Scientific journal
Scientific Review. Biological science
ISSN 2500-3399
ПИ №ФС77-57454

USING VEGETABLE-MICROBIAL FUEL CELL ELEMENTS TO OBTAIN ELECTRICAL CURRENT AND WASTEWATER TREATMENT

Kurmanbaev A.A. 1 Zhatkanbayev Ye.Ye. 1 Sadykov A.M. 1 Khassenova E.Zh. 1 Moldagulova A.K. 1 Kulmagambetova R.Kh. 1 Ussenova А.А. 1 Shoiynbayeva А.S. 1 Kurtibay K.A. 1
1 Eсostandart.kz LLP
Recently, fuel elements based on Constructed Wetlands sedimentary type have received widely used. One of the latest studies is the possibility of generating electricity in CW systems. Scope: renewable energy sources, cleaning of water bodies, as well as combining the processes of water treatment of sewage treatment plants and electricity generation. The aim of this work is to determine the optimal design of plant-microbial fuel elements (RMTE), evaluate the electogenic activity of various plants and conduct an analysis of the composition of microflora. The work provides results on the use of combined structures of plant-microbial fuel elements that can provide wastewater treatment and generate electricity. The design of the developed design is presented – a single -chamber installation of RMTE, without the use of membranes. Various electrogenic parameters are taken depending on the electrode materials used, the distance between the electrodes, the shape, the size of the electrodes and the type of plants. The results obtained allow us to judge the high electogenic activity of microflora on the roots of aquatic plants of pisties and eichnoria. The optimal distance between the electrodes is 100 – 200 mm. Also, classic microbiological methods, an analysis of the composition of microflora on various electrodes used on experimental installations was carried out.
microbial fuel cell
purification
wastewater
electricity
microorganisms

Резкое увеличение спроса на воду и энергию при одновременном их дефиците усиливает вероятность гуманитарного кризиса. Как ожидается, в следующем десятилетии нехватка доступной пресной воды и рост потребления энергии составят 40% и 36% соответственно, что потребует устойчивых решений этих проблем [1]. Существующие способы очистки сточных вод страдают от дисбаланса в соотношении работа-энергия в обеспечении стандартов очистки [2].

В настоящее время общепризнанно, что сточные воды являются возобновляемыми источниками энергии, удерживающими в химических связях органического вещества энергию в несколько раз большую, чем требуется для их очистки [3]. Концепции преобразования отходов в энергию и разработки менее энергоемких технологий управления сточными водами развивались и широко исследовались во всем мире. Разработка экономичных и энергонейтральных технологий в настоящее время является наиболее востребованным подходом [4].

Водоемы, в которые попал избыток органических веществ (например, из канализации или из стоков скотоводческих ферм), становятся «мертвой зоной»: в них зацветает вода и гибнет рыба и фауна. Чтобы этого не допустить, необходимо очищать воды от органических загрязнений. В среднем развитые страны ежегодно тратят на такие мероприятия до 3% всей вырабатываемой энергии.

Для повышения степени очистки и снижения потерь энергии используется биологическая доочистка. Наиболее простым и эффективным способом служит почвенная очистка по технологии полей орошения и фильтрации, а также ветланды. К биологическим способам очистки относятся и растительно-микробные топливные элементы (РМТЭ), которые позволяют минимизировать потери энергии, превратив очистку сточных вод из энергозатратного процесса в способ получения электроэнергии.

В настоящее время применение РМТЭ распространилось на экологически чистые инженерные системы [5], для выработки биоэлектричества из рисовых полей [6], водно-болотных угодий [7], зеленых крыш [8] и плавучих водоемов [9]. Кроме того, существует потенциал для PMFC-включения в сельскохозяйственные угодья без какого-либо воздействия на производство продуктов питания [10]. Растения, выращиваемые в помещении, зеленые крыши и сады на крышах также могут использоваться в PMFC для выработки биоэлектричества, поддерживать качество воздуха и оказывать экосистемные услуги [11].

Целью данной работы является определение оптимального дизайна растительно-микробных топливных элементов (РМТЭ), оценка электрогенной активности различных растений и проведение анализа состава микрофлоры.

Материалы и методы исследований

В качестве растений для создания растительно-микробных топливных элементов были подобраны представители водной фитофторы, произрастающие в водоемах и заболоченных местностях: пистия, эйхорния толстоножковая, камыш, рис. Растения подрощены до стадии кущения: пистия (лист – 10 см, корень – 5 см), эйхорния (лист – 20 см, корень – 18 см), камыш (стебель – 30 см, корень – 13 см), рис (стебель – 15 см, корень – 7 см).

Конструкция безмембранная. Электроды, включенные в систему, замыкают электрическую цепь. В качестве электродов послужили: алюминиевая сетка 3,23.2×13.4×2.4 мм ПВС (ТУ У00236010. 001-97), угольные (графитовые) электроды диаметром 8 мм (ГОСТ 10720-75), графитовый электрод, а также лист из нержавеющей стали 2 мм, анод выполнен из тех же материалов.

Расстояние между электродами – 5, 10, 20 см. Два электрода подключались к портативному цифровому мультиметру типа UT33C+ с помощью медных проводов или через сопротивление в 1000 Ом. Производительность системы определяется путем измерения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания.

В качестве сточной воды использовался имитат следующего состава (г/л): CH3COONa – 256,41 мг/л; NH4Cl – 76,43 мг/л; NaNO3 – 30,36; KH2PO4 – 14,24 мг/л; CaCl2 – 14,7 мг/л; MgCl2 – 20,3 мг/л и раствор микроэлементов 10 мл/л [21]. На дно устройства нанесли болотный ил высотой не более 3 см. Синтетические сточные воды подавались на поверхность каждого CW-MFC. Изначальный показатель ХПК сточной синтетической воды в системе РМТЭ в среднем был в пределах 110-250 мгО2/л.

Измерения вольт-амперных характеристик проводили с помощью аппарата мультиметр Fluke 8808A.

Выделение, очистку и идентификацию микроорганизмов проводили общепринятыми классическими методами.

Статистическую обработку результатов проводили с использованием программ Statistica 6,0, Microsoft Excel 97.

Результаты исследования и их обсуждение

В рамках создания модельных РМТЭ в CW проведена серия экспериментов по получению электроэнергии на различных установках с использованием растений: пистия, водяной гиацинт, камыш и рис. Выращенные культуры устанавливали в экспериментальные РМТЭ.

Экспериментальные РМТЭ созданы на основе трубы ПВХ (поливинилхлорид) диаметром 150 мм, толщиной 2 мм, высотой 37 см. Рабочий объём РМТЭ составил 6 литров (рис. 1).

При культивировании растений на экспериментальных установках корни и окисляемый субстрат находятся в аэробных условиях, аэрируются воздухом в катодной камере РМТЭ. В нижнем отсеке РМТЭ содержится анод, где создаются анаэробные условия (рис. 1).

Предлагаемый РМТЭ не имеет в своей конструкции протонселективной мембраны. На аноде микроорганизмы ассимилируют органические вещества из воды, при этом свободные протоны диффундируют к катоду, где окисляются кислородом до воды. В качестве субстрата использована синтетическая сточная вода. Сточная вода подавалась с нижнего клапана со скоростью 6 л/сутки, таким образом, обновление обьема осуществляется за 24 часа.

missing image file

Рис. 1. Экспериментальные РМТЭ

missing image file

Рис. 2. Динамика электрогенной активности РМТЭ с различными растениями

Показатели напряжения, силы тока и разности потенциала определяли ежедневно с помощью мультиметра. Положительные показатели электрогенной активности получены при культивировании 50-100 ч, максимальные показатели достигались на 10-15-е сутки (рис. 2).

В рамках исследования высокую электрогенную активность проявили установки с графитовым электродом, где максимальный показатель напряжения достигнут на уровне 512 mV, при длительности культивирования 74 суток с использованием пистии, сила тока 1,61 мА (рис. 3).

Было исследовано РМТЭ с различными параметрами: расстояние между электродами (100-200 мм), растения (пистия, эйхорния, рис, камыш), форма и размеры электродов (классический графитовый электрод, графитовый стержневый электрод 8 мм), а также алюминиевая сетка.

В среднем между различным дизайном электродов существенных различий между генерируемыми напряжением и силой тока РМТЭ в экспериментальных установках не наблюдалось (табл. 1). Однако важно отметить, что РМТЭ, содержащие электроды из нержавеющей стали, достигали наиболее высоких показателей напряжения тока 607 mV. При этом установки с графитом наиболее быстрее «запускались» и производили ток, в свою очередь электроды из алюминиевой сетки также показали высокий потенциал с максимальным показателем на уровне 468 mV.

Таким образом, анализ результатов, полученных в рамках исследования экспериментальных РМТЭ, позволил определить оптимальное расстояние между электродами в установке, которое составило 10 см. Наиболее высокий потенциал развивали электроды из нержавеющей стали и графита. Из растений более эффективными оказались пистия, затем рис и эйхорния, наименьшие показатели генерации тока отмечали при использовании камыша.

Таблица 1

Показатели электрогенной активности экспериментальных РМТЭ

№ п/п

Растения

Дизайн РМТЭ

Количество дней

Напряжение, mV

Сила тока, mA

1

Рис

Образец 1, нерж. металл, 10 см

74

405±1

0,15

2

Рис

Образец 2, нерж. металл, 20 см

74

220±1

0,15

3

Рис

Образец 3, алюм. сетка, 10 см

83

443±1

1,38

4

Рис

Образец 4, алюм. сетка, 20 см

83

222±1

1,10

5

Рис

Образец 5, графитовый стержень, 10 см

61

468±1

1,11

6

Рис

Образец 6, графитовый стержень, 20 см

61

222±1

1,17

7

Рис

Образец 7, графитовый стержень, 5 см

15

228±1

1,56

8

Пистия

Образец 8, нерж. металл, 20 см

74

431±1

1,00

9

Пистия

Образец 9, алюм. сетка, 10 см

83

478±1

1,11

10

Пистия

Образец 10, алюм. сетка, 20 см

83

408,4±1

1,05

11

Пистия

Образец 11, графитовый стержень, 10 см

61

447±1

1,27

12

Пистия

Образец 12, графитовый стержень, 20 см

61

88±1

0,58

13

Пистия

Образец 13, графитовый стержень, 20 см

15

180±1

1,58

14

Камыш

Образец 14, нерж. металл, 10 см

74

311±1

0,88

15

Камыш

Образец 15, нерж. металл, 20 см

74

180±1

0,58

16

Камыш

Образец 16, алюм. сетка, 10 см

83

444±1

0,53

17

Камыш

Образец 17, алюм. сетка, 20 см

83

428±1

0,71

18

Камыш

Образец 18, графитовый стержень, 10 см

61

401±1

0,25

19

Камыш

Образец 19, графитовый стержень, 20 см

61

103±1

0,21

20

Эйхорния

Образец 20, нерж. металл, 10 см

74

358±1

1,41

21

Эйхорния

Образец 21, нерж. металл, 20 см

74

301±1

1,15

22

Эйхорния

Образец 22, алюм. сетка, 10 см

83

468±1

0,75

23

Эйхорния

Образец 23, алюм. сетка, 20 см

83

388±1

0,38

24

Эйхорния

Образец 24, графитовый стержень, 10 см

61

408±1

0,97

25

Эйхорния

Образец 25, графитовый стержень, 20 см

61

255±1

0,57

26

Эйхорния

Образец 26, графитовый стержень, 5 см

15

270±1

0,44

По данным таблицы 2, наибольшим напряжением обладает вариант № 9, который состоит из электродов из нержавеющей стали, расположенных на расстоянии 10 см, с использованием пистии в качестве растительного элемента. Также высокое напряжение показали вариант № 5 (рис, графитовый стержень, 10 см) и № 8 (пистия, нержавеющая сталь, 20 см).

Проведена оценка электрогенного микробиоценоза, выделенного из электродов РМТЭ классическими методами. Для выделения микроорганизмов с электродов отбирали пробы методом смыва с дальнейшим проведением предельных разведений и посевом суспензий клеток на селективные питательные среды: СПА, МПА, Клигера, МРС и Сабуро (рис. 3).

В выделенных культурах доминировали бактерии с колониями бежевого цвета. Также встречались колонии желтого, розового и черного цветов. Выявлено, что на электродах экспериментальных РМТЭ присутствовали грамотрицательные и грамположительные бактерии. Культуры чистые, имеют однородный рост по штриху посева, также клетки в мазке однородные.

По фенотипическим характеристикам и биохимическим свойствам большинство выделенных чистых жизнеспособных микроорганизмов были представителями рода Bacillus, остальные физиологические группы отнесены к следующим родам: Shigella, Lactobacillus, Actinobacteria, Clostridium, Shewanella, Proteus, Pseudomonas. Основное количество микроорганизмов выделены из аэробной зоны, из анаэробной только Clostridium и Lactobacillus.

Результаты химического анализа по определенио ХПК на 15-е сутки показали снижение значения до 28 мгО2/л.

Таблица 2

Вольт-амперные показатели различных вариантов РМТЭ

№ п/п

Вариант опыта

Измерения в открытом контуре

Измерения через сопротивление, 989 Ом

Мощность, Wt

Напряжение, mV

Сила тока, mA

Напряжение, mV

Сила тока, mA

1

Образец 1

405

0,15

180

0,18

32,4

2

Образец 2

220

0,15

87

0,08

6,96

3

Образец 3

443

1,38

258

0,2

51,6

4

Образец 4

222

1,1

98

0,09

8,82

5

Образец 5

468

1,11

314

0,35

109,9

6

Образец 6

222

1,17

100

0,1

10

7

Образец 7

228

1,56

147

0,14

20,58

8

Образец 8

431

1

305

0,3

91,5

9

Образец 9

478

1,11

323

0,35

113,05

10

Образец 10

408,4

1,05

178

0,18

32,04

11

Образец 11

447

1,27

205

0,2

41

12

Образец 12

88

0,58

14

0,01

0,14

13

Образец 13

180

1,58

120

0,12

14,4

14

Образец 14

311

0,88

179

0,18

32,22

15

Образец 15

180

0,58

77

0,08

6,16

16

Образец 16

444

0,53

286

0,29

82,94

17

Образец 17

428

0,71

270

0,27

72,9

18

Образец 18

401

0,25

174

0,17

29,58

19

Образец 19

103

0,21

68

0,06

4,08

20

Образец 20

358

1,41

220

0,22

48,4

21

Образец 21

301

1,15

208

0,21

43,68

22

Образец 22

468

0,75

300

0,3

90

23

Образец 23

388

0,38

217

0,21

45,57

24

Образец 24

408

0,97

304

0,3

91,2

25

Образец 25

255

0,57

186

0,18

33,48

26

Образец 26

270

0,44

113

0,11

12,43

missing image file

Рис. 3. Первичное выделение культур микроорганизмов

Заключение

Таким образом, нам удалось создать однокамерную установку растительно-микробных топливных элементов и произвести отбор эффективных электродных материалов. В нашем исследовании наибольшую эффективность показали РМТЭ из нержавеющей стали и графита с оптимальным расстоянием между электродами в установке 10 см. Из растений более эффективными оказались пистия, рис и эйхорния, наименьшие показатели генерации тока отмечали при использовании камыша.

Наибольшим напряжением обладал вариант опыта № 9 (468 mV), который состоит из электродов из нержавеющей стали, расположенных на расстоянии 10 см, с использованием растения – пистии, вариант № 5 (468 mV, рис, графитовый стержень, 10 см) и вариант № 8 (431 mV, пистия, нержавеющая сталь, 20 см).

Микробиоценоз с поверхности электрода и сточных вод составили следующие таксономические группы бактерий: Bacillus, Shigella, Lactobacillus, Actinobacteria, Clostridium, Shewanella, Proteus, Pseudomonas.