Design of hybrid nano-engineered bioprocesses for wastewater treatment

Abstract

Freshwater scarcity is a growing concern, prompting the exploration of water reuse strategies. Anaerobic wastewater treatment is gaining popularity due to its low energy requirements and the potential for resource recovery. However, its application in water reuse schemes is limited by slow interspecies electron transfer, hindering the degradation of organic materials. Additionally, the presence of organic micropollutants (OMPs) - persistent pollutants with unknown long-term effects - further complicates anaerobic treatment for water reuse.

This thesis proposes a solution to overcome these challenges by introducing low-cost, conductive nanomaterials, specifically graphene oxide (GO), to enhance electron transfer and organic material degradation in anaerobic biological treatment. The research objectives include a comprehensive evaluation of previous studies on anaerobic biological systems amended with graphene-based materials, assessing the impact of GO on OMP removal and methane production through batch assays, and evaluating the effects of GO addition in long-term degradation kinetics experiments.

The results demonstrate the bioreduction of GO to biologically reduced graphene oxide (bioRGO) within 24 hours using a mixed anaerobic inoculum. However, GO addition did not significantly improve the removal of selected OMPs but inhibited the formation of their transformation products. GO also caused biogas inhibition at higher concentrations. Nonetheless, further experiments using fed-batch strategies revealed that inhibitory effects on methane production were only temporary. After such initial inhibited phase, significant improvements in degradation kinetics with GO concentrations above 10 mgGO/gVS were observed.

The thesis concludes that the combination of anaerobic biological treatment and GO is promising for continuously operating systems, but further research is necessary. Life cycle assessments of GO should be conducted to prevent environmental release, and the long-term effects on microbial communities and a more comprehensive range of OMPs and their transformation products should be investigated. Future hybrid nano-engineered bioprocesses should consider these aspects to develop continuously operated configurations capable of retaining GO while ensuring sustainable and effective anaerobic wastewater treatment for water reuse

L'escassetat d'aigua dolça és una preocupació creixent, que impulsa l'exploració d'estratègies de reutilització de l'aigua. El tractament de les aigües residuals anaeròbies està guanyant popularitat a causa de les seves baixes necessitats energètiques i el potencial de recuperació de recursos. No obstant això, la seva aplicació en esquemes de reutilització de l'aigua està limitada per la lenta transferència d'electrons entre espècies, que dificulta la degradació de materials orgànics. A més, la presència de micropolluents orgànics (OMPs) - contaminants persistents amb efectes desconeguts a llarg termini - complica encara més el tractament anaeròbi per a la reutilització de l'aigua.

Aquesta tesi proposa una solució per superar aquests reptes introduint nanomaterials conductors de baix cost, específicament òxid de grafè (GO), per millorar la transferència d'electrons i la degradació de materials orgànics en el tractament biològic anaerobi. Els objectius de la recerca inclouen una avaluació exhaustiva d'estudis anteriors sobre sistemes biològics anaerobis modificats amb materials basats en grafè, avaluar l'impacte del GO en l'eliminació dels MPOs i la producció de metà a través de proves en lot, i avaluar els efectes de l'addició de GO en experiments de cinètica de degradació a llarg termini.

Els resultats demostren la bioreducció del GO a òxid de grafè biològicament reduït (bioRGO) en un termini de 24 hores utilitzant un inòculum anaerobi mixt. No obstant això, l'addició de GO no millora significativament l'eliminació dels MPOs seleccionats, però inhibeix la formació dels seus productes de transformació. El GO també causa inhibició del biogàs a concentracions més altes. No obstant això, experiments posteriors utilitzant estratègies d'alimentació en lots van revelar que els efectes inhibidors sobre la producció de metà eren només temporals. Després d'aquesta fase inicial inhibida, es van observar millores significatives en la cinètica de degradació amb concentracions de GO superiors a 10 mgGO/gVS.

La tesi conclou que la combinació del tractament biològic anaerobi i el GO és prometedora per a sistemes en funcionament continu, però es necessita una recerca addicional. Cal realitzar avaluacions del cicle de vida del GO per prevenir la seva alliberació al medi ambient, i s'ha d'investigar els efectes a llarg termini sobre les comunitats microbiològiques i una gamma més àmplia de MPOs i els seus productes de transformació. Els futurs bioprocessos híbrids nanoenginyats haurien de tenir en compte aquests aspectes per desenvolupar configuracions en funcionament continu capaços de retenir el GO alhora que garanteixen un tractament biològic anaerobi sostenible i efectiu per a la reutilització de l'aigua