Đề tài kết hợp nano oxit sắt than sinh học với vi khuẩn quang hợp trong xử lí nước thải sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA SINH HỌ – CÔNG NGHỆ SINH HỌC C BÁO CÁO MÔN MÔI TRƯỜNG CƠ BẢN ĐỀ TÀI : KẾT HỢP NANO OXIT SẮT-THAN SINH HỌC V

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA SINH HỌ – CÔNG NGHỆ SINH HỌC C

BÁO CÁO MÔN MÔI TRƯỜNG CƠ BẢN

ĐỀ TÀI : KẾT HỢP NANO OXIT SẮT-THAN SINH HỌC VỚI VI KHUẨN QUANG HỢP TRONG XỬ LÍ

NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Giảng viên hướng dẫn : Cô Nguyễn Thị Gia Hằng

Thành viên nhóm 3

1 Nguyễn Đông Phúc 19180140

2 Cao Xuân Nam 20180315

3 Nguyễn Anh Tuấn 19180444

MỤC L C Ụ

DANH MỤC HÌNH 4

DANH MỤC BẢNG 5

1 Giới thi 6 ệu 1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Mục tiêu nghiên c 8 ứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát 8

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 8

2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp 8

2.1 Than sinh h 8 ọc 2.2 Hạt nano oxide sắt 10

2.3 Rhodobacter capsulatus 12

3 Quy trình tiến hành nghiên cứu 13

3.1 Chuẩn bị nano Fe3O4 / than sinh học và cố định Rhodobacter capsulatus 13

3.1.1 Chuẩn bị ủng vi khuẩn và nuôi cấych 13

3.1.2 Tổng hợp Fe3O4 / than sinh học 13

3.1.3 Cố định vi khuẩn bằng Fe3O4 / than sinh h c tổng hợp 13 ọ 3.1.4 Kết quả mong đợi 14

3.2 Thực nghiệm khả năng xử lý m 14 ẫu 3.2.1 Xử lý nước thải quy mô phòng thí nghiệm (PTN) 14

3.2.2 Xử lý nước thải quy mô nhỏ 15

3.2.3 Khả năng tái sử dụng 16

4 Đánh giá tổng quát 17

5 Vật liệu và phương pháp 18

5.1 Chuẩn bị ủng vi khuẩnch 18

5.2 Tổng hợp nano sắt/than sinh học 18

5.3 Cố định vi khuẩn trên vậ ệu nano sắt/than sinh họct li 18

5.4 Đo kết quả COD, N, P 18

6 Tính khả thi của đ tài 19 ề TÀI LI ỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Các ngồn gốc của than sinh học [5] 9 Hình 2 Cơ chế hấp phụ các hợp chất vô cơ và hữu cơ của than sinh học [5] 10 Hình 3 Mô tả cách mà hạt nano oxide sắt khử các kim loại trong nước thải [6] 11 Hình 4 Tính siêu từ của hạt nano oxide sắt Hình a : hạt nano oxide sắt trong môi trường nước Hình b : gom các hạt nano oxide sắt lại bằng nam châm [6] 11 Hình 5 Các con đường biến dưỡng của họ vi khuẩn PSB [7] 12 Hình 6 Cố định R capsulatus lên nano oxide sắt/than sinh học [10] 14

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các phương pháp vật lý thông dụng trong xử lý nước ảth i 7

Bảng 2 Các phương pháp hóa học thông dụng trong xử lý nước thải 7

Bảng 3 Trình tự mồi cho phản ứng qPCR gene pufM 18

Bảng 4 Chi tiết chi phí hóa chất 20

1 Giới thiệu

1.1 Đặt vấn đề

Tình trạng nước thải Việt Nam đang là mở ột vấn đề nghiêm trọng và cấp bách đối với Việt Nam trong những năm gần đây Nước thải sinh hoạt, nước thải từ sản xuất công nghiệp, nước thả ừ ủy sản, nước thả ừ nông nghiệp và các ngành khác đang đóng i t th i tgóp một lượng lớn chất thải cho môi trường nước Thự ế ở nước ta có đến 70% lượng c tnước thải công nghiệp, sinh hoạt và một khối lượng lớn chất thải y tế nguy hại chưa được

xử lý tri t đệ ể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng xả ẳng vào nguồn nước th [1] Các nguồn nướ ở ệt Nam hiện nay đang chịu tác động nặng nề từ nước Vi c thải Điển hình

là sông Tô Lịch ở Hà Nội, một trong những con sông bị ô nhiễm nặng nề nhất, v i mớ ức

độ ô nhiễm cao gấp nhiều lần cho phép Tình trạng ô nhiễm này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường sống của các sinh vật trong sông, mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng sống xung quanh [2] Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên và Môi trường, mỗi năm cả nước có khoảng 9.000 ngườ ử vong và trên 200.000 trường hợp được phát hiện i tung thư do sử dụng nguồn nước ô nhiễm (3)

Việc xử lý nước thải đang trở thành một vấn đề đáng lo ngạ ại Việt Nam Tuy nhiên, để i tgiải quyết được vấn đề này, chúng ta cần có những biện pháp hiệu quả và bền vững Các biện pháp xử lý nước thải như xử lý bằng phương pháp xử lý hóa học và hóa lý, lý học, sinh học đang đượ ử dụng khá phổ biến tại Việc s t Nam Trong phương pháp lý học này, các l c vự ật lý, như trọng trường, ly tâm, được áp dụng để tách các ch t không hòa tan ra ấkhỏi nư c thớ ải Phương pháp xử lý lý học thường đơn giản, rẻ ền có hiệu quả xử lý chấti t

lơ lửng cao Các công trình xử lý lý học thường kết hợp với các công trình xử lý hóa học

để tăng hiệu quả lọc nước Mặc dù có hiệu quả cao, nhưng phương pháp xử lý hóa học thường đắt tiền và đặc biệt thường tạo thành các sản phẩm phụ độc hại [3]

Bảng 1 Các phương pháp vật lý thông dụng trong xử lý nước thải

Bảng 2 Các phương pháp hóa học thông dụng trong xử lý nước thải

Để đảm bảo tính bền vững trong xử lý nước thải, hiện nay các phương pháp xử lý sinh học được chú trọng hơn cả Phương pháp xử lý sinh học là phương pháp được ưa chuộng nhất hiện nay Nó sử dụng vi sinh vậ ể phân hủy các chất hữu cơ trong nướt đ c thải Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ và tách các loại keo không lắng và ổn định (phân hủy) các chất hữu cơ nhờ sự hoạ ộng của vi sinh vật đ t hiếu khí hoặc kỵ khí Sản phẩm cuối cùng c a quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí ủ(CO2, N , CH , H S), các chất vô cơ (NH , PO Các công nghệ xử 2 4 2 4 43-) lý sinh học phổ biến bao gồm các bể hiếu khí, bể sắp xếp màng sinh học, bể bùn đa khuẩn và bể lọ sinh c học

Phức hợp Oxide sắ - Than sinh họt c đư c chợ ứng minh là có khả năng loạ ỏ hiệu quả các i bchất hữu cơ, cải thiện chất lượng nước, và tạo ra một môi trường thuận lợi cho vi khuẩn phân hủy các chấ ữu cơ Ngoài ra, sự phân hủy của than sinh học cũng giúp sản sinh ra t hkhí metan, một nguồn năng lượng tiềm năng [4] Trong khi đó, nano sắt có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ, loạ ỏ các kim loạ ặng, và khử trùng hiệu quả Sử dụng kết hợp i b i nPhức hợp Oxide sắ - Than sinh học với chủng vi sinh có khả năng phân giảt i các ch t hữu ấ

cơ cũng như cố định Nitro hứa hẹn sẽ cho hiệu quả lọc nước cao

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu tổng quát

Đánh giá khả năng xử nước ải khi sử dụng kế ợp lý th t h Fe3 4O/than sinh họ và c

Rhodobacter capsulatus trong phòng thí nghiệm

1.2.2 Mục tiêu cụ th ể

Đánh giá nồng độ COD, NH4 , + PO43-trong mẫu nước trước và sau khi xử lý với

Fe3O4/than sinh học kế ợp với Rhodobacter capsulatus t h

Đánh giá khả năng thu hồi và tái sử dụng của vậ ệu trong phương pháp nàyt li

Đánh giá hiệu quả kinh tế của phương pháp

2.1 Than sinh học

Than sinh học một chấ ắn được hình thành từ quá trình nhiệt phân sinh khố ở nhiệlà t r i t

độ dưới 700°C Sản phẩm cho ra rất giàu carbon và thể hiện khả năng hấp phụ mạnh cho phép nó loạ ỏ các chấi b t gây ô nhi m hễ ữu cơ và vô cơ khỏi nước thải Than sinh học có cấu tạo gồm 2 lớp graphene xếp chồng lên nhau và có cấu trúc thơm nằm xen kẽ giúp tăng diện tích bề mặt riêng (hấp phụ vật lý) và cấu trúc lỗ xốp phong phú (hấp phụ hữu cơ)

Hình 1 Các ngồn gốc của than sinh học [5]

Hấp phụ kim loại trên than sinh học chủ yếu thông qua kế ủa, trao đổt t i ion và các liên kết tĩnh điện trên bề mặ ấp phụ, cơ chế hấp phụ t h cho các phân tử hữu cơ là liên kết Van der Waals, liên kết hydro và tương tác kỵ nước Các nhóm chức (hydroxyl, carboxyl, carbonyl, amin) tăng ái lực c a các phân tủ ử hữu cơ và sự hấp phụ của chúng trên bề mặt than sinh học

Hình 2 Cơ chế hấp phụ các hợp chất vô cơ và hữu cơ của than sinh học [5]

2.2 Hạt nano oxide sắt

Nano sắt là tổ hợp nano kim loại hoá trị 0, thành phần chính là nano sắt Nano s t có tính ắoxy hoá mạnh, chúng có thể oxy hoá hoàn toàn chất độc hại, kim loại nặng thành những hợp chất đơn giản và không độc hại như Khử asen, Pb, Cr, selen, nitrat, phân huỷ hợp chất hữu cơ chứa clo Hạt nano s t có kích thưắ ớc nhỏ nên phản ứng nhanh vì diện tích bề

mặ ớnt l

Hình 3 Mô tả cách mà hạt nano oxide sắt khử các kim lo ại trong nướ c th i ả [6]

Một đặc tính khác của hạt nano sắt được ứng dụng trong thí nghiệm này là tính siêu từ Tính chất này giúp ta có thể dễ dàng tách và tái sử dụng vật liệu

Hình 4 Tính siêu từ của hạt nano oxide sắt Hình a : hạ nano oxide sắt trong môi trường t

nước Hình b : gom các hạt nano oxide sắ ại bằng nam châm t l [6]

2.3 Rhodobacter capsulatus

Rhodobacter capsulatus là một chủng vi khuẩn photosynthetic bacteria (PSB) được chọn

lọc đã đư c sợ ử dụng để khảo sát quá trình chuyển hóa quang hợp của vi khuẩn và các đặc điểm liên quan Do khả năng sử dụng nitrat làm chất nhận điện tử và amoni làm chấ ền, t n

R capsulatus có thể đượ sử dụng trong cả quá trình khử nitơ và nitrat hóa nước c thải Nó cũng ổn định để bảo quản lâu dài trong các điều kiện thích hợp nên rất hứa hẹn để sử dụng trong công nghiệp Là một loại vi khuẩn không lưu huỳnh màu tím, Rhodobacter capsulatus có khả năng sinh trưởng hiếu khí khi không có ánh sáng hoặc sinh trưởng kỵ khí khi có ánh sáng Loài này cũng có khả năng cố định nitơ Một nghiên cứu cho thấy khả năng xử lý nước thải nhà máy với chủng vi khuẩn này ở điều kiện kị khí-ánh sáng giảm đáng kể N-NO3(> 95%), N-NH3 (70%) và SCOD (nhu cầu oxy hóa học hòa tan) (> 69%).[2]

Hình 5 Các con đường biến dưỡng của họ vi khuẩn PSB [7]

3 Quy trình tiến hành nghiên cứu

capsulatus

Chủng Rhodobacter capsulatus DSM 1710[8] mua từ HVBIOTEK (ATCC 11166) được nuôi cấy (kị khí – có ánh sáng) trong môi trường Rhodospirillaceae cả ến (môi trường i tiMR) đã được sử dụng: chiết xu t n m ấ ấ men Nuôi cấy ở pH 7 và 30°C trong điều kiện chiếu sáng liên tục bằng đèn sợi đố ở t cường độ ánh sáng khoảng 2000 lux Đo nồng độ

vi sinh vật bằng phương pháp đo nồng độ quang ở bước sóng 600nm

Than sinh h c mua tọ ừ Công ty TNHH Than Sinh Học Sài Gòn [9] Điều chế Fe3O4 / than sinh học bằng cách pha loãng khoảng 0,5g Fe3O4 thành 500mL nước khử ion Huyền phù

Fe3O4 và 2g than sinh học và khuấy trong 4 giờ ở nhiệt độ phòng Tách từ tính hỗn hợp

Fe3O4 / than sinh học bằng cách rửa 5 lần và làm khô trong tủ sấy ở 800C trong 6 giờ và thu được hỗn hợp Fe3O4 / than sinh học Kiểm tra cấu trúc, bề mặt, điện tích bề mặt bằng TEM, SEM, BET

Thu ho ch tạ ế bào R capsulatus ở pha log ủa đường cong tăng trưởng đã được nuôi cấ c y

72 gi ờ ở 30 C, th0 ể hiện ở OD600 0,3-0,5 Ly tâm 5000 vòng/ phút ở 40C trong 10 phút Rửa

vi khuẩn thu được năm lần bằng nước cất và huyền phù lại trong nước cất.Trộn 1g Fe3O4/ than sinh h c t ọ ừ tính với 1g tế bào R.capsulatus trong 500mL dung dịch nuôi cấ Đặt vào y máy lắc trong 2 giờ ở 300C cho đến khi tế bào hấp phụ trên bề mặt và lỗ xốp của Fe3O4/ than sinh học Tách sinh khố ố địi c nh ra bằng nam châm vĩnh cửu và rửa nh 2 lẹ ần và thu được vi khuẩn đã được hấp ph trên Feụ 3O4/ than sinh h c Kiểm tra sự hấp phọ ụ, phân bốcủa vi sinh vật và tỷ lệ hấp ph bụ ằng SEM, qPCR, đo mật độ quang

Hình 6 Cố định R capsulatus lên nano oxide sắ t/than sinh h ọc [10]

3.1.4 Kết quả mong đợi

Về chủng vi khu n : tẩ hu được nhi u sinh kh i, vi sinh về ố ật tăng trưởng t t, mố ật độ ế bào tđặt 3x10 CFU/ml 9

Về h n h p Feỗ ợ 3O4 / than sinh h c : ọ Các hạt NP không tự ế ụ ạ ới k t t l i v nhau, Các hạt NP được trải đều trên bề m t than sinh h c ặ ọ

Về s n ph m cuả ẩ ối cùng (Cố định vi khu n b ng Feẩ ằ 3O4 / than sinh h c t ng h p) ọ ổ ợ : Có sự

h p ph vi khuấ ụ ẩn lên bề m t Feặ 3O4 / than sinh h c v i hi u su t >90%, vi khuọ ớ ệ ấ ẩn phân bốđồng đều trên bề mặt Độ ổn định vi khuẩn cao

3.2 Thực nghiệm khả năng xử lý mẫu

3.2.1 Xử lý nước thải quy mô phòng thí nghiệm (PTN)

3.2.1.1 Thu m ẫu

Vị trí và phương pháp thu mẫu: Nhóm nghiên cứu hướng t i kh ớ ả năng xử lý nước thải sinh

ho t, nhạ ằm đảm b o ph ả ổ quát cho thành phần trong nước thải cũng như thuận tiện cho quá trình thu mẫu Nhóm nghiên cứu chọn tr m x ạ ử lý nước thải khu nhà ở tại phường Phú Hữu, Quận 9 Vì ở đây, có số lượng cư dân sinh hoạ ớn và nguồn nướt l c thải tập trung về ạ tr m

x ử lý

Khi thu mẫu, ngườ ấi l y m u cẫ ần đeo găng tay y tế, mặt đồ ả b o h ộ (tránh bị nhiễm các mần

b nh hoệ ặc hóa chất độc hại) trước khi th c hi n vi c l y mự ệ ệ ấ ẫu sau đó ử ụng máy hút để s dthu khoảng 1 lít nước thải vào can nhựa chóng ăn mòn

3.2.1.2 Qui trình thử nghiệm

1 Lấy 1ml mẫu nước thải trong 1 lít nước thải thu được đi đo từng chỉ tiêu để xác dịnh Đầu tiên, Đi đo chỉ tiêu COD bằng máy phân tích COD, kế ếp đi đo ồng độ ti n PO3-

trong các mẫu được phân tích bằng phương pháp đo quang phổ xanh molypden Cuối cùng là đi đo nồng độ NH4 được xác định bằng phương pháp so màu thuốc th Nessler ử

2 Lặp lại bước đo từng ch ỉ tiêu 3 lần, ghi nh n s u ậ ố liệ

3 Sau khi thu được 1 lít mẫu, dùng ống đong (thể tích là 100ml), đong 100ml dung dịch

mẫu nước thải cho vào bình Erlenmeyer 250 mL

4 Sau đó cho hỗn h p Feợ 3O4/than sinh học (0,1g), t ế bào tự do (cùng một lượng c nh) ố đị

và PSB/Fe3O4/than sinh học [PSB cố định (khoảng 0,05 g trọng lượ g ướt) và n

Fe3O4/than sinh học (0,05 g)] vào bình bình Erlenmeyer 250 mL có chứa 100ml dung

d ch mị ẫu và huyền phù đều h n hỗ ợp Đặt bình dưới đèn sợi đốt với cường độ sáng 2000lux

5 Sau 48 gi , lờ ấy 1ml nước đã được xử lý đem đi đo các chỉ tiêu (như bước 1)

6 Lặp lại bước đo từng ch ỉ tiêu (ở bước 5) 3 lần, ghi nh n lậ ại số liệ u

3.2.1.3 Chỉ tiêu và kế t qu ả mong đợi

Kết quả d ự đoán-mong đợi: Khi x ử lý bằng PSB/Fe3O4/than sinh học thì:

• nồng độ COD giảm tới 85% so với nồng độ COD ban đầu có trong mẫu nước thải

• Nồng độ NH4 gi m 95% so v i nả ớ ồng độNH4 ban đầu có trong mẫu nước thải

• Nồng độ PO43- giảm 95% so vớ ồng độ POi n 43- ban đầu có trong mẫu nước thải

• S ố lượng R capsulatus không giảm so với trước khi xử lý

3.2.2 Xử lý nước thải quy mô nhỏ

3.2.2.1 Thu m ẫu

Địa điểm lấy m u ẫ tương tự như qui mô PTN

Về Phương pháp thu: Dùng xe chở bồn chứa thể tích 200L tới các vị trí thu mẫu sau đó dùng máy bơm để đưa nước thải vào bồn chứa

3 Hút 50L mẫu thu được vào bồn trống khác (thể tích 100l) Đem đo các chỉ s ố như COD,

NH4, PO 4

3-4 Sau đó cho hỗn hợp Fe3O4 / than sinh h c (50 g), t ọ ế bào tự do (cùng một lượng c nh) ố đị

và PSB / Fe3O4/than sinh học [PSB cố định (khoảng 25 g trọng lượng ướt) và Fe3O4 / than sinh học (25 g)] vào bồn có chứa 100l dung d ch mị ẫu và dùng máy khuấy để khuấy

đều h hợp H n hỗ ỗ ợp được đặt dưới đèn chiếu sáng trong suốt quá trình xửlý mẫu

5 Sau 48 gi , lờ ấy 1ml nước đã được xử lý đem đi đo các chỉ tiêu (như bước 1)

6 Lặp lại bước đo từng ch ỉ tiêu (ở bước 5) 3 lần, ghi nh n lậ ại số liệ u

3.2.2.3 Chỉ tiêu và kế t qu ả dự đoán

Kết quả d ự đoán-mong đợi: Khi x ử lý bằng PSB/Fe3O4/than sinh học thì:

• nồng độ COD giảm tới 82% so với nồng độ COD ban đầu có trong mẫu nước thải

• Nồng độ NH4 gi m 93% so v i nả ớ ồng độNH4 ban đầu có trong mẫu nước thải

• Nồng độ PO43- giảm 93% so vớ ồng độ POi n 43- ban đầu có trong mẫu nước thải

3.2.3 Khả năng tái sử dụng

Qui trình thu sản phẩm sau khi xử lý nước thải và tái sử dụng:

1 Dùng nam châm để thu hồi phức hợp nano

2 Khi các hạt nano đã bám vào thành thì ta bơm tất cả nước đã được x ử lý ra bên một

vật chứa khác Lúc này chỉ còn lạ ải s n phẩm trong bình, ta thu lấy s n phả ẩm

3 Đem sản phẩm thu được ở bước 2 tái sử dụng bằng cách lấy s n ph m th c hi n vả ẩ ự ệ ới qui trình xử lý mẫu nước thải với qui mô PTN hoặc qui mô nhỏ (như được trình bày

ở phần xử lý nước thải)

4 Sau khi s d ng s n ph m nử ụ ả ẩ ảy để ử lý nướ x c thải thì ta sẽ cũng thực hiện đo nồng

độ COD, NH , PO4 43- Đo COD bằng máy phân tích COD, kế tiếp đi đo nồng độ

PO43- trong các mẫu được phân tích bằng phương pháp đo quang phổ xanh molypden Cuối cùng là đi đo nồng độ NH4 được xác định bằng phương pháp so màu thuốc thử Nessler Ghi nhận s liệu ố

5 Lặp lại qui trình 5 lần, ghi nh n s u ậ ố liệ

Chỉtiêu về ệu quả sau 5 lần hi tái sử dụng :

l n 5 >=80% so v i kh l n 1 Đạt: Khi khả năng xử lý nước thải ở ầ ớ ả năng xử lý ở ầ