Dynamic Modeling and Intermittent Operation of a Flow-Through Microbial Electrolysis Cell

La pile microbienne électrolytique (MEC) représente une nouvelle technologie qui peut être appliquée pour le traitement des eaux usées combiné avec la production d'hydrogène ou de biogaz. La MEC est un dispositif bioélectrochimique, qui contient une anode et une cathode connectées à une alimentation externe. La modélisation dynamique et l'optimisation de réacteurs basés sur une MEC représentent plusieurs défis. Cette thèse commence par la présentation de la MEC de type « circuit équivalent électrique » (EEC), qui fournit un outil pour la surveillance en temps réel et permet l'estimation des paramètres de la MEC. Lors du traitement des eaux usées, une surveillance en continue des MEC est essentielle pour assurer des performances adéquates, et à cet égard, le modèle EEC le permet. Le modèle EEC de base implique deux résistances (R0 décrivant les pertes ohmiques et R1 les pertes d'activation) connectées en série avec la force électromotrice interne (FEI). De plus, la croissance du biofilm est représentée par la capacitance (C) connectée en parallèle avec R1. Ses paramètres électriques internes peuvent être estimés numériquement en minimisant la différence entre le courant théorique et mesuré de la MEC. De plus, les mêmes paramètres peuvent être estimés en utilisant une solution analytique du modèle EEC. Dans ce cas, la MEC doit être utilisée pendant une courte période (par exemple 1 à 2 minutes) avec une connexion intermittente de l'alimentation électrique. Une telle connexion est effectuée à des fréquences hautes et basses pour estimer R0 (à haute fréquence) et R1 et C (à basse fréquence). De plus, la FEI est estimée par la MEC dans des conditions de circuit ouvert. Pour démontrer l'approche proposée, des expériences ont été effectuées avec plusieurs concentrations de sources de carbone entrantes. Les paramètres électriques internes de la MEC ont été estimés à des intervalles de 6h. Le modèle EEC a permis de décrire avec succès la dynamique électrique de la MEC et de suivre les changements des paramètres électriques. Grâce à la simplicité du modèle, il peut être utilisé pour développer un système de surveillance et de diagnostic des MEC en temps réel. Un tel système de suivi en continu pourrait être essentiel au bon fonctionnement des systèmes de traitement des eaux usées à grande échelle basés sur les MEC. Les paramètres du modèle EEC fournissent un aperçu des performances des MEC soumises à diverses perturbations en temps réel. Cette thèse présente des résultats pour la surveillance en temps réel de MEC avec différentes concentrations influentes. Avec l'augmentation de la concentration de l'influent, il y a une diminution subséquente de la résistance interne de la MEC et une augmentation de la C interne. La thèse explique également en détail les performances à long terme de MEC sous connexion intermittente de l'alimentation électrique (mode marche/arrêt). Cette étude décrit une nouvelle approche pour atteindre une performance stable à long terme et maximiser l'élimination de la demande chimique en oxygène (DCO) dans une MEC. Dans l'approche proposée, la tension appliquée sur la MEC est périodiquement déconnectée, par exemple à une fréquence de 0,1 à 0,5 Hz et un rapport cyclique de 90 à 95%. Pour évaluer l'impact d'une telle intermittence de tension sur les performances de la MEC, des expériences ont été réalisées avec deux MEC à écoulement continu avec des électrodes de charbon activé granulaire. La stratégie d'exploitation d'une connexion intermittente a été appliquée à une MEC, tandis que l'autre a fonctionné à une tension fixe (MEC de contrôle). Un fonctionnement intermittent à long terme a entraîné une augmentation progressive de l'efficacité d'élimination de la DCO et du courant de la MEC avec le temps, tandis que la MEC de contrôle a montré des performances inférieures. De plus, en changeant la stratégie d'exploitation et en appliquant une connexion intermittente à la MEC de contrôle, ses performances ont été considérablement améliorées. L'amélioration des performances pendant la phase intermittente a été confirmée par la surveillance en continu de la résistance interne et de la C des MEC. Le mode de fonctionnement intermittent proposé peut être utilisé pour développer un système de traitement des eaux usées à haut débit basé sur les MEC. Un modèle bioélectrochimique dynamique d'une MEC, dont les compartiments anodiques et cathodiques sont connectés en série, est également présenté dans cette thèse. Le modèle peut être utilisé pour estimer le courant circulant dans la MEC et la concentration du substrat de l'effluent. Les paramètres du modèle sont obtenus par une procédure d'estimation des paramètres numériques. Les résultats de la simulation correspondent assez bien aux données expérimentales. La thèse comprend également un modèle de biofilm une dimension (1D), qui décrit les changements de distribution de la source de carbone dans le biofilm électrochimiquement actif à l'anode. Le modèle est capable de prédire le courant obtenu dans une MEC ayant une tension intermittente.

Abstract

Microbial electrolysis cell (MEC) represents a novel technology that can be applied for wastewater treatment combined with hydrogen or biogas production. MEC is a bioelectrochemical device, which houses anode and cathode connected to an external power supply. Dynamic modeling and optimization of a MEC-based reactor faces several challenges. This thesis starts from presenting an equivalent electrical circuit (EEC) model of MEC, which provides a tool for online monitoring and parameter estimation of MEC. When treating wastewaters, continuous MEC monitoring is essential to ensure adequate performance, with this regard, the electrical equivalent circuit (EEC) model enables on-line parameter estimation and monitoring of a continuous flow MEC. Such simple EEC model involves two resistances (describing ohmic losses, R0, and activation losses, R1) connected in series with internal electromotive force (EMF). Also, biofilm growth is represented by capacitance (C) connected in parallel with R1. These internal electrical parameters can be estimated numerically by minimizing the difference between the measured and predicted MEC current. Also, the same parameters can be estimated using an analytical solution of the EEC model. In this case, the MEC needs to be operated for a short time (e.g. 1-2 min) with intermittent connection to the power supply. Such intermittent connection is performed at high and low frequencies to estimate R0 (at high frequency) and R1 and C (at low frequency). Also, EMF is estimated by MEC under open circuit conditions. To demonstrate the proposed approach, experiments were carried out at several influent carbon source concentrations. MEC internal electrical parameters were estimated at 6h intervals. The EEC model successfully described electrical dynamics of the MEC and tracked changes in electrical parameters. Owing to the model simplicity, it can be used to develop a real-time MEC monitoring and diagnostics system. Such an on-line tracking system might be essential for successful operation of large scale MEC-based wastewater treatment systems. EEC model parameters provide an insight of MEC performance subjected to various perturbations in real time. This thesis presents results for online monitoring of MEC with different strength of influent concentrations. With the increase in influent concentration there is a subsequent decrease in internal resistance of MEC and increase in internal capacitance. Furthermore, the thesis also explains in detail long term performance of MEC under intermittent connection/disconnection of power supply. This study describes a new approach for achieving stable long-term performance and maximizing removal of chemical oxygen demand (COD) in a Microbial Electrolysis Cell (MEC). In the proposed approach, the MEC applied voltage is periodically disconnected, e.g. at a frequency of 0.1 – 0.5 Hz and a duty cycle of 90-95%. To evaluate the impact of such periodic voltage disconnection (on/off mode) on MEC performance, experiments were carried out in two flow-through MECs with activated granular carbon electrodes. The on/off operating strategy was applied to one MEC, while the other one was operated at a fixed voltage (control MEC). Long-term on/off operation resulted in progressive increase in COD removal efficiency and MEC current over time, while the control MEC showed inferior performance. Furthermore, by changing the operating strategies and applying the on/off strategy to the control MEC, its performance was significantly improved. Performance improvement during on/off operation was confirmed by on-line monitoring of MFC internal resistance and capacitance. The proposed on/off mode of operation can be used to develop a high-rate MEC-based wastewater treatment system. Dynamic bioelectrochemical model of MEC, which considers anodic and cathodic compartments connected in series, is also presented in this thesis. The model can be used to estimate current flowing through the MEC and effluent substrate concentration. Model parameters are estimated by numerical parameter estimation procedure. The simulation results provide a fairly good fit with the experimental data. Thesis also includes 1D biofilm model, which describes changes in carbon source distribution in the electrochemically active biofilm at anode under on/off operation of power supply. The model is able to predict current flowing through the MEC with periodic applied voltage.