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

TÓM TẮTĐề 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 tiếnhành tại Trường Đạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG 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

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:

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

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô Khoa Môi Trường và Tàinguyên – Trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyềnđạt 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 đãtận 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 sinhhọc, Trường Đại học Quốc tế (ĐHQG TP.HCM), các bạn cùng lớp Cao học Kỹthuật môi trường K2017 (Đại học Nông Lâm TP.HCM), các bạn sinh viên ngành Kỹthuật môi trường (ĐH Nông Lâm TP.HCM) và các bạn sinh viên Bộ môn Côngnghệ sinh học (Đại học Quốc Tế, ĐHQG TP.HCM) đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tôitrong quá trình thực hiện thí nghiệm

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, đồng hànhcùng 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 tiếnhành tại Trường Đại học Quốc Tế, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng10/2019 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 sảnsinh năng lượng, đồng thời với loại bỏ chất hữu cơ, nitơ và photpho Cả hai mô hìnhMFCs 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 cómàng dao động trong khoảng 17,8 – 721 mV, còn đối với mô hình MFC không màngdao động trong khoảng 6,8 – 697 mV, giá trị OCV của mô hình MFC có màng ổn địnhhơn so với MFC không màng Hiệu quả xử lý COD của mô hình MFC có màng qua cáctải 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%; đốivới mô hình MFC không màng đạt trung bình 33,3 ± 1,8%, hiệu quả xử lý NH4 +-N củaMFC có màng cao hơn MFC không màng Hiệu quả xử lý TP của mô hình MFC cómàng đạt trung bình 87,8 ± 0,3%; đối với mô hình MFC không màng đạt trung bình93,5 ± 0,3%, hiệu quả xử lý TP của MFC không màng cao hơn MFC có màng Tảitrọng hữu cơ có ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của MFC nhưng đối với mức tảitrọng cao thì khả năng loại bỏ COD giảm dần, mặc dù không ảnh hưởng đến hiệu quảnăng lượng tạo ra Bên cạnh đó, khi đánh giá sự hình thành và phát triển của vi sinh vật

The research "Evaluate the wastewater treatment efficiency of membranelessmicrobial fuel cells compared to membrane microbial fuel cells " was conducted atInternational University, National University- Ho Chi Minh City, from October

2019 to August 2020 The ojectives of the study are to construct and evaluate theefficiency of a membrane less MFC system compared to a membrane MFC systembased on its ability to produce energy, while removing organic matter, nitrogen andphosphorus 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 parallelwith using an artificial wastewater containing

The study results show that: The open-circuit voltage (OCV) effect ofmembrane MFC ranges from 17.8 to 721 mV, while for membraneless MFC rangesfrom 6.8 to 697 mV, the OCV value of the membrane MFC is more stable than themembraneless MFC COD treatment efficiency of membrane MFC model throughdifferent 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 thanmembrane MFC The removal efficiency of NH4 +-N of the membrane MFC reached46.3 ± 0.1%; for the membraneless MFC is 33.3 ± 1.8%, the NH4 +

-N treatmentefficiency of the membrane MFC was higher than the membraneless MFC The TPtreatment efficiency of membrane MFC achieved 87.8 ± 0.3%; for themembraneless MFC is 93.5 ± 0.3%, the TP treatment efficiency of themembraneless MFC was higher than that of the membrane MFC Organic loadingrates have an effect on MFC's performance but under high loads the COD removalcapacity decreases, although it does not affect the energy efficiency generated Inaddition, 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

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)

CEM (Cation Exchange Membrane)

HRT (Hydraulic retention time)

MFC (Microbial Fuel Cell)

NGS (Next Generation Sequencing)

OLR (Organic Loading Rate)

PEM (Proton Exchange Membrane)

SEM (Scanning Electron Microscope)

Màng trao đổi anionMàng trao đổi cationThời gian lưu nướcPin nhiên liệu vi sinh vậtGiải trình tự thế hệ mớiTải trọng hữu cơ

Màng trao đổi protonKính hiển vi điện tử quét

DANH 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

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 MFCkhông 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

DANH 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

xii

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môitrường nước nói riêng đang ngày càng được quan tâm Nước là môi trường rất dễ bịảnh 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 chocác ngành công nghiệp, nông nghiệp và nước uống Tuy nhiên, sự hiện diện của cácthành phần ô nhiễm hữu cơ, các kim loại nặng có trong nước thải nếu chưa đượcloại bỏ sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước sau xử lý Vì vậy, xử lý nướcthải theo hướng bền vững cần có sự hiểu biết về quá trình xử lý và yêu cầu chấtlượng 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 làphương án xử lý nước thải thông thường nhất vì nó cho thấy hiệu quả xử lý đáng kểmặc dù chi phí đầu tư và vận hành vẫn còn cao (Sustarsic, 2009) Tuy nhiên, cácphương pháp khác như hóa lý, màng lọc cũng được chứng minh hiệu quả cho xử lýnước 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 Cácquá trình hóa lý như hấp phụ và keo tụ tạo ra rất nhiều bùn được biết đến như một chấtgây ô nhiễm thứ cấp Quá trình trao đổi ion rất tốn kém, trong khi quá trình màng lạixảy 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 năngtrong xử lý nước thải đó là pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) Công nghệ MFC còn liênquan đến quá trình biến đổi chất thải sinh học thành năng lượng

và ctv, 2006) Trong MFC, vi khuẩn oxy hóa chất nền để tạo ra các điện tử tự do vàsinh ra năng lượng Do đó, ứng dụng MFC trong xử lý nước thải vừa giảm thiểu ônhiễm 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 thểảnh 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 tăngtrưởng, quá trình đảo trộn và quá trình truyền khối trong hệ phản ứng, động học củaquá 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 vàctv, 2004) Diện tích bề mặt của điện cực âm và dương cũng ảnh hưởng lớn đến sảnlượng điện tạo thành vì khi tăng diện tích bề mặt của cực dương và cực dương thì sẽtăng 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 chấthữu 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 gấp3,5 lần so với MFC đơn cực dương Điều này cho thấy rõ ràng hiệu quả của cácMFC 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 vẫncòn hạn chế về các nghiên cứu ứng dụng MFC trong xử lý nước thải, đặc biệt là cácnghiên cứu về cấu tạo của MFC còn khan hiếm hơn Nhận thấy tầm quan trọng của việctìm 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 nướcthải 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 ônhiễm 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 (membraneless 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

3.1 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 HồChí Minh) trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm

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 nănglượng Áp dụng công nghệ mới dễ dàng chế tạo trong nước và tiết kiệm năng lượngcho 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 côngnghệ MFC có màng và không có màng được xem như công nghệ mới tại thời điểmhiện tại

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 sinhvật để phân giải chất hữu cơ và tạo ra dòng điện Nghiên cứu sớm nhất về việc sửdụng 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 MFCmới bắt đầu được chú ý trong giới khoa học Những thí nghiệm về MFC tại thờiđiểm đó đã chỉ ra rằng cần có một chất truyền điện tử để làm trung gian vận chuyểncác electron từ bên trong tế bào đến các điện cực Tuy nhiên, đến năm 1999, một sựđột phá trong nghiên cứu MFC đã cho thấy không cần có chất truyền điện tử trunggian (B.H Kim và ctv, 1999) Và từ đó đến nay, các nhà khoa học đã biết rằng cóthể 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 vàcông nghệ với nhà máy Foster để phát triển thí điểm mô hình chuyển đổi nước thảinhà 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 kWnăng 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 vàRingeisen, 2008; Du và ctv, 2007)

MFC được coi là công nghệ bền vững đầy hứa hẹn đáp ứng nhu cầu năng lượngngày 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 tươnglai, 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 độngcủa 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 khoảngnhiệt độ thấp (8-22ºC) thì hiệu quả xử lý COD giảm còn 59% và cường độ dòngđiện thì đạt 1,4 mA Cường độ dòng điện đạt cao nhất khi pH trong khoang anodeđạt mức 6.5, chất nền được loại bỏ và cường độ dòng điện tạo ra có mối liên hệtuyến 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 bởilớp 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 tănghiệu 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 quátrình 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 giảmđược 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 vềảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến sản sinh năng lượng của hệ MFC kỵ khí dòng chảy

Năm 2020, nhóm Vijay và cộng sự cũng công bố một nghiên cứu về khả năngứng dụng công nghệ MFC để loại bỏ đồng thời uranium và nitrate trong khi vẫn tạo ranăng lượng điện (Vijay và ctv, 2020) Kết quả cho thấy tốc độ loại bỏ nitrate đạt 0,13kgNO3 - -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 bốkết 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 trungbình ổn định đo được 0,6 mA

Năm 2016, nhóm của Trần Nguyễn Hoàng Phương đã có công bố kết quảnghiên 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 hìnhMFC 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 hợpcủa các nguồn đó Sau khi nuôi tăng sinh, MFC với nguồn vi sinh vật đất tự nhiên tạo radòng điện cao hơn và ổn định hơn (0,53 ± 0,03 mA), so với MFC được nuôi cấy với cácnguồn khác Các kết quả từ điện di gel gradient biến tính (DGGE) cho thấy rằng có nhữngthay 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 vềcông nghệ MFC và các nghiên cứu được liệt kê trong luận văn này là một trong sốcác nghiên cứu điển hình nhất về ứng dụng của MFC Tuy nhiên, các nghiên cứu vềcông nghệ MFC ở Việt Nam vẫn còn hạn chế và chưa được công bố nhiều Chính vìvậy mà việc lựa chọn nghiên cứu công nghệ MFC tại Việt Nam cũng đang là hướngnghiên cứu mới và thông qua kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm sáng tỏ hơn vềtính ứng dụng của công nghệ MFC tại Việt Nam

6

1.1.3 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 trìnhchuyển hóa sinh học của chất hữu cơ thành điện năng Hệ phản ứng này không phátsinh 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 vàelectron cũng như proton được tạo ra; (2) một buồng cathode nơi mà các electron vàproton 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 cácelectron chuyển qua mạch điện bên ngoài và tạo thành phản ứng khử tại cathode

Hình 1.1 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 táchhai khoang anode và cathode, chúng có tác dụng chọn lọc sự di chuyển của protongiữa hai khoang, do đó màng trao đổi ion có thể mà một nhân tố giới hạn nănglượng thu được từ MFC Một số loại màng trao đổi ion chính được sử dụng trong

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.R 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- →

1.1.4 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 Các dạng thiết kế MFC cơ bản bao gồm:

MFC dạng hai ngăn

MFC dạng hai ngăn thường được vận hành ở chế độ theo mẻ (batch mode) với

chất nền xác định như glucose hoặc dung dịch acetate để tạo năng lượng Hiện nay,

8

MFC dạng hai ngăn chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm (Goswami và Mishra,2017) Cấu tạo cơ bản của MFC hai ngăn bao gồm ngăn anode và ngăn cathodeđược liên kết với nhau thông qua màng PEM hoặc cầu muối.

Hình 1.2 Các kiểu hình dạng MFC hai ngăn khác nhau

(A) MFC kiểu chữ H (Logan và ctv, 2006); (B) MFC kiểu khối lập phương (B.H Kim và ctv, 2007); (C) MFC kiểu flat (Min và ctv, 2005); (D) MFC kiểu Miniature

(Ringeisen và ctv, 2006); (E) MFC kiểu ống (He và ctv, 2006)

MFC dạng một ngăn

MFC dạng một ngăn có thiết kế đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí Về mặt cấutạo cơ bản thường chỉ có một ngăn anode mà không cần thiết phải sục khí trong ngăncathode (Goswami và Mishra, 2017) Năm 2002, nhóm của Park đã thiết kế MFC mộtngăn anode hình dạng chữ nhật được nối với cathode không khí (D Park và Zeikus,2002) Năm 2004, Liu và cộng sự đã phát triển MFC có một anode được đặt trong mộtngăn hình trụ bằng nhựa và cathode nằm bên ngoài (H Liu và ctv, 2004)

Hình 1.3 MFC dạng một ngăn với air-cathode

so sánh với năng lượng được tạo ra từ nó Do đó, tiềm năng ứng dụng của MFC dòngchảy ngược là để xử lý nước thải chứ không ứng dụng cho tạo năng lượng

10

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của MFC dạng dòng chảy ngược.

Bảng 1.1 Các chủng vi sinh vật được ứng dụng trong MFC

1 Actinobacillus succinogenes (D.H Park và Zeikus, 2000)

2 Aeromonas hydrophila (Pham và ctv, 2003)

3 Alcaligenes faecalis (Rabaey và ctv, 2004)

4 Clostridium beijerinckii (Niessen và ctv, 2004)

(Niessen và ctv, 2004; D.H Park

5 Clostridium butyricum

và Zeikus, 2000)

6 Desulfovibrio desulfuricans (Ieropoulos và ctv, 2005)

7 Dessulfobulbus propionicus (Holmes và ctv, 2004)

12 Geobacter metallireducens (Min và ctv, 2005)

13 Geobacter sulfurreducens (Reguera và ctv, 2006)

14 Gluconobacter oxydans (Lee và ctv, 2002)

15 Geothrix fermentans (Bond và Lovley, 2005)

19 Proteus mirabilis (Y Choi và ctv, 2003; Thurston

và ctv, 1985)

20 Pseudomonas aeruginosa (Habermann và Pommer, 1991;

Rabaey và ctv, 2004)

23 Shewanella oneidensis (Ringeisen và ctv, 2006)

24 Shewanella oneidensis MR-1, (Biffinger và Ringeisen, 2008)

Shewanella oneidensis DSP 10

25 Shewanella putrefaciens (D Park và Zeikus, 2002)

26 Streptococcus lactis (Vega và Fernández, 1987)

Từ thông tin tóm tắt ở bảng 1.1, có thể thấy rằng chi Geobacter và

Shewanella là các vi khuẩn điện hóa điển hình được tìm thấy trong nhiều hệ thống

MFC Bên cạnh đó, các vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas được phát hiện và khả

năng tương tác của chúng với điện cực thông qua chất truyền điện tử trung gian tựsinh đã được chứng minh Ngoài ra, rất nhiều loài vi khuẩn thông qua nuôi cấy đơnchủng trong MFC đã được chứng minh là có khả năng sinh ra dòng điện

12

MFC hoạt động dựa trên quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Vì vậy, sựphát triển của vi sinh vật trong MFC, nguồn vi sinh vật sử dụng làm giàu và phươngpháp làm giàu đóng một vai trò quan trọng đến hiệu quả hoạt động của MFC Một

số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, những MFC được làm giàu từ nguồn vi sinh vật hỗnhợp có thể cho dòng điện lớn hơn so với làm giàu đơn chủng (Logan và ctv, 2006;Nimje và ctv, 2012) Ngoài ra, các quần xã vi sinh vật khác nhau có thể ảnh hưởngtới điện trở trong của MFC Ví dụ, Vazquez-Larios và ctv (2011) đã công bố vớiMFC làm giàu từ quần xã khử lưu huỳnh có điện trở trong 2.550 Ω, trong khi cácquần xã methanol và quần xã hiếu khí có điện trở trong lần lượt là 6.400 Ω và115.000 Ω Hơn nữa, công suất đầu ra và điều kiện hoạt động của MFC còn bị giớihạn bởi tốc độ sinh trưởng và mối quan hệ của các chủng vi sinh vật trong quần xã

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của MFC

Vật liệu làm điện cực

Vật liệu làm điện cực đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất và chi phícủa pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) Một vật liệu làm điện cực tốt phải có các tínhchất như: (a) tính dẫn điện tốt và điện trở thấp; (b) tính tương thích sinh học mạnh;(c) ổn định hóa học và chống ăn mòn; (d) diện tích bề mặt lớn và (e) đồ bền cơ học(Logan và ctv, 2006) Sử dụng vật liệu điện cực có bản chất là carbon cho anode là phổbiến nhất, vì những vật liệu này có khả năng dẫn điện khá tốt, trơ với các phản

ứng điện hóa và phù hợp với sự phát triển của vi khuẩn (Goswami và Mishra, 2017).Một trong những loại vật liệu sử dụng phổ biến để làm điện cực anode trong MFC là

than chì dạng thanh (thỏi) do tính dẫn điện tốt và ổn định hóa học Nhận địnhnày đã được chứng minh bởi nghiên cứu của nhóm H Liu và ctv (2004) khi nhómnày tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt sau bể lắng trên hệ MFC dạngmột ngăn với 8 điện cực anode làm bằng thanh than chì và điện cực air-cathode Kếtquả ghi nhận được công suất tối đa 26 mW/m2 và loại bỏ được 80% COD Tuynhiên, việc sử dụng thanh than chì bị hạn chế do độ xốp và diện tích bề mặt thấp

13

Chính vì điểm bất lợi của thanh than chì là không phù hợp cho vi sinh vậtphát triển nên vải carbon và giấy carbon trở thành loại vật liệu được sử dụng nhiều

để chế tạo điện cực anode trong MFC Năm 2007, nhóm của Kim và cộng sự đã chếtạo một MFC dạng hai ngăn với điện cực anode bằng giấy carbon và kết quả chomật độ năng lượng đạt 40 mW/m2 (B.H Kim và ctv, 2007) Một nghiên cứu khácđược thực hiện vào năm 2008 bởi Wang và cộng sự đã cho kết quả là mật độ nănglượng tối đa đạt 483 mW/m2 khi nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy bia thông qua

hệ MFC dạng một ngăn sử dụng vải carbon làm điện cực (Wang và ctv, 2008)

Hình 1.5 Các loại vật liệu dùng làm điện cực trong MFC

Ngoài ra, còn các loại vật liệu có bản chất carbon khác cũng được ứng dụng

Ảnh hưởng của nhiệt độ

MFC bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nhiệt độ vì thay đổi nhiệt độ có thể ảnhhưởng đến động học hệ thống, truyền khối (năng lượng hoạt hóa, hệ số truyền khối

và độ dẫn của dung dịch), nhiệt động lực học và sự đa dạng của cộng đồng vi sinhvật (Ahn và Logan, 2010; Behera và ctv, 2011; Cheng và ctv, 2011; Gonzalez delCampo và ctv, 2013) Sự gia tăng nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến chuyển hóa của visinh vật dẫn đến gia tăng mật độ năng lượng Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến điện trởcủa hệ MFC, thông thường, cho thấy một xu hướng tuyến tính với sự giảm điện trởtrong trên MFC với sự gia tăng nhiệt độ (Behera và ctv, 2011; Gonzalez del Campo

và ctv, 2013; L Liu và ctv, 2012). Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn ion tăng và do đóđiện trở giảm (Larrosa-Guerrero và ctv, 2010). Sự hình thành màng sinh học ở cựcanode biểu thị cho hoạt động của hệ vi sinh vật, khi nhiệt độ cao dẫn đến màng sinhhọc ổn định và MFC hoạt động hiệu quả hơn Các nghiên cứu đã cho thấy rằng điệnsinh học sinh ra lớn nhất ở 300C – 450C (Ahn và Logan, 2010; Jadhav vàGhangrekar, 2009; Min và ctv, 2008)

Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ

Tải trọng hữu cơ (OLR) là yếu tố quyết định công suất của MFC Mặc dùmật độ năng lượng và hiệu quả hoạt động của MFC bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ chuyểnđổi cơ chất, OLR có ý nghĩa vai trò kiểm soát chức năng của MFC (Goswami vàMishra, 2017) Năm 2010, nhóm nghiên cứu của Nam và cộng sự đã nghiên cứuMFC xử lý nước thải lên men với hiệu quả tạo ra mật độ năng lượng xấp xỉ 1.884mW/m3, tương đương với khoảng 51,5% lượng thu được từ MFC (3.664 mW/m3)

sử dụng acetate với cùng OLR là 1,92 g/L.d Khi OLR tăng dần lên 3,84 g/L.d, mật

độ năng lượng tăng lên 2.981 mW/m3 MFC nên được vận hành ở OLR tối ưu để cóđược hiệu suất tốt nhất trong việc loại bỏ chất hữu cơ và sản xuất năng lượng Tảitrọng hữu cơ cao có thể xảy ra cạnh tranh của các nhóm vi sinh tạo năng lượng điệnvới các vi sinh vật khác

15

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

Trên cơ sở tổng quan tài liệu, thiết kế và lắp đặt mô hình thí nghiệm với 2 môhình MFC không dùng màng và 2 mô hình MFC có màng Cả 4 mô hình MFC đều

có thông số thiết kế và chế độ vận hành giống nhau, chỉ khác biệt là có PEM vàkhông có PEM

Vật liệu và thông số thiết kế mô hình MFC

Cả 2 dạng mô hình MFC đều được chế tạo bằng ống acrylic trong suốt cóđường kính 100 mm, dài 1000 mm và khoang anode có thể tích hữu ích (workingvolume) là 2 lít Mô tả chi tiết của mô hình MFC có màng và MFC không màngđược thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình MFC có màng CEM (A) và MFC không màng CEM (B)

Vật liệu dùng làm điện cực

Hình 2.2 Điện cực MFC Đặc tính màng trao đổi proton (PEM)

Đối với mô hình MFC có dùng màng trao đổi proton thì 2 khoang anode vàcathode được ngăn cách với nhau bằng màng trao đổi cation Thông tin chi tiết vàđặc tính của màng như sau:

- Tên loại màng: Cation Exchange Membrane – CEM

- Nơi cung cấp: VWR Chemicals

Hình 2.3 Màng trao đổi proton được dùng trong mô hình MFC

Đối với mô hình MFC không dùng màng, sử dụng hạt thủy tinh và bông sợithủy tinh để tạo ngăn cách giữa khoang anode và cathode Các hạt thủy tinh và bôngsợi thủy tinh này giữ vai trò hạn chế sự khuếch tán của oxi từ cathode vào anode.Hình 2.4 thể hiện hạt thủy tinh và bông sợi thủy tinh dùng trong nghiên cứu này

17

Điều kiện và chế độ vận hành thích nghi:

Cả 2 dạng mô hình MFC được vận hành song song và lặp lại 2 lần cho mỗi dạng,tức là 2 mô hình MFC có màng và 2 mô hình MFC không màng Các mô hình MFC đượcvận hành với nguồn nước thải nhân tạo ở nhiệt độ phòng Chế độ vận hành theo mẻ (batchmode) với COD ban đầu = 900 mg/L, thời gian lưu nước HRT = 7,2 giờ Sau thời gian 7ngày, vi sinh vật trong các MFC đã bắt đầu thích nghi tốt, lượng điện sản sinh được theodõi liên tục hằng ngày Năng lượng sinh ra không có nhiều biến động thì được xem là môhình đã hoạt động ổn định và kết thúc quá trình vận hành thích nghi

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm

2.1.2 Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả của mô hình MFC và khả năng xử lý nước

thải nhân tạo

Sau khi vận hành thích nghi ổn định cả 4 mô hình MFC, tiến hành khảo sát và

so sánh hiệu quả xử lý của 4 mô hình MFC với nước thải nhân tạo, đánh giá hiệu quả

xử lý thông qua năng lượng tạo ra và các thông số chất lượng nước sau xử lý Thành

phần của nước thải nhân tạo được sử dụng dựa theo nghiên cứu đã công bố trước đó

(Jadhav và Ghangrekar, 2009) Bảng tính chất nước thải nhân tạo được thể hiện chi

Cả 4 mô hình MFC đều được vận hành song song ở chế độ nạp nước thải liêntục (continuous mode) với lưu lượng Qvào = 5 mL/phút Điều kiện và chế độ vậnhành của 4 mô hình MFC được mô tả chi tiết trong bảng 2.2.

Bảng 2.2 Điều kiện và chế độ vận hành của mô hình MFC

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp tổng quan tài liệu

Phương pháp này sẽ kế thừa các thông tin đã có từ các kết quả nghiên cứucủa các chương trình, đề tài khoa học đã được công bố trên các tạp chí khoa họcchuyên ngành có uy tín trong và ngoài nước Từ đó, tác giả lựa chọn những vấn đềphục vụ cho từng nội dung của đề tài Phương pháp này sẽ được áp dụng trong hầu

2.2.2 Phương pháp phân tích

Phương pháp đo đạc và tính toán năng lượng điện

Hiệu điện thế và cường độ dòng điện được đo bằng thiết bị đo điện chuyên dụngKYORITSU Model 1009 và chuyển đổi thành điện năng theo định luật Ohm: P = IV,trong đó P = điện năng (W), I = cường độ dòng điện (A) và V = hiệu điện thế

(V) Mật độ công suất (mW.m-2) và mật độ dòng điện (mA.m-2) được tính bằngcách chia công suất và dòng điện với diện tích bề mặt anode (m2)

Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu nước

Nước thải được lấy tại dòng ra của mô hình trong cùng thời gian vào buổisáng Sau đó mẫu được phân tích tại Phòng thí nghiệm Công Nghệ Sinh Học, ĐạiHọc Quốc Tế- ĐHQG TP.HCM Các chỉ tiêu COD, NH4 +

-N và TP được phân tíchcách 5 ngày/lần Giá trị pH được đo mỗi ngày trực tiếp tại mô hình

Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu nước thải tại Phòng thí nghiệm CôngNghệ Sinh Học, Đại Học Quốc Tế- ĐHQG TP.HCM đều dựa theo tài liệu “StandardMethods for Examination of Water and Wastewater (23rd Edition)”

Phương pháp phân tích bề mặt điện cực anode

Phân tích bề mặt điện cực anode bằng phương pháp sử dụng Kính hiển viđiện tử quét (SEM) với thiết bị chuyên dụng S-4800, HI-9039-0006, Hitachi (NhậtBản) Phương pháp SEM được sử dụng nhằm xác định hình ảnh đánh giá khả năngphát triển màng sinh học trên bề mặt điện cực anode Sau khi kết thúc quá trình thínghiệm, mẫu điện cực anode được thu thập và gửi về Phòng thí nghiệm Công nghệnano trực thuộc Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu công nghệ cao TP Hồ ChíMinh để tiến hành phân tích đặc điểm bề mặt Về mặt kỹ thuật, mẫu điện cực anode(20 – 40 mm) đã được cố định với 2,5% glutaraldehyd trong 4 giờ ở 400C Các mẫusau đó được rửa sạch 3 lần với nước và làm mất nước bằng cách ngâm liên tiếptrong ethanol với nồng độ tăng dần (30%, 50%, 70%, 80%, 90% và ethanol tuyệtđối) trong 10 phút Sau đó các mẫu được sấy khô, gắn vào cuống mẫu bằng cách sửdụng bột than chì và sau đó mẫu vật được phủ vàng để tiến hành phân tích

21

Phương pháp phân tích vi sinh vật

Metagenomics là sự phân tích DNA đa hệ gen (DNA metagenome) của tất cảcác vi sinh vật thu nhận trực tiếp từ mẫu môi trường tự nhiên Quá trìnhmetagenomics liên quan đến việc phân lập DNA từ một mẫu môi trường tiếp theo làgiải trình tự và phân tích bộ gen Các phương pháp tiếp cận metagenomics đượcnhắm mục tiêu như metagenomics 16S ribosome (16S rRNA), bao gồm các bướcnhư thu thập mẫu, tách chiết DNA, khuếch đại chuỗi phản ứng polymerase 16SrRNA (PCR), tiếp theo là giải trình tự thế hệ mới (NGS) và phân tích trình tự bằngcách sử dụng các công cụ tính toán khác nhau Việc lựa chọn các gen để khuếch đại

là một bước quan trọng của metagenomics Trong hầu hết các nghiên cứu, 16SrRNA giải trình tự gen đã được sử dụng rộng rãi để phân tích đa dạng trong quầnthể vi khuẩn Việc sử dụng rRNA và tầm quan trọng của nó đối với đặc điểm vànghiên cứu sự tiến hóa của vi khuẩn có từ những năm 1970, khi Carl Woese đã mô

tả việc sử dụng trình tự phân tử để xác định các mối quan hệ tiến hóa rRNA hiệndiện trong tất cả hệ thống tự tái tạo, có thể dễ dàng bị phân lập cho phép phát hiện

về mối quan hệ giữa các loài vi khuẩn khác nhau Các 16S rRNA hiện diện phổ biến

ở tất cả các sinh vật nhân sơ và có nhiều vùng phụ, cụ thể là V1 – V9 có thể được sửdụng cho sự phân biệt riêng biệt của các sinh vật nhân sơ khác nhau

Các mẫu vi sinh vật được gửi đi phân tích tại Trung tâm Dịch vụ xét nghiệm

kỹ thuật cao KTEST (Địa chỉ: D5/126 Quốc lộ 50, Ấp 4, Xã Phong Phú, Huyện BìnhChánh, TP HCM) Quy trình phân tích được tiến hành theo mô tả như sau:

Tách chiết DNA

DNA được tách chiết bằng bộ kit mini QIAamp Blood DNA (Qiagen, Đức).Chất lượng và nồng độ DNA được đánh giá bằng máy quang phổ và bộ xét nghiệmQubit dsDNA HS (Life Technologies)

Giải trình tự

thống Illumina (Hoa Kỳ).

Phân tích dữ liệu tin sinh học

Quy trình gồm nhiều công cụ khác nhau phục vụ cho phân tích trình tự 16S.Công cụ DADA2 (Callahan và cs, 2016) dùng để gán biển thể khuếch đại (ampliconsequence variants) và loại bỏ các trình tự chimeric Cho mục đích phân loại sinh vật,phân tích các chỉ số alpha-diversity và beta-diversity, sử dụng Qiime2 (Evan Bolyen

và cs, 2018) với cơ sở dữ liệu phân loại chuyên biệt cho loại mẫu và mục tiêu cụthể Cơ sở dữ liệu GreenGenes hoặc SILVA có thể được dùng cho phân loại vikhuẩn dựa trên 16S

Hình 2.6 Quy trình NGS 2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu thực nghiệm được xử lý và thống kê bởi phần mềm MS Excel 2019,phần mềm SPSS 25 và các phần mềm chuyên dụng khác

2.2.4 Giới hạn của đề tài

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tác giả cũng gặp khá nhiều khó khăn nhưđiều kiện vật chất cũng có hạn chế, một số trang thiết bị thí nghiệm không đảm bảo để

tự tiến hành các thí nghiệm phân tích trong phòng thí nghiệm nên tác giả phải gửi mẫuphân tích dịch vụ Đồng thời, kinh phí để thực hiện đề tài này cũng rất ít, có phần hạnchế khi thực hiện nhiều giai đoạn thí nghiệm khác nhau Đặc biệt, trong thời gian tiếnhành thí nghiệm cũng gặp khó khăn khi phải thực hiện các biện pháp giãn cách xã hộivào đỉnh điểm của đợt dịch Covid-19 Do vậy, đây cũng chính là những khó khăn màtác giả gặp phải trong suốt quá trình thực hiện luận văn

23

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

Hình 3.1 thể hiện sự thay đổi pH ở khoang cathode của 2 hệ thống MFC cómàng trong suốt thời gian vận hành với 4 mức tải trọng khác nhau Nhìn chung, qua 50ngày tiến hành thí nghiệm thì sự thay đổi pH ở mô hình MFC có màng 1 và MFC cómàng 2 lần lượt tương ứng là 7,5 – 11,6 và 6,6 – 10,8 Ở tải trọng OLR 1, pH của cả hai

mô hình MFC đều không có sự thay đổi quá nhiều, mức dao động từ 9,08 – 11,6 Tuynhiên, khi chuyển sang tải trọng OLR 2 thì pH của cả 2 mô hình MFC đều có sự thayđổi không ổn định Ở mô hình MFC có màng 1 cho thấy sự mất ổn định về pH rất rõ vàgiảm xuống mức 7,5; 9,3 và 7,6 vào lần lượt các ngày thứ 18, 23 và

27 Ở mô hình MFC có màng 2, giá trị pH cũng giảm mạnh vào những ngày thứ 18

và 24 với mức pH giảm xuống lần lượt tương ứng 6,82 và 7,48 Mặt khác, giá trị pHkhông tăng trở lại khi khảo sát với mức tải trọng OLR 3 và OLR 4 ở cả 2 mô hìnhMFC có màng, pH lúc này dao động vào khoảng 7,6 – 10,3 và 6,6 – 9,8 tương ứng

ở mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2 Thực hiện kiểm định t-test trênSPSS, kết quả cho thấy có sự khác biệt thống kê (p < 0,05) về giá trị pH của 2 môhình MFC có màng 1 và MFC có màng 2 Sự khác biệt về pH giữa 2 mô hình MFC

có màng có thể là do sự ảnh hưởng từ nồng độ dung dịch đệm PBS được bổ sungthường xuyên vào khoang cathode nhằm duy trì sự ổn định pH

Hình 3.1 Sự thay đổi pH của MFC có màng

Sự thay đổi pH ở khoang cathode của 2 hệ thống MFC không màng được thểhiện ở biểu đồ hình 3.2 Nhìn chung, qua 50 ngày tiến hành thí nghiệm với 4 mứctải trọng khác nhau thì sự thay đổi pH ở mô hình MFC không màng 1 và MFCkhông màng 2 lần lượt tương ứng là 7,1 – 11,1 và 7,2 – 11,4 Ở tải trọng OLR 1, pHcủa cả hai mô hình MFC không màng đều không có sự thay đổi quá nhiều và mứcdao động từ 9,5 – 11,4 Tương tự như ở mô hình MFC có màng, khi khảo sát vớimức tải trọng OLR 2, giá trị pH ở cả 2 mô hình MFC không màng đều có xu hướnggiảm mạnh và mất ổn định Tuy nhiên, khi chuyển sang khảo sát ở mức tải trọngOLR 3 và OLR 4 thì giá trị pH có xu hướng thấp hơn so với giá trị pH ở mức OLR1

và cũng không có nhiều biến động Cụ thể, ở mô hình MFC không màng 1, giá trị

pH dao động trong khoảng 7,1 – 9,2 và dao động trong khoảng 7,2 – 8,7 ở mô hìnhMFC không màng 2 Thực hiện kiểm định t-test trên SPSS, kết quả cho thấy không

có sự khác biệt thống kê (p > 0,05) về giá trị pH của 2 mô hình MFC không màng 1

và MFC không màng 2

25