6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.10.11. Chỉ số vi sinh
Trong nước thải đặc biệt là nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải vùng du lịch,… nhiễm nhiều vi sinh vật có sẵn trong phân người và phân gia súc. Trong đó có thể có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là các bệnh về tiêu hóa như tả, lị, thương hàn, các vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm. Các vi khuẩn đường ruột được chia thành 3 nhóm:
- Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli (E.coli). - Nhóm Streptococus đặc trưng là Streptococus faecalis.
- Nhóm Clotridium đặc trưng là Clostridium perfringens.
Việc xác định tất cả các loài vi sinh vật ở trong phân bị hòa tan vào nước, kể cả các vi khuẩn gây bệnh rất khó khăn và phức tạp. Trong các nhóm vi sinh vật ở trong phân, người ta thường chọn E.coli làm vi sinh vật chỉ thị cho chỉ tiêu vệ sinh.
1.11. Đặc điểm nƣớc thải nuôi tôm
Nước thải nuôi tôm có lưu lượng không lớn như nước thải công nghiệp nhưng lượng bùn nhiều kèm theo các chất hữu cơ có trong nước thải khiến chất lượng môi trường xung quanh bị suy giảm nhiều.
Nước thải nuôi tôm có chứa các chất thải bắt nguồn từ thức ăn do tôm không ăn hết, phân tôm và chuyển hoá dinh dưỡng là nguồn gốc chủ yếu gây ô nhiễm. Ngoài ra các nguồn khác như mảnh vụn thực vật phù du hoặc tảo ở dạng sợi (lab-lab), các chất lắng đọng, chất hữu cơ hoà tan/huyền phù, các chất kháng sinh, thuốc trị liệu và kích thích tố cũng là các nguồn gốc gây nên ô nhiễm.
Các chất thải hữu cơ bắt nguồn từ thức ăn thừa, phân tôm,… dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật, còn các chất hữu cơ có nguồn gốc từ các loại thuốc kháng sinh, thuốc trị liệu rất khó bị phân hủy bởi vi sinh vật nguyên nhân do trong thành phần của thuốc kháng sinh có chứa các chất hữu cơ bền, khó phân hủy sinh học.
Trung bình lượng nước thải ra sau mỗi vụ nuôi là 9000-12000 m3 /ha. Lượng bùn đáy ao là 1500 m3
/ha chứa nhiều hợp chất hữu cơ, nguyên tố vi lượng, thuốc kháng sinh, khí độc và các loại vi khuẩn gây bệnh.
Sau mỗi vụ nuôi, bùn ở ao lắng bùn được nạo vét, phần nước thải được lắng ở ao lắng, sau đó xả ra ngoài mương và ra biển.
1.12. Một số kỹ thuật xử lý nƣớc thải nuôi tôm bằng vi sinh vật
Nước thải nuôi tôm trong môi trường nước lợ có chứa lượng lớn chất hữu cơ gây ô nhiễm và một số chất khác,… độ mặn thấp và lượng bùn cao.
Để tách được những chất gây ô nhiễm này ra khỏi môi trường nước nuôi tôm,thì hiện nay có nhiều công nghệ xử lý như:
Xử lý nước thải theo công nghệ SBR [27], [31]
Công nghệ xử lý nước thải theo mẻ liên tục SBR (Sequencing Batch Reactor) đã được các nhà khoa học trên thế giới lựa chọn bởi những tính ưu việt của phương pháp này mang lại khi xử lý nguồn nước thải nuôi tôm. Những chủng vi sinh để xử lý chất ô nhiễm từ quá trình nuôi tôm trong môi trường nước lợ có thể lấy từ nguồn chế phẩm sinh học như Super VS, BRF-2 quakit hay từ nguồn vi sinh vật có sẵn trong nước thải và phát triển chúng trong điều kiện thích hợp.
Khi hệ SBR hoạt động hiếu khí thì lượng COD trong nước thải được giảm mạnh. Quá trình này được thực hiện thành công nhờ vào những hệ vi sinh vật có trong bùn giúp thực hiện quá trình loại bỏ hàm lượng chất hữu cơ. Không cần phải thêm các vi sinh vật đặc biệt cho sự trao đổi chất của carbon
và nitơ, vì SBR đã loại bỏ thành công cả hai khỏi nước thải.
Bể SBR hoạt động theo một chu kỳ tuần hoàn với 5 quá trình bao gồm: Làm đầy (Fill), sục khí phản ứng (React), lắng (Settle), rút nước (Decant) và nghỉ (Idle). Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học.
Hình 1.3 Chu trình xử lý nƣớc thải bằng công nghệ SBR (Squencing batch reactor)
Xử lý nước thải bằng công nghệ MBBR
MBBR là từ viết tắt của cụm từ Moving Bed Biofilm Reactor, là quá trình xử lý nhân tạo trong đó sử dụng các vật liệu làm giá thể cho vi sinh dính bám vào để sinh trưởng và phát triển.
Vật liệu làm giá thể phải có tỷ trọng nhẹ hơn nước đảm bảo điều kiện lơ lửng được. Các giá thể này luôn chuyển động không ngừng trong toàn thể tích bể nhờ các thiết bị thổi khí và cánh khuấy. Thông thường để quá trình xử lý tốt, thể tích của màng MBBR sẽ <50% thể tích bể là phù hợp nhất. [21].
Khả năng xử lý chất ô nhiễm theo công nghệ MBBR cũng cho hiệu quả cao, tuy nhiên theo công nghệ xử lý MBBR mắc phải những nhược điểm như:
Cần có thêm bể lắng đợt 2.
Sục khí liên tục trong quá trình vận hành. Diện tích thi công – xây dựng lớn.
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM
2.1.Giới thiệu hệ thống thiết bị xử lý nƣớc thải nuôi tôm bằng phƣơng pháp màng sinh học
2.1.1. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị
Hình 2.1. Pilot xử lý nƣớc thải nuôi tôm theo công nghệ SBR
Thiết bị được nhóm chúng tôi xây dựng với một số thông số cơ bản sau:
- Chiều cao bể xử lý : 80 cm
- Chiều dài : 60 cm
- Chiều rộng : 40 cm - Chiều cao lớp vật liệu xốp : 20 cm - Đường kính hạt xốp : 2-3 cm - Thể tích của pilot : 70 lit
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống pilot xử lý nƣớc thải nuôi tôm (biểu diễn theo mặt cắt đứng của thiết bị)
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị
Mẫu nước thải sau khi lấy về được xử lý sơ bộ bằng cách gạn, lắng bên ngoài, điều chỉnh pH trước khi đưa vào hệ thống xử lý. Sau đó được đưa vào thùng chứa nước thải để được lắng tiếp tục.
Nước thải được bơm vào pilot theo chiều từ dưới lên và từ từ dâng lên ngập lớp vật liệu sinh học đã mang màng vi sinh, bùn trong nước thải sẽ lắng xuống dưới đáy. Trong pilot nước thải có chứa các tạp chất hữu cơ hòa tan sẽ được tiếp xúc với khối vật liệu lọc có chứa các vi khuẩn dính bám và các chất hữu cơ này sẽ được hấp thụ và bị phân hủy. Sau đó bật máy sục khí và tắt máy theo quy trình xử lý.
Nước thải sau khi trải qua các giai đoạn sẽ được lấy mẫu kiểm tra tại thùng chứa nước thải sau xử lý.
2.1.3. Ưu điểm của thiết bị
Ưu điểm của hệ thống thiết bị khi được thiết kế theo dạng này là hệ thống xử lý pilot đã được xây dựng theo kiểu tích hợp 5 bể xử lý trong công nghệ SBR chuẩn thành một bể xử lý tuần tự. Do đó trong thực tế sẽ giảm chi phí xây dựng và vận hành theo công nghệ SBR nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả cao trong xử lý chất ô nhiễm. Ngoài ra màng sinh học động có thể được tích hợp trong bể xử lý và có thể thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý.
2.1.4. Thực nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm
2.1.4.1. Khảo sát quá trình xử lý nước thải nuôi tôm với kỹ thuật SBR ở điều kiện nhiệt độ phòng
Nước thải sau khi xử lý sơ bộ được bơm vào hệ thống và tiến hành xử lý. Để điều chỉnh lượng oxi hòa tan (DO) khi thực hiện quá trình xử lý hiếu khí (DO = 5 6 mg/L) chúng tôi đã sử dụng máy sục khí có công suất 120W. Máy sục khí sẽ tắt khi thực hiện quá trình thiếu khí. DO cho quá trình xử lý thiếu khí ~ 2 mg/L. Thiết bị sinh học sẽ được vận hành tuần tự theo mẻ (SBR) trong khoảng thời gian 8 ngày. Hai ngày đầu tiên, thiết bị được vận hành ở chế độ hiếu khí, sau đó 3 ngày tiếp theo thiết bị ở chế độ xử lý thiếu khí. Tiếp theo xử lý hiếu khí trong 2 ngày và 1 ngày cuối để lắng và rút nước sau xử lý [19]. Mục đích của thí nghiệm này là tối ưu hóa quá trình xử lý hiếu khí và thiếu khí để loại bỏ hoàn toàn các hợp chất hữu cơ. Sau đó đánh giá các thông số trong quá trình xử lý.
2.1.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý
Tiếp theo chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý. Trong quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, các điều kiện kỹ thuật khác trong quá trình xử lý không thay đổi. Nhiệt độ cho xử lý nước thải được nghiên cứu ở 28oC, 33oC, 38oC, 45oC.
2.1.4.3. So sánh quá quá trình xử lý chất hữu cơ trong nước thải nuôi tôm được vận hành theo kỹ thuật tuần tự hiếu khí kết hợp thiếu khí (KT1) với kỹ thuật vận hành hiếu khí (KT2)
Nhằm đánh giá hiệu quả xử lý hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải nuôi tôm chúng tôi tiến hành xử lý mẫu nước thải nuôi tôm trên hệ pilot được vận hành theo kỹ thuật tuần tự hiếu khí kết hợp thiếu khí với kỹ thuật vận hành hiếu khí tương ứng với các kí hiệu KT1 và KT2. Các mẫu đều được thực hiện ở nhiệt độ phòng và các điều kiện xử lý khác không thay đổi. Kết quả thu được ở bảng 3.4 và hình 3.8.
2.2. Nuôi cấy tạo màng vi sinh
2.2.1. Lựa chọn vật liệu làm chất mang
Có thể sử dụng các chất mang khác nhau để nuôi cấy vi sinh vật (hiếu khí hay kị khí) dùng trong công nghệ xử lý nước thải như nhựa PVC, PE, thủy tinh, cao su, xốp, xơ dừa, bẹ ngô,… Trong số đó vật liệu xốp cho kết quả xử lý tốt hơn cả vì vật liệu xốp có diện tích bề mặt lớn, trên bề mặt có nhiều lỗ nhỏ để vi sinh vật có thể bám dính và tạo màng. Ngoài ra xốp là vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền.
Xốp hay tên gọi hóa học là polystyren là một loại polyme tổng hợp có công thức cấu tạo tổng quát như sau:
( CH-CH2)n
Hạt xốp polystyren có độ thẩm thấu nước và khí tương đối nhỏ. Các hạt xốp là nơi cư trú và sinh trưởng tốt của vi sinh vật. Chúng lại không bị trương nở trong nước cũng như môi trường nước thải và không bị vi sinh vật phân hủy.
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