CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Thiết kế, xây dựng và vận hành SBES
SBES của chúng tôi được xây dựng dựa trên mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy của Lovley Hình 1.3 và những nghiên cứu trước đó của Reimers và Sajana [51, 80, 88]
29
Ý tưởng về mô hình hệ thống của chúng tôi được thể hiện ở Hình 2.2 như sau:
Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống sinh điện hóa ứng dụng để xứ lý nước và đáy ao nuôi nước lợ.
Điện cực
Loại vật liệu có thể được sử dụng để làm điện cực phải thỏa mãn tất cả những yêu cầu như sau: tính dẫn điện tốt; khá trơ, không bị ăn mòn; diện tích bề mặt lớn;
độ xốp cao; không bị tắc do vi khuẩn; không gây độc cho vi khuẩn; giá thành rẻ;
dễ dàng sử dụng. Trong đó, tính dẫn điện là chỉ tiêu quan trọng nhất thường được đánh giá bằng cách đo điện trở của vật liệu dựa trên khoảng cách. Vì những lí do như trên mà chúng tôi lựa chọn vải than chì (graphite felt) làm điện cực. Vật liệu này có tính dẫn điện tương đối tốt và trơ với hầu hết các loại phản ứng sinh hóa, bên cạnh đó còn không hề gây độc cho vi sinh vật, đồng thời có diện tích tiếp xúc lớn và dễ dàng thao tác, điều chỉnh [49].
30
Ngoài ra, chúng tôi còn lựa chọn hạt than chì cho điện cực anode, nhằm tăng diện tích tiếp xúc tối đa với các vi sinh vật trong mô hình SBES. Các hạt này có kích thước khá tương đồng, đều khoảng từ 1,5 – 5 mm với diện tích bề mặt khoảng từ 820 – 2700 m2/ m3. Điện trở của chúng vào khoảng 0,5 – 1 Ω/ hạt, và có một yêu cầu rất quan trọng khi sử dụng vật liệu này, đó là luôn phải đảm bảo các hạt than chì tiếp xúc với nhau [49, 78].
Vật liệu cấu tạo khung
Chúng tôi đã lựa chọn thủy tinh làm vật liệu cấu tạo khung mô hình SBES mô phỏng diện tích và thể tích của một ao nuôi tôm thực tế. Thủy tinh, mặc dù gây khó khăn khi chế tác nhưng lại có nhiều ưu điểm đối với các nghiên cứu về MFC:
không độc với hệ vi sinh vật trong khoang, không phản ứng hay bị ăn mòn bởi các phản ứng điện hóa và các hóa chất, có thể khử trùng được và thường được sử dụng để thiết kế MFC [49].
Dây dẫn
Dây đồng thường được sử dụng để làm dây dẫn nối với điện cực nhưng chúng có thể bị ăn mòn trong môi trường ở MFC theo thời gian và qua đó tạo ra các ion đồng tan vào trong dung dịch (đồng chính là kim loại nặng gây độc với vi sinh vật). Thép không rỉ và dây titan tốt hơn dây đồng trong trường hợp này. Tuy nhiên, thép không rỉ có thể làm giảm công suất của dòng điện do tính chất dẫn điện kém của chúng, còn dây titanium thì có giá thành khá cao. Thanh than chì cũng đã từng được sử dụng trong một số nghiên cứu trước đó, chúng có độ dẫn điện tương đối tốt (chỉ 0,2 Ω/ cm) và bề mặt nhẵn .Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn thanh than chì làm dây dẫn nối các điện cực với nhau [49].
2.2.1.2. Xây dựng mô hình
Một mô hình bể nuôi trong phòng thí nghiệm được thiết kế (Hình 2.3) với hình dạng và các vật liệu cấu tạo được lựa chọn như đã mô tả ở trên. Các công việc thiết kế được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp vẽ kĩ thuật cơ bản [7].
31
Hình 2.3: Mô hình thiết kế bể thí nghiệm với điện cực ở đáy Cụ thể, bể nuôi được lắp đặt với các vật liệu và thông số như sau:
Lắp đặt mô hình: Hai bể thủy tinh được sử dụng cho mục đích thí nghiệm có thể tích (0,3×0,2×0,25 m). Trong đó, một bể có lắp đặt điện cực (mô hình SBES thí nghiệm) và một bể không lắp đặt điện cực (mô hình đối chứng).
Lắp đặt điện cực:
- Anode: Vải than chì, kích thước: (0,155×0,08×0,009 m). Gắn thanh than chì (Ө6, dài 0,33m) vuông góc vào sát mép chiều ngang tấm vải than chì bằng hỗn hợp keo Epoxy và bột than chì. Điện trở giữa đầu tự do của thanh than chì và điểm xa nhất của tấm vải than chì R = 1,7-2,0Ω. Đặt anode xuống đáy bể, cạnh thành bể, rải lớp vụn than chì phủ kín bề mặt vải than chì cũng như đáy bể nhằm tăng diện tích tiếp xúc một cách tối đa với lớp bùn đáy của mô hình.
- Cathode: Vải than chì, kích thước: (0,135×0,06×0,009m). Gắn thanh than chì (Ө6, dài 0,15m) vuông góc vào sát mép chiều ngang tấm vải than chì bằng hỗn hợp keo Epoxy và bột than chì. Điện trở giữa đầu tự do của thanh than chì và điểm xa nhất của tấm vải than chì R = 3,3Ω. Cathode sẽ được đặt nổi trên mặt nước, một phần tiếp xúc trực tiếp với nước và một phần tiếp xúc trực tiếp với không khí, nhằm đảm bảo hiệu suất sinh điện là lớn nhất.
32
Lắp mạch ngoài: Đặt cathode đã gắn thanh dẫn than chì lên bề mặt nước bể thí nghiệm. Dây dẫn mạch ngoài là loại dây đồng một lõi - đảm bảo tiếp xúc tốt, có một đầu là ngoằm sắt gắn với đầu tự do của thanh than chì, đầu còn lại hai dây được nối với nhau qua điện trở ngoài 10Ω. Dùng dây nối đo hiệu điện thế tự động giữa hai đầu điện trở.
Sau khi lắp đặt xong mô hình, độ ổn định của cấu trúc và khả năng rò rỉ cũng đã được thử nghiệm và hoàn thiện.Với thí nghiệm đầu tiên, chúng tôi thử nghiệm với thể tích nước lợ là 0,006 m3 (0,3 ×0,2 ×0,1 m) mô phỏng một cột nước thể tích 13,182 m3 (3,9 ×2,6 ×1,3 m) (mỗi kích thước gấp 13 lần kích thước tương ứng của bể mô phỏng) trong ao nuôi thực có kích thước 1000 m2 và chiều cao 1,3 m (Bảng 2.1).
Bảng 2.1: Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm tương đương ao nuôi thực tế
Nội dung Diện tích(m2) Độ sâu (m) Thể tích(m3)
Mô hình thí nghiệm 0,06 0,1 0,006
Ao nuôi thực 10,14 1,3 13,182
2.2.1.3. Vận hành hệ thống
Tính toán lượng thức ăn dựa theo mô phỏng thể tích của ao nuôi thực Tiếp theo, để mô phỏng gần sát với ao nuôi thực tế chúng tôi tính toán lượng thức ăn Gamma 6 dựa vào thể tích của ao nuôi thực với diện tích S = 1000 m2 và chiều cao cột nước h = 1,3 m so với thể tích các mô hình thí nghiệm [9].
Theo Bùi Quang Tề (2010), đối với tôm 66 - 70 ngày tuổi, lượng thức ăn trung bình là 22kg / ngày/ 1000m2, tương đương 22 g/ m2/ ngày [9]. Lượng thức ăn cho diện tích 10,14 m2 của cột nước thể tích 1,014 m3 (bảng 2.1) là : 223,08 g/ngày.
Như vậy, cuối cùng lượng thức ăn cho 0,006 m3 mô hình thí nghiệm (bảng 2.1) là:
223,08/(133) = 0,102 g/ ngày.
33
Hình 2.4: Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm [91].
Mỗi 100 kg thức ăn đầu vào sẽ để lại khoảng 70 % chất thải hữu cơ, nếu tỷ lệ chuyển đổi thức ăn (FCR) là 1: 1(Hình 2.4), thức ăn hữu cơ dư thừa là nguyên nhân sinh ra các khí độc trong ao nuôi và gây ra hiện tượng tảo nở hoa [91]. Tuy nhiên, trong mô hình bể nuôi lồng ghép SBES, chúng tôi không tiến hành nuôi tôm, và ở đây chúng tôi mô phỏng trường hợp không quá cực đoan là chất thải cũng như thức ăn thừa chỉ tương đương khoảng 50% lượng thức ăn ban đầu. Do đó, lượng thức ăn cho vào hàng ngày được tính = 50% × 0,102 g/ngày (tổng lượng thức ăn cần đưa vào mô hình mô phỏng) = 0,051g/ ngày.
Tương tự như trên, chúng tôi còn vận hành mô phỏng hệ với tôm 76 – 80 ngày tuổi. Theo Bùi Quang Tề (2010), đối với tôm 76 - 80 ngày tuổi, lượng thức ăn trung bình là 24,4 kg / ngày/ 1000m2, tương đương 24,4 g/ m2/ ngày [9]. Lượng thức ăn đưa vào, cũng được tính toán theo cách như trên, là 0,11g/ngày.
Nguồn vi sinh vật làm giàu, thể tích bể và độ mặn
Nguồn vi sinh vật cung cấp cho mỗi mô hình bể là 500g bùn được đưa xuống điện cực đáy (sediment electrode) (bao gồm: 6 mẫu bùn được lấy trong 3 ao nuôi tôm nước lợ ở Đồ Sơn – Hải phòng được trộn đều).
34
Mức nước khi vận hành với các mô hình trong thí nghiệm là (30 × 20 × 10 cm) tương đương với V = 0,006 m3 - khoảng 6l nước máy cho vào mỗi mô hình.
Theo Boyd, độ mặn thích hợp trong ao nuôi tôm nước lợ dao động trong khoảng 15 – 25 ppt [29]. Chúng tôi đã chọn điều kiện vận hành hệ thống với độ mặn là 20 ppt bằng cách hòa tan 122,5 g muối biển nhân tạo Marinium Reef 35 ppt trong 6l nước máy trong mỗi bể.
2.2.1.4. Xây dựng mô hình SBES ống nghiệm
Ngoài ra, để đánh giá khả năng sinh điện của các quần xã vi khuẩn trong anode của hệ, chúng tôi còn lắp đặt một mô hình SBES ống nghiệm. Mô hình SBES ống nghiệm được thiết kế và xây dựng trong một ống Falcon có chiều cao h
= 0,11 m; đường kính d = 0,03m các điện cực được làm bằng vải than chì với kích thước (0,025 × 0,01 × 0,009 m) và dây dẫn là các thanh than chì Ө6 được lắp đặt theo cách tương tự hệ SBES thí nghiệm. Các SBES ống nghiệm này sau khi lắp đặt xong sẽ được vận hành với nguồn bùn từ hai bể thí nghiệm ở thời điểm dòng điện ổn định và nước lợ nhân tạo có độ mặn 20‰ (phụ lục 4).