BỘ 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


BỘ 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


4. Phản biện 2:

......................................................................................
......................................................................................

5. Ủy viên:

......................................................................................
......................................................................................

i


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 Cơng nghệ sinh học hệ chính quy tại Đại học Quốc
Tế, Đại học Quốc gia TP.HCM.
Q trình cơng tác:
- 10/2016- 04/2017: Kỹ thuật viên phịng thí nghiệm tại Cơng ty TNHH
Bureau Veritas CPS Việt Nam
- 05/2017- 07/2018: Kỹ thuật viên phịng thí nghiệm tại Cơng 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 Nơng Lâm TP. Hồ Chí Minh.
Địa chỉ liên lạc: 68/60 Hùng Vương, Phường 2, TP. Tân An, tỉnh Long An.

cùng 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
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 khơng 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 mơ hình
MFCs được chế tạo bằng ống acrylic trong suốt có đường kính 100 mm, dài 1000
mm. Các mơ 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 mơ hình MFC có
màng dao động trong khoảng 17,8 – 721 mV, còn đối với mơ hình MFC khơng màng
dao động trong khoảng 6,8 – 697 mV, giá trị OCV của mơ hình MFC có màng ổn
định hơn so với MFC không màng. Hiệu quả xử lý COD của mơ 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 mơ hình MFC khơng màng ổn định hơn MFC
có màng. Hiệu quả loại bỏ NH4+-N của mơ hình MFC có màng đạt trung bình 46,3 ±
0,1%; đối với mơ hình MFC khơng 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 mơ
hình MFC có màng đạt trung bình 87,8 ± 0,3%; đối với mơ hình MFC khơng màng
đạt trung bình 93,5 ± 0,3%, hiệu quả xử lý TP của MFC khơng 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

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.

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 cơng nghệ pin nhiên liệu vi sinh
vật (MFC) .......................................................................................................4
1.1.2. Một số nghiên cứu điển hình về cơng 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

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)

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)

Hình 3.1. Sự thay đổi pH của MFC có màng ...........................................................25
Hình 3.2. Sự thay đổi pH của MFC khơng màng .....................................................26
Hình 3.3. Cường độ dịng điện của mơ 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 dịng điện của mơ hình MFC khơng 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 khơng 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 mơ 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 mơ hình MFC khơng màng: ...............38
Hình 3.12. Hiệu quả loại bỏ TP của mơ 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 mơ hình MFC không màng: a) MFC không màng
1 và b) MFC khơng 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 mơ hình MFC ...........................................................................................44


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 mơi trường. Các
q 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 thơi 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 cơng 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). Cơng nghệ
MFC cịn liên quan đến q 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 vơ 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

1


và 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 cịn 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

điện cực Anode, Cathode và màng trao đổi proton.
Hệ MFC không dùng màng: Mơ hình MFC được thiết kế với 2 phần chính
gồm điện cực Anode và Cathode, khơng 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. Hồ
Chí Minh) trên mơ hình quy mơ phịng thí nghiệm.

4. Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
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 năng
lượng. Áp dụng công nghệ mới dễ dàng chế tạo trong nước và tiết kiệm năng lượng
cho 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 cơng
nghệ MFC có màng và khơng có màng được xem như công nghệ mới tại thời điểm
hiện tại.

3


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 sinh
vật để phân giải chất hữu cơ và tạo ra dòng điện. Nghiên cứu sớm nhất về việc sử
dụng 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

đạt 1,4 mA. Cường độ dòng điện đạt cao nhất khi pH trong khoang anode đạt mức
6.5, chất nền được loại bỏ và cường độ dịng điện tạo ra có mối liên hệ tuyến 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 bởi
lớp 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 tăng hiệu
suất của MFC bằng cách thay thế màng CEM mới.
Năm 2015, nhóm của Kim và cộng sự cũng có cơng bố về việc kết hợp q
trình 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 q trình phân hủy kỵ khí đạt 80,5% và tiếp tục qua MFC thì giảm được
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
về ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến sản sinh năng lượng của hệ MFC kỵ khí dịng
chảy ngược xử lý nước thải sản xuất bơng y tế (Tamilarasan và ctv, 2017). Theo đó,
ở mức tải trọng hữu cơ 1,9 gCOD/L.d hiệu quả xử lý tCOD và sCOD lần lượt đạt
78,8% và 69%. Mật độ năng lượng đạt được cao nhất là 2,2 W/m3.

5


Năm 2020, nhóm Vijay và cộng sự cũng cơng bố một nghiên cứu về khả năng
ứng dụng công nghệ MFC để loại bỏ đồng thời uranium và nitrate trong khi vẫn tạo
ra năng lượng điện (Vijay và ctv, 2020). Kết quả cho thấy tốc độ loại bỏ nitrate đạt
0,13 kgNO3- -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

sinh 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 ơxi hóa bởi vi sinh vật và electron
cũng như proton được tạo ra; (2) một buồng cathode nơi mà các electron và proton
được tiêu thụ, kết hợp với ôxy tạo thành nước; (3) một màng trao đổi proton (PEM)
có vai trị vận chuyển proton từ buồng anode đến cathode, kết hợp với các electron
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 tách
hai khoang anode và cathode, chúng có tác dụng chọn lọc sự di chuyển của proton
giữa hai khoang, do đó màng trao đổi ion có thể mà một nhân tố giới hạn năng lượng
thu được từ MFC. Một số loại màng trao đổi ion chính được sử dụng trong các hệ
thống MFC như màng trao đổi cation (CEM), màng trao đổi anion (AEM), màng
phân cực (BPM) (B.H. Kim và ctv, 2007; Rozendal và ctv, 2008; X. Zhang và ctv,
2010).
Màng trao đổi cation (CEM) đã được phát triển từ việc sử dụng trong hệ thống

7


pin hydrogen và nó đã được tối ưu hóa nhằm tạo ra sự ổn định cho mơi 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


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 cathode được
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 cấu
tạo cơ bản thường chỉ có một ngăn anode mà khơng cần thiết phải sục khí trong ngăn
cathode (Goswami và Mishra, 2017). Năm 2002, nhóm của Park đã thiết kế MFC một
ngăn anode hình dạng chữ nhật được nối với cathode khơng khí (D. Park và Zeikus,
2002). Năm 2004, Liu và cộng sự đã phát triển MFC có một anode được đặt trong
một ngăn hình trụ bằng nhựa và cathode nằm bên ngoài (H. Liu và ctv, 2004).

9


Hình 1.3. MFC dạng một ngăn với air-cathode
(Nguồn: Liu và ctv, 2004)
MFC dạng dòng chảy ngược
Trong thiết kế MFC dòng chảy ngược, nước thải (chất nền) được bơm vào hệ
thống từ đáy và dòng nước thải ra khỏi hệ thống từ trên xuống và nó hoạt động ở chế
độ liên tục (Du và ctv, 2007). Năm 2004, nhóm nghiên cứu của Jang đã thiết kế một
MFC dịng chảy ngược khơng có màng trao đổi proton (Jang và ctv, 2004). MFC là
hình ống có tổng chiều cao 100 cm và đường kính 10 cm và được làm bằng nhựa
polyacrylic, điện cực làm bằng than chì. Ngăn cách giữa anode và cathode là các lớp
hạt thủy tinh và bông thủy tinh. Thiết kế MFC dạng dịng chảy ngược có ưu điểm là