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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật môi trường đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Anh Đào
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thị Hoa
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Bằng Pin Nhiên Liệu Vi Sinh Vật Không Dùng Màng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Trang tựa
• Trang chuẩn y
• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Danh mục từ viết tắt
• Danh mục hình ảnh
• Danh mục bảng
• MỞ ĐẦU
• 1. 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)
• 1.1.2. Một số nghiên cứu điển hình về công nghệ MFC
• 1.1.3. Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của MFC
• 1.1.4. Các dạng thiết kế MFC
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ VI SINH VẬT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA MFC
• 1.2.1. Vi sinh vật trong hệ MFC
• 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của MFC
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Nội dung 1: Thiết kế, lắp đặt mô hình và vận hành thích nghi
• 2.1.2. Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả của mô hình MFC và khả năng xử lý nước thải nhân tạo
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Phương pháp tổng quan tài liệu
• 2.2.2. Phương pháp phân tích
• 2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.2.4. Giới hạn của đề tài
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH MFC DÙNG MÀNG VÀ MFC KHÔNG DÙNG MÀNG
• 3.1.1. Sự thay đổi pH
• 3.1.2. Cường độ dòng điện
• 3.1.3. Hiệu điện thế hở mạch (OCV)
• 3.1.4. Mật độ công suất
• 3.1.5. Hiệu quả loại bỏ COD
• 3.1.6. Hiệu quả loại bỏ Ammonium
• 3.1.7. Hiệu quả loại bỏ TP
• 3.2. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VI SINH VẬT
• 3.2.1. Màng sinh học hình thành trên bề mặt điện cực anode
• 3.2.2. Cộng đồng vi khuẩn hình thành trên bề mặt điện cực anode
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật MFC

Công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là một hệ thống điện hóa sinh học, sử dụng vi sinh vật để phân giải chất hữu cơ và tạo ra dòng điện. Lịch sử hình thành công nghệ này bắt đầu từ năm 1911 với nghiên cứu của Potter, người đã thu được dòng điện từ vi khuẩn Escherichia coli. Đến năm 1999, một bước đột phá trong nghiên cứu MFC đã chỉ ra rằng không cần chất truyền điện tử trung gian. Điều này mở ra khả năng tạo ra năng lượng điện sinh học từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ. MFC được coi là công nghệ bền vững, có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, đặc biệt là từ nước thải. Nghiên cứu cho thấy MFC có thể sản xuất nước sạch và điện, góp phần vào mô hình năng lượng tương lai.

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ MFC

MFC đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20. Nghiên cứu đầu tiên về việc sử dụng vi khuẩn để tạo ra điện được thực hiện bởi Potter. Đến năm 1967, John Davis đã cấp bằng sáng chế đầu tiên cho công nghệ này. Các nghiên cứu trong những năm 1990 đã chỉ ra rằng MFC có thể hoạt động mà không cần chất truyền điện tử trung gian. Điều này đã mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng MFC trong xử lý nước thải và sản xuất năng lượng. MFC hiện nay được xem là một công nghệ tiềm năng trong việc xử lý nước thải và sản xuất điện năng từ các chất hữu cơ có trong nước thải.

II. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng và đánh giá hiệu quả của hệ MFC không dùng màng so với hệ MFC dùng màng. Mục tiêu chính là so sánh khả năng sản sinh năng lượng và hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ, nitơ và photpho. Hai mô hình MFC được chế tạo bằng ống acrylic, với các thí nghiệm được bố trí vận hành song song với nguồn nước thải nhân tạo. Kết quả cho thấy hiệu điện thế hở mạch của mô hình MFC có màng ổn định hơn so với MFC không màng. Hiệu quả xử lý COD của MFC không màng đạt 67,1%, cao hơn so với MFC có màng.

2.1. Thiết kế và lắp đặt mô hình MFC

Mô hình MFC được thiết kế với hai loại: có màng và không có màng. MFC có màng bao gồm ba phần chính: điện cực Anode, Cathode và màng trao đổi proton. Trong khi đó, MFC không dùng màng chỉ bao gồm hai phần chính: điện cực Anode và Cathode. Việc thiết kế này giúp đánh giá rõ ràng hiệu quả của từng loại trong việc xử lý nước thải và sản xuất năng lượng. Các mô hình được lắp đặt tại Trường Đại học Quốc tế, với điều kiện thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy MFC không dùng màng có hiệu quả xử lý COD cao hơn so với MFC có màng. Hiệu quả loại bỏ NH4+-N của MFC có màng đạt 46,3%, trong khi MFC không màng chỉ đạt 33,3%. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý TP của MFC không màng lại cao hơn, đạt 93,5%. Điều này cho thấy rằng mặc dù MFC không dùng màng có thể không hiệu quả trong việc loại bỏ nitơ, nhưng lại có ưu thế trong việc loại bỏ photpho. Sự hình thành và phát triển của vi sinh vật trong hai hệ MFC cũng được đánh giá, với chi Rhodopseudomonas chiếm ưu thế trong quần xã vi sinh vật.

3.1. Hiệu quả hoạt động của MFC

Hiệu quả hoạt động của MFC được đánh giá qua các chỉ tiêu như hiệu điện thế hở mạch, cường độ dòng điện và hiệu quả loại bỏ COD, NH4+-N và TP. Kết quả cho thấy MFC không dùng màng có hiệu suất xử lý COD ổn định hơn, trong khi MFC có màng có hiệu quả loại bỏ NH4+-N cao hơn. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn loại MFC phù hợp có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý nước thải. Các yếu tố như tải trọng hữu cơ cũng có ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của MFC, cần được xem xét trong các nghiên cứu tiếp theo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước gia tăng và khủng hoảng năng lượng toàn cầu, việc xử lý nước thải gắn liền với thu hồi năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng tất yếu. Theo các báo cáo kỹ thuật ngành môi trường, các trạm xử lý nước thải đô thị và công nghiệp vận hành bằng phương pháp bùn hoạt tính truyền thống tiêu tốn khoảng 50% đến 60% tổng chi phí điện năng vận hành toàn nhà máy. Trong khi đó, nguồn năng lượng hóa học tiềm ẩn trong các hợp chất hữu cơ của nước thải ước tính cao gấp 3 đến 5 lần lượng điện năng cần thiết để xử lý triệt để chính nguồn nước đó.

Công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial Fuel Cell - MFC) nổi lên như một giải pháp đột phá, vừa làm sạch chất ô nhiễm vừa chuyển hóa trực tiếp năng lượng hóa học thành điện năng nhờ hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất cản trở việc ứng dụng MFC ở quy mô công nghiệp là chi phí đầu tư ban đầu quá cao, trong đó màng trao đổi proton hoặc cation (như màng CEM) chiếm từ 30% đến 40% tổng chi phí cấu thành hệ thống. Hơn thế nữa, màng trao đổi ion rất dễ bị tắc nghẽn sinh học (biofouling), làm tăng điện trở màng từ 15,65 Ω·cm² lên 19,1 Ω·cm² chỉ sau một thời gian ngắn vận hành, kéo theo sự sụt giảm nghiêm trọng hiệu suất phát điện.

Đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường tập trung xây dựng và đánh giá so sánh hiệu quả giữa hệ MFC không dùng màng (membraneless MFC) và hệ MFC dùng màng trao đổi cation (CEM) về khả năng sản sinh năng lượng điện sinh học, đồng thời loại bỏ các thành phần ô nhiễm gồm nhu cầu oxy hóa học (COD), amoni ($NH_4^+-N$) và tổng photpho (TP). Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Đại học Quốc Tế – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 10/2019 đến tháng 08/2020.

Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi chứng minh hệ MFC không dùng màng giúp loại bỏ hoàn toàn chi phí đắt đỏ của vật liệu màng ngoại nhập, đồng thời đạt mật độ công suất cực đại lên tới 45,3 ± 2,8 W/m² và duy trì hiệu suất xử lý COD ổn định ở mức 67,1 ± 10,9%, mở ra hướng đi khả thi cho việc ứng dụng công nghệ xử lý nước thải tự cấp năng lượng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của hai lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật môi trường và công nghệ sinh học điện hóa:

Thuyết điện hóa sinh học (Bioelectrochemical Theory): Đây là cơ sở giải thích quá trình vi sinh vật điện hóa (exoelectrogens) oxy hóa các cơ chất hữu cơ tại khoang anode trong điều kiện kỵ khí để giải phóng khí cacbonic ($CO_2$), proton ($H^+$) và electron ($e^-$). Phản ứng phân giải cơ chất glucose điển hình tại anode diễn ra theo phương trình:

$$C_6H_{12}O_6 + 6H_2O \rightarrow 6CO_2 + 24e^- + 24H^+$$

Các electron tự do được truyền đến bề mặt điện cực anode, chạy qua mạch điện ngoài có tải trở để tạo ra dòng điện và đi đến cathode. Tại khoang cathode hiếu khí, phản ứng khử oxy diễn ra với sự kết hợp của electron, proton và oxy hòa tan:

$$O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$$

Lý thuyết truyền khối và chuyển dịch ion (Mass and Ion Transfer Theory): Cơ chế chuyển dịch ion giữa hai khoang phản ứng quyết định nội trở và hiệu điện thế của hệ thống. Trong hệ có màng, màng trao đổi cation (CEM) cho phép proton di chuyển có chọn lọc từ anode sang cathode nhưng bị hạn chế bởi sự cạnh tranh của các cation khác như $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ có nồng độ cao gấp $10^5$ lần nồng độ $H^+$ hòa tan. Trong hệ không dùng màng, dung dịch đóng vai trò là chất điện phân trực tiếp, dòng chuyển dịch chất lỏng và sự chênh lệch nồng độ hỗ trợ truyền proton nhanh hơn mà không gặp trở lực của màng.

Các khái niệm chính được vận hành xuyên suốt đề tài bao gồm: Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC), Màng trao đổi cation (CEM), Hiệu điện thế hở mạch (Open Circuit Voltage - OCV), Mật độ công suất ($W/m^2$), Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate - OLR), Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time - HRT) và Màng sinh học điện hóa (Electroactive Biofilm).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và bố trí thí nghiệm: Nghiên cứu sử dụng nguồn nước thải nhân tạo mô phỏng nước thải sinh hoạt và chế biến thực phẩm với cơ chất chính là glucose (nồng độ COD dao động từ 960 mg/L đến 1.433 mg/L), bổ sung đầy đủ các muối khoáng vi lượng ($FeSO_4$, $CoCl_2$, $H_3BO_3$) và chất dinh dưỡng theo tỷ lệ vàng xử lý sinh học $COD:N:P = 150:5:1$. Nguồn vi sinh vật cấy ban đầu (inoculum) được thu thập từ bể xử lý kỵ khí UASB của nhà máy bia Heineken tại Quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh với nồng độ chất rắn lơ lửng trong bùn hoạt tính (MLSS) ban đầu đạt từ 40 đến 45 g/L.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 4 mô hình phản ứng dạng cột hình trụ chế tạo từ vật liệu acrylic trong suốt (đường kính 100 mm, chiều cao 1000 mm, thể tích làm việc khoang anode 2 lít). Thiết kế thí nghiệm gồm 2 mô hình MFC sử dụng màng CEM kích thước 125x125 mm của hãng VWR Chemicals và 2 mô hình MFC không dùng màng (sử dụng lớp đệm hạt thủy tinh và bông sợi thủy tinh làm vách ngăn vật lý để ngăn oxy khuếch tán ngược từ cathode về anode). Điện cực cho cả hai hệ thống đều là vải carbon hình tròn đường kính 10 cm, độ dày 0,5 cm được kẹp cố định bằng hai lớp lưới thép không gỉ. Phương pháp lấy mẫu là lấy mẫu tổ hợp đại diện tại dòng ra vào cùng thời điểm mỗi buổi sáng, với tần suất đo pH và OCV hàng ngày, phân tích COD, $NH_4^+-N$, TP định kỳ 5 ngày một lần.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Các chỉ tiêu hóa lý nước thải được phân tích theo Tiêu chuẩn chuẩn mực quốc tế Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (Ấn bản thứ 23). Đo đạc thông số điện hóa bằng đồng hồ vạn năng Kyoritsu Model 1009 với độ chính xác cao để tính toán công suất theo định luật Ohm ($P = I \times V$). Phân tích cấu trúc hình thái màng sinh học trên bề mặt điện cực bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM Hitachi S-4800) nhằm quan sát trực quan độ bám dính của vi sinh vật. Phân tích đa dạng cộng đồng vi khuẩn bằng kỹ thuật giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) trên hệ thống Illumina NextSeq/HiSeq (vùng gen 16S rRNA) và xử lý dữ liệu tin sinh học bằng các công cụ chuyên sâu DADA2 và QIIME2 nhằm nhận diện chính xác các chủng vi sinh vật điện hóa thích nghi.

Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quá trình thử nghiệm diễn ra trong 50 ngày vận hành dòng chảy liên tục (continuous mode) với lưu lượng nạp cố định 5 mL/phút (tương đương 7,2 L/ngày, HRT 7,2 giờ) qua 4 pha tải trọng hữu cơ tăng dần: Phase 1 (3,0 gCOD/L/ngày), Phase 2 (3,5 gCOD/L/ngày), Phase 3 (4,0 gCOD/L/ngày) và Phase 4 (4,5 gCOD/L/ngày).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mật độ công suất và dòng điện vượt trội ở hệ không màng: Hệ MFC không dùng màng ghi nhận khả năng sản sinh năng lượng vượt bậc so với hệ có màng. Cường độ dòng điện của hệ không màng đạt giá trị đỉnh lên đến 1904,8 µA (gần 2 mA), trong khi hệ có màng chỉ đạt mức dao động từ 0,1 đến 10,1 µA. Mật độ công suất trung bình của hệ không màng đạt từ 38,8 đến 45,3 W/m² (đạt cực đại 45,3 ± 2,8 W/m² tại tải trọng 3,5 gCOD/L/ngày), cao hơn gấp 90 lần so với mật độ công suất cực đại của hệ có màng (chỉ đạt 0,5031 ± 0,0590 W/m² tại tải trọng 4,0 gCOD/L/ngày).

Hiệu quả xử lý COD ổn định và tương đương: Hiệu suất loại bỏ COD trung bình qua các dải tải trọng của hệ không màng đạt 67,1 ± 10,9% (đạt cực đại 75,3%), trong khi hệ có màng đạt trung bình 63,2 ± 21,5% (đạt cực đại 82,2% tại tải trọng 3,5 gCOD/L/ngày). Khi nâng tải trọng lên mức cao 4,0 và 4,5 gCOD/L/ngày, hiệu suất COD của cả hai hệ thống có xu hướng giảm nhẹ nhưng vẫn duy trì vững chắc trên 70%. Kiểm định thống kê ANOVA cho thấy không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về khả năng loại bỏ COD giữa hai mô hình (p > 0,05).

Sự phân hóa trong hiệu suất xử lý dinh dưỡng (N và P): Hệ MFC có màng đạt hiệu quả xử lý amoni ($NH_4^+-N$) trung bình là 46,3 ± 0,1%, cao hơn đáng kể so với mức 33,3 ± 1,8% của hệ không màng. Ngược lại, đối với tổng photpho (TP), hệ không màng lại chiếm ưu thế vượt trội với hiệu suất xử lý trung bình đạt 93,5 ± 0,3%, cao hơn so với mức 87,8 ± 0,3% của hệ có màng.

Cộng đồng vi sinh vật điện hóa ưu thế: Kết quả phân tích NGS 16S rRNA và ảnh chụp SEM bề mặt điện cực anode vải carbon chứng minh sự hình thành lớp màng sinh học đậm đặc. Chi vi khuẩn Rhodopseudomonas (nhóm vi khuẩn quang dưỡng không chứa lưu huỳnh có hoạt tính điện hóa mạnh mẽ) chiếm tỷ lệ ưu thế tuyệt đối trong quần xã vi sinh vật ở cả hai mô hình, đóng vai trò then chốt trong việc truyền electron ngoại bào.

Thảo luận kết quả

Sự chênh lệch lớn về mật độ công suất phát điện giữa hai hệ thống bắt nguồn từ rào cản nội trở của màng trao đổi cation CEM. Màng CEM làm cản trở tốc độ di chuyển của proton $H^+$ từ khoang anode sang cathode do sự cạnh tranh gay gắt từ các ion kim loại và amoni hòa tan. Điều này dẫn đến sự tích tụ ion $H^+$ tại khoang anode làm giảm pH cục bộ và làm tăng pH tại khoang cathode (dao động từ 7,5 đến 11,6), gây ức chế thế khử oxy và gia tăng nội trở của hệ có màng. Trong khi đó, cấu trúc không màng với vách ngăn đệm hạt thủy tinh cho phép các proton khuếch tán tự do hơn trong chất điện phân, giữ cho pH ổn định hơn (dao động 7,1 đến 9,2 ở các pha sau) và tối ưu hóa thế điện hóa sinh học.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế, mật độ công suất của hệ MFC không màng trong luận văn này (45,3 W/m²) cao hơn hẳn kết quả công bố của các nhóm nghiên cứu trước đây như Martin và cộng sự (đạt 8,2 W/m³ khi xử lý glucose) hay Nam và cộng sự (đạt 2.981 mW/m³ tại tải trọng 3,84 g/L/ngày). Điều này khẳng định thiết kế dòng chảy ngược kết hợp vải carbon dạng tròn tối ưu hóa diện tích tiếp xúc sinh học.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được trực quan hóa sinh động qua hệ thống biểu đồ và bảng số liệu:

• Đồ thị đường thể hiện biến thiên hiệu điện thế hở mạch (OCV) trong 50 ngày phản ánh OCV của hệ có màng dao động từ 17,8 đến 721 mV, trong khi hệ không màng dao động từ 6,8 đến 697 mV nhưng phục hồi điện thế nhanh hơn sau các chu kỳ tải.
• Bảng ma trận so sánh 4 mức tải trọng hữu cơ (3,0; 3,5; 4,0; 4,5 gCOD/L/ngày) cho thấy mức OLR tối ưu cho hoạt động phát điện và xử lý chất hữu cơ nằm trong khoảng 3,5 đến 4,0 gCOD/L/ngày. Vượt qua ngưỡng 4,5 gCOD/L/ngày, các vi khuẩn lên men kỵ khí cạnh tranh cơ chất mạnh mẽ với vi khuẩn điện hóa, dẫn đến hiệu suất phát điện suy giảm nhẹ.

Đề xuất và khuyến nghị

Chuẩn hóa và cải tiến cấu trúc lớp vật liệu đệm ngăn cách trong hệ MFC không màng: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành môi trường cần tiến hành tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn giữa hạt thủy tinh và bông sợi thủy tinh, hướng tới mục tiêu giảm thiểu tỷ lệ khuếch tán ngược của oxy từ cathode về anode xuống dưới 3% và duy trì độ bền cơ học của vật liệu đệm trên 24 tháng vận hành liên tục (thời gian thực hiện: Quý 1/2021 đến Quý 3/2021).

Thiết kế quy trình kết hợp công đoạn oxy hóa hoặc hồi lưu dòng thải để nâng cao hiệu suất xử lý nitơ: Do hệ không màng chỉ loại bỏ được 33,3% amoni, các kỹ sư công nghệ tại các doanh nghiệp môi trường cần tích hợp thêm ngăn hiếu khí nối tiếp sau MFC hoặc thiết lập tỷ lệ hồi lưu dòng thải từ 30% đến 50%, đặt mục tiêu nâng tổng hiệu suất loại bỏ $NH_4^+-N$ lên trên 75% đạt chuẩn xả thải QCVN (thời gian thực hiện: 6 đến 12 tháng).

Thử nghiệm và mở rộng mô hình pilot xử lý nước thải thực tế: Ban quản lý các khu công nghiệp phối hợp cùng doanh nghiệp sản xuất bia, nước giải khát và chế biến thực phẩm cần triển khai xây dựng module pilot MFC không màng quy mô 200 đến 500 L/ngày, hướng đến mục tiêu xử lý nước thải thực tế đạt hiệu suất COD > 70% và mật độ công suất duy trì > 30 W/m² (thời gian thực hiện: 12 đến 18 tháng).

Phát triển chế phẩm vi sinh chuyên biệt chứa chủng vi khuẩn Rhodopseudomonas: Các trung tâm công nghệ sinh học cần tiến hành phân lập, nhân sinh khối và thương mại hóa chế phẩm vi sinh điện hóa có bổ sung Rhodopseudomonas nhằm rút ngắn thời gian khởi động thích nghi của hệ thống MFC từ 7 ngày xuống còn dưới 3 ngày (thời gian thực hiện: 6 tháng).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ sinh học: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, phương pháp vận hành mô hình dòng chảy ngược và quy trình phân tích vi sinh bằng NGS 16S rRNA phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ sinh học năng lượng.

Kỹ sư thiết kế và chuyên gia R&D công nghệ môi trường: Hữu ích trong việc tính toán thiết kế module xử lý nước thải nồng độ hữu cơ cao, lựa chọn vật liệu điện cực vải carbon và giải pháp thay thế màng phân tách đắt tiền bằng vật liệu đệm chi phí thấp.

Ban quản lý trạm xử lý nước thải tại các nhà máy bia, chế biến thực phẩm và đồ uống: Cung cấp giải pháp công nghệ tiềm năng giúp giảm tải lượng bùn thải phát sinh, tiết kiệm chi phí sục khí tiêu thụ điện và từng bước hướng đến mô hình nhà máy trung hòa năng lượng.

Các nhà quản lý môi trường và hoạch định chính sách phát triển bền vững: Làm tài liệu tham khảo thực tế về các công nghệ xử lý chất thải xanh, hỗ trợ xây dựng chính sách khuyến khích ứng dụng năng lượng tái tạo từ chất thải sinh hoạt và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không dùng màng lại cho mật độ công suất cao hơn hệ có màng?

Hệ MFC không dùng màng loại bỏ được lớp màng CEM – vốn là nguyên nhân chính gây ra nội trở lớn và hiện tượng tắc nghẽn sinh học. Trong điều kiện không có màng cản trở, proton $H^+$ di chuyển thuận lợi và nhanh chóng hơn trong môi trường chất lỏng sang cathode, giúp hệ không màng đạt mật độ công suất cực đại 45,3 ± 2,8 W/m², cao gấp hơn 90 lần hệ có màng.

Hệ MFC không màng có khả năng xử lý chất hữu cơ (COD) ổn định không?

Có, hệ không màng xử lý COD rất ổn định với hiệu suất trung bình đạt 67,1 ± 10,9% và đạt cực đại 75,3% tại tải trọng 3,5 gCOD/L/ngày. Khả năng loại bỏ chất hữu cơ diễn ra chủ yếu ở khoang kỵ khí anode nhờ hoạt động của quần thể vi sinh vật phân giải, không bị phụ thuộc vào sự hiện diện của màng ngăn ion.

Vì sao hiệu quả loại bỏ Amoni ($NH_4^+-N$) ở hệ không màng lại thấp hơn hệ có màng?

Trong hệ có màng, màng CEM đóng vai trò như một rào cản điện tích giúp phân tách và hỗ trợ vận chuyển chọn lọc cation $NH_4^+$, giúp đạt hiệu suất 46,3 ± 0,1%. Ở hệ không màng, cơ chế loại bỏ amoni phụ thuộc chủ yếu vào sự đồng hóa sinh khối của vi sinh vật và một phần bay hơi $NH_3$, dẫn đến hiệu suất thấp hơn (33,3 ± 1,8%).

Chủng vi sinh vật nào đóng vai trò chủ đạo trong việc phát sinh dòng điện trong nghiên cứu?

Phân tích giải trình tự gen NGS 16S rRNA xác định chi vi khuẩn Rhodopseudomonas chiếm ưu thế cao nhất trên bề mặt điện cực anode vải carbon. Đây là nhóm vi khuẩn quang dưỡng có khả năng chuyển đổi chất hữu cơ linh hoạt và truyền electron ngoại bào trực tiếp lên bề mặt điện cực mà không cần chất trung gian.

Tải trọng hữu cơ (OLR) bao nhiêu là tối ưu nhất cho hoạt động của hệ MFC?

Dải tải trọng tối ưu được xác định từ 3,5 đến 4,0 gCOD/L/ngày. Tại dải này, hệ thống đạt sự cân bằng hoàn hảo giữa hiệu suất khử COD (trên 74%) và mật độ công suất phát điện cực đại (45,3 W/m²). Khi vượt lên 4,5 gCOD/L/ngày, hiệu quả bắt đầu có xu hướng giảm nhẹ do sự cạnh tranh của vi sinh vật không sinh điện.

Kết luận

• Hệ MFC không dùng màng đạt mật độ công suất cực đại 45,3 ± 2,8 W/m² và cường độ dòng điện lên tới 1904,8 µA, vượt trội hoàn toàn so với hệ MFC dùng màng CEM (0,5031 W/m² và 10,1 µA).
• Hiệu suất xử lý COD của hệ không màng duy trì ổn định ở mức 67,1 ± 10,9% (đạt đỉnh 75,3%), tương đương và ổn định hơn so với hệ có màng (63,2 ± 21,5%).
• Khả năng loại bỏ photpho tổng (TP) của hệ không màng đạt mức ấn tượng 93,5 ± 0,3%, cao hơn đáng kể so với hệ dùng màng (87,8 ± 0,3%), mặc dù hiệu quả xử lý amoni dừng lại ở mức 33,3 ± 1,8%.
• Chi vi khuẩn Rhodopseudomonas được phát hiện chiếm ưu thế vượt trội trên điện cực anode vải carbon, khẳng định vai trò trụ cột trong việc hình thành màng sinh học dẫn điện.
• Thiết kế MFC dòng chảy ngược không dùng màng giúp cắt giảm từ 30% đến 40% chi phí chế tạo vật liệu, giải quyết triệt để vấn đề tắc nghẽn màng sinh học.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của mô hình pin nhiên liệu vi sinh vật không dùng màng chế tạo từ vật liệu sẵn có trong nước. Bước tiếp theo trong giai đoạn 2021–2023 là mở rộng thử nghiệm mô hình pilot trên các dòng nước thải công nghiệp thực tế và tối ưu hóa cụm xử lý nitơ bổ trợ. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp xử lý nước thải và nhà đầu tư công nghệ xanh hãy chủ động kết nối, ứng dụng kết quả nghiên cứu này để thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng bền vững trong ngành xử lý nước thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT (MFC) 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.

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. 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. 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. Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của MFC Về cơ bản, MFC có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ quá trình chuyển hóa sinh học của chất hữu cơ thành điện năng.

Hệ phản ứng này không phát sinh khí thải và lượng bùn tạo thành ít hơn so với hệ xử lý sinh học truyền thống (Ishizaki và ctv, 2014; Oyiwona và ctv, 2017). Trong MFC có 3 phần chính (Logan và ctv, 2006): (1) một buồng anode nơi nhiên liệu bị ôxi hóa bởi vi sinh vật và electron cũng như proton được tạo ra; (2) một buồng cathode nơi mà các electron và proton được tiêu thụ, kết hợp với ôxy tạo thành nước; (3) một màng trao đổi proton (PEM) có vai trò vận chuyển proton từ buồng anode đến cathode, kết hợp với các electron chuyển qua mạch điện bên ngoài và tạo thành phản ứng khử tại cathode. Cấu tạo cơ bản hệ MFC (Nguồn: Bruce E. Logan, 2006) Hầu hết các thiết kế MFC cơ bản đều cần có màng trao đổi ion để phân tách hai khoang anode và cathode, chúng có tác dụng chọn lọc sự di chuyển của proton giữa hai khoang, do đó màng trao đổi ion có thể mà một nhân tố giới hạn năng lượng thu được từ MFC.

Một số loại màng trao đổi ion chính được sử dụng trong các hệ thống MFC như màng trao đổi cation (CEM), màng trao đổi anion (AEM), màng phân cực (BPM) (B. Kim và ctv, 2007; Rozendal và ctv, 2008; X. Zhang và ctv, 2010). Màng trao đổi cation (CEM) đã được phát triển từ việc sử dụng trong hệ thống 7 pin hydrogen và nó đã được tối ưu hóa nhằm tạo ra sự ổn định cho môi trường dẫn điện có nồng độ proton cao (pH thấp).

Tuy nhiên, màng CEM có thể gây ra một số giới hạn khi dùng trong MFC như tạo ra sự cạnh tranh giữ proton và cation, dễ tắc nghẽn sinh học (biofouling) và chi phí vận hành cao. Chính sự cạnh tranh giữa proton và cation đã dẫn tới giảm pH ở khoang anode, gây ra tăng nội trở (internal resistance), ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng sinh ra (Li và ctv, 2011). Màng trao đổi anion (AEM) cũng có thể được sử dụng thay thế cho CEM trong các MFC vì năng lượng sinh ra lớn hơn. Các proton được tạo ra ở anode bị thụ bởi các ion carbonate và ion phosphate do đó không làm giảm pH ở khoang anode, mật độ năng lượng tạo ra khi dùng AEM cao hơn so với CEM (J.

Kim và ctv, 2007). Màng lưỡng cực (BPM) là loại màng bao gồm 2 màng đơn cực AEM và CEM, được sử dụng trong MFC để vận chuyển đồng thời các anion và cation. Chính vì nhờ cấu tạo độc đáo mà BPM thường được dùng trong các quá trình khử muối (Harnisch và ctv, 2008). Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) hoạt động dựa trên xúc tác của một số vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm chất nền để tạo ra các electron ở anode (Zhou và ctv, 2012).

Quá trình phản ứng sinh học tại hai ngăn phản ứng có thể tóm tắt như sau: Nửa phản ứng tại Anode, với chất hữu cơ là Glucose: C6H12O6 + 6H2O →6CO2 + 24e- + 24H+ (1) Phản ứng tại cathode (các electron và proton chuyển từ buồng anode được sử dụng để khử oxy): O2 + 4H+ +4e- → 2H2O (2) 1. Các dạng thiết kế MFC Hiện nay, có khá nhiều các dạng thiết kế MFC được nghiên cứu và phát triển. Mỗi dạng thiết kế có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với những mục đích sử dụng nhất định.