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.
