Bài báo này đề cập đến các nghiên cứu thí nghiệm trên pilot hệ thống lọc sinh học kiểu nhỏ giọt (biotrickling filter - BTF) xử lý khí H2S. Kết quả nghiên cứu cho thấy các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân huỷ H2S bao gồm: vận tốc bề mặt dòng dung dịch, nồng độ H2S đầu vào, độ pH của dung dịch tuần hoàn, thời gian lưu và nhiệt độ. Hệ thống BTF đạt hiệu quả cao đến 98.9% ở điều kiện: vận tốc bề mặt dòng dung dịch 5(m/h); nồng độ H2S đầu vào 100(ppm); pH dung dịch tuần hoàn 6-8; thời gian lưu 110(s); nhiệt độ 40(oC).
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xử lý ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường không khí nói riêng bằng phương pháp sinh học là xu hướng đang được nhiều nước phát triển trên thế giới sử dụng. Việt Nam vẫn đang phải nhập khẩu các hệ thống xử lý khí thải sử dụng công nghệ lọc sinh học. Đối với hệ thống nhập khẩu chúng ta thường gặp một số vấn đề như: (1) Việc tiếp nhận chuyển giao công nghệ và vận hành thường gặp khó khăn do nhà cung cấp thường không cung cấp đầy đủ các thông tin về hệ thống; (2) Chi phí đầu tư cao do phải qua nhiều khâu thương mại trung gian; (3) Do không chủ động được nguồn vi sinh vật (VSV) và vật liệu đệm dẫn đến bị động khi hệ thống có sự cố hay phải bảo trì định kỳ. Các khó khăn nêu trên sẽ được khắc phục khi chúng ta chủ động được công nghệ xử lý ô nhiễm không khí bằng phương pháp sinh học nói chung và hệ thống lọc sinh học kiểu nhỏ giọt (BTF) nói riêng.
Tại Việt Nam, Viện Công nghệ sinh học - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam đã nghiên cứu lựa chọn được chủng vi khuẩn, đồng thời đã triển khai cố định chủng VSV này lên vật liệu đệm có cấu tạo từ xenlulo/polyurethane. Để có cơ sở triển khai ứng dụng kết quả trên vào thực tế sản xuất, Viện khoa học an toàn và vệ sinh lao động đã phối hợp với Viện công nghệ sinh học thiết kế, chế tạo và lắp đặt pilot hệ thống lọc sinh học kiểu nhỏ giọt (BTF) xử lý H2S nhằm mục đích nghiên đánh giá khả năng phân huỷ H2S của vi sinh vật được lựa chọn trong pilot hệ thống kỹ thuật. Trong đó, Viện công nghệ sinh học thực hiện phần nuôi cấy vi sinh vật trên giá thể polime, còn Viện khoa học an toàn và vệ sinh lao động thực hiện phần thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý H2S của pilot hệ thống.
2. NGHIÊN CỨU TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM
2.1. Lựa chọn chủng loại, phân lập và nuôi cấy vi sinh vật
Lựa chọn được các chủng vi khuẩn có hoạt lực xử lý tốt. Đó là nhóm các vi khuẩn Thiobacillus, Beggiatoa, Alcaligenes, Pseudomonas. Mẫu nước thải và mẫu bùn được lấy từ bãi rác Nam Sơn (Sóc Sơn, Hà Nội) được sử dụng làm nguồn vi sinh vật ban đầu để làm giàu và phân lập vi khuẩn hiếu khí oxy hóa các hợp chất khử của lưu huỳnh.
Sử dụng các dụng cụ: Box cấy vô trùng; tủ nuôi cấy, nồi khử trùng ướt; tủ sấy khô; máy đo quang phổ Novaspec II, cân phân tích Mettler Tolendo… và các hóa chất: NH4Cl; MgCl2; Na2PO4; NaH2PO4; Na2S2O3.5H2O; H2SO4; NaCl; Thạch; Cao nam; Mg2SO4.7H2O; BaCl2.5H2O; HCl đặc; HCl; Glyxerol; Rượu isopropyl.
Môi trường phân lập, nuôi cấy và giữ giống:
Bảng 1. Thành phần môi trường phân lập, nuôi cấy và giữ giống
|
STT |
Tên hóa chất |
Hàm lượng |
STT |
Tên hóa chất |
Hàm lượng |
|
1 |
|
2,0g/l |
5 |
|
5,0g/l |
|
2 |
|
1,0g/l |
6 |
|
0,8g/l |
|
3 |
|
2,0g/l |
7 |
Vi lượng |
1,0ml/l |
|
4 |
|
2,0g/l |
8 |
Môi trường pH 6,8-7; được khử trùng ở 121oC trong 30 phút
Yếu tố vi lượng được bổ sung sau khi môi trường đã được khử trùng
Bảng 2. Thành phần dung dịch vi lượng bổ sung cho vi sinh vật
|
STT |
Tên hóa chất |
Hàm lượng |
STT |
Tên hóa chất |
Hàm lượng |
|
1 |
|
50g/l |
5 |
|
2,2g/l |
|
2 |
|
7,34g/l |
6 |
|
0,5g/l |
|
3 |
|
5,0g/l |
7 |
|
0,2g/l |
|
4 |
|
2,5g/l |
8 |
|
11,0g/l |
Các chủng vi khuẩn đã được phân lập ở trên được nuôi cấy trong môi trường đặc hiệu dạng lỏng, hoạt tính tính oxy hóa thiosulfate ( ) của chúng được xác định thông qua định lượng tạo ra trong môi trường nuôi cấy.
Phương pháp xác định hàm lượng sulfate: Lượng cần xác định kết hợp với ion Ba2+ tạo thành kết tủa BaSO4 sau đó được xác định thông qua mật độ quang học ở bước sóng 420nm.
Hàm lượng (HLg) sulfate có trong dung dịch nghiên cứu được tính theo công thức:
Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng sinh trưởng của vi sinh vật chịu ảnh hưởng của nồng độ ban đầu trong dung dịch nuôi cấy. Ở nồng độ ban đầu trong dung dịch nuôi cấy là 12mmol/l. Lượng tạo thành sau 5 ngày nuôi cấy đạt giá trị lớn nhất 452,38(mg/l). Sinh trưởng của vi sinh vật cũng chịu ảnh hưởng của độ pH dung dịch ban đầu. Ở pH=7 mức sinh trưởng và lượng sulfate tạo thành sau 5 ngày nuôi cấy là cao nhất (121,98mg/l).
2.2. Nuôi cấy vi sinh vật trên vật liệu polime
Các chủng vi khuẩn chọn lựa được nuôi cấy trên môi trường đặc hiệu nêu trên, sau 5 ngày đạt mật độ vi khuẩn dịch nuôi cấy, được trộn với nhau theo tỷ lệ 1:1. Mô hình thử nghiệm có thể tích làm việc 5 lít được thiết kế như ở Hình 1.
Mô hình hoạt động theo nguyên lý sau: Môi trường chứa vi khuẩn (có mật độ mỗi loại vi khuẩn) được đưa vào ngập giá thể đã gắn trong bể nhựa. Một bơm có công suất nhỏ được đặt ngầm trong bể để bơm lên khung giàn nhỏ giọt phía trên các giá thể với vận tốc được điều chỉnh phù hợp. Hoạt tính khử thiosulfate của cả hệ thống được xác định hàng ngày đồng thời với độ đục trong môi trường dịch thể Hình 2.
Sau 5 ngày, OD600 của môi trường giảm xuống tối đa, thể hiện số lượng vi khuẩn ở trạng thái tự do đã giảm hẳn. Trong khi đó, hoạt tính khử thiosulfate thành sulfate của cả hệ thống tăng dần và đạt giá trị cao ở ngày thứ 5. Tiếp tục thay thế toàn bộ môi trường trong bể bằng môi trường mới không chứa vi khuẩn để kiểm tra hoạt tính của chế phẩm vi sinh đã được cố định trên chất mang.
Tiếp tục theo quy luật sau 5 ngày gần như hoạt tính khử thiosulfate thành sulfate được ổn định, tiến hành xác định mật độ vi khuẩn tổng số trên vật liệu mang, chỉ số này đạt giá trị trung bình 4,8x104TB/ml. Để có thể tiếp tục tăng số lượng vi khuẩn tổng số trên đơn vị diện tích chất mang, tiếp tục thay thể toàn bộ môi trường mới không chứa vi khuẩn, hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động theo nguyên lý ban đầu. Các thông số cần theo dõi không đổi.
Kết quả thay thế môi trường lần 3 cho thấy, số lượng vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng rất thấp và gần như không biến đổi trong suốt 7 ngày thí nghiệm, tuy nhiên hoạt tính vẫn tăng và được duy trì ở ngày thứ 5. Mật độ vi khuẩn trên chất mang được xác định đạt giá trị trung bình khoảng 3,2x104TB/cm2. Hình ảnh minh họa màng bám vi khuẩn trên vật liệu polymer đã được minh họa ở Hình 3.
3. NGHIÊN CỨU TRÊN PILOT
3.1. Pilot hệ thống lọc sinh học kiểu nhỏ giọt
Sơ đồ pilot hệ thống lọc sinh học kiểu nhỏ giọt:
Mô tả quá trình thí nghiệm:
- Quá trình cấy vi sinh vật lên vật liệu đệm:
Con giống VSV được pha vào dung dịch khoáng (dung dịch được tạo ra bởi nước và dưỡng chất nuôi VSV). Dung dịch này được bơm tuần hoàn lên tháp đã lắp đặt vật liệu đệm. VSV bám lên bề mặt vật liệu đệm và sinh khối. Các khoáng chất được bổ sung định kỳ để tạo môi trường sống cho VSV sinh khối. Hệ thống điều chỉnh pH tự động hoạt động để ổn định nồng độ pH trong bể dung dịch tuần hoàn. Theo thời gian mật độ VSV bám trên vật liệu đệm phủ kín trên bề mặt vật liệu đệm. Kiểm tra mật độ VSV trên bề mặt vật liệu đảm bảo theo yêu cầu. Lúc này quá trình cấy VSV lên vật liệu đệm kết thúc. Chuyển sang chế độ xử lý khí .
- Quá trình xử lý :
Trong quá trình này hệ thống bơm tuần hoàn vẫn hoạt động giống quá trình cấy VSV lên vật liệu đệm. Tuy nhiên trong quá trình này chất lưu huỳnh (S) không được bổ sung vào dung dịch tuần hoàn. Thay vào đó lượng lưu huỳnh này được cấp vào bởi chính mẫu khí tạo ra do bộ tạo mẫu. Khí nén và chứa trong bình áp suất cao lần lượt qua van điều chỉnh áp suất, van điều chỉnh lưu lượng, đồng hồ đo lưu lượng, bộ lọc bụi, buồng hòa trộn và đi vào tháp lọc. Các thông số ảnh hưởng được điều chỉnh trong khoảng giá trị điều kiện biên nghiên cứu và đo kiểm trong quá trình thí nghiệm, đánh giá hiệu quả.
Tiến hành đo kiểm đánh giá hiệu quả của hệ thống: Hiệu quả của hệ thống được đo tại các vị trí lấy mẫu: A: Vị trí lấy mẫu khí đầu vào; B: Điểm lấy mẫu sau quá trình xử lý với Htháp=150mm và đo trở lực tháp lọc; C: Điểm lấy mẫu sau quá trình xử lý với Htháp=350mm; D: Điểm lấy mẫu sau quá trình xử lý với Htháp=650mm; E: Điểm lấy mẫu sau quá trình xử lý với Htháp=990mm; F: Điểm lấy mẫu sau quá trình xử lý với Htháp=2600mm và đo trở lực tháp lọc.
3.2. Quy hoạch thực nghiệm
Các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nghiên cứu ở Bảng 3.
Bảng 3. Các biến thông số ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý
|
STT |
Thông số |
Biến thực |
Biến mã |
Giá trị biến thực |
|
1 |
Vận tốc bề mặt dòng dung dịch [vd] |
Z1 |
x1 |
5 (m/h) |
|
2 |
Nồng độ hydro sulfate đầu vào [C0] |
Z2 |
x2 |
100 (ppm) |
|
3 |
Độ pH |
Z3 |
x3 |
6,0-8,0 |
|
4 |
Thời gian lưu [EBRT] |
Z4 |
x4 |
110 (s) |
|
5 |
Nhiệt độ tháp xử lý [Ttháp] |
Z5 |
x5 |
40 (oC) |
Kế hoạch thực nghiệm ở Bảng 4.
Bảng 4. Kế hoạch thực nghiệm
|
Biến thực |
Biến mã |
yj |
ysbj |
||||||||||
|
z1 |
z2 |
z3 |
z4 |
z5 |
xo |
x1 |
x2 |
x3 |
x4 |
x5 |
|||
|
1 |
1,2 |
100 |
6 |
11 |
20 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
81,70 |
77,42 |
|
2 |
5,9 |
100 |
6 |
11 |
20 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
80,00 |
78,43 |
|
3 |
1,2 |
500 |
6 |
11 |
20 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
72,50 |
78,32 |
|
4 |
5,9 |
500 |
6 |
11 |
20 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
68,40 |
79,33 |
|
5 |
1,2 |
100 |
8,2 |
11 |
20 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
-1 |
-1 |
86,00 |
77,42 |
|
6 |
5,9 |
100 |
8,2 |
11 |
20 |
+1 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
-1 |
79,50 |
78,43 |
|
7 |
1,2 |
500 |
8,2 |
11 |
20 |
+1 |
-1 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
81,10 |
78,32 |
|
8 |
5,9 |
500 |
8,2 |
11 |
20 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
65,30 |
79,33 |
|
9 |
1,2 |
100 |
6 |
110 |
20 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
+1 |
-1 |
95,40 |
77,37 |
|
10 |
5,9 |
100 |
6 |
110 |
20 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
-1 |
92,00 |
78,38 |
|
11 |
1,2 |
500 |
6 |
110 |
20 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
71,00 |
78,27 |
|
12 |
5,9 |
500 |
6 |
110 |
20 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
71,20 |
79,28 |
|
13 |
1,2 |
100 |
8,2 |
110 |
20 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
+1 |
-1 |
98,10 |
77,37 |
|
14 |
5.9 |
500 |
8.2 |
110 |
20 |
+1 |
+ |
-1 |
+1 |
+1 |
-1 |
92,10 |
79,20 |
|
15 |
1,2 |
500 |
8,2 |
110 |
20 |
+1 |
-1 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
82,00 |
78,27 |
|
16 |
5,9 |
500 |
8,2 |
110 |
20 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
78,00 |
79,28 |
|
17 |
1,2 |
100 |
6 |
11 |
40 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
+1 |
76,00 |
77,63 |
|
18 |
5,9 |
100 |
6 |
11 |
40 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
+1 |
71,60 |
78,64 |
|
19 |
1,2 |
500 |
6 |
11 |
40 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
65,90 |
77,95 |
|
20 |
5,9 |
500 |
6 |
11 |
40 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
64,00 |
78,97 |
|
21 |
1,2 |
100 |
8,2 |
11 |
40 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
-1 |
+1 |
78,00 |
77,63 |
|
22 |
5,9 |
100 |
8,2 |
11 |
40 |
+1 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
+1 |
77,60 |
78,64 |
|
23 |
1,2 |
500 |
8,2 |
11 |
40 |
+1 |
-1 |
+1 |
+1 |
-1 |
+1 |
64,00 |
77,95 |
|
24 |
5,9 |
500 |
8,2 |
11 |
40 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
+1 |
61,70 |
78,97 |
|
25 |
1,2 |
100 |
6 |
110 |
40 |
+1 |
-1 |
-1 |
-1 |
+1 |
+1 |
88,40 |
78,30 |
|
26 |
5,9 |
100 |
6 |
110 |
40 |
+1 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
+1 |
86,10 |
79,32 |
|
27 |
1,2 |
500 |
6 |
110 |
40 |
+1 |
-1 |
+1 |
-1 |
+1 |
+1 |
74,60 |
78,63 |
|
28 |
5,9 |
500 |
6 |
110 |
40 |
+1 |
+1 |
+1 |
-1 |
+1 |
+1 |
68,70 |
79,64 |
|
29 |
1,2 |
100 |
8,2 |
110 |
40 |
+1 |
-1 |
-1 |
+1 |
+1 |
+1 |
98,00 |
78,30 |
|
30 |
5,9 |
100 |
8,2 |
110 |
40 |
+1 |
+1 |
-1 |
+1 |
+1 |
+1 |
95,40 |
79,32 |
|
31 |
1,2 |
500 |
8,2 |
110 |
40 |
+1 |
-1 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
75,30 |
78,63 |
|
32 |
5,9 |
500 |
8,2 |
110 |
40 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
68,20 |
79,64 |
3.3. Kết quả nghiên cứu
Đã chọn lựa được 4 chủng vi khuẩn có hoạt oxy hóa các hợp chất khử của lưu huỳnh trong điều kiện hiếu khí, chúng đều ưa pH trung tính, không đối kháng nhau, có khả năng oxy hóa thiosulfate với hiệu quả cao nhất ở nồng độ 12mmol/l.
Hiệu quả xử lý đạt tối đa là 98.9% với các thông số đầu vào:
Bảng 5. Thông số đầu vào tối ưu đạt hiệu quả xử lý lớn nhất
|
STT |
Thông số |
Mã hiệu |
Giá trị biến thực |
|
1 |
Vận tốc bề mặt dòng dung dịch [vd] |
x1 |
5 (m/h) |
|
2 |
Nồng độ hydro sulfate đầu vào [C0] |
x2 |
100 (ppm) |
|
3 |
Độ pH |
x3 |
6,0-8,0 |
|
4 |
Thời gian lưu [EBRT] |
x4 |
110 (s) |
|
5 |
Nhiệt độ tháp xử lý [Ttháp] |
x5 |
40 (oC) |
Hàm mô tả hiệu quả xử lý theo các yếu tố ảnh hưởng:
4. KẾT LUẬN
1. Đã lựa chọn được nhóm vi khuẩn xử lý , nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, lắp đặt giá thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm xử lý sử dụng phương pháp lọc sinh học kiểu nhỏ giọt. Hiệu quả xử lý hiệu quả cao đến 98,9% nếu khống chế môi trường tốt.
2. Đã xây dựng được quy trình vận hành thiết bị xử lý sử dụng phương pháp lọc sinh học kiểu nhỏ giọt. Lập được các biểu đồ, hàm mô tả hiệu quả xử lý bằng phương pháp lọc sinh học kiểu nhỏ giọt phục vụ công tác thiết kế hệ thống xử lý .
3. Việc ứng dụng lọc sinh học kiểu nhỏ giọt để xử lý là rất hiệu quả, thân thiện với môi trường và hứa hẹn đạt hiệu quả tốt khi áp dụng xử lý trong công nghiệp.
Tuy nhiên, việc cung cấp ổn định Sunphua và các khoáng chất bổ sung để duy trì sự sinh trưởng của vi sinh vật là vô cùng quan trọng. Vì vậy, cần tính toán thiết kế hệ thống thật chi tiết, cụ thể. Trong quá trình vận hành, phải thường xuyên theo dõi và kiểm soát hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Benschop, A., A. Janssen, A. Hoksberg, M. Seriwala, R. Abry and C.Ngai (2002). "The shell-Paques/THIOPAQ gas desulphurization process: Successful start up first commercial unit". http://www.paques.nl (2006/02/15)
[2]. Mesa, M. M., M. Macías and D. Cantero (2002). "Biological iron oxidation by Acidithiobacillus ferrooxidans". Chemical andBiochemical Engineering Quarterly 16(2): 69-73.
[3]. Martín Ramírez, José Manuel Gómez, Germán Aroca, Domingo Cantero (2009). "Removal of hydrogen sulfide by immobilized Thiobacillus thioparus in a biotrickling filter packed with polyurethane foam".
[4]. Seongyup Kim, Marc A. Deshusses (2005). "Understanding the limits of degrading biotrickling filters using a differential biotrickling filter"
[5]. Nguyễn Quốc Hoàn (2014), "Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý khí trong hệ thống lọc sinh học kiểu nhỏ giọt chế tạo tại Việt Nam", Nhiệm vụ 7 dự án 4. Mã số nhiệm vụ 2014/07/NV-DA4.
Nguyễn Quốc Hoàn, Đào Quang Tuấn
Trung tâm Bảo hộ lao động và Bảo vệ môi trường - Viện Khoa học An toàn và Vệ sinh lao động
