Vi khuẩn biến nước thải thành nước sạch và điện

Một thiết bị tự vận hành xử lý nước thải chuyển thành nước sạch và điện sử dụng vi sinh vật vừa vượt qua khâu kiểm tra lớn nhất. Đây là một bước tiến tới gần hơn trong việc tái sinh nước thải phục vụ quy mô hộ gia đình.

VI KHUẨN luôn có những điều kỳ diệu đáng kinh ngạc, kể cả khi chúng không hoàn toàn biến nước thành rượu. Thật vậy, một thiết bị xử lý nước thải riêng biệt có thể tái chế được nước thải sinh hoạt và đồng thời sản sinh ra năng lượng sẽ sớm đến với cộng đồng. Bởi việc xả nước thải ra sông suối không chỉ là một thảm họa môi trường mà đó cũng là một sự lãng phí các hợp chất có thể giúp cung cấp nhiên liệu cho thế giới. Đây là ý tưởng tạo ra năng lượng như một sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải.

Tháng trước, Công ty Cambrian Innovation trụ sở ở Boston bắt đầu kiểm tra thực nghiệm một thiết bị được gọi là pin năng lượng tế bào vi sinh vật (microbial fuel cells – MFC) tại Trung tâm Naval Surface Warfare ở Maryland. Nguyên tắc chính của pin năng lượng tế bào vi sinh vật này là dòng electron được chuyển gián tiếp thông qua sự tương tác giữa sản phẩm khử với điện cực dương. Sự tách biệt về mặt không gian của phản ứng nhận electron cuối tạo ra chênh lệch về suất điện động và xuất hiện dòng electron chạy qua khi ta dùng dây dẫn nối 2 điện cực lại. Tế bào nhiên liệu ở đây có được điện năng bằng hoạt động của vi sinh vật với nguồn cơ chất từ nước thải nhờ đó làm sạch luôn nước thải đó. Thiết bị có tên là BioVolt, trong một ngày nó có thể chuyển 2.250 lít nước thải thành nước sạch đủ cung cấp cho ít nhất 15 người. Lượng điện tạo ra không chỉ giúp tự vận hành hệ thống mà còn dư ra đáng kể.

Đây là một con số lớn đối với các thiết bị xử lý nước thải thông thường, chúng ta thường phải chi 1,5 kW/h cho việc loại bỏ một kilogam chất gây ô nhiễm. Tại Mỹ, tổng số lượng điện này là một con số khổng lồ, chiếm 3% tổng nhu cầu năng lượng tức khoảng độ 25 tỷ USD mỗi năm. Vậy nên nếu các thiết bị tự vận hành này có thể được ứng dụng đại trà thì việc tái chế nước thải cũng có thể trở nên phổ biến như đặt một tấm pin năng lượng mặt trời trên mái nhà.

Những thiết bị xử lý hiện có đã và đang sử dụng vi khuẩn để chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải. Justin Buck, giám đốc công nghệ của công ty Cambrian cho biết: “Có rất nhiều nguồn cơ chất cho vi khuẩn, nên chúng tái sản xuất rất nhanh”. Khi quá trình này kết thúc, các vi sinh vật sinh ra trong bể xử lý có thể chiếm một phần ba trọng lượng chất thải đã được xử lý. Trước khi được đưa vào bãi rác thì bản thân “miếng bánh vi sinh vật” này cần phải được khử trùng nhiệt và xử lý hóa chất, điều này cũng tiêu tốn rất nhiều năng lượng.

Tế bào nhiên liệu vi sinh vật từ lâu đã được coi là đầy tiềm năng ứng dụng trong tương lai. Ý tưởng để thực hiện ở đây là ứng dụng các quá trình hóa sinh liên quan đến chuyển hóa các chất gây ô nhiễm có thể mang lại điện năng nhằm giúp cung cấp năng lượng cho quá trình xử lý và tái chế chất thải. Nhưng sự nhân rộng quy mô ra bên ngoài phòng thí nghiệm vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn với các tế bào nhiên liệu loại này.

“Vi khuẩn làm sạch nước đồng thời giải phóng các electron, tạo thành cơ chế như một nguồn pin”

Hệ thống BioVolt sử dụng các chủng của chi Geobacter và của loài Shewanella oneidensis. Quá trình khử sắt của vi khuẩn Geobacter diễn ra trên pili của vi khuẩn với các nguyên tử Fe(III) bám trên đầu pili. Bản thân tế bào và đầu pili đã giống một cặp điện cực, chính vì vậy mà người ta nhận thấy quá trình chuyển điện tử ở Geobacteraceae hiệu quả hơn nhiều so với các loại vi khuẩn khác. Ngoài ra Geobacter và Shewanella có khả năng sử dụng nguồn cơ chất đa dạng, nên thích hợp nhất trong việc sản xuất điện từ chất thải. Sự kết hợp đặc hiệu của các sinh vật này là một lợi thế then chốt – vì các vi khuẩn sẽ giải phóng một số electron khi chúng hô hấp, biến đổi một cách hiệu quả toàn bộ cơ chế sinh điện này thành một nguồn pin. Điều này cũng giúp ích cho vi khuẩn tăng trưởng chậm lại, vì vậy mà khi kết thúc quá trình này chúng ta thu được điện và không tạo ra bánh vi sinh vật.

Ngoài ra thì một số nhóm nghiên cứu khác cũng đang làm việc với các tế bào nhiên liệu này trên các thí nghiệm riêng của họ. Orianna Bretschger tại Viện J. Craig Venter ở San Diego, California, đang thử nghiệm một nghiên cứu là sử dụng vi khuẩn để xử lý khoảng 630 lít chất thải nuôi lợn mỗi ngày tại một trang trại được vận hành bởi trường trung học San Pasqual ở gần Escondido.

Thử nghiệm của Bretschger cũng là bước đầu trong việc xây dựng một hệ thống thí điểm rộng hơn và nó sẽ được vận hành tại Tijuana, Mexico, vào cuối năm nay. Cô nói, “tôi nghĩ rằng chúng tôi vẫn sẽ tiếp tục theo dõi quá trình thương mại hóa trong 3-5 năm tới”.

Hệ thống của cô ấy đã tiến một bước vượt xa hơn BioVolt và các thiết bị truyền thống ở chỗ nó có thể xử lý cả nước thải của ngành công nghiệp dược phẩm – ví dụ như tổng hợp oestrogens (một hormone sinh dục kiểm soát sinh sản). Hiện cô đang tìm cách để có thể thêm cả nước thải của nhà máy sản xuất thuốc giảm đau vào danh sách có khả năng xử lý được.

Và người lãnh đạo Cambrian là Matt Silver nhận thấy tương lai của việc ứng dụng các loại tế bào vi khuẩn khác nhau để xử lý các loại chất thải khác nhau, có thể tái tạo ra sản phẩm hữu ích. Bên cạnh đó một thiết kế khác của công ty này là EcoVolt – tạo ra khí metan bằng cách làm sạch nước thải sản xuất của một nhà máy bia ở California. Nó cũng đã giảm được 15% mức sử dụng năng lượng của nhà máy bia và giảm mức tiêu thụ nước là 40%.

Với hệ thống BioVolt, công ty Cambrian hy vọng sẽ mở rộng quy mô lên đến hơn 20.000 lít nước mỗi ngày. Ông Silver cho rằng nguồn nhiên liệu tế bào vi khuẩn sẽ làm cho nước thải cũng trở thành nguồn năng lượng thay thế như những gì mặt trời và gió đã làm để tái tạo năng lượng.

Đình Tuấn, Hải Yến, Anh Phụng (chuyển ngữ)

Y Sa, Tuệ An (biên tập)

Bài báo:

1. Bacteria made to turn sewage into clean water – and electricity. New Scientist. 27 July 2016.

Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả.