Nghiên cứu hiệu quả xử lý vi nhựa trong hệ thống cấp nước đô thị thành phố thủ dầu một phần 3 luận văn thạc sĩ

LVTS Ho Thien Phuoc file cuoi in nop ngay 25 11 2021 pdf 31 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3 1 Nhuộm các mẫu môi trường 3 1 1 Định lượng vi nhựa của mẫu nước tại nhà máy B Hệ thống xử lý nước cấp tại nhà máy B đã xử lý đáng kể lượng vi nhựa qua các bậc xử lý, hiệu quả xử lý đạt 85,1% với khoảng trung bình 1772 ± 189 hạtlít nước thô, qua bể trộn và phản ứng bằng vôi và PAC lượng vi nhựa còn lại trung bình khoảng 584 ± 48, tại bể lắng chủ yếu diễn ra quá trình sa lắng do tác động của tr.

31

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Nhuộm các mẫu môi trường

3.1.1 Định lượng vi nhựa của mẫu nước tại nhà máy B

Hệ thống xử lý nước cấp tại nhà máy B đã xử lý đáng kể lượng vi nhựa qua các bậc

xử lý, hiệu quả xử lý đạt 85,1% với khoảng trung bình 1772 ± 189 hạt/lít nước thô, qua bể trộn và phản ứng bằng vôi và PAC lượng vi nhựa còn lại trung bình khoảng

584 ± 48, tại bể lắng chủ yếu diễn ra quá trình sa lắng do tác động của trọng lực sau khi diễn ra quá trình keo tụ tại bể phản ứng thì số lượng vi nhựa còn lại 320 ± 52, cuối cùng qua bể lọc thì số lượng hạt vi nhựa còn lại là 264 ± 33 hạt (Bảng 3.1) Đồng

thời, M Pivokonsky và cộng sự., 2018 đã thí nghiệm định lượng các hạt vi nhựa trong

hệ thống cấp nước, kết quả cho thấy mật độ các hạt vi nhựa dao động từ 1473 ± 34 đến 3605 ± 497 hạt trong 1 lít nước thô và từ 338 ± 76 đến 628 ± 28 hạt trong 1 lít nước được xử lý tùy thuộc vào từng công nghệ xử lý nước [13]

Bảng 3.1 Số lượng hạt vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy B

Lần lấy

mẫu

Số lượng hạt vi nhựa Nước thô Sau trộn + phản ứng Sau lắng Sau lọc

Lần 1 1772 ± 154 589 ± 36 410 ± 35 206 ± 35 Lần 2 1567 ± 137 616 ± 51 334 ± 35 311 ± 53 Lần 3 2055 ± 120 642 ± 85 307 ± 18 256 ± 35 Lần 4 1695 ± 103 488 ± 34 230 ± 27 281 ± 35 Trung bình 1772 ± 189 584 ± 48 320 ± 52 264 ± 33

Thời điểm với các mẫu lấy tại nhà máy B là từ 28/11 - 19/12/2021, vì thời gian này

ít có sự xuất hiện của thực vật phù du có thể cản trở việc phân tích Tuy nhiên, kết quả cho thấy hiệu quả xử lý vi nhựa tại nhà máy B cao hơn các kết quả nghiên cứu

của M Pivokonsky và cộng sự., 2018 Điều này chứng minh rằng một phần đáng kể

của vi nhựa đã được loại bỏ trong quá trình xử lý nước cấp

32

3.1.2 Định lượng vi nhựa của mẫu nước tại nhà máy A

Bảng 3.2 cho thấy hệ thống xử lý nước cấp tại nhà máy A đã được xử lý đáng kể lượng vi nhựa qua các bậc xử lý với khoảng trung bình 1941 ± 53 hạt/lít mẫu nước thô sau khi được xử lý qua bể trộn và phản ứng, bể lắng, bể lọc thì số lượng hạt vi nhựa còn lại là 264 ± 19 hạt, hiệu quả xử lý đạt 86,4%

Bảng 3.2 Số lượng hạt vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy A

Lần lấy

mẫu

Số lượng hạt vi nhựa Nước thô Sau trộn + phản ứng Sau lắng Sau lọc

Lần1 1875 ± 103 616 ± 51 432 ± 31 260 ± 37 Lần 2 2035 ± 112 590 ± 86 283 ± 85 282 ± 67 Lần 3 1952 ± 137 642 ± 86 386 ± 52 282 ± 67 Lần 4 1900 ± 155 514 ± 68 231 ± 51 230 ± 51 Trung bình 1941 ± 53 590 ± 38 333 ± 76 264 ± 19

Cùng một công nghệ xử lý nước, hiệu quả xử lý tại 2 nhà máy và 2 khu vực bơm nước thô khác nhau, chủ yếu là khu dân cư bao gồm các hoạt động của con người thì hiệu quả xử lý vi nhựa nên không có sự khác biệt nhiều

Đồng thời, thông qua việc bổ sung vôi và PAC tại bể trộn và phản ứng để gia tăng khả năng tiếp xúc giữa các hạt polyme và các chất lơ lửng có trong nước thô làm tăng khả năng kết dính các chất lơ lửng có kích thước nhỏ thành các bông cặn có kích thước lớn Từ đó làm các bông cặn lắng nhanh và kéo theo các hạt vi nhựa Theo kết quả Bảng 3.1 và Bảng 3.2 ta thấy hiệu quả xử lý vi nhựa tại bể lắng đạt hiệu quả cao nhất, cụ thể:

Tại nhà máy A tỷ lệ vi nhựa có trong nước thô/bể lắng là 1941/333 đạt hiệu quả xử

33

nhựa có trong nước sông như sau: dạng sợi chiếm 53,9% - 73,9%, dạng cầu chiếm 8,6% - 20,6% và dạng mảnh vỡ chiếm 17,6% - 25,5% Đồng thời, hiệu quả xử lý các hạt vi nhựa trong quá trình keo tụ kết hợp lắng tương ứng: dạng sợi từ 82,9% - 87,5%, dạng hình cầu là từ 89,1% - 92,7% và dạng mãnh vỡ là từ 73,1% - 88,9% [12] Do đó, có thể dự báo số lượng hạt vi nhựa và hiệu quả xử lý các hoại vi nhựa ứng với từng hình dạng như sau:

Bảng 3.3 Số lượng vi nhựa ứng với từng hình dạng

Thủ Dầu Một 1240 ± 194 283 ± 116 418 ± 77 Khu liên hợp 1132 ± 177 259 ± 106 381 ± 70

Bảng 3.4 Hiệu quả xử lý các loại vi nhựa

3.2 Định danh các mẫu nhựa bằng nhuộm huỳnh quang Nile Red

Bảy loại nhựa được nhuộm bằng dung dịch nile red với nồng độ 5 μg/ml và soi dưới kính hiển vi huỳnh quang với các bước sóng kích thích và phát xạ DAPI (430 - 470 nm) xanh lục, FITC (515 - 560 nm) xanh lá, SPO (650 - 670 nm) đỏ cam đã được nhuộm và xác định hiệu quả trong điều kiện nhuộm đã cho Thực tế, các loại polyme ABS, HDPE, PC, PET, PP, PVC, PS bắt màu thuốc nhộm và phát quang màu xanh

lá ở bước sóng FITC (515 - 560 nm), tuy nhiên hình ảnh của các hạt ABS có màu đen chỉ xuất hiện dưới dạng ánh sáng xanh mờ (Hình 3.1) Ở bước sóng DAPI (430 - 470 nm) thì nhựa PP và PET phát quang màu xanh lục so với nền Ngoài ra nhựa PS còn phát quang màu đỏ cam ở bước sóng SPO (650 - 670 nm) (Hình 3.5)

34

Hình 3.1 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa ABS

Hình 3.2 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa HDPE

Hình 3.3 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PC

Hình 3.4 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PET

Hình 3.5 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PS

35

Hình 3.6 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PVC

Hình 3.7 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PP

Won J Shim và cộng sự., 2016 đã tiến hành nhuộm các loại nhựa HDPE, PVC, PP,

PC, PVC, PS, PET và soi dưới kính hiển vi quỳnh quang (Axio Scope, Zeiss, Jena, Đức) với 3 bước sóng kích thích màu xanh lục (450 - 490 nm), xanh lá (515 - 565 nm) và cam đỏ (534 - 558 nm) Kết quả cho thấy các loại nhựa này đều bắt màu và phát quang xanh lá dưới bước sóng (515 – 565 nm) Ngoài ra PS còn phát quang ánh sáng màu đỏ cam tại bước sóng (534 – 558 nm) và PET phát quang xanh lục tại bước sóng (450 – 490 nm) [1] Để định tính và định danh các loại nhựa có trong mẫu nước, một thí nghiệm mới được tiến hành bằng cách nhuộm các mẫu nhựa riêng lẻ bằng dung dịch Nile red và chụp hình [19] Thuốc nhuộm hấp phụ lên các bề mặt nhựa khác nhau và làm cho chúng phát huỳnh quang khi được chiếu bằng ánh sáng xanh

và soi dưới kính hiển vi quỳnh quang sẽ phát sáng với màu sắc khác nhau Một trong những hạn chế đối với phương pháp nhuộm Nile Red đối với các mẫu thực địa là sự đồng nhuộm của các chất có nguồn gốc hữu cơ tự nhiên dẫn đến hiệu quả xác định không chính xác Điều đó cho thấy một trong nhựng việc quan trọng đối với phương pháp nhuộm Nile Red là loại bỏ được các chất hữu cơ lẫn trong mẫu thực địa [1] Do

đó các mẫu nước đã được tiền xử lý bằng dung dịch H2O2 30% để loại bỏ các chất béo tự nhiên và chất hữu cơ, hạn chế sự dương tính giả [23] và các chất còn lại trong

36

hệ thống cấp nước đô thị có thể làm tăng khả năng tiếp xúc của các phân tử Nile Red vào bề mặt vi nhựa dẫn đến tăng khả năng bắt màu của vi nhựa Quá trình nhuộm vi nhựa với Nile Red được thực hiện trên giấy lọc trong giai đoạn quan sát cuối cùng Vết bẩn trên giấy lọc có thể làm tăng tần số tiếp xúc của các phân tự Nile Red

và bề mặt nhựa Kết quả nhuộm Nile Red (Hình 3.8 và Hình 3.9) cho thấy các mẫu nước tại nhà máy A và nhà máy B với nồng độ 5 μg/ml đều đã được nhuộm thành công, các hạt vi nhựa bắt màu và phát quang màu xanh lục tại bước sóng DAPI (430

- 470 nm) và màu xanh lá tại bước sóng FITC (515 - 560 nm), tuy nhiên không phát sáng dưới bước sóng SPO (650 - 670 nm) đỏ cam

Hình 3.8 Kết quả nhuộm vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy B

a) nước thô, b) sau trộn + phản ứng, c) sau lắng, d) sau lọc

37

Hình 3.9 Kết quả nhuộm vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy A

a) nước thô, b) sau trộn + phản ứng, c) sau lắng, d) sau lọc

Đối chiếu kết quả nhuộm Nile Red và kết quả nghiên cứu của Won J Shim, đã cho phép sơ bộ định danh các loại polyme có trong hệ thống cấp nước đô thị gồm ABS, HDPE, PC, PS, PET, PP, PVC và sẽ được sử dụng để thực hiện các bước phân tích định danh tiếp theo

3.3 Định danh vi nhựa dựa trên phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR

Dựa trên phản xạ hình ảnh vi biến đổi Fourier (FT-IR) đã được hiển thị thành công hình ảnh quang phổ của các loại vi nhựa ABS, HDPE, PC, PS, PET, PVC, PP Hình 3.10 - 3.16 cho thấy tất cả các loại nhựa được chụp ảnh và kết hợp với phổ FT-IR đại diện được thu thập từ các mảnh vi nhựa riêng lẻ với các vùng sóng được sử dụng để nhận dạng từ 400 - 4000 cm-1 Đồng thời, Bảng 3.5 cho thấy các dãy sóng đặc trưng các loại liên kết của từng loại polyme

38

Bảng 3.5 Bước sóng đặc trưng cho từng loại nhựa

Tên nhựa Công thức hóa học Các liên kết

đặc trưng

Bước sóng đặc trưng (cm -1 )

C – H Vòng thơm

40 Hình 3.11 Kết quả nhuộm Nile Red kết hợp phân tích FTIR nhựa PVC

Hình 3.12 Kết quả nhuộm Nile Red kết hợp phân tích FTIR nhựa PC

41 Hình 3.13 Kết quả nhuộm Nile Red kết hợp phân tích FTIR nhựa PET

Hình 3.14 Kết quả nhuộm Nile Red kết hợp phân tích FTIR nhựa PP

42

Hình 3.15 Kết quả nhuộm Nile Red kết hợp phân tích FTIR nhựa PS

Hình 3.16 Kết quả nhuộm Nile Red kết hợp phân tích FTIR nhựa HDPE Các loại polyme của Công ty TNHH Rui Việt Nam được so sánh, đối chiếu với phổ các dãy sóng đặc trưng của các loại polyme tại Bảng 3.5 Tổng số có 30/38 đỉnh đặc trưng đã được nhận diện thành công đạt tỷ lệ khoảng 80% Trong đó, điển hình các

43

đỉnh đặc trưng chỉ định các liên kết hóa học của polypropylence (PP) với liên kết C–

C, C–H, CH3, CH2 có đỉnh đặc trưng tương ứng trong khoảng bước sóng từ 808 - 973; 840 - 1166, 2870 - 2950 và 1376 - 1456, 2950 và kết quả phân tích mẫu nhựa

PP quan sát tại Hình 3.14 có 5 đỉnh đặc trưng tại các bước sóng 2953, 1455, 1378,

1166, 976 Tương tự đối với polyvinyl chloride (PVC) các đỉnh đặc trưng chỉ định các liên kết hóa học C–H, CH2, C–Cl có đỉnh đặc trưng tương ứng trong khoảng bước sóng từ 2890 - 2958, 1139, 844 và kết quả phân tích mẫu nhựa PVC quan sát tại Hình 3.11 cũng có 3 đỉnh đặc trưng tại các bước sóng 2915, 1139, 844 (Bảng 3.6) đều trùng khớp Ngoài ra kết quả phân tích các đỉnh đặc trưng của ABS, PC, PS, HDPE, PET cũng được thể hiện ở Bảng 3.6 Điều này chứng tỏ các loại polyme được mua từ Công

ty TNHH Hua Rui Việt Nam có thể được sử dụng để xác định các loại vi nhựa trong mẫu nước tại nhà máy A với mức độ rất đáng tin cậy

Bảng 3.6 So sánh kết quả phân tích bước sóng đặc trưng của

các loại nhựa chuẩn bị và nhựa chuẩn

Tên nhựa Các liên kết đặc trưng Bước sóng đặc trưng (cm -1 ) Kết quả phân tích

44

C=C Vòng thơm

Hình 3.17 có các tính hiệu đặc trưng đáng kể của mẫu nước Biểu đồ tải cho thấy có

2 vùng phổ dài từ 2700 - 3500 cm-1 và 740 - 1645 cm−1, sau đó những tín hiệu này yếu hơn do liên quan quan đến các đoạn CH trải dài hơn thường thấy đối với các

45

polyme gốc cacbohydrat tự nhiên như cellulo, kitin hoặc đối với các vật liệu nhiều protein [19] Đồng thời, khi đối chiếu với các đỉnh đặc trưng do các nhóm chức quy định của PP tại Bảng 3.5, cho thấy có các đặc trưng để nhận định của liên kết C–C, các tín hiệu xung quanh dãy sóng từ 765 - 1000 cm-1, liên kết của gốc C–H mạnh tại dãy sóng 1122 - 1202 cm-1, liên kết CH3 mạnh tại dãy sóng 2755 - 3075 cm-1 và liên kết CH2 tại dãy sóng 1315 - 1530 cm-1 Việc xác định từng polyme dựa trên sự hiện diện của ba đỉnh đặc trưng của vi nhựa được thử nghiệm có thể được xác định thành công với điều kiện được tiền xử lý bằng H2O2 [23] Đồng thời, hầu hết các nghiên cứu nhận dạng vi nhựa đều bỏ qua sự thay đổi của quang phổ vì sự tiếp xúc của các hạt trong môi trường ở các điều kiện về thời tiết khác nhau làm lão hóa, thay đổi tính chất cơ học và cấu tạo hóa học của các hạt và chỉ chú trọng đến các đỉnh đặc trưng chỉ định từng loại polyme [30]

Hình 3.17 Kết quả phân tích FTIR của mẫu nước thô tại nhà máy A

Hình 3.18 kết quả chồng phổ cho thấy các đỉnh đặc trưng của mẫu nước thô tại nhà máy A và mẫu nhựa polypropylene (PP) của Công ty TNHH Hua Rui Việt Nam được

sử dụng để đối chiếu nằm bước sóng 976 cm-1, 1166 cm-1, 2953 cm-1 và xung quanh vùng 1378 - 1455 cm-1 Do đó, việc nhận định Polypropylen (PP) có trong hệ thống cấp nước tại nhà máy A là đáng tin cậy với độ chính xác khoảng 100% (4/4 đỉnh đặc trưng được nhận dạng thành công)

46

Hình 3.18 Hình chồng phổ kết quả phân tích FTIR của mẫu nước thô và PP

a) mẫu nước thô, b) mẫu nhựa chuẩn Ngoài ra kết quả phân tích mẫu nước thô tại nhà máy A còn phát hiện dãy phổ có 3 vùng đặc trưng kéo dài từ 2900 - 3620 cm-1, 1600 – 2600 cm-1, 525 - 800 cm-1 (Hình 3.19) Đối chiếu với các đỉnh đặc trưng do các nhóm chức quy định của PET tại Bảng 3.5, cho thấy có các đặc trưng để nhận định của liên kết C–O, các tín hiệu xung quanh dãy sóng từ 920 - 1070 cm-1, liên kết của gốc C=O mạnh tại dãy sóng 1550 - 1878

cm-1, liên kết C–H mạnh tại dãy sóng 2905 - 3267 cm-1, liênkết gốc Terephthalate (OOCC6H4-COO) tại dãy sóng 1140 - 1478 cm-1 và liên kết vòng thơm mạnh tại 650

- 800 cm-1 Hình 3.20 kết quả chồng phổ cho thấy các đỉnh đặc trưng của mẫu nước thô tại nhà máy A trùng khớp với 4/5 đỉnh đặc trưng của mẫu nhựa polyethylen terephthalate (PET) của Công ty TNHH Hua Rui Việt Nam được sử dụng để đối chiếu Tuy nhiên sự hiện diện của liên kết gốc terephthalate (OOCC6H4-COO) là không mạnh như các liên kết còn lại, điều này có thể là loại nhựa PET có trong mẫu nước thô là mẫu nhựa đã được tái chế hoặc do tồn tại lâu trong môi trường nước dẫn đến bị lão hóa và ảnh hưởng đến khả năng nhận diện bằng các liên kết hóa học Do

(a)

(b)

47

đó, việc nhận định polyethylen terephthalate (PET) có trong hệ thống cấp nước tại nhà máy A là đáng tin cậy với độ chính xác 80%

Hình 3.19 Kết quả phân tích FTIR của mẫu nước thô tại nhà máy A

Hình 3.20 Hình chồng phổ kết quả phân tích FTIR của mẫu nước thô và PET

a) mẫu nước thô, b) mẫu nhựa chuẩn Việc loại bỏ vi nhựa PP và PET trong môi trường nước sơ bộ bằng phương pháp keo

tụ tạo bông có khả năng cao vì chúng có tỷ trong tương tương hoặc nặng hơn tỷ trọng

(b) (a)

48

của nước, cụ thể: PP có tỷ trọng từ 0,9 - 0,92 g/ml và PET có tỷ trọng từ 1,34 - 1,39 g/ml [20] Tuy nhiên, việc loại bỏ các hạt vi nhựa còn phụ thuộc vào các đặc tính vật

lý của chúng (kích thước và hình dạng) [12]

3.4 Loại bỏ vi nhựa bằng keo tụ sử dụng Al 2 (SO 4 ) 3

3.4.1 Xác định lượng pH tối ưu

Khả năng loại bỏ vi nhựa giảm khi tăng giá trị pH [31] Thực tế tại pH = 8 và 9 thì hiệu quả xử lý rất thấp do phèn nhôm không keo tụ được mẫu nước thải, giảm khả năng lắng của các cặn lơ lửng có trong nước thải, 30 phút sau khi ngừng khuấy các hạt cặn lơ lững chưa lắng hoàn toàn và độ đục tăng Thực tế pH = 7 và 6 bông bùn mịn và lắng nhanh (Hình 3.20) Kết quả sau khi nhuộm Nile Red và soi dưới kính hiển vi quỳnh quang cho thấy ở pH 7 có lượng vi nhựa thấp nhất, hiệu quả xử lý 55%, trong khi tại pH bằng 6 là 52,3% và giảm dần đối với pH từ 8 - 9 lần lượt tương

ứng là 47% và 37,8% (Hình 3.21)

Hình 3.21 Mẫu cốc xác định pH tối ưu sau khi lắng (pH từ 6 - 9

theo thứ tự từ phải sang trái)

49

Hình 3.22 Biều đồ kết quả thí nghiệm Jatest xác định pH tối ưu

3.4.2 Xác định lượng phèn tối ưu

Tại pH = 7, ở liều lượng 0,25 - 0,5 g cho kết quả bông bùn mịn, khả năng lắng tốt và

độ đục của nước giảm đáng kể (Hình 3.22) Tuy nhiên khi soi dưới kính hiển vi huỳnh quang cho thấy ở liều lượng 0,5 g cho kết quả xử lý vi nhựa tốt hơn, hiệu quả xử lý

vi nhựa đạt 64,2% (Hình 3.23) Ở liều lượng phèn nhôm 0,75 - 1 g cho thấy liều lượng phèn nhôm dư dẫn đến ngoài hiện làm giảm khả năng lắng của các cặn lơ lửng có trong mẫu nước còn làm tăng độ đục của mẫu nước, các cặn lơ lửng tạo thành cục, nổi trên mặt nước và hiệu quả xử lý giảm dần tương ứng với từng liều lượng là 45,7%

và 31,7% Đồng thời, phèn nhôm càng tăng thì hiệu quả loại bỏ vi nhựa càng giảm

do sự hình thành axit sulfuric (H2SO4) và các chất chứa cation nhôm ảnh hưởng đến

pH của mẫu nước