Hydrogen from wastewater: a phenomenological model for composite bioactive membrane reactors

Abstract

Anaerobic membrane bioreactors for simultaneous cell immobilization and gas separation are novel and can increase fermentative conversion of wastewater into hydrogen (H2). Despite being a cost-effective approach for process intensification, H2 models are undeveloped and rely on simple empirical equations without a physical basis.

This work aims to create a phenomenological model of a composite bioactive membrane reactor (CBMem) for process intensification of H2 from wastewater. To achieve this goal, (i) a set of equations that integrates biological, kinetic, and mass transfer mechanisms was formulated and implemented; (ii), the evolution of the bioactive layer was characterized for the evaluation of the H2 yield, capture efficiency, and CBMem lifespan, and (iii) new operational conditions and membrane parameters were proposed to intensify the process based on a sensitivity analysis.

The systems of equations were coupled second-order partial or ordinary differential equations based on mass balances to follow the concentration profiles of cells, substrate, and H2 in each domain. Besides biochemical kinetics and mass transfer, the effects of cell growth on diffusion and cell migration stimulated by the substrate gradient and space limitation were included. Through suitable boundary conditions, domain coupling and process dynamics were ensured.

The model was transformed using the finite-difference method for implementation in GNU Octave. After a sequential calibration strategy, model calibration and validation were performed based on experimental data from a lab-scale CBMem. The developed model was able to follow the H2 mass flow outlet with a good confidence. Simulations for extended operations confirmed the model's capacity to represent biological phenomena dynamics, and identify operational risks, such as substrate depletion, H2 inhibition, and excessive cell growth. The model could also predict process performance and the membrane's lifespan based on capture efficiency, cell growth, and substrate depletion criteria. Finally, the sensitivity analysis allowed the comprehension of the effects of changing operation and design parameters, such as the chemical oxygen demand and the initially immobilized cell mass or bioactive layer width.

This work offers the first phenomenological model for multi-domain membrane bioreactors for H2 production and separation from wastewater, contributing to a better comprehension of the system's behavior and enabling future improvements in model-based decision making on next-generation biological membrane designs.

Los bioreactores anaerobios de membrana para la simultánea inmovilización celular y separación de gases son novedosos y pueden aumentar la conversión fermentativa de aguas residuales en hidrógeno (H2). A pesar de su potencial rentable para intensificar procesos, los modelos de H2 están subdesarrollados y se basan en ecuaciones empíricas simples que carecen de una base física. Este trabajo tiene como objetivo crear un modelo fenomenológico de un reactor de membrana compuesta bioactiva (CBMem), para la intensificación del proceso de H2 a partir de aguas residuales. Para esto, (i) se formuló e implementó un conjunto de ecuaciones que integra mecanismos biológicos, cinéticos y de transferencia de masa; (ii) se caracterizó la evolución de la capa bioactiva para la evaluación del desempeño y vida útil de la CBMem, y (iii) se propusieron nuevas condiciones operativas y parámetros de membrana basado en un análisis de sensibilidad. El sistema de ecuaciones consiste en ecuaciones diferenciales basadas en balances de masa para seguir los perfiles de concentración de células, sustrato e H2 en cada dominio. Además de la cinética y la transferencia de masa, se consideraron los efectos del crecimiento celular en la difusión y la migración celular estimulada por el gradiente de sustrato y limitación de espacio. Mediante adecuadas condiciones de borde, se garantizó el acoplamiento de dominios y el seguimiento de la dinámica del proceso. El modelo se discretizó para su implementación en GNU Octave. Tras calibraciones secuenciales, el modelo fue ajustado y validado utilizando datos experimentales de una CBMem a escala de laboratorio, demostrando poder seguir el flujo másico de H2 de salida. Además, simulaciones para operaciones extendidas confirmaron su capacidad para representar la dinámica de los fenómenos biológicos, identificar riesgos operativos, tales como el agotamiento del sustrato, la inhibición de H2 y el crecimiento excesivo de células, y predecir el desempeño del proceso y la vida útil de la membrana basándose en criterios de eficiencia de captura, crecimiento celular y agotamiento del sustrato. Finalmente, se realizó un análisis de sensibilidad para comprender los efectos de los cambios en los parámetros de operación y diseño en el rendimiento del proceso, variando la demanda química de oxígeno, la masa celular inicialmente inmovilizada o el ancho de la capa bioactiva. Este trabajo ofrece el primer modelo fenomenológico para bioreactores de membrana de múltiples dominiospara la producción de H2 a partir de aguas residuales, contribuyendo a una mejor comprensión del comportamiento del sistema y permitiendo futuras mejoras en la toma de decisiones relacionadas con el diseño de membranas biológicas.