Trong ngành dệt may, thuốc nhuộm thuộc nhóm azo acid Orange 7 (AO7) được sử dụng để nhuộm len, lụa, ny-lon, các loại vải, cũng như để nhuộm màu da, giấy và các sản phẩm sinh học. Nếu AO7 có mặt trong nước thải ra ngoài môi trường sẽ gây ra các vấn đề về sức khoẻ do có độc tính cao: gây hại cho mắt và da, đồng thời gây độc mãn tính và gây ung thư. Trong những năm qua, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để loại bỏ AO7 như hấp phụ, phân hủy quang học, phân hủy sinh học, oxy hóa, keo tụ tuyển nổi, lọc màng,... Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn có những hạn chế chung là tạo ra ô nhiễm thứ cấp, chi phí xử lý cao hoặc loại bỏ không hoàn toàn. Để khắc phục những nhược điểm trên, gần đây người ta nghiên cứu sử dụng kết hợp một quá trình oxy hóa tiên tiến (AOP) với một quá trình phân hủy sinh học ở phía sau, trong đó quá trình AOP phía trước giúp phân hủy, bẻ mạch các chất màu, tạo thành các phân tử hữu cơ mạch ngắn, dễ phân hủy sinh học nhờ vào tác nhân oxy hóa cực mạnh là gốc tự do ^●OH, sau đó các chất hữu cơ mạch ngắn và một phần nhỏ chất màu còn lại sẽ qua hệ thống xử lý sinh học, tiếp tục bị xử lý để đạt tiêu chuẩn xả thải. Trong số các phương pháp xử lý sinh học, bể sinh học – màng, một hệ thống kết hợp bùn hoạt tính và màng lọc (màng vi lọc hoặc siêu lọc), là phương pháp xử lý hiện đại, dễ dàng tự động hóa, cho hiệu quả xử lý cao, chất lượng nước đầu ra ổn định, tiết kiệm được diện tích, giảm lượng bùn thải bởi modun màng lọc tách loại toàn bộ các chất lơ lửng, bao gồm cả bùn hoạt tính, chất hữu cơ, vi sinh vật, làm cho mật độ sinh khối có thể đạt được rất cao, kích thước bông bùn lớn. Nghiên cứu của Feng và cộng sự đã chỉ ra rằng kết hợp fenton và bể sinh học-màng (MBR) có thể xử lý hiệu quả nước thải dệt nhuộm, trong đó 88,2% COD và 91,3% độ màu đã bị xử lý, nước thải đầu ra đáp ứng được yêu cầu cho mục đích tái sử dụng nước thải đô thị.

Trong hệ MBR, việc sục khí giúp cung cấp oxy cho hệ vi sinh vật (VSV) hiếu khí, làm tăng khả năng xử lý các chất hữu cơ cũng như giảm khả năng bít tắc màng. Tuy nhiên, sục khí quá nhiều cũng làm tiêu tốn năng lượng (trong thực tế tiêu thụ tới 60 -70% tổng năng lượng sử dụng của toàn bộ hệ thống xử lý nước thải). Ngoài ra, thời gian lưu thủy lực (HRT) cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ MBR bởi nó liên quan đến thời gian tiếp xúc của VSV với cơ chất. Vì vậy, trong bài báo này, một hệ MBR quy mô phòng thí nghiệm được sử dụng để nghiên cứu, xử lý chất màu AO7 và COD trong nước sau khi đã được tiền xử lý bằng quá trình ozon hóa, cụ thể là đánh giá ảnh hưởng của chế độ sục khí/ngừng sục và HRT đến khả năng xử lý AO7 và COD.  

1. Phương pháp nghiên cứu

1.1. Hệ thí nghiệm MBR

Hệ thí nghiệm MBR quy mô phòng thí nghiệm (công suất ~ 3,6 L/giờ) có sơ đồ cấu tạo như trên Hình 1, bao gồm một bể hiếu khí bằng thủy tinh hữu cơ, hình hộp chữ nhật, kích thước D x R x C = 30 cm x 30 cm x 50 cm. Màng lọc được sử dụng là loại màng sợi rỗng vi lọc (MF) bằng vật liệu polyethylen (kích thước lỗ rỗng 0,3 μm) của hãng Mitsubishi, Nhật Bản. Tổng diện tích lọc 0,1 m². Màng lọc có thể chịu được áp lực tối đa 30 kpa. Ban đầu, bùn hoạt tính có nồng độ chất rắn lơ lửng (MLSS) ~ 2.300 mg/L lấy từ bể aerotank của trạm xử lý nước thải phòng thí nghiệm của viện Công nghệ môi trường, sau đó nuôi cấy trong 4 tháng đạt được nồng độ MLSS khoảng 8.000 mg/L. Danh sách hóa chất sử dụng để nuôi bùn hoạt tính được thể hiện trong Bảng 1. Hệ sục khí theo phương thẳng đứng (từ dưới lên) với lưu lượng không khí 5 ÷ 7 L/phút giúp cung cấp đủ oxy cho hệ vi sinh vật hiếu khí, đảm bảo lượng oxy hòa tan (DO) trong bể được duy trì 4 ÷ 5 mg/L, đồng thời giúp giảm bít tắc màng do làm rung lắc, làm bong các mảng bám trên các sợi màng.

Bơm hút được bố trí để tạo chênh lệch áp suất qua màng (TMP), giúp hút nước sạch ra khỏi modun màng. Bơm làm việc với chu kỳ 8 phút hút và 2 phút ngừng. Khi TMP vượt ngưỡng 35 kPa báo hiệu màng lọc bị bít tắc nghiêm trọng, các máy bơm sẽ tự động ngắt và bơm rửa ngược được khởi động để rửa sạch màng. Các bơm, máy nén khí, các cảm biến (mức nước, lưu lượng, nhiệt, pH, DO) được điều khiển bởi bộ điều khiển logic được lập trình (PLC).

1.2. Nguyên vật liệu, hoá chất

Nước thải đầu vào của hệ MBR là nước thải tổng hợp, được pha từ nước cất 2 lần và chất màu AO7, qua tiền xử lý bằng một quá trình ozon hóa, có pH = 7,2 – 7,5; COD = 300 – 400 mg/L; nồng độ AO7 = 15 – 22 mg/L.

Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu có độ tinh khiết cao: AO7 (Sigma-Aldrich, > 97%), NaHCO3 (Sigma-Aldrich, 99,7%), Glucozơ (Merck, 99,7%), CH₃COOH (Sigma-Aldrich, 99,8%), K₂HPO₄ (Sigma-Aldrich, 99%), NH₄Cl (Sigma-Aldrich, 99,8%), cồn 96° (Sigma-Aldrich), MgCl₂.6H₂O (Merck, 99%), CaCl₂ (Merck, 98%), H₂SO₄ (Merck, 98%), FeSO₄.7H₂O (Merck, 99,5%), axit ascorbic (Sigma-Aldrich, 99%), HCl 37% (Merck).

1.3. Phương pháp phân tích

Nồng độ AO7 còn lại sau khi xử lý theo thời gian được xác định bằng phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) bằng cách đo độ hấp thụ của dung dịch AO7 đã xử lý ở bước sóng 481 nm, sau đó thay độ hấp thụ vào đường chuẩn đã xây dựng để xác định nồng độ thuốc nhuộm. Giá trị COD được phân tích bằng phương pháp đicromat (TCVN 6491:1999, tương ứng với ISO 6060:1989). MLSS được xác định bằng phương pháp trọng lượng theo TCVN 6625:2000.

2. Kết luận

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng khi tăng thời gian sục khí từ 50 phút lên 70 phút, giảm thời gian ngừng sục khí từ 70 phút xuống 50 phút, hiệu quả loại bỏ COD tăng từ 86% lên 96% trong khi hiệu quả xử lý AO7 giảm từ 96% xuống còn 76,5% do các phân tử oxy được sử dụng làm chất nhận electron thay vì các phân tử AO7, dẫn đến sự phân cắt chất màu này trong điều kiện hiếu khí bị suy giảm. Do đó, chu kỳ sục khí/ngừng sục 60 phút/60 phút là phù hợp để xử lý hiệu quả đồng thời COD và AO7. Bên cạnh đó, thời gian lưu thủy lực cũng là một thông số ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và AO7, đều làm tăng hiệu quả xử lý COD và AO7 khi HRT tăng từ 12h lên 18h. Tuy nhiên, khi thời gian lưu thủy lực quá lâu (24h), có thể sự có mặt của AO7 gây độc cho các VSV, làm giảm khả năng phân hủy các chất hữu cơ và AO7, dẫn đến hiệu suất xử lý hầu như không thay đổi. Do đó 18h là HRT phù hợp để xử lý hiệu quả đồng thời COD và AO7. Với điều kiện tối ưu: sục khí/ngừng sục 60 phút:60 phút, HRT 18h, hiệu suất xử lý COD và AO7 lần lượt đạt 94,7% và 83,6%.