IT201900015210A1 - SYSTEM FOR THE RESTORATION OF POLLUTING MATRICES USING MICROBIOLOGICAL FUEL CELLS - Google Patents
SYSTEM FOR THE RESTORATION OF POLLUTING MATRICES USING MICROBIOLOGICAL FUEL CELLS Download PDFInfo
- Publication number
- IT201900015210A1 IT201900015210A1 IT102019000015210A IT201900015210A IT201900015210A1 IT 201900015210 A1 IT201900015210 A1 IT 201900015210A1 IT 102019000015210 A IT102019000015210 A IT 102019000015210A IT 201900015210 A IT201900015210 A IT 201900015210A IT 201900015210 A1 IT201900015210 A1 IT 201900015210A1
- Authority
- IT
- Italy
- Prior art keywords
- electrodes
- purification
- polluted
- microbiological fuel
- fuel cell
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 18
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 title claims description 14
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims description 36
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 14
- 239000013049 sediment Substances 0.000 claims description 14
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 11
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims description 8
- -1 aquifers Substances 0.000 claims description 5
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims description 5
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 claims description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 241000590020 Achromobacter Species 0.000 claims description 2
- 241001112741 Bacillaceae Species 0.000 claims description 2
- 241000588921 Enterobacteriaceae Species 0.000 claims description 2
- 241000520869 Pseudomonas anguilliseptica Species 0.000 claims description 2
- 241001453327 Xanthomonadaceae Species 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 claims 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 14
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 11
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 11
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 10
- 238000005067 remediation Methods 0.000 description 10
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 125000005575 polycyclic aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 8
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 6
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 6
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 4
- 238000011066 ex-situ storage Methods 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 4
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000037358 bacterial metabolism Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000035784 germination Effects 0.000 description 3
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 3
- 230000007269 microbial metabolism Effects 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 description 3
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 3
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 3
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 3
- FMMWHPNWAFZXNH-UHFFFAOYSA-N Benz[a]pyrene Chemical compound C1=C2C3=CC=CC=C3C=C(C=C3)C2=C2C3=CC=CC2=C1 FMMWHPNWAFZXNH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HAXBIWFMXWRORI-UHFFFAOYSA-N Benzo[k]fluoranthene Chemical compound C1=CC(C2=CC3=CC=CC=C3C=C22)=C3C2=CC=CC3=C1 HAXBIWFMXWRORI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 244000211187 Lepidium sativum Species 0.000 description 2
- 235000007849 Lepidium sativum Nutrition 0.000 description 2
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- YNPNZTXNASCQKK-UHFFFAOYSA-N phenanthrene Chemical compound C1=CC=C2C3=CC=CC=C3C=CC2=C1 YNPNZTXNASCQKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N pyrene Chemical compound C1=CC=C2C=CC3=CC=CC4=CC=C1C2=C43 BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 108020004465 16S ribosomal RNA Proteins 0.000 description 1
- 229920000936 Agarose Polymers 0.000 description 1
- 241000186063 Arthrobacter Species 0.000 description 1
- 241001249117 Bacillus mojavensis Species 0.000 description 1
- TXVHTIQJNYSSKO-UHFFFAOYSA-N BeP Natural products C1=CC=C2C3=CC=CC=C3C3=CC=CC4=CC=C1C2=C34 TXVHTIQJNYSSKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 241000235856 Ceriodaphnia dubia Species 0.000 description 1
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001494246 Daphnia magna Species 0.000 description 1
- 241000588915 Klebsiella aerogenes Species 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000947836 Pseudomonadaceae Species 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 241000861996 Staphylococcus succinus Species 0.000 description 1
- 241000122971 Stenotrophomonas Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000788 chromium alloy Substances 0.000 description 1
- 230000001684 chronic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 229940092559 enterobacter aerogenes Drugs 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N fluoranthrene Natural products C1=CC(C2=CC=CC=C22)=C3C2=CC=CC3=C1 GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 150000008282 halocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 229920003087 methylethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 231100000243 mutagenic effect Toxicity 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 150000004045 organic chlorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 150000003071 polychlorinated biphenyls Chemical class 0.000 description 1
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000004017 vitrification Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000003911 water pollution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
- B09C1/10—Reclamation of contaminated soil microbiologically, biologically or by using enzymes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
- B09C1/08—Reclamation of contaminated soil chemically
- B09C1/085—Reclamation of contaminated soil chemically electrochemically, e.g. by electrokinetics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
- C02F11/006—Electrochemical treatment, e.g. electro-oxidation or electro-osmosis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
- C02F11/02—Biological treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D17/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells for electrolytic coating
- C25D17/10—Electrodes, e.g. composition, counter electrode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09C2101/00—In situ
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Soil Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Mycology (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
Descrizione dell’invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:
“SISTEMA PER IL RISANAMENTO DI MATRICI INQUINANTI MEDIANTE CELLE A COMBUSTIBILE MICROBIOLOGICHE” "SYSTEM FOR THE RESTORATION OF POLLUTING MATRICES USING MICROBIOLOGICAL FUEL CELLS"
Descrizione Description
Settore della tecnica Technical sector
La presente invenzione si riferisce al campo della chimica ed in particolare al campo dell’elettrochimica in applicazioni di risanamento ambientale. Più in dettaglio la presente invenzione concerne un particolare sistema di risanamento di matrici ambientali come suoli, falde, sedimenti, reflui e simili, da inquinanti quali, a titolo esemplificativo e non limitativo, idrocarburi e metalli. Il detto sistema si caratterizza per il fatto di impiegare una particolare tipologia di celle microbiologiche a combustibile, che prevedono l’uso di peculiari elettrodi, ed uno specifico inoculo batterico per il substrato/matrice da trattare. The present invention refers to the field of chemistry and in particular to the field of electrochemistry in environmental remediation applications. More in detail, the present invention relates to a particular system for the rehabilitation of environmental matrices such as soils, aquifers, sediments, wastewater and the like, from pollutants such as, by way of non-limiting example, hydrocarbons and metals. The said system is characterized by the fact that it uses a particular type of microbiological fuel cells, which involve the use of specific electrodes, and a specific bacterial inoculum for the substrate / matrix to be treated.
Arte nota Known art
Ad oggi, il recupero di matrici ambientali inquinate può essere ottenuto mediante trattamenti chimico-fisici e/o biologici che possono essere effettuati ex-situ o in situ. La scelta di un trattamento piuttosto che di un altro viene effettuata in base alla tipologia di substrato da risanare e dall’estensione dell’area da trattare. I trattamenti ex-situ comportano la rimozione del terreno/sedimento contaminato dall’area interessata dall’inquinamento che può essere trattato on site oppure off site. Nel primo caso il terreno viene rimosso per essere trattato in un impianto mobile sul posto; nel secondo caso l’impianto di trattamento è ubicato in un luogo distante dalla zona che necessita di bonifica. I trattamenti ex-situ sono basati su processi chimico fisici con dispendio di risorse sia in termini monetari che energetici che ambientali (emissioni di CO2, consumo inquinamento acque, etc.). Tra i trattamenti ex-situ si elencano: To date, the recovery of polluted environmental matrices can be obtained through chemical-physical and / or biological treatments that can be carried out ex-situ or in situ. The choice of one treatment rather than another is made based on the type of substrate to be restored and the extent of the area to be treated. Ex-situ treatments involve the removal of contaminated soil / sediment from the area affected by the pollution which can be treated on site or off site. In the first case, the soil is removed to be treated in a mobile plant on site; in the second case, the treatment plant is located in a place distant from the area that needs remediation. The ex-situ treatments are based on chemical-physical processes with a waste of resources both in monetary, energy and environmental terms (CO2 emissions, water pollution consumption, etc.). Among the ex-situ treatments are listed:
- Soilwashing: avviene in appositi impianti. Esso consiste nella vagliatura, triturazione, omogeneizzazione dei terreni/sedimenti inquinati, con successivo lavaggio con getti d’acqua (spesso additivata con tensioattivi) ad alta pressione. L’acqua di processo viene poi sottoposta a trattamento di depurazione. È solitamente applicato a terreni con granulometria media o grossolana. - Soilwashing: takes place in special plants. It consists in the screening, grinding, homogenization of polluted soils / sediments, with subsequent washing with high pressure water jets (often additives with surfactants). The process water is then subjected to purification treatment. It is usually applied to soils with medium or coarse grain size.
- Soilextration: consiste nell’estrazione degli inquinanti dal terreno. È una tecnica indicata per la bonifica di terreni inquinati da composti organici volatili. - Soilextration: consists in the extraction of pollutants from the ground. It is a technique suitable for the remediation of soils polluted by volatile organic compounds.
- Inertizzazione: consiste nell’inglobamento di matrici contaminate in materiali inerti al fine di confinarle in discarica. È indicato per terreni e fanghi contaminati da metalli pesanti, olii, idrocarburi policiclici aromatici, PCBs. - Inertization: consists in the incorporation of contaminated matrices in inert materials in order to confine them to landfills. It is suitable for soils and sludge contaminated by heavy metals, oils, polycyclic aromatic hydrocarbons, PCBs.
- Vetrificazione o dual phase extraction: la tecnica consiste nell’estrarre acqua di falda contaminata presente nella zona satura del terreno con risalita di contaminanti presenti nel suolo e successivo trattamento dell’acqua. Non è indicata nei casi di inquinamento diffuso o di falde profonde. - Vitrification or dual phase extraction: the technique consists in extracting contaminated groundwater present in the saturated area of the soil with rising contaminants present in the soil and subsequent water treatment. It is not indicated in cases of diffuse pollution or deep aquifers.
- Desorbimento termico. La tecnica consiste nella vaporizzazione dei composti senza ossidazione né distruzione degli stessi. Essa può essere realizzata mediante estrazione con vapore o riscaldamento a radio frequenze. - Thermal desorption. The technique consists in the vaporization of the compounds without oxidation or destruction of the same. It can be achieved by steam extraction or radio frequency heating.
- Termodistruzione. - Thermal destruction.
Tra i trattamenti in-situ si elencano: Among the in-situ treatments are listed:
- Soil vapour extraction: è indicato per la bonifica dei terreni contaminati da composti organici volatili estratti sotto forma di vapore e trattati in superficie. - Soil vapor extraction: it is indicated for the reclamation of soils contaminated by volatile organic compounds extracted in the form of steam and treated on the surface.
- Air sparging: attraverso l’iniezione d’aria in pressione, permette di effettuare lo strippaggio dei contaminanti presenti nei terreni da bonificare. - Pump & Treat: il pump and treat è una tecnica di bonifica del suolo contaminato che consiste nel pompaggio e trattamento in superficie delle acque di falda inquinate. Questa tecnica permette la bonifica dei terreni inquinati mediante la rimozione di contaminanti miscibili ed anche LNAPL (composti organici più leggeri dell’acqua, quali benzene, gasolio, oli minerali, kerosene, BITEX, alcani) in fase libera e di DNAPL (sostanze organiche liquide più dense dell’acqua, quali solventi clorurati e idrocarburi alogenati). - Air sparging: through the injection of pressurized air, it allows to carry out the stripping of contaminants present in the land to be reclaimed. - Pump & Treat: pump and treat is a contaminated soil remediation technique that consists of pumping and surface treatment of polluted groundwater. This technique allows the remediation of polluted soils by removing miscible contaminants and also LNAPL (organic compounds lighter than water, such as benzene, diesel, mineral oils, kerosene, BITEX, alkanes) in the free phase and DNAPL (liquid organic substances denser than water, such as chlorinated solvents and halogenated hydrocarbons).
- Chemical oxidation: consiste nell’iniettare nel sottosuolo ossidanti di origine chimica, quali perossido di idrogeno o permanganato di potassio. - Biorisanamento: tali tecniche, per suoli o sedimenti, sono basate sul metabolismo di microrganismi e piante in grado di degradare o sequestrare gli inquinamenti che possono eventualmente accumularsi nei tessuti vegetali (i metalli, per esempio) o semplicemente essere ridotti in composti più semplici che possono essere usati come fonte di energia e di carbonio. Ai fini della comprensione della presente invenzione, qui di seguito dettagliatamente descritta, è di interesse indicare che tra i vari inquinanti figurano gli idrocarburi, queste sostanze sono tipicamente costituite da diverse frazioni, tra le quali quella degli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA), di particolare interesse scientifico a causa della loro tossicità e potenziale mutageno sia nei confronti dell’uomo che degli altri organismi viventi. Più in generale, gli effetti deleteri degli idrocarburi sull’ambiente sono legati alla densità della miscela, la tendenza ad evaporare, la viscosità ed il pour point, che indica la temperatura più bassa a cui un combustibile può essere conservato mantenendo la capacità di fluire. La tecnologia delle pile a combustibile microbiologiche, da qui in seguito “Microbial Fuel Cells (MFCs)”, nel corso dell’ultimo ventennio ha dimostrato significative potenzialità nel trattamento di risanamento in situ mediante l’aumento dell’attività di degradazione dei batteri, nei confronti di queste sostanze, attraverso l’elettrogenesi invece che per mezzo dell’ossigenazione spinta e l’uso di solventi. Questo aspetto rappresenta di per sé un primo guadagno in termini di energia e risorse da impiegare per le operazioni in biorisanamento. Altro vantaggio insito nell’utilizzo delle MFC è nella produzione di corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare dispositivi elettronici per il monitoraggio ambientale o per la gestione della MFCs. Queste peculiarità rendono la tecnologia delle celle microbiche perfettamente inseribile tra le tecnologie “verdi”. - Chemical oxidation: consists of injecting oxidants of chemical origin into the subsoil, such as hydrogen peroxide or potassium permanganate. - Bioremediation: these techniques, for soils or sediments, are based on the metabolism of microorganisms and plants capable of degrading or sequestering the pollutions that may eventually accumulate in plant tissues (metals, for example) or simply be reduced into simpler compounds that they can be used as a source of energy and carbon. For the purposes of understanding the present invention, described in detail below, it is of interest to indicate that among the various pollutants are hydrocarbons, these substances are typically made up of different fractions, including that of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), of particular scientific interest due to their toxicity and mutagenic potential both towards man and other living organisms. More generally, the deleterious effects of hydrocarbons on the environment are related to the density of the mixture, the tendency to evaporate, the viscosity and the pour point, which indicates the lowest temperature at which a fuel can be stored while maintaining the ability to flow. The technology of microbiological fuel cells, hereinafter referred to as "Microbial Fuel Cells (MFCs)", over the last twenty years has shown significant potential in the in situ remediation treatment by increasing the degradation activity of bacteria, in comparisons of these substances, through electrogenesis instead of through oxygenation and the use of solvents. This aspect in itself represents a first gain in terms of energy and resources to be used for bioremediation operations. Another advantage inherent in the use of MFCs is in the production of electricity that can be used to power electronic devices for environmental monitoring or for the management of MFCs. These peculiarities make the technology of microbial cells perfectly insertable among the "green" technologies.
Le Microbial Fuel Cells (MFCs) sono sistemi in cui i batteri, utilizzando le molecole organiche come fonte di carbonio ed energia, scambiano elettroni con un elettrodo posto in un ambiente in cui non c’è ossigeno (anodo) collegato mediante un circuito esterno ad un altro elettrodo, il catodo, posto in un ambiente in cui c’è ossigeno o, comunque, un accettore di elettroni. In seguito alla differenza di potenziale tra gli elettrodi, si realizza un flusso elettronico, una corrente elettrica, che può essere agevolmente misurata da un multimetro. Contemporaneamente al flusso esterno di elettroni, si realizza un flusso di protoni (ioni H+) interno alla cella, causato dalla differenza di concentrazione di tali ioni tra comparto anodico e catodico. Infine, sulla superficie del catodo gli elettroni provenienti dall’anodo vengono “catturati” da una molecola che funge da accettore di elettroni e di protoni, formando una molecola ridotta. Nel caso in cui l’accettore è l’ossigeno, il prodotto finale è l’acqua. Microbial Fuel Cells (MFCs) are systems in which bacteria, using organic molecules as a source of carbon and energy, exchange electrons with an electrode placed in an environment where there is no oxygen (anode) connected via an external circuit to another electrode, the cathode, placed in an environment in which there is oxygen or, in any case, an electron acceptor. Following the potential difference between the electrodes, an electronic flow is created, an electric current, which can be easily measured by a multimeter. Simultaneously with the external flow of electrons, there is a flow of protons (H + ions) inside the cell, caused by the difference in concentration of these ions between the anodic and cathodic compartment. Finally, on the surface of the cathode the electrons coming from the anode are "captured" by a molecule that acts as an acceptor of electrons and protons, forming a reduced molecule. If the acceptor is oxygen, the final product is water.
Le MFCs possono trovare diverse applicazioni, prima fra tutte il trattamento delle acque reflue, fanghi, sedimenti e terreni contaminati da metalli e/o idrocarburi ed altre sostanze organiche (per esempio composti organoclorurati). Recentemente è stata dimostrata la possibilità di accoppiare il consumo di sostanze organiche disciolte in acqua con la sintesi di composti organici a partire da anidride carbonica. Vista l’elevata versatilità del metabolismo microbico, le MFCs possono essere virtualmente alimentate con qualsiasi composto organico, anche in presenza di metalli pesanti. In poche parole i sistemi bioelettrochimici si comportano come delle pile in cui non ci sono catalizzatori chimici come i metalli, ma batteri che operano la biocatalisi. I vantaggi della tecnologia MFCs possono essere riassunti nei seguenti punti: MFCs can find different applications, first of all the treatment of waste water, sludge, sediments and soils contaminated by metals and / or hydrocarbons and other organic substances (for example organochlorine compounds). The possibility of coupling the consumption of organic substances dissolved in water with the synthesis of organic compounds starting from carbon dioxide has recently been demonstrated. Given the high versatility of microbial metabolism, MFCs can be virtually fed with any organic compound, even in the presence of heavy metals. In short, bioelectrochemical systems behave like batteries in which there are no chemical catalysts such as metals, but bacteria that operate biocatalysis. The advantages of MFCs technology can be summarized in the following points:
- Recupero di energia da processi di disinquinamento sotto forma di elettricità. Attualmente è stimato un recupero energetico da celle microbiche dell’ordine delle decine di W/m<2 >di superficie catodica/anodica impiegata. - Energy recovery from clean-up processes in the form of electricity. Currently an energy recovery from microbial cells is estimated in the order of tens of W / m <2> of cathodic / anodic surface used.
- Possibilità di accoppiare la rimozione di inquinanti con la biosintesi di molecole di interesse industriale e con la fissazione di CO2 mediante biosintesi di composti organici. - Possibility of coupling the removal of pollutants with the biosynthesis of molecules of industrial interest and with the fixation of CO2 through the biosynthesis of organic compounds.
- Le MFCs possono operare a temperatura ambiente. - MFCs can operate at room temperature.
- Scarsa o nessuna necessità di aggiungere nutrienti o ossigeno per favorire il processo di degradazione della sostanza organica. - Little or no need to add nutrients or oxygen to favor the degradation process of the organic substance.
- Uso di materiali poco costosi e scarso impatto ambientale per la costruzione dei dispositivi. - Use of inexpensive materials and low environmental impact for the construction of the devices.
- Versatilità nel design dei sistemi che possono essere progettati “ad hoc”, a seconda delle applicazioni previste. - Versatility in the design of the systems that can be designed "ad hoc", according to the foreseen applications.
- Il processo bilancio neutro per quel che riguarda l’anidride carbonica.: in poche parole, non ci sono emissioni nette di biossido di carbonio. - The carbon neutral balance process: in a nutshell, there are no net emissions of carbon dioxide.
- Lo sviluppo e la commercializzazione di una tale tecnologia può portare al soddisfacimento del bisogno espresso dal mercato di sistemi di risanamento caratterizzati da costi più contenuti. - The development and commercialization of such a technology can lead to the satisfaction of the need expressed by the market for remediation systems characterized by lower costs.
Rispetto ai sistemi micro-elettrolitici (Microbial Electrolysis Cells- MECs) in cui il processo degradativo è di natura prevalentemente elettrochimica, la degradazione della sostanza organica nelle MFCs è guidata dal metabolismo batterico in un processo che trova il suo equilibrio spontaneamente. A differenza delle MEC (Microbial Electrochemical cells) nelle MFCs non c’è necessità di applicare una sorgente di potenziale esterno. Tuttavia, in alcuni casi può essere opportuno agire sui potenziali elettrodici al fine di facilitare la rimozione di molecole particolarmente recalcitranti e/o metalli. A tal fine è possibile utilizzare sistemi a più elettrodi (per esempio a due o più catodi) connessi a specifiche resistenze, convogliare agli elettrodi l’energia prodotta da altre MFCs alimentate con gli stessi substrati inquinati o con altre matrici (acque reflue, per esempio). In alternativa, è possibile applicare un potenziale esterno mediante uso di batterie (da 1.5 V, per esempio) o distribuendo energia elettrica (da mA o A a seconda dei volumi da trattare) prodotta da celle fotovoltaiche. Compared to micro-electrolytic systems (Microbial Electrolysis Cells-MECs) in which the degradation process is mainly electrochemical in nature, the degradation of the organic substance in MFCs is driven by bacterial metabolism in a process that finds its balance spontaneously. Unlike MECs (Microbial Electrochemical cells) in MFCs there is no need to apply an external potential source. However, in some cases it may be appropriate to act on the electrode potentials in order to facilitate the removal of particularly recalcitrant molecules and / or metals. To this end it is possible to use systems with more electrodes (for example with two or more cathodes) connected to specific resistances, to convey to the electrodes the energy produced by other MFCs fed with the same polluted substrates or with other matrices (waste water, for example ). Alternatively, it is possible to apply an external potential through the use of batteries (1.5 V, for example) or by distributing electrical energy (from mA or A depending on the volumes to be treated) produced by photovoltaic cells.
Scopo della presente domanda di brevetto è quello di proporre una nuova tipologia di MFCs con caratteristiche tali da ottimizzare consistentemente il processo degradativo della sostanza organica inquinante. The purpose of the present patent application is to propose a new type of MFCs with characteristics such as to consistently optimize the degradation process of the polluting organic substance.
Ai vantaggi già citati si unisce la logistica semplificata (non è necessario movimentare i terreni/sedimenti), il recupero energetico realizzato attraverso l’elettrogenesi: dai processi di biorisanamento è possibile recuperare elettricità da reimpiegare nel processo di risanamento stesso oppure in altre applicazioni. Con lo sviluppo di nuovi materiali elettrodici e di sistemi di gestione della potenza generata sarà possibile incrementare ulteriormente le prestazioni di tali sistemi. Tali vantaggi si traducono altresì nell’aumento della competitività delle aziende che ne fanno uso. The advantages already mentioned are combined with simplified logistics (it is not necessary to move soils / sediments), energy recovery achieved through electrogenesis: from the bioremediation processes it is possible to recover electricity to be reused in the remediation process itself or in other applications. With the development of new electrode materials and systems for managing the generated power, it will be possible to further increase the performance of these systems. These advantages also translate into an increase in the competitiveness of the companies that use them.
Descrizione dell’invenzione Description of the invention
Secondo la presente invenzione viene descritto un nuovo sistema e specificatamente un sistema basato su una nuova tipologia di MFCs che, in quanto sistemi “eco compatibili” a zero emissioni e zero utilizzo di sostanze potenzialmente dannose, sono in linea con il bisogno percepito dall’opinione pubblica di avere a disposizione tecnologie in grado di migliorare la qualità dell’ambiente e, quindi, ridurre i rischi per la salute umana e non solo. La possibilità di produrre ed impiegare energia da fonte rinnovabile ad emissioni di CO2 praticamente nulle, in quanto il processo è completamente basato sul metabolismo batterico, si rivela difatti un aspetto di indubbio interesse anche commerciale. According to the present invention, a new system is described and specifically a system based on a new type of MFCs which, as "eco-compatible" systems with zero emissions and zero use of potentially harmful substances, are in line with the need perceived by the opinion publishes that it has technologies that can improve the quality of the environment and, therefore, reduce the risks to human health and beyond. The possibility of producing and using energy from a renewable source with practically zero CO2 emissions, as the process is completely based on bacterial metabolism, is in fact an aspect of undoubted commercial interest.
Le MFCs secondo la presente invenzione comprendono elettrodi in grafite ed un ulteriore rivestimento in tessuto di carbonio. The MFCs according to the present invention comprise graphite electrodes and a further carbon fabric coating.
Vantaggiosamente dette celle sono risultate essere compatibili completamente con la crescita spontanea di piante, favorendone lo sviluppo, soprattutto in paragone con terreni non trattati. È a tal proposito di interesse puntualizzare che la crescita di piante, attraverso le interazioni tra batteri e radici, accelera i processi di degradazione di sostanze organiche. I sottoprodotti di tale degradazione possono, poi, essere assimilati dalle piante stesse. Nel caso di metalli, per esempio, essi possono cambiare stato di ossidazione in seguito a metabolismo microbico ed eventualmente essere anch’essi assimilati dalle piante ed accumulati nei tessuti. Advantageously, said cells were found to be completely compatible with the spontaneous growth of plants, favoring their development, especially in comparison with untreated soils. In this regard, it is of interest to point out that the growth of plants, through the interactions between bacteria and roots, accelerates the degradation processes of organic substances. The by-products of this degradation can then be assimilated by the plants themselves. In the case of metals, for example, they can change the oxidation state following microbial metabolism and possibly also be assimilated by plants and accumulated in the tissues.
Più in dettaglio, le MFCs secondo la presente invenzione sono sistemi basati sull’uso di elettrodi in combinazione con un inoculo batterico composto da almeno 10 ceppi microbici appartenenti alle famiglie delle bacillaceae, Enterobacteriaceae, Staphilococcaceae, Xanthomonadaceae a Pseudomonadaceae per il trattamento di suoli, sedimenti, reflui, contaminati da sostanze organiche (idrocarburi compresi). Per quel che riguarda gli elettrodi, le loro dimensioni possono variare da poche decine di centimetri a qualche metro a seconda delle dimensioni dei volumi (solidi o liquidi) da trattare. Per quel che riguarda i materiali elettrodici, essi possono essere scelti tra barre di grafite rivestite da tessuto in fibra di carbonio, barre o reti metalliche contenenti granuli di biochar dalle dimensioni variabili tra 0,3 a 2,0 cm, ma anche PLA-graphene conduttivo e PLA-grafite in grado di essere lavorati mediante stampante 3D. L’uso della stampante 3D permette in questo caso di esplorare, per applicazioni in campo, anche diverse conformazioni elettrodiche come lamine di geometria quadrata o rettangolare con superficie integra o con fori/fessure attraverso cui si può realizzare il flusso di acque/reflui da trattare. Il mix batterico utilizzato nelle celle secondo la presente invenzione comprende i seguenti ceppi microbici isolati da polveri fortemente inquinate da idrocarburi ed identificati mediante analisi del rDNA 16S: Alcanigenes faecalis, Achromobacter spp., Pseudomonas anguilliseptica I e II, Xantomonas spp., Staphylococcus succinus, Bacillus mojavensis, Enterobacter aerogenes, Arthrobacter misorens, Stenotrophomonas spp. L’efficacia del detto mix batterico nel rimuovere idrocarburi e ridurre la tossicità in matrici contaminate, con particolare riguardo ad idrocarburi policiclici aromatici, è stata dimostrata per cinque IPA tra i sedici prioritari (naftalene, antracene, fenantrene, pirene, benzo(a)pirene) in prove effettuate sia in bioreattori contenenti terreni contaminati che in soluzione acquosa. In quest’ultimo caso le prove sono state effettuate sia in presenza e che in assenza di elettrodi. More in detail, the MFCs according to the present invention are systems based on the use of electrodes in combination with a bacterial inoculum composed of at least 10 microbial strains belonging to the families of the bacillaceae, Enterobacteriaceae, Staphilococcaceae, Xanthomonadaceae and Pseudomonadaceae for the treatment of soils, sediments , waste, contaminated by organic substances (including hydrocarbons). As for the electrodes, their dimensions can vary from a few tens of centimeters to a few meters depending on the size of the volumes (solid or liquid) to be treated. As for the electrode materials, they can be chosen from graphite bars coated with carbon fiber fabric, bars or metal meshes containing biochar granules ranging in size from 0.3 to 2.0 cm, but also PLA-graphene conductive and PLA-graphite capable of being processed by 3D printer. The use of the 3D printer allows in this case to explore, for applications in the field, also different electrode conformations such as sheets of square or rectangular geometry with an intact surface or with holes / slits through which the flow of water / wastewater to be treated can be realized. . The bacterial mix used in the cells according to the present invention includes the following microbial strains isolated from heavily polluted dusts by hydrocarbons and identified by analysis of the 16S rDNA: Alcanigenes faecalis, Achromobacter spp., Pseudomonas anguilliseptica I and II, Xantomonas spp., Staphylococcus succinus, Bacillus mojavensis, Enterobacter aerogenes, Arthrobacter misorens, Stenotrophomonas spp. The effectiveness of said bacterial mix in removing hydrocarbons and reducing toxicity in contaminated matrices, with particular regard to polycyclic aromatic hydrocarbons, has been demonstrated for five PAHs among the sixteen priority (naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene, benzo (a) pyrene ) in tests carried out both in bioreactors containing contaminated soils and in aqueous solution. In the latter case, the tests were carried out both in the presence and in the absence of electrodes.
Il mix microbico ha fatto registrare in soluzione acquosa (dopo 5 settimane a 20°C) una rimozione dei IPA totali superiore al 90%, e del 62% e 73% per quel che riguarda COD e TOC, in presenza di elettrodi. La rimozione è stata inferiore senza l’aiuto dell’elettrogenesi, con valori di circa l’80% per gli IPA totali 18% per la COD e del 30% per il TOC. In bioreattori con terreni contaminati, lo stesso consorzio ha fatto registrare, dopo un mese di trattamento, una diminuzione compresa tra circa l’8% ed il 79,4% a seconda dell’idrocarburo considerato. In tutti i casi, i saggi ecotossicologici su Lepidium sativum, Daphnia magna e Ceriodaphnia dubia hanno registrato una diminuzione della tossicità acuta, ma non di quella cronica. Sia per le sospensioni in fase acquosa che sul terreno si è registrato anche un leggero effetto stimolante su Lepidium sativum, con incremento del tasso di germinazione delle piante. Con il sistema di celle secondo la presente invenzione inoculate con terreno inquinato da idrocarburi, l’attività del mix batterico adoperato ha comportato un’accelerazione della degradazione degli IPA, in particolare delle molecole a 5 e 6 anelli aromatici e dell’antracene (3 anelli aromatici), con tassi degradativi varianti tra il 21% del Benzo[k]fluoranthene al 60% dell’antracene in 4 settimane di attività ad una temperatura ambientale compresa tra i 12 ed i 17°C. Per quel che riguarda l’effetto sulle piante, si è ridotto tasso di appassimento delle piantine rispetto ai controlli non contenti l’inoculo batterico. The microbial mix showed in aqueous solution (after 5 weeks at 20 ° C) a removal of the total PAHs of more than 90%, and of 62% and 73% as regards COD and TOC, in the presence of electrodes. Removal was lower without the help of electrogenesis, with values of about 80% for total PAHs, 18% for COD and 30% for TOC. In bioreactors with contaminated soils, the same consortium recorded, after a month of treatment, a decrease of between about 8% and 79.4% depending on the hydrocarbon considered. In all cases, ecotoxicological tests on Lepidium sativum, Daphnia magna and Ceriodaphnia dubia showed a decrease in acute, but not chronic, toxicity. Both for the suspensions in the aqueous phase and on the ground, a slight stimulating effect was also recorded on Lepidium sativum, with an increase in the germination rate of the plants. With the cell system according to the present invention inoculated with soil polluted by hydrocarbons, the activity of the bacterial mix used led to an acceleration of the degradation of PAHs, in particular of the molecules with 5 and 6 aromatic rings and of anthracene (3 rings aromatics), with degradation rates ranging from 21% of Benzo [k] fluoranthene to 60% of anthracene in 4 weeks of activity at an ambient temperature between 12 and 17 ° C. As for the effect on plants, the wilting rate of the seedlings was reduced compared to controls not content with bacterial inoculation.
Su scala di laboratorio, le celle MFCs di biorisanamento secondo la presente invenzione possono comprendere almeno un anodo formato da due elettrodi connessi in parallelo da un cavo elettrico dotato di guaina e da due catodi anch’essi connessi in parallelo. Gli elettrodi sono stati tipicamente e a titolo esemplificativo e non limitativo, costruiti nel seguente modo: On a laboratory scale, the bioremediation MFCs cells according to the present invention may include at least one anode formed by two electrodes connected in parallel by an electrical cable with sheath and by two cathodes also connected in parallel. The electrodes were typically and by way of non-limiting example, constructed as follows:
- Una barra di grafite pura della lunghezza di 5 cm, diametro di 0,5 cm (17 cm<2 >di superficie) è stata avvolta in 25 cm di filo collettore costituito da una lega nikel/cromo 80/20 (0,25 mm di diametro, 4 Ohm di resistenza) con spire distanti in media 1 cm le une dalle altre. Il tessuto in carbonio è stato fissato sulla barra di grafite mediante l’uso di altri 15 cm di filo Ni/Cr -80/20 (0,25 mm in diametro, 4 Ohm di resistenza, spire a 1,3 cm di distanza). - A 5 cm long pure graphite bar, 0.5 cm diameter (17 cm <2> of surface) was wrapped in 25 cm of collector wire made of an 80/20 nickel / chromium alloy (0.25 mm in diameter, 4 Ohm of resistance) with turns at an average distance of 1 cm from each other. The carbon fabric was fixed on the graphite bar using another 15 cm of Ni / Cr -80/20 wire (0.25 mm in diameter, 4 Ohm of resistance, turns 1.3 cm apart) .
- I due fili collettori di Ni/Cr (quello interno e quello esterno) di ciascun elettrodo sono stati inseriti in crimps in alluminio (diametro interno 1 mm, esterno 2 mm, lunghezza 8 mm). I cavi di Ni/Cr sono stati ricoperti ed assicurati al crimp mediante guaina termorestrigente. - The two Ni / Cr collector wires (the internal and the external one) of each electrode have been inserted in aluminum crimps (internal diameter 1 mm, external 2 mm, length 8 mm). The Ni / Cr cables were covered and secured to the crimp by means of a heat shrinkable sheath.
- Infine, un cavo elettrico è stato collegato con il crimp e le giunzioni sono state ricoperte con nastro isolante. - Finally, an electrical cable was connected with the crimp and the joints covered with electrical tape.
Una volta pronti, gli anodi ed i catodi possono essere posti in contenitori (celle) contenenti suoli o in sedimenti, a profondità e con orientazioni variabili, ferma restando una distanza tra anodo e catodo non superiore ai 5 cm per elettrodi del diametro di 0,5 cm. Per sistemi scalati, è previsto un rapporto approssimativo tra distanza anodo-catodo e diametro anodo compreso tra 6 e 10. Vista l’assenza di un ponte salino in grado di connettere gli elettrodi è necessario che il suolo abbia un contenuto percentuale di acqua non inferiore al 10% w/w il sistema potrà includere il set-up di un layout a due camere collegate da un ponte salino formato da una soluzione di KCl 1M 1,5% agarosio realizzato tra elettrodi di forma cilindrica parzialmente immersi in camere contenenti una soluzione salina (soluzione di Winogradky). Once ready, the anodes and cathodes can be placed in containers (cells) containing soils or sediments, at varying depths and orientations, subject to a distance between anode and cathode not exceeding 5 cm for electrodes with a diameter of 0, 5 cm. For scaled systems, an approximate ratio between anode-cathode distance and anode diameter between 6 and 10 is provided. Given the absence of a salt bridge capable of connecting the electrodes, the soil must have a water content of no less than at 10% w / w the system may include the set-up of a two-chamber layout connected by a saline bridge formed by a solution of KCl 1M 1.5% agarose made between cylindrical electrodes partially immersed in chambers containing a solution saline (Winogradky's solution).
L’applicazione delle celle MFCs secondo la presente invenzione, al risanamento di strati profondi di terreno, sedimenti o anche acque di falda, implica il settaggio di un layout diverso in cui anodo e catodo potranno essere inseriti in un sistema lineare connesso con il sistema di gestione della cella e dell’energia da essa prodotta. Il sistema di gestione in sistemi scalati sarà in grado anche di controllare il potenziale al catodo, se necessario. The application of the MFCs cells according to the present invention, to the remediation of deep layers of soil, sediments or even groundwater, implies the setting of a different layout in which the anode and cathode can be inserted in a linear system connected with the management of the cell and the energy it produces. The management system in scaled systems will also be able to control the potential at the cathode, if necessary.
Descrizione delle figure Description of the figures
Il sistema per il risanamento di substrati inquinati, tipicamente dalla presenza di idrocarburi e metalli, mediante pile a combustibile microbiologiche, verrà qui di seguito dettagliatamente descritto anche in riferimento alle figure annesse in cui: FIGURA 1 e 2 mostrano il profilo che gli elettrodi della pila/e del sistema secondo la presente invenzione possono assumere in alcune forme realizzative del detto sistema. Più in dettaglio la figura in questione mostra l’architettura degli elettrodi quando le matrici da trattare sono substrati liquidi. Più in dettaglio la figura in questione mostra che in alcune forme di realizzazione gli elettrodi della pila a combustibile microbiologica del sistema di biorisanamento in oggetto possono essere rappresentate da lamine dal profilo quadrato (Fig. 1) o rettangolare (Fig. 2) con fori/fessure attraverso cui si può realizzare il flusso di acque/reflui da trattare. The system for the rehabilitation of polluted substrates, typically by the presence of hydrocarbons and metals, using microbiological fuel cells, will be described in detail below also with reference to the attached figures in which: FIGURE 1 and 2 show the profile that the electrodes of the cell / and of the system according to the present invention can take in some embodiments of said system. In more detail, the figure in question shows the architecture of the electrodes when the matrices to be treated are liquid substrates. More in detail, the figure in question shows that in some embodiments the electrodes of the microbiological fuel cell of the bioremediation system in question can be represented by sheets with a square (Fig. 1) or rectangular (Fig. 2) profile with holes / cracks through which the flow of water / wastewater to be treated can be created.
FIGURA 3 mostra una rappresentazione schematica relativa alla variabile configurazione spaziale che gli elettrodi della pila a combustibile microbiologica del sistema in oggetto possono assumere a seconda delle specifiche applicazioni ed in particolare a seconda del substrato da trattare. FIGURE 3 shows a schematic representation relating to the variable spatial configuration that the electrodes of the microbiological fuel cell of the system in question can assume according to the specific applications and in particular according to the substrate to be treated.
Più in dettaglio le Figure 2(a), 2(b) 2 (c) mostrano rispettivamente l’orientazione a 90°, 45° e 30° che gli anodi possono assumere rispetto ai catodi della pila in un sistema per il trattamento di suoli/sedimenti o fanghi. More in detail, Figures 2 (a), 2 (b) 2 (c) show respectively the 90 °, 45 ° and 30 ° orientation that the anodes can assume with respect to the cathodes of the pile in a system for the treatment of soils / sediment or sludge.
FIGURA 4 mostra una vista frontale di una tipologia di elettrodo 1, rappresentato da una barra in grafite, su cui è osservabile il filo collettore 1’. FIGURE 4 shows a front view of a type of electrode 1, represented by a graphite bar, on which the collector wire 1 'can be observed.
Descrizione delle forme di realizzazione preferite Description of the preferred embodiments
Poiché basate sul metabolismo microbico, assistito dall’elettrogenesi, le celle MFCs di biorisanamento del sistema secondo la presente invenzione possono funzionare sia con catodi esposti all’aria sia immersi in ambiente anossico/anaerobico. Questo grazie alla capacità dei microrganismi di utilizzare come accettori finali di elettroni elementi chimici diversi dall’ossigeno. Le celle MFCs di biorisanamento del sistema in oggetto risultano pertanto in grado di operare, ovvero di trattare e risanare suoli contaminati, a varie profondità, nonché sedimenti e falde inquinate. Since they are based on microbial metabolism, assisted by electrogenesis, the bioremediation MFCs cells of the system according to the present invention can work both with cathodes exposed to air and immersed in an anoxic / anaerobic environment. This is thanks to the ability of microorganisms to use chemical elements other than oxygen as final electron acceptors. The MFCs bioremediation cells of the system in question are therefore able to operate, or to treat and remediate contaminated soils, at various depths, as well as sediments and polluted aquifers.
Come esempio di questa applicazione, viene riportato quanto ottenuto nel corso di un esperimento in cui le celle MFCs di biorisanamento secondo la presente invenzione sono state realizzate in semplici vasi per piante. Gli elettrodi di forma cilindrica vengono posti in vasi sul cui fondo è stato apposto uno strato di argilla espansa e riempito con terreno contaminato da idrocarburi (1 Kg) fornito da un’azienda operante nel campo del trasporto e stoccaggio di combustibili. As an example of this application, the results obtained during an experiment in which the bioremediation MFCs cells according to the present invention were made in simple plant pots are reported. The cylindrical electrodes are placed in vessels on the bottom of which a layer of expanded clay has been affixed and filled with soil contaminated by hydrocarbons (1 kg) supplied by a company operating in the field of transport and storage of fuels.
Un anodo formato da due elettrodi, connessi in parallelo, è stato posto in posizione inclinata tra i 30° e i 45° alla profondità di circa 4 cm al di sotto della superficie, raggiungendo una profondità approssimativa di circa 8 cm sui 10 cm totali di terreno disponibili. I catodi sono stati inseriti nel terreno per circa 2,5 cm lasciando la restante parte esposta all’aria. La distanza anodo-catodo è stata calcolata in approssimativamente 3 cm. Le celle secondo la presente invenzione sono state concepite come sistemi monocatodici in grado di diventare policatodici, come previsto in alcune forme di realizzazione secondo la presente invenzione, a seconda dell’estensione dei volumi da trattare. In questo caso i catodi, così come gli anodi, sono collegati in parallelo. Infine, 40 mL del suddetto mix batterico sospeso in soluzione fisiologica (10<8 >UFC/mL) è stato inoculato in aliquote da 5 mL a profondità comprese tra i 2 cm e 4 cm, al disotto della superficie del terreno e distribuito in otto punti diversi della cella con una concentrazione teorica media di 10<6 >UFC/g di terreno. Tutte le celle, così come i terreni usati come controlli (uno con suolo non trattato ed uno inoculato con il suddetto mix batterico) sono stati irrigati con 40 mL di acqua, distribuita seguendo il criterio sopradescritto, ogni 48 ore: questo per assicurare un contenuto di acqua in grado di sostenere le reazioni elettrochimiche, il metabolismo batterico e l’eventuale germinazione di semi. An anode formed by two electrodes, connected in parallel, was placed in an inclined position between 30 ° and 45 ° at a depth of about 4 cm below the surface, reaching an approximate depth of about 8 cm on the total 10 cm of soil. available. The cathodes were inserted into the ground for about 2.5 cm, leaving the remaining part exposed to the air. The anode-cathode distance was calculated to be approximately 3 cm. The cells according to the present invention have been conceived as monocode systems capable of becoming polyatodic, as provided in some embodiments according to the present invention, depending on the extent of the volumes to be treated. In this case the cathodes, as well as the anodes, are connected in parallel. Finally, 40 mL of the above bacterial mix suspended in physiological solution (10 <8> CFU / mL) was inoculated in 5 mL aliquots at depths between 2 cm and 4 cm, below the surface of the medium and distributed in eight different points of the cell with a theoretical average concentration of 10 <6> CFU / g of soil. All the cells, as well as the soils used as controls (one with untreated soil and one inoculated with the aforementioned bacterial mix) were irrigated with 40 mL of water, distributed according to the criteria described above, every 48 hours: this to ensure a content of water capable of supporting electrochemical reactions, bacterial metabolism and the eventual germination of seeds.
Durante i test le celle MFCs di bio-risanamento del sistema secondo la presente invenzione, si è osservata la germinazione di semi presenti nei terreni trattati, il che indica la compatibilità del sistema ideato con la crescita spontanea di piante. L’applicazione in campo prevede la messa appunto di batterie di celle connesse in parallelo ed in serie per poi essere connesse ad un sistema di gestione delle batterie e dell’energia da esse prodotte. Questo sistema sarà inclusivo di sistema di gestione automatizzato delle celle in oggetto, convertitori di potenza maximum power tracking system, sistemi di immagazzinamento dell’energia. La presenza di resistenze tra le connessioni tra gli elettrodi permette di stabilizzarne il potenziale, mentre il collegamento in parallelo ed in serie degli stack permette l’aumento del voltaggio e della corrente prodotta e quindi il recupero energetico dal processo di bio-risanamento. L’applicabilità dei prototipi realizzati, vista l’interazione positiva con le piante, includerà la potenziale integrazione nelle infrastrutture verdi urbane per il trattamento delle acque di prima pioggia e, più in generale, per il mantenimento delle aree verdi e della qualità dei suoli, con recupero di energia elettrica da reimpiegare in situ, ad esempio per l’illuminazione delle stesse aree verdi o per alimentare dispositivi elettrici/elettronici. During the tests of the bio-sanitation cells MFCs of the system according to the present invention, the germination of seeds present in the treated soils was observed, which indicates the compatibility of the system conceived with the spontaneous growth of plants. The application in the field involves the setting up of cell batteries connected in parallel and in series to then be connected to a management system of the batteries and the energy they produce. This system will include an automated management system for the cells in question, maximum power tracking system power converters, energy storage systems. The presence of resistances between the connections between the electrodes allows the potential to be stabilized, while the parallel and series connection of the stacks allows the voltage and current produced to increase and therefore energy recovery from the bio-remediation process. The applicability of the prototypes made, given the positive interaction with plants, will include the potential integration into urban green infrastructures for the treatment of rainwater and, more generally, for the maintenance of green areas and soil quality, with recovery of electrical energy to be reused in situ, for example for the lighting of the same green areas or to power electrical / electronic devices.
Sistemi secondo la presente invenzione possono essere messi a punto per trattare acque di prima pioggia, percolati, acque reflue di origine industriale in vasche. In questo caso, le acque da trattare vengono fatte passare progressivamente attraverso una serie di vasche provviste di elettrodi dove, gradualmente, avviene la rimozione delle sostanze tossiche, con formazione di biomassa. L’inoculo rappresentato dal detto mix batterico è utilizzabile anche per il trattamento di acque contaminate. Systems according to the present invention can be developed to treat first rain water, leachate, industrial waste water in tanks. In this case, the water to be treated is progressively passed through a series of tanks equipped with electrodes where, gradually, the toxic substances are removed, with the formation of biomass. The inoculum represented by the said bacterial mix can also be used for the treatment of contaminated water.
Per applicazioni a reflui ed altre matrici liquide gli elettrodi della superficie con increspature e sopra elevazioni delle dimensioni comprese tra i 0,3 ed 1,0 cm a seconda delle dimensioni degli elettrodi. Questi ultimi potranno essere costituiti da PLA grafite/grafene conduttivi o da altro materiale conduttivo plasmabile in stampante 3D o comunque modellabile. Tali elettrodi possono avere geometria quadrangolare, con fessurazioni a geometria circolare o rettangolare, dalla larghezza/diametro variabile tra 0,5 e 3 cm per permettere il flusso di acqua attraverso gli anodi. Un’altra geometria elettrodica implica la messa a punto di retini con fibra di carbonio con maglie dalle dimensioni tra 0,3 mm a 1 cm, riempiti con granuli, dal diametro compreso tra 0,6 e 2 cm, formati da biochar o carbone attivo. Nei retini sono inseriti fili di metallo (Ni/Cr 80/20 o altra lega) in grado di determinare forma e struttura agli anodi e raccogliere gli elettroni prodotti dai batteri che colonizzano i granuli. For applications to wastewater and other liquid matrices, the surface electrodes with ripples and over elevations ranging in size from 0.3 to 1.0 cm depending on the size of the electrodes. The latter may consist of conductive PLA graphite / graphene or other conductive material that can be molded in a 3D printer or otherwise modeled. These electrodes can have a quadrangular geometry, with circular or rectangular slots, with a width / diameter varying between 0.5 and 3 cm to allow the flow of water through the anodes. Another electrode geometry involves the development of carbon fiber screens with mesh sizes ranging from 0.3 mm to 1 cm, filled with granules, with a diameter between 0.6 and 2 cm, formed by biochar or activated carbon . In the screens are inserted metal wires (Ni / Cr 80/20 or other alloy) capable of determining the shape and structure of the anodes and collecting the electrons produced by the bacteria that colonize the granules.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT102019000015210A IT201900015210A1 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | SYSTEM FOR THE RESTORATION OF POLLUTING MATRICES USING MICROBIOLOGICAL FUEL CELLS |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT102019000015210A IT201900015210A1 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | SYSTEM FOR THE RESTORATION OF POLLUTING MATRICES USING MICROBIOLOGICAL FUEL CELLS |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
IT201900015210A1 true IT201900015210A1 (en) | 2021-03-01 |
Family
ID=69468956
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
IT102019000015210A IT201900015210A1 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | SYSTEM FOR THE RESTORATION OF POLLUTING MATRICES USING MICROBIOLOGICAL FUEL CELLS |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
IT (1) | IT201900015210A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101530527B1 (en) * | 2014-02-21 | 2015-06-30 | 순천대학교 산학협력단 | Microbial fuel cell |
-
2019
- 2019-08-29 IT IT102019000015210A patent/IT201900015210A1/en unknown
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101530527B1 (en) * | 2014-02-21 | 2015-06-30 | 순천대학교 산학협력단 | Microbial fuel cell |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
GAMBINO E ET AL: "FUEL CELLS from fundamental to systems", vol. 17, part 5 31 December 2017, FUEL CELLS WILEY-VCH GERMANY, VOL. 17, NR. 5, PAGE(S) 618 - 626, ISSN: 1615-6846, article E. GAMBINO M. TOSCANESI F. DEL PRETE F. FLAGIELLO G. FALCUCCI M. MINUTILLO M. TRIFUOGGI M. GUIDA R. A. NASTRO E. JANNELLI: "Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) Degradation and Detoxification of Water Environment in Single-chamber Air-cathode Microbial Fuel Cells (MFCs)", pages: 618 - 626, XP002799246, DOI: https://doi.org/10.1002/fuce.201700124 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Stimulating sediment bioremediation with benthic microbial fuel cells | |
Chakraborty et al. | Bioelectrochemically powered remediation of xenobiotic compounds and heavy metal toxicity using microbial fuel cell and microbial electrolysis cell | |
Wang et al. | Bioelectrochemical system platform for sustainable environmental remediation and energy generation | |
Daghio et al. | Electrobioremediation of oil spills | |
Mohanakrishna et al. | Biological anodic oxidation and cathodic reduction reactions for improved bioelectrochemical treatment of petroleum refinery wastewater | |
Tucci et al. | Empowering electroactive microorganisms for soil remediation: Challenges in the bioelectrochemical removal of petroleum hydrocarbons | |
Liu et al. | Increasing removal of benzene from groundwater using stacked tubular air-cathode microbial fuel cells | |
Liu et al. | Enhancement of power generation by microbial fuel cells in treating toluene-contaminated groundwater: Developments of composite anodes with various compositions | |
Tabassum et al. | Progress in microbial fuel cells for sustainable management of industrial effluents | |
Nguyen et al. | Simultaneous arsenite oxidation and nitrate reduction at the electrodes of bioelectrochemical systems | |
Chang et al. | Electricity production and benzene removal from groundwater using low-cost mini tubular microbial fuel cells in a monitoring well | |
US20220219212A1 (en) | Stacked circulatable microbial electrochemical reactor and degradation method of petroleum hydrocarbon contaminated soil | |
Park et al. | Coal tar wastewater treatment and electricity production using a membrane-less tubular microbial fuel cell | |
Huang et al. | A glance of coupled water and wastewater treatment systems based on microbial fuel cells | |
Lin et al. | Enhancing bioelectricity production and copper remediation in constructed single-medium plant sediment microbial fuel cells | |
Jin et al. | Feasibility of using bioelectrochemical systems for bioremediation | |
Jugnia et al. | Selenite and selenate removal in a permeable flow-through bioelectrochemical barrier | |
Chen et al. | Bioelectric field drives ion migration with the electricity generation and pollutant removal | |
CN113149150B (en) | Active carbon cathode electro-Fenton system and method for removing underground water halogenated hydrocarbons by using same | |
Jobin et al. | Bioremediation in water environment: controlled electro-stimulation of organic matter self-purification in aquatic environments | |
IT201900015210A1 (en) | SYSTEM FOR THE RESTORATION OF POLLUTING MATRICES USING MICROBIOLOGICAL FUEL CELLS | |
Aimola et al. | Environmental remediation and possible use of terrestrial microbial fuel cells | |
Kumar et al. | Application of constructed wetlands in degradation and detoxification of industrial effluents: challenges and prospects | |
CN110395805B (en) | Microbial electrochemical device for strengthening horizontal subsurface flow wetland | |
Wang et al. | In-situ remediation of contaminated groundwater by bioelectrochemical system: A review |