This work was supported by the BOF grant for SG from Ghent University. AL is supported by the Rutgers University NSF Fuels-IGERT. SA is supported by the European Union Framework Programme 7 project &#8220;ProEthanol 2G.&#8221; SA and KR are supported by Ghent University Multidisciplinary Research Partnership (MRP)&#8212;Biotechnology for a sustainable economy (01 MRA 510W). JD is supported by an IOF Advanced grant (F2012/IOF-Advanced/094). KR is supported by by the ERC Starter Grant &#8220;Electrotalk&#8221;. The authors thank Tim Lacoere for designing the TOC art figure, Robin Declerck for building the strip and absorption columns and Kun Guo for providing the inoculum source.

<ol>
	<li>Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maximum+use+of+resources+present+in+domestic+&#34;used+water&#34;.">Maximum use of resources present in domestic &#34;used water&#34;.</a> Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).</li><li>Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pretreatment+of+anaerobic+digestion+effluent+with+ammonia+stripping+and+biogas+purification.">Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification.</a> Journal of Hazardous Materials. 145 (3), 391-397 (2007).</li><li>Siegrist, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nitrogen+removal+from+digester+supernatant-comparison+of+chemical+and+biological+methods.">Nitrogen removal from digester supernatant-comparison of chemical and biological methods.</a> Water Science and Technology. 34 (1), 399-406 (1996).</li><li>Desloover, J., Abate Woldeyohannis, A., Verstraete, W., Boon, N., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+Resource+Recovery+from+Digestate+to+Prevent+Ammonia+Toxicity+during+Anaerobic+Digestion.">Electrochemical Resource Recovery from Digestate to Prevent Ammonia Toxicity during Anaerobic Digestion.</a> Environmental Science &amp; Technology. 46 (21), 12209-12216 (2012).</li><li>Kim, J. R., Zuo, Y., Regan, J. M., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+ammonia+loss+mechanisms+in+microbial+fuel+cells+treating+animal+wastewater.">Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater.</a> Biotechnology and Bioengineering. 99 (5), 1120-1127 (2008).</li><li>Emerson, K., Russo, R. C., Lund, R. E., Thurston, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aqueous+ammonia+equilibrium+calculations:+effect+of+pH+and+temperature.">Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature.</a> Journal of the Fisheries Board of Canada. 32 (12), 2379-2383 (1975).</li><li>Kuntke, P., Sleutels, T. H. J. A., Saakes, M., Buisman, C. J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+production+and+ammonium+recovery+from+urine+by+a+Microbial+Electrolysis+Cell.">Hydrogen production and ammonium recovery from urine by a Microbial Electrolysis Cell.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 39 (10), 4771-4778 (2014).</li><li>Guo, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surfactant+treatment+of+carbon+felt+enhances+anodic+microbial+electrocatalysis+in+bioelectrochemical+systems.">Surfactant treatment of carbon felt enhances anodic microbial electrocatalysis in bioelectrochemical systems.</a> Electrochemistry Communications. 39, 1-4 (2014).</li><li>Guo, K., Chen, X., Freguia, S., Donose, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spontaneous+modification+of+carbon+surface+with+neutral+red+from+its+diazonium+salts+for+bioelectrochemical+systems.">Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems.</a> Biosensors and Bioelectronics. 47, 184-189 (2013).</li><li>Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater. , (1992).</li><li>Andersen, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrolytic+Membrane+Extraction+Enables+Production+of+Fine+Chemicals+from+Biorefinery+Sidestreams.">Electrolytic Membrane Extraction Enables Production of Fine Chemicals from Biorefinery Sidestreams.</a> Environmental Science &amp; Technology. 48 (12), 7135-7142 (2014).</li><li>Harnisch, F., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Diversity+of+Techniques+to+Study+Electrochemically+Active+Biofilms+Highlights+the+Need+for+Standardization.">The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization.</a> Chemsuschem. 5 (6), 1027-1038 (2012).</li><li>Clauwaert, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minimizing+losses+in+bio-electrochemical+systems:+the+road+to+applications.">Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 79 (6), 901-913 (2008).</li><li>Atkins, P., De Paula, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Elements of Physical Chemistry. , (2012).</li><li>Aelterman, P., Freguia, S., Keller, J., Verstraete, W., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+anode+potential+regulates+bacterial+activity+in+microbial+fuel+cells.">The anode potential regulates bacterial activity in microbial fuel cells.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 78 (3), 409-418 (2008).</li><li>Kuntke, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ammonium+recovery+and+energy+production+from+urine+by+a+microbial+fuel+cell.">Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell.</a> Water Research. 46 (8), 2627-2636 (2012).</li><li>Liu, H., Cheng, S., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+Generation+in+Fed-Batch+Microbial+Fuel+Cells+as+a+Function+of+Ionic+Strength.">Power Generation in Fed-Batch Microbial Fuel Cells as a Function of Ionic Strength.</a> Temperature, and Reactor Configuration. Environmental Science &amp; Technology. 39 (14), 5488-5493 (2005).</li><li>Gimkiewicz, C., Harnisch, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Waste+Water+Derived+Electroactive+Microbial+Biofilms:+Growth,+Maintenance,+and+Basic+Characterization.">Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization.</a> JoVE. (82), e50800 (2013).</li><li>Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., He, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+investigation+of+fouling+of+cation+and+anion+exchange+membranes+in+microbial+desalination+cells.">Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells.</a> Desalination. 325, 48-55 (2013).</li><li>Guerin, T., Mondido, M., McClenn, B., Peasley, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+resazurin+for+estimating+abundance+of+contaminant-degrading+micro-organisms.">Application of resazurin for estimating abundance of contaminant-degrading micro-organisms.</a> Letters in Applied Microbiology. 32 (5), 340-345 (2001).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Diese Handschrift stellt die notwendigen Werkzeuge zur Einrichtung einer bioelektrochemische und eine elektrochemische Zelle für Ammonium Erholung. Die im Abschnitt Ergebnisse vorgestellt Berechnungen liefern die Parameter für die Bewertung der Systemleistung. Die biologischen und elektrochemische Systeme ähneln in Aufbau und Funktion. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Systemen ist die Wahl eines festen Strom für die elektrochemische Zelle gegenüber einem festen Anodenpotential für die bio-elektrochemischen E...

Rückgewinnung von Wertstoffen aus Abwasser gewinnt an Bedeutung als wertvolle Ressourcen knapp und die Behandlung ohne Rückgewinnung werden nur einen Preis. Abwasser enthält sowohl Energie und Nährstoffe, die wiederhergestellt werden können, und Nährstoffrückgewinnung kann helfen, den Produktionskreislauf 1 zu schließen. Rückgewinnung von Energie durch anaerobe Vergärung ist ein gut etabliertes Verfahren, während die Rückgewinnung von Nährstoffen ist weniger verbreitet. Verwertung von Nährstoffen aus der flüssigen Abfallströmen, wie Urin und Dung wurde umfassend untersucht, beispielsweise durch die Produktion von Struvit und direkte Ammoniakstrippung 2,3. Die Notwendigkeit einer chemischen Zusatz ist jedoch ein Nachteil dieser Verfahren 4. Hier präsentieren wir eine Technik zur Gewinnung von kationischen Nährstoffen aus Abfallströmen, einschließlich Kalium und Ammonium. Die kationische Form dieser Nährstoffe ermöglicht die Wiederherstellung unter Verwendung einer ionenselektiven Membran, die in einem elektrochemischen System. In diesem Fall wird die electrochemical-System besteht aus einer Anodenkammer (wo Oxidation stattfindet), eine Kathodenkammer (wo die Reduktion stattfindet) und eine ionenselektive Membran, die Räume trennen. Eine Spannung wird an die Zelle angelegt, um einen Stromfluss von der Anode zur Kathode zu erzeugen. Diese Spannung kann durch eine externe Energiequelle, um Wasser Oxidations- und Reduktionsreaktionen fahren erzeugt werden. Alternativ kann die anodische Oxidation, beispielsweise aus organischen Verbindungen, können durch elektro Bakterien, weniger Leistung benötigt, katalysiert werden. Um die Schaltung für den Ladungsausgleich zu schließen und zu halten, muß ein geladener Spezies zwischen den Elektroden für jeden erzeugten Elektronen migrieren. Ammoniumtransport aus der Anodenkammer in die Kathodenkammer durch eine Kationenaustauschmembran (CEM) können so kompensiert den Fluss der Elektronen 4,5. Die hier vorgestellte Technik entfernt nicht nur Ammonium aus Abfallströmen, sondern ermöglicht auch die Erholung. Gesamtammoniakstickstoff (TAN) im Gleichgewicht sowohl ammon bestehtium (NH 4 +) und Ammoniak (NH 3), und ist abhängig von pH-Wert und Temperatur 6. NH 4 + ist reichlich durch hohe TAN Konzentration und in der Nähe von neutralem pH-Wert in der Anodenkammer und diese positiv geladene Spezies kann daher durch den Strom über die CEM in den Kathodenraum gefahren werden zur Verfügung. Der Strom treibt die Reduktion von Wasser an der Kathode, was zu der Erzeugung von Hydroxidionen und Wasserstoffgas. Die TAN Gleichgewicht verschiebt sich nahezu 100% NH 3 durch den hohen pH-Wert in der Kathodenkammer (&gt; 10,0). NH 3 ist ein Gas, das leicht durch Luftzirkulation von der Destillationseinheit in die Absorptionskolonne, wo er eingeschlossen und in einer Säurelösung konzentriert übertragen werden kann. Diese Technologie hat das Potenzial, Ammonium Toxizität während der anaeroben Vergärung von N-reichen Strömen wie Gülle zu verringern, wodurch die Energierückgewinnung aus diesen Abfallströmen, während gleichzeitigWiederherstellen Nährstoffe 4. Elektrochemische und bioelektrochemische Extraktion von Ammonium kann auch als Nährstoffrückgewinnungstechnik für Abfallströme mit hoher TAN Inhalte wie beispielsweise Urin, wodurch Kosten für Nährstoffentfernung in einer Kläranlage 7 Vermeidung angewendet werden. Die hier vorgestellte Protokoll kann als Basis für viele verschiedene elektrochemische und bioelektrochemische Experimenten dienen, wie wir eine modulare Reaktor. Verschiedene Elektrodenarten, Membranen und Rahmenstärken können kombiniert werden, wie in der nachstehenden Protokoll erläutert. Das Ziel des Protokolls ist es, ein Mittel für den Vergleich des elektrochemischen Ammonium Verwertung und bioelektrochemische Ammoniumrückgewinnung unter Verwendung einer Elektrolysezelle bereitzustellen. Die Systeme sind in Bezug auf die Extraktionseffizienz, Stromaufnahme und Reproduzierbarkeit bewertet.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="876">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:192px;">Company</td>
			<td style="width:301px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Carbon Felt 3.18 mm Thick&#160;</td>
			<td style="width:192px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:301px;">ALFA43199</td>
			<td>Used as bioanode, 110 mm x 110 mm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Ti electrode coated with Ir MMO&#160;</td>
			<td style="width:192px;">Magneto Special Anodes (The Netherlands)</td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td>Used as stable anode for electrochemical tests</td>
		</tr>
		<tr height="73">
			<td height="73" style="height:74px;width:216px;">Stainless steel mesh</td>
			<td style="width:192px;">Solana (Belgium)</td>
			<td style="width:301px;">RVS 554/64: material AISI 316L, mesh width: 564 micron, wire thickness: 140 micron, mesh number: 36,6</td>
			<td>Used as cathode, 110 mm x 110 mm</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:216px;">Stainless steel plate</td>
			<td style="width:192px;">Solana (Belgium)</td>
			<td style="width:301px;">inox 304 sheet, thickness: 0,5mm</td>
			<td>Used as current collector for the bioanode</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ag/AgCl Reference Electrode</td>
			<td style="width:192px;">Bio-Logic (France)</td>
			<td style="width:301px;">A-012167 RE-1B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Potentiostat (VSP Multipotentiostat)&#160;</td>
			<td style="width:192px;">Bio-Logic (France)</td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">EC Lab</td>
			<td style="width:192px;">Bio-Logic (France)</td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td>software for performing electrochemistry measurements</td>
		</tr>
		<tr height="44">
			<td height="44" style="height:44px;width:216px;">Cation Exchange Membrane</td>
			<td style="width:192px;">Membranes International (USA)</td>
			<td style="width:301px;">Ultrex CMI-7000</td>
			<td>Pretreated according to the manufacturers&#39; instructions</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Turbulence Promotor mesh</td>
			<td style="width:192px;">ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark)</td>
			<td style="width:301px;">EPC20432-PP-2</td>
			<td>spacer material, 110 mm x 110 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Connectors</td>
			<td style="width:192px;">Serto</td>
			<td style="width:301px;">1,281,161,120</td>
			<td>Other sizes possible, dependant on tubing type and size of holes in frames</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Strip and absorption column</td>
			<td style="width:192px;"></td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td>In house design</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tubing</td>
			<td style="width:192px;">Masterflex</td>
			<td style="width:301px;">HV-06404-16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Gas bag</td>
			<td style="width:192px;">Keika Ventures</td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td>Kynar gas bag with Roberts valve</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Rashig Rings</td>
			<td style="width:192px;">Glasatelier Saillart (Belgium)</td>
			<td style="width:301px;">Raschig rings 4 x 4 mm</td>
			<td>Put inside the strip and absorption column to improve the air/liquid contact. Available with many suppliers</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Rubber sheet</td>
			<td style="width:192px;"></td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td>Cut to fit on the perspex frames</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Perspex reactor frames</td>
			<td style="width:192px;">Vlaeminck, Beernem</td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td>In-house design, see tab &#34;reactor frames&#34; in this file</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electrochemically and bioelectrochemically induced ammonium recovery

Streams such as urine and manure can contain high levels of ammonium, which could be recovered for reuse in agriculture or chemistry. The extraction of ammonium from an ammonium-rich stream is demonstrated using an electrochemical and a bioelectrochemical system. Both systems are controlled by a potentiostat to either fix the current (for the electrochemical cell) or fix the potential of the working electrode (for the bioelectrochemical cell). In the bioelectrochemical cell, electroactive bacteria catalyze the anodic reaction, whereas in the electrochemical cell the potentiostat applies a higher voltage to produce a current. The current and consequent restoration of the charge balance across the cell allow the transport of cations, such as ammonium, across a cation exchange membrane from the anolyte to the catholyte. The high pH of the catholyte leads to formation of ammonia, which can be stripped from the medium and captured in an acid solution, thus enabling the recovery of a valuable nutrient. The flux of ammonium across the membrane is characterized at different anolyte ammonium concentrations and currents for both the abiotic and biotic reactor systems. Both systems are compared based on current and removal efficiencies for ammonium, as well as the energy input required to drive ammonium transfer across the cation exchange membrane. Finally, a comparative analysis considering key aspects such as reliability, electrode cost, and rate is made.
This video article and protocol provide the necessary information to conduct electrochemical and bioelectrochemical ammonia recovery experiments. The reactor setup for the two cases is explained, as well as the reactor operation. We elaborate on data analysis for both reactor types and on the advantages and disadvantages of bioelectrochemical and electrochemical systems.

Chronoamperometrie resultiert aus Bioreaktor Die Chronoamperometrie Ergebnisse nach Gleichung 1 berechnet wird, zeigen eine typische Kurve für einen kontinuierlichen Reaktor (Abbildung 4). Zu Beginn des Experiments wurden die Anode und die Kathode im Umluftbetrieb betrieben. Dies ermöglicht einen Biofilm zu entwickeln und den Beginn der aktuellen Produktion. Nach 5 Tagen Betrieb die Stromdichte ein Maximum erreicht, gefolgt von einer Abnahme in der laufend...

Watch this Scientific Journal Video about Electrochemically and Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery at JoVE.com

Electrochemically and Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery

We demonstrate the extraction of ammonium from an ammonium-rich stream using an electrochemical and a bioelectrochemical system. The reactor setup, operation and data analysis are discussed.

Elektrochemisch und Bioelectrochemically Induzierte Ammonium Erholung

Streams such as urine and manure can contain high levels of ammonium, which could be recovered for reuse in agriculture or chemistry. The extraction of ...

electrochemically-and-bioelectrochemically-induced-ammonium-recovery

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Chemistry

Chemical Equilibrium

SCIENTISTS IN ACTION

12.6K Aufrufe.  Ghent University. We demonstrate the extraction of ammonium from an ammonium-rich stream using an electrochemical and a bioelectrochemical system. The reactor setup, operation and data analysis are discussed. 