Luận án TS: Xử lý C, N đồng thời, thu hồi năng lượng từ nước thải bằng hệ MFC

Pin nhiên liệu vi sinh (MFC) sử dụng hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật. Các vi sinh vật này phân hủy chất hữu cơ. Chúng giải phóng electron, tạo ra dòng điện. Quá trình này diễn ra trong các điện cực MFC. Anode là nơi vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ. Cathode là nơi electron kết hợp với chất nhận electron. Việc này tạo ra một dòng điện liên tục. Công nghệ này hứa hẹn xử lý nhiều loại nước thải. Các loại nước thải này bao gồm nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. MFC không chỉ làm sạch nước thải. Chúng còn tạo ra năng lượng tái tạo. Điều này làm cho MFC trở thành một công nghệ bền vững. Nó có tiềm năng cách mạng hóa ngành xử lý nước.

Thu hồi năng lượng nước thải thông qua MFC mang lại nhiều lợi ích. Lợi ích chính là sản xuất điện sinh học. Năng lượng này được tạo ra trực tiếp từ chất hữu cơ trong nước thải. Điều này giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nó cũng giảm lượng khí thải nhà kính. Xử lý nước thải bằng MFC giúp giảm đáng kể COD (nhu cầu oxy hóa học). Việc này cải thiện chất lượng nước thải đầu ra. Điện sinh học được tạo ra có thể dùng để cung cấp năng lượng cho chính hệ thống xử lý. Hoặc điện này có thể hòa vào lưới điện. Đây là một bước tiến lớn trong công nghệ môi trường. Nó kết hợp xử lý ô nhiễm với sản xuất năng lượng sạch.

Loại bỏ nitơ thường đòi hỏi các điều kiện oxy hóa và khử khác nhau. Quá trình này có thể cạnh tranh với quá trình sản xuất điện trong MFC. Ví dụ, quá trình nitrat hóa cần oxy. Quá trình này có thể làm giảm lượng oxy có sẵn cho cathode. Việc này ảnh hưởng đến hiệu suất điện sinh học. Quá trình khử nitrat hóa cần nguồn carbon. Nguồn carbon này có thể bị cạnh tranh bởi vi sinh vật tạo điện. Sự cạnh tranh này làm giảm lượng chất hữu cơ sẵn có cho anode. Do đó, sản lượng điện giảm. Việc này đặt ra thách thức cho công nghệ môi trường. Cần phát triển các hệ thống tích hợp hiệu quả hơn. Mục tiêu là xử lý nitơ mà không ảnh hưởng lớn đến thu hồi năng lượng.

Xử lý nước thải yêu cầu khử COD hiệu quả. Đồng thời, cần loại bỏ nitơ triệt để. Trong một hệ thống MFC đơn lẻ, việc cân bằng hai mục tiêu này rất khó. Các điều kiện tối ưu cho khử COD có thể không phù hợp cho loại bỏ nitơ. Ví dụ, nồng độ oxy cao có thể tăng cường khử COD hiếu khí. Nhưng nó lại ức chế quá trình khử nitrat hóa kỵ khí. Ngược lại, điều kiện kỵ khí tốt cho sản xuất điện. Nhưng nó lại không đủ oxy cho nitrat hóa. Cần có một thiết kế hệ thống linh hoạt. Thiết kế này có thể cung cấp các môi trường khác nhau. Điều này cho phép mỗi quá trình diễn ra hiệu quả.

Điện trở ngoài (ER) là một yếu tố quan trọng trong thiết kế MFC. ER ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ dòng điện và công suất. Một giá trị ER thấp tạo ra dòng điện cao. Điều này có thể thúc đẩy các phản ứng sinh học nhất định. Một giá trị ER cao có thể tối ưu hóa công suất. Tuy nhiên, việc tìm một giá trị ER duy nhất là khó khăn. Giá trị này cần tối ưu hóa cả quá trình loại bỏ nitơ và thu hồi năng lượng. Việc lựa chọn ER sai có thể làm giảm hiệu quả toàn hệ thống. Nghiên cứu này tìm cách giải quyết vấn đề đó. Nó sử dụng một hệ thống MFC ghép nối. Hệ thống này có thể điều chỉnh ER cho từng buồng. Điều này cho phép tối ưu hóa riêng biệt cho từng mục tiêu.

Hệ thống MFC được thiết kế với bốn buồng. Các buồng này hoạt động theo mẻ tuần tự. Điều này cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện phản ứng. Nước thải chảy qua các buồng theo một trình tự. Mỗi buồng được tối ưu hóa cho một giai đoạn xử lý cụ thể. Thiết kế này giúp giải quyết vấn đề cạnh tranh phản ứng. Vấn đề này thường xảy ra trong MFC một buồng. Cấu trúc bốn buồng cung cấp sự linh hoạt. Nó điều chỉnh các điều kiện như nồng độ oxy hòa tan và tỷ lệ COD/N. Điều này đảm bảo hiệu suất cao. Cả trong loại bỏ nitơ và thu hồi năng lượng. Các điện cực MFC được đặt trong mỗi buồng. Chúng tối ưu hóa quá trình điện sinh học.

Hệ thống ghép nối bao gồm hai MFC chính. N-MFC là MFC đầu tiên. Nó chịu trách nhiệm sản xuất điện từ carbon hữu cơ. Đồng thời, nó thực hiện oxy hóa amoni trong nước thải đầu vào. Điện trở ngoài (ER) của N-MFC được đặt gần với điện trở trong của nó. Điều này tối ưu hóa việc tạo ra điện năng. D-MFC là MFC thứ hai. ER của D-MFC được đặt ở giá trị nhỏ (10 Ω). Mục tiêu là tạo ra mật độ dòng điện cao. Dòng điện cao này tạo điều kiện thuận lợi cho loại bỏ nitơ. Đặc biệt là quá trình khử nitrat hóa. Quá trình này cần carbon tối thiểu. Sự phân tách chức năng này giúp tối ưu hóa từng bước. Nó nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống xử lý nước thải.

Mỗi buồng trong hệ MFC ghép nối được tối ưu hóa. Các điều kiện được điều chỉnh cho mục tiêu cụ thể. Trong N-MFC, mục tiêu là tối đa hóa sản xuất điện và oxy hóa amoni. Điều này liên quan đến việc kiểm soát nồng độ chất hữu cơ. Trong D-MFC, mục tiêu là loại bỏ nitơ. Đặc biệt là khử nitrat hóa. Điều này đòi hỏi mật độ dòng điện cao và nguồn carbon tối thiểu. Hệ thống cũng đánh giá hiệu quả khuếch tán amoni qua màng trao đổi cation (CEM). Các điều kiện về tỷ lệ COD/N cũng được nghiên cứu. Việc tối ưu hóa này đảm bảo rằng các quá trình diễn ra song song. Kết quả là xử lý hiệu quả và thu hồi năng lượng.

Chế độ vận hành thứ nhất: nước thải được chuyển từ buồng anode N-MFC sang buồng cathode N-MFC. Sau đó, nó đi đến buồng anode D-MFC và cuối cùng là buồng cathode D-MFC. Chế độ thứ hai và thứ ba: nước thải được cấp vào buồng anode của N-MFC. Đầu ra của N-MFC được chuyển đến D-MFC (theo thứ tự từ buồng anode sang anode, từ buồng cathode sang cathode). Nước thải đầu ra của buồng cathode D-MFC là nước thải cuối cùng của hệ thống. Đầu ra của buồng anode D-MFC quay trở lại buồng cathode của N-MFC. Sự khác biệt giữa chế độ thứ hai và thứ ba nằm ở nồng độ oxy hòa tan (DO). DO được kiểm soát trong buồng cathode của N-MFC. Mục tiêu là kiểm soát quá trình nitrat hóa.

Các chế độ vận hành khác nhau tạo ra sự thay đổi đáng kể. Đặc biệt là trong đường đi của nước thải và điều kiện môi trường. Trong chế độ thứ nhất, dòng chảy thẳng qua bốn buồng. Chế độ thứ hai và thứ ba có vòng lặp nội bộ. Đầu ra từ buồng anode D-MFC quay lại buồng cathode N-MFC. Điều này tạo điều kiện cho tái sử dụng chất dinh dưỡng hoặc nguồn carbon. Sự kiểm soát DO trong buồng cathode của N-MFC là yếu tố quan trọng. Nó ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa. Nitrat hóa là bước đầu tiên trong loại bỏ nitơ. Điều chỉnh DO cho phép tối ưu hóa quá trình này. Đồng thời, nó duy trì hiệu suất sản xuất điện sinh học.

Nghiên cứu này cũng đánh giá các yếu tố kỹ thuật quan trọng. Đó là khả năng khuếch tán amoni qua màng trao đổi cation (CEM) trong N-MFC. Hiệu suất khuếch tán ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa amoni. Đồng thời, nó tác động đến nồng độ amoni cho các buồng tiếp theo. Hiệu suất Coulomb của hệ thống cũng được đánh giá. Hiệu suất Coulomb đo lường phần trăm electron thu được từ chất hữu cơ. Giá trị này phản ánh hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong các điện cực MFC. Việc đánh giá kỹ lưỡng các thông số này cung cấp cái nhìn sâu sắc. Nó giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của Pin nhiên liệu vi sinh. Từ đó, cải thiện thiết kế và vận hành.

Trong N-MFC, chế độ vận hành thứ hai tạo ra nhiều điện năng hơn. Chế độ này đã khắc phục được những hạn chế của chế độ thứ nhất. Những hạn chế đó đã cản trở quá trình sản xuất điện. Nói chung, công suất phát điện giảm khi nồng độ oxy hòa tan (DO) tại cathode tăng. Điều này do oxy cạnh tranh với chất nhận electron khác. Việc tối ưu hóa DO tại cathode là rất quan trọng. Nó giúp cân bằng giữa nitrat hóa và sản xuất điện. Nghiên cứu đã tìm ra các điều kiện tối ưu. Các điều kiện này cho phép cả oxy hóa amoni và thu hồi năng lượng nước thải diễn ra hiệu quả.

Trong D-MFC, hiệu quả loại bỏ nitơ đã được đánh giá. Tỷ lệ COD/N đầu vào đóng vai trò quan trọng. Một tỷ lệ COD/N phù hợp là cần thiết. Điều này hỗ trợ quá trình khử nitrat hóa. Mật độ dòng điện cao trong D-MFC (nhờ ER nhỏ) cũng thúc đẩy quá trình này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kiểm soát nguồn carbon là rất quan trọng. Nó đảm bảo loại bỏ nitơ hiệu quả. Đồng thời, nó ngăn chặn sự lãng phí carbon. Việc này ảnh hưởng đến thu hồi năng lượng. Các kết quả này cung cấp hướng dẫn. Hướng dẫn này giúp thiết kế các hệ thống MFC hiệu quả hơn. Mục tiêu là xử lý nước thải chứa nitơ.

Nghiên cứu cũng đánh giá tỷ lệ khử nitrat hóa tự dưỡng. Quá trình này diễn ra trong buồng cathode của D-MFC. Khử nitrat hóa tự dưỡng là một con đường tiềm năng. Nó giúp loại bỏ nitơ mà không cần nguồn carbon hữu cơ bổ sung. Điều này làm tăng tính bền vững của hệ thống. Hiệu suất Coulomb tổng thể của hệ thống cũng được đánh giá. Nó phản ánh hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Các kết quả cho thấy Pin nhiên liệu vi sinh ghép nối có tiềm năng lớn. Nó có thể xử lý đồng thời C, N và thu hồi năng lượng. Đây là một công nghệ môi trường bền vững. Nó có thể ứng dụng trong xử lý nước thải cho nhiều loại nước thải.