Luận văn 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

ích bề mặt anode (m2). Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu nước Nước thải được lấy tại dòng ra của mô hình trong cùng thời gian vào buổi sáng. Sau đó mẫu được phân tích tại Phòng thí nghiệm Công Nghệ Sinh Học, Đại Học Quốc Tế- ĐHQG TP.HCM. Các chỉ tiêu COD, NH4+-N và TP được phân tích cách 5 ngày/lần. Giá trị pH được đo mỗi ngày trực tiếp tại mô hình. Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu nước thải tại Phòng thí nghiệm Công Nghệ Sinh Học, Đại Học Quốc Tế- ĐHQG TP.HCM đều dựa theo tài liệu “Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (23rd Edition)”. Phương pháp phân tích bề mặt điện cực anode Phân tích bề mặt điện cực anode bằng phương pháp sử dụng Kính hiển vi điện tử quét (SEM) với thiết bị chuyên dụng S-4800, HI-9039-0006, Hitachi (Nhật Bản). Phương pháp SEM được sử dụng nhằm xác định hình ảnh đánh giá khả năng phát triển màng sinh học trên bề mặt điện cực anode. Sau khi kết thúc quá trình thí nghiệm, mẫu điện cực anode được thu thập và gửi về Phòng thí nghiệm Công nghệ nano trực thuộc Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh để tiến hành phân tích đặc điểm bề mặt. Về mặt kỹ thuật, mẫu điện cực anode (20 – 40 mm) đã được cố định với 2,5% glutaraldehyd trong 4 giờ ở 400C. Các mẫu sau đó được rửa sạch 3 lần với nước và làm mất nước bằng cách ngâm liên tiếp trong ethanol với nồng độ tăng dần (30%, 50%, 70%, 80%, 90% và ethanol tuyệt đối) trong 10 phút. Sau đó các mẫu được sấy khô, gắn vào cuống mẫu bằng cách sử dụng bột than chì và sau đó mẫu vật được phủ vàng để tiến hành phân tích. 22 Phương pháp phân tích vi sinh vật Metagenomics là sự phân tích DNA đa hệ gen (DNA metagenome) của tất cả các vi sinh vật thu nhận trực tiếp từ mẫu môi trường tự nhiên. Quá trình metagenomics liên quan đến việc phân lập DNA từ một mẫu môi trường tiếp theo là giải trình tự và phân tích bộ gen. Các phương pháp tiếp cận metagenomics được nhắm mục tiêu như metagenomics 16S ribosome (16S rRNA), bao gồm các bước như thu thập mẫu, tách chiết DNA, khuếch đại chuỗi phản ứng polymerase 16S rRNA (PCR), tiếp theo là giải trình tự thế hệ mới (NGS) và phân tích trình tự bằng cách sử dụng các công cụ tính toán khác nhau. Việc lựa chọn các gen để khuếch đại là một bước quan trọng của metagenomics. Trong hầu hết các nghiên cứu, 16S rRNA giải trình tự gen đã được sử dụng rộng rãi để phân tích đa dạng trong quần thể vi khuẩn. Việc sử dụng rRNA và tầm quan trọng của nó đối với đặc điểm và nghiên cứu sự tiến hóa của vi khuẩn có từ những năm 1970, khi Carl Woese đã mô tả việc sử dụng trình tự phân tử để xác định các mối quan hệ tiến hóa. rRNA hiện diện trong tất cả hệ thống tự tái tạo, có thể dễ dàng bị phân lập cho phép phát hiện về mối quan hệ giữa các loài vi khuẩn khác nhau. Các 16S rRNA hiện diện phổ biến ở tất cả các sinh vật nhân sơ và có nhiều vùng phụ, cụ thể là V1 – V9 có thể được sử dụng cho sự phân biệt riêng biệt của các sinh vật nhân sơ khác nhau. Các mẫu vi sinh vật được gửi đi phân tích tại Trung tâm Dịch vụ xét nghiệm kỹ thuật cao KTEST (Địa chỉ: D5/126 Quốc lộ 50, Ấp 4, Xã Phong Phú, Huyện Bình Chánh, TP. HCM). Quy trình phân tích được tiến hành theo mô tả như sau: Tách chiết DNA DNA được tách chiết bằng bộ kit mini QIAamp Blood DNA (Qiagen, Đức). Chất lượng và nồng độ DNA được đánh giá bằng máy quang phổ và bộ xét nghiệm Qubit dsDNA HS (Life Technologies). Giải trình tự Thư viện giải trình tự được chuẩn bị bằng Bộ mã vạch PCR nhanh 1D(SQK- RPK004) theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Mẫu DNA được giải trình tự trên máy giải trình tự thế hệ mới Illumina Hiseq/Nextseq với kích thước 2x150 PE trên hệ 23 thống Illumina (Hoa Kỳ). Phân tích dữ liệu tin sinh học Quy trình gồm nhiều công cụ khác nhau phục vụ cho phân tích trình tự 16S. Công cụ DADA2 (Callahan và cs, 2016) dùng để gán biển thể khuếch đại (amplicon sequence variants) và loại bỏ các trình tự chimeric. Cho mục đích phân loại sinh vật, phân tích các chỉ số alpha-diversity và beta-diversity, sử dụng Qiime2 (Evan Bolyen và cs, 2018) với cơ sở dữ liệu phân loại chuyên biệt cho loại mẫu và mục tiêu cụ thể. Cơ sở dữ liệu GreenGenes hoặc SILVA có thể được dùng cho phân loại vi khuẩn dựa trên 16S. Hình 2.6. Quy trình NGS 2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu Số liệu thực nghiệm được xử lý và thống kê bởi phần mềm MS Excel 2019, phần mềm SPSS 25 và các phần mềm chuyên dụng khác. 2.2.4. Giới hạn của đề tài Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tác giả cũng gặp khá nhiều khó khăn như điều kiện vật chất cũng có hạn chế, một số trang thiết bị thí nghiệm không đảm bảo để tự tiến hành các thí nghiệm phân tích trong phòng thí nghiệm nên tác giả phải gửi mẫu phân tích dịch vụ. Đồng thời, kinh phí để thực hiện đề tài này cũng rất ít, có phần hạn chế khi thực hiện nhiều giai đoạn thí nghiệm khác nhau. Đặc biệt, trong thời gian tiến hành thí nghiệm cũng gặp khó khăn khi phải thực hiện các biện pháp giãn cách xã hội vào đỉnh điểm của đợt dịch Covid-19. Do vậy, đây cũng chính là những khó khăn mà tác giả gặp phải trong suốt quá trình thực hiện luận văn. 24 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH MFC DÙNG MÀNG VÀ MFC KHÔNG DÙNG MÀNG 3.1.1. Sự thay đổi pH Hình 3.1 thể hiện sự thay đổi pH ở khoang cathode của 2 hệ thống MFC có màng trong suốt thời gian vận hành với 4 mức tải trọng khác nhau. Nhìn chung, qua 50 ngày tiến hành thí nghiệm thì sự thay đổi pH ở mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2 lần lượt tương ứng là 7,5 – 11,6 và 6,6 – 10,8. Ở tải trọng OLR 1, pH của cả hai mô hình MFC đều không có sự thay đổi quá nhiều, mức dao động từ 9,08 – 11,6. Tuy nhiên, khi chuyển sang tải trọng OLR 2 thì pH của cả 2 mô hình MFC đều có sự thay đổi không ổn định. Ở mô hình MFC có màng 1 cho thấy sự mất ổn định về pH rất rõ và giảm xuống mức 7,5; 9,3 và 7,6 vào lần lượt các ngày thứ 18, 23 và 27. Ở mô hình MFC có màng 2, giá trị pH cũng giảm mạnh vào những ngày thứ 18 và 24 với mức pH giảm xuống lần lượt tương ứng 6,82 và 7,48. Mặt khác, giá trị pH không tăng trở lại khi khảo sát với mức tải trọng OLR 3 và OLR 4 ở cả 2 mô hình MFC có màng, pH lúc này dao động vào khoảng 7,6 – 10,3 và 6,6 – 9,8 tương ứng ở mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2. Thực hiện kiểm định t-test trên SPSS, kết quả cho thấy có sự khác biệt thống kê (p < 0,05) về giá trị pH của 2 mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2. Sự khác biệt về pH giữa 2 mô hình MFC có màng có thể là do sự ảnh hưởng từ nồng độ dung dịch đệm PBS được bổ sung thường xuyên vào khoang cathode nhằm duy trì sự ổn định pH. 25 Hình 3.1. Sự thay đổi pH của MFC có màng Sự thay đổi pH ở khoang cathode của 2 hệ thống MFC không màng được thể hiện ở biểu đồ hình 3.2. Nhìn chung, qua 50 ngày tiến hành thí nghiệm với 4 mức tải trọng khác nhau thì sự thay đổi pH ở mô hình MFC không màng 1 và MFC không màng 2 lần lượt tương ứng là 7,1 – 11,1 và 7,2 – 11,4. Ở tải trọng OLR 1, pH của cả hai mô hình MFC không màng đều không có sự thay đổi quá nhiều và mức dao động từ 9,5 – 11,4. Tương tự như ở mô hình MFC có màng, khi khảo sát với mức tải trọng OLR 2, giá trị pH ở cả 2 mô hình MFC không màng đều có xu hướng giảm mạnh và mất ổn định. Tuy nhiên, khi chuyển sang khảo sát ở mức tải trọng OLR 3 và OLR 4 thì giá trị pH có xu hướng thấp hơn so với giá trị pH ở mức OLR1 và cũng không có nhiều biến động. Cụ thể, ở mô hình MFC không màng 1, giá trị pH dao động trong khoảng 7,1 – 9,2 và dao động trong khoảng 7,2 – 8,7 ở mô hình MFC không màng 2. Thực hiện kiểm định t-test trên SPSS, kết quả cho thấy không có sự khác biệt thống kê (p > 0,05) về giá trị pH của 2 mô hình MFC không màng 1 và MFC không màng 2. 26 Hình 3.2. Sự thay đổi pH của MFC không màng Sự mất ổn định pH ở cả 2 mô hình MFC có màng và không màng có thể giải thích thông qua cơ chế phản ứng xảy ra ở cực cathode, theo phương trình (1) và (2) dưới đây: O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O (1) O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- (2) Phản ứng thông thường xảy ra ở cathode là phản ứng theo phương trình (1), nhưng nếu phản ứng (2) xảy ra thì đây có thể là nguyên nhân làm thay đổi pH. Như vậy, từ hình 3.1 và hình 3.2 dễ dàng nhận thấy rằng giá trị pH của mô hình MFC không màng ổn định hơn so với mô hình MFC có màng. Bên cạnh đó, khi thực hiện phân tích sâu ANOVA (Post Hoc) với kiểm định LSD trên SPSS, kết quả cho thấy có sự khác biệt thống kê (Sig < 0,05) về giá trị pH của mô hình MFC có màng 1 và cả 2 mô hình MFC không màng. Sự khác biệt về pH của 2 mô hình MFC có thể được giải thích thông qua cơ chế phản ứng và chuyển proton từ anode đến cathode. Khi phản ứng phân giải cơ chất ở khoang anode bởi các vi sinh vật sẽ tạo ra H+, mà trong mô hình MFC có màng CEM là màng trao đổi proton, được thiết kế cho sự di chuyển proton, nhưng trong MFC nó cho phép cả sự di chuyển của chất mang điện tích dương (Na+, K+, NH4+, Ca2+, và Mg2+) và sự hiện diện của chúng cao hơn 105 lần so với proton hòa tan trong MFC (Rozendal và ctv, 2008).Vậy sự canh tranh di chuyển của các cation khác sẽ ảnh hưởng tới hệ thống MFC. Khi các chất hòa tan bị tiêu thụ, proton được sản xuất từ khoang anode và được tiêu thụ tại khoang cathode. 27 Nếu proton không thể di chuyển đúng tốc độ từ anode tới cathode, pH có thể bị giảm tại anode và tăng tại cathode trong khi sự cân bằng vật chất được duy trì bởi sự di chuyển của các cation khác. Ở mô hình MFC không màng thì các proton được tạo ra ở anode sẽ di chuyển dễ dàng hơn đến khoang cathode do không có màng CEM. Chính điều này đã tạo ra sự khác biệt về pH ở các mô hình MFC không màng và MFC có màng. 3.1.2. Cường độ dòng điện Sự thay đổi cường độ dòng điện của 2 mô hình MFC có màng qua 4 tải trọng hữu cơ khác nhau được thể hiện trên hình 3.3. Nhìn chung, cường độ dòng điện đo được rất thấp, ở mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2 dao động lần lượt tương ứng là 0 – 1,3 µA và 0,1 – 10,1 µA. Từ hình 3.3 có thể thấy cường độ dòng điện của mô hình MFC có màng 1 đạt được rất nhỏ (gần như bằng 0) và không có sự biến động trong suốt 50 ngày thí nghiệm. Tuy nhiên, cường độ dòng điện của mô hình MFC có màng 2 đo được cao hơn nhiều so với MFC có màng 1 nhưng không có sự ổn định qua thời gian thí nghiệm. So sánh với kết quả nghiên cứu của Ismail và Jaeel được công bố vào năm 2013 thì cường độ dòng điện đo được là 1,67 mA (Ismail và Jaeel, 2013). Theo kết quả kiểm định t-test trên SPSS, có sự khác biệt thống kê (p < 0,05) về cường độ dòng điện giữa MFC có màng 1 và MFC có màng 2. Sự khác biệt về cường độ dòng điện giữa 2 mô hình MFC có màng có thể là do hoạt động của các nhóm vi sinh vật sinh điện ở 2 mô hình có sự khác nhau về thành phần loài và sự ảnh hưởng của màng CEM vì chính màng CEM là tác nhân gây ra sự khác nhau về nội trở (internal resistance) của 2 mô hình MFC (hình 3.4). 28 Hình 3.3. Cường độ dòng điện của mô hình MFC có màng Hình 3.4. Màng trao đổi cation (CEM): A – MFC có màng 1; B – MFC có màng 2 Hình 3.5 thể hiện cường độ dòng điện của 2 mô hình MFC không màng 1 và MFC không màng 2. Đối với mô hình MFC không màng 1, cường độ dòng điện biến động nhiều và gần như không có sự ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm. Giá trị cường độ dòng điện đo được nhỏ nhất là 6,08 µA vào ngày thứ 26 và đạt cao nhất ở mức 1904,8 µA vào ngày thứ 22. Mặt khác, đối với mô hình MFC không màng 2 thì cường độ dòng điện không có sự biến động nhiều và duy trì được sự ổn định khi khảo sát qua 3 mức tải trọng hữu cơ OLR 1, OLR 2 và OLR 3. Nhưng khi khảo sát ở tải trọng OLR 4 thì cường độ dòng điện giảm mạnh và không còn duy trì được ổn định. Mặc dù, cường độ dòng điện đo được ở mô hình MFC không màng cao hơn so với các mô hình MFC có màng nhưng so với kết quả nghiên cứu của nhóm Jang và cộng sự thì vẫn còn thấp hơn, theo đó cường độ dòng điện đo được ở nhóm nghiên cứu này A B 29 đạt cao nhất là 2 mA (Jang và ctv, 2004). Tuy nhiên, theo kết quả kiểm định t-test trên SPSS, không có sự khác biệt thống kê (p > 0,05) cường độ dòng điện giữa mô hình MFC không màng 1 và MFC không màng 2. Hình 3.5. Cường độ dòng điện của mô hình MFC không màng Sự khác biệt về cường độ dòng điện giữa các mô hình MFC có màng và MFC không màng là do sự khác nhau về cấu tạo giữa có và không có màng CEM. Chính CEM là tác nhân làm tăng nội trở của MFC (Harnisch và ctv, 2008; Li và ctv, 2011). Vì vậy mà cường độ dòng điện trong các MFC không màng cao hơn so với trong các MFC có màng. Bên cạnh đó, khi thực hiện phân tích sâu ANOVA (Post Hoc) với kiểm định Tamhane’s T2 trên SPSS, kết quả cho thấy có sự khác biệt thống kê (Sig < 0,05) về cường độ dòng điện giữa MFC có màng 1 và MFC không màng 1; MFC có màng 1 và MFC không màng 2; MFC có màng 2 và MFC không màng 1. 3.1.3. Hiệu điện thế hở mạch (OCV) Hiệu điện thế hở mạch (OCV) của 2 mô hình MFC có màng được khảo sát qua 4 tải trọng khác nhau trong 50 ngày thí nghiệm. Sự thay đổi hiệu điện thế hở mạch được thể hiện trên hình 3.6. Nhìn chung, giá trị OCV đo được ở mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2 dao động lần lượt tương ứng là 17,8 – 334,2 mV và 305,8 – 721 mV. Ở tải trọng OLR 1, hiệu điện thế hở mạch của mô hình MFC có màng 1 có xu hướng giảm dần và không ổn định, nhưng hiệu điện thế hở mạch của mô hình MFC có màng 2 lại có xu hướng tăng dần. Khi chuyển sang khảo sát ở mức tải trọng OLR 2 thì giá trị OCV ở mô hình MFC có màng 1 tiếp tục giảm mạnh và dao động trong khoảng 17,8 – 64,6 mV. Ở mô hình MFC có màng 2, giá trị OCV có xu hướng 30 giảm vào những ngày đầu của tải trọng OLR 2 nhưng sau đó tăng trở lại và duy trì ổn định về cuối tải trọng 2, giá trị OCV dao động trong khoảng 520,8 – 637,6 mV. Ở tải trọng OLR 3, giá trị OCV của mô hình MFC có màng 1 có xu hướng tăng nhưng sau đó giảm vào những ngày cuối của tải trọng, giá trị OCV dao động trong khoảng 46 – 148,3 mV. Trái ngược lại với MFC có màng 1, giá trị OCV của MFC có màng 2 lại có xu hướng giảm vào 5 ngày đầu của tải trọng OLR 3 và sau đó tăng trở lại, giá trị OCV dao động trong khoảng 488 – 628,7 mV. Xu hướng tăng giá trị OCV ở những ngày đầu tải trọng và giảm vào những ngày cuối tải trọng cũng xuất hiện khi khảo sát ở mức tải trọng OLR 4 đối với mô hình MFC có màng 1. Tuy nhiên, ở mô hình MFC có màng 2 thì giá trị OCV lại mất ổn định và dao động nhiều khi khảo sát ở mức tải trọng OLR 4. Theo kết quả kiểm định t-test trên SPSS, giá trị OCV của mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2 có sự khác biệt thống kê (p < 0,05). Sự khác nhau về giá trị OCV của 2 mô hình MFC có màng có thể là do quần xã vi sinh vật sinh điện trong 2 mô hình này không đồng nhất với nhau hoặc cũng có thể do ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý khác như điện trở trong, nhiệt độ,... Hình 3.6. Hiệu điện thế hở mạch của MFC có màng Sự thay đổi giá trị OCV của 2 mô hình MFC không màng được thể hiện qua hình 3.7. Giá trị OCV ghi nhận được qua 4 tải trọng khác nhau đối với mô hình MFC không màng 1 dao động trong khoảng 6,8 – 696 mV và đối với mô hình MFC không màng 2 dao động trong khoảng 102,2 – 697 mV. Ở tải trọng OLR 1, giá trị OCV của mô hình MFC không màng 1 có sự mất ổn định, vào ngày thứ 11 (gần cuối tải trọng 1) ghi nhận được giá trị OCV rất thấp là 37,7 mV. Đối với mô hình MFC không màng 31 2 thì giá trị OCV ổn định hơn và có xu hướng tăng dần. Khi khảo sát ở mức tải trọng OLR 2 thì giá trị OCV của mô hình MFC không màng 1 vẫn không có sự ổn định, giá trị OCV thấp nhất ghi nhận được vào ngày thứ 25 (gần cuối tải trọng 2) là 6,8 mV. Tuy nhiên, đối với mô hình MFC không màng 2 thì giá trị OCV lại tương đối ổn định và đạt giá trị cao nhất 689,8 mV. Ở tải trọng OLR 3, mô hình MFC không màng 1 lại tiếp tục cho thấy sự mất ổn định và giá trị OCV thấp nhất ghi nhận được là 40,6 mV vào ngày thứ 31. Đối với mô hình MFC không màng 2, giá trị OCV giảm vào những ngày đầu của tải trọng 3 nhưng sau đó có xu hướng tăng ổn định trở lại và dao động trong khoảng 510,8 – 622,6 mV. Khi chuyển sang khảo sát ở tải trọng OLR 4 thì giá trị OCV của mô hình MFC không màng 1 vẫn không có sự ổn định, liên tục dao động và giá trị OCV thấp nhất ghi nhận được vào ngày thứ 49 là 10,5 mV. Tương tự, giá trị OCV ở mô hình MFC không màng 2 cũng có xu hướng mất ổn định và giá trị thấp nhất ghi nhận được vào ngày thứ 40 là 102,2 mV. Theo kết quả kiểm định t- test trên SPSS, giá trị OCV của mô hình MFC không màng 1 và MFC không màng 2 có sự khác biệt thống kê (p < 0,05). Tương tự như đối với trường hợp của 2 mô hình MFC có màng, sự khác biệt về giá trị OCV của 2 mô hình MFC không màng có thể là do sự khác nhau về các nhóm vi sinh vật sinh điện có trong từng mô hình và sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như chênh lệch nhiệt độ và điện trở trong. Hình 3.7. Hiệu điện thế hở mạch của MFC không màng 32 Sự mất ổn định về hiệu điện thế hở mạch ở mô hình MFC có thể giải thích dựa trên hoạt động của vi sinh vật sinh điện có trong 2 mô hình MFC. Các vi sinh vật sinh điện trong MFC chuyển các electron sinh ra từ các phản ứng xảy ra bên trong tế bào đến các bề mặt của điện cực ở anode. Khi điện cực anode nhận các electron, điện thế (potential) giảm xuống thấp hơn so với cathode. Ở trạng thái hở mạch, các electron di chuyển từ anode sang cathode sẽ bị hạn chế và tích tụ lại bề mặt điện cực anode làm cho điện thế của anode giảm dần. Mặt khác, trong MFC có nhiều vi sinh vật khác nhau cùng tham gia phân giải chất hữu cơ, sử dụng các electron (nhóm vi sinh vật khử nitrate, sulphate, vi sinh vật oxi hóa FeO, ) và làm cho điện thế ở anode tăng trở lại. Chính lý do này là nguyên nhân gây ra sự mất ổn định (lúc tăng, lúc giảm) giá trị OCV của cả 2 mô hình MFC. Bên cạnh đó, khi thực hiện phân tích sâu ANOVA (Post Hoc) với kiểm định Tamhane’s T2 trên SPSS, kết quả cho thấy có sự khác biệt thống kê (Sig < 0,05) về giá trị OCV giữa MFC có màng 1 và MFC không màng 1; MFC có màng 1 và MFC không màng 2; MFC có màng 2 và MFC không màng 1. 3.1.4. Mật độ công suất Cả hai mô hình MFC có màng được tiến hành thí nghiệm với 4 mức tải trọng khác nhau nhằm đánh giá sự thay đổi mật độ công suất của 2 mô hình này. Bảng 3.1 thể hiện tóm tắt giá trị trung bình mật độ công suất của 2 mô hình MFC có màng. Bảng 3.1. Mật độ công suất của mô hình MFC có màng Tải trọng hữu cơ OLR 1 (3 gCOD/L/d) OLR 2 (3,5 gCOD/L/d) OLR 3 (4 gCOD/L/d) OLR 4 (4,5 gCOD/L/d) Có màng 1 (W/m2) 0,0055 ± 0,0143 0,0003 ± 0,0003 0,0019 ± 0,0011 0,0012 ± 0,0012 Có màng 2 (W/m2) 0,2116 ± 0,1924 0,3781 ± 0,2092 0,5031 ± 0,0590 0,2621 ± 0,2032 Từ kết quả bảng 3.1 cho thấy mật độ công suất của mô hình MFC có màng 1 rất thấp (gần như bằng 0) vì cường độ dòng điện đo được ở mô hình MFC có màng 1 cũng rất nhỏ. Tuy nhiên, ở mô hình MFC có màng 2 mật độ công suất lại cao hơn và đạt được mức cao nhất 0,5031 ± 0,059 W/m2 ở tải trọng OLR 3. Kết quả này thấp hơn so với các nghiên cứu trước đó. Năm 2010, nhóm nghiên cứu của Joo-Youn Nam 33 và cộng sự đã thí nghiệm ảnh hưởng của tải trọng khác nhau (1,92 – 4,8 g/L/ngày) đến mật độ công suất của MFC, theo đó mật độ công suất đạt 2.981 mW/m3 ở mức tải trọng 3,84 g/L/ngày (Nam và ctv, 2010). Bảng 3.2. Mật độ công suất của mô hình MFC không màng Tải trọng hữu cơ OLR 1 (3 gCOD/L/d) OLR 2 (3,5 gCOD/L/d) OLR 3 (4 gCOD/L/d) OLR 4 (4,5 gCOD/L/d) Không màng 1 (W/m2) 33,8 ± 40 10,7 ± 29,3 17,2 ± 16,4 1,8 ± 2,3 Không màng 2 (W/m2) 38,8 ± 9,2 45,3 ± 2,8 40 ± 2,2 9 ± 6,1 Ở các mô hình MFC không màng, mật độ công suất khảo sát qua 4 tải trọng cao hơn rất nhiều lần so với mật độ công suất đạt được ở các mô hình MFC có màng. Theo kết quả tóm tắt từ bảng 3.2, cho thấy mật độ công suất của MFC không màng 1 thấp hơn so với MFC không màng 2. Điều này chứng tỏ hiệu quả năng lượng tạo ra từ mô hình MFC không màng 2 tốt hơn. Kết quả này cao hơn nhiều lần so với nghiên cứu của nhóm Martin và cộng sự vào năm 2010. Theo đó, nhóm của Martin đã thử nghiệm MFC với cơ chất glucose với mức tải trọng dao động trong khoảng 0,2 – 7,4 g/L/ngày, kết quả cho thấy mật độ công suất đạt cao nhất 8,2 W/m3 với mức tải trọng 3,72 g/L/ngày (Martin và ctv, 2010). Từ phân tích các kết quả phía trên, cho thấy mô hình MFC không màng hoạt động hiệu quả hơn MFC có màng. 3.1.5. Hiệu quả loại bỏ COD Các mô hình MFC được vận hành với nguồn nước thải nhân tạo có nồng độ COD đầu vào dao động trong khoảng 960 – 1.433 mg/L tương ứng với 4 tải trọng khác nhau (Bảng 2.2). Hiệu quả xử lý COD của 2 mô hình MFC có màng được thể hiện trên hình 3.8. Đối với mô hình MFC có màng 1, hiệu suất loại bỏ COD cao nhất đạt được qua 4 tải trọng OLR 1, OLR 2, OLR 3 và OLR 4 lần lượt tương ứng là 60,4%; 81,1%; 72,5% và 70,1%. Từ hình 3.8a có thể nhận thấy hiệu suất xử lý COD giảm dần khi tăng tải trọng lên OLR 3 và OLR 4, những vẫn giữa ổn định trên 70%. Xu hướng tăng dần hiệu suất loại bỏ COD ở tải trọng OLR 1, OLR 2 và giảm dần ở tải trọng OLR 3, OLR 4 cũng được thể hiện ở mô hình MFC có màng 2. Hình 3.8b 34 cho thấy hiệu suất loại bỏ COD của mô hình MFC có màng 2 đạt được qua các tải trọng OLR 1, OLR 2, OLR 3 và OLR 4 lần lượt là 60,7%; 82,2%; 72,4% và 70,7%. Kết quả này có thấp hơn so với nghiên cứu được công bố trước đó (đạt 80 – 90%), nhưng các nghiên cứu trước sử dụng chất nền có nồng độ COD thấp hơn (Jang và ctv, 2004; H. Liu và ctv, 2004). Theo kết quả kiểm định t-test trên SPSS, hiệu quả xử lý COD của mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2 không có sự khác biệt thống kê (p > 0,05). Hình 3.8. Hiệu quả loại bỏ COD: a) MFC có màng 1 và b) MFC có màng 2 Hình 3.9 thể hiện hiệu quả xử lý của 2 mô hình MFC không màng. Đối với mô hình MFC không màng 1, hiệu suất xử lý COD cao nhất đạt được qua 4 tải trọng OLR 1, OLR 2, OLR 3 và OLR 4 lần lượt tương ứng là 68,5%; 75%; 74,8% và 71,2%. Hình 3.9a cho thấy ở mô hình MFC không màng 1 cũng có xu hướng tăng dần hiệu quả xử lý COD khi khảo sát tăng tải trọng OLR 1 lên OLR 2 và giảm hiệu quả xử lý 35 COD khi khảo sát ở tải trọng OLR 3 và OLR 4. Xu hướng này cũng lặp lại tương tự đối với mô hình MFC không màng 2. Kết quả khảo sát qua 50 ngày, hiệu quả xử lý COD của mô hình MFC không màng 2 đạt được cao nhất là 69,4%; 75,3%; 74,9% và 72,1% tương ứng với 4 tải trọng OLR 1, OLR 2, OLR 3 và OLR 4. Dựa vào kết quả kiểm định t-test trên SPSS, cho thấy hiệu quả xử lý COD của mô hình MFC không màng 1 và MFC không màng 2 không có sự khác biệt thống kê (p > 0,05). Hình 3.9. Hiệu quả loại bỏ COD: a) MFC không màng 1 và b) MFC không màng 2 Nhìn chung, hiệu quả xử lý COD của hai mô hình MFC có xu hướng tương đồng nhau. Bên cạnh đó, khi thực hiện phân tích sâu ANOVA (Post Hoc) với kiểm định LSD trên SPSS, kết quả cho thấy không có sự khác biệt thống kê (Sig > 0,05) về hiệu quả xử lý COD giữa MFC có màng và MFC không màng. Điều này chứng tỏ rằng khả năng loại bỏ chất hữu cơ xảy ra tại khoang anode và do các nhóm vi sinh 36 vật kỵ khí tại đây phân giải và chuyển hóa để sinh trưởng. Đồng thời, kết quả này cũng cho thấy hiệu quả loại bỏ COD không hoàn toàn liên quan đến năng lượng điện sinh ra trong mô hình MFC. 3.1.6. Hiệu quả loại bỏ Ammonium Hiệu quả loại bỏ NH4+-N của 2 mô hình MFC có màng được thể hiện trên biểu đồ hình 3.10. Nhìn chung, qua 50 ngày tiến hành thí nghiệm cho thấy cả 2 mô hình MFC đều cho hiệu quả loại bỏ NH4+-N khá thấp (dưới 50%). Ở mô hình MFC có màng 1, hiệu quả loại bỏ NH4+-N đạt được dao động trong khoảng 45,9% - 46,4% và tương đối ổn định trong suốt thời gian thí nghiệm (hình 3.10a). Đối với mô hình MFC có màng 2 thì hiệu quả loại bỏ NH4+-N cũng tương đồng với mô hình MFC có màng 1, hiệu suất duy trì ổn định trong suốt 50 ngày thí nghiệm và dao động trong khoảng 46% - 46,4% (hình 3.10b). Hiệu quả xử lý NH4+-N của 2 mô hình MFC có màng thấp hơn so với nghiên cứu được công bố vào năm 2015 của nhóm Taeyoung Kim, theo đó hiệu suất xử lý TAN đạt 77,5% (T. Kim và ctv, 2015), nhưng cao hơn so với nghiên cứu được công bố trước đó của nhóm Shuxin Liu chỉ đạt tối đa 44,3% (S. Liu và ctv, 2017). Theo kết quả kiểm định t-test trên SPSS, cho thấy không có sự khác biệt thống kê (p > 0,05) về hiệu quả xử lý NH4+-N của mô hình MFC có màng 1 và MFC có màng 2. Như vậy, có thể thấy rằng loại bỏ NH4+-N trong mô hình MFC có màng chủ yếu theo cơ chế sinh học. Các vi sinh vật sử dụng hợp chất của Nito cho quá trình tổng hợp tế bào và NH4+-N được tích lũy vào trong sinh khối, từ đó được loại bỏ ra ngoài (Chuang và Ouyang, 2000; Kelly và He, 2014). Mặt khác, Ammonia trong dung dịch tồn tại (phụ thuộc vào pH) ở 2 dạng là NH4+-N và NH3. Trong quá trình vận hành MFC, nếu pH cao hơn mức trung tính thì sẽ tồn tại ở dạng NH3 nhiều hơn, dựa vào kết quả phân tích pH ở mục 3.1.1 dễ dàng nhận thấy có khoảng trên 25% lượng