Mơ hình Nhiệt độ (0C) pH DO (mg/L) Vi khuẩn
Mơ hình PN 33±1,0 7,0-7,5 ≈ 2 Nitrosomonas
Mơ hình AX 33±1,0 7,0-7,5 <0,5 Planctomycetes
4. Nguyên tắc hoạt động của hệ mơ hình PN/AX
Do nước thải sinh hoạt thực tế có nồng độ nitrit thấp, nên để có được tỉ lệ nitrit/amoni phù hợp với quá trình Anammox cần phải bổ sung thêm mơ hình PN (mơ hình nitrit hố bán phần) đặt trước mơ hình AX. Hệ mơ hình PN/AX gồm 2 mơ hình PN và AX nối tiếp nhau, nước thải đầu ra của mơ hình PN là nước thải đầu vào của mơ hình AX. Nước thải thực tế được bơm nhu động bơm từ can chứa vào mơ hình PN. Nước thải qua ngăn phân phối và đi vào ngăn phản ứng (có chứa tấm giá thể mang Felibendy) theo chiều từ dưới lên trên. Khi đó, các vi khuẩn Nitrosomonas dính bám trên vật liệu Felibendy đặt trong mơ hình PN sẽ tiến hành q trình oxi hố các hợp chất amoni trong nước thải thành nitrit. Q trình này nhằm mục đích chuyển hố một phần amoni thành nitrit, tạo tỉ lệ NO2--N/NH4+-N ≈ 1:1 là tiền đề thích hợp cho phản ứng Anammox tiếp theo diễn ra. Nước thải sau khi ra khỏi mơ hình PN tiếp tục được bơm vào mơ hình AX với giá thể mang Felibendy dạng hình hộp chữ nhật 10 10 x 8 (mm) nhờ bơm nhu động. Tại đây, quá trình oxi hố kỵ khí amoni sẽ được thực hiện và nitơ trong nước thải sẽ được xử lý. Nước thải sau khi xử lý được tràn ra ngồi qua lỗ tràn.
3.3.3. Thí nghiệm 3
Thí nghiệm 3 sử dụng nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau, tăng dần từ 0 đến 7,0.
1. Nội dung thí nghiệm 3: tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến hiệu quả xử lý của quá trình Anammox và xác định các thơng số động học của q trình Anammox tương ứng với từng tỉ lệ C/N khác nhau.
NT nhân tạo có tỉ lệ COD/TN tăng dần
Mơ hình AX1 (HRT = 6h) Mơ hình AX2 (HRT = 9h) Mơ hình AX3 (HRT = 12h)
Xác định ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ đến QT Anammox
Xác định thơng số động học của q trình Stover Kincannon đối với tỉ lệ C/N khác nhau
Hình 3.15. Nội dung thí nghiệm 3
2. Trình tự thí nghiệm 3:
+ Lắp đặt bộ 3 mơ hình phản ứng tầng cố định có cùng cấu tạo (AX1, AX2, AX3) sử dụng giá thể mang Felibendy đã có sẵn vi khuẩn Planctomycetes từ các thí nghiệm trước.
+ Vận hành bộ mơ hình với các thông số vận hành như bảng 3.7 sử dụng nước thải nhân tạo có thành phần như trong bảng 3.6.
+ Tiến hành thí nghiệm với nước thải nhân tạo khơng có chất hữu cơ (tỉ lệ C/N=0).
+ Nâng dần tỉ lệ C/N trong nước thải từ 0 lên 1,0; 2,0; 3,5; 5,0; 7,0 để đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến hiệu quả xử lý của quá trình.
+ Sử dụng các số liệu thí nghiệm để xây dựng phương trình động học phản ứng nhằm xác định các thông số động học của quá trình tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải.
MƠ HÌNH FBR 1(HRT=6h) MƠ HÌNH FBR 2 (HRT=9h) MƠ HÌNH FBR 3 (HRT=12h) Xác định ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ đến q trình Anammox Xác định thơng số động học của phương trình Stover Kincannon đối với các tỉ lệ COD/TN
Hình 3.16. Sơ đồ mơ hình thí nghiệm 3
3. Thơng số vận hành mơ hình
Nghiên cứu được tiến hành trong thời gian 150 ngày với với các thơng số vận hành được trình bày trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Thông số vận hành hệ mơ hình AX1, AX2, AX3 Từ ngày đến ngày 3/9- 21/9/18 21/9- 12/10/18 12/10- 2/11/18 2/11- 23/11/18 23/11- 14/12/18 15/12- 22/12/18 22/12- 05/01/19 05/01- 25/1/19 Tỉ lệ C/N 0 1,0 2,0 3,5 5,5 7,0 0 6,0 COD (mg/L) 0 50±0,4 99,7±0,5 175±0,5 274±0,5 350±0,4 0 299,5±0,6 NH4+ -N (mg/L) 21,6±0,5 21,9±0,3 22,3±0,3 22,2±0,2 22,1±0,3 22,1±0,2 21,9±0,4 22,0±0,3 NO2- -N (mg/L) 23,6±0,2 23,5±0,4 23,4±0,4 23,6±0,3 23,6±0,2 23,4±0,1 23,6±0,2 23,5±0,2 NO3- -N (mg/L) 3,4±0,3 3,3±0,2 3,4±0,2 3,5±0,1 3,5±0,2 3,5±0,1 3,6±0,2 3,5±0,2 Tổng nitơ (mg/L) 48,6±0,7 48,8±0,7 49,1±0,5 49,3±0,4 49,3±0,3 49,0±0,3 49,2±0,5 49,0±0,4 (Độ lệch chuẩn được tính cho n= 10 giá trị)
4. Nguyên tắc hoạt động của 3 mơ hình AX1, AX2, AX3:
3 mơ hình AX1, AX2 và AX3 (có cùng cấu tạo) được lắp song song nhưng được vận hành với thời gian lưu thủy lực khác nhau (6h, 9h và 12h). Trong ba cột AX1, AX2 và AX3 được sử dụng giá thể mang Felibendy dạng khối đã được làm giàu vi khuẩn từ những giai đoạn trước để đảm bảo lượng vi khuẩn ổn định trên giá thể mang. Nước thải nhân tạo được bổ sung thêm glucose để có tỉ lệ C/N khác nhau (tăng dần từ 0 đến 7,0) và được chứa trong can chứa nước thải. Mơ hình AX1, AX2, AX3 được bơm nhu động bơm vào nước thải từ can vào 3 mơ hình. Trong các mơ hình AX1, AX2, AX3 diễn ra quá trình Anammox, nước thải đầu vào và đầu ra được lấy mẫu và phân tích 3 ngày/lần.
3.4. Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và xử lý số liệu3.4.1. Phương pháp lấy mẫu 3.4.1. Phương pháp lấy mẫu
- Nước thải đầu vào và đầu ra của mơ hình thí nghiệm được lấy với tần suất trung bình 2-3 ngày/lần.
- Tại mỗi vị trí lấy mẫu (trước và sau mơ hình), lượng nước thải được lấy với dung tích 100ml vào chai đựng mẫu. Nước thải được lấy tràn thể tích của chai đựng mẫu, đóng chặt nắp (tránh khơng khí xâm nhập) và được bảo quản lạnh trong tủ lạnh của phịng thí nghiệm.
- Mẫu nước thải được phân tích tại phịng thí nghiệm bộ mơn Cấp thốt nước, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
3.4.2. Phương pháp phân tích
Để đánh giá hiệu quả xử lý của mơ hình, tiến hành xác định các thơng số hố học đánh giá chất lượng nước trước và sau mơ hình. Phương pháp phân tích được tiến hành theo “Standard methods for the examination of water and wastewater” [24].
1. Chỉ tiêu pH: Dùng máy đo Hatch HQ30d.
2. Nồng độ oxi hoà tan DO (mgO2/L): Dùng điện cực oxi hồ tan - máy đo oxi Hatch HQ30d. Độ chính xác 0,1 mgO2/L
3. Xác định hàm lượng amoni N-NH4+ (mgN/L): Phương pháp so màu với thuốc thử Nessler để xác định hàm lượng Amoni có trong mẫu tạo phức chất màu vàng có độ hấp thụ cực đại tại bước sóng (λ = 425 nm).
Nồng độ amoni được xác định theo phương trình đường chuẩn:
y = 7,2082 x – 0,0613 (R2=0,99842) (3.1)
Trong đó: y là độ hấp thu ở bước sóng 425nm x là nồng độ amoni (mgN/L) Độ chính xác của phép đo là 0,01 mgN/L
4. Xác định hàm lượng nitrit N-NO2- : Phương pháp so màu, ở pH từ 2-2,5, nitrit sẽ tạo sự kết hợp với acid sunfanilic diazo (Griss A) và α-naptylamin (Griss
B) cho mầu hồng đỏ, đem đo ở bước sóng 520 nm để xác định hàm lượng nitrit trong nước.
Nồng độ nitrit được xác định theo phương trình đường chuẩn:
y = 2,2412 x – 0,0328 (R2= 0,99328) (3.2)
trong đó: y là độ hấp thu ở bước sóng 520nm x là nồng độ nitrit (mgN/L)
Độ chính xác 0,01 mgN/L
5. Xác định hàm lượng nitrat N-NO3-: Phương pháp so màu, acid nitric giải phóng từ muối nitrat tác dụng với acid nitrofenoldisunfonic cho phức vàng đem soi màu ở bước sóng 430 nm để xác định hàm lượng nitrat.
Nồng độ nitrat được xác định theo phương trình đường chuẩn:
y = 0,669 x – 0,0068 (R2= 0,993) (3.3)
trong đó: y là độ hấp thu ở bước sóng 430nm x là nồng độ nitrit (mgN/L)
Độ chính xác 0,01 mgN/L
6. Xác định hàm lượng COD (mgO2/L): mẫu được đun hồi lưu với K2Cr2O7 và chất xúc tác là bạc sunfat Ag2SO4 trong môi trường axit H2SO4 đặc ở nhiệt độ 1500C trong thời gian 2h. Lấy ra để nguội và tiến hành đo mật độ quang ở bước sóng 600nm.
Nồng độ COD được xác định theo phương trình đường chuẩn:
y = 2788,4 x – 11,269 với R2= 0,99079. (3.4)
trong đó: y là độ hấp thu ở bước sóng 600nm x là nồng độ nitrit (mgN/L)
Độ chính xác 0,01 mgN/L
3.4.3. Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được xử lý trên phần mềm Microsoft Excel phiên bản 2010 theo phương pháp thống kê tốn học của 3 lần phân tích cùng một chỉ tiêu.
. �� = W 78 ! �7 � (3.5)
Độ lệch chuẩn S được tính bằng công thức:
∑. (�7 − �̅)% (3.6)
=
� X 78!
− 1
�
Hàm lượng tổng nitơ trong nước thải được xác định:
�� = ��� = (��: − �) + (��5 − �) + (��5 − �) (mg/L) (3.7)
9 % ;
Tải lượng tổng nitơ (NLRTIN) đầu vào được xác định:
�� � <= > = àA ���? ��� (���/�;/��đ) (3.8)
Tốc độ loại bỏ tổng nitơ (NRRTIN) được xác định:
�� � <= > = B/ ���?àA − ��� ��� (3.9) (���/�;/��đ)
Hiệu quả loại bỏ tổng nitơ (NRETN) được xác định:
NRE<
> = (��?àA ��?àA− ��B/) . 100% (3.10)
Tải lượng amoni đầu vào (NLRNH4) được xác định:
(��9: − �)?àA (3.11)
���>C9 =
��� (���/�
;/��đ)
Tốc độ loại bỏ amoni (NRRNH4) được xác định:
��� = (��9 : − �) ? àA − (�� : − ) � (���/�;/��đ) (3.12) �� �
Hiệu quả loại bỏ amoni (NRENH4) được xác định:
h(��9: − �)?àA − (��9: − �)B/i (3.13) ���>C9 = (��9: − �) ?àA 9 B/
. 100%
Hiệu quả loại bỏ nitrit (NRENO2) được xác định:
(��5 − )� − (��5 − )� ) (3.14)
���>D%
= % (�� ?àA 5 − �) %?àA B/ . 100%
Tỉ lệ sinh nitrat trên tổng nitơ loại bỏ được xác định:
� � (��;5 − �)B/ − (��;5 − �)?àA (3.15) ;j �� = ��? àA − ��B/ . 100% 3.4.4. Phương pháp xác định chủng vi khuẩn
Sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử, nhận diện bằng kỹ thuật khuếch đại gen PCR (Polymerase chain reaction) là một trong những kỹ thuật hiện đại đã và đang được áp dụng hiệu quả trong việc nhận diện, định danh vi sinh vật. Cơ sở khoa học của việc áp dụng kỹ thuật sinh học phân tử đó là dựa vào tính đặc trưng của trình tự gen đối với mỗi loài sinh vật. Một trong số những gen được thế giới công nhận và sử dụng rộng rãi trong nhận diện vi khuẩn đó là trình tự 16S rDNA mã hóa cho trình tự 16S RNA.
Thí nghiệm được tiến hành với bùn sinh khối Anammox là chủng
Candidatus Brocadia anammoxidans được công ty Meidensa Nhật Bản cung cấp.
Sau thời gian thí nghiệm với nước thải thực là nước thải từ bể tự hoại của trường Đại học Xây dựng, tiến hành lấy mẫu giá thể mang Felibendy dạng khối ra khỏi mơ hình. Mẫu giá thể mang này được gửi sang Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội để tiến hành phân tích xác định chủng vi khuẩn tồn tại trên giá thể mang.
Trình tự xác định chủng vi khuẩn trên giá thể mang như sau:-
- Tiến hành thiết kế đoạn mồi, từ ngân hàng dữ liệu NCBI lấy ra 10 trình tự 16S rDNA của chủng Candidatus Brocadia anammoxidans. Dữ liệu trình tự nucleotide thu được được đưa vào công cụ so sánh Multalin để xác định các vùng bảo thủ.
- Trình tự được lựa chọn được đưa vào phần mềm FastPCR để tính tốn các thơng số và lựa chọn trình tự thỏa mãn các u cầu: có trình tự khoảng 20-25 nucleotide, khơng tự bắt cặp bổ sung, khơng bắt cặp bổ sung hai trình tự mồi với nhau, nhiệt độ gắn mồi khoảng 55-62oC, …
- Cặp mồi được đặt tổng hợp bởi hãng IDT với nhiệt độ gắn mồi dự kiến là 59oC: 30 nucleotide đầu 5’ và 3’ của gen được sử dụng để tiến hành thiết kế mồi xuôi và mồi ngược tương ứng (bảng 3.8).
Bảng 3.8. Thông số mồi xuôi mồi ngượcMồi xuôi: Mồi xuôi: 5’- ttcgcaatgcccgaaagggtga - 3’ Mồi ngược: 5’- aaaacccctctacttagtgccca -3’ Tm = 61,4oC; Tm = 57,6oC; CG% = 54,5; CG% = 47,8; Complexity = 97; Complexity = 94; Quality = 93; Quality = 89; Dimer = 0 Dimer = 0 Ta = 56,4 – 62,4oC Ta = 55,3 – 61,3oC
- Sau khi có được cặp mồi đặc hiệu gen 16S rDNA của chủng Candidatus
Brocadia anammoxidans tiến hành phản ứng PCR để khuếch đại đoạn gen 16S rDNA sử dụng DNA khuôn tách từ mẫu trước (gốc) và sau khi sử dụng (từ giá thể mang).
- Dựa vào kết quả thu được từ băng DNA trên mẫu gốc và mẫu sau quá trình xử lý, xác định tính phù hợp với kích thước lý thuyết theo thiết kế của đoạn mồi để kết luận sự có mặt của vi khuẩn chủng Candidatus Brocadia anammoxidans hay khơng.
3.4.5. Phương pháp xây dựng phương trình tốn để xác định thơng số động học của q trình nitrit hố bán phần và q trình Anammox
Các thơng số mơ tả động học q trình nitrit hố bán phần và quá trình Anammox được xác định dựa vào phương trình động học được thiết lập từ các số liệu thực nghiệm của nghiên cứu. Với số liệu phân tích thực nghiệm, sử dụng phần mềm Microsoft Excel thiết lập các phương trình tuyến tính thể hiện mối liên hệ giữa trục tung và trục hồnh
Phương trình động học bậc 1
Trong chương 2, phương trình động học bậc 1 đã được thiết lập và được biểu diễn bằng phương trình 2.14 và 2.15 (chương 2) như sau:
− dS = Q. S' − Q. S& = k . S (2.14) dt V V ! �' − �1 = � . � (2.15) ��� ! 1
Hằng số loại bỏ cơ chất bậc một k1 (ngày-1) trong phương trình (2.5) được xác định bằng việc xác định mối liên hệ giữa (S0-Se)/HRT và Se.
Các điểm trên đồ thị dựng được từ số liệu phân tích mẫu, trục hồnh là giá trị Se, trục tung là giá trị (Si-Se)/HRT. Từ đó sử dụng phần mềm Microsoft Excel lập phương trình đường thẳng tuyến tính dạng y = k.x đi qua những điểm trên và xác định hệ số tương quan R2. Khi đó, hằng số loại bỏ cơ chất bậc một k1 là độ dốc của đồ thị và có giá trị là k1 = k.
Phương trình động học bậc 2 Grau
Trong chương 2, phương trình động học bậc 2 Grau đã được thiết lập và được biểu diễn bằng phương trình (2.16) và (2.19) (chương 2) như sau:
dS S& % − dt = k%. X. ) S'* (2.16) ��� = . � ��� + � (2.19) �
Sử dụng phần mềm Microsoft Excel lập phương trình tuyến tính dạng y = a.x+b từ các số liệu thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa HRT/E (trục tung) và HRT (trục hoành). Các giá trị a, b được xác định từ đường thẳng tuyến tính đã lập được.
Hằng số tốc độ loại bỏ cơ chất của mơ hình động học bậc hai được xác định theo công thức 2.13 (chương 2) như sau:
�%
=a. b.�' X
(2.20)
Trong đó S0 là nồng độ cơ chất ban đầu (mg/L) và X là sinh khối vi khuẩn trong mô hình phản ứng (mg/L).
Phương trình động học Stover Kincannon
Trong chương 2, phương trình động học Stover Kincannon được thiết lập và được biểu diễn bằng phương trình 2.21 và 2.23 (chương 2) như sau:
dS − dt U*+, 5Q. S'8 = V K- + 5Q. S'8 (2.21) ��� (�' − �1) = �6 �(/ 0 ��� + 1 �' �(/0 (2.23)
Thiết lập mối liên hệ giữa 2 đại lượng HRT/(S0-Se) (trục tung) và HRT/S0 (trục hoành), sử dụng phần mềm Microsoft Excel thể hiện phương trình 2.18 dưới dạng phương trình tuyến tính y = c.x + d.
Tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất Umax (mg/L/ngày) và hằng số bán bão hoà KB (mg/L/ngày) được xác định theo công thức sau: Umax = 1/d và KB = c/d
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Nội dung nghiên cứu 1. Đánh giá hiệu quả loại bỏ các hợp chất chứa nitơcủa mơ hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy của mơ hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy
4.1.1. Hiệu quả loại bỏ amoni, nitrit và tổng nitơ trong mơ hình phản ứng tầng cố định với giá thể mang Felibendy
Nghiên cứu được tiến hành trong 191 ngày và chia thành 4 giai đoạn. Giai đoạn 1 là giai đoạn thích nghi với thời gian lưu thuỷ lực là 24h. Giai đoạn 2 và giai đoạn 3, nồng độ nitơ đầu vào được tăng dần lên, đồng thời thời gian lưu thuỷ lực cũng giảm dần xuống 18h ở giai đoạn 2 và 12h ở giai đoạn 3. Sang giai đoạn 4, duy trì nồng độ nitơ đầu vào giống như giai đoạn 3 nhưng giảm thời gian lưu thuỷ lực xuống chỉ còn 6h. Diễn biến sự thay đổi nồng độ thành phần các hợp chất của nitơ