Published June 18, 2024 | Version v1
Publication Open

Optimization of microbial fuel cell performance application to high sulfide industrial wastewater treatment by modulating microbial function

Creators

  • 1. King Mongkut's University of Technology Thonburi
  • 2. Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University
  • 3. National Science and Technology Development Agency
  • 4. National Center for Genetic Engineering and Biotechnology

Description

Microbial fuel cells (MFCs) are innovative eco-friendly technologies that advance a circular economy by enabling the conversion of both organic and inorganic substances in wastewater to electricity. While conceptually promising, there are lingering questions regarding the performance and stability of MFCs in real industrial settings. To address this research gap, we investigated the influence of specific operational settings, regarding the hydraulic retention time (HRT) and organic loading rate (OLR) on the performance of MFCs used for treating sulfide-rich wastewater from a canned pineapple factory. Experiments were performed at varying hydraulic retention times (2 days and 4 days) during both low and high seasonal production. Through optimization, we achieved a current density generation of 47±15 mA/m 2 , a COD removal efficiency of 91±9%, and a sulfide removal efficiency of 86±10%. Microbiome analysis revealed improved MFC performance when there was a substantial presence of electrogenic bacteria, sulfide-oxidizing bacteria, and methanotrophs, alongside a reduced abundance of sulfate-reducing bacteria and methanogens. In conclusion, we recommend the following operational guidelines for applying MFCs in industrial wastewater treatment: (i) Careful selection of the microbial inoculum, as this step significantly influences the composition of the MFC microbial community and its overall performance. (ii) Initiating MFC operation with an appropriate OLR is essential. This helps in establishing an effective and adaptable microbial community within the MFCs, which can be beneficial when facing variations in OLR due to seasonal production changes. (iii) Identifying and maintaining MFC-supporting microbes, including those identified in this study, should be a priority. Keeping these microbes as an integral part of the system's microbial composition throughout the operation enhances and stabilizes MFC performance.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) هي تقنيات مبتكرة صديقة للبيئة تعمل على تعزيز الاقتصاد الدائري من خلال تمكين تحويل كل من المواد العضوية وغير العضوية في مياه الصرف الصحي إلى كهرباء. على الرغم من أنها واعدة من الناحية المفاهيمية، إلا أن هناك أسئلة عالقة فيما يتعلق بأداء واستقرار MFCs في البيئات الصناعية الحقيقية. لمعالجة هذه الفجوة البحثية، قمنا بالتحقيق في تأثير إعدادات تشغيلية محددة، فيما يتعلق بوقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT) ومعدل التحميل العضوي (OLR) على أداء MFCs المستخدمة لمعالجة مياه الصرف الصحي الغنية بالكبريتيد من مصنع أناناس معلب. تم إجراء التجارب في أوقات احتجاز هيدروليكي متفاوتة (يومين و 4 أيام) خلال كل من الإنتاج الموسمي المنخفض والعالي. من خلال التحسين، حققنا توليد كثافة حالية تبلغ 47±15 مللي أمبير/م 2 ، وكفاءة إزالة COD تبلغ 91±9 ٪، وكفاءة إزالة الكبريتيد تبلغ 86±10 ٪. كشف تحليل الميكروبيوم عن تحسن أداء MFC عندما كان هناك وجود كبير للبكتيريا المولدة للكهرباء والبكتيريا المؤكسدة للكبريتيد والميثانوتروفس، إلى جانب انخفاض وفرة البكتيريا المخفضة للكبريتات ومولدات الميثان. في الختام، نوصي بالمبادئ التوجيهية التشغيلية التالية لتطبيق MFCs في معالجة مياه الصرف الصناعي: (1) الاختيار الدقيق للقاح الميكروبي، حيث تؤثر هذه الخطوة بشكل كبير على تكوين مجتمع MFC الميكروبي وأدائه العام. (2) يعد بدء تشغيل MFC باستخدام OLR مناسب أمرًا ضروريًا. وهذا يساعد في إنشاء مجتمع ميكروبي فعال وقابل للتكيف داخل MFCs، والذي يمكن أن يكون مفيدًا عند مواجهة الاختلافات في OLR بسبب تغيرات الإنتاج الموسمية. (3) يجب أن يكون تحديد الميكروبات الداعمة لـ MFC والحفاظ عليها، بما في ذلك تلك المحددة في هذه الدراسة، أولوية. إن الحفاظ على هذه الميكروبات كجزء لا يتجزأ من التركيب الميكروبي للنظام طوال العملية يعزز ويثبت أداء MFC.

Translated Description (French)

Les piles à combustible microbiennes (MFC) sont des technologies écologiques innovantes qui font progresser une économie circulaire en permettant la conversion de substances organiques et inorganiques dans les eaux usées en électricité. Bien que prometteurs sur le plan conceptuel, des questions subsistent quant aux performances et à la stabilité des CMF dans des contextes industriels réels. Pour combler cette lacune de recherche, nous avons étudié l'influence de paramètres opérationnels spécifiques, concernant le temps de rétention hydraulique (HRT) et le taux de charge organique (OLR) sur la performance des MFC utilisés pour le traitement des eaux usées riches en sulfures provenant d'une usine d'ananas en conserve. Les expériences ont été réalisées à des temps de rétention hydraulique variables (2 jours et 4 jours) pendant la production saisonnière faible et élevée. Grâce à l'optimisation, nous avons obtenu une génération de densité de courant de 47±15 mA/m 2 , une efficacité d'élimination de la DCO de 91±9 % et une efficacité d'élimination des sulfures de 86±10 %. L'analyse du microbiome a révélé une amélioration des performances des MFC lorsqu'il y avait une présence substantielle de bactéries électrogènes, de bactéries oxydant les sulfures et de méthanotrophes, ainsi qu'une abondance réduite de bactéries réductrices de sulfate et de méthanogènes. En conclusion, nous recommandons les directives opérationnelles suivantes pour l'application des MFC dans le traitement des eaux usées industrielles : (i) Sélection minutieuse de l'inoculum microbien, car cette étape influence de manière significative la composition de la communauté microbienne des MFC et sa performance globale. (ii) Initier le fonctionnement des MFC avec un OLR approprié est essentiel. Cela aide à établir une communauté microbienne efficace et adaptable au sein des CMF, ce qui peut être bénéfique face aux variations de l'OLR dues aux changements de production saisonniers. (iii) L'identification et le maintien des microbes qui soutiennent les CMF, y compris ceux identifiés dans cette étude, devraient être une priorité. Le maintien de ces microbes comme partie intégrante de la composition microbienne du système tout au long de l'opération améliore et stabilise les performances du MFC.

Translated Description (Spanish)

Las pilas de combustible microbianas (MFC) son tecnologías innovadoras respetuosas con el medio ambiente que promueven una economía circular al permitir la conversión de sustancias orgánicas e inorgánicas de las aguas residuales en electricidad. Si bien es conceptualmente prometedor, persisten preguntas sobre el rendimiento y la estabilidad de los MFC en entornos industriales reales. Para abordar esta brecha de investigación, investigamos la influencia de los entornos operativos específicos, con respecto al tiempo de retención hidráulica (HRT) y la tasa de carga orgánica (OLR) en el rendimiento de los MFC utilizados para tratar las aguas residuales ricas en sulfuro de una fábrica de piña enlatada. Los experimentos se realizaron a diferentes tiempos de retención hidráulica (2 días y 4 días) durante la producción estacional baja y alta. A través de la optimización, logramos una generación de densidad de corriente de 47±15 mA/m 2 , una eficiencia de eliminación de COD del 91±9% y una eficiencia de eliminación de sulfuros del 86±10%. El análisis del microbioma reveló un mejor rendimiento de MFC cuando había una presencia sustancial de bacterias electrogénicas, bacterias oxidantes de sulfuros y metanótrofos, junto con una menor abundancia de bacterias reductoras de sulfatos y metanógenos. En conclusión, recomendamos las siguientes pautas operativas para la aplicación de MFC en el tratamiento de aguas residuales industriales: (i) Selección cuidadosa del inóculo microbiano, ya que este paso influye significativamente en la composición de la comunidad microbiana de MFC y su rendimiento general. (ii) Es esencial iniciar la operación de MFC con un OLR apropiado. Esto ayuda a establecer una comunidad microbiana efectiva y adaptable dentro de los MFC, lo que puede ser beneficioso cuando se enfrentan variaciones en OLR debido a cambios estacionales en la producción. (iii) La identificación y el mantenimiento de microbios que soportan MFC, incluidos los identificados en este estudio, deberían ser una prioridad. Mantener estos microbios como parte integral de la composición microbiana del sistema durante toda la operación mejora y estabiliza el rendimiento de MFC.

Files

journal.pone.0305673&type=printable.pdf

Files (3.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:4ffc304c313c382db28019641ca723b7
3.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحسين تطبيق أداء خلايا الوقود الميكروبية على معالجة مياه الصرف الصناعي عالية الكبريتيد عن طريق تعديل الوظيفة الميكروبية
Translated title (French)
Optimisation de l'application des performances des piles à combustible microbiennes au traitement des eaux usées industrielles à haute teneur en sulfure en modulant la fonction microbienne
Translated title (Spanish)
Optimización de la aplicación del rendimiento de las celdas de combustible microbianas al tratamiento de aguas residuales industriales con alto contenido de sulfuro mediante la modulación de la función microbiana

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4399769124
DOI
10.1371/journal.pone.0305673

Is supplement to
https://openalex.org/W4297338647 (Other)
https://openalex.org/W3175118413 (Other)
https://openalex.org/W2992792437 (Other)
https://openalex.org/W2900903208 (Other)
https://openalex.org/W2561466255 (Other)
https://openalex.org/W2370357806 (Other)
https://openalex.org/W2186198503 (Other)
https://openalex.org/W2014601477 (Other)
https://openalex.org/W1971198709 (Other)
https://openalex.org/W1963716467 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1574834022
  • https://openalex.org/W1601568609
  • https://openalex.org/W162328689
  • https://openalex.org/W1848999401
  • https://openalex.org/W1973067575
  • https://openalex.org/W1983408017
  • https://openalex.org/W2025267543
  • https://openalex.org/W2031070203
  • https://openalex.org/W2034285706
  • https://openalex.org/W2039241535
  • https://openalex.org/W2050454475
  • https://openalex.org/W2056279562
  • https://openalex.org/W2084409765
  • https://openalex.org/W2108718991
  • https://openalex.org/W2114104545
  • https://openalex.org/W2131991600
  • https://openalex.org/W2140779707
  • https://openalex.org/W2146150679
  • https://openalex.org/W2191264050
  • https://openalex.org/W2330937969
  • https://openalex.org/W2495639544
  • https://openalex.org/W2552431191
  • https://openalex.org/W2619104894
  • https://openalex.org/W2728208523
  • https://openalex.org/W2754470146
  • https://openalex.org/W2767081705
  • https://openalex.org/W2767802747
  • https://openalex.org/W2795815603
  • https://openalex.org/W2804792661
  • https://openalex.org/W2805317644
  • https://openalex.org/W2898128842
  • https://openalex.org/W2902002344
  • https://openalex.org/W2906140575
  • https://openalex.org/W2916431454
  • https://openalex.org/W2922710932
  • https://openalex.org/W2939736779
  • https://openalex.org/W2956875394
  • https://openalex.org/W2995043376
  • https://openalex.org/W2997601950
  • https://openalex.org/W2998934861
  • https://openalex.org/W3021349829
  • https://openalex.org/W3042839836
  • https://openalex.org/W3088139399
  • https://openalex.org/W3119860145
  • https://openalex.org/W3122814338
  • https://openalex.org/W4256123184