Date of Award
11-2023
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Civil Engineering
Department
Civil and Environmental Engineering
First Advisor
Dr. Ashraf Aly Hassan
Second Advisor
Dr. Mohamad Mostafa Ahmed Mohamed
Abstract
Hydrogen is a clean source and carbon-free source of energy that can be generated photobiologically using green microalgae with 122 kJ/g of energy output which is 2.75 times that of hydrocarbon-based fuels. However, challenges, such as presence of molecular oxygen (O2) within the cells, hinder their practical application. Molecular O2, emanating from the activity of photosynthesis, acts as a powerful and effective switch that turns off bioH2 production activity. The objective of this research was to develop an innovative approach to increase the yield and sustain bioH2 photoproduction. For this purpose, a consortium of microalgae and Wastewater Activated Sludge (WWAS) was used to scavenge intracellular molecular O2 within representative species of microalgae. The previous studies investigated the co-culture of microalgae and pure bacterial strains; however, the current study proposed the co-culture system integrated with WWAS. The bacteria present in WWAS consumed the molecular O2 produced during algal metabolism. The co-culture showed exact inverse relation between bioH2 and O2 during incubation period. Almost 45% of the gas composition was comprised of bioH2 gas in the cumulative gas. 1246 mL H2 L-1 of reactor volume was produced with least 57 mL O2 L-1 during 6 days of incubation. The optimized conditions were employed on semi continuous and continuous flow reactors to check the feasibility for sustained bioH2 yield. The maximum bioH2 concentrations of 421.1 μmol L-1 and 56.6 μmol L−1 were observed in the exponential and steady-state phases while operating in Sequential Flow Batch Reactor (SFBR) mode. The proposed system also removed the organics while improving water quality for reuse, accumulating biomass for biofuel production, and generating valuable gasses. The co-culture inoculum ratio of 1:1.5 v/v (Chlorella vulgaris: WWAS) achieved ∼33% COD and ∼47% TS removal efficiencies in O2-deficient Tris-Acetate-Phosphate (TAP) medium during five days of incubation period. This project contributed to the shift from a traditional mode of energy production from fossil fuels, use, and disposal to a circular economy wherein the vast potential of wastewater as a source of valuable nutrients and energy was exploited.
Arabic Abstract
اتحاد الطحالب الدقيقة والحمأة المنشطة بمياه الصرف الصحي لتوليد الهيدروجين الحيوي
يعتبر الهيدروجين مصدرا نظيفا وخاليا من الكربون، وهو مصدر طاقة خال من الكربون ويمكن توليده ضوئيا باستخدام الطحالب الدقيقة الخضراء مع إنتاج طاقة يبلغ 122 كيلوجول/ جرام وهو ما يعادل 2.75 مرة من الوقود المعتمد على الهيدروكربون. ومع . ذلك، فإن التحديات، مثل وجود الأكسجين الجزيئي (O2) داخل الخلايا، تعيق تطبيقها العملي. يعمل الأكسجين الجزيئي، المنبثق من نشاط التمثيل الضوئي، كمفتاح قوي وفعال يوقف نشاط إنتاج الهيدروجين الحيوي. الهدف من هذا البحث هو تطوير نهج مبتكر لزيادة المحصول واستدامة الإنتاج الضوئي للهيدروجين الحيوي. ولهذا الغرض، سيتم استخدام اتحاد من الطحالب الدقيقة والحمأة المنشطة بمياه الصرف الصحي للبحث عن الأكسجين الجزيئي داخل الخلايا داخل الأنواع الممثلة للطحالب الدقيقة. وقد بحثت الدراسات الحديثة نسبياً في زراعة الطحالب الدقيقة والسلالات البكتيرية النقية؛ ولذلك، تقترح الدراسة الحالية نظام التكامل المشترك مع الحمأة المنشطة بمياه الصرف الصحي. سوف تستهلك البكتيريا الموجودة في الحماة المنشطة بمياه الصرف الصحي الأكسجين الجزيئي الناتج أثناء استقلاب الطحالب أظهرت الثقافة المشتركة علاقة عكسية دقيقة بين الأكسجين الجزيئي والهيدروجين خلال فترة الحضانة. يشتمل ما يقرب من 45% من تركيبة الغاز على الهيدروجين في التركيز النهائي. تم إنتاج 1246 مل من الهيدروجين لكل لتر مع 57 مل على الأقل من الأكسجين الجزيئي لكل لتر خلال 6 أيام من الحضانة. وسيتم استخدام الثقافة المشتركة ذات الظروف المحسنة في مفاعلات التدفق شبه المستمر والمستمر للتحقق من جدوى إنتاج الهيدروجين الحيوي المستدام. وقد لوحظ الحد الأقصى لتركيزات الهيدروجين الحيوي البالغة 421.1 ميكرومول لكل لتر و 56.6 ميكرومول لكل لتر في المرحلتين الأسية والحالة المستقرة أثناء العمل في وضع مفاعل دفعة التدفق المتسلسل وسيعمل النظام المقترح أيضا على إزالة المواد العضوية مع تحسين جودة المياه لإعادة استخدامها، وتجميع الكتلة الحيوية لإنتاج الوقود الحيوي، وتوليد غازات قيمة مثل الهيدروجين الحيوي. حققت نسبة اللقاح في الثقافة المشتركة 1 1.5 حجم/ حجم الحماة المنشطة بمياه الصرف الصحي طحلب (Chlorella vulgaris) كفاءة إزالة الطلب على الاكسجين الكيميائي - 33% و مجموع المواد الصلبة - 47% في وسط ثلاثي أسيتات الفوسفات (TAP) الناقص الأكسجين الجزيئي خلال خمسة أيام من فترة الحضانة . سيساهم هذا المشروع في التحول من النمط التقليدي لإنتاج الطاقة من الوقود الأحفوري واستخدامه والتخلص منه إلى اقتصاد دائري حيث يتم استغلال الإمكانات الهائلة لمياه الصرف الصحي كمصدر للمغذيات القيمة والطاقة.
Recommended Citation
Javed, Muhammad Asad, "A CONSORTIUM OF MICROALGAE AND WASTEWATER ACTIVATED SLUDGE TO GENERATE BIOHYDROGEN" (2023). Dissertations. 302.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/302
