Đánh giá khả năng tắc nghẽn của màng MBR trong xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp HPLC-SEC Fluorescence

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của bài viết tập trung vào việc nghiên cứu công cụ phân tích mà có thể được sử dụng như một chỉ số đánh giá khả năng tắc nghẽn của dịch nổi và trong tương lai, có thể sử dụng công cụ này để dự đoán nhanh khả năng tắc nghẽn của màng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá khả năng tắc nghẽn của màng MBR trong xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp HPLC-SEC Fluorescence

Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẮC NGHẼN CỦA MÀNG MBR TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HPLC-SEC-FLUORESCENCE Vũ Thị Thu Nga1*, Chengcheng Li2, Christelle Guigui2 1 Trường Đại học Giao thông vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam 2 TBI, INSA/CNRS 5504 UMR INSA/INRA 792, 135 Rangueil, 31077 Toulouse, Pháp * Tác giả liên hệ: Email: thungautc@gmail.com; Tel: 0983344842 Tóm tắt. Công nghệ xử lý sinh học màng MBR ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải đô thị và nước tái sử dụng do nước thải sau xử lý đạt chất lượng cao. Tuy nhiên, nhược điểm chính của MBR là tắc nghẽn màng. Sự hiểu biết của chúng ta về tắc nghẽn màng có thể đảm bảo hoạt động của MBR ổn định và bền vững hơn. Vì vậy, để đánh giá khả năng tắc nghẽn màng, đặc biệt đối với dòng thải sinh học như là dịch nổi của bùn, các phương pháp đơn giản và chi phí thấp cần được áp dụng. Nội dung chính của bài báo tập trung vào việc nghiên cứu công cụ phân tích mà có thể được sử dụng như một chỉ số đánh giá khả năng tắc nghẽn của dịch nổi ; và trong tương lai, có thể sử dụng công cụ này để dự đoán nhanh khả năng tắc nghẽn của màng. Phương pháp phân tích được lựa chọn trong nghiên cứu này là sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp với sắc ký rây phân tử và quang phổ huỳnh quang (HPLC-SEC- Fluorescence). Kết quả chỉ ra rằng, protein dưới dạng hợp chất có khối lượng phân tử 100-1000 kDa là nguyên nhân chính gây nên sự tắc nghẽn màng trong MBR. Bên cạnh đặc tính của phân tử protein dưới dạng hợp chất trong dịch nổi của bùn, mối quan hệ giữa các kết quả thu nhận được bởi HPLC-SEC-Fluorescence và khả năng ô nhiễm của dịch nổi cũng được nghiên cứu. Trong tương lai, phương pháp này có thể là một công cụ tối ưu hoá các điều kiện hoạt động của MBR nhằm giảm thiểu tắc nghẽn và tăng hiệu quả xử lýTừ khóa: MBR, HPLC-SEC-Fluorescence, khả năng tắc nghẽn, sản phẩm vi sinh vật hoà tan (SMP), protein dưới dạng hợp chất. Từ khóa: MBR, HPLC-SEC-Fluorescence, khả năng tắc nghẽn, sản phẩm vi sinh vật hoà tan (SMP), protein dưới dạng hợp chất. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ màng lọc sinh học MBR (membrane bioreactor) là sự kết hợp giữa quá trình bùn hoạt tính và màng lọc, ngày càng được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải và nước tái sử dụng. Các nghiên cứu trước đây cho thấy tính ưu việt khi ứng dụng công nghệ MBR trong xử lý nước thải như tiết kiệm tối đa diện tích xây dựng do không cần bể lắng thứ cấp, khối lượng bùn thải sinh ra ít do thời gian lưu bùn (SRT) dài hơn khi so sánh với công nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS). Công nghệ MBR cũng đạt hiệu quả xử lý COD, DOC, TN, Protein, Polysaccharide cao. Tuy nhiên, nhược điểm chính của MBR chính là tắc nghẽn màng. Hiện tượng tắc nghẽn màng -397-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải được thể hiện qua sự sụt giảm của dòng thấm hoặc sự tăng lên của TMP (transmembrane pressure) trong suốt quá trình hoạt động của MBR. Các cơ chế tắc nghẽn màng khác nhau có thể xuất hiện trong suốt quá trình lọc của màng, bao gồm ba hiện tượng sau: sự hình thành các lớp bánh (gồm các hạt và đại phân tử) trên bề mặt màng; sự tắc nghẽn lỗ màng (bởi các hạt chui vào lỗ màng và bịt kín lỗ màng) và sự hấp phụ của chất nền và các hạt lên thành lỗ màng, thu hẹp kích thước lỗ màng) [1-2]. Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng dịch nổi của bùn hoạt tính (chứa các hạt keo và các chất hoà tan) đóng một vai trò quan trọng đối với sự tắc nghẽn màng MBR [3- 4]. Các sản phẩm vi sinh vật hoà tan (SMP) là thành phần chính trong dịch nổỉ của bùn, đã được biết đến như là chất ô nhiễm chính gây nên sự tắc nghẽn màng trong MBR [5]. Sản phẩm vi sinh vật hoà tan SMP được xác định như hợp chất polymer ngoại bào EPS, bao gồm proteins, polysaccharides, các hợp chất humic, axit nucleic v.v…. SMP có thể được chia thành hai nhóm: UPA (utilization associated products) được tạo ra trong quá trình chuyển hoá chất nền và BAP (biomass-associated products) được hình thành từ quá trình phân huỷ sinh khối. Thành phần và nồng độ của SMP bị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện hoạt động, ví dụ như tải trọng hữu cơ, tuổi của bùn [6-7] hoặc các điều kiện thuỷ lực [8], và bởi sự hiện diện của các hoá chất trong nước thải đầu vào sẽ ảnh hưởng tới hoạt động của cộng đồng vi sinh vật [9-10]. Trong một vài những nghiên cứu gần đây, các phân tử protein dưới dạng hợp chất có thể là những chất ô nhiễm chính gây nên sự tắc nghẽn màng [6, 11]. Bằng phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp với sắc ký rây phân tử và quang phổ huỳnh quang (HPLC-SEC-Fluorescence), Teychene và các cộng sự. [12] đã chứng minh rằng chất ô nhiễm đặc biệt trong MBR là các phân tử protein dưới dạng hợp chất (protein- like substances). Kết quả phân tích đã chỉ ra rằng, phân tử protein dưới dạng hợp chất có liên quan chặt chẽ tới khả năng tắc nghẽn của màng MBR. Trái ngược lại, Shen và các cộng sự. [13] đã chứng minh sự tắc nghẽn màng MBR có liên quan tới phân tử polysaccharide dưới dạng hợp chất (polysaccharide-like substances) hiện diện trong dịch nổi của bùn. Bên cạnh đó, một vài nghiên cứu đã chứng minh sự tắc nghẽn màng MBR là do các phân tử protein dưới dạng hợp chất có trong dịch nổi của bùn [3-4,12], bám trên bề mặt màng hoặc chui vào trong các lỗ màng MBR. Tuy nhiên, liên quan tới sự tắc nghẽn màng bởi nồng độ protein hoặc polysaccharide trong dịch nổi hoặc sự lưu giữ chúng trong MBR có thể không giải thích rõ đóng góp của từng thành phần trong việc gây nên tắc nghẽn màng, bởi vì một vài thành phần SMP có thể bị giữ lại bởi các lớp bánh ô nhiễm, nhưng có thể không tích tụ trên bề mặt màng hoặc chui vào trong các lỗ màng. Trong MBR, sự tắc nghẽn không chỉ bị gây nên bởi nồng độ của SMP trong dịch nổi của bùn, mà còn bị ảnh hưởng bởi sự phân bố khối lượng phân tử. Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hợp chất SMP với khối lượng phân tử lớn hơn 100 kDa là chất ô nhiễm chính gây nên sự tắc nghẽn màng [4,14], trong khi một nghiên cứu khác, các tác giả đã chứng minh sự tắc nghẽn màng bị gây ra bởi các hợp chất SMP với kích thước phân tử 10-100 kDa [15]. Thành phần của các polymer sinh học với kích thước phân tử khác nhau gây ảnh hưởng tới khả năng tắc nghẽn màng có thể liên -398-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải quan tới việc sử dụng màng với nhiều loại kích thước lỗ màng trong các thí nghiệm nhanh về khả năng tắc nghẽn màng và các phương pháp phân tích sự phân bố khối lượng phân tử của polymer sinh học. Trong nghiên cứu của Ferrero và các cộng sự. [16], khả năng tắc nghẽn của dòng thải sinh học được đánh giá bởi kháng trở, khả năng thẩm thấu của màng (TMP) bởi các mô-đun tiếp tuyến được vận hành với các điều kiện tiêu chuẩn hoá và vận hành liên tục; bởi một vài các mô-đun màng được đặt ngập trong MBR và hệ thống sục khí được sử dụng để đảm bảo dòng chảy song song với bề mặt màng (cross-flow filtration) [17]; có thể tránh được sự thay đổi khả năng lọc của bùn trong suốt thời gian hoạt động. Việc tìm ra các phương pháp đơn giản, chi phí thấp có thể đánh giá khả năng ô nhiễm của các dòng thải sinh học như là dịch nổi của MBR đã và đang được quan tâm bởi các nhà khoa học trên thế giới. Một vài công cụ phân tích như quang phổ huỳnh quang EEM (excitation-emission matric) và sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp với sắc ký rây phân tử (HPLC-SEC) được kết hợp với các thiết bị khác nhau (UV, chỉ số khúc xạ, quang phổ huỳnh quang và cacbon hữu cơ) đã được sử dụng để xác định các đặc tính của SMP trong dịch nổi. Bằng cách tích hợp các ưu điểm của phương pháp quang phổ huỳnh quang EEM với phương pháp phân tích HPLC-SEC, phương pháp HPLC- SEC-Fluorescence có thể xác định chính xác các hợp chất protein với các khối lượng phân tử khác nhau, đặc biệt là đối với các hợp chất polymer sinh học với kích thước phân tử lớn hơn 10 kDa. Thanh và các cộng sự. [18] cũng sử dụng phương pháp HPLC-SEC-Fluorescence để nghiên cứu những ảnh hưởng của ứng suất cắt do sục khí đối với đặc tính của dịch nổi của bùn trong bể phản ứng sinh học hiếu khí. Để chứng minh mối quan hệ giữa các hợp chất có khối lượng phân tử lớn trong dịch nổi của MBR, kết quả nghiên cứu của Teychene và các cộng sự. [12] đã chỉ ra khả năng tắc nghẽn sụt giảm sau khi thêm các hạt mịn nhằm làm giảm các hợp chất protein có khối lượng phân tử lớn hơn 100 kDa khi sử dụng phương pháp HPLC-SEC- fluorescence. Tuy nhiên, hiện nay chưa có nghiên cứu nào được thực hiện khi áp dụng phương pháp HPLC-SEC- fluorescence như là một công cụ để đánh giá khả năng ô nhiễm của dịch nổi trong MBR và khả năng tắc nghẽn màng MBR trong xử lý nước thải và nước tái sử dụng. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá khả năng áp dụng phương pháp HPLC-SEC-fluorescence như một công cụ đánh giá nhanh sự thay đổi tắc nghẽn màng trong MBR. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.21. Mô hình thí nghiệm Bể sinh học màng MBR được thiết kế bao gồm một bể thiếu khí (5,4L) và một bể hiếu khí (12,6L) với module màng tấm MF (microfiltration) nhúng chìm có diện tích bề mặt 0,1 m2, kích thước lỗ màng 0,2 m (Hình 1). Hiệu suất lọc qua màng được ổn định tại 15 LMH, với chu kỳ hoạt động và nghỉ của màng lọc với thời gian là 8:4 phút. Hệ thống cấp khí được sử dụng trong bể phản ứng bao gồm thiết bị cấp khí thô có lưu lượng 1,5 L. phút-1, ví dụ SADm là 0,9 m3 không khí.h-1.m-2, nhằm làm giảm tắc nghẽn màng. Một hệ thống cấp khí tinh cũng được sử dụng nhằm đảm bảo nồng độ oxy hoà tan DO = 2- 3 mg.L-1. Thời gian lưu bùn SRT được kiểm soát theo chế độ 45 ngày. -399-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hỗn hợp bùn và nước thải tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí được ổn định tại 4 L.h-1. Nồng độ MLSS ban đầu trong bể phản ứng duy trì 6000 – 8000 mg.L-1. Bảng 1. Thí nghiệm được thực hiện trong nghiên cứu. Thí Thời gian Tỷ lệ F/M Hiệu suất xử lý Hiệu suất xử nghiệm MLSS COD lý TN thí (kg COD/kg (g/L) (SET) nghiệm MLSS/ngày) (trung bình) (trung bình) 1 35 ngày 0,2 6-8 98% 85% 2 40 ngày 0,2 6-8 3 11 ngày 0,16 6-8 92% 57% Nước sau xử lý Nước thải Bể Anoxic Màng lọc MF Cấp khí Bể Aerobic Hình 1. Sơ đồ mô hình thí nghiệm. Trước khi tiến hành thí nghiệm SET 2, màng MBR được rửa sạch với nước và 0,5% Sodium hypochlorite (NaClO) trong vòng 2h. Hiệu suất xử lý COD và TN của cả 2 SET thí nghiệm (SET 1 và SET 2) lần lượt là 98% và 85%. Vào ngày thứ 40 của SET 2, dòng thải cô đặc (concentrates) từ quá trình lọc thẩm thấu ngược RO được thêm trực tiếp vào bể MBR (với tỷ lệ 80% nước thải và 20% dòng thải cô đặc), SET 3 được thực hiện trong 11 ngày với tỷ lệ F/M 0,16 kg COD/kg MLSS/ngày. Hiệu suất xử lý COD của SET 3 không thay đổi so với SET 1 và 2; tuy nhiên hiệu quả loại bỏ TN của SET 3 chỉ đạt khoảng 57%. -400-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2.22. Phép thử về khả năng lọc của màng Khả năng tắc nghẽn của màng đã được xác định bằng phương pháp lọc nhanh (Amicon 8050). Màng lọc UF- UltraFiltration (Orelis, Pháp), được làm từ polyethersulphone (PES), với kích thước lỗ màng là 0,01 µm (L P° = 47-70 L.h -1.m- 2 .bar-1 tại 200C) đã được sử dụng trong thí nghiệm này. Màng UF đã được ngâm trong nước tinh khiết trong khoảng 12h – 15h để giữ cho màng luôn ẩm. Sau đó màng UF đã được làm sạch với nước tinh khiết trong vòng 15 phút tại áp suất 1 bar trước khi tiến hành thí nghiệm. Phép thử này được thực hiện bên trong thiết bị Amicon, với diện tích bề mặt là 13.4 cm2, mẫu thí nghiệm là dịch nổi MBR. Tính thấm của màng được xác định bằng công thức sau: TMP J(20oC) = = LPo × TMP ( ) (1)  20 o C  Rm Với: J(20°C): dòng thấm tại 20°C (L.h -1.m 2) Rm: kháng trở của màng khi thực hiện phép thử với nước tinh khiết (m-1) µ: độ nhớt của chất lỏng tại 20°C (Pa.s) LPo: tính thấm của màng khi thử với nước tinh khiết (L.h-1.m-2. bar-1) Kháng trở của màng khi thực hiện phép thử về khả năng lọc của bùn được xác định bằng công thức sau: TMP  (Rm  R f ) J= (2) Với: Rf: kháng trở về sự tắc nghẽn của màng (m-1). 2.3. Phương pháp phân tích Chỉ số MLSS được xác định theo phương pháp chuẩn AFNOR NFT 90-105. Nồng độ COD, TN được đo bằng phương pháp khối phổ với bộ kít thí nghiệm. Carbon hữu cơ hoà tan DOC được đo bằng phương pháp phân tích tổng carbon hữu cơ TOC (mỗi mẫu nước thải được lọc bằng giấy lọc có kích thước 0,45 m trước khi phân tích DOC). Bùn hoạt tính được ly tâm tại 4000 g trong vòng 10 phút ở nhiệt độ phòng để thu dịch nổi. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp với sắc ký rây phân tử (HPLC- SEC) được thực hiện bởi Akta Purifier (GE Healthcare, USA), được kết hợp với một cột protein Kw804 (Shodex, Nhật) và máy dò quang phổ huỳnh quang. Dung dịch cho pha động được chuẩn bị với 25 mM Na2SO4 và dung dịch đệm phosphat (2,4 mM NaH2PO4 và 1,6 mM Na2HPO4 ở pH 6,8). Lưu lượng của dung môi rửa giải qua cột là 1,0 mL/phút. Bước sóng kích thích/phát xạ được cài đặt tại 280/350 nm, đây là các giá trị cần thiết được xác nhận bởi phương pháp huỳnh quang EEM [4,12] nhằm phát hiện các hợp chất protein. Cột được hiệu chuẩn bằng cách sử dụng các protein tiêu chuẩn: thyroglobulin (669 kDa), ferritin (440 kDa), aldolase (158 kDa), conalbumin (75 kDa), ovalbumin (43 kDa), carbonic anhydrase (29 kDa), ribonuclease A (13.7 kDa) và aprotinin (6.5 kDa) (GE Healthcare). Kết quả hiệu chuẩn được thể hiện trong Hình 2 dưới đây. Mỗi mẫu nước thải sẽ được lọc qua màng 0,45 μm trước khi phân tích bằng HPLC-SEC-fluorescence. -401-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 2. Hiệu chuẩn thiết bị đo của phương pháp HPLC-SEC-fluorescence. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.4 Sự tắc nghẽn màng trong MBR và kết quả phân tích bởi HPLC-SEC- Fluorescence Khả năng thấm của màng (membrane permeability) hoặc áp lực xuyên qua màng TMP (transmembrane pressure) là một trong những tham số quan trọng dùng để đánh giá sự tắc nghẽn màng trong MBR. Sự thay đổi của giá trị TMP trong suốt quá trình lọc của màng MBR được thể hiện tại cả 3 SET thí nghiệm (Hình 3). Theo lý thuyết về quá trình lọc của màng MBR, hiệu suất lọc sẽ bị giảm dần theo thời gian hoạt động; vấn đề này có thể do sự lắng đọng thành lớp trên bề mặt màng hoặc giảm kích thước lỗ màng bởi các chất hoà tan và các hạt. Kết quả từ Hình 3 chỉ ra rằng, sau 30 ngày hoạt động của MBR, giá trị TMP tăng từ 0,006 bar lên đến 0,014 bar đối với SET 1 và tăng từ 0,009 bar lên 0,018 bar đối với SET 2. Hình 3. Khả năng thấm của màng MBR tại các tỷ lệ F/M khác nhau. -402-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 4. HPLC-SEC- fluorescence đối với dịch nổi và dòng thấm của MBR (SET 1) Để nghiên cứu biên độ khối lượng phân tử (MW) của các polyme sinh học đối với sự tắc nghẽn màng MBR, phương pháp HPLC-SEC-fluorescence được sử dụng để phân tích dịch nổi của bùn và dòng thấm từ MBR (Hình 4). Khối lượng phân tử của protein trong dịch nổi MBR cho thấy sự phân bố theo hai peak trong sắc ký đồ. Kết quả Hình 4 chỉ ra hai nhóm phân tử protein với kích thước 10-100 kDa và 100-1000 kDa, tương ứng 2 peak thu nhận bởi phương pháp HPLC-SEC-Fluorescence. Trong nghiên cứu trước đây, Huber và các cộng sự [19] đã xác định thành phần của SMP có khối lượng phân tử lớn hơn 10 kDa là phần polymer sinh học, hai peak được phát hiện đều nằm trong khoảng 10-100kDa và 100-1000 kDa. Hợp chất protein trong dịch nổi với khối lượng phân tử 100-1000 kDa có thể được giữ lại hoàn toàn bởi màng MBR, trong khi đó hầu hết các hợp chất protein có khối lượng nhỏ 10-100 kDa đi xuyên qua màng. Kết quả này chứng minh rằng hợp chất protein với khối lượng lớn 100-1000 kDa đóng một vai trò quan trọng đối với khả năng tắc nghẽn màng bởi khả năng hình thành các màng sinh học (biofilm). Để chứng minh mối quan hệ giữa hợp chất protein có khối lượng phân tử lớn 100-1000 kDa với khả năng tắc nghẽn màng MBR, phương pháp HPLC- SEC- florescence được thực hiện trên mẫu dịch nổi MBR tại các tỷ lệ F/M khác nhau. Như được biểu diễn trong Hình 5, chiều cao đỉnh huỳnh quang của hợp chất protein với khối lượng 10-100 kDa và 100-1000 kDa đă tăng trong dịch nổi của MBR, từ SET 1 và SET 2 tới SET 3 khi tỷ lệ F/M giảm từ 0.2 kg COD/kg MLSS/ ngày xuống 0.16 kg COD/kg MLSS/ngày. Sự tăng chiều cao peak của hợp chất protein với khối lượng 10- 100 kDa có thể liên quan trực tiếp tới thành phần của dòng cô đặc RO được thêm trực tiếp vào bể MBR. Trong khi đó, sự tăng lên đáng kể chiều cao peak của protein với khối lượng 100- 1000 kDa trong dịch nổi MBR có thể do vi sinh vật giải phóng protein dưới dạng hợp chất SMP khi tiếp xúc với các chất độc, ví dụ chất ô nhiễm siêu vi carbamazepine có trong thành phần dòng cô đặc RO. Màng MBR có thể giữ lại hầu như hoàn toàn các hợp chất protein SMP có khối lượng 100-1000 kDa (Hình 4); khi các hợp chất protein này tăng lên trong dịch nổi có thể dẫn tới sự tắc nghẽn màng trong MBR (Hình 3). -403-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 5. HPLC-SEC-Fluorescence đối với mẫu dịch nổi của MBR (SET 1 và SET 2: mẫu được lấy tại ngày cuối cùng của mỗi SET thí nghiệm; SET 3: mẫu được lấy tại ngày thứ 8 của thí nghiệm). Do vậy, phương pháp HPLC-SEC-Fluorescence có thể được sử dụng để biểu thị sự khác nhau về chiều cao đỉnh huỳnh quang của hợp chất protein SMP có khối lượng 100-1000 kDa khi thay đổi điều kiện hoạt động của MBR, và giúp cho việc đánh giá khả năng tắc nghẽn màng MBR bị gây ra bởi hợp chất protein có khối lượng phân tử lớn trong dịch nổi. Bên cạnh đó, một đỉnh (peak) của hợp chất protein với thể tích rửa giải nằm trong khoảng 18 mL tới 20 mL đã được thu nhận trong SET 3; khối lượng nguyên tử của hợp chất này nhỏ hơn 10 kDa và không ảnh hưởng đáng kể tới khả năng tắc nghẽn màng trong MBR. Chiều cao peak là một chỉ thị đơn giản và hiệu qủa, đại diện cho cường độ huỳnh quang và định lượng hàm lượng cấu tử bằng phân tích huỳnh quang HPLC-SEC; việc giữ lại gần như hoàn toàn các hợp chât protein có khối lượng phân tử 100-1000 kDa trong dịch nổi bởi màng MBR (Hình 4); chiều cao peak của các hợp chất protein 100-1000 kDa có thể được coi là chỉ số ô nhiễm, để đánh giá khả năng tắc nghẽn màng trong MBR. 3.2. Khả năng ô nhiễm của dịch nổi MBR và kết quả phân tích bởi HPLC-SEC- Fluorescence. Để giải thích rõ ràng hơn về mối quan hệ giữa khả năng tắc nghẽn màng và chiều cao peak của các hợp chất protein có khối lượng phân tử 100-1000 kDa, các thí nghiệm về khả năng lọc của màng được thực hiện đối với mẫu dịch nổi trong MBR (sử dụng màng PES với kích thước lỗ màng 0.01 µm); phương pháp HPLC-SEC- Fluorescence cũng được thực hiện đồng thời trên cả mẫu dịch nổi của MBR và dòng thấm thu được từ thí nghiệm về khả năng lọc màng (filterability test). Kết quả nghiên cứu được thể hiện ở Hình 6 cho thấy, màng lọc PES đã giữ lại hầu hết các hợp chất protein có khối lượng phân tử 100-1000 kDa; trong khi đó các hợp chất protein có khối lượng nhỏ 10-100 kDa đã đi qua các lỗ màng. Kết quả này -404-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của các hợp chất protein có khối lượng phân tử lớn 100-1000 kDa đối với khả năng gây tắc nghẽn màng. Thí nghiệm về khả năng lọc của màng được thực hiện với mẫu dịch nổi MBR tại áp suất 1 bar, sử dụng màng lọc PES với kích thước lỗ màng 0.01 µm (Hình 7) để chứng minh khả năng gây tắc nghẽn của dịch nổi. Khi xem xét về chiều cao peak của 100-1000 kDa protein SMP trong dịch nổi của 2 SET thí nghiệm (Hình 5), kết quả từ Hình 7 chỉ ra rằng các hợp chất protein SMP với khối lượng phân tử lớn 100-1000 kDa có chiều cao peak cao hơn thì khả năng gây tắc nghẽn màng cũng cao hơn. Đặc biệt, giá trị Rf của SET 3 cao hơn đáng kể so với SET 2 tại cùng một dung tích dòng thấm trong suốt qúa trình lọc. a) b) Hình 6. HPLC-SEC-Fluorescence đối với mẫu dịch nổi MBR và dòng thấm thu được từ thí nghiệm lọc màng 0.01 μm PES: a) SET 2- mẫu dịch nổi được lấy tại ngày cuối cùng của thí nghiệm, b) SET 3- mẫu dịch nổi được lấy tại ngày thứ 8 của thí nghiệm. -405-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 7. Thí nghiệm khả năng lọc của dịch nổi MBR tại áp suất 1 bar (sử dụng màng PES với kích thước lỗ màng 0.01 µm). 4. KẾT LUẬN Sự tắc nghẽn màng là một trong những nguyên nhân quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý nước thải của công nghệ màng lọc sinh học MBR. Sự hiểu biết về cơ chế tắc nghẽn màng là yếu tố cần thiết nhằm đảm bảo MBR hoạt động hiệu quả và bền vững hơn. Chính vì vậy, các phương pháp đơn giản với chi phí thấp có thể đánh giá khả năng tắc nghẽn màng trong MBR cần được nghiên cứu và áp dụng. Nghiên cứu này liên quan đến phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao- sắc ký rây phân tử kết hợp với quang phổ huỳnh quang (HPLC-SEC-Fluorescence) với tỷ lệ tắc nghẽn màng trong MBR cũng như khả năng ô nhiễm của dịch nổi MBR. Kết quả nghiên cứu chỉ ra mối quan hệ tuyến tính giữa chiều cao đỉnh huỳnh quang của hợp chất protein với khối lượng phân tử 100-1000 kDa và khả năng ô nhiễm của dịch nổi trong MBR. Ngoài ra, HPLC-SEC-Fluorescence được phát hiện là một công cụ đơn giản và hữu ích để đánh giá khả năng tắc nghẽn màng trong MBR tại các điều kiện hoạt động khác nhau. Chiều cao peak của hợp chất protein với khối lượng phân tử lớn 100-1000 kDa có thể được xác định là một chỉ thị gây tắc nghẽn màng. Để hiểu rõ hơn về khả năng sử dụng phương pháp HPLC-SEC- Fluorescence như là một công cụ đánh giá sự tắc nghẽn màng MBR, các nghiên cứu liên quan tới hiệu suất lọc của màng khi thay đổi các điều kiện hoạt động trong MBR như nồng độ MLSS hay tuổi của bùn SRT cần được thực hiện. Ngoài ra, khả năng sử dụng phương pháp phân tích HPLC-SEC-Fluorescence để tối ưu hoá các điều kiện tắc nghẽn màng MBR cũng cần được nghiên cứu nhằm đảm bảo hiệu suất xử lý của MBR. LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại LAB TBI thuộc Viện Khoa học Ứng dụng Quốc gia Toulouse, Cộng hoà Pháp đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện -406-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải nghiên cứu thực nghiệm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Abdelrasoul. A, Doan. H. & Lohi., A, A mechanistic model for ultrafiltration membrane fouling by latex. Journal of Membrane Science 433, 15 April 2013, 88-99. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.01.003 [2]. Wu, J., He, C., Jiang, X. & Zhang, M., Modeling of the submerged membrane bioreactor fouling by the combined pore constriction, pore blockage and cake formation mechanisms. Desalination 279, 15 September 2011, 127-134. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.05.069 [3]. Li. C, Cabassud. C, Reboul. B & Guigui. C, Effects of pharmaceutical micropollutants on the membrane fouling of a submerged MBR treating municipal wastewater: Case of continuous pollution by carbamazepine. Water Research, 69, 1 February 2015, 183‑194. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.11.027 [4]. Vu. T. T. N, Montaner. M, Guigui. C, Recycling of reverse osmosis concentrates to the membrane bioreactor in the MBR-RO process for water reuse: effect on MBR performanances. Revue des Sciences de l’Eau 30(1) (2017) 1-10. https://doi.org/10.7202/1040057ar [5]. J.R. Pan, Y.-C. Su, C. Huang, H.-C. Lee, Effect of sludge characteristics on membrane fouling in membrane bioreactors. Journal of Membrane Science 349, 1 March 2010, 287-294. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.11.055 [6]. B.G. Choi, J. Cho, K.G. Song, S.K. Maeng, Correlation between effluent organic matter characteristics and membrane fouling in a membrane bioreactor using advanced organic matter characterization tools. Desalination 309, 15 January 2013, 74-83. https://doi.org/10.1016/j.desal.2012.09.018 [7]. D. Al-Halbouni, J. Traber, S. Lyko, T. Wintgens, T. Melin, D. Tacke, A. Janot, W. Dott, J. Hollender, Correlation of EPS content in activated sludge at different sludge retention times with membrane fouling phenomena. Water Research 42, March 2008, 1475-1488. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.10.026 [8]. M. Stricot, A. Filali, N. Lesage, M. Spérandio, C. Cabassud, Side-stream membrane bioreactors: Influence of stress generated by hydrodynamics on floc structure, supernatant quality and fouling propensity. Water Research 44, April 2010, 2113-2124. https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.12.021 [9]. A. Avella, L.F. Delgado, T. Görner, C. Albasi, M. Galmiche, P. De Donato, Effect of cytostatic drug presence on extracellular polymeric substances formation in municipal wastewater treated by membrane bioreactor. Bioresource technology 101, January 2010, 518-526. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.08.057 [10]. L. Zhou, Z. Zhang, W. Jiang, W. Guo, H.-H. Ngo, X. Meng, J. Fan, J. Zhao, S. Xia, Effects of low-concentration Cr(VI) on the performance and the membrane fouling of a submerged membrane bioreactor in the treatment of municipal wastewater. Biofouling 30, 25 Nov 2013, 105-114. https://doi.org/10.1080/08927014.2013.847925 [11]. S. Tang, Z. Wang, Z. Wu, Q. Zhou, Role of dissolved organic matters (DOM) in membrane fouling of membrane bioreactors for municipal wastewater treatment. -407-
Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Journal of hazardous materials 178, 15 June 2010, 377-384. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.01.090 [12]. B. Teychene, C. Guigui, C. Cabassud, Engineering of an MBR supernatant fouling layer by fine particles addition: A possible way to control cake compressibility. Water Research 45, February 2011, 2060-2072. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.12.018 [13]. Y.-x. Shen, K. Xiao, P. Liang, J.-y. Sun, S.-j. Sai, X. Huang, Characterization of soluble microbial products in 10 large-scale membrane bioreactors for municipal wastewater treatment in China. Journal of Membrane Science 415, 1 October 2012, 336-345. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2012.05.017 [14]. Y. Shen, W. Zhao, K. Xiao, X. Huang, A systematic insight into fouling propensity of soluble microbial products in membrane bioreactors based on hydrophobic interaction and size exclusion. Journal of Membrane Science 346, 1 January 2010, 187-193. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.09.040 [15]. S. Arabi, G. Nakhla, Impact of molecular weight distribution of soluble microbial products on fouling in membrane bioreactors. Separation and Purification Technology 73, 8 July 2010, 391-396. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2010.04.028 [16]. G. Ferrero, I. Rodríguez-Roda, J. Comas, Automatic control systems for submerged membrane bioreactors: A state-of-the-art review. Water Research 46, July 2012, 3421-3433. https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.03.055 [17]. T. de la Torre, M. Mottschall, B. Lesjean, A. Drews, A. Iheanaetu, M. Kraume, Filterability assessment in membrane bioreactors using an in-situ filtration test cell. Water Sci Technol (2010) 61 (11): 2809–2816. https://doi.org/10.2166/wst.2010.084 [18]. B.X. Thanh, M. Spérandio, C. Guigui, R.B. Aim, J. Wan, C. Visvanathan, Coupling sequencing batch airlift reactor (SBAR) and membrane filtration: Influence of nitrate removal on sludge characteristics, effluent quality and filterability. Desalination 250, 15 January 2010, 850-854. https://doi.org/10.1016/j.desal.2008.11.055 [19]. S.A. Huber, A. Balz, M. Abert, W. Pronk, Characterisation of aquatic humic and non-humic matter with size-exclusion chromatography – organic carbon detection – organic nitrogen detection (LC-OCD-OND). Water Research 45, January 2011, 879- 885. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.09.023 -408-