Luận văn Thạc sĩ 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

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 NƠNG 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 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: Chủ tịch: Thư ký: Phản biện 1: Phản biện 2: Ủy viên: i LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên Nguyễn Anh Đào, sinh ngày 19 tháng 02 năm 1994 Thành phố Tân An, tỉnh Long An Tốt nghiệp THPT Trường trung học phổ thông Tân An, tỉnh Long An năm 2012 Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ sinh học hệ quy Đại học Quốc Tế, Đại học Quốc gia TP.HCM Q trình cơng tác: - 10/2016- 04/2017: Kỹ thuật viên phịng thí nghiệm Cơng ty TNHH Bureau Veritas CPS Việt Nam - 05/2017- 07/2018: Kỹ thuật viên phịng thí nghiệm Cơng ty TNHH Fiti Testing & Research Institute Việt Nam - 09/2018- 07/2019: Sinh viên trao đổi ERASMUS Đại học Trier, Đức Tháng 05 năm 2017 theo học Cao học ngành Kỹ thuật môi trường trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Địa 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 cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Thủ Đức, ngày 17 tháng 08 năm 2020 Học viên Nguyễn Anh Đào iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô Khoa Môi Trường Tài nguyên – Trường Đại học Nơng Lâm Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, truyền đạt tri thức quý báu giúp tơi hồn thành chương trình học Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến PGS.TS Phạm Thị Hoa, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cán Phịng thí nghiệm Cơng nghệ sinh học, Trường Đại học Quốc tế (ĐHQG TP.HCM), bạn lớp Cao học Kỹ thuật môi trường K2017 (Đại học Nông Lâm TP.HCM), bạn sinh viên ngành Kỹ thuật môi trường (ĐH Nông Lâm TP.HCM) bạn sinh viên Bộ môn Công nghệ sinh học (Đại học Quốc Tế, ĐHQG TP.HCM) nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi q trình thực thí nghiệm Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ, đồng hành suốt thời gian học tập, nghiên cứu vừa qua NGUYỄN ANH ĐÀO iv TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiệu xử lý nước thải hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không dùng màng so với hệ pin nhiên liệu vi sinh vật dùng màng” tiến hành 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 nghiên cứu xây dựng đánh giá hiệu hệ MFC không màng so với hệ MFC có màng dựa vào khả sản sinh lượng, đồng thời với loại bỏ chất hữu cơ, nitơ photpho Cả hai mơ hình MFCs chế tạo ống acrylic suốt có đường kính 100 mm, dài 1000 mm Các mơ hình thí nghiệm bố trí vận hành song song với nguồn nước thải nhân tạo Kết nghiên cứu cho thấy: Hiệu điện hở mạch mơ hình MFC có màng dao động khoảng 17,8 – 721 mV, cịn mơ hình MFC khơng màng dao động khoảng 6,8 – 697 mV, giá trị OCV mơ hình MFC có màng ổn định so với MFC không màng Hiệu xử lý COD mơ hình MFC có màng qua tải trọng hữu khác đạt 63,2 ± 21,5%; MFC không màng đạt 67,1 ± 10,9%, hiệu xuất xử lý COD mơ hình MFC khơng màng ổn định MFC có màng Hiệu loại bỏ NH4+-N mơ hình MFC có màng đạt trung bình 46,3 ± 0,1%; mơ hình MFC khơng màng đạt trung bình 33,3 ± 1,8%, hiệu xử lý NH4+-N MFC có màng cao MFC khơng màng Hiệu xử lý TP mơ hình MFC có màng đạt trung bình 87,8 ± 0,3%; mơ hình MFC khơng màng đạt trung bình 93,5 ± 0,3%, hiệu xử lý TP MFC không màng cao MFC có màng Tải trọng hữu có ảnh hưởng đến hiệu hoạt động MFC mức tải trọng cao khả loại bỏ COD giảm dần, mặc dù không ảnh hưởng đến hiệu lượng tạo Bên cạnh đó, đánh giá hình thành phát triển vi sinh vật hệ MFC xác định chi Rhodopseudomonas chiếm ưu quần xã MFC Nhìn chung, qua giai đoạn thí nghiệm, mơ hình đạt mục tiêu nghiên cứu đề v ABSTRACT 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 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 Chương 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 phát triển cơng nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) .4 1.1.2 Một số nghiên cứu điển hình cơng nghệ MFC 1.1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động MFC 1.1.4 Các dạng thiết kế MFC 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 hệ MFC 11 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động MFC 13 Chương 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 vận hành thích nghi .16 vii 2.1.2 Nội dung 2: Đánh giá hiệu mô hình MFC khả 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 đề tài 23 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1 HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MƠ 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 hở mạch (OCV) 29 3.1.4 Mật độ công suất 32 3.1.5 Hiệu loại bỏ COD 33 3.1.6 Hiệu loại bỏ Ammonium 36 3.1.7 Hiệu loại bỏ TP .38 3.2 SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VI SINH VẬT 42 3.2.1 Màng sinh học hình thành bề mặt điện cực anode 42 3.2.2 Cộng đồng vi khuẩn hình thành bề mặt điện cực anode 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC .56 viii Không màng Không màng -1.39140* -0.24700 -0.09440 -1.29700* -0.15260 0.09440 Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng 0.22663 0.22663 0.22663 0.22663 0.22663 0.22663 0.000 0.277 0.677 0.000 0.502 0.677 -1.8384 -0.6940 -0.5414 -1.7440 -0.5996 -0.3526 Multiple Comparisons Dependent Variable: Giá trị pH LSD 95% Confidence Interval Upper Bound 1.5914 1.8384 1.7440 -0.6974 0.6940 0.5996 -0.9444 0.2000 0.3526 -0.8500 0.2944 0.5414 (I) Mơ hình MFC Có màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng * The mean difference is significant at the 0.05 level 2.2 Kiểm định Oneway Anova Post Hoc hiệu điện Oneway Descriptives Hiệu điện N Có màng Có màng Không màng Không màng Total 50 50 50 50 200 Mean 107.5551 567.4264 277.6834 551.3442 376.0023 Std Deviation 85.31510 90.86516 230.69625 137.50676 243.00734 Std Error 12.06538 12.85027 32.62538 19.44639 17.18321 95% Confidence Interval for Mean Lower Bound Upper Bound 83.3088 131.8013 541.6028 593.2500 212.1203 343.2465 512.2652 590.4232 342.1177 409.8868 Descriptives Hiệu điện Minimum Có màng Có màng Không màng Không màng Total Maximum 17.76 305.80 6.78 102.20 6.78 334.23 721.00 696.00 697.00 721.00 Test of Homogeneity of Variances Hiệu điện Based on Mean Based on Median Based on Median and with adjusted df Based on trimmed mean Levene Statistic 37.999 23.493 23.493 35.614 62 df1 3 df2 196 196 149.646 Sig .000 000 000 196 000 ANOVA Hiệu điện Between Groups Within Groups Sum of Squares 7455924.685 4295536.607 Total 11751461.291 df Mean Square 2485308.228 21916.003 196 F 113.402 Sig .000 199 Robust Tests of Equality of Means Hiệu điện Welch Statistica 263.769 df1 df2 104.854 Sig .000 a Asymptotically F distributed Post Hoc Tests Multiple Comparisons Dependent Variable: Hiệu điện Tamhane (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Không màng Mean Difference (I-J) -459.87134* -170.12834* -443.78914* 459.87134* 289.74300* 16.08220 170.12834* -289.74300* -273.66080* 443.78914* -16.08220 273.66080* Std Error 17.62677 34.78489 22.88527 17.62677 35.06486 23.30862 34.78489 35.06486 37.98128 22.88527 23.30862 37.98128 Sig .000 000 000 000 000 983 000 000 000 000 983 000 95% Confidence Interval Lower Bound -507.2072 -264.6542 -505.4917 412.5355 194.5389 -46.7055 75.6025 -384.9471 -376.1263 382.0866 -78.8699 171.1953 Multiple Comparisons Dependent Variable: Hiệu điện Tamhane (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng * The mean difference is significant at the 0.05 level 63 95% Confidence Interval Upper Bound -412.5355 -75.6025 -382.0866 507.2072 384.9471 78.8699 264.6542 -194.5389 -171.1953 505.4917 46.7055 376.1263 2.3 Kiểm định Oneway Anova Post Hoc hiệu điện Oneway Descriptives Nồng độ COD N Có màng Có màng Khơng màng Không màng Total 11 11 11 11 44 Mean 61.9364 62.3182 66.8182 67.1818 64.5636 Std Deviation 22.49077 22.55987 11.47979 11.49607 17.42091 95% Confidence Interval for Mean Lower Bound Upper Bound 46.8269 77.0459 47.1623 77.4741 59.1060 74.5304 59.4587 74.9050 59.2672 69.8601 Std Error 6.78122 6.80206 3.46129 3.46620 2.62630 Descriptives Nồng độ COD Minimum Có màng Có màng Khơng màng Không màng Total Maximum 3.10 3.30 36.50 36.70 3.10 81.10 82.20 75.00 75.30 82.20 Test of Homogeneity of Variances Nồng độ COD Based on Mean Based on Median Based on Median and with adjusted df Based on trimmed mean Levene Statistic 1.148 591 591 df1 df2 879 3 40 40 29.882 Sig .341 625 626 40 460 ANOVA Nồng độ COD Between Groups Within Groups Total Sum of Squares 262.707 12787.275 13049.982 df 40 Mean Square 87.569 319.682 F 274 Sig .844 43 Post Hoc Tests Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ COD LSD (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Không màng Mean Difference (I-J) -.38182 -4.88182 -5.24545 38182 -4.50000 -4.86364 4.88182 4.50000 -.36364 64 Std Error 7.62391 7.62391 7.62391 7.62391 7.62391 7.62391 7.62391 7.62391 7.62391 Sig .960 526 495 960 558 527 526 558 962 95% Confidence Interval Lower Bound -15.7903 -20.2903 -20.6539 -15.0267 -19.9085 -20.2721 -10.5267 -10.9085 -15.7721 Khơng màng Có màng Có màng Không màng 5.24545 4.86364 36364 7.62391 7.62391 7.62391 495 527 962 -10.1630 -10.5449 -15.0449 Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ COD LSD (I) Mơ hình MFC Có màng 95% Confidence Interval Upper Bound 15.0267 10.5267 10.1630 15.7903 10.9085 10.5449 20.2903 19.9085 15.0449 20.6539 20.2721 15.7721 (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Không màng Không màng 2.4 Kiểm định Oneway Anova Post Hoc nồng độ Ammonium Oneway Descriptives Nồng độ Ammonium N Có màng Có màng Không màng Không màng Total 11 11 11 11 44 Mean 46.2364 46.3091 33.2818 33.2818 39.7773 Std Deviation 15015 12210 1.88829 1.88829 6.69626 Std Error 04527 03682 56934 56934 1.00950 95% Confidence Interval for Mean Lower Bound Upper Bound 46.1355 46.3372 46.2271 46.3911 32.0132 34.5504 32.0132 34.5504 37.7414 41.8131 Descriptives Nồng độ Ammonium Minimum Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Total Maximum 45.90 46.00 29.80 29.80 29.80 46.40 46.40 35.70 35.70 46.40 Test of Homogeneity of Variances Nồng độ Ammonium Based on Mean Based on Median Based on Median and with adjusted df Based on trimmed mean 65 Levene Statistic 11.405 9.876 9.876 12.175 df1 3 df2 40 40 20.355 Sig .000 000 000 40 000 ANOVA Nồng độ Ammonium Between Groups Within Groups Sum of Squares 1856.430 71.687 Total df Mean Square 618.810 1.792 40 1928.117 F 345.283 Sig .000 43 Robust Tests of Equality of Means Nồng độ Ammonium Welch Statistica 324.497 df1 df2 19.876 Sig .000 a Asymptotically F distributed Post Hoc Tests Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ Ammonium Tamhane (I) Mô hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Không màng Mean Difference (I-J) -.07273 12.95455* 12.95455* 07273 13.02727* 13.02727* -12.95455* -13.02727* 00000 -12.95455* -13.02727* 00000 Std Error 05835 57114 57114 05835 57053 57053 57114 57053 80517 57114 57053 80517 Sig .788 000 000 788 000 000 000 000 1.000 000 000 1.000 95% Confidence Interval Lower Bound -.2437 11.0956 11.0956 -.0983 11.1685 11.1685 -14.8135 -14.8860 -2.3492 -14.8135 -14.8860 -2.3492 Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ Ammonium Tamhane (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng * The mean difference is significant at the 0.05 level 66 95% Confidence Interval Upper Bound 0983 14.8135 14.8135 2437 14.8860 14.8860 -11.0956 -11.1685 2.3492 -11.0956 -11.1685 2.3492 2.5 Kiểm định Oneway Anova Post Hoc nồng độ TP Oneway Descriptives Nồng độ TP N Có màng Có màng Khơng màng Không màng Total 11 11 11 11 44 Mean 87.3727 87.7545 92.8182 93.5273 90.3682 Std Deviation 35239 26595 53258 27236 2.87400 95% Confidence Interval for Mean Lower Bound Upper Bound 87.1360 87.6095 87.5759 87.9332 92.4604 93.1760 93.3443 93.7102 89.4944 91.2420 Std Error 10625 08019 16058 08212 43327 Descriptives Nồng độ TP Minimum Maximum Có màng Có màng Không màng Không màng Total 86.80 87.40 91.80 93.20 86.80 87.80 88.20 93.40 93.80 93.80 Test of Homogeneity of Variances Nồng độ TP Based on Mean Based on Median Based on Median and with adjusted df Based on trimmed mean Levene Statistic 2.117 1.215 1.215 df1 2.018 3 df2 40 40 22.337 Sig .113 317 327 40 127 ANOVA Nồng độ TP Between Groups Within Groups Total Sum of Squares 349.648 5.527 355.175 df 40 Mean Square 116.549 138 F 843.450 Sig .000 43 Post Hoc Tests Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ TP LSD (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Mean Difference (I-J) -.38182* -5.44545* -6.15455* 38182* -5.06364* 67 Std Error 15851 15851 15851 15851 15851 Sig .021 000 000 021 000 95% Confidence Interval Lower Bound -.7022 -5.7658 -6.4749 0615 -5.3840 Không màng Không màng Không màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng -5.77273* 5.44545* 5.06364* -.70909* 6.15455* 5.77273* 70909* 15851 15851 15851 15851 15851 15851 15851 000 000 000 000 000 000 000 -6.0931 5.1251 4.7433 -1.0294 5.8342 5.4524 3887 Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ TP LSD (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng (J) Mơ hình MFC Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Khơng màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng Có màng Có màng Khơng màng * The mean difference is significant at the 0.05 level 68 95% Confidence Interval Upper Bound -.0615 -5.1251 -5.8342 7022 -4.7433 -5.4524 5.7658 5.3840 -.3887 6.4749 6.0931 1.0294 PHỤC LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VI SINH VẬT 69 70 71 72 73 74 75 PHỤ LỤC HÌNH ẢNH MƠ HÌNH THỰC TẾ Anode MFC có màng Anode MFC không màng Màng CEM sau thời gian thí nghiệm Mơ hình MFC Màu đỏ tía xuất ngăn anode 76