Development of Membrane-less Microbial Fuel Cell as a Novel Method for Wastewater Treatment with Sludge Reduction

Abstract

A microbial fuel cell (MFC) directly converts chemical energy to electrical energy with the aid of the catalytic reaction of microorganisms. This is a device to treat wastewater using the microorganisms colonized on the anode electrode in MFC, which can degrade organic compounds in wastewater as energy and carbon sources. At the same time, this device also can generate electricity, a useful bio-energy. At present energy problems are a hot issue, it will be attractive that energy source capable of being easily transformed and used from wastewater can produce a byproduct, the electric energy. Therefore, it is very important to examine the limiting factors for using MFC as a wastewater device and its optimization conditions. Also to economize the cost of assembling a MFC by using inexpensive materials such as membrane with high efficiency. This study is to see if the operation of MFC is possible without an essential material, the membrane, once running MFC not installed of mediator, and to be used as a wastewater device if possible. A membrane-less microbial fuel cell (ML-MFC) was subsequently modified to ML-MFC-1, ML-MFC-2, and ML-MFC-3. A ML-MFC-2 was supplemented ML-MFC-1 with constitution improvement. A ML-MFC-3 was used for hydrodynamic properties with packing condition. We operated under various conditions to optimize the ML-MFC, and examined the diversity of microbial community involved in wastewater treatment with current generation using the 16S rDNA PCR-DGGE analysis method. We found that the enrichment culture was possible because the current generation was determined using the MFC without the membrane. It was possible to use the ML-MFC as a wastewater device because the efficiency of COD removal was more than 90% when the maximum flow rate of wastewater was 0.79 kg/m3ㆍd. The coulomb yield was very low which was about 10% in ML-MFC-1 and this was closely related with the concentration of oxygen supplied to the cathode. Proton transfer was proven as a limiting factor. This was observed when electrolyte and excessive proton as HCl was added, the current increased. Moreover, the reduction of the distance between the anode and cathode for high proton transfer caused the increment of coulomb yield. When distance of anod and cathode electrode was decreased, the current generation was increased about 27%. The proper aeration increased the current about 2 times. The current used Pt-loaded electrode with 5.3 mg/cm2 was increased 10.60±0.54 mA. Based on the results as mentioned above, the ML-MFC-1 was improved into ML-MFC-2 and -3 which were capable of increasing the coulomb yield. As used the Pt-coated electrode with 5.3 mg/cm2, maximum coulomb yield of ML-MFC-2 was over 99%. Therefore, we could know that one of the most important limiting factors is the cathode reaction in ML-MFC. Furthermore, the ML-MFC generated biomass of 0.02 g per 1g COD produced much less sludge than biomass of 0.39 g producing from the activated sludge process. That is a ratio of 1:18. It is because 1/3 of energy obtained from the degradation of organic pollutants is theoretically used for microbial growth and maintenance and 2/3 of it are used for electricity production. The low biomass production compare to the theoretical value seemed to be due to less biofilm yield than planktonic growth. And biomass produced using acetate as fuel was lower than that of using glucose. YATP calculated was 0.3 g/mol ATP from empirical value of biomass. As ATP calculated from acetate, ATP number per 1 mol acetate was low to 0.26. This value means that energy conservation of generating from acetate to CO2 was lower than that of ATP generating from glucose to acetate. As mentioned above, this sludge reduction effect can be a very big merit to consider that 60% of cost is spent for the sludge treatment in the activated sludge process. On the other hand, the power generation was 35 mW/m2 from the COD removal of 0.58 kg/m3ㆍd. This value was higher than other research teams except the cases of using mediator (toxic compounds) and of MFC developed for sensor. MFCs can use not only a variety of carbohydrate compounds but also toxic compounds as energy and carbon sources to generate electric energy. It is validated from the experimental result using NTA, a carcinogen agent. From a result of DGGE to investigate microbial diversity, the microbial community structure was different from the anaerobic digestion chamber also the top, middle and bottom of up-flow mode ML-MFC showed different community structures, as well. We hypothesized that there are many fermentative bacteria in the bottom as wastewater influx part, lots of aerobic bacteria in the top as oxygen diffused from the cathode, and dominant electrochemically active bacteria in the middle. In conclusion, this study was to develop the ML-MFC as a wastewater treatment device generating current with low biomass production and may help to be used as the basic data for actual waste treatment.;미생물연료전지는 미생물을 촉매로 하여 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다. 미생물연료전지 음극부에 고정화된 미생물이 폐수 속에 포함되어 있는 유기오염물질을 에너지 source와 carbon source로 이용하면서 폐수처리가 되는 것이다. 이 과정에서 유용한 bio-energy가 발생된다. 즉, 폐수로부터 쉽게 전환되어 사용할 수 있는 에너지 source - 직접 전기에너지로 전환 - 가 byproduct으로 생성되는 것이다. 따라서 효율이 높은 미생물연료전지를 폐수처리 장치로 이용하기 위하여 반응효율을 제한하는 요소를 확인하고 운전조건을 최적화하며, 고가 재료인 멤브레인을 대신하면서 높은 효율을 갖는 대체방법을 개발하고자 하는 것이다. 본 연구에서는 mediator는 물론 필수 재료로 알려져 있는 멤브레인도 사용하지 않으면서 미생물연료전지의 운전이 가능한지를 확인하고, 이를 폐수처리 장치로 개발하기 위한 것이다. 미생물연료전지는 막 없는 미생물연료전지(ML-MFC-1, 2, 그리고 3)를 수정 보완하면서 순차적으로 제작하여 이용하였다. ML-MFC-2는 효율을 증진하고 운전조건을 최적화하기 위하여 ML-MFC-1을 보완하여 운전하였으며, ML-MFC-3은 충진 전극의 조건에 따라 유체역학적 특성을 알아보기 위하여 고안되었다. 농화배양 과정에서 전류가 발생되는 것으로 막 없는 미생물연료전지의 이용이 가능함을 확인하였다. 또한 폐수처리 공급 속도가 최대 0.79 kg/m3ㆍd 이었을 때, COD 제거효율은 90%이상으로 나타나 폐수처리 장치로 사용이 가능함을 확인하였다. ML-MFC-1의 경우 coulomb yield가 약 10% 이내로 매우 낮았는데 이러한 원인으로 cathode reaction을 위하여 공급하는 산소농도와 proton transfer가 가장 큰 제한 요소로 작용함을 확인하였다. 이것은 cathode에 H+ ion과 electrolyte를 공급하여 current가 증가하는 현상과 proton의 transfer를 용이하게 하기 위하여 음극부와 양극부 사이의 거리를 줄임으로써 coulomb yield가 증가하는 것으로 확인할 수 있었다. 위에서 얻은 결과들을 바탕으로 음극부와 양극부 사이의 거리를 줄여 proton transfer를 용이하게 하고, 적정량의 electrolyte를 사용함과 cathode electrode에서 산소와의 affinity를 증가시키기 위하여 Pt 촉매를 사용함으로 ML-MFC를 개선하였다. 그 결과 coulomb yield가 최대 99%까지 증가되었다. 이러한 결과로부터 막 없는 미생물연료전지 운전에서의 중요한 제한 요소 중 하나는 cathode reaction이라는 것을 알 수 있었다. 또한 폐수처리 방법으로 70% 이상 사용하고 있는 활성슬러지법과 비교하였을 때, 활성슬러지법에서는 COD 1g 당 슬러지 발생량은 약 0.39g 으로 알려져 있는데, 막 없는 미생물연료전지를 이용하는 경우에는 1g COD당 슬러지 발생량이 약 0.02 g인 것으로 나타나 슬러지 발생양이 약 1/18으로 적음을 알았다. 이러한 수치는 유기 오염물질을 분해하고 얻은 에너지 중 이론적으로 1/3은 미생물 증식과 maintenance에 이용되고 2/3는 전기에너지로 전환된다는 이론적인 값보다 더 적은 biomass production을 보이는 결과였다. 이러한 결과는 biofilm에서의 yield가 planktonic growth보다 낮은데 그 이유가 있는 것으로 보인다. 슬러지 감량 효과는 폐수 처리 비용의 60%가 슬러지 처리에 사용된다는 점을 감안한다면 매우 큰 장점을 갖는 것이다. 또한 0.58 kg/m3ㆍd인 COD removal로부터 생성되는 power generation은 35 mW/m2이었다. 이 값은 mediator-toxic compounds를 사용하는 경우와 Moon et al.에 의해 sensor용으로 개발된 미생물연료전지를 제외하면 다른 연구팀과 비교하여 power production이 높은 것이었다. 또한 16S rDNA PCR-DGGE 분석 방법을 이용하여 전기 발생과 함께 폐수처리에 관여하는 미생물 군집의 다양성을 알아보았다. 접종원으로 사용했던 혐기소화조 슬러지와는 미생물군이 달라져 있음을 확인할 있었으며, ML-MFC의 전극 위치 중, 상 중 하에 따라 또한 미생물군이 달랐다. 이것은 up-flow 방식으로 폐수가 유입되는 것과 관련하여 폐수가 유입되는 하단에는 glucose를 acetate로 분해하는 fermentative bacteria가 많고, 상단은 산소가 양극부로 diffusion될 수 있기 때문에 aerobic bacteria가 존재할 것으로 판단된다. 그리고 중간 부분에는 전기활성미생물이 dominant할 것으로 판단된다. 결론적으로 본 연구는 biomass product가 적으면서 동시에 전기에너지를 생성하는 폐수처리 장치로서의 막 없는 미생물 연료 전지를 개발하기 위한 것으로 실제 폐수 적용 시 기초적인 자료로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.