In order to remove the organic substances and the nitrate-nitrogen contained in wastewater, some researchers have studied the simultaneous removal of organics and nitrogen by using different biocathode microbial fuel cells (MFCs). The operating conditions for removing the contaminants in the MFCs are the external resistances, HRTs, the concentration of the influent wastewater, and other factors. This study aimed to determine the effect of the external resistors and organic loading rates, from the changing HRT, on the removal of the organics and nitrogen and on the production of electric power using the Denitrification Biocathode - Microbial Fuel Cell (DNB-MFC). As regards the results of the study, the removal efficiencies of $SCOD_{Cr}$ did not show any difference, but the nitrate-nitrogen removal efficiencies were increased by decreasing the external resistance. The maximum denitrification rate achieved was $129.2{\pm}13.54g\;NO_3{^-}-N/m^3/d$ in the external resistance $1{\Omega}$, and the maximum power density was $3,279mW/m^3$ in $10{\Omega}$. When the DNB-MFC was operated with increasing influent organic and nitrate loading by reducing the HRTs, the $NO_3{^-}-N$ removal efficiencies were increased linearly, and the maximum nitrate removal rate was $1,586g\;NO^3{^-}-N/m^3/d$ at HRT 0.6 h.
The present study was conducted to compare the voltage generation in two-chamber microbial fuel cells (MFCs) with a biocathode where nitrate and oxygen are used as a terminal electron acceptors (TEA) and to investigate the nitrogen removal and the electrochemical characteristics depending on the separators of the MFCs for denitrification. The maximum power density in a biocathode MFC using an anion exchange membrane (AEM) was approximately 40% lower with the use of nitrate as a TEA than when using oxygen. The MFC for denitrification using an AEM allows acetate ($CH_3COO^-$) as a substrate and nitrate ($NO_3{^-}$) as a TEA to be transported to the opposite sides of the chamber through the AEM. Therefore, heterotrophic denitrification and electrochemical denitrification occurred simultaneously at the anode and the cathode, resulting in a higher COD and nitrate removal rate and a lower maximum power density. The MFC for the denitrification using a cation exchange membrane (CEM) does not allow the transport of acetate and nitrate. Therefore, as oxidation of organics and electrochemical denitrification occurred at the anode and at the cathode, respectively, the MFC using a CEM showed a higher coulomb efficiency, a lower COD and nitrate removal rate in comparison with the MFC using an AEM.
The cathode reaction is one of the most seriously limiting factors in a microbial fuel cell (MFC). The critical dissolved oxygen (DO) concentration of a platinum-loaded graphite electrode was reported as 2.2 mg/l, about 10-fold higher than an aerobic bacterium. A series of MFCs were run with the cathode compartment inoculated with activated sludge (biotic) or not (abiotic) on platinum-loaded or bare graphite electrodes. At the beginning of the operation, the current values from MFCs with a biocathode and abiotic cathode were $2.3{\pm}0.1$ and $2.6{\pm}0.2mA$, respectively, at the air-saturated water supply in the cathode. The current from MFCs with an abiotic cathode did not change, but that of MFCs with a biotic cathode increased to 3.0 mA after 8 weeks. The coulomb efficiency was 59.6% in the MFCs with a biotic cathode, much higher than the value of 15.6% of the abiotic cathode. When the DO supply was reduced, the current from MFCs with an abiotic cathode decreased more sharply than in those with a biotic cathode. When the respiratory inhibitor azide was added to the catholyte, the current decreased in MFCs with a biotic cathode but did not change in MFCs with an abiotic cathode. The power density was higher in MFCs with a biotic cathode ($430W/m^3$ cathode compartment) than the abiotic cathode MFC ($257W/m^3$ cathode compartment). Electron microscopic observation revealed nanowire structures in biofilms that developed on both the anode and on the biocathode. These results show that an electron-consuming bacterial consortium can be used as a cathode catalyst to improve the cathode reaction.
The heavy reliance on fossil fuels, especially oil and gas has triggered the global energy crisis. Continued use of petroleum fuels is now widely recognized as unsustainable because of their depleting supplies and degradation to the environment. To become less dependent on fossil fuels, current world is shifting paradigm in energy by developing alternative energy sources mainly through the utilization of renewable energy sources. In particular, bioenergy recovery from wastes with the help of microorganism is viewed as one of the promising ways to mitigate the current global warming crisis as well as to supply global energy. It has been proved that microorganism can generate power by converting organic matter into electricity using microbial fuel cells (MFCs). MFC is a bioelectrochemical device that employs microbes to generate electricity from bio-convertible substrate such as wastewaters including municipal solid waste, industrial, agriculture wastes, and sewage. Sustainability, carbon neutral and generation of renewable energy are some of the major features of MFCs. However, the MFC technology is confronted with a number of issues and challenges such as low power production, high electrode material cost and so on. This paper reviews the recent developments in MFC technology with due consideration of electrode materials used in MFCs. In addition, application of biocathodes in MFCs has been discussed.
The fungi associated with termites secrete enzymes such as laccase (multi-copper oxidase) that can degrade extracellular wood matrix. Laccase uses molecular oxygen as an electron acceptor to catalyze the degradation of organic compounds. Owing to its ability to transfer electrons from the cathodic electrode to molecular oxygen, laccase has the potential to be a biocatalyst on the surface of the cathodic electrode of a microbial fuel cell (MFC). In this study, a two-chamber MFC using the laccase-producing fungus Galactomyces reessii was investigated. The fungus cultured on coconut coir was placed in the cathode chamber, while an anaerobic microbial community was maintained in the anode chamber fed by industrial rubber wastewater and supplemented by sulfate and a pH buffer. The laccase-based biocathode MFC (lbMFC) produced the maximum open circuit voltage of 250 mV, output voltage of 145 mV (with a $1,000{\Omega}$ resistor), power density of $59mW/m^2$, and current density of $278mA/m^2$, and a 70% increase in half-cell potential. This study demonstrated the capability of laccase-producing yeast Galactomyces reessii as a biocatalyst on the cathode of the two-chamber lbMFC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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