1.4. Tiềm năng tái sử dụng và thu hồi năng lƣợng từ bùn thải
1.4.3. Sản xuất điện trực tiếp từ bùn thải trong các tế bào nhiên liệu vi khuẩn
Các tế bào nhiên liệu vi khuẩn có thể được sử dụng để sản xuất điện trực tiếp từ một dòng nước thải, như nước thải thành phố có chứa các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học. Về cơ bản, một tế bào nhiên liệu vi khuẩn bao gồm một ngăn anốt và một ngăn catốt tách rời nhau bởi một màng trao đổi cation. Trong ngăn anốt, hợp chất hữu cơ như cacbonhyđrat có mặt trong nước thải bị oxy hố bởi các vi sinh vật đặc trưng.
Các điện tử được tạo ra trong q trình oxy hố này được chuyển tới cực anốt và sau đó dịch chuyển trong một dây điện vào trong ngăn catốt. Trong ngăn catốt, oxy giảm. Proton sinh ra trong khu vực cực anốt có thể phản ứng với các ion hiđroxyt được sinh ra từ quá trình giảm oxy trong khu vực cực catốt. Điện tử chuyển từ vi khuẩn tới cực anốt hoặc có thể diễn ra trực tiếp nhờ vi khuẩn gắn vào bề mặt anốt (ví dụ, vi khuẩn của họ Geobacteraceae có tính chất này) hoặc gián tiếp bằng việc sử dụng điện tử trung gian.
Hình 1.1. Tế bào nhiên liệu vi sinh vật
Bên cạnh các tế bào nhiên liệu vi khuẩn 2 ngăn, cũng tồn tại các tế bào tại các ngăn đơn. Điện áp của một tế bào nhiên liệu sinh học thường ở mức vài trăm mV. Mật độ năng lượng khoảng chừng 50 - 100 W/m3 thiết bị phản ứng. Hiệu năng của một tế bào nhiên liệu vi khuẩn phụ thuộc vào nhiều q trình và các thơng số hệ thống chẳng hạn như: pH, nhiệt độ, kiểu bề mặt, loại vi khuẩn, loại điện cực, điện trở trong, …
Nghiên cứu các tế bào nhiên liệu vi khuẩn đang gia tăng và được quảng bá rộng rãi. Tập trung chủ yếu vào loại tế bào, cách giải quyết những vướng mắc cụ thể làm giảm sút hiệu quả quá trình và tiềm năng các dịng thải khác nhau có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho các tế bào nhiên liệu.
Khả năng áp dụng tế bào nhiên liệu vi khuẩn trên bùn thải đã được nghiên cứu bởi Dentel và nnk, 2004. Trong nghiên cứu, họ đã sử dụng thiết bị phản ứng
một ngăn đơn với thể tích vài lít chứa đầy bùn thải. Thiết bị phản ứng được cung cấp với các lá điện cực graphít (được đặt trong một vùng ưa khí ở phía trên) và trong vùng bùn kỵ khí ở phía dưới. Qua quan sát thấy rằng, xuất hiện một dòng điện tối đa khoảng 60 μA và một điện thế vài trăm mV. Mặc dù, các kết quả đầu tiên đầy hứa hẹn, song vẫn còn một khoảng cách dài để làm cho quá trình này phù hợp với quá trình xử lý bùn ở quy mô lớn. Một số lý do được chỉ ra như: không phải tất cả các vật liệu hữu cơ trong bùn thải đều bị phân huỷ sinh học và tồn tại ở một dạng, bùn chứa rất nhiều các hạt keo và các chất polymer có xu hướng hấp phụ tất cả các loại bề mặt và có thể lấp cấu trúc bên trong của tế bào nhiên liệu vi khuẩn.
Hơn nữa, đây cũng là một hạn chế đáng kể đối với các q trình oxy hố của vi sinh vật với bùn thải trong thiết bị phản ứng. Có thể nhận thấy rằng bùn thải có chứa các chất hữu cơ độc hại và các hợp chất vô cơ, cũng như một lượng đáng kể các chất vô cơ khơng độc hại khác. Những gì xảy ra với các chất hữu cơ độc hại còn chưa rõ ràng. Điều này có nghĩa là vấn đề bùn thải có thể khơng được giải quyết triệt để nên chỉ sử dụng các tế bào nhiên liệu vi khuẩn và do vậy q trình xử lý bổ sung đối với dịng thải sẽ là cần thiết.