Effect of Basic Fluid Dynamics Parameters on Electrical Power and Landfill Leachate Treatment Capacity of Microbial Fuel Cell Modified from Biofilter

Abstract

This research aimed to analyze effects of basic fluid dynamics parameters on electric power and landfill leachate treatment capacity of microbial fuel cell (MFC) modified from biofilter. Reactors used in this research were 6 single-chamber MFCs modified from biofilter that using nylon fibers as the media. Synthetic landfill leachate was applied as the influent of the MFCs. The experiment includes 4 phases, i.e. 1) start-up phase for 60 days, 2) Treatment in different flow rate conditions (15-40 l/d) for 30 days, 3) Treatment in different hydraulic retention time (HRT) conditions (2.14-5.71 hr) for 30 days with 15-40 l/d flow rate, 4) Treatment in different COD conditions (574-4832 mgCOD/l) for 90 days. The result revealed that treatment efficiencies increased either when flow rates increased from 15 to 40 l/d or HRTs increased from 2.14 to 5.71 hr. However, with the increase of COD concentration (574 mgCOD/l to 4832 mgCOD/l), removal efficiencies became lower while removal rates grew higher. The relationship among removal rates, flow rates, HRTs, and COD concentrations was explained by Modified Michaelis-Menten Kinetics Model. In terms of electrical parameter outputs, the increase of flow rate caused higher shear stress which resulted in the decrease of internal resistance. Higher HRTs also caused lower internal resistance. Therefore, MFCs with high flow rate or high HRT produced high electrical power. It was interesting that changes of influent COD concentrations were not related to electrical power. However, the electrical energy (0.08-0.32 W∙hr) varied directly with the COD concentrations in case of 574 - 3220 mgCOD/l. For 4318 to 4832 mgCOD/l, the electrical energy decreased to 0.20-0.21 W∙hr. Further, it was found that increasing COD concentrations led to decreased columbic efficiencies (CE) which indicated low efficiency of electrical generation. According the above result, higher power output could be achieved by 35 l/d flow rate, 5-hr HRT and 574-3220 mgCOD/l COD concentrations.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของค่าพารามิเตอร์พื้นฐานทางพลศาสตร์ของไหลที่มีต่อการบำบัดน้ำชะขยะและการผลิตไฟฟ้าโดยใช้น้ำชะขยะของเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFC) แบบถังกรองชีวภาพ ถังปฏิกรณ์ที่ใช้ในการวิจัยนี้มี 6 ถัง เป็นชนิดห้องเดี่ยวซึ่งประยุกต์จากถังกรองชีวภาพแบบไหลขึ้นโดยใช้เชือกไนล่อนเป็นตัวกลางและใช้น้ำชะขยะสังเคราะห์เป็นน้ำเสียขาเข้าระบบ การทดลองแบ่งออกเป็น 4 ช่วง ได้แก่ 1) ช่วงเลี้ยงเชื้อ 60 วัน 2) ช่วงทดสอบการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหล 30 วัน ซึ่งใช้อัตราการไหลในช่วง 15-40 l/d 3) ช่วงทดสอบการเปลี่ยนแปลงระยะเวลากักเก็บ 30 วันใช้ระยะเวลากักเก็บน้ำในช่วง 2.14-5.71 hr และ 4) ช่วงเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของน้ำขาเข้า 90 วัน โดยใช้ความเข้มข้น COD อยู่ในช่วง 574-4832 mgCOD/l จากผลการทดลองเกี่ยวกับการบำบัดน้ำของ MFC พบว่า MFCs มีประสิทธิภาพการบำบัดน้ำเสียเพิ่มสูงขึ้นเมื่อเพิ่มอัตราการไหลจาก 15 l/d เป็น 40 l/d และเพิ่มระยะเวลากักเก็บจาก 2.14 hr เป็น 5.71 hr อย่างไรก็ตามกรณีเพิ่มความเข้มข้นน้ำขาเข้าระบบจาก 574 mgCOD/l เป็น 4832 mgCOD/l นั้น MFCs มีอัตราการบำบัดเพิ่มขึ้นแต่กลับมีประสิทธิภาพการบำบัดน้ำเสียลดลง ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการบำบัด อัตราการไหล ระยะเวลากักเก็บ และความเข้มข้นน้ำขาเข้า สามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลอง Modified Michaelis-Menten Kinetics Model ผลการทดลองเกี่ยวกับการผลิตไฟฟ้าพบว่าเมื่อเพิ่มอัตราการไหลจะทำให้แรงเค้นเฉือนมีค่าเพิ่มขึ้นเป็นสาเหตุทำให้ความต้านทานภายในลดลง และการเพิ่มระยะเวลากักเก็บก็ส่งผลให้ความต้านทานภายในมีค่าลดลงด้วย ทำให้ MFCs ที่ใช้อัตราการไหลสูงหรือระยะเวลากักเก็บสูงสามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้สูงขึ้นตามไปด้วย ส่วนการเพิ่มความเข้มข้นน้ำเสียเข้าระบบนั้นยังไม่พบผลที่ชัดเจนต่อค่ากำลังไฟฟ้า แต่เมื่อพิจารณาในเชิงพลังงานไฟฟ้าแล้วพบว่าแบ่งได้เป็น 2 กรณี คือกรณีที่ความเข้มข้นน้ำเสียเข้าระบบเพิ่มขึ้นจาก 574 เป็น 3220 mgCOD/l พลังงานไฟฟ้าจะมีค่าเพิ่มขึ้นด้วย (0.08-0.32 W∙hr) และกรณีที่ความเข้มข้นน้ำเสียเข้าระบบเพิ่มขึ้นจาก 4318 เป็น 4832 mgCOD/l พลังงานไฟฟ้าจะมีค่าน้อยและอยู่ในระดับใกล้เคียงกัน (0.20-0.21 W∙hr) นอกจากนี้ยังพบว่าการเพิ่มความเข้มข้นน้ำเสียส่งผลให้ CE มีค่าลดลง กล่าวคือ MFCs มีประสิทธิภาพในการนำอิเล็กตรอนไปผลิตไฟฟ้าน้อยลง จากผลการทดลองกล่าวได้ว่าเงื่อนไขที่เหมาะสมในการเดินระบบ MFCs ในงานวิจัยนี้คือ อัตราการไหล 35 l/d ระยะเวลากักเก็บน้ำ 5 hr และความเข้มข้น COD ของน้ำขาเข้า 574-3220 mgCOD/l