2. Trình tự thí nghiệm 1:
+ Thiết lập mơ hình AX sử dụng kỹ thuật phản ứng tầng cố định.
+ Cấy vi khuẩn Planctomycetes lên trên 100g giá thể mang Felibendy kích thước 10x10x8mm và đặt vào trong mơ hình phản ứng AX. Sử dụng tấm lưới chặn phía trên để giữ các giá thể mang cố định trong mơ hình (chiếm khoảng 70% thể tích mơ hình).
+ Tiến hành pha nước thải nhân tạo có chứa các hợp chất nitơ (theo bảng 3.1). + Vận hành mơ hình thí nghiệm qua 4 giai đoạn (theo bảng 3.4) tương ứng với 4 thời gian lưu thủy lực (giảm từ 24h xuống 18h, 12h và 6h), đồng thời tăng dần nồng độ cơ chất đầu vào (bảng 3.4).
Nước thải
nhân tạo MƠ HÌNH AX (TẦNGCỐ ĐỊNH) + Vật liệu
Felibendy (10x10x8mm)
Đánh giá hiệu quả xử lý của mơ hình
Xác định tốc độ loại bỏ cơ chất
lớn nhất Giảm dần thời gian
lưu thuỷ lực Tăng dần nồng độ cơ
(a) (b)
Hình 3. 11. Hình ảnh thí nghiệm 1: (a). Sơ đồ mơ hình AX; (b) Mơ hình AX khi vận hành thí nghiệm
3. Thơng số vận hành của thí nghiệm 1
Bảng 3.4. Thơng số vận hành của mơ hình trong thí nghiệm 1
Thông số Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 4
Thời gian (ngày) 42 45 56 48
Từ ngày đến ngày 27/7– 07/9/15 07/9- 23/10/15 23/10- 18/12/15 18/12- 05/02/16 HRT (h) 24 18 12 6
Lưu lượng (L/ngày) 1,62 2,16 3,24 6,48
NH4+-N vào (mgN/L) 10-40 40-60 50-120 80-120
NO2--N vào (mgN/L) 10-40 40-60 50-120 80-120
pH 7,0-7,5
MƠ HÌNH TẦNG CỐ ĐỊNH (FBR) MƠ HÌNH NITRIT HỐ BÁN PHẦN (PN) Giảm dần thời gian lưu thuỷ lực Tăng dần nồng độ cơ chất đầu vào
4. Nguyên tắc hoạt động của mơ hình AX
Nước thải nhân tạo được pha trong phịng thí nghiệm và chứa trong thùng kín sau đó được bơm bằng bơm nhu động vào mơ hình từ phía dưới lên trên, đi qua lớp giá thể mang Felibendy đã được cấy vi khuẩn. Vi khuẩn dính bám lên vật liệu sinh học sẽ tạo thành một lớp màng sinh học. Tại đây, các vi sinh vật Planctomycetes
bám trên lớp màng sinh học này sử dụng nitrit trong nước thải là chất nhận điện tử, amoni là chất nhường điện tử và tiến hành q trình oxi hố kỵ khí amoni thành khí nitơ. Nước thải sau đó xả ra ngồi qua lỗ tràn ở phía trên của mơ hình. Mơ hình vận hành liên tục với thời gian lưu nước trong mơ hình tương ứng với các giai đoạn là 24h, 18h, 12h và 6h.
3.3.2. Thí nghiệm 2
Thí nghiệm thứ 2 được tiến hành với hệ mơ hình PN/AX để xử lý các hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế (lấy nguồn từ bể tự hoại của ký túc xá trường Đại học Xây Dựng Hà Nội).
1. Nội dung thí nghiệm 2: tiến hành nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng quá trình nitrit hố bán phần và q trình Anammox.
Hình 3. 12. Nội dung thí nghiệm 2
Đánh giá hiệu quả xử lý của hệ mơ hình PN+FBR Nước thải thực tế Mơ hình Nitrit hố bán phần (PN) Mơ hình Anammox (AX) Xác định HRT phù hợp với từng mơ hình Xác định phương trình động học phù hợp Tăng dần nồng độ cơ chất đầu vào Giảm dần thời gian
2. Trình tự thí nghiệm 2:
+ Thiết lập mơ hình nitrit hóa bán phần (mơ hình PN) sử dụng tấm vật liệu Felibendy kích thước 150 x 250 x 8 (mm) là giá thể cho vi khuẩn Nitrosomonas
dính bám.
+ Tiếp tục sử dụng mơ hình Anammox (mơ hình AX) với kỹ thuật phản ứng tầng cố định sử dụng giá thể mang Felibendy dạng hình hộp chữ nhật 10 x 10 x 8 (mm) đã được vận hành trong thí nghiệm 1.
+ Nối tiếp hai mơ hình thí nghiệm: mơ hình PN và mơ hình AX. Hệ mơ hình PN/AX được thể hiện trên hình 3.13 với các trang thiết bị gồm bơm nhu động, thiết bị ổn nhiệt, máy sục khí (cho mơ hình PN) và các can chứa nước thải. Giữa hai mơ hình PN và AX là can nước thải trung gian, chứa nước thải đầu ra của mơ hình PN đồng thời là nước thải đầu vào của mơ hình AX.
+ Vận hành hệ mơ hình thí nghiệm với các thơng số vận hành như trong bảng 3.5 và bảng 3.6, sử dụng nước đầu vào hệ thống là nước thải thực tế có thành phần như trong bảng 3.2.
Hình 3. 14. Hình ảnh thí nghiệm 2 (hệ mơ hình PN/AX)
3. Thơng số vận hành của thí nghiệm 2
Mơ hình nitrit hố bán phần và Anammox nối tiếp và tiến hành vận hành mơ hình trong thời gian 210 ngày với 3 giai đoạn nghiên cứu khác nhau về thời gian lưu nước và nồng độ các chất bẩn chứa nitơ trong nước thải được thể hiện trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Thông số vận hành hệ thống PN/AX
Giai
đoạn Từ ngày đến ngày
NH4+-N vào (mg/L) NO2--N vào (mg/L) NO3--N vào (mg/L) HRT (h) PN AX 1a 1/9 – 29/9/17 39,7±4,3 (n=18) 3,7 ± 0,7 (n=18) 1,0±0,9 (n=18) 18 12 1b 29/9-30/10/17 12 9 2a 30/10-29/11/17 80,9 ± 3,8 (n=27) 5,1 ± 2,3 (n=27) 2,8±1,9 (n=27) 12 9 2b 29/11/17-27/12/17 9 6 2c 27/12-26/1/18 9 4,5 3a 26/1-26/2/18 115,4±3,5 (n=18) 7,6±1,5 (n=18) 3,6±1,0 (n=18) 9 6 3b 26/1-28/3/18 9 6
Bảng 3.6. Các thơng số kiểm sốt vận hành hệ thống PN/AX
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. Ngun 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 quá trình oxi hoá 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.
MƠ HÌNH FBR 1(HRT=6h) Xác định ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ đến quá trình Anammox MƠ HÌNH FBR 2 (HRT=9h) MƠ HÌNH FBR 3 (HRT=12h) Xác định thơng số động học của phương trình Stover Kincannon đối với các tỉ lệ COD/TN
khác
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 thơng 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 thơng số động học của q trình tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải.
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
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. Thơng 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 mô 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 thoát 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 hoà 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.
9 % . �̅ = W 78 ! �7 � (3.5)
Độ lệch chuẩn S được tính bằng cơng 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:
���<=
> = ���?àA − ���B/
���
(3.9)
(((((((((((((((�/�;///////////////đ)
Hiệu quả loại bỏ tổng nitơ (NRETN) được xác định:
NRE<
>
= (��?àA − ��B/)
. 100% (3.10)
��?àA
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
. 100%
Hiệu quả loại bỏ nitrit (NRENO2) được xác định:
(��5 − �) − (��5 − �) ) (3.14)
���>D% = % ?àA % B/
. 100%
(((((((((((((((5 − ) ?àA
Tỉ lệ sinh nitrat trên tổng nitơ loại bỏ được xác định: B/
�� (��;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 lồi 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