Xử lý chất hữu cơ và amoni trong nước thải chế biến sữa bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp với thực vật

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 74-80 Xử lý chất hữu amoni nước thải chế biến sữa phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp với thực vật Mai Hùng Thanh Tùng1, Nguyễn Thị Diệu Cẩm2,* Khoa Hóa, Trường Đại học Cơng nghiệp TPHCM Khoa Hóa, Trường Đại học Quy Nhơn Nhận ngày 10 tháng 10 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 16 tháng 12 năm 2017; Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2017 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, chất hữu amoni nước thải nhà máy sữa Bình Định xử lý phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp với thảm thực vật Mục đích kết hợp nhằm giảm chi phí cấp khí oxi cho thiết bị lọc sinh học giảm bớt diện tích đất sử dụng so với sử dụng pháp lọc sinh học hiếu khí phương pháp thảm thực vật riêng lẻ Kết xử lý nước thải chế biến sữa cho thấy, hiệu khử COD sử dụng phương pháp sinh học hiếu khí kết hợp với thảm thực vật đạt 90% sau 37 xử lý, kết cao so với xử lý thực vật Các tiêu COD, NH4+ nước sau xử lý đạt QCVN 40-2011/BTNMT nước thải công nghiệp loại A Từ khoá: Nước thải, chế biến sữa, sinh học hiếu khí, thực vật, xử lý Đặt vấn đề khó phù hợp với nơi có quỹ đất hạn hẹp [6-8] Vì vậy, việc xử lý nước thải phương pháp sinh học tổ hợp vi sinh vật hiếu khí thực vật (bèo tây, cỏ vertiver, lau, sậy, ) giúp rút ngắn thời gian xử lý hệ lọc sinh học hiếu khí nên giảm chi phí cấp khí oxi, đồng thời giảm bớt diện tích đất sử dụng so với việc sử dụng phương pháp thảm thực vật riêng lẻ [9-10] Trên giới phương pháp tổ hợp vi sinh vật hiếu khí thực vật nghiên cứu ứng dụng thành công vào thực tế, dầu Việt Nam phương pháp chưa phổ biến Do vậy, việc nghiên cứu xử lý nước thải chế biến sữa phương pháp sinh học tổ hợp lọc sinh học hiếu khí thực vật thực nhằm mục đích tạo tổ hợp xử lý sinh học hữu hiệu cho loại nước thải chứa hợp chất hữu dễ sinh hủy góp phần hướng đến phát triển bền vững Để xử lý chất hữu dễ sinh hủy mơi trường nước phương pháp ưu tiên lựa chọn phương pháp sinh học dạng kỹ thuật thường sử dụng hàm lượng chất hữu không cao bùn hoạt tính lọc sinh học hiếu khí [1-5] Tuy nhiên, hai dạng kỹ thuật đòi hỏi phải cấp khí suốt q trình xử lý, chi phí xử lý tăng lên Gần đây, giải pháp sử dụng thực vật để xử lý chất ô nhiễm hữu dễ sinh hủy quan tâm nghiên cứu nhằm triển khai ứng dụng thực tiễn, nhược điểm phương pháp cần diện tích đất lớn nên _  Tác giả liên hệ ĐT.: 84-983222831 Email: nguyenthidieucam@qnu.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1140/vnunst.4489 74 M.H.T Tùng, N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 74-80 Thực nghiệm 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nước thải chế biến sữa lấy hệ thống cống nhà máy sữa Bình Định có tiêu COD khoảng 1000 mg/L có hịa trộn nhiều dòng thải từ nhà máy Vi sinh vật hiếu khí, bèo lấy cầu Trương Úc thị trấn Tuy Phước, Bình Định (Hình 1b) 2.2 Mơ hình thực nghiệm Giá thể mang vi sinh vật liệu polistiren dạng miếng hình vng, vật liệu có bề mặt xù xì (nhằm tăng dính bám vi sinh vật), mặt nước, chúng giữ chìm nước hai lưới chắn hai đầu cột lọc sinh học Loại giá thể có ưu điểm tận dụng phế phẩm xốp thải Hệ lọc sinh học chế tạo từ nhựa PVC (Hình 1a) có đường kính 16 cm, chiều cao 1,25 m Chiều cao cột nước 1m, chiều cao lớp vật liệu lọc 0,7 m Thể tích thực cột 25 dm3, thể tích giá thể 14 dm3 Vật liệu làm giá thể cho vi sinh dính bám nhồi vào cột lọc hiếu khí, sau bơm nước có chứa chủng vi sinh ni cấy qua cột lọc với lưu lượng 10 L/giờ (2 lít nước chứa vi sinh có MLSS 1896 mg/L cho 30 lít nước thải) Sau thường xun theo dõi điều chỉnh yếu tố ảnh hưởng đến (a) 75 trình hình thành phát triển màng vi sinh thông số pH, amoni, COD, hàm lượng khí oxi hịa tan nước (lớn mg/L) nhằm tạo điều kiện tốt để vi sinh vật phát triển bám vào giá thể Xử lý mẫu nước thải chế biến sữa hệ lọc sinh học hiếu khí: nước thải chế biến sữa lắng sơ bộ, điều chỉnh pH thích hợp cho phát triển vi sinh vật, sau bơm tuần hồn qua thiết bị lọc sinh học hiếu khí Thể tích nước thải cho mẻ xử lý V = 30 (L); Q = 20 L/giờ Xử lý nước thải chế biến sữa bèo cái: cho lit nước thải chế biến sữa vào bể bèo tích 10 lít, bèo ni bể phủ kín 3/4 bề mặt (vận hành theo mẻ) Sau khoảng thời gian lưu định (tính từ lúc cho nước thải vào bể/hệ lọc), mẫu nước phân tích xác định thơng số pH, COD NH4+ 2.3 Phương pháp phân tích Xác định thơng số đặc trưng cho q trình xử lý theo phương pháp chuẩn phân tích mơi trường: TCVN 6491-1999 (xác định nhu cầu oxy hóa học), TCVN 6179-1:1996 (xác định amoni) Khảo sát hình ảnh bề mặt giá thể phương pháp hiển vi điện tử quét máy S-4800 (M: 25x – 800.000x, d = mm, U = 0,5 – 30 kV) Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương (b) Hình Xử lý nước thải hệ lọc sinh học (a) bèo (b) 76 M.H.T Tùng, N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 33, Số (2017) 74-80 Kết thảo luận 3.1 Kết tạo màng vi sinh giá thể Kết trình quan sát tạo màng vi sinh vật giá thể xốp cho thấy, ban đầu giá thể tiếp xúc với nước chứa vi sinh vật tạo lớp màng mỏng gần suốt, sau chuyển sang màu vàng sáng cuối chuyển sang màu nâu tối (Hình 2) Q trình đổi màu có tính chu kì, tương ứng với việc xả rửa hệ thống (a) (b) Hình Giá thể xốp trước (a) sau tạo màng vi sinh (b) Để kiểm tra tạo màng vi sinh vật giá thể xốp, tiến hành chụp ảnh hiển vi điện tử quét vật liệu trước sau cho vi sinh dính bám Kết trình bày hình (a) Từ ảnh SEM hình cho thấy, giá thể xốp sau tiếp xúc với nước chứa vi sinh vật tạo thành lớp màng bề mặt vật liệu Điều cho thấy hồn tồn tận dụng phế thải xốp để làm giá thể mang vi sinh ứng dụng xử lý nước thải (b) Hình Ảnh hiển vi điện tử quét giá thể trước (a) sau vi sinh bám (b) 3.2 Kết xử lý mẫu nước thải chế biến sữa hệ lọc sinh học hiếu khí Kết xử lý mẫu nước thải chế biến sữa hệ lọc sinh học hiếu khí trình bày bảng hình Kết bảng hình cho thấy, nhìn chung giá trị COD giảm dần theo thời gian xử lý, giai đoạn đầu (từ – giờ) giá trị COD giảm nhanh Sở dĩ giai đoạn vi sinh vật phát triển mạnh, lúc môi trường nước thải chứa nhiều chất dinh dưỡng nên tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển vi sinh vật, chất hữu M.H.T Tùng, N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 74-80 nước thải vi sinh vật tiêu thụ chuyển hóa nhanh Giai đoạn giá trị COD giảm chậm dần nguồn dinh dưỡng vi sinh vật dần cạn kiệt làm cho tốc độ phát triển vi sinh vật chậm dần, chí thiếu nguồn dinh dưỡng vi sinh vật tự phân huỷ nội bào Sau xử lý tiêu COD giảm từ 1100 mg/L xuống 80 mg/L (hiệu suất xử lý 92,72%) đạt tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại A theo QCVN 40-2011/BTNMT Bảng Kết xử lý mẫu nước thải chế biến sữa hệ lọc sinh học hiếu khí Thời gian (giờ) pH [NH4+] (mg/L) COD (mg/L) 7,53 7,81 8,40 8,56 8,62 2,49 6,81 10,14 6,08 2,37 1100 600 248 136 80 77 vi sinh nitrobacter) trình thủy phân hợp chất hữu dễ sinh hủy kết thúc 3.2 Kết nghiên cứu xử lý nước thải chế biến sữa bèo Cho lít nước thải chế biến sữa có giá trị COD 1080 mg/L NH4+ 14,94 mg/Lvào bể bèo tích 10 lít Sự biến đổi thông số COD NH4+ theo thời gian xử lý trình bày bảng hình Bảng Kết xử lý mẫu nước thải chế biến sữa bèo Thời gian (ngày) pH 8,01 8,46 8,52 8,39 8,51 8,34 7,78 [NH4+] (mg/L) 14,94 20,82 21,80 22,78 20,82 12,98 8,82 COD (mg/L) 1080 850 723 575 367 302 138 Hình Sự biến đổi COD amoni theo thời gian xử lý mẫu nước thải chế biến sữa hệ lọc sinh học Hàm lượng NH4+ tăng lên đầu xử lý, hợp chất hữu có chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy trình xử lý tạo amoni nên nồng độ amoni tăng lên Sau xử lý, nồng độ NH4+ giảm nhanh NH4+ tiếp tục oxy hóa thành NO2- (chủng vi sinh nitronomas) NO3- (chủng Hình Sự biến đổi COD amoni theo thời gian xử lý mẫu nước thải chế biến sữa bèo Từ kết bảng hình cho thấy, giá trị COD mẫu nước thải giảm dần ổn định sau ngày xử lý Giai đoạn đầu, giá trị 78 M.H.T Tùng, N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 74-80 COD giảm nhanh nước thải ngồi chất hữu cơ, cịn có hợp chất nitơ nên thuận lợi cho việc hấp thụ bèo Giai đoạn sau, giá trị COD giảm chậm đơi chút hàm lượng chất dinh dưỡng dần cạn kiệt Giai đoạn đầu xử lý (từ 0-3 ngày), hàm lượng amoni có tăng nhẹ hợp chất hữu có chứa nitơ bị phân hủy theo thời gian tạo sản phẩm amoni tương tự xử lý phương pháp lọc sinh học hiếu khí Giai đoạn sau, q trình xử lý amoni diễn nhanh trình phân hủy chất hữu kết thúc bèo (cùng với vi sinh vật bám rễ bèo) thích nghi với mơi trường nước thải nên khả hấp thụ xử lý amoni tốt 3.3 Kết xử lý nước thải chế biến sữa phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp với bèo thời gian xử lý để đạt tiêu chuẩn thải ngắn so với xử lý bèo (chưa qua xử lý sinh học hiếu khí), sau 37 đạt nước thải công nghiệp loại A theo QCVN 402011/BTNMT với giá trị COD 111 mg/L Đối với nước thải chưa qua xử lý sinh học hiếu khí có giá trị COD đầu vào tương tự (tính giá trị COD đạt khoảng 550 mg/L) dùng bèo để xử lý cần dùng thời gian dài nhiều (6 ngày – bảng 2) làm giảm COD xuống 138 mg/L để đạt tiêu chuẩn nước thải loại A Điều giải thích chất hữu có nước thải qua xử lý sinh học chuyển hóa thành chất hữu đơn giản hơn, thuận lợi cho việc hấp thụ bèo thời gian xử lý ngắn Nước thải chế biến sữa sau xử lý hệ lọc hiếu khí giờ, chuyển qua bể chứa bèo để tiếp tục xử lý Sự biến đổi thông số COD, NH4- theo thời gian trình bày bảng hình Bảng Kết xử lý mẫu nước thải chế biến sữa lọc sinh học kết hợp với bèo Lọc sinh học Bèo Thời gian (giờ) pH [NH4+] (mg/L) COD (mg/L) 6,74 8,24 22,57 14,62 1075 533 13 37 61 8,24 7,63 7,57 7,67 14,62 9,03 3,03 1,93 533 344 111 60 Từ kết bảng hình cho thấy, giá trị COD giảm nhanh khoảng đầu xử lý cột hiếu khí, cụ thể giá trị COD ban đầu từ 1075 mg/L giảm xuống 533 mg/L (hiệu xuất xử lý đạt 50,42%) Nước thải qua xử lý sinh học hiếu khí, tiếp tục chuyển qua bể xử lý bèo Kết thu cho thấy, Hình Sự biến đổi COD amoni theo thời gian xử lý mẫu nước thải chế biến sữa hệ lọc sinh học két hợp với bèo Từ bảng hình cho thấy, hàm lượng amoni giảm dần theo thời gian xử lý hàm lượng amoni đầu đạt 1,456 mg/L thời gian xử lý ngắn so với mẫu nước thải chưa qua xử lý sinh học hiếu khí Điều thú vị hàm lượng amoni khơng có tăng lên q trình xử lý, điều cho phép dự đốn mẫu nước thải chất hữu chứa nitơ phân tử bị phân hủy tạo M.H.T Tùng, N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 74-80 amoni (hàm lượng amoni đầu vào cao mẫu xử lý) lúc vi sinh vật có thích nghi với nước thải nên tốc độ xử lý amoni nhanh nên dẫn đến khơng có tăng hàm lượng amoni q trình xử lý Nhìn chung, hiệu xử lý COD theo phương pháp sinh học khác cao (đều đạt 90% tùy thuộc vào thời gian xử lý theo đặc tính lọc sinh học hiếu khí thực vật), hiệu xử lý amoni cao tính theo hàm lượng amoni thời điểm tích lũy cao trình xử lý Tuy nhiên, việc xử lý nước thải chế biến sữa phương pháp lọc sinh học hiếu khí thời gian xử lý ngắn tiêu hao nhiều lượng cho q trình sục khí; xử lý bèo có chi phí thấp, cần diện tích đất rộng thời gian xử lý dài Do phương pháp xử lý lọc sinh học hiếu khí kết hợp với bèo có nhiều ưu điểm q trình giảm thời gian xử lý hiếu khí diện tích đất xử lý thực vật Kết luận Đã xử lý thành công chất hữu nitơ nước thải chế biến sữa phương pháp sinh học hiếu khí kết hợp với bèo Kết thu cho thấy, hiệu xử lý COD amoni sử dụng phương pháp sinh học hiếu khí kết hợp với thảm thực vật cao Các tiêu COD, NH4+ nước sau xử lý đạt QCVN 402011/BTNMT nước thải công nghiệp loại A Đặc biệt kết hợp làm giảm thời gian xử lý hệ lọc sinh học hiếu khí nên giảm chi phí cấp khí oxi, đồng thời giảm bớt diện tích đất sử dụng sử dụng phương pháp thảm thực vật 79 Tài liệu tham khảo [1] H Dai, X Yang, T Dong, Y Ke, T Wang, Engineering application of MBR process to the treatment of beer brewing wastewater, Mod Appl Sci (2010) 103 [2] G Durai, M Rajasimman, N Rajamohan, Aerobic digestion of tannery wastewater in a sequential batch reactor by salt-tolerant bacterial strains, Appl Water Sci (2011) 35 [3] K Fadil, A Chahlaoui, A Ouahbi, A Zaid, R Borja, Aerobic biodegradation and detoxification of wastewaters from the olive oil industry, International Biodeterioration & Biodegradation 51 (2003) 37 [4] M.R Rob Van den Broeck, F.M Jan Van Impe, Y.M Ilse Smets, Assessment of activated sludge stability in lab-scale experiments, Journal of Biotechnology 141 (2009) 147 [5] S Sathian, M Rajasimman, G Radha, V Shanmugapriya, C Karthikeyan, Performance of SBR for the treatment of textile dye wastewater: Optimization and kinetic studies, Alexandria Engineering Journal 53 (2014) 417 [6] M W Jayaweera and J C Kasturiarachchi, Removal of Nitrogen and Phosphorus from industrial wastewaters by phytoremediation using water hyacinth (Eichhornia Crassipes), Journal of Wastewater science and technology 50 (6) (2004) 217 [7] H Xia and X Ma, Phytoremediation of Ethion by Water Hyacinth (Eichhornia Crassipes) from Water, Journal of Phytoremediation (2005) 137 [8] B Dhir, P Sharmila, P.P Saradhi, Potential of Aquatic Macrophytes for removing contaminants from the Environment- Critical Review, Environmental Science and Technology 39 (2009a) 754 [9] Y Osem, Y Chen, D Levinson, Y Hadar, The effects of plant roots on microbial community structure in aerated wastewater-treatment reactors, Ecol Eng 29 (2007) 133 [10] Q Chaudhry, M Blom-Zandstra, S Gupta, E.J Joner, Utilising the synergy between plants and rhizosphere microorganisms to enhance breakdown of organic pollutants in the environment Environ Sci Pollut Res 12 (2005) 34 80 M.H.T Tùng, N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 74-80 Treatment of Organics and Ammonium in Milk Manufacturing Wastewater using Combined Biofilter and Plant Process Mai Hung Thanh Tung1, Nguyen Thi Dieu Cam2 Chemical Department, Industrial University of Ho Chi Minh City Chemical Department, Quy Nhon University Abstract: The objective of this study was to treat biological ammonium and organic matter from milk manufacturing wastewater in Binh Dinh using combined biofilter and plant process The treatment efficiency of biofilter-plant method in section biosysterm was higher than that of individually biofilter and plant method to be observed The obtained experiment results showed that the outflowing physico-chemical parameters as COD, NH4+ of milk production wastewater after treatment by the combined use of biofilter and plant treatment reached QCVN 40: 2011/BTNMT for industrial wastewater sort A Keywords: Milk production, biofilter, plant, combined, treatment  ... chất hữu nitơ nước thải chế biến sữa phương pháp sinh học hiếu khí kết hợp với bèo Kết thu cho thấy, hiệu xử lý COD amoni sử dụng phương pháp sinh học hiếu khí kết hợp với thảm thực vật cao Các... gian xử lý dài Do phương pháp xử lý lọc sinh học hiếu khí kết hợp với bèo có nhiều ưu điểm q trình giảm thời gian xử lý hiếu khí diện tích đất xử lý thực vật Kết luận Đã xử lý thành công chất hữu. .. hủy chất hữu kết thúc bèo (cùng với vi sinh vật bám rễ bèo) thích nghi với mơi trường nước thải nên khả hấp thụ xử lý amoni tốt 3.3 Kết xử lý nước thải chế biến sữa phương pháp lọc sinh học hiếu