Càng tăng thời gian xử lý, COD của các nghiệm thức giảm dần (hình 4.11).
Chúng tơi sử dụng giá trị COD = 150 mg/l trong QCVN 40:2011/BTNMT (nước thải loại B) để làm chuẩn so sánh. Biểu đồ tại hình 4.10 cho thấy, COD dưới ngưỡng 150 mg/l đạt được ở 2 nghiệm thức:
- Tỷ lệ vi khuẩn bổ sung 10% và 15% tại thời điểm 36 giờ: COD đầu ra lần
lượt là 133,3 mg/l (hiệu suất xử lý: 77,8%) và 119,7 mg/l (hiệu suất xử lý: 80,1%). Hai kết quả này không khác biệt khi thống kê ANOVA một chiều với mức tin cậy trên 95%; nhưng khác biệt có ý nghĩa so với mẫu đối chứng với hàm lượng COD đầu ra: 225 mg/l (hiệu suất xử lý: 62,5%).
- Tỷ lệ vi khuẩn bổ sung 10% và 15% tại thời điểm 48 giờ: COD đầu ra lần
lượt là 110,3 mg/l (hiệu suất xử lý: 81,6%) và 99,8 mg/l (hiệu suất xử lý: 83,4%). Hai kết quả này cũng không khác biệt khi thống kê ANOVA một chiều với mức tin cậy trên 95%. Hàm lượng COD mẫu đối chứng: 188 mg/l (hiệu suất xử lý: 68,7%) khác biệt có ý nghĩa (p < 0,05) với 2 nghiệm thức bổ sung 10% và 15% B.
amyloliquefaciens NBRC 14141.
Từ kết quả trên, đối với thí nghiệm CODđầu vào = 600 mg/l, chúng tôi chọn nghiệm thức tỷ lệ vi khuẩn bổ sung là 10% và xử lý trong vòng 36 giờ để tiết kiệm thời gian xử lý. Tại thời điểm này, CODđầu ra = 133,3 mg/l; hiệu suất xử lý đạt 77,8%.
Mẫu nước thải đối chứng theo thời gian xử lý cũng thể hiện sự giảm COD. Bản thân nước thải chứa hệ vi sinh vật phong phú và có nhiều dịng vi khuẩn có khả năng phân hủy tinh bột như Bacillus, Lactobacillus, Clostridium,
Pseudomonas,….(Nguyễn Hữu Hiệp và Nguyễn Thị Hải Lý, 2012). Cho nên, khi
tạo các điều kiện phù hợp như pH trong khoảng 6,5 - 8,5 phù hợp cho đa số vi sinh vật hoạt động (Nguyễn Văn Phước, 2012) cùng với việc cung cấp oxy cho nước thải (nuôi lắc hoặc sục khí); khi đó nước thải sẽ tự làm sạch nhưng cần thời gian dài mới thể hiện được hiệu quả xử lý.
Thí nghiệm 2:
Thí nghiệm 2 được tiến hành với COD đầu vào= 750 mg/l. Kết quả sự thay đổi COD đầu ra theo thời gian thể hiện ở hình 4.12. Tại mỗi thời điểm xử lý, hiệu quả xử lý tốt hơn ở nghiệm thức bổ sung 10% và 15% B. amyloliquefaciens NBRC 14141;
và khi kéo dài thời gian xử lý, COD càng giảm thấp giống như xu hướng ở thí nghiệm 1.
Hình 4. 12. Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 2
Khi tăng hàm lượng COD đầu vào lên 750 mg/l, COD đầu ra đạt dưới mức chuẩn 150 mg/l đối với các nghiệm thức:
- Nghiệm thức bổ sung 10% vi khuẩn khi xử lý 48 giờ: CODđầu ra = 130 mg/l (hiệu suất xử lý đạt 82,7%), khác biệt ý nghĩa so với mẫu đối chứng (p<0,05): COD =192,7 mg/l (hiệu suất xử lý: 74,2%).
- Nghiệm thức bổ sung 15% vi khuẩn khi xử lý 36 giờ: CODđầu ra = 123,3 mg/l (hiệu suất xử lý đạt 83,6%), khác biệt có ý nghĩa so với mẫu đối chứng (p<0,05): COD = 232,3 mg/l (hiệu suất xử lý: 69%).
- Nghiệm thức bổ sung 15% vi khuẩn khi xử lý 48 giờ: CODđầu ra = 101,6 mg/l (hiệu suất xử lý đạt 86,5%), khác biệt có ý nghĩa so với mẫu đối chứng (p<0,05): COD = 192,7 mg/l (hiệu suất xử lý: 74,2%).
Khi hàm lượng COD đầu vào tăng lên, việc tăng tỷ lệ vi khuẩn bổ sung hoặc tăng thời gian xử lý cần được thực hiện để đạt giá trị COD đầu ra. Tuy nhiên, theo Trương Thị Mỹ Khanh và cộng sự (2012), việc bổ sung quá nhiều tỷ lệ chế phẩm vi sinh vào nước thải có thể gây ra các hiệu ứng phụ là đưa thêm chất hữu cơ vào sẽ dẫn
kết hiệu quả xử lý kém. Cho nên, chúng tôi nhận thấy, để đạt hiệu quả xử lý nên bổ sung tỷ lệ chế phẩm ở mức độ thấp phù hợp và tăng thời gian xử lý.
Vì vậy, đối với thí nghiệm xử lý nước thải hủ tiếu với COD đầu vào= 750 mg/l, nghiệm thức có thể áp dụng là nghiệm thức bổ sung 10% (v/v) vi khuẩn B. amyloliquefaciens NBRC 14141 với thời gian xử lý 48 giờ, đạt hiệu suất xử lý 82,7%.
Thí nghiệm 3:
Thí nghiệm 3 được tiến hành với COD đầu vào= 900 mg/l. Kết quả sự thay đổi COD đầu ra theo thời gian thể hiện ở hình 4.13.
Hình 4. 13. Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 3
Trong thí nghiệm này, hàm lượng COD đầu ra giữa nghiệm thức bổ sung 10% và 15% vi khuẩn tại mỗi thời điểm xử lý 12 giờ, 24 giờ, 36 giờ, 48 giờ không khác biệt theo thống kê ANOVA (p<0,05). Hàm lượng COD của 2 nghiệm thức này đạt dưới ngưỡng 150 mg/l tại thời điểm xử lý 48 giờ, lần lượt là 146,7 mg/l và 140,3 mg/l (hình 4.12). Do đó, chúng tơi chọn nghiệm thức bổ sung 10% (v/v) vi khuẩn B.
amyloliquefaciens NBRC 14141 với thời gian xử lý 48 giờ, hiệu suất xử lý 83,7%; trong khi đó, hàm lượng COD đầu ra của mẫu đối chứng là 196 mg/l, hiệu suất xử lý 78,2%.
Như vậy, trong thí nghiệm khảo sát khả năng xử lý nước thải của B. amyloliquefaciens NBRC 14141 tự do, tỷ lệ vi khuẩn bổ sung nên thực hiện ở 10%
và thời gian xử lý 36 giờ đối với COD đầu vào ≤ 600 mg/l, 48 giờ đối với COD đầu vào trên 600-900 mg/l.
Trước đây, hiệu quả xử lý nước thải của chể phẩm hỗn hợp các chủng
Bacillus cũng được công bố trong nghiên cứu của Ngô Tự Thành và cộng sự (2009).
Chế phẩm hỗn hợp các chủng Bacillus được phân lập ở Việt Nam có khả năng xử lý có hiệu quả nước thải nhà máy sữa Vinamilk - Hà Nội (BOD5 của mẫu đối chứng là 1.250 mg/l, của mẫu nước thải xử lý lắc có bổ sung dịch vi khuẩn là 730 mg/l); và nước thải sông Tô Lịch (BOD5 của mẫu đối chứng là 165 mg/l, của mẫu nước thải có bổ sung dịch vi khuẩn là 92 mg/l).
Việc xác định B. amyloliquefaciens NBRC 14141 có khả năng xử lý được
nước thải hủ tiếu là cơ sở để chúng tôi tiến hành thí nghiệm khảo sát hiệu xử lý theo cách thức cố định vi khuẩn này lên giá thể trong thiết bị lọc sinh học nhỏ giọt.
4.5. Xử lý nước thải với vi khuẩn B. amyloliquefaciens NBRC 14141 cố định trong tháp lọc sinh học trong tháp lọc sinh học
4.5.1. Giai đoạn thích nghi
Từ kết quả của các thí nghiệm với B. amyloliquefaciens NBRC 14141 tự do, chúng tơi xác định chủng vi khuẩn này có khả năng xử lý được nước thải hủ tiếu, và tiến hành cố định lên giá thể tre (đã được cho vào lịng ống tháp lọc). Tre có độ xốp 0,69 m3/m3; bề mặt riêng tương đối lớn 240 m2/m3 (Trịnh Văn Dũng, 2005). Đây là vật liệu rẻ tiền, dễ tìm và vì là vật liệu thiên nhiên nên việc xử lý các giá thể tre loại bỏ sau khi sử dụng khá đơn giản, không tạo ra một nguồn ơ nhiễm mới.
Nước thải được pha lỗng để đạt hàm lượng CODđầu vào = 150 mg/l và pH được trung hòa về giá trị 7. Bổ sung 10% (v/v) vi khuẩn B. amyloliquefaciens
NBRC 14141 sau khi nuôi 36 giờ trong canh trường huấn luyện thích nghi vào nước thải.
Cho nước thải có bổ sung B. amyloliquefaciens NBRC 14141 chảy nhẹ qua tháp lọc sinh học, thơng khí tự nhiên. Chúng tơi nhận thấy sau 1 - 2 tuần, bề mặt của
đệm lọc trở nên nhầy ướt; chất bẩn trong nước thải đầu ra có hiện tượng kết tụ thành nhóm nhỏ và ở dạng lơ lửng.
4.5.2. Giai đoạn tiền xử lý
Sau giai đoạn thích nghi, chúng tơi bơm nước thải hủ tiếu pha loãng (COD = 600 mg/l, pH = 7) qua tháp lọc (khơng tuần hồn) với tốc độ bơm 2,8 L/giờ để vi sinh vật bám trên giá thể quen dần với việc tăng hàm lượng COD đầu vào. Vận hành với chế độ thơng khí tự nhiên.
Tiến hành theo dõi và lấy mẫu thử nghiệm COD mỗi ngày đến khi COD đầu ra ổn định giữa 3 lần lấy mẫu liên tiếp (Nguyễn Thanh Trúc và cộng sự, 2013). Sau 4 - 6 ngày, chúng tôi nhận thấy COD ổn định trong khoảng 314,0 - 319,7 (bảng 4.1), nên tiến hành các thí nghiệm xử lý nước thải.
Bảng 4.1. Hàm lượng COD đầu ra trong 1 - 6 ngày tiền xử lý
Ngày lấy mẫu 1 2 3 4 5 6
COD trung bình (m/L) 561,3 529,3 417,0 319,7 314,0 316,7
4.5.3. Giai đoạn xử lý
Trong giai đoạn này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khí đến hiệu quả xử lý nước thải khi thay đổi lưu lượng nước
Sau 6 ngày của giai đoạn tiền xử lý, chúng tôi tiến hành thí nghiệm 4 để khảo sát hiệu quả xử lý của các tốc độ thổi khí (50-100-150 l/phút) với tốc độ bơm nước qua tháp lọc là 2,8 l/giờ; COD đầu vào = 600 mg/l. Mẫu đối chứng được xử lý với các điều kiện tương tự và để thơng khí tự nhiên.
Chúng tơi thu mẫu từng nghiệm thức; nước thải khơng cịn màu trắng đục ban đầu, trở nên sẫm màu và có dạng huyền phù. Sau khi để lắng 1,5 giờ, chúng tôi tiến hành đo pH và COD. Các giá trị pH tăng dần khi tăng tốc độ thổi khí và trong khoảng 7,1 - 8,0. Một nghiên cứu khác khi áp dụng lọc sinh học xử lý nước thải phô-mai cũng dẫn đến pH đầu ra tăng lên trong khoảng 7,6 - 8,9 (Sumathi K. M. Saminathan và cộng sự, 2013). Trong khi đó, giá trị COD đầu ra giảm dần từ 304,7 - 64,0 mg/l (hình 4.14).
Hình 4. 14. Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 4
Trong khoảng tốc độ thổi khí từ 50 - 150 l/phút, chúng tơi nhận thấy càng tăng tốc độ thổi khí COD đầu ra giảm dần (137 - 77 mg/l) và đạt dưới mức 150 mg/l theo quy định của QCVN 40:2011/BTNMT đối với nước thải loại B. Hiệu suất xử lý đạt 82,3 - 89,8%. Mẫu đối chứng khơng thổi khí có COD đầu ra là 304,7 mg/l, hiệu suất xử lý chỉ đạt 49,2%.
Đối với việc xử lý ở chế độ thơng khí tự nhiên (mẫu đối chứng), nhờ hiện tượng đối lưu khơng khí cung cấp oxy cho hoạt động của vi sinh vật hiếu khí (Haimanot và cộng sự, 2013), nước thải được xử lý nhưng hiệu suất không cao (49,2%).
Chúng tôi tăng tốc độ nước bơm qua tháp lọc lên mức 3,2 l/giờ và 3,6 l/giờ trong thí nghiệm 5 và thí nghiệm 6. Kết quả thí nghiệm cho thấy tại từng lưu lượng nước, giá trị pH tăng dần và COD giảm dần khi tăng tốc độ thổi khí từ 0 - 150 l/phút giống như xu hướng ở thí nghiệm 4.
- Đối với thí nghiệm 5, giá trị pH sau khi xử lý giữa các nghiệm thức tăng từ 7,0 - 8,0; trong khi đó, hàm lượng COD đầu ra của các nghiệm thức giảm từ 310,7 - 71,7 mg/l tương ứng với tốc độ thổi khí từ 0 - 150 mg/l (hình 4.15). Cả 3 nghiệm thức cung cấp khí đều cho kết quả COD dưới mức quy định 150 mg/l và trong khoảng 71,7 - 113,7 mg/l, hiệu suất xử lý 81,2 - 88,1%.
Hình 4. 15. Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 5
Với tốc độ bơm nước 3,6 l/giờ vào tháp lọc, các giá trị pH tăng từ 7,0 - 7,9 và COD đầu ra của các nghiệm thức giảm từ 315,3 - 72,3 mg/l khi tăng tốc độ thổi khí từ 0 - 150 l/phút (hình 4.16). Các nghiệm thức thổi khí cho kết quả COD từ 72,3 - 118,7 mg/l, hiệu suất xử lý 80,2 - 87,9%, đạt mức COD dưới 150 mg/l theo quy định của QCVN 40:2011/BTNMT (nước thải loại B).
Hình 4. 16. Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 6
Trong mỗi nghiệm thức, khi tăng tốc độ bơm nước qua tháp lọc, hàm lượng COD đầu ra có tăng lên (hình 4.17). Tuy nhiên, hiệu suất xử lý của các nghiệm thức
thổi khí từ 50-100 l/phút đều đạt trên 80% (hình 4.18); trong khi đó, hiệu suất xử lý của mẫu đối chứng trong khoảng 47,4 - 49,2%.
Hình 4. 17. COD đầu ra của các nghiệm thức khi thay đổi lưu lượng nước
Trước đây, Haimanot và cộng sự (2013) nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy bia bằng tháp lọc sinh học nhỏ giọt ở quy mơ pilot. Nhóm nghiên cứu của Hiamanot thử nghiệm với 4 tốc độ dòng nước bơm vào: 300, 250, 200, 150 l/ngày, và hiệu quả xử lý lọc sinh học này đều trên 80%. Với hiệu suất xử lý đạt trên 80%, Haimanot đưa ra kết luận tốc độ dịng nước bơm vào tháp lọc khơng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.
Hình 4. 18. Hiệu suất xử lý của các nghiệm thức thổi khí (50-100-150 l/phút) khi thay đổi lưu lượng nước
Theo kết quả được trình bày ở hình 4.17, các nghiệm thức thổi khí có hiệu suất xử lý trong khoảng 80 - 90%. Hiệu suất xử lý trong thí ngiệm này cịn hạn chế so với hiệu suất tối đa 98% trong nghiên cứu xử lý tinh bột mì của Nguyễn Văn Phước và cộng sự (2009) bằng công nghệ Hybird ở quy mơ phịng thí nghiệm (cơng nghệ kết hợp lọc hiếu khí với đệm lọc là xơ dừa kết hợp aerotank). Ngoài ra, nghiên cứu của Sumathi K. M. Saminathan và cộng sự (2013) xử lý nước thải phô-mai bằng lọc sinh học nhỏ giọt (vật liệu lọc là than bùn và hạt perlite) công bố kết quả xử lý chỉ tiêu COD đạt 99,2%
Qua các thí nghiệm, chúng tơi nhận thấy, khi cung cấp khí cho tháp lọc trong quá trình xử lý nước thải sẽ làm tăng hiệu quả xử lý so với nghiệm thức đối chứng (để thơng khí tự nhiên). Khi tăng tốc độ thổi khí, hiệu quả xử lý giữa các nghiêm thức có tăng lên. Tuy nhiên, 3 lưu lượng khí trong thí nghiệm (50-100-150 L/phút) đều có khả năng xử lý COD đầu vào là 600 mg/l, với COD đầu ra thấp hơn mức chuẩn là 150 mg/l. Vì vậy, chúng tơi chọn lưu lượng khí 50 L/phút để giảm chi phí đầu tư cho thiết bị máy nén khí và hạn chế những xáo trộn gây ảnh hưởng đến màng biofilm khi tốc độ thổi khí quá lớn.
Việc tăng tốc độ nước bơm qua tháp lọc sinh học (từ 2,8 - 3,6 l/giờ) đều cho hiệu suất xử lý nước thải trên 80% với COD đầu vào là 600 mg/l . Cho nên chúng tôi chọn tốc độ bơm nước cao nhất là 3,6 l/giờ để rút ngắn thời gian xử lý mà vẫn đạt hiệu suất trên 80%.
4.6. Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải hủ tiếu của tháp lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung B. amyloliquefaciens NBRC 14141 không bổ sung B. amyloliquefaciens NBRC 14141
Chúng tơi tiên hành thí nghiệm này nhằm so sánh hiệu quả xử lý của thí nghiệm bổ sung vi khuẩn B. amyloliquefaciens NBRC 14141 cố định lên các giá thể tre trong tháp lọc sinh học với thí nghiệm khơng bổ sung vi khuẩn này trong quá trình tạo màng biofilm trên đệm lọc.
Các giai đoạn thích nghi và tiền xử lý được tiến hành giống như thí nghiệm có bổ sung B. amyloliquefaciens NBRC 14141.
Chúng tơi thực hiện thí nghiệm xử lý với COD đầu vào = 600 mg/l; kết hợp tốc độ thổi khí 50 L/phút và tốc độ bơm nước thải vào tháp lọc là 3,6 l/giờ. Nước thải
cũng từ màu trắng đục chuyển sang sẫm màu và các chất cặn trong nước thải có dạng huyền phù.
Nước thải đầu ra có giá trị pHtrung bình= 7,3, CODtrung bình= 159 mg/l và hiệu suất xử lý đạt 73,5 %. So sánh thí nghiệm xử lý bằng lọc sinh học có bổ sung B.
amyloliquefaciens NBRC 14141 trong cùng các điều kiện xử lý thì tháp lọc khơng
bổ sung chủng vi khuẩn này có hiệu suất thấp hơn, và hàm lượng COD vượt mức chuẩn 150 mg/l. Kết quả được tóm lược trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. So sánh kết quả xử lý bằng lọc sinh học nhỏ giọt khơng bổ sung và có bổ sung B. amyloliquefaciens NBRC 14141 cố định Thí nghiệm pH trung bình COD trung bình (mg/l) Hiệu suất xử lý
Không bổ sung B. amyloliquefaciens
NBRC 14141 cố định 7,3±0,15 159±8,19 73,5% Bổ sung B. amyloliquefaciens NBRC
14141 cố định 7,3±0,12 118,7±3,51 80,2% Theo Chaudhary và cộng sự (2003), trong quá trình hoạt động của tháp lọc sinh học, các chất ô nhiễm trong nước thải được loại bỏ bởi sự phân hủy sinh học nhờ sinh khối trong màng biofilm. Việc bổ sung B. amyloliquefaciens NBRC 14141 có thể làm tăng sinh khối trong quá trình tạo màng lọc sinh học so với q trình xử lý khơng bổ sung vi khuẩn này. Và điều này có thể đã góp phần làm tăng hiệu quả xử lý nước thải hủ tiếu.
Một số nghiên cứu khác khi xử lý nước thải bằng lọc sinh học đề cập đến hiệu quả xử lý nước thải do đóng góp của vật liệu lọc. Các nhóm nghiên cứu sử dụng các vật liệu lọc như than hoạt tính, than bùn (Marco A. Garzón-Zúniga và cộng sự, 2011), hạt perlite hoặc zeolite (Chang và cộng sự, 2002) và nhận định q trình hóa học như sự hấp thụ, trao đổi ion hay sự lắng tủa liên quan đến các vật liệu