Design of Reactors and Investigation of Temperature Effect on Excess Sludge Digestion and Electricity Generation of Sludge Microbial Fuel Cell (SMFC)

Abstract

This study designed and constructed microbial fuel cell for excess sludge digestion (SMFC: Sludge Microbial Fuel Cell) and investigated the effect of temperature (30-40 degrees Celsius) on excess sludge digestion and the electricity generation of SMFC. The experiment included 2 phases, 1) SMFC design experiment, and 2) investigation of temperature effect on SMFC. Plastic tubes with 2.5-cm diameter, 10.5 cm-height, and 50-ml capacity were used as the SMFC reactors. According to experimental results, a SMFC generated high electrical power when an anode and a cathode were made from carbon cloth and placed 4 cm away from each other with ratio between anode size to cathode size of 0.75. Applying the above condition, the SMFC produced highest electrical energy (10.13 mWhr) and achieved highest COD removal efficiency (77%) when the temperature in an anode chamber was 30 degrees Celsius. The secondly high performance of 6.15-mWhr electrical energy and 71% COD removal efficiency, and the lowest performance of 2.55-mWhr electrical energy and 70% COD removal efficiency were observed at 40 degrees Celsius and 35 degrees Celsius, respectively. It was noted that both COD removal and electricity generation of SMFC were the first order reactions. The highest reaction rate constants, i.e. 0.029 day-1 for COD removal, and 0.021 day-1 for electricity generation, were found in the case of 30-degree Celsius.

งานวิจัยนี้ออกแบบและสร้างเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ย่อยกากตะกอนส่วนเกิน (SMFC: Sludge Microbial Fuel Cell) และศึกษาผลของอุณหภูมิ (30-40 องศาเซลเซียส) ที่มีต่อการย่อยกากตะกอนส่วนเกินและการผลิตไฟฟ้าของ SMFC โดยแบ่งการทดลองออกเป็น 2 ช่วง คือช่วงทดลองออกแบบ SMFC และช่วงใช้ SMFC ที่ออกแบบในการศึกษาผลของอุณหภูมิที่มีต่อการย่อยกากตะกอนส่วนเกินและการผลิตไฟฟ้าโดยถังปฏิกิริยาที่ใช้เป็นหลอดทดลองพลาสติก เส้นผ่าศูนย์กลาง 2.5 เซนติเมตร สูง 10.5 เซนติเมตร ความจุหลอด 50 มิลลิลิตร จากผลการทดลองพบว่า SMFC ผลิตกำลังไฟฟ้าได้สูงเมื่อให้ระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้า 4 เซนติเมตร อัตราส่วนระหว่างพื้นที่ขั้วไฟฟ้าแอโนดต่อแคโทดเท่ากับ 0.75 (แคโทด 4 ตร.ซม : แอโนด 3 ตร.ซม) และใช้ผ้าคาร์บอนทำขั้วไฟฟ้าทั้งแอโนดและแคโทด พบว่า SMFC ที่ออกแบบตามเงื่อนไขดังกล่าว ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้มากที่สุด (10.13 mWhr) พร้อมทั้งกำจัดซีโอดี ได้มากที่สุด (77%) เมื่ออุณหภูมิในถังย่อยเท่ากับ 30 องศาเซลเซียส รองลงมาคือ ที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส SMFC ให้พลังงานไฟฟ้า 6.15 mWhr และมีประสิทธิภาพการกำจัดซีโอดี 70% และลำดับสุดท้าย คือที่อุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส SMFC ให้พลังงานไฟฟ้า 2.55 mWhr และ ประสิทธิภาพการกำจัดซีโอดี 71% เป็นที่น่าสังเกตว่าปฏิกิริยาการกำจัดซีโอดีและการผลิตกำลังไฟฟ้านั้น เป็นปฏิกิริยาลำดับที่หนึ่ง โดยที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส มีค่าคงที่ของปฏิกิริยาสูงที่สุด (0.029 day-1 สำหรับ ปฏิกิริยาการกำจัดซีโอดี และ 0.021 day-1 สำหรับปฏิกิริยาการผลิตไฟฟ้า)