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Dynamic Modeling, Monitoring and Control of Staged Microbial Fuel Cells

Didac Recio Garrido

Ph.D. thesis (2016)

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Human development is intricately linked to both energy and water availability. Increasing demands for energy production require vast amounts of water consumption. At the same time, significant amounts of energy are required for wastewater treatment. With this respect, microbial fuel cells (MFCs), which are capable of direct electricity production from diluted organic wastes, present an excellent opportunity to develop a novel wastewater treatment technology that could contribute to resolving this dilemma.MFCs' versatility to operate using a wide variety of industrial and domestic wastewaters arises from their biofilm biocatalytic activity. Anaerobic exoelectricigenic bacteria that populate the anodic compartment, transfer electrons derived from the oxidation of organic matter to an external electron acceptor, the anode.When feeding MFCs with wastewater, electricity is recovered from the consumption of the organic matter in the anodic compartment, thus resulting in an energy-producing wastewater treatment process.
Several recent studies demonstrated significant charge storage capacity in electrochemical biofilms. For instance, MFC operation with pulse-width modulated (PWM) or intermittent connection of the external resistance demonstrated that internal capacitance of anodic biofilms leads to complex non-linear behavior. Such behavior combines fast charge/discharge dynamics, i.e., with time constants in the order of milliseconds, with much slower dynamics of microbial biofilm growth and decay, i.e. with time constants in the order of hours to days. Already existent electrical equivalent circuit (EEC) models describe fast electrical dynamics of the anodic biofilm and bioelectrochemical models describe slow biomass growth and substrate consumption dynamics. However, none is able to describe the combined complex dynamics. Meanwhile, novel power management methods exploit such internal MFC capacitance to overcome the significant power losses caused by a mismatch between the external and internal resistances. Yet, there is an obvious lack of control strategies capable of addressing the multi-scale dynamics linked to the dual biological and electrical nature of MFCs. Presumably, one of the reasons involves the difficulty of real time measurements of the effluent substrate concentration.
Aiming to evaluate the impact of charge storage on MFC performance, the first contribution of this thesis consists in the development of a combined bioelectrochemical–electrical (CBE) model of an MFC. In addition to charge storage, the CBE model is able to describe the multi-scale nonlinear
dynamics of MFCs by merging mass and electron balances with equations describing an equivalent electrical circuit. Experimental validation and parameter estimation were performed using results of MFC operation with PWM connection of the external resistance. The CBE model shows an acceptable accuracy when describing both fast and slow dynamic behavior observed in the electric voltage produced by the MFC, while also being able to adequately predict the output substrate concentration. Furthermore, the CBE model is used to qualitatively study the effect of duty cycle and switching frequency on MFC performance. Increasing
the switching frequency favors the exoelectricigenic over the methanogenic population for higher values of the apparent external resistance. Thus, maximum power presents a plateau ranging from 100 % to lower duty cycles (around 90 %) which corroborates the positive effect of the intermittent operation of the external resistance on the electricity production even during mismatch with the internal resistance value.
The second contribution of this PhD thesis is the development of strategies for MFC effluent quality monitoring from the real time measurement of the electrical variables. A first approach simplifies the CBE model to a single equation that incorporates the electric current as an input into the substrate mass balance. This dynamic approach is valid in the whole range of effluent concentrations and requires the estimation of a single parameter relating the current produced to the rate of substrate consumed. Yet, it requires for the influent substrate concentration to be known. The second approach overcomes such limitation by describing the electric current as a function of the effluent substrate concentration. Kinetics of the CBE model suggest a Monod expression with the addition of a limiting term at low effluent concentrations. In this case, three parameters need to be estimated and therefore, it necessitates information from historical records. Approximations at low effluent concentrations are also suggested that only require the estimation of a single parameter. Unfortunately, because all the strategies are based on open-loop estimations, convergence to the true value is not guaranteed.
Finally, the third contribution of this thesis proposes a centralized control configuration suitable for effluent quality control in two staged MFCs. Reactor staging is a technique widely used in the context of wastewater treatment. It is used to increase carbon source consumption rates and reduce carbon source limitations related to microbial kinetics. The centralized control configuration consists of a PID to control the flow rate and an ON/OFF controller to adjust the connection of the external resistance in the first MFC. A comparison is made with a decentralized control configuration that uses PIDs in cascade for the control of the flow rate. In both cases, the electrical
operation of the staged MFCs is kept independent between the cells. Experimental results show a big overshoot in the manipulated flow rate when using the decentralized cascade PIDs. Meanwhile simulations of the centralized PID-ON/OFF control configuration result in a quicker flow rate control with no overshoot and the ability to cope with disturbances in the influent concentration whilst keeping the effluent concentration within acceptable tolerances. Basically, the ON/OFF controller uses the external resistance as an electrical equivalent to hydraulically bypassing the first cell when substrate deplete conditions occur in the second cell.


Le développement humain est étroitement lié à la disponibilité d'énergie et, dans la même mesure, d'eau. La demande croissante de la production d'énergie consomme de grandes quantités d'eau, ainsi des quantités importantes d'énergie sont nécessaires pour le traitement des eaux usées. En prenant en considération le fait que les piles à combustible microbiennes (PCMs) sont capables de la production directe d'électricité à partir de déchets organiques dilués, elles présentent une excellente occasion pour développer une nouvelle technologie de traitement des eaux usées qui pourrait contribuer à résoudre ce dilemme. La polyvalence des PCMs pour fonctionner en utilisant une grande variété d'eaux usées industrielles et domestiques résulte de l'activité biocatalytique de leur biofilm. Les bactéries anaérobies électricigènes qui peuplent le compartiment anodique, transfèrent des électrons issus de l'oxydation de la matière organique à un accepteur d'électrons externe, l'anode. Lorsqu'on alimente les PCMs avec les eaux usées, l'électricité est récupérée à partir de la consommation de la matière organique dans le compartiment anodique, conduisant ainsi à un processus de traitement des eaux usées qui produit de l'énergie.
Plusieurs études récentes ont démontré la grande capacité de stockage de charge dans les biofilms électrochimiques. Par exemple, le fonctionnement des PCMs avec modulation de la période de pulsation (pulse width modulation: PWM) ou d'une connexion intermittente de la résistance externe ont démontré que la capacité interne de biofilms anodiques conduit à un comportement non-linéaire complexe, qui combine charge/décharge avec une dynamique rapide, c'est-à-dire, avec des constantes de temps dans l'ordre de quelques millisecondes, avec une dynamique beaucoup plus lente de la croissance et de la décomposition du biofilm microbien, c'est-à-dire, avec des constantes de temps de l'ordre d'heures à quelques jours. Deux modèles déjà existants, dont les circuits électriques équivalents (CEE) décrivent la dynamique rapide électrique du biofilm anodique et dont les modèles bioélectrochimiques décrivent la dynamique lente de croissance de la biomasse et de la consommation de substrat. Cependant, aucun ne décrit les dynamiques complexes combinés causées par l'opération électrique intermittente. Des nouvelles méthodes de gestion de la puissance exploitent la capacité interne des PCMs de surmonter les pertes de puissance importantes causées par une inadéquation entre les résistances internes et externes. Pourtant, il y a un manque évident de stratégies de contrôle capables de répondre aux dynamiques multi-échelles liées à la double
nature biologique et électrique des PCMs. On peut toutefois supposer que l'un des motifs implique l'absence de mesures en temps réel de la concentration du substrat dans l'effluent.
Visant à évaluer l'impact du stockage de charge sur la performance des PCMs, la première contribution de cette thèse consiste au développement d'un modèle combiné bioélectrochimique-électrique (CBE) d'une PCM. En plus de décrire le stockage de la charge, le modèle CBE est aussi en mesure de décrire la dynamique multi-échelles non linéaire des PCMs en fusionnant des bilans de masse et d'électrons avec des équations décrivant un circuit électrique équivalent. La validation expérimentale et l'estimation des paramètres ont été effectuées en utilisant les résultats d'opération des PCMs avec une connexion PWM de la résistance externe. Le modèle CBE montre une précision acceptable pour décrire le comportement dynamique rapide et lent qui est observée dans la tension électrique produite par la PCM, tout en étant capable de prédire de manière adéquate la concentration du substrat à la sortie du réacteur. En outre, le modèle CBE est utilisé pour étudier qualitativement l'effet du cycle de service et la fréquence de commutation sur la performance des PCMs. L'augmentation de la fréquence de commutation du PWM favorise la population des bactéries électricigènes sur les méthanogènes pour des valeurs plus élevées de la résistance externe apparente. Ainsi, la puissance maximale présente un plateau allant de 100% à des valeurs du rapport cyclique inférieurs (environ 90%) ce qui confirme l'effet positif du fonctionnement intermittent de la résistance extérieure à la production d'électricité, même pendant des écarts avec la valeur de la résistance interne.
La deuxième contribution de cette thèse est le développement de stratégies pour la surveillance de la qualité de l'effluent à partir de la mesure en temps réel des variables électriques. Une première approche consiste à simplifier le modèle CBE à une seule équation qui intègre le courant électrique comme une entrée dans le bilan de masse du substrat. Cette approche dynamique est valable dans toute la gamme des concentrations de l'effluent et nécessite l'estimation d'un seul paramètre qui relie le courant produit à la vitesse de substrat consommé. Pourtant, il faut que la concentration du substrat à l'entrée du réacteur soit connue. La seconde approche permet de surmonter cette limitation en décrivant le courant électrique en fonction de la concentration du substrat de l'effluent. La cinétique du modèle CBE suggère une expression type Monod avec l'ajout d'un terme limitant à des faibles concentrations de substrat dans l'effluent. Dans ce cas, trois paramètres doivent être estimés ce qui nécessite des mesures historiques. Des approximations à des faibles concentrations de l'effluent qui nécessitent l'estimation d'un seul paramètre sont également suggérées.
Malheureusement, puisque toutes les stratégies sont basées sur des estimations en boucle ouverte, la convergence à la valeur réelle n'est pas garantie.
Enfin, la troisième contribution de cette thèse propose une configuration de contrôle centralisé adapté pour le contrôle de la qualité des effluents en deux PCMs en série. La configuration des réacteurs en série est une technique largement répandue dans le cadre du traitement des eaux usées. Elle est utilisée pour augmenter les taux de consommation de la source de carbone et réduire les limitations de source de carbone liées à la cinétique microbienne. La commande centralisée proposée est constituée d'un régulateur PID pour commander le débit d'écoulement, et un dispositif de commande ON/OFF pour ajuster la connexion de la résistance externe de la première PCM. La comparaison avec une configuration de contrôle décentralisé qui utilise PIDs en cascade pour le contrôle du débit est aussi montrée. Dans les deux cas, l'opération électrique des PCMs en série est maintenue indépendante entre les cellules. Les résultats expérimentaux montrent un grand dépassement dans le débit manipulé lors de l'utilisation des PIDs en cascade décentralisées. En comparaison, les simulations du PID avec ON/OFF de la configuration de contrôle centralisé montrent un contrôle du débit plus rapide et sans dépassement, tout en étant capable de faire face à des perturbations dans la concentration à l'entrée du réacteur. De plus, la concentration du substrat dans l'effluent est maintenu dans des tolérances acceptables. Fondamentalement, le dispositif de commande ON/OFF utilise la résistance externe comme un équivalent électrique pour contourner hydrauliquement le premier réacteur lorsque des conditions de substrat sont trop faibles dans le deuxième réacteur.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie chimique
Academic/Research Directors: Michel Perrier, Boris Tartakovsky
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2356/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 09 May 2017 13:19
Last Modified: 19 Apr 2023 15:47
Cite in APA 7: Recio Garrido, D. (2016). Dynamic Modeling, Monitoring and Control of Staged Microbial Fuel Cells [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/2356/


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