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..
Trang 1BỘ 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
Trang 2BỘ 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
Trang 3ĐÁNH 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:
Trang 4
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
Trang 5LỜI 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
Trang 6LỜI 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
Trang 7TÓM 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
Trang 8ABSTRACT
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
Trang 9MỤC 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
Trang 102.1.2 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
Trang 11DANH 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
Trang 12DANH MỤC HÌNH ẢNH
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
Trang 13Hình 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
Trang 14DANH MỤC BẢNG
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
Trang 15MỞ 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
Trang 16và 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