To understand the effects of acclimation schemes on the formation of anode biofilms, different electrical performances are characterized in this study, with the roles of suspended and attached bacteria in single-chamber microbial fuel cells (MFCs). The results show that the generation of current in single-chamber MFCs is significantly affected by the development of a biofilm matrix on the anode surface containing abundant immobilized microorganisms. The long-term operation with suspended microorganisms was demonstrated to form a dense biofilm matrix that was able to reduce the activation loss in MFCs. Also, a Pt-coated anode was not favorable for the initial or long-term bacterial attachment due to its high hydrophobicity (contact angle = $124^{\circ}$), which promotes easy detachment of the biofilm from the anode surface. Maximum power ($655.0\;mW/m^2$) was obtained at a current density of $3,358.8\;mA/m^2$ in the MFCs with longer acclimation periods. It was found that a dense biofilm was able to enhance the charge transfer rates due to the complex development of a biofilm matrix anchoring the electrochemically active microorganisms together on the anode surface. Among the major components of the extracellular polymeric substance, carbohydrates ($85.7\;mg/m^2_{anode}$) and proteins ($81.0\;mg/m^2_{anode}$) in the dense anode biofilm accounted for 17 and 19%, respectively, which are greater than those in the sparse anode biofilm.
Kim, Eung-Ho;Cho, Yeon-Je;Park, Seong-Joo;Shin, Kwang-Soo;Yim, Soo-Bin;Park, Hyun-Ju
Journal of Korean Society on Water Environment
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v.21
no.1
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pp.73-78
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2005
This study was performed to examine the disinfection capability of a Rotating Activated Bacillus Contactor (RABC) system, in which the predominant species, Bacillus sp. was expected to have a removal or inactivation effect of total coliforms. In a settling test with mixtures of E. coli and Bacillus sp., a high removal of E. coli was observed at $20{\sim}40^{\circ}C$, while insignificant removal at $10^{\circ}C$. In a batch test, a 4.5% addition of Bacillus sp. to activated sludge considerably enhanced the removal effect of total coliforms, indicating Bacillus sp. played an important role in improving the settlability of the sludge and coliforms. In a pilot scale RABC system, the concentration of total colifroms reduced remarkably in the settling tank, suggesting that total coliforms in the RABC process were eliminated through coagulation and precipitation, probably due to extracellular polymeric substance (EPS) of Bacillus sp. The fraction of Bacillus sp. in the total cell count in the RABC process was in the range of 4.5%~6.3%. The majority (75%) of the Bacillus sp. in the RABC process was Bacillus subtilis which is known to enhance coagulation and precipitation by producing EPS. Hence, an adoption of a RABC process might be able to eliminate the disinfection unit process from a wastewater treatment system.
The objective of this study was to assess the biofouling characteristics of the Bacillus biofilm formed on reverse osmosis (RO) membranes. For the study, a sporogenic Bacillus sp. was isolated from the seawater intake to a RO process, with two distinct sets of experiments performed to grow the Bacillus biofilm on the RO membrane using a lab-scale crossflow membrane test unit. Two operational feds were used, 9 L sterile-filtered seawater and 109 Bacillus cells, with flow rates of 1 L/min, and a constant 800 psi-pressure and pH 7.6. From the results, the membrane with more fouling, in which the observed permeate flux decreased to 33% of its initial value, showed about 10 and 100 times greater extracellular polymeric substances and spoOA genes expressions, respectively, than the those of the less fouled membrane (flux declined to 20% of its initial value). Interestingly; however, the number of culturable Bacillus sp. in the more fouled membrane was about 10 times less than that of the less fouled membrane. This indicated that while the number of Bacillus had less relevance with respect to the extent of biofouling, the activation of the genes of interest, which is initiative of biofilm development, had a more positive effect on biofouling than the mass of an individual Bacillus bacterium.
Organic fouling observed in submerged membrane filtration as a pretreatment for seawater desalination increases energy consumption for membrane operation because of requiring frequent chemical cleaning and membrane replacement. In membrane pretreatment for seawater facing with algae blooms, membrane fouling was observed in submerged microfiltration using sodium alginate model compound which is one of the main components of extracellular polymeric substances. Without aeration, aglinate fouling increased with its concentration while aeration reduced the alginate fouling effectively regardless of its concentration tested. In the absence of aeration, alingate fouling tended to be decreased with increasing calcium concentration. However, this effectiveness was reduced by increasing sodium chloride concentration. At high concentration of sodium chloride and calcium similar to the seawater conditions, aeration reduced initial fouling. However, as time progressed, the effect of increased airflow rate on fouling reduction was not significant, implying that optimum airflow rate to control alginate fouling in submerged microfiltration can exist.
Biofilms are aggregates of microorganisms present in a self-produced matrix of extracellular polymeric substance (EPS) adhered to a surface. Formation of a biofilm in the environment on farms and in dairy plants comprises several stages: attachment, growth (development), and detachment. Generally, biofilms are harmful to humans and need to be controlled. Stainless steel (SS) surfaces that are untreated or are scratched comprise substrata that are especially vulnerable to biofilm formation; therefore, SS surfaces should be polished and sanitized. Various approaches are available for the destruction of biofilms; cleaning-in-place (CIP) is the method mainly used in dairy plants. Further study on optimum detergents, cleaning conditions, and methods for this purpose is needed.
The aim of this study is to investigate the membrane fouling in a thermophilic membrane bioreactor (TMBR) operated different sludge retention times (SRTs). For this purpose, TMBR was operated at four different SRTs (10, 30, 60 and 100 days). Specific cake resistance (${\alpha}$), cake resistance, gel resistance, total resistance, MFI (modified fouling index) and FDR (flux decrease ratio) were calculated for all SRTs. It was observed that flux in the membrane increases with rising SRT although the sludge concentrations in the TMBR increased. The steady state flux was found to be 31.78; 34.70; 39.60 and 43.70 LMH ($Liter/m^2/h$) for the SRTs of 10, 30, 60 and 100 days respectively. The concentrations of extracellular polymeric substance (EPS) and soluble microbial product (SMP) decreased with increasing SRT. The membrane fouling rate was higher at shorter SRT and the highest fouling rate appeared at an SRT of 10 d. Both the sludge cake layer and gel layer had contribution to the fouling resistance, but the gel layer resistance value was dominant in all SRTs.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.32
no.3
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pp.248-255
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2010
This study was carried out to assess the feasibility of the electron beam irradiation as a mean of red tide control in coastal water. Prorocentrum minimum, Prorocentrum micans, Cochlodinium polykrikoides, Heterosigma akashiwo, Alexnadrium catenella were selected and cultured for experiments, and red tide occurring in Tongyeong(2007. 8. 15) was also tested under the same conditions. The irradiation dose were 1 kGy, 2 kGy, 4 kGy and 8 kGy. The result showed 50~65% extinction in red tide cells was observed right after irradiation dose of 1 kGy and 86~97% within 1 day after irradiation, compared with control. Chlorophyll-a concentration of red tide was reduced by 50~64% immediately and it was drastically reduced up to 86~97% 1 day after irradiation. When the culture was irradiated at 1 kGy, 28~47% of s-protein was released immediately, and 77~138% was released 1day after irradiation. 77~212% of s-carbohydrate was excreted after 1 day while 16~45% of s-carbohydrate was excreted immediately. A transmission electron microscope(TEM) observation for the irradiated red tide revealed that the cell was destroyed and intracellular biopolymeric substance was leached out from the damaged cell as a result of electron beam irradiation. These results imply that electron beam irradiation is enable to control red tide by flocculation with extracellular biopolymer. The paralytic shellfish poisoning(PSP) toxin contents produced by Alexandrium catenella was decreased 48% by 1 kGy of electron beam irradiation compared with the unirradiated cells. As a result, electron beam irradiation was effective for detoxication as well as destruction of red tide.
This study reports a cyanide resistant and/or tolerant fungus, isolated from the rhizosphere of Zea mays contaminated with cyanide-based pesticides. The isolate was characterised using molecular biology. The effect of free cyanide and heavy metals on the growth of isolate in a synthetic gold mine wastewater was examined. The molecular analyses identified the isolate as Fusarium oxysporum EKT01/02 (KU985430/KU985431). The isolate had a free cyanide degradation efficiency of 77.6%. The results indicated greater growth impairment in culture containing Arsenic (optical density 1.28 and 1.458) and cyanide (optical density 1.315 and 1.385). Higher growth was observed in all cultures supplemented with extracellular polymeric substance. This study showed that the isolate possesses wide substrate utilisation mechanism that could be deployed in environmental engineering applications.
In this study, the performance and antifouling properties of polysulfone (PSf) and polyvinylidene fluoride/polyvinylpyrrolidone (PVDF/PVP) membranes in a membrane bioreactor (MBR) were investigated. The membranes were prepared via phase inversion method, and then characterized by a set of analyses including contact angle, porosity and water flux and applied in a lab-scale MBR system. Soluble microbial product (SMP), extracellular polymeric substance (EPS), FTIR, gel permission chromatography (GPC) and particle size distribution (PSD) analyses were also carried out for MBR system. The results showed that the MBR with PSf membrane had higher hydrophobic organic compounds which resulted in formation of larger flocs in MBR. However, in this MBR had high compressibility coefficient of cake layer was higher (n=0.91) compared to MBR with PVDF/PVP membrane (n=0.8); hence, the fouling was more profound. GPC analysis revealed that compounds with molecular weight lower than 2 kDa are more formed on PSf membrane more than PVDF/PVP membrane. The results of FTIR analysis confirmed the presence of polysaccharide and protein compounds on the cake layer of both membranes which was in good agreement with EPS analysis. In addition, the results showed that their concentration was higher for the cake on PSf membrane.
Membrane biofouling impedes wide application of membrane bioreactor (MBR) for wastewater treatment. Recently, quorum sensing (QS) mechanisms are accounted for one of major mechanisms in biofouling of MBRs. In this study, vanillin was applied to investigate reduction of biofouling in MBRs. MBR sludge was analyzed to contain QS signal molecules by cross-feeding biosensor assay and HPLC. In addition, the inhibitory activity of vanillin against bacterial quorum sensing was verified using an indicator strain CV026. The vanillin doses greater than 125 mg/L to 100 mL of MBR sludge showed 25% reduction of biofilm formed on the membrane surfaces. Two MBRs, i.e., a typical MBR as a control and an MBR with vanillin, were operated. The TMP increases of the control MBR were more rapid compared to those of the MBR with the vanillin dose of 250 mg/L. The treatment efficiencies of the two MBRs on organic removal and MLSS were maintained relatively constant. Extracellular polymeric substance concentrations measured at the end of the MBR operation were 173 mg/g biocake for the control MBR and 119 mg/g biocake for the MBR with vanillin. Vanillin shows great potential as an anti-biofouling agent for MBRs without any interference on microbial activity for wastewater treatment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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