TỔNG QUAN
Nước thải và các công nghệ xử lý nước thải
1.1.1 Ô nhiễm môi trường bởi nước thải
Sự phát triển kinh tế và xã hội dẫn đến nhu cầu gia tăng về nguyên vật liệu, đặc biệt là nước Sau khi sử dụng, nước thường bị ô nhiễm bởi nhiều tạp chất khác nhau, và theo quy định, nước thải phải được xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi xả ra môi trường Tuy nhiên, tình trạng xả thải chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt chuẩn vẫn diễn ra phổ biến, gây ra ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người Trong 6 tháng đầu năm 2020, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã nhận hơn 1.520 thông tin phản ánh về ô nhiễm Nhiều sự cố môi trường lớn đã xảy ra, như vụ cháy nhà máy Rạng Đông, ô nhiễm nguồn nước Sông Đà, và sự cố xả thải của công ty Fomosa Ô nhiễm môi trường nước, chủ yếu do nước thải chưa qua xử lý từ hoạt động sản xuất và sinh hoạt, đang trở thành vấn đề toàn cầu Nước thải công nghiệp đặc biệt đáng lo ngại vì chứa nhiều chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy, gây nguy hiểm lâu dài cho sức khỏe con người và môi trường.
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
Nước thải sinh hoạt bao gồm các hoạt động hàng ngày của con người như tắm, giặt, tẩy rửa và vệ sinh Ngoài ra, một số dịch vụ công cộng như bệnh viện, trường học, khách sạn và nhà hàng cũng sản sinh loại nước thải có thành phần và tính chất tương tự 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 thường mang những đặc điểm ô nhiễm riêng biệt, tùy thuộc vào quy trình sản xuất Một trong những thông số ô nhiễm phổ biến của nước thải là hàm lượng chất rắn.
Tổng chất rắn là thành phần quan trọng nhất trong nước thải, được phân loại theo kích thước hạt thành ba loại: chất rắn lơ lửng, chất rắn keo và chất hòa tan.
Chất rắn keo Kích thước hạt, àm
Hình 1.1 Phân loại các chất trong nước thải
Chất rắn lắng được xác định là các hạt rắn lắng xuống đáy bình hình côn trong 60 phút, được tính bằng mL/L, và đây là một chỉ tiêu đo lường lượng bùn sẽ được loại bỏ trong quá trình lắng sơ cấp Các chất rắn dạng keo được loại bỏ thông qua quá trình keo tụ tạo bông, trong khi phần chất tan được xử lý bằng các phương pháp như hấp phụ và lọc màng.
Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là chỉ số phổ biến nhất để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nước thải BOD thể hiện lượng oxy mà vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ.
Trong thực tế, việc xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ là rất khó khăn và tốn nhiều thời gian Thay vào đó, người ta chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20°C, được ký hiệu là BOD5 Chỉ tiêu này đã được chuẩn hóa và áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới Bên cạnh đó, nhu cầu oxy hóa học COD cũng là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của nước.
Chỉ số Nhu cầu oxy hóa học (COD) là một chỉ số quan trọng để đánh giá hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải và nước tự nhiên COD được định nghĩa là nồng độ khối lượng của oxy tương đương với lượng dicromat tiêu tốn bởi các chất lơ lửng và hòa tan trong mẫu nước khi xử lý bằng chất oxy hóa ở điều kiện xác định Điều này cho thấy rằng COD phản ánh lượng oxy cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ trong nước Do đó, giá trị COD và BOD càng cao thì mức độ ô nhiễm của nước càng lớn.
Nitơ trong nước thải có thể tồn tại ở các dạng chủ yếu sau: nitơ hữu cơ (N- HC), nitơ dạng amoni (N-NH4 +), nitơ dạng nitrit (N-NO2), nitơ dạng nitrat (N-NO3).
Nitơ là nguyên tố quan trọng trong việc cấu tạo tế bào và tổng hợp protein, do đó, số liệu về nitơ là cần thiết để đánh giá khả năng xử lý nước thải bằng các phương pháp sinh học.
Photpho là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho vi sinh vật, tương tự như nitơ Tuy nhiên, nồng độ photpho cao có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, gây ô nhiễm môi trường nước Do đó, việc kiểm soát hàm lượng nitơ và photpho là cần thiết để cải thiện hiệu quả của quá trình xử lý nước thải bằng các phương pháp sinh học.
1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải
Nước thải thường chứa nhiều chất ô nhiễm, vì vậy dây chuyền xử lý nước thải thường kết hợp nhiều công nghệ khác nhau tùy thuộc vào đặc tính ô nhiễm Các công nghệ xử lý nước thải có thể được phân loại thành 4 bậc dựa trên khả năng xử lý.
Bảng 1.1 Phân loại công nghệ xử lý nước [2, 5]
Xử lý bậc 1 Xử lý bậc 2 Xử lý bậc 3 Xử lý bậc 4
Song chắn rác Keo tụ, tạo bông Oxi hóa tiên tiến Trao đổi ion
Bồn điều hòa Tuyển nổi Hấp thụ Thẩm thấu ngược
Bồn lắng cát Sinh học Hấp phụ Điện thẩm tách
Bồn tách dầu mỡ … Ozon, clo hóa Vi lọc
Xử lý bậc 1 (bậc sơ cấp) là giai đoạn đầu tiên trong quá trình xử lý, chủ yếu tập trung vào việc loại bỏ các tạp chất lớn có thể nhận biết bằng mắt thường Phương pháp xử lý ở bậc này thường đơn giản và hiệu quả trong việc tách các chất không mong muốn ra khỏi nguồn nước hoặc nguyên liệu.
Các biện pháp xử lý cơ học nước thải bao gồm song chắn rác, lưới chắn rác, bồn điều hòa, bồn lắng, lọc cơ học và tách dầu mỡ Phương pháp này sử dụng các lực vật lý như lực trọng trường và lực ly tâm để loại bỏ các tạp chất không hòa tan và hạt lơ lửng có kích thước lớn Đây là bước xử lý sơ bộ trước khi áp dụng các phương pháp hóa lý, hóa học và sinh học.
Xử lý bậc 2 là phương pháp tập trung vào việc loại bỏ các tạp chất lơ lửng và chất hữu cơ như COD, BOD, nhằm ngăn ngừa sự phân hủy trong nước, từ đó giảm mùi hôi và cải thiện nồng độ oxy hòa tan Các phương pháp thường áp dụng bao gồm keo tụ tạo bông, tuyển nổi và kết hợp với các quá trình sinh học như yếm khí, hiếu khí và thiếu khí Hiệu suất xử lý có thể đạt tới 80%, tuy nhiên, phương pháp này không xử lý được các thành phần dinh dưỡng như nitơ và photpho.
- Phương pháp keo tụ tạo bông
Trong môi trường nước, các chất không tan tồn tại dưới dạng hạt keo, có điện tích cùng dấu nên đẩy nhau và giữ trạng thái tách rời Khi có thêm ion trung hòa điện tích lớp điện kép, lực đẩy giữa các hạt keo giảm, cho phép chúng tương tác và tạo thành các tập hợp hạt lớn hơn, hiện tượng này được gọi là keo tụ Khi kích thước các hạt đủ lớn, chúng có thể lắng xuống đáy Phương pháp keo tụ tạo bông được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải để loại bỏ các hợp chất không tan và một phần chất tan.
Công nghệ MBBR và vật liệu mang
1.2.1 Công nghệ MBBR trong xử lý nước thải a) Nguyên lý hoạt động
Công nghệ vi sinh hiện đang được áp dụng phổ biến nhờ vào nhiều lợi ích vượt trội, nhưng vẫn gặp phải nhược điểm là tốc độ xử lý chậm Để cải thiện hiệu quả của công nghệ này, nhiều kỹ thuật cải tiến đã được nghiên cứu, trong đó nổi bật là công nghệ bồn sinh học với vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) Công nghệ MBBR được phát triển tại Na Uy vào đầu những năm 1980 và đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc nâng cao hiệu suất xử lý.
Vào năm 1990, công nghệ mới đã được phát triển sử dụng các vật liệu có trọng lượng nhẹ hơn hoặc tương đương với nước để tạo điều kiện cho vi sinh vật bám dính và hình thành màng sinh học Các vật liệu này sẽ được duy trì trong bồn phản ứng với chuyển động liên tục, giúp vi sinh vật tiếp xúc hiệu quả với các chất hữu cơ.
Giống như màng sinh học trong lọc sinh học, vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ bám và phát triển trên bề mặt vật liệu Vi sinh vật hiếu khí chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thải thành sinh khối, tạo ra quần xã vi sinh dày lên nhanh chóng khi chất hữu cơ giảm Khi đạt độ dày nhất định, khối lượng vi sinh vật tăng, lớp vi sinh vật bên trong không còn tiếp xúc với nguồn thức ăn sẽ chết và bong ra vào nước thải Một lượng nhỏ vi sinh vật bám trên vật liệu tiếp tục sử dụng hợp chất hữu cơ, hình thành quần xã sinh vật mới trong một vòng tuần hoàn.
Công nghệ MBBR khắc phục hoàn toàn nhược điểm của lọc sinh học về diện tích tiếp xúc và khả năng phân phối màng vi sinh trong nước thải Với tính lơ lửng, VLM di chuyển liên tục trong bồn phản ứng theo dòng khí hoặc dòng nước, giúp phân phối đều trong nước thải Các vật liệu mang được thiết kế với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, tối ưu hóa diện tích bề mặt cho vi sinh bám dính.
Hình 1.2 Chuyển động của VLM trong bồn MBBR hiếu khí và thiếu khí
MBBR là một phương pháp xử lý sinh học kết hợp giữa công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng và công nghệ màng vi sinh bám dính Trong quá trình này, vi sinh vật chủ yếu tồn tại dưới dạng huyền phù, tạo thành các tập hợp keo tụ nhỏ với cấu trúc xốp, mật độ vi sinh thấp và phân bố đồng đều trong môi trường nước.
Mật độ vi sinh thấp trong các hệ BHT lơ lửng dẫn đến hiệu suất xử lý không cao và khó tăng mật độ vi sinh do liên quan đến các yếu tố vận hành khác Công nghệ MBBR giúp tăng mật độ vi sinh trên một đơn vị thể tích, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý mà không làm ảnh hưởng nhiều đến các yếu tố vận hành khác Bên cạnh đó, công nghệ MBBR cũng bổ sung vi sinh vật dưới dạng màng vi sinh và phân bố đồng đều trong môi trường nước nhờ vào quá trình chuyển động.
Hiệu suất của công nghệ MBBR chịu ảnh hưởng bởi nhiều thông số khác nhau, bao gồm các yếu tố môi trường, thông số vận hành, kích cỡ và hình dạng của vật liệu mang biofilm (VLM), cũng như tỷ lệ thể tích của VLM trong bồn.
Kích thước, hình dạng và tải trọng trên một đơn vị diện tích (SALR) của vật liệu mang có mối liên hệ chặt chẽ với hiệu suất xử lý Nghiên cứu của Idegaardet (2000) cho thấy hiệu suất xử lý tổng các bon hữu cơ tỷ lệ thuận với SALR Đối với các vật liệu mang (VLM) có hình dạng khác nhau nhưng cùng SALR, tỷ lệ loại bỏ hợp chất hữu cơ vẫn tương đương Điều này chứng tỏ rằng hiệu suất xử lý của hệ thống không phụ thuộc vào hình dạng của VLM mà hoàn toàn dựa vào tải trọng trên một đơn vị diện tích của chúng.
- Thể tích VLM chiếm trong bồn
Wang và cộng sự (2005) đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ chất mang trong bồn phản ứng MBBR, với phần trăm thể tích chiếm bởi các VLM được điều chỉnh từ 10% đến 75% Nghiên cứu phát hiện ra mối quan hệ parabol giữa thể tích VLM và tỷ lệ loại bỏ COD, cho thấy hiệu quả loại bỏ COD đạt cao nhất khi thể tích VLM trong bồn ở mức 30-40%.
- Các thông số vận hành – thời gian lưu (HRT) và tổng các bon hữu cơ (TOC)
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng thời gian lưu (HRT) và tổng các bon hữu cơ (TOC) có mối liên hệ chặt chẽ Đối với nước thải có TOC thấp, HRT thường dao động từ 3 đến 12 giờ, trong khi nước thải có TOC cao và áp dụng phương pháp xử lý kỵ khí cần HRT dài hơn Tuy nhiên, HRT của từng hệ thống có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện môi trường của mỗi quốc gia, do đó việc khảo sát kỹ lưỡng HRT là cần thiết trước khi vận hành một hệ thống mới.
Các thông số vận hành – tốc độ sục khí
Mức độ sục khí ảnh hưởng đáng kể đến kích thước hạt, với sục khí mạnh có khả năng phá vỡ các hạt lớn thành các hạt nhỏ hơn Theo nghiên cứu của Åhl R.M và cộng sự, sục khí mạnh sẽ làm giảm kích thước của các tập hợp lớn, nhưng các hạt thu được vẫn luôn lớn hơn 20 µm.
Nghiên cứu của Rahimi và cộng sự (2010) đã chỉ ra rằng khi vận hành hệ MBBR, tốc độ sục khí tối ưu ảnh hưởng đến sự phát triển của các sinh vật dạng sợi Cụ thể, ở mức sục khí thấp, số lượng sinh vật dạng sợi tăng lên, nhưng khi tốc độ sục khí tăng cao, chúng sẽ giảm Đồng thời, việc tăng tốc độ sục khí cũng dẫn đến việc phá vỡ các bông sinh học lớn thành các hạt nhỏ hơn, từ đó làm giảm vận tốc lắng.
Các thông số vận hành – tỷ lệ bùn tuần hoàn (QR)
Tuần hoàn bùn đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải bằng BHT, giúp duy trì nồng độ sinh khối ổn định và tăng MLSS, từ đó nâng cao khả năng phân hủy chất ô nhiễm Việc tuần hoàn bùn cũng duy trì sinh khối trong bồn hiếu khí; nếu không thực hiện, sinh khối sẽ giảm, làm giảm hiệu quả xử lý Tùy thuộc vào quy trình vận hành và đặc thù của từng bồn, hệ số bùn tuần hoàn cần được điều chỉnh cho phù hợp.
Công nghệ MBBR đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực nghiên cứu, với nhiều công trình được thực hiện trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam Các nghiên cứu tiêu biểu đã được tổng hợp trong bảng 1.5.
Bảng 1.5 Một số công trình nghiên cứu về MBBR trên thế giới
TT Nội dung Tác giả Quốc gia
Nghiên cứu về quá trình sản xuất sinh khối trong hệ thống xử lý MBBR
Nghiên cứu hiệu suất của VLM trong công nghệ MBBR và động học của màng sinh học để cải tạo hệ thống xử lý hiếu khí hiện có
Khảo sát thời gian lưu nước của bồn MBBR để xử lý nước sản xuất mía đường
Lê Hoàng Việt, Võ Châu Ngân [5]
MBBR hiếu khí trong xử lý nước sản xuất bột giấy trắng trong điều kiện nhiệt đới
5 Ứng dụng tổ hợp công nghệ
MBBR và bùn hoạt tính cố định (IFAS) cho hệ thống lọc sinh học của nước sông
Lariyah Mohd Sidek, Gasim Hayder, Hairun Aishah Mohiyaden, Hidayah Basri [28]
6 Ảnh hưởng của chất mang đến
Trung hiệu suất và đặc điểm vi sinh vật trong hệ phản ứng MBBR
Tại Ấn Độ, công nghệ MBBR được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải cho các khu đô thị mới, với quy mô đa dạng từ 10 m³/ngày đến 8000 m³/ngày Ngoài ra, công nghệ này cũng đã được áp dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt trong ngành thực phẩm và ngành giấy và bột giấy.
THỰC NGHIỆM
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu mang cho hệ vi sinh, sử dụng sự kết hợp giữa bột gỗ và nhựa HDPE Nghiên cứu sẽ đánh giá các tính chất cơ lý của vật liệu này và khả năng cải thiện hiệu quả xử lý trong bồn vi sinh.
Chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa đòi hỏi việc đánh giá các tính chất cơ lý quan trọng như độ bền kéo đứt và độ bền uốn Ngoài ra, việc chụp ảnh SEM giúp phân tích cấu trúc hình thái bề mặt của vật liệu, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về đặc tính và hiệu suất của sản phẩm này.
Để chế tạo vật liệu mang vi sinh hiệu quả, việc lựa chọn điều kiện phù hợp là rất quan trọng Các yếu tố cần đánh giá bao gồm tỷ trọng, khả năng hấp thụ nước, cũng như các phân tích nhiệt như TGA và DSC nhằm xác định khả năng chịu đựng môi trường của vật liệu.
- Đánh giá khả năng nâng cao hiệu quả xử lý vi sinh của vật liệu thu được.
Nguyên vật liệu, thiết bị và dụng cụ
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)
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/cm 3 , nhiệt độ nóng chảy:
Mùn cưa có thể được mua tại các cơ sở chế biến gỗ ở Đại Mỗ, Nam Từ Liêm, Hà Nội Để sử dụng, mùn cưa được nghiền nhỏ bằng máy xay và sàng lọc qua các kích thước 0.5 mm Sau đó, mùn cưa sẽ được sấy khô ở nhiệt độ 80 độ C cho đến khi đạt 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
- 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.
Quy trình thực hiện
Quy trình chế tạo vật liệu được chia thành 2 nội dung:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ sự kết hợp bột gỗ và nhựa HDPE nhằm đo lường các tính chất cơ lý như độ bền kéo đứt, độ bền uốn và thực hiện chụp SEM Công trình này được thực hiện tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ sự kết hợp bột gỗ và nhựa HDPE nhằm tạo ra vật liệu mang có khả năng chịu đựng môi trường và khả năng bám dính tốt, đồng thời nuôi cấy vi sinh Công trình này 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
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa
Mẫu vật liệu compozit gỗ nhựa được chế tạo từ nhựa HDPE và bột gỗ theo quy trình cụ thể: trộn 50 gam nhựa HDPE với bột gỗ theo định lượng đã được xác định Hỗn hợp được trộn sơ bộ cơ học trước khi đưa vào thiết bị trộn nóng chảy Polylab System Haake (Đức) trong 5-10 phút tại nhiệt độ 150 oC Quá trình trộn được theo dõi qua giản đồ momen xoắn và năng lượng phối trộn, đảm bảo vật liệu đạt trạng thái chảy nhớt Sau khi đạt độ đồng đều, mẫu compozit gỗ nhựa được lấy ra và ép dưới áp lực 2-5 tấn, nhiệt độ 150-160 oC trong 3-5 phút để tạo thành các tấm gỗ nhựa có độ dày từ 2-4 mm.
Bảng 2.1 Tỷ lệ khối lƣợng các mẫu khảo sát tính chất cơ lý
Ký hiệu mẫu G30 G40 G50 G60 G70 Ép tạo mẫu - Đo độ bền kéo đứt
Hình 2.2 Thiết bị trộn nội Polylab System, Haake (Đức)
•Xác định độ bền cơ của vật liệu
Tính chất cơ học của vật liệu được xác định qua các thông số như độ bền kéo đứt và độ uốn Mẫu thử được cắt theo tiêu chuẩn bằng dao cắt mẫu (hình 2.3) và được kiểm tra trên thiết bị Zwick Z2.5 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Quy trình thử nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ phòng với tốc độ kéo 50mm/phút, tuân theo tiêu chuẩn ASTM DIN 53503 Mỗi loại mẫu được thử nghiệm 5 lần để tính toán giá trị trung bình.
Hình 2.3 Thiết bị đo tính chất cơ lý đa năng Zwick Z2.5 (Đức)
Hình 2.4 Dạng mẫu đo tính chất cơ lý
• Phương pháp đo độ bền kéo đứt
Tất cả các mẫu đo độ bền kéo đứt đều có kích thước tiêu chuẩn hình mái chèo, cụ thể là 20 x 150 x 4 mm, với khoảng giữa 12 x 80 x 4 mm Độ bền kéo được tính bằng công thức δK = F/A [MPa].
Trong đó: F là lực tác dụng [N]
A là tiết diện ngang của mẫu [mm 2 ]
• Phương pháp đo độ bền uốn
Kích thước mẫu đo độ bền uốn của chất dẻo: 10 x 80 x 4 mm. Độ bền uốn được tính theo công thức: δu = 3.F.L/2b.h 2
Trong đó: δ u : Độ bền giới hạn khi uốn [MPa]
F: Tải trọng phá huỷ mẫu [N]
L: Khoảng cách giữa hai gối đỡ. b: Chiều rộng mẫu đo [mm] h: Chiều dày mẫu đo [mm]
Yêu cầu: - Bề mặt mẫu phải nhẵn và bằng phẳng.
- Tải trọng nén đặt ở điểm giữa khoảng cách hai gối đỡ, trùng với điểm giữa của mẫu và hướng lực vuông góc với mặt phẳng của mẫu.
- Kết quả đo: Lấy trung bình kết quả từ 3 đến 5 mẫu.
Phân tích TGA, DSC Độ hút nước
• Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM)
Trạng thái phân tán của gỗ trong chất nền polymer được phân tích thông qua kính hiển vi điện tử quét (SEM), cho phép hình ảnh hóa bề mặt vật liệu compozite với độ phóng đại cao SEM sử dụng chùm tia điện tử hội tụ trong môi trường chân không để thu thập tín hiệu từ mẫu, tái tạo hình ảnh lớn hơn và hiển thị trên màn hình Qua đó, các vết gãy trên bề mặt mẫu có thể được quan sát rõ ràng khi phóng đại lên tới 500 lần.
1000 lần và 1500 lần Từ những hình ảnh thu được ta có thể thấy được độ tương hợp của gỗ và nhựa PE bằng cảm quan.
2.3.2 Chế tạo vật liệu mang vi sinh và các phương khảo sát tính chất vật liệu
Hình 2.5 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu mang vi sinh
Cân định lượng bột gỗ đã được xử lý và nhựa HDPE theo tỉ lệ phối liệu Hỗn hợp được trộn thủ công để đảm bảo sự phân bố đồng đều của các hạt nhựa gỗ Sau đó, mẫu được đưa vào máy đùn một trục vít Industrial DILONG (Trung Quốc) đã được gia nhiệt trước Trong quá trình gia nhiệt, tổ hợp nhựa gỗ đi qua ba vùng gia nhiệt được điều chỉnh ở 150 o C cho vùng 1 và 2, và 155 o C cho vùng 3, với thời gian trộn từ 10-15 phút và tốc độ xoắn trục 85 vòng/phút Sản phẩm ra khỏi đầu đùn sẽ tạo thành sợi gỗ nhựa, sau đó được cắt vụn và tiến hành trộn lần hai và ba.
Sau ba lần trộn, sản phẩm được cắt thành viên hình trụ với kích thước 3x5 mm, đóng vai trò là vật liệu trong việc khảo sát khả năng bám dính và nuôi cấy vi sinh.
•Phân tích nhiệt trọng lượng ( TGA)
TGA là phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi trong quá trình nâng nhiệt độ.
Khi vật chất được nung nóng, khối lượng của chúng có thể giảm do các quá trình như bay hơi hoặc từ các phản ứng hóa học dẫn đến sự giải phóng khí.
Phép đo TGA nhằm xác định:
- Khối lượng bị mất trong quá trình nâng nhiệt.
Giản đồ phân tích nhiệt TGA là công cụ đặc trưng cho một hợp chất hoặc hệ thống, thể hiện thứ tự các phản ứng hóa học diễn ra tại các khoảng nhiệt độ xác định.
Khối lượng thay đổi do quá trình đứt gãy hoặc hình thành các liên kết vật lý và hóa học diễn ra ở một nhiệt độ nhất định.
Trong nghiên cứu này, các mẫu khoảng 10 mg đã được đo bằng phương pháp TGA trong môi trường không khí với tốc độ dòng chảy 70 ml/phút Quá trình làm nóng mẫu được thực hiện từ 20°C đến 600°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút để thu thập dữ liệu.
• Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry, DSC)
Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) là một kĩ thuật phân tích nhiệt quan trọng, giúp xác định các tính chất chuyển pha của mẫu thông qua việc đo lường dòng nhiệt tỏa ra hoặc thu vào khi mẫu được gia nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau Dựa vào dữ liệu về dòng nhiệt biến đổi theo nhiệt độ, DSC cho phép phân tích các đặc tính chuyển pha nhiệt của mẫu Nguyên lý hoạt động của DSC dựa trên sự thay đổi nhiệt độ và nhiệt lượng phát sinh từ mẫu khi gia nhiệt, đồng thời so sánh với thông tin từ mẫu chuẩn để đưa ra kết quả chính xác.
Nó cho phép để xác định các giai đoạn chuyển tiếp:
•Nhiệt độ thuỷ tinh hoá (Tg) polyme, kim loại kính và chất lỏng ion;
•Nhiệt độ nóng chảy, điểm pic thu nhiệt;
•Nhiệt độ pic toả nhiệt, kết tinh.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng thiết bị DSC 131-SETARAM để xác định các tính chất và hành vi nhiệt của vật liệu composite Nhiệt độ được đo trong khoảng từ 30°C đến 400°C với tốc độ gia nhiệt là 10°C/phút.
• Phương pháp đo độ hấp thụ nước của vật liệu
Mẫu thử nghiệm độ hấp thụ nước được thực hiện trên vật liệu hình trụ có đường kính 15mm và chiều cao 150mm, với bề mặt phẳng, nhẵn và không có rỗ Cần chuẩn bị ít nhất 3 mẫu thử cho mỗi loại vật liệu Các mẫu sẽ được sấy khô đến khi đạt khối lượng không đổi, sau đó được làm nguội trong bình hút ẩm trước khi xác định khối lượng trên cân phân tích AUX 220 (Simadzu - Nhật).
Cấu tạo mô hình khảo sát VLM vi sinh
Bình thử nghiệm nuôi vi sinh có thiết kế hình trụ, thể tích phản ứng 2 L, được làm từ vật liệu PVC trong suốt với đường kính 100 mm và chiều cao 400 mm Hệ thống bao gồm hai bình có thể tích giống nhau, mỗi bình được cung cấp khí bởi máy sục Hailea ACO 208, công suất 25 W và tốc độ 40 L/phút, với khí được phân phối đều qua 5 quả sục có đường kính 15 mm Bồn 1 được bổ sung vật liệu mang vi sinh là nhựa PE để làm đối chứng, trong khi bồn 2 sử dụng vật liệu mang là composite, chiếm 20% thể tích phản ứng Hình ảnh của hệ thống thử nghiệm được trình bày trong hình 2.6.
Hình 2.6 Mô hình hệ thống nuôi vi sinh thực tế
2.4.2 Vận hành hệ thống và lấy mẫu, phân tích mẫu
Trước khi tiến hành thí nghiệm, bùn vi sinh hiếu khí được lấy từ hệ thống xử lý nước thải của bệnh viện Medlatec và nuôi trong bồn 10L với sục khí liên tục trong 7 ngày Vi sinh được cho ăn hai lần mỗi ngày, cách nhau 10 giờ, bằng thức ăn mèo với nồng độ 50 g/L Hàm lượng vi sinh được theo dõi qua việc đo mật độ bùn lắng SVI 30 và nồng độ COD, với mục tiêu đạt khoảng 2500 mg/L Khi đạt yêu cầu, bùn vi sinh được chuyển sang hai bồn phản ứng 2L, trong đó bồn 1 được thêm vật liệu PE và bồn 2 được thêm vật liệu composite, với thể tích vật liệu chiếm 20% thể tích phản ứng.
Nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm nước đã được thực hiện bằng cách nuôi vi sinh và vật liệu mang trong bồn có sục khí, sau đó duy trì trong 3 ngày với thức ăn mèo Các thí nghiệm sử dụng mẫu nước ô nhiễm tổng hợp gồm đường trắng C12H22O11, NH4Cl, và KH2PO4 với tỷ lệ COD:N:P là 100:5:1 Trong quá trình nghiên cứu, giá trị COD được theo dõi theo thời gian để đánh giá hiệu quả xử lý, với các thông số hoạt động được ghi nhận trong các bảng 2.2, 2.3 và 2.4.
Bảng 2.2 Các thông số hệ thống bình hiếu khí
TT Thông số Đơn vị Giá trị duy trì
1 Thể tích mẫu vi sinh Lít 02
3 Nhiệt độ bình nuôi vi sinh ºC 26±1
4 Thể tích vật liệu mang % 20
Các bước tiến hành thí nghiệm
Bảng 2.3 Tần suất và vị trí lấy mẫu phân tích STT Chỉ tiêu phân tích Tần suất lấy mẫu
3 COD Khảo sát 5 giờ/ngày, mỗi giờ lấy mẫu 1 lần
Bảng 2.4 Chỉ tiêu và phương pháp phân tích
TT Chỉ tiêu phân tích Phương pháp đo Dụng cụ đo
1 pH Máy đo cầm tay Hanna HI1230-
Máy phá mẫu COD, ống phá mẫu, Máy quang phổ kế UV-VIS 1240 (Simadzu- Nhật) và các hóa chất, dụng cụ khác
Dùng ống đong 1 lít để xác định(Bình chia độ) Ống đong, bình chia độ