Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng pin nhiên liệu sinh học (MFC)

ĐẠII HỌC QU
UỐC GIA
A THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MIN
NH
TRƯ
ƯỜNG ĐẠ
ẠI HỌC BÁCH KHO
OA
--------------

BÙI M
MINH TR
RIẾT

N
NGHIÊN
N CỨU XỬ
X LÝ N
NƯỚC THẢI TH
HỦY SẢN
N BẰNG
G
PIN NH
HIÊN LIỆ
ỆU SINH
H HỌC (MFC)
CHUY
YÊN NGÀN
NH: CÔNG
G NGHỆ M
MƠI TRƯỜN

NG
MÃ SỐ:
S 6085066

LUẬN VĂN TH
HẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ M
MINH, tháng
g 07 năm 20114


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN TẤN PHONG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN THỊ NGỌC QUỲNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 30 tháng 07 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. NGUYỄN THẾ VINH
2. PGS. TS. NGUYỄN TẤN PHONG
3. TS. PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN
4. TS. NGUYỄN THỊ NGỌC QUỲNH
5. TS. ĐÀO THANH SƠN
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Bùi Minh Triết

MSHV: 12250630

Ngày, tháng, năm sinh: 19/11/1987

Nơi sinh: Đồng Tháp
Mã số : 608506

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng pin nhiên liệu
sinh học (MFC)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Luận văn đã hoàn thành được các nhiệm vụ sau:
- Tổng quan về cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của MFC như vật
liệu, cấu tạo, các yếu tố vận hành, các yếu tố sinh học.
- Tổng quan về các ứng dụng của công nghệ MFC trong lĩnh vực môi trường như quan trắc

độc tố, quan trắc BOD, sản xuất điện năng, sản xuất H2 và methane, khử muối, tẩy độc môi
trường, xử lý nước thải;
- Chế tạo được một kiểu MFC chi phí thấp có khả năng hoạt động với nước thải chế biến
thủy sản;
- Khảo sát khả năng loại bỏ COD hịa tan và các thơng số điện hóa của MFC;
- Bước đầu khảo sát ảnh hưởng của một số tác nhân nhận điện tử như KMnO4, H2O2, I2 đến
hiệu điện thế của MFC.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ...../...../..........
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ...../...../.........
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã nhận đƣơc nhiều sự giúp
đỡ của thầy cơ, gia đình và đồng nghiệp.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến thầy PGS. TS. Nguyễn Tấn
Phong đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này đồng
thời tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành tốt luận văn. Nếu khơng có những

gợi mở và nhận xét vơ cùng q báu của thầy thì đề tài đã khó đƣợc hồn thành.
Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cơ trong Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên - Trƣờng
ĐHBK- ĐHQG -HCM đã tận tâm truyền đạt những kiến thức bổ ích, kinh nghiệm
thực tế về chuyên ngành mà tôi theo học trong suốt hai năm vừa qua, để tơi có đƣợc
kiến thức quý báu hoàn thành luận văn.
Chân thành cảm ơn các bạn bè, các đồng nghiệp, các bạn lớp MT2010 trƣờng
Đại học Đồng Tháp và các bạn lớp Cao học cơng nghệ mơi trƣờng khóa 2012 đã
động viên, ủng hộ và hết lịng giúp đỡ cho tơi hồn thành tốt luận văn luận văn này.
Ngồi ra tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Hồng Nam, cơng ty Mơi Trƣờng
Văn Lang, anh Hồng cơng ty Ngọc Dung đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi, trong
suốt thời gian thực hiện đề tài.
Và cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và những ngƣời
thân đã động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi an tâm học tập, rèn
luyện trong suốt thời gian qua và có thể hồn thành tốt luận văn thạc sĩ này.
TP. HCM, ngày 10 tháng 07 năm 2014

Bùi Minh Triết


ii

TÓM TẮT
Nghiên cứu này đƣợc thực hiện nhằm khảo sát khả năng xử lý nƣớc thải chế biến
thủy sản bởi kiểu pin nhiên liệu sinh học (MFC) chế tạo từ các vật liệu phổ biến ở
Việt Nam. Hiệu quả loại bỏ COD hòa tan của MFC đƣợc xác định, đồng thời khả
năng sinh điện và các thơng số điện hóa của kiểu pin nhiên liệu sinh học này cũng
đƣợc khảo sát.
Trong nghiên cứu này, hai kiểu MFC sử dụng điện cực than hoạt tính đã đƣợc phát
triển. Khả năng sinh điện của kiểu MFC một ngăn là không đáng kể. Đối với MFC
hai ngăn sử dụng đơn thuần oxy khuếch tán làm tác nhân nhận điện tử, mật độ công

suất cực đại nằm trong khoảng 41 mW.m-3 tới 56 mW.m-3, kiểu MFC này đạt hiệu
điện thế hở mạch (OCV) cực đại khoảng 492 mV tới 638 mV và duy trì một mức
OCV ổn định trong khoảng 21 h tới 25 h trƣớc khi giảm mạnh, nội trở dao động từ
814 Ω tới 885 Ω. Kết quả cũng cho thấy bùn của mƣơng vƣờn trái cây có thể đƣợc
dùng nhƣ nguồn vi sinh cho MFC.
Các thử nghiệm ban đầu với chất oxy hóa mạnh (H2O2, KMnO4, I2) nhƣ tác nhân
nhận điện tử cho thấy mặc dù các chất này có thể giúp cải thiện hiệu điện thế đóng
mạch (CCV) của MFC, tuy nhiên chúng không thể giúp MFC tạo ra một dòng điện
bền vững.
Bổ sung Fe(III) vào ngăn dƣơng cực đồng thời khởi động MFC bằng chất thải của
mơ hình biogas đã giúp nâng cao hiệu quả sinh điện của MFC hai ngăn. Các MFC
hoạt động ở chế độ đóng mạch bằng điện trở 10.000 Ω. Khi xử lý nƣớc thải ngun
chất, các MFC có khả năng duy trì CCV trên mức 500mV trong khoảng 160h và đạt
CCV cực đại từ 832 mV đến 903 mV, mật độ công suất cực đại nằm trong khoảng
299 mW.m-3 tới 346 mW.m-3, nội trở của MFC dao động từ 605 Ω đến 615Ω, hiệu
quả loại COD đạt khoảng 82% tƣơng ứng với hiệu suất coulomb 0,33%. Trong
trƣờng hợp xử lý nƣớc thải pha loãng, các MFC có khả năng duy trì hiệu điện thế
đóng mạch trên mức 500mV trong khoảng 117h và đạt CCV cực đại từ 646 mV đến
679 mV, mật độ công suất cực đại nằm trong khoảng 170 mW.m-3 tới 184 mW.m-3,


iii

nội trở của MFC dao động từ 601 Ω đến 621Ω, hiệu quả loại COD đạt khoảng 60%
tƣơng ứng với hiệu suất coulomb 0,92%.

ABSTRACT
This study aimed to investigate the feasibility of using MFCs built from available
material in Viet Nam to treat catfish processing wastewater. The ability of MFCs to
remove SCOD was examined. The cell voltage was monitored. The electrochemical

parameters of MFCs such as coulombic efficiency, internal resistance, maximum
power density were determined.
In this work, two types of MFC using activated carbon electrode were constructed.
Single-chamber MFCs showed insignificant electricity generation. The maximum
volumetric power densities ranged from 41 mW.m-3 to 56 mW.m-3 for dualchamber MFCs using only saturated oxygen as electron acceptor, this type of MFC
reached their peak open circuit voltage (OCV) of 492mV to 638mV, maintained
their maximum OCV values in 21 to 25 hours before a sharp decrease, the internal
resistances of MFCs varied from 814 Ω to 885 Ω. The results also showed that
sediment from the pond in fruit garden can be used to inoculate the anode of MFC.
Preliminary experiments with strong oxidizers as electron acceptor (H2O2, KMnO4,
I2) showed that although they were able to enhance closed circuit cell voltage of
MFCs, these types of electron acceptors failed to keep a sustainable current.
The addition of Fe(III) and the replacement of pond sediment with biogas digestate
as inoculum source enhanced energy performances of dual-chamber MFCs. MFCs
were operated in closed circuit mode with 10.000 Ω resistance. For full strength
wastewater treatment, MFCs were able to maintain their closed circuit voltage
(CCV) above 500mV in 160 hours reaching their peak CCV of 832 mV to 903 mV,
the maximum volumetric power densities ranged from 299 mW.m-3 to 346 mW.m-3,
the internal resistances of

MFCs varied from 605 Ω to 615Ω, COD removal

efficiency arrived at 82% with 0,33% coulombic efficiency achieved. In the case of
diluted wastewater, MFCs were able to keep up their CCV above 500mV in 117
hours reaching their peak CCV of 646 mV to 679 mV, the maximum volumetric
power densities ranged from 170 mW.m-3 to 184 mW.m-3, the internal resistances of


iv

MFCs varied from 601 Ω to 621 Ω, COD removal efficiency arrived at 60% with
0,92% coulombic efficiency achieved.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi,
đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này trung
thực và chƣa từng đƣợc các nhà nghiên cứu khác công bố dƣới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Học viên

Bùi Minh Triết


v

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................viii
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU.................................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................................ 2
1.3 Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................... 2
1.3.1 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................... 2
1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................... 2
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ......................................................................................... 2
1.4.1 Ý nghĩa khoa học .......................................................................................................... 2

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn........................................................................................................... 2
1.4.3 Tính mới của đề tài ....................................................................................................... 3
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN ................................................................................................. 4
2.1 Nƣớc thải chế biến cá da trơn .......................................................................................... 4
2.2 Tổng quan về pin nhiên liệu sinh học (MFC) .................................................................. 4
2.2.1 Giới thiệu về pin nhiên liệu sinh học ............................................................................ 4
2.2.1.1 Thiết lập cơ bản ......................................................................................................... 4
2.2.1.2 Phân loại MFC ........................................................................................................... 6
2.2.1.3 Các thông số chủ yếu thể hiện hiệu quả hoạt động của MFC .................................... 7
2.2.2 Sơ lƣợc về chuyển hóa năng lƣợng ở vi sinh vật ........................................................ 10
2.2.2.1 Hô hấp ...................................................................................................................... 10
2.2.2.2 Lên men ................................................................................................................... 11
2.2.2.3 Điện sinh .................................................................................................................. 11
2.2.3 Cơ chế vận chuyển electron ........................................................................................ 12
2.2.3.1 Chuyển electron trực tiếp ......................................................................................... 12
2.2.3.2 Chuyển electron thông qua chất môi giới ................................................................ 14
2.3 Vật liệu của điện cực MFC ............................................................................................ 16
2.3.1 Vật liệu chế tạo cực âm............................................................................................... 16
2.3.1.1 Vật liệu carbon ......................................................................................................... 16
2.3.1.2 Vật liệu kim loại và oxide kim loại.......................................................................... 19
2.3.2 Vật liệu chế tạo cực dƣơng ......................................................................................... 19
2.4 Các yếu tố khác ảnh hƣởng đến hiệu quả hoạt động của MFC ..................................... 21
2.4.1 Các yếu tố liên quan đến cấu tạo ................................................................................ 21
2.4.1.1 Cấu hình của MFC ................................................................................................... 21
2.4.1.2 Kích thƣớc của MFC ............................................................................................... 21
2.4.1.3 Bộ phận phân tách.................................................................................................... 21
2.4.2 Các yếu tố vận hành .................................................................................................... 22
2.4.3 Các yếu tố sinh học ..................................................................................................... 24
2.5 Các ứng dụng của công nghệ MFC ............................................................................... 25
2.5.1 Xử lý nƣớc thải ........................................................................................................... 25

vi

2.5.2 Cảm biến sinh học (biosensor).................................................................................... 26
2.5.2.1 Quan trắc BOD ........................................................................................................ 26
2.5.2.2 Khảo sát hoạt động của vi sinh ................................................................................ 27
2.5.2.3 Quan trắc độc tính .................................................................................................... 27
2.5.3 MFC bùn trầm tích...................................................................................................... 28
2.5.3.1 Nguồn cung cấp năng lƣợng .................................................................................... 28
2.5.3.2 Tẩy độc môi trƣờng (bioremediation)...................................................................... 29
2.5.4 Sản xuất H2 hay CH4 từ MEC ..................................................................................... 29
2.5.5 Khử muối .................................................................................................................... 31
CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 33
3.1 Vật liệu ........................................................................................................................... 33
3.1.1 Nƣớc thải .................................................................................................................... 33
3.1.2 Nguồn vi sinh .............................................................................................................. 33
3.1.3 Mơ hình MFC ............................................................................................................. 33
3.1.3.1 Mơ hình MFC một ngăn .......................................................................................... 33
3.1.3.2 Mơ hình MFC hai ngăn ............................................................................................ 34
3.2 Vận hành ........................................................................................................................ 35
3.3 Tính tốn và phân tích ................................................................................................... 35
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................... 40
4.1. MFC một ngăn .............................................................................................................. 40
4.1.1 Khảo sát hiệu điện thế hở mạch .................................................................................. 40
4.1.2 Khảo sát hiệu điện thế đóng mạch .............................................................................. 41
4.2. MFC hai ngăn sử dụng oxy khuếch tán làm tác nhân nhận điện tử .............................. 42
4.2.1 Khảo sát hiệu điện thế hở mạch .................................................................................. 42
4.2.2 Khảo sát hiệu điện thế đóng mạch .............................................................................. 43
4.2.3 Nội trở và công suất cực đại ....................................................................................... 44

4.3 Sử dụng các chất oxi hóa mạnh làm tác nhân nhận điện tử ........................................... 45
4.4 MFC với cực dƣơng Fe(III) ........................................................................................... 46
4.4.1 Xử lý nƣớc thải nguyên chất ....................................................................................... 46
4.4.1.1 Khảo sát hiệu điện thế đóng mạch ........................................................................... 46
4.4.1.2 Nội trở và công suất cực đại .................................................................................... 47
4.4.2 Xử lý nƣớc thải pha loãng .......................................................................................... 49
4.4.2.1 Khảo sát hiệu điện thế đóng mạch ........................................................................... 49
4.2.2.2 Nội trở và công suất cực đại .................................................................................... 50
4.4.3 Hiệu quả loại SCOD và hiệu suất coulomb ................................................................ 51
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 53
5.1 Kết luận .......................................................................................................................... 53
5.2 Kiến nghị........................................................................................................................ 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 55
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 60
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................................. 61


vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Sơ đồ của một MFC hai ngăn ................................................................................. 5
Hình 2.2 Một MFC truyền thống có hai ngăn và màng trao đổi proton ................................ 5
Hình 2.3 Phân loại MFC ........................................................................................................ 6
Hình 2.4 Chuỗi chuyển điện tử của q trình hơ hấp ở vi khuẩn ........................................ 11
Hình 2.5 Minh họa phƣơng thức chuyển electron trực tiếp ................................................. 13
Hình 2.6 Carbon felt ............................................................................................................ 18
Hình 2.7 Chổi carbon ........................................................................................................... 19
Hình 2.8 Sơ đồ MFC với điện cực dƣơng nhúng chìm ....................................................... 20
Hình 2.9 Sơ đồ MFC một ngăn với điện cực khơng khí ...................................................... 20
Hình 2.10 Sơ đồ MFC khơng có bộ phận phân tách............................................................ 22

Hình 2.11 Sơ đồ ngun tắc hoạt động của MFC trầm tích ................................................ 28
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của MEC................................................................ 30
Hình 2.13 Các MEC một ngăn ở quy mơ phịng thí nghiệm ............................................... 31
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của MDC ............................................................... 32
Hình 3.1 Sơ đồ mơ hình MFC một ngăn ............................................................................. 34
Hình 3.2 Sơ đồ mơ hình MFC hai ngăn ............................................................................... 34
Hình 3.3 Ví dụ về hiệu điện thế của MFC theo thời gian .................................................... 36
Hình 3.4 Ví dụ về tính tốn diện tích phía dƣới đƣờng u(t) ................................................ 37
Hình 3.5 Ví dụ của đƣờng cơng suất ................................................................................... 38
Hình 3.6 Ví dụ của đƣờng phân cực .................................................................................... 38
Hình 4.1 Diễn biến hiệu điện thế hở mạch của MFC một ngăn .......................................... 40
Hình 4.2 Diễn biến hiệu điện thế đóng mạch của MFC một ngăn ...................................... 41
Hình 4.3 Diễn biến hiệu điện thế hở mạch của MFC hai ngăn sử dụng oxy khuếch tán làm
tác nhân nhận điện tử ........................................................................................................... 42
Hình 4.4 Diễn biến hiệu điện thế đóng mạch của MFC hai ngăn sử dụng oxy khuếch tán
làm tác nhân nhận điện tử .................................................................................................... 43
Hình 4.5 Đƣờng cơng suất và đƣờng phân cực của MFC24, MFC25, MFC26................... 44
Hình 4.6 Diễn biến hiệu điện thế đóng mạch của MFC Fe(III) xử lý nƣớc thải ngun chất
............................................................................................................................................. 46
Hình 4.7 Đƣờng cơng suất và đƣờng phân cực của MFCf1, MFCf2, MFCf3..................... 48
Hình 4.8 Diễn biến hiệu điện thế đóng mạch của MFC Fe(III) xử lý nƣớc thải pha lỗng . 49
Hình 4.9 Đƣờng công suất và đƣờng phân cực của MFCf4, MFCf5, MFCf6..................... 50

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần nƣớc thải chế biến cá da trơn ............................................................. 4
Bảng 2.2 Cấu trúc phân tử của chất môi giới nội sinh của vi khuẩn ................................... 16
Bảng 3.1 Các phƣơng pháp phân tích .................................................................................. 39
Bảng 4.1 So sánh MFC sử lý nƣớc thải nguyên chất và nƣớc thải pha loãng ..................... 51

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACNQ

2-Amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone

ADP

Adenosine diphosphate

AEM

Anion exchange membrane

ATP

Adenosine triphosphate

CCV

Closed circuit voltage

CEM

Cation exchange membrane

COD

Chemical oxygen demand

GAC

Granular activated carbon

GDP

Gross domestic product

INEST

Institute for Environmental Science and Technology

MBBR

Moving bed biofilm reactor

MDC

Microbial desalinationcell

MEC

Microbial electrolysis cell

MFC

Microbial fuel cell

OCV

Open circuit voltage

RBC

Rotating biological contactor

SCOD

Soluble COD

SHE

Standard hydrogen electrode


1

CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Việt Nam là một trong 10 nƣớc xuất khẩu thủy sản hàng đầu trên thế giới, ngành thủy sản
năm 2009 chiếm 4% GDP, 8% xuất khẩu và 9% lực lƣợng lao động (khoảng 3,4 triệu
ngƣời) của cả nƣớc. Trong vòng 20 năm qua ngành thủy sản ln duy trì tốc độ tăng
trƣởng ấn tƣợng từ 10-20% [4]. Tổng sản lƣợng chế biến thủy sản của Việt Nam năm
2011 là 5,2 triệu tấn [3].
Tuy đóng góp to lớn cho nền kinh tế, nhƣng ngành cơng nghiệp chế biến thủy sản lại thải
ra môi trƣờng một lƣợng lớn nƣớc thải bị ô nhiễm hữu cơ và chứa hàm lƣợng cao chất
dinh dƣỡng, gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trƣờng và đe dọa sức khỏe của ngƣời dân
trong khu vực, lƣợng nƣớc thải phát sinh khoảng từ 5 ÷ 7 m3/ tấn thành phẩm đối với cá
da trơn và 4 ÷ 6 m3/ tấn thành phẩm đối với tơm đơng lạnh [2]. Do đó việc xử lý nƣớc

thải thủy sản đƣợc đặc biệt quan tâm.
Nƣớc thải từ các nhà máy chế biến thủy sản hầu hết đƣợc xử lý bằng các cơng nghệ dựa
trên q trình bùn hoạt tính, mặc dù cho hiệu quả xử lý cao nhƣng tiêu hao nhiều năng
lƣợng. Trong bối cảnh các nguồn năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và gia tăng
hàm lƣợng CO2 trong bầu khí quyển, thì một địi hỏi cấp bách là phải phát triển các cơng
nghệ xử lý nƣớc thải tiết kiệm năng lƣợng hay có khẳ năng tự túc và tạo ra thặng dƣ năng
lƣợng.
Pin nhiên liệu sinh học (pin nhiên liệu vi sinh, MFC) là thiết bị sử dụng vi khuẩn để biến
đổi trực tiếp hóa năng trong các hợp chất hữu cơ hay vô cơ thành điện năng. MFC giúp
mở ra khả năng vừa xử lý nƣớc thải vừa trực tiếp sản suất điện. Tuy nhiên việc sử dụng
điện cực và bộ phận phân tách đƣợc chế tạo từ vật liệu đắt tiền đang ngăn cản khả năng
áp dụng MFC cho mục đích xử lý nƣớc thải.
Nhiều nghiên cứu đã đƣợc tiến hành với mục đích chế tạo các MFC sử dụng điện cực và
bộ phận phân tách làm từ vật liệu chi phí thấp. Đối với vật liệu làm điện cực thì than hoạt
tính đƣợc đặc biệt chú ý do tính tƣơng thích sinh học, diện tích bề mặt cao và tính dẫn
điện tốt.
Với ƣu điểm của MFC so với các công nghệ xử lý sinh học truyền thống đề tài “Nghiên
cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng pin nhiên liệu sinh học (MFC)” đƣợc thực


2

hiện nhằm mục tiêu khảo sát khả năng xử lý nƣớc thải thủy sản và khả năng sinh điện của
pin nhiên liệu sinh học, đƣợc chế tạo từ vật liệu có chi phí thấp.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài đƣợc thực hiện nhằm:
(1) Tổng quan về cơ chế hoạt động cũng nhƣ các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả hoạt
động của MFC làm cơ sở cho đề tài và các nghiên cứu trong tƣơng lai.
(2) Xây dựng mơ hình MFC chi phí thấp có khả năng hoạt động bằng nƣớc thải thủy sản.
(3) Khảo sát khả năng sinh điện và xử lý nƣớc thải thủy sản của mơ hình MFC.

(4) Xác định các thơng số điện hóa đặc trƣng của mơ hình MFC.
1.3 Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu
1.3.1 Phạm vi nghiên cứu
(1) Xây dựng mơ hình MFC khơng sử dụng màng trao đổi ion. Mơ hình có thể tích làm
việc nhỏ hơn 2,0 L với vật liệu cơ bản của cực âm và cực dƣơng là than hoạt tính dạng
hạt.
(2) Xác định các thơng số điện hóa đặc trƣng của mơ hình: nội trở, hiệu suất coulomb,
mật độ công suất cực đại.
(3) Đánh giá hiệu quả xử lý nƣớc thải cá da trơn của MFC qua hiệu quả loại COD.
Để xác định các thơng số điện hóa và hiệu quả xử lý nƣớc thải thì các MFC đƣợc vận
hành theo mẻ.
1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng của nghiên cứu là nƣớc thải của nhà máy chế biến cá da trơn.
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.4.1 Ý nghĩa khoa học
Kết quả của đề tài sẽ giúp chứng minh MFC vẫn có thể hoạt động khi khơng sử dụng
màng trao đổi ion làm bộ phận phân tách. Than hoạt tính gáo dừa có thể đƣợc sử dụng
làm vật liệu điện cực cho MFC. Mặt khác, nghiên cứu này cũng cung cấp những hiểu biết
ban đầu cho những nghiên cứu đƣợc thực hiện trong điều kiện của Việt Nam về các hệ
thống dựa trên nền tảng MFC nhƣ pin điện giải vi sinh (microbial electrolysis cell), hay
pin khử muối vi sinh (microbial desalination cell).
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Việc xử lý thành công nƣớc thải cá da trơn bằng pin nhiên liệu sinh học sẽ đóng góp
thêm một phƣơng pháp xử lý nƣớc thải cá da trơn và thu hồi năng lƣợng từ loại nƣớc thải


3

này. Nghiên cứu sẽ cung cấp các số liệu thiết kế và vận hành cho pin nhiên liệu sinh học
sử dụng cực âm là đệm than hoạt tính, trong ứng dụng xử lý nƣớc thải cá da trơn. Bên

cạnh đó nếu MFC có thể sử dụng nƣớc thải cá da trơn để sản xuất điện sẽ góp phần đa
dạng hóa nguồn cung cấp năng lƣợng.
1.4.3 Tính mới của đề tài
Đây là đề tài đầu tiên ứng dụng MFC để xử lý nƣớc thải cá da trơn ở Việt Nam.


4

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1 Nƣớc thải chế biến cá da trơn
Nƣớc thải chế biến cá da trơn là một hỗn hợp phức tạp bao gồm vụn thịt, máu, nhớt, dầu
và mỡ cá, protein hòa tan, vật chất hữu cơ đã phân hủy một phần (partially decomposed),
các vi sinh gây bệnh, các hợp chất nitơ và phosphor vô cơ.
Bảng 2.1 Thành phần nƣớc thải chế biến cá da trơn [1]
Chỉ tiêu

Đơn vị

Giá trị

pH

-

6,5 - 7

SS

mg/L

500 - 1.200

COD

mgO2/L

800 - 2.500

BOD5

mgO2/L

500 - 1.500

N tổng

mg/L

100 - 300

P tổng

mg/L

50 - 100

Dầu và mỡ

mg/L

250 - 830

2.2 Tổng quan về pin nhiên liệu sinh học (MFC)
2.2.1 Giới thiệu về pin nhiên liệu sinh học
2.2.1.1 Thiết lập cơ bản
Một pin nhiên liệu sinh học cơ bản thƣờng là một MFC hai ngăn, gồm có một ngăn âm
cực và một ngăn dƣơng cực đƣợc phân tách bởi màng trao đổi proton hay cầu muối.
Trong ngăn âm cực, các vi sinh vật yếm khí oxi hóa cơ chất tạo ra electron và proton. Các
electron đƣợc hấp thụ bởi cực âm và đƣợc vận chuyển đến cực dƣơng thơng qua mạch
ngồi. Sau khi đi qua màng trao đổi ion hoặc cầu muối, các proton thâm nhập vào ngăn
dƣơng cực, tại đây chúng kết hợp với oxygen để tạo thành nƣớc. Bên cạnh oxygen,
electron có thể khử các chất nhận điện tử khác trong ngăn dƣơng cực nhƣ NO3 , Fe3+,
KMnO4, H2O2.


5

Hình 2.1 Sơ đồ của một MFC hai ngăn

Ngăn âm cực

Ngăn dƣơng cực

Hình 2.2 Một MFC truyền thống có hai ngăn và màng trao đổi proton


6

2.2.1.2 Phân loại MFC
Trên cơ sở thiết lập cơ bản của MFC thì nhiều thiết kế MFC khác nhau đã đƣợc chế tạo

và sử dụng trong các nghiên cứu. Hình 2.3 liệt kê những điểm khác nhau của các thiết kế.
Một ngăn
Hai ngăn
Cấu hình của MFC

Bộ pin
MFC cuộn
Dạng tấm phẳng

Dạng đĩa
Cấu trúc của reactor

Dạng ống
Dạng trụ đồng tâm

Cầu muối
Không màng
Thiết kế của MFC

Bộ phận phân tách
Màng trao đổi ion âm
Màng trao đổi ion dƣơng

Cực dƣơng khơng khí

Kiểu cực dƣơng

Cực dƣơng nhúng chìm

Cực dƣơng sinh học

Điện cực kim loại

Chất liệu điện cực

Điện cực carbon
Điện cực phủ xúc tác

Dạng mẻ
Kiểu dòng chảy
Dòng liên tục

Hình 2.3 Phân loại MFC


7

2.2.1.3 Các thông số chủ yếu thể hiện hiệu quả hoạt động của MFC
Hiệu điện thế
Hiệu điện thế giữa cực âm và cực dƣơng (U) (sau đây gọi tắt là hiệu điện thế) là thông số
quan trọng quyết định công suất của pin vì hiệu điện thế là động lực cho sự chuyển động
của electron. Trong các nghiên cứu về MFC ngƣời ta thƣờng xác định hiệu điện thế hở
mạch (OCV) của MFC, OCV có thể đƣợc xác định bằng cách nối MFC với một điện trở
lớn (thƣờng là lớn hơn 10kΩ) hay đo hiệu điện thế giữa hai cực của MFC khi khơng có
dịng điện chạy trong mạch ngồi. Hiệu điện thế lý thuyết cực đại (maximum theoretical
potential) của MFC là khoảng 1,2 V, nhƣng trong thực tế OCV tối đa của các MFC
thƣờng đạt thấp hơn 0,80 V [44].
Quá thế (overpotential) là một khái niệm điện hóa, chỉ sự chênh lệch về điện thế giữa
điện thế khử cân bằng của bán phản ứng oxi hóa-khử với điện thế áp vào điện cực nghiên
cứu. Quá thế biểu thị sự chênh lệch về mặt năng lƣợng để cho phản ứng oxi hóa-khử có
thể xảy ra. Phần năng lƣợng chênh lệch đó sẽ có tác dụng thắng các trở lực, điều khiển

phản ứng xảy ra theo một chiều nhất định và với một tốc độ nhất định. Trong điện phân,
hiệu điện thế mạch ngồi ln lớn hơn (về trị số) hiệu điện thế của hai bán phản ứng
cathode, anode, để có thể thắng đƣợc các trở lực, quá trình điện phân mới xảy ra đƣợc.
Trong pin điện hóa, hiệu điện thế mạch ngồi ln nhỏ hơn (về trị số) hiệu điện thế của
hai bán phản ứng cathode, anode. Phần năng lƣợng mất đi này là do nó phải chống lại các
trở lực của các q trình điện hóa trong pin.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá thế ở MFC là bề mặt của điện cực, đặc tính điện hóa và
điện thế của điện cực, và các yếu tố động học liên quan đến cơ chế chuyển electron và
dòng điện của MFC.

Nội trở
Mỗi MFC đƣợc đặc trƣng bởi nội trở (internal resistance), nội trở này (Rint) sẽ quyết định
đến điện trở tải tối ƣu. Nếu khơng có dịng điện chạy trong mạch thì khơng phát sinh hao
phí điện năng và khi đó ta đo đƣợc hiệu điện thế cực đại (maximum cell voltage), theo lý
thuyết sẽ bằng với hiệu điện thế hở mạch (OCV). Khi cƣờng độ dòng điện tăng ta quan
sát thấy hiệu điện thế giảm. Hiệu điện thế giảm là kết quả của gia tăng hao phí do cƣờng
độ dịng điện tăng lên. Các ion di chuyển từ cực âm đến cực dƣơng phải gặp một số trở
lực. Các trở lực này dẫn đến sự sụt giảm hiệu điện thế, loại hao phí này phụ thuộc vào


8

cƣờng độ dịng điện I (U = I×R) và đƣợc gọi là tổn thất thuần trở (ohmic loss). Bên cạnh
tổn thất thuần trở, có các tổn thất năng lƣợng khác nhƣ tổn thất hoạt hóa (activation loss)
và tổn thất nồng độ (concentration loss). Trong khi tổn thất thuần trở thể hiện sự mất mát
về năng lƣợng do điện trở trong tất cả các phần dẫn điện của pin (điện cực, dung dịch,
dây dẫn), tổn thất hoạt hóa bị gây ra bởi năng lƣợng hoạt hóa cần thiết để khởi động phản
ứng, và tổn thất nồng độ là do sự phân cực nồng độ (concentration gradients) xảy ra gần
các điện cực nhƣ là kết quả của các phản ứng tại đây.
Mật độ công suất

Về cơ bản hiệu quả hoạt động của MFC đƣợc đánh giá qua mật độ công suất ra (p) và
hiệu suất coulomb (eCb). Mật độ cơng suất có thể đƣợc tính trên diện tích của cực âm (pAn)
hay tính trên thể tích của ngăn âm cực (pv).
p An

pv

U2
Rext AAn
U2
Rext v

(1)
(2)

Trong đó: U là hiệu điện thế giữa hai cực, Rext là điện trở mạch ngoài, AAn là diện tích
của cực âm, v là thể tích làm việc của ngăn âm cực.
Cơng suất cực đại

Máy phát điện ln có một tổng trở nội do cấu tạo của nó. Do đó khi máy phát
cung cấp dịng điện cho tải, nó đồng thời cấp dòng cho nội trở và tiêu tán một
phần công suất. Nguyên lý truyền công suất cực đại qua mạng một cửa nêu lên
rằng: tải nhận đƣợc công suất cực đại khi tổng trở tải bằng chính nội trở
nguồn. Tuy nhiên lúc đó hiệu suất của máy phát chỉ đạt 50%. Điều đó có
nghĩa là một nửa cơng suất phát ra đã bị thất thoát thành nhiệt năng bên trong
máy phát. Vì thế, những máy phát thực thụ thƣờng không đƣợc thiết kế để vận
hành ở công suất tối đa, mà ở mức công suất thấp hơn nhiều, thuộc khu vực có
hiệu suất cao hơn.
Hiệu suất coulomb
Hiệu suất coulomb (coulombic efficiency) là tỷ số giữa năng lƣợng do pin phát ra khi làm

việc với năng lƣợng mà nó tích trữ đƣợc khi sạc.Trong trƣờng hợp của MFC là tỷ số giữa
số coulomb thực tế thu đƣợc với số coulomb tối đa thu đƣợc theo lý thuyết từ lƣợng COD


9

đƣa vào MFC. Hiệu suất coulomb cho MFC vận hành theo mẻ trong khoảng thời gian tb
đƣợc tính theo cơng thức:
tb

Idt
0

eCb

F b v An

COD
M

(3)

Trong đó:
I là cƣờng độ dịng điện
M = 32 khối lƣợng phân tử của O2
F =96500 (C/mol electron) là hằng số Faraday
b = 4 số electron trao đổi cho mỗi mol O2
vAn là thể tích ƣớt của của ngăn âm cực (L)
ΔCOD là chênh lệch giữa COD đầu vào và COD đầu ra (g/L)
Hiệu suất coulomb thƣờng cao khi sử dụng acetate làm cơ chất (71-95%) [78], nhƣng

thƣờng đạt thấp tới trung bình với nƣớc thải. Nếu một cơ chất có khả năng lên men đƣợc
sử dụng, việc tạo thành các sản phẩm lên men nhƣ CH4 hay H2 có thể làm giảm lƣợng
electron thu đƣợc. Tuy nhiên, hiệu suất coulomb cịn phụ thuộc vào cấu hình của thiết bị
phản ứng và điều kiện vận hành.
Hiệu suất coulomb có thể đạt thấp do ba nguyên nhân:
-Tải hữu cơ tính trên thể tích cao so với tải hữu cơ tính trên diện tích.
- Một tỷ lệ cao COD đi vào bể phản ứng nhƣng không đƣợc sử dụng bởivi sinh có hoạt
tính điện hóa.
- Vi sinh chuyển electron cho tác nhân nhận điện tử khác chứ không phải cực âm, tác
nhân nhận điện tử khác có thể từ bên ngồi khuếch tán vào (nhƣ O2) hay có sẵn trong
dung dịch.
Tải hữu cơ
Khi kiểm tra khả năng xử lý nƣớc thải của MFC và thuận tiện cho quá trình thiết kế,
ngƣời ta thƣờng tính tải hữu cơ. Tải hữu cơ tính trên thể tích làm việc của ngăn âm cực
(kg COD /m3/d) đƣợc dùng khi so sánh với quá trình sinh học lơ lững, và để so sánh với
quá trình sinh học dính bám thì tải hữu cơ tính trên diện tích của cực âm (g COD /m2/d)
đƣợc dùng.
Tải hữu cơ tính trên thể tích mà các MFC ở quy mơ phịng thí nghiệm thƣờng đạt đƣợc là
khoảng 3 kg COD /m3/d, so sánh với bể xử lý yếm khí cao tải là 8-20 kg COD /m3/d hoặc


10

q trình bùn hoạt tính là 0,5 - 2 kg COD m3/d. Tải hữu cơ tính trên diện tích của cực âm
của MFC vào khoảng 25 - 35 g COD /m2/d, cao hơn so với tải hữu cơ thông thƣờng của
đĩa quay sinh học (RBC; 10-20 g COD /m2/d), và có thể so sánh với các q trình sinh
học cao tải nhƣ MBBR [44].
2.2.2 Sơ lƣợc về chuyển hóa năng lƣợng ở vi sinh vật
Để tồn tại, phát triển vi sinh dị dƣỡng không chỉ cần cơ chất và chất dinh dƣỡng mà
chúng còn cần sự hiện diện của tác nhân nhận electron (electron acceptor) thích hợp. Căn

cứ vào việc sử dụng tác nhân nhận electron cuối thì có hai kiểu chuyển hóa năng lƣợng
của vi sinh: hơ hấp và lên men.
2.2.2.1 Hô hấp
Vi sinh vật tồn tại và phát triển nhờ vào năng lƣợng do chúng tạo ra bằng q trình
chuyển electron. Trong q trình hơ hấp, các vi sinh vật giải phóng electron từ cơ chất
giàu electron ở thế oxi hóa khử thấp và chuyển các electron này, nhờ vào các phức hợp
chuyển electron (có ái lực tăng dần đối với electron) của chuỗi chuyển điện tử, dọc theo
màng sinh chất đến khử tác nhân nhận điện tử cuối. Khi các electron đƣợc chuyển dọc
theo chuỗi chuyển điện tử thì các proton cũng đồng thời đƣợc đẩy xuyên qua màng sinh
chất. Càng có nhiều electron qua chuỗi chuyễn điện tử thì càng có nhiều proton tích tụ
ngay phía ngoài màng sinh chất kết quả là tạo nên một thế proton. Do thế proton, các
proton sẽ đi xuyên trở lại qua màng sinh chất vào bên trong tế bào để khôi phục lại trạng
thái cân bằng, màng sinh chất chỉ thẩm thấu proton thông qua các phức hợp protein ATP
synthases. Các proton đi xuyên qua enzyme ATP synthease và giúp nó sản sinh ATP
(phân tử vận chuyển năng lƣợng) từ ADP và phosphate vô cơ. Nhƣ vậy bằng cách tạo
nên thế proton, sự khác biệt về thế oxi hóa khử giữa tác nhân nhƣờng điện tử (cơ chất ở
thế oxi hóa thấp) và tác nhân nhận điện tử cuối đã đƣợc sử dụng vào quá trình tạo ra năng
lƣợng. Sự khác biệt về thế oxi hóa khử giữa tác nhân nhƣờng điện tử và tác nhân nhận
điện tử càng lớn, thì thế proton tạo ra càng lớn và lƣợng ATP tạo ra càng nhiều. Các vi
sinh vật hô hấp có thể sử dụng các tác nhân nhận điện tử nhƣ O2, nitrate. iron oxides,
manganese oxides, sulfate.


11

Proton
gradient

Cyanide
Azide

Carbon
monoxide

Antimycin
Cytc

Rotenone
Ptericidin
Amytal
Mercurials
Demerol

DCCD
Oligomycin

Thenoyltrifluoroacetone

H2O

Carboxin

Hình 2.4 Chuỗi chuyển điện tử của q trình hơ hấp ở vi khuẩn

2.2.2.2 Lên men
Trong mơi trƣờng khơng có chất oxi hóa ngoại sinh, nhiều vi sinh vật thực hiện quá trình
lên men để tạo ra năng lƣợng, một phần cơ chất đƣợc sử dụng nhƣ tác nhân nhận điện tử
và bị khử, phần cơ chất còn lại bị oxi hóa khơng hồn tồn. Tuy nhiên, q trình lên men
có hiệu suất năng lƣợng thấp hơn nhiều so với q trình hơ hấp khi chỉ 1 tới 4 moles ATP
đƣợc tạo ra trong quá trình lên men glucose so với 26 đến 38 moles ATP đƣợc tạo ra
trong quá trình phân hủy hiếu khí glucose.

2.2.2.3 Điện sinh
Khơng giống nhƣ các hệ thống tự nhiên, ngăn âm cực của MFC là một mơi trƣờng nhân
tạo, trong đó sự hiện diện của các tác nhân nhận điện tử hòa tan đƣợc khống chế. Quá
trình sinh điện bởi vi sinh dựa trên động cơ của vi khuẩn muốn thu lấy năng lƣợng cao
nhất. Tác nhân nhận điện tử chính hiện diện trong ngăn âm cực là một vật rắn dẫn điện
(cực âm), cực âm cho phép vi khuẩn thực hiện quá trình hô hấp để tạo ra năng lƣợng.Vi
khuẩn sẽ sử dụng cực âm cho đến khi thế oxi hóa khử của cực âm cịn cao hơn thế oxi
hóa khử của các tác nhân nhận điện tử khác có trong ngăn âm cực.


12

2.2.3 Cơ chế vận chuyển electron
2.2.3.1 Chuyển electron trực tiếp
Sự chuyển electron trực tiếp đƣợc thực hiện thông qua tiếp xúc vật lý của màng tế bào vi
khuẩn hoặc màng bào quan (organelle) với cực âm của pin nhiên liệu, trong q trình này
khơng có sự tham gia của tác nhân oxi hóa khử khuếch tán (diffusional redox species). Sự
chuyển electron trực tiếp đòi hỏi các vi sinh sở hữu các hệ protein chuyển tiếp electron
(electron transport protein relays) đƣợc gắn trên màng tế bào, chúng giúp đƣa các
electron từ bên trong ra phía ngồi của tế bào vi khuẩn, khâu vận chuyển này kết thúc ở
một protein khử ngoại bào, nhờ protein này electron đƣợc chuyển đến vật rắn nhận điện
tử nằm bên ngoài tế bào (một oxide kim loại hoặc cực âm của MFC). Trong môi trƣờng
tự nhiên, các vi sinh khử kim loại nhƣ Geobacter, Rhodoferax, Shewanella thƣờng phải
dựa vào các các chất nhận điện tử cuối nhƣ Fe2O3. Trong trƣờng hợp của các vi sinh này
cực âm của MFC có thể thay thế vai trị của chất nhận điện tử cuối tự nhiên một cách dễ
dàng.
Sự chuyển electron trực tiếp thơng qua các cytochromengoại bào địi hỏi sự tiếp xúc vật
lý (dính bám) của tế bào vi khuẩn và cytochrome lên cực âm của pin nhiên liệu, điều này
khiến cho chỉ có các vi khuẩn tại lớp đầu tiên trên bề mặt cực âm có hoạt tính điện hóa.
Do đó hoạt động của MFC bị giới hạn bởi mật độ tế bào tối đa trên lớp vi khuẩn có hoạt

tính điện hóa này. Lấy ví dụ các trƣờng hợp MFC đạt mật độ dòng (current density) thấp
0,6 mA/cm2, 3 mA/cm2và 6,5 mA/cm2 khi hoạt động dựa trên Shewanella putrefaciens,
Rhodoferax ferrireducens và Geobacter sulfurreducens, một cách tƣơng ứng [76].
Cytochrome
Các dạng protein kết hợp có nhân Heme. Cytochrome hoạt động nhƣ các chất
trung gian trong chuỗi vận chuyển điện tử. Có nhiều cytochrome trong cơ thể
động vật và thực vật, chúng đóng vai trị rất quan trọng trong các q trình trao
đổi chất nhƣ quang hợp và hơ hấp.
Cytochrome là nhóm protein quan trọng (coenzyme Q). Mỗi cytochrome mang
một nhóm hormone chứa Fe nhƣ một hợp phần của cấu trúc cytochrome. Khi
các điện tử đƣợc chuyển từ phân tử này đến phân tử tiếp theo thì các phân tử
Fe luân phiên nhau, khi thì bị khử, khi thì bị oxi hóa.


13

Nhiều nghiên cứu cho thấy MFC vẫn hoạt động hiệu quả ngay cả khi lớp màng vi sinh
bám khá dày trên bề mặt cực âm (>40 µm). Trong nhiều trƣờng hợp, cƣờng độ dòng điện
do MFC tạo ra tỷ lệ thuận với lƣợng sinh khối hay độ dày của sinh khối bám trên cực âm.
Các kết quả này gợi ý rằng các tế bào vi sinh dù nằm cách xa bề mặt cực âm một khoảng
cách đáng kể vẫn có thể đóng góp hiệu quả cho việc sinh điện, mức đóng góp này tƣơng
đƣơng với các vi khuẩn nằm gần cực âm hơn. Sự chuyển electron trực tiếp thông qua các
cytochrome ngoại bào khơng thể giải thích thỏa đáng hiện tƣợng này.
Gần đây các nghiên cứu đã chứng minh đƣợc một số dịng vi sinh nhƣ Geobacter và
Shewanella có thể tạo ra các lơng nhung (pili) dẫn điện (hay cịn gọi là các dây nano),
cho phép vi sinh vƣơng tới và sử dụng các vật rắn nhận điện tử ở xa hơn. Các lông nhung
này cũng cho phép màng tế bào vi sinh không cần phải tiếp xúc trực tiếp với điện cực.
Lông nhung là các protein bám trên bề mặt tế bào, đƣợc liên kết với các membrane bound
cytochrome, thơng qua đó việc vận chuyển electron ra phía ngồi của tế bào đƣợc hồn
tất. Sự hình thành các dây nano tạo điều kiện cho các lớp biofilm có hoạt tính điện

(electroactive biofilms) phát triển dầy thêm từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của MFC.
Đã có báo cáo cho thấy hiệu quả hoạt động của MFC tăng mƣời lần khi có sự hình thành
các dây nano của Geobacter sulfurreducens.

Cơ chất

Cơ chất

Cytochrome

lơng nhung

Cực âm

Hình 2.5 Minh họa phƣơng thức chuyển electron trực tiếp
Tuy nhiên, cần phải tiến hành thêm nhiều nghiên cứu để làm sáng tỏ cơ chế chuyển
electron thơng qua lơng nhung dẫn điện. Điển hình, ngƣời ta vẫn còn thắt mắt là để
electron tới đƣợc cực âm, thì liệu lơng nhung có cần thiết phải tiếp xúc trực tiếp với bề


14

mặt cực âm hay khơng hay là có sự chuyển electron liên tế bào xuyên qua lớp sinh khối.
Trong trƣờng hợp của Geobacter sulfurreducens, lông nhung dài nhất quan sát đƣợc
khoảng 20 µm, quá ngắn để vƣợt qua lớp sinh khối dày 50 µm. Có khả năng là lơng
nhung của các vi khuẩn bên ngoài kết nối với các tế bào vi khuẩn bên trong, nhờ đó các
vi khuẩn ở xa cực âm hơn chuyển electron cho các vi khuẩn ở gần cực âm hơn và các vi
khuẩn này đến lƣợc mình sẽ chuyển electron cho cực âm. Một khả năng khác là lông
nhung chỉ là một thành tố của hệ dẫn điện (conductive matrix) phức tạp trong lớp sinh
khối bám trên cực âm.

2.2.3.2 Chuyển electron thông qua chất môi giới
Các chất môi giới (mediator) đã đƣợc báo cáo là giúp làm tăng sự chuyển electron giữa tế
bào và điện cực và do đó tăng hiệu quả hoạt động của MFC. Phân tử chất môi giới nhận
electron từ enzyme khử, khuếch tán qua bề mặt tế bào vi sinh vật, và cuối cùng là chuyển
electron cho cực âm. Một chất mơi giới lý tƣởng phải có khả năng hồn ngun để sử
dụng nhiều lần.
Chất môi giới nhân tạo
Bất lợi lớn nhất của việc sử dụng chất mơi giới oxi hóa khử ngoại sinh (exogenous redox)
là bên cạnh mật độ dòng thấp (10-100 μA/cm2) [76], còn phải thƣờng xuyên bổ sung các
hợp chất ngoại sinh khiến cho biện pháp thêm chất môi giới nhân tạo để cải thiện hiệu
quả hoạt động của MFC trở nên không khả thi về mặt công nghệ và chi phí, ngồi ra có
khả năng gây ơ nhiễm môi trƣờng.
Chất môi giới tự nhiên
Thƣờng vi sinh phát triển trong những điều kiện mà chất hòa tan nhận điện tử khơng có
sẵn và chất rắn nhận điện tử cũng khơng ở trong tầm tiếp xúc. Một ví dụ cho các điều
kiện đó là tại khoảng giữa các màng sinh học dầy, nơi mà sự khuếch tán của oxy vào sâu
bên trong bị giới hạn và tế bào không tiếp xúc trực tiếp với chất rắn nhận điện tử đƣợc.
Tại đây, các vi sinh có thể sử dụng các hợp chất con thoi electron (electron shuttling) có
sẵn xung quanh nhƣ humic acids hoặc các chelate kim loại, hay có thể tự tạo ra các hợp
chất con thoi electron phân tử lƣợng thấp (riboflavin, các phenazine) thông qua các con
đƣờng chuyển hóa thứ cấp (secondary metabolic pathways). Các phenazine của vi khuẩn
nhƣ pyocyanine và 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone, ACNQ (Bảng 2.2) đã đƣợc
cho thấy là tham gia vào các quá trình vận chuyển electron ngoại bào [76].