Pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cell) (MFC) thuộc nhóm các hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems - BESs), là một dạng hệ thống vi sinh vật trong đó vi sinh vật xúc tác cho các phản ứng điện hóa thông qua tương tác của chúng với các điện cực. Trong một MFC, vi sinh vật, bằng hoạt động trao đổi chất của chúng, phân giải các cơ chất đầu vào và chuyển electron đến điện cực dẫn đến việc sinh ra dòng điện. Như vậy, dòng điện sinh ra phản ánh cường độ trao đổi chất của vi sinh vật và qua đó phản ánh thành phần môi trường đầu vào. Trong trường hợp môi trường đầu vào là nước thải sau xử lý, MFC sẽ giúp đánh giá chất lượng nước thải này. Cụ thể như: nếu nước thải cấp vào thiết bị có nồng độ COD, BOD cao hơn bình thường, dòng điện sinh ra sẽ cao bất thường; và nếu trong nước thải có các chất độc có hại cho sinh vật, trao đổi chất bị ức chế và dòng điện sinh ra sẽ sụt giảm. Vi sinh vật phản ứng rất nhanh với những thay đổi trong môi trường mà phản ứng trao đổi chất của vi sinh vật lại được biểu hiện ngay thành dòng điện của MFC; nên MFC còn cho phép đánh giá nhanh chất lượng nước thải. Hơn nữa, vi sinh vật rất nhạy với các thay đổi nhỏ của môi trường; nên việc sử dụng thiết bị cũng cho phép đánh giá chất lượng nước thải với độ nhạy cao. Dựa trên các đặc tính này của MFC, nhóm nghiên cứu do TS. Phạm Thế Hải, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial fuel cell) để làm chỉ thị đánh giá nhanh chất lượng nước thải sau xử lý” nhằm xây dựng thành công quy trình chế tạo và sử dụng thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật để đánh giá nhanh chất lượng nước thải sau xử lý.
Sau thời gian thực hiện, đề tài đã đạt được các mục tiêu đề ra và thu được những kết quả sau:
1) Đã xác định được các vật liệu phù hợp cho việc chế tạo các MFC trong điều kiện Việt Nam.
2) Đã xác định được phương án thiết kế và phương án làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa phù hợp nhất cho mỗi dạng MFC như sau: (i) với MFC dạng đánh giá độc tính của nước thải (MFC_TOX), thiết kế dạng khoang anode hình hộp chữ nhật với độ dày 10 mm, nguồn làm giàu là đất tự nhiên; (ii) với MFC dạng đánh giá BOD của nước thải (MFC_BOD), thiết kế dạng khoang anode hình hộp chữ nhật với độ dày 15 mm, nguồn làm giàu là nguồn bùn thải dễ thu thập. Qua đó, đã thiết kế và chế tạo thành công các thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) để sử dụng làm chỉ thị đánh giá nhanh độc tính và BOD của nước thải (sau xử lý).
3) Đã làm giàu thành công hệ vi sinh vật điện hóa trong anode của các MFC, với mật độ tế bào trên bề mặt điện cực đạt: 2 x107 - 5 x 107 tế bào/cm2. Nguồn vi sinh vật tối ưu để làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa của các MFC dạng đánh giá nhanh BOD là từ đất tự nhiên; nguồn vi sinh vật tối ưu để làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa của các MFC dạng đánh giá nhanh độc tính có thể là một nguồn dễ thu thập như bun thải sinh hoạt. Thời gian làm giàu là khoảng 2-3 tuần. Hệ vi sinh vật điện hóa giúp các MFC sinh dòng điện ổn định sau quá trình làm giàu. Hệ vi sinh vật điện hóa chứa các đại diện vi khuẩn có hoạt tính điện hóa điển hình như: Geobacter sp., Geothrix sp. và Pseudomonas sp.,…
4) Đã xác định được vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas chiếm ưu thế trong hệ vi sinh vật anode của các MFC sinh dòng điện ổn định nhất (làm giàu từ đất tự nhiên) – dạng MFC đánh giá nhanh BOD.
5) Đã xác định được ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và điều kiện vận hành đến hoạt động của các thiết bị:
+ Nồng độ muối NaCl của dung dịch đầu vào có ảnh hưởng đến khả năng sinh điện và khả năng cảm biến của MFC. Nồng độ NaCl thích hợp để vận hành thiết bị là khoảng từ 1% đến 2%. Khoảng pH của dung dịch đầu vào anode thích hợp cho quá trình vận hành của các MFC là khá rộng, từ 5 đến 11. Các MFC thử nghiệm tỏ ra bền với nhiệt, sản sinh dòng điện một cách bình thường trong khoảng nhiệt từ 20 tới 50OC. Nồng độ BOD của dung dịch đầu vào anode có quan hệ với dòng điện phát sinh trong khoảng giá trị BOD từ 2 - 30 mg/L. Ảnh hưởng này cũng tương tự với các MFC dạng đánh giá độc tính. Sự có mặt của một số vi sinh vật khác như B.subtilis; E.coli; Pseudomonas sp. nhìn chung không có ảnh hưởng lớn tới dòng điện của các MFC.
+ Điện trở cao hơn 50 Ω sẽ giới hạn khả năng sinh điện của thiết bị, có thể thông qua việc hạn chế sự truyền electron từ anode đến cathode. Tốc độ dòng vào có tương quan tuyến tính với dòng điện sinh ra và tốc độ tối ưu khoảng từ 1 mL/phút đến 2 Đã xác định được các vật liệu phù hợp cho việc chế tạo các MFC trong điều kiện Việt Nam.
6) Đã xác định được phương án thiết kế và phương án làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa phù hợp nhất cho mỗi dạng MFC như sau: (i) với MFC dạng đánh giá độc tính của nước thải (MFC_TOX), thiết kế dạng khoang anode hình hộp chữ nhật với độ dày 10 mm, nguồn làm giàu là đất tự nhiên; (ii) với MFC dạng đánh giá BOD của nước thải (MFC_BOD), thiết kế dạng khoang anode hình hộp chữ nhật với độ dày 15 mm, nguồn làm giàu là nguồn bùn thải dễ thu thập. Qua đó, đã thiết kế và chế tạo thành công các thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) để sử dụng làm chỉ thị đánh giá nhanh độc tính và BOD của nước thải (sau xử lý).
7) Đã làm giàu thành công hệ vi sinh vật điện hóa trong anode của các MFC, với mật độ tế bào trên bề mặt điện cực đạt: 2 x107 - 5 x 107 tế bào/cm2. Nguồn vi sinh vật tối ưu để làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa của các MFC dạng đánh giá nhanh BOD là từ đất tự nhiên; nguồn vi sinh vật tối ưu để làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa của các MFC dạng đánh giá nhanh độc tính có thể là một nguồn dễ thu thập như bun thải sinh hoạt. Thời gian làm giàu là khoảng 2-3 tuần. Hệ vi sinh vật điện hóa giúp các MFC sinh dòng điện ổn định sau quá trình làm giàu. Hệ vi sinh vật điện hóa chứa các đại diện vi khuẩn có hoạt tính điện hóa điển hình như: Geobacter sp., Geothrix sp. và Pseudomonas sp.,…
8) Đã xác định được vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas chiếm ưu thế trong hệ vi sinh vật anode của các MFC sinh dòng điện ổn định nhất (làm giàu từ đất tự nhiên) - dạng MFC đánh giá nhanh BOD.
9) Đã xác định được ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và điều kiện vận hành đến hoạt động của các thiết bị:
+ Nồng độ muối NaCl của dung dịch đầu vào có ảnh hưởng đến khả năng sinh điện và khả năng cảm biến của MFC. Nồng độ NaCl thích hợp để vận hành thiết bị là khoảng từ 1% đến 2%. Khoảng pH của dung dịch đầu vào anode thích hợp cho quá trình vận hành của các MFC là khá rộng, từ 5 đến 11. Các MFC thử nghiệm tỏ ra bền với nhiệt, sản sinh dòng điện một cách bình thường trong khoảng nhiệt từ 20 tới 50 độ C. Nồng độ BOD của dung dịch đầu vào anode có quan hệ với dòng điện phát sinh trong khoảng giá trị BOD từ 2 - 30 mg/L. Ảnh hưởng này cũng tương tự với các MFC dạng đánh giá độc tính. Sự có mặt của một số vi sinh vật khác như B.subtilis; E.coli; Pseudomonas sp. nhìn chung không có ảnh hưởng lớn tới dòng điện của các MFC.
+ Điện trở cao hơn 50Ω sẽ giới hạn khả năng sinh điện của thiết bị, có thể thông qua việc hạn chế sự truyền electron từ anode đến cathode. Tốc độ dòng vào có tương quan tuyến tính với dòng điện sinh ra và tốc độ tối ưu khoảng từ 1 mL/phút đến 2.
Như vậy, việc nghiên cứu phát triển thiết bị MFC có khả năng đánh giá nhanh BOD và độc tính của nước thải có nhiều ý nghĩa thực tiễn. Sản phẩm hoàn thiện sẽ là một công cụ hữu hiệu giúp các doanh nghiệp tự kiểm soát chất lượng nước thải sau xử lý của mình, cũng như giúp các nhà giám sát môi trường thực hiện tốt nhiệm vụ của mình. Đề tài đã hướng tới việc tạo ra một sản phẩm mới phục vụ cho ngành công nghiệp môi trường, đặc biệt trong các lĩnh vực liên quan đến xử lý nước thải.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 12135-2016) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.