Evaluation of electrochemical performance in microbial fuel cells (MFCs) treating molasses wastewater and its enhancement

Abstract

최근 화석연료의 고갈과 기후변화 문제를 해결하기 위해 바이오매스로부터 대체 에너지를 회수하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 미생물연료전지 (MFC)는 유기성 폐수를 처리함과 동시에 이용이 용이한 전기 에너지를 생산하는 것에 가장 큰 장점이 있다. MFC는 다양한 종류의 유기성 폐수를 처리할 수 있으며, 고농도의 유기성 폐수 역시 기질로 이용할 수 있다. 본 연구에서는 실험실 규모에서 세 종류의 MFC를 개발하여, 인공 기질 및 고농도의 당밀 폐수처리를 주입하여 전기 에너지 생성과 유기물 제거를 평가하였다. 또한 생촉매를 이용하여 MFC의 성능 개선을 평가하고, 미생물학적 특성을 조사하였다. AC-MFC를 이용하여 PEM 여부에 따른 에너지 생산 및 미생물 군집구조를 평가하였다. 최대 전력 밀도 및 쿨롱효율은 PEM 유무에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으나, 최대 전압 생산과 COD 제거량은 PEM이 존재하지 않을 때 더 큰 효율을 보였다. 또한 PEM이 존재하지 않을 때 미생물 군집의 다양성이 더 높았다. 이를 통해 PEM이 존재하지 않는 AC-MFC가 전력 생산, COD 제거, 미생물의 성장에 더 효과적임을 확인하였다. 당밀폐수를 효과적으로 처리하기 위해, 세 가지 유형의 MFC를 대상으로 전기 생산량, COD 제거율, 미생물 군집구조를 비교 및 평가하였다. PEM이 없는 단일형 AC-MFC, PEM이 존재하는 단일형 ACM-MFC, 2개의 챔버로 구성된 평판형 H-MFC를 이용하였고, 10,000 mg•L-1 COD의 당밀폐수를 연속 주입하였다. 두 유형의 단일형 MFC에서는 COD 제거율과 미생물 군집구조가 유의한 차이를 나타나지 않았으며, 이는 PEM이 MFC 효율에 영향을 끼치지 않는 것을 의미한다. 그러나 단일형 MFC의 COD 제거율은 H-MFC보다 유의하게 높았으며, 전기생산량은 H-MFC가 단일형 MFC의 1.4-2.2배 높은 효율을 보였다. 미생물 군집 구조 역시 MFC 구조에 따라 차이를 나타냈으며, 본 연구를 통해 PEM의 유무보다 MFC 반응조의 구조가 유기성 폐수의 처리 및 에너지 생산에 더 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다. 당밀폐수의 효과적인 처리 공정을 평가하기 위해 BioCH4-MFC 및 BioH2-MFC 통합 공정을 설계하여, MFC의 전기화학적 특성 및 미생물 군집 구조를 조사하였다. 당밀 폐수를 처리한 BioCH4 및 BioH2 반응조의 유출수를 기질로하여, MFC에 각각 연속 주입하였으며, 두 MFC 모두 HRT를 3일로 하였을 때, 가장 높은 전기화학적 효율을 보였다. 두 MFC 간에 Eubacterial 군집 구조는 유의한 차이를 나타내지 않았으나, archaeal 군집은 차이를 나타냈다. BioCH4-MFC 및 BioH2-MFC 통합 공정을 통해 당밀폐수로부터의 에너지를 회수 및 COD 제거 가능성을 확인하였다. MFC 바이오필름에서 Candida sp. IR11과 Klebsiella sp. IR21을 분리 및 동정하여, MFC 내 전기 생산 여부와 생촉매로의 가능성을 살펴보았다. Strain IR11와 IR21 모두 외부 매개체의 도움 없이 전기 에너지를 생산할 수 있었으며, 유기성 폐수를 주입한 MFC의 전기화학적 효율도 향상시켰다. 이를 통해 본 연구에서 분리 및 동정한 두 종의 미생물이 MFC 내에서 생촉매로 이용가능함을 알 수 있었다.;Owing to the shortage of fossil fuels and climate change, research on the recovery of renewable energy from biomass has been extensively conducted. Microbial fuel cells (MFCs) have the great advantage of being suitable for organic wastewater treatment and electricity generation that can be directly harnessed by humans. MFCs can treat various types of organic wastewaters, and they can also use high strength organic wastewater as a substrate in particular. In this study, we designed three types of MFCs at a lab scale, and their electric energy generation and organic removal rates were evaluated using artificial substrate and high strength molasses wastewaters. In addition, the enhancement of MFC performance by biocatalysts and bacterial community structures was investigated. The effects of proton exchange membranes (PEMs) on the performance and bacterial community of air-cathode MFCs (AC-MFCs) were investigated. PEM did not affect the maximum power density and coulombic efficiency. However, PEM use adversely affected maximum voltage production and the rate of organic compound removal (p<0.05). In addition, the MFCs had a greater bacterial population and diversity index when PEM was absent (p<0.05). MFC systems without PEM are more efficient with respect to power production and COD removal as well as exoelectrogen growth. Electrochemical characteristics and bacterial communities were compared in 3 types of MFCs used for treating molasses wastewater (10,000 mg•L-1 COD). Single-chamber MFCs without and with a PEM, and two-chamber H-MFCs were constructed. The COD removal, electricity generation, and bacterial communities in the two types of single-chamber MFCs were similar, indicating that the PEM did not enhance the reactor performance. However, the COD removal in the single-chamber MFCs was higher than in the H-MFC, and electricity generation in the H-MFC was higher than in the single-chamber MFCs. The bacterial community structures in the MFCs with different numbers of chambers were also distinguishable. To evaluate the efficiency of molasses wastewater treatment, MFC performances were investigated using BioCH4-MFC and BioH2-MFC integrating systems. The MFC systems were fed with rejected wastewater from BioCH4 or BioH2 reactors treating molasses wastewater in a continuous flow mode. Both MFC systems showed maximum efficiency of electricity production at HRT of 3 d. There was no significant difference in the eubacterial community structure between both MFC systems, but the archaeal community structure showed a significant difference. The results demonstrate that the introduction of MFC after the BioCH4 or BioH2 process has advantages for energy recovery as well as COD removal from molasses wastewater. Novel Candida sp. IR11 and Klebsiella sp. IR21 were isolated from an anodic biofilm in the MFC reactors. Electricity production and the biocatalyst potential of strains IR11 and IR21 were evaluated. Strains IR11 and IR21 produced electrical energy without any artificial mediators, and they improved the performance of conventional MFCs fed with organic wastewaters. These results indicated that Candida sp. IR11 and Klebsiella sp. IR21 are promising biocatalysts for the enhancement of MFC performance.