Nghiên cứu loại bỏ đồng thời carbon và nitrogen trong nước thải với thu hồi năng lượng từ hệ thống pin vi sinh vật

• Tác giả: Nguyen Hoang Dung
• Người hướng dẫn: Professor Sandhya Babel, D.
• Trường học: Sirindhorn International Institute of Technology, Thammasat University
• Chuyên ngành: Engineering and Technology
• Đề tài: Nghiên Cứu Triết Học Về Loại Bỏ Đồng Thời Carbon Và Nitrogen Cùng Với Thu Hồi Năng Lượng Từ Nước Thải Trong Hệ Thống Pin Vi Sinh Vật
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thammasat

• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF SYMBOLS/ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Problem statement
• 1.3. Scope of research
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Principle of MFCs technology
• 2.2. Design of MFCs
• 2.3. Recent MFCs studies for nitrogen and carbon removal, power generation
• 2.4. Inoculum and substrate
• 2.5. Influencing factors for carbon and nitrogen removal in an MFC
• 2.6. Challenges in using MFC for carbon and nitrogen removal
• 3. CHAPTER 3: RESEARCH METHODOLOGY
• 3.1. First operational mode
• 3.2. Inoculation and medium
• 3.3. Start-up MFCs
• 3.4. MFCs operation after start-up
• 3.5. Analysis and calculations
• 3.6. Characterization analysis of electrode surfaces
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. Start-up stage
• 4.2. First operational mode
• 4.2.1. Electricity generation and COD removal
• 4.3. Second operational mode
• 4.3.1. Electricity generation and COD removal
• 4.3.2. Nitrogen isolation and removal
• 4.4. Third operational mode
• 4.4.1. Power generation from COD removal
• 4.4.2. Denitrification at the D-MFC
• 4.5. The advantages and disadvantages of three different operational modes: A comparison
• 4.6. Characterization of electrode surfaces
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• 5.1. Conclusions
• 5.2. Recommendations
• REFERENCES
• APPENDICES
• APPENDIX A
• APPENDIX B
• APPENDIX C
• APPENDIX D
• BIOGRAPHY

I. Giới thiệu

Nghiên cứu triết học về loại bỏ đồng thời carbon và nitrogen cùng với thu hồi năng lượng từ nước thải trong hệ thống pin vi sinh vật (MFC) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong bối cảnh hiện đại. Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ, trong đó carbon và nitrogen là hai thành phần chính gây ô nhiễm. Việc xử lý nước thải không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế thông qua việc thu hồi năng lượng. MFC là một công nghệ tiềm năng, có khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học từ chất hữu cơ thành điện năng. Tuy nhiên, việc loại bỏ nitrogen hiệu quả trong khi vẫn tối ưu hóa thu hồi năng lượng từ carbon vẫn là một thách thức lớn.

1.1. Tình trạng vấn đề

Nước thải thường chứa hàm lượng lớn nitrogen, chủ yếu dưới dạng ammonium, gây ra hiện tượng phú dưỡng trong các hệ thống nước. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn đe dọa sự sống của các sinh vật thủy sinh. Việc loại bỏ nitrogen thông qua quá trình nitrification và denitrification là rất cần thiết. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống thường tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra lượng bùn thải lớn. Do đó, việc áp dụng công nghệ MFC không chỉ giúp xử lý nitrogen mà còn tối ưu hóa việc thu hồi năng lượng từ carbon trong nước thải.

II. Công nghệ MFC và quy trình xử lý nước thải

Công nghệ pin vi sinh vật (MFC) được thiết kế để tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải bằng cách kết hợp loại bỏ carbon và nitrogen. MFC hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng thông qua các vi sinh vật. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tích hợp quá trình loại bỏ nitrogen sinh học (BNR) vào MFC có thể cải thiện hiệu quả xử lý nước thải. Tuy nhiên, việc lựa chọn giá trị điện trở bên ngoài (ER) phù hợp để đạt được cả hai mục tiêu loại bỏ nitrogen và thu hồi năng lượng vẫn là một thách thức lớn.

2.1. Nguyên lý hoạt động của MFC

MFC sử dụng vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời tạo ra điện năng. Quá trình này xảy ra trong các buồng khác nhau, nơi mà vi sinh vật oxy hóa ammonium thành nitrite và sau đó thành nitrate. MFC có thể được cấu hình để hoạt động theo chế độ tuần tự, cho phép tối ưu hóa quá trình xử lý nitrogen và thu hồi năng lượng. Việc điều chỉnh nồng độ oxy hòa tan (DO) trong buồng cathode là rất quan trọng để kiểm soát quá trình nitrification và tăng cường hiệu quả loại bỏ nitrogen.

III. Kết quả và thảo luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng ba chế độ vận hành khác nhau trong hệ thống MFC có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả loại bỏ carbon và nitrogen. Kết quả cho thấy chế độ thứ hai mang lại hiệu suất thu hồi năng lượng cao hơn so với chế độ đầu tiên. Sự thay đổi nồng độ DO trong buồng cathode cũng tác động trực tiếp đến sản xuất điện và hiệu quả loại bỏ nitrogen. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa điều kiện vận hành có thể dẫn đến những cải thiện đáng kể trong hiệu quả xử lý nước thải.

3.1. Hiệu quả loại bỏ nitrogen

Kết quả từ các chế độ vận hành cho thấy hiệu quả loại bỏ nitrogen tăng lên khi tỷ lệ COD/N trong nước thải đầu vào tăng. Chế độ vận hành thứ nhất cho thấy hiệu suất loại bỏ nitrogen cao hơn khi sử dụng cả buồng anode và cathode cho quá trình denitrification. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống MFC để đạt được hiệu quả xử lý tốt nhất.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về việc tích hợp BNR vào công nghệ MFC để đạt được loại bỏ đồng thời carbon và nitrogen với hiệu quả thu hồi năng lượng cao. Kết quả cho thấy rằng một hệ thống MFC được thiết kế và vận hành hợp lý có thể loại bỏ hiệu quả carbon và nitrogen trong nước thải, đồng thời thu hồi năng lượng. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các giải pháp bền vững trong xử lý nước thải.

4.1. Giá trị thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả và bền vững. Việc áp dụng MFC có thể giúp giảm thiểu chi phí xử lý nước thải, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Hệ thống MFC không chỉ giúp loại bỏ ô nhiễm mà còn tạo ra năng lượng, mở ra hướng đi mới cho các nhà máy xử lý nước thải trong tương lai.