J o u r n a l o f R e s e a r c h i n B i o l o g y M i c r o b i a l f u e l c e l l a n a l t e r n a t i v e f o r C O D r e m o v a l o f d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r K e y w o r d s : D i s t i l l e r y w a s t e w a t e r , M i c r o b i a l F u e l C e l l , A g a r s a l t b r i d g e , C O D , C a t h o l y t e . A B S T R A C T : M i c r o b i a l f u e l c e l l ( M F C ) i s a t y p e o f r e n e w a b l e t e c h n o l o g y f o r e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n s i n c e i t r e c o v e r s e n e r g y f r o m r e n e w a b l e m a t e r i a l s t h a t a r e d i f f i c u l t t o d i s p o s e o f , s u c h a s o r g a n i c w a s t e s a n d w a s t e w a t e r s . I n t h e p r e s e n t s t u d y , m i x e d c o n s o r t i a f r o m d o m e s t i c s e w a g e w e r e u s e d i n D o u b l e C h a m b e r e d M i c r o b i a l F u e l C e l l f o r t h e t r e a t m e n t o f d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r . D i s t i l l e r y w a s t e w a t e r w a s d i l u t e d t o g e t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s f r o m 1 1 0 0 m g C O D / L t o 1 0 1 0 0 m g C O D / L a n d t h i s w a s g i v e n a s f e e d t o m i c r o b e s p r e s e n t i n M F C . T h e C O D r e m o v a l e f f i c i e n c y i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e i n f e e d c o n c e n t r a t i o n s u n t i l 6 1 0 0 m g C O D / L a n d f u r t h e r i n c r e a s e i n f e e d c o n c e n t r a t i o n l e d t o d e t e r i o r a t i o n i n t h e C O D r e m o v a l e f f i c i e n c y a n d c u r r e n t g e n e r a t i o n . T h e m a x i m u m C O D r e m o v a l o f 6 4 % w a s a c h i e v e d a t t h e f e e d c o n c e n t r a t i o n o f 6 1 0 0 m g C O D / L . M F C p r o d u c e d a m a x i m u m c u r r e n t o f 0 . 3 6 m A a n d p o w e r d e n s i t y o f 1 8 . 3 5 m W / m 2 . 4 1 9 - 4 2 3 | J R B | 2 0 1 1 | V o l 1 | N o 6 © F i c u s P u b l i s h e r s . T h i s O p e n A c c e s s a r t i c l e i s g o v e r n e d b y t h e C r e a t i v e C o m m o n s A t t r i b u t i o n L i c e n s e ( h t t p : / / c r e a t i v e c o m m o n s . o r g / l i c e n s e s / b y / 2 . 0 ) , w h i c h g i v e s p e r m i s s i o n f o r u n r e s t r i c t e d u s e , n o n - c o m m e r c i a l , d i s t r i b u t i o n , a n d r e p r o d u c t i o n i n a l l m e d i u m , p r o v i d e d t h e o r i g i n a l w o r k i s p r o p e r l y c i t e d . S u b m i t Y o u r M a n u s c r i p t w w w . f i c u s p u b l i s h e r s . c o m w w w . j r e s e a r c h b i o l o g y . c o m J o u r n a l o f R e s e a r c h i n b i o l o g y A n I n t e r n a t i o n a l O p e n A c c e s s O n l i n e R e s e a r c h J o u r n a l A u t h o r s : A n u p a m a 1 , P r a d e e p N V 2 , H a m p a n n a v a r U S 3 . I n s t i t u t i o n : 1 , 2 M . T e c h S c h o l a r , D e p t o f C i v i l E n g g , K . L . E ’ s C . E . T , B e l g a u m , I n d i a . 3 P r o f e s s o r , D e p t o f C i v i l E n g g , K . L . E ’ s C . E . T , B e l g a u m , I n d i a . C o r r e s p o n d i n g a u t h o r : A n u p a m a E m a i l : a k k u s h e k h a r @ g m a i l . c o m W e b A d d r e s s : h t t p : / / j r e s e a r c h b i o l o g y . c o m / D o c u m e n t s / R A 0 1 1 2 . p d f . D a t e s : R e c e i v e d : 1 9 S e p 2 0 1 1 / A c c e p t e d : 2 8 S e p 2 0 1 1 / P u b l i s h e d : 1 2 O c t 2 0 1 1 A r t i c l e C i t a t i o n : A n u p a m a , P r a d e e p N V , H a m p a n n a v a r U S . M i c r o b i a l f u e l c e l l a n a l t e r n a t i v e f o r C O D r e m o v a l o f d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r J o u r n a l o f r e s e a r c h i n B i o l o g y ( 2 0 1 1 ) 6 : 4 1 9 - 4 2 3 J o u r n a l o f R e s e a r c h i n B i o l o g y A n I n t e r n a t i o n a l O n l i n e O p e n A c c e s s P u b l i c a t i o n g r o u p O r i g i n a l R e s e a r c h P a p e r

I N T R O D U C T I O N D i s t i l l e r i e s g e n e r a t e l a r g e v o l u m e s o f h i g h - s t r e n g t h w a s t e w a t e r t h a t i s o f s e r i o u s e n v i r o n m e n t a l c o n c e r n . S p e n t w a s h h a n d l i n g , t r e a t m e n t a n d d i s p o s a l a r e o f g r e a t i m p o r t a n c e a n d n e e d s s p e c i a l a t t e n t i o n . V a r i o u s p h y s i c o - c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l t r e a t m e n t o p t i o n s a r e a v a i l a b l e f o r t h e t r e a t m e n t o f d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r s . M i c r o b i a l f u e l c e l l s ( M F C ) a r e u n i q u e d e v i c e s t h a t c a n u t i l i z e m i c r o o r g a n i s m s a s c a t a l y s t s f o r c o n v e r t i n g c h e m i c a l e n e r g y d i r e c t l y i n t o e l e c t r i c i t y , r e p r e s e n t i n g a p r o m i s i n g t e c h n o l o g y f o r s i m u l t a n e o u s e n e r g y p r o d u c t i o n a n d w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ( L i u e t a l . , 2 0 0 4 ; L o g a n a n d R e g a n , 2 0 0 6 ) . I n M F C e l e c t r o n s g e n e r a t e d i n a n o d e c e l l r e a c h t h e c a t h o d e a n d c o m b i n e w i t h p r o t o n s t h a t d i f f u s e f r o m a n o d e t h r o u g h t h e m e m b r a n e o r a g a r s a l t b r i d g e ( L o g a n e t a l . , 2 0 0 6 ; M i n a n d L o g a n , 2 0 0 4 ) . M F C s a r e b e i n g c o n s t r u c t e d u s i n g a v a r i e t y o f m a t e r i a l s , a n d i n a n e v e r i n c r e a s i n g d i v e r s i t y o f c o n f i g u r a t i o n s . T h e s e s y s t e m s a r e o p e r a t e d u n d e r a r a n g e o f c o n d i t i o n s t h a t i n c l u d e d i f f e r e n c e s i n t e m p e r a t u r e , p H , e l e c t r o n a c c e p t o r , e l e c t r o d e s u r f a c e a r e a s , r e a c t o r s i z e , a n d o p e r a t i o n t i m e ( L o g a n e t a l . , 2 0 0 6 ) . M F C s o p e r a t e d u s i n g m i x e d c u l t u r e s c u r r e n t l y a c h i e v e s u b s t a n t i a l l y g r e a t e r p o w e r d e n s i t i e s t h a n t h o s e w i t h p u r e c u l t u r e s . C o m m u n i t y a n a l y s i s o f t h e m i c r o o r g a n i s m s t h a t e x i s t i n M F C s h a s s o f a r r e v e a l e d a g r e a t d i v e r s i t y i n c o m p o s i t i o n ( L o g a n e t a l . , 2 0 0 6 ) . M i c r o b i a l f u e l c e l l s ( M F C s ) h a v e g a i n e d a l o t o f a t t e n t i o n i n r e c e n t y e a r s a s a m o d e o f c o n v e r t i n g o r g a n i c w a s t e i n c l u d i n g l o w - s t r e n g t h w a s t e w a t e r s a n d l i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s s i n t o e l e c t r i c i t y ( P a n t e t a l . , 2 0 1 0 ) . T h e r e h a s b e e n g r e a t i n t e r e s t i n u s i n g M F C s f o r w a s t e w a t e r t r e a t m e n t a n d p o w e r g e n e r a t i o n h a s b e e n s h o w n u s i n g a v a r i e t y o f w a s t e w a t e r s i n c l u d i n g b o t h d o m e s t i c a n d i n d u s t r i a l w a s t e w a t e r s ( A h n a n d L o g a n , 2 0 1 0 ) . M F C s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o g e n e r a t e e l e c t r i c i t y d i r e c t l y f r o m c o m p l e x o r g a n i c w a s t e w a t e r s u c h a s f o o d p r o c e s s i n g w a s t e w a t e r , b r e w e r y w a s t e w a t e r , d o m e s t i c w a s t e w a t e r , c h e m i c a l w a s t e w a t e r , s t a r c h w a s t e w a t e r , s w i n e m a n u r e s l u r r y , m a n u r e w a s t e , l a n d f i l l l e a c h a t e , m e a t p a c k i n g w a s t e w a t e r , p a l m o i l m i l l e f f l u e n t , p a p e r m i l l e f f l u e n t a n d f o r d e n i t r i f i c a t i o n o f d o m e s t i c w a s t e w a t e r ( B e h e r a e t a l . , 2 0 1 0 ) . M F C s w e r e f i r s t u s e d t o p r o d u c e p o w e r f r o m t h e e l e c t r i c a l c u r r e n t g e n e r a t e d b y b a c t e r i a , b u t t h e r e h a s b e e n a n e v o l u t i o n i n t h e s e s y s t e m s r e s u l t i n g i n a p p l i c a t i o n s s u c h a s w a s t e w a t e r t r e a t m e n t , b i o s e n s o r s f o r o n - l i n e m o n i t o r i n g o f o r g a n i c m a t t e r a n d s e c o n d a r y f u e l p r o d u c t i o n s u c h a s h y d r o g e n g a s ( D a s a n d M a n g w a n i , 2 0 1 0 ) . V e r y l e s s s t u d y h a s b e e n d o n e o n C O D r e m o v a l o f d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r u s i n g d o u b l e c h a m b e r e d M F C . I n t h e p r e s e n t s t u d y d o u b l e c h a m b e r e d M F C w a s c o n s t r u c t e d f o r t h e g e n e r a t i o n o f e l e c t r i c i t y a n d C O D r e m o v a l o f v a r i e d f e e d c o n c e n t r a t i o n s o f d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r u s i n g t h e m i x e d c o n s o r t i a p r e s e n t i n d o m e s t i c s e w a g e . M A T E R I A L S A N D M E T H O D S M F C R e a c t o r S e t u p D o u b l e c h a m b e r e d M F C w a s c o n s t r u c t e d u s i n g n o n - r e a c t i v e p l a s t i c c o n t a i n e r s w i t h d i m e n s i o n s o f 8 x 8 x 1 2 i n c h e s . O n e p l a s t i c c o n t a i n e r w a s u s e d a s a n o d e c h a m b e r ( t o b e f e d w i t h w a s t e w a t e r ) a n d t h e o t h e r a s c a t h o d e c h a m b e r a s s h o w n i n F i g 1 . T h e w a s t e w a t e r w a s f e d t o t h e a n o d e c h a m b e r a n d P o t a s s i u m p e r m a n g a n a t e ( c a t h o l y t e ) w a s f e d t o t h e c a t h o d e c h a m b e r ( L e f e b v r e e t a l . , 2 0 0 8 ; B e h e r a e t a l . , 2 0 1 0 ) . T h e a g a r s a l t b r i d g e w a s u s e d a s t h e p r o t o n e x c h a n g e m e d i u m ( M o m o h a n d N a e y o r . , 2 0 1 0 ) . H e n c e t h e c a t h o d e a n d a n o d e c h a m b e r w a s c o n n e c t e d u s i n g a g a r s a l t b r i d g e . T h e l e n g t h a n d d i a m e t e r o f a g a r s a l t b r i d g e w a s 5 i n c h e s a n d 1 . 5 i n c h e s r e s p e c t i v e l y . T h e e l e c t r o d e s w e r e p l a c e d i n t h e c h a m b e r s , t h e n w e r e s e a l e d a n d m a d e a i r t i g h t . T h e e l e c t r o d e s w e r e c o n n e c t e d b y u s i n g c o p p e r w i r e a s r e p o r t e d b y L o g a n ( 2 0 0 5 ) . G r a p h i t e r o d s f r o m p e n c i l s w e r e u s e d a s b o t h a n o d e a n d c a t h o d e ( L o g a n a n d R e g a n , 2 0 0 6 ; L o g a n e t a l . , 2 0 0 7 ) . T h e a r r a n g e m e n t o f t h e g r a p h i t e r o d s w a s m a d e i n s u c h a w a y , s o a s t o p r o v i d e t h e m a x i m u m s u r f a c e a r e a f o r t h e d e v e l o p m e n t o f b i o f i l m o n a n o d e . T h e l e n g t h a n d 4 2 0 J o u r n a l o f R e s e a r c h i n B i o l o g y ( 2 0 1 1 ) 6 : 4 1 9 - 4 2 3 A n u p a m a e t a l . , 2 0 1 1 F i g 1 : D o u b l e c h a m b e r e d M F C .

d i a m e t e r o f t h e g r a p h i t e r o d s w e r e 9 0 m m a n d 2 m m r e s p e c t i v e l y . P r e - t r e a t m e n t w a s n o t p r o v i d e d f o r t h e e l e c t r o d e m a t e r i a l s . D i s t i l l e r y W a s t e w a t e r a n d M i c r o b i a l I n o c u l u m T h e d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r w a s u s e d a s a s u b s t r a t e a s w e l l a s s o u r c e o f i n o c u l u m . N o o t h e r n u t r i e n t s w e r e g i v e n f o r m i c r o - o r g a n i s m s e x c e p t t h e n u t r i e n t s p r e s e n t i n t h e d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r . E x p e r i m e n t a l C o n d i t i o n s T h e a n o d e c h a m b e r w a s f i l l e d w i t h d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r s o t h a t m i c r o - o r g a n i s m s i n t h e w a s t e w a t e r c o u l d c o l o n i z e t h e e l e c t r o d e s a n d p r o d u c e e l e c t r i c i t y . T h e s a m p l e s w e r e d r a w n f r o m t h e a n o d e c h a m b e r p e r i o d i c a l l y a n d a n a l y s e d . T h e a m b i e n t r o o m t e m p e r a t u r e d u r i n g m o s t o f t h e p e r i o d o f s t u d y v a r i e d b e t w e e n 2 7 o C a n d 3 2 o C . W h e n t h e r e a c t o r r e a c h e d s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s , t h e r e a c t o r w a s l o a d e d w i t h d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r o f h i g h e r c o n c e n t r a t i o n . A n a l y s e s T h e v o l t a g e ( V ) a n d C u r r e n t ( I ) i n t h e M F C c i r c u i t w a s m o n i t o r e d a t 2 4 h o u r i n t e r v a l s u s i n g a m u l t i m e t e r ( U N I - T ® , M o d e l N u m b e r - D T 8 3 0 D ) ( K i m e t a l . , 2 0 0 5 ) . A n a l y s i s o f C O D w a s p e r f o r m e d a s p r e s c r i b e d i n S t a n d a r d M e t h o d s ( 1 9 9 5 ) . R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S C O D R e m o v a l E f f i c i e n c y D i s t i l l e r y w a s t e w a t e r s h o w e d i t s p o t e n t i a l f o r C O D r e m o v a l i n d i c a t i n g t h e f u n c t i o n o f m i c r o b e s , p r e s e n t i n w a s t e w a t e r s i n m e t a b o l i z i n g t h e c a r b o n s o u r c e a s e l e c t r o n d o n o r s . I t i s e v i d e n t f r o m e x p e r i m e n t a l d a t a t h a t c u r r e n t g e n e r a t i o n a n d C O D r e m o v a l s h o w e d r e l a t i v e c o m p a t i b i l i t y . C O D r e m o v a l e f f i c i e n c y i n c r e a s e d f r o m 4 5 . 4 % t o 6 4 % a s t h e f e e d c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d f r o m 1 1 0 0 m g C O D / L t o 6 1 0 0 m g C O D / L r e s p e c t i v e l y a s s h o w n i n F i g 2 . T h e i n c r e a s e i n f e e d c o n c e n t r a t i o n f r o m 6 1 0 0 m g C O D / L t o 9 1 0 0 m g C O D / L s l o w l y r e d u c e d t h e C O D r e m o v a l e f f i c i e n c y f r o m 6 4 % t o 3 8 . 6 % . T h e m i c r o o r g a n i s m s s t a r t e d t o b e c o m e i n a c t i v e o r r a t h e r t h e y w e n t i n t o d e c l i n e p h a s e b e c a u s e o f h i g h e r f e e d c o n c e n t r a t i o n o f 1 0 1 0 0 m g C O D / L . T h e f i n d i n g s o f t h i s s t u d y a r e n e a r e r t o F e n g e t a l . , ( 2 0 0 8 ) w h o c o n d u c t e d t h e s t u d i e s o n b r e w e r y w a s t e w a t e r t r e a t m e n t u s i n g a i r - c a t h o d e M F C . L i u e t a l . , ( 2 0 0 4 ) c o n d u c t e d t h e s t u d i e s o n d o m e s t i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t u s i n g s i n g l e c h a m b e r M F C a n d o b s e r v e d 5 0 % t o 7 0 % C O D r e m o v a l e f f i c i e n c y . M a t h u r i y a a n d S h a r m a ( 2 0 1 0 ) o b t a i n e d 8 5 . 8 % C O D r e m o v a l e f f i c i e n c y a t p H 7 w h e n t h e y u t i l i z e d p l a i n d i l u t e d b e e r b r e w e r y w a s t e w a t e r . T h e y a d d e d 1 0 % g l u c o s e a n d s u c r o s e s o l u t i o n t o t h e d i l u t e d b e e r b r e w e r y w a s t e w a t e r , a n d o b t a i n e d t h e h i g h e s t C O D r e m o v a l e f f i c i e n c i e s o f 9 3 . 8 a n d 9 1 . 9 2 % r e s p e c t i v e l y . M o h a n a k r i s h n a e t a l . , ( 2 0 0 9 ) h a v e r e p o r t e d 7 2 . 8 4 % C O D r e m o v a l e f f i c i e n c y w h i l e t r e a t i n g d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r u s i n g c o n t i n u o u s f l o w s i n g l e c h a m b e r a i r - c a t h o d e M F C . C u r r e n t G e n e r a t i o n a n d P o w e r D e n s i t y T h e a v e r a g e v a l u e s o f c u r r e n t a n d p o w e r d e n s i t y f o r e a c h f e e d c o n c e n t r a t i o n i n M F C i s a s g i v e n i n t h e F i g 3 a n d 4 . T h e c u r r e n t a n d p o w e r d e n s i t y s h o w e d a g r a d u a l i n c r e a s e w i t h r e s p e c t t o t h e i n c r e a s e i n f e e d c o n c e n t r a t i o n u n t i l 6 1 0 0 m g C O D / L a n d l a t e r s h o w e d a g r a d u a l d e c r e a s e i n b o t h c u r r e n t a n d p o w e r d e n s i t y . T h e h i g h e s t a v e r a g e v a l u e o f c u r r e n t o b t a i n e d w a s 0 . 2 7 m A a t 6 1 0 0 m g C O D / L f e e d c o n c e n t r a t i o n . S i m i l a r l y t h e h i g h e s t p o w e r d e n s i t y v a l u e o b t a i n e d w a s 1 8 . 3 5 m W / m 2 a t 6 1 0 0 m g C O D / L f e e d c o n c e n t r a t i o n . M o h a n a k r i s h n a e t a l . , ( 2 0 0 9 ) r e p o r t e d t h e m a x i m u m c u r r e n t g e n e r a t i o n o f 2 . 1 4 m A a t 3 6 0 0 m g C O D / L i n s i n g l e c h a m b e r a i r c a t h o d e M F C J o u r n a l o f R e s e a r c h i n B i o l o g y ( 2 0 1 1 ) 6 : 4 1 9 - 4 2 3 4 2 1 A n u p a m a e t a l . , 2 0 1 1 C h a r a c t e r i s t i c s A v e r a g e V a l u e p H C o l o u r B O D 3 ( m g / L ) C O D ( m g / L ) T o t a l S o l i d s ( m g / L ) D i s s o l v e d S o l i d s ( m g / L ) C h l o r i d e s ( m g / L ) C o n d u c t i v i t y ( m S / c m ) 3 . 9 9 D a r k B r o w n 3 6 6 6 6 8 9 8 3 3 7 4 0 3 3 5 9 7 3 3 6 9 3 3 2 0 . 2 T a b l e 1 : C h a r a c t e r i s t i c s o f d i s t i l l e r y w a s t e w a t e r