Development of a comprehensive mathematical model for municipal wastewater treating microbial fuel cells

In dieser Arbeit wurde ein neuartiges holistisches mathematisches Modell entwickelt, das die wichtigsten hydrodynamischen, reaktionsbedingten und nichtlinearen elektrischen Prozesse von mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZs) mit Luftkathoden zur Abwasserbehandlung beschreibt. Das vorgeschlagene Mehrpopulationsmodell verknüpft bestehende MBZ-Modelle mit dem etablierten Activated Sludge Model No.1 (ASM1) und spezifischen Gleichungen aus dem ASM2. Ferner wurde das Modell durch Diffusionsmodelle erweitert, um die Nitrifikation und die Ammoniakstrippung zu berücksichtigen. Die abnehmende Gaspermeabilität der Kathoden infolge Salzablagerungen wurde durch Einführung eines empirischen Porenblockierfaktors adressiert. Die elektrochemischen Parameter wurden durch den MBZ-Betrieb mit pulsweitenmodulierter elektrischer Last ermittelt. Zur Modellkalibrierung/-validierung wurden experimentelle Daten von drei MBZs (3,0 L), die 150 Tage kontinuierlich mit kommunalem Abwasser beschickt wurden, verwendet.In this thesis, a novel holistic mathematical model was developed that describes the most crucial hydrodynamic, reaction-linked conversion, and non-linear electrical processes of wastewater treating microbial fuel cells (MFCs) using air-cathodes. The proposed multi-population model coupled existing MFC models with the well-established Activated Sludge Model No.1 (ASM1) and specific equations from ASM2. Besides, the model was upgraded by diffusion film models to account for nitrification and ammonia stripping. The diminishing gas permeability of the cathodes due to salt deposits was addressed by introducing an empirical pore-blocking factor. Electrochemical parameters were estimated by MFC operation with pulse-width modulated electrical load. Model calibration and validation involved experimental data of three continuous-flow MFCs (3.0 L) operated with municipal wastewater for 150 days