Investigation of Kinetic Model for Nitrogen Removal and Electrical Power of Urine Treatment Process using Biofiltration-Microbial Fuel Cell

Abstract

This research aimed to collect basic operational data and investigate kinetic coefficient of total nitrogen removal and power generation in synthetic urine treatment process of microbial fuel cell (MFC). The MFCs used in this study were defined as Biofilter-Microbial Fuel Cells (BF-MFCs) as they were developed from low-cost biofilters. Two concentration levels of synthetic urine, i.e., 1) non-dilution level (SU-D0) with 3,000-3,200 mg/L COD and 4.69-14.73 mg/L total nitrogen (TN), 2) 1:1 diluted level (SU-D1) with 1,424-2,644 mg/L COD and 4.69-14.73 mg/L TN were applied to 3 BF-MFCs. Three BF-MFCs were operated in different flow rates (Q), hydraulic retention times (HRT) and total nitrogen loading rate (NLR), i.e., BF-MFC1 (Q=20L/d, HRT=6 hr, and NLR = 0.22 kg/m3-d and 0.05 kg/m3-d), BF-MFC2 (Q=30 L/d, HRT=4 hr, and NLR = 0.32 kg/m3-d and 0.07 kg/m3-d), and BF-MFC3 (Q=40L/d, HRT=3 hr, and NLR = 0.43 kg/m3-d and 0.10 kg/m3-d). The result revealed that the each BF-MFCs removed 64-71% of COD, 46-59% of BOD, 57-58% of TN, 40-70% of total ammonia nitrogen (TAN), 49-83% of nitrate, 26-59% of nitrite and 46-75% of phosphate in the influent. The best TN remover was BF-MFC3 with the highest TN removal efficiency (58%). It was proved that removal reactions of TN, TAN, nitrate, and phosphate of each BF-MFC could be expressed using Modified Stover–Kincannon kinetic model with 0.92-0.98 determination coefficient (r2). In terms of power generation, BF-MFC2 was recognized as the highest electrical energy contributor (74.07-266.15 mWhr/m2), following by BF-MFC3 (20.20-56.28 mWhr/m2), and BF-MFC1 (9.14-16.84 mWhr/m2), respectively.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเก็บข้อมูลพื้นฐานในการเดินระบบและศึกษาค่าสัมประสิทธิ์จลพลศาสตร์ของการกำจัดไนโตรเจนและการผลิตกำลังไฟฟ้าในกระบวนการบำบัดน้ำปัสสาวะสังเคราะห์ด้วยเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ที่ใช้ในการทดลองพัฒนามาจากถังกรองชีวภาพต้นทุนต่ำจึงเรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบถังกรอง (Biofilter-Microbial Fuel Cell : BF-MFC) น้ำเสียที่ใช้ในการทดลองเป็นปัสสาวะสังเคราะห์ มี 2 ระดับความเข้มข้นคือ 1) ระดับไม่เจือจาง (SU-D0) ซึ่งมีความเข้มข้นซีโอดีอยู่ในช่วง 3,000-3,200 มก./ล. และมีความเข้มข้นไนโตรเจนทั้งหมดอยู่ในช่วง 46.99-64.49 มก./ล. และ 2) ระดับเจือจาง 1 เท่า (SU-D1) ซึ่งมีความเข้มข้นซีโอดีอยู่ในช่วง 1,424-2,644 มก./ล. และมีความเข้มข้นไนโตรเจนทั้งหมดอยู่ในช่วง 4.69-14.73 มก./ล. BF-MFC ถังที่ 1 (BF-MFC1) มีอัตราการไหลของน้ำปัสสาวะสังเคราะห์เข้าระบบ 20 ลิตร/วัน ระยะเวลากักเก็บ 6 ชม. คิดเป็นอัตราภาระบรรทุกไนโตรเจนทั้งหมดเข้าระบบ 0.22 กก./ลบ.ม.-วัน และ 0.05 กก./ลบ.ม.-วัน BF-MFC ถังที่ 2 (BF-MFC2) มีอัตราการไหลของน้ำปัสสาวะสังเคราะห์เข้าระบบ 30 ลิตร/วัน ระยะเวลากักเก็บ 4 ชม. คิดเป็นอัตราภาระบรรทุกไนโตรเจนทั้งหมดเข้าระบบ 0.32 กก./ลบ.ม.-วัน และ 0.07 กก./ลบ.ม.-วัน BF-MFC ถังที่ 3 (BF-MFC3) มีอัตราการไหลของน้ำปัสสาวะสังเคราะห์เข้าระบบ 40 ลิตร/วัน ระยะเวลากักเก็บ 3 ชม. คิดเป็นอัตราภาระบรรทุกไนโตรเจนทั้งหมดเข้าระบบ 0.43 กก./ลบ.ม.-วัน และ 0.10 กก./ลบ.ม.-วัน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า BF-MFC ทุกถังสามารถบำบัดน้ำปัสสาวะสังเคราะห์ได้โดยมีประสิทธิภาพการกำจัด COD อยู่ในช่วง 64-71% ประสิทธิภาพการกำจัด BOD อยู่ในช่วง 46-59% ประสิทธิภาพการกำจัดไนโตรเจนทั้งหมดอยู่ในช่วง 57-58% ประสิทธิภาพการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนทั้งหมด อยู่ในช่วง 40-70% ประสิทธิภาพการกำจัดไนเตรต อยู่ในช่วง 49-83% ประสิทธิภาพการกำจัดไนไตรท์อยู่ในช่วง 26-59% ประสิทธิภาพการกำจัดฟอสเฟตอยู่ในช่วง 46-75% ทั้งนี้ถังที่มีอัตราเร็วในการกำจัดไนโตรเจนรวมสูงสุดคือ BF-MFC3 (58%) โดยปฏิกิริยาการกำจัดไนโตรเจนทั้งหมด แอมโมเนีย ไนเตรต ฟอสเฟต ที่เกิดขึ้นใน BF-MFC ทุกถังสามารถเขียนให้อยู่ในรูปแบบจำลองจลพลศาสตร์ Modified Stover–Kincannon ได้โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจอยู่ในช่วง 0.92-0.98 ได้ ในด้านการผลิตไฟฟ้านั้นพบว่า BF-MFC2 ให้พลังงานไฟฟ้าสูงที่สุด (74.07-266.15 มิลลิวัตต์-ชั่วโมงต่อตารางเมตร) รองลงมาคือ BF-MFC3 (20.20-56.28 มิลลิวัตต์-ชั่วโมงต่อตารางเมตร) และ ถัดมาคือ BF-MFC1 (9.14-16.84 มิลลิวัตต์-ชั่วโมงต่อตารางเมตร)