The use of electrochemically active bacteria to break down organic matter, combined with the addition of a small voltage (>0.2 V in practice) in specially designed microbial electrolysis cells (MECs), can result in a high yield of hydrogen gas. While microbial electrolysis was invented only a few years ago, rapid developments have led to hydrogen yields approaching 100%, energy yields based on electrical energy input many times greater than that possible by water electrolysis, and increased gas production rates. MECs used to make hydrogen gas are similar in design to microbial fuel cells (MFCs) that produce electricity, but there are important differences in architecture and analytical methods used to evaluate performance. We review here the materials, architectures, performance, and energy efficiencies of these MEC systems that show promise as a method for renewable and sustainable energy production, and wastewater treatment.

Due to the excellent proton conductivity of Nafion membranes in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), Nafion has been applied also in microbial fuel cells (MFCs). In literature, however, application of Nafion in MFCs has been associated with operational problems. Nafion transports cation species other than protons as well, and in MFCs concentrations of other cation species (Na+, K+, NH4+, Ca2+, and Mg2+) are typically 105 times higher than the proton concentration. The objective of this study, therefore, was to quantify membrane cation transport in an operating MFC and to evaluate the consequences of this transport for MFC application on wastewaters. We observed that during operation of an MFC mainly cation species other than protons were responsible for the transport of positive charge through the membrane, which resulted in accumulation of these cations and in increased conductivity in the cathode chamber. Furthermore, protons are consumed in the cathode reaction and, consequently, transport of cation species other than protons resulted in an increased pH in the cathode chamber and a decreased MFC performance. Membrane cation transport, therefore, needs to be considered in the development of future MFC systems.

Biocatalyzed electrolysis is a novel biological hydrogen production process with the potential to efficiently convert a wide range of dissolved organic materials in wastewaters. Even substrates formerly regarded to be unsuitable for hydrogen production due to the endothermic nature of the involved conversion reactions can be converted with this technology. Biocatalyzed electrolysis achieves this by utilizing electrochemically active micro-organisms that are capable of generating electrical current from the oxidation of organic matter. When this biological anode is coupled to a proton reducing cathode by means of a power supply, hydrogen is generated. In the biocatalyzed electrolysis experiments presented in this article acetate is used as a model compound. In theory, biocatalyzed electrolysis of acetate requires applied voltages that can be as low as 0.14 V, while hydrogen production by means of conventional water electrolysis, in practice, requires applied voltages well above 1.6 V. At an applied voltage of 0.5 V the biocatalyzed electrolysis setup used in this study, produces approximately 0.02m3H2/m3 reactor liquid volume/day from acetate at an overall efficiency of 53±3.5%. This performance was mainly limited by the current design of the system, diffusional loss of hydrogen from the cathode to the anode chamber and high overpotentials associated with the cathode reaction. In this article we show that optimization of the process will allow future volumetric hydrogen production rates above 10m3H2/m3 reactor liquid volume/day at overall efficiencies exceeding 90% and applied voltages as low as 0.3–0.4 V. In the future, this will make biocatalyzed electrolysis an attractive technology for hydrogen production from a wide variety of wastewaters.

A huge potential to obtain clean energy exists from mixing water streams with different salt concentrations. Two membrane-based energy conversion techniques are evaluated: pressure-retarded osmosis and reverse electrodialysis. From the literature, a comparison is not possible since the reported performances are not comparable. A method was developed which allows for a comparison of both techniques at equal conditions, with respect to power density and energy recovery. Based on the results from the model calculations, each technique has its own field of application. Pressure-retarded osmosis seems to be more attractive for power generation using concentrated saline brines because of the higher power density combined with higher energy recovery. Reverse electrodialysis seems to be more attractive for power generation using seawater and river water. These conclusions are valid for present and latent performances of both techniques. According to the model, the potential performances of both techniques are much better than the current performances. In order to achieve these potential performances, the development of pressure-retarded osmosis must focus on membrane characteristics, i.e. increasing the water permeability of the membrane skin and optimization of the porous support. The development of reverse electrodialysis, however, must focus on system characteristics, i.e. optimization of the internal resistance, which is mainly determined by the width of the spacers.

The anaerobic treatment process is increasingly recognized as the core method of an advanced technology for environmental protection and resource preservation and it represents, combined with other proper methods, a sustainable and appropriate wastewater treatment system for developing countries. Anaerobic treatment of sewage is increasingly attracting the attention of sanitary engineers and decision makers. It is being used successfully in tropical countries, and there are some encouraging results from subtropical and temperate regions. In this review paper, the main characteristics of anaerobic sewage treatment are summarized, with special emphasis on the upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. The application of the UASB process to the direct treatment of sewage is reviewed, with examples from Europe, Asia and the Americas. The UASB reactor appears today as a robust technology and is by far the most widely used high-rate anaerobic process for sewage treatment.

The global potential to obtain clean energy from mixing river water with seawater is considerable. Reverse electrodialysis is a membrane-based technique for direct production of sustainable electricity from controlled mixing of river water and seawater. It has been investigated generally with a focus on obtained power, without taking care of the energy recovery. Optimizing the technology to power output only, would generally give a low energetic efficiency. In the present work, therefore, we emphasized the aspect of energy recovery. No fundamental obstacle exists to achieve an energy recovery of >80%. This number was obtained with taking into account no more than the energetic losses for ionic transport. Regarding the feasibility, it was assumed to be a necessary but not sufficient condition that these internal losses are limited. The internal losses could be minimized by reducing the intermembrane distance, especially from the compartments filled with the low-conducting river water. It was found that a reduction from 0.5 to 0.2 mm indeed could be beneficial, although not to the expected extent. From an evaluation of the internal losses, it was supposed that besides the compartment thickness, also the geometry of the spacer affects the internal resistance.

This paper, for the first time, describes the development of a microbial biocathode for hydrogen production that is based on a naturally selected mixed culture of electrochemically active micro-organisms. This is achieved through a three-phase biocathode startup procedure that effectively turned an acetate- and hydrogen-oxidizing bioanode into a hydrogen-producing biocathode by reversing the polarity of the electrode. The microbial biocathode that was obtained in this way had a current density of about -1.2 A/Nm2 at a potential of -0.7 V. This was 3.6 times higher than that of a control electrode (-0.3 A/m2). Furthermore, the microbial biocathode produced about 0.63 m3 H2/m3 cathode liquid volume/day at a cathodic hydrogen efficiency of 49% during hydrogen yield tests, whereas the control electrode produced 0.08 m3 H2/m3 cathode liquid volume/day at a cathodic hydrogen efficiency of 25%. The effluent of the biocathode chamber could be used to inoculate another electrochemical cell that subsequently also developed an identical hydrogen-producing biocathode (-1.1 A/m2 at a potential of -0.7 V). Scanning electron micrographs of both microbial biocathodes showed a well-developed biofilm on the electrode surface.

Nitrogen recovery through NH3 stripping is energy intensive and requires large amounts of chemicals. Therefore, a microbial fuel cell was developed to simultaneously produce energy and recover ammonium. The applied microbial fuel cell used a gas diffusion cathode. The ammonium transport to the cathode occurred due to migration of ammonium and diffusion of ammonia. In the cathode chamber ionic ammonium was converted to volatile ammonia due to the high pH. Ammonia was recovered from the liquid–gas boundary via volatilization and subsequent absorption into an acid solution. An ammonium recovery rate of 3.29 gN d−1 m−2 (vs. membrane surface area) was achieved at a current density of 0.50 A m−2 (vs. membrane surface area). The energy balance showed a surplus of energy 3.46 kJ gN−1, which means more energy was produced than needed for the ammonium recovery. Hence, ammonium recovery and simultaneous energy production from urine was proven possible by this novel approach.

In this paper hydrogen production through biocatalyzed electrolysis was studied for the first time in a single chamber configuration. Single chamber biocatalyzed electrolysis was tested in two configurations: (i) with a cation exchange membrane (CEM) and (ii) with an anion exchange membrane (AEM). Both configurations performed comparably and produced over 0.3 m3 H2/m3 reactor liquid volume/day at 1.0 V applied voltage (overall hydrogen efficiencies around 23%). Analysis of the water that permeated through the membrane revealed that a large part of potential losses in the system were associated with a pH gradient across the membrane (CEM ΔpH=6.4; AEM ΔpH=4.4). These pH gradient associated potential losses were lower in the AEM configuration (CEM 0.38 V; AEM 0.26 V) as a result of its alternative ion transport properties. This benefit of the AEM, however, was counteracted by the higher cathode overpotentials occurring in the AEM configuration (CEM 0.12 V at 2.39 A/m2; AEM 0.27 V at 2.15 A/m2) as a result of a less effective electroless plating method for the AEM membrane electrode assembly (MEA).

This research introduces an alternative mixed culture fermentation technology for anaerobic digestion to recover valuable products from low grade biomass. In this mixed culture fermentation, organic waste streams are converted to caproate and caprylate as precursors for biodiesel or chemicals. It was found that acetate, as the main intermediate of anaerobic digestion, can be elongated to medium chain fatty acids with six and eight carbon atoms. Mixed microbial communities were able to produce 8.17 g l−1 caproate and 0.32 g l−1 caprylate under methanogenesis-suppressed conditions in a stable batch reactor run. The highest production rate was 25.6 mM C caproate per day with a product yield of 0.6 mol C per mol C. This elongation process occurred with both ethanol and hydrogen as electron donors, demonstrating the flexibility of the process. Microbial characterization revealed that the microbial populations were stable and dominated by relatives of Clostridium kluyveri.