BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CNTên đề tài: Tên tiếng Việt: Nghiên cứu chế tạo giá thể Biocompound phân hủy sinh học nền tinh bột và Polyhydroxybutyrat PHBs ứng dụng làm chất khử Nitơ tron
Trang 1BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN
Tên đề tài:
Tên tiếng Việt: Nghiên cứu chế tạo giá thể Biocompound phân hủy sinh học nền
tinh bột và Polyhydroxybutyrat (PHBs) ứng dụng làm chất khử Nitơ trong xử lý
nước thải
Tên tiếng Anh: Experimental investigation on manufacturing of biodegradable
compounds using in purification process of waste water treatment
Mẫu R08Ngày nhận hồ sơ
(Do CQ quản lý ghi)
Tham gia thực hiện
TT Học hàm, học vị,
Họ và tên
Chịu trách
1 TS Hoàng Xuân Tùng Chủ nhiệm 0918535140 hoangxuantung@
Trang 2Tên tiếng Anh: Experimental investigation on manufacturing of biodegradable
compounds using in purification process of waste water treatment
Xác nhận quyển báo cáo đã được hiệu chỉnh theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu
Chủ tịch hội đồng nghiệm thu
GS.TS Nguyễn Hữu Niếu
Trang 3i
MỤC LỤC
TÓM TẮT - ii
ABSTRACT - iii
DANH MỤC CÁC BẢNG - iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ - v
LỜI CẢM ƠN - vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - 1
1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo giá thể trong và ngoài nước - 1
1.2 Ý tưởng khoa học - 4
CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO HẠT GIÁ THỂ - BIOCOMPOUND - 5
2.1 Qui trình thực nghiệm - 5
2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trộn - 6
2.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc roto đến quá trình trộn - 9
2.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian trộn - 11
5.5 Tốc độ xử lý nước thải của giá thể và PHB dạng bột nguyên chất - 14
CHƯƠNG 3: KHẢ NĂNG HÌNH THÀNH MÀNG BIO-FILM - 15
3.1 Màng biofilm trên giá thể - 15
3.2 Giá thể trong bể xử lý - 16
CHƯƠNG 4: SO SÁNH VỚI MẪU CỦA CENTRE OF ENGINEERING SCIENCES 17
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN - 18
TÀI LIỆU THAM KHẢO - 20
Trang 4ii
TÓM TẮT
Hiện nay ở Việt Nam, đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại Việc chủ động chế tạo ra các sản phẩm (mang tính sinh học) có khả năng xử lý chất dinh dưỡng nước thải dân dụng là một việc vô cùng cần thiết
Xử lý chất thải luôn luôn là vấn đề cấp thiết để có được sự phát triển bền vững Tuy nhiên, trong đa số trường hợp quá trình xử lý chất thải này lại đem đến ô nhiễm khác Quá trình xử lý chất thải không đễ lại cặn bã nào khác là 1 quá trình mà các nhà khoa học tìm kiếm Trong thời gian gần đây, phương pháp khử Nitơ trên cơ sở sử dụng nguồn carbon là polymer phân hủy sinh học là hướng được nhiều tác giả quan tâm Có 2 loại polymer thường được sử dụng cho mục đích này: polymer tự nhiên (cellulose) và polymer phân hủy sinh học tổng hợp (PCL, PHA) Polymer tự nhiên có ưu điểm là rẻ tiền nhưng lại làm tăng DOC của hệ xử lý Polymer tổng hợp cho hiệu quả tốt nhưng giá thành lại cao Chính vì thế vấn đề giá thành của pp xử lý Nito bằng polymer tổng hợp có thể được khắc phục bằng việc phối trộn các polymer với tinh bột
Đề tài tiến hành nghiên cứu khảo sát tìm ra quy trình chế tạo giá thể vi sinh bám bằng cách trộn hợp tinh bột sắn và PHB Yêu cầu của giá thể là PHB phân tán đều trong hạt giá thể và tinh bột phải được nhựa hóa hoàn toàn Tinh bột và PHB là polymer sinh học đang được quan tâm vì khả năng phân hủy tự nhiên Nghiên cứu đồng thời tiến hành khảo sát sơ bộ hiệu quả xử lý nitơ của giá thể Giá thể thu được vừa đáp ứng được mục đích làm vật thể bám cho vi sinh, vừa có thể phân hủy hoàn toàn, không cần thu hồi sau khi xử lý nước thải.Ứng dụng tinh bột làm chất mang giá thể là một biện pháp đầy hứa hẹn, đáp ứng nhu cầu xử lý nguồn nước và đặc biệt nếu nó lại đi từ nguồn nguyên liệu nông nghiệp dồi dào và rẻ tiền
Trang 5iii
Abstract
Different processes are used to treat the wastewater and are mainly focused on nitrogen and phosphorus removal These processes can be biological, chemical, or physical in nature This paper reported the method of manufacturing support materials for water treatment based on low–cost cassava starch material in Vietnam that replacing the materials based on fossil origin that are padded polyhydroxybutyrat particles (PHB)
to make providing nutrition materials Both the materials are natural origin and biodegradable so that they are not leave side effects on environment after participating
in water treatment process In this study, the distribution and shredded of PHB seeds by rotational speed in the support materials was assessed by images of optical microscopy and SEM The water treament ability of these support materials were evaluated from simulation method by ammonium and nitrate treatment index The results indicated that the water that containing nitrate (15mg/l/day) and ammonium (40mg/l/day) could be treated well by support materials However, research on manufacturing process should
be continuing to able for mass production
Keywords: polyhydroxybutyrat (PHB), biofilm
Trang 6iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Đơn pha chế khảo sát - 7
Bảng 2.2: Đơn pha chế khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay của roto - 9
Bảng 2.3: Mật độ hạt - 10
Bảng 2.4: Đơn pha chế khảo sát ảnh hưởng của thời gian trộn - 11
Bảng 2.5: Mật độ hạt - 13
Bảng 4.1: So sánh thông số các loại giá thể - 17
Bảng 5.1: Các thông số của giá thể - 19
Trang 7v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cơ chế tạo màng sinh học - 1
Hình 1.2: Biến đổi nồng độ chất thải thông màng sinh học - 2
Hình 1.3: Cấu trúc màng sinh học - 2
Hình 1.4: Mô hình giá thể trước và sau khi có màng sinh học - 3
Hình 2.1: Quy trình thực nghiệm - 5
Hình 2.2: Quy trình chế tạo giá thể - 6
Hình 2.3: Giản đồ DSC - 7
Hình 2.4: Mẫu trộn ở các nhiệt độ (a): 150 0 C, (b): 140 0 C và (c): 160 0 C - 8
Hình 2.5: Nồng độ Amoni trong bể theo thời gian khảo sát - 8
Hình 2.6: Nồng độ Nitrat trong bể theo thời gian khảo sát - 8
Hình 2.7: Ảnh chụp mẫu gia công theo vận tốc (a) v = 50 rpm, (b) 60rpm và (c) v = 70 rpm - 9
Hình 2.8: Kích thước hạt trung bình ở các vận tốc trộn khác nhau - 9
Hình 2.9: Nồng độ Amoni trong bể theo thời gian khảo sát - 10
Hình 2.10: Nồng độ Amoni trong bể theo thời gian khảo sát - 10
Hình 2.11: Giản đồ trộn kín các mẫu H 1 , H 2 và H 3 - 11
Hình 2.12: Mẫu H3 với độ phóng đại X100 và X200 - 12
Hình 2.13: Mẫu H3 với độ phóng đại X100 và X200 - 12
Hình 2.14: Mẫu H3 với độ phóng đại X100 và X200 - 12
Hình 2.15: Kích thước hạt trung bình mẫu khảo sát - 12
Hình 2.16: Nồng độ Amoni trong bể theo thời gian khảo sát - 13
Hình 2.17: Nồng độ Nitrat trong bể theo thời gian khảo sát - 13
Hình 2.18: Nồng độ Amoni và Nitrat theo thời gian xử lý của PHB dạng bột - 14
Hình 3.1: Hình ảnh giá thể trước (a) và sau (b) khi xử lý - 15
Trang 8vi
Hình 3.2: Ảnh SEM bề mặt giá thể trước khi xử lý với độ phóng đại X800 - 15 Hình 3.3: Ảnh SEM bề mặt giá thể sau khi xử lý 15 ngày với độ phóng đại X800 15 Hình 3.4: Hình ảnh giá thể trong bể xử lý sau (a) 1 ngày, (b) 2 ngày, (c) 4 ngày và (d)
15 ngày - 16 Hình 5.1: Quy trình chế tạo giá thể - 18
Trang 101
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Hiện nay, cả thế giới đang đối mặt với nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường sống, một trong số
đó là vấn đề ô nhiễm nguồn nước Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme sinh học để xử lý nước thải trên thế giới hiện nay đang là vấn đề nóng hổi Xử lý nước thải bằng công nghệ áp dụng vật liệu sinh học đáp ứng mục đích đưa dòng thải vào vòng tuần hoàn tự nhiên của vật chất, chất thải được xử lý và phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên Hiện nay, việc sử dụng chất rắn là nguồn carbon thay thế cho các dung dịch hữu cơ là bước ngoặt trong khoa học, phương pháp khử nito bằng chất nền rắn có nhiều ưu điểm Nhiều chất rắn đã được sử dụng để xử lý nitơ như rơm, gỗ hay một số polymer sinh học Nghiên cứu ứng dụng của Biocompound trong
xử lý nước thải là một hướng mới trong ứng dụng polymer phân hủy sinh học Trong đó, PHB
là vật chất rắn thích hợp nhất.[10]
Đối với các hệ thống bể xử lý nước thải thì các giá thể có vai trò rất quan trọng, đó là nơi mà các vi sinh vật có thể bám vào, có điều kiện được cung cấp chất dinh dưỡng, phát triển thành màng sinh học (Biofilms) và góp phần gia tăng tốc độ phân hủy chất ô nhiễm trong nước thải Màng sinh học được định nghĩa như là sự tích tụ của các vi sinh vật lại với nhau hoặc tích tụ trên một bề mặt (diện tích) [1, 2, 3, 4, 5, 8, 9] Sự hình thành của các màng sinh học bắt đầu từ hấp thụ các chất dinh dưỡng lên bề mặt, tạo ra một lớp vỏ bọc trên bề mặt Sau đó là một sự tích lũy sinh khối, mà một phần có thể bị rửa trôi sau khi hình thành, một phần có thể gắn chặt vào bề mặt
Hình 1.1: Cơ chế tạo màng sinh học Quá trình này được gọi là giai đoạn khởi đầu Trong giai đoạn phát triển của màng sinh học các
vi sinh vật tiết ra các chất polymer ngoài tế bào (EPS), trong đó bao gồm polysaccharides và phục vụ như là một vỏ bảo vệ Các vi sinh vật sinh sôi và sự phát triển lớp vỏ bảo vệ che phủ diện tích rộng hơn, lớp này hình thành và ổn định trong giai đoạn ổn định hay còn gọi là giai đoạn cao nguyên Đây được gọi là màng sinh học nó bao gồm chủ yếu là sinh khối, polysaccharides và nước Trong quá trình hình thành của các độ dày lớp màng ngày càng phát triển Độ dày này có thể đạt được bởi một vài mm
Bởi vì giữa các màng sinh học và ma trận xung quanh có một sự trao đổi liên tục của vật chất trong màng sinh học, đo đó tồn tại một gradient nồng độ Nồng độ các chất dinh dưỡng và ôxy giảm theo độ sâu của màng sinh học, dẫn đến các biên dạng nồng độ khác nhau, mà rất quan trọng cho quá trình phân hủy sinh học ví dụ như quá trình nitơ hóa
Trang 112
Hình 1.2 Biến đổi nồng độ chất thải thông màng sinh học
Tại độ sâu màng sinh học là 50-200 micron (vùng cơ sở ) do có sự suy giảm nồng độ oxy tạo điều kiện cho việc hình thành các khu thiếu ôxy và kỵ khí Trong vùng hiếu khí, xảy ra quá trình nitrat hóa các hợp chất chứa amoni và xảy ra quá trình oxy hóa của các hợp chất carbon Trong khi đó, tại khu vực thiếu ôxy quá trình khử nitrat diễn ra Vì có tồn tại những vùng có nồng độ khác nhau trong các lớp màng sinh học do đó có thể cho phép các quá trình nitrat hóa
và khử nitrat diễn ra đồng thời
Việc nghiên cứu ứng dụng Polymer phân hủy sinh học trong xử lý nước thải được phát triển với mục tiêu nhằm tạo ra cá giá thể có cấu trúc thuận tiện cho việc phát triển màng sinh học và việc sản xuất các giá thể có cấu trúc tối ưu này có giá thành thấp [3]
Các giá thể phân hủy sinh học thông thường được chế tạo từ hai loại polyme, chúng được trộn vào nhau trong quá trình gia công Hai loại polyme trong giá thể này phân hủy sinh học với tốc
độ không đồng đều Polyme nền có nhiệm vụ như chất mang, là thành phần chậm phân hủy hơn Các vật liệu mang này có khả năng áp dụng vào trong bể sinh học có tính chuyển động, thích ứng với điều kiện vận hành có tốc độ dòng chảy cao dạng lơ lửng và gia tăng quá trình trao đổi chất.Thành phần phân hủy nhanh hơn là polyme cơ sở (dinh dưỡng) có nhiệm vụ như nguồn cung cấp carbon và năng lượng cho các vi sinh vật Các lỗ xốp hình thành do sự tấn công của vi sinh vật vào vị trí các polyme cơ sở này thúc đẩy sự hình thành các màng Biofilm hoạt động với cơ chế sinh học và song song đó tạo ra các khu vực thiếu khí, yếm khí và hiếu khí Kết quả là, nitrat hóa và khử nitrat diễn ra đồng thời như trong một bể phản ứng có sục khí Như vậy hiệu suất và tôc độ phân hủy chất ô nhiễm trong nước thải sẽ được nâng cao
Hình 3 mô tả sự hình thành màng sinh học trên cấu trúc lỗ rỗng
Hình 1.3: Cấu trúc màng sinh học
Trang 123
Các vùng riêng lẻ trên cấu trúc màng sinh học :
Vùng C: • màng sinh học hấp thụ nguồn cacbon và oxy từ nước thải
Vùng N: • màng sinh học hấp thụ oxy từ nước thải
• nguồn cung cấp carbon giảm, vùng này vi sinh vật nitrát hóa phát triển
Vùng DN: • không có nguồn cung cấp cacbon và oxy từ nước thải
• Biocompound là một nguồn carbon có sẵn
là nền rắn thích hợp cho sự phát triển của màng vi sinh Bên cạnh đó việc sử dụng PHB không gây ô nhiễm nguồn nước như một số dung dịch hữu cơ cũng như không cần khuẩn cấy
Ứng dụng của Polymer phân hủy sinh học trong xử lý nước thải có ô nhiễm hợp chất Chlor hydrocarbon đã được nghiên cứu thành công[1] Các vật liệu mang mới này có tính năng cao hơn tạo khả năng áp dụng vật liệu mang này vào trong bể sinh học có giá thể chuyển động, thích ứng với điều kiện vận hành có tốc độ dòng chảy cao và gia tăng quá trình trao đổi chất Tạo điều kiện thuận lợi để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy
Chapanova[6] nghiên cứu ứng dụng Biocompound trong các bộ lọc hồ cá thông thường Ở đây vấn đề là ở loại bỏ các NO 3 đặc biệt (khử nitơ) ở điều kiện có nồng độ O 2 cao Với khối lượng Biocompound tương ứng có 50 g đã có thể giữ ổn định nồng độ NO 3 tập trung ở một hồ cá ~
150 lít trong khoảng thời gian nhiều tháng liên tục
Trang 134
Hille et al [7] nghiên cứu ứng dụng của Biocompound PHB/PCL làm vật liệu mang trong bể xử
lý BAS (biofilms airlift suspension)
Các kết quả nghiên cứu báo cáo về sự biến đổi cấu trúc vật liệu mang, các quá trình trao đổi chất trong màng sinh học của bám trên bề mặt vật liệu mang này Nghiên cứu chế tạo giá thể cho màng sinh học cần thỏa mãn các yêu cầu như:
- Chất nguồn cacbon cơ sở phải có kích thước hạt cụ thể không nóng chảy vào trong chất mang (nền) sau khi gia công
- Có diện tích bề mặt lớn
- Có cấu trúc bề mặt thích hợp với vi sinh vật
- Có khả năng thích ứng cho công nghệ xử lý nước thải
1.2 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới
Hiện nay ở Việt Nam, đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại Việc chủ động chế tạo ra các sản phẩm (mang tính sinh học) có khả năng xử lý chất dinh dưỡng nước thải dân dụng là một việc vô cùng cần thiết
Xử lý chất thải luôn luôn là vấn đề cấp thiết để có được sự phát triển bền vững Tuy nhiên, trong đa số trường hợp quá trình xử lý chất thải này lại đem đến ô nhiễm khác Quá trình xử lý chất thải không đễ lại cặn bã nào khác là 1 quá trình mà các nhà khoa học tìm kiếm Trong thời gian gần đây, phương pháp khử Nitơ trên cơ sở sử dụng nguồn carbon là polymer phân hủy sinh học là hướng được nhiều tác giả quan tâm Có 2 loại polymer thường được sử dụng cho mục đích này: polymer tự nhiên (cellulose) và polymer phân hủy sinh học tổng hợp (PCL, PHA) Polymer tự nhiên có ưu điểm là rẻ tiền nhưng lại làm tăng DOC của hệ xử lý Polymer tổng hợp cho hiệu quả tốt nhưng giá thành lại cao Chính vì thế vấn đề giá thành của pp xử lý Nito bằng polymer tổng hợp có thể được khắc phục bằng việc phối trộn các polymer với tinh bột
Với tiềm năng nông nghiệp lớn như nước ta, tinh bột là nguồn tài nguyên phong phú, dễ kiếm, là polyme sinh học đang được quan tâm vì khả năng phân hủy tự nhiên và có thể gia công bằng các phương pháp truyền thống: đùn, ép, thổi… và đặc biệt là có giá thành rẻ Ứng dụng tinh bột làm chất mang trong giá thể thay thế chất mang truyền thống đắt tiền như polycaprolactam… với giá thành hợp lý loại giá thể này có một tiềm năng ứng dụng đầy hứa hẹn nhằm đáp ứng nhu cầu xử lý nước thải dân dụng cho các khu vực dân cư chưa có hệ thống
xử lý nước thải lớn như ở vùng sâu vùng xa hay biên giới hoặc hải đảo nhằm phục vụ người dân và các chiến sĩ
Trang 14a Polyhydroxybutyrat: TYP 103 Brasil: Độ ẩm: 15%; Tỉ trọng: 1,62 g/cm3
b Polyme nền được lưa chọn cần có nhiệt độ gia công thấphơn nhiệt độ gia công của polyme dinh dưỡng để chúng không bị nóng chảy tạo thành blend: Tinh bột sắn (củ mì) số 8 củacông ty TNHH Bột Mì Đại Phong.Độ ẩm: 15%; Tỉ trọng : 1,62 g/cm3; Nhiệt độ gia công 120°C –160°C
c Chất phụ trợ: Glycerol công nghiệp Trung Quốc; Độ tinh khiết ≥ 99%; Điểm sôi: 290oC; Tỉ trọng: 1,261g/cm3
d Đơn pha chế : Được tính toán để so sánh với mẫu của Polymer research Center
(Germany) đã sử dụng - Tinh bột sắn: 338,26 g; Glycerol: 101,42 g; PHB: 84,56
1.3 Trộn hợp và tạo mẫu giá thể
- Tinh bột có độ ẩm nhất định Æ sấy ở nhiệt độ 800C trong vòng 1 ngày
- Định lượng PHB, tinh bột và glycerol theo khối lượng tính toán
- Trộn sơ bộ bằng tay, thay đổi các thông số theo hoạch định thí nghiệm
- Sau đó gia công trên máy trộn kín 2 trục vít MX500–D75L90 của hãng CHAREON TUT Thái Lan tại phòng thí nghiệm cao su, khoa công nghệ vật liệu, trường ĐHBK TP HCM Máy trộn kín cóthể tích buồng trộn là 510 cm3(hệ
số điền đầy là 70%) vàtrục vít CAM với hệ số D/L = 75/90
- Hỗn hợp sau khi trộn được xuất dưới dạng khối : Gia nhiệt máy khuôn ép và đến
1300C Mẫu trộn được cắt thành những miếng nhỏ (dễ ép) cho vào khuôn 2 mảnh, kích thước lòng khuôn 15 × 15 × 0,2 (cm) Sử dụng tấm PET để chống