Nghiên cứu xử lý nước thải của làng nghề sản xuất miến dong Cự Đà, Thanh Oai, Hà Nội bằng phương pháp lọc sinh học ngập nước

MỞ ĐẦU Ở Việt Nam làng nghề có vai trò đặc biệt quan trọng đối với người dân ở các vùng nông thôn nó giúp họ có cuộc sống ấm no ngay trên mảnh đất quê hương mình. Bên cạnh mặt đóng góp tích cực, tình trạng ô nhiễm ở các làng nghề đã lên tới mức báo động gây nhiều bức xúc cho xã hội do việc phát triển các làng nghề ở nước ta vẫn mang tính tự phát, công nghệ thủ công lạc hậu, thiết bị chắp vá, thiếu đồng bộ, ý thức bảo vệ môi trường rất thấp. Tất cả các mặt hạn chế trên không chỉ ảnh hưởng tới sự phát triển các làng nghề mà còn ảnh hưởng đến chất lượng môi trường làng nghề và sức khỏe cộng đồng. Một trong những loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lương thực( bún, miến , bánh đa, chế biến tinh bột… ). Sự ô nhiễm môi trường nước tại các làng nghề này đang ở mức báo động, gây nhiều bức xúc cho xã hội. Các chỉ tiêu cơ bản của nước thải như COD, BOD, TSS. .. đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Một trong những làng nghề chế biến lương thực có truyền thống lâu năm là làng nghề làm miến Cự Đà, thuộc xã Cự Khê,Thanh Oai, Hà Nội. Nước thải làng nghề sản xuất miến dong chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao chủ yếu là các hợp chất cacbonhidrat, prôtein, tinh bột … là các chất dễ phân hủy, chuyển hóa sinh học và các hợp chất chứa nitơ gồm nitơ ở dạng hữu cơ (amin, axit amin…), ở dạng vô cơ như NH4+, NO2- ,… làm giảm chất lượng của nước và có thể gây ra một số bệnh nguy hiểm cho con người. Vì thế việc tìm quy trình xử lý thích hợp đối với loại nước thải này có ý nghĩa rất to lớn. Có nhiều biện pháp xử lý, tuy nhiên biện pháp sinh học là ưu thế hơn cả vì chúng có ưu điểm về kinh tế - kỹ thuật và thân thiện với môi trường. Từ thực tế trên, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải của làng nghề sản xuất miến dong Cự Đà, Thanh Oai, Hà Nội bằng phương pháp lọc sinh học ngập nước ”. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1.Tình hình ô nhiễm nước thải các làng nghề truyền thống Hiện nay tại nông thôn, tình trạng ô nhiễm nước đang ở mức báo động, trầm trọng nhất là tại các làng nghề. Hầu hết môi trường nước tại các làng nghề đều đang rơi vào tình trạng ô nhiễm hết sức nghiêm trọng. Theo thống kê, hiện nay cả nước ta có khoảng 1.450 làng nghề, trong đó có hơn 300 làng nghề truyền thống.  Kết quả điều tra, khảo sát của Bộ Khoa học - Công nghệ cho thấy 100% mẫu nước thải, thậm chí cả nước mặt, nước ngầm ở các làng nghề đều vượt các tiêu chuẩn cho phép. Nước thải của các làng nghề chế biến biến lương thực, thực phẩm có đặc tính chung là rất giàu chất hữu cơ, dễ phân hủy sinh học. Thí dụ, nước thải của quá trình sản xuất tinh bột từ sắn có hàm lượng ô nhiễm rất cao (COD = 13.300 - 20.000mg/l, BOD5 = 5.500 - 125.000 mg/l).  Cho đến nay, phần lớn nước thải tại các làng nghề đều thải thẳng ra ngoài không qua bất kỳ khâu xử lý nào. Nước thải này tồn đọng ở cống rãnh thường bị phân hủy yếm khí gây ô nhiễm không khí và ngấm xuống lòng đất gây ô nhiễm môi trường đất và suy giảm chất lượng nước ngầm.  Tình trạng ô nhiễm môi trường đã khiến  một tỷ lệ không nhỏ người dân làng nghề hoặc ở các khu vực lân cận mắc các bệnh về đường hô hấp, đau mắt, bệnh đường ruột, bệnh ngoài da...Nguyên nhân gây bệnh chủ yếu do môi trường sinh hoạt không bảo đảm vệ sinh, nguồn nước sạch khan hiếm. Tỷ lệ mắc bệnh nghề nghiệp ở làng nghề có tỷ lệ cao hơn rất nhiều những làng thuần nông khác... 1.2.Thực trạng môi trường làng Cự Đà và quy trình sản xuất miến dong 1.2.1. Đôi nét về làng Cự Đà và thực trạng môi trường hiện nay. Làng Cự Đà cách Hà Nội chưa đầy 20 km về phía tây nằm ven bờ sông Nhuệ thuộc xã Cự Khê, huyện Thanh Oai, Hà Tây cũ (nay là Hà Nội) có khoảng 600 hộ dân với khoảng 1750 nhân khẩu, toàn bộ diện tích làng khoảng 1.05 km2 (mât độ khoảng 1670 người/km2 ) trong đó đất ở khoảng 108.000 m2 còn lại là đất canh tác và diện tích sông ngòi, kênh rạch. Làng Cự Đà có truyền thống làm miến dong, loại miến ngon có tiếng khắp nơi vì sợi miến vừa dẻo vừa dai mà lại không quá cứng đặc biệt không bị trương lên khi ngâm lâu trong nước. Hàng năm làng sản xuất một lượng miến rất lớn cung cấp cho Hà Nội và các tỉnh lân cận, trong làng không phải tất cả các hộ đều sản xuất miến dong mà chỉ có khoảng 60 hộ là sản xuất thường xuyên ở quy mô lớn (khoảng 1-1.5 tấn/ngày) ngoài ra cũng có những hộ chỉ sản xuất mang tính thời vụ, cứ vào dịp giáp tết nhu cầu khách hàng về miến tăng cao nên những hộ này chỉ sản xuất vào dịp tết (khoảng 20 hộ). Những hộ còn lại có thể làm công cho những hộ làm miến hay làm những công việc khác vì muốn làm được sợi miến từ bột dong riềng phải qua rất nhiều công đoạn và cần rất nhiều người ví dụ tráng miến, mang miến đi phơi, hay thu miến. Quá trình sản xuất miến tốn rất nhiều nước vì trước khi tráng miến phải qua nhiều công đoạn, nước thải của sản xuất miến chứa nhiều chất hữu cơ nhất là chất hữu cơ dạng tinh bột cùng chất tẩy màu, mùi. Nước không được xử lý mà cùng với nguồn nước thải sinh hoạt đổ thẳng ra sông Nhuệ làm nước sông nhuốm một màu đen ngòm và bốc mùi hôi thối mặt khác do làng chưa có chỗ quy hoạch đổ rác nên nhiều hộ cứ tiện tay vứt ra ven bờ sông Nhuệ góp phần làm ô nhiễm con sông và mất cảnh quan của khu vực. 1.2.2. Quy trình sản xuất miến từ bột dong riềng Đầu tiên bột dong được ngâm với nước khoảng vài giờ sau đó lọc bỏ nước, lấy phần tinh bột, bột này lại được tẩy bằng hóa chất để sạch màu và mùi chua sau đó bột lại tiếp tục được ngâm một lần nữa. Giai đoạn này có thể bổ xung thêm phẩm màu để tạo màu sắc cho miến nếu khách hàng có nhu cầu (ví dụ miến vàng thì cho thêm bột nghệ…) sau khi lọc bỏ nước bột được khuấy đều, một phần bột được ngâm với nước sôi được gọi là bột chín, bột chín đem hòa với bột đã lọc theo tỉ lệ 1/10 tạo lên một hỗn hợp bột. Tiếp đó bột được tráng thành bánh hấp chín rồi đem phơi. Sau khi khô, bánh được đưa qua máy cán thành sợi, đem phơi khô rồi xuất cho khách hàng. Dưới đây là sơ đồ quy trình sản xuất miến từ bột dong riềng
 Hình 1: Sơ đồ sản xuất miến từ bột dong riềng 1.2.3.Đặc điểm nước cấp và nước thải trong công nghệ sản xuất miến Các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm tiêu thụ một khối lượng nước lớn. Nước phục vụ cho sản xuất chủ yếu là nước giếng khoan và một phần nhỏ là nước nhà máy. Nước sử dụng cho sản xuất miến chủ yếu ở khâu ngâm bột, tẩy màu, mùi của bột, ngâm trước khi đem tráng. Nước thải miến có COD tương đối cao 4000-6000 mg/l, độ đục tương đối lớn 400-600 NTU do trong quá trình ngâm bột một lượng nhỏ tinh bột đi theo nước vào nước thải, thành phần chủ yếu của bột dong riềng là tinh bột nên hàm lượng amoni không cao khoảng 40-80 mg/l và nitrit thấp (< 3mg/l), pH của nước thải khá thấp (2-3) và có mùi chua rất khó chịu, tất cả nước thải của các công đoạn được thải chung xuống cống cùng với nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm nặng cho sông Nhuệ. 1.3. Xử lý nước thải 1.3.1. Khảo sát và đánh giá mức độ ô nhiễm Để tiến hành xử lý một nguồn thải trước hết cần biết thành phần các chất gây ô nhiễm và nguồn gốc phát sinh ra chúng. Phải phân tích xác định các chỉ tiêu để làm cơ sở cho việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp. Việc xác định các chỉ tiêu không thể chỉ tiến hành phân tích một mẫu, mà phải phân tích rất nhiều mẫu với mục đích là tìm sự biến đổi của các chỉ số đó trong môi trường nước. 1.3.2. Một số thông số quan trọng đánh giá chất lượng nước thải a) Độ pH Giá trị pH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý. Giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý nước theo phương pháp thích hợp, hoặc điều chỉnh lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý nước. Các công trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học làm việc tốt khi pH nằm trong giới hạn từ 7 - 7,6. Môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩn phát triển thường có pH từ 7 - 8. Các nhóm vi khuẩn khác nhau có giới hạn pH hoạt động khác nhau. Ví dụ vi khuẩn nitrit phát triển thuận lợi nhất với pH từ 4.8 – 8.8, còn vi khuẩn nitrat với pH từ 6.5 – 9.3. Vi khuẩn lưu huỳnh có thể tồn tại trong môi trường có pH từ 1 - 4. b) Độ đục Nước tự nhiên sạch thường không chứa những chất rắn lơ lửng nên trong suốt và không màu. Độ đục do các chất rắn lơ lửng gây ra. Những hạt vật chất gây đục thường hấp phụ các kim loại nặng cùng các vi sinh vật gây bệnh. Nước đục còn ngăn cản quá trình chiếu sáng của mặt trời xuống đáy làm giảm quá trình quang hợp và nồng độ oxy hòa tan trong nước. c) Mùi Mùi hôi thối khó ngửi của nước thải do các chất hữu cơ bị phân hủy, mùi của các hóa chất, dầu mỡ có trong nước. Các chất có mùi như NH3, các amin, các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh. d) Hàm lượng các chất rắn Tổng chất rắn – TS (Total Solid) TS là một thành phần đặc trưng rất quan trọng của nước thải bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan Tổng chất rắn được xác định bằng trọng lượng khô phần còn lại khi cho bay hơi một lít mẫu nước trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 103oC cho đến khi trọng lượng không đổi. Đơn vị tính bằng mg/l (hoặc g/l). Tổng chất rắn dạng huyền phù – TSS (Total Suspended Solid) TSS là toàn bộ lượng chất rắn ở trạng thái lơ lửng trong nước. TSS được xác định trọng lượng khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh, khi lọc 1l mẫu nước qua phễu lọc Gooch rồi sấy khô ở 103-1050C tới khi trọng lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/l hay g/l Chất rắn hòa tan – DS (Dissolved Solid) Hàm lượng chất rắn hòa tan chính là hiệu số của tổng chất rắn (TS) với tổng chất rắn dạng huyền phù (TSS): DS = TS – TSS (mg/l) Chất rắn bay hơi (VS) Hàm lượng chất rắn bay hơi là trọng lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù TSS ở 5500C trong một khoảng thời gian xác định. Thời gian này phụ thuộc vào loại mẫu nước (nước cống, nước thải hoặc bùn). Đơn vị tính là mg/l hoặc phần trăm (%) của TSS hay TS Chất rắn có thể lắng Chất rắn có thể lắng là số ml phần chất rắn của 1 lít mẫu nước đã lắng xuống đáy phễu sau một khoảng thời gian (thường là 1 giờ) f) Hàm lượng oxi hòa tan DO (Dissolved Oxygen) Hàm lượng oxi hòa tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước thải vì oxi không thể thiếu được với các quá trình sống. Oxi duy trì quá trình trao đổi chất sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Khi thải các chất thải vào các nguồn nước quá trình oxi hóa chúng sẽ làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong các nguồn nước này thậm chí có thể đe dọa sự sống của các loại cá cũng như các sinh vật trong nước. Việc theo dõi thường xuyên thông số về hàm lượng oxy hòa tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện hiếu khí trong quá trình xử lý nước thải. Mặt khác lượng oxy hòa tan còn là cơ sở của phép phân tích xác định nhu cầu oxy sinh hóa. Có hai phương pháp xác định DO là phương pháp Winkler và phương pháp điện cực oxy. g) Nhu cầu oxy sinh hóa BOD (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy sinh hóa BOD là lượng oxy cần thiết cho việc oxi hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật (sự phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học) . Đơn vị tính theo mgO2/l Quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ có thể biểu diến bởi phương trình tổng quát sau: Chất hữu cơ + O2 Vi sinh vật CO2 + H2O + Sinh khối Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước. Chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước càng lớn. Trong thực tế khó có thể xác định được toàn bộ lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ trong nước mà chỉ xác định được lượng oxy cần thiết trong năm ngày ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối. Mức độ oxy hóa các chất hữu cơ không đều theo thời gian. Thời gian đầu, quá trình oxy hóa xảy ra với cường độ mạnh hơn và sau đó giảm dần. h) Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa học COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và H2O bằng tác nhân oxy hóa hóa học mạnh. Trong thực tế COD được dùng rộng rãi để đánh giá mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có trong nước. Do việc xác định chỉ số này nhanh hơn so với việc xác định BOD. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp crommat: oxi hóa các hợp chất hữu cơ bằng đicromat trong dung dịch H2SO4 đặc có mặt chất xúc tác Ag2SO4. Các chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ Ag2SO4 CO2 + H2O + Cr3+ Lượng Cr2O72- dư có thể được xác định bằng phương pháp trắc quang hoặc bằng phương pháp chuẩn độ bởi dung dịch muối Mohr i) Tổng hàm lượng nitơ (TN) Các hợp chất chứa nitơ trong nước thải thường là các hợp chất ptotein và các sản phẩm phân huỷ: NH4+, NO3-, NO2-. Trong nước thải cần có một lượng nitơ thích hợp, mối quan hệ giữa BOD5 với N và P có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và khả năng oxi hoá của bùn hoạt tính. Hàm lượng nitơ trong nước cũng được xem như các chất chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nước vì NH3 tự do là sản phẩm phân hủy các chất chứa protein, sau đó amoni được oxi hóa tiếp thành nitrit, nitrat theo sơ đồ  Tổng nitơ là tổng các hàm lượng nitơ hữu cơ, amoniac, nitrit, nitrat. Hàm lượng nitơ hữu cơ được xác định bằng phương pháp Kendal. Tổng nitơ Kendal là tổng nitơ hữu cơ và nitơ amoniac. Chỉ tiêu amoniac thường được xác định bằng phương pháp so màu hoặc chuẩn độ còn nitrit và nitrat được xác định bằng phương pháp so màu. k) Tổng hàm lượng photpho Ngày nay người ta quan tâm đến việc kiểm soát hàm lượng các hợp chất chứa photpho trong nước bề mặt, nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp vì nguyên tố này là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự phát triển bùng nổ của tảo ở một số nguồn nước mặt (hiện tượng phú dưỡng). Chỉ tiêu này có ý nghĩa quan trọng để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ ăn mòn và xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Vì photpho nằm ở các dạng khác nhau như photpho hữu cơ, photphat, pyrophotphat, ortho photphat nên cần chuyển tất cả các dạng này về dạng ortho photphat PO43- bằng cách vô cơ hóa mẫu nước. Sau đó xác định PO43- bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử là amoni molipdat trong môi trường axit mạnh . PO43- + 12 (NH4)2MoO4 + 24 H+ ( (NH4)3PO4.12MoO3( + 21NH4+ +12 H2O m) Tiêu chuẩn vi sinh. Trong nước thải thường có rất nhiều loại vi khuẩn có hại, chúng là các vi trùng từ nguồn nước thải sinh hoạt, đặc biệt là nước thải bệnh viện. Trong đó vi khuẩn E-coli là loại vi khuẩn đặc trưng cho sự nhiễm trùng nước. Chỉ số E-coli chính là số lượng vi khuẩn này có trong 100 ml nước. Ước tính mỗi ngày mỗi người bài tiết khoảng 2.1011 E-coli. Theo tiêu chuẩn WHO nguồn nước cấp cho sinh hoạt có chỉ số E-coli ≤ 10 E-coli/100 ml nước, ở Việt Nam chỉ số này là 20 E-coli/100ml nước. 1.3.3. Các phương pháp xử lý nước và nước thải Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất gây ô nhiễm ra khỏi nước, nước thải. Khi đạt được những chỉ tiêu, yêu cầu cho từng loại nước thì có thể đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng lại. Để đạt được mục đích trên người ta thường dựa vào đặc điểm của các loại tạp chất để chọn phương pháp xử lý thích hợp. Việc phân loại các phương pháp xử lý nước, nước thải chủ yếu dựa vào bản chất của phương pháp xử lý đó. Người ta phân loại thành các phương pháp sau. 1.3.3.1. Phương pháp hóa lý Là phương pháp xử lý chủ yếu dựa trên các quá trình vật lý, thường dùng để loại các hợp chất không tan ra khỏi nước, nó gồm các quá trình cơ bản: lọc qua sàng, lưới chắn, khuấy trộn, lắng, tuyển nổi, đông tụ, tạo bông, ly tâm, lọc, chuyển khí. Tùy thuộc vào tính chất của tạp chất và mức độ cần thiết phải làm sạch mà người ta sử dụng một hoặc một số phương pháp kể trên. 1.3.3.2. Phương pháp hóa học Là phương pháp chuyển hóa các chất bẩn có trong nước bằng cách thêm hóa chất. Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng trung hòa, tạo phức, kết tủa, các phản ứng oxy hóa khử hóa học và điện hóa. 1.3.3.3. Phương pháp sinh học Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một quá trình phức tạp bởi đó là quá trình phát triển của vi sinh vật xảy ra trong thiết bị xử lý, bị ràng buộc bởi các hiện tượng hóa lý liên quan đến chuyển chất và năng lượng. Tính phức tạp của nó còn ở chỗ các quá trình đó xảy ra ở mức độ vi mô (các hiện tượng trong tế bào, trong quần thể vi sinh vật và ở mức độ vĩ mô (các quá trình chuyển chất và truyền nhiệt phụ thuộc điều kiện thủy động cụ thể trong từng thiết bị). a) Điều kiện nước thải đưa vào xử lý sinh học Các loại nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải một số ngành công nghiệp có chứa những chất hữu cơ hòa tan gồm hidratcacbon, protein và các hợp chất chứa nitơ phân hủy từ protein, các dạng chất béo, cùng một số chất vô cơ như H2S, các sulphua, amoniac và các hợp chất chứa nitơ khác có thể đưa vào xử lý bằng phương pháp sinh học. Phương pháp xử lý sinh học nước thải dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các tạp chất hữu cơ có trong nước thải. Do vậy, điều kiện đầu tiên và vô cùng quan trọng là nước thải phải là môi trường sống của các quần thể vi sinh vật. Để cho quá trình xử lý sinh học xảy ra thuận lợi thì nước thải cần được xử lý sơ bộ để đạt những yêu cầu sau: - Hàm lượng các chất độc nhỏ, không chứa hoặc chứa rất ít các kim loại nặng có thể gây chết hoặc ức chế sự phát triển của các hệ vi sinh vật trong nước thải. - Trong nước thải cần bảo đảm tỷ lệ BOD:N:P ( 100:5:1 là tỷ lệ chất dinh dưỡng thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật. - Nước thải đưa vào xử lý sinh học có hai thông số đặc trưng là COD và BOD. Nước thải có COD/BOD ( 2 hoặc BOD/COD ( 0.5 là khá phù hợp với việc xử lý sinh học. Khi giá trị COD hoặc BOD lớn thì cần phải qua xử lý sinh học kỵ khí. Bên cạnh các chất dễ phân hủy như: Hidratcacbon, protein còn có nhiều chất chỉ bị oxi hoá một phần hoặc thậm chí hầu như hoàn toàn không bị phân hủy. Trong các chất hữu cơ tự nhiên có lignin là khó bị phân hủy, kitil, sừng, móng, tóc hầu như không bị phân hủy. Đối với các loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải các làng nghề sản xuất bún, hay miến thì phương pháp xử lý được lựa chọn là phương pháp sinh học. Ở đây nguồn nước thải sau khi được xử lý sẽ được thải trực tiếp ra các dòng sông nên không thể sử dụng hóa chất một cách tùy tiện được. Phương pháp xử lý sinh học dựa vào sự phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải bởi các vi sinh vật, nên khi thải ra sẽ không gây ô nhiễm môi trường bởi các hóa chất đưa vào trong quá trình xử lý như các phương pháp khác. b)Vai trò của vi sinh vật trong việc xử lý nước. Trong nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp đặc biệt là của các xí nghiệp chế biến thực phẩm, thủy sản, giấy... rất giàu các chất hữu cơ như: Đường, tinh bột, các hợp chất protein, các chất béo, xenlulozo...Thường trong nước thải cũng có chứa rất nhiều các vi sinh vật. Vi sinh vật ở đây là một quần thể và đông đảo nhất là vi khuẩn, cả về chủng loại cũng như số lượng. Có hai nhóm vi sinh vật (chia theo phương thức dinh dưỡng): nhóm vi sinh vật tự dưỡng và nhóm vi sinh vật dị dưỡng. + Các vi sinh vật dị dưỡng phải nhờ vào các chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Chúng phân hủy các chất hữu cơ nhờ hệ enzim thủy phân tiết ra môi trường theo nguyên tắc cảm ứng cơ chất tương ứng. Các vi sinh vật này cũng dùng các chất hữu cơ có trong nước để xây dựng tế bào mới cho mình, để phục vụ cho sinh trưởng và phát triển. + Các vi sinh vật tự dưỡng có thể sử dụng CO2 làm nguồn cacbon và các chất khoáng khác, nhờ ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng tổng hợp thành các chất hữu cơ trong thành phần tế bào. Làm sạch nước thải tự nhiên hay xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào hoạt động sống của các vi sinh vật dị dưỡng có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để thực hiện quá trình sinh tổng hợp, phát triển . Các vi sinh vật dị dưỡng lại có thể chia làm 3 loại dựa theo hoạt động sống của chúng với oxi: + Vi sinh vật hiếu khí: loài này cần có oxi để sống và phân hủy các hợp chất hữu cơ. + Vi sinh vật kỵ khí: loài này có khả năng sống không cần có oxi và oxi hoá các chất hữu cơ không cần có mặt oxi tự do, chúng có thể sử dụng oxi trong các hợp chất như nitrat, sunphat. + Giữa hai nhóm này còn có một nhóm trung gian được gọi là các vi sinh vật tùy nghi hay là các vi sinh vật tùy tiện chúng có thể sinh trưởng trong điều kiện có hoặc không có oxi. c) Các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Giai đoạn làm quen (AB): Các vi sinh vật được đưa vào môi trường mới nó cần một thời gian để thích nghi với môi trường Giai đoạn phát triển theo hàm mũ (BC): Các tế bào phân đôi theo thời gian, sau một thời gian mật độ tế bào tăng lên theo cấp số nhân.
 Hình 2: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật. Giai đoạn chậm dần (CD): Chất dinh dưỡng trong nước cạn dần hoặc do môi trường có một số chất gây ức chế cho sự phát triển của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật giảm dần Giai đoạn ổn định (DE): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này do. - Các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi sinh vật đã bị giảm mạnh - Số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi Giai đoạn tự hủy (EF): Giai đoạn này các chất hữu cơ đã cạn kiệt nên mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết (ở đây diễn ra sự phân hủy nội bào) dẫn tới sự tạo ra lớp mùn gồm xác các vi sinh vật. d) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật - Các kim loại nặng: Các kim loại nặng có trong nước thải làm ảnh hưởng đến khả năng xử lý của vi sinh vật. Các kim loại ở dạng vết ảnh hưởng tốt tới sự sinh trưởng của vi sinh vật. Ở nồng độ cao làm chết hoặc gây ức chế đến sự phát triển của vi sinh vật. - Các anion: Như CN-, F-, NO3-, Cr2O72-…trong nước thải sẽ tạo phức với các enzim do vi sinh vật tiết ra làm ngăn cản quá trình lấy chất dinh dưỡng của chúng hoặc các tạp chất hữu cơ độc hại trong nước sẽ phá hủy tế bào của các vi sinh vật gây chết vi sinh vật. - Các yếu tố khác : ( Độ pH từ 6,5 đến 8,5 là tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật. ( Nhiệt độ nằm trong khoảng từ 6oC đến 37oC là phù hợp. Đối với quá trình kị khí thì nhiệt độ không quá 50oC. ( Nồng độ các muối vô cơ: Như các muối sunphat, clorua, amôni, cacbonat…cần khống chế sao cho hàm lượng nhỏ hơn 10g/l . e) Cơ chế phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ trong nước thải Có thể xem quá trình xử lý sinh học gồm ba giai đoạn sau: - Giai đoạn một: Khuếch tán và chuyển các chất dinh dưỡng trong nước thải đến màng vi sinh vật - Giai đoạn hai: Hấp phụ các chất rắn trên bề mặt của màng tế bào - Giai đoạn ba: Quá trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán qua màng tế bào vi sinh vật tạo ra năng lượng tổng hợp các chất mới của tế bào. ( Xử lý trong điều kiện hiếu khí: Sử dụng các nhóm sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp ôxi liên tục và nhiệt độ trong khoảng 20-40oC. Theo Erkenfelder w.w và Connon DJ (1961) thì quá trình xử lý gồm 3 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Oxy hóa các hợp chất hữu cơ Phản ứng oxy hóa khử giữa các hợp chất hữu cơ với oxy có thể biểu diễn như sau: CxHyOz + O2 enzim CO2 + H2O + ∆H Giai đoạn 2: Quá trình đồng hóa và xây dựng tế bào. CxHyOz + NH3 enzim CO2 + H2O + tế bào vi khuẩn + C5H7NO2 - ∆H Trong đó C5H7NO2 là chất nguyên sinh trong tế bào sinh vật. Giai đoạn 3: Quá trình dị hóa Quá trình phân hủy các chất có trong tế bào sống dưới tác dụng của enzim. C5H7NO2 + O2 → CO2 + H2O + NH3 ( ∆H ( Xử lý trong điều kiện kị khí: Khi nước thải có chỉ số BOD cao (BOD ( 10-30 g/l) thì ta không thể xử lý bằng phương pháp hiếu khí ngay mà phải xử lý bằng phương pháp kị khí trước để giảm bớt BOD của nước thải. f) Các quá trình sinh học chủ yếu trong xử lý nước thải Một số khái niệm dùng trong xử lý sinh học nước thải Các quá trình hiếu khí (Aeroten process hay oxic process): Các quá trình xử lý sinh học xảy ra trong điều kiện có mặt của oxi. Các quá trình kị khí hay yếm khí (Anaerobic process): Các quá trình xử lý sinh học xảy ra trong điều kiện không có oxi. Quá trình thiếu khí hay thiếu oxi (Anoxic process): Quá trình chuyển hoá nitrat thành nitơ trong điều kiện không cấp thêm oxi từ ngoài vào. Quá trình này còn gọi là quá trình khử nitrat kị khí. Quá trình sinh học tuỳ tiện (Facultative process): Quá trình xử lý sinh học trong đó quần thể sinh vật có thể hoạt động trong điều kiện có oxi hoặc không có oxi. Quá trình này còn gọi là quá trình tự phát. Quá trình sinh trưởng lơ lửng: Vi sinh vật sinh sản và phát triển trong các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học. Các vi sinh vật này tạo thành các sản phẩm cuối cùng như CO2, H2O, NH3, H2S, N2. Chúng sinh trưởng lơ lửng và được xáo trộn cùng với nước, cuối cùng các chất dinh dưỡng cạn kiệt, các bông cặn lắng thành bùn. Quá trình sinh trưởng dính bám: Trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân huỷ các chất hữu cơ và phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết trên các vật liệu trơ như đá, gỗ, sành sứ, chất dẻo. Quá trình này còn được gọi là quá trình màng sinh học, xảy ra ở các công trình xử lý nước thải như lọc sinh học, đĩa quay sinh học. Sinh trưởng lơ lửng - bùn hoạt tính Trong nước thải sau thời gian làm quen, các vi khuẩn bắt đầu sinh trưởng. Trong nước luôn có chứa những chất rắn lơ lửng, các chất rắn này có thể là hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ. Trong thời gian sinh trưởng các vi khuẩn bám vào các chất rắn lơ lửng này và tạo thành các hạt bông có hoạt tính phân giải các hợp chất hữu cơ. Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo trong nước sẽ lớn dần lên do hấp thụ nhiều hạt lơ lửng, tế bào sinh vật, động vật nguyên sinh... Nếu ngừng thổi khí hoặc chất hữu cơ trong nước cạn kiệt chúng sẽ lắng xuống đáy tạo thành bùn. Bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Trong quá trình phát triển các chất keo tụ trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp thụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, chất màu, mùi... trong nước thải. Hạt bùn lớn dần lên và từ từ lắng xuống đáy. Kết quả là nước sáng màu, giảm ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn làm nước sạch. Sinh trưởng gắn kết - màng sinh học Nếu trong dòng nước thải có các vật rắn làm giá đỡ như: xốp, gỗ, nhựa... khi đó các vi sinh vật sẽ bám dính trên bề mặt vật rắn đó. Chúng sẽ tích tụ lại và tạo thành màng, màng này cứ dày dần lên. Thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay gắn kết trên chất mang. Màng này có khả năng oxi hoá các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua và giữ lại các chất bẩn. Như vậy màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau có hoạt tính oxi hoá các hợp chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Màng này dày khoảng 1-3 mm. Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ vàng xám đến nâu tối. Khi nước thải chảy qua màng lọc sinh học các chất hữu cơ dễ phân huỷ được vi sinh vật sử dụng trước với tốc độ nhanh đồng thời số lượng quần thể cũng tăng nhanh, các chất hữu cơ khó phân hủy được vi sinh vật sử dụng sau. 1.3.4. Các kĩ thuật xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Từ các đặc điểm của vi sinh vật đã được tìm hiểu ở trên, hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều các mô hình cũng như phương pháp ứng dụng vi sinh vật trong việc xử lý nước và đã đạt được hiệu quả cao trong thực tế. Có thể phân loại các quá trình xử lý nước bởi sơ đồ sau: Hình 3 : Sơ đồ các phương pháp xử lý sinh học nước thải 1.3.4.1. Bể hiếu khí (Aeroten) Nước thải qua song chắn rác loại bỏ các chất rắn có kích thước lớn không tan trong nước. Sau đó đưa vào lắng sơ bộ để lắng các chất rắn không tan qua chắn rác và một phần chất rắn lơ lửng sau đó đưa vào bể hiếu khí. Vi sinh vật trong bể hiếu khí tạo thành bùn hoạt tính phân hủy hợp chất hữu cơ và làm sạch nước. Sau bể hiếu khí là hệ thống bể lắng bổ xung, bùn hoạt tính lắng và nước được làm trong. Nước đã xử lý được đưa và hệ thống thoát nước chung. Bùn một phần được hồi lưu làm tác nhân phân giải cho đợt sau, một phần lấy ra làm phân bón. Trong khi tiến hành xử lý oxi được cấp liên tục. Hình 4: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải bằng kĩ thuật bùn họat tính 1.3.4.2. Lọc sinh học Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp màng bám trên lớp vật liệu lọc(môi trường lọc). Thường nước thải được tưới từ trên xuống qua lớp vật liệu lọc bằng đá hoặc các vật liệu khác nhau, vì vậy người ta còn gọi hệ thống này là bể lọc sinh học (trickling filter). Có thể mô tả quá trình trên qua sơ đồ sau: Dòng vào Dòng ra tuần hoàn Tuần hoàn bùn lắng cấp 2 Hình 5: Sơ đồ hệ thống lọc sinh học. Hiệu suất làm sạch nước thải trong các bể lọc sinh học phụ thuộc vào các chỉ tiêu sinh hoá, chế độ thuỷ lực và kết cấu thiết bị. Trong đó cần chú ý các chỉ tiêu sau: BOD của nước cần làm sạch, bản chất các hợp chất hữu cơ, tốc độ oxi hoá, cường độ hô hấp của các vi sinh vật, khối lượng các chất được màng sinh học hấp thụ, chiều dày màng sinh học, thành phần các vi sinh vật sống trong màng, cường độ sục khí, diện tích và chiều cao bể lọc. Các đặc tính của bể lọc(kích thước đệm, độ xốp và bề mặt riêng của màng sinh học), các tính chất vật lý của nước thải, nhiệt độ quá trình và tải lượng thủy lực, cường độ tuần hoàn, màng sinh học mức độ phân bố đều nước thải theo diện tích tiết diện, độ thấm ướt của màng sinh học. Lọc sinh học hiện nay chia thành hai loại: - Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước. - Lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước ( Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước. Các vật liệu lọc được sử dụng ở đây có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất. Khi nước chảy qua các khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm sạch do sự phân hủy các chất bẩn của các vi sinh vật hiếu khí và kị khí trên màng, tạo thành các sản phẩm như CO2 và H2O (phân hủy hiếu khí), CO2 và CH4 (phân hủy kị khí). ( Lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước: Trong quá trình làm việc, lọc có thể khử được BOD và chuyển hóa NH4+ thành NO3-, lớp vật liệu lọc có thể giữ lại các cặn lơ lửng. Để khử được tiếp tục BOD và NO3 , người ta thường đặt hai cột lọc nối tiếp. Thiết bị có vùng thiếu khí nằm bên dưới lớp vật liệu lọc để khử NO3-, Ở đây nước và không khí đi cùng chiều từ dưới lên cho hiệu quả xử lý cao 1.3.4.3. Đĩa quay sinh học Một hệ thống vi sinh vật sinh trưởng cố định trên màng sinh học khác là đĩa quay sinh học. Hệ thống này gồm một loạt đĩa tròn lắp trên cùng một trục cách nhau một khoảng cách nhất định. Khi trục quay, một phần đĩa ngập trong máng chứa nước thải còn phần còn lại tiếp xúc với không khí. Các vi sinh vật bám tạo thành màng sinh học trên các đĩa, phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Hình 6: Sơ đồ hệ thống đĩa quay sinh học. 1.3.4.4.Quá trình tạo màng và cơ chế xử lý qua màng sinh học a) Khái niệm màng sinh học. Màng sinh học là một lớp màng mỏng thường dày khoảng 0.1- 0.4 mm. Trên màng là tập hợp các loại vi sinh vật có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước. Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, song cũng có các vi khuẩn kị khí và tùy tiện. Ở ngoài cùng lớp màng là các vi khuẩn hiếu khí ví dụ loại trực khuẩn bacilluci. Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện: Ví dụ alcaligenes, flavobacterium, micrococus…Lớp sâu bên trong là các loại vi khuẩn kị khí( loại này chủ yếu khử lưu huỳnh và nitrat). b) Quá trình tạo màng sinh học Hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp màng sinh học dựa vào lớp màng vi sinh vật mà tại đó chúng sử dụng các chất hữu cơ có trong thành phần nước thải làm thức ăn vì vậy cần tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Thực tế chúng ta thường dùng các vật liệu xốp, nhựa, than, đá… làm vật liệu để các loại vi sinh vật tạo màng sinh học trên đó (vật liệu lọc). Vật liệu này còn có vai trò giữ lại các chất rắn lơ lửng trong nước thải. Người ta tạo màng vi sinh vật bằng cách tưới lên trên vật liệu một lượng nước thải có lượng vi sinh lớn hoặc có thể bổ sung một số chủng vi sinh vào. Đối với các chủng vi sinh kị khí thì không cần sục khí mà phải giữ DO của nước < 2 mg/l. Còn các loại vi sinh vật hiếu khí phải sục không khí liên tục để thúc đẩy sự phát triển cũng như quá trình tạo màng. Sau 18 đến 24 giờ các vi sinh vật sẽ phát triển bám vào vật liệu tạo thành màng lọc. Đến khi màng có độ dày nhất định khoảng 3 ngày nếu các điều kiện được giữ ổn định và hợp lí. Oxi và thức ăn được khuếch tán qua màng sinh học. Sau một thời gian nhất định sẽ có sự phân lớp, lớp ngoài cùng tiếp xúc với oxi gồm các vi sinh vật hiếu khí, lớp màng sâu bên trong không có khả năng tiếp xúc với oxi không khí chứa các vi sinh vật kị khí. Các vi sinh vật kị khí này sẽ phân hủy các hợp chất hữu cơ H2S và amoni, các axit hữu cơ. Sau đó các vi sinh vật hiếu khí lại phân hủy thành HNO3, H2SO4, CO2 và H2O. Trong quá trình sinh trưởng các vi sinh vật cũng giữ lại các chất rắn lơ lửng, nước thải được làm sạch và giảm độ đục, khi lượng thức ăn cạn kiệt các vi sinh vật tự phân hủy (phân hủy nội bào). Khi vi sinh vật chết, lớp màng sinh học tự bong ra vào trong nước.
Hình 7: Các quá trình trong bể lọc sinh học Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1.1.Đối tượng nghiên cứu Trong bản luận văn này tôi nghiên cứu xử lý nước thải của làng nghề sản xuất miến dong Cự Đà, Thanh Oai, Hà Nội bằng phương pháp lọc sinh học ngập nước. 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu Khảo sát sự biến đổi các thông số đánh giá chất lượng nước thải như NH4+,NO2- , COD, BOD, PO43- , pH, độ đục theo thời gian xử lý 2.1.3. Mô hình thực nghiệm Từ nhu cầu của việc xử lý nước thải theo phương pháp sinh học vừa thân thiện với môi trường vừa hiệu quả mà lại mang tính ứng dụng cao. Chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý nước thải bằng phương pháp màng sinh học gồm hai cột dạng pilot, xử lý kị khí kết hợp với xử lý hiếu khí. Sơ đồ cấu tạo của thiết bi
 Hình 8: Sơ đồ cấu tạo của thiết bị Nguyên lý hoạt động của thiết bị Nước thải làm miến được lắng gạn sơ bộ (bể chứa 2) và được điều chỉnh pH trước khi cho vào bể chứa (1). Sau đó nước thải được bơm vào cột kị khí theo chiều từ dưới lên trên với lưu lượng dòng được khống chế nhờ ống chia dòng máy bơm (8), nước thải đi qua lớp vật liệu xốp, tại đây các chất hữu cơ bị phân hủy bởi lớp màng vi sinh vật kị khí. Sau khi nước thải dâng tràn qua máng lắng cặn (4) thì tiếp tục chảy sang cột hiếu khí theo nguyên tắc bình thông nhau do chênh lệch mực mước giữa hai cột. Nước thải từ từ dâng đầy cột hiếu khí và một lần nữa bị các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ có trong thành phần nước thải. Ở cột hiếu khí không khí liên tục được cấp vào nhờ máy sục khí (11), cung cấp oxy cho quá trình phân hủy các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Mẫu nước thải qua cột hiếu khí được lấy nhờ van (13), đem phân tích các chỉ tiêu, nếu chưa đạt tiêu chuẩn cho phép thì tiếp tục được cho tuần hoàn trở lại bể chứa (2). Sản phẩm bùn cặn của quá trình phân hủy chất hữu cơ được tháo ra ngoài nhờ ống xả bùn (10). Ưu điểm của thiết bị : + Nước thải được bơm từ dưới lên trên tránh được hiện tượng dòng chảy tắt trong thiết bị. Màng vi sinh bị ngập hoàn toàn trong nước nên cho hiệu quả xử lý cao hơn trường hợp nước thải chảy từ trên xuống dưới. + Không khí được cấp đều vào cột hiếu khí nhờ dàn phân phối khí nhiều lỗ và không khí đi từ dưới lên trên cùng chiều với dòng nước nên giảm tổn thất thủy lực và tại các vị trí trong cột hiếu khí có thể coi nồng độ khí oxy là gần bằng nhau. Nói cách khác tại mọi vị trí trong cột hiếu khí thì có thể coi tốc độ phân hủy các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật là xấp xỉ bằng nhau. + Thiết bị có hệ thống máng lắng cặn và ống xả bùn cho phép xả bùn dư khi cần thiết + Hệ thống được thiết kế gần giống với dạng pilot nên cho hiệu quả xử lý cao. + Hệ thống có thể tháo rời từng chi tiết thuận lợi cho sự rửa, tái sinh lớp vật liệu lọc sau quá trình xử lý. 2.1.4. Quá trình tạo màng sinh học trên vật liệu 2.1.4.1. Lựa chọn vật liệu lọc làm chất mang Các nghiên cứu gần đây cho thấy có thể sử dụng các chất mang khác nhau để nuôi cấy vi sinh vật (hiếu khí hay kị khí) dùng trong công nghệ xử lý nước thải như nhựa PVC, PE, thủy tinh, cao su, xốp, sơ dừa, ….trong số đó vật liệu xốp cho thấy kết quả xử lý tốt hơn cả vì vật liệu xốp có diện tích bề mặt lớn, trên bền mặt có nhiều lỗ nhỏ để vi sinh vật có thể bám dính và tạo màng. Ngoài ra xốp là vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền. Xốp hay tên gọi hóa học của nó là polystyren là một loại polyme tổng hợp có công thức cấu tạo tổng quát: Đây là loại vật liệu khá trơ, bền ngay cả trong môi trường nước mặn, đường kính hạt xốp 0.3 - 0.5cm, ít thấm nước, bề mặt riêng lớn, độ rỗng xốp lớn (khoảng 90%), không độc hại với vi sinh vật. 2.1.4.2. Qui trình nuôi cấy tạo màng sinh học trên vật liệu - Vật liệu xốp được nhồi vào hai cột hiếu khí và kị khí với chiều cao lớp vật liệu là 0,8m. Sau đó bơm nước có chứa chất dinh dưỡng vào cột từ dưới lên trên với lưu lượng dòng là 9l/h. Để quá trình hình thành màng được diễn ra tốt, chúng tôi đã cho vào một số chủng loại vi sinh vật hiếu khí và kị khí trên từng cột. - Sau đó thường xuyên theo dõi các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành và phát triển của màng vi sinh như pH, chất dinh dưỡng (Nitơ ở dạng NH4+, photpho ở dạng photphat) và tạo những điều kiện tốt để vi sinh vật phát triển. - Đối với cột hiếu khí cần luôn đảm bảo cung cấp đủ và đều oxi trên toàn cột. Đối với cột kị khí thì ngược lại, cần luôn giữ sao cho hàm lượng oxi hòa tan trong nước (DO) nhỏ hơn 2mg/l, ngoài ra còn có thể cho thêm một ít rượu metylic vào để quá trình hình thành màng kị khí được tốt. - Để kiểm tra kết quả của quá trình tạo màng vi sinh vật trên chất mang,chúng tôi tiến hành chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét (SEM), kết quả cho thấy màng vi sinh đã được tạo trên thành hạt xốp.
Hình 9: Bề mặt ban đầu của giá thể
Hình 10: Màng vi sinh bám trên bề mặt giá thể trong quá trình nuôi cấy
Hình 11: Bề dày lớp màng vi sinh trong quá trình xử lý - Sau khi thấy vi sinh bám trên bề mặt giá thể, tiến hành bơm tuần hoàn nước thải miến dong đã được pha loãng nhiều lần và đã xử lí sơ bộ qua hệ thống để vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải miến dong trước khi tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải miến dong với hàm lượng COD đầu vào khác nhau. 2.2. Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu trong nước 2.2.1. Hóa chất và dụng cụ Hóa chất Loại + K2Cr2O7 (Kali dicromat) dạng tinh thể PA + H2SO4 đặc (98,8%) + Ag2SO4 (Bạc sunfat) PA + HgSO4 (Thủy ngân sunfat) PA + HOOCC6H4O4 (Kaliphtalat) PA + KNaC4H4O4 (Kali-natri tactrat) PA + KI (Kali iotua) PA + HgI2 (Thủy ngân iotua) PA + KOH (Kali hidroxit) + NaOH (Natri hidroxit) + Axit Sunfanilic PA + α- Naphtylamin + NH4Cl (amoniclorua) PA + NaNO2 (Natri Nitrit) PA + Chất ức chế quá trình nitro hóa Alylthiore PA + NH4MoO4 (Amoni Molipđat) PA + NH4VO3 (Amoni Vanađat) PA + HCl (axit clohiđric) + NaH2PO4 (natriđihiđrophotphat) Dụng cụ + Máy phá mẫu COD (TR320).Đức + Tủ sấy, Model 1430D, Đức + Máy trắc quang (Spectroquant( Nova 30 . Đức) để xác định chỉ số COD + Máy trắc quang đo xác định chỉ tiêu NH4+, NO2- + Máy đo BOD (Model NOVA 30-1), Đức + Máy đo độ đục 2100p.Turbidimeter, Nhật + Máy đo pH Metler, Model XT 1200C, Thụy Sỹ + Cân kỹ thuật 10-2 g Precisa, Model XT 1200C, Thụy Sỹ + Cân phân tích 10-4g Ohaus, Model AR 2140, Thụy Sỹ + Máy sục khí Và một số thiết bị phụ trợ khác. 2.2.2.Xác định một số chỉ tiêu của nước thải làng nghề sản xuất miến dong Cự Đà a) Xác định chỉ số COD bằng phuơng pháp đicromat. Nguyên tắc của phương pháp này là mẫu được đun hồi lưu với K2Cr2O7 và chất xúc tác bạc sunfat trong môi trường axit sunfuric đặc. Phản ứng diễn ra như sau: Cr2O72- + 14H+ + 6e → 2Cr3+ + 7H2O Quá trình oxi hóa có thể được viết O2 + 4H+ + 4e → 2H2O Bạc sunfat dùng để thúc đẩy quá trình quá trình oxi hóa của các chất hữu cơ phân tử lượng thấp. Các ion Cl- gây cản trở cho quá trình phản ứng: Cr2O72- + 6Cl- + 14H+ → 3Cl2 + 2Cr3+ + 7H2O Để tránh sự cản trở trên người ta cho thêm HgSO4 để tạo phức với Cl-. Ngoài sự cản trở của ion Cl- còn phải kể đến sự cản trở của nitrit (NO2-), tuy nhiên với lượng nitrit là 1- 1.2 mg/l thì sự cản trở của chúng được xem là không đáng kể, còn tránh ảnh hưởng của chúng thì cần thêm vào mẫu một lượng axit sunfamic với tỷ lệ 10mg/1mg NO2. Quy trình phân tích: - Chuẩn bị hóa chất: + Hỗn hợp phản ứng: Hòa tan 10.216g K2Cr2O7 loại PA đã được sấy ở nhiệt độ 103oC sau đó thêm 167ml dung dịch H2SO4 và 33.3g HgSO4. Lắc và định mức đến 1000ml bằng nước cất. + Thuốc thử axit: Pha 5.5g Ag2SO4 trong 1 kg dung dịch H2SO4 đặc (d = 1.84) có thể khuấy hoặc để cho Ag2SO4 tan hết mới sử dụng. + Pha dung dich chuẩn kaliphtalat( HOOC6H4COOK): Sấy sơ bộ một lượng kaliphtalat ở 120oC. Sau đó cân 850mg kaliphtalat pha và định mức vào bình 1lít (dung dịch này có nồng độ 1mg O2/ml). - Phương pháp xác định: Lấy vào ống phá mẫu (cuvet) 2.5 ml mẫu sau đó thêm vào 3.5ml thuốc thử axit và 1.5 ml thuốc thử axit. Đặt cuvet vào máy phá mẫu ở nhiệt độ 148oC trong 2h sau đó lấy ra và để nguội đến nhiệt độ phòng. Đo mật độ quang ở bước sóng 605nm. Xây dựng đường chuẩn sự phụ thuộc của COD vào mật độ quang từ phương trình đương chuẩn lập được có thể tính ngược lại giá trị COD khi đo mật độ quang của mẫu nước thải trong quá trình xử lý. Kết quả đo mật độ quang các dung dịch chuẩn Bảng 1: Kết quả xây dựng đường chuẩn COD Dung dịch  1  2  3  4  5  6   Vdungdịchchuẩn (ml)  0  5  10  25  50  100   Vnướccất (ml)  100  95  80  70  50  0   COD (mgO2/l)  0  50  100  250  500  1000   Mật độ quang(Abs)  0.027  0.036  0.074  0.144  0.27  0.51  
Hình 12: Đường chuẩn COD b) Xác đinh chỉ số BOD * Nguyên lí của phép đo: Thiết bị đo BOD là một hệ kín gồm các bình chứa mẫu và các sensor.Trong bình chứa mẫu phía trên bề mặt dung dịch chứa một thể tích không khí xác định. Trong thời gian ủ mẫu vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan trong mẫu. Lượng oxy tiêu thụ sẽ được thay thế bằng lượng oxy không khí có trong bình do vậy mà áp suất trong bình giảm. Sensor đo sự thay đổi áp suất từ đó ta đọc được giá trị BOD. Trong quá trình ủ mẫu phải tính đến lượng CO2 thoát ra làm sai lệch giá trị BOD tuy nhiên để loại trừ điều này ta nhỏ vài giọt dung dịch KOH vào nắp chai đựng mẫu KOH sẽ hấp thụ hết khí CO2. Các yếu tố ảnh hưởng: Có 6 yếu tố cơ bản làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này: - Nước nhiễm clo. Để loại trừ ảnh hưởng phải trung hòa clo tự do hoặc clo liên kết có trong mẫu bằng dung dịch Na2SO3. - pH quá cao hoặc quá thấp. Để xác định BOD của mẫu nước thải thì pH của nó phải nằm trong khoảng 6.5 đến 7.5. Nếu nằm ngoài khoảng này cần trung hòa chúng bằng dung dịch axit H2SO4 hoặc kiềm NaOH sao cho thể tích các dung dịch dùng để trung hòa không làm pha loãng mẫu quá 0.5% thể tích. - Nhiệt độ bảo quản: Mẫu phải được bảo quản ở đúng nhiệt độ 20 ± 1ºC để không làm ảnh hưởng đến giá trị đo DO. - Sự nitrit hóa: Giảm ảnh hưởng của yếu tố này bằng cách thêm chất ức chế 2–chloro–6–(trichloro metyl) pyridyne (TCMP) (Cl-C5H3N-CCl3) gắn trên NaCl sao cho nồng độ TCMP trong mẫu pha loãng đạt 0.5 mg/l. - Kỹ thuật pha loãng mẫu. - Mẫu chứa các chất độc (thường có trong mẫu nước thải công nghiệp như kim loại nặng…). Để loại trừ ảnh hưởng của yếu tố này cần có những nghiên cứu và giải pháp cụ thể. Các bước tiến hành đo BOD Điều chỉnh pH của dung dịch về khoảng 6.5(7.5 bằng dung dịch axit hoặc bằng kiềm Lấy một thể tích chính xác mẫu vào bình đo bằng phễu (nếu cần thiết) Cho con khuấy từ vào chai chứa mẫu - Thêm vào mẫu chất ức chế quá trình nitrat hóa (anlyl thioure) theo tỉ lệ ở bảng 2 Bảng 2: Lượng chất ức chế quá trình nitrat hóa Khoảng đo BOD(mg/l)  Thể tích mẫu (ml)  Số giọt Allyl Thioure   0-40  428  10   0-80  360  10   0-200  244  5   0-400  157  5   0-800  94  3   0-1000  56  3   0-4000  21.7  1   Cho 3-4 giọt KOH 45% vào nắp cao su ở miệng chai Đặt sensor lên miệng nút chặt Bắt đầu quá trình đo như sau: + Ấn nút Esc để bật hệ thống đo. + Chọn chai cần đo BOD bằng các phím +/- + Đặt các điều kiện đo: Ấn nút Start để chọn các điều kiện đo. Khi đó trên màn hình sẽ hiển thị khoảng giá trị BOD và thể tích mẫu tương ứng, để thay đổi ta dùng các phím +/-. Chọn giá trị thích hợp sau đó nhấn Enter. Tiếp theo máy tự động chuyển sang chế độ chọn ngày cũng dùng các phím +/- rồi nhấn Enter. Tắt máy bằng phím Esc. Trong thơi gian ủ mẫu máy sẽ tự động giữ nhiệt độ ổn định là 20%. Sau 5 ngày bật máy bằng nút Esc, chọn chai cần đo ấn Enter kết quả BOD5 sẽ hiển thị trên màn hình. c) Xác định nồng độ amoni trong nước thải bằng phương pháp Nessler. Nguyên tắc: Amoni trong môi trường kiềm phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4) tạo thành phức có màu vàng hay nâu sẫm tuân theo phương trình sau
Cường độ màu của phức này phụ thuộc vào nồng độ amoni có trong nước. Độ nhạy của phức này là 0.25microgam amoni, giới hạn pha loãng là 1( 2.107 Dùng phương pháp trắc quang để xác định nồng độ amoni : Đo mật độ quang của hỗn hợp phản ứng ở bước sóng 420nm. - Các amin thơm và amin béo làm đục dung dịch khi cho thuốc thử Nessler vào nên cần loại bỏ trước khi xác định. - Cl2 gây ảnh hưởng nên cần loại bỏ. Để loại trừ ảnh hưởng, người ta chưng cất mẫu trong bình Kjeldahl với đệm borat (pH = 9.5). Mẫu sau khi chưng cất được đưa vào bình có chứa sẵn axit boric 2%. Sau đó cho mẫu tác dụng với thuốc thử nessler trong môi trường kiềm. - Lượng N-NH4+ cao hơn 250µg trong 50ml dung dịch sẽ có hiện tượng tăng mạnh huyền phù trắng đục do tạo thành kết tủa phức hợp của amoni làm dung dịch đậm màu. Trong trường hợp đó phải điều chỉnh lượng mẫu sao cho nhỏ hơn 250 µg N-NH4+ trong 50ml mẫu hoặc sử dụng phương pháp khác. - Các cation có thể tạo thành hydroxit không tan như: Ca, Mg, Mn, Fe; các hợp chất hữu cơ và một số chất không tan cũng là nguyên nhân gây cản trở đến độ chính xác của phương pháp. Các bước tiến hành đo nồng độ amoni Chuẩn bị hóa chất: -Dung dịch Xenhet: Hòa tan 50g KNaC4H4O6 (Kali-Natri tactrat) trong 100ml nước cất, đun sôi một thời gian để loại hết NH3. Sau đó thêm nước cất đến vạch mức - Thuốc thử Nessler: Hòa tan 100g HgI2 và 70g KI bằng một lượng nhỏ nước cất, khuấy đều chậm. Thêm vào dung dịch này một dung dịch của 160g NaOH hòa tan trong 500ml nước cất. Định mức đến 1 lít ta thu được dung dịch Nessler. Dung dịch cần được bảo quản tránh ánh sáng và đậy nắp. - Dung dịch chuẩn amoni: Cân chính xác 0.1486g NH4Cl đã sấy khô ở 100oC trong thời gian khoảng 1h. Sau đó hòa tan vào bình định mức 1lít lắc đều, dùng pipet hút chính xác 10ml dung dịch vừa pha được cho vào bình định mức 1lít rồi định mức đến vạch bằng nước cất thu được dung dịch có nồng độ 5mgNH4+/l. Xây dựng đường chuẩn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ amoni: Lần lượt pha các mẫu dung dịch chuẩn có nồng độ amoni tăng dần từ 0(5mg NH4+/l theo bảng 3: Bảng 3 : Kết quả xây dựng đường chuẩn Amoni ống nghiệm  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11   Thể tích dung dịch NH4+(ml)  0  0.5  1  1.5  2  2.5  3  3.5  4  4.5  5   Thể tích H2O(ml)  5  4.5  4  3.5  3  2.5  2  1.5  1  0.5  0   Thể tích dung dịch Xenhet(ml)  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2  0.2   VNessler(ml)  0.5  0.5  0.5  0.5  0.5  0.5  0.5  0.5  0.5  0.5  0.5   A(Mật độ quang)  0.245  0.296  0.336  0.398  0.442  0.514  0.567  0.636  0.674  0.735  0.787  
Hình 13. Đường chuẩn amoni d) Xác định hàm lượng nitrit trong nước thải Nguyên tắc: Trong môi trường axit acetic ion NO2- phản ứng với axit sunfanilic và α- naphtylamin tạo thành hợp chất có màu hồng. Cường độ màu tỷ lệ với hàm lượng NO2- có trong nước. Đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 543 nm. Từ mật độ quang thu được và dựa vào phương trình đường chuẩn ta tính được hàm lượng nitrit tương ứng. Các yếu tố ảnh hưởng và cách loại trừ: + Ảnh hưởng của sự vẩn đục và màu của nước. Khắc phục điều này bằng cách lọc qua giấy lọc băng xanh trước khi phân tích. + Các cation kim loại như Fe2+, Hg2+, Bi3+, Sb2+, Pb2+ đều gây ảnh hưởng cho việc xác định nitrit. Loại trừ bằng cách cho dung dịch đi qua cột lọc cationit dạng NH4+. + Lượng Cl- lớn hơn 3mg/l cũng gây ảnh hưởng. Loại trừ bằng cách thêm dung dịch Ag2SO4 để tạo kết tủa AgCl, sau đó lọc bỏ đi. Ion NO3- không ảnh hưởng gì cho việc xác định.