Việc tìm kiếm các biện pháp để xử lý vấn đề ô nhiễm nước và hoàn nguyên trở lại nguồn tài nguyên này không ngừng được tiến hành. Đến nay đã có các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, từ công nghệ hiện đại đến những vật liệu thô sơ bằng cách ứng dụng những khả năng có ích của vi sinh vật.
Viện hoá học công nghệ (Bộ Công Nghệ) đã phối hợp với trung tâm công nghệ môi trường quốc tế Nhật Bản (ICETT) chuyển giao công nghệ xử lý nước thải bằng vi sinh vật. Vật liệu để lọc là những thứ có sẳn, dễ tìm và rẽ tiền như đá vôi, chất phế thải xây dựng có độ xốp cao, than củi, các loại vỏ sò, ốc, hến,… quá trình lọc hoàn toàn tự nhiên nhờ các vi sinh vật phân huỷ các chất trong nước thải.
Một công trình hợp tác nghiên cứu giữa Singapo và Việt Nam đã nghiên cứu thành công một loại chế phẩm sinh học gọi là Aquaclean®, bao gồm trên 31 loài vi khuẩn sống và một men sinh học, được chọn lọc đặc biệt cho xử lý nước thải công nghiệp, đô thị và tất cả các loại nước thải bị ô nhiễm hữu cơ.
Theo Trần Đức Hạ (2002), quy trình khử chất dinh dưỡng nitơ bằng biện pháp sinh học cần phải có các điều kiện sau: điều kiện yếm khí (hoặc thiếu oxy tự do); có nitrate hoặc nitrite; có vi khuẩn tùy tiện khử nitrate. Để khử 1g N-NO3- cần 2.47g COD hoặc 2.86g COD của cặn lắng. Khi pH của nước thải tăng lên, khử 1mg N-NO3- làm độ kiềm của nước tăng lên 3.6mg CaCO3/lit.
28
Theo Lê Anh Kha (2003) với thí nghiệm dùng vật liệu là đất nung và khối bê tông để loại đạm ra khỏi nước đạt khoảng 85%, được bổ sung nguồn năng lượng là cacbon và đạm được loại bỏ qua quá trình hô hấp và khử nitrate nhờ vào cộng đồng vi sinh vật dị dưỡng.
Theo Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (1999) thì các biện pháp xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học gồm hai nhóm là trong điều kiện tự nhiên (ao, hồ, cánh đồng lọc,…) và trong điều kiện nhân tạo (các vật liệu xốp, đất, đá,…). Ví dụ: Hệ thống lọc sinh học BIOFOR (Biological Oxigennated Fiter) được ứng dụng để loại bỏ ammoniac bằng oxy hóa, khử nitrate, BOD5 (300mg/l) bằng khí nén và vật liệu lọc hay đĩa quay sinh học RBC là thiết bị xử lý nước bằng kỹ thuật màng sinh học dựa vào gắn kết của vi sinh vật trên bề mặt của vật liệu, đĩa đã được áp dụng ở Đức, Mỹ, Canada,…
Theo Nguyễn Việt Anh (2005) đã nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni bằng phương pháp sinh học kết hợp nitrate hoá và khử nitrate với giá thể vi sinh là sợi Acrylic hoàn toàn có thể áp dụng được, với hiệu suất cao, có độ tin cậy và ổn định.
Theo Lều Thọ Bách (2009) với thí nghiệm khử nitơ amôn trong nước ngầm bằng công nghệ sinh học ứng dụng giá thể vi sinh dạng sợi Polyester đảm bảo khử được nitơ amôn trong nước ngầm đạt tiêu chuẩn (<1.5 mg/l) do bộ Y tế ban hành.
29
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 08/2013 đến tháng 11/2013.
Địa điểm nghiên cứu: Phòng thí nghiệm Chất lượng môi trường, Bộ môn Khoa học môi trường, Khoa Môi trường và Tài nguyên nhiên nhiên.
3.2 Phương tiện nghiên cứu
Vật liệu:
+Bể nhựa 300 lít làm bể cấp.
+ Bể Composite 35 lít làm bể giữ mực và bể phản ứng. + Ống nhựa mềm.
+Cát, đá 4×6, xi măng.
Hoá chất: Các loại hoá chất cần thiết phân tích các chỉ tiêu COD, NO2-, NO3-, NH4+, TN, PO43-, TDP, TP.
Thiết bị:
+ Các thiết bị phòng thí nghiệm cần cho phân tích các chỉ tiêu trên. + Nhiệt kế rượu.
+ Máy sắc kí ion Shodex CD5 Technical Cooperation by the Government of Japan.
+ Máy đo Mettler – Toledo AG, Japan. + Máy đo Thermo Orion, model 105, USA. + Máy đo YSI 556MPS.
3.3 Phương pháp nghiên cứu 3.3.1 Tạo vật liệu thí nghiệm 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.
30
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
31
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.
32
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
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
33
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.
34
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
3.3.5 Phương pháp xử lý số liệu
35
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
36
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