed due to COVID-19. The graphene oxide (GO) batch experiments showed a good biocompatibility between GO/rGO and our autotrophic denitrifying bacteria. A change of morphology within about 20 hours was observed, probably suggesting the reduction of GO to rGO by the bacteria. During a first test, the presence of GO led to a 2.7 folds less efficient denitrification performance as compared with the GO/rGO-free condition, likely due to the competition between nitrate and GO for being reduced. However, the denitrification rate in presence of GO/rGO increased up to 1.873ppm NO3-N/h after the second pulse of groundwater and flush with H2/CO2 gas, which is almost 2.3 folds higher than initially in the same condition. This suggests that GO needs some time to get fully reduced to rGO, and the denitrification rate might reach the same or higher levels as in the GO/rGO-free conditions, when GO is fully reduced. Improved denitrification would indicate that rGO facilitates the electron transfer between bacteria and nitrate, as it can be expected from its electrochemical properties previously studied. This would be worth being investigated in the scope of a longer experience. / Grundvatten (GW) som står för det mesta av det sötvatten som finns tillgängligt runt om i världen och att hitta hållbara tekniker för att förorena det är av avgörande betydelse för en trygg dricksvattenförsörjning. Den omfattande användningen av gödselmedel i jordbruket, liksom andra antropogena aktiviteter, bidrar till de överdrivna nitratnivåerna i vissa vattenfiskare. Dessa nivåer måste sänkas för att erhålla dricksvatten. Bioelektrokemiska system (BES), med användning av mikroorganismer för att katalysera en önskad elektrokemisk reaktion, visade sig nyligen vara en mycket lovande teknik för sanering av vatten. Grundvatten denitrifikation med hjälp av Microbial Electrolysis Cell (MEC) måste förbättras för att ytterligare skala upp systemet på plats. Fördelarna med fluidiserad bäddreaktor (FBR) såväl som de enastående elektrokemiska egenskaperna hos reducerad grafenoxid (rGO) är två potentiella förbättringar av ett sådant bioelektrokemiskt denitrifikationssystem som undersöktes i denna avhandling. Vissa väsentliga parametrar kan bestämmas under de preliminära stegens experiment. Fluidiseringsstudierna gav oss en klar insikt om att kokosnötbaserade aktiverade kolpartiklar (CAC) -partiklar var resistenta bärarpartiklar, trevligt fluidiserade i en cirkulär katodisk kammare på 39,27 cm3 för en flödeshastighet mellan 450ml/min till 590ml/min. För samma flödeshastighet på 500ml/min kunde vi få CAC-partikelfluidisering för uppströms fluidiserad konfiguration och stillbäddspartiklar för den fixerade bädden nedströms konfiguration, vilket skulle vara mycket användbart för senare opartisk jämförelse. De denriffriserande bakterierna visade under deras anrikning en nitratborttagningshastighet av upp till 1,986 ppm NO3-N/h i serumflaskor, med ett genomsnitt på 0,38 ppm NO2-N / h ackumulering. Den parallella körningen av denitrifierande reaktorn med fast bädd kontra fluidiserad bädd för att jämföra deras denitrifikationsprestanda planerades, men kunde inte utföras på grund av COVID-19. Diagramexperimenten av grafenoxid (GO) visade en god biokompatibilitet mellan GO/rGO och våra autotrofiska denitrifierande bakterier. En förändring av morfologin inom cirka 20 timmar observerades, vilket antagligen antydde att bakterierna minskade GO till rGO. Under ett första test ledde närvaron av GO till 2,7 gånger mindre effektiv denitrifikationsprestanda jämfört med GO/rGO-fritt tillstånd, troligtvis på grund av konkurrensen mellan nitrat och GO för att ha minskat. Denitrifikationsgraden i närvaro av GO/rGO ökade emellertid upp till 1,873 ppm NO3-N/h efter den andra grundvattenspulsen och spolades med H2/CO2-gas, vilket är nästan 2,3 gånger högre än ursprungligen i samma tillstånd. Detta antyder att GO behöver lite tid för att helt reduceras till rGO, och denitrifikationsgraden kan nå samma eller högre nivåer som i GO/rGO-fria förhållanden, när GO är helt reducerad. Förbättrad denitrifikation skulle indikera att rGO underlättar elektronöverföring mellan bakterier och nitrat, som det kan förväntas av dess elektrokemiska egenskaper som tidigare studerats. Detta skulle vara värt att undersökas inom ramen för en längre upplevelse.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-278589 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Bonin, Lena |
| Publisher | KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2020:134 |
Page generated in 0.0031 seconds