Electro bioremediation of nitrate contaminated groundwater: from laboratory to on site pilot plant

Abstract

Water stands out as the most essential resource currently under serious threat. The combination of water scarcity and increasing pollution of available water poses significant challenges to governance and society. Typically, this problem is exacerbated in rural areas due to limited access to water management services. In these regions, modern agricultural and intensive livestock production practices contribute significantly to nitrate pollution of water bodies. In such scenarios, there is a pressing need for the development of sustainable decentralised treatment solutions.

This Ph.D. thesis focuses on electro-bioremediation, which harnesses the ability of certain microorganisms to exchange electrons with a solid material. Specifically, nitrate removal is based on its reduction to dinitrogen gas using a cathode as an electron donor. This innovative process eliminates the need to introduce chemicals as reducing agents into the water, which is common in conventional treatments, and at the same time prevents the generation of any residue. This is the main advantage of the treatment, which requires minimal energy to achieve nitrate removal. This thesis describes the development of electro-bioremediation from laboratory experiments to constructing an on-site pilot plant. It was started with laboratory experiments to understand nitrate reduction in this system in order to optimise the process. In addition, the full potential of this technology to address other contaminants, such as arsenic and pathogens, was explored. Finally, the technology was validated through real treatment at an on-site pilot plant. The overall results demonstrate the economic competitiveness of this treatment and encourage further research in this area

L'aigua destaca com el recurs més essencial, tot i que actualment es troba sota una amenaça seriosa. La combinació de l'escassetat d'aigua i l'increment de la contaminació de l'aigua disponible planteja reptes significatius per a l’administració i la societat. Normalment, aquest problema s'agreuja a les àrees rurals a causa de l'accés limitat als serveis de gestió de l'aigua. En aquestes regions, les pràctiques agrícoles modernes i la ramaderia intensiva contribueixen de manera significativa a la contaminació de l’aigua per nitrats. En aquests escenaris, hi ha una necessitat urgent de desenvolupar solucions sostenibles de tractament descentralitzat.

Aquesta tesi de doctorat se centra en l'electro-biorremediació, que aprofita la capacitat de certs microorganismes per intercanviar electrons amb un material sòlid. Específicament, l'eliminació de nitrats es basa en la seva reducció a gas dinitrogen utilitzant un càtode com a donador d'electrons. Aquest procés innovador elimina la necessitat d'introduir productes químics com a agents reductors a l'aigua, una pràctica comuna en els tractaments convencionals, i al mateix temps evita la generació de qualsevol residu. Aquest és el principal avantatge del tractament, que requereix una quantitat mínima d'energia per aconseguir l’eliminació de nitrats. Aquesta tesi descriu el desenvolupament de l'electro-biorremediació des d'experiments al laboratori fins a la construcció d'una planta pilot on-site. Es va començar amb experiments de laboratori per entendre la reducció de nitrats en aquests sistemes per tal d'optimitzar el procés. A més, l'estudi explora la plena explotació d'aquesta tecnologia per abordar altres contaminants, com ara l’arsènic i els patògens. Finalment, la tecnologia es va validar mitjançant un tractament real en una planta pilot on-site. Els resultats globals demostren la competitivitat econòmica d'aquest tractament i encoratgen per continuar la recerca en aquesta àrea