Nghiên cứu thử nghiệm xây dựng quy trình xác định nồng độ axit S-phenylmercapturic trong nước tiểu bằng phương pháp sắc ký khí khối phổ

Bài viết nghiên cứu thử nghiệm xây dựng quy trình xác định nồng độ axit S-phenylmercapturic trong nước tiểu bằng phương pháp sắc ký khí khối phổ.

Kết nghiên cứu KHCN Nghiên cứu thử nghiệm xây dựng quy trình xác định nồng độ axit S-phenylmercapturic nước tiểu phương pháp sắc ký khí khối phổ ThS Nguyễn Thị Hiền, ThS Vũ Xuân Trung, Tống Thị Ngân, Lê Thị Cúc, Nguyễn Thị Thanh Huyền, Lưu Phi Long, Mai Ngọc Thanh Viện Khoa học An toàn Vệ sinh lao động ĐẶT VẤN ĐỀ enzen dung môi hữu bị cấm sử dụng sản xuất cơng nghiệp từ lâu, có tác hại nghiệm trọng đến sức khỏe người Tuy nhiên, dung môi hữu sử dụng thay cho benzen toluen xylen ln chứa lượng benzen định đến 5% [1] Chính người lao động làm việc số môi trường lao động điện tử, sản xuất sơn, da giày dù hay nhiều phải tiếp xúc với benzen Tại Việt Nam từ năm 1976, benzen công nhận yếu tố gây bệnh nghề nghiệp bảo hiểm, từ 2006 đến số phenol niệu sử dụng làm số giám sát sinh học cho người lao động có tiếp xúc nghề nghiệp với benzen Tuy nhiên, theo nhiều nghiên cứu giới cho thấy phenol số giám sát có mối tương quan với benzen môi trường nồng độ cao khoảng 10ppm, cịn nồng độ benzen mơi trường nhỏ 10ppm phenol niệu khơng B cịn số giám sát sinh học có tác dụng bảo vệ cho người lao động cách tốt [1], [2] Theo quy định bệnh nghề nghiệp hưởng bảo hiểm xã hội -Thông tư 15/2016/TTBYT [3], số axit S-phenylmercapturic (SPMA) niệu số giám sát sinh học đề xuất xét nghiệm cho người lao động có tiếp xúc với benzen Đây số giám sát sinh học cập nhật với xu hướng bảo vệ sức khỏe người lao động giới, SPMA số tương đối Việt Nam, phương pháp xác định chất hạn chế, việc sử dụng số SPMA làm giám sát sinh học cho người lao động có tiếp xúc nghề nghiệp với bezen cịn nhiều khó khăn Theo hướng nghiên cứu G Marrubini [4], nhóm nghiên cứu tiến hành “Nghiên cứu thử nghiệm xây dựng quy trình xác định nồng độ axit S-phenylmercapturic nước tiểu phương pháp sắc ký khí khối phổ” với mục tiêu là: xây dựng quy trình xác định nồng độ axit S-phenylmercapturic nước tiểu phương pháp sắc ký khí khối phổ với độ xác 90%, giới hạn định lượng nhỏ 0,25µg/L Hình Sơ đồ chuyển hóa Benzen thể người Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 43 Kết nghiên cứu KHCN ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU a) Hóa chất dung dịch chuẩn 2.1 Đối tượng nghiên cứu - Hóa chất: axit S-phenylmercapturic, HCl, Chloroform, Etyl acetat, Methanol Sigma - Quy trình phân tích axit S-phenylmercapturic niệu-chất chuyển hóa benzen nước tiểu - Dung dịch chuẩn: pha axit S-phenylmercapturic methanol để nồng độ từ 10 - 1000ug/l - Nước tiểu người lao động tiếp xúc với benzen 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu - Khảo sát thử nghiệm xây dựng quy trình phịng thí nghiệm theo hướng nghiên cứu G Marrubini [4] - Thực nghiệm trường: lấy mẫu nước tiểu người lao động nơi làm việc 2.2.2 Kỹ thuật thực a Xây dựng quy trình: Thử nghiệm ứng dụng phương pháp phân tích sắc ký khí khối phổ với điều kiện: b) Các thơng số cài đặt máy GC Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát thông số thu giá trị tối ưu Tại giá trị kết phép đo tốt Giá trị thông số tối ưu cụ thể sau: Điều kiện GC - Nhiệt độ Inlet 2500C - Nhiệt độ detector 2500C - Nhiệt độ oven: 1200C (giữ phút) – (200C/phút) – 2400C (giữ phút) - Nhiệt độ Interface 2500C - Tổng tốc độ dòng: 100ml/phút - Chế độ bơm mẫu: khơng chia dịng - Thiết bị: Máy sắc ký khí khối phổ Agilent, Tủ âm sâu (-800C), máy lắc - Thể tích bơm mẫu: 1ul - Dụng cụ: Các dụng cụ chuyên dùng bình định mức, pipet, cột mao quảnDB 5MS (30m*0,32 mm*0,3um), - Chế độ Ion hóa: EI - Hóa chất: axit S-phenylmercapturic, HCl, Chloroform, Etyl acetat, Methanol Sigma Phương pháp phân tích xây dựng theo nghiên cứu phương pháp G Marrubini [4] b Xác định sản phẩm chuyển hóa: xác định quy trình xây dựng máy sắc ký khí khối phổ Agilent KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết xây dựng quy trình 3.1.1 Chuẩn hóa điều kiện cho phép đo Để chọn điều kiện tối ưu cho xây dựng quy trình, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát, đánh giá thu kết điều kiện 44 Điều kiện MS - Năng lượng ion hóa: 70eV - Chạy chế độ SIM: phổ m/z: 124/253 3.1.2 Chọn điều kiện lấy mẫu, xử lý mẫu để có dung dịch đo a) Lấy mẫu Mẫu nước tiểu thu vào cuối ca ngày làm việc cuối tuần Thu từ -10ml nước tiểu đựng vào ống thủy tinh tích 15-20ml, loại ống chịu điều kiện âm sâu (-800C) Bảo quản lạnh trường, đưa phòng thí nghiêm bảo quản âm sâu trước phân tích, bảo quản khơng q tuần b) Xử lý mẫu Mẫu xử lý với nhiều điều kiện khác nhóm nghiêm cứu thu điều kiện cho kết tốt quy trình xử lý mẫu Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN đây: Bước 1: Hút xác 1ml mẫu chuẩn vào ống 10ml Bước 2: Thêm 0,2ml HCl 0,5N Bước 3: Thêm 2ml etyl acetat Bước 4: Lắc vòng 20 phút Bước 5: Đem ly tâm 1500 vòng phút Bước 6: Chuyển lớp dung mơi phía sang ống thủy tinh khác Bước 7: Hóa 400C Bước 8: Sau hịa cặn với 1ml dung dịch dẫn xuất Bước 9: Metyl hóa 600C vịng Bước 10: Làm lạnh nhiệt độ phòng Bước 11: Thêm 1ml chloroform Bước 12: Thêm 2ml nước DDW Bước 13: Lắc phút Bước 14: Đem ly tâm 1500 vòng phút Bước 15: Loại bỏ lớp Bước 16: Bơm vào máy GC 3.1.3 Đánh giá điều kiện quy trình a) Khảo sát khoảng tuyến tính xây dựng đường chuẩn phân tích SPMA nước tiểu từ LOQ1000µg/L Khi phân tích mẫu hàm lượng ngun tố cần phân tích nằm ngồi khoảng tuyến phải làm giàu mẫu pha lỗng mẫu để phân tích đảm bảo độ xác phép đo Xây dựng đường chuẩn * Đường chuẩn Từ kết khảo sát khoảng tuyến tính nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm minitab 17.0 để xây dựng đường chuẩn Phương trình đường chuẩn SPMA nước tiểu Hình * Đánh giá phương trình hồi quy đường chuẩn Theo kết thu từ phần mềm minitab 17,0 phương trình hồi quy đầy đủ đường chuẩn cho phân tích SPMA nước tiểu có dạng: y = (-0,309±1,94) + (154,71±3,46) x Trong phương trình y = a + bx, trường hợp lý tưởng xảy a = Thực tế số liệu phân tích thường mắc sai số ngẫu nhiên làm cho a ≠ Nếu giá trị a ≠ có nghĩa thống kê phương pháp phân tích mắc sai số hệ thống Vì trước sử dụng đường chuẩn cho phân tích cần kiểm tra khác giá trị a giá trị Khảo sát khoảng tuyến tính Khoảng nồng độ chất phân tích từ giới hạn định lượng đến giới hạn tuyến tính gọi khoảng tuyến tính Khoảng tuyến tính nguyên tố phân tích vạch phổ khác khác [5], [6] Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát khoảng tuyến tính SPMA cách: pha dãy chuẩn SPMA phenol là: 1; 10; 50; 100; 200; 400; 600; 800; 1000; 1200µg/l Căn vào kết thu nhóm nghiên cứu nhận thấy khoảng tuyến tính phương pháp Hình 2: Đường chuẩn quy trình phân tích SPMA nước tiểu Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 45 Kết nghiên cứu KHCN Kiểm tra a với giá trị theo tiêu chuẩn thống kê Fisher (chuẩn F) [5], [6] - Độ chụm mức độ giao động kết thử nghiệm độc lập quanh giá trị trung bình Nếu Ftính< Fchuẩn sai khác giá trị a khơng có ý nghĩa thống kê ngược lại Kết đánh giá cho thấy - Độ mức độ gần giá trị trung bình kết thử nghiệm giá trị thực giá trị chấp nhận Ftính= 4,21; Fchuẩn = F(0,95; 4; 5) = 5,19 Tức Ftính< Fchuẩn phương trình đường chuẩn phân tích SPMA nước tiểu Có nghĩa sai khác giá trị a ý nghĩa thống kê Vì phương pháp phân tích khơng mắc sai số hệ thống 3.3.2 Giới hạn phát (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) Đối với sắc ký khí việc xác định giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) dựa theo tỷ số tín hiệu/nhiễu đường nên phổ biến [5], [6] Nhóm nghiên cứu sử dụng cách để tính LOD, LOQ cách thêm lượng chất chuẩn nhỏ dần vào mẫu trắng nồng độ 0,25µg/L thu tín hiệu cao gấp lần so với tín hiệu đường Như theo phương pháp tính LOD dựa tỷ số tín hiệu/nhiễu nhóm nghiên cứu thu LOD=0,25µg/L, LOQ=0,75µg/L Căn vào kết thu nhóm nghiên cứu nhận thấy quy trình phân tích SPMA mẫu nước có giới hạn phát 0,25µg/L, giới hạn định lượng 0,75µg/L Vậy khoảng tuyến tính SPMA quy trình phân tích SPMAniệu (LOQNước tiểu – 1000)µg/L tương đương (0,751000)µg/L a) Kiểm tra độ chụm Trong khn khổ đề tài nhóm nghiên cứu kiểm tra độ chụm cách dùng mẫu thử thêm chuẩn - pha ba loại mẫu có nồng độ thêm chuẩn giá trị gần điểm đầu, điểm giữa, điểm gần cuối khoảng tuyến tính (tương đương với mức nồng độ thấp, trung bình, cao) Mỗi mức nồng độ lặp lại 10 lần Trên sở kết mẫu lặp lại nhóm nghiên cứu đánh giá độ thu hồi theo cơng thức sau: Trong đó: R%: Độ thu hồi Cm+c: Nồng độ chất phân tích mẫu thêm chuẩn Cm: Nồng độ chất phân tích mẫu thử Cc: Nồng độ chuẩn thêm (lý thuyết) Sau tính độ thu hồi chung trung bình độ thu hồi lần lặp lại 3.3.3 Đánh giá độ xác phương pháp Theo quan điểm Tiêu chuẩn quốc tế (ISO – 5725 - 6:1994) Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN 6910 16:2005) độ xác phương pháp đánh giá qua độ chụm độ [6] 46 Ảnh minh họa, nguồn TT SKNN Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN khoảng giá trị cho sát với giá trị trung bình mẫu CRM Ở mức nồng độ thấp mẫu nước tiểu giá trị thu 4,42µg/L xấp xỉ giá trị trung bình mẫu CRM (4,86µg/L) thuộc khoảng giá trị cho (3,65 - 6,08)µg/L Tương tự, mức nồng độ cao giá trị thu 40,89µg/L, nằm khoảng cho phép (34,2 – 51,2)µg/L gần với giá trịnh trung bình 42,7µg/L Điều chứng tỏ phương pháp phân tích đảm bảo độ Với kết thu Bảng cho thấy, CV% = 8,039% lớn mức nồng độ nhỏ nằm khoảng cho phép AOAC, từ 10 -100µg/L CV% cho phép 15-21% [6] Nên sai số điểm đầu, điểm cuối hay điểm khoảng tuyến tính sai số nhỏ chấp nhận Điều chứng tỏ độ chụm phương pháp đạt yêu cầu b) Kiểm tra độ Để đánh giá độ phương pháp nhóm nghiên cứu chọn cách mà sử dụng phổ biến giới dùng vật liệu chuẩn (còn gọi mẫu chuẩn) Mẫu chuẩn mẫu phân tích có hàm lượng xác định trước Có nhiều cấp vật liệu chuẩn khác nhau, cao CRM (certified reference materials - mẫu chuẩn chứng nhận) cung cấp tổ chức có uy tín giới (RECIPE – Đức) Kết phân tích mẫu CRM thể qua Bảng Như vậy, qua việc đánh giá tiêu chí cần thiết cho quy trình phân tích, nhóm nghiên cứu nhận thấy quy trình phân tích SPMA nước tiểu phương pháp sắc ký khí khối phổ đạt u cầu quy trình phân tích Từ quy trình nhóm nghiên cứu có số nhận xét sau: Quy trình nhóm nghiên cứu có giới hạn phát giới hạn định lượng thu tốt nhiều so với phương pháp phân tích thiết bị sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) Như Từ Bảng 2, nhóm nghiên cứu nhận thấy kết phân tích mẫu CRM cho giá trị nằm Bảng 1: Kết khảo sát độ lặp lại độ thu hồi mẫu nước tiểu Cm 10 μg/L Cc 10μg/L Giá trӏ 500μg/L 900μg/L Cm+c R% Cm+c R% Cm+c R% Rtb 19,524 97,622 507,724 99,55 921,791 101,30 SD 1,570 7,848 11,949 2,34 17,796 1,96 CV% 8,039 8,039 2,353 2,35 1,931 1,93 Tiêu chuҭn cho phép ÿӕi vӟi CV% cӫa AOAC(%) 21 60-115 11-15 80110 11 80-110 Mүu Bảng 2: Kết phân tích SPMA mẫu CRM Nӗng ÿӝ cӫa CRM KӃt quҧ thӵc nghiӋm (μg/L) RSD% Trung bình (μg/L) Khoҧng giá trӏ cho phép(μg/L) Nӗng ÿӝ thҩp 4,42 4,35 4,86 3,65-6,08 Nӗng ÿӝ cao 40,89 2,45 42,7 34,2-51,2 Các mӭc nӗng ÿӝ cӫa mүu CRM (Lặp lại lần) Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 47 Kết nghiên cứu KHCN phương pháp D.A Purwanto (2014) [7] có giới hạn định lượng phương pháp nhóm nghiên cứu nhiều lần: (LOD/LOQ) nhóm nghiên cứu 0,25/0,75µg/L, D.A Purwanto (0,7832 ± 0,0329)/(2,6108 ± 0,0940) µg/mL Với giới hạn phát giới hạn định lượng nghiên cứu D A Purwanto có phần hạn chế phân tích SPMA với lượng mẫu nhỏ Tuy nhiên hạn chế thiết bị mà D.A Purwanto lựa chọn HPLC có ngưỡng phát so với GC/MS So với phương pháp 8326 NIOSH có LOD 0,2 µg/L, có khoảng tuyến tính từ 0,550µg/L [8], kết nghiên cứu nhóm nghiên cứu cho thấy LOD nhóm nghiên cứu tương đương, khoảng tuyến tính nhóm nghiên cứu rộng từ (0,75-1000)µg/L so với khoảng tuyến tính phương pháp 8326 NIOSH hay phương pháp D.A Purwanto [7] Điều cho thấy thuận tiện phân tích mẫu, khơng phải pha loãng mẫu nhiều lần Mặc dù giới hạn phát có phương pháp 8326 NIOSH chút Tuy nhiên phương pháp 8326 - NIOSH sử dụng thiết bị LC/MS/MS Đây thiết bị đắt tiền độ nhạy cao gấp nhiều lần thiết bị MG/MS mà nhóm tác giả sử dụng Bên cạnh phương pháp 8326 - NIOSH sử dụng phương pháp chiết pha rắn Phương pháp tốn 48 Ảnh minh họa, nguồn Internet chi phí xử lý mẫu có sử dụng cột chiết Điều cho thấy phương pháp nhóm tác giả áp dụng thuận tiện cho việc phân tích mẫu hàng loạt, giám sát cho người lao động có tiếp xúc với benzen Quy trình ứng dựng máy hệ tương đương hệ hãng Đối với hãng khác cần máy có điều kiện tính kỹ thuật tương tự (ứng dụng) đại tốt dùng 3.2 Kết xác định chất chuyển hóa Để ứng dụng quy trình phân tích xác định chất chuyển hóa SPMA nước tiểu, nhóm nghiên cứu lấy 200 mẫu nước tiểu người lao động không tiếp xúc với dung mơi hữu Bảng 3: Kết phân tích SPMA nước tiểu TT Nӗng ÿӝ SPMA nѭӟc tiӇu (μg/L) Sӕ mүu vѭӧt tiêu chuҭn cho phép * Sӕ mүu phân tích (n) Sӕ mүu khơng phát hiӋn Sơ mүu % 200 40 1,28±2,82 * Tiêu chuẩn cho phép nồng độ SPMA nước tiểu Việt Nam ≤ 25µg/gcreatinine[3] Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN Kết Bảng cho thấy: Trong 200 đối tượng người lao động không tiếp xúc với benzen lấy nước tiểu xét nghiệm nồng độ SPMA niệu có đối tượng khơng phát (20%), có 80% đối tượng phát nồng độ SPMA với nồng độ trung bình 1,28 ± 2,82 (µg/L) nằm tiêu chuẩn cho phép (≤ 25µg/gcreatinine) [2], [3] Từ kết nhóm nghiên cứu nhận thấy, người lao động khơng tiếp xúc với benzen nồng độ SPMA niệu tương đối thấp Đây số liệu khảo sát ban đầu nồng độ SPMA người Việt Nam không tiếp xúc với benzen làm sở so sánh cho nghiên cứu khác Sau sử dụng quy trình xây dựng để phân tích mẫu thực, nhóm nghiên cứu nhận thấy quy trình ổn định, đảm bảo kết xác Chính quy trình dự thảo ban đầu khơng cần thay đổi sau nhóm nghiên cứu áp dụng thực tế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận * Thử nghiệm tiêu chí cần thiết cho quy trình phân tích SPMA nước tiểu phương pháp sắc ký khí khối phổ đạt yêu cầu quy trình phân tích, cụ thể sau: - Khoảng tuyến tính: (0,75 -1200)µg/L - Giới hạn phát hiện: 0,25µg/L - Giới hạn định lượng: 0,75µg/L - Quy trình đảm bảo tính ổn định, độ xác 90% - Giới hạn phát LOD, LOQ tương đương thấp số tác giả khác nghiên cứu * Áp dụng quy trình xây dựng 200 mẫu nước tiểu 200 đối tượng người lao động không tiếp xúc với benzen cho thấy, nồng độ trung bình SPMA 1,28 ± 2,82 (µg/gcreatinen) thấp giới hạn cho phép 4.2 Kiến nghị Cần áp dụng rộng rãi kỹ thuật xác định SPMA nước tiểu để làm công cụ giám sát sinh học cho người lao động có tiếp xúc với benzen TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] American Conference of Governmental Industrial Hygienists (2001), "Benzene In: Documentation of the Threshold Limit Vales and Biological Exposure Indices" [2] American Conference of Industrial Hygienists (2016), Threshold Limit Value for Chemical Substances and Physical Agents and Biological Exposure Indices, p 250 [3] Bộ y tế (2016), "Thông tư 15/2016/TT-BYT ngày 1/7/2016 quy định bệnh nghề nghiệp hưởng bảo hiểm xã hội" [4] G Marrubini, S Dugheri, M Pacenti et al (2005), "Determination of S-phenylmercapturic acid by GC-MS and ELISA: a comparison of the two methods", Biomarkers, vol 10, no 4, pp 238-251 [5] Tạ Thị Thảo (2010), Thống kê hóa phân tích Giáo trình mơn học,Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc Gia Hà Nôi [6] Viện kiểm nghiện an toàn vệ sinh Thực phẩm Quốc Gia (2010), Thẩm định phương pháp phân tích hóa học vi sinh vật học NXB Khoa học Kỹ Thuật [7] Purwanto D A,Primaiharinastiti R PI RIESTA, Annuryanti F (2014), "Development and validation of HPLC method for determination of Sphenylmercapturic acid (S-PNA)in urine ", International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, (5): 305, vol 308 [8] Clayton B’Hymer (2014), " Method 8326 SBenzylmercapturic acid and S-phenylmercapturic acid in urine, NIOSH Manual of Analytical Methods (NMAM), Fifth Edition" Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 49 Kết nghiên cứu KHCN NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM XỬ LÝ COD TRONG NƯỚC RỈ RÁC SAU KEO TỤ BẰNG CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC TS Lê Thanh Sơn, Lê Cao Khải, Đoàn Tuấn Linh, Đào Thị Dung Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam MỞ ĐẦU iện nước ta, phương pháp chôn lấp được sử dụng phổ biến để xử lý rác thải sinh hoạt với ưu điểm phù hợp với môi trường, hiệu kinh tế, dễ áp dụng Tuy nhiên, nước rỉ rác phát sinh từ q trình chơn lấp lại có mức độ nhiễm cao khó xử lý, với hàm lượng COD lên đến 90.000mg/L, chất rắn hòa tan tới 55.000mg/L, tổng chất rắn lơ lửng đến 2.000 mg/L, pH lại thấp, dao động khoảng 4,3 – 5,4 hàm lượng Nitơ cao tới 1.500 – 2.300mg/L, [1], [2] H Nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn, bãi chôn lấp rác lớn Hà Nội, có hàm lượng chất nhiễm cao, cụ thể: COD 5.000 – 23.000mg/l, BOD5 khoảng 3.000mg/l 12.300mg/l, N-tổng 500mg/l – 2.151mg/l, TSS 150mg/l – 2.240mg/l, tùy thuộc vào nước rỉ rác bãi chôn lấp hay bãi chôn lấp lâu năm Kết thử nghiệm trước đối tượng nước rỉ rác hỗn hợp bãi chôn lấp Nam Sơn cho thấy qua trình tiền xử lý keo tụ điện hóa, 70% COD xử lý sau 30 phút điện phân cường độ 3A sử dụng điện cực sắt, từ 6.165,14mg/l xuống 1.651,38mg/l sau 80 phút xử lý lại 1.277,06mg/l [3] Với kết này, hàm lượng COD vượt quy chuẩn 50 cho phép Do nghiên cứu này, q trình lọc sinh học ngập nước đề xuất để xử lý tiếp COD đạt đến mức cho phép theo quy chuẩn Việt Nam GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC 2.1 Nguyên tắc Lọc sinh học trình xử lý sinh học xảy dịng nước ô nhiễm qua giá thể xốp có cố định vi khuẩn có khả xử lý chất nhiễm Lọc sinh học có khả xử lý chất lơ lửng, chất ô nhiễm hữu vơ hịa tan Lọc sinh học dựa chế sinh trưởng bám bính vi sinh vật (VSV) vào vật mang (giá thể bám), tiến trình bao gồm số trình sinh hoá quan trọng xảy bể lọc [4] Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan xảy khử nitrat ứng với việc loại nitơ dạng nitrat hóa cách chuyển hóa thành khí N2 [5] Oxy giải phóng từ nitrat oxy hóa chất hữu nitơ tạo thành: Vi sinh + NO3- NO2 + O2 Chất hữu + O2 N2 + CO2 + H2O Sản phẩm trình phân hủy khí CO2, H2O, N2 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN Thiết bị lọc sinh học ngập nước thiết bị bố trí đệm cấu phân phối nước ngập hệ giá thể bám dính đồng thời phân phối khí hệ [6] kỵ khí khử lưu huỳnh khử nitrat Desulfovibrio - Phía màng lớp quần thể vi sinh vật với có mặt động vật nguyên sinh số sinh vật khác Các loài ăn vi sinh vật sử dụng phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành lỗ nhỏ màng bề mặt chất mang Quần thể vi sinh vật màng sinh học có tác dụng bùn hoạt tính Quần thể nhóm vi sinh vật màng lọc vi sinh có tác dụng bùn hoạt tính Các chất tạo vi sinh vật trở thành nguồn thức ăn loại vi sinh vật khác Vì vậy, màng sinh học có khả phân hủy hầu hết chất hữu dễ phân hủy có nước rỉ rác Hình Hệ lọc sinh học ngập nước Trong trình vận hành bể lọc giá thể sinh học, sinh trưởng, phát triển chết màng sinh học xảy không ngừng Khi màng sinh vật chết văng khỏi giá thể lơ lửng nước, sau lắng dần xuống đáy bể Trong trình làm việc, lọc sinh học khử BOD chuyển hóa NH4+ thành NO3- Lớp vật liệu lọc có khả giữ lại cặn lơ lửng, hệ thống thổi khí giúp khơng làm tắc nghẽn hệ vận hành [7] 2.2 Vi sinh vật màng sinh học Màng sinh học tập hợp lồi vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa chất hữu có nước tiếp xúc với màng Màng dày từ – 3mm Màu sắc màng thay đổi theo thành phần nước thải (vàng xám đến nâu tối) [4] Màng sinh học tạo thành chủ yếu từ vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kỵ khí vi khuẩn tùy tiện tạo thành lớp: - Ở ngồi lớp màng lớp vi khuẩn hiếu khí, chủ yếu loại trực khuẩn Bacillus - Lớp trung gian vi khuẩn tùy tiện như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus Bacillus - Lớp sau bên kỵ khí: vi khuẩn Hình Cấu tạo màng sinh học Cơ chế hoạt động màng sinh học Cơ chế hoạt động màng sinh học chia thành trình [8]: - Quá trình tiêu thụ chất làm nước Lớp màng vi sinh vật phát triển bề mặt vật mang tiêu thụ chất từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động Quá trình tiêu thụ chất: chất vận chuyển vào màng sinh học theo chế khuếch tán phân tử Tại màng sinh học, diễn trình tiêu thụ chất trao đổi chất vi sinh vật màng Sản phẩm cuối trình vận chuyển khỏi màng vào chất lỏng Phương trình tiêu thụ: CHC + Oxy + Nguyên tố vết VSV + Sản phẩm cuối [9] Sinh khối Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 51 Kết nghiên cứu KHCN Các nguyên tố vết nitơ, phốt kim loại vi lượng không đủ nước thải theo tỉ lệ phản ứng sinh học trở thành yếu tố giới hạn màng sinh học - Quá trình sinh trưởng, phát triển suy thối màng sinh học Q trình VSV phát triển bám dính vật liệu mang chia làm giai đoạn: + Giai đoạn 1: màng vi sinh vật mỏng chưa bao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất vi sinh vật phát triển nhau, điều kiện, phát triển giống trình vi sinh vật lơ lửng + Giai đoạn 2: độ dày màng trở nên lớn bề dày hiệu Trong giai đoạn thứ hai, tốc độ phát triển số, bề dày lớp màng hiệu không thay đổi bất chấp thay đổi toàn lớp màng, tổng lượng vi sinh phát triển không thay đổi suốt trình Lượng chất tiêu thụ dùng để trì trao đổi chất vi sinh vật, khơng có gia tăng sinh khối + Giai đoạn 3: bề dày lớp màng trở nên ổn định, tốc độ phát triển màng cân với tốc độ suy giảm phân hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm bị rửa trôi lực cắt dịng chảy Trong q trình phát triển màng vi sinh vật phát triển số lượng chủng loại máy sục khí cài đặt điều khiển tự động cài đặt, thay đổi Tính chất nước đầu vào bể lọc sinh học ngập nước điều kiện để màng vi sinh vật hoạt động tốt cần: - Thể tích nước bể phải ngập toàn giá thể - pH tối ưu nước đầu vào bể 6,5 – 8,5 - Nhiệt độ thích hợp để vi sinh vật thích nghi từ 25– 370C Khi nhiệt độ cao khiến vi sinh Bảng Các thông số bể lọc sinh học giá thể bám dính ngập nước Thơng sӕ Ĉѫn vӏ ÿo Giá trӏ ChiӅu cao lӟp vұt liӋu lӑc cm 30 ChiӅu rӝng cӫa cӝt cm 15 ChiӅu dài cӫa cӝt cm 33 ChiӅu cao cӫa cӝt cm 62,5 ThӇ tích hiӋu dөng l 25 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ COD CỦA NƯỚC RỈ RÁC BẰNG QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC 3.1 Hệ thiết bị thí nghiệm phương pháp phân tích a) Bể lọc sinh học * Cấu tạo bể lọc: Bể lọc sinh học sinh trưởng bám dính ngập nước có hình dạng hình hộp chữ nhật Máy sục khí sử dụng đầu sục phân phối khí cục đá bọt đặt sát đáy bể lọc bên ngăn hiếu khí để cung cấp oxi vào nước Chế độ hoạt động (thời gian làm việc, ngừng làm việc) 52 Hình Hệ thí nghiệm lọc sinh học q trình thí nghiệm Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN vật bị chết, nhiệt độ thấp làm vi sinh vật phát triển chậm lại Đây mức nhiệt tối ưu cho hoạt động vi sinh vật phù hợp với mức nhiệt độ phịng thí nghiệm - Cung cấp oxi ngăn hiếu khí cho lượng oxi hòa tan nước khỏi bể lắng DO > 2mg/l, ngăn thiếu khí < DO < 1mg/l * Vật liệu lọc: Giá thể làm nhựa PPE có gấp nếp với chiều cao 30 cm, chiều rộng 15 cm, diện tích bề mặt 200m2/m3, ngăn hiếu khí thiếu khí chứa giá thể với kích thước hình dạng, tính chất nhau, đặt sát vào Hình Nhựa PE sử dụng làm giá thể bám dính * Thiết kế quy trình xử lý: Thiết bị lọc bao gồm ngăn: (1) ngăn hiếu khí, (2) - ngăn thiếu khí (3) - ngăn chứa nước lắng sau sục Hệ lọc sinh học phòng thí nghiệm, nước rỉ rác cho vào theo mẻ với chu trình lần/ngày: - Khởi động hệ thống lọc 15 ngày nhằm cố định vi sinh vật vào lớp giá thể bám thực sau: nguồn VSV gốc lấy từ thùng nuôi - Nước rỉ rác qua bước tiền xử lý để lắng lấy phần nước Sau lắng phần nước rỉ không cặn đo pH, pH kiềm axit điều chỉnh hai dung dịch H2SO4 NaOH Cuối tiến hành đổ trực tiếp nước rỉ vào hệ từ phía miệng bể theo mẻ Bật máy sục khí hoạt động để nước thải khắp hệ Nước cho vào làm cho mực nước hệ ngăn dâng Khi mở van tháo nước để tháo nước mực nước cho cố định hệ (72cm) - Khí cung cấp từ phía đáy hệ bơm thổi khí qua ống dẫn đến đầu thổi Khi hệ chế độ sục, lượng oxy hòa tan nước (DO) ngăn hiếu khí vào khoảng 4,5mg/L, giai đoạn ngừng sục, giá trị DO vào khoảng 3mg/L Giá trị DO đo đầu đo DO nhúng ngăn hiếu khí Hình Mơ hình hệ thí nghiệm bể lọc sinh học - Cài đặt chế độ sục/ngừng sục cho hệ theo mong muốn hệ cài tự động Hệ có cơng tắc cột điều chỉnh số phút sục, ngưng cho thiết bị lọc Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 53 Kết nghiên cứu KHCN - Theo dõi trình sục về: màu sắc nước hệ, lượng vi sinh vật bám dính tiến hành lấy mẫu van lấy mẫu thiết bị lọc hàng ngày với thể tích đầu vào khác để tiến hành phân tích số COD Mẫu phân tích sau lấy mẫu ghi lại kết số liệu phân tích b) Phương pháp phân tích: - Phương pháp xác định COD: Giá trị COD phân tích theo TCVN 6491: 1999 (tương ứng với ISO 6060: 1989) 3.2 Kết đánh giá Trong thí nghiệm này, tiến hành đánh giá khả xử lý COD đối tượng nhiễm nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn Nước rỉ rác lấy từ bãi chôn lấp rác Nam Sơn tiền xử lý kỹ thuật keo tụ điện hóa để giảm bớt nồng độ chất gây ô nhiễm Thông số nước rỉ rác sau tiền xử lý keo tụ điện hóa Bảng Bảng Thông số đầu vào nước thải trước xử lý sinh học STT Thông sӕ Ĉѫn vӏ ÿo KӃt quҧ QCVN25:2009/BTNMT (Cӝt B2) pH Ĉӝ màu COD BOD5 TSS Pt-Co mg/L mg/L mg/L 7,5-8,5 350 1200-1500 312 - 410 550 5,5-9 150 300 50 100 Amoni mg/L 600-800 25 Hình Hiệu xử lý COD nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn theo thời gian 54 Điều kiện thí nghiệm trình lọc sinh học sau: pH = 7,5 – 8,5 (pH đầu vào); chế độ sục khí/ ngừng sục khí 60/60 phút Kết thu thể Hình Từ Hình 6, ta thấy hiệu suất xử lý COD tăng dần theo thời gian xử lý Ở giai đoạn đầu, hiệu suất xử lý COD tăng rõ rệt, từ 34,2% (sau xử lý) lên 61,6% (sau 15 xử lý) tăng lên 95% (sau 24 giờ) Tuy nhiên, thời gian xử lý tiếp tục tăng lên, hiệu suất xử lý COD có tăng, khơng nhiều (từ 95% sau 24 lên 96% sau 48 xử lý) Điều giải thích giai đoạn đầu, hàm lượng COD nước thải cao, vi sinh vật dễ dàng tiếp xúc xử lý với chất hữu nước thải Sau thời gian xử lý, hàm lượng COD giảm mạnh Vì thế, mà giai đoạn sau (từ 24 48 giờ), hàm lượng COD cịn lại lượng COD khơng có khả phân hủy sinh học, vi sinh vật không hấp thụ được, lượng COD xử lý thấp nhiều so với lượng COD ban đầu, làm hiệu suất xử lý không biến động sau 24 Hơn nữa, lượng vi sinh vật không đổi nên khả tiêu thụ chất bị giới hạn, vượt qua ngồi giới hạn chúng khơng có khả xử lý Như vậy, thời gian xử lý 24 đủ để COD đầu thấp 100mg/l đạt QCVN 25 : 2009/BTNMT cột B2 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 Kết nghiên cứu KHCN trình keo tụ điện hóa”, Tạp chí Hoạt động khoa học Cơng nghệ An tồn - Sức khỏe & Mơi trường lao động 4,5&6, 112-118 [4] Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2001), “Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Ảnh minh họa, nguồn Internet KẾT LUẬN Nước rỉ rác có thành phần phức tạp nồng độ chất ô nhiễm thường cao thay đổi theo thời gian chôn lấp, đặc biệt COD lên tới 90.000mg/l Do đó, để xử lý hiệu thường phải kết hợp trình sinh học với trình tiền xử lý cơng nghệ hóa lý hóa học Nước rỉ rác bãi chôn lấp rác Nam Sơn có COD đầu vào khoảng 23.000mg/l, sau q trình tiền xử lý keo tụ điện hóa, COD giảm xuống cịn khoảng 1.200 đến 1.500mg/l Một q trình lọc sinh học ngập nước với chế độ sục khí/ngừng sục khí 60/60 phút xử lý hiệu COD nước rỉ rác, từ 1.500mg/l xuống 100mg/l sau 24 xử lý, đạt QCVN 25 :2009/BTNMT cột B2 LỜI CÁM ƠN Cơng trình ủng hộ đề tài thuộc hướng ưu tiên cấp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ‘Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học’ (VAST 07.01/16-17) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hồng Khánh, Lê Văn Cát, Tạ Đăng Tồn, Phạm Tuấn Linh (2009) “Mơi trường bãi chôn lấp chất thải xử lý nước rác”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Hồng Khánh, Tạ Đăng Toàn (2008), “Quản lý chất thải rắn đô thị, vấn đề giải pháp nhằm tiến tới quản lý chất thải rắn bền vững Việt Nam”, Tạp chí khoa học cơng nghệ, 46, 209-217 [3] Lê Thanh Sơn, Lê Cao Khải, Đoàn Tuấn Linh, Đoàn Thị Anh (2017) “Nghiên cứu thử nghiệm khả xử lý nước rỉ rác [5] Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị khu công nghiệp (CEETIA) (2001), “Hội thảo công nghệ xử lý hợp chất hữu nitơ nước ngầm”, Trường đại học Xây dựng, Hà Nội [6] Jing Z., He R., Hu Y., Niu Q., Cao S., Li Y (2015) “Practice of integrated system of biofilter and constructed wetland in highly polluted surface water treatment” Ecological Engineering, 75, 462–469 [7] Đặng Hồng Phương (2012) “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ sục khí đến q trình xử lý nước thải chăn ni lợn phương pháp Sequencing batchreator”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, 95(07), 21 - 26 [8] Lương Đức Phẩm (2002), “Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải phương pháp sinh học”, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [9] Fernandez I., Jose L M., Anuska M P., Depana-Mora R J A and Jetten M.S M (2007), “Evaluation of activity and inhibition effecrs on Anammox process by batch tests based on the nitrogen gas production” Enzyme and Micrabial Technology, 40(4) 859 – 863 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2018 55 ... thiết cho quy trình phân tích, nhóm nghiên cứu nhận thấy quy trình phân tích SPMA nước tiểu phương pháp sắc ký khí khối phổ đạt yêu cầu quy trình phân tích Từ quy trình nhóm nghiên cứu có số... 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu - Khảo sát thử nghiệm xây dựng quy trình phịng thí nghiệm theo hướng nghiên cứu G Marrubini [4] - Thực nghiệm trường: lấy mẫu nước tiểu. .. quy trình xây dựng máy sắc ký khí khối phổ Agilent KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết xây dựng quy trình 3.1.1 Chuẩn hóa điều kiện cho phép đo Để chọn điều kiện tối ưu cho xây dựng quy trình, nhóm nghiên