การผลิตกระแสไฟฟ้าจากน้ำทิ้งหลังจากกระบวนการผลิตแก๊สชีวภาพของน้ำเสียฟาร์มสุกรโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบห้องเดี่ยว
Article Sidebar
Main Article Content
Abstract
Noppadon Podkumnerd, Nicha Prasongchan and Kosin Teeparuksapun
รับบทความ: 12 มิถุนายน 2563; แก้ไขบทความ: 21 มกราคม 2564; ยอมรับตีพิมพ์: 9 กุมภาพันธ์ 2564; ตีพิมพ์ออนไลน์: 30 มีนาคม 2564
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ศึกษาการผลิตกระแสไฟฟ้าจากน้ำทิ้งหลังจากกระบวนการผลิตแก๊สชีวภาพของน้ำเสียฟาร์มสุกรโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบห้องเดี่ยว น้ำเสียฟาร์มสุกรมีค่าซีโอดี 9.25±0.35 g/L และปริมาณของแข็งสารอินทรีย์ระเหย 124.24±0.57 g/L ซึ่งเหมาะสมสำหรับเป็นแหล่งคาร์บอนในการผลิตมีเทน จากการศึกษาการผลิตมีเทนที่อุณหภูมิ 55ºC เป็นเวลา 45 วัน พบว่า ที่ความเข้มข้นของน้ำเสียฟาร์มสุกร 10 g–VS ให้ประสิทธิภาพการผลิตแก๊สชีวภาพสูงสุดดังนี้ ปริมาณผลผลิตแก๊สชีวภาพสะสม 3,210 mL ปริมาณผลผลิตมีเทนสะสม 1,759.90 mL และปริมาณผลได้มีเทน 188.07 mL–CH4/g–VS ตามลำดับ มีประสิทธิภาพในการบำบัดค่าซีโอดี 58.60% เมื่อนำน้ำเสียฟาร์มสุกรที่ผ่านกระบวนการผลิตแก๊สชีวภาพมาศึกษาการผลิตกระแสไฟฟ้าและการบำบัดน้ำเสียโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบห้องเดี่ยว พบว่า สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้สูงสุด 0.37±0.01 mA โดยมีค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าเท่ากับ1,110.43±3.27 mA/m3 มีค่าความหนาแน่นกำลังไฟฟ้า 413.58±0.01 mW/m3 ประสิทธิภาพเชิงคูลอมบ์ 2.04 และมีประสิทธิภาพในการบำบัดค่าซีโอดี ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส 91.38±0.54 10.81±1.57 และ 35.29±3.40% ตามลำดับ
คำสำคัญ: แก๊สชีวภาพ น้ำเสียฟาร์มสุกร เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบห้องเดี่ยว
Abstract
This research investigated the production of electricity from effluent of biogas production of swine wastewater using single chamber microbial fuel cell (SCMFC). The swine wastewater had chemical oxygen demand (COD) of 9.25±0.35 g/L and total volatile organic compounds of 124.24±0.57 g/L which is suitable for methane production. The methane production was investigated at 55ºC for 45 days. The highest biogas production performance was obtained at 10 g–VS of swine wastewater and the following results were obtained. The highest cumulative daily biogas production was 3,210 mL. The cumulative methane production and methane yield were 1,759.90 mL and 188.07 mL–CH4/g–VS, respectively. The efficiency for COD removal was 58.60%. The swine wastewater effluent from biogas production was then used as substrate in SCMFC to investigate electricity production and wastewater treatment. The maximum current of 0.37±0.01 mA was obtained. The current density and power density were 1,110.43±3.27 mA/m3 and 413.58±0.01 mW/m3, respectively and coulombic efficiency was 2.04. The performance for COD, nitrogen and phosphorus removal were 91.38±0.54, 10.81±1.57 and 35.29±3.40%, respectively.
Keywords: Biogas, Swine wastewater, Single chamber microbial fuel cell
Downloads
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
References
Ahn, Y., and Logan, B. E. (2010). Effectiveness of domestic wastewater treatment using microbial fuel cells at ambient and mesophilic temperatures. Bioresource Technology 101(2): 469–475.
Amaral, A. C. do, Kunz, A., Steinmetz, R. L. R., Cantelli, F., Scussiato, L. A., and Justi, K. C. (2014). Swine effluent treatment using anaerobic digestion at different loading rates. Engenharia Agrícola 34(3): 567–576.
American Public Health Association [APHA]. (1995). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19th ed. New York: Author.
Announcement from Ministry of Natural Resources and Environment (MONRE), 2015.
Attasiriluck, P. (2011). Efficiency of Single Chamber Microbial Fuel Cell in Electricity Generation from Swine Waste water. (Doctoral dissertation). Available from http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123 456789/36940.
Du, Z., Li, H., and Gu, T. (2007). A State of the art review on microbial fuel cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy. Biotechnology Advances 25: 464–482.
Goto, Y., and Yoshida, N. (2019). Scaling up microbial fuel cells for treating swine wastewater. Water 11(9): 1803.
Jehlee, A., Khongkliang, P., and O–Thong, S. (2017). Biogas production from chlorella sp. TISTR8411 biomass cultivated on biogas effluent of seafood processing wastewater. Energy Procedia 138: 853–857.
Kapajaru, M. Serrano, A. B., Thomsen, P. Kongjan, I. (2009). Bioethanol, biohydrogen and biogas production from wheat straw in a biorefinery concept. Bioresource Technology 100: 2562–2568.
Khanal, S. K. (2008). Anaerobic Biotechnology for Bioenergy Production Principles and Applications. Singapore: Wiley– Blackwell.
Kim, J. R., Dec, J., Bruns, M. A., and Logan, B. E. (2008). Removal of odors from swine wastewater by using microbial fuel cells. Applied and Environmental Microbiology 74(8): 2540–2543.
Klaisongkram, N., and Holasut, K. (2015). Electricity generation of Plant Microbial Fuel Cell (PMFC) using Cyperus Involucratus R. KKU Engineering Journal 42(1): 117–124.
Liu, Y., Kwag, J.–H., Kim, J.–H., and Ra, C. (2011). Recovery of nitrogen and phosphorus by struvite crystallization from swine wastewater. Desalination 277(1–3): 364– 369.
Logan, B. E., Murano, C., Scott, K., Gray N. D., and Head, I. M. (2005). Electricity generation from cysteine in a microbial fuel cell. Water Resources 39(5): 942–952.
Logan, B. E., Cheng, S., Watson, V., and Estadt, G. (2007). Graphite fiber brush anodes for increased power production in air–cathode microbial fuel cells. Environmental Science & Technology 41(9): 3341–3346.
Logan, B. E. (2008). Microbial Fuel Cell. New Jersey: Wiley & Son.
Lovley, D. R. (2006). Microbial fuel cells: Novel microbial physiologies and engineering approaches. Current Opinion in Biotechnology 17: 327–332.
Lu, M., Niu, X., Liu, W., Zhang, J., Wang, J., Yang, J., Wang, W., Yang, Z. (2016). Biogas generation in anaerobic wastewater treatment under tetracycline antibiotic pressure. Scientific Reports 6(1):1–9.
Maekawa, T., Liao, C. M., and Feng, X.–D. (1995). Nitrogen and phosphorus removal for swine wastewater using intermittent aeration batch reactor followed by ammonium crystallization process. Water Research 29(12): 2643–2650.
Makisha, N., and Semenova, D. (2018). Production of biogas at wastewater treatment plants and its further application. MATEC Web of Conferences 144: 04016.
Mao, C., Feng, Y., Wang, X., and Ren, G. (2015). Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion. Renewable and Sustainable Energy Reviews 45: 540–555.
Min, B., Kim, J., Oh, S., Regan, J. M., and Logan, B. E. (2005). Electricity generation from swine wastewater using microbial fuel cells. Water Research 39(20): 4961–4968.
Pal, M., and Sharma, R. K. (2020). Development of wheat straw based catholyte for power generation in microbial fuel cell. Biomass and Bioenergy 138: 105591.
Panpong, K., Srimachai, T., Nuithitikul, K., Kongjan, P., O–thong, S., Imai, T., and Kaewthong, N. (2017). Anaerobic co–digestion between canned sardine wastewater and glycerol waste for biogas production: Effect of different operating processes. Energy Procedia 138: 260–266.
Panyaping, K., Khiewwijit, R., and Wongpankamol, P. (2018). Enhanced biogas production potential of microalgae and swine wastewater using co–digestion and alkaline pretreatment. Water Science and Technology 78(1): 92–102.
Perera, P. W. A., Han, Z. Y., Chen Y. X., Wu, W. X. (2007). Recovery of nitrogen and phosphorus as struvite from swine wastewater biogas digester effluent. Biomedical and Environmental Science 20: 343–350.
Pongsak, S., Piasai, C., Porndon, T., Boontian, N., Padri, M. (2020). Food per microorganism (F/M ratio) to pig manure waste-water biogas production at Suranaree University of Technology Farm. KKU Re-search Journal (Graduate Studies) 20(4): 36–45.
Prandini, J. M., da Silva, M. L. B., Mezzari, M. P., Pirolli, M., Michelon, W., & Soares, H. M. (2016). Enhancement of nutrient removal from swine wastewater digestate coupled to biogas purification by microalgae Scenedesmus spp. Bioresource Technology 202: 67–75.
Puig, S., Serra, M., Coma, M., Balaguer, M. D., and Colprim, J. (2011). Simultaneous domestic wastewater treatment and renewable energy production using microbial fuel cells (MFCs). Water Science and Technology 64(4): 904–909.
Puig, S., Serra, M., Coma, M., Cabré, M., Dolors Balaguer, M., and Colprim, J. (2011). Microbial fuel cell application in landfill leachate treatment. Journal of Hazardous Materials 185(2–3): 763–767.
Rabaey, K., and Verstraete, W. (2005). Microbial fuel cells: Novel biotechnology for energy generation. Trends in Biotechnology 23: 291–298.
Tao, Q., Luo, J., Zhou, J., Zhou, S., Liu, G., and Zhang, R. (2014). Effect of dissolved oxygen on nitrogen and phosphorus removal and electricity production in microbial fuel cell. Bioresource Technology 164: 402–407.
Zhang, Z. J., Zhu, J., and King, J. (2006). A two–step fed SBR for treating swine manure. Process Biochemistry 41(4): 892–900.