Computational Fluid Dynamics Reveals Mass Transfer Limitations in a Pilot-Scale Microbial Electrolysis Cell
Guerrero-Sodric, Oscar (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Química, Biològica i Ambiental)
Navarro-Quispe, Rholand Jordi (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Química, Biològica i Ambiental)
Cortada-Garcia, Martí (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Química, Biològica i Ambiental)
Baeza, Juan Antonio (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Química, Biològica i Ambiental)
Guisasola, Albert (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Química, Biològica i Ambiental)

Data:	2026
Resum:	The scalability of microbial electrochemical technologies (METs), particularly microbial electrolysis cells (MECs), is constrained by hydrodynamic and mass transfer limitations that hinder efficient resource recovery from wastewater. This study presents a comprehensive computational fluid dynamics (CFD) model of a pilot-scale MEC (1 m), representing the largest MEC modeled to date and integrating fluid dynamics with bioelectrochemical substrate consumption. The model simulates the spatial distribution of the anolyte under various operational conditions to identify flow-induced limitations in substrate transport to anodic biofilms. Dead zones and preferential flow paths caused significant inefficiencies, resulting in poor acetate removal under laminar flow. When evaluating the influence of HRT, reaction kinetics, and diffusivity on MEC performance, simulations further underscore that reactor performance is predominantly governed by external mass transfer rather than intrinsic reaction kinetics. To mitigate transport limitations without reducing the volumetric treatment capacity, a recirculation strategy was implemented, enhancing acetate removal efficiency from 16% to 48%. Model predictions agreed well with experimental data from similar pilot-scale MECs, supporting the validity of the approach. This work is intended as a reduced-order framework to diagnose hydrodynamic and external mass transfer limitations in large-scale cassette-type MECs, offering practical insights for improving reactor design and operation.
Ajuts:	Generalitat de Catalunya 2021/SGR-515
Nota:	Altres ajuts: acords transformatius de la UAB
Nota:	Altres ajuts: ICREA Academia grant 2025–2029; LIFE programme (LIFE+ NIMBUS project, LIFE19 ENV/ES/000191)
Drets:	Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, fins i tot amb finalitats comercials, sempre i quan es reconegui l'autoria de l'obra original.
Llengua:	Anglès
Document:	Article ; recerca ; Versió publicada
Matèria:	ANSYS Fluent ; Computational fluid dynamics (CFD) ; Microbial electrolysis cell (MEC) ; Pilot plant ; Wastewater treatment
Publicat a:	Water Environment Research, Vol. 98, Num. 6 (June 2026) , art. e70452, ISSN 1554-7531

DOI: 10.1002/wer.70452

10 p, 1.6 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Documents dels grups de recerca de la UAB > Centres i grups de recerca (producció científica) > Enginyeries > GENOCOV
Articles > Articles de recerca
Articles > Articles publicats