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 am 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%; đối + với mơ hình MFC khơng màng đạt trung bình 33,3 ± 1,8%, hiệu xử lý NH -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 khơng 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 NH -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) 1.1.2 Một số nghiên cứu điển hình cơng nghệ MFC 1.1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động MFC .7 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 Multiple Comparisons Dependent Variable: Giá trị pH LSD (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Không 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 Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Total Descriptives Hiệu điện Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Total Hiệu điện 62 ANOVA Hiệu điện Between Groups Within Groups Total Robust Tests of Equality of Means Welch 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 Multiple Comparisons Dependent Variable: Hiệu điện Tamhane (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Không màng Không màng * The mean difference is significant at the 0.05 level 63 2.3 Kiểm định Oneway Anova Post Hoc hiệu điện Oneway Descriptives Nồng độ COD Có màng Có màng Khơng màng Không màng Total Descriptives Nồng độ COD Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Total Test of Homogeneity of Variances Nồng độ COD ANOVA Nồng độ COD Between Groups Within Groups Total Post Hoc Tests Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ COD LSD (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Không màng 64 Không màng Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ COD LSD (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng 2.4 Kiểm định Oneway Anova Post Hoc nồng độ Ammonium Oneway Descriptives Nồng độ Ammonium Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Total Descriptives Nồng độ Ammonium Có màng Có màng Không màng Không màng Total Nồng độ Ammonium 65 ANOVA Nồng độ Ammonium Between Groups Within Groups Total Robust Tests of Equality of Means Welch a Asymptotically F distributed Post Hoc Tests Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ Ammonium Tamhane (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ Ammonium Tamhane (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Không màng * The mean difference is significant at the 0.05 level 66 2.5 Kiểm định Oneway Anova Post Hoc nồng độ TP Oneway Descriptives Nồng độ TP Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Total Descriptives Nồng độ TP Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng Total Test of Homogeneity of Variances Nồng độ TP ANOVA Nồng độ TP Between Groups Within Groups Total Post Hoc Tests Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ TP LSD (I) Mô hình MFC Có màng Có màng 67 Khơng màng Không màng Multiple Comparisons Dependent Variable: Nồng độ TP LSD (I) Mơ hình MFC Có màng Có màng Khơng màng Khơng màng * The mean difference is significant at the 0.05 level 68 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 Màng CEM sau thời gian thí nghiệm Mơ hình MFC Màu đỏ tía xuất ngăn anode 76 ... 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... nghiên cứu ? ?Đánh giá hiệu xư lý nước thải 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 màng trao đổi proton hệ MFC đề... 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,