Phần 3 Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
3.4 Phương pháp nghiên cứu
3.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
- Tìm hiểu thơng tin về hệ thống xử lý sử dụng tảo và các mơ hình mơ phỏng các bài báo khoa học và sách chuyên khảo;
- Mơ hình lý thuyết được phát triển bằng cách tổng hợp các cơ sở lý thuyết về các quá trình thu thập từ các tài liệu thứ cấp;
- Các số liệu để hiệu chỉnh mơ hình được thu thập từ một nghiên cứu thực nghiệm độc lập khác mô phỏng hệ thống xử lý sử dụng tảo.
3.4.2. Phương pháp xây dựng mơ hình
- Các hàm tốn được xây dựng từ q trình được mơ tả trong mơ hình lý thuyết; - Mơ hình được xây dựng và tính tốn trong mơi trường ngơn ngữ MATLAB;
- Xây dựng mơ hình với các yếu tố đầu vào ánh sáng và dinh dưỡng (phân loại của Bechet và cs. – 2013) để xác định mức độ tăng trưởng riêng biệt của tảo. Loại mơ hình này có thể dự đốn mức độ sinh trưởng của tảo dưới tác động của ánh sáng mặt trời cũng như các nguồn tác động nhân tạo. Sự tăng trưởng của tảo trong bể phản ứng quang sinh học có thể được dự đốn thơng qua các thơng số.
3.4.3. Phương pháp bố trí và theo dõi thí nghiệm
Các tiền thí nghiệm được xây dựng nhằm đánh giá hoạt động sinh trưởng và các yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của tảo Chlorella vulgaris, đồng thời
cung cấp các hệ số thực nghiệm đầu vào cho mơ hình tốn.
Điều kiện thí nghiệm: thể tích thử nghiệm là 3,5L (3.3 lít nước thải +0.2 lít tảo Chlorella vulgaris với mật độ đã được nuôi cấy từ trước) sử dụng bình nhựa polyetylen trong; tảo C.vulgaris thứ cấp được bổ sung sao cho mật độ ban đầu là 105 TB/ml; thí nghiệm được duy trì trong điều kiện nhiệt độ phòng; chiếu sáng bằng hệ thống đèn sao cho cường độ ánh sáng tại bề mặt dung dịch là 60 µmol/m2/s (tương đương 5000 lux), chu kỳ sáng tối 16:8. Khơng khí cấp từ mơi trường bên ngồi vào thơng qua hệ thống sục khí với lưu lượng khơng đổi. Mỗi cơng thức thí nghiệm lặp lại 03 lần.
Thí nghiệm 1: Đánh giá khả năng xử lý nước thải của tảo Chlorella vulgaris.
Hệ thống chiếu sáng nhân tạo bằng đèn huỳnh quang, gồm có 03 cơng thức: CT1.0 – Đối chứng: nước thải
CT1.1 – Môi trường BBM + tảo C.vulgaris CT1.2 – Nước thải + tảo C.vulgaris
Các thông số theo dõi bao gồm: nhiệt độ, pH, DO, nồng độ Chlorophyll-a, mật độ tảo, NO3-, NH4+, PO43-, COD. Tần suất đo đạc các thông số đo nhanh (pH và DO) là 5 lần/ngày (8h, 10h, 14h, 16h, 18h); tần suất đo đạc nồng độ Chlorophyll-a và mật độ tảo là 2 lần/ngày (8h và 16h); tần suất đo đạc các thơng số cịn lại là 1 lần/ngày (8h).
Thành phần môi trường nuôi cấy nhân tạo BBM (Bold Basal Medium) và nước thải sử dụng trong thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2.
Bảng 3.1 Thành phần môi trường nhân tạo BBM
Thành phần Hàm lượng (g.L-1) Nồng độ (mol.L-1) NaNO3 25 2,94.10−3 CaCl2.2H2O 2,5 1,70.10−4 MgSO4.7H2O 7,5 3,04.10−4 K2HPO4 7,5 4,31.10−4 KH2PO4 17,5 1,29.10−3 NaCl 2,5 4,28.10−4 EDTA 50 1,71.10−4 KOH 31 5,53.10−4 FeSO4.7H2O 4,98 1,79.10−5 H3BO3 11,42 1,85.10−4 ZnSO4.7H2O 8,82 3,07.10−5 MnCl2.4H2O 1,44 7,28.10−6 MoO3 0,71 4,93.10−6 CuSO4.5H2O 1,5 6,29.10−6 Co(NO3).6H2O 0,49 1,68.10−6 Thiamine (vitamin B1) 0,0381 2,96.10−7 Biotin (vitamin H) 0,0312 2,05.10-9 Cyanocobalamin (vitamin B12) 0,0312 3,69.10-10
32
Bảng 3.2 Tính chất nước sử dụng trong thí nghiệm 1
Thơng số Đơn vị Giá trị
pH - 6,09 ± 0,48 Nhiệt độ oC 28,43 ± 2,88 Chất rắn lơ lửng mg/l 89,67 ± 26,43 Photphat mg/l 14,67 ± 2,68 Nitrat mg/l 0,47 ± 0,07 Amoni mg/l 31,23 ± 4,86 Tổng Nitơ mg/l 74,30 ± 25,60 Tổng Phốtpho mg/l 15,98 ± 12,04 BOD5 mg/l 178,67 ± 61,37 Tỷ lệ N/P 1,99 ± 0,01
Thí nghiệm 2: Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ dinh dưỡng N:P trong nước thải
Hệ thống chiếu sáng nhân tạo bằng đèn huỳnh quang, được thực hiện từ các nguồn nước thải sau bể tự hoại lựa chọn có nồng độ N và P tổng số khác nhau để đảm bảo tỷ lệ dinh dưỡng xấp xỉ các mức trong 05 cơng thức. Các mẫu có tỷ lệ N:P khác nhau được lựa chọn qua 20 lần thu mẫu ngẫu nhiên từ nước thải sau bể tự hoại.
CT2.0 – Đối chứng (tỷ lệ N:P = 12:1): nước thải khơng có tảo CT2.1 – Nước thải (tỷ lệ N:P = 5:1) + tảo C.vulgaris
CT2.2 – Nước thải (tỷ lệ N:P = 12:1) + tảo C.vulgaris CT2.3 – Nước thải (tỷ lệ N:P = 16:1) + tảo C.vulgaris CT2.4 – Nước thải (tỷ lệ N:P = 30:1) + tảo C.vulgaris
Tiến hành đo các chỉ tiêu DO, pH, nhiệt độ, Chlorophyl, xác định mật độ tảo và lấy mẫu phân tích vào 8h sáng mỗi ngày. Mẫu sau khi lấy được đem đi ly tâm tách tảo và phân tích các chỉ tiêu NO3-, NH4+, PO43-, tổng N, tổng P.
Thành phần nước thải tương ứng với các tỷ lệ sử dụng trong thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3 Tính chất nước thải sử dụng trong thí nghiệm 2 Cơng thức CT2.1 CT2.2 CT2.3 CT2.4 Nhiệt độ (oC) 27,1 26,8 27,3 27,3 pH (-) 6,14 6,21 6,57 7,05 TSS (mg/l) 91,7 98,1 93,2 95,6 BOD5 (mg/l) 227,5 287,4 242,4 272,0 TN (mg/l) 57,23 88,76 64,24 71,08 TP (mg/l) 11,05 7,2 4,12 2,43 Tỷ lệ N:P tương đương 5:1 12:1 16:1 30:1
Thí nghiệm 3: Đánh giá ảnh hưởng của ánh sáng
Hệ thống chiếu sáng nhân tạo bằng đèn led đơn sắc, xây dựng 5 cơng thức thí nghiệm, tương tự thí nghiệm 1 bao gồm:
CT3.0 – Đối chứng: nước thải;
CT3.1 – Ánh sáng trắng (0,395 – 0,750 nm); CT3.2 – Ánh sáng đỏ (0,650 – 0,750 nm); CT3.3 – Ánh sáng xanh lục (0,490 – 0,575 nm); CT3.4 – Ánh sáng xanh lam (0,455 – 0,490 nm).
Đèn LED được gắn ở thành bể cho ánh sáng chiếu từ 2 bên vào trong bể, thời gian chiếu sáng 16:8. Các thông số DO, pH, nhiệt độ, Chlorophyl, mật độ tảo, NO3-, NH4+, PO43-, tổng N, tổng P được đo đạc với tần suất 1 lần/ngày (8h).
Thành phần nước thải sử dụng trong thí nghiệm được trình bày trong
Bảng 3.4.
Bảng 3.4 Tính chất nước thải sử dụng trong thí nghiệm 3
Thơng số Đơn vị Giá trị
pH - 6,32 ± 2,21 Nhiệt độ oC 27,2 ± 3,5 Chất rắn lơ lửng mg/l 86,35 ± 15,34 Photphat mg/l 16,04 ± 1,52 Nitrat mg/l 3,86 ± 0,05 Amoni mg/l 31.85 ± 2,65 Tổng Nitơ mg/l 37,30 ± 2,88 Tổng Phốtpho mg/l 7,22 ± 1,06 BOD5 mg/l 163,33 ± 12,48
34
3.4.4. Phương pháp thiết kế và vận hành hệ thống HRAPs
a. Thiết kế hệ thống
Hệ thống HRAPs được thiết kế và vận hành nhằm kiểm chứng khả năng mô phỏng của mơ hình tồn. Thiết kế hệ thống xử lý căn cứ các hệ số thực nghiệm của các thí nghiệm 1, 2, 3 và các nghiên cứu tương tự (tài liệu tham khảo). Bản vẽ thiết kế được trình bày trong phần Phụ lục. Thiết bị sử dụng và các yếu tố vận hành bao gồm:
-Máy khuấy: xáo trộn và cung cấp oxy cho hệ thống, tốc độ điều chỉnh đạt 20 cm/s. + Bán kính cánh khuấy: 30cm + Kích thước cánh khuấy: 40x10cm + Tốc độ khuấy: 60 vòng/phút -Đèn huỳnh quang ánh sáng trắng: + Số lượng: 8 + Công suất: 60W + Chiều dài đèn: 1,2 m
b. Theo dõi thí nghiệm (vận hành của hệ thống)
-Hàm lượng sắc tố chlorophyll-a được đánh giá 1 lần/ngày xác định theo phương pháp đo quang phổ ở các bước sóng tương ứng (430 nm).
-Mật độ tảo được đánh giá 4 lần/ngày xác định bằng buồng đếm Burker – Turk dưới kính hiển vi quang học có độ phóng đại vật kính 10-40x.
-Cường độ ánh sáng được đo đạc định kỳ 6 lần/ngày (8h, 10h, 12h, 14h, 16h, 18h); nhiệt độ, pH và DO được theo dõi định kỳ 4 lần/ngày bằng các thiết bị đo tương ứng là Testo 540 (Đức); nhiệt kế; pH-metter và DO-metter.
-Các thông số chất lượng nước (NH4+, NO3-, PO43- với tần suất 1 lần/ngày; BOD5, TN, TP trước và sau thí nghiệm) được thực hiện trực tiếp tại phịng thí nghiệm bằng các phương tháp hiện hành theo TCVN (Tiêu chuẩn Việt Nam).
3.4.5. Phương pháp phân tích
a. Phân tích chất lượng nước
- TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2008) Chất lượng nước - Xác định pH ;
- TCVN 7325:2004 - Chất lượng nước. Xác định oxy hoà tan. Phương pháp đầu đo điện hoá.
- TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989) Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxy hoá học (COD) ;
- TCVN 6001-2:2008 (ISO 5815-2:2003), Chất lượng nước – Xác định nhu cầu oxy sinh hóa sau n ngày (BODn) – Phần 2: Phương pháp dùng cho mẫu khơng pha lỗng;
- TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997) Chất lượng nước - Xác định chất rắn lơ lửng bằng cách lọc qua cái lọc sợi thuỷ tinh;
- TCVN 6202:2008 (ISO 6878:2004) Chất lượng nước - Xác định phôt pho - Phương pháp đo phổ dùng amoni molipdat
- Phân tích N-NH4+: phương pháp so màu ở bước sóng 667 nm bằng máy đo quang phổ UV-VIS.
- TCVN 6180: 1996 (ISO 7890/3: 1988), Chất lượng nước. Xác định nitrat. Phương pháp trắc phổ dùng axitosunfosalixylic.
b. Phương pháp đo mật độ tảo bằng buồng đếm Burker – Turk
- Dụng cụ để xác định hàm lượng tế bào là kính hiển vi Olympus CX21 (Mỹ), buồng đếm Burker – Turk (Đức) và lamen. Số lượng tế bào đếm được trong 5 ô vuông lớn sẽ được dùng để tính mật độ tế bào theo cơng thức sau:
D = A*X*104
- Trong đó : D: Mật độ tế bào (TB/ml), A: Tổng số tế bào trong cả buồng đếm; X: Hệ số pha loãng (Chú ý: đối với các mẫu tảo có khả năng chuyển động, trước khi đếm mẫu phải được cố định bằng dung dịch 100% Ethanol hoặc 4% Foocmon).
- Phương pháp đo nồng đọ Chlorophyll-a
Hàm lượng sắc tố Chlorophyll-a được xác định theo phương pháp đo quang phổ ở các bước sóng tương ứng, so màu và tính theo cơng thức mô tả trong Experimental phycology: A Laboratory Manual của Christopher et al. (1988). Theo phương pháp này, dịch lọc tảo thu trên giấy lọc sẽ được đem chiết Chlorophyll-a bằng Methanol (5%) sau đó đo quang phổ bằng thiết bị Tuner Design ở bước sóng 430 nm.
c. Phương pháp xác định sinh khối tảo
Mẫu nước chứa tảo thu được đưa qua máy ly tâm tốc độ 10000 vòng/phút để tách sinh khối tảo. Lượng tảo thu được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC và sử dụng dụng phương pháp khối lượng để xác định sinh khối khô.
36
3.4.6. Phương pháp đánh giá kết quả
- Đánh giá đặc tính của nước thải thơng qua QCVN 14-2008/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt, cột B.
- Đánh giá hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng thông qua kết quả phân tích ban đầu và sau khi kết thúc thí nghiệm.
Trong đó :
- H là hiệu quả xử lý dinh dưỡng; - Co là nồng độ chất ô nhiễm ban đầu;
- Ce là nồng độ chất ơ nhiễm sau khi kết thúc thí nghiệm.
3.4.7. Phương pháp kiểm định
Sử dụng chỉ số sai số RMSE cho từng thông số. Đây là chỉ số được tính tốn dựa trên sự khác biệt giữa kết quả dự đốn hoặc mơ phỏng của mơ hình và giá trị quan sát từ hệ thống thực hoặc giá trị tham chiếu.
RMSE =
Trong đó, x1,i - x2,i là sự khác biệt giữa biến i từ kết quả của nguồn số liệu thứ 1 (kết quả chạy mơ hình) và nguồn số liệu thứ 2 (từ quan sát thực tế hoặc giá trị thông số), n là tổng số các biến.
3.4.8. Phương pháp xác định độ nhạy của thông số
Độ nhạy của các thông số được xác định thông qua việc thay đổi thông số đầu vào và đánh giá sự thay đổi kết quả đầu ra của mơ hình.
3.4.9. Phương pháp xử lý số liệu và trình bày kết quả
Tất cả xử lý thống kê trong nghiên cứu sử dụng ngôn ngữ R (2003) và Excel (2010). Sự sai khác giữa các cơng thức thí nghiệm đánh giá bằng AVOVA test theo phương pháp của Tukey. Ngưỡng có ý nghĩa được xác lập ở mức xác suất P = 0,05.
PHẦN 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH TRƯỞNG, HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SINH TRƯỞNG CỦA VI THẢI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SINH TRƯỞNG CỦA VI TẢO CHLORELLA VULGARIS
Trong phần này trình bày kết quả của các tiền thí nghiệm được thực hiện trước khi xây dựng mơ hình tốn. Kết quả của các thí nghiệm nhằm khảo nghiệm khả năng sinh trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong nước thải (có khả năng
sinh trưởng tốt trong nước thải hay không?), nhận định các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng sinh trưởng của chúng (các yếu tố nào chi phối khả năng sinh trưởng và loại bỏ dinh dưỡng của tảo trong nước thải?). Đồng thời kết quả thực nghiệm là cơ sở để đưa các hệ số vào mơ hình tốn và thiết kế hệ thống HRAPs quy mơ pilot.
4.1.1. Khả năng sinh trưởng và khả năng xử lý N,P của vi tảo Chlorella vulgaris trong nước thải vulgaris trong nước thải
Để xác định tiềm năng của việc ứng dụng tảo C.vulgaris trong nước thải tiến hành thử nghiệm nuôi tảo trong môi trường BBM và nước thải, theo dõi sinh trưởng và phát triển của tảo trong 14 ngày (thí nghiệm 1).
a. Khả năng sinh trưởng của tảo Chlorella vulgaris trong hệ thống bioreactor
Nồng độ diệp lục tố nhóm a (chlorophyll-a) thể hiện mức độ sinh trưởng của tảo lục trong khi mật độ tế bào thể hiện sự phát triển (hoặc sinh sản) của quẩn thể. Nhận thấy cả nồng độ diệp lục và mật độ tảo trong 02 công thức đều tăng lên đáng kể trong giai đoạn đầu sau đó suy giảm, trong khi ở mẫu đối chứng khơng thấy xuất hiện chlorophyll-a. Theo đó, đường cong sinh trưởng của tảo thể hiện trong Hình 4.1 phân ra bốn giai đoạn: thích nghi, tăng trưởng, ổn định và suy
thối.
38
Giai đoạn thích nghi tương đối ngắn (dưới 24 giờ) do tảo đưa vào môi trường đang ở giai đoan trưởng thành, đồng thời do khả năng thích nghi của tảo
C.vulgaris tốt, tốc độ sinh sản nhanh. Điều này cũng có thể cho thấy nước thải
sau bể tự hoại không gây ngộ độc hoặc ức chế sinh trưởng của C.vulgaris.
Giai đoạn tăng trưởng kéo dài 8 ngày trong môi trường BBM và 9-10 ngày trong nước thải. Trong môi trường BBM, tảo sinh trưởng nhanh trong khoảng từ ngày thứ 3 đến ngày thứ 8 đạt đỉnh tại 2,8.106 TB/ml. Trong nước thải, tảo sinh trưởng nhanh trong khoảng từ ngày thứ 5 đến ngày thứ 10 đạt đỉnh tại 7.106 TB/ml. Như vậy, trong nước thải thời gian tăng trưởng kéo dài hơn; mật độ tảo và chlorophyll a tại đỉnh đều cao hơn gấp 2 đến 6 lần so với môi trường dinh dưỡng BBM (tại mức ý nghĩa p < 0,05). Điều này có thể do nồng độ dinh dưỡng N và P trong nước thải cao hơn đáng kể so với mơi trường BBM.
Ngồi ra trong giai đoạn này, các thông số môi trường như nhiệt độ, pH, DO có sự thay đổi đáng kể. Nhiệt độ nước thải và môi trường BBM đều tăng đáng kể so với ban đầu (từ 18oC lên 23±3,5oC), kể cả mẫu đối chứng do khả năng hấp thụ nhiệt của chất rắn lơ lửng và tảo. pH môi trường tăng đáng kể từ 6,8 lên 8,9 (đối với BBM) và từ 6,2 lên 8,7 (đối với nước thải) trong cơng thức có tảo; trong khi đó ở mẫu đối chứng pH chỉ dao động trong khoảng 6,2-6,3. Điều này có thể do sự tiêu thụ CO2 trong nước do tảo (Wang và Lan, 2011). DO tăng từ 0,2 lên đến 5,4 mg/l trong CT1.2 (nước thải), và tăng từ 2,3 lên 5,7 mg/l trong CT1.1 (BBM) tuy nhiên trong CT1.0 (đối chứng) luôn luôn thấp hơn 0,87 mg/l. Các biểu hiện này góp phần chứng minh hoạt động của tảo trong giai đoạn tăng trưởng
Giai đoạn ổn định tương đối ngắn (1-4 ngày) đối với cả môi trường BBM và nước thải, tại đó mật độ tảo nằm trong khoảng 3.106 đến 7.106 TB/ml, điều này làm giảm khả năng xuyên của ánh sáng dẫn tới cường độ ánh sáng đo được trong dung dịch chỉ đạt 500-1200lux. Mặt khác, sau quá trình bùng nổ tảo, dinh dưỡng hịa tan suy giảm nhanh chóng dẫn tới hiện tượng thiếu dinh dưỡng cục bộ khiến nhiều tế bào tảo bị chết.
Giai đoạn suy thoái bắt đầu từ ngày thứ 9 đối với BBM và từ ngày thứ 10 đối với nước thải do hệ quả của các yếu tố đã trình bày ở trên. Tại đây, mật độ