10; 5 ngày- Đánh giá hiệu quả xử lý dinh dưỡng và chất hữu cơ của hệ thống: pH, độ kiềm, COD, TP, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, TKN- Đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu bùn đến khả năng xử lý
Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu bùn đến hiệu quả loại bỏ chất kháng sinh của công nghệ sponge membrane bioreactor trong xử lý nước thải bệnh viện.
Khả năn xử lý kháng s nh tron nước thải bằng công nghệ MBR 1 So sánh hiệu quả xử lý kháng sinh hệ thống MBR và CAS
Công nghệ Sponge-MBR
Hệ thống sponge-MBR là một hệ thống MBR kết hợp giá thể sponge chuyển động lơ lửng trong hỗn hợp bùn hoạt tính, tạo điều kiện cho quá trình sinh trưởng bám dính của sinh khối phát triển song song với sinh khối tăng trưởng lơ lửng trong bể bùn hoạt tính, và khả năng phân tách chất lỏng/rắn của màng lọc
Nghiên cứu so sánh đặc tính bẩn màng của bể MBR thông thường (conventional submerged membrane bioreactor – CMBR) và bể MBR có giá thể di động sponge (moving biofilm membrane bioreactor – MB-MBR) (Khan và cộng sự, 2012) Kết quả nghiên cứu cho thấy trở lực do lớp bánh bùn R c và trở lực do nghẹt lỗ màng R f thấp
Bên cạnh khả năng làm giảm bẩn màng của hệ thống, cơ chế xử lý chất hữu cơ của sponge MBR là nhờ vào sự phân hủy sinh học các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học cũng giống như cơ chế của quá trình xử lý sinh học thông thường Nhưng trong sponge MBR còn có sự kết hợp giữa các sinh khối lơ lửng trong hỗn hợp bùn hoạt tính mà còn có sự tăng cường của các sinh khối bám dính trên các giá thể trong cùng một bể, giúp tăng hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm có trong nước thải Sau đó, nhờ vào màng lọc tách các sinh khối và các hạt lơ lửng có trong bể phản ứng ở lại, duy trì đƣợc nồng độ sinh khối trong bể, dòng thấm qua màng có chất lƣợng tốt hơn so với bể lắng thông thường
Trong một số nghiên cứu, ứng dụng thành công của việc sử dụng các giá thể bám dính trong hệ thống MBR đã đƣợc báo cáo có liên quan với khả năng khử nitơ Nhiều loại giá thể bám dính đƣợc nghiên cứu trong vài năm qua Trong số cái loại giá thể đƣợc nghiên cứu thì giá thể sponge được coi là giá thể bám dính lý tưởng vì nó có thể hoạt động nhƣ giá thể di động cho sinh khối bám dính, làm giảm các lớp bánh bùn hình thành trên bề mặt màng và giữ lại các vi sinh vật bằng cách kết hợp cả sinh trưởng bám dính và sinh trường lơ lửng trong cùng một hệ thống (Ngo và cộng sự, 2008) Khả năng lưu sinh khối cao và khả năng di động tốt là nguyên nhân của kết luận trên.Ngoài ra, nhận thấy rằng hệ số tỷ lệ nitrat hóa, khử nitrat của hệ thống MBR có bọt biển lơ lửng là cao hơn 1,5 và 1,6 lần so với quá trình bùn hoạt tính thông thường (Deguchi và cộng sự, 1994).
Ảnh hưởng của thờ n lưu n n HTXLNT
Thời gian lưu bùn (SRT) hoặc tuổi bùn trực tiếp liên quan đến việc sản sinh ra bùn dư, và nó ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sinh học vì đã thay đổi thành phần cấu tạo của bùn (Bouhabila và cộng sự, 2001) SRT dài và HRT ngắn có thể dự đoán đƣợc sự gia tăng sinh khối, điều này làm cho sự phân hủy sinh học diễn ra dễ dàng đối với những chất khó phân hủy Theo một cách nào đó, điều này có thể gây ra 1 số tác động không tốt, chẳng hạn nhƣ độ nhớt bùn cao dẫn đến nghẹt màng, oxy truyền dẫn thấp và giảm hiệu quả của MBR
Hình 2.6 Hiệu quả xử lý của MBR-15 và MBR-30 ối với các 6 loạ ƣợc phẩm
So sánh hiệu quả xử lý của hệ thống MBR SRT 15 ngày và 30 ngày của José Luiz Tambosi và cộng sự (2010) đối với 6 dƣợc phẩm là Acetaminophen, Ketoprofen, Naproxen, Roxithromycin, Sulfamethoxazone, Trimethprim cho thấy rằng hiệu quả loại bỏ ra khỏi nước thải của 3 chất kháng sinh thấp hơn so với các dược phẩm khác
Trong đó hiệu quả loại bỏ của Roxithromycin, Sulfamethoxazone thấp nhất 57%, và 55% đối với hệ thống MBR có SRT 15 ngày, 81, 61 % đối với MBR có SRT 30 ngày
Moghaddam và cộng sự (2003) nghiên cứu ảnh hưởng của SRT lên lỗ lọc của màng
Khảo sát SRT khoảng 10, 30 và 75 ngày Kết quả là bể phản ứng với SRT 10 và 30 ngày cho kết quả đầu ra tương đối tốt mà không diễn ra sự tắc nghẽn nào trong hơn 4 tháng vận hành Với SRT lâu hơn (75 ngày), hiện tƣợng lọc màng vì EPS cực đại diễn ra trong sau 80 ngày vận hành, đó là nguyên nhân gây nên gia tăng áp suất vận hành Sự tồn tại số lƣợng lớn chất lơ lửng trong đầu ra là nguyên nhân gia tăng áp suất âm trên trong module màng và có thể đạt tới 40 kPA (bình thường 8kPa) và làm giảm hiệu suất đầu ra trong vài ngày
Bouhabila và cộng sự (2001) cho rằng đặc trƣng của nghẹt màng sinh học là sử dụng màng dạng sợi lọc với kích thước lỗ lọc 0.1m, nhấn chìm trong nước để xử lý nước thải tổng hợp Hiệu quả xử lý COD, lƣợng bùn sinh ra và khả năng nghẹt màng đƣợc nghiên cứu trong 3 bể phản ứng với SRT khác nhau (10, 20 và 30 ngày) Hiệu quả xử lý COD cao hơn 95% và lƣợng bùn sinh ra giảm từ 0.31 đến 0.16 kgMLSS/kgCOD khi tăng SRT Các hạt chất lỏng của bùn hoạt tính (chất keo và hòa tan) đóng vai trò quan trọng trong việc nghẹt màng Các hạt này là kết quả của sự chuyển hoá vi khuẩn với nồng độ cao hơn khi SRT tăng Trở lực của các hạt này cao hơn khoảng 10 lần tổng lƣợng bùn (bùn lơ lửng, chất keo, hòa tan)
Nuengjamnong và cộng sự (2004) đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của polymer ngoại bào EPS và hiện tƣợng bùn nổi trong hệ thống màng nhúng chìm (SMBs) 03 mô hình phòng thí nghiệm đƣợc vận hành với thông lƣợng thấm không đổi (12.5L/m 2 ) với màng dạng tấm với SRT khác nhau (8, 20 và 80 ngày) Kết quả cho thấy SRT tăng, cacbon hữu cơ trong EPS giảm vì thế DOC trong chất nổi độc lập với SRT Protein trong EPS và bùn nổi giảm với sự gia tăng SRT
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu 1 là tiến hành khảo sát 26 HTXLNT bệnh viện ở thành phố Hồ
Chí Minh Đánh giá nồng độ ô nhiễm chất kháng sinh có trong nước thải của 26 bệnh viện đƣợc khảo sát Phân tích đánh giá nồng độ các chất kháng sinh: norflorxacine, ofloxacine, ciprofloxacine (nhóm Fluoroquinolones) và sulfamithoxazone (nhóm sulformides)
Nội dung nghiên cứu 2 là vận hành mô hình nghiên cứu Sponge-MBR ở 4 thời gian lưu bùn là: 40; 20; 10; 5 ngày Từ đó đánh giá hiệu quả xử lý dinh dưỡng và chất hữu cơ của hệ thống Sponge-MBR Ngoài ra, đánh giá khả năng loại bỏ chất kháng sinh trong nước thải bệnh viện của hệ thống Sponge-MBR tại SRT = 5, 10, 20 và 40 ngày
Khảo sát đặc tính bẩn màng của hệ thống Sponge-MBR trong các giai đoạn vận hành
Các chỉ tiêu phân tích, đánh giá qua giai đoạn vận hành tương ứng với các thời gian lưu bùn khác nhau:
- Đánh giá hiệu quả xử lý dinh dƣỡng và chất hữu cơ của hệ thống: pH, độ kiềm, COD, TP, NH 4 + -N, NO 2 - -N, NO 3 - -N, TKN
- Nồng độ chất kháng sinh trong nước thải đầu vào và ra: norflorxacine, ofloxacine, ciprofloxacine (nhóm Fluoroquinolones) và sulfamethoxazone (nhóm sulformides)
- Thông số đánh giá đặc tính bùn: MLSS, MLVSS, SV 30 , SVI, quan sát vi sinh trong bùn và trong sponge, kích thước hạt, SEM
Hình 3.1: Sơ ồ tóm tắt nội dung nghiên cứu 3.2 Mô hình nghiên cứu
Cấu tạo mô hình
Nước thải đầu vào được chứa trong bể có thể tích là 100L Nước thải được bơm vào bể bằng bơm nhu động Bể MBR có dạng hình chữ nhật có kích thước: LxRxH= 28 x 8 x 60 cm (đã tính chiều cao bảo vệ là 20 cm) với thể tích hữu ích là 8L Mô hình sử dụng màng sợi rỗng với diện tích bề mặt màng là 0,05 m 2 Bể MBR đƣợc cấp khí với công suất máy thổi khí là 75L/phút Nước thải đầu ra được hút qua màng MBR bằng bơm hút
Mô hình Sponge-MBR Đánh giá nồng độ ô nhiễm chất kháng sinh trong nước thải của 26 bệnh viện được khảo sát
- Đánh giá hiệu quả xử lý dinh dƣỡng và chất hữu cơ của hệ thống sponge-MBR
- Đánh giá đặc tính bẩn màng của hệ thống Sponge-MBR;
- Nghiên cứu khả năng loại bỏ chất kháng sinh của hệ thống sponge-MBR tại SRT
SRT = 20 ngày SRT = 10 ngày SRT= 5 ngày Khảo sát 26 bệnh viện tại thành phố Hồ Chí Minh
Hình 3.2 Sơ ồ mô hình nghiên cứu Sponge-MBR
Module màng đƣợc sử dụng trong nghiên cứu là loại màng MF (microfiltration) dạng sợi sỗng Màng đƣợc làm bằng chất liệu polyvinyldene fluoride sản xuất bởi công ty Mishubishi Rayon, Nhật Bản Màng đƣợc thiết kế lại diện tích bề mặt là 0,05 m 2
Hình 3.3 Module màng và bề mặt màng ƣợc chụp bằng SEM Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của module màng Misubishi Rayon
Loại màng Màng sợi rỗng
Thông lƣợng thiết kế (Flux) 8 – 33 LMH
Kớch thước lỗ lọc (pore size) 0,4 àm Áp suất vận hành đề nghị < 80 kPa
Nhiệt độ đề nghị 2 – 50 oC
Diện tích bề mặt module màng 0.05 m2
Bể MBR đƣợc bổ sung giá thể sponge nhằm tăng hiệu quả xử lý với hệ vi sinh dính bám và giảm bẩn màng nhờ sự di chuyển của giá thể trong bể Giá thể sponge đƣợc sản xuất bởi công ty hóa chất Nisshinbo, Nhật Bản với tên thương mại là Aquaporousgel (CC-10B) Lƣợng giá thể đƣợc cho vào bể MBR với thể tích chiếm 20% thể tích bể Kích thước khô của giá thể sponge: 8x8x8 mm
Hình 3.4 Giá thể sponge và bề mặt sponge mớ ƣợc chụp bằng SEM Bảng 3.2 Thông số cơ ản của giá thể sponge APG (CC-10B)
Vật liệu Polyurethan Độ rỗng 98%
Phần trăm thể tích trong bể phản ứng 20%
Thông số vận hành
Thông lượng vận hành của hệ thống dưới thông lượng giới hạn của màng để thuận lợi cho quá trình kiểm soát bẩn màng Thông lƣợng giới hạn của màng sợi rỗng 33 L/m 2 h, đồng thời để đánh giá, so sánh tốc độ bẩn màng ở thông lƣợng cao, mô hình vận hành ở thông lƣợng thiết kế 20 L/m 2 h
Mô hình vận hành với 4 giai đoạn SRT: SRT= 40, SRT = 20, SRT = 10 và SRT = 5 ngày Thời gian lưu bùn (SRT): là một trong những thông số vận hành quan trọng
Việc kiểm soát thời gian lưu bùn thông qua lưu lượng bùn rút ra hằng ngày
Mô hình vận hành với thời gian lưu nước (HRT) thiết kế là 8 giờ để đạt tải trọng hữu cơ mong muốn của nghiên cứu
Mô hình được cấp khí bằng máy thổi khí với lưu lượng 88 L/phút Mô hình có gắn van kiểm soát lưu lượng khí để đảm bảo lượng DO > 4 mg/L trong bể và bể MBR đƣợc xáo trộn hoàn toàn Áp suất chuyển màng (TMP) đƣợc theo dõi hằng ngày nhờ đồng hồ đo áp suất, khi áp suất chuyển màng tăng cao (≥ 60 kPa) tiến hành rửa màng để màng hoạt động tốt nhƣ khuyến cáo của nhà cung cấp
Bơm đầu ra hoạt động theo chu kì 8 phút chạy, 2 phút nghỉ để kiểm soát và hạn chế nghẹt màng.
Nước thải bệnh viện
Nước thải sử dụng để chạy mô hình dự kiến lấy từ hố thu gom hệ thống xử lý nước thải tập trung của bệnh viện Trưng Vương (266 Lý Thường Kiệt - Phường 15 - Quận
10 - Tp HCM) Để tăng tính ổn định của tính chất nước thải chạy mô hình, nước thải được lấy vào cùng một thời điểm trong ngày lúc 14 giờ Tính chất nước thải trong quá trình nghiên cứu đƣợc liệt kê trong Bảng 3.3:
Bảng 3.3 Tính chất nước thải bệnh viện Trưn Vươn STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giá trị min-max (trung bình)
Bùn nuôi cấy n ầu
Bùn hoạt tính ban đầu được lấy từ bể MBR trong hệ thống xử lý nước thải tòa nhà văn phòng Sài Gòn Tower (Số 29, Đường Lê Duẩn, Quận 1, TPHCM) trong điều kiện hệ thống này đang hoạt động bình thường Bùn được chạy thích nghi bằng nước thải bệnh viện Trưng Vương trong 7 ngày Nồng độ MLSS của bùn tại thời điểm cho vào mô hình là 4000 mg/l.
Lấy mẫu và phươn pháp phân tích 1 Vị trí và tần suất lấy mẫu
Phươn pháp xác ịnh MLSS, MLVSS trong sponge, cân bằng nồn ộ MLSS, MLVSS trong bể MBR có giá thể sponge
Sấy khô cốc sứ ở 105 0 C đến khối lƣợng không đổi, hút ẩm và sau đó đem cân ta đƣợc m 0 Lấy ra 10 miếng sponge khỏi bể sponge MBR, vò thật sạch bùn trong sponge cho vào cốc sứ 30ml, đem nung ở 105 0 C đến khi khối lƣợng không đổi Cân khối lƣợng sau khi nung và hút ẩm ta đƣợc m 1 , đem vào bình hút ẩm, để nguội, cân m 2 sau đó lại cho vào tủ nung, nung ở nhiệt độ 550 0 C trong 1 giờ, sau đó đem vào bình hút ẩm, để nguội rồi cân m 3 Từ khối lƣợng m 1 , m 2 , m 3 và thể tích 10 miếng sponge là = 5.12ml Đối với MLSS, MLVSS lơ lửng làm với phương pháp tương tự, thể tích lấy mẫu là 25ml, mẫu đƣợc sấy trong cốc sứ thể tích 30 ml
Do thể tích bể là 8 lít, sponge chiếm 20% tức 1,6 lít, phần còn lại là 6,4 lít Nồng độ MLSS và MLVSS trung bình trong bể đƣợc tính nhƣ sau:
MLSS TB = (MLSS sponge ×1,6 + MLSS lơ lửng ×6,4)/8
Phươn pháp phân tích kích thước hạt (Particle Size Distribution)
Phân tích phân bố kích thước hạt để quan sát, đánh giá đặc tính của bùn lơ lửng trong bể MBR tại các thời gian lưu bùn khác nhau Mỗi giai đoạn vận hành lấy mẫu 2 lần phân tích sự phân bố kích thước của bông bùn lơ lửng trong bể MBR
Trong nghiên cứu này sử dụng máy Horiba LA-950 Laser Scattering Particle Size Distribution Analyzer tại phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hóa học và dầu khí
Mẫu sẽ đƣợc lấy trực tiếp trong bể MBR với thể tích là 200mL Tiến hành phân tích ngay để mẫu không bị biến đổi Lắc đều mẫu sau đó cho vào máy Horiba LA-950
Thông số vận hành máy mức năng lƣợng siêu âm là 7 với thời gian 1 phút và tốc độ xoay vòng mẫu ở mức 7 Các thông số vận hành máy Horiba LA-950 này cố định tại toàn bộ các lần phân tích.
Phươn pháp chụp bề mặt sponge – Scanning Electron Microscope (SEM)
Quan sát bề mặt giá thể sponge để theo dõi sự thay đổi đặc tính của vi sinh dính bám, cấu trúc bề mặt của vi sinh Phương pháp SEM là chụp ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật đƣợc thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật
Phương pháp thực hiện SEM đối với mẫu hữu cơ, đòi hỏi kỹ thuật tiền xử lý mẫu tốt, giữ được nguyên vẹn cấu trúc trước khi được phóng đại qua SEM Có nhiều phương pháp tiền xử lý mẫu nhưng trong nghiên cứu này thực hiện các bước theo phương pháp sấy thăng hoa đƣợc kỹ sƣ Stajenhexki phát minh ra năm 1921 Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng sự thăng hoa của nước Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi Ở điều kiện bình thường, ẩm trong mẫu ở dạng lỏng nên để thăng hoa chúng cần được chuyển sang thể rắn bằng phương pháp lạnh đông Chính vì thế nên sấy thăng hoa còn được gọi là phương pháp sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophillisation) hay làm khô bằng phương pháp cho đóng băng Khử nước bằng phương pháp sấy thăng hoa, trải qua các giai đoạn chính sau:
Bước 1: Làm lạnh, mẫu Sponge sẽ được làm lạnh đột ngột ở nhiệt độ -500C trong 2h, sử dụng thiết bị lạnh đông thông thương hoặc nitơ lỏng
Bước 2: Giai đoạn thăng hoa sẽ đưa mẫu qua buồng sấy ở áp suất thấp trong 8h, tiến hành nâng nhiệt độ lên cao ở áp suất thấp khi đó nước trong mẫu hữu cơ sẽ chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể khí, do đó bảo toàn đƣợc khung cấu trúc vi sinh vật và cấu trúc giá thể Quy trình đƣợc thực hiện tại Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam
Bước 3: Phủ kim loại lên bề mặt mẫu nhằm mục đích tạo độ dẫn điện cho mẫu trước khi chụp bằng máy SEM nguyên liệu phủ mẫu thường là vàng (Au) hoặc bạch kim (Pt) bề dày lớp kim loại từ 5-10nm Thời gian phủ 30s Thực hiện tại trung tâm Nghiên cứu triển khai- Khu công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh
Bước 4: Chụp bằng máy SEM Hitachi S-4800 tại trung tâm Nghiên cứu triển khai- Khu công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh.
Phươn pháp phân tích Ant ot cs
2 nhóm Antibiotics đƣợc nghiên cứu:
Nhóm Sulfamides: sulfamethoxazone Nhóm Flourquinolones: norflorxacine, ofloxacine, ciprofloxacine
Hình 3.5 Sơ ồ quy trình phân tích chất kháng sinh
Phương pháp tiền xử lý mẫu và phân tích kháng sinh Đề tại dự kiến đánh giá mức độ ô nhiễm của 4 loại chất kháng sinh: norflorxacine, ofloxacine, ciprofloxacine (nhóm Fluoroquinolones) và sulfamethoxazole (nhóm sulformides) thông qua các phương pháp phân tích vi lượng cho các mẫu nước thải
Trong nghiên cứu này sử dụng các thiết bị phân tích vi lƣợng sẵn có của Phòng Thí nghiệm Trường Đại Học Bách Khoa: SPE-HPLC-MS/MS
- Lấy mẫu và chuẩn bị cho phân tích kháng sinh Các mẫu thí nghiệm lấy từ mô hình nghiên cứu sẽ đƣợc đem đi phân tích ngay hoặc đƣợc trữ trong phòng lạnh
- Phân tích chất kháng sinh trong nước thải (phương pháp SPE-HPLC-MS/MS) a Chi t xuất pha rắn – SPE (Solid phase extraction) (Dinh và cộng sự, 2011)
Sau khi điều chỉnh mẫu về pH = 7 bằng acid orthophosphoric (25%), lấy 50 ml mẫu đem hút chân không bằng giấy lọc sợi thủy tinh 0,45 μm để loại bỏ cặn và chiết xuất pha rắn với cột chiết xuất pha rắn có tính chất ưa nước – ưa mỡ - cân bằng (HLB) có thể tích (150 mg, 6 mL) Cột chiết xuất được làm ướt trước bằng 1ml dd MeOH và 1ml nước siêu tinh khiết Mẫu được chiết xuất sẽ được lọc qua cột với lưu lượng 3 mL/phút.Sau đó, rửa cột chiết xuất bằng 2 mL dd hỗn hợp H2O (95%)và MeOH (5%) và sấy khô chân không trong 10 phút để loại bỏ nước dư thừa Sau đó thực hiện rửa giải lần nữa với 5 ml dd MeOH Sau khi thực hiện đầy đủ các bước trên, mẫu phân tích sẽ đƣợc làm bay hơi bởi dòng khí nitơ cho đến khi khô
Cuối cùng hoàn nguyên lại cột chiết xuất bằng dung dịch hỗn hợp axit H 2 O/CH 3 CN với tỷ lệ (90/10) và axit fomic (0,01%) cho đến khi thu đƣợc thể tích mẫu là 1 mL mẫu Các mẫu cần được bảo quản ở nhiệt độ 4°C trước khi đem đi phân tích sắc ký lỏng – LC để tránh sự phân hủy b Phân tích kháng sinh bằng HPLC-MS/MS Phương pháp phân tích kháng sinh bằng HPLC-MS/MS được thực hiện theo phương pháp trong nghiên cứu (Dinh và cộng sự, 2011)
Hình 3.6 Phân tích mẫu bằng HPLC-MS/MS a Trimethoprime b Ofloxacine c Ciprofloxacine d Sulfamethoxazole e Tetracycline
Hình 3.7 Đường chuẩn phân tích mẫu kháng sinh bằng HPLC-MS/MS
Phươn pháp cân ằn N tơ
Theo lý thuyết về cân bằng Nitơ trong tế bào vi sinh vật thì VSV sử dụng Nitơ để tổng hợp thành tế bào và nitrat hóa/khử nitrat, phần Nitơ còn lại ở trong nước thải sau xử lý Từ đó ta đơn giản hóa thành phương trình sau:
TN vào = TNtích lũy trong tế bào + TN ra + TNkhử nitrat hóa
Lƣợng Nitơ tích lũy trong tế bào VSV chiếm 12% so với tổng khối lƣợng VSV Vì vậy ta có thể tính đƣợc TNtích lũy trong tế bào bằng phép tính: 12% x Tổng VSS sinh ra trong bể sponge MBR TN vào và ra đƣợc xác định bằng tổng của TKN, Nitrit và nitrat
Từ các kết quả đó ta tính đƣợc lƣợng và phần trăm Nitơ bị khử do khử nitrate hóa trong hệ thống
TNkhử nitrat hóa = TN vào – (TNtích lũy trong tế bào + TN ra )
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 K t quả khảo sát 26 bệnh viện ở Tp Hồ Chí Minh 4.1.1 Hiện trạng xử lý nước thải của các bệnh viện
Phần lớn các cơ sở y tế đều đã đầu tƣ xây dựng HTXLNT nhƣng trong quá trình vận hành vẫn còn nhiều bất cập dẫn đến nước thải đầu ra không đạt tiêu chuẩn quy định
Các vấn đề thường hay xảy ra ở HTXLNT của các cơ sở y tế hiện nay:
- HTXLNT không hoạt động do thiết bị hƣ hỏng, không đƣợc bảo trì, sửa chữa
- HTXLNT quá tải so với công suất thiết kế
- Công nghệ xử lý không hiệu quả, công nghệ đƣợc thiết kế sai kỹ thuật
- Vận hành không đúng quy trình kỹ thuật
- Cán bộ phụ trách và công nhân vận hành không đủ trình độ chuyên môn
Công nghệ xử lý nước thải của các cơ sở y tế được khảo sát chủ yếu chia ra thành 5 nhóm chính đƣợc thể hiện trong Bảng 4.1
Bảng 4.1 Phân loại công nghệ xử lý nước thải của các bệnh viện
Nhóm Công nghệ Mô tả công nghệ
Hệ thống sục khí thông thường
Nước thải – Thu gom – Chắn rác – Lắng (có hoặc không có keo tụ) – Bể keo tụ bùn hoạt tính – Lắng – Khử trùng – Thải nước, tuần hoàn bùn
Gom nước thải – Chắn rác – Lắng – Lọc sinh học nhỏ giọt – Khử trùng
Nhóm 2 Lò phản ứng sinh học với
Nước thải – Chắn rác – Bể điều hoà- Tiền xử lý – Bể sinh học kết hợp thiết bị CN2000 Nhóm 3
Màng sinh học (MBR), các loại vật liệu lọc khác nhau
Nước thải – Chắn rác –Bể điều hoà – Bể xử lý sinh học- MBR –Khử trùng
Tiền xử lý đơn giản – kị khí/tự hoại – xử lý hoá-lý
Nước thải – Thu gom –Bể lắng và bể kỵ khí – Keo tụ/hoá chất – Khử trùng
Công nghệ tiên tiến AAO, SBR, lọc than hoạt tính
Nước thải – Lắng – Tiền xử lý với công nghệ AAO: bể xử lý kị khí-bể thiếu khí- bể oxy hoá-lọc-khử trùng-xả Xử lý sục khí – Lắng – Lọc bằng cacbon hoạt tính SBR công nghệ phản ứng theo mẻ
Đặc tính nước thả ầu vào của các bệnh viện
Bảng 4.2 Thành phần và tính chất nước thả ầu vào HTXLNT tại các bệnh viện (n&)
Chỉ tiêu Đơn vị Gía trị lớn nhất
Gía trị nhỏ nhất Gía trị trung bình pH - 8.02 5.72 7.04
Thực trạng thải chất thải lỏng nhiễm bệnh hay chất thải lỏng nguy hại ở Việt Nam chưa có các hướng dẫn chuyên biệt theo tính chất nguy hại của từng loại dòng thải
Bảng 4.2 thể hiện tính chất nước thải đầu vào của 40 cơ sở y tế thực hiện khảo sát Có thể thấy rằng nồng độ COD, BOD 5 dao động mạnh với giá trị trung bình là 125 mg/L và 95 mg/L Các chỉ tiêu NH 4 + -N, NO 3 - -N, PO 4 3- -P đều cao và dao động ở mức 1.23 – 66.8, 4 – 35.1 và 0.06 – 8.04 mg/L Coliform có giá trị trung bình 3,95 x 10 5 Bên cạnh đó các cơ sở y tế thải ra môi trường một lượng lớn các tác nhân hóa học và vi sinh qua nước thải như chất kháng sinh, tác nhân bị nhiễm tia X, phóng xạ, chất tẩy uế, dƣợc phẩm Trong đó, một số lƣợng lớn các hợp chất này hiện nay không thể xử lý được bằng phương pháp xử lý nước thải thông thường, nhiều dạng chất lỏng có nguy cơ lây nhiễm, truyền bệnh cao
4.1.3 Nồn ộ các chất khán s nh tron nước thải bệnh viện tại TP.HCM
Bảng 4.3 thể hiện nồng độ các chất kháng sinh đƣợc khảo sát tại 26 bệnh viện và cơ sở y tế tại TP Hồ Chí Minh và so sánh với một số quốc gia trên thế giới Kết quả cho thấy các chất Sulfamethoxazole, Norfloxacine, Ciprofloxacine, Ofloxacine thường xuất hiện trong môi trường nước thải bệnh viện với nồng độ trung bình đầu vào cao lần lƣợt là 11.82, 10.93, 8.714, 7.145 àg/L Trong khi đú, nồng độ trung bỡnh đầu ra cũng khỏ cao tương ứng lần lượt là 11.676, 7.586, 13.253, 15.535 àg/L Điều này chứng tỏ các công nghệ áp dụng cho các hệ thống xử lý nước thải hiện nay tại các cơ sở y tế có khả năng lọa bỏ thấp các chất kháng sinh, thậm chí là không loại bỏ đƣợc
Các chất kháng sinh còn lại còn lại Erythromycine, Tetracycline, Trimethoprime tồn lưu trong môi trường với nồng độ không đáng kể, đặc biệt là Tetracycline với nồng độ phỏt hiện rất thấp 0.097 àg/L
So với kết quả nghiên cứu của Watkinson và cộng sự (2009), nồng độ kháng sinh Sulfamethoxazole, Ciprofloxacine, đầu vào tại các trạm xử lý tại Việt Nam cao hơn lần lƣợt gấp 47, 16 lần và đặc biệt nồng độ khánh sinh Norfloxacine gấp 182 lần so với nồng độ kháng sinh đƣợc phát hiện tại các bệnh viện tại đầu vào các bệnh viện tại Úc Tương tự, nồng độ đầu ra sau xử lý tại các bệnh viện của Việt Nam cũng cao hơn rất nhiêu so với Úc đối với các chất kháng sinh trên
Bảng 4.3 Nồn ộ các chất khán s nh tron nước thải bệnh viện chư xử lý
Tetracycline ND–1.5 23% tại TP HCM (n&)
Một nghiên cứu khác của nhóm nghiên cứu quốc gia Việt Nam GARP (Global
Antibiotic Resistance Partnership) (10/2010), ở Việt Nam năm 1999 kháng sinh đƣợc sử dụng phổ biến nhất với tần suất xuất hiện bao gồm: ampicillin hoặc amoxicillin (86%), penicillin (12%), erythromycin (5%), tetracyclin (4%) và streptomycin (2%) Năm 2007, xu hướng sử dụng kháng sinh đã thay đổi, cephalosporins đường uống được dùng phổ biến đối với các bệnh có triệu chứng nặng Các kháng sinh thường dùng là: ampicillin hoặc amoxillin (49%), cephalosporin, đường uống (27%), cotrimoxazol (11%), macolides (3%), loại khác (2%) Một lƣợng lớn dƣợc phẩm đƣợc sử dụng trên động vật bao gồm kháng sinh, vitamin và các thuốc diệt ký sinh trùng Trong đó, kháng sinh chiếm phần lớn nhất (70% trong tổng số thuốc) đƣợc sử dụng trên động vật Có 11 nhóm kháng sinh đƣợc sử dụng trong nuôi trồng thuỷ sản trong đó bao gồm cả các loại kháng sinh được sử dụng trong điều trị bệnh nhiễm khuẩn trên người
Theo nghiên cứu khảo sát của Watkinson và cộng sự (2009), sự hiện diện của các chất kháng sinh được tìm thấy trong đầu vào của các hệ thống xử lý nước thải được phỏt hiện lờn đến 64 àg/L, đại diện là cỏc nhúm β-lactam, quinolone và sulphonamide
Theo nghiên cứu khảo sát, hiệu quả loại bỏ các chất kháng sinh trung bình lên đến 80% Tuy nhiên các chất kháng sinh này vẫn tồn tại trong đầu ra với một lƣợng rất nhỏ < 3,4 àg/L.
Đặc tính bùn của hệ thống sponge-MBR qu các oạn vận hành 1 Nồn ộ sinh khối
Kích thước bông bùn lơ lửng
Theo kết quả phân tích được tại SRT 40 kích thước bông bùn lơ lửng trung bình là 63.52 ± 52.42 àm Kớch thước bụng bựn dao động từ 10.09-344.2 àm, phổ biến nhất là 41.78 àm chiếm 9.7% tổng số hạt Ở SRT 20 kớch thước bụng bựn phõn bố đều và khoảng dao động nhỏ hơn từ 7.7-229.1 àm Do cú ớt bụng bựn kớch thước lớn nờn trung bỡnh chỉ 39.3 ± 23.3 àm, chiếm nhiều nhất là 36.5 àm với 10.5%
Hình 4.2 Phần trăm phân ổ kích thước hạt qu 4 oạn vận hành
Theo hình 4.2 có thể thấy đƣợc bông bùn ở SRT 10 ngày có phân bố rộng hơn và đều nhất dao động từ 0.33-344 àm Kớch thước trung bỡnh là 60.5 ± 52.8 àm và đường kớnh bụng bựn tỡm thấy nhiều nhất 41.9 àm chỉ chiếm 7.5% do phõn bố bụng bựn dàn trải đều ở cỏc kớch thước Cũn tại SRT 5 ngày kớch thước trung bỡnh là 56.8 ± 42.8àm, dao động từ 7.7-300 àm
Kớch thước bụng bựn ở tất cả cỏc thời gian vận hành < 300 àm, chiếm phần lớn < 100 àm Nghiờn cứu về màng MBR nhỳng chỡm của Huang và cộng sự, 2001 cũng cho kết quả tương tự kích thước trung bình của bông bùn tại 5, 20 và 40 ngày lần lượt là:
14.82; 48.24 và 30.61 àm Tuy nhiờn, kết quả nghiờn cứu hiện tại cho kết quả kớch thước có lớn hơn 1 chút so với nghiên cứu Huang và cộng sự, 2001 Do nghiên cứu sử dụng thêm giá thể sponge chiếm 20% kích thước bể phản ứng làm cho các bông bùn ít di chuyển hơn hệ thống MBR truyền thống, giảm việc phá vỡ bông bùn hơn
Mặc dù kích thước bông bùn thay đổi khi thay đổi SRT nhưng bông bùn của hệ thống MBR khác biệt nhiều so với bông bùn của hệ thống bùn hoạt tính truyền thống (90- 200 àm), (Zhang và cộng sự 1997) Cỏc bụng bựn nhỏ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển hóa chất hữu cơ, tiếp xúc với oxy hòa tan trong nước Do đó hệ thống MBR có khả năng xử lý chất hữu cơ với tỉ lệ cao hơn dễ dàng thích ứng với việc sốc tải hơn, (Huang và cộng sự, 2001 )
Quan sát bề mặt giá thể sponge
Ngoài vi sinh lơ lửng thì vi sinh dính bám cũng góp phần quan trọng trong xử lý nước thải làm tăng khả năng đa dạng sinh học và vi sinh thiếu khí có thể phát triển bên trong giá thể làm tăng cường khả năng khử nitơ Hình 4.3 thể hiện bề mặt giá thể sponge tại SRT 40 ngày ở tỉ lệ phóng đại khác nhau Bề mặt giá thể quan sát đƣợc lƣợng vi sinh dính bám khá đa dạng ở tỉ lệ x100 dễ dàng thấy đƣợc có rất nhiều trùng lông mao có thân (stalked ciliates) Mô hình vận hành với SRT 40 ngày và F/M = 0.12 ngày -1 nên xuất hiện trùng lông mao Kết quả tương tự với nghiên cứu của Miura và cộng sự (2007) trùng lông mao có trong bể MBR khi vận hành với thời gian lưu bùn dài, F/M thấp Ở tỉ lệ x 30000 lần có thể thấy rõ các hình dạng vi sinh dính bám dày đặc trên bề mặt giá thể
Hình 4.3 Hình chụp SEM bề mặt giá thể sponge ở SRT = 40 ngày
Hình 4.4 thể hiện bề mặt giá thể sponge tại SRT = 5 ngày, trùng lông mao không còn xuất hiện trên bề mặt giá thể nữa Tại SRT = 5 ngày là thời gian lưu bùn ngắn, nồng độ bùn trong bể giảm nên F/M = 0.29 ngày -1 Tuy nhiên, hệ vi sinh dính bám xuất hiện dày đặc trên bề mặt giá thể sponge
Hình 4.4 Hình chụp SEM bề mặt giá thể sponge ở SRT = 5 ngày
Khả năn loại bỏ chất hữu cơ của hệ thống Sponge-MBR
Mô hình sponge MBR được vận hành ở bốn thời gian lưu bùn khác nhau Hiệu suất khử COD ở các tỉ số tuần hoàn khác nhau đƣợc thể hiện trên Hình 4.2 và Hình 4.3
Hiệu quả xử lý COD trung bình của hệ thống là 97% ở cả 4 giai đoạn vận hành Nồng độ COD đầu vào của nước thải y tế nằm trong khoảng rộng là 255-569 mg/L, nồng độ đầu ra của mô hình luôn thấp hơn 25 mg/L (giá trị COD tối đa cho phép của nước thải y tế theo QCVN 28:2010/BTNMT (Cột A) là 50mg/L) Hiệu suất xử lý COD của hệ thống sponge MBR duy trì mức trên 90% trong suốt quá trình nghiên cứu Ta thấy đƣợc một ƣu thế lớn của hệ thống sponge-MBR là ít bị sốc tải COD dòng vào có biến động nhƣng COD dòng ra luôn ổn định, hệ thống vẫn thích nghi tốt khi nồng độ COD biến đổi
Hình 4.5 Hiệu suất xử lý COD qu 4 oạn vận hành
Hiệu suất xử lý COD trung bình trên 90% trong một nghiên cứu (Yamamoto và cộng sự, 1989) cũng đã đưa ra kết quả tương tự với kết quả của nghiên cứu này Wen và cộng sự (2004) sừ dụng một bể phản ứng sinh học màng (MBR) với dạng màng sợi rỗng được dùng để xử lý nước thải được lấy từ bể lắng của hệ thống xử lý nước thải bệnh viện Hiệu quả xử lý của mô hình đối với COD là 80% Tương ứng với chất lượng nước trung bình của dòng ra COD nhỏ hơn 25 mg/L
Hình 4.6 Nồn ộ COD trun ình ầu vào, ầu ra và tốc ộ khử COD
Tốc độ khử COD ở thời gian lưu bùn SRT 40 ngày là 0.12 ± 0.02 gCOD/gMLSS.ngày thấp nhất trong 4 giai đoạn vận hành Ở giai đoạn 1 nước thải đầu vào có nồng độ COD thấp hơn các giai đoạn còn lại và nồng độ bùn đƣợc duy trì trong bể khá cao là 7,74 g/L Do đó tốc độ khử COD của giai đoạn này thấp nhưng không ảnh hưởng đến
COD inf COD eff Hiệu suất
COD (mg/L) Hiệu suát xử lý, %
COD inf COD Eff Tốc độ khử
COD (mg/L) Tốc độ khử, gCOD/gMLSS.ngày hiệu quả xử lý COD của hệ thống Khi vận hành với thời gian lưu bùn ngắn thì lượng bùn rút ra nhiều nên nồng độ bùn duy trì trong bể thấp và hiệu suất loại bỏ COD tương tự Do đó tốc độ khử COD tăng dần khi giảm thời gian lưu bùn tại SRT = 40, 20, 10, 5 ngày lần lƣợt là 0,12; 0,13; 0,19 và 0,29 gCOD/gMLSS.ngày
Kết quả của nghiên cứu cho thấy khả năng xử lý COD gần nhƣ triệt để khi nồng độ đầu ra của hệ thống luôn nhỏ hơn 25mg/L Bổ sung giá thể sponge vào bể MBR làm tăng khả năng đa dạng sinh học ngoài vi sinh hiếu khí lơ lửng còn có vi sinh dính bám kết hợp cả quá trình hiếu khí và thiếu khí Nồng độ COD đầu ra trung bình là 11 mg/L trong suốt quá trình vận hành.
Khả năn loại bỏ chất d nh dƣỡng của hệ thống Sponge-MBR 1 Hiệu quả xử lý n tơ
Cân bằn n tơ trong hệ thống sponge-MBR
Tại mỗi giai đoạn vận hành đều thực hiện cân bằng nitơ Thực hiện cân bằng nitơ giúp ta đánh giá đƣợc rõ ràng hơn khả năng xử lý Nitơ của hệ thống Cân bằng khối lƣợng nitơ đã được tính từ kết quả trung bình của chuỗi xử lý nước thải bằng cách tính toán khối lượng TN nước thải dòng ra, dòng bùn thải và TN của quá trình khử nitrate
Hình 4.7 Cân bằn n tơ cho 4 oạn vận hành hệ thống sponge-MBR Ở giai đoạn 1 SRT = 40 ngày, do những ngày bắt đầu vận hành lƣợng bùn trong sponge chƣa ổn định nên khả năng khử nitơ của hệ thống không cao đạt 33% so với tổng nitơ đầu vào Nồng độ nitrate dòng ra dao động từ 14-18 mg/L trong 2 tuần vận hành đầu tiên Vào cuối giai đoạn này thì hiệu suất khử nitrate tăng lên làm cho nồng độ đầu ra dao động từ 3.3-6.8 mg/L Tuy nhiên tổng nitơ dòng ra của giai đoạn SRT 40 là 13.25 ± 5.33 mg/L cao nhất trong 4 giai đoạn vận hành
Hiệu suất khử nitơ của giai đoạn 2 và 3 tại SRT = 20 và 10 ngày cao nhất đạt 50% so với tổng nitơ đầu vào Khi thời gian lưu bùn 10-20 ngày thích hợp cho vi khuẩn nitrate hóa phát triển và bùn trong sponge đã ổn định làm tăng khả năng khử nitrate Tổng nitơ dòng ra của SRT = 20 là 29% và SRT = 10 ngày là 22%
Tại SRT = 5 ngày khả năng khử nitơ thấp nhất chỉ đạt 18% Với thời gian lưu bùn ngắn làm cho vi khuẩn nitrate hóa phát triển không tốt và lƣợng bùn rút ra mỗi ngày chiếm 20% thể tích bể làm cho lƣợng TN tích lũy trong bùn đi ra khỏi hệ thống chiếm 38% cao hơn các giai đoạn còn lại Tuy nhiên nồng độ nitrate đầu ra là 2.97 ± 2.34 mg/L và tổng nitơ là 10.44 ± 4.63 mg/L Chất lƣợng dòng ra tối đa có thể đạt đƣợc tiêu chuẩn loại A, QCVN 28 :2010/BTNMT trong toàn bộ thời gian vận hành hệ thống.
Photpho
Hình 4.8 thể hiện nồng độ photpho tổng ở đầu vào và đầu ra của mô hình sponge-
MBR tại 4 trong suốt thời gian vận hành Đầu vào TP trong bốn giai đoạn vận hành dao động từ 0.1 – 1.1 mg/L (trung bình khoảng 0.25 ± 0.27 mg/L) Trong nước photpho tồn tại ở ba dạng : phosphate đơn (PO 4 3- ), poly phosphate (P 2 O 7 ) và
SRT 20 SRT 10 SRT 5TN-denitrificationTN-assimilateTN-out
Khả năn xử lý các chất kháng sinh có nồn ộ thấp
Trong khi đó các chất kháng sinh ít gặp trên thế giới hoặc có nồng độ thấp cũng đƣợc tìm thấy trong nước thải bệnh viện được nghiên cứu là Erythromycin, Trimethoprime, Tetracyclin, Amoxicilin, Cefotaxim Trimethoprime đƣợc phát hiện ở SRT = 40 ngày với nồng độ cao 13.8-63.5 àg/L, ở SRT = 20 ngày là 18.9 àg/L nhƣng cú nồng độ rất thấp ở 2 giai đoạn còn lại Theo kết quả phân tích đƣợc thì các chất kháng sinh khác cú nồng độ thấp hơn hẳn ≤ 10 àg/L ở tất cả cỏc giai đoạn vận hành Nồng độ đầu vào tương ứng với các chất kháng sinh Erythromycin, Tetracyclin, Amoxicilin, Cefotaxim lần lƣợt là 0.1-19.2 àg/L; 0-10.7 àg/L; 0-7.8 àg/L; 0-1,5 àg/L
Hình 4.10 Các chất kháng sinh có nồn ộ thấp tạ 4 oạn vận hành
Ngoài ra theo kết quả phân tích kháng sinh trong suốt thời gian vận hành thì có 3 loại kháng sinh không xuất hiện trong nước thải là: Tylosin, Sulfamethazin và Enrofloxacin
Bảng 4.9 Hiệu suất xử lý các chất kháng sinh tạ 4 oạn vận hành
0 10 20 30 40 50 in per in per in per in per
SRT (40 days) SRT (20 days) SRT (10 days) SRT (5 days)
ERY TRI TET AMO CEF
Khả năng loại bỏ các chất kháng sinh có nồng độ thấp đƣợc thể hiện trong bảng 4.6
Kết quả cho thấy Amoxicilin và Cefotaxim dễ phẩn hủy sinh học đƣợc loại bỏ hoàn toàn nước thải đầu ra không phát hiện hoặc phát hiện ở nồng độ rất thấp
Jan và cộng sự (2010) đã tổng hợp lại kết quả so sánh sự loại bỏ chất kháng sinh của công nghệ bùn hoạt tính truyền thống và MBR Kết quả là MBR luôn cho hiệu suất cao hơn, Trimethoprime là 57% so với 11%; Sulfamethoxazole là 73% so vơi 33%;
Ofloxacine là 93% so với 75% Erythromycine là 45% so với 2% Và kết luận đƣa ra là thời gian lưu bùn cao cùng nồng độ bùn lớn đã tạo nên sự khác biệt này Xia và cộng sự (2012)sau khi nghiên cứu MBR với các thời gian lưu bùn 3,10,30,60 ngày và nồng độ khỏng sinh đầu vào 500 àg/L đó đƣa ra kết luận SRT0 ngày là tốt nhất cho việc loại bỏ kháng sinh
Gomez và cộng sự (2013) đã tìm hiểu cơ chế loại bỏ kháng sinh trong bể MBR xử lý nước thải với cựng một nồng độ đầu vào là 500àg/L trong cỏc điều kiện khỏc nhau về nồng độ bùn, nhiệt độ, và nồng độ COD đầu vào Về ảnh hưởng của nhiêt độ, ở 9 o C khả năng loại bỏ chủ yếu là hấp phụ, trong khi ở 28 và 38 o C thì khả năng phân hủy sinh học có thể lên tới hơn 50% Nồng độ MLSS cũng ảnh hưởng rất lớn đến cơ chế loại bỏ kháng sinh của hệ thống, ở nồng độ 7000mg/L, % phân hủy sinh học chủ yếu