Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không dùng màng so với hệ pin nhiên liệu vi sinh vật dùng màng

Chia sẻ: | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

59
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn xây dựng và đánh giá hiệu quả của hệ MFC không dùng màng (membrane less MFC) so sánh với hệ MFC dùng màng dựa vào khả năng sản sinh năng lượng, đồng thời với loại bỏ chất hữu cơ, nitơ và photpho. Mời các bạn cùng tham khảo luận văn để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không dùng màng so với hệ pin nhiên liệu vi sinh vật dùng màng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH ****************************** NGUYỄN ANH ĐÀO ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT KHÔNG DÙNG MÀNG SO VỚI HỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT DÙNG MÀNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 08/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH ****************************** NGUYỄN ANH ĐÀO ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT KHÔNG DÙNG MÀNG SO VỚI HỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT DÙNG MÀNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60.52.03.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hướng dẫn Khoa học: PGS.TS. PHẠM THỊ HOA Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 08/2020
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT KHÔNG DÙNG MÀNG SO VỚI HỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT DÙNG MÀNG NGUYỄN ANH ĐÀO Hội đồng chấm luận văn: 1. Chủ tịch: ...................................................................................... ...................................................................................... 2. Thư ký: ...................................................................................... ...................................................................................... 3. Phản biện 1: ...................................................................................... ...................................................................................... 4. Phản biện 2: ...................................................................................... ...................................................................................... 5. Ủy viên: ...................................................................................... ...................................................................................... i
LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên là Nguyễn Anh Đào, sinh ngày 19 tháng 02 năm 1994 tại Thành phố Tân An, tỉnh Long An. Tốt nghiệp THPT tại Trường trung học phổ thông Tân An, tỉnh Long An năm 2012. Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ sinh học hệ chính quy tại Đại học Quốc Tế, Đại học Quốc gia TP.HCM. Quá trình công tác: - 10/2016- 04/2017: Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm tại Công ty TNHH Bureau Veritas CPS Việt Nam - 05/2017- 07/2018: Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm tại Công ty TNHH Fiti Testing & Research Institute Việt Nam - 09/2018- 07/2019: Sinh viên trao đổi ERASMUS tại Đại học Trier, Đức Tháng 05 năm 2017 theo học Cao học ngành Kỹ thuật môi trường tại trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh. Địa chỉ liên lạc: 68/60 Hùng Vương, Phường 2, TP. Tân An, tỉnh Long An. Điện thoại: 0912 380 708 Email: nguyenanhdao.mary@gmail.com ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thủ Đức, ngày 17 tháng 08 năm 2020 Học viên Nguyễn Anh Đào iii
LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô Khoa Môi Trường và Tài nguyên – Trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những tri thức quý báu giúp tôi hoàn thành chương trình học của mình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Phạm Thị Hoa, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến cán bộ Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học, Trường Đại học Quốc tế (ĐHQG TP.HCM), các bạn cùng lớp Cao học Kỹ thuật môi trường K2017 (Đại học Nông Lâm TP.HCM), các bạn sinh viên ngành Kỹ thuật môi trường (ĐH Nông Lâm TP.HCM) và các bạn sinh viên Bộ môn Công nghệ sinh học (Đại học Quốc Tế, ĐHQG TP.HCM) đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện thí nghiệm. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu vừa qua. NGUYỄN ANH ĐÀO iv
TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không dùng màng so với hệ pin nhiên liệu vi sinh vật dùng màng” được tiến hành tại Trường Đại học Quốc Tế, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 10/2019 đến tháng 08/2020. Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng và đánh giá hiệu quả của hệ MFC không màng so với hệ MFC có màng dựa vào khả năng sản sinh năng lượng, đồng thời với loại bỏ chất hữu cơ, nitơ và photpho. Cả hai mô hình MFCs được chế tạo bằng ống acrylic trong suốt có đường kính 100 mm, dài 1000 mm. Các mô hình thí nghiệm được bố trí vận hành song song với nguồn nước thải nhân tạo. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Hiệu điện thế hở mạch của mô hình MFC có màng dao động trong khoảng 17,8 – 721 mV, còn đối với mô hình MFC không màng dao động trong khoảng 6,8 – 697 mV, giá trị OCV của mô hình MFC có màng ổn định hơn so với MFC không màng. Hiệu quả xử lý COD của mô hình MFC có màng qua các tải trọng hữu cơ khác nhau đạt 63,2 ± 21,5%; đối với MFC không màng đạt 67,1 ± 10,9%, hiệu xuất xử lý COD ở mô hình MFC không màng ổn định hơn MFC có màng. Hiệu quả loại bỏ NH4+-N của mô hình MFC có màng đạt trung bình 46,3 ± 0,1%; đối với mô hình MFC không màng đạt trung bình 33,3 ± 1,8%, hiệu quả xử lý NH4+-N của MFC có màng cao hơn MFC không màng. Hiệu quả xử lý TP của mô hình MFC có màng đạt trung bình 87,8 ± 0,3%; đối với mô hình MFC không màng đạt trung bình 93,5 ± 0,3%, hiệu quả xử lý TP của MFC không màng cao hơn MFC có màng. Tải trọng hữu cơ có ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của MFC nhưng đối với mức tải trọng cao thì khả năng loại bỏ COD giảm dần, mặc dù không ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng tạo ra. Bên cạnh đó, khi đánh giá sự hình thành và phát triển của vi sinh vật trong 2 hệ MFC thì đã xác định được chi Rhodopseudomonas chiếm ưu thế trong quần xã của các MFC. Nhìn chung, qua các giai đoạn thí nghiệm, mô hình đã đạt được những mục tiêu nghiên cứu đề ra. v
ABSTRACT The research "Evaluate the wastewater treatment efficiency of membraneless microbial fuel cells compared to membrane microbial fuel cells " was conducted at International University, National University- Ho Chi Minh City, from October 2019 to August 2020. The ojectives of the study are to construct and evaluate the efficiency of a membrane less MFC system compared to a membrane MFC system based on its ability to produce energy, while removing organic matter, nitrogen and phosphorus. Both of MFCs are made of acrylic in cylinder-shape with a diameter of 100 mm and a length of 1000 mm. Experiments are arranged to operate in parallel with using an artificial wastewater containing. The study results show that: The open-circuit voltage (OCV) effect of membrane MFC ranges from 17.8 to 721 mV, while for membraneless MFC ranges from 6.8 to 697 mV, the OCV value of the membrane MFC is more stable than the membraneless MFC. COD treatment efficiency of membrane MFC model through different organic loading rate reached 63.2 ± 21.5%; for membraneless MFC is 67.1 ± 10.9%, COD treatment efficiency in membraneless MFC is more stable than membrane MFC. The removal efficiency of NH4+-N of the membrane MFC reached 46.3 ± 0.1%; for the membraneless MFC is 33.3 ± 1.8%, the NH4+-N treatment efficiency of the membrane MFC was higher than the membraneless MFC. The TP treatment efficiency of membrane MFC achieved 87.8 ± 0.3%; for the membraneless MFC is 93.5 ± 0.3%, the TP treatment efficiency of the membraneless MFC was higher than that of the membrane MFC. Organic loading rates have an effect on MFC's performance but under high loads the COD removal capacity decreases, although it does not affect the energy efficiency generated. In addition, when assessing the formation and development of microorganisms in the two MFC systems, the dominant genus Rhodopseudomonas was identified in the population of MFCs. In general, this study is achieved the research objectives. vi
MỤC LỤC TRANG Trang tựa Trang chuẩn y ............................................................................................................ i Lý lịch cá nhân ......................................................................................................... ii Lời cam đoan ........................................................................................................... iii Lời cảm ơn .............................................................................................................. iv Tóm tắt ......................................................................................................................v Abstract ................................................................................................................... vi Mục lục ................................................................................................................... vii Danh mục từ viết tắt ................................................................................................ ix Danh mục hình ảnh ...................................................................................................x Danh mục bảng ...................................................................................................... xii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................1 Chương 1 TỔNG QUAN ........................................................................................4 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT (MFC) ........................................................................................................................4 1.1.1. Sơ lược lịch sử hình thành và phát triển công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) .......................................................................................................4 1.1.2. Một số nghiên cứu điển hình về công nghệ MFC ...........................................5 1.1.3. Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của MFC ..........................................7 1.1.4. Các dạng thiết kế MFC ...................................................................................8 1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ VI SINH VẬT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA MFC ..................................................................11 1.2.1. Vi sinh vật trong hệ MFC..............................................................................11 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của MFC ............................................13 Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................16 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................16 2.1.1. Nội dung 1: Thiết kế, lắp đặt mô hình và vận hành thích nghi .....................16 vii
2.1.2. Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả của mô hình MFC và khả năng xử lý nước thải nhân tạo .................................................................................................19 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................................................20 2.2.1. Phương pháp tổng quan tài liệu.....................................................................20 2.2.2. Phương pháp phân tích ..................................................................................21 2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu .............................................................................23 2.2.4. Giới hạn của đề tài ........................................................................................23 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................24 3.1. HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH MFC DÙNG MÀNG VÀ MFC KHÔNG DÙNG MÀNG ..............................................................................24 3.1.1. Sự thay đổi pH...............................................................................................24 3.1.2. Cường độ dòng điện ......................................................................................27 3.1.3. Hiệu điện thế hở mạch (OCV) ......................................................................29 3.1.4. Mật độ công suất ...........................................................................................32 3.1.5. Hiệu quả loại bỏ COD ...................................................................................33 3.1.6. Hiệu quả loại bỏ Ammonium ........................................................................36 3.1.7. Hiệu quả loại bỏ TP.......................................................................................38 3.2. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VI SINH VẬT ..................................42 3.2.1. Màng sinh học hình thành trên bề mặt điện cực anode .................................42 3.2.2. Cộng đồng vi khuẩn hình thành trên bề mặt điện cực anode ........................43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................48 PHỤ LỤC ...............................................................................................................56 viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AEM (Anion Exchange Membrane) Màng trao đổi anion CEM (Cation Exchange Membrane) Màng trao đổi cation HRT (Hydraulic retention time) Thời gian lưu nước MFC (Microbial Fuel Cell) Pin nhiên liệu vi sinh vật NGS (Next Generation Sequencing) Giải trình tự thế hệ mới OLR (Organic Loading Rate) Tải trọng hữu cơ PEM (Proton Exchange Membrane) Màng trao đổi proton SEM (Scanning Electron Microscope) Kính hiển vi điện tử quét ix
DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 1.1. Cấu tạo cơ bản hệ MFC ..............................................................................7 Hình 1.2. Các kiểu hình dạng MFC hai ngăn khác nhau...........................................9 Hình 1.3. MFC dạng một ngăn với air-cathode........................................................10 Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo cơ bản của MFC dạng dòng chảy ngược. ..........................11 Hình 1.5. Các loại vật liệu dùng làm điện cực trong MFC ......................................14 Hình 2.1. Mô hình MFC có màng CEM (A) và MFC không màng CEM (B) .........16 Hình 2.2. Điện cực MFC ..........................................................................................17 Hình 2.3. Màng trao đổi proton được dùng trong mô hình MFC .............................17 Hình 2.4. Bông sợi thủy tinh (A) và hạt thủy tinh (B) .............................................18 Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .............................................................................19 Hình 2.6. Quy trình NGS ..........................................................................................23 Hình 3.1. Sự thay đổi pH của MFC có màng ...........................................................25 Hình 3.2. Sự thay đổi pH của MFC không màng .....................................................26 Hình 3.3. Cường độ dòng điện của mô hình MFC có màng ....................................28 Hình 3.4. Màng trao đổi cation (CEM): A – MFC có màng 1; B – MFC có màng 2 ...................................................................................................................................28 Hình 3.5. Cường độ dòng điện của mô hình MFC không màng ..............................29 Hình 3.6. Hiệu điện thế hở mạch của MFC có màng ...............................................30 Hình 3.7. Hiệu điện thế hở mạch của MFC không màng .........................................31 Hình 3.8. Hiệu quả loại bỏ COD: a) MFC có màng 1 và b) MFC có màng 2 .........34 Hình 3.9. Hiệu quả loại bỏ COD: a) MFC không màng 1 và b) MFC không màng 2 ...................................................................................................................................35 Hình 3.10. Hiệu quả loại bỏ Ammonium của mô hình MFC có màng: a) MFC có màng 1 và b) MFC có màng 2 ...................................................................................37 Hình 3.11. Hiệu quả xử lý Ammonium của mô hình MFC không màng: ...............38 Hình 3.12. Hiệu quả loại bỏ TP của mô hình MFC có màng: a) MFC có màng 1 và b) MFC có màng 2 ....................................................................................................39 x
Hình 3.13. Hiệu quả loại bỏ TP của mô hình MFC không màng: a) MFC không màng 1 và b) MFC không màng 2 ......................................................................................41 Hình 3.14. Ảnh chụp SEM bề mặt vải carbon điện cực anode: (A) và (B) bề mặt vải carbon ban đầu; (C) bề mặt vải carbon MFC có màng 2; (D) bề mặt vải carbon MFC không màng 1. ...........................................................................................................42 Hình 3.15. Thành phần (%) vi sinh vật thuộc các Ngành xuất hiện trên bề mặt điện cực anode của mô hình MFC ....................................................................................43 Hình 3.16. Thành phần (%) vi sinh vật thuộc các Chi phổ biến trên bề mặt điện cực anode của mô hình MFC ...........................................................................................44 xi
DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1. Các chủng vi sinh vật được ứng dụng trong MFC ...................................12 Bảng 2.1. Đặc tính nước thải nhân tạo sử dụng cho nghiên cứu ..............................19 Bảng 2.2. Điều kiện và chế độ vận hành của mô hình MFC ....................................20 Bảng 3.1. Mật độ công suất của mô hình MFC có màng .........................................32 Bảng 3.2. Mật độ công suất của mô hình MFC không màng ...................................33 xii
MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói riêng đang ngày càng được quan tâm. Nước là môi trường rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiều tác nhân gây ô nhiễm từ nhiều nguồn khác nhau (Hu và ctv, 2015). Do đó, việc xử lý nước thải được chú trọng đặc biệt trước khi tái sử dụng cho các ngành công nghiệp, nông nghiệp và nước uống. Tuy nhiên, sự hiện diện của các thành phần ô nhiễm hữu cơ, các kim loại nặng có trong nước thải nếu chưa được loại bỏ sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước sau xử lý. Vì vậy, xử lý nước thải theo hướng bền vững cần có sự hiểu biết về quá trình xử lý và yêu cầu chất lượng nước cho các mục đích tái sử dụng khác nhau. Hiện tại, quá trình xử lý sinh học sử dụng bùn hoạt tính được công nhận là phương án xử lý nước thải thông thường nhất vì nó cho thấy hiệu quả xử lý đáng kể mặc dù chi phí đầu tư và vận hành vẫn còn cao (Sustarsic, 2009). Tuy nhiên, các phương pháp khác như hóa lý, màng lọc cũng được chứng minh hiệu quả cho xử lý nước thải (Rajasulochana và Preethy, 2016). Xem xét thêm một số ưu và nhược điểm, mỗi phương pháp đều có những hạn chế liên quan đến tính bền vững môi trường. Các quá trình hóa lý như hấp phụ và keo tụ tạo ra rất nhiều bùn được biết đến như một chất gây ô nhiễm thứ cấp. Quá trình trao đổi ion rất tốn kém, trong khi quá trình màng lại xảy ra sự tắc nghẽn của màng. Do đó, trong những năm qua, sự thôi thúc hướng tới việc xử lý nước thải theo hướng phát triển bền vững là một nỗ lực nghiên cứu hàng đầu. Một trong những công nghệ mới và hứa hẹn có thể là công nghệ thay thế tiềm năng trong xử lý nước thải đó là pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC). Công nghệ MFC còn liên quan đến quá trình biến đổi chất thải sinh học thành năng lượng. Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) lần đầu tiên được sử dụng để xử lý nước thải vào năm 1991 (Habermann và Pommer, 1991). Nguồn nước thải có vô số hợp chất hữu cơ có thể cung cấp nhiên liệu cho MFC hoạt động. Một số loại vi khuẩn được sử dụng trong MFC có thể loại bỏ được sulfide theo yêu cầu của xử lý nước thải (Rabaey 1
và ctv, 2006). Trong MFC, vi khuẩn oxy hóa chất nền để tạo ra các điện tử tự do và sinh ra năng lượng. Do đó, ứng dụng MFC trong xử lý nước thải vừa giảm thiểu ô nhiễm vừa tạo năng lượng. Tuy nhiên, nó vẫn còn là khó khăn với chi phí xây dựng và bảo trì cao, cùng với những khó khăn trong việc nâng cấp. Có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hoạt động và hiệu suất của hệ thống MFC. Hiệu quả của MFC theo tỷ lệ chuyển đổi chất nền phụ thuộc vào việc thiết lập màng sinh học, sự tăng trưởng, quá trình đảo trộn và quá trình truyền khối trong hệ phản ứng, động học của quá trình sử dụng chất nền, tăng trưởng sinh khối vi sinh (Rabaey và ctv, 2004), hiệu quả vận chuyển proton của màng trao đổi proton (Jang và ctv, 2004; H. Liu và ctv, 2004). Diện tích bề mặt của điện cực âm và dương cũng ảnh hưởng lớn đến sản lượng điện tạo thành vì khi tăng diện tích bề mặt của cực dương và cực dương thì sẽ tăng diện tích dính bám của vi sinh vật, do đó sẽ tăng năng lượng tạo thành (Rusli và ctv, 2019; Santoro và ctv, 2017). MFC đa ngăn có khả năng xử lý tải lượng chất hữu cơ cao hơn. Khả năng phát điện của một MFC có 2-anode/cathode gấp hai lần so với MFC đơn cực anode-cathode. Hệ 4-anode/cathode MFC phát điện cao gấp 3,5 lần so với MFC đơn cực dương. Điều này cho thấy rõ ràng hiệu quả của các MFC đa cực về khả năng phát điện và xử lý nước thải. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về MFC trên thế giới nhưng ở Việt Nam vẫn còn hạn chế về các nghiên cứu ứng dụng MFC trong xử lý nước thải, đặc biệt là các nghiên cứu về cấu tạo của MFC còn khan hiếm hơn. Nhận thấy tầm quan trọng của việc tìm hiểu, nghiên cứu công nghệ mới đáp ứng yêu xử lý nước thải trong điều kiện thực tế tại Việt Nam, tác giả đã lựa chọn đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không dùng màng so với hệ pin nhiên liệu vi sinh vật dùng màng” để nghiên cứu ảnh hưởng của màng trao đổi proton trong hệ MFC và đề xuất mô hình phù hợp áp dụng vào thực tiễn. Với những ưu điểm của công nghệ MFC chắc chắn có thể giải quyết được vấn đề xử lý nước thải phát sinh, đáp ứng được nhu cầu thực tế và mang tính ứng dụng cao. Đồng thời, công nghệ mới này cũng giúp nâng cao công tác bảo vệ môi trường và giảm thiểu ô nhiễm cho các nguồn tiếp nhận giúp môi trường sống ngày càng tốt hơn. 2
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng và đánh giá hiệu quả của hệ MFC không dùng màng (membrane less MFC) so sánh với hệ MFC dùng màng dựa vào khả năng sản sinh năng lượng, đồng thời với loại bỏ chất hữu cơ, nitơ và photpho. 3. ĐỐI TƯỢNG - PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Hệ MFC dùng màng: Mô hình MFC được thiết kế với 3 phần chính gồm điện cực Anode, Cathode và màng trao đổi proton. Hệ MFC không dùng màng: Mô hình MFC được thiết kế với 2 phần chính gồm điện cực Anode và Cathode, không dùng màng trao đổi proton. 3.2. Địa điểm nghiên cứu Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Quốc Tế (Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh) trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm. 4. Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài đưa ra những kết luận về khả năng ứng dụng công nghệ mới vào việc xử lý các loại nước thải và tạo năng lượng. Áp dụng công nghệ mới dễ dàng chế tạo trong nước và tiết kiệm năng lượng cho quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học. Tính mới của đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải bằng công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) tại Việt Nam chưa có nhiều. Vì vậy, đề tài nghiên cứu công nghệ MFC có màng và không có màng được xem như công nghệ mới tại thời điểm hiện tại. 3
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT (MFC) 1.1.1. Sơ lược lịch sử hình thành và phát triển công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là hệ thống điện hóa sinh học sử dụng vi sinh vật để phân giải chất hữu cơ và tạo ra dòng điện. Nghiên cứu sớm nhất về việc sử dụng vi khuẩn để tạo ra dòng điện được thực hiện bởi Potter vào năm 1911, khi tác giả đã thu được dòng điện phát sinh khi nuôi cấy Escherichia coli và Saccharomyces (Potter, 1911). Bằng sáng chế đầu tiên để mô tả công nghệ tế bào nhiên liệu vi khuẩn được cấp cho John Davis vào năm 1967 (Nevin và Lovley, 2000). Đến đầu những năm 1990, các nghiên cứu về tế bào nhiên liệu và hệ MFC mới bắt đầu được chú ý trong giới khoa học. Những thí nghiệm về MFC tại thời điểm đó đã chỉ ra rằng cần có một chất truyền điện tử để làm trung gian vận chuyển các electron từ bên trong tế bào đến các điện cực. Tuy nhiên, đến năm 1999, một sự đột phá trong nghiên cứu MFC đã cho thấy không cần có chất truyền điện tử trung gian (B.H. Kim và ctv, 1999). Và từ đó đến nay, các nhà khoa học đã biết rằng có thể tạo ra năng lượng điện sinh học từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ. Vào tháng 5 năm 2007, Đại học Queensland của Úc đã hợp tác khoa học và công nghệ với nhà máy Foster để phát triển thí điểm mô hình chuyển đổi nước thải nhà máy bia thành CO2, nước sạch và điện. Trên cơ sở dữ liệu thu được, sau đó họ có thể lắp đặt thành công phiên bản 660 gal cho nhà máy bia, ước tính tạo ra 2 kW năng lượng. Mặc dù năng lượng thu được là nhỏ nhưng việc sản xuất nước sạch là vô cùng quan trọng đối với Úc bởi hạn hán là mối đe dọa thường trực (Biffinger và Ringeisen, 2008; Du và ctv, 2007). MFC được coi là công nghệ bền vững đầy hứa hẹn đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, đặc biệt là sử dụng nước thải như chất nền để tạo ra điện và nước 4
sạch. Vì vậy, MFC có thể cũng có một vị trí trong mô hình năng lượng của tương lai, cũng như trong phản ứng sinh học và sản xuất hóa chất công nghiệp và hydro. 1.1.2. Một số nghiên cứu điển hình về công nghệ MFC Nghiên cứu ở quốc tế Năm 2009, nhóm của Jadhav và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, nội trở, nồng độ chất nền đến hiệu quả hoạt động của MFC (Jadhav và Ghangrekar, 2009). Theo đó, ở khoảng nhiệt độ cao (20-35ºC) thì hiệu quả xử lý COD đạt 90% và cường độ dòng điện chỉ đạt 0,7 mA; ở khoảng nhiệt độ thấp (8-22ºC) thì hiệu quả xử lý COD giảm còn 59% và cường độ dòng điện thì đạt 1,4 mA. Cường độ dòng điện đạt cao nhất khi pH trong khoang anode đạt mức 6.5, chất nền được loại bỏ và cường độ dòng điện tạo ra có mối liên hệ tuyến tính với nhau. Năm 2011, một nghiên cứu về ảnh hưởng của sự tắt nghẽn sinh học (biofouling) đến hiệu quả của màng CEM và hiệu suất của MFC cũng được công bố (M.-J. Choi và ctv, 2011). Theo kết quả nghiên cứu thì quá trình gây bẩn màng bởi lớp màng sinh học (biofilm) dày 15,5 ± 4,6 µm đã làm tăng nhẹ điện trở của màng từ 15,65 Ω cm2 lên 19,1 Ω cm2 và việc làm sạch màng CEM cũng không giúp tăng hiệu suất của MFC bằng cách thay thế màng CEM mới. Năm 2015, nhóm của Kim và cộng sự cũng có công bố về việc kết hợp quá trình phân hủy kỵ khí và MFC để loại bỏ COD cũng như thu hồi ammonia (T. Kim và ctv, 2015). Nghiên cứu được thực hiện với nước thải chăn nuôi heo, hiệu quả loại bỏ COD qua quá trình phân hủy kỵ khí đạt 80,5% và tiếp tục qua MFC thì giảm được 61,1%. Hiệu suất loại bỏ TAN qua quá trình phân hủy kỵ khí chỉ đạt 5,8% nhưng khi tiếp tục qua MFC thì đạt 77,5%. Năm 2017, nhóm của Tamilarasan và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến sản sinh năng lượng của hệ MFC kỵ khí dòng chảy ngược xử lý nước thải sản xuất bông y tế (Tamilarasan và ctv, 2017). Theo đó, ở mức tải trọng hữu cơ 1,9 gCOD/L.d hiệu quả xử lý tCOD và sCOD lần lượt đạt 78,8% và 69%. Mật độ năng lượng đạt được cao nhất là 2,2 W/m3. 5
Năm 2020, nhóm Vijay và cộng sự cũng công bố một nghiên cứu về khả năng ứng dụng công nghệ MFC để loại bỏ đồng thời uranium và nitrate trong khi vẫn tạo ra năng lượng điện (Vijay và ctv, 2020). Kết quả cho thấy tốc độ loại bỏ nitrate đạt 0,13 kgNO3- -N m-3 d-1 và mật độ công suất đạt 2,91 W m-3. Phân tích cộng đồng vi khuẩn bằng 16S rDNA cho kết quả loài Pseudomonas chiếm ưu thế trong biocathode. Nghiên cứu ở Việt Nam Năm 2015, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thu Thủy và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về hoạt động của MFC với cực anode được nuôi tăng sinh vi khuẩn Pseudomonas (Nguyen và ctv, 2015). Trong nghiên cứu đó, nhóm tác giả đã nuôi tăng sinh nhóm khuẩn khử sắt nhằm mục đích phát triển hệ MFC có thể dùng Fe2+ làm chất nhận điện tử và hoạt động ở pH trung tính. Cường độ dòng điện trung bình ổn định đo được 0,6 mA. Năm 2016, nhóm của Trần Nguyễn Hoàng Phương đã có công bố kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các nguồn nuôi cấy đến sự tăng sinh và hiệu quả của nhóm vi khuẩn anode trong cảm biến sinh học MFC (Tran và ctv, 2016). Một số mô hình MFC đã được lắp đặt và vận hành bằng nước thải nhân tạo với sự thay đổi các nguồn vi sinh vật khác nhau từ đất tự nhiên, bùn tự nhiên, bùn hoạt tính, nước thải và hỗn hợp của các nguồn đó. Sau khi nuôi tăng sinh, MFC với nguồn vi sinh vật đất tự nhiên tạo ra dòng điện cao hơn và ổn định hơn (0,53 ± 0,03 mA), so với MFC được nuôi cấy với các nguồn khác. Các kết quả từ điện di gel gradient biến tính (DGGE) cho thấy rằng có những thay đổi đáng kể trong thành phần vi khuẩn. Đặc biệt hơn, loài Pseudomonas sp. được tìm thấy chiếm ưu thế. Như vậy, tính đến thời điểm hiện tại có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới về công nghệ MFC và các nghiên cứu được liệt kê trong luận văn này là một trong số các nghiên cứu điển hình nhất về ứng dụng của MFC. Tuy nhiên, các nghiên cứu về công nghệ MFC ở Việt Nam vẫn còn hạn chế và chưa được công bố nhiều. Chính vì vậy mà việc lựa chọn nghiên cứu công nghệ MFC tại Việt Nam cũng đang là hướng nghiên cứu mới và thông qua kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm sáng tỏ hơn về tính ứng dụng của công nghệ MFC tại Việt Nam. 6