Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Tạo vật liệu thí nghiệm

Để tiến hành thí nghiệm, chúng tôi nghiên cứu tạo ra vật liệu dựa trên cơ sở của những nghiên cứu trước đây, có cải tiến kỹ thuật để làm tăng diện tích bề mặt của khối bê tông.

Qui trình tạo các khối bê tông được thực hiện như sau:

 Nguyên liệu

Nguyên liệu để tạo ra các khối bê tông gồm: cát, đá và xi măng. Đây là các loại nguyên liệu thông dụng trong xây dựng.

 Đá được chọn có kích thước 4×6 cm. Chúng có hình dạng không đồng nhất có thể dễ dàng tạo hình cho vật liệu, làm tăng diện tích bề mặt của vật liệu và diện tích tiếp xúc bên trong của khối bê tông.

 Cát sử dụng là cát thô nhằm làm tăng độ nhám trên bề mặt vật liệu.  Xi măng đóng vai trò là chất kết dính.

 Tỉ lệ phối trộn

Khối bê tông được làm từ đá, cát, xi măng theo tỉ lệ tương ứng là 4:3:1. Cát nhiều gấp 3 lần xi măng sẽ làm cho hỗn hợp của khối bê tông xốp hơn.

 Tạo hình cho vật liệu

Đá được ngâm trước vào nước máy, sau đó vớt ra và trộn đều vào hỗn hợp hồ khô (cát và xi măng) cho lớp hồ khô phủ đều và đồng thời làm tăng độ nhám cho từng viên đá. Cho nước thêm vào từ từ, trộn tiếp đến khi các thành phần hỗn hợp được hòa lẫn vào nhau. Sau đó gấp từng viên đá đã được trộn đều trong hỗn hợp xếp đầy vào khuôn có dạng hình lập phương và để khô. Mục đích của việc xếp từng viên đá nhằm tăng độ rỗng của khối bê tông. Sau khoảng 7 ngày có thể thu được khối vật liệu hình lập phương có bề mặt nhám, lồi lõm và có độ rỗng cao tạo điều kiện thuận lợi cho sự lưu thông của dòng nước thải và là nơi cư trú tốt cho các loài vi sinh vật.

 Tạo màng biofilm trên bề mặt của vật liệu

Sử dụng nguồn vi sinh vật bản địa để tạo lớp màng biofilm trên bề mặt vật liệu: Nước thải được lấy tại bể bùn hoạt tính trong hệ thống xử lý của Công ty TNHH Thủy sản Quang Minh. Lô 2.20A - Khu công nghiệp Trà Nóc 2, phường Phước Thới, Quận Ô Môn, Thành phố Cần Thơ. Đất được lấy tại khu đất canh tác nông nghiệp quận Cái Răng, Thành phố Cần Thơ.

Các khối bê tông sau khi đã định hình được lấy ra khỏi khuôn vàcho vào các túi lưới, sau đó ngâm các túi lưới có chứa các khối bê tông trong bể chứa nước thải nhà máy chế biến thủy sản và các khối đất được đặt trên váng, sử dụng máy bơm chìm bơm tuần hoàn nước rửa trôi đất trên váng xuống bể để cung cấp hệ vi sinh vật trong đất và các nguyên tố vi lượng cho vi sinh vật sinh trưởng, phát triển, bể được đậy kính nhằm tạo điều kiện thiếu khí cho các loài vi sinh vật yếm khí sinh trưởng và phát triển trong khoảng thời gian từ 30 – 45 ngày để làm giảm độ kiềm, đồng

thời các nhóm vi sinh vật đang sống trong nước thải có thể sống bám trên bề mặt của khối bê tông dần hình thành màng biofilm có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa các thành phần của nước thải diễn ra trong thí nghiệm.

3.3.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm a. Bố trí hệ thống thí nghiệm a. Bố trí hệ thống thí nghiệm

Nước thải sử dụng trong thí nghiệm là dung dịch pha từ hoá chất từ bể cấp qua bể giữ mực và qua bể phản ứng có chứa vật liệu khối bê tông với lưu lượng nước qua bể là 8lit/giờ (Lê Anh Kha và Phạm Việt Nữ, 2003), lưu lượng nước được được điều chỉnh và giữ ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm. Mỗi bể đặt chênh lệch nhau về độ cao để nước có thể tự chảy từ bể này sang bể kia.

Bể cấp là bể nhựa với thể tích 300 lít được đặt cách mặt đất khoảng 3m, chứa dung dịch nước thải pha từ hoá chất có thành phần tương đương với nước thải nhà máy chế biến thủy sản sau giai đoạn nitrate hoá. Dung dịch trong bể cấp luôn trong tình trạng sục khí liên tục bằng cách đặt các đầu sục khí bên trong bể giúp đồng nhất hóa và hạn chế phân tầng các thành phần hóa học trong bể đảm bảo thành phần dung dịch đầu vào ổn định.

Bể giữ mực là bể composite với thể tích 35 lít được đặt cách mặt đất khoảng 2.5m và đầu của bể giữ mực phải thấp hơn đáy của bể cấp để nước tự chảy từ bể cấp xuống bể giữ mực, trong bể được lắp phao giữ mực để giữ ổn định lượng dung dịch pha bằng hoá chất từ bể cấp, đảm bảo luôn có nguồn nước cung cấp cho hệ thống hoạt động liên tục.

Bể phản ứng là bể composite với thể tích 35 lít, được bố trí thấp hơn bể giữ mực để nước chảy tràn từ bể giữ mực có thể tự chảy vào bể phản ứng. Bên trong bề phản ứng được bố trí 24 khối bê tông, tạo điều kiện sao cho dòng nước chảy qua có thể tiếp xúc nhiều nhất với vật liệu. Bể được che kín nhằm tránh ánh sáng mặt trời chiếu vào sẽ kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo và đảm bảo điều kiện thiếu khí thích ứng cho quá trình khử nitrate.

Ngoài ra, còn có bể chứa đường saccarozo (C12H22O11) với thể tích 3 lít để cung cấp một lượng cacbon thích hợp cho quá trình hoạt động của vi sinh vật. Bể chứa đường phải đảm bảo bền về mặt hóa học và được khử trùng trước khi đưa vào hệ thống nhằm ức chế hoạt động của vi sinh vật làm ảnh hưởng đến quá trình thực hiện thí nghiệm.

Hệ thống thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ như sau:

b. Tiến hành thí nghiệm

Thí nghiệm được bố trí dạng bể liên tục gồm hai nghiệm thức, mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần.

 Nghiệm thức 1 (NT1): Hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hoá chất, vật liệu bám dính không có màng biofilm và không cung cấp cacbon từ bên ngoài.

Nước thải sử dụng trong thí nghiệm là dung dịch pha từ hóa chất với chỉ số COD (pha từ Peptone), N-NO3- (pha từ NaNO3), và P-PO43- (pha từ Na2HPO4.12H2O). Nồng độ dung dịch sẽ dựa vào nước thải nhà máy chế biến thủy sản sau giai đoạn nitrate hóa để pha với nồng độ N-NO3- trong khoảng từ 30mg/L – 100mg/L. Sau đó tiến hành sục khí trong khoảng thời gian 2 giờ để các muối hoà tan hết trở về dạng ion và được trộn đều thì cho chảy vào hệ thống.

Vị trí thu mẫu đầu ra

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Vị trí thu mẫu đầu vào có bổ sung đường Vị trí thu mẫu đầu vào Nước thải đầu ra Bể phản ứng 2 4 C12H22O11 3 Sục khí Bể cấp Bể giữ mực Nước thải đầu vào 1

Bảng 3.1: Tên và lượng hóa chất được đưa vào bể cấp

Hóa chất Lượng sử dụng (g/300 lít nước máy)

Pepton 9.0

NaNO3 66.48

Na2HPO4.12H2O 8.66

Bể phản ứng được bố trí 24 khối bê tông, bề mặt các khối bê tông không có lớp màng biofilm và được khử trùng ở 121oC để tiêu diệt các loài vi sinh vật bám dính trên vật liệu.

Khi hệ thống hoạt động ổn định, tiến hành thu mẫu và phân tích các chỉ tiêu pH, EC, DO, Nhiệt độ, COD, NO2-, NO3-, NH4+, TN, PO43-, TDP, TP.

 Nghiệm thức 2 (NT2): Hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hoá chất, vật liệu bám dính có màng biofilm và cung cấp thêm nguồn cacbon là đường saccarozo (C12H22O11) từ bên ngoài.

Thí nghiệm được bố trí như ở nghiệm thức 1: nước thải được pha theo công thức như bảng 3.1, vật liệu sử dụng được thay bằng các khối bê tông có lớp màng biofilm và trong quá trình thí nghiệm bể phản ứng được bổ sung một lượng đường saccarozo từ bên ngoài với nồng độ 40mgC/L (dung dịch nước đầu vào sau khi bổ sung đường saccarozo có nồng độ COD là 100mg/L) nhằm hạn chế thừa lượng đường cấp vào làm ảnh hưởng đến chất lượng nước đầu ra.

Khi hệ thống hoạt động ổn định, tiến hành thu mẫu và phân tích các chỉ tiêu pH, EC, DO, Nhiệt độ, COD, NO2-, NO3-, NH4+, TN, PO43-, TDP, TP.

3.3.3 Phương pháp thu mẫu

Tiến hành thu mẫu sau khi hệ thống đạt trạng thái ổn định (thành phần hóa học trong mẫu đầu ra ổn định tại các thời điểm thu mẫu khác nhau). Thứ tự thu mẫu là điểm (4) mẫu đầu ra; (3) mẫu đầu vào có bổ sung cacbon; (2) mẫu đầu vào không bổ sung cacbon; (1) mẫu nước thải tại bể cấp.

Mẫu hoá học (COD, NO2-, NO3-, NH4+, TN, PO43-, TDP, TP) được thu bằng chai thuỷ tinh với thể tích 500ml. Các chỉ tiêu vật lý (pH, EC, DO, nhiệt độ) được xác định trực tiếp bằng máy đo.

Trước khi thu mẫu, cần tráng dụng cụ bằng chính mẫu thu 2 – 3 lần. Mẫu sau khi thu được đậy kín và ghi rõ lý lịch mẫu. Mẫu được trữ lạnh ở 4oC và phân tích tại phòng thí nghiệm Chất lượng môi trường, Bộ môn Khoa học môi trường, Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên.

3.3.4 Phương pháp phân tích mẫu

Các chỉ tiêu vật lý: pH, EC, DO, sẽ được xác định trực tiếp bằng máy đo. Nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế rượu.

Các chỉ tiêu hoá học (COD, NO2-, NO3-, NH4+, TN, PO43-, TDP, TP) được phân tích tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên.

Bảng 3.2: Phương pháp phân tích từng chỉ tiêu

Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Phương pháp phân tích

pH Máy đo Mettler – Toledo AG

EC µS/cm Máy đo Thermo Orion 105

Nhiệt độ oC Nhiệt kế rượu

DO mg/l YSI 556MPS

COD mg/l Phương pháp Kali bicromate

NO2-, NO3-, NH4+ mg/l Đo bằng máy sắc kí ion Shodex CD5

TN mg/l Standard Methods

PO43-, TDP, TP mg/l Phương pháp so màu Ascorbic acid (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

3.3.5 Phương pháp xử lý số liệu

CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết quả tạo màng biofilm cho vật liệu thí nghiệm

Dựa trên kết quả của những nghiên cứu trước đây và cải tiến kỹ thuật để tạo các khối vật liệu. Các khối bê tông sau khi đã định hình và lấy ra khỏi khuôn với các đặc điểm như: kích thước của khối bê tông là 10×10×10 cm, bề mặt nhám, có độ rỗng cao làm tăng diện tích bề mặt của khối vật liệu.

Theo kết quả nghiên cứu của Lê Anh Kha và Masazuki (2003), đã xác định được một số thuộc tính của khối bê tông như sau:

 Kích thước (cm): 10×10×10  Kích thước đá: 4×6

 Mật độ lỗ: 30%

 Chỉ số nén (kg/cm3): 20  Hệ số thấm (cm/sec): 3.5

Khi chưa ngâm các khối vật liệu vào dòng nước thải để tạo màng biofilm thì các khối vật liệu có bề mặt nhám, các viên đá được sắp xếp chồng lên nhau, có màu trắng và màu xanh.

Các khối bê tông sau khi ngâm trong bể chứa nước thải sau khoảng thời gian từ 30 – 45 ngày thì các khối bê tông được bao phủ bởi một lớp màng làm thay đổi màu sắc khối vật liệu (từ trắng và xanh chuyển sang màu nâu đen), bề mặt khối vật liệu có độ nhớt và không nhìn rõ được sự sắp xếp của các viên đá.

Hình 4.1: Khối bê tông không có màng biofilm

Hình 4.2: Khối bê tông sau khi tạo màng biofilm

Đặc điểm của các khối bê tông là sử dụng những nguyên liệu rẻ tiền, dễ tìm, thông dụng trong xây dựng, có độ xốp và độ rỗng cao giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, bề mặt của vật liệu có độ nhám cao thích hợp làm giá thể cho vi sinh vật.

Tuy nhiên, khi sử dụng các khối vật liệu này cũng có một số hạn chế như: khối lượng khối vật liệu khá nặng, chiếm nhiều diện tích, phải kiểm soát lớp màng vi sinh vật vì khi màng quá dày sẽ làm giảm hiệu quả xử lý của vật liệu và cần có biện pháp hoàn nguyên hoặc xử lý vật liệu sau khi sử dụng.

4.2 Kết quả thí nghiệm với dung dịch nước thải pha từ hóa chất có nồng độ tương đương với nước thải nhà máy chế biến thủy sản tương đương với nước thải nhà máy chế biến thủy sản

4.2.1 Nhiệt độ

Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong suốt quá trình thí nghiệm nhiệt độ dao động từ 28.5 – 29.5oC, gần với nhiệt độ ngoài môi trường và không có sự khác biệt giữa các vị trí thu mẫu. Trong đó, vị trí đầu ra nghiệm thức 2 có giá trị cao nhất dao động trong khoảng 29 – 29.5oC, tiếp theo là ở đầu ra nghiệm thức 1 và đầu vào tại bể cấp dao động trong khoảng 28.5 – 29oC, thấp nhất là đầu vào có bổ sung cacbon và đầu vào không bổ sung cacbon đạt 28 – 28.5oC.

Hình 4.3: Sự biến động nhiệt độ (oC) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất.

Ghi chú: BC: đầu vào tại bể cấp; ĐVKC: đầu vào không bổ sung cacbon; ĐVCC: đầu vào sau khi bổ sung cacbon; ĐR1: đầu ra nghiệm thức 1; ĐR2: đầu ra nghiệm thức 2.

0 5 10 15 20 25 30 35 BC ĐVKC ĐVCC ĐR1 ĐR2 Nhiệt độ ( oC) Vị trí thu mẫu

Sự chênh lệch nhiệt độ tại các vị trí thu mẫu là do ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh, thời tiết. Vị trí đầu ra nghiệm thức 2 đạt giá trị cao nhất là do bể chứa nước đầu ra không được che kín, có ánh sáng mặt trời chiếu vào làm nhiệt độ tăng cao hơn các vị trí khác. Nhiệt độ ở bể cấp cao hơn các vị trí đầu vào có cấp cacbon và đầu vào không cấp cacbon là do bể cấp được đậy kín làm giảm sự thoát nhiệt ra bên ngoài môi trường.

Theo Huỳnh Thị Ngọc Lưu và Nguyễn Thị Thu Vân (2007), quá trình khử nitrate hóa có thể xãy ra trong khoảng nhiệt độ rất rộng từ 0oC – 50oC trong đó khoảng tối ưu là 30oC – 35oC.

Theo nghiên cứu của Phan Văn Tiến (2010), nhiệt độ dao động trong khoảng từ 26 – 31oC phù hợp cho sự phát triển của vi sinh vật khử nitrate.

Theo nghiên cứu của Đoàn Thị Thúy Oanh (2005),nhiệt độ tại các điểm thu mẫu ít dao động (từ 27.0 – 27.50C) và gần với nhiệt độ ngoài môi trường thích hợp cho vi sinh vật hoạt động và phát triển tốt.

Nhìn chung, kết quả thu nhận được là tương đồng với các nghiên cứu đã thực hiện trước đây, phù hợp cho vi sinh vật hoạt động và phát triển.

4.3.2 pH

Hình 4.4: Sự biến động pH giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 BC ĐVKC ĐVCC ĐR1 ĐR2 pH Vị trí thu mẫu

Qua biểu đồ thể hiện sự biến động pH giữa các điểm thu mẫu cho thấy pH dao động trong khoảng từ 6.84 – 7.63. Các giá trị pH không có sự khác biệt (p>0.05) tại các vị trí bể cấp đạt 7.57 – 7.69, đầu vào có bổ sung cacbon đạt 7.56 – 7.60, đầu vào không bổ sung cacbon đạt 7.57 – 7.65, đầu ra nghiệm thức 1 đạt 7.60. Riêng vị trí đầu ra nghiệm thức 2 pH giảm và đạt giá trị thấp nhất 6.79 – 6.87.

Sự khác biệt tại vị trí đầu ra nghiệm thức 2 là do lượng cacbon cung cấp vào hệ thống được đốt cháy bởi oxy trong nước để cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động. Nitrate là chất nhận điện tử để trở thành dạng N2 thoát ra khỏi hệ thống, lượng đường bổ sung từ bên ngoài là chất cho điện tử. Saccarozo được phân cắt thành các phân tử đường đơn dạng glucose và fructose. Trong điều kiện thiếu khí xảy ra sự lên men lactic tạo thành axit lactic và axit axetic làm cho pH đầu ra giảm mạnh.

Theo Trần Cẩm Vân (2002), quá trình phân giải glucoza thành axit lactic được gọi là quá trình lên men lactic. Có 2 loại lên men lactic đồng hình và dị hình.

Sự lên men lactic đồng hình glucoza bị phân hủy theo con đường Embden –

Mục lục