Theo kế hoạch học tập ban đầu thỡ học viờn Hoàng sẽ sang INRS để thực tập cỏc kỹ thuật xử lý bựn thảị Tuy nhiờn, mọi nghiờn cứu tiến hành tại phũng thớ nghiệm của GS. R.D. Tyagi đều là cỏc nghiờn cứu mới trong khi những nội dung Việt Nam mong muốn học tập chỉ là một phần trong những nghiờn cứu đú. Do đú, GS Tyagi đó hướng học viờn Hoàng tham gia vào một nghiờn cứu mới về
việc tạo ra chất keo tụ sinh học từ cỏc chủng vi sinh vật cú khả năng sinh EPS nuụi cấy trờn bựn thải. Do đú, nội dung thực tập tại Canada sẽ tập trung vào đối tượng nàỵ
3.2.2.1 Thực tập tại Canada
1) Vật liệu thớ nghiệm
Bựn thải: BTSH lấy tại trạm xử lý nước thải CUQ, Quebec, Canadạ CUQ là trạm xử lý nước thải sinh hoạt của thành phố Quebec
Chủng vi sinh tạo EPS: Serratia strain BS8, đõy là chủng vi sinh vật gram õm, cú tạo EPS dạng slime và capsular.
Kaolin: Đất sột thạch anh, kaolin, được sử dụng thay bựn sinh học trong thớ nghiệm sử dụng chất keo tụ sinh học.
Dụng cụ thớ nghiệm: Mỏy Jar Test, mỏy đo độđục, mỏy đo CST (CST – capilari suction time) – thụng sốđo khả năng tỏch nước của bựn.
2) Phương phỏp thớ nghiệm
a) Phương phỏp tiền xử lý bựn: Như mục 2.2.2
b) Phương phỏp nuụi cấy chủng sinh EPS trờn bựn sau xử lý:
Vi khuẩn tạo EPS được nuụi cấy trong mỏy lắc ở điều kiện nhiệt độ 25oC, tốc độ
200 rpm trong thời gian 3 ngàỵ EPS được sử dụng cho cỏc thớ nghiệm về keo tụ
dưới 3 dạng (dạng hỗn hợp -broth EPS; dạng dịch - slime; dạng nang - capsular). - Dạng hỗn hợp (broth EPS): dựng trực tiếp hỗn hợp bựn sau khi nuụi cấy
vi sinh tạo EPS, tức là bao gồm cả sinh khối của vi sinh tạo EPS và mụi trường nuụi cấỵ
- Dạng dịch (slime): phần lỏng sau khi ly tõm dung dịch sau nuụi cấy ở tốc
độ 6000 rpm trong 15 phỳt ở 4oC.
- Dạng nang (capsular): phần cặn lắng sau khi ly tõm dung dịch sau nuụi cấy ở tốc độ 6000 rpm trong 15 phỳt ở 4oC.
Tất cả cỏc dạng EPS trờn đều được sử dụng dưới dạng thụ, tức là chưa cú quỏ trỡnh tỏch chiết để tỏch riờng EPS ra khỏi sinh khối và mụi trường nuụi cấỵ
c) Phương phỏp đỏnh giỏ hiệu quả của phương phỏp tiền xử lý bựn
EPS tạo ra sẽ được kiểm tra và đỏnh giỏ hiệu quả thụng qua bước keo tụ
với Kaolin. Cỏc bước tiền hành được mụ tả chi tiết trong Phụ lục III (chuyờn đề
10). Để lắng hỗn hợp sau keo tụ trong 1h. Phần nước sau lắng được lấy để xỏc
định độđục nhằm tớnh toỏn hoạt tớnh Kaolin theo cụng thức sau:
Trong đú:
A: Hoạt tớnh Kaolin (%)
To: Độđục của mẫu so sỏnh, mẫu khụng bổ sung chất keo tụ (NTU) T1: Độđục của mẫu cú bổ sung chất keo tụ (NTU)
Phần cặn lắng được lấy để xỏc định giỏ trị CST trờn mỏy đo theo quy trỡnh chuẩn đi theo hướng dẫn của mỏỵ
Phương phỏp xỏc định khối lượng EPS tạo thành:
EPS được thu sau 3 ngày nuụi cấy trờn mụi trường bựn thảị Dịch nuụi cấy được
đưa đi ly tõm ở 6000g trong 15 phỳt ở 4oC. Phần dịch lỏng ở phớa trờn được coi là chứa EPS dạng slime (S. Bala Subramanian et al., 2010). Phần rắn thu được sau ly tõm tiếp tục được bổ sung nước tới thể tớch ban đầu (50mL) và gia nhiệt ở (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
60oC trong 30phỳt để tỏch EPS dạng capsular ra khỏi tế bàọ Sau khi gia nhiệt, hỗn hợp được ly tõm ở 6000g trong 15phỳt ở 4oC, phần dịch lỏng thu lại chứa EPS dạng capsular (X.Ỵ Li và S.F. Yang, 2007).
Để xỏc địch khối lượng EPS, EPS trong dịch lỏng sau ly tõm được trộn
đều với Ethanol 85% với tỷ lệ 1:2 và để kết tủa ở - 20oC trong 1h. Sau đú, hỗn hợp được ly tõm để thu lại EPS (phần rắn). Khối lượng EPS được xỏc định bằng phương phỏp trọng lượng (sấy khụ ở 105oC trong 2h).
Phương phỏp xỏc định độđục và CST:
Hai chỉ tiờu độ đục và CST được đo trực tiếp trờn mỏy đo độ đục và CST theo quy trỡnh chuẩn trong hướng dẫn sử dụng đi kốm theo mỏỵ
3) Kết quả thực tập kỹ thuật xử lý bựn thải sinh học
a) Phương phỏp kiềm nhiệt: 9 Khối lượng EPS tạo thành
- Khối lượng EPS tạo ra là 2266mg/L, trong đú, hàm lượng EPS dạng slime là 1650mg/L, hàm lượng EPS dạng capsular là 616mg/L.
9 Hoạt tớnh keo tụ với kaolin
- Cỏc kết quả cho thấy mặc dự EPS dạng slime chiếm tỷ lệ lớn trong tổng khối lượng EPS tạo thành nhưng hoạt tớnh keo tụ của dạng này lại khụng đỏng kể, hoạt tớnh Kaolin lớn nhất chỉ đạt 8%, giỏ trị CST chỉ giảm khoảng 4s. Hai dạng EPS hỗn hợp và Capsular EPS thể hiện khả năng keo tụ lớn hơn như ở
Bảng 3.25.
Bảng 3.25 So sỏnh kết quả 3 dạng EPS sử dụng (phương phỏp kiềm nhiệt)
Thụng số EPS hỗn hợp Capsular EPS Slime EPS
A max (%) 47 51 8
- Từ cỏc kết quả trờn cú thể rỳt ra nhận định rằng, EPS dạng capsular là dạng EPS đúng vai trũ quan trọng đối với quỏ trỡnh keo tụ. Nguyờn nhõn cú thể
do đõy là dạng EPS cú liờn kết chặt với tế bào vi sinh vật nờn chỳng cú những liờn kết đặc hiệu với tế bào vi sinh, trong khi đú, EPS dạng slime là lớp EPS cú liờn kết lỏng với tế bào nờn ớt cú tỏc dụng keo tụ.
- Cỏc kết quả thớ nghiệm với hàm lượng EPS khỏc nhau của 03 dạng EPS cho thấy hoạt tớnh kaolin chỉ đạt cực đại trong một khoảng rất nhỏ rồi sau đú giảm dần như minh họa Hỡnh 3.35: Hoạt tớnh keo tụ kaolin của 03 dạng EPS . Nguyờn nhõn cú thể là do đõy là chất keo tụ dạng polymer nờn cú hiệu ứng nghịch đảo trong keo tụ.
EPS hỗn hợp dạng thụ EPS dạng capsular EPS dạng slime Hỡnh 3.35: Hoạt tớnh keo tụ kaolin của 03 dạng EPS ( phương phỏp kiềm nhiệt)
a) Phương phỏp axit nhiệt: 9 Khối lượng EPS tạo thành
Khối lượng EPS tạo ra là 1050mg/L, trong đú, hàm lượng slime EPS 818 mg/L, hàm lượng EPS dạng capsular là 232mg/L.
9 Hoạt tớnh keo tụ với kaolin
- Cũng tương tự như thỡ nghiệm tiền xử lý bựn thải bằng phương phỏp kiềm nhiệt, hoạt tớnh keo tụ với Kaolin của EPS slime khụng cao bằng EPS hỗn hợp và Capsular EPS
Bảng 3.26 So sỏnh kết quả 3 dạng EPS sử dụng (phương phỏp axit nhiệt)
Thụng số EPS hỗn hợp Capsular EPS Slime EPS
A max (%) 45 50 8,7
- Kết quả này trỏi ngược với kết quả được cụng bố của tỏc giả S. Bala Subramanian và cỏc cộng sự (2008) khi nghiờn cứu về chất keo tụ sinh học tạo ra từ cựng một chủng vi sinh vật nhưng được nuụi cấy trờn mụi trường nhõn tạo [41]. Sự đối lập này cú thể được giải thớch do sự thay đổi về tớnh chất của mụi trường nuụi cấy nờn đặc tớnh húa – lý của EPS sinh ra thay đổi
- Cỏc kết quả thớ nghiệm với hàm lượng EPS khỏc nhau cũng cho kết quả
tương tự như thớ nghiệm trờn.
EPS hỗn hợp dạng thụ EPS dạng capsular EPS dạng slime Hỡnh 3.36: Hoạt tớnh keo tụ kaolin của 03 dạng EPS (phương phỏp axit nhiệt)
b) Phương phỏp thuỷ phõn 9 Khối lượng EPS tạo thành (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Khối lượng EPS tạo ra là (1554mg/L), trong đú, hàm lượng slime EPS 1312mg/L, hàm lượng EPS dạng capsular là 242mg/L.
9 Hoạt tớnh keo tụ với kaolin
- Cũng tương tự như thỡ nghiệm tiền xử lý bựn thải bằng phương phỏp kiềm nhiệt, axit nhiệt, hoạt tớnh keo tụ với Kaolin của EPS slime khụng cao bằng EPS hỗn hợp và Capsular EPS như kết quảở bảng dưới đõỵ
Bảng 3.27: So sỏnh kết quả 3 dạng EPS sử dụng (phương phỏp thủy phõn)
Thụng số EPS hỗn hợp Capsular EPS Slime EPS
A max (%) 79 59 31
∆ CST max (s) -10,9 -13,2 -5,1 - Đối với EPS dạng capsular, khi tăng hàm lượng EPS thỡ hoạt tớnh kaolin
giảm nhưng giỏ trị CST khụng bị ảnh hưởng nhiều, tuy nhiờn, đối với EPS dạng hỗn hợp thỡ giỏ trị CST lại bị giảm đị Điều này cú thể giải thớch là do ảnh hưởng
của hàm lượng slime EPS. Vỡ vậy, cú thể rỳt ra nhận định rằng, EPS dạng capsular là dạng EPS đúng vai trũ quan trọng đối với quỏ trỡnh keo tụ
EPS hỗn hợp dạng thụ EPS dạng capsular EPS dạng slime Hỡnh 3.37: Hoạt tớnh keo tụ kaolin của 03 dạng EPS (phương phỏp thủy phõn)
c) Kết luận chung
- Chất keo tụ sinh học tạo ra từ mụi trường làm từ bựn thải cho hoạt tớnh keo tụ đối với kaolin; Hàm lượng EPS tạo ra trong mụi trường bựn thải đạt từ
1000 – 2000 mgEPS/L.
- EPS tạo ra trong mụi trường làm từ bựn thải được tiền xử lý bằng phương phỏp thủy phõn là tốt nhất, sau đú đến phương phỏp tiền xử lý bằng kiềm nhiệt và cuối cựng là phương phỏp axit nhiệt.
- EPS dạng hỗn hợp và capsular cú hiệu quả tương đương nhau, ngược lại, EPS dạng slime ớt cú hiệu quả keo tụ với kaolin.
3.2.2.2 Thực tập tại Việt Nam
1) Vật liệu thớ nghiệm
Bựn thải: Bựn thải lấy từ cụng trỡnh xử lý nước thải Tổng Cty Bia- Rượu- NGK Hà Nội và Trạm XLNT thớ điểm Trỳc Bạch. Nồng độ bựn sử dụng cho cỏc thớ nghiệm bao gồm: ~ 10g/L, 15g/L và 20g/L.
Thiết bị, mỏy đo: Nồi hấp; mỏy đo pH; mỏy khuấy từ.
2) Phương phỏp thớ nghiệm
a) Phương phỏp tiền xử lý bựn: Như mục 2.2.1 b) Phương phỏp đỏnh giỏ hiệu quả tiền xử lý bựn
Hiệu quả của phương phỏp tiền xử lý được đỏnh giỏ dựa vào sự biến đổi của hàm lượng cơ chất và chất dinh dưỡng cú trong pha lỏng, cụ thể là hàm
lượng TN, NH4+, TP, PO43- và COD thụng qua tỷ lệ giữa hàm lượng cơ chất hũa tan trước và sau xử lý theo cụng thức dưới đõy:
Trong đú: Ci1: nồng độ của cấu tử i trong pha lỏng sau tiền xử lý (mg/L) Ci0: nồng độ của cấu tử i trong pha lỏng trước tiền xử lý (mg/L) i: SCOD, STN, STP, NH4+ và PO43-
3) Kết quả thực tập kỹ thuật xử lý bựn thải
a) Phương phỏp thay đổi pH (axit):
Trờn mẫu bựn Tổng Cụng ty Bia- Rượu – NGK Hà Nội:
So sỏnh về nồng độ cỏc chất hũa tan trong pha lỏng trước và sau tiền xử lý cho thấy với cả 3 nồng độ bựn sử dụng hàm lượng cỏc chất hũa tan đều tăng lờn. Tuy nhiờn, hàm lượng cỏc chất vụ cơ như NH4+ và PO43- thay đổi khụng đỏng kể
so với mẫu trước tiền xử lý, cụ thể:
- Tỷ lệ giữa nồng độ NH4+ sau và trước xử lý dao động từ 0,7 – 1,3. - Tỷ lệ giữa nồng độ PO4 3- sau và trước xử lý dao động từ 1,4 – 1,8 lần. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hàm lượng TN và TP sau xử lý tăng đỏng kể, từ 1,8 – 2,2 và 1,7 – 2,2 lần tương ứng. Trong khi đú, hàm lượng hữu cơ hũa tan trong pha lỏng tăng rất mạnh khi so sỏnh với cỏc thành phần khỏc, cụ thể là tăng từ 3,3 – 4,3 lần.
Hỡnh 3.38: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bựn bia trong mụi trường axit
Trờn mẫu bựn Trạm XLNT thớ điểm Trỳc Bạch
So sỏnh về nồng độ cỏc chất hũa tan trong pha lỏng trước và sau tiền xử lý cho thấy với cả 3 nồng độ bựn sử dụng hàm lượng cỏc chất hũa tan đều tăng lờn. Tuy nhiờn, hàm lượng TP và PO43- lại giảm xuống, điều này cú thể được giải
thớch là do hàm lượng của Ca và Mg trong bựn thải trạm XLNT Trỳc Bạch cao (hàm lượng Ca và Mg tương ứng trong bựn thải là 20.000mg/kg và 7.000mg/kg, cao gấp 2 lần so với bựn thải của Tổng Cụng ty Bia – Rượu – NGK Hà Nội). Xu hướng biến đổi của cỏc cấu tử cũn lại trong pha lỏng cũng tương tự như kết quả
thu được khi tiền xử lý với bựn thải nhà mỏy bia, cụ thể là:
- Hàm lượng NH4+ thay đổi khụng đỏng kể, dao động từ 0,6 – 1,2 lần. - Hàm lượng TN và COD tăng mạnh từ 1,5 – 2,8 và 2,0 – 3,1 lần tương ứng.
Hỡnh 3.39: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bựn Trỳc Bạch trong mụi trường axit
b) Phương phỏp thay đổi pH (kiềm):
Trờn mẫu bựn Tổng Cụng ty Bia- Rượu – NGK Hà Nội:
So sỏnh về nồng độ cỏc chất hũa tan trong pha lỏng trước và sau tiền xử lý cho thấy với cả 3 nồng độ bựn sử dụng hàm lượng cỏc chất hũa tan đều tăng lờn. Tuy nhiờn, hàm lượng cỏc chất vụ cơ như NH4+ và PO43- thỡ tăng khụng đỏng kể: - Hàm lượng NH4+ tăng từ 1,3 – 1,6 lần.
- Hàm lượng PO43- tăng từ 1,4 – 1,8 lần.
- Hàm lượng TN, TP và SCOD tăng đỏng kể, đặc biệt là SCOD, cụ thể như
sau: TN tăng từ 2,2 – 2,8 lần, TP tăng từ 2,4 – 3,0 lần, SCOD tăng từ 4,7 – 4,9 lần.
Hỡnh 3.40: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bựn bia trong mụi trường kiềm
Trờn mẫu bựn Trạm XLNT thớ điểm Trỳc Bạch:
Cũng tương tự như mẫu bựn xử lý trong mụi trường axit, nồng độ TP, PO43- trong pha lỏng khụng tăng sau xử lý. Xu hướng biến đổi của cỏc cấu tử
cũn lại trong pha lỏng cũng tương tự như kết quả thu được khi tiền xử lý với bựn thải của nhà mỏy bia, cụ thể là:
- Hàm lượng NH4+ thay đổi khụng nhiều, tăng từ 1,3 – 1,6 lần.
- Hàm lượng TN và COD tăng nhiều, tăng từ 2,2 – 3,0 và 3,2 – 3,9 tương ứng.
Hỡnh 3.41: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bựn Trỳc Bạch trong mụi trường kiềm
c) Phương phỏp ụxy hoỏ
Trờn mẫu bựn Tổng Cụng ty Bia- Rượu – NGK Hà Nội: 9 Diễn biến của cơ chất sau khi tiền xử lý
Kết quả thực hiện trờn bựn thải lấy từ cụng trỡnh xử lý nước thải của nhà mỏy bia Hà Nội với 3 hàm lượng bựn khỏc nhau (10, 15 và 20g/L) cho thấy xu hướng hũa tan của cỏc cơ chất chủ đạo như COD, TN, TP, NH4+ và PO43- đều tương đồng so với kết quả thu được khi thực hiện tiền xử lý bằng cỏc phương phỏp trờn. Tuy nhiờn, mức độ hũa tan của cỏc cơ chất thỡ lại nằm trung gian giữa phương phỏp thủy phõn bằng thay đổi pH và phương phỏp nhiệt. Kết quả Ri của cỏc cơ chất sau thời gian phản ứng 30 và 60 phỳt nhưđồ thị dưới đõỵ
Hỡnh 3.43 Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý (t=60 phỳt) Mặt khỏc, một trong những điểm mạnh của phương phỏp ụxy húa Fenton là khả năng bẻ gẫy cấu trỳc của cỏc hợp chất hữu cơ phõn tử lượng lớn thành cỏc hợp chất hữu cơ cú phõn tử lượng nhỏ và nhờ đú nõng cao khả năng phõn hủy sinh học của cơ chất nờn sau khi tiền xử lý, phần nước thu lại sau ly tõm được phõn tớch BOD5. Kết quả cho thấy, tỷ lệ giữa BOD/COD trong pha lỏng tăng trung bỡnh từ 50% lờn 85%. Kết quả này cũng khỏ tương đồng so với nghiờn cứu của tỏc giả T.T.H. Phạm et al, 2010, tuy nhiờn, trong nghiờn cứu được so sỏnh, mức độ cải thiện về khả năng phõn hủy sinh học được thực hiện trờn hỗn hợp cả
rắn và lỏng (tức là cả phần nước trong và phần bựn sau khi đó tiền xử lý). Bảng 3.28 Tỷ lệ COD/BOD trong pha lỏng trước và sau xử lý bằng Fenton Loại bựn 10g/L 15g/L 20g/L Trước tiền xử lý 49,2% 51,1% 50,3% Sau tiền xử lý (30phỳt) 84,9% 86,7% 83,2% Sau tiền xử lý (60phỳt) 83,4% 85,1% 86,2%
9 Ảnh hưởng của nồng độ bựn
Khỏc với cỏc phương phỏp tiền xử lý bằng thay đổi pH và nhiệt phõn, với phương phỏp oxy húa bằng phản ứng Fenton, nồng độ bựn sử dụng cú ảnh hưởng rừ rệt tới hiệu quả hũa tan của cơ chất từ pha rắn vào pha lỏng. Ảnh hưởng thể hiện rừ qua chỉ tiờu SCOD và TN, giỏ trị Ri đối với hai chỉ tiờu trờn