Luận văn thạc sĩ chế tạo vật liệu mang vi sinh sử dụng vật liệu tổ hợp nhựa với phụ phẩm nông nghiệp

Chính quá trình chuyển động của giá thể giúp tăng cường tiếp xúc giữa vi sinh với chất hữu cơ và ôxy, phân bố bùn trong không gian được đồng đều hơn, nhờ vậy nâng cao hiệu quả xử lý nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN VĂN TUẤN

CHẾ TẠO VẬT LIỆU MANG VI SINH SỬ DỤNG VẬT LIỆU

TỔ HỢP NHỰA VỚI PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN VĂN TUẤN

CHẾ TẠO VẬT LIỆU MANG VI SINH SỬ DỤNG VẬT LIỆU

TỔ HỢP NHỰA VỚI PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý

Mã số: 8440112.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Bùi Thái Thanh Thư

TS Vũ Ngọc Duy

LỜI CẢM ƠN

Là một học viên cao học của Khoa Hóa Học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cô, những người đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và động viên em trên con đường học tập

và nghiên cứu trong giai đoạn vừa qua Những thông tin kiến thức mà em nhận được qua quá trình học tập sẽ giúp em vững bước trên con đường nghiên cứu của riêng mình trong giai đoạn tiếp theo Em xin chân thành cảm ơn nhà trường và khoa Hóa học đã tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành chương trình đào tạo

Em xin gửi lời cảm ơn tới TS Bùi Thái Thanh Thư và TS Vũ Ngọc Duy Thầy, cô đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô, các anh chị em làm việc trong phòng nghiên cứu Công nghệ Môi trường, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường

và Phát triển bền vững đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm việc tại phòng thí nghiệm.

Em xin cảm ơn đề tài QG.19.07 của Đại học Quốc gia Hà Nội đã hỗ trợ các nội dung nghiên cứu của em trong quá trình thực hiện luận văn

Sau cùng, em muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè và gia đình, những người luôn động viên và tạo điều kiện giúp em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống

để hoàn thành khóa học

Học viên

Nguyễn Văn Tuấn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13

1.1 Nước thải và các công nghệ xử lý nước thải 3

1.1.1 Ô nhiễm môi trường bởi nước thải 3

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải 6

1.2 Công nghệ MBBR và vật liệu mang 13

1.2.1 Công nghệ MBBR trong xử lý nước thải 13

1.2.2 Vật liệu mang và đặc tính của vật liệu mang 21

1.2.3 Vật liệu mang vi sinh compozit gỗ nhựa 24

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 30

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 30

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 30

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 30

2.2 Nguyên vật liệu, thiết bị và dụng cụ 30

2.2.1 Thiết bị sử dụng 30

2.2.2 Nguyên liệu và hoá chất 31

2.3 Quy trình thực hiện 31

2.3.1 Quy trình tạo mẫu compozit gỗ nhựa và các phương pháp đo 32

2.3.2 Chế tạo vật liệu mang vi sinh và các phương pháp khảo sát 35

2.4 Cấu tạo mô hình khảo sát VLM vi sinh 38

2.4.1 Cấu tạo hệ thống 38

2.4.2 Vận hành hệ thống và lấy mẫu, phân tích mẫu 39

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Khảo sát tính chất cơ lý của vật liệu compozit gỗ nhựa 41

3.2 Khảo sát tính chất của vật liệu mang vi sinh 42

3.2.1 Giản đồ phân tích nhiệt (TGA )của vật liệu gỗ nhựa 42

3.2.2 Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) của vật liệu 47

3.2.3 Khả năng hút nước của vật liệu 51

3.2.4 Tỷ trọng 52

3.3 Hiệu quả xử lý COD của hệ thống 54

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 BET Brunauer, Emmett and Teller

3 BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học

4 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học

6 F/M Food over Microorganism Tỷ lệ thức ăn trên sinh khối

7 HRT Hydraulic Retention time Thời gian lưu thủy lực

8 MBBR Moving Bed Biofilm Reactor Bồn phản ứng có vật liệu

mang vi sinh chuyển động

9 MLSS Mixed Liquor Suspended

Solids

Hàm lượng chất rắn lơ lửng

10 SALR Surface Area Loading Rate Tải trọng bề mặt

12 SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn

14 TOC Total Organic Carbon Tổng các bon hữu cơ

23 LDPE Low density polyethylene Polyethylen tỷ trọng thấp

24 SEM Scanning Electron Microsope Kính hiển vi điện tử quét

25 TGA Thermal Gravimetric Analysis Phân tích nhiệt trọng lượng

26 DSC Differential scanning

calorimetry Phân tích nhiệt quét vi sai

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân loại chất rắn trong nước thải 16

Hình 1.2 Chuyển động của VLM trong bồn MBBR hiếu khí và thiếu khí 26

Hình 1.3 Chu trình Nitơ – Cơ sở quá trình sinh học loại nitơ 31

Hình 1.4 Công thức cấu tạo cellulose 40

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 43

Hình 2.2 Thiết bị trộn nội Polylab System, Haake (Đức) 43

Hình 2.3 Thiết bị đo tính chất cơ lý đa năng Zwick Z2.5 (Đức) 44

Hình 2.4 Dạng mẫu đo tính chất cơ lý 44

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 48

Hình 2.6 Mô hình hệ thống nuôi vi sinh thực tế 49

Hình 3.1 Mẫu đo tính chất cơ học của vật liệu 50

Hình 3.2 Khảo sát ảnh hưởng độ bền uốn và kéo của vật liệu 51

Hình 3.3 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 30% gỗ 53

Hình 3.4 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 40% gỗ 54

Hình 3.5 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 50% gỗ 54

Hình 3.6 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 60% gỗ 55

Hình 3.7 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 70% gỗ 55

Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu bột gỗ 56

Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu nhựa PE 56

Hình 3.10 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 30% gỗ 57

Hình 3.11 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 40% gỗ 57

Hình 3.12 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 50% gỗ 58

Hình 3.13 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 60% gỗ 58

Hình 3.14 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 70% gỗ 59

Hình 3.15 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu nhựa PE 59

Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu bột gỗ 60

Hình 3.17 Độ hấp thụ nước các mẫu qua thời gian ở nhiệt độ phòng 61

Hình 3.18 Vật liệu mang vi sinh 63

Hình 3.19 Kết quả chụp SEM của vật liệu 64

Hình 3.20 Biến thiên của độ pH trong quá trình thí nghiệm 65

Hình 3.21 Biến thiên thể tích bùn lắng SVI 30 66

Hình 3.22 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 1 67

Hình 3.23 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 2 68

Hình 3.24 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 3 69

Hình 3.25 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 4 70

Hình 3.26 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 5 71

Hình 3.27 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 6 72

Hình 3.28 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 7 73

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại công nghệ xử lý nước 18

Bảng 1.2 Thế oxi hóa khử của một số tác nhân oxi hóa mạnh trong môi trường nước [11] 21

Bảng 1.3 Phản ứng tạo gốc ∙OH của các quá trình oxi hóa tiên tiến 21

Bảng 1.4 Phân loại các quá trình oxi hóa tiên tiến 22

Bảng 1.5 Một số công trình nghiên cứu về MBBR trên thế giới 29

Bảng 1.6 Tổng hợp ưu điểm, nhược điểm của hệ thống xử lý có cải tiến bằng công nghệ MBBR 32

Bảng 1.7 Đặc điểm của một số VLM [4] 33

Bảng 1.8 Các nghiên cứu sử dụng VLM 35

Bảng 1.9 Một số tính chất vật lý đặc trưng của PE 39

Bảng 2.1 Tỷ lệ khối lượng các mẫu khảo sát tính chất cơ lý 43

Bảng 2.2 Các thông số hệ thống bình hiếu khí 48

Bảng 2.3 Tần suất và vị trí lấy mẫu phân tích 49

Bảng 2.4 Chỉ tiêu và phương pháp phân tích 49

Bảng 3.1 Kết quả đo tính chất cơ lý của vật liệu 50

Bảng 3.2 Nhiệt độ đề polymer hóa của vật liệu 56

Bảng 3.3 Kết quả phân tích quét vi sai (DSC) của các mẫu vật liệu 60

Bảng 3.4 Độ hấp thụ nước các mẫu qua thời gian ở nhiệt độ phòng 61

Bảng 3.5 Tỷ trọng của mỗi mẫu vật liệu 62

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát COD và hàm lượng vi sinh trong bồn 64

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 1 66

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 2 67

Bảng 3.9 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 3 68

Bảng 3.10 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 4 69

Bảng 3.11 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 5 70

Bảng 3.12 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 6 71

Bảng 3.13 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 7 72

Bảng 3.14 Hiệu suất xử lý COD của các bồn thí nghiệm 73

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường đã và đang là vấn đề “nóng” trên phạm vi toàn cầu Hàng ngày, chúng ta thường xuyên bắt gặp thông tin trên truyền hình, báo chí liên quan đến biến đổi khí hậu, trái đất ấm lên, băng tan, mưa axit, lũ lụt, hạn hán… Những hiện tượng này đều bắt nguồn từ sự phát thải chất ô nhiễm và phá hoại thiên nhiên của con người Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường cũng ngày càng trở nên trầm trọng, chất lượng không khí, chất lượng nước mặt đang bị nhiễm bẩn Nguyên nhân của vấn đề này là sự xả thải không qua xử lý hay xử lý chưa đạt ra môi trường từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt của con người Trong

số các chất ô nhiễm thì các chất hữu cơ là thành phần phổ biến nhất, có mặt trong hầu hết các loại nước thải như nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp Trong số các công nghệ xử lý ô nhiễm hữu cơ thì công nghệ bùn hoạt tính được ứng dụng rộng rãi nhất nhờ các ưu điểm như công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp, thân thiện với môi trường Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là tốc độ chuyển hóa chậm nên thời gian lưu nước tương đối lâu dẫn đến thể tích hệ phản ứng lớn Đây là hạn chế lớn khi áp dụng ở những nơi thiếu diện tích xây dựng Nhằm tăng cường tiếp xúc để nâng cao tốc độ chuyển hóa, trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý sinh học với vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) Công nghệ này đã được ứng dụng tại Việt Nam Điểm nổi bật nhất của công nghệ MBBR là vật liệu mang làm giá thể cho vi sinh bám chuyển động tự do trong môi trường nước thải nhờ dòng khí cấp cho vi sinh hiếu khí hoạt động Vi sinh vật trong bồn hiếu khí sẽ tồn tại ở hai trạng thái: huyền phù trong nước và ở màng vi sinh trên giá thể Chính quá trình chuyển động của giá thể giúp tăng cường tiếp xúc giữa vi sinh với chất hữu cơ và ôxy, phân bố bùn trong không gian được đồng đều hơn, nhờ vậy nâng cao hiệu quả xử lý nước thải

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng về phương diện kinh tế công nghệ MBBR có hạn chế là vật liệu mang cần phải nhập khẩu, giá thành cao dẫn đến hạn chế việc áp dụng tại Việt Nam

Để khắc phục vấn đề chi phí nói trên của công nghệ MBBR, nghiên cứu này

lựa chọn đề tài “Chế tạo vật liệu mang vi sinh sử dụng vật liệu tổ hợp nhựa với

phụ phẩm nông nghiệp”

 Mục tiêu của đề tài

Chế tạo vật liệu mang trên cơ sở tổ hợp mùn cưa và nhựa HDPE, đánh giá tính chất cơ lý và khả năng nuôi cấy vi sinh trong hệ thống MBBR của vật liệu

 Nội dung nghiên cứu

- Chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa: đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ gỗ nhựa đến các tính chất cơ lý: độ bền kéo đứt, độ bền uốn và chụp SEM

- Trên cơ sở các tính chất cơ lý lựa chọn thành phần tối ưu để chế tạo vật liệu mang vi sinh, đánh giá tính chất của vật liệu: hấp thụ nước, tỷ trọng, TGA, DSC

- Đánh giá hiệu quả xử lý vi sinh của công nghệ bùn hoạt tính khi áp dụng vật liệu mang thu được

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Nước thải và các công nghệ xử lý nước thải

Sự phát triển của nền kinh tế và đời sống xã hội cũng đồng nghĩa với nhu cầu tiêu thụ và sử dụng nguyên vật liệu gia tăng, trong đó có nguồn nước Sau quá trình

sử dụng, nước bị nhiễm bẩn bởi nhiều loại tạp chất khác nhau Theo quy định, các loại nước thải cần phải được xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi xả ra môi trường Tuy nhiên đến nay, hiện tượng xả các loại nước thải chưa xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn vẫn xảy ra thường xuyên Hậu quả là ô nhiễm môi trường gia tăng, ảnh hưởng đến hệ sinh thái cũng như sức khỏe của con người Theo thông tin từ bộ Tài nguyên và Môi trường, trong 6 tháng đầu năm 2020 đường dây nóng của tổng cục môi trường đã nhận được hơn 1.520 thông tin phản ánh về ô nhiễm môi trường Trong những năm qua, nhiều sự cố môi trường đã xảy ra trên diện rộng như: vụ cháy nhà máy của Công ty cổ phần bóng đèn phích nước Rạng Đông, ô nhiễm nguồn nước của nhà máy xử lý nước sạch Sông Đà năm 2019, sự cố xả thải ra biển của công ty gang thép Fomosa, Hà Tĩnh năm 2016, vụ công ty Vedan xả thải trực tiếp ra sông Thị Vải năm 2006

Ô nhiễm môi trường nói chung, ô nhiễm môi trường nước nói riêng đã và đang

là một vấn nạn toàn cầu Nguồn gốc ô nhiễm môi trường nước chủ yếu là do các nguồn nước thải không được xử lý hoặc xử lí không tốt từ các hoạt động sinh hoạt của con người, từ sản xuất công, nông nghiệp, dịch vụ, Trong đó, nước thải công nghiệp là cần quan tâm nhất do thường chứa các chất hữu cơ có thành phần rất đa dạng, nhiều trong số đó độc hại và rất khó xử lý Những chất hữu cơ này thường rất khó bị phân hủy bởi vi sinh khi xử lí cũng như khi đi vào môi trường Vì vậy chúng tồn tại lâu trong môi trường, trong đó có nhiều chất độc, sẽ là mối nguy hại lâu dài tới sức khỏe con người nói riêng và và môi trường nói chung

Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng Theo cách phân loại này, có các loại nước thải sau [3]

- Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho mục đích sinh

hoạt của con người: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh, Một số hoạt động công cộng hoặc dịch vụ như bệnh viện, trường học, khách sạn, nhà hàng cũng tạo ra loại nước thải

có thành phần, tính chất giống nước thải sinh hoạt;

- Nước thải công nghiệp: phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp

- Nước thải nông nghiệp: phát sinh từ các hoạt động nông nghiệp

Các loại nước thải này thường có những đặc trưng ô nhiễm riêng, phụ thuộc vào loại hình sản xuất Một số thông số ô nhiễm phổ biến của nước thải bao gồm: a) Hàm lượng chất rắn

Tổng chất rắn là thành phần đặc trưng quan trọng nhất của nước thải Theo kích thước của hạt rắn, tổng chất rắn được phân thành các loại: chất rắn lơ lửng, chất rắn keo và chất hòa tan (được trình bày trong hình 1.1)

Chất hòa tan

10-5 10-4 10-3

10-8 10-7 10-6

Chất rắn keo Kích thước hạt, µm

Chất rắn lắng thường được xác định là những hạt rắn sẽ lắng xuống đáy bình hình côn (phễu imhop) trong 60 phút, tính bằng mL/L Chỉ tiêu này là một phép đo gần đúng lượng bùn sẽ được loại bỏ trong lắng sơ cấp [3] Các chất rắn dạng keo sẽ được loại bỏ nhờ quá trình keo tụ tạo bông Phần chất tan sẽ được loại bỏ bằng các phương pháp khác như hấp phụ, lọc màng,…

b) Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm hữu cơ của nước thải BOD được định nghĩa là lượng oxy vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ

Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ do tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC, ký hiệu BOD5 Chỉ tiêu này đã được chuẩn hóa và sử dụng trên toàn thế giới [3]

c) Nhu cầu oxy hóa học COD

Chỉ số này cũng được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất ô nhiễm hữu

cơ trong nước thải và nước tự nhiên Nhu cầu oxi hoá học (COD) được định nghĩa

là nồng độ khối lượng của oxy tương đương với lượng dicromat tiêu tốn bởi các chất lơ lửng và hoà tan trong mẫu nước khi mẫu nước được xử lý bằng chất oxi hoá

đó ở điều kiện xác định [1] Như vậy, COD là lượng oxy tương đương với các tác nhân cần để oxi hoá các chất hữu cơ trong nước Như vậy, các giá trị BOD, COD càng cao thì nước càng ô nhiễm [1,3]

d) Các hợp chất của Nitơ và Phốt pho

Nitơ trong nước thải có thể tồn tại ở các dạng chủ yếu sau: nitơ hữu cơ HC), nitơ dạng amoni (N-NH4+), nitơ dạng nitrit (N-NO2), nitơ dạng nitrat (N-NO3)

(N-Vì nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào tổng hợp protein nên số liệu về nitơ rất cần thiết để xác định khả năng có thể xử lý một loại nước thải nào đó bằng các quá trình sinh học [2, 5]

Giống như Nitơ, photpho cũng là chất dinh dưỡng rất cần thiết cho vi sinh vật Tuy nhiên, khi hàm lượng quá cao sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng gây ô nhiễm môi trường nước Việc kiểm soát nitơ và photpho sẽ giúp kiểm soát quá trình xử lý nước thải bằng các biện pháp sinh học [2, 5]

Do nguồn nước thải thường chứa nhiều chất ô nhiễm nên dây chuyền xử lý thường là tổ hợp của các kĩ thuật công nghệ khác nhau phụ thuộc vào đặc tính ô nhiễm Xét về khả năng xử lý thì các công nghệ có thể được phân chia thành 4 bậc như sau [2, 5]

Bảng 1.1 Phân loại công nghệ xử lý nước [2, 5]

Song chắn rác Keo tụ, tạo bông Oxi hóa tiên tiến Trao đổi ion

Xử lý bậc 1 (bậc sơ cấp): bậc xử lý này chỉ có khả năng tách loại được các tạp

chất có kích thước lớn có thể nhận biết bằng cảm quan Các phương pháp xử lý bậc 1 thường là các biện pháp cơ học thường thấy là: song chắn rác, lưới chắn rác, bồn điều hòa, bồn lắng, lọc cơ học, tách dầu mỡ,… Phương pháp xử lý cơ học hoạt động dựa trên các lực vật lý như lực trọng trường, lực ly tâm… Đây là phương pháp xử lý sơ bộ nước thải trước khi xử lý bằng phương pháp hóa lý, hóa học và sinh học để tách các tạp chất không hoà tan, các hạt lơ lửng có kích thước đáng kể ra khỏi nước thải

Xử lý bậc 2: Các phương pháp xử lý bậc 2 tập trung vào loại bỏ các tạp chất lơ

lửng, chất hữu cơ (COD, BOD) để tránh sự phân hủy của chúng trong nước, sẽ tạo

ra mùi hôi và giảm nồng độ oxy hòa tan Các phương pháp xử lý bậc 2 thường là

các phương pháp hóa lý như: keo tụ tạo bông, tuyển nổi,… kết hợp với các quá trình sinh học như yếm khí, hiếu khí và thiếu khí… Hiệu suất xử lý có thể lên tới tới 80% tại cấp xử lý này Xử lý bậc 2 lại không xử lý được các thành phần sinh dưỡng như Nitơ và photpho

- Phương pháp keo tụ tạo bông

Trong môi trường nước, các chất không tan tồn tại ở dạng các hạt keo Do có cấu tạo lớp điện kép, các hạt này có điện tích cùng dấu nên đẩy nhau Vì vậy, các hạt tồn tại ở dạng tách rời Khi môi trường có thêm các ion có thể trung hòa điện tích lớp kép (giảm thế zeta), lực đẩy giữa các hạt keo giảm và chúng có khả năng tương tác với nhau để tạo tập hợp hạt to hơn Hiện tượng này được gọi là hiện tượng keo tụ Khi kích thước đủ lớn, các hạt bông tạo thành có thể lắng xuống đáy Phương pháp keo tụ tạo bông là một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong việc xử lí nước thải nhằm loại bỏ các hợp chất không tan cũng như một phần các chất tan

Các chất keo tụ thường dùng là muối của các cation đa hóa trị như muối nhôm: Al2(SO4)3.nH2O (n=14÷18) hoặc muối sắt FeCl3.nH2O Sau khi hòa tan trong nước các ion này trung hòa bớt điện tích bề mặt hạt keo, đồng thời thủy phân tạo hydroxit giúp hấp phụ thêm các tạp chất trong nước Trong quá trình keo tụ, người

ta còn sử dụng các chất trợ keo tụ như sét, polymer, silicat hoạt tính để tăng khả năng lắng, giúp quá trình xử lý thực hiện nhanh hơn

- Phương pháp tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi được sử dụng với chức năng tương tự như quá trình keo tụ - tạo bông trong xử lý nước để tách các chất không tan và một phần chất tan (khi sử dụng thêm chất keo tụ) Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý phân tán bọt khí nhỏ trong nước, các bọt khí này sẽ tương tác với các tạp chất không tan và kéo lên bề mặt Khí đưa vào hệ có thể thông qua phương pháp hòa tan khí ở

áp suất cao vào nước hoặc thổi khí ở áp suất thường Phương pháp hòa tan khí ở áp suất cao cho hiệu quả cao hơn do tạo các bọt khí mịn và đồng nhất, tuy nhiên

phương pháp cần có thêm máy nén khí, bình nén khí Nếu chỉ tạo bọt khí thì

phương pháp tuyển nổi không thể xử lý được các chất hòa tan Để nâng cao xử lý, các chất keo tụ thường được thêm vào nước thải trước khi nén/thổi khí Khi đó các

chất ô nhiễm hòa tan sẽ hấp phụ lên bông keo và được tách khỏi nước

- Phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (hay còn gọi là xử lý nước thải bằng vi sinh) là phương pháp xử lý dựa trên hoạt động của vi sinh vật, chủ yếu là sinh vật hoại sinh có trong nước thải Phương pháp sinh học được sử dụng để xử lý các chất hữu cơ, các hợp chất chưa nitơ Tùy theo điều kiện tiến hành mà công nghệ sinh học có thể được phân loại thành công nghệ vi sinh hiếu khí (xử lý nước chứa hàm lượng hữu cơ thấp, dưới 1000 mg/L), công nghệ vi sinh yếm khí (xử lý hàm lượng hữu cơ cao), công nghệ thiếu khí (xử lý hữu cơ, nitrate) Phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp, vận hành đơn giản nên vẫn là công nghệ phổ biến nhất để xử lý nước thải Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ là thời gian lưu nước lớn nên hệ thống cần không gian rộng, hơn nữa vi sinh (hiếu khí) nhạy với

pH và điều kiện sục khí nên cần theo dõi liên tục hệ thống

Xử lý bậc 3: Xử lý bậc 2 bằng công nghệ sinh học tuy có nhiều ưu điểm, tuy

nhiên vẫn còn 1 nhược điểm khác là xử lý các hợp chất nitơ không triệt để và không

xử lý được phốt pho Do đó, sau xử lý nước, chất lượng không đảm bảo tiêu chuẩn

xả thải Để khắc phục điều này, các công nghệ xử lý bậc 3 được nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ bậc 3 gồm phản ứng oxy hóa khử nâng cao, hấp phụ bằng than hoạt tính, ozon hóa…[3]

- Phương pháp oxi hóa tiên tiến

Quá trình oxi hóa tiên tiến là những quá trình xử lý phân hủy các chất ô nhiễm dựa trên cơ sở các gốc tự do hoạt động (điển hình là gốc hydroxyl •OH), được tạo ra ngay trong quá trình xử lý Các gốc hydroxyl rất hoạt động và là tác nhân oxi hóa gần như mạnh nhất

từ trước đến nay với thế oxi hóa khử Eo= +2,8 V, và chỉ đứng sau Flo (như trong bảng 1.2)

Bảng 1.2 Thế oxi hóa khử của một số tác nhân oxi hóa mạnh

đó các gốc hydroxyl này cho phép khoáng hóa các chất hữu cơ ô nhiễm, khó phân hủy sinh học trong thời gian từ vài phút đến vài chục phút

a Các quá trình tạo gốc •OH

Do gốc •OH có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi hóa rất nhanh

và không chọn lọc khi phản ứng với các hợp chất khác nhau nên các quá trình oxi hóa nâng cao trên cơ sở gốc •OH đã được nghiên cứu và áp dụng trong việc xử lý trong nước và nước thải Các quá trình tạo ra gốc •OH của từng quá trình oxi hóa nâng cao cụ thể được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Phản ứng tạo gốc ∙ OH của các quá trình oxi hóa tiên tiến

3 H2O và năng lượng

siêu âm

OH + ∙H (20-40kHz)

Quá trình siêu âm

Quang xúc tác bán dẫn

b Phân loại các quá trình oxi hóa tiên tiến

Các quá trình oxi hoá tiên tiến được phân thành 2 nhóm chính là nhóm các quá trình oxi hóa không nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Non – Photochemical Oxidation Protection – ANOPs) và nhóm các quá trình oxi hóa nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Photochemical Oxidation Protection – AOPs) như trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Phân loại các quá trình oxi hóa tiên tiến

Nhóm các quá trình oxi hóa không nhờ

tác nhân ánh sáng (Advanced Non

Photochemical Oxidation Protection -

ANOPs)

- Quá trình Fenton

- Quá trình Peroxon

- Quá trình Catazon

- Quá trình oxi hóa điện hóa

- Quá trình Fenton điện hóa

- Quá trình siêu âm

- Quá trình bức xạ năng lượng cao Nhóm các quá trình oxi hóa nhờ tác nhân

- Quá trình quang Fenton

- Quá trình quang Fenton biến thể

- Quá trình UV/H2O

- Quá trình quang xúc tác bán dẫn TiO2/UV

Hiệu quả của quá trình xử lý các chất ô nhiễm phụ thuộc vào rất nhiều thông

số như nồng độ tác nhân oxi hóa, cường độ ánh sáng UV, pH, nhiệt độ… cũng như thành phần của môi trường cần xử lý Ngoài ra, hiệu quả của quá trình oxi hóa có thể bị ảnh hưởng do sự tiêu thụ gốc hydroxyl của các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ có mặt trong môi trường Nhìn chung các phản ứng của các quá trình oxi hóa tiên tiến tương tự nhau, tuy nhiên hiệu quả xử lý và hiệu quả kinh tế của quá trình phụ thuộc vào phương pháp hình thành gốc •OH và các điều kiện vận hành của hệ thống

- Xử lý nước thải bằng công nghệ hấp phụ

Hấp phụ là phương pháp xử lý rất phổ biến được áp dụng trong xử lý nước để loại các chất tan trong nước cũng như trong xử lý khí để loại mùi và hợp chất dễ bay hơi Trong phương pháp này, các chất cần xử lý (chất bị hấp phụ) tích luỹ trên

bề mặt chất rắn khi nước thải được tiếp xúc với chất rắn Về bản chất hóa học thì phương pháp này không làm biến đổi chất cần xử lý mà chỉ tách chất ra khỏi nước thải Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể giải hấp trở lại dung dịch Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc giải hấp càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ giải hấp bằng tốc độ hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Nói chung, hấp phụ là phương pháp đơn giản nhưng có hiệu quả cao Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là sau một thời gian chất hấp phụ sẽ bão hòa

và cần thay thế mới

Tùy theo bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, quá trình hấp phụ có thể là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Hấp phụ vật lý có năng lượng tương tác nhỏ, không chọn lọc còn tương tác hóa học có năng lượng lớn hơn và có độ chọn lọc Đến nay nhiều mô hình hấp phụ được đưa ra, hai mô hình phổ biến được sử dụng để mô tả đẳng nhiệt hấp phụ (mối quan hệ giữa dung lượng và nồng độ chất bị hấp phụ khi cân bằng) là mô hình Langmuir và Freudlich Một trong những đặc trưng quan trọng của chất hấp phụ là dung lượng hấp phụ cực đại Thông số này được tính toán từ mô hình Langmuir

Phương pháp hấp phụ tuy là phương pháp lâu đời nhưng có nhiều ưu điểm:

- Có khả năng làm sạch nước, đáp ứng nhiều cấp độ về chất lượng

- Qui trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm là:

- Không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao

- Chuyển chất ô nhiễm từ pha này sang pha khác, tạo ra một lượng thải sau khi hấp phụ, không xử lý triệt để được ô nhiễm

Xử lý bậc 4: tập trung vào các đối tượng chất hữu cơ có hàm lượng rất nhỏ

trong nước thải có tính độc cao, là những chất có khả năng gây ung thư và đột biến

gien, bệnh thần kinh, gây quái thai (hooc môn, kháng sinh…) Các phương pháp xử

lý bậc 4 thường gồm quá trình siêu lọc, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách,… Nước sau bậc xử lý này có độ tinh khiết cao tuy nhiên chi phí cho xử lý lại quá cao nên bậc xử lý này chỉ áp dụng cho nước có yêu cầu vô cùng khắt khe về chất lượng ví dụ như nước sử dụng cho y tế, nước sản xuất dược phẩm, …

- Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải để tách ion của các kim loại như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn… cũng như các hợp chất của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ Phương pháp này cho phép thu hồi các chất và đạt được mức độ làm sạch cao Vì vậy trao đổi ion là một phương pháp được ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước và nước thải Bản chất của quá trình trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này được gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước Các chất trao đổi các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là các cationit Các chất có khả năng trao đổi với các ion âm gọi là các anionit Nếu như các ionit nào đó trao đổi

cả cation và anion thì người ta gọi chúng là ionit lưỡng tính Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo

1.2 Công nghệ MBBR và vật liệu mang

1.2.1 Công nghệ MBBR trong xử lý nước thải

a) Nguyên lý hoạt động

Như đã trình bày ở trên, công nghệ vi sinh đang được sử dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm Tuy nhiên, nhược điểm là tốc độ xử lý chậm Do đó, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của công nghệ này, nhiều kĩ thuật cải tiến đã được đề xuất và nghiên cứu, trong đó có công nghệ bồn sinh học với vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) Công nghệ MBBR đã được phát triển ở Na Uy vào đầu những năm

1990, [19] Công nghệ này sử dụng các vật liệu có tỷ trọng nhẹ hơn hoặc tương đương với nước làm vật liệu cho vi sinh vật bám dính vào tạo màng sinh học Vật

liệu chứa màng vi sinh này sẽ chuyển động liên tục trong bồn phản ứng tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp xúc với các chất hữu cơ

Giống như màng sinh học trong lọc sinh học, vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ sẽ dính bám và phát triển trên bề mặt các vật liệu Các vi sinh vật hiếu khí sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải để phát triển thành sinh khối Quần xã vi sinh sẽ phát triển và dày lên rất nhanh chóng cùng với sự suy giảm các chất hữu cơ trong nước thải Khi đạt đến một độ dày nhất định, khối lượng vi sinh vật sẽ tăng lên, lớp vi sinh vật phía trong do không tiếp xúc được nguồn thức

ăn nên chúng sẽ bị chết, sẽ bị bong ra rơi vào trong nước thải Một lượng nhỏ vi sinh vật còn bám trên các vật liệu sẽ tiếp tục sử dụng các hợp chất hữu cơ có trong nước thải để hình thành một quần xã sinh vật mới theo một vòng tuần hoàn [24] Nếu nhược điểm của lọc sinh học là diện tích tiếp xúc và khả năng phân phối màng vi sinh trong nước thải bị hạn chế thì công nghệ MBBR lại khắc phục được hoàn toàn hai nhược điểm trên Nhờ có tính lơ lửng nên VLM sẽ chuyển động liên tục trong bồn phản ứng theo dòng khí (đối với bồn hiếu khí – hình 1.2) hoặc theo sự khuấy trộn của dòng nước (đối với bồn thiếu khí – hình 1.2) và phân phối đều trong nước thải Bên cạnh đó các vật liệu mang được thiết kế với các hình dạng và kích thước khác nhau nhằm tăng cường tối đa diện tích bề mặt cho vi sinh bám dính (chi tiết sẽ được trình bày trong phần “ Vật liệu mang”)

Hình 1.2 Chuyển động của VLM trong bồn MBBR hiếu khí và thiếu khí

MBBR là một quá trình xử lý sinh học dựa trên sự kết hợp của công nghệ bùn

hoạt tính lơ lửng và công nghệ màng vi sinh bám dính Nếu trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính lơ lửng, vi sinh vật chủ yếu tồn tại ở dạng huyền phù - vi sinh vật tập hợp lại với nhau thành các tập hợp keo tụ nhỏ Tập hợp keo tụ của vi sinh có cấu trúc xốp, mật độ vi sinh thấp và phân bố khá đều trong môi trường nước [23]

Do mật độ vi sinh thấp nên hiệu suất xử lý của các hệ BHT lơ lửng không cao và khó tăng mật độ vi sinh vì nó liên quan đến các yếu tố vận hành khác Công nghệ MBBR làm tăng mật độ vi sinh (trên một đơn vị thể tích), đồng nghĩa với tăng hiệu quả xử lý lại ít gây ảnh hưởng tới các yếu tố vận hành khác [8-10] Công nghệ MBBR bổ sung vi sinh vật dưới dạng màng vi sinh và cũng phân bố khá đồng đều trong môi trường nước nhờ quá trình chuyển động [23]

- Thể tích VLM chiếm trong bồn

Wang và cộng sự (2005) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chất mang trong một bồn phản ứng MBBR Phần trăm là thể tích bị chiếm bởi các VLM trên thể tích phản ứng của bồn được tăng từ 10% lên 75% Họ tìm ra mối quan hệ parabol giữa thể tích VLM chiếm và tỷ lệ loại bỏ COD Kết quả cho thấy với thể tích VLM trong bồn từ 30-40% cho hiệu quả loại bỏ COD cao nhất [38]

- Các thông số vận hành – thời gian lưu (HRT) và tổng các bon hữu cơ (TOC) Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng thời gian lưu và tổng các bon hữu cơ có liên quan trực tiếp với nhau Đối với nước thải có TOC thấp, HRT trong khoảng từ

3 đến 12 giờ Nước thải có TOC cao và xử lý kỵ khí thì HRT dài hơn Tuy nhiên, HRT của mỗi hệ thống tại điều kiện môi trường của mỗi quốc gia là khác nhau vì vậy cần khảo sát thật kỹ HRT trước khi vận hành một hệ thống mới [25]

Các thông số vận hành – tốc độ sục khí

Mức độ sục khí có thể ảnh hưởng đến kích thước hạt như sục khí mạnh có thể gây ra sự phá vỡ của các hạt lớn hơn tạo ra các hạt nhỏ hơn Theo Åhl R.M và cộng

sự mức độ sục khí lớn sẽ phá vỡ các tập hợp lớn hơn thành những hạt nhỏ hơn nhưng chúng sẽ luôn luôn lớn hơn 20 µm [7]

Trong một nghiên cứu khác, Rahimi và cộng sự (2010) đã vận hành một hệ MBBR để tìm tốc độ sục khí tối ưu Kết quả cho thấy ở mức độ sục khí thấp hơn, các sinh vật dạng sợi trong các khối sẽ tăng, nếu tăng tốc độ sục khí lên các mức cao hơn, các sinh vật dạng sợi sẽ bắt đầu giảm Mặt khác, việc tăng tốc độ sục khí làm vỡ các bông sinh học lớn thành các hạt nhỏ hơn tạo ra vận tốc lắng thấp hơn [31]

Các thông số vận hành – tỷ lệ bùn tuần hoàn (QR)

Tuần hoàn bùn đóng vị trí rất quan trọng và là một yếu tố không thể thiếu trong quá trình xử lý nước thải bằng BHT Việc tuần hoàn bùn từ bồn lắng sẽ có tác dụng giúp duy trì nồng độ sinh khối trên một đơn vị thể tích được ổn định Mặt khác, việc tuần hoàn bùn để giúp tăng MLSS Điều này có nghĩa là giúp tăng sinh khối (vi sinh) để phân huỷ các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước

Đặc biệt, tuần hoàn bùn sẽ giúp duy trì sinh khối trong bồn hiếu khí Sau quá trình xử lý hiếu khí, toàn bộ lượng nước và sinh khối trong đó được đưa về bồn lắng

để tách loại nước và sinh khối, nếu tuần hoàn không được xảy ra thì sinh khối mỗi lúc mỗi giảm, khi mật độ vi sinh không được đảm bảo, khả năng xử lý sẽ giảm Tùy vào từng quá trình vận hành hệ thống xử lý nước cũng như đặc thù của từng bồn,

chúng ta sẽ điều khiển hệ số bùn tuần hoàn sao cho phù hợp nhất

c) Các ứng dụng MBBR trong thực tế

Công nghệ MBBR hiện đang là công nghệ được quan tâm nhất hiện nay với rất nhiều công trình nghiên cứu từ nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Việt Nam, các công trình nghiên cứu đại diện được tổng hợp trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Một số công trình nghiên cứu về MBBR trên thế giới

1

Nghiên cứu về quá trình sản

xuất sinh khối trong hệ thống

xuất mía đường

Lê Hoàng Việt, Võ Châu Ngân [5]

Việt Nam

4

MBBR hiếu khí trong xử lý

nước sản xuất bột giấy trắng

trong điều kiện nhiệt đới

S J Jahren, J.A Rintala,

sinh học của nước sông

Lariyah Mohd Sidek, Gasim Hayder, Hairun Aishah Mohiyaden, Hidayah Basri [28]

Indonesia

6 Ảnh hưởng của chất mang đến

Wang R., Wen X., Qian Y

Trung

hiệu suất và đặc điểm vi sinh

Tại Indonesia, Mỹ, Trung Quốc, Na Uy, Công nghệ MBBR rất phổ biến trong việc xử lý nước thải sinh hoạt, xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao và xử lý hợp chất nitơ trong nước thải [28, 32, 37]

Tại Việt Nam, công nghệ MBBR được ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt [4], xử lý nước thải thuộc da [2], xử lý nước thải ngành công nghiệp mía đường [5],

Kết quả thực tế đã chứng minh rằng xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học

có sử dụng công nghệ MBBR cho hiệu quả trong xử lý BOD, COD và chất dinh dưỡng Ví dụ như Ødegaard (2000) ứng dụng công nghệ MBBR để đạt được quá trình nitrat hóa, loại bỏ nitơ và loại bỏ BOD/ COD [26, 27]

So với công nghệ BHT lơ lửng công nghệ MBBR có nhiều ưu điểm như:

- Khả năng tích lũy vi sinh cao, do vi sinh tồn tại đồng thời ở hai dạng là huyền phù và dạng màng

- Hoạt tính trao đổi chất lớn Do tính chất nhầy của màng nên nó có thể bắt giữ cả các thành phần thức ăn ở dạng không tan Mức độ tập trung dinh dưỡng cao thúc đẩy sự phát triển của vi sinh và do đó có hoạt tính cao Cũng có ý kiến giải thích khả năng tăng hoạt tính nhờ quá trình biến đổi gien của vi sinh vật trong trạng thái kết khối trong màng [7, 17, 27]

- Các vi sinh vật sống trên biofilm khi liên kết với nhau thường có khả năng chống chịu các chất kháng khuẩn cao hơn so với tế bào sống tự do trong môi trường nuôi cấy Hệ thống có khả năng chịu được biến động tải trọng cao mà không cần sự

can thiệp của người vận hành [26]

- Bùn dễ lắng so với bùn hoạt tính, bùn (sinh khối) bong ra từ màng vi sinh

có khả năng lắng tốt hơn nhiều do tính đặc của màng (khối lượng riêng lớn) và mật

độ vi sinh dạng sợi trong đó thấp

- Có khả năng xử lý một phần các hợp chất nitơ Vi sinh vật bám trên bề mặt VLM gồm 3 loại: lớp ngoài cùng là vi sinh vật hiếu khí, tiếp là lớp vi sinh vật thiếu khí, lớp trong cùng là vi sinh vật kị khí Trong nước thải sinh hoạt, nitơ chủ yếu tồn

tại ở dạng amoni, hợp chất nitơ hữu cơ

Hình 1.3 Chu trình Nitơ – Cơ sở quá trình sinh học loại nitơ

Nitrat hóa là quá trình oxy hóa amoni bằng oxy hóa là oxy phân tử, được hai loại vi sinh vật thực hiện kế tiếp nhau:

6 NO2- + 3 CH3OH  3 N2 + 3 CO2 + 3 H2O + 6 OHPhản ứng tổng: 6 NO3- + 5 CH3OH  3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH-

Yêu cầu về diện tích mặt bằng xây dựng thấp do hoạt tính cao Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng chi phí xây dựng của hệ thống MBBR là vừa phải (bằng 80% chi phí để xây dựng các công trình xử lý bậc cao khác) [7]

- Chi phí vận hành thấp hơn [7]

- Do có diện tích hiệu dụng lớn thời gian lưu cho quá trình xử lý chỉ còn 6-12h

Sự thay đổi thời gian lưu phụ thuộc vào tải trọng hữu cơ của nước thải [26]

- Lợi thế của công nghệ MBBR so với các công nghệ màng sinh học khác là tính linh hoạt của nó Ta có thể sử dụng chúng để cải tiến bất kỳ bồn phản ứng nào bằng cách lựa chọn và tính toán thể tích VLM sao cho phù hợp với hệ xử lý đã có Bên cạnh đó công nghệ MBBR cũng tồn tại các hạn chế giống như công nghệ bùn hoạt tính như:

- Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi nồng độ cao của dầu mỡ và tổng chất rắn lơ lửng

Dù công nghệ này đã được phổ biến từ cả thập kỷ trước nhưng đối với mỗi loại nước thải khác nhau, ứng dụng ở những điều kiện môi trường cụ thể khác nhau

sẽ có các thông số thiết kế và vận hành khác nhau Vì vậy trước khi tiến hành ứng dụng công nghệ vào xử lý thực tế cần khảo sát các thông số cụ thể

- Không tái tạo năng lượng cũng là một nhược điểm của công nghệ này Toàn bộ các ưu điểm, nhược điểm của công nghệ MBBR được tổng hợp ngắn gọn trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Tổng hợp ƣu điểm, nhƣợc điểm của hệ thống xử lý có cải tiến

bằng công nghệ MBBR

- Xử lý cả BOD, COD và chất dinh

dưỡng

- Tính linh hoạt cao

- Chi phí xây dựng và vận hành ít tốn

kém

- Chịu được biến động tải trọng cao

- Chống chịu tốt với độc tố từ môi

trường

- Ít phát sinh bùn thải

- Đơn giản trong quá trình vận hành

- Hiệu suất giảm khi nồng độ dầu

mỡ và tổng chất rắn lơ lửng tăng

- Hiệu suất xử chất dinh dưỡng còn thấp so với các nghiên cứu

- Quá trình vận hành còn gặp nhiều vấn đề cần xử lý

- Cần có lao động tay nghề cao theo dõi quá trình vận hành của hệ thống

- Không tái tạo năng lượng

Để khắc phục các nhược điểm trên của công nghệ MBBR có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành Kết quả các nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất xử lý của bồn MBBR phụ thuộc mật thiết tới diện tích bề mặt của VLM VLM có diện tích bề mặt càng lớn sinh khối càng nhiều Chất mang có diện tích càng lớn thì kích thước mao quản càng nhỏ, tuy nhiên kích thước mao quản nhỏ lại hạn chế sự phát triển của vi sinh do hạn chế quá trình khuếch tán thức ăn vào bên trong Như vậy muốn công nghệ MBBR đạt hiệu quả cao trong xử lý nước thải nhân tố quan trọng chính là vật liệu mang

1.2.2 Vật liệu mang và đặc tính của vật liệu mang

Như đã trình bày ở trên, vật liệu mang (giá thể di động) là một nhân tố quan trọng trong quá trình xử lý chất thải ứng dụng công nghệ MBBR Cho đến nay, một

số hãng đã phát triển các sản phẩm giá thể di động, hình ảnh và đặc trưng của các giá thể di động được thể hiện ở bảng 1.7

L là chiều cao của vật liệu, D là đường kính của vật liệu

Bảng 1.7 cho thấy đặc điểm của một số VLM thông thường với kích thước, hình dạng và diện tích bề mặt cụ thể của chúng Thông tin được cung cấp bởi nhà sản xuất là Veolia Inc Veolia đã phát triển một số loại VLM như: Anoxkaldnes K1

và K3, Biofilm Chip M và P, …

Những giá thể này được thiết kế với mục tiêu:

- Có tổng diện tích bề mặt lớn để tích lũy được lượng sinh khối lớn

- Các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn một chút so với nước (tuỳ từng loại mà có

tỷ trọng khác nhau) đảm bảo tính lơ lửng trong nước

- Có độ bền cơ học cao để khắc phục hiện tượng bào mòn các giá thể di động xảy ra khi các chất mang chuyển động và va chạm vào nhau

Các VLM này đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu Bảng 1.8 cho thấy các loại VLM được áp dụng trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu cho hệ MBBR

Wang R., Wen X., Qian Y., [38]

2 Anoxkaldnes

Đánh giá loại bỏ nitơ thông qua tỷ

lệ nitrat hóa và tích lũy biofilm trong quá trình IFAS.”

Regmi và cộng sự, 2011, [29]

3 Biofilm

Loại bỏ vi chất nhờ sự tăng trưởng của vi sinh vật trong màng sinh học kết hợp bùn hoạt tính

Lê Hoàng Việt,

Võ Châu Ngân,

[5]

Với mẫu mã đa dạng thiết kế các loại VLM phù hợp cho nhiều yêu cầu, các VLM này đã được thương mại hóa trên thị trường Các giá thể này có ưu điểm khá tốt tuy nhiên giá thành khi ứng dụng ở Việt Nam vẫn còn khá cao (do phải nhập khẩu giá thể), gây cản trở trong việc áp dụng ở quy mô rộng Để giảm giá thành, VLM cần được chế tạo trong nước, sử dụng các nguyên liệu sẵn có và phổ biến, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu về diện tích bề mặt, tỷ trọng, độ bền cơ học,

1.2.3 Vật liệu mang vi sinh compozit gỗ nhựa

Vật liệu compozit gỗ nhựa là một loại vật liệu kết hợp giữa bột gỗ và nhựa nhiệt dẻo, sự kết hợp giữa gỗ và nhựa mang lại nhiều tính năng ưu việt cho sản

phẩm, so với vật liệu gỗ đơn thuần vật liệu compozit gỗ nhựa có kích thước ổn định hơn, không bị xuất hiện vết rạn nứt, không bị cong vênh, dễ dàng tạo màu sắc cho sản phẩm, có thể gia công giống như vật liệu gỗ dùng keo để kết dính, vít để liên kết, cố định, quy cách hình dạng có thể căn cứ vào yêu cầu của người dùng để điều chỉnh, tính linh hoạt cao Có tính nhiệt dẻo của vật liệu nhựa từ đó dễ dàng gia công, tạo hình, thông thường có thể gia công theo mẫu đặt sẵn hoặc có thể gia công theo yêu cầu cụ thể, có khả năng ứng dụng rộng Tính năng hóa học tốt, chịu được

độ pH, chịu được hóa chất, chịu được nước mặn, có thể sử dụng được ở nhiệt độ thấp, và đặc biệt là có thể sử dụng nhiều lần, nên thân thiện với môi trường [8,10] Tại Việt Nam trong những năm qua ngành gỗ có tốc độ phát triển cao và là một trong 10 ngành xuất khẩu chủ lực của cả nước Chỉ trong 13 năm trở lại đây, kim ngạch xuất khẩu của ngành gỗ đã tăng rất nhanh, từ 219 triệu USD năm 2010,

đã tăng lên khoảng 5,0 tỷ USD trong năm 2016 Với kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ trong những năm qua; Việt Nam đang khẳng định vị trí số 1 ở khu vực Đông Nam

Á về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ Với tốc độ phát triển như vậy Việt Nam đang trở thành một trong 10 nước hàng đầu về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ lớn trên thế giới Hiện tại, hàng năm ngành công nghiệp chế biến gỗ nước ta phải nhập khẩu từ 3,5 -

4 triệu m3 gỗ tự nhiên, trong khi lượng phế liệu trong sản xuất chế biến gỗ phụ thuộc vào nguyên liệu, kích thước tạo sản phẩm, công suất thiết bị và thường chiếm

tỷ trọng từ 45 - 63% thể tích nguyên liệu Có thể thấy lượng phế liệu gỗ là rất lớn và hiện nay chủ yếu sử dụng để làm nhiên liệu [12] Vấn đề đặt ra là làm thế nào để sử dụng hiệu quả lượng phế liệu gỗ này nhằm nâng cao tỷ lệ sử dụng nguyên liệu đồng thời bảo vệ môi trường Bên cạnh đó, phế liệu chất dẻo từ các loại nhựa đồ dùng trong sinh hoạt hàng ngày rất đa dạng và phong phú Phế liệu này có nguồn gốc từ polypropylen (PP), polyethylen (HDPE, LDPE ) và polyvinylchlorit (PVC)…hiện tại chưa có số liệu điều tra chính xác về lượng nhựa phế thải này, tuy nhiên theo kết quả điều tra năm 2002 của viện Vật liệu xây dựng cho thấy lượng nhựa phế thải trong rác thải sinh hoạt của Hà Nội là khá cao 7-8% Nếu tính trung bình lượng rác thải của Hà Nội là 7.000 tấn/ngày thì chỉ tính riêng Hà Nội thải ra khoảng 70 tấn

nhựa phế thải Như vậy có thể thấy nguồn nguyên liệu này là rất lớn [13,14]

Vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng phế liệu gỗ và nhựa polyethylene phế thải tái chế để sản xuất vật liệu gỗ nhựa là xu hướng mới được nhiều nước quan tâm nghiên cứu, vừa để nâng cao giá trị lợi dụng gỗ, tiết kiệm nguyên liệu, góp phần giảm thiểu

ô nhiễm môi trường

Thành phần, cấu tạo vật liệu compozit gỗ-nhựa

Cấu tạo mạch thẳng của PE là:

PE tỉ trọng thấp (LDPE) ở dạng trong mờ, là chất rắn giống như sáp, có tỷ trọng nhỏ hơn, có độ cứng tương đối thấp hơn và nhiệt đọ chảy mềm cao hơn PE tỉ trọng cao (HPDE), nhưng LDPE chịu bền va đập tốt hơn PE có tính chất cách điện tốt PE ở dạng màng mỏng thì trong, còn ở dạng khối thì đục, không độc, khi ở nhiệt

độ thấp vẫn giữ được tính dai và mềm không dẫn điện và không dẫn nhiệt, không cho nước và khí thấm qua, chống thấm khí O2, CO2, N2 và dầu mỡ đều kém Tùy thuộc vào loại PE mà chúng có nhiệt độ hóa thủy tinh khoảng -70oC và nhiệt độ chảy lỏng khoảng 110 – 130oC Tính chất cơ học của PE phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và độ mềm dẻo của mạch polyme, hàm lượng độn Tính chất cơ học của PE phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nhất là độ bền kéo, độ bền uốn, độ dãn dài Một số tính chất vật lý đặc trưng của PE được trình bày ở bảng 1.9

 Tính chất hóa học của PE

PE có khả năng chịu hóa chất, chịu axit, có khả năng oxi hóa mạnh PE không tan trong mọi loại dung môi ở nhiệt độ thường, nhưng ở nhiệt độ cao thì PE có khả năng tan trong một số dung môi hydrocacbon và hydrocacbon clo hóa Độ tan của

PE phụ thuộc vào tỉ trọng, tỉ trọng của PE càng cao thì độ hòa tan càng thấp Tại nhiệt độ phòng, PE vẫn có khả năng bị "trương" trong một số dung môi trên PE là polyme không cực, có tính chất không thấm nước, đối với hơi của chất có cực thì có

độ thấm khí nhỏ, còn đối với chất không cực thì độ thấm khí cao

 Vật liệu cốt

Vật liệu cốt sử dụng để sản xuất WPC thường sử dụng là bột gỗ và sợi thực vật Bột gỗ là vật liệu được nghiền mịn từ gỗ hay phế liệu trong chế biến gỗ như mùn cưa, phôi bào, phế liệu gỗ khác của các loại gỗ thông, bạch đàn,…thậm chí từ các phế phẩm nông nghiệp khác như vỏ trấu,… Kích thước bột gỗ sử dụng cho công nghệ chế tạo compozit gỗ nhựa thường có kích thước nhỏ hơn 1,2 mm tùy theo công nghệ ép phun hay ép đùn Với kích thước này, bột gỗ có thể tự cháy ở nhiệt độ 200oC Thông thường, bột gỗ sử dụng có kích thước trong khoảng 300 - 420 μm và được phân loại thành các cấp 50 - 150 μm, 100 - 200 μm, 200 - 450 μm và 450 - 700 μm [31]

Các thành phần hóa học chính của bột gỗ bao gồm cellulose, lignin, hemicelluloses và hợp chất vô cơ khác Trong đó cellulose, hemicellulose và lignin

là các thành phần ảnh hưởng lớn đến các tính chất của sợi

Hình 1.4 Công thức cấu tạo cellulose

Vật liệu compozit gỗ nhựa có các đặc trưng phù hợp với yêu cầu của đề tài nghiên cứu Vì vậy đề tài lựa chọn chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa làm VLM và ứng dụng làm VLM trong hệ thống MBBR để khảo sát khả năng bám dính và nuôi cấy vi sinh, cũng như xử lý nước thải qua phương pháp đo nồng độ COD

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là chế tạo vật liệu mang cho hệ vi sinh trên cơ sở

tổ hợp bột gỗ và nhựa HDPE, từ đó đánh giá tính chất cơ lý và khả năng nâng cao hiệu quả xử lý của vật liệu trong bồn vi sinh

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

- Chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa, đánh giá tính chất cơ lý: độ bền kéo đứt,

độ bền uốn và chụp SEM cấu trúc hình thái bề mặt vật liệu

- Lựa chọn điều kiện phù hợp để chế tạo vật liệu mang vi sinh đánh giá khả năng chịu môi trường của vật liệu: tỷ trọng, hấp thụ nước, TGA, DSC

- Đánh giá khả năng nâng cao hiệu quả xử lý vi sinh của vật liệu thu được

2.2 Nguyên vật liệu, thiết bị và dụng cụ

2.2.1 Thiết bị sử dụng

1 Máy đùn trục vít: Industrial DILONG (Trung Quốc)

2 Máy ép thuỷ lực Carve (Trung Quốc)

3 Máy cán mẫu: Toyoseiky (Nhật)

4 Máy phân tích nhiệt vi sai: DSC 131 – SETARAM (Pháp)

5 Máy phân tích nhiệt: TGA 131– SETARAM (Pháp)

6 Thiết bị đo tính chất cơ lý đa năng Zwick (Đức)

7 Thiết bị trộn nội Polylab System, Haake (Đức)

8 Tủ sấy Heraeus (Đức)

9 Kính hiển vi điện tử quét

10 Máy đo pH: Hanna HI1230 (Rumania)

11 Máy phá mẫu COD: Eco-16 (Europa)

12 Máy quang phổ kế UV-VIS 1240 (Simadzu- Nhật)

13 Cân phân tích AUX 220 (Simadzu- Nhật)

2.2.2 Nguyên liệu và hoá chất

 Polyethylen tỷ trọng cao (HDPE) , tỷ trọng = 0,95 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy: 150oC, dạng hạt, trong suốt

 Mùn cưa: Mua tại các cơ sở chế biến gỗ tại Đại Mỗ, Nam Từ Liêm, Hà Nội: Mùn cưa nghiền nhỏ bằng máy xay, rây qua với các kích thước: 0.5 mm, sau đó sấy khô ở 80o

C cho tới khối lượng không đổi

 Hoá chất phân tích COD

- Hỗn hợp phản ứng: Hoà tan 10,216g K2Cr2O7 loại tinh khiết, sấy sơ bộ ở 80°C trong 2 giờ, thêm 167 ml dung dịch H2SO4 đặc và 33,3g HgSO4 Làm lạnh và định mức tới 1000 ml

- Thuốc thử axit: Pha thuốc thử theo tỉ lệ 22g Ag2SO4/4 kg H2SO4 Để dung dịch pha khoảng 1 đến 2 ngày để lượng bạc sunfat tan hoàn toàn

- Dung dịch chuẩn kaliphtalat (HOOCC4H6COOK): Sấy sơ bộ một lượng kaliphtalat ở nhiệt độ 120°C Cân 850 mg kaliphtalat hoà tan và định mức

2.3 Quy trình thực hiện

Quy trình chế tạo vật liệu được chia thành 2 nội dung:

 Chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở tổ hợp bột gỗ và nhựa HDPE để đo

tính chất cơ lý: độ bền kéo đứt, độ bền uốn và chụp SEM, thực hiện tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

 Chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở tổ hợp bột gỗ và nhựa HDPE để làm vật liệu mang, nhằm khảo sát khả năng chịu môi trường và khả năng bám dính, nuôi cấy vi sinh, được thực hiện tại khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên

Hà Nội

2.3.1 Quy trình tạo mẫu và phương pháp xác định tính chất vật liệu

Quy trình tạo mẫu 1

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa

 Chế tạo mẫu

Các mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa trên cơ sở nhựa HDPE cùng với bột gỗ được chế tạo như sau: hỗn hợp 50 gam bao gồm nhựa HDPE cùng với bột gỗ và cân theo định lượng đơn phối liệu định sẵn (Bảng 2.1) Tiến hành trộn sơ bộ cơ học, sau

đó đưa hỗn hợp vào trộn hợp nóng chảy trong thiết bị trộn nội Polylab System, Haake (Đức) thời gian trộn từ 5-10 phút tại 150oC Giản đồ momen xoắn và năng lượng phối trộn biểu thị vật liệu ở trạng thái chảy nhớt thể hiện quá trình trộn được ghi qua phần mềm Polylab kết nối trực tiếp với thiết bị trộn kín Haake Sau khi quan sát hỗn hợp đã đạt được độ đồng đều trên giản đồ, tiến hành dừng máy để lấy mẫu Mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa được lấy ra khỏi máy trộn kín, được đưa qua máy ép thủy lực, tiến hành ép dưới áp lực ép từ 2-5 tấn, nhiệt độ ép 150-160oC, thời gian ép từ 3-5 phút để tạo thành các tấm mẫu gỗ nhựa có độ dày từ 2-4 mm

Bảng 2.1 Tỷ lệ khối lƣợng các mẫu khảo sát tính chất cơ lý