Nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức xạ hấp phụ thuốc nhuộm mày và chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng phân giải một số chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường potx

Trong nghiên cứu này, áp dụng phương pháp chiếu xạ gamma chế tạo vật liệu và chế phẩm cố định vi sinh có khả năng hấp phụ, phẩn giải chất nhuộm màu có trong nước thải của công ty dệt đã

Bộ khoa học và công nghệ viện năng lượng nguyên tử việt nam -

gây ô nhiễm môi trường

Cơ quan chủ trì: Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Hạt Nhân

Chủ nhiệm đề tài: Th.S NCVC Nguyễn Văn Toàn

6679

23/11/2007

Hà Nội, Tháng 07/2007

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

1 TS Đặng Đức Nhận Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt Nhân

4 ứng dụng công nghệ bức xạ trong cải biến chế tạo vật liệu 27

4.1 Cơ sở ứng dụng công nghệ bức xạ cải biến và chế tạo vật liệu 27

4.2 Cơ chế hấp phụ chất màu của vật liệu khâu mạch 30

sinh học thường được áp dụng

6 Hiện trạng xử lý nước thải ô nhiễm màu tại Việt nam 34

2.3 Xác định độ trương và hàm lượng gel của vật liệu khâu mạch 38

2.5 Phân lập, tuyển chọn và nhân giống các chủng vi sinh vật 39

có khả năng hấp phụ và phân huỷ thuốc nhuộm màu

2.9 Xác định khả năng hấp phụ và phân giải chất nhuộm màu 42

của chế phẩm cố định vi sinh vật

hấp phụ chất nhuộm màu của các vật liệu chế tạo và thu thập

4 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ chất nhuộm màu 51

của các vật liệu đã tuyển chọn: TBKM và vật liệu HN2

4.1.1 ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ của TBKM 51

5 Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm màu của vật liệu 58

đã tuyển chọn TBKM và HN2 trong nước thải

6 Giải hấp thụ thuốc nhuộm màu để tái sử dụng vật liệu 59

6.2 Giải hấp phụ thuốc nhuộm màu 60

7 Phân lập, tuyển chọn và nhân giống vi sinh vật có khả năng 63 phân huỷ thuốc nhuộm màu

8 Khả năng hấp phụ màu của tập hợp chủng vi sinh vật 64

10 Khả năng hấp phụ và phân giải chất nhuộm màu của vật liệu và 67 chế phẩm vi sinh

11 Khả năng hấp phụ và phân giải chất nhuộm màu trong nước thải 74

12 ứng dụng thực tế và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế 75 12.1 Xử lý nước thải của các xưởng nhuộm lụa Vạn Phúc Hà Đông 75

12.1.2 Xử lý nước thải tại xưởng nhuộm của làng nghề Vạn Phúc 77 12.2 Xử lý nước thải Xí nghiệp nhuộm Công ty dệt 8 – 3 78

12.2.2 Xử lý nước thải tại Xí nghiệp nhuộm Công ty dệt 8-3 81

12.3 Đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu khâu mạch 85 HN2; TBKM và chế phẩm cố định vi sinh HN2.vs; TBKM.vs

12.4 Quy trình kỹ thuật xử lý nước thải có chứa thuốc nhuộm màu 87

Các từ viết tắt

1 PVA Polyvinyl alcohol

2 PEO Polyethylene oxide

10 HN2 Vật liệu khâu mạch bức xạ tạo từ hỗn hợp PVA 5% -

Starch 5% – PEO 0,5% - HPA 3% - chitosan 1% - Borax 0,1%, chiếu xạ 5 kGy trên nguồn 60 Co

11 HN2.vs Vật liệu HN2 cố định các chủng vi sinh phân lập được từ

nước thải và dung dịch RP bị nhiễm vi sinh

12 TBKM Tinh bột khâu mạch

13 TBKM.vs Tinh bột khâu mạch cố định các chủng vi sinh phân lập

được từ nước thải và dung dịch RP bị nhiễm vi sinh

14 HL0 Hạt lọc nước chưa bọc màng của Viện Công nghệ Sinh

18 CU (colour units): Đơn vị đo mầu trong dung dịch có nồng

độ không xác định Trong dung dịch mầu đơn (ví dụ dung dịch màu RP) biết chính xác nồng độ: 1mg/l tương

24 FAD Flavinadenine dinucleotide

25 FADH 2 Flavinadenine dinucleotide (dạng khử)

26 FMN Flavin mononucleotide

Nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức xạ

hấp phụ thuốc nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh

vật có khả năng phân giải một số chất hữu cơ gây ô

nhiễm môi trường

Nguyễn Văn Toàn, Đặng Đức Nhận, Lê thị Đính, Trần Băng Diệp, Nguyễn Thuý Bình,

Nguyễn văn Bính, Nguyễn Manh Hùng

Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Hạt Nhân, Viện NLNTVN

Các chất nhuộm màu của nghành công nghiệp sơn, trang trí nội thất và

in-dệt-nhuộm là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường, độc hại cho người

và động vật Hiện nay các biện pháp xử lý chính đối với loại chất gây ô nhiễm này

là công nghệ hấp phụ, phân huỷ và chuyển hoá chúng thành các chất ít độc hơn

Chất hấp phụ chính hiện nay sử dụng là than hoạt tính, nhưng hiệu suất hấp phụ

của chất hấp phụ này thấp, mặt khác nó lại không chứa các nhóm chức đặc biệt

như methylcarboxy (-CH2COO-) hay nhóm amin (-NH2) có khả năng tham gia vào

các phản ứng hấp phụ hay cố định bổ sung làm tăng hiệu quả xử lý Công nghệ bức

xạ hiện đang được coi là công nghệ sạch và được ứng dụng trong nhiều ngành kinh

tế trong đó có ngành chế tạo và cải biến vật liệu nhằm tạo ra các vật liệu có tính

năng đặc biệt như có độ trương nước cao, bền cơ học, dẻo, bền trong môi trường có

dải pH rộng dùng trong nông nghiệp, tạo màng bao bảo quản quả tươi, hấp phụ

kim loại nặng, cố định vi sinh xử lý môi trường Trong nghiên cứu này, áp dụng

phương pháp chiếu xạ gamma chế tạo vật liệu và chế phẩm cố định vi sinh có khả

năng hấp phụ, phẩn giải chất nhuộm màu có trong nước thải của công ty dệt đã

được thực hiện Vật liệu khâu mạch bức xạ HN2 được chế tạo từ các polyme tự

nhiên (tinh bột, chitosan) và polyme tổng hợp là PVA, PEO, HPA, vật liệu có độ

trương khoảng 100 g/g và có khả năng hấp phụ chất nhuộm màu trong dung dịch

cũng như trong nước thải của công ty nhuộm (hấp phụ Red phenol và Erichome

Blue SE trên 20mg/g vật liệu và khoảng 80 % lượng màu trong nước thải) Chế

phẩm cố định vi sinh HN2 và TBKM.vs được chế tạo từ vật liệu HN2, tinh bột

khâu mạch-TBKM và các chủng vi sinh phân lập từ nước thải và dung dịch Red

phenol nhiễm vi sinh Các chế phẩm HN2.vs vàTBKM.vs có khả năng hấp phụ và

phân giải màu trong dung dịch cũng như trong nước thải (hấp phụ Red phenol và

Erichome Blue SE trên 20ml/g vật liệu và khoảng 80 % lượng màu trong nước thải)

Từ khoá: Công nghệ bức xạ, khâu mạch, cố định vi sinh, chiếu xạ gamma

Studying induction of radiation crosslinking materials for

dyes absorption and microorganisms immobilization

products for organic pollutant degradation

Toan Nguyen Van, Nhan Dang Duc Dinh Le Thi, Diep Tran Bang, Binh Nguyen Thuy,

Binh Nguyen Van, Hung Nguyen Van Institute for Nuclear Science and Techniques

Dyes used in paint, interior decoration and textile industries are organic

compounds causing environmental pollution and harm to human and animals

Adsorption, degradation and transformation are applied for treating these organic

compounds Commonly used adsorbent is activated charcoal, but its adsorption

capacity is restricted On the other hand there are no special functional groups such

as methylcarboxy (-CH2COO-) or amin (-NH2), in active charcoal These groups

could take part in adsorption or immobilization so that it could increase the

treatment productivity Radiation technology has been considered to be a clear

technology that is applied in many fields Among other radiation induced

crosslinking of polymer materials to improve its physical properties such as

swelling, flexibility and stability under a wide range of pH, appears to be of

important practical application The crosslinking materials with functional groups

could be applied in agriculture, preservation of fresh fruits, heavy metal

adsorption, and environmental treatment In this study, application of gamma

irradiation to make crosslinking materials for the immobilization of microorganism

to absorb and degrade dyes in wastewater of textile factories has been carried out

HN2 material is made from natural polymers (starch, chitosan) and synthetic

polymer (PVA, PEO, and HPA) irradiated with 5 kGy in the air The swell

capacity of the material is about 100g/g The material can absorb Red phenol or

Eriochrome Blue SE dyes from wastewater of textile factories with a capacity

about 20mg/g Microorganism immobilization HN2.vs and TBKM.vs the products

are produced from HN2, TBKM by immobilized the trains of microorganisms that

isolated from wastewater of textile factories and red phenol solution These

products can absorb and degrade of dyes in solution and wastewater of textile

factories (absorption capacity of Red phenol and Eriochrome Blue SE is over

20ml/g products and about 80 % amount of dye in wastewater)

Key words: Radiation technology, crosslinking, immobilization, gamma irradiation

Có rất nhiều phương pháp khác nhau xử lý giảm thiểu và loại bỏ các chất ô nhiễm như kim loại nặng, hợp chất phenolic, thuốc nhuộm khỏi chất thải lỏng đã được nghiên cứu và ứng dụng Có thể chia thành 3 nhóm chính: phương pháp xử lý vật lý, phương pháp hoá học và phương pháp sinh học Phương pháp vật lý có nhiều ưu điểm trong việc loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn, phương pháp hoá học thường được áp dụng để tách và loại bỏ các chất ô nhiễm dễ phân huỷ Phương pháp xử lý sinh học thường được dùng để chuyển hoá các chất ô nhiễm độc hại thành dạng không độc, biện pháp xử lý kết hợp nhiều phương pháp có hiệu quả xử lý cao hơn nhiều so với các biện pháp xử lý riêng lẻ từng phương pháp

Công nghệ bức xạ đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó có lĩnh vực sản xuất và biến tính vật liệu, đặc biệt là vật liệu polyme nhằm tạo ra các vật liệu mới có những tính năng đặc biệt phù hợp cho từng nhu cầu sử dụng, trên cơ sở tác dụng của tia bức xạ polyme hoá các monome

mà không cần phải dùng các hoá chất, phụ gia gây độc cho người sử dụng và môi trường Các vật liệu có độ trương nước khác nhau, có khả năng tự phân huỷ sinh học, đặc biệt các vật liệu còn có khả năng hấp phụ rất cao các chất vô cơ hay hữu cơ gây ô nhiễm môi trường như chất nhuộm màu trong nước thải của các nhà máy dệt nhuộm, da giày hay sơn tổng hợp Hoặc làm giá thể

cố định các chủng vi sinh vật trong sản xuất thuốc trừ sâu sinh học hay các chủng vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân huỷ các chất nhuộm màu trong xử lý nước thải chứa chất nhuộm màu nghành công nghiệp dệt,

Sự phát triển kinh tế xã hội nước ta trong thời gian gần đây đã gây ô nhiễm nghiêm trọng không khí, đất và các nguồn nước, đặc biệt trong công nghiệp chế biến thực phẩm, trong sản xuất công nghiệp và trang trí, các chất màu là một trong những nguồn gây ô nhiễm chất hữu cơ độc hại đối với môi trường sinh thái, gây độc cho người và động vật Vì vậy tuỳ thuộc vào bản chất nguồn thải và chất ô nhiễm mà các biện pháp xử lý khác nhau đã được

áp dụng, nhằm loại bỏ các chất nhuộm màu và các chất thải khác ra khỏi nước thải trước khi thải vào môi trường Biện pháp xử lý chính đối với các hợp chất màu này là hấp phụ, phân huỷ hoặc chuyển hoá chúng thành dạng ít

độc hơn Nhưng nếu chỉ sử dụng các dạng vật liệu thông thường như than hoạt tính kết hợp một số chất xúc tác khác để khử độc và hấp phụ màu thì hiệu suất xử lý không cao không triệt để Do diện tích riêng bề mặt của than

hoạt tính thấp và bản thân nó không có những nhóm chức đặc biệt như methylcarboxyl –CH2COO- hay nhóm amin -NH2 có khả năng tham gia vào các phản ứng hấp phụ hay cố định bổ sung và làm tăng hiệu quả xử lý Vì vậy cần có các dạng vật liệu khác có các tính năng ưu việt hơn, khả năng hấp phụ cao hơn để xử lý ô nhiễm môi trường mà quan trọng là ô nhiễm các chất nhuộm màu

Kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ do TS Đặng đức Nhận chủ trì năm 2004 đã tạo ra vật liệu polyme khâu mạch bức xạ trên cơ sở chiếu xạ khâu mạch dung dịch hỗn hợp PVA- PEO- Tinh bột, vật liệu này có độ bền cơ lý tốt, có khả năng hấp phụ chất nhuộm màu nhưng hiệu suất còn thấp, khả năng tái sử dụng thấp Do đó cần nghiên cứu cải tiến chất lượng của vật liệu nhằm tạo ra một vật liệu có khả năng hấp phụ màu, có các đặc tính cơ lý tốt hơn và thích hợp cho việc xử lý nước thải có chứa chất nhuộm màu Ngoài ra cũng cần nghiên cứu khảo sát tạo chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân huỷ một số hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ như chất tẩy rửa hay khó phân huỷ như chất nhuộm màu có trong nước thải Chất nhuộm màu rất bền vững trong môi trường do cấu trúc phân tử bao gồm nhiều vòng nhân thơm nên việc nghiên cứu để tìm ra biện pháp phân huỷ nó

là rất cần thiết, vi sinh vật phải phá vỡ được chuỗi liên kết hydratcacbon của mạch phân tử và sử dụng cacbon như nguồn nguyên liệu cho sự sinh trưởng phát triển của mình

Trên cơ sở những thành công đã đạt được và nhu cầu cấp thiêt của thực

tế, đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme khâu mạch bức xạ hấp phụ chất nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng phân giải một số chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường ” xin được đăng ký và thực

hiện với mục đích chính là tạo được vật liệu polyme khâu mạch bức xạ phù hợp làm vật liệu hấp phụ chất nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân huỷ màu cao sử dụng trong xử lý nước thải chứa chất nhuộm màu ngành công nghiệp dệt

• Đánh giá khả năng ứng dụng các sản phẩm trên xử lý thực tế nước thải

có chứa chất nhuộm màu của Công ty Nhuộm Hà Nội

• Xây dựng quy trình kỹ thuật xử lý nước thải chứa chất nhuộm màu

3 Các nội dung nghiên cứu chính

3.1 Cải tiến chất lượng vật liệu polyme khâu mạch bức xạ đã chế tạo trong năm 2004

3.2 Thu thập và tiến hành thí nghiệm so sánh với một vài loại vật liệu

polyme đã chế tạo tại Viện NLNTVN nhằm chọn ra một vật liệu thích

hợp nhất cho nghiên cứu xử lý nước thải ô nhiễm chất nhuộm màu

3.3 Xác định khả năng hấp phụ chất nhuộm màu của vật liệu đã chọn trong

dung dịch chất nhuộm màu

3.4 Xác định khả năng hấp phụ chất nhuộm màu của vật liệu đã chọn trong

nước thải có chứa chất nhuộm màu

3.5 Biện pháp giải hấp phụ chất nhuộm màu để tái sử dụng vật liệu

3.6 Phân lập và tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng thích nghi với

môi trường có nồng độ chất nhuộm màu cao

3.7 Xác định khả năng hấp phụ và phân huỷ chất nhuộm màu của chủng vi

sinh vật đã phân lập được

3.8 Tạo màng bao polyme sinh học trên bề mặt hạt lọc nước dùng làm vật

liệu cố định chủng vi sinh vật đã phân lập

3.9 Tạo chế phẩm cố định vi sinh vật

3.10 Đánh giá khả năng hấp phụ và phân huỷ các chất nhuộm màu của chế

phẩm cố định vi sinh vật trong dung dịch chất nhuộm màu

3.11 Đánh giá khả năng hấp phụ và phân huỷ các chất nhuộm màu của chế

phẩm cố định vi sinh vật trong nước thải có chứa chất nhuộm màu 3.12 Xử lý thực tế nước thải chứa chất nhuộm màu của Công Ty Nhuộm Hà

nội bằng vật liệu polyme khâu mạch bức xạ và chế phẩm cố định vi sinh

đã chế tạo Qui trình kỹ thuật xử lý nước thải có chứa chất nhuộm màu

4 Thời gian thực hiện: 24 tháng

5 Đơn vị thực hiện: Trung Tâm An Toàn Bức xạ và MôI Trường, Viện

Phần II – lý thuyết, tổng quan

1 Công nghệ bức xạ

Công nghệ bức xạ đang dần trở thành một phương pháp tiên tiến ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau như khử trùng dụng cụ y tế, thanh trùng hải sản, bảo quản lương thực, thực phẩm, cải biến và chế tạo vật liệu ứng dụng trong y tế, công nông nghiệp Công nghệ này được coi là công nghệ sạch không gây bất kỳ sản phẩm phụ có hại cho người sản xuất, tiêu dùng và đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường [2][3][4][6]…

ứng dụng công nghệ bức xạ trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học

đều dựa vào bản chất và năng lượng của tia bức xạ bao gồm bức xạ ion hoá

và không ion hoá, cũng như bản chất và tính chất cơ hoá lý, vật lý và sinh học của vật liệu để cải biến hay tạo vật liệu mới có những tính năng phù hợp hơn với những nhu cầu ứng dụng thực tế và từng nghiên cứu cụ thể

Từ những polymer tự nhiên hay tổng hợp, bằng công nghệ bức xạ người

ta có thể tạo ra rất nhiều loại vật liệu polyme có đặc tính khác nhau trên cơ

sở các phản ứng hoá bức xạ xảy ở vật liệu dưới tác dụng của tia bức xạ Vật liệu có thể bị cắt mạch, khâu mạch hay ghép mạch tuỳ theo mức năng lượng của tia bức xạ, bản chất và trạng thái của vật liệu [2][3][4][6][7] Các polyme

tự nhiên như tinh bột, cellulose, alginat, chitosan, carageenan khi chiếu xạ ở trạng thái khô sẽ xảy ra hiệu ứng cắt mạch Nhưng khi chiếu xạ trong môi trường lỏng, đặc biệt khi ở trạng thái hồ đặc trong điều kiện có chân không thì có thể xảy ra hiệu ứng khâu mạnh hoặc ghép mạch giữa các polyme cùng loại với nhau hoặc với các polyme khác loại trong hỗn dịch, nhờ có sự hỗ trợ của các gốc tự do là sản phẩm xạ ly nước trong quá trình chiếu xạ [4][7] Từ

đó vật liệu tạo ra rất đa dạng, phong phú với những đặc tính khác nhau phù hợp với mục đích và nhu cầu của sản xuất, ứng dụng hay nghiên cứu, đó có thể là vật liệu trương dùng trữ nước cho những vùng khô hạn, là vật liệu siêu hấp phụ dùng xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng, dầu thô hay ô nhiễm chất nhuộm màu …[2][3][4][6][22][23]

Chương trình hợp tác nghiên cứu về xử lý bức xạ polysaccharide biển giữa VNLNT Việt Nam và VNLNT Nhật Bản đã thành công trong việc xử lý bức xạ làm tăng hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan, tăng hoạt tính kích thích sinh trưởng của alginate Ngoài ra hướng nghiên cứu biến tính vật liệu tạo ra một số loại vật liệu đa nhóm chức hấp phụ kim loại nặng từ chitosan, tinh bột và acid acrylic cũng đã được ứng dụng trong xử lý nước thải, làm sạch môi trường Như nghiên cứu của Masao Kunioka chế tạo vật liệu siêu hấp thụ nước có độ trương 3500 lần khi chiếu xạ PGA (PolyƔ

glutamic axit) được tổng hợp từ các Bacterial Polyamino axit khi chiếu xạ 19 kGy hay 200 lần khi chiếu xạ 100 kGy dung dịch PGA 2 % tạo ra từ Bacillus subrilis và chỉ cần vài ppm của hydrogel PGA là có thể làm mất độ đục của

nước Tạo Hydrogel trương nước từ PEO, PVA, của Fumico Yoshii, khi

chiếu xạ dung dịch PEO 15% ở 40 – 60 kGy đạt độ trương 20 lần Hay hydrogel từ hỗn hợp dung dịch PVA - Tinh bột- CMC đạt độ trương 50 lần khi chiếu liều 25 kGy và hydrogel tạo ra khi chiếu xạ dung dịch CMS 15% với liều 3 kGy đạt độ trương 500 lần của F Yoshii, T Kume

2 Nhu cầu và các biện pháp xử lý thải:

Thực tế cho thấy có quá nhiều chất thải chưa qua xử lý được thải ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường sinh thái và điều kiện sống của con người, đó là các loại khí độc hại CO2, CO, SO2, các hợp chất màu, các dạng phenolic và các hợp chất hữu cơ độc hại Trong ngành công nghiệp dệt, tuỳ theo công đoạn và phương pháp công nghệ sử dụng, nước thải

có chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, đáng chú ý là các công đoạn tẩy trắng và nhuộm mầu Nước thải có chứa mỡ từ sợi, một phần nhỏ các hợp chất lignin, hydrat cacbon và các chất tẩy, có thể có các hợp chất clo hữu cơ rất độc, các chất nhuộm mầu và một số lượng hoá chất như Na2C03, KOH, Na0H, các muối thiosulphit, thiosulphat, axit axetic, các hóa chất khác sử dụng làm ổn định màu Nồng độ màu trong nước thải thường từ 10 đến 200mg/l và có thể cao hơn, đa số nước thải của các xí nghiệp và các cơ sở sản xuất dệt nhuộm thường chỉ mới được xử lý phổ biến nhất là bằng phương pháp pha loãng để giảm nồng độ màu nhưng lại làm tăng thể tích dung dịch nước thải phải xử lý [8][9][10][11][12]

Phần lớn các chất màu trong công nghiệp dệt nhuộm (khoảng trên 50% các chất màu thương mại) đều có chứa nhóm Azo (- N = N -), có thể là

1 (monoazo) cũng có thể chứa 2; 3 nhóm azo (di – triazo) hoặc hiếm hơn là 4 nhóm azo (polyazo), các nhóm liên kết azo này thường gắn với 1 hoặc 2 gốc

tự do (thường là 2) A và E chứa các vòng nhân thơm, gốc A chứa các nhóm nhận điện tử, gốc E chứa các nhóm cho điện tử, đặc biệt là các nhóm Hydroxy và Amino [14]

A – N = N - E

Có thể phân các loại chất nhuộm màu thành các nhóm chính:

* Chất nhuộm hoạt tớnh: Cỏc loại chất nhuộm thuộc nhúm này cú cụng thức cấu tạo tổng quỏt là S-F-T-X trong đú: S là nhúm làm cho chất nhuộm cú tớnh tan; F là phần mang mầu thường là cỏc hợp chất Azo (-N=N-), antraquinon, axit chứa kim loại hoặc ftaloxiamin, T là gốc mang nhúm phản ứng, X là nhúm phản ứng

* Chất nhuộm trực tiếp: Đây là nhóm chất nhuộm bắt màu trực tiếp với xơ sợi không qua giai đoạn xử lý trung gian, thường sử dụng để nhuộm sợi 100% cotton, sợi protein (tơ tằm) và sợi poliamid, phần lớn chất nhuộm trực tiếp có chứa azo (mono, di and poliazo) và một số là dẫn xuất của dioxazin Ngoài ra, trong chất nhuộm còn có chứa các nhóm làm tăng độ bắt mầu như triazin và salicilic axit có thể tạo phức với các kim loại để tăng độ bền màu

* Chất nhuộm hoàn nguyên: Chất nhuộm hoàn nguyên gồm 2 nhóm chính: Nhóm đa vòng có chứa nhân antraquinon và nhóm indigoit có chứa nhân

indigo Công thức tổng quát là R= C- 0; trong đó, R là các hợp chất hữu cơ nhân thơm, đa vòng

* Chất nhuộm phân tán: Nhóm chất nhuộm này có cấu tạo phân tử từ gốc azo và antraquinon và các nhóm amin (NH2, NHR, NR2, NR-OH), dùng chủ yếu để nhuộm các loại sợi tổng hợp (sợi axetat, sợi polieste…) không ưa nước

* Chất nhuộm lưu huỳnh: Là nhóm chất nhuộm chứa mạch dị hình như tiazol, tiazin… trong đó có cầu nối -S-S- dùng để nhuộm các loại sợi cotton

và viscose

* Chất nhuộm axit: Các chất màu có tính acid (Acid Dyes), là các muối sulfonat của các hợp chất hữu cơ khác nhau có công thức là R-SO3Na, phần lớn tan trong nước, tính tan đó phụ thuộc sự tồn tại của các nhóm sulphonic acid (SO3H) thường ở dạng muối (– SO3Na) phân bố trong cấu trúc của phân

tử, khi tan trong nước phân ly thành nhóm R-SO3 mang mầu Các chất nhuộm này thuộc nhóm mono, diazo và các dẫn suất của antraquinon, triaryl metan…

* Thuốc in, nhuộm pigmen: Có chứa nhóm azo, hoàn nguyên đa vòng,

ftaoxianin, dẫn suất của antraquinon…

Nói chung các chất màu bao gồm 2 thành phần chính:

- Auxochrome (electron donor, Chất cho e)

- Chromogen (electron acceptor, chất nhận e): điều hoà tính tan và tạo màu sắc, gồm các vòng nhân thơm chứa các nhóm sinh màu (chromophore), Chromophore sinh ra màu nhờ khả năng thay đổi tần số hấp thụ trong vùng

ánh sáng nhìn thấy, cấu trúc của một số nhóm sinh màu thường gặp là [14]:

Cấu trúc một số nhóm sinh màu thường gặp nitroso

nitro nhóm azo nhóm ethylene nhóm cacbonyl nhóm cacbon-nitrogen nhóm cacbon-sulphur

NO hoặc (=N-OH)

NO2 hoặc (=N-OOH)

-N=N- -C=C- -C=O- -C=NH-, -CH=N- -C=S; -C-S-S-C-

Bởi vậy có nhiều loại hình công nghệ xử lý môi trường được thử nghiệm

để giải quyết vấn đề ô nhiễm, đó là phương pháp vật lý bằng cách lọc,

phương pháp hoá học sử dụng các Fentons Reagent (H2O2 + Fe(II) salts), phương pháp sinh học chuyển hoá các chất ô nhiễm độc hại thành dạng không độc, và các biện pháp kết hợp của nhiều phương pháp để làm tăng hiệu quả của các phương pháp xử lý riêng biệt [14][15][16][17][24][25][28] Nhưng không dễ dàng để đạt được kết quả mong muốn là tách bỏ ô nhiễm màu của nước thải, bởi xử lý bằng các phương pháp riêng lẻ hiệu suất xử lý không cao, thường phát sinh rất nhiều khó khăn trong quá trình xử lý Thực chất có 2 cách để giải quyết vấn đề ô nhiễm màu là hạn chế thải và xử lý thải, hạn chế thải mục đích là giảm nồng độ màu và thể tích thải bằng cách tái chế chất màu, chất bổ trợ và nước, còn xử lý thải là tách và loaị bỏ chất màu và các hợp chất không thể tái chế [14][15][16][17][24][25][28]

Việc tái chế nước có thể đạt được bằng cách tách màu và phụ gia khỏi dung dịch, thường bằng phương pháp vật lý lọc hoặc hấp phụ, kỹ thuật lọc thích hợp là thẩm thấu ngược, còn hấp phụ chất màu có thể bằng các vật liệu hấp phụ như than hoạt tính hoặc các vật liệu cellulose, chuyển các thành phần bị nhuộm màu thành dạng rắn có thể tái chế hoặc đem chôn như chất thải rắn Đồng thời các phương pháp hoá học cũng được sử dụng như dùng các chất đông tụ làm đông kết các chất màu và tách khỏi dung dịch thải ở dạng hồ đặc, trong một số trường hợp và phương pháp nhuộm người ta có thể tái sử dụng các chất màu tái chế, nhưng đây là biện pháp miễn cưỡng và mạo hiểm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm Bởi vậy cần có một biện pháp sinh học xử lý hoàn thiện chất màu trong nước thải, khử màu và khóang hoá các chất màu hữu cơ thành các hợp chất vô cơ như CO2, CH4 và nước nhờ hoạt

động hấp thụ và phân huỷ chất màu của các chủng vi sinh vật hiếu khí - kỵ khí sống trong môi trường nước thải, mặc dù bản chất của quá trình khử màu

và khoáng hoá chất màu còn chưa được khẳng định [9][10][11] [14]

Thông thường việc xử lý thải với hy vọng khử màu của các chất màu

có thể tiến hành bằng các phương pháp hoá học và sinh học, phương pháp hoá học có thể bao gồm các kỹ thuật oxy hoá như dùng ozon làm gãy các cầu nối đôi của chất màu và phương pháp chiếu xạ tử ngoại kết hợp với H2O2làm đứt gãy các nhóm azo của chất màu azo [14] Còn phương pháp sinh học

có thể là phương pháp xử lý riêng biệt hoặc kết hợp cả hai pha xử lý hiếu khí

và kỵ khí Nhưng các nghiên cứu gần đây đều cho thấy chỉ có kết hợp cả 2 pha xử lý hiếu khí và kỵ khí trong phương pháp xử lý sinh học mới đủ khả năng để khử màu và khoáng hoá chất màu ngành công nghiệp dệt (Haug et al., 1991) [14].Thuận lợi cơ bản của phương pháp sinh học là hiệu quả kinh

tế, giá thành giảm rất nhiều so với phương pháp hoá học phải luôn cần một lượng lớn các chất hoá học như chất đông tụ hay H2O2 [9][10][11] [14]

Công nghiệp dệt sử dụng rất nhiều loại chất nhuộm màu khác nhau, kéo theo ô nhiễm nghiêm trọng bởi các chất màu và phụ gia có trong nước thải Vì vậy, nếu chỉ dùng những chất hấp phụ như than hoạt tính hay các vật liệu hấp phụ thông thường để xử lý thì không thể đạt hiệu quả cao và chưa triệt để mà cần phải có các sản phẩm hấp phụ có khả năng hấp phụ màu cao, diện tích riêng bề mặt lớn Đặc biệt là các vật liệu hoặc chế phẩm này có thể

có khả năng bẻ gãy các phân tử màu thành các thành phần không màu và không độc hại trong quá trình chuyển hoá của vật chất thì mới giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm màu [14][15][16][17][24][25][30][31][37][44] Một

số nghiên cứu về công nghệ sinh học cũng được áp dụng vào xử lý thải của các nhà máy giấy, dệt nhuộm, xử lý cặn dầu hoặc các vụ tràn dầu bằng các chủng vi sinh có khả năng phân huỷ các mạch hydrate cacbon và chuyển hoá thành nguồn thức ăn và năng lượng cho vi sinh vật.[14][15][16][17][19][20][37][42][44]

3 Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải

Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh [9][10][11][13][14][45]:

- Các tế bào vi sinh vật và nấm có thể được sử dụng như các chất hấp thụ giá rẻ nhằm tách các chất nhuộm màu ra khỏi dung dịch, đặc biệt là các

tế bào nấm Myrotherium verrucaria có khả năng hấp thụ màu tan trong nước

cao hơn rất nhiều so với các chất hấp phụ thông thường như than hoạt tính Tuy nhiên không phải mọi chủng vi sinh vật hay nấm đều có khả năng hấp thụ và phân huỷ tất cả các loại chất màu vì như Hu (1992) [14] khi nghiên cứu khả năng hấp thụ và phân huỷ của 22 dòng nấm men và 25 dòng vi sinh vật đối với 4 chất nhuộm màu xanh, 3 chất nhuộm màu đỏ, 2 chất nhuộm màu tím, 2 chất nhuộm màu vàng cho thấy chỉ có 15 chủng có khả năng khử màu của chất nhuộm màu đỏ trong khoảng 8 ngày Với riêng chủng

Aeromonas sp, có thể khử màu của chất nhuộm màu đỏ trong 6 ngày nên

thường được sử dùng trong rất nhiều thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp thụ

và phân huỷ các chất nhuộm màu Còn với các chất nhuộm xanh hoạt tính, vàng và đỏ khác chỉ được khử màu một phần khi bị hấp thụ bởi sinh khối

Aeromonas sp Khả năng hấp thụ đặc biệt của tế bào vi sinh vật thường lớn

nhất ở giai đoạn đầu của chu kỳ sinh trưởng và theo Hu (1992)[14] vị trí hấp thụ chủ yếu đối với chất màu như Procion Red G là chitin trong vỏ tế bào vi sinh vật của sinh khối Aeromonas, dung lượng hấp thụ của sinh khối đối với Procion Red G là 27,41 mg/g tế bào khô với hiệu suất tách màu là 60%

Theo Mou (1991) và Brahimi-Horn (1992)[14], nấm Myrothecium verrucaria hấp thụ màu rất tốt đối với 3 chất màu Orange II, RS (H/C) và 10

B (H/C) ở cả trạng thái tĩnh và động, nhưng trạng thái tĩnh không đạt hiệu quả cao như trạng thái động hay khi có oxy trong quá trình khử màu, dung lượng hấp thụ của tế bào nấm đối với chất màu RS là 4g/10kg tế bào ở dạng

ướt Sau khi hấp thụ, màu liên kết trên các tế bào dần biến mất sau khoảng 1 tuần hoặc lâu hơn chứng tỏ có sự phân huỷ sinh học chất màu, mức độ phân huỷ phụ thuộc vào cấu trúc chất màu [14] Cơ chế để chất màu có thể liên kết

với nấm Myrothecium verrucaria được Brahimi-Horn (1992) [14] cho rằng một phần chất màu có thể thẩm thấu qua màng vào hấp thụ bên trong tế bào, nhưng phần lớn hấp thụ bên ngoài trên phần chitin của vách tế bào tại các tâm hoạt tính là các nhóm amine NH2 và OH [15][18][20][32][35][41][44]

- Đa số các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ màu (đặc biệt là chất màu monoazo) đều là các chủng sống độc lập trong điều kiện hiếu khí

hoặc kỵ khí không bắt buộc như Bacillus, Pseudomonas, Aeromonas [2 ]

[13][14][45] Đây là các chủng vi sinh vật rất phổ biến, linh hoạt và đa

năng, thường được sử dụng trong nhiều thí nghiệm nghiên cứu hấp thụ và phân huỷ các hợp chất màu azo không có sẵn trong tự nhiên Gần đây, các nghiên cứu cố định vi sinh, cố định enzym để làm tăng hiệu quả của phương pháp xử lý sinh học được ứng dụng nhiều trong xử lý rác thải và nước thải ô nhiễm màu và các chất hữu cơ độc hại Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là thời gian làm sạch tương đối dài thường phải từ 5 đến 10 ngày, như nghiên cứu về sự phân huỷ sinh học của phenols và cyanides khi sử dụng màng polyacrylonitrile được cố định hỗn hợp các chủng vi sinh vật dòng

Agrobacterium radiobacter, Staphylococcus seiuri và Pseudomonas diminuta có khả năng phân huỷ phenol và cyanide là 36 và 20,6% theo thứ

tự, của M Kowalska [2][13][14][45]

Chính mức độ sulphonate hoá của các chất màu azo làm tăng khả năng tan trong nước nhưng làm giảm khả năng các hợp chất đó hấp thụ và thâm nhập qua vách tế bào và làm hạn chế sự phân huỷ hiếu khí chất màu [14] Vị trí của các nhóm sulphonic acid và trọng lượng phân tử của chất màu, cấu trúc của chất màu và khả năng tan trong nước là nguyên nhân chính ngăn cản các chất màu azo bị hấp thụ và phân huỷ sinh học bởi vi sinh vật.Phản ứng oxy hoá khử làm đứt gãy liên kết azo của quá trình khử màu dễ dàng xảy ra trong điều kiện kỵ khí nhưng lại rất hạn chế trong điều kiện hiếu khí [14.p 2-

6] Nhưng có một số loại nấm như Phanerochaete chrysosporium lại có khả

năng phân huỷ một số lượng lớn các chất màu ở điều kiện hiếu khí, Grigsby et al., 1992 [14] Theo Pasti-Grigsbynấm P chrysosporium có thể

Pasti-khử màu và phân huỷ 3 chất màu polymeric (Poly B, Poly R and Poly Y) bằng quá trình trao đổi thứ cấp Đầu tiên sự khử màu bị kìm hãm do N của chất dinh dưỡng hữu cơ tồn tại trong nước thải, quá trình khử màu chỉ bắt

đầu khi N trong môi trường đã bị sử dụng hết và vi sinh vật rất cần oxy để tạo ra và kích hoạt hệ xúc tác cho quá trình khử màu Cripps (1990) [14]

cũng cho rằng nấm P chrysosporium có thể khử màu của 3 chất màu azo

Tropeolin O, Orange II and Congo Redvà chất màu dị vòng (Azure B),cấu trúc các chất màu ảnh hưởng tới mức độ khử màu và chất màu dị vòng dễ bị khử màu bởi nấm hơn trong khi Congo red là chất màu phổ biến hơn lại khó hoàn thiện quá trình khử màu ngay cả sau khi ủ 10 ngày [14]

- Tảo đơn bào (Algae) cũng có thể phân huỷ và sử dụng các chất màu azo như nguồn cacbon và nitrogen cho sinh trưởng và phát triển Jinqui và

Houtian (1992) [14] khi thí nghiệm với Chlorella pyrenoidosa, C vulgaris

và Oscillateriatenui để khử màu 30 chất màu azo thì 14 chất có độ khử màu

là 50% hoặc cao hơn Kết quả cũng chỉ ra rằng sự khử màu liên quan trực tiếp tới cấu trúc phân tử của chất màu azo, chất màu azo với nhóm -OH hoặc -NH2 dễ bị phân huỷ hơn các nhóm methyl, methoxy, sulpho hoặc nitro [14] Eriochrome Blue SE là chất màu azo và cũng dễ dàng bị phân huỷ bởi algae, quá trình phân huỷ liên quan tới hoạt động trao đổi chất của tảo và sau khi bị khử màu, chất màu sẽ bị tảo khoáng hoá thành các hợp chất vô cơ như cacbon và năng lượng [14] Các enzyme reductase cũng tham gia vào quá trình khử liên kết azo để hình thành các thành phần tổng hợp nên các amin thơm mà sau đó bị khoáng hoá bới agae Như vậy tảo có liên quan gián tiếp tới sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ bằng cách cung cấp oxy qua quá trình quang tổng hợp để làm tăng khả năng phân huỷ của vi sinh vật dị dưỡng sống trong môi trường nước thải [8][9][10][11][13][14]

Hầu hết các thí nghiệm nghiên cứu sự phân huỷ kỵ khí các chất màu

mà chủ yếu là màu azo thường sử dụng các chủng vi sinh vật đơn, như các chủng Bacillus và Pseudomonas, Aeromonas…Các chủng vi sinh vật này

được thấy hoạt động rất tốt trong phân huỷ kỵ khí của đa số các chất màu [8][9][10][11][13][14] làm đứt gãy các liên kết azo để hình thành các sản phẩm là các amine thơm sẽ được khoáng hoá trong pha phân huỷ hiếu khí

Khi nghiên cứu hoạt động phân huỷ màu azo của các chủng Bacillus

đối với hỗn hợp dung dịch màu bao gồm CI Acid Red 14, CI Acid Orange 7 and CI Acid Black 1, Wilcox [14] cho rằng Bacillus khử màu rất tốt các chất màu đỏ và đen nhưng lại không quan sát thấy sự khử màu đối với chất màu

da cam còn lại Cho thấy ở dạng hỗn hợp các chất màu bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiệu quả hơn là khi các chất màu ở dạng dung dịch đơn, vi sinh vật cũng không thể chỉ dùng các chất màu như nguồn cacbon và năng lượng duy nhất mà đòi hỏi phải có sự bổ sung nguồn dinh dưỡng trong hoạt động phân giải màu [14]

Wuhrmann khi nghiên cứu quá trình khử kỵ khí chất màu azo được dùng trong công nghiệp dệt của chủng Bacillus cereus tách từ đất cũng cho thấy vi khuẩn có khả năng khử màu thông qua khử liên kết azo Nhưng sự khử màu của các chất màu này sẽ không xẩy ra khi thiếu vắng cacbon (glucose), cho thấy glucose rất cần thiết để duy trì trạng thái trao đổi chất của vi khuẩn tạo ra các sản phẩm là Flavin rất cần cho quá trình khử màu [14] Sự thẩm thấu của chất màu vào trong tế bào vi khuẩn được coi là yếu tố giới hạn chính cho hiệu suất khử màu và theo Meschner và Wuhrmann (1982) tính thấm này có thể được tăng lên khi bổ sung toluen vào hệ thống

xử lý và làm tăng hiệu suất hấp thụ đối với chất màu azo bị sulphonate và carboxylate từ môi trường bên ngoài vào tế bào vi khuẩn [14]

Trong các chủng vi sinh vật được sử dụng để nghiên cứu sự khử màu của các chất màu azo thì Pseudomonas sp vàAeromonas sp là các chủng vi

sinh vật phổ biến nhất, dễ thích nghi và thích hợp cho nghiên cứu sự phân huỷ của các hợp chất màu azo không có sẵn trong tự nhiên Những kết quả nghiên cứu sự phân huỷ các chất màu azo CI Acid Orange 12, CI Acid

Orange 20 and CI Acid Red 88 bởi chủng vi sinh vật Pseudomonas cepacia

13NA của Ogawa (1990) [14] cho thấy ở pha đầu tiên của quá trình xử lý, hàm lượng các chất dinh dưỡng có sẵn trong hệ thống xử lý làm tăng nhanh tập hợp chủng vi sinh vật và làm tăng số lượng vi sinh vật có khả năng phân huỷ chất màu azo ở các pha tiếp theo khi hàm lượng các chất dinh dưỡng đã

bị hạn chế do vi sinh vật sử dụng để sinh trưởng và pháp triển buộc vi sinh vật phải tiêu hoá các chất màu azo cho sự sinh trưởng của mình, tức là các chất màu azo chỉ bị phân huỷ ở điều kiện khi hàm lượng các chất dinh dưỡng

tự nhiên có sẵn trong hệ thống xử lý bị hạn chế, bị thiêú hay đã bị sử dụng hết bởi vi sinh vật [14] Kết quả này cho thấy quá trình phân giải các chất màu azo luôn đòi hỏi phải cung cấp thêm cacbon để duy trì hoạt động trao

đổi chất của tập hợp chủng vi sinh vật khi phân huỷ chất màu Ogawa and

Yatome (1990) [14] khi sử dụng chủng vi sinh vật P cepacia 13NA cố định

trên gel K-carrageenan để tách màu và các hợp chất hữu cơ khỏi nước thải cho thấy rằng ở ngay pha đầu tiên của quá trình xử lý, các chất hữu cơ tự nhiên có sẵn trong nước thải được ưu tiên xử lý trước, khi đó có sự tăng lên

về hàm lượng sinh khối vi sinh vật Tuy nhiên cũng có một lượng nhỏ chất màu bị phân huỷ, chứng tỏ lượng chất màu này đã bị phân huỷ bới các tế bào

vi sinh vật đang bị đói Vì vậy giai đoạn đầu của quá trình phân huỷ màu, khi

mà hàm lượng dinh dưỡng trong hệ thống xử lý quá cao rất phù hợp cho sự sinh trưởng làm tăng số lượng tế bào vi sinh vật, chỉ ở các giai đoạn sau khi

mà hàm lượng dinh dưỡng thấp đi do bị vi sinh vật sử dụng mới phù hợp với hoạt động dị hóa phân huỷ chất màu của vi sinh vật Vì vậy việc xử lý các chất màu bởi hệ thống sinh học phân giải hiếu khí – kỵ khí phải cần một thời gian nhất định, có thể là 20 giờ hoặc hơn nhưng để đạt hiệu quả cao nhất cần duy trì thời gian xử lý dài hơn, thường từ 5 đến 10 ngày [14] Sự khử màu đặc trưng cho bước đầu tiên của quá trình phân huỷ, kết quả là tạo ra các sản phẩm là các amine thơm và để khoáng hoá được các hợp chất thải thì vi sinh vật phải phân huỷ được các amine đã được tạo ra [14] Hiệu suất khử màu khác nhau đối với loại chất màu khác nhau, với những chất màu thuộc loại màu trực tiếp, axit, kiềm, hoạt tính hay cation, sự khử màu nhanh và hiệu quả hơn, khả năng khử màu của vi sinh vật ở điều kiện kỵ khí trong bóng tối cao hơn trong điều kiện có ánh sáng

Các kết quả nghiên cứu sự khoáng hoá các chất màu trong hệ thống

xử lý sinh học cho thấy sự phân huỷ các hợp chất mầu thường xảy ra trong

điều kiện kỵ khí, nhưng phụ thuộc rất nhiều vào lượng oxy làm đứt gãy các dạng cấu trúc vòng nhân thơm là các thành phần cơ bản tạo nên cấu trúc của các chất màu Lượng oxy này tồn tại ở dạng nitrate hoặc sulphate và được vi sinh vật phân giải thành oxy tự do tham gia vào hoạt động phân huỷ chất

màu Do đó hầu hết các chất màu có các vòng nhân thơm trong cấu trúc đều

được xem là các chất màu đã được chuyển đổi và có thể bị phân huỷ màu ở

điều kiện kỵ khí Phương pháp quét tử ngoại (ultraviolet scanning) cũng cho thấy quá trình phân giải màu xảy ra do có quá trình khử liên kết azo và tiếp theo là phân huỷ các nhóm tạo màu (chromophore) của chất màu [14]

Naphthalene và naphthol (bao gồm cả các hợp chất thay thế) được xem

là các thành phần cơ bản hình thành cấu trúc của đa số các chất màu azo, còn các hợp chất Nitrogen dị vòng hình thành các nhóm hoạt tính của các chấtmàu [14] Sự phân huỷ của Naphthalene, Naphthol và Acenaphthalene có thể xảy ra ở điều kiện kỵ khí nhưng thực chất là xảy ra trong điều kiện có oxy tồn tại ở dạng hợp chất như NO3 hoặc SO3 bị vi sinh vật phân giải thành oxy

tự do tham gia vào hoạt động phân huỷ Thời gian để phân huỷ Naphthalene

và Acenaphthalene ở điều kiện có oxy tách ra từ NO3 và SO3 do vi sinh vật phân giải là khoảng 2 tuần [14] Các kết quả nghiên cứu quá trình phân huỷ sinh học của các hợp chất màu có vòng nhân thơm đã bị sulphonate hoá cho thấy sự phân giải chỉ xẩy ra tiếp ngay sau quá trình tách nhóm axit sulphonic khỏi hợp chất, liên kết C–SO3 H có tính không bền khi bị tách oxy trong điều kiện hiếu khí Tương tự như quá trình phân huỷ hiếu khí các Naphthalene-

sulphonic axit bởi các chủng vi sinh vật Pseudomonas, nhóm axit sulphonic

chuyển hoá thành hydrogen sulphite HSO3 và hợp chất naphthalene sẽ bị khoáng hoá thành nguồn cacbon và năng lượng (Brilonvà các cộng sự) [14]

- Khả năng hấp thụ đặc biệt của tế bào vi sinh vật thường lớn nhất ở giai đoạn đầu của các kỳ sinh trưởng [14] do đó có thể dùng vi sinh vật làm chất hấp phụ, dung lượng hấp thụ của sinh khối đối với chất nhuộm màu có thể đạt 27 mg/g tế bào khô và hiệu suất tách màu là 60% Chất nhuộm màu

bị hấp thụ bởi vi sinh vật sau một thời gian màu dần biến mất, chứng tỏ sự mất màu có liên quan đến quá trình sinh học phân huỷ cấu trúc chất nhuộm màu của các vi sinh vật

Sự phân huỷ màu bởi vi sinh vật bao gồm 2 pha: phân giải hiếu khí và phân giải kỵ khí, nhưng nếu xử lý riêng rẽ thì pha phân giải kỵ khí sẽ không

đủ khả năng để đạt được sự khoáng hoá các sản phẩm đã bị biến tính và pha phân giải hiếu khí cũng không đủ khả năng để thực hiện xử lý thực tế màu của nước thải Vì vậy phải có sự kết hợp cả 2 pha xử lý: pha phân giải kỵ khí

để phân giải màu và pha phân giải hiếu khí để khoáng hoá các sản phẩm đã

bị biến tính Nhưng nếu có thêm Glucose (1mg/l) trong môi trường nuôi cấy thì càng tăng cao quá trình phân giải màu, vì thế glucose có thể xem như chất cho e- của quá trình khử màu hoặc thêm nó có thể dẫn tới làm tăng hoạt tính của tế bào vi sinh vật và làm tăng hoạt động phân giải màu [14] Các chất màu azo chứa các nhóm -OH và -NH2 dễ bị biến tính hơn các chất màu chứa các nhóm methyl, methoxy, sulpho hoặc nitro Chúng dễ bị phân giải làm mất màu bởi các vi sinh vật phân giải kỵ khí và tiếp theo là phân giải hiếu khí để khoáng hoá và chuyển đổi thành nguồn cacbon và năng lượng

Vì vậy có thể xem hệ thống phân giải bởi vi sinh vật bao gồm 2 pha phân giải kỵ khí và phân giải hiếu khí là rất thích hợp khi xử lý nước thải có chứa các chất nhuộm màu ngành công nghiệp dệt Thông thường nước thải ngành công nghiệp dệt rất phức tạp, rất khác nhau về thành phần và thường nồng độ màu rất cao có thể từ 10 đến 200 mg/l tuỳ thuộc vào cộng nghệ nhuộm hấp

và các biện pháp xử lý nước thải được áp dụng

3.1 Cơ chế hấp thụ và phân giải màu của vi sinh vật

Hoạt động hấp thụ và phân giải màu của vi sinh vật bao gồm 3 giai đoạn:

3.1.1 Hấp thụ:

Chất màu bị vi sinh vật hấp thụ một phần do chất màu thẩm thấu qua màng tế bào chất lipoprotein theo 1 trong 2 cơ chế là khuyếch tán hoặc vận chuyển đặc biệt vào hấp thụ bên trong tế bào, nhưng phần lớn là chất màu hấp thụ trên phần chitin của vỏ tế bào vi sinh vật theo các cơ chế khác nhau + Cơ chế khuyếch tán: bao gồm cơ chế khuyếch tán thụ động các phân tử

đi qua màng nhờ sự chênh lệch nồng độ hay chênh lệch điện thế ở 2 phía của màng, tuy nhiên trừ nước ra còn đa phần các chất hoà tan bao gồm chất màu

đi qua màng nhờ cơ chế vận chuyển đặc biệt khi chúng liên kết với các phân

tử vận chuyển là các protein có tên gọi là pecmeaza sắp xếp trong màng và

được vận chuyển vào bề mặt bên trong của màng tế bào để được chuyển vào

tế bào chất Sự vận chuyển nhờ pecmeaza có thể là vận chuyển thụ động chất hoà tan liên kết thuận nghịch vào một vị trí đặc biệt trên phân tử pecmeaza nằm ở bên trong màng, phức hợp này sẽ được vận chuyển theo cả 2 phía của màng nhờ sự chênh lệch nồng độ của chất màu Nhưng tế bào vi sinh vật còn

có khả năng tích luỹ một số chất với nồng độ cao hơn bên ngoài, nên tế bào

vi sinh vật còn tồn tại cơ chế vận chuyển chủ động nhờ pecmeaza ngược gradien nồng độ và có sử dụng năng lượng do ATP cung cấp qua màng Tức

là cùng một pecmeaza có thể đảm nhận chức năng vận chuyển thụ động lẫn chủ động tuỳ theo sự có mặt hay vắng mặt ATP, phản ứng cung cấp năng

lượng nhờ ATP diễn ra phía trong của màng

Phía trong màng phía ngoài

“hoạt hoá lại”

Hình1 Cơ chế vận chuyển cơ chất qua màng tế bào

Trong vận chuyển thụ động, P được di động thuận nghịch ở dạng đơn (P) hoặc ở dạng phức hợp với cơ chất S (PS); hướng di chuyển của S phụ thuộc vào nồng độ cuả nó ở hai phía màng tế bào Trong sự vận chuyển chủ động

có ATP cung cấp năng lượng, P bị chuyển thành dạng bất hoạt Pt ở phía bên

trong màng và có ái lực rất thấp đối với S, sau khi S được tách khỏi phức hợp

PS và được vận chuyển vào tế bào chất thì Pt lại chuyển thành P hoạt động phía ngoài màng nhờ một phản ứng cung cấp năng lượng nào đó Có thể có hàng loạt pecmeaza khác nhau trong các loài vi sinh vật và chúng có tính đặc hiệu cơ chất khác nhau, một số có tính đặc hiệu tuyệt đối với chỉ một cơ chất nào đó

+ Cơ chế hấp thụ màu trên phần chitin của vỏ tế bào: Phần lớn chất màu dạng sulphonat hoá hấp thụ trên phần chitin của vỏ tế bào theo sơ đồ sau

Hình 2 Chitin và cơ chế hấp phụ màu của chitin

Trong môi trường lỏng pH trung tính, chitin bị phân ly thành gốc tích

điện âm trong khi đó chất màu bị proton hoá trở thành một cation tích điện dương, hai ion trái dấu sẽ liên kết với nhau nhờ liên kết tĩnh điện

3.1.2 Phân giải kỵ khí:

Sau quá trình hấp thụ là quá trình khử màu chất nhuộm màu của vi sinh vật Do đa số chất màu dùng trong công nghệ dệt nhuộm là chất màu azo nên quá trình khử màu chủ yếu là làm đứt gãy liên kết azo –N=N- của chất màu nhờ khả năng xúc tác của nhiều loại men khác nhau Đây có thể là một tập hợp men rất phổ biến, rất nhạy cảm với oxy và cần điều kiện kỵ khí

để đạt trạng thái hoạt động cực đại Các enzyme này xúc tác cho sinh tổng hợp các flavoprotein trong chuỗi vận chuyển e của vi sinh vật, chính các flavoprotein này xúc tác cho sinh tổng hợp các flavin dạng khử của FMN hoặc FAD bằng cách oxy hoá khử NADH hoặc NADPH Các flavin dạng khử này sẽ vận chuyển e và khử liên kết azo, chuyển hợp chất màu thành các thành phần cơ bản là các hydro cacbua thơm và đa vòng tạo lên cấu trúc phân tử của chất màu

R-O - + D-SO3H2+ R-O - D-SO3H2+

chất thơm còn lại thành các axit hữu cơ, mà sau đó được chuyển hoá thành các sản phẩm trao đổi trung gian trước khi chuyển hoá hoàn toàn thành CO2,

H2O và năng lượng

Các cacbua hydro thơm và đa vòng đầu tiên thường được chuyển hoá thành các hợp chất thơm mà trong vòng không chứa những chất thế nào khác ngoài nhóm oxy, chúng sẽ được chuyển đổi thành các dẫn xuất octo hoặc para-dioxyphenil mà dưới tác dụng của hệ thống men cảm ứng sẽ bị cắt đứt vòng để chuyển thành các axit hữu cơ

a Sự phân giải các vòng nhân thơm:

Được thực hiện nhờ men oxigenaza, men này xúc tác cho việc gắn oxi phân tử vào cơ chất, men dioxigenaza xúc tác việc gắn 2 nguyên tử H vào mỗi phân tử cơ chất, còn men monooxigenaza xúc tác việc gắn 1 nguyên tử

H Trước khi vòng nhân thơm bị đứt, 1 nguyên tử O dưới tác dụng của men hydroxylaza sẽ liên kết với hydro cacbua thơm và làm hydroxil hoá, còn 1 nguyên tử O khác bị khử thành H2O Các chất thế trong vòng nhân thơm đôi khi bị tách ra trước khi đứt vòng hoặc có thể bị thay thế bởi nhóm –OH và các nhánh bên thẳng có thể bị rút ngắn hoặc đôi khi vẫn giữ nguyên vẹn

Vị trí đứt của vòng thơm thường xảy ra theo các trường hợp đặc trưng sau:

+ Phân cắt octo: Pirocatechol bị cắt vòng ở vị trí octo giữa 2 nguyên tử C

bị hydroxil hoá nằm kề nhau dưới tác dụng của men pirocatechaza Khi đó thoạt tiên có sự liên kết giữa O2 với 2 nguyên tử C lân cận tạo thành 1 peroxit vòng, sau đó có sự chuyển vị nội phân tử với sự cắt đứt liên kết C- C sinh ra axit xis-xis muconic Sau nhiều quá trình chuyển đổi khác, axit xis-xis muconic cuối cùng sẽ chuyển thành các dẫn xuất của CoA là xucxinil-CoA

và axetil-CoA tham gia vào chu trình Krebs phân giải các axit hữu cơ thành

CO2, H2O và năng lượng

+ Phân cắt meta: Pirocatechol bị cắt vòng thơm ở vị trí meta giữa nguyên

tử C bị hydroxil hoá và nguyên tử C lân cận không bị hydroxil hoá (phân cắt meta) Pirocatechol bị chuyển hoá thành a semialdehit 2-oximuconic để sau thành CO2, a axetic, a pyruvic hoặc Pirocatechol chuyển hoá thành a semi

aldehit 2-oxi-4-cacboxi muconic rồi chuyển hoá thành a oxalaxetic và a pyruvic tham gia vào chu trình krebs

+ Phân cắt ở vị trí giữa nguyên tử C bị hydroxil hoá và nguyên tử C liên kết với nhóm cacboxil ví dụ:

b: Sự phân giải các hợp chất 1 cacbon:

Một số vi sinh vật như chủng Pseudomonas methanica có khả năng sử dụng một số hợp chất 1 cacbon làm nguồn C và năng lượng duy nhất, quá trình oxy hoá như sau

CH4 CH3OH HCHO HCOOH CO2+ H2

metan metanol focmaldehyt a focmic

c Sự phân giải các hợp chất 2 cacbon:

Cơ chế phân giải các hợp chất 2 cacbon có những tính chất đặc biệt, axetat và các hợp chất sinh ra nó như etanol có thể tham gia trực tiếp vào chu trình krebs ở dạng axetil-CoA và sau đó được oxy hoá hoàn toang thành CO2,

H2O và năng lượng Nhưng các hợp chất có mức độ oxy hoá cao hơn như glicolat và glixin lại không tham gia trực tiếp vào chu trình krebs mà chuyển hoá thành glioxilat rồi mới được oxy hoá hoàn toàn thành CO2, H2O và năng lượng thông qua chu trình krebs Trong chu trình này glioxilat dưới tác dụng của men malat sintaza sẽ phản ứng với axetil-CoA sinh ra a malic rồi được oxy hoá thành a oxalaxetic và tiếp tục oxy hoá thành pyruvat và CO2, pyruvat được chuyển thành axetil-CoA, NADH sẽ được oxy hoá bởi oxy phân tử và năng lượng sinh ra được tích luỹ trong các phân tử ATP

COOHCH 2 COCOOH + CH 3 COCOOH

H O

HOOC

a semialdehit 2-oxi muconic

a semialdehit 2-oxi 4-cacboxi muconic

C

O=C - OH

OH

OH OH

OH OH

O H

d Axit pyruvic và chu trình krebs

Axit pyruvic sau khi được hình thành bằng một trong các con đường phân giải các hydrat cacbon nêu trên sẽ được chuyển hoá tiếp theo các chiều hướng khác nhau tuỳ thuộc điều kiện môi trường

+ Trong điều kiện kỵ khí không có oxy, axit pyruvic có thể tiếp tục bị chuyển hoá theo một trong hai hướng; lên men lactic hoặc lên men rượu [48]

1 Lên men Lactic: với sự xúc tác của enzyme lactate đehydrogenase, axit pyruvic sẽ bị khử thành axit lactic

CH3COCOOH + NAD.H + H+ CH3CHOHCOOH + NAD+

2 Lên men rượu: axit pyruvic trải qua 2 phản ứng kế tiếp nhau:

- Pyruvate bị decarboxyl hoá thành acetalđehyde với sự tham gia của men pyruvate decarboxylase

CH3COCOOH CH3CHO + CO2

- Với sự xúc tác của enzyme alcohol dehydrogenase, acetaldehyde bị khử thành ethanol

CH3CHO + NAD.H + H+ CH3CH2OH + NAD+

+ Trong điều kiện có oxy, axit pyruvic không bị lên men mà tiếp tục bị oxy hoá hoàn toàn thành CO2, H2O và giải phóng toàn bộ năng lượng Như vậy axit pyruvic vừa là sản phẩm cuối cùng của con đường Glycolys phân giải các hợp chất hữu cơ vừa là sản phẩm mở đầu của quá trình oxy hoá tiếp tục trong chu trình krebs

Trước khi tham gia vào chu trình Krebs, axit pyruvic bị oxy hoá- decarboxyl hoá với sự tham gia của coenzyme A để tạo thành acetyl-

A pyruvic

A oxalaxetic

A photpho enol pyruvic

NAD + NADH NADH

CO2

CO2

CoA-SH

NAD +

coenzyme A, là sản phẩm trung gian quan trọng nhất của các quá trình trao

Hệ thống pyruvate đehydrgenase xúc tác cho quá trình decarboxy hoá

- oxy hoá axit pyruvic bao gồm 3 enzyme và 5 coenzyme khác nhau tập hợp lại thành một cơ cấu thống nhất Vai trò của mỗi thành phần trong hệ thống

Hình 3: Cơ chế xúc tác của hệ thống men pyruvate đehydrogenase

Toàn bộ quá trình được chia làm 5 giai đoạn, ở giai đoạn 1 axit pyruvic bị decarboxy hoá với sự xúc tác của enzyme pyruvate dehdrogenase (E1) có nhóm hoạt động là thyamine pyrophosphate (TPP) Trong phản ứng này pyruvate mất CO2 biến thành dẫn xuất oxyethyl ở trạng thái liên kết với nhóm thyamine pyrophosphate của E1 ở giai đoạn 2 nhóm oxyethyl được chuyển đến cho một trong 2 nguyên tử lưu huỳnh S của nhóm đisulfide vòng của axit lipoic là một axit béo no, dễ dàng bị khử thành axit đihydrolipoic, lúc đó nhóm disulfide biến thành 2 nhóm –SH Axit lipoic liên kết đồng hoá trị với enzyme dihydrolipoyl transacetylase (E2) bằng cách tạo nên liên kết peptide với nhóm ε- amine của lysine trong thành phần của phân tử enzyme Khi chuyển nhóm oxyethyl từ thyamine pyrophosphate đến axit lipoic cũng xảy ra đồng thời phản ứng oxy hoá khử: nhóm oxyethyl bị oxy hoá thành nhóm acetyl do bị mất 2 nguyên tử H, trong đó một nguyên tử H gắn với axit

CO2

CH3-CO-S-CoA

NAD.H + H+

lipoic để khử nó thành dạng dithiol ở giai đoạn 3 nhóm acetyl được chuyển

từ gốc axit lipoic cho nhóm –SH của coenzyme A để tạo acetyl – CoA, tách chất này ra khỏi enzyme E2. ở giai đoạn 4 xảy ra phản ứng tái oxy hoá dạng dithiol của axit lipoic thành dạng disulfide với sự xúc tác của enzyme

đihydrolipoyl đehydrogenade (E3) mà coenzyme là FAD.Trong phản ứng, FAD trong thành phần của E3 bị khử thành FAD.H2, ở giai đoạn cuối cùng

E3- FAD.H2 bị tái oxy hoá với sự tham gia của NAD+, kết quả là khôi phục trạng thái oxy hoá của E3- FAD, còn NAD+ bị khử thành NAD.H2

Trong chu trình Kresp, các nhóm acetyl bị phân giải để giải phóng CO2

và các nguyên tử H, phương trình tổng quát của chu trình Krebs như sau:

a.cisaconitic

COOH

CH2HC-COOH HO-CH COOH a.isocitric

COOH

CH2

CH2CO COOH

a glutaric

-ceto-COOH

CH2

CH2COOH

a suxinic COOH

CH CH COOH a.fumaric

COOH HCOH

CH2COOH

a malic

COOH CO

CH2COOH

a Oxaloacetic

COOH

CH2HCCHCOOH

CH2COOH

NAD.H+H +

NAD +

CH3CO-S-CoA

CoA-SH

Hình 4: Chu trình Krebs (chu trình axit tricarboxylic, chu trình citrate)

Trong chu trình krebs, acetyl- coenzyme A được tạo ra sau khi axit pyruvic bị oxy hoá - decarboxy hoá, tiếp tục bị oxy hóa qua nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn đều được xúc tác bởi nhiều enzyme đặc hiệu và nguyên tử cacbon của acetyl-coenzyme A được tách ra ở dạng CO2 còn nguyên tử H ở dưới dạng các coenzyme khử (NAD.H, FAD.H2) Các nguyên tử H này sẽ bị oxy hoá theo từng bậc bởi oxy phân tử và giải phóng năng lượng

Như vậy thông qua chu trình krebs mà phân tử hữu cơ bị oxy hoá hoàn toàn thành CO2 và H2O, giải phóng năng lượng cung cấp cho các nhu cầu khác nhau của tế bào, các sản phẩm trung gian của chu trình có thể dùng tổng hợp các aminoacid khác nhau Chu trình krebs là con đường phân giải chủ yếu các hợp chất hữu cơ khác nhau trong tế bào, thông qua các sản phẩm trung gian chu trình có thể liên kết với nhiều quá trình biến đổi hoá học khác nhau và là trung tâm của quá trình trao đổi chất của tế bào vi sinh vật

[48,49]

4 ứng dụng công nghệ bức xạ trong cải biến chế tạo vật liệu

4.1 Cơ sở ứng dụng công nghệ bức xạ cải biến và chế tạo vật liệu

Trên cơ sở những thành công của việc ứng dụng công nghệ bức xạ, có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau đang được quan tâm và phát triển nhằm tạo ra những vật liệu mới có tính ứng dụng cao, phù hợp với các điều kiện môi trường Đó thể là các hydrogel chế tạo từ polyme tổng hợp và polysaccharide làm vật liệu trương nước, hấp phụ kim loại nặng, làm màng chữa vết thương từ chitosan, tinh bột, PVA hoặc là vật liệu biến tính từ polysaccharide tự nhiên làm giá thể cố định các chủng vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân giải các chất gây ô nhiễm môi trường [2][3][4][6][15][16][17] Việc cố định các chủng vi sinh vật lên giá thể nhằm làm tăng mật độ vi sinh vật trên một thể tích hay một diện tích cố định nhờ vậy mà làm tăng tốc độ phân huỷ và hiệu quả xử lý, đồng thời vật liệu có khả năng tái sử dụng nhiều lần do dễ lọc và tách khỏi môi trường đã xử lý [2][44]

Trong xử lý màu của nước thải ô nhiễm màu, có khá nhiều dạng vật liệu đã được sử dụng như chitin, chitosan, cellulose các vật liệu này có thể ở dạng nguyên mẫu như dùng bột chitin để hấp phụ màu hoặc dạng hạt như chitosan đã được biến tính và tạo dạng hạt trong môi trường kiềm đều đạt kết quả tốt [15][18][20][35][40][41][44] Người ta đã chứng minh rằng chitosan khi bị chiếu xạ cắt mạch với liều 50–100 kGy có khả năng hấp phụ mạnh hơn và khả năng kháng khuẩn cao hơn khi không chiếu xạ vì khi đó nhóm

NH2 trong cấu trúc phân tử chitosan đã được hoạt hoá trở thành tâm hấp phụ

đối với các phân tử màu và hoạt động kích hoạt tiết hocmon có tính kháng khuẩn của tế bào Đặc tính này rất có lợi khi sử dụng chitosan chiếu xạ làm dung dịch phun hay tạo màng bao bảo quản hoa quả trước và sau thu hoạch, hay bao gói sản phẩm và điều trị bỏng lâm sàng [4][6]

Các Polysaccharide và dẫn suất sau khi khâu mạch đều có tính hấp phụ nước và các chất hoà tan do hình thành cấu trúc không gian 3 chiều với những lỗ xốp và các tâm hấp phụ là các nhóm chức -COOH, -OH, -NH2… có khả năng cố định vi sinh vật hay enzyme phân huỷ các chất ô nhiễm [2][4][6][19][25][45] Có khá nhiều dạng vật liệu đã được chế tạo để phục vụ các mục đích nghiên cứu và xử lý ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm màu [15][16][17][18][20][21][22] như một số dạng vật liệu sau:

4.1 Chitosan dạng hạt dùng hấp phụ chất màu dạng anion, eosin Y, từ dung dịch Hiệu suất hấp phụ đạt giá trị 76mg eosin Y/ g khô hạt chitosan tại pH 4 [15]

4.2 Dùng than hoạt tính và chitosan để hấp phụ các chất màu dạng anion từ dung dịch Chitossan được khâu mạch bởi glutaraldehyde để làm tăng độ bền trong dung dịch axit, hiệu suất hấp phụ giữa 200 và 2000mmol/g đối với chitosan và giữa 59 và 900mmol/g đối với than hoạt tính [20]

4.3 Tạo Hydrogel poly (N-vinylpyrrolidone-co-methacrylic acid) hấp phụmethyl violet trong dung dịch Hỗn hợp các monomer N-vinylpyrrolidone (VP)/methacrylic acid (MAA) chứa methacrylic acid được chiếu xạ tia gamma, liều 3,4 kGy để tạo hydrogel.[16]

4.4 Tạo hydrogel thải chậm thuốc và nước khi chiếu xạ khâu mạch poly

(2-methoxyethylacrylate-co-dimethyl acrylamide) and poly (2-methoxyethyl acrylate-co-acrylamide)

4.5 Hấp phụ Congo Red and Tinopal CBS trên sợi cellulose đã được cải tiến 4.6 Tinh bột được khâu mạch với epichlorohydrin làm vật liệu hấp phụ tách

bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ dạng phenolic trong nước thải [21]

4.7.Tạo hydrogel poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) and

poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)/K2S2O8 (Potassium persulfate) bằng cách chiếu xạ tia gamma liều 26, 64, 96 and 124 kGy dùng hấp phụ một số chất nhuộm màu Cibacron Blue (CB) F3GA, Methyl Orange (MO), Congo Red (CR) [28]

4.8 Tinh bột, dạng Superabsorbent Hydrogel với các nhóm ammonium và cacboxyl trong hoạt động hấp phụ chất màu [39]

4.9 Tinh bột biến tính bằng kỹ thuật ghép bức xạ làm vật liệu phân huỷ sinh học [7]

4.10 Vật liệu siêu hấp phụ nước từ tinh bột ghép bức xạ dùng điều hoà độ

xạ[4] [7][34][39][42]

Hình5 Hiệu ứng khâu mạch giữa PVA và Tinh bột khi bị chiếu xạ

Trong số các polysaccharide tự nhiên thì tinh bột là vật liệu giá rẻ và phổ biến [1][2][7][39][40][42], khả năng ứng dụng rất phong phú và đa dạng Khi chiếu xạ tinh bột ở trạng thái khô, tính bột sẽ bị cắt mạch, nhưng khi chiếu xạ ở trạng thái hồ đặc có thêm thành phần như PVA, tinh bột có thể khâu mạch hoặc ghép mạch với nhau và với PVA nhờ sự giúp đỡ của các sản phẩm xạ ly nước là các gốc tự do trong quá trình chiếu xạ [39][40] Để tăng khả năng khâu mạch, hỗn dịch có thể được cho thêm borax với hàm lượng thích hợp, bởi Bo có khả năng tạo nhiều phức Bisdiol với các nhóm

OH của các mạch glucozide nằm kề nhau của tinh bột tạo các liên kết ngang

và làm tăng độ bền vững của tinh bột trong môi trường [1] Bo cũng khâu mạch PVA, hình thành gel có độ đàn hồi cao, bền phù hợp cho việc cố định

tế bào [45] Gel PVA khâu mạch bằng Bo có cấu trúc giống như lưới mắt cáo, không gây độc tố khi cố định vi sinh vật và để tránh sự cố kết của PVA

có thể thêm vào hỗn hợp PVA và dịch sinh khối vi sinh vật một lượng nhỏ Na- Alginate và tạo giọt trong dung dịch Bo bão hoà có thêm CaCl2 nồng độ 2% Tuy nhiên tinh bột làm giảm độ trương nước của gel PVA, khi hàm lượng tinh bột tăng sẽ làm giảm độ hấp phụ nước của gel, vì vậy để làm tăng

độ trương của gel có thể cho thêm một số loại polyme khác như CMC, HPA

Ví dụ khi cho thêm CMC 5% thì độ trương của gel tăng 55 lần (55 g nước/1g gel), chính nhóm -COOH trong CMC đóng vai trò chìa khoá giữ nước tronggel, nó hình thành liên kết hydrogen với phân tử nước [2][3][4][7][39][42]

Để thu được vật liệu có tính đàn hồi và mật độ khâu mạch cao cần cho thêm các chất hoá dẻo là glicerol hoặc glicerin có cùng bản chất hoá học với cơ chất là tinh bột nhưng có trọng lượng phân tử bé hơn, làm tăng khoảng cách giữa các phân tử, làm giảm lực Van der Waals, làm yếu lực cố kết nội và làm tăng động năng của các phân tử [1]

Có thể biến tính tinh bột bằng cách tạo liên kết ngang khi cho tinh bột kết hợp với H3BO3 khi đó 4 nhóm OH của 2 mạch tinh bột kề nhau sẽ tạo phức Bisdiol với acid Boric, tức là tạo liên kết ngang giữa các mạch glucozide của tinh bột, tinh bột thu được sẽ dai dòn và cứng hơn

tinh bột

PVA khâu mach tinh bột

Hình 6 Sự tạo thành liên kết ngang giữa các mạch glucozide của TB

Khi tăng mức độ liên kết ngang thì khả năng hồ hoá giảm dần và đến 1

mức nào đó tinh bột sẽ không tan trong nước sôi 1000c [1]

Tinh bột cũng có thể khâu mạch theo sơ đồ cho trong hình 7:[39][42]

Hình 7.Tinh bột khâu mạch dạng lưỡng cực ( crosslinked amphoteric starches CAS ) Theo sơ đồ hình 7, sau khi ethe hoá bởi ClCH2CH (OH)CH2N+(CH3)3CL-

(3- Chloro-2- hydroxy propyl trimethyl ammonium chloride) tinh bột được

khâu mạch ở dạng lưỡng cực (crosslinked amphoteric starches, CAS) có khả

năng ứng dụng lớn hơn nhiều so với dạng tinh bột cation hoặc anion Nó rất

thích hợp khi xử lý các chất ô nhiễm chứa nhiều nhóm cation hoặc anion và

có dải pH ứng dụng rộng từ 2 đến 12 nhờ tính lưỡng cực, tích cả điện tích

dương của nhóm amonium và điện tích âm của nhóm carboxymethyl, vì vậy

tinh bột khâu mạch hấp phụ tốt các ion kim loại nặng và các chất màu

[39][42]

4.2 Cơ chế hấp phụ chất màu của vật liệu khâu mạch:

Quá trình hấp phụ xảy ra theo 3 pha [14][39][42]

* Khuyếch tán ngoại biên: ở đây các chất màu khuyếch tán qua màng chất

lỏng bao quanh hạt chất hấp phụ tới bề mặt ngoại biên của các hạt chất hấp

phụ

* Khuếch tán nội: là sự di chuyển của các hạt chất màu từ bề mặt ngoại biên

tới bề mặt các lỗ trống bên trong các hạt chất hấp phụ

* Các phân tử màu hấp phụ trên các tâm hấp phụ của vật liệu

Vai trò của chất hấp phụ và các đặc tính hoá lý của chất màu là rất quan trọng đối với quá trình hấp phụ, hiệu suất hấp phụ phụ thuộc kích thước phân tử và cấu trúc hoá học của chất màu, phụ thuộc nồng độ màu, thời gian hấp phụ, pH môi trường và vật liệu hấp phụ [14][27][39][42] Thời gian xử lý màu trong nước thải là yếu tố rất quan trọng liên quan tới hiệu quả kinh tế của phương pháp xử lý đang được áp dụng Ví dụ hiệu suất hấp phụ màu của tinh bột biến tính dạng starch–acrylonitrile-amidoximeđối với các chất màubasic violet 7, basic blue 3, direct yellow 50 and acid red 37 ở dạng dung dịch lỏng [27] tăng theo thời gian và đạt giá trị cao nhất vào ngày thứ 8 Hàm lượng chất màu bị hấp phụ (mg/g) tuân theo biểu đồ basic violet 7 > basic blue 3 > acid red 37 > direct yellow 50 ở pH từ 4 đến 10, hiệu suất hấp phụ của tinh bột biến tính đối với chất màu anion (chất màu axit và trực tiếp) trong điều kiện axit cao hơn trong điều kiện trung tính hoặc kiềm[27] ở giá trị pH thấp các nhóm amine của các phân tử chất hấp phụ sẽ bị proton hoá để hình thành nhóm NH3+ làm tăng tương tác tĩnh điện giữa các anion chất màu tích điện âm với tâm hấp phụ tích điện dương của vật liệu hấp phụ và tạo ra

sự tăng dung lượng hấp phụ chất màu Như vậy giá trị pH thấp đóng vai trò quan trọng trong hấp phụ các chất màu trực tiếp và axit lên tinh bột biến tính, tương tự như vậy giá trị pH cao đóng vai trò quan trọng với các chất màu kiềm như basic blue 3 và basic violet 7 ở pH 10 dung lượng hấp phụ đạt giá trị cao nhất đối với cả 2 chất màu kiềm basic blue 3 và basic violet 7 nhờ tương tác tĩnh điện giữa phân tử màu và bề mặt chất hấp phụ, tương tác tĩnh

điện này có thể làm tăng ái lực hấp phụ giữa chất màu và vật liệu Như vậy ái lực hấp phụ giữa các chất màu kiềm với vật liệu tăng lên khi pH của dung dịch tăng và ngược lại với các chất màu axit và trực tiếp Theo Hwang và Chen [27] cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phải có các tính chất hoá học phụ thuộc vào nồng độ ion H+ trong dung dịch, một số chất hấp phụ có ái lực với H+ hoặc OH- và có thể trực tiếp ảnh hưởng đến pH dung dịch và do vậy

độ hoà tan và hàm lượng chất màu bị hấp phụ (q, mg/g) có thể bị thay đổi Sự

có mặt của các nhóm carboxylic -COOH và -OH trong vật liệu hấp phụ cũng

ảnh hưởng tới hàm lượng chất màu bị hấp phụ do các nhóm carboxylic axit tồn tại tự do có xu hướng tạo thành muối với các chất màu cation (màu kiềm) [27] Đối với tinh bột, % tách màu đối với chất màu kiềm ở pH 10 cao hơn ở

pH 3 và 7, trong khi % tách màu đối với chất màu axit và trực tiếp ở pH 3 cao hơn ở pH 7 và 10 điều này có thể do trong môi trường axit và kiềm các proton H+ và anion OH- chiếm ưu thế giúp cho chất màu có thể tương tác với các nhóm chức khác nhau của vật liệu [27][39][42]

Nước tự nhiên có thể có màu của các hợp chất hữu cơ, sắt hoặc mangan dạng keo hoặc hoà tan và có chứa các chất thải công nghiệp, còn màu thực của nước là màu của các chất ở dạng keo hay khi hoà tan tạo ra Màu bên ngoài biểu kiến của nước là màu do các chất lơ lửng trong nước tạo nên và trong thực tế người ta xác định màu thực của nước sau khi đã loại bỏ các chất không tan và màu được xác định bằng phương pháp so màu với dung dịch chuẩn chloroplatinat/coban [8][9][10][11][12]

5 Một số phương pháp xử lý thải theo nguyên tắc sinh học thường được

Trong phương pháp hiếu khí NH3 được loại bỏ bằng phản ứng oxy hoá nhờ

vi sinh vật (quá trình nitrit hoá):

2NH4 + 3O2 nitrobacter 2NO2 + 4H+ + 2H2O + năng lượng

2NO2 + O2 nitrsomonas 2NO3

Một số kỹ thuật xử lý thải theo phương pháp hiếu khí:

5.1.1 Kỹ thuật bùn hoạt tính:

Là kỹ thuật được áp dụng rộng rãi để xử lý nước thải đô thị và công nghiệp thực phẩm, theo cách này nước thải đươc thu gom đưa qua rào chắn rác, chất rắn được lắng, bùn được tiêu huỷ và làm khô Quá trình có thể hồi lưu (bùn hoạt tính xoay vòng) làm tăng hiệu quả xử lý, kỹ thuật bùn hoạt tính

Là bể ổn định nước thải trong nhiều ngày phụ thuộc nhiệt độ và O2

được tạo ra trong hoạt động tự nhiên của tảo nuôi trong bể, cơ chế xử lý trong bể ổn định nước thải bao gồm cả hai pha hiếu khí và kỵ khí hoạt động như mô hình sau:

Bể thông khí bùn hoạt tính

5.2 Các phương pháp kỵ khí

Phương pháp xử lý kỵ khí dùng loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong phần

cặn của nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí và kỵ khí không bắt buộc theo sơ

đồ mô tả sau:

CO2; CH4

H2S

Chất hữu cơ Axit hữu cơ CH4 và CO2

Vi sinh tạo axit vi sinh loại axit tạo metan

Bể ổn định nước thải

Tảo

vi khuẩn hiéu khí

Lắng sơ

bộ

Lọc sinh học

Bể trung gian

Lọc sinh học

Lắng cuối cùng

5.2.1 Các phương pháp lên men kỵ khí

* Lên men axit: Là quá trình thuỷ phân và chuyển hoá các sản phẩm thuỷ

phân như axit béo, đường thành các axit mạch ngắn và thành CO2

* Lên men metan: Là quá trình phân giải các chất hữu cơ thành CH4 và

* Bể kỵ khí: nguyên tắc hoạt động giống bể xử lý hiếu khí

* Hệ thống UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Bed): nước thải được đưa ngược lên nền bùn như mô tả trong sơ đồ sau:

6 Hiện trạng xử lý nước thải ô nhiễm màu tại Việt nam

Do còn nhiều hạn chế về cách đánh giá tầm quan trọng của việc xử lý thải đối với đời sống kinh tế xã hội, vốn đầu tư hạn hẹp và non kém về khoa học công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường, nên tại Việt nam, việc xử lý ô nhiễm các chất thải công nghiệp đặc biệt là ô nhiễm chất nhuộm màu còn chưa được quan tâm nhiều Ví dụ nhà máy dệt Hà Đông là 1 trong hàng trăm cơ sở sản xuất lớn ven sông Nhuệ Hà Tây, có thể đầu tư hàng tỷ đồng để đổi mới công nghệ và thiết bị nhưng lại không chú ý đến xử lý thải, vì vậy nhà máy không hề có hệ thống xử lý nước thải và mỗi tháng nhà máy thải ra sông Nhuệ 10.000m3 nước thải không qua xử lý, làm ô nhiễm nghiêm trọng dòng sông và môi trường Các biện pháp xử lý thường rất đơn giản, chủ yếu bằng các phương pháp hoá-lý và có khi chỉ là phương pháp pha loãng làm giảm hàm lượng màu nhưng làm tăng thể tích nước thải cần xử lý, còn đầu tư khoa học và công nghệ tiên tiến vào xử lý ô nhiễm mới chỉ ở giai đoạn khởi đầu với một số cơ sở sản xuất có số vốn đầu tư lớn như:

6.1 Quy trình công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng ở Liên doanh Nhà

máy bia Đông nam á (SEAB)

Tổng giá trị phần mềm và hệ thống trạm xử lý thải lên tới gần 1 triệu USD, trong nhà máy nước thải (300m3/ngày) theo hệ thống thu gom vào hầm bơm và theo quy trình xử lý, nước thải được tự động điều chỉnh độ pH từ 4,5

đến 8,5 tiếp theo là xử lý kỵ khí, xử lý hiếu khí, xử lý bùn Kết quả của quá trình tách hỗn hợp nước – bùn là tạo ra được nước trong, khí biogas và bùn Bùn được đưa sang bể xử lý hiếu khí còn khí biogas được thông liên tục tới nhà nồi hơi để tái sử dụng như một nguồn nguyên liệu, tiêu chuẩn nước đầu

ra sau xử lý phù hợp với tiêu chuẩn Việt nam loại B với các thông số BOD52000/50mg/l, COD 2857/100mg/l, TSS 714/100, tổng photpho 60/6 (Báo Diễn Đàn Doanh Nghiệp 2/7/2007)

6.2 Công ty dệt Phước Long và Công ty phát triển Công nghệ và môi trường

á Đông vừa khởi công xây dựng hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm có công suất thiết kế giai đoạn 1: 800m3/ngày-đêm theo tiêu chuẩn Việt nam

5945 – 1995, xả thải đạt loại B Đây là công nghệ tích hợp bao gồm xử lý hoá lý và xử lý bằng công nghệ vi sinh trên giá thể Plasdeck, vốn đầu tư khoảng 4,2 tỷ VND

Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống xử lý nước thải chứa chất nhuộm màu

bằng công nghệ vi sinh

Nước thải chứa chất nhuộm màu của nhà máy dệt được xử lý thành công bởi hệ thống vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí, trong hệ thống có sự kết hợp buồng xử lý kỵ khí 70m3 với bể xử lý hiếu khí 450m3, hiệu suất tách màu là 80-95%

chất mầu

nâm men

bể xử lý hiếu khí 450m 3

HCl chất vi lượng

chất

tẩy

buồng khuấy tuần hoàn 10m 3

Hố ga

khí ga thông khí

Bể xử lý hỵ khí D-225 H=16

Bể xử lý axit 500m 3

buồng CO 2

cặn bùn nước thải ra

Phần III Vật liệu - phương pháp

1 Vật liệu:

1.1 PVA (polyvinyl alcohol)-Nhật: Có nhóm chức ưa nước OH, dễ hoà tan,

dễ cán kéo, PVA khâu mạch khi chiếu xạ ở dạng hồ đặc với nồng độ 3% trở lên, khả năng tương hợp sinh học tốt và không độc, nhưng chịu nhiệt kém, tính chất cơ lý yếu, màng có độ dãn dài và lực kéo đứt yếu

1.2 PEO (polyethylene oxide)-Nhật: Có khả năng khâu mạch dưới tác dụng của tia bức xạ với nồng độ 5%, liều xạ 15 kGy ở trạng thái hồ đặc Màng PEO có độ dai và độ dãn dài cao

1.3 CMC (carboxylmethyl cellulose)-Nhật: là vật liệu ưa nước, khâu mạch ở trạng thái hồ đặc với nồng độ trên 5%, liều xạ 10 – 60kGy

1.4 Chitosan-Nhật: Thuộc nhóm polyme tự nhiên có tính lành cao, không tan trong nước, tan trong axit axetic, Chitosan chiếu xạ ở liều 50–100 kGy trên nguồn 60 Co bị cắt mạch và có hoạt tính kháng khuẩn cao, phân huỷ sinh học tốt, màng chitosan có độ bền cơ lý yếu không có khả năng co dãn độ trương nước kém

1.5 CMCts (carboxymethyl chitosan) Nhật: Dẫn xuất của chitosan

1.6 Tinh bột khâu mạch-TBKM do Công ty Thiết bị Y tế cung cấp

1.7 Hạt lọc nước do Viện Công nghệ sinh học cung cấp

1.8 Vật liệu khâu mạch SG1, SG2, SG3 do Trung tâm Chiếu xạ Tp.HCM cung cấp

1.15 Red Phenol: C19 H14 O5 S; Phenol: C6H50H

1.16 Các môi trường nuôi cấy vi sinh vật:

Nutrien agar, Nutrien broth, Sabouraud, Potato Dextrrosse

2.1 Tạo vật liệu Polymer khâu mạch hấp phụ thuốc nhuộm màu

2.1.1 Tạo vật liệu CMCts (Carboxymethyl Chitosan)

Dung dịch CMCts 20% được hoà trộn kỹ trên bếp khuấy từ ở nhiệt độ

40oC, để qua đêm cho đồng thể và hết bọt khí, sau đó chiếu xạ trên nguồn 60

Co Sau khi chiếu xạ, dung dịch được dàn đều trên bề mặt tấm kính, sấy khô

ở nhiệt độ 35 – 45oC, màng được bảo quản trong túi nylon

2.1.2 Tạo vật liệu từ hỗn hợp dung dịch PVA – Tinh bột sắn

PVA rất dễ khâu mạch khi chiếu xạ ở dạng hồ đặc, nhưng hàm lượng gel thấp, màng của vật liệu tạo ra có độ bền cơ lý kém, bổ sung thêm tinh bột, PEO, CMC hoặc HPA, Glicerol và Borax nhằm tăng độ bền cơ học, độ giãn dài, độ dai, độ mềm dẻo và hàm lượng gel của vật liệu Hỗn hợp các thành phần: PVA, tinh bột, PEO, CMC, HPA được hoà tan, trộn đều với các nồng độ khác nhau ở nhiệt độ 70 – 80oC đạt trạng thái hồ đặc đồng thể, sau

đó chiếu xạ gamma trên nguồn 60 Co

Các dạng vật liệu chế tạo:

- Vật liệu HN1 (vật liệu được chế tạo năm 2004): tạo từ hỗn hợp PVA 5% - Starch 10% - PEO 1% - Borax 0,1%, đun 800c trên bếp khuấy từ để đạt đồng thể để nguội tới nhiệt độ phòng, chiếu xạ 5 kGy trên nguồn 60Co, sấy khô và tạo dạng hạt Vật liệu đạt độ trương trong nước khoảng 70 g/g

- Vật liệu HN2: Tạo từ hỗn hợp PVA 5% - Starch 5% – PEO 0,5% - HPA 3% - chitosan 1% - Borax 0,1%, đun 800c trên bếp khuấy từ để đạt đồng thể

để nguội tới nhiệt độ phòng, chiếu xạ 5 kGy trên nguồn 60 Co, sấy khô và tạo dạng hạt Vật liệu đạt độ trương trong nước khoảng 100 g/g

- Vật liệu HN3: Tạo từ hỗn hợp PVA 10% - Starch 5% - PEO 0,5% - HPA 3%- chitosan 1% - Borax 0,1%, đun 800c trên bếp khuấy từ để đạt đồng thể

để nguội tới nhiệt độ phòng, chiếu xạ 5 kGy trên nguồn 60 Co, sấy khô và tạo dạng hạt Vật liệu đạt độ trương trong nước khoảng 200 g/g

- Vật liệu HN4: Tạo từ hỗn hợp Gelatine 1% – Starch 5% – PEO 0,5% – HPA 3% - Borax 0,1%, đun 800c trên bếp khuấy từ để đạt đồng thể để nguội tới nhiệt độ phòng, chiếu xạ 5 kGy trên nguồn 60 Co, sấy khô và tạo dạng hạt Vật liệu đạt độ trương trong nước khoảng 200 g/g

2.1.3 Thu thập vật liệu

2.1.3.1 Vật liệu khâu mạch chế tạo tại Trung tâm Chiếu xạ Tp.HCM

Các vật liệu SG1, SG2, SG3 được tạo ra từ tinh bột biến tính bằng

phương pháp ghép bức xạ hỗn hợp monome axit acrilic/acrilamide, sau đó xà phòng hoá và chiếu xạ gamma trên nguồn 60Co tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ Tp Hồ Chí Minh

- Vật liệu SG-1 có độ trương trong nước khoảng100 g/g

- Vật liệu SG-2 có độ trương trong nước khoảng 200 g/g

- Vật liệu SG-3 có độ trương trong nước khoảng 300 g/g

2.1.3.2 Hạt lọc nước được chế tạo tại Viện Công nghệ Sinh học

Hạt lọc nước do Viện Công nghệ Sinh học chế tạo và hiện đang được sử dụng trong qui trình lọc nước sinh hoạt có lẫn nhiều chất ô nhiễm là các chất vô cơ, hữu cơ

2.1.3.3 Tinh bột khâu mạch do Công ty Thiết bị y tế cung cấp

Tinh bột khâu mạch (TBKM) do Công ty Thiết bị y tế cung cấp, là

tinh bột đã được khâu mạch, dạng bột mịn, độ trương khoảng 1,6 g/g, có độ bền nhiệt cao, không bị hồ hoá và không bị biến đổi cấu trúc khi đun ở nhiệt

độ 100oC Tinh bột này thường được dùng để bôi trơn găng tay phẫu thuật, dùng trong hoá mỹ phẩm, dùng để hấp phụ kim loại, cố định enzyme và vi sinh vật trong sản xuất thuốc trừ sâu sinh học phân giải cặn dầu

2.1.4 Tạo màng bao hạt lọc nước được chế tạo tại Viện Công nghệ Sinh học

Để tăng hiệu suất bề mặt lọc, các hạt lọc được tạo một lớp màng bao

có khả năng giãn nở và có diện tích hấp phụ bề mặt riêng lớn bằng vật liệu khâu mạch HN2 Bao gồm các loại sau:

- Hạt lọc HL 0: Hạt lọc không được tạo màng bao

- Hạt lọc HL1: 200g hạt lọc đã rửa kỹ được trộn trong 100ml hỗn dịch vật liệu HN2 đã chiếu xạ liều 5kGy có bổ xung thêm 2 ml (w/w) dung dịch chitosan 4% trong axit axetic 2%, sấy khô, rửa bằng nước khử ion, sấy khô trở lại

2.2 Các vật liệu cố định vi sinh vật

- Vật liệu HN2

- Hạt lọc HL1 đã được tạo màng bao bằng vật liệu khâu mạch HN2

- Tinh bột khâu mạch dạng lưỡng cực: Tinh bột (Cassava starch) khâu mạch dạng lưỡng cực tích cả điện tích dương và điện tích âm, bền vững không bị hồ hoá ở nhiệt độ cao và khuấy cơ học do Công ty Thiết bị y tế cung cấp

2.3 Xác định độ trương và hàm lượng gel của vật liệu khâu mạch

2.3.1 Xác định hàm lượng gel của vật liệu khâu mạch

Hàm lượng gel (%): Cân một lượng nhất định vật liệu ngâm vào nước

ở nhiệt độ phòng, có khuấy nhẹ cho đến khi đạt trạng thái bão hoà (khoảng 48h) Sau đó lấy phần vật liệu không tan ra sấy khô chân không ở 50oC, cân trọng lượng Đây chính là phần gel tức phần vật liệu đã được khâu mạch khi chiếu xạ Hàm lượng gel (%) của vật liệu được tính theo công thức:

G (%) = (Gt / Gi) x 100 (1)

Trong đó:

Gi: trọng lượng khô ban đầu của vật liệu

Gt: trọng lượng khô của vật liệu sau khi trương nước ở trạng thái bão hoà

2.3.2 Xác định độ trương của vật liệu khâu mạch

Độ trương của vật liệu được xác định bằng cách cân một lượng nhất

định vật liệu, ngâm vào nước ở nhiệt độ phòng có khuấy nhẹ cho đến khi đạt

đến trạng thăi bão hoà (khoảng 48h), lấy ra thấm khô bề mặt, cân trọng lượng, sau đó sấy khô chân không ở 50oC đến trọng lượng không đổi, cân

trọng lượng Độ trương của vật liệu (%) được tính theo công thức:

S ( % ) = [ Wt - Wi ] / Wi x 100 (2)

Trong đó:

Wt : trọng lượng vật liệu sau khi trương nước ở trạng thái bão hoà

Wi : trọng lượng khô của vật liệu sau khi trương nước ở trạng thái bão hoà

2.4 Xác định khả năng hấp phụ chất nhuộm màu của vật liệu

Để xác định xác định khả năng hấp phụ màu của vật liệu, cân một lượng nhất định vật liệu cho vào trong dung dịch chất nhuộm màu (red phenol) ở các nồng độ màu khác nhau, các độ pH khác nhau và nhiệt độ thay

đổi Sau đó lấy mẫu xác định lượng màu đã bị vật liệu hấp phụ theo thời gian, theo nồng độ màu, theo pH trên máy so màu Orbeco-Hellige 975MP (Anh) tại bước sóng λ = 490 nm, từ đó xác định hàm lượng màu bị vật liệu hấp phụ và ảnh hưởng của độ pH, nồng độ, thời gian, nhiệt độ xử lý tới khả

năng hấp phụ màu của vật liệu Hàm lượng màu hấp phụ được tính theo công

thức 3 [16,18,42]:

Q (mg/g) = (Ci vi - Cf vf) / m (3)

Trong đó:

Q: hàm lượng màu hấp phụ trên một đơn vị trọng lượng khô của vật liệu (mg/g)

Ci hàm lượng màu ban đầu của dung dịch (mg/l)

Vi: thể tích ban đầu của dung dịch (ml hoặc l)

Cf: hàm lượng màu còn lại trong dung dịch ở thời điểm lấy mẫu (mg/l)

Vf : thể tích còn lại của dung dịch ở thời điểm lấy mẫu (ml hoặc l)

m: trọng lượng vật liệu dùng hấp phụ màu (g)

2.5 Phân lập, tuyển chọn và nhân giống các chủng vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân huỷ chất nhuộm màu

2.5.1 Phân lập, tuyển chọn và nhân giống các chủng vi sinh vật

Các chủng vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân huỷ màu được phân lập từ chính nguồn nước thải bị nhiễm bởi chất nhuộm màu và từ dung dịch màu Red phenol bị nhiễm vi sinh vật Tập hợp các chủng vi sinh trên

được tiếp tục nuôi cấy lắc trong môi trường Nutrien và Sabouraud broth ở nhiệt độ 28-35oC Sau đó đưa các vật liệu cố định vào tạo chế phẩm cố định

vi sinh vật xử lý nước thải ô nhiễm chất nhuộm màu

Sự sinh trưởng và phát triển của các chủng vi sinh được đánh giá theo

sự gia tăng độ đục của dịch nuôi cấy thông qua phương pháp đo mật độ quang trên máy so màu Orbeco-Hellige 975MP (Anh) tại bước sóng 520 nm

và phương pháp thạch đĩa (đếm khuẩn lạc trên bề mặt thạch nuôi cấy vi sinh vật)

2.5.2 Xác định khả năng hấp phụ và phân huỷ chất nhuộm màu của các chủng vi sinh vật tuyển chọn

Lấy một lượng dịch sinh khối các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn cho

vào một lượng xác định dung dịch Red phenol 0,005%, lắc nhẹ rồi để yên trước khi lấy mẫu Lấy mẫu theo thời gian, ly tâm lấy phần dịch trong ở phía

trên xác định hàm lượng màu trên máy so màu Orbeco-Hellige 975MP (Anh) tại bước sóng 490 nm

Lượng màu do vi sinh vật hấp phụ (mg/l) được xác định theo công thức:

Q (mg/l) = (Ci - Cf ) v/ m (4)

Trong đó:

Q: hàm lượng màu bị vi sinh vật hấp phụ (mg/l)

Ci : hàm lượng màu ban đầu của dung dịch (mg/l)

Cf: hàm lượng màu còn lại trong dung dịch sau khi bị hấp phụ bởi vi sinh vật (mg/l)

Các vật liệu được dùng làm giá thể cố định vi sinh vật bao gồm:

- Vật liệu polyme khâu mạch: HN2

- Tinh bột khâu mạch dạng lưỡng cực (CAS): TBKM

- Hạt lọc đã được tạo màng bao: HL1

Các loại vật liệu polyme khâu mạch HN2, tinh bột khâu mạch-TBKM

và hạt lọc đã tạo màng bao HL1 được cho vào bình tam giác chứa dịch sinh khối vi sinh vật với hàm lượng tế bào khoảng 1015 CPU/ml lắc nhẹ 48h Sau

đó để yên lấy vật liệu ra sấy khô ở nhiệt độ 40oC Bảo quản chế phẩm trong

điều kiện lạnh (khoảng 4oC)

2.6.2 Xác định khả năng cố định vi sinh vật của chế phẩm cố định vi sinh vật

Cân 1g vật liệu đã cố định vi sinh vật cho vào 100ml dung dịch muối sinh lý có bổ xung Tween 80, lắc 30 phút Sau đó lấy dịch dó pha loãng ở các nồng độ: 10-1 – 10-9 cấy trên thạch đĩa và xác định số lượng vi sinh vật cố

định được trên vật liệu Lượng vi sinh vật cố định trên vật liệu tính theo công thức:

V C D

δ (CFU/g) = - (5)

m

Trong đó:

δ: Lượng vi sinh vật cố định trên vật liệu (CFU/g)

V: Thể tích dịch sinh khối vi sinh vật pha loãng (ml)

C: Số lượng tế bào vi sinh vật của dịch sinh khối (CFU/ ml)

D: Độ pha loãng của dịch sinh khối

m: Trọng lượng vật liệu cố định (g)

Lượng vi sinh vật cố định trên vật liệu cũng có thể xác định bằng cách

đo độ đục của dịch sinh khối trên máy so màu Orbeco-Hellige 975MP (Anh) tại bước sóng 520nm