TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG BẰNG TẢO CHLORELLA VULGARIS VÀ LOẠI BỎ TẢO BẰNG FERRATE II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tăng sinh khối tảo trên môi trường nước tổng hợp
TỔNG QUAN
Giới thiệu về Chlorella vulgaris
2.1.1 Phân loại và tên khoa học
Giới (regnum): Thực vật Ngành (division): Chlorophyta
2.1.2 Đặc điểm của Chlorella vulgaris
Chlorella vulgaris là một chi của tảo lục đơn bào (vi tảo), thuộc ngành
Chlorophyta, tồn tại được trong môi trường cả nước lợ và nước mặn cũng như là trong điều kiện môi trường khắc nghiệt [6] C vulgaris có dạng hình cầu, đường kớnh khoảng 2 – 10 àm, khụng cú tiờn mao và khụng cú khả năng di chuyển chủ động [7] Mỗi tế bào có cấu trúc gồm nhân thật, hạch tạo bột, lục lạp và ti thể với vách tế bào chủ yếu là cellulose bao bọc C vulgaris có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll-a và b trong lục lạp C vulgaris có khả năng kết hợp quang tự dƣỡng và dị dƣỡng đƣợc gọi là tạp dƣỡng Thông qua quá trình quang hợp C vulgaris phát triển nhanh chóng chỉ cần lượng khí carbon dioxide, nước và lượng nhỏ chất khoáng, chất hữu cơ (N, P), biến đổi năng lƣợng ánh sáng mặt trời thành hợp chất hữu cơ đơn giản để nó sinh trưởng và phát triển [8] Đối với các loại vi tảo để đạt đƣợc sinh khối cao nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nhiệt độ, ánh sáng cho hệ thống nuôi kín hoặc mở Sự phát triển của vi tảo đạt cao nhất khi nhiệt độ từ 25 o C đến 30 o C Trong đó, nhiệt độ tối ƣu của phần lớn tảo là 25 o C Cùng với nhiệt độ thì ánh sáng và pH là hai nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của tảo Tảo Chlorella sp có khả năng tăng trưởng với khoảng pH rộng từ 4 đến 10 và đạt sinh khối cao nhất tại pH 9 – 10 [9] Theo nghiên cứu của Qitao Gong cùng cộng sự [10] với cường độ ánh sáng 3960 lux và không kiểm soát pH thì mật độ tế bào tảo C vulgaris đạt giá trị cao nhất Với pH 10 và cường độ chiếu sáng 7920 lux thì tảo C vulgaris đạt mật độ tế bào cao nhất
Ngoài ra, C vulgaris còn sử dụng carbon, nitơ, photpho trong nước thải để tăng trưởng Carbon cần thiết cho sự quang hợp và tăng trưởng của tảo Đối với vi tảo tự dƣỡng sẽ cố định carbon dùng cho hô hấp, sử dụng nhƣ một nguồn năng lƣợng hoặc nguyên liệu cho sự tăng trưởng Chúng sử dụng carbon vô cơ để thực hiện quang hợp Carbon tồn tại ở ba dạng: CO 2 , carbonat ( , bicarbonat ( cho tăng trưởng của vi tảo tự dưỡng và ở dạng acetate hoặc glucose cho sự phát triển của vi tảo dị dưỡng Ngoài ra, trong môi trường nước, CO 2 có thể tồn tại ở bất kì các dạng nêu trên phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và thành phần dinh dƣỡng theo phản ứng sau:
Khi pH tăng, carbonat ( tăng trong khi phân tử CO 2 và bicarbonat ( giảm [11] Kết quả nghiên cứu của Bio cùng cộng sự [12] cho thấy rằng với tỉ lệ CO 2 /O 2 là 2% (tốc độ sục khí + CO 2 là 200L/h) và tại 30 o C thì C vulgaris đạt sinh khối cao hơn khi nhiệt độ đạt 25 o C Khi nhiệt độ đạt 35 o C thì lưu lượng khí CO 2 thấp hơn nhiệt độ ở 30 o C dẫn tới nồng độ bicarbonate ( ) thấp hơn Điều này chứng tỏ rằng khả năng hòa tan của CO 2 giảm khi nhiệt độ tăng làm cho quá trình quang hợp và sản xuất sinh khối giảm ở 35 o C Còn đối với vi tảo dị dƣỡng sẽ sử dụng nguồn hữu cơ nhƣ glucose, axit hữu cơ đơn giản, và với vi tảo tạp dƣỡng thì sẽ sử dụng đồng thời cả hai dạng trên [13]
Bên cạnh đó, nitơ là chất dinh dƣỡng quan trọng cần thiết cho sự phát triển của tất cả các loài sinh vật Nitơ hữu cơ nhƣ peptit, protein, enzyme, chlorophyll, phân tử chuyển năng lƣợng (ADP, ATP) và các vật liệu di truyền (RNA, DNA) có nguồn gốc từ nitơ vô cơ bao gồm nitrat ( ), nitrit ( ), axit nitric (HNO 3 ), amoni ( ), amonia (NH 3 ) và khí N 2 Vi tảo đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nitơ vô cơ thành nitơ hữu cơ thông qua quá trình đồng hóa đƣợc thể hiện ở hình 2.1
Hình 2.1: Sơ đồ thể hiện quá trình đồng hóa nitơ ở tảo [13]
Quá trình đồng hóa diễn ra ở các loại tảo có nhân, nitơ vô cơ ở dạng nitrat, nitrit và amoni Theo hình 2.1 , sự chuyển hóa của nitơ vô cơ diễn ra ở màng tế bào với quá trình oxy hóa khử nitơ và tổng hợp amoni thành axit amin Quá trình chuyển hóa nitrat và nitrit đều cần có reductase Khử nitrat đƣợc tạo ra thông qua giảm NADH (adenine nictinamide dinucleotide) để cho 2 electron làm cho nitrat thành nitrit Nitrit tạo thành amoni qua quá trình khử nitrit và ferredoxin (Fd) để trao đổi tổng cộng 6 electron Như vật, tất cả nitơ vô cơ khử thành amoni trước khi tổng hợp thành axit amin trong nội bào Cuối cùng, glutamate (Glu) và ATP (adenosine triphosphate) đƣợc dùng để tổng hợp amoni thành glutamine axit amin Do đó, amoni là phản ứng oxy hóa khử không liên quan đến sự đồng hóa của tảo và vì vậy đòi hỏi ít năng lƣợng hơn Nói chung, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tảo có xu hướng sử dụng amoni hơn nitrat và việc sử dụng nitrat không diễn ra cho đến khi amoni được sử dụng hết Chính vì vậy, nước thải có nồng độ amoni cao được sử dụng để nuôi tảo [13, 14]
Trong quá trình chuyển hóa năng lƣợng của vi tảo, photpho cũng là một yếu tố quan trọng đƣợc tìm thấy trong các axit nucleic lipid, protein và các chất trung gian của quá trình chuyển hóa carbonhydrate Photpho vô cơ có vai trò quan trọng trong quá trình tăng trưởng tế bào tảo, trao đổi chất và chủ yếu dưới dạng và đƣợc tổng hợp thành hợp chất hữu cơ bằng quá trình phosphoryl hóa
Không những vậy, photpho hữu cơ cũng đƣợc tạo thành do liên quan đến việc hình thành ATP từ ADP (adenosine disphotphate) Việc tạo thành ATP cần có năng lƣợng đầu vào và năng lƣợng này là hệ thống vận chuyển điện tử của ty thể, hoặc quang hợp Vì thế, tảo sử dụng photpho vô cơ và photpho ở dạng este hữu cơ để phát triển [13]
2.1.3 Hình thức sinh sản của Chlorella vulgaris
C vulgaris sinh sản vô tính, trong vòng 24 giờ, một tế bào trong điều kiện tối ƣu sẽ tự động nhân lên hình thành bào tử [15] Bào tử sẽ tăng nhanh về kích thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp Sau đó tế bào mẹ bước vào quá trình phân chia và nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong bóng tối Cuối cùng, màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử được phóng thích ra ngoài và tiếp tục theo vòng đời: sinh trưởng - trưởng thành – thành thục – phân chia Các mãnh vỡ sẽ được dùng làm thức ăn cho các bào tử mới hình thành (hình 2.2) [16]
Hình 2.2: Giai đoạn hình thành của C.vulgaris a Giai đoạn tế bảo tăng trưởng ban đâu b Giai đoạn tế bào tăng trưởng chậm c Giai đoạn phân chia lục lạc d Giai đoạn đầu phân chia nguyên hình e Giai đoạn hoàn thành phân chia nguyên hình f Giai đoạn hình thành tế bào con trưởng thành g Giai đoạn hình thành tảo [16]
Ảnh hưởng của tảo đến môi trường
Tảo là thực vật thuỷ sinh có các kích cỡ khác nhau Trong môi trường nước, tảo là một liên kết chính trong chuỗi thức ăn thuỷ sản và là thức ăn cho các động vật phù du Ngoài ra, tảo cũng giải phóng oxy vào trong nước để cá và các động vật thuỷ sinh khác sử dụng Tuy nhiên, khi các quần thể tảo phát triển ồ ạt hay còn gọi là hiện tƣợng tảo nở hoa Đây là hiện tƣợng tự nhiên xảy ra do mật độ tế bào tảo gia tăng lên đến hàng triệu tế bào/lít làm biến đổi màu của nước xanh lục đậm hơn hoặc chuyển sang vàng đậm Hầu hết các loài tảo nở hoa thường đưa đến hậu quả làm cho môi trường xấu đi, hàm lượng oxy hòa tan suy giảm nhanh chóng, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của thủy sinh vật Ở khu vực ôn đối, tảo nở hoa xuất hiện chủ yếu vào mùa hè và mùa thu Đối với khu vực nhiệt đới thì hầu nhƣ xuất hiện tất cả các mùa trong năm Hiện tƣợng tảo nở hoa ngày càng tăng, do hồ giàu dinh dưỡng (nitơ, photpho,…), nước xả thải đô thị, nước nông nghiệp và những dạng ô nhiễm khác [17].
Các phương pháp loại bỏ tảo
Trong xử lý nước, keo tụ - tạo bông là bước quan trọng trong loại bỏ tảo Quá trình này cần cung cấp nhiều hoá chất để làm mất sự ổn định của các hạt bằng cách trung hoà điện tích trên bề mặt của chúng Hoá chất thường được sử dụng là muối nhôm và muối sắt Hiệu quả loại bỏ tảo phụ thuộc vào liều lƣợng hoá chất và pH
Tảo Tetraselmis suecica và Chlorococcum sp đƣợc keo tụ bằng nhôm hoặc sắt
(III) sulphate mà không cần điều chỉnh pH Hàm lƣợng từ 3 – 5 mg/L hoặc 0,1 mmol/m 2 của Al 3+ hoặc Fe 3+ đã loại bỏ đƣợc hơn 90% tế bào tảo chỉ sau 5 phút lắng Đối với tảo Nannochloropsis salina, Dunaliella tertiolecta và Isohrysis galbana cần keo tụ 2 lần mới đạt được hiệu quả tương tự Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ion Al 3+ và Fe 3+ là ion hiệu quả trong việc loại bỏ tảo [18]
Theo Dan Liu và cộng sự [19] sử dụng hỗn hợp tro có tính axit với Fe 3 O 4 để loại bỏ tảo độc trong nước ngọt bằng quá trình keo tụ Kết quả cho thấy hơn 99% tế bào tảo đƣợc loại bỏ trong vòng 5 phút sau khi bổ sung chất keo tụ với hàm lƣợng tối ƣu
200 mg/L Hiệu suất xử lý COD, TN và P lần lƣợt là 93%, 91% và 94% Đồng thời, nhóm cũng đưa ra nhận xét là phương pháp keo tụ là phương pháp loại bỏ tảo nhanh chóng và hiệu quả, giúp giảm thiểu đáng kể hiện tƣợng phú dƣỡng hoá bằng cách sử dụng chất keo tụ
Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Flaten [20] thì nếu trong nước có chứa hơn 1mg/L hàm lượng nhôm là nguyên nhân dẫn đến bệnh Alzheimer ở người Ngoài ra, khi sử dụng nhôm sẽ tạo ra một khối lƣợng lớn bùn và do đó tốn chi phí khi xử lý [21]
Không những thế, xử lý nước cấp còn kết hợp với chất oxy hoá nhằm mục đích kiểm soát sự phát triển của màng sinh học, khử mùi, khử màu, nâng cao hiệu quả của keo tụ và tạo bông Hoá chất thường dùng là chlorine, ozone và chlorine dioxide và kali permanganate
Hiệu quả của chlorine, ozone và chlorine dioxide đƣợc Sukenik cùng cộng sự tiến hành nghiên cứu trên tảo Scenedesmus sp [22] Khả năng tăng trưởng và hàm lƣợng chlorophyll giảm và hàm lƣợng chất hữu cơ hoà tan tăng khi tăng nồng độ chất oxy hoá Tiền xử lý với chlorine dioxide (1, 3 hay 5 mg/L) hoặc ozone (2,6; 4,6 hay 8,1 mg/L) trong môi trường nuôi tảo làm tăng khả năng keo tụ tảo của nhôm, trong khi tiền khử trùng bằng chlorine với 10 hay 20 mg/L sẽ phải tăng hàm lƣợng nhôm lên 15%
Qiaohui Shen và cộng sự [23] đã loại bỏ tảo từ nguồn nước cấp bằng quá trình keo tụ với chlorine và với 0,3 mg/L kali permanganate Kết quả cho thấy mật độ tảo tăng khi tăng nhiệt độ nước Khi mật độ tảo thấp hơn 1 x 10 6 tế bào/L thì lượng keo tụ 13 mg/L sẽ loại bỏ đƣợc hơn 98% Khi mật độ tảo hơn 10 x 10 6 tế bào/L thì loại
8 bỏ đƣợc 96% hoặc cao hơn khi sử dụng keo tụ và với lƣợng chlorine khoảng 20 mg/L hoặc 4 mg/L
Tuy nhiên, việc sử dụng các chất oxy hoá cần lƣợng hoá chất cao, thời gian phản ứng lâu và hình thành sản phảm phụ nhƣ THM, chlorite, Hơn nữa, việc dùng ozone đối với nước có chứa Brom sẽ làm hình thành bromate gây ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người [24]
Lọc là quá trình loại bỏ các chất lơ lửng nhƣ chất hữu cơ tự nhiên, keo tụ, sắt và mangan kết tủa, vi sinh vật Bộ lọc thường dùng là các hạt cát thô, than antraxit, garnet và than hoạt tính dạng hạt (GAC) Tế bào tảo loại bỏ bằng lọc cát nhanh chỉ đạt 14% Khi kết hợp lọc cát nhanh với GAC thì đạt đƣợc 42% Tuy nhiên, tảo có kích thước nhỏ nên khi tế bào phân huỷ sẽ dễ xảy ra việc tắc nghẽn cho bộ lọc Do đó, quá trình lọc không được xem là phương pháp khả thi để loại bỏ tảo [25]
Tuyển nổi là giải pháp thay thế cho lắng và có khả năng tách đƣợc các hạt keo tụ mật độ thấp Tuyển nổi khí hoà tan (Dissolved-air flotation DAF) thường được lựa chọn Đặc trƣng của DAF là có các bọt khí đƣợc tạo ra khi giảm áp suất trong dòng nước bão hoà với không khí Khi áp suất giảm các bọt khí sẽ kéo các hạt keo tụ nổi lên trên bề mặt DAF giúp loại bỏ đƣợc các tế bào tảo DAF loại bỏ đƣợc 1,8-log của tảo Aphanizomenon và Microcystis với quy mô pilot Kết quả đạt được tương tự (1,4 – 2,0 log) khi chuyển sang quy mô full-scale Tuy nhiên, hiệu suất loại bỏ lại phụ thuộc vào độ pH, liều lƣợng hóa chất sử dụng, thời gian keo tụ [26] Ngoài ra, chi phí đầu tƣ, bảo dƣỡng thiết bị cao, đòi hỏi kỹ thuật khi vận hành, cấu tạo phức tạp và quá trình kiểm soát áp suất khó khăn
Các phương pháp trên vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm do đó cần nghiên cứu với các phương pháp khác để khắc phục các vấn đề cần tồn tại Vì vậy, đề tài sử dụng ferrate (VI) để đánh giá khả năng loại bỏ tảo Ferrate (VI) là một chất oxy hoá mới vì có thế oxy hoá mạnh trong dung dịch axid là +2,20 V và +0,72V trong dung dịch cơ bản Ngoài ra, Ferrate (VI) cũng là chất thân thiện với môi trường và không tạo ra sản phẩm phụ độc hại
Ferrate
Sắt thường ở trạng thái tự do hoặc trong trạng thái oxi hoá Fe(II) hoặc Fe(III)
Tuy nhiên, ở điều kiện oxi hoá cao sắt tồn tại ở dạng Fe(IV), Fe(V) và Fe(VI), thậm chí là Fe(VII) Trong đó, Fe(VI) tồn tại ở dạng muối ferrate(VI) là chất oxi hoá mạnh có công thức phân tử là , dung dịch có màu tím trong môi trường kiềm và đƣợc phát hiện vào năm 1702 [27] Gần đây, ferrate (VI) kết hợp với nhiều cation nhƣ K, Na, Ba, Li, Rb, Cs, Ag(I) và một vài muối ammonium tetralkylaryl [27, 28] Đặc trƣng cho muối ferrate (VI) là kali ferrate (VI) - chất oxy hoá thân thiện với môi trường vì có tính ổn định cao, thế oxy hoá cao và tạo ra sản phẩm không độc hại ở dạng Fe(III) [29]
Kali ferrate (Potassium ferrate (VI) hoặc Dipotassium ferrate) có công thức , MW = 198,0392 g/mol, có màu tím đậm gần giống màu đen và phân huỷ ở 200 o C giải phóng khí oxy [28] Kali ferrate ở dạng tinh thể, có cấu trúc tứ diện ferrate (VI) với 4 nguyên tử oxy và Fe ở trung tâm của quá trình oxy hoá +6 (hình 2.3) [30]
Hình 2.3: Cấu trúc hoá học của kali ferrate [31]
2.4.2 Tính chất hoá học a Tính oxy hoá
Kali ferrate không tan trong dung môi hữu cơ, lơ lửng trong benzene và phân huỷ chậm trong chloroform nhưng tan nhanh trong nước Ion Fe(VI) phân huỷ nhanh, tạo thành Fe(III) và oxy trong môi trường axit mạnh nhưng lại phân huỷ chậm trong dung môi nước ở pH 10 [29] Đối với môi trường axit (2) và kiềm (3) thì diễn ra các phản ứng như sau:
Từ phương trình (2.1 – 2.3), ion ferrate (VI) sẽ phân huỷ thành ion Fe (III) hoặc ferric hydroxide là những dạng sản phẩm không độc hại trong quá trình xử lý
Trong điều kiện axit, thế oxy hoá của ferrate (VI) cao hơn so với các chất oxy hoá thông thường như permanganate, ozone, hydrogen peroxide và hypochlorite (bảng 2.1) Do đó, kali ferrate có thể oxy hoá hiệu quả các thành phần hữu cơ hơn
Bảng 2.1: Thế oxy hoá của chất oxy hoá/khử trùng sử dụng trong xử lý nước và nước thải [32]
Chất oxy hoá/khử trùng Phản ứng
Ngoài ra, quá trình oxy hoá của chất nền X kết hợp ferrate (VI) xảy ra theo hình 2.4 và chuyển hoá hoàn toàn thành chất ổn định ở dạng kết tủa Theo hình 2.4 thì [33]:
(i) Ferrate (VI) phản ứng trực tiếp với X, nhận 1 electron tạo thành Fe(V) và
X* Sau đó, Fe(V) oxy hoá với X tạo thành chất nền oxy hoá X(O) và Fe(III) khi nhận 2 electron; tạo thành Fe(VI) và X* khi nhận 1 electron;
(ii) Ferrate (VI) phản ứng với X, nhận 2 electron hình thành Fe(IV);
(iii) Ferrate (VI) chuyển giao nguyên tử (OAT – oxygen atom transfer) với X tạo thành Fe(IV) và XO Fe(IV) tiếp tục phản ứng với X, nhận 1 electron tạo thành Fe(III), nhận 2 electron sẽ tạo thành Fe(II)
Hình 2.4: Sơ đồ oxy hoá của chất nền X với ferrate(VI) [33] b Tính keo tụ
Oxy hoá các hợp chất hữu cơ và vi khuẩn trong nước, ion ferrate (VI) sẽ tạo thành ion Fe(III) hoặc ferric hydroxide, và điều này tạo ra chất keo tụ Theo Waite và Gray [34] đã thực hiện thí nghiệm jartest đối với nước hồ được thêm đất sét vào để tăng độ đục Kết quả cho thấy khả năng loại bỏ độ đục tăng khi hàm lƣợng ferrate (VI) là 5 mg/L và độ đục giảm khi tăng hàm lƣợng ferrate Khi ferrarte kết hợp với phosphate thì độ đục giảm đạt 95%, trong khi kết hợp với carbonate và nước cất thì độ đục giảm đạt 79% và 84% theo thứ tự Và khi có sự xuất hiện của phosphate sẽ giúp ferrate tăng khả năng keo tụ
Ngoài ra, khi so sánh kali ferrate (VI) với NaOCl kết hợp với ferric sulphate (FS) hay alum (AS) thì ferrate (VI) có khả năng loại bỏ UV 254— abs và DOC hơn FS khi dùng bằng lƣợng hoá chất nhƣ nhau Tại pH=6, ferrate (VI) đạt 10-15% loại bỏ UV 254- abs so với sử dụng FS với hàm lƣợng từ 8 và 14mg/L Còn tại pH=8, ferrate(VI) giảm hơn 20% UV 254— abs và 10-20% DOC hơn FS khi sử dụng hàm lƣợng từ 4 – 18 mg/L Bờn cạnh đú, THMFP giảm hơn 100 àg/L khi dựng với lƣợng ferrate thấp [35]
Theo Bartzatt và cộng sự [36] thì kali ferrate có thể loại bỏ kim loại nhƣ Fe 2+ ,
Fe 3+ , Mn 2+ và Cu 2+ và các kim loại nặng độc hại nhƣ Pb 2+ , Cd 2+ , Cr 3+ và Hg 2+ với hàm lƣợng sử dụng từ 10 – 100 mg/L
Từ những tính chất trên, những ƣu - nhƣợc điểm khi dùng ferrate (VI) nhƣ là chất keo tụ đƣợc tổng hợp ở bảng 2.2
Bảng 2.2:Ƣu và nhƣợc điểm khi sử dụng làm chất keo tụ
Tên hóa chất Ƣu điểm Nhƣợc điểm
- Dƣ lƣợng ít sau quá trình keo tụ
- Hiệu quả keo tụ cao với phạm vi pH rộng từ 4 đến 6 và từ 6,8 đến 9,2
- Tạo sản phẩm không tan trong nước
- Đạt hiệu quả tốt hơn khi bổ sung hợp chất kiềm
- Dễ dàng kiểm soát - Lƣợng bùn sinh ra thấp - Hiệu quả keo tụ từ 6,5 đến 7,5
- Tạo sản phẩm không tan trong nước
- Khoảng pH thấp để đạt đƣợc hiệu quả cao
- Không tạo sản phẩm độc hại - Có khả năng keo tụ, oxy hóa và khử trùng
- Thích hợp với nhà máy xử lý nước thải quy mô nhỏ
- Thời gian bảo quản thấp
2.4.3 Phương pháp điều chế ferrate [32] a Oxy hoá khô
Phương pháp oxy hoá khô là phương pháp cũ để điều chế muối ferrate nhưng cách này lại rất nguy hiểm và khó vì dễ gây ra cháy nổ ở nhiệt độ cao Muối kali ferrate hoặc natri ferrate đƣợc điều chế bằng cách nung hỗn hợp oxit sắt và kali peroxide ở 350 – 370 o C, hoặc dùng quá trình oxy hoá của oxit sắt với natri peroxit ở
370 o C, trong điều kiện dòng oxy hoá khô liên tục Sản phẩm chứa ngay lập tức thuỷ phân tạo thành khi hoà tan trong nước và cho sản phẩm màu đỏ tím (phương trình 2.4): Điều chế ferrate (VI) từ chất thải xi mạ theo phương trình 2.5 Nước thải được trộn với oxit sắt trong lò nung 800 o C và mẫu đƣợc làm lạnh và khuấy với Na 2 O 2 rắn
13 và đun nóng từ từ trong một vài phút Hỗn hợp tan chảy và đƣợc làm mát, kết quả hình thành muối natri ferrate b Điện phân
Nguyên tắc cơ bản chuẩn bị muối ferrate (VI) bằng phương pháp điện phân được thể hiện từ phương trình 2.6 – 2.9 Sắt là cực dương, hoà tan và oxy hoá với K 2 FeO 4 khi hàm lƣợng KOH cao đƣợc dùng làm chất điện phân
Với mật độ dòng điện 3 mA/cm 2 và nhiệt độ điện phân 30 o C thì thu đƣợc 40% sản phẩm Hàm lượng carbon cao trong vật liệu ở cực dương sẽ làm tăng việc hình thành ferrate Đạt 70% khi sử dụng thiết bạc có thành phần carbon 0,9% Nhƣng hiệu quả sẽ giảm 12% khi cùng một điều kiện nhƣng sử dụng hợp kim có hàm lƣợng carbon 0,08% Bên cạnh đó, dung dịch NaOH 14M đƣợc xem là chất điện phân tối ƣu Khi điện cực dùng sắt nguyên chất (99,95%), chất điện giải NaOH 14M và nhiệt độ điện phân 40 o C, biên độ 88 mA/cm 2 , tần số 50 Hz thì tạo đƣợc 43% ferrate c Oxy hoá ƣớt
Phương pháp oxy hoá ướt là quá trình oxy hoá sắt có chứa dung dịch tạo thành ferrate (VI) trong môi trường kiềm cao Quá trình như sau: đầu tiên là hình thành natri ferrate từ phản ứng sắt clorua với NaClO có mặt NaOH, sau đó thêm KOH vào để hình thành kali ferrate Phản ứng nhƣ sau:
Tuy nhiên, kết quả của quá trình này chỉ tạo ra đƣợc 10 – 15% ferrate Do đó, để khắc phục vấn đề này, KOH đƣợc dùng để thay thế cho NaOH và không hình thành các sản phẩm trung gian Do đó, độ tinh khiết của kali ferrate đạt từ 80 – 90% và sản lượng tăng lên đến 75% Vì vậy, đây là phương pháp giúp điều chế ferrate nhanh giúp tiết kiệm thời gian và thu đƣợc sản phẩm với độ tinh khiết cao.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Các nghiên cứu về tảo đang đƣợc quan tâm rất nhiều Ngoài các nghiên cứu về lợi ích, ảnh hưởng độc tố phát sinh từ tảo ảnh hưởng đến động vật và con người thì các phương pháp xử lý tảo ra khỏi nước thải cũng được quan tâm rất nhiều
Mark W Tenney và cộng sự (1969) [37] sử dụng polyelectrolyte hữu cơ tổng hợp để loại bỏ tảo Chlorella và Scenedesmus ra khỏi nước và nước thải bằng keo tụ
Kết quả cho thấy keo tụ tảo xảy ra khi bổ sung các cation polyelectrolyte Cơ chế keo tụ với tảo là do hiện tƣợng cầu nối giữa các tế bào tảo với chuỗi polymer bao phủ bề mặt tảo Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng điều kiện tối ƣu để tiến hành keo tụ tảo là vào cuối pha log và đầu pha cân bằng Tiếp theo đó, vào năm 1977, Ruth Yadidia cùng cộng sự [38] so sánh hiệu quả xử lý tảo tại phòng thí nghiệm với Fe 3 O 4 và tại bể oxy hoá tải trọng cao của tảo Scenedesmus obliquus sử dụng FeCl
Cả hai thí nghiệm đều đạt trên 90% khi liều lƣợng FeCl là 5 – 13 ppm và 500 –
1200 ppm Fe 3 O 4 Vào năm 2002, chitosan đƣợc Ravi Divakaran và Pillai [39] sử dụng để keo tụ ba tảo nước ngọt Spirulina, Oscillatoria, Chlorella và một tảo nước lợ Synechocystis trong phạm vi pH 4 – 9, nồng độ chlorophyll-a trong khoảng 80 –
800 mg/m 3 Độ đục 10 – 100 NTU Kết quả cho thấy hiệu quả đạt 90% khi pH = 7 và hàm lƣợng chitosan 5 mg/L Ngoài ra, khi hàm lƣợng chitosan 15 mg/L giúp loại bỏ hoàn toàn các chất lơ lửng Cùng năm này, Jun Ma và Wei Liu [40] đánh giá khả năng loại bỏ tảo Chlorella, Spirogyra, Chlorococoum và Scenedesmus bằng tiền xử lý với ion ferrate (VI) kết hợp với keo tụ sunfat nhôm Kết quả cho thấy tiền xử lý với kali ferrate trước sẽ nâng cao việc keo tụ tảo bằng sunfat nhôm Hiệu quả xử lý đạt trên 80% tại hàm lƣợng 5 mg/L K 2 FeO 4 và 60 mg/L [Al 2 (SO 4 ) 3 18H 2 O]
Ignacio de Godos và cộng sự (2011) [41] đánh giá khả năng của hai chất keo tụ hoá học (FeCl 3 và Fe 2 (SO 4 ) 3 ) và năm chất keo tụ polymer thương mại (Drewfloc
447, Flocudex CS/5000, Flocusol CM/78, Chemifloc CV/300 và Chitosan) để loại bỏ sinh khối tảo – vi khuẩn từ nước thải chăn nuôi heo Ba giống tảo thuần (Chlorella sorokiniana, Scenedesmus obliquus và Chlorococcum sp.) và một giống vi tảo đƣợc phân lập từ hồ ổn định, giống tảo này có cộng sinh với một tập đoàn vi khuẩn đƣợc dùng làm mô hình cộng đồng tảo – vi khuẩn để đánh giá quá trình keo tụ tạo bông Kết quả cho thấy rằng tách sinh khối cao nhất (66 – 98%) khi sử dụng muối sắt với hàm lƣợng 150 – 250 mg/L Hiệu quả giảm khi sử dụng chất keo tụ polymer quá nhiều Đối với nhóm nghiên cứu của Naruetsawan Sanyano [42] thì thu hồi tảo
Chlorella sp trong môi hóa chất tổng hợp BG-11 bằng aluminium sulfate và ferric chloride Hiệu quả keo tụ tối ƣu (99,65%) khi sử dụng aluminium sulfate là tại hàm lƣợng 152 mg/L với pH 6 và thời gian lắng là 60 phút Đối với ferric chloride thì hiệu quả keo tụ tối ƣu (99,98) tại hàm lƣợng 143 mg/L tại pH 8,1 với thời gian lắng là 40 phút Điều này rõ ràng khẳng định đƣợc rằng ferric chloride keo tụ tốt hơn phèn nhôm
Bên cạnh sử dụng phương pháp keo tụ để xử lý tảo thì việc sử dụng lọc từ tính hay màng lọc MF cũng đƣợc nghiên cứu Hung và Liu [43] sử dụng màng MF hoạt động ở chế độ luồng chéo dọc để loại bỏ tảo Chlorella sp Áp lực xuyên màng
(TMP – transmembrane pressure) đƣợc điều chỉnh với các thông số 40, 50 và 60 kPa Vận tốc luồng chéo dọc được đặt ở mức 0,43 m/s ở tầng lưu và 0,84 m/s cho dòng chảy xiết Kết quả cho thấy dòng chảy tăng khi TMP tăng từ 40 – 50 kPa
Nhƣng dòng chảy mạnh nhất khi TMP 60 kPa Tuy nhiên dòng chảy chéo dọc không cải thiện khi TMF cao nhất Tiền xử lý bằng ozone làm tăng carbon hữu cơ hoà tan, làm giảm sức sống của tảo và làm giảm kích thước tế bào tảo Ngoài ra, cũng làm tăng polysaccharide hoà tan có nguồn gốc từ các chất hữu cơ ngoại bào (EOM - extracellular organic matter) Do đó, khi sử dụng ozone hoá trước sẽ cải thiện hiệu quả lọc Tuy nhiên, polysaccharide hoà tan sẽ đƣợc hấp thụ lên màng lọc, nên cần sử dụng chất chống tắc nghẽn màng lọc Đối với Duu-Jong Lee cùng cộng sự [44] thì tách tảo Chlorella vulgaris kết hợp keo tụ và màng lọc Trong nghiên cứu này, tế bào tảo bị keo tụ sử dụng chitosan và đƣợc lọc bằng màng PTFE (polytetrafluoroethylene) với thông lƣợng 1 bar Kết quả cho thấy rằng, khi lọc trực tiếp bằng màng PTFE thì sẽ gây nên hiện tƣợng tắt nghẽn nghiêm trọng Do đó, cần
16 phải kết hợp với quá trình keo tụ Với hàm lƣợng 50 mg/L chitosan thì hiện tƣợng tắt nghẽn trên màng lọc giảm nhƣng thông lƣợng qua màng không cao Với hàm lƣợng 100 mg/L chitosan thì keo tụ hoàn toàn tế bào tảo, không gây hiện tƣợng tắt nghẽn màng và khả năng làm việc của màng sau khi làm sạch đạt trên 95%
Song song với các nghiên cứu xử lý tảo thì tảo cũng đƣợc nghiên cứu vào xử lý nước thải như: Tam và Wong (1989) [45] sử dụng 2 loài vi tảo Chlorella pyrenoidosa và Scenedesmus sp nuôi trong môi trường nước thải sau lắng 1 và nước thải sau xử lý bậc 2 bằng bùn hoạt tính nhằm nghiên cứu khả năng giảm chất dinh dưỡng có trong nước thải Tốc độ tăng trưởng cao khi cấy với mật độ tảo cao và tế bào tảo trong nước thải thứ nhất cao hơn trong nước thải thứ 2 Khi tảo bắt đầu phát triển thì cả nitơ và photpho trong nước thải đều giảm đáng kể Tỷ lệ loại bỏ rất nhanh trong tuần tăng trường đầu tiên và giảm hơn 2/3 lượng N và P ban đầu Sau tuần thứ nhất, tỷ lệ loại bỏ chậm lại Kết thúc nghiên cứu, hơn 80% TP và N vô cơ có trong nước thải, nhưng hiệu quả loại bỏ trong nước thải 1 thấp hơn trong nước thải 2 Ngoài ra, kích thước tế bào tảo cao sẽ giúp giảm N và P cao hơn, và tế bào tảo của Chlorella tốt hơn Scenedesmus
Cũng sử dụng tảo Scenedesmus và Chlorella, Hammouda và cộng sự (1995)
[46] tiến hành nghiên cứu trên nước thải thuỷ sản Kết quả xử lý COD, BOD, N, P và NH 3 đạt 100% Ngoài ra, kim loại nặng nhƣ Fe, Mn, Co, Ni, Cr, Zn và Cd giảm, đạt 52,3% khi sử dụng hệ thống hoạt động theo mẻ, đạt 64,2% khi hệ thống hoạt động liên tục Đối với nước thải dệt nhuộm thì Sing-Lai Lim cùng cộng sự (2010) [47] sử dụng tảo Chlorella vulgaris để nghiên cứu Nhóm sử dụng 4 bể nuôi tảo tải trọng cao chứa nước thải dệt nhuộm hoặc thuốc dệt nhuộm Sinh khối đạt từ 0,17 đến 2,26 mg chlorophyll-a/L giúp loại bỏ màu đạt từ 41,8% đến 50% Hiệu quả loại bỏ N-NH 4 từ 44,4 – 45,1%, P-PO 4 33,1 – 33,3%, COD 38,3 – 62,3%
Chlorella vulgaris cũng được nghiên cứu trong môi trường nước thải nhân tạo để lấy lipid Yujie Feng và cộng sự [48] tiến hành nuôi Chlorella vulgaris theo mẻ và liên tục chu kỳ 14 ngày với 1,5 L môi trường thì cần 0,5 L tảo, pH duy trì từ 8 đến 10 Khi mật độ tế bào đạt 0,8 g/L vào ngày thứ 4 của nuôi theo mẻ sẽ là đầu vào của nuôi liên tục với thời gian lưu là 4 ngày Sau đó sẽ thay đổi hàm lượng tảo ban đầu của nuôi theo mẻ là 1 L và 1,5 L Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, với mật độ
17 tế bào thấp (0,05 g/L) thì vào ngày thứ 2 nuôi theo mẻ, hiệu quả xử lý COD đạt
87%, N-NH 4 đạt 97% và TP đạt 96% Đối với nuôi liên tục thì hiệu quả xử lý COD đạt 85% - 88% theo sự thay đổi hàm lượng tảo trong môi trường, N-NH 4 đạt 97% và TP đạt 92% Đối với nhóm nghiên cứu của Jinsoo Kim (2013) [49] thì sử dụng Chlorella vulgaris để xử lý ion ammonia/ammonium ( và ion orthophosphate ( từ nước thải sinh hoạt sau khi xử lý bậc 2 Nhóm thực hiện với hai nguồn nước thải có nồng độ và khác nhau Thí nghiệm một W 1 với nồng độ đầu vào thấp: = 8,05 ± 0,16 mg/L, = 1,85 ± 0,1 mg/L và pH 7,34 ± 0,05 Thí nghiệm hai W 2 với nồng độ đầu vào: = 18,31 ± 0,53 mg/L, = 1,37 ± 0,01 mg/L và pH = 7,88 ± 0,07 Kết quả cho thấy rằng, nồng độ và đƣợc xử lý hoàn toàn nhanh chóng trong vòng 48 giờ (hiệu quả xử lý 100%) với mật độ tế bào ban đầu 350 mg/L và khí CO 2 đƣợc cung cấp để gia tăng tốc độ tảo phát triển và tốc độ hấp thụ N, P
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu
Để đánh giá hiệu quả tách tảo trong nước thải sinh hoạt bằng ferrate và so sánh hiệu quả này với hiệu quả tách tảo bằng hóa chất truyền thống là phèn nhôm Đồng thời, đánh giá hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt bằng tảo
Chlorella vulgaris Nội dung nghiên cứu đƣợc thể hiện ở hình 3.1, bao gồm:
(1) Khảo sát quá trình tăng trưởng của tảo C vulgaris trong môi trường hóa chất tổng hợp F/2 và môi trường nước thải Kết quả từ quá trình này được dùng để quyết định mật độ tảo cũng nhƣ thời gian thu hoạch tảo để thực hiện các nội dung nghiên cứu tiếp theo
(2) Khảo sát hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt bằng tảo với C vulgaris, trong đó nước thải 1 và nước thải 2 với hàm lượng đầu vào khác nhau Hàm lượng đầu vào của nước thải 1 thấp hơn nước thải 2
Mẫu nước được lấy sau khi qua xử lý sinh học
(3) Điều chế ferrate dùng cho thí nghiệm keo tụ
(4) Khảo sát hiệu quả keo tụ bằng phèn nhôm và ferrate trong môi trường F/2 với 5 giá trị pH và 5 liều lƣợng khác nhau (5 – 30 mgAl/L và 4 – 20 mgFe/L) để xác định được pH tối ưu sử dụng cho thí nghiệm trong môi trường nước thải
(5) Thí nghiệm tối ƣu, sử dụng pH tối ƣu từ (3) để xác định liều lƣợng tối ƣu của phèn nhôm cũng như ferrate khi tách tảo ra khỏi nước thải Hiệu quả xử lý đƣợc đánh giá thông qua các chỉ tiêu: mật độ quang (OD) và hàm lƣợng chlorophyll-a Từ kết quả thu đƣợc, so sánh hiệu quả keo tụ bằng phèn nhôm và ferrate
Nuôi cấy và tăng sinh khối tảo trong môi trường F/2 và nước thải sinh hoạt
Khảo sát quá trình tăng trưởng của tảo
Xác định mật độ tảo và thời gian thu hoạch tảo để dùng cho nghiên cứu
Nuôi tảo trong 2 loại nước thải có hàm lƣợng đầu vào khác nhau Đánh giá hiệu quả xử lý các chất dinh dƣỡng trong nước thải bằng tảo Điều chế ferrate Ferrate dùng cho nghiên cứu
Thí nghiệm khảo sát hiệu quả keo tụ bằng phèn nhôm trong môi trường F/2 Xác định thông số pH tối ưu
Thí nghiệm khảo sát hiệu quả keo tụ bằng phèn nhôm trong nước thải sinh hoạt
Xác định đƣợc liều lƣợng phèn nhôm tối ƣu sử dụng
Thí nghiệm khảo sát hiệu quả keo tụ bằng ferrate trong môi trường F/2 Xác định thông số pH tối ưu
Thí nghiệm khảo sát hiệu quả keo tụ bằng ferrate trong nước thải sinh hoạt
Xác định đƣợc liều lƣợng ferrate tối ƣu sử dụng
So sánh, đánh giá và kết luận
Hình 3.1: Nội dung nghiên cứu
Nguyên vật liệu
3.2.1 Tảo Chlorella vulgaris và môi trường nuôi cấy Đối tƣợng nghiên cứu là tảo Chlorella vulgaris Giống tảo này đƣợc lấy tại
Khoa Công nghệ Sinh học, trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên TP.Hồ Chí Minh và được nuôi cấy tăng trưởng trong phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh xử lý chất thải bậc cao sử dụng môi trường F/2 [56] với các thành phần đƣợc thể hiện ở bảng 3.1
Bảng 3.1: Môi trường nuôi tảo (F/2)
Nước biển sau lọc 1000 mL pH 8,0 (Dùng NaOH 1 M hoặc HCl)
3.2.2 Phương pháp phân lập và tăng sinh khối tảo
Quá trình phân lập và nuôi cấy đƣợc thực hiện theo hình 3.2
Tảo được nuôi bằng môi trường F/2 được thể hiện trong bảng 3.1 Mẫu nước chứa tảo được cấy vào môi trường thạch F/2 trong đĩa petri Đĩa petri này được đặt trong tủ vô trùng, dưới ánh đèn có ánh sáng từ 2000 - 3000 lux ở 25 – 27 o C, môi
23 trường vô trùng trong 2 - 3 tuần Tảo phát triển được kiểm tra dưới kính hiển vi để xác định có bị lây nhiễm hay không Nếu tảo bị nhiễm thì quá trình phân lập quay lại từ đầu (hình 3.2)
Kiểm tra và lấy khuẩn lạc thuần khiết (không bị nhiễm)
Xác lập đường cong sinh trưởng
Giữ giống Tăng sinh môi trường lỏng
Hình 3.2: Sơ đồ phân lập và tăng sinh khối
Tốc độ tăng trưởng của tảo được xác định thông qua chỉ tiêu Chlorophyll-a và OD Quá trình tăng sinh khối tảo đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 3.3 C vulgaris đƣợc nuôi với tỷ lệ 1/20 (v/v) trong 250 mL bình tam giác chứa 100 mL môi trường F/2 đã đƣợc hấp vô trùng Bình tam giác dùng để nuôi cấy đƣợc đặt ở nhiệt độ phòng 25 o C, sử dụng ánh sáng mặt trời và đƣợc lắc hằng ngày bằng máy lắc để tránh trường hợp tảo bị dính ở thành đáy bình tam giác Trong môi trường F/2, C vulgaris phát triển nhanh chóng trong thời gian từ 6 đến 9 ngày Còn đối với môi trường nước thải thì C vulgaris phát triển nhanh chóng trong thời gian từ 4 đến 6 ngày Khi tế bào tảo vào pha cân bằng sẽ đƣợc sử dụng để nuôi cấy ở giai đoạn trung gian với thể tích từ 4 đến 20 lít và được đưa vào mô hình tĩnh với kích thước 30 x 35 x 60 (cm), vật liệu bằng kính để đạt đƣợc thể tích cao hơn sử dụng cho thí nghiệm
Hình 3.3: Quy trình tăng sinh khối tảo a Tảo C vulgaris trong môi trường F/2 b Tảo C vulgaris trong nước thải sinh hoạt
Hình 3.4: Mô hình thực tế
Nước thải sinh hoạt được lấy sau khi qua xử lý sinh học , ,
P-PO 4 đƣợc xác định theo SMEWW Method
Nước thải sinh hoạt được lấy sau khi qua xử lý sinh học Sau đó, tảo C vulgaris được tiến hành nuôi với hai loại nước thải có hàm lượng khác nhau, trong đó nước thải 1 có hàm lượng thấp hơn nước thải 2 Thông số nước thải đầu vào được trình bày trong bảng 3.2
Bảng 3.2: Thông số nước thải sinh học sau xử lý sinh học
STT Thông số Đơn vị Nước thải 1 Nước thải 2
Dung dịch ferrate tự điều chế trong phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh xử lý chất thải bậc cao Ferrate có nồng độ giảm theo thời gian nhưng mức giảm này không đáng kể Để thí nghiệm được chính xác, trước khi thí nghiệm tiến hành đo lại nồng độ ferrate
Phèn nhôm Al 2 (SO 4 ) 3 18H 2 O đƣợc sử dụng có xuất xứ từ Trung Quốc, đƣợc cung cấp bởi công ty Guangdong Guanghua Sci – Tech Co., Ltd
3.2.6 Các thiết bị và dụng cụ
Các thiết bị, dụng cụ chuyên dùng đƣợc liệt kê ở bảng 3.3
Bảng 3.3: Thiết bị, dụng cụ sử dụng trong đề tài
STT Tên thiết bị, dụng cụ Xuất sứ
1 Nồi tiệt trùng Auto clave Hiclave TM HVE-50, Nhật Bản
2 Cân điện tử 4 số OHAUS (R) , Trung Quốc
3 Máy ly tâm QuooscEBA20, Hettich, Đức
4 Máy lắc LabTech, Hàn Quốc
5 Máy đo độ hấp thụ quang học HACH, DR2800, Đức
6 Giấy lọc ỉ47 GF/C, Whatman, Đức
Mô hình nghiên cứu
- Kích thước: 30 x 35 x 60 (cm), có dung tích 63lít
- Điều kiện vận hành: o Nhiệt độ: 25 - 27 o C o Cường độ ánh sáng: sử dụng ánh sáng mặt trời o Nguồn carbon: Carbon vô cơ
26 o Nồng độ tảo ban đầu: khoảng 4 triệu tế bào/mL
- Kích thước: 30 x 35 x 60 (cm), có dung tích 63 lít
- Một máy khuấy có thể điều chỉnh số vòng/phút.
- Điều kiện vận hành: o Nhiệt độ: 25 - 27 o C o Cường độ chiếu sáng: sử dụng ánh sáng mặt trời o Nguồn carbon: carbon vô cơ o Lưu lượng: 0,66 lít/h o Thời gian lưu: 4 ngày o Nồng độ tảo ban đầu: khoảng 4 triệu tế bào/mL.
Phương pháp phân tích
Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu được tổng hợp trong bảng 3.4
Bảng 3.4: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu
3.4.1 Phương pháp điều chế ferrate a Nguyên vật liệu
Hóa chất: Sắt nitrat Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O (Merck, Đức), kali hydroxit KOH (Merch, Đức), axit HCl 36% (Merck, Đức) và KMnO4 (Merck, Đức)
Giấy lọc: GF/C ỉ47, Whatman, Đức
Chỉ tiêu Phương pháp Thiết bị pH Điện cực Mettler Toledo
SMEWW Method 4500- Giàn chƣng cất Gerhardt
Chlorophyll-a SMEWW Method 10200H Máy Spectrophotometer
27 b Quy trình điều chế ferrate
Kali ferrate được điều chế theo phương pháp oxy hóa ướt như đã trình bày ở mục 2.4.3.c với độ tinh khiết cao khoảng 95 – 97% Các phản ứng cơ bản diễn ra nhƣ sau: Đầu tiên, cho 60 g KOH vào 100 mL nước cất và giữ lạnh trong 2 giờ Sau đó, cho 165 mL HCl 37% vào phễu và nhỏ từ từ vào bình cầu có chứa 26,7 g KMnO 4 để tạo ra khí Clo Khí Clo tạo ra đƣợc sục qua dung dịch KOH đựng trong impinger đã được trữ lạnh trong 2 giờ trước đó Dung dịch KOH lúc này được khuấy liên tục bằng máy khuấy từ và luôn luôn đƣợc giữ lạnh Sau khi kết thúc quá trình sục khí, thêm tiếp 90g KOH vào impinger để tạo ra dung dịch hypochlorite Trong điều kiện trữ lạnh, dung dịch đƣợc lọc qua giấy GF/C để loại bỏ KCl Dung dịch sau lọc là dung dịch kiềm kali hypochlorite đậm đặc đƣợc khuấy nhanh khi thêm từ từ 37.5 g Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O trong vòng 1 giờ dưới điều kiện giữ lạnh Lúc này, ion Fe (III) bị oxy hóa thành Fe (VI) và dung dịch có màu tím sẫm Dung dịch này tiếp tục đƣợc ly tâm 450rpm trong 15 phút để loại bỏ những cặn rắn Dung dịch ferrate vừa tạo ra đƣợc giữ lạnh và có thể sử dụng tối đa trong vòng 1 tháng
Hình 3.5: Mô hình điều chế kali ferrate thực tế tại phòng thí nghiệm
28 c Phân tích độ tinh khiết của ferrate
K 2 FeO 4 hòa tan trong nước có dạng hoặc được đo bằng phương pháp hấp thu quang phổ bằng ánh sáng khả kiến, ở bước sóng 510 nm, bằng máy HACH, DR/2800 Hệ số hấp thụ phân tử đƣợc chọn để tính toán nồng độ ferrate là
= 1150 M -1 cm -1 Xác định nồng độ ferrate dựa trên công thức [57]:
Trong đó: A: trung bình cộng độ hấp thu đo ở bước sóng 510 nm
: hệ số hấp thụ phân tử của ferrate, = 1150 M -1 cm -1 l: bề rộng curvet thạch anh, l = 1 cm f: hệ số pha loãng Độ tinh khiết của ferrate được xác định thông qua phương pháp hấp thu quang phổ đạt 92 đến 97% [58]
3.4.2 Phương pháp xác định tăng trưởng của tảo a Xác định mật độ tế bào bằng buồng đếm hồng cầu
Sử dụng buồng đếm Neubauer là một phiến kính dày hình chữ nhật nhƣ hình 3.5, ở giữa là phần lõm phẳng, chia làm 3 khoảng ngang Khoang giữa chia thành 2 khoảng nhỏ Trên mỗi khoảng nhỏ này có kẻ 1 lưới đếm, gồm rất nhiều ô vuông
Mỗi ô lớn lại chia thành 16 ô nhỏ, có diện tích 1/400 mm 2 và chiều cao là 1/10 mm
Nhƣ vậy, thể tích ô nhỏ là 1/4000 mm 3 Buồng đếm có lá kính dày để đậy Các bước tiến hành như sau:
- Lắc đều ống nghiệm pha loãng mẫu Đậy lá kính lên lưới đếm
- Dùng pipet có đầu tuýp đã đƣợc vô trùng hút lấy mẫu, cho 1 giọt vào mép lá kính
- Đặt buồng đếm dưới kính hiển vi và để yên trong 3 – 5 phút, tiến hành đếm tế bào trong 5 ô lớn chéo nhau, chỉ đếm các tế bào nằm trong lòng ô con và những tế bào nằm trên hai cạnh liên tiếp cùng chiều Số tế bào trên một mL mẫu phân tích (N) đƣợc tính nhƣ sau:
Trong đó: N: số lƣợng tế bào/1 mL dịch nghiên cứu (tế bào/mL) a: số tế bào trong 5 ô lớn (80 ô nhỏ) b: độ pha loãng
10 3 : đổi mm 3 thành mL (1000 mm 3 ) 4000 = 400 10 (diện tích 1 ô nhỏ: 1/400 mm 2 , chiều cao từ mặt buồng đếm đến tấm lamelle: 1/10 mm)
Hình 3.6: Buồng đếm Neubauer, Trung Quốc b Xác định mật độ tế bào
Mật độ tế bào tảo được xác định gián tiếp bằng phương pháp đo mật độ quang học ở bước sóng 680 nm (OD 680 ) [50, 59-61] bằng máy HACH, DR/2800 Tế bào tảo khi hiện diện trong môi trường cản ánh sáng, làm phân tán chùm ánh sáng tới làm môi trường trở nên đục Độ đục của huyền phù tỉ lệ với mật độ tế bào Các bước tiến hành như sau:
Xây dựng đường tương quan tuyến tính giữa độ đục và mật độ tế bào:
- Pha loãng một huyền phù tế bào cần kiểm nghiệm có mật độ tế bào bất kỳ thành các huyền phù khác nhau có độ đục đo ở OD680 đạt các giá trị 0,1; 0,2;
0,3; 0,4; 0,5 Đo OD 680 của các huyền phù vừa đƣợc pha, ghi nhận các số đo
- Dùng phương pháp đếm trực tiếp dưới kính hiển vi (dùng buồng đếm hồng cầu) xác định mật độ tế bào (N/mL) của các huyền phù này
- Tính giá trị log (N/mL) cho mỗi giá trị mật độ N/mL tương ứng với độ đục
Vẽ đường biểu diễn của log (N/mL) theo OD680 Xác định mật độ tế bào theo độ đục: Đo độ đục của một huyền phù tế bào cần xác định mật độ Từ giá trị OD 680 đo đƣợc, suy ra số log (N/mL) và trị số mật độ N/mL từ đường chuẩn c Phân tích Chlorophyll-a
Chlorophyll-a đƣợc phân tích theo SMEWW Method 10200H và sử dụng máy HACH, DR/2008, Đức Nguyên tắc phân tích nhƣ sau:
- Lấy 10 mL mẫu tảo và thêm 10 mL nước cất để tránh thất thoát tế bào tảo trong quá trình lọc Lọc liên tục và không để giấy khô trong quá trình lọc của một mẫu Gần kết thúc lọc, thêm 2 mL dung dịch MgCO 3 (lắc trước khi cho
30 vào) MgCO 3 cho vào để tăng hiệu suất của việc lọc mẫu, tránh tình trạng thất thoát chlorophyll
- Dựng kẹp cho giấy lọc sợi thuỷ tinh ỉ47 vào mỏy nghiền, thờm 2 – 3 mL dung dịch acetone 90% (trộn 90 phần acetone với 10 phần dung dịch MgCO 3 bão hoà) và nghiền với tốc độ 500 rpm trong 1 phút
- Đƣa mẫu vào ống ly tâm, rửa ống nghiền bằng 2 mL acetone 90% và thêm phần này vào ống ly tâm Định mức đến tổng thể tích là 10 mL bằng acetone 90% Dựng đứng ống mẫu ít nhất 2 h ở 4 o C trong bóng tối
- Quay ly tâm các ống đóng kín trong 20 phút với tốc độ 3000 rpm để tách mẫu Tách lấy phần sạch bên trên vào trong ống ly tâm khác và ghi lại thể tích
- Đo dung dịch trong sau khi tách chiết ở các bước sóng 750, 664, 647, 630 nm bằng cuvet 1 cm Nồng độ Chlorophyll-a (C a , mg/L) đƣợc tính toán theo công thức sau: d Xác định tốc độ tăng trưởng
Tốc độ tăng trưởng đặc thù (ngày -1 ) được xác định bằng OD680, công thức nhƣ sau [62]:
N 1 : mật độ tế bào lúc ban đầu N 2 : mật độ tế bào tại thời điểm t t 1 : thời gian nuôi lúc ban đầu (ngày) t 2 : thời gian nuôi tại thời điểm t (ngày)
3.4.3 Phương pháp loại bỏ tảo a Mục đích
Sử dụng phương pháp keo tụ kết hợp với các chất oxy hóa là phèn nhôm và ferrate Thí nghiệm đƣợc thực hiện trên giàn máy Jartest để xác định pH tối ƣu của quá trình keo tụ ở cả hai môi trường F/2 và nước thải sinh hoạt Sau đó, tiến hành xác định hàm lƣợng phèn nhôm và ferrate tối ƣu Từ đó, đánh giá hiệu quả loại bỏ tảo của ferrate và phèn nhôm
Hàm lƣợng ferrate và phèn nhôm lựa chọn cho thí nghiệm đƣợc xác định dựa trên các đặc tính của ferrate và phèn nhôm
Tiến hành thí nghiệm Jatest keo tụ bằng ferrate (VI) gồm 500 mL huyền phù tảo chứa trong cốc thủy tinh 1000 mL và cho lƣợng ferrate vào với lƣợng tăng nhỏ