Biến nước thải thành Hyđrô: Thị trường mới cho các nhà máy xử lý nước thải

Đây là phương pháp xử lý theo phương pháp kỵ khí, sử dụng dòng điện từ pin nhiên liệu vi khuẩn (MFC) do các nhà nghiên cứu thuộc Trường đại học bang Penn (University Park, Pa.) và Liên hiệp sản xuất điện Ion (New Castle, Del.) triển khai. Hệ thống này cho phép vi khuẩn trực tiếp lấy hyđrô ra khỏi sinh khối nhiều hơn gấp 4 lần so với khả năng sinh ra do quá trình tự lên men.

Bruce Logan, Giám đốc, nhà phát triển công nghệ thuộc Trung tâm năng lượng hyđrô của bang Penn. cho biết: "Cũng giống như quá trình điện phân nước – dùng điện để điện phân nước thành hyđrô và ôxy – ngoài ra, về bản chất vi khuẩn điện phân chất hữu cơ, chúng thu proton và đẩy electron ra khỏi chất hữu cơ, nhưng không thể tách được hyđrô vì không đủ điện thế. Tuy nhiên, bằng cách tăng thêm một chút điện thế và sử dụng điện thế do vi khuẩn phát ra, hệ thống sẽ tạo ra hyđrô hiệu quả hơn các hệ thống lọc sinh học tương tự, đồng hoá được tất cả chất hữu cơ dễ bị phân huỷ bởi các vi sinh vật, gồm chất thải sinh hoạt, chất thải nông nghiệp hay nước thải công nghiệp.

Ông Logan cho biết; giống như ác quy, pin nhiên liệu truyền thống tạo ra điện bằng phản ứng hoá học, nhưng nó nhận được nguồn nhiên liệu không thay đổi do quá trình phát ra liên tục của các electron. Đặc trưng của pin nhiên liệu là tiêu thụ hyđrô, nhưng đối với pin nhiên liệu vi khuẩn thì vi khuẩn giải phóng hyđrô khi chúng chuyển hoá thức ăn như chất hữu cơ trong nước thải. Trong nghiên cứu gần đây, Logan và các đồng nghiệp của ông đã thay đổi hoàn toàn quy trình. Thay vì cho hyđrô kết hợp oxy để tạo ra điện, các nhà khoa học đã chuyển pin thành nguồn hyđrô bằng cách sử dụng pin nhiên liệu vi khuẩn tương tự, giữ ôxy ở bên ngoài và tăng một chút dòng điện vào hệ thống.

Ông Logan và đồng nghiệp của mình gọi pin nhiên liệu vi khuẩn tạo ra hyđrô là “lò phản ứng vi khuẩn” được hỗ trợ bởi quá trình điện hoá sinh (BEAMR). Cho đến thời điểm này thì thiết bị mới chỉ được trình diễn trong phòng thí nghiệm, nhưng nếu thử nghiệm thành công, hệ thống này có thể thay thế các hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính, máy lọc chảy nhỏ giọt và các quá trình xử lý sinh học khác.

Rào cản trong quá trình lên men

Trong tạp chí Environmental Science & Technology, các nhà khoa học đã giải thích rằng: Quá trình sản xuất Hydro bằng phương pháp lên men vi khuẩn hiện nay đang bị hạn chế bởi “Rào cản quá trình lên men”, thực tế không có tăng năng lượng, vi khuẩn chỉ có thể biến đổi các hyđrát-cácbon thành hyđrô với khối lượng hạn chế. Hầu hết chất hữu cơ còn lại bị thải đi do hỗn hợp các sản phẩm lên men như axit axetic và axit butyric ở trong “tình trạng chết”.

Tuy nhiên, việc vi khuẩn làm tăng dòng điện, khoảng 0,25 V cho phép chúng vượt qua rào cản quá trình lên men và biến đổi các sản phẩm lên men đang trong tình trạng bế tắc thành điôxit cácbon và hyđrô, với hơn 90% electron được thu hồi dưới dạng khí hyđrô. Lars Angenent, kỹ sư môi trường thuộc Đại học Washington (St.Louis), đang nghiên cứu về pin nhiên liệu vi khuẩn cho biết: "Đây là giải pháp rất thông minh để khắc phục những nhược điểm của nhiệt động, đặc trưng cho quá trình sản xuất hyđrô từ chất hữu cơ và làm tăng lượng hyđrô có thể tạo ra".

Serge Guiot, trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học Canada đã thừa nhận; "Đây thực sự là một sự đột phá". Từ lâu, con người đã nghiên cứu sản xuất hyđrô bằng qúa trình lên men kỵ khí truyền thống, sử dụng sinh khối, nhưng phương pháp này hết sức khó khăn bởi vì lượng hyđrô quá thấp. Bằng phương pháp nghiên cứu mới có thể khắc phục nhược điểm của quá trình hoá sinh."

Mặc dù, công trình nghiên cứu tập trung vào tăng tốc độ sản xuất điện năng và chuyển chất hữu cơ thành điện và hyđrô, Logan và đồng nghiệp của ông cũng đã quan trắc những biến đổi nhu cầu oxy hoá sinh (BOD) trong phạm vi từ 60% đến 95%, phụ thuộc vào hệ thống và thời gian tích giữ. Logan cho biết; Chúng tôi hy vọng quy trình này sẽ hoạt động hiệu quả giống như bộ lọc nhỏ giọt, loại bỏ hầu hết BOD hoà tan, nhưng nhu cầu xử lý nước thải chắc chắn sẽ cao hơn để đáp ứng những quy định nghiêm ngặt về xả thải.

Nguồn hyđrô tái tạo

Logannhấn mạnh, hiện nay hyđrô ở dạng tinh khiết được bán với giá 6 USD/kg, so với mêtan bán với giá là 0,43 USD/kg. Do đó, đây là sản phẩm có giá trị cao, hơn nữa, nó có thể thay đổi quy trình xử lý nước thải từ phương pháp sử dụng tốn kém năng lượng gây thiệt hại kinh tế thành một ngành công nghiệp có khả năng sinh lợi."

Những thách thức lớn

Cần có nhiều quy trình sản xuất các pin nhiên liệu vi khuẩn phát điện hoặc hyđrô thì mới có giá trị thương mại. Logan lưu ý, trước hết là phải mở rộng từ quy mô triển lãm đến các hệ thống thử nghiệm ở quy mô lớn. Tốc độ sản xuất điện năng cũng phải tăng. Theo Rittmann: “Để có thể phát triển được pin nhiên liệu vi khuẩn để thương mại, chúng ta phải tăng tốc độ sản xuất ít nhất 100 lần so với hiện nay". Hơn nữa, phải tạo ra được hợp đồng sản xuất pin nhiên liệu vi khuẩn và cần có kế hoạch hoạt động một cách ổn định và liên tục trong dài hạn.

Các nhà nghiên cứu cho rằng, những thách thức này có thể khắc phục được. Nếu pin nhiên liệu vi khuẩn trở thành lĩnh vực thương mại thì cuộc cách mạng hoá về xử lý chất thải và sản xuất năng lượng sẽ diễn ra trên toàn thế giới.

Logancho biết: "Bằng sự phát triển của công nghệ này, chúng ta không chỉ đưa ra các công nghệ xử lý hiệu quả hơn ở từng quốc gia mà thậm chí còn cung cấp mô hình công nghệ bền vững cho các quốc gia khác."

Theo Fuelcelltoday.com, 2005