2.2.1. Các phương pháp phân tích
2.2.1.1.Xác định pH
- Xác định theo TCVN 6492-2011 (ISO 10523:2008) [6]. - Sử dụng pH meter cầm tay, đo trực tiếp tại hệ thống.
2.2.1.2.Tổng chất rắn lơ lửng
Hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) được xác định bằng cách lọc một thể tích mẫu qua giấy lọc có đường kính lỗ 0,45 μm. Thu phần cặn và sấy ở nhiệt độ 105 oC trong 2 giờ [18].
2 1 *1000 m m SS V Trong đó:
m2 - Khối lượng mẫu sau khi sấy ở 105 oC (mg); m1 - Khối lượng giấy lọc trước khí sấy (mg); V - Thể tích mẫu được lọc (mL).
2.2.1.3.Xác định chất rắn lơ lửng bay hơi
Hàm lượng chất rắn lơ lửng bay hơi (VSS) được xác định thông qua nung lượng chất rắn (SS) ở 550 oC trong 30 phút [18]. 2 3 *1000 m m VSS V Trong đó:
m2 - Khối lượng mẫu sau khi sấy ở 105 oC (mg); m3 - Khối lượng mẫu sau khi nung ở 550 oC (mg); V - Thể tích mẫu được lọc (mL).
2.2.1.4.Hàm lượng nitơ
Hàm lượng nitơ tổng (TN) được phân tích bằng bộ kit đo TN chuẩn của hãng HACH. Quy trình đo TN dựa trên quy trình chuẩn kèm theo của hãng với máy phân tích chất lượng nước DR-2800 (HACH) [63].
(mg/L)
41
2.2.1.5.Hàm lượng các ion NH4+có trong nước thải
Mẫu nước thải được thu nhận và được bảo quản ở nhiệt độ -20 oC. Hàm lượng ion NH4+ được phân tích bằng phương pháp sắc ký ion cao áp với máy sắc ký LC-20ADsp (SHIMADZU) [68].
2.2.1.6.Nhu cầu oxy hóa học (COD)
Phân tích COD sử dụng bộ kit đo COD chuẩn của hãng HACH [63]. Quy trình phân tích dựa theo quy trình chuẩn kèm theo của hãng với máy phân tích chất lượng nước DR-2800 (HACH).
Hiệu suất xử lý COD (H) được tính bằng công thức:
*100 CODv CODr H CODv Trong đó:
CODv - hàm lượng COD dòng vào; CODr - hàm lượng COD dòng ra;
2.2.1.7.Nhu cầu oxy hóa sinh học
Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD) được xác định theo quy trình chuẩn kèm theo của hãng với máy phân tích BOD Oxitop12 (WTW, Đức).
2.2.1.8.Chỉ số thể tích lắng của bùn
Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI) là thể tích do 1 gam bùn khô chiếm chỗ (mL) sau khi để dung dịch bùn lắng tĩnh 30 phút trong ống lắng hình trụ dung tích 1000 mL.
Xác định SVI bằng cách lấy 1000 mL dung dịch bùn cho vào ống đong hình trụ dung tích 1000 mL và để ổn định ở nhiệt độ phòng trong thời gian 30 phút. Sau 30 phút đo thể tích bùn lắng và SS của dung dịch bùn [18]. Chỉ số SVI được xác định như sau:
*1000 V SVI SS Trong đó: V - Thể tích bùn lắng (mL); SS - Hàm lượng chất rắn lơ lửng (mg/L).
2.2.1.9.Thời gian lưu và tải trọng hữu cơ
Thời gian lưu (HRT) của nước thải trong thiết bị được tính bằng công thức:
(mL/g) (%)
42 *1000 Vtb HRT Q (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tải trọng hữu cơ (OLR) được tính bằng công thức: * 24 *1000 CODv OLR HRT Trong đó: Vtb - Thể tích thiết bị UASB (L); Q- Lưu lượng vào (L/giờ)
2.2.1.10.Xác định phân bố kích thước hạt bùn
Phân bố kích thước hạt bùn được xác định bằng phương pháp được miêu tả bởi Francese và cộng sự (1998) [51]. Các mẫu bùn được lấy ở cổng lấy gần đáy thiết bị và được phân tách bởi 3 kích thước lỗ sàng khác nhau (0,5 mm, 1 mm và 2 mm). Đầu tiên các hạt bùn được đưa đến sàng có kích thước lớn nhất (2 mm). Sàng này được nhúng trong nước và lắc cho đến khi các hạt có kích thước nhỏ hơn kích cỡ lỗ đi qua. Các hạt nhỏ hơn lại được đưa đến sàng có kích thước 1 mm. Quy trình lặp lại cho đến khi hết các loại sàng. Các phân đoạn này được sấy ở 105 o C trong 2 giờ. 1 i i i i m m m (%)
mi: Khối lượng sinh khối khô của phân đoạn thứ i (g)
2.2.1.11.Xác định thành phần axit béo bay hơi
Axit béo bay hơi (VFA) được xác định trên máy sắc ký GC – 2014 với khí mang là N2, detector FID, cột Stabilwax R-DA (dài 30m, 0,53 mm, 0,25 μm), nhiệt độ injector và detector là 250 oC, nhiệt độ lò là chu trình nhiệt (90 oC/1 phút, tăng đến 230 o
C trong 7 oC/phút và giữ trong 10 phút), áp suất khí mang là 60 kPa, áp suất khí hidro là 70 kPa, áp suất không khí là 50 kPa. Mẫu được pha loãng đến nồng độ 25 -250 mg/L và được axit hóa đến pH 2 - 4 bằng HCl 6M. Trước khi bơm vào máy, mẫu được lọc qua màng lọc 0,2 µm. Thể tích mẫu phân tích là 0,5 mL. Hàm lượng mỗi VFA được xác định thông qua đường chuẩn được xây dựng giữa các nồng độ của mỗi VFA chuẩn và diện tích pic.
2.2.1.12.Xác định tổng lượng khí và thành phần khí sinh học
Tổng lượng khí được đo bằng đồng hồ đo khí kiểu ướt (WS-1A, Shinagawa) sau khi đã loại H2S bằng cách cho dòng khí chạy qua cột chứa bột sắt.
43
Thành phần khí được xác định trên máy sắc ký GC-8A (SHIMADZU) với khí mang là Argon, detector TCD, cột thép (3mm, dài 2m, nhồi vật liệu Unibeads C có kích thước hạt 60/80 mesh). Quy trình phân tích: nhiệt độ injector và detector là 150 oC, nhiệt độ lò là 145 o
C, áp suất khí mang là 80 kPa, thời gian phân tích 10 phút/mẫu. Mẫu khí được lấy bằng xilanh (VICI precision sampling, Inc., Baton Rouge., LA,USA) với thể tích là 1 mL. Trước khi bơm vào máy sắc ký mẫu khí được đẩy ra khỏi xilanh để chỉ 0,5 mL khí được phân tích. Thể tích mỗi khí tỷ lệ thuận với diện tích pic khí đó và được xác định thông qua đường chuẩn xây dựng giữa thể tích khí chuẩn và diện tích pic.
Cách xây dựng đường chuẩn: Mỗi loại khí được lần lượt lấy các thể tích: 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 và 1,0 mL và được bơm vào máy sắc ký GC-8A. Sau đó lập đường chuẩn giữa thể tích khí và diện tích pic tương ứng.
2.2.1.13.Hiệu suất sinh khí metan
Hiệu suất sinh CH4 (H) được tính là tổng lượng khí CH4 sinh ra trong một ngày (tại 0 °C và 1 atm) trên hàm lượng COD được chuyển hóa [30].
* 24*1000 ( ) * Vk H CODv CODr Q Trong đó:
Vk: thể tích khí CH4 (L) sinh ra trong 1 ngày tại 0 °C và 1 atm.
2.2.1.14.Hoạt tính sinh metan riêng
Khả năng sinh metan của bùn (SMA) được xác định bằng cách nuôi cấy trong bình nuôi kỵ khí có dung tích 120 mL chứa 25 mL bùn (MLSS là 1000 mg/L) và 25 mL nước thải tổng hợp. Bùn được rửa 2 lần với đệm photphat 25mM để chuyển cơ chất còn dư trong bùn. Nước thải tổng hợp chứa 1,8 mL/L axetic (tương ứng 2000mg-COD/L) và dung dịch dinh dưỡng, bao gồm: NH4Cl: 1,25 (g/L); CaCl2·2H2O: 0,375 (g/L); MgCl2·6H2O: 1,0 (g/L); KH2PO4:2,04 (g/L); K2HPO4·3H2O: 1,74 (g/L); resazurin: 2,5 (g/L) và 3,75 mL dung dịch vi lượng. Dung dịch vi lượng này bao gồm: FeCl2·4H2O: 2,0 (mg/L); CoCl2·6H2O: 0,17 (mg/L); ZnCl2: 0,07 (mg/L); H3BO3: 0,06 (mg/L); MnCl2·2H2O: 0,50 (mg/L); NiCl2·6H2O: 0,04 (mg/L); CuCl2·2H2O: 0,027 (mg/L); Na2MoO4·2H2O: 0,025 (mg/L); EDTA: 5 (mg/L). Các bình này được điều chỉnh pH đến 7,0 và được điền đầy khí N2 trong khoảng trống (1atm). Các bình được nuôi lắc 120 vòng phút ở nhiệt độ 35 oC. Hàm lượng khí metan sinh ra được xác định sau 24 giờ bằng cách xác định thể tích khí và thành phần khí bằng máy sắc ký GC – 8A [65, 123]. Theo lý thuyết 1g COD sinh ra 350 mL CH4.
44 350. . V SMA VSS Trong đó: V: Thể tích khí metan (mL);
VSS: Hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (mg/L).
: Thời gian (ngày)
2.2.1.15.Xác định thành phần vi sinh vật bằng phương pháp giải trình tự thế hệ mới
Phương pháp giải trình tự thế hệ mới (metagenomics) được thực hiện theo kỹ thuật xác định trình tự đoạn nhỏ (shotgun sequencing) trên thiết bị Illumina tại Phòng thí nghiệm Ứng dụng vi sinh vật môi trường thuộc trường đại học Nagaoka, Nhật Bản (Laboratory of Applied Environmental Microbiology - Nagaoka University of Technology) theo quy trình hình 2.4.
Mẫu bùn hạt được lấy mẫu tại cổng cách đáy 2 cm với thể tích bùn hạt khoảng 5 mL và được bảo quản tại -20 o
C. ADN tổng số của quần thể vi sinh vật từ các mẫu bùn này được tách chiết bằng Fast DNA Spin Kit for Soil (MP Biomedicals) theo quy trình của nhà sản xuất. ADN tổng số được sử dụng làm khuôn trong phản ứng khuếch đại các đoạn gen 16S rADN với cặp mồi 515F và 806R đặc hiệu cho cả vi khuẩn và cổ khuẩn với nhiệt độ gắn mồi là 50 oC [180]. Thành phần của phản ứng PCR - metagenomics bao gồm: 10 μL Premix Ex Taq Hot Start Version (Promega, Mỹ), 2μL template, 1μL primer 10μM 1518F, 1μL primer 10μM 806R, 6μL MiliQ. Chu trình nhiệt cho phản ứng được thực hiện: 95 oC trong 3 phút - 1 chu kỳ, tiếp theo: 95 oC trong 45 giây, 50 oC trong 1 phút, 72 oC trong 1 phút 30 giây thực hiện 25 chu kỳ và cuối cùng 72 oC – 10 phút và duy trì tại 4 oC.
Sản phẩm PCR được tinh sạch bằng kít MinElute PCR Purification (QIAGEN) sau đó kiểm tra mức độ tinh sạch và nồng độ sản phẩm bằng phương pháp đo nanodrop (PicoGreen). Chiều dài đoạn gen 16S rARN được kiểm tra và sàng lọc lại trên thiết bị Bioanalyzer 2100 (Agilent). Các đoạn gen 16S rADN có chiều dài từ 380 - 390 bp được tách và được sử dụng để chuẩn bị thư viện ADN. Các trình tự gen 16S rADN này được xác định đồng thời bằng sử dụng Miseq reagent kit v.2 với hệ thống Miseq (Illumina, Mỹ). Số liệu về trình tự gen được phân tích bằng phần mềm QIIME v.1.7.0 [34]. Trình tự ảo được loại bỏ bằng phần mềm ChimeraSlayer với các đơn vị phân loại hiệu quả (OTU) được chọn lọc ở 97% độ tương đồng [61]. Các nhóm phân loại được xác định bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu Greengenes v.13_5 (http://qiime.wordpress.com/2013/05/20/greengenes-13_5/). Các loài liên quan đến các trình tự 16S rADN được xác định dựa trên BLAST trong cơ sở dữ liệu NCBI.
45
Hình 2.4. Quy trình giải trình tự bằng metagenomics
2.2.2. Nội dung nghiên cứu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.2.1.Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên
Nước thải quá trình sơ chế mủ cao su thiên nhiên được lấy mẫu tại nhà máy cao su nằm trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa vào thời kỳ đầu, giữa và cuối chu kỳ sản xuất (tháng 4, 9 và 12). Mẫu nước thải được lấy tại các khâu đánh đông, cán và rửa với số mẫu lấy trong mỗi tháng là 20 mẫu. Các mẫu nước thải này được phân tích các chỉ tiêu: pH, COD tổng, BOD, SS, TN và N-NH3 và các VFA (axetic, propionic, Iso-butyric, N- butyric, Iso-valeric và N-valeric).
Miseq
Tách DNA tổng số
Thư viện DNA (Các trình tự ngắn 380 - 390bp) Dữ liệu thô PCR (518F, 806R) và tinh sạch Phần mềm QIIME v.1.7.0 Đọc và chúgiải Điều chỉnh Dữ liệu ra Phần mềm ChimeraSlayer Mẫu bùn Phần mềm Greengenesv.13_5 Phần mềm BLAST trên NCBI
46
2.2.2.2.Nghiên cứu tạo bùn hạt trong hệ thống UASB a. Hoạt hóa hệ bùn kỵ khí
Bùn được hoạt hóa bằng nước thải sơ chế mủ cao su từ nhà máy trong 73 ngày. Nước thải sử dụng để hoạt hóa bùn được tách mủ cao su dư và được pha loãng đến nồng độ thích hợp bằng nước máy, pH được điều chỉnh trong khoảng 6,8 – 7,2. OLR được tăng trong khoảng 0,72 – 2,61 kg-COD/(m3.ngày) thông qua việc tăng COD dòng vào khi hiệu suất xử lý COD đạt trên 80%, HRT được giữ cố định là 18 giờ.
Trong quá trình hoạt hóa, bùn được lấy mẫu định kỳ sau 15 ngày và xác định các thông số SMA, MLSS và MLVSS. Chỉ số SVI của bùn trước và sau hoạt hóa cũng được xác định.
b. Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ
Thí nghiệm 1 được tiến hành với việc thay đổi OLR trong khoảng 1,01 ± 0,32 kg- COD/(m3.ngày), thí nghiệm 2 với việc thay đổi OLR trong khoảng 3,10 ± 0,92 kg COD/m3.ngày. Nước thải từ nhà máy được tách mủ cao su dư và được pha loãng đến nồng độ thích hợp bằng nước máy. HRT là 18 giờ, nhiệt độ duy trì là 35 oC trong 70 ngày.
Thành phần khí, thể tích khí và nhiệt độ được xác định hàng ngày, COD được xác định 1 lần/tuần. Kích thước bùn hạt được xác định định kỳ sau 15 ngày, SVI được xác định trước và sau thí nghiệm.
c. Ảnh hưởng của AlCl3
Nước thải từ nhà máy được tách mủ dư và pha loãng bằng nước máy đến COD theo yêu cầu, bổ sung 300 mg/L AlCl3 và điều chỉnh pH bằng NaOH trong khoảng 6,8 – 7,2. OLR được thay đổi bằng cách tăng COD khi hiệu suất chuyển hóa COD trên 80% và được giữ trong khoảng 3,18 ± 0,74 kg-COD/(m3
.ngày). HRT là 18 giờ, nhiệt độ duy trì cho hệ thống là 35 oC trong 103 ngày.
Thành phần khí, thể tích khí và nhiệt độ được xác định hàng ngày, COD được xác định 1 lần/tuần. Kích thước bùn hạt được xác định định kỳ sau 10 ngày và ngày kết thúc thí nghiệm, SVI được xác định trước và sau thí nghiệm.
d. Ảnh hưởng của rỉ đường
Nước thải đánh đông trong phòng thí nghiệm được tách mủ dư và pha loãng bằng nước máy đến COD theo yêu cầu, bổ sung 1 g/L rỉ đường và kiểm soát pH dòng vào trong khoảng 6,0 – 8,0. OLR thay đổi trong khoảng 3,19 ± 0,68 kg-COD/(m3.ngày) bằng cách tăng COD dòng vào (từ 1170 – 2178 mg/L), HRT là 12 giờ.
47
Thành phần khí, thể tích khí và nhiệt độ được xác định hàng ngày, COD được xác định 2 lần/tuần. Kích thước bùn hạt được xác định định kỳ sau 10 ngày và ngày kết thúc thí nghiệm, SVI được xác định trước và sau thí nghiệm.
e. Xác định thành phần vi sinh vật trong các loại bùn hạt kỵ khí
Các mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa, bùn hạt khi tăng OLR, bổ sung AlCl3 và rỉ đường được tập hợp và bảo quản tại nhiệt độ - 20 o
C. Mẫu bùn được tách chiết ADN bằng kit Fast DNA Spin Kit for Soil (MP Biomedicals) theo quy trình của nhà sản xuất. Các mẫu ADN sau khi tách chiết được kiểm tra nồng độ bằng phương pháp đo nanodrop (PicoGreen). Mẫu ADN được đưa sang Nhật Bản để phân tích bằng kỹ thuật metanogenmic.
f. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sơ chế mủ cao su bằng UASB sử dụng bùn hạt
Hai hệ thống UASB được sử dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su đánh đông trong phòng thí nghiệm. Hệ thống UASB1 sử dụng bùn hạt được hình thành trong nước thải sơ chế mủ cao su có bổ sung 1mg/L rỉ đường, hệ thống UASB2 sử dụng bùn phân tán. Nước thải sơ chế mủ cao su được pha loãng bằng nước máy đến hàm lượng COD thích hợp. OLR tăng dần thông qua việc tăng COD và giảm HRT từ 12 giờ xuống 8 giờ. Việc tăng COD được thực hiện khi trên 80% COD được chuyển hóa.
Các thông số pH, nhiệt độ, thành phần và thể tích khí được xác định hàng ngày, COD được xác định 2 lần/tuần, SVI và kích thước hạt được xác định định kỳ 1 tháng/1 lần. Thành phần vi sinh vật trong bùn được xác định trước và sau xử lý.
g. Khảo sát điều kiện bảo quản hạt bùn
Bùn hạt sau quá trình xử lý nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên được chia làm 2 phần. Một phần được lưu trữ bằng can nhựa và bảo quản trong tủ lạnh 4 oC, phần còn lại được lưu trữ bằng hệ thống UASB ở trạng thái nghỉ trong điều kiện phòng. Các phần bùn được nhúng trong nước thải sơ chế mủ cao su (COD khoảng 1500 mg/L). Các thông số COD hòa tan (CODs), SMA, kích thước hạt được xác định định kỳ 1 tháng/1 lần.
48
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1. Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế mủ cao su thiên nhiên
3.1.1. Nước thải nhà máy tại khâu đánh đông
Ở khu vực phía Bắc, cao su thường được thu hoạch từ đầu tháng 4 đến cuối tháng 12 nên các nhà máy sơ chế mủ cao su cũng hoạt động trong khoảng thời gian này. Sản phẩm của các nhà máy này là cao su khối và quy trình sản xuất chủ yếu là đánh đông mủ cao su bằng axit axetic. Để sản xuất 1 kg cao su khối nhà máy đã thải ra môi trường khoảng 25 – 30 lít nước thải, trong đó thể tích nước thải tại khâu đánh đông chiếm khoảng 1/8 - 1/6 tổng thể tích nước