4. Bố cục luận văn
1.6.2.Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng
- Yếu tố pH
pH có thể ảnh hưởng đến độ hòa tan và độc tính của KLN trong nước, nó có lẽ là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng hấp phụ kim loại bằng sinh khối[40], [61], [69]. Nó ảnh hưởng đến sự liên kết của kim loại với vi tảo. Ở pH thấp thành tế bào liên kết chặt chẽ với các ion H3O+ tạo ra lực đẩy làm hạn chế sự liên kết của các cation KLN. Khi pH tăng lên các nhóm chức như carboxyl, phosphate, imidazole, amino,… những nhóm này tích điện âm sẽ hút các cation KLN thông qua quá trình hấp phụ sinh học trên bề mặt tế bào [52]. Theo Monterio cũng cho rằng ở mức pH thấp các nhóm chức liên kết với các ion H+ (vì ion H+ linh động hơn so với các cation KLN) do đó làm cản trở các cation KLN liên kết. Họ tuyên bố rằng khi độ pH cao các điện tích âm tăng và
điều này tạo điều kiện gắn kết với các cation kim loại được nâng cao. Tóm lại, khi pH giảm bề mặt tế bào trở nên nhiều điện tích dương làm giảm sức hút giữa sinh khối và ion kim loại. Do đó, khi pH cao hơn dẫn đến bề mặt được tích điện âm hơn làm tăng khả năng gắn kết các cation kim loại trên bề mặt [19]. Theo nghiên cứu của Bishnoi (2004) trên vi tảo Spirogyra ở mức pH từ 1 đến 10. Cho thấy sự gia tăng hiệu suất loại bỏ kim loại khi giá trị pH tăng từ 31% đến 86% [3]. Hơn nữa, khi pH nâng lên khả năng liên kết của KLN (Cu, Cd, Zn) của vi tảo Chroococcus paris đã được báo cáo là tăng [65]. Nghiên cứu của Hargreaves (1976) ở giá trị pH cao độc tính Zn đã được báo cáo là giảm trong tảo Hormidium sp. [41]. Một số nhóm chức có sẵn để liên kết cation kim loại ở các phạm vi pH 2 – 5 các nhóm carboxyl chiếm ưu thế, nhưng ở pH 5 – 9 các nhóm phosphate cao và pH 9 – 12 các nhóm carboxyl, phosphate và hydroxyl (hoặc amin) [19], [43]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của độ pH trên độc tính của KLN rất phức tạp và chủ yếu phụ thuộc vào loại kim loại.
- Yếu tố nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng đối với sự hấp thụ ion kim loại. Chúng bao gồm sự ổn định của kim loại, phối tử và phức chất phối tử cũng như độ hòa tan của các ion kim loại. Nó ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành kim loại, bởi vì hầu hết các tốc độ phản ứng hóa học là rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ cao dẫn đến độ hòa tan lớn hơn của các ion kim loại trong dung dịch và do đó làm giảm sự hấp thụ sinh học của các ion kim loại [63].
- Yếu tố ánh sáng
Chất lượng quang phổ và chu kỳ quang có ảnh hưởng, quyết định đến sinh trưởng của tảo.
Chlorella đạt được khả năng sinh tổng hợp cao nhất khi chiếu ánh sáng liên tục và ít bị chi phối bởi chu kỳ sáng tối.
- Yếu tố hóa trị của kim loại
Sự liên kết của cation kim loại lên vi tảo phụ thuộc vào hình thức của chúng và tích điện trong dung dịch phụ thuộc vào pH [39]. Pagnanelli đã báo cáo một số ảnh hưởng của các hóa trị kim loại đến sự hấp phụ bởi Sphaerotilus natans [10]. Khả năng hấp phụ của Spirulina sp. với Cr3+ và Cr6+ lần lượt là 304 mg/g và 333 mg/g cho thấy cùng một loại vi tảo nhưng với mỗi hóa trị khác thì khả năng xử lý của vi tảo là khác nhau [29]. Mặc dù thực tế là kim loại có nhiều dạng hóa trị khác nhau (các ion tự do, phức chất với các phối tử vô cơ/ hữu cơ…) trong nước thải, trong đó ion KLN tự do trong là dạng độc hại nhất đối với các sinh vật sống [36].
1.7. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm
Theo Hội hóa học Việt Nam, Ngành dệt nhuộm sử dụng một lượng nước thải lớn để sản xuất và đồng thời thải ra một lượng nước thải đáng kể cho môi trường. Nhắc đến nước thải ngành dệt nhuộm là một trong những loại nước thải ô nhiễm nặng, hàm lượng các chất hữu cơ cao, khó phân hủy, pH dao động từ 9- 12 do thành phần các chất tẩy. Trong quá trình sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại được sử dụng để sản xuất tạo màu: như là phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất ngậm, chất tạo môi trường, tinh bột, men, chất ôxy hoá….Các chất này thường có chứa các ion kim loại hòa tan, hay kim loại nặng rất khó phân hủy trong môi trường, có thể gây ô nhiễm môi trường trầm trọng trong thời gian dài. Nếu chưa được xử lý và xử lý chưa đạt QCVN mà thải ra ngoài thì các hóa chất này có thể giết chết vi sinh vật xung quanh, làm chết cá và các loại động vật sống dưới nước, các chất độc này còn có thể thấm vào đất, tồn tại lâu dài và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm và bên cạnh đó còn ảnh hưởng đến đời sống của con người. Ngoài ra, nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất lớn và thay đổi thường xuyên tùy loại thuốc nhuộm, và có nhiệt độ cao nên cần phải được xử lý triệt để đễ trước khi thải ra, tránh gây ô nhiễm môi trường.
Trong quá trình sản xuất của ngành dệt nhuộm thì sử dụng nước nhiều và nguồn phát sinh ra nước thải ngành dệt nhuộm ở rất nhiều công đoạn khác nhau, thay đổi theo từng loại sản phẩm. Nhưng đặc trưng của loại nước thải này có pH, nhiệt độ, COD cao và độ màu tương đối cao. Do vậy cần có biện pháp hợp lý để quản lý được lượng nước thải này triệt để hơn.
Nước thải dệt nhuộm sẽ khác nhau khi sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau. Chẳng hạn như len và cotton thô sẽ thải ra chất bẩn tự nhiên của sợi. Nước thải này có độ màu, độ kiềm, BOD và chất lơ lửng (SS) cao. Ở loại nguyên liệu sợi tổng hợp, nguồn gây ô nhiễm chính là hóa học do các loại hóa chất sử dụng trong giai đoạn tẩy và nhuộm.
Hóa chất sử dụng: hồ tinh bột, H2SO4, CH3COOH, NaOH, NaOCL, H2O2, Na2CO3, Na2SO3 …các loại thuốc nhuộm , các chất trơ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt.
Thành phần nước thải phụ thuộc vào: đặc tính của vật liệu nhuộm, bản chất của thuốc nhuộm, các chất phụ trợ và các hóa chất khác được sử dụng. Nguồn nước thải bao gồm từ các công đoạn chuẩn bị sợi, chuẩn bị vải, nhuộm và hoàn tất
Nước thải dệt nhuộm nhìn chung rất phức tạp và đa dạng, đã có hàng trăm loại hóa chất đặc trưng như phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất tạo môi trường, tinh bột men, chất oxy hóa…được đưa vào sử dụng. Trong quá trình sản xuất, lượng nước thải ra 12-300 m3/tấn vải, chủ yếu từ công đoạn nhuộm và nấu tẩy. Nước
thải dệt nhuộm ô nhiễm nặng trong môi trường sống như độ màu, pH, chất lơ lửng, BOD, COD, nhiệt độ đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép xả vào nguồn tiếp nhận.
Nước thải dệt nhuộm gây ô nhiễm cho nguồn xả chủ yếu do độ đục, độ màu, lượng chất hữu cơ và pH cao. Nhiều công trình nghiên cứu trước đây cho thấy keo tụ bằng phèn nhôm có thể khử màu hiệu quả 50-90%, đặc biệt hiệu quả cao với loại thuốc nhuộm sulfur.
Các loại thuốc nhuộm được đặc biệt quan tâm vì chúng thường là nguồn sinh ra các kim loại, muối và màu trong nước thải. Các chất hồ vải với lượng BOD, COD cao và các chất hoạt động bề mặt là nguyên nhân chính gây ra tính độc cho thuỷ sinh của nước thải dệt nhuộm.
Do công nghệ sản xuất sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu, hóa chất khác nhau nên thành phần ô nhiễm của nước thải ngành dệt nhuộm khá phức tạp và không ổn định.
Đặc trưng quan trọng nhất của nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm là sự dao động rất lớn cả về lưu lượng lẫn tải lượng các chất ô nhiễm, nó thay đổi theo mùa, theo mặt hàng sản xuất và chất lượng của sản phẩm [42].
CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Vi tảo C. vulgaris được phân lập và lưu giữ ở phòng thí nghiệm Công nghệ Tảo Khoa Sinh – Môi trường, trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng. Được nuôi trong môi trường Bold's Basal Medium [75], nhiệt độ 25 ± 10 C, cường độ chiếu sáng 2000
Lux.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của vi tảo C. vulgaris.
- Đánh giá ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo C. vulgaris đến khả năng xử lý Cr.
- Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Crom ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C. vulgaris
- Xây dựng mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir trên sinh khối vi tảo C. vulgaris.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm
- Đề tài này chỉ nghiên cứu, khảo sát khả năng xử lý Cr trong nước thải dệt nhuộm chiếu.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Bố trí thí nghiệm
- Thí nghiệm được bố trí bằng nước thải nhuộm chiếu được lấy từ làng nghề
+ Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của pH ban đầu
Mục đích: Đánh giá ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của C. vulgaris.
Cách tiến hành: Thí nghiệm được tiến hành ở nồng độ Cr ban đầu là 70 mg/l
và mật độ ban đầu là 15 x 106 tế bào/ml với giá trị pH ban đầu là 5.0, 6.0 và 7.0.
Bố trí 3 nghiệm thức như sau: pH
Yếu tố khác 5 6 7
Nồng độ kim loại ban đầu 70 mg/l Mật độ tảo: 15 x 106 tế bào/ml 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
Thông số theo dõi: Sự thay đổi hàm lượng kim loại Cr trong 3 thí nghiệm được
tiến hành khi thay đổi với giá trị pH = 5; pH = 6; pH = 7 ở nồng độ Cr ban đầu là 70 mg/l và mật độ tảo ban đầu là 15 x 106 tế bào/ml theo thời gian.
Tần suất theo dõi: Các thông số được theo dõi sau mỗi 24, 48, 72, 96, 120 giờ
thí nghiệm.
+ Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của mật độ tảo ban đầu
Mục đích: Ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo C. vulgaris đến khả năng xử lý Cr.
Cách tiến hành: Thí nghiệm được tiến hành ở nồng độ ban đầu là 70 mg/l với
pH được lấy từ thí nghiệm trước là 6.0. Mật độ ban đầu thay đổi là 5x106 tb/ml, 10x106 tb/ml, 15 x106 tế bào/ml.
Bố trí 3 nghiệm thức như sau: Mật độ
Yếu tố khác 5x10
6 tb/ml 10x106 tb/ml 15 x106 tb/ml
pH tối ưu từ thí nghiệm 1 Nồng độ kim loại ban đầu 70 mg/l
3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
Thông số theo dõi: Sự thay đổi hàm lượng kim loại Cr trong 3 thí nghiệm được
tiến hành khi thay đổi mật độ tảo ban đầu là 5 x106 tb/ml, 10x106 tb/ml, 15x106 tế bào/ml, với nồng độ Cr là 70 mg/l và pH được lấy từ thí nghiệm trước là 6.0 theo thời gian. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tần suất theo dõi: Các thông số được theo dõi sau mỗi 24, 48, 72, 96, 120 giờ
thí nghiệm.
+ Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ kim loại nặng ban đầu
Mục đích: Ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo
C. vulgaris.
Cách tiến hành: Để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Cr đến khả năng xử lý của vi tảo C. vulgaris, thí nghiệm được tiến hành ở pH 6.0, mật độ tế bào ban đầu là 15x106 tế bào/ml. Nồng độ kim loại được sử dụng 03 mức là 50 mg/l, 60mg/l và 70 mg/l.
Bố trí 3 nghiệm thức như sau: Nồng độ
Yếu tố khác 50 mg/l 60 mg/l 70 mg/l
pH tối ưu từ thí nghiệm 1 Mật độ tối ưu từ thí nghiệm 2
3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
Thông số theo dõi: Sự thay đổi hàm lượng kim loại Cr trong 3 thí nghiệm được
tiến hành ở nồng độ kim loại được sử dụng 03 mức là 50 mg/l, 60mg/l và 70 mg/l, mật độ tảo ban đầu là 15 x106 tế bào/ml với pH được lấy từ thí nghiệm trước là 6.0.
Tần suất theo dõi: Các thông số được theo dõi sau mỗi 24, 48, 72, 96, 120 giờ
thí nghiệm.
Thí nghiệm 4: Khảo sát đẳng nhiệt hấp phụ trên sinh khối khô của vi tảo C.vulgaris
Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ Cr6+ trên sinh khối khô của vi tảo C. vulgaris. Khảo sát được tiến hành ở dải nồng độ ion kim loại trong dung dịch như sau: 30,50,70,90 mg/l ở pH 6 trong thời gian 72 giờ và mật độ sinh khối tảo đạt 5 triệu tế bào/ml.
Nồng độ kim loại Yếu tố khác
30 mg/l 50 mg/l 70 mg/l 90mg/l
- Mật độ sinh khối tảo: 5 triệu tế bào/ml
- pH: 6
- Thời gian 72 giờ
3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức 3 nghiệm thức
2.4.2. Phương pháp xác định mật độ tế bào vi tảo bằng buồng đếm Neubauer
- Pha loãng mẫu đảm bảo trong mỗi ô vuông không lớn hơn 10 tế bào và không nhỏ hơn 2 tế bào.
- Lắc đều ống nghiệm pha loãng mẫu.
- Nhỏ 1 giọt dung dịch mẫu vào giữa phòng đếm và đậy lại bằng lá kính, chú ý không để tạo bọt khí.
- Đặt buồng đếm lên bàn kính hiển vi, để yên 3 – 5 phút, sau đó tiến hành đếm số lượng tế bào trong 5 ô lớn chéo nhau (chọn 4 ô ở 4 góc và một ô ở chính giữa). Cách đếm số tế bào trong mỗi ô lớn như sau: mỗi ô nhỏ có 4 cạnh giới hạn, đếm số lượng tế bào nằm trọn trong ô và những tế bào nằm trên 2 cạnh liên tiếp cùng chiều, ví dụ: đếm cạnh bên dưới và cạnh bên phải. Đếm các ô từ trái sang phải, từ hàng trên xuống hàng dưới rồi đổi chiều. Đếm như vậy cho đến ô cuối cùng của 16 ô con [68].
Mật độ (tế bào/ml) = 𝑋 1000
𝑌 × 𝑊2 ×𝑑
Trong đó: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
X: số lượng tế bào được đếm
Y: số lượng ô vuông nhỏ nhất được đếm d: độ dày của lớp nước trong buồng đếm W: cạnh của một ô vuông
2.4.3. Phương pháp thu sinh khối khô tảo C. vulgaris
Trong giai đoạn tăng trưởng ổn định, các tế bào C. vulgaris được ly tâm ở 5000 vòng/phút trong 5 phút, rửa hai lần bằng nước cất và sau đó sấy khô ở 60°C trong 24 giờ và nghiền thành bột mịn, được sàng qua lưới 120 (0,125 mm). Phần dưới quá nhỏ từ 2 – 10 µm (các tế bào tảo) sau đó được sử dụng cho các thử nghiệm hấp phụ [13].
2.4.4. Phương pháp xác định hiệu suất xử lý KLN theo mô hình đáp ứng bề mặt
Sau từng khoảng thời gian: 24h, 48h, 72h, 96h, 120h các nghiệm thức được rút ra 2ml ly tâm 10000 vòng/ phút trong 10 phút để thu phần dung dịch, sau đó đem dung dịch đi xác định hàm lượng kim loại nặng còn lại để xác định hiệu suất. Hiệu suất xử lý được xác định theo công thức [45].
R(%) = 𝐶𝑜−𝐶𝑡
𝐶𝑜 x 100 Trong đó:
R: là hiệu suất xử lý kim loại nặng (%) Co: Nồng độ kim loại nặng ban đầu (mg/l) Ct: Nồng độ kim loại nặng theo thời gian (mg/l)
2.4.5. Phương pháp xác định hiệu quả xử lý KLN theo diện tích bề mặt tảo bằng mô hình đáp ứng bề mặt
k = (𝐶0−𝐶𝑡).𝑉 𝑠2 Trong đó:
k : Khối lượng KLN được hấp phụ (mg/dm2) C0 : nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ct : nồng độ dung dịch tại các thời điểm nhất định (mg/l) v : là thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)
s : Diện tích bề mặt (𝑠 = 4𝜋𝑟2)
2.4.6. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorbtion Spectrometric (AAS)
Hàm lượng KLN được xác định bằng phương pháp hóa hơi nguyên tử ngọn lửa (flame) trên hệ thống hấp thụ nguyên tử Analytik Jena 700P để đo nồng độ kim loại nặng có trong mẫu nước.
2.4.7. Phương pháp xác định dung lượng hấp phụ
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức [71]: 𝑞 = (𝐶0− 𝐶𝑡). 𝑉
Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g).