6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.2.2. Quá trình nuôi cấy và tạo màng vi sinh trên vật liệu
Vật liệu xốp được đưa vào rá đỡ trong bể xử lý. Sau đó bơm nước có chứa chất dinh dưỡng vào bể xử lý (nước thải hồ nuôi tôm). Nước thải nuôi tôm là nước lợ, có chứa các chất thải bắt nguồn từ thức ăn do tôm không ăn hết, phân tôm và chuyển hoá dinh dưỡng làm thức ăn cho vi sinh vật để quá trình hình thành màng diễn ra.
Vi sinh hiếu khí và vi sinh thiếu khí được nuôi cấy theo quy trình SBR trên chất mang được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 2 tháng.
Sau đó thường xuyên theo dõi các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành và phát triển của màng vi sinh như pH, độ mặn…
Nguồn vi sinh nuôi cấy lấy từ chính nguồn nước thải nuôi tôm, sau đó cung cấp thêm các điều kiện thích hợp để chúng phát triển. Sau khoảng thời gian nuôi cấy, vi sinh dần dần hình thành màng trên vật liệu xốp.
Để kiểm tra kết quả của sự tạo màng vi sinh vật trên chất mang, chúng tôi đã tiến hành chụp ảnh màng vi sinh trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết quả được thể hiện ở hình 3.2.
2.3. Quy trình lấy mẫu nƣớc thải
2.3.1. Dụng cụ đựng và lấy mẫu
Bình đựng mẫu cần chống được sự mất mát do chất hấp thụ, bay hơi và ô nhiễm bởi chất lạ. Bình đựng mẫu phải bền chắc, dễ đậy kín, dễ mở, khối lượng, dạng và kích cỡ hợp lý, dễ làm sạch và có thể sử dụng lại. Nên dùng bình bằng chất dẻo để lấy mẫu nước thải [14].
Thiết bị lấy mẫu đơn giản nhất là xô, muôi hoặc bình miệng rộng. Thiết bị phải được làm bằng vật liệu trơ, không gây ảnh hưởng đến phân tích sau này. Trước khi lấy mẫu thiết bị phải được làm sạch bằng chất tẩy rửa và nước hoặc chính bằng nước cần lấy ngay trước khi lấy mẫu, điều đó làm giảm khả năng gây ô nhiễm mẫu.
2.3.2. Điểm lấy mẫu
Nước thải nuôi tôm trong môi trương nước lợ được lấy ở mương chứa nước thải bên cạnh hồ nuôi tôm trên địa bàn xã Phước Sơn – Huyện Tuy Phước - Tỉnh Bình Định.
Hình 2.3. Hình ảnh thực tế đi lấy mẫu nƣớc thải nuôi tôm
2.3.3. Cách lấy mẫu
Lấy nước thải theo loại mẫu đơn tức là toàn bộ thể tích mẫu lấy một điểm, nước thải ít thay đổi về thể tích và thành phần, một mẫu đơn có thể đại diện cho thành phần nước thải trong thời gian dài.
2.4. Phƣơng pháp phân tích
2.4.1. Xác định chỉ tiêu pH
2.4.1.1. Nguyên tắc
Việc xác định giá trị pH dựa trên việc đo hiệu điện thế của pin điện hóa khi dùng một pH-mét phù hợp.
2.4.1.2. Hóa chất, thiết bị, dụng
- Nước cất, Dung dịch đệm
- Chất điện giải dùng để nạp vào điện cực so sánh - Dung dịch Kali clorua 3M
- Bình mẫu - pH-mét
- Điện cực thủy tinh và điện cực so sánh - Máy khuấy và con khuấy
2.4.1.3. Quy trình phân tích
- Lấy mẫu
Giá trị pH có thể thay đổi nhanh chóng do các quá trình hóa học, vật lý hoặc sinh học trong mẫu nước. Do đó, cần đo pH càng sớm càng tốt, ngay tại thời điểm lấy mẫu. Nếu không thể thực hiện, lấy mẫu nước vào bình mẫu có nắp đậy, đáy bằng làm bằng polyetylen hoặc thủy tinh, nạp đầy hoàn toàn mẫu vào chai và đậy nút, không chứa bọt.
Khi lấy mẫu vào chai, tránh làm trao đổi khí giữa mẫu với không khí xung quanh
- Chuẩn bị
Theo hướng dẫn của nhà sản xuất khi vận hành điện cực pH. Đảm bảo tính năng của điện cực bằng cách bảo dưỡng định kỳ và thử nghiệm
Lựa chọn dung dịch đệm sao cho phép đo mẫu dự kiến nằm trong khoảng các giá trị của hai dung dịch đệm.
Bật thiết bị đo; đối với thiết bị nhận dạng dung dịch đệm tự động, kích hoạt bộ lưu dữ liệu của dung dịch đệm đã chuẩn bị để hiệu chuẩn
- Hiệu chuẩn và điều chỉnh thiết bị đo
Hiệu chuẩn điện cực pH tại hai điểm sử dụng dung dịch đệm của khoảng pH dự kiến theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
Chuẩn bị 2 dung dịch chuẩn pH-4, pH-7; Nhấn nút Calibrate - Rửa điện cực bằng nước cất; Nhúng điện cực vào dung dịch chuẩn pH-7 chờ đến khi biểu tượng pH hết nhấp nháy trên màn hình; Nhấn nút Calibrate - Rửa điện cực bằng nước cất; Nhúng điện cực vào dung dịch chuẩn pH-4 chờ đến khi
biểu tượng pH hết nhấp nháy trên màn hình; Nhấn nút Calibrate - Nhấn Measure (Save).
- Đo mẫu
Đo mẫu ở cùng với điều kiện hiệu chuẩn, tốt hơn nên xác định giá trị pH ngay trong chai lấy mẫu.
Tiến hành đo mẫu: Mẫu cần đo lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình. Thực nghiệm xác định pH được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 6492 : 2011 Chất lượng nước -Xác định pH
2.4.2. Xác định nhu cầu oxi hóa học COD (K2Cr2O7)
Nhu cầu oxi hóa học là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa các chất hữu cơ trong nước thành CO2 và nước bằng tác nhân oxi hóa mạnh.
2.4.2.1. Nguyên tắc
Nguyên tắc của phương pháp này là mẫu được đun hồi lưu với K2Cr2O7 và chất xúc tác bạc sunfat trong môi trường axit sufuric đặc. Phản ứng diễn ra như sau:
Cr2O72- + 14H+ + 6e 2Cr3+ + 7H2O Quá trình oxi hóa cũng có thể được viết:
O2 + 4H+ + 4e 2H2O Như vậy 1 mol Cr2O7
2-
sẽ tiêu thụ 6 mol electron để tạo ra 2 mol Cr3+. Trong khi mỗi một O2 tiêu thụ 4 mol electron để tạo ra nước, do đó 1 mol Cr2O72- tương ứng với 3/2 mol O2 .
Bạc sunfat dùng để thúc đẩy quá trình oxi hóa các chất hữu cơ phân tử lượng thấp.Các ion Cl-
gây cản trở cho quá trình phản ứng: Cr2O7
2-
+ 6Cl- + 14H+ 3Cl2 + Cr3+ + 7H2O
Để tránh sự cản trở trên người ta cho thêm HgSO4 để tạo phức với Cl-. Ngoài sự cản trở của ion Cl- còn phải kể đến sự cản trở của nitrit (NO2-), tuy nhiên với lượng NO2- từ 1 đến 1,2 mg/L thì sự cản trở của chúng được xem là
không đáng kể, còn việc tách loại chúng ra khỏi mẫu thì cần thêm một lượng axit sunfamic với tỉ lệ 10 mg/L mg NO2
- .
2.4.2.2. Hóa chất
- Hỗn hợp phản ứng: cho 10,216 g K2Cr2O7 (loại tinh khiết sấy sơ bộ ở 1030C trong 2 giờ) vào bình định mức 1 lít, thêm 167 mL dung dịch H2SO4 và 33,3 g HgSO4. Làm lạnh và định mức bằng nước cất đến vạch.
- Thuốc thử axit: pha thuốc thử theo tỉ lệ 22 g Ag2SO4/4 kg H2SO4 .Để dung dịch pha khoảng 1 đến 2 ngày để lượng Ag2SO4 tan hết hoàn toàn.
- Dung dịch chuẩn Kali hidro phtalat (HOOCC6H4COOK): sấy sơ bộ một lượng kali hidro phtalat ở nhiệt độ 1200C. Cân 850 mg kali hidro phtalat cho vào bình định mức 1 lít và định mức đến vạch bằng nước cất.
2.4.2.3. Phương pháp xác định
Lấy vào ống phá mẫu 2,5 mL mẫu, thêm vào 3,5 mL dung dịch thuốc thử axit và 1,5 ml dung dịch phản ứng. Đem đun trên máy phá mẫu COD ở nhiệt độ 1480C trong 2giờ. Lấy ra để nguội đem đo mật độ quang ở bước sóng 605 nm. Chú ý khi đo cần tránh để dung dịch đục hoặc có bọt khí vì những yếu tố này có thể làm sai kết quả phân tích.
Cần tiến hành phân tích mỗi mẫu lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình. Song song cần tiến hành mẫu trắng để loại bỏ sai số nền.
Thực nghiệm xác định COD được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 6491 : 1999 Chất lượng nước -Xác định nhu cầu oxi hóa học
2.4.2.4. Xây dựng đường chuẩn
Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ 20 – 1000 mg O2/L. Tiến hành xây dựng đường chuẩn với lượng hóa chất theo bảng 2.1 ta sẽ có được phương trình đường chuẩn theo dạng y = ax + b
Bảng 2.1. Lƣợng dung dịch (dd) chuẩn, lƣợng nƣớc cất, nồng độ O2
STT Lượng dd chuẩn (mL) Lượng nước cất (mL) Nồng độ O2 (mg/L)
1 5 95 50 2 10 90 100 3 20 80 200 4 30 70 300 5 50 50 500 6 60 40 600 7 80 20 800 8 95 5 950
Tiến hành xác định COD của dung dịch chuẩn cũng tương tự như cách xác định nồng độ COD trong mẫu theo quy trình phân tích.
Đem đo mật độ quang ta thu được bảng (2.2) kết quả xây dựng đường chuẩn COD.
Bảng 2.2. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn COD
Nồng độ O2
(mg/L) 50 100 200 300 500 600 800 950
Mật độ quang 0,044 0,060 0,096 0,131 0,194 0,225 0,297 0,341 Từ những giá trị đã xác định ở trên, xây dựng đồ thị và phương trình biểu diễn sự phụ thuộc giữa nồng độ COD và mật độ quang, ta có được phương trình đường chuẩn theo dạng y = ax + b. Từ phương trình đường chuẩn ta tính được hàm lượng COD có trong mẫu nước thải nuôi tôm.
0 200 400 600 800 1000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Mậ t độ q ua ng (Ab s) Nồng độ O2( mg/L) y = 0,0003x + 0,02857 R2 = 0,99956 Hình 2.4. Đƣờng chuẩn COD
Nhận xét: Trong khoảng nồng độ COD từ 50 đến 1000 mgO2/L phép đo mật độ quang tuân theo định luật Lambe - Beer. Vì vậy trong các mẫu đo thực tế sau này phải có giá trị COD trong khoảng nồng độ này.
2.4.3. Xác định nhu cầu oxi sinh hóa (BOD)
2.4.3.1. Nguyên lí của phép đo
Hệ thiết bị đo BOD là một hệ kín, bao gồm các bình chứa mẫu và các sensor. Trong bình chứa mẫu, phía trên bề mặt dung dịch có chứa một thể tích không khí xác định. Trong thời gian ủ mẫu, vi sinh vật sử dụng oxi hòa tan trong mẫu. Lượng oxi tiêu thụ sẽ được thay thế dần bằng oxi không khí có trong bình làm giảm áp suất trong bình. Sensor đo sự thay đổi áp suất đó, từ đó có giá trị BOD (mg O2/L).
Trong quá trình ủ mẫu, có thể một lượng CO2 thoát ra, nhưng lượng CO2 này không gây ảnh hưởng đến áp suất trong bình đo vì toàn bộ khí CO2 sinh ra được kết hợp với KOH.
2.4.3.2. Các bước đo BOD
- Bước 1: điều chỉnh pH dung dịch mẫu về khoảng 6,5 đến 7,5 bằng axit HCl hoặc H2SO4 1M và dung dịch NaOH 1M.
- Bước 2: trộn đều mẫu và để yên một lúc. Tùy thuộc vào bản chất mẫu,
nếu cần thiết thì phải tiền xử lí mẫu (đồng hóa, lọc) trước khi đo.
- Bước 3: lấy một thể tích mẫu chính xác vào bình chảy tràn và đổ từ từ
mẫu vào bình đo BOD (có thể dùng phểu nếu cần thiết). Để đảm bảo tính đại diện về thành phần của mẫu, nên đo từ 2 - 3 lần.
- Bước 4: thêm vào chất ức chế quá trình nitro hóa ATH theo tỉ lệ
tương ứng ở bảng dưới đây:
Bảng 2.3. Tỉ lệ chất ATH, thể tích mẫu và khoảng đo BOD
Số giọt ATH Khoảng đo BOD Thể tích mẫu
10 0 – 40 428 10 0 – 80 360 5 0 – 200 244 5 0 – 400 157 3 0 – 800 94 3 0 – 2000 56 1 0 – 4000 21,7
- Bước 5: cho 3 - 4 giọt KOH 45% vào dung dịch và cho viên khuấy từ
vào bình chứa mẫu.
- Bước 6: Đặt sensor lên miệng chai chứa mẫu và nút chặt. - Bước 7: Giữ mẫu ở 20 0C trong 5 ngày, khuấy liên tục.
- Bước 8: Bắt đầu đo theo trình tự sau:
+ Ấn nút ESC để bật hệ thống máy đo. + Chọn chai BOD cần đo bằng các nút +/_.
+ Đặt các điều kiện đo: Ấn start để chọn các điều kiện đo. Khi đó trên màn hình sẽ xuất hiện khoảng giá trị BOD và thể tích mẫu tương ứng. Để thay đổi các giá trị này thì dùng các nút +/_. Muốn chọn giá trị nào thì nhấn Enter. Sau khi chọn khoảng đo xong thì máy sẽ tự động chuyển sang chế độ chọn ngày. Để thay đổi khoảng thời gian đo (ngày) sử dụng các nút +/_. Muốn chọn giá trị nào thì nhấn Enter. Trong thời gian ủ mẫu ở 20 0C, tắt máy đo bằng nút ESC.
- Bước 9 (đọc kết quả): sau thời gian ủ mẫu cần thiết (trong trường hợp
này là 5 ngày), bật máy đo bằng nút ESC, chọn chai muốn đo rồi nhấn Enter. Khi đó phía trên sẽ hiển thi thời gian đo, phía dưới hiển thị giá trị BOD tương ứng (mgO2/L).
* Lưu ý: Trong phép đo BOD tất cả dụng cụ phải rửa sạch bằng xà phòng và tráng bằng nước cất, sấy khô để tránh nhiễm bẩn.
Thực nghiệm xác định BOD được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 6001-1:2008 Chất lượng nước- Xác định nhu cầu oxy sinh hóa sau n ngày (BODn)
2.4.4. Xác định tổng chất rắn lơ lửng (TSS)
2.4.4.1. Nguyên tắc
Tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS) được tính bằng cách cân trọng lượng những chất còn lại trên giấy lọc sau khi sấy ở 1050
C.
2.4.4.2. Thiết bị, dụng cụ
- Giấy lọc sợi thủy tinh
- Bình làm nguội hút ẩm
- Hệ thống lọc chân không
- Cân phân tích.
2.4.4.3. Quy trình phân tích
Thu mẫu vào bình 1 lít, đậy kín và bảo quản lạnh 40C.
Lọc mẫu bằng giấy lọc có cấu tạo bằng chất liệu sợi thủy tinh đường kính 47 mm, cỡ lọc 0,22-0,45µm.
Đánh số mẫu trên giấy lọc. Sấy giấy lọc ở 1050
C trong 2-3 giờ. Cân và ghi khối lượng giấy lọc (m0) Lắc đều mẫu nước trước khi lọc.
Lọc mẫu nước, ghi thể tích mẫu nước đã lọc V (mL) Sấy ở 105 0
C trong 2-3 giờ, hút ẩm 30 phút trong bình hút ẩm, cân khối lượng (m1)
- Tính kết quả
Tổng chất rắn lơ lửng (mg/L) được tính theo công thức sau:
6 1 0 ( / ) m m 10 TSS mg L x V V: thể tích mẫu nước đã lọc (mL) m0: khối lượng giấy lọc ban đầu (mg)
m1 : khối lượng giấy lọc sau khi sấy và hút ẩm (mg)
Thực nghiệm xác định chất rắn lơ lửng (TSS) được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 6625:2000 Chất lượng nước - Xác định chất rắn lơ lửng bằng cách lọc qua cái lọc sợi thủy tinh.
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả quá trình nuôi cấy và tạo màng vi sinh trên vật liệu xốp
Hai loại vi sinh hiếu khí và vi sinh thiếu khí được nuôi cấy trong pilot theo phương pháp vận hành tuần tự SBR trên chất mang là vật liệu xốp ở dạng lơ lửng. Một số hình ảnh trực quan của miếng xốp được sử dụng làm chất mang theo thời gian của quá trình nuôi cấy vi sinh:
Ban đầu Sau 15 ngày Sau 30 ngày Sau 45 ngày Sau 60 ngày
Hình 3.1. Bề mặt miếng xốp theo thời gian nuôi cấy vi sinh
Kết quả hình 3.1 cho thấy với miếng xốp ban đầu có màu trắng sau khoảng thời gian 2 tháng nuôi cấy vi sinh, ta thấy bề mặt miếng xốp đã có sự thay đổi. Lớp màng sinh học được hình thành trên bề mặt xốp và lớp màng này dày theo thời gian. Để thấy rõ hơn bề mặt của lớp màng vi sinh chúng tôi tiến hành chụp ảnh SEM và kết quả thu được như sau:
Kết quả hình 3.2 cho thấy bề mặt lớp vật liệu xốp được phủ lên lớp màng vi sinh có chiều dày khoảng 96-100 m. Chính nhờ lớp màng sinh học này mà các hợp chất hữu cơ có thể bị giữ lại và được phân hủy bởi vi sinh vật có trên lớp màng này.
3.2. Kết quả xử lý hàm lƣợng chất hữu cơ trong nƣớc thải nuôi tôm trên hệ pilot theo thời gian
Hiệu quả quá trình xử lý hàm lượng chất hữu cơ được thực hiện với 3 mẫu nước thải nuôi tôm được lấy tại các vị trí xả thải của các hồ nuôi tôm tại xã Phước Sơn – Huyện Tuy Phước - Tỉnh Bình Định (Mẫu 1:M1;Mẫu 2: M2 và Mẫu 3: M3; thứ tự xử lý qua hệ pilot lần lượt từ mẫu M1 đến M3 nhằm đánh giá tính ổn định của hệ xử lý). Quá trình xử lý được thực hiện theo kỹ thuật SBR ở nhiệt độ phòng 280C. Kết quả xử lý được trình bày ở các bảng