3.1.1 Thời gian nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu được thực hiện từ tháng 08/2013 đến 12/2013.
3.1.2 Địa điểm nghiên cứu
Phòng thí nghiệm Chất lượng môi trường, Bộ môn Khoa học Môi trường, khoa Môi Trường và Tài nguyên thiên nhiên, trường Đại học Cần Thơ.
3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 3.2.1 Phƣơng tiện nghiên cứu
Cát, đá 4 x 6, xi măng để tạo khối vật liệu.
Bể Composite thể tích 35 lít làm bể thực hiện thí nghiệm.
Dụng cụ thu mẫu và chứa mẫu: chai thủy tinh thu mẫu, tủ trữ mẫu.
Dụng cụ đo đạc và phân tích các chỉ tiêu: nhiệt kế, nồi khử trùng áp suất (Autoclave), tủ sấy, bộ lọc chân không, máy đo pH Mettler-Toledo AG BHMY schwerzenbach, máy đo EC Thermo Orion Model 105, máy đo DO YSI 556 MPS, máy sắc kí ion Shodex CD-5 (Japan), pipet, đầu col, các loại ống nghiệm lớn nhỏ, ống đong, bình tam giác, cốc thủy tinh lớn nhỏ,…
Các loại hóa chất cần thiết để phân tích các chỉ tiêu: COD, TN, TP, TDP và P- PO43-.
3.2.2 Chuẩn bị vật liệu (khối bê tông) và lớp màng biofilm
Theo Masazuki Seto và Lê Anh Kha (2003) đã xác định một số thuộc tính của khối bê tông như sau:
Thuộc tính Giá trị
Kích thước của khối bê tông 10x10x10 (cm)
Kích thước viên đá 4x6 (cm)
Tỉ lệ lỗ rỗng 30 (%)
Chỉ số nén 20 (kg/cm3)
20
Dựa trên các thuộc tính cơ bản của khối bê tông ở các nghiên cứu trên, cải tiến một số yếu tố như chất kết dính, hình dạng và thể tích để làm tăng diện tích của khối bê tông. Qui trình tạo khối bê tông được thực hiện như sau:
Chuẩn bị nguyên liệu
Để tạo được khối bê tông cần có các nguyên liệu như: cát, đá 4 x 6 và xi măng. Đây là các nguyên liệu thông dụng trong ngành xây dựng.
Cát sử dụng là cát thô nhằm làm tăng độ nhám trên bề mặt cho vật liệu.
Đá có các hình dạng không đồng nhất giúp việc tạo hình cho vật liệu dễ dàng hơn.
Xi măng đóng vai trò là chất kết dính các viên đá và cát để tạo khoảng rỗng cho vật liệu.
Tỷ lệ phối trộn
Khối bê tông được đúc từ đá, cát, xi măng theo tỉ lệ tương ứng là 4:3:1. Cát chiếm tỉ lệ khá nhiều sẽ giúp cho khối bê tông xốp hơn.
Cách tạo vật liệu
Đầu tiên ngâm đá với nước máy để rửa sạch các phụ phẩm bên ngoài bề mặt, sau đó vớt ra và trộn đều với hỗn hợp hồ khô (cát và xi măng) sao cho lớp hồ khô này phủ đều để làm tăng độ nhám của từng viên đá. Cho thêm nước vào từ từ, trộn tiếp cho đến khi các thành phần trong hỗn hợp hòa lẫn vào nhau. Sau đó gấp từng viên đá đã được phối trộn đều trong hỗn hợp xếp đầy vào khuôn có dạng lập phương cạnh 10cm và để khô. Mục đích của việc xếp từng viên đá là nhằm làm tăng độ rỗng của khối bê tông. Sau 7 ngày sẽ thu được khối vật liệu dạng lập phương cạnh 10cm với bề mặt nhám, lồi lõm và có độ rỗng cao tạo điều kiện thuận lợi cho sự lưu thông của dòng nước thải và là nơi cư trú tốt cho vi sinh vật.
Cách tạo màng biofilm
Sau khi đúc, các khối bê tông sẽ được đem ngâm vào dòng nước có pha nguồn dinh dưỡng và có bổ sung nguồn vi sinh từ vùng bản địa: lấy từ bể xử lý của Công ty TNHH Thủy Sản Quang Minh, lô số 2.20A KCN Trà Nóc 2, phường Phước Thới, quận Ô Môn - Tp Cần Thơ. Ngoài ra, còn bổ sung vào bể nuôi nguồn đất lấy từ khu đất canh tác nông nghiệp của quận Cái Răng – Tp. Cần Thơ.
3.2.3 Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm
Dùng bể composite có thể tích 35 lít làm bể phản ứng, bể này chứa 20 lít dung dịch pha từ nước máy và hóa chất để có nồng độ N-NH4+ khoảng 30-100mg/L. Với nồng độ amôn này dung dịch nước pha sẽ có thành phần tương đương với
21
nước thải nhà máy chế biến thủy sản sau giai đoạn amôn hóa. Sau đó cho 12 khối bê tông có sẵn màng biofilm vào bể để tiến hành thực hiện phản ứng nitrate hóa chuyển đạm từ dạng N-NH4+ sang dạng N-NO3- (xử lý theo dạng mẻ).
Thành phần hóa chất để pha dung dịch nước có nồng độ amôn tương đương với nồng độ amôn của nước thải nhà máy chế biến thủy sản được trình bày qua bảng sau: Bảng 3.1 Thành phần hóa chất sử dụng STT Hóa chất Lƣợng sử dụng (g/20 lít nƣớc máy) 1 Pepton 0.6 2 Na2HPO4.12H2O 0.57 3 (NH4)2SO4 3.44
Để thực hiện mục tiêu thí nghiệm tiến hành thực hiện song song 2 nghiệm thức:
Nghiệm thức 1 (nghiệm thức đối chứng): Thực hiện thí nghiệm với nguồn nước thải pha trong điều kiện vật liệu sử dụng (khối bê tông) chưa có lớp màng biofilm trên bề mặt.
Nguồn nước cấp thí nghiệm cho vào bể là nguồn nước có sẵn nguồn N- NH4+ được pha từ hóa chất trong phòng thí nghiệm theo tỉ lệ ở bảng 3.1. (NH4)2SO4 sẽ tạo nguồn đạm ở dạng NH4+, pepton và Na2HPO4.12H2O sẽ cung cấp dinh dưỡng cho vi sinh vật hoạt động trong quá trình chuyển hóa.
Thí nghiệm thực hiện trong điều kiện đủ ánh sáng và tạo các điều kiện thích hợp về nhiệt độ, oxy,... Tiến hành nghiệm thức lặp lại 3 lần.
Đo các chỉ tiêu ở mẫu thu như: pH, EC, DO, COD, N-NH4+, N-NO2-, N- NO3-,P- PO43-, TP, TDP và TN.
Nghiệm thức 2:
Bố trí như ở nghiệm thức 1 nhưng vật liệu sử dụng (khối bê tông) có sẵn lớp màng biofilm trên bề mặt để thực hiện phản ứng nitrate hóa amôn trong nước.
Điều kiện thực hiện thí nghiệm và cách thu mẫu giống ở thí nghiệm 1. Tiến hành đo các chỉ tiêu và so sánh để thấy được hiệu suất của quá trình nitrate hóa được thực hiện bởi lớp màng sinh học trên bề mặt vật liệu sử dụng.
22
Nghiệm thức 1 và 2 được tiến hành đồng thời và bố trí đặt cạnh nhau.
Bể 1: Vật liệu không có màng biofilm Bể 2: Vật liệu có màng biofilm
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
3.2.4 Phƣơng pháp thu mẫu
Mẫu được thu theo phương pháp phòng thí nghiệm môi trường - bộ môn Khoa học Môi trường.
Nhiệt độ được xác định bằng nhiệt kế.
pH đo bằng máy Mettler Toledo AG BHMY schwerzenbach, Switzerland.
EC đo bằng máy Thermo Orion Model 105. DO được xác định bằng máy YSI 556 MPS.
COD được đo bằng phương pháp K2Cr2O7 trong môi trường kiềm.
Nồng độ các ion NO2-, NO3-, NH4+ đo bằng máy sắc ký ion Shodex CD5. Các chỉ tiêu như TN, TP, TDP phân tích theo phương pháp so màu quang phổ.
Phân tích PO43- theo phương pháp Ascorbic axit.
Thu mẫu bằng chai thủy tinh 1 lít, tráng mẫu 3 lần trước khi thu, trữ mẫu ở 4ºC.
Sục khí
Vị trí thu mẫu X
23 Tổng số mẫu phân tích:
Mẫu thu đầu vào:
1(vị trí thu mẫu) x 2(Nghiệm thức) x 3(lần lặp lại) = 6 mẫu Mẫu thu đầu ra:
4(số ngày thu mẫu) x 2(Nghiệm thức) x 3(lần lặp lại) = 24 mẫu
Tổng số mẫu phân tích = (đầu vào + đầu ra) x số chỉ tiêu = (6 + 24 ) x 12 = 360 mẫu.
3.2.5 Phƣơng pháp phân tích
Bảng 3.2 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu
Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Phƣơng pháp phân tích
Nhiệt độ C Đo bằng nhiệt kế rượu
pH Đo bằng máy đo Mettler-Toledo AG BHMY
schwerzenbach, Switzerland.
EC µm/cm Đo bằng máy đo Thermo Orion Model 105.
DO mg/L Đo bằng máy đo YSI 556 MPS.
COD mg/L Phương pháp Kali bicromate
NH4+ mg/L Đo bằng máy sắc ký ion Shodex CD-5 (Japan)
NO2- mg/L Đo bằng máy sắc ký ion Shodex CD-5 (Japan)
NO3- mg/L Đo bằng máy sắc ký ion Shodex CD-5 (Japan)
PO43- mg/L Phương pháp Ascorbic axit
TN TP TDP mg/L mg/L mg/L
Đo bằng máy hấp thu quang phổ Đo bằng máy hấp thu quang phổ Đo bằng máy hấp thu quang phổ
3.2.6 Phƣơng pháp tính toán và xử lý số liệu
24
CHƢƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Kết quả tạo vật liệu thí nghiệm
Vật liệu (khối bê tông) đã được tạo thành từ các nguyên liệu như: cát, đá 4x6 và xi măng. Đây là các nguyên liệu thông dụng trong ngành xây dựng. Cát được dùng là loại cát thô nên độ nhám trên bề mặt vật liệu khá cao. Xi măng là chất trung gian kết dính các viên đá và cát lại với nhau khá bền chặt. Khối bê tông được làm từ đá, cát, xi măng theo tỷ lệ tương ứng là 4:3:1. Theo tỷ lệ, cát nhiều gấp 3 lần xi măng nên hỗn hợp của khối bê tông tương đối xốp. Đá được ngâm trước vào nước máy, sau đó vớt ra và trộn đều vào hỗn hợp hồ khô (cát và xi măng) cho lớp hồ khô này phủ đều nên độ nhám của từng viên đá cũng tăng lên. Do gấp từng viên đá đã được trộn đều trong hỗn hợp xếp đầy vào khuôn và để khô nên khối bê tông có độ rỗng khá cao. Cuối cùng, lấy ra khỏi khuôn được khối bê tông có bề mặt nhám, lồi lõm và có độ rỗng cao tạo điều kiện thuận lợi cho sự lưu thông của dòng nước thải và là nơi cư trú tốt cho các vi sinh vật.
4.2 Tạo màng biofilm trên bề mặt khối bê tông
Sau khi các khối bê tông đã được tạo thành, đem ngâm khối bê tông vào nguồn nước máy pha hóa chất có thành phần tương đương với nguồn nước thải và có nguồn vi sinh lấy từ nhà máy xử lý, tiến hành cung cấp sục khí và ánh sáng mặt trời, sử dụng máy bơm để tạo dòng nước chảy. Sau một thời gian màng biofilm dần dần bám vào bề mặt khối bê tông, sau khoảng 20 ngày thì màng biofilm phát triển tốt và đưa vào bố trí thí nghiệm như dự định.
4.3 Kết quả phân tích thành phần nƣớc máy
Bảng 4.1 Giá trị nồng độ các chỉ tiêu phân tích của nước máy
STT Chỉ tiêu Giá trị 1 Nhiệt độ (C) 28.5 2 pH 7.05 3 DO (mg/L) 6.85 4 EC (m/cm) 80.2 5 COD (mg/L) 1.6 6 N-NO3- (mg/L) 0.0 7 N-NH4+ (mg/L) 0.0
25 8 N-NO2- (mg/L) 0.0 9 P-PO43- (mg/L) 0.15 10 TDP (mg/L) 0.73 11 TP (mg/L) 1.08 12 TN (mg/L) 1.05
Qua quá trình phân tích thu được các thành phần trong nước máy có giá trị như ở bảng trên. Qua bảng trên ta thấy nước máy có thể dùng để bố trí thí nghiệm, ảnh hưởng của nước máy là không đáng kể.
4.4 Kết quả thí nghiệm với nƣớc thải pha bằng hóa chất có thành phần tƣơng đƣơng với nƣớc thải nhà máy chế biến thủy sản sau giai đoạn amôn hóa
4.4.1 Nhiệt độ
Hình 4.1 Sự biến động nhiệt độ (C) đầu vào và đầu ra ở các ngày thu mẫu
Nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng hòa tan của các chất ô nhiễm. Nhiệt độ càng cao thì khả năng hòa tan và phản ứng càng cao, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật, nếu nhiệt độ tăng dần thì sự sinh trưởng và biến dưỡng của vi sinh vật cũng tăng theo đến một nhiệt độ nhất định thì tất cả đình lại, nếu nhiệt độ tăng cao hơn nữa thì hoạt động của vi sinh vật sẽ rơi xuống đến mức không (Lê Trình, 1997).
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Đầu vào 1 2 3 4 Nhi ệt độ (ºC )
Ngày thu mẫu
Đối chứng Nghiệm thức
26
Theo hình 4.1 thì nhiệt độ dao động trong khoảng 28-29C, với nhiệt độ này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật nói chung và vi khuẩn nitrate hóa nói riêng chuyển hóa tốt, năng lượng ánh sáng mặt trời là một yếu tố cần thiết thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn nitrate hóa.
Nhiệt độ của các ngày thu mẫu có sự chênh lệch nhau do ảnh hưởng từ nhiệt độ của ánh sáng mặt trời, tuy nhiên thì sự chênh lệch này cũng không nhiều.
Theo Huỳnh Thị Ngọc Lưu và Nguyễn Thị Thu Vân (2007) tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn nitrate hóa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, nhiệt độ thích hợp nằm trong khoảng từ 8-30C, nhiệt độ tối ưu cho quá trình vào khoảng 30C, nhiệt độ của thí nghiệm cũng gần với nhiệt độ tối ưu thích hợp cho vi khuẩn nitrate hóa.
4.4.2 pH
Hình 4.2 Sự biến động pH đầu vào và đầu ra ở các ngày thu mẫu
Độ pH cho biết hiện trạng nguồn nước trước và sau khi bị tác động tự nhiên hay nhân tạo. Thông số này được dùng trong việc so sánh các loại nước với nhau. Ngoài ra, độ pH còn cho phép xác định nước thải có tính trung hòa pH=7 hay tính axid pH<7 hoặc tính kiềm pH >7. Quá trình xử lý sinh học nước thải rất nhạy cảm với sự dao động của pH. Trong đó, quá trình xử lý hiếu khí đòi hỏi độ pH trong khoảng 6.5 - 8.5 và khoảng chỉ số tốt nhất là từ 6.8 - 7.4 (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003).
pH của các loại nước có ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trong nước (quá trình trao đổi chất, quá trình sinh sản và phát triển của vi sinh vật),
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 Đầu vào 1 2 3 4 pH
Ngày thu mẫu
Đối chứng Nghiệm thức
27
ảnh hưởng tới các quá trình vật lý xảy ra trong môi trường nước (quá trình chuyển trạng thái rắn, lỏng và khí của vật chất, quá trình hòa tan, kết lắng của vật chất), ảnh hưởng rất mạnh đến tất cả các phản ứng hóa học xảy ra trong môi trường nước.
Theo Trần Cẩm Vân (2002), quá trình oxy hóa NH4+ thành NO2- được tiến hành bởi nhóm vi khuẩn nitrite hóa. Chúng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng:
NH4+ + 3/2O2 NO2- + H2O + 2H+ + năng lượng (*)
Ở nghiệm thức có màng biofilm, pH có xu hướng giảm ở ngày 1, 2, 3 nhưng sau đó lại tăng lên ở ngày 4. Theo cơ chế (*) thì trong quá trình chuyển hóa NH4+
sang NO2- sẽ giải phóng ra môi trường điện tử H+. Ở 3 ngày đầu quá trình nitrate hóa diễn ra mạnh nên lượng điện tử sẽ giải phóng vào nước nhiều, lượng H+
tăng lên sẽ làm pH của nước ở các ngày tiếp theo giảm so với pH ở đầu vào, nhưng đến ngày 4 thì màng biofilm trên bề mặt vật liệu yếu hơn làm quá trình nitrate cũng diễn ra chậm hơn nên lượng H+
giải phóng vào môi trường ít hơn. Mặt khác với điều kiện có ánh sáng mặt trời và sục khí liên tục nên đến ngày 4 tảo phát triển trong bể thí nghiệm cũng khá nhiều, lượng tảo này quang hợp sẽ giải phóng khí CO2 vào môi trường làm pH trong nước tăng lên.
Nhìn chung, giá trị pH dao động 6.5-7.2, giá trị pH này ở khoảng trung tính và nghiêng về kiềm nhẹ thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật.
28
4.4.3 EC
Hình 4.3 Sự biến động EC đầu vào và đầu ra ở các ngày thu mẫu
Nhìn chung, độ dẫn điện (EC) qua các ngày thu mẫu tương đối ổn định và không thay đổi nhiều.
Độ dẫn điện của nước thải phản ánh mức độ hiện diện của các ion hòa tan trong nước. Nồng độ ion càng cao thì độ dẫn điện càng cao. EC là thước đo gần đúng các chất vô cơ trong nước. Các ion này thường là muối của kim loại như NaCl, KCl, SO42-, NO3-, PO43-…Tác động ô nhiễm của nước có EC cao thường liên quan đến tính độc hại của các ion hòa tan trong nước (Huỳnh Quốc Tịnh, 2007).
Độ dẫn điện của các ion trong nước của thí nghiệm dao động trong khoảng 330-355 S/cm. Ở thí nghiệm có màng biofilm chủ yếu có sự chuyển đổi đạm từ dạng N-NH4+ sang đạm ở dạng N-NO3- nên tổng lượng ion không có sự thay đổi nhiều. Vì vậy, EC của thí nghiệm tương đối ổn định.
100 150 200 250 300 350 400 Đầu vào 1 2 3 4 E C ( µ m /cm )
Ngày thu mẫu
Đối chứng Nghiệm thức
29
4.4.4 DO
Hình 4.4 Sự biến động nồng độ DO (mg/L) đầu vào và đầu ra của các ngày thu mẫu
Theo Lê Văn Khoa (1996) trong các chất khí hòa tan trong nước, oxy hòa tan đóng một vai trò rất quan trọng. Oxy hòa tan cần thiết cho sinh vật thủy sinh phát