Luận án TS: Xử lý C, N đồng thời, thu hồi năng lượng từ nước thải bằng hệ MFC
Tài liệu: Luận án tiến sĩ triết học simultaneous carbon and nitrogen removal accompanied by energy recovery from wastewater in a coupled microbial fuel cells sy
Sirindhorn International Institute of Technology Thammasat University
Engineering and Technology
Luan An
Luận án
Năm xuất bản
Số trang
119
Thời gian đọc
18 phút
Lượt xem
3
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.MFC Công nghệ tiên phong xử lý nước thải thu hồi năng lượng
Pin nhiên liệu vi sinh (MFC) đã nhận được sự chú ý đáng kể trong hơn một thập kỷ. Công nghệ này được coi là giải pháp tiên phong cho xử lý nước thải. MFC có khả năng độc đáo trong việc chuyển đổi chất hữu cơ trong nước thải thành điện năng. Đây là một công nghệ môi trường bền vững. Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thường chứa lượng lớn chất hữu cơ. MFC cung cấp một phương pháp hiệu quả để xử lý các chất này. Đồng thời, MFC tạo ra điện sinh học. Việc này giúp giảm chi phí năng lượng cho các nhà máy xử lý. Hơn nữa, quá trình này giúp giảm dấu chân carbon. Pin nhiên liệu vi sinh đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy kinh tế tuần hoàn. Chúng biến chất thải thành tài nguyên có giá trị. Khả năng thu hồi năng lượng nước thải là điểm mạnh chính của MFC. Điều này mang lại lợi ích kép: xử lý ô nhiễm và sản xuất năng lượng sạch.
1.1. Tiềm năng Pin nhiên liệu vi sinh trong xử lý nước thải
Pin nhiên liệu vi sinh (MFC) sử dụng hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật. Các vi sinh vật này phân hủy chất hữu cơ. Chúng giải phóng electron, tạo ra dòng điện. Quá trình này diễn ra trong các điện cực MFC. Anode là nơi vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ. Cathode là nơi electron kết hợp với chất nhận electron. Việc này tạo ra một dòng điện liên tục. Công nghệ này hứa hẹn xử lý nhiều loại nước thải. Các loại nước thải này bao gồm nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. MFC không chỉ làm sạch nước thải. Chúng còn tạo ra năng lượng tái tạo. Điều này làm cho MFC trở thành một công nghệ bền vững. Nó có tiềm năng cách mạng hóa ngành xử lý nước.
1.2. Điện sinh học từ chất hữu cơ Lợi ích môi trường
Thu hồi năng lượng nước thải thông qua MFC mang lại nhiều lợi ích. Lợi ích chính là sản xuất điện sinh học. Năng lượng này được tạo ra trực tiếp từ chất hữu cơ trong nước thải. Điều này giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nó cũng giảm lượng khí thải nhà kính. Xử lý nước thải bằng MFC giúp giảm đáng kể COD (nhu cầu oxy hóa học). Việc này cải thiện chất lượng nước thải đầu ra. Điện sinh học được tạo ra có thể dùng để cung cấp năng lượng cho chính hệ thống xử lý. Hoặc điện này có thể hòa vào lưới điện. Đây là một bước tiến lớn trong công nghệ môi trường. Nó kết hợp xử lý ô nhiễm với sản xuất năng lượng sạch.
II.Thách thức xử lý nitơ và tối ưu năng lượng MFC
Xử lý nước thải thường đối mặt với sự hiện diện của nitơ. Nitơ là một chất gây ô nhiễm đáng kể. Yêu cầu loại bỏ nitơ đã tạo ra những hạn chế trong thu hồi năng lượng nước thải từ carbon hữu cơ. Việc đạt được hiệu quả loại bỏ nitơ cao là một thách thức. Đồng thời, việc tối ưu hóa năng lượng thu hồi từ chất hữu cơ cũng khó khăn. Việc tích hợp quá trình loại bỏ nitơ sinh học (BNR) vào MFC đã cho thấy nhiều hứa hẹn. Công nghệ này có kết quả khả quan trong việc khử COD. Tuy nhiên, việc cân bằng hai mục tiêu này vẫn còn là một vấn đề. Các hệ thống MFC truyền thống gặp khó khăn. Đặc biệt là trong việc tìm ra giá trị điện trở ngoài (ER) phù hợp. Giá trị ER cần thỏa mãn cả hai mục tiêu: loại bỏ nitơ và sản xuất điện.
2.1. Hạn chế thu hồi năng lượng do loại bỏ nitơ
Loại bỏ nitơ thường đòi hỏi các điều kiện oxy hóa và khử khác nhau. Quá trình này có thể cạnh tranh với quá trình sản xuất điện trong MFC. Ví dụ, quá trình nitrat hóa cần oxy. Quá trình này có thể làm giảm lượng oxy có sẵn cho cathode. Việc này ảnh hưởng đến hiệu suất điện sinh học. Quá trình khử nitrat hóa cần nguồn carbon. Nguồn carbon này có thể bị cạnh tranh bởi vi sinh vật tạo điện. Sự cạnh tranh này làm giảm lượng chất hữu cơ sẵn có cho anode. Do đó, sản lượng điện giảm. Việc này đặt ra thách thức cho công nghệ môi trường. Cần phát triển các hệ thống tích hợp hiệu quả hơn. Mục tiêu là xử lý nitơ mà không ảnh hưởng lớn đến thu hồi năng lượng.
2.2. Khó khăn cân bằng khử COD và loại bỏ nitơ
Xử lý nước thải yêu cầu khử COD hiệu quả. Đồng thời, cần loại bỏ nitơ triệt để. Trong một hệ thống MFC đơn lẻ, việc cân bằng hai mục tiêu này rất khó. Các điều kiện tối ưu cho khử COD có thể không phù hợp cho loại bỏ nitơ. Ví dụ, nồng độ oxy cao có thể tăng cường khử COD hiếu khí. Nhưng nó lại ức chế quá trình khử nitrat hóa kỵ khí. Ngược lại, điều kiện kỵ khí tốt cho sản xuất điện. Nhưng nó lại không đủ oxy cho nitrat hóa. Cần có một thiết kế hệ thống linh hoạt. Thiết kế này có thể cung cấp các môi trường khác nhau. Điều này cho phép mỗi quá trình diễn ra hiệu quả.
2.3. Lựa chọn điện trở ngoài tối ưu hiệu suất kép
Điện trở ngoài (ER) là một yếu tố quan trọng trong thiết kế MFC. ER ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ dòng điện và công suất. Một giá trị ER thấp tạo ra dòng điện cao. Điều này có thể thúc đẩy các phản ứng sinh học nhất định. Một giá trị ER cao có thể tối ưu hóa công suất. Tuy nhiên, việc tìm một giá trị ER duy nhất là khó khăn. Giá trị này cần tối ưu hóa cả quá trình loại bỏ nitơ và thu hồi năng lượng. Việc lựa chọn ER sai có thể làm giảm hiệu quả toàn hệ thống. Nghiên cứu này tìm cách giải quyết vấn đề đó. Nó sử dụng một hệ thống MFC ghép nối. Hệ thống này có thể điều chỉnh ER cho từng buồng. Điều này cho phép tối ưu hóa riêng biệt cho từng mục tiêu.
III.Hệ MFC ghép nối Xử lý đồng thời C N và điện sinh học
Nghiên cứu này đã đề xuất một giải pháp cải tiến. Một hệ thống Pin nhiên liệu vi sinh (MFC) ghép nối được sử dụng. Hệ thống này bao gồm bốn buồng hoạt động theo mẻ tuần tự. Mục tiêu là xử lý nitơ sinh học (BNR) hiệu quả. Đồng thời, tối ưu hóa thu hồi năng lượng nước thải từ chất hữu cơ. Hệ thống được cấu hình đặc biệt. Mỗi buồng có các điều kiện phù hợp. Điều này nhằm đạt được các mục tiêu cụ thể. Buồng thứ nhất (N-MFC) tập trung vào sản xuất điện. Nó cũng thực hiện quá trình oxy hóa amoni. Buồng thứ hai (D-MFC) tập trung vào loại bỏ nitơ. Đặc biệt là khử nitrat hóa. Cấu trúc ghép nối này cho phép tách biệt các quá trình. Nó tối ưu hóa hiệu suất tổng thể. Đây là một bước tiến quan trọng trong công nghệ môi trường bền vững.
3.1. Thiết kế lò phản ứng MFC bốn buồng hoạt động theo mẻ tuần tự
Hệ thống MFC được thiết kế với bốn buồng. Các buồng này hoạt động theo mẻ tuần tự. Điều này cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện phản ứng. Nước thải chảy qua các buồng theo một trình tự. Mỗi buồng được tối ưu hóa cho một giai đoạn xử lý cụ thể. Thiết kế này giúp giải quyết vấn đề cạnh tranh phản ứng. Vấn đề này thường xảy ra trong MFC một buồng. Cấu trúc bốn buồng cung cấp sự linh hoạt. Nó điều chỉnh các điều kiện như nồng độ oxy hòa tan và tỷ lệ COD/N. Điều này đảm bảo hiệu suất cao. Cả trong loại bỏ nitơ và thu hồi năng lượng. Các điện cực MFC được đặt trong mỗi buồng. Chúng tối ưu hóa quá trình điện sinh học.
3.2. Chức năng chuyên biệt của N MFC và D MFC
Hệ thống ghép nối bao gồm hai MFC chính. N-MFC là MFC đầu tiên. Nó chịu trách nhiệm sản xuất điện từ carbon hữu cơ. Đồng thời, nó thực hiện oxy hóa amoni trong nước thải đầu vào. Điện trở ngoài (ER) của N-MFC được đặt gần với điện trở trong của nó. Điều này tối ưu hóa việc tạo ra điện năng. D-MFC là MFC thứ hai. ER của D-MFC được đặt ở giá trị nhỏ (10 Ω). Mục tiêu là tạo ra mật độ dòng điện cao. Dòng điện cao này tạo điều kiện thuận lợi cho loại bỏ nitơ. Đặc biệt là quá trình khử nitrat hóa. Quá trình này cần carbon tối thiểu. Sự phân tách chức năng này giúp tối ưu hóa từng bước. Nó nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống xử lý nước thải.
3.3. Tối ưu hóa điều kiện buồng cho khử C N và thu hồi năng lượng
Mỗi buồng trong hệ MFC ghép nối được tối ưu hóa. Các điều kiện được điều chỉnh cho mục tiêu cụ thể. Trong N-MFC, mục tiêu là tối đa hóa sản xuất điện và oxy hóa amoni. Điều này liên quan đến việc kiểm soát nồng độ chất hữu cơ. Trong D-MFC, mục tiêu là loại bỏ nitơ. Đặc biệt là khử nitrat hóa. Điều này đòi hỏi mật độ dòng điện cao và nguồn carbon tối thiểu. Hệ thống cũng đánh giá hiệu quả khuếch tán amoni qua màng trao đổi cation (CEM). Các điều kiện về tỷ lệ COD/N cũng được nghiên cứu. Việc tối ưu hóa này đảm bảo rằng các quá trình diễn ra song song. Kết quả là xử lý hiệu quả và thu hồi năng lượng.
IV.Các chế độ vận hành MFC Hiệu quả loại bỏ N C và điện năng
Nghiên cứu đã đánh giá hiệu suất của ba chế độ vận hành tuần tự. Các chế độ này áp dụng cho hệ MFC ghép nối bốn buồng. Mục tiêu là phân tích hiệu quả loại bỏ carbon và nitơ. Đồng thời, đánh giá khả năng sản xuất điện. Mỗi chế độ có cách thức dòng chảy nước thải khác nhau. Chúng cũng có các điều kiện kiểm soát oxy hòa tan khác nhau. Việc này nhằm tối ưu hóa các quá trình sinh học cụ thể. Các điều chỉnh này ảnh hưởng đến khả năng khử COD. Chúng cũng ảnh hưởng đến loại bỏ nitơ và thu hồi năng lượng nước thải. Phân tích chi tiết các chế độ này cung cấp hiểu biết sâu sắc. Nó giúp tối ưu hóa công nghệ môi trường bền vững. Đặc biệt cho các ứng dụng xử lý nước thải thực tế.
4.1. Ba chế độ tuần tự để đánh giá hiệu suất hệ thống
Chế độ vận hành thứ nhất: nước thải được chuyển từ buồng anode N-MFC sang buồng cathode N-MFC. Sau đó, nó đi đến buồng anode D-MFC và cuối cùng là buồng cathode D-MFC. Chế độ thứ hai và thứ ba: nước thải được cấp vào buồng anode của N-MFC. Đầu ra của N-MFC được chuyển đến D-MFC (theo thứ tự từ buồng anode sang anode, từ buồng cathode sang cathode). Nước thải đầu ra của buồng cathode D-MFC là nước thải cuối cùng của hệ thống. Đầu ra của buồng anode D-MFC quay trở lại buồng cathode của N-MFC. Sự khác biệt giữa chế độ thứ hai và thứ ba nằm ở nồng độ oxy hòa tan (DO). DO được kiểm soát trong buồng cathode của N-MFC. Mục tiêu là kiểm soát quá trình nitrat hóa.
4.2. Khác biệt trong dòng chảy nước thải và kiểm soát oxy hòa tan
Các chế độ vận hành khác nhau tạo ra sự thay đổi đáng kể. Đặc biệt là trong đường đi của nước thải và điều kiện môi trường. Trong chế độ thứ nhất, dòng chảy thẳng qua bốn buồng. Chế độ thứ hai và thứ ba có vòng lặp nội bộ. Đầu ra từ buồng anode D-MFC quay lại buồng cathode N-MFC. Điều này tạo điều kiện cho tái sử dụng chất dinh dưỡng hoặc nguồn carbon. Sự kiểm soát DO trong buồng cathode của N-MFC là yếu tố quan trọng. Nó ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa. Nitrat hóa là bước đầu tiên trong loại bỏ nitơ. Điều chỉnh DO cho phép tối ưu hóa quá trình này. Đồng thời, nó duy trì hiệu suất sản xuất điện sinh học.
4.3. Đánh giá khả năng khuếch tán amoni và hiệu suất Coulomb
Nghiên cứu này cũng đánh giá các yếu tố kỹ thuật quan trọng. Đó là khả năng khuếch tán amoni qua màng trao đổi cation (CEM) trong N-MFC. Hiệu suất khuếch tán ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa amoni. Đồng thời, nó tác động đến nồng độ amoni cho các buồng tiếp theo. Hiệu suất Coulomb của hệ thống cũng được đánh giá. Hiệu suất Coulomb đo lường phần trăm electron thu được từ chất hữu cơ. Giá trị này phản ánh hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong các điện cực MFC. Việc đánh giá kỹ lưỡng các thông số này cung cấp cái nhìn sâu sắc. Nó giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của Pin nhiên liệu vi sinh. Từ đó, cải thiện thiết kế và vận hành.
V.Kết quả nghiên cứu Hiệu suất C N và thu hồi năng lượng bền vững
Nghiên cứu đã cung cấp những phát hiện quan trọng. Những phát hiện này liên quan đến hiệu suất của hệ MFC ghép nối. Các kết quả chỉ ra giải pháp tối ưu hóa năng lượng điện. Năng lượng này được thu hồi từ chất hữu cơ. Đồng thời, đạt được hiệu quả xử lý nitơ cao. Nghiên cứu cũng nâng cao hiểu biết về việc tích hợp BNR vào công nghệ Pin nhiên liệu vi sinh. Tùy thuộc vào từng chế độ vận hành, các mục tiêu cụ thể đã được đánh giá. Các phát hiện này góp phần vào sự phát triển của công nghệ môi trường bền vững. Chúng giúp ứng dụng MFC trong xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Việc này hướng tới một tương lai xanh hơn.
5.1. Tối ưu hóa phát điện và xử lý amoni trong N MFC
Trong N-MFC, chế độ vận hành thứ hai tạo ra nhiều điện năng hơn. Chế độ này đã khắc phục được những hạn chế của chế độ thứ nhất. Những hạn chế đó đã cản trở quá trình sản xuất điện. Nói chung, công suất phát điện giảm khi nồng độ oxy hòa tan (DO) tại cathode tăng. Điều này do oxy cạnh tranh với chất nhận electron khác. Việc tối ưu hóa DO tại cathode là rất quan trọng. Nó giúp cân bằng giữa nitrat hóa và sản xuất điện. Nghiên cứu đã tìm ra các điều kiện tối ưu. Các điều kiện này cho phép cả oxy hóa amoni và thu hồi năng lượng nước thải diễn ra hiệu quả.
5.2. Hiệu quả loại bỏ nitơ và tỷ lệ COD N trong D MFC
Trong D-MFC, hiệu quả loại bỏ nitơ đã được đánh giá. Tỷ lệ COD/N đầu vào đóng vai trò quan trọng. Một tỷ lệ COD/N phù hợp là cần thiết. Điều này hỗ trợ quá trình khử nitrat hóa. Mật độ dòng điện cao trong D-MFC (nhờ ER nhỏ) cũng thúc đẩy quá trình này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kiểm soát nguồn carbon là rất quan trọng. Nó đảm bảo loại bỏ nitơ hiệu quả. Đồng thời, nó ngăn chặn sự lãng phí carbon. Việc này ảnh hưởng đến thu hồi năng lượng. Các kết quả này cung cấp hướng dẫn. Hướng dẫn này giúp thiết kế các hệ thống MFC hiệu quả hơn. Mục tiêu là xử lý nước thải chứa nitơ.
5.3. Tiềm năng autotrophic denitrification và hiệu suất chung
Nghiên cứu cũng đánh giá tỷ lệ khử nitrat hóa tự dưỡng. Quá trình này diễn ra trong buồng cathode của D-MFC. Khử nitrat hóa tự dưỡng là một con đường tiềm năng. Nó giúp loại bỏ nitơ mà không cần nguồn carbon hữu cơ bổ sung. Điều này làm tăng tính bền vững của hệ thống. Hiệu suất Coulomb tổng thể của hệ thống cũng được đánh giá. Nó phản ánh hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Các kết quả cho thấy Pin nhiên liệu vi sinh ghép nối có tiềm năng lớn. Nó có thể xử lý đồng thời C, N và thu hồi năng lượng. Đây là một công nghệ môi trường bền vững. Nó có thể ứng dụng trong xử lý nước thải cho nhiều loại nước thải.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (119 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộSIMULTANEOUS CARBON AND NITROGEN REMOVAL ACCOMPANIED BY ENERGY RECOVERY FROM WASTEWATER IN A COUPLED MICROBIAL FUEL CELLS SYSTEM BY NGUYEN HOANG DUNG A DISSERTATION SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY (ENGINEERING AND TECHNOLOGY) SIRINDHORN INTERNATIONAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY THAMMASAT UNIVERSITY ACADEMIC YEAR 2022 Ref. code: 25656222300219VQS THAMMASAT UNIVERSITY SIRINDHORN INTERNATIONAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY DISSERTATION BY NGUYEN HOANG DUNG ENTITLED SIMULTANEOUS CARBON AND NITROGEN REMOVAL ACCOMPANIED BY ENERGY RECOVERY FROM WASTEWATER IN A COUPLED MICROBIAL FUEL CELLS SYSTEM was approved as partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy (Engineering and Technology) on June 26, 2023 Chairperson (Professor Nipon Pisutpaisal, Ph.) Member and Advisor (Professor Sandhya Babel, D.) Member (Associate Professor Rachnarin Nitisoravut, Ph.) Member (Associate Professor Paiboon Sreearunothai, Ph.) Member (Associate Professor Jenyuk Lohwacharin, Ph.) Member (Warunsak Liamlaem, Ph.) Director (Professor Pruettha Nanakorn, D. code: 25656222300219VQS (1) Dissertation Title SIMULTANEOUS CARBON AND NITROGEN REMOVAL ACCOMPANIED BY ENERGY RECOVERY FROM WASTEWATER IN A COUPLED MICROBIAL FUEL CELLS SYSTEM Author Nguyen Hoang Dung Degree Doctor of Philosophy (Engineering and Technology) Faculty/University Sirindhorn International Institute of Technology/ Thammasat University Dissertation Advisor Professor Sandhya Babel, D. Academic Years 2022 ABSTRACT For over a decade, microbial fuel cell (MFC) has received much attention as a pioneering technology for wastewater treatment, owing to its ability to generate electricity from organic matter.
However, most wastewater has the presence of nitrogen and the requirement to remove nitrogen as a contaminant has caused limitations in energy recovery from organic carbon. Despite the advantages of integrating biological nitrogen removal (BNR) into MFC and the promising results in organic carbon removal, achieving high nitrogen removal efficiency while optimizing energy recovery from organic matter remains a challenge. It is difficult to select an external resistance (ER) value that satisfies both goals. The chambers of a stacked MFC system can be sequencing-batch operated to achieve specific goals.
System can configured accordingly with suitable conditions for each chamber to achieve the goal of energy recovery from organic carbon and nitrogen removal. In this study, BNR was integrated into a coupled MFC with four chambers sequencing-batch operated reactor. With ER close to its internal resistance, the first MFC (N-MFC) was responsible for power generation from organic carbon and ammonium oxidation in the input wastewater. The ER of the second MFC (D-MFC) Ref.
code: 25656222300219VQS (2) was set at a small value (10 Ω) to have a high current density, facilitating nitrogen removal in presence of minimum carbon as required for the denitrification. The study evaluated the removal efficiency of carbon and nitrogen accompanied by power generation by applying three different sequencing-batch operation modes to four chambers of a coupled MFC. In the first mode, wastewater transferred from the N-MFC anode chamber to the cathode chamber, then to the D-MFC anode chamber, and lastly to the D-MFC cathode chamber. In the second and the third modes, the wastewater was fed into anode chamber of the N-MFC.
The D-MFC received the N-MFC output (in order from anode chamber to anode chamber, from cathode chamber to cathode chamber). The output of the cathode chamber of the D-MFC was the effluent of the coupled MFC system, while the output of the anode chamber of the D-MFC came back to the cathode chamber of the N-MFC. The distinction between the second and third modes is the different dissolved oxygen (DO) in the cathode chamber of N-MFC to control the nitrification process. The study provided a solution for optimizing electrical energy recovered from organic matter in parallel with efficient nitrogen treatment and better understanding of integrating BNR process into MFC technology.
Depending on each operation mode, the following specific objectives are proposed: (i) to investigate the effect of DO, and initial ammonium concentration for ammonium oxidizing and power generation from N-MFC; (ii) to assess the ability of ammonium diffusion through cation exchange membrane (CEM) in N-MFC; (iii) to investigate the effect of the COD/N ratio for nitrogen removal in D-MFC; (iv) to evaluate the coulombic efficiency of the system; (v) to evaluate the ratio of autotrophic denitrification in cathodic chamber of D-MFC. The following is a summary of the results and findings of this study. (i) In the N-MFC, the second operational mode produced more power than the first operational mode by addressing the flaws that impeded electricity production in the first operational mode. Overall, power generation decreases as DO at the cathode decreases, while variations in nitrogen input showed no great influence on power generation of the N-MFC.
Ammonium was completely oxidized to nitrate as the major product with very small amounts of nitrite detected under high DO at the cathode chamber. In the third operational mode with low DO at the cathode chamber of the N- MFC, nitrite was the main product of the ammonium oxidation process. code: 25656222300219VQS (3) (ii) The input COD of the anode chamber and the DO concentration in the cathode chamber affect the electricity generation of the N-MFC, directly influencing the diffusion of cations (such as ammonium) from the anode chamber to the cathode chamber in order to balance the charge. In addition, the ER of N-MFC in the second operational mode (50 Ω) is lower than that in the third operational mode (100 Ω), resulted in more favorable current production and more ammonium diffusion for charge balance.
(iii) The nitrogen removal efficiency at the D-MFC increased when the COD/N ratio of wastewater entering the D-MFC increased. The first operational mode, which used both the anode and cathode chambers for denitrification, enhanced nitrogen removal efficiency. In the second and third operational modes, the denitrification process only occurred in the cathode chamber of D-MFC. The nitrogen removal efficiency at the cathode chamber of the D-MFC was higher in the third operational mode than in the second operational mode for the same COD/N ratio input to the D- MFC, which is the result of a higher reduction rate of nitrite than nitrate.
(iv) In the first operational mode, an increase in the COD input of the anode chamber resulted in a decrease in the anodic coulombic efficiency. The anodic coulombic efficiencies of N-MFC in the second operational mode was higher than that in the first operational mode. The anodic coulombic efficiencies of N-MFC in the third operational mode were relatively low because of low DO in the cathode chamber. (v) In all operational mode, the high ratio of autotrophic denitrification in the cathode chamber of the D-MFC demonstrated that autotrophic denitrification was the primary process assisting in nitrogen removal.
In conclusion, this study showed that a properly configured and operated coupled MFC can effectively remove carbon and nitrogen with energy recovery from wastewater. By taking advantage of ammonium diffusion across the CEM to improve the operating method, the second operational mode outperformed the first operational mode with respect to power generation and coulombic efficiency. The suitable setup of the system allowed the N-MFC to oxidize over 75% of organic matter input and isolate nitrogen input simultaneously, giving favorable environmental conditions for generating the energy from wastewater primarily in the N-MFC. The nitrogen isolation efficiency of the N-MFC depends on input organic matter of the anode chamber, the Ref.
code: 25656222300219VQS (4) DO concentration in the cathode chamber, and the ER. In the second and the third operational mode, the main mechanism for nitrogen removal at the D-MFC was autotrophic denitrification. When comparing the second and the third operational modes, the power generation was higher in the second mode, which followed a conventional nitrification/denitrification system. However, the third mode with shortcut nitrification-denitrification was more energy-efficient and better in nitrogen removal.
Keywords: Biodegradation, Anaerobic process, Nitrogen removal, Microbial fuel cell, Energy recovery Ref. code: 25656222300219VQS (5) ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my sincere gratitude to my advisor Prof. Sandhya Babel, for her patient guidance, continuous support, and valuable encouragement throughout my Ph. Her expertise, kindness, and dedication have been uncountable to me.
I am also deeply grateful to my thesis committee members, Prof. Nipon Pisutpaisal, Assoc. Paiboon Sreearunothai, Assoc. Rachnarin Nitisoravut, Dr.
Warunsak Liamlaem and Assoc. Jenyuk Lohwacharin, for their insightful feedback and constructive criticism. Their comments have been instrumental in shaping my research. I thank my colleagues and friends, Dr.
Tuan Anh Ta, Dr. Yahampath Arachchige Don, and Mr. Tan Thong Nguyen, for contributing to the experimental model construction, proofreading, and helpful brainstorming. I am indebted to the staff and faculty of Sirindhorn International Institute of Technology (SIIT), Thammasat University, for providing a stimulating research environment and many personal growth opportunities.
This work would not have been possible without the full financial support of SIIT through an EFS scholarship in the School of Bio-Chemical Engineering and Technology. Finally, I would like to give my heartfelt appreciation to my family, especially to my father Van Nghia Nguyen, my mother Hong Phuong Ha, my brother Trung Hieu Nguyen, my sister Ngoc Lan Nguyen, my brother Hoang Long Nguyen, for their unwavering love throughout my abroad study. Their sacrifices and understanding have been my constant source of strength. Thank you all for your inspiration.
Nguyen Hoang Dung Ref. code: 25656222300219VQS (6) TABLE OF CONTENTS Page ABSTRACT (1) ACKNOWLEDGEMENTS (5) LIST OF TABLES (9) LIST OF FIGURES (10) LIST OF SYMBOLS/ABBREVIATIONS (12) CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.3 Scope of research 7 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW 8 2.1 Principle of MFCs technology 8 2.2 Design of MFCs 11 2.4 Inoculum and substrate 14 2.3 Recent MFCs studies for nitrogen and carbon removal, power generation 15 2.1 Nitrification and cathodic denitrification in MFCs 16 2.2 Shortcut nitrification/denitrification process in MFCs 22 2.3 Heterotrophic anodic denitrification in MFCs 23 2.5 Influencing factors for carbon and nitrogen removal in an MFC 27 Ref.6 Challenges in using MFC for carbon and nitrogen removal 30 CHAPTER 3 RESEARCH METHODOLOGY 32 3.2 Inoculation and medium 33 3.3 Start-up MFCs 34 3.4 MFCs operation after start-up 35 3.1 First operational mode 37 3.2 Second operational mode 37 3.3 Third operation mode 38 3.5 Analysis and calculations 40 3.6 Characterization analysis of electrode surfaces 41 CHAPTER 4 RESULTS AND DISCUSSION 43 4.1 Start-up stage 43 4.2 First operational mode 46 4.1 Electricity generation and COD removal 46 4.3 Second operational mode 54 4.1 Electricity generation and COD removal 56 4.2 Nitrogen isolation and removal 60 4.4 Third operational mode 64 4.1 Power generation from COD removal 64 4.4 Denitrification at the D-MFC 76 4.5 The advantages and disadvantages of three different operational modes: A comparison 79 4.6 Characterization of electrode surfaces 81 CHAPTER 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS 84 5.2 Recommendations 86 REFERENCES 88 APPENDICES APPENDIX A 100 APPENDIX B 102 APPENDIX C 103 APPENDIX D 104 BIOGRAPHY 105 Ref. code: 25656222300219VQS (9) LIST OF TABLES Tables Page 2.1 Redox reactions with theoretical potentials standard conditions in MFC 8 2.2 The advantages and disadvantages of some electrode materials 13 2.3 The performance with pros and cons of various MFC configurations for simultaneous removal of carbon and nitrogen 19 2.4 Some microorganisms and their roles in MFC system 27 4.1 COD output of each chamber of MFC 49 4.2 Nitrogen parameter outputs of each chamber of MFC 51 4.3 A comparion of three different operational modes with same influent wastewater input 80 4.4 EDS analysis before and after operation 83 Ref. code: 25656222300219VQS (10) LIST OF FIGURES Figures Page 2.1 Diagram of MFCs technology principles in wastewater treatment 9 2.2 DET mechanisms to anode 11 2.3 Shortcut nitrification-denitrification process in MFCs 22 2.4 Mechanism of heterotrophic anodic denitrification process in MFCs 24 3.1 The main components of the coupled MFCs 32 3.2 The procedure for pretreatment of CEM 33 3.3 The procedure for pretreatment of electrode 33 3.4 Schematic diagram of start-up stage 35 3.5 Summary of operational stage 36 3.6 Schematic diagram of the first operational mode 37 3.7 The second mode operating schematic of the coupled MFC system 38 3.8 The third mode operating schematic of the coupled MFC system for shortcut nitrification-denitrification 40 4.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Xử lý C, N & thu hồi năng lượng nước thải bằng hệ MFC" nghiên cứu về vấn đề gì?
Tài liệu: Luận án tiến sĩ triết học simultaneous carbon and nitrogen removal accompanied by energy recovery from wastewater in a coupled microbial fuel cells sy
Luận án "Xử lý C, N & thu hồi năng lượng nước thải bằng hệ MFC" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Sirindhorn International Institute of Technology Thammasat University. Năm bảo vệ: 2022.
Luận án "Xử lý C, N & thu hồi năng lượng nước thải bằng hệ MFC" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Xử lý C, N & thu hồi năng lượng nước thải bằng hệ MFC" thuộc chuyên ngành Engineering and Technology. Danh mục: Triết Học.
Luận án "Xử lý C, N & thu hồi năng lượng nước thải bằng hệ MFC" có bao nhiêu trang?
Luận án "Xử lý C, N & thu hồi năng lượng nước thải bằng hệ MFC" có 119 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Xử lý C, N & thu hồi năng lượng nước thải bằng hệ MFC" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.