Cultivation and controlling of electrochemically active microorganisms and their biofilms for industrial wastewater treatment
This thesis has been developed under the framework of the Elektropapier project (Grant nrs: 03XP041E & 03XP0041F). The efforts for the development of a suitable graphite and paper-based electrode material, one of the main objectives of the project, have been successfully carried out and reported elsewhere. The application of this electrode material has been explored further and partially reported and finally throughout this thesis.
The implementation of microbial electrochemical technologies was originally focused on the reduction of energy consumption by generating electric energy as part of the wastewater treat-ment process. Studies on adapting microbial fuel cells into the conventional processes have shown the importance of a targeted integration. However, the technological development with regard to cheese whey is rather focused on the optimization of hydrogen and methane production.
This work aims most forthrightly to evaluate the viability of the integration of a microbial elec-trochemical treatment as an independent process or integrated component thereof for the deg-radation of cheese whey. Here, the complex system in which microbiology and electrochemistry collude will be gradually broken down in order to identify the elements that are critical for pro-cess optimization.
The effect of electrochemical parameters such as anode potential (Eapp) under potentiostatic control and the influence of the selected electrochemical techniques on biofilm formation and performance are explored in Chapter 2. The limitations arising from the coexistence of the two main biological processes, fermentation and electrogenesis, and a guide for the selection of the important parameters to consider during the acclimation of electrochemically active biofilms are described in Chapter 3.
Validation of the selected electrochemical techniques for biofilm conditioning are covered in Chapter 4. There, the controlled electrochemical response of conditioned biofilms to an stand-ard artificial feeding medium (s-AFM) containing acetate, propionate and butyrate, by-products of cheese whey fermentation is evaluated and the effect of butyrate and propionate variation and pH are evaluated via Pearson correlation analyses. The importance of collinearity between fatty acids consumption and its impact on the assessment of independent dominances is dis-cussed in depth.
Finally, the evaluation of the performance of acclimated biofilms to the artificial feeding medium (AFM) for the degradation of cheese whey in a two-stage process is evaluated in Chapter 5. The interrelation of the substrate consumption pathways to the age of the conditioned-biofilms and to their electrochemical performances are presented.
Diese Arbeit wurde im Rahmen des Elektropapier-Projekts (Förderkennzeichen: 03XP041E & 03XP0041F) entwickelt. Die Bemühungen um die Entwicklung eines geeigneten Elektrodenmaterials auf Graphit- und Papierbasis, eines der Hauptziele des Projekts, wurden erfolgreich durchgeführt und anderswo veröffentlicht. Die Anwendung dieses Elektrodenmaterials wurde weiter erforscht, teilweise auch veröffentlicht und schließlich in dieser Arbeit berichtet. Die Einführung mikrobieller elektrochemischer Technologien war ursprünglich auf die Senkung des Energieverbrauchs durch die Erzeugung elektrischer Energie im Rahmen des Abwasserreinigungsprozesses ausgerichtet. Studien zur Adaption mikrobieller Brennstoffzellen in die konventionellen Prozesse haben gezeigt, wie wichtig eine gezielte Integration ist. Die technologische Entwicklung in Bezug auf Käsemolke ist jedoch eher auf die Optimierung der Wasserstoff- und Methanproduktion ausgerichtet. Ziel dieser Arbeit ist es, die Machbarkeit der Integration einer mikrobiellen elektrochemischen Behandlung als eigenständigen Prozess oder als integrierten Bestandteil davon für den Abbau von Käsemolke zu bewerten. Dabei wird das komplexe System, in dem Mikrobiologie und Elektrochemie zusammenwirken, schrittweise aufgeschlüsselt, um die für die Prozessoptimierung entscheidenden Elemente zu identifizieren. Die Auswirkungen elektrochemischer Parameter wie das Anodenpotenzial (Eapp) unter potentiostatischer Kontrolle und der Einfluss der gewählten elektrochemischen Techniken auf die Biofilmbildung und -leistung werden in Kapitel 2 untersucht. Die Einschränkungen, die sich aus der Koexistenz der beiden wichtigsten biologischen Prozesse, der Fermentation und der Elektrogenese, ergeben, sowie ein Leitfaden für die Auswahl der wichtigen Parameter, die bei der Akklimatisierung elektrochemisch aktiver Biofilme zu berücksichtigen sind, werden in Kapitel 3 beschrieben. Die Validierung der ausgewählten elektrochemischen Techniken für die Biofilmkonditionierung wird in Kapitel 4 behandelt. Dort wird die kontrollierte elektrochemische Reaktion konditionierter Biofilme auf ein künstliches Standardnährmedium (s-AFM), das Acetat, Propionat und Butyrat, Nebenprodukte der Käsemolkegärung, enthält, bewertet. Die Auswirkungen der Butyrat- und Propionatvariation und des pH-Werts wurden mittels Pearson-Korrelationsanalysen untersucht. Die Bedeutung der Kollinearität zwischen dem Fettsäureverbrauch und ihre Auswirkung auf die Bewertung unabhängiger Dominanzen wird eingehend erörtert.
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