تصفیه پساب صنایع لبنی با استفاده از پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای حلقوی در جریان پیوسته

STUDENT

DEGREE

YEAR

The main objective of this study is investigation of dairy wastewater treatment and spontaneous power generation in a microbial fuel cell (MFC) in continuous mode.Dairy wastewater is rich in different types of organic and biodegradable compounds with high COD so it is proper for usage as a fuel in MFCs. An annular single chamber microbial fuel cell (ASCMFC) was fabricated for this objective. The inoculation was done in continuous flow mode. The open circuit voltage at steady-state condition was 600 mV and it remained constant throughout inoculation process.Comparison of the operation of a continuously inoculated biofilm with a batch one proved that continuous microbial enrichment made stronger anodic biofilm better resisting undesirable conditions compared to batch mode. The maximum electrical output was obtained at resistance of 500 ? with power density of 1.84 W/m 3 and current of 0.57 mA. Along with good substrate degradation (COD removal, 95.4%), continuous ASCMFC also documented good removal of turbidity (91%). For the first time optimum resistances were specified from the treatment and power generation perspectives and refered to difference between these two concepts.The optimum resistances from treatment and power generation aspects were 200 and 500 ? sequentially. Comparison of results in batch and continuous mode of ASCMFC, clarified a considerable reality. Maximum power density in batch mode is more than 10 fold of that obtained in continuous mode. It was found that most of the measurements in batch mode were influenced by type M overshoot at low resistances. Type M overshoot is defined by the production of maximum power density much higher than that can be undergone at a fixed resistance. This makes measurements in batch mode unreliable for scale up due to the overestimation occurred in the instance of feed injection.To investigate the effects of different polarization types on the performance of the continuous ASCMFC, disturbance of changing resistances was eliminated by exerting a fixed resistance and changing flow rates instead. Continuous ASCMFC has had the best electrical performance at hydraulic retention time of 30 hr. This technique also proves that treatment optimum resistance is independent of HRT.Even applying this trend couldn’t eliminate type D overshoot, so insufficient time for acclimation of biofilm to a new resistance can be one of the reasons of power overshoot but it seems more parameters are culprit of this malfunction. Keywords: Microbial Fuel Cell, Continuous bacterial enrichment, Dairy wastewater, Hydraulic Retention Time (HRT), Power overshoot, Optimum resistance.

این پژوهش برای اولین بار به تصفیه پساب صنایع لبنی در یک پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته پرداخته است و علاوه بر بررسی پارامترهای مربوط به تصفیه، میزان تولید توان الکتریکی در چنین سامانه‌ای را نیز ارزیابی نموده است. به همین منظور پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای حلقوی ساخته شد و به منظور بررسی امکان استفاده از چنین ساختاری در مقیاس صنعتی آزمایش‌ها به صورت جریان پیوسته انجام شد. یکی از اهداف این تحقیق بررسی عملکرد زیست لایه آندی است که غنی سازی میکروبی آن در حالت پیوسته انجام پذیرفته است؛ از مقایسه عملکرد زیست لایه آندی حاصل از کشت پیوسته و منقطع، مقاومت و انعطاف پذیری بیشتر زیست لایه آندی حاصل از جریان پیوسته نسبت به جریان منقطع آشکار گردید. در این مطالعه ولتاژ مدار باز سامانه در حالت پایا به 600 میلی ولت رسید و در تمام مدت فرآیند کشت میکروبی ثابت ماند. بیشینه دانسیته توان تولیدی در مقاومت الکتریکی ? 500 مشاهده گردید؛ جریان و دانسیته توان تولیدی در این مقاومت به ترتیب برابر با 57/0 میلی‌آمپر و 84/1 وات بر متر‌مکعبمی‌باشند. علاوه بر تولید الکتریسیته این سامانه به خوبی پساب لبنی را تصفیه نموده؛ به گونه‌ای که بیشینه میزان حذف اکسیژن خواهی شیمیایی 4/95% و حذف کدورت 91% در مقاومت الکتریکی ? 200 رخ داد. بنابراین طبق نتایج این پژوهش می‌توان گفت مقاومت بهینه تولید توان الکتریکی و مقاومت بهینه تصفیه پساب یکسان نیستند. به منظور تعیین زمان ماند هیدرولیکی بهینه و هم چنین تأثیر زمان ماند هیدرولیکی بر مقاومت بهینه از تکنیکی نوین در بررسی سامانه بهره گرفته شد. برخلاف روند متداول –تغییر مقاومت‌های اعمالی- با ثابت نگاه داشتن مقاومت الکتریکی اعمال شده، زمان ماند تغییر داده شد. نتیجه این بررسی گواه بر این ادعا است که زمان ماند هیدرولیکی هیچ تأثیری بر مقاومت بهینه تصفیه ندارد و در سه زمان ماند اعمال شده مقاومت الکتریکی بهینه از نقطه نظر تصفیه 200 اهم بود. یکی دیگر از اهداف مهم این پروژه مقایسه نتایج حاصل از جریان پیوسته با جریان منقطع بود. بررسی دقیق نتایج، رخداد فرارفت نوع M در پیل سوختی میکروبی حلقوی با جریان منقطع را نشان می‌داد. در واقع در سامانه با جریان منقطع به دلیل اینکه تقریباً تمام شرایط مانند غلظت سوبسترای در دسترس میکرواورگانیزم‌ها، در تمام مدت دچار تغییر می‌شود و علاوه بر این پس از هر فاز ایستا به دلیل نبود سوبسترا مجبور به تزریق مجدد خوراک به سامانه هستیم و در هر تزریق تطبیق زیست لایه با شرایط قبلی بر هم زده می‌شود ولتاژ اغراق گونه‌ای را شاهد خواهیم بود که این همان فرارفت نوع Mمی‌باشد. اما جریان پیوسته با توجه به بدون تغییر بودن تمام شرایط نسبت به زمان، قادر است تا از فاز اغراق عبور کرده و به نتایج مطمئن دست یازد. بنابراین یکی از نتایج مهم این پژوهش ادعای ناکارآمدی سامانه منقطع برای پیش بینی عملکرد پیل سوختی و استفاده در محاسبات پلاریزاسیون می‌باشد. در مورد فرارفت نوع D، با توجه به اینکه میزان حذف COD در مقاومت‌هایی که سامانه دچار فرارفت شده بود افت شدیدی را از خود نشان می‌داد؛ علت این نوع فرارفت را در کاهش غلظت سوبسترای در دسترس برای ورود به واکنش اکسیداسیون و تولید الکترون می‌داند. که این کاهش غلظت به دلیل استفاده از بخش اعظم سوبسترا به منظور تولید سلول‌های جدید می‌باشد. به طور کلی این پژوهش ویژگی‌های یک پیل سوختی میکروبی را با جزئیات بیشتر و هم چنین کاربردی‌تر به منظور صنعتی سازی این فناوری مورد بررسی قرارداد. کلمات کلیدی: پیل سوختی میکروبی حلقوی با جریان پیوسته، کشت میکروبی پیوسته، پساب صنایع لبنی، زمان ماند هیدرولیکی، مقاومت بهینه، فرارفت.