Carbon removal and electricity generation using two-compartment microbial fuel cell

Abstract

Son yıllarda, mikrobiyal yakıt hücresi (MYH) teknolojisi hakkında yapılan araştırmalar belirgin bir şekilde artmıştır. Bu teknoloji, mikroorgamizmalar tarafından kullanılan organik yakıtı doğrudan elektriğe çeviren elektrokimyasal reaktörlerden oluşmaktadır. Fermentasyon ürünlerinin ve organik atıkların yakıt olarak kullanıldığı MYH'den elektrik üretimi pek çok çalışma ile belgelenmiştir. Ancak, MYH'nin pratik uygulamaları için en büyük olanak atıksu arıtımıdır. Aslında, bu şimdiki uygulamalar için değil gelecektekiler için önemli bir konudur. Günümüzde, atık suların arıtımı ile ilişkili maliyetler çok yüksektir ve kendiliğinden bir atığın arıtılmasına ve doğrudan enerji üretilmesine olanak sağlayan bir teknolojinin geliştirilmesi çok yüksek bir öneme sahip olacaktır.Ancak, bugüne kadar ki çalışmalarda elde edilen verimler, ticari uygulamalar için gerekli olanlardan çok uzaktır ve kullanıma hazır bir teknoloji geliştirmek için gelecek yıllar boyunca pek çok temel çalışma yapılmalıdır.Bu çalışmada, mediatörsüz (aracısız) iki bölmeli mikrobiyal yakıt hücresi kullanılarak, elektrik üretimi ve karbon kaynağı olarak sodyum asetat ile beslenen sentetik atıksudaki organik kirleticinin oksidasyonu incelenmiştir. Bu amaçla, bu tez üç aşamadan oluşmaktadır.Başlangıçta Bahçeşehir Evsel Atıksu Arıtma Tesisinden alınan aktif çamur 3 ay boyunca aklime edilmiştir.İkinci olarak, MYH kurulum çalışması yürütülmüştür.Son aşama, MYH ile yürütülen deneylerden oluşmaktadır. MFC deneyleri aşaması boyunca, yüksek hidrolik ve çamur bekletme sürelerinde elektrik üretimi ve Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) giderimi ile çok verimli bir proses elde etmenin mümkün olduğu gözlemlenmiştir. Çalışmada kullanılan aktif çamur uçucu askıda katı madde (UAKM) konsantrasyonu 1500 mg/l'dir. Bundan başka, aynı bileşime sahip sentetik atıksuyun farklı KOİ konsantrasyonları ile çalışılmıştır.KOİ, UAKM, pH, voltaj (V), akım (I), güç (P), güç yoğunluğu (PAN), ve akım yoğunluğu (IAN) gibi parametreler incelenmiştir.

In recent years, research activity on microbial fuel cell (MFC) technology has increased markedly. This technology consists of electrochemical reactors which generate electricity directly from an organic fuel using micro-organisms. Electricity generation from a MFC using fermentation products and waste organics as fuel has been well documented. However, the greatest potential for practical application of MFCs is in wastewater treatment. In fact, this is a prospectively important subject not for present applications but for future ones. Nowadays, the costs associated with the treatment of wastewaters are very high and the development of a technology that allows to simultaneously treat a waste and to directly produce energy would have a very high significance.Unfortunately, the efficiencies obtained presently in MFCs are far away from those required for commercial applications, and a lot of fundamental work has to be done in order to develop a ready-to-use technology.In this work, the production of electricity and the oxidation of the pollutants contained in a synthetic wastewater fed with sodium acetate as carbon source, using a mediator-less two-compartment microbial fuel cell was studied. To this end, this thesis consisted of three stages.At the beginning the activated sludge which was taken from Bahçeşehir Domestic Wastewater Treatment Plant has been acclimated for 3 months.Secondly, MFC set-up phase was carried out.Last phase was experiments in MFC. During the MFC experiment phase, it was observed that with high hydraulic and solid retention times it is possible to obtain a very efficient process with respect to Chemical Oxygen Demand (COD) removal and electricity generation. The volatile suspended solid (MLVSS) concentration of the studied activated sludge was 1500 mg/l. Moreover, the effect of feeding synthetic wastewater with the same composition, but with the different COD concentrations, was studied.The parameters such as COD, MLVSS, pH, voltage (V), current (I), power (P), anodic power density (PAN), anodic current density (IAN) was investigated under different feeding conditions.