Đồ án Bước đầu nghiên cứu chế tạo màng siêu lọc ứng dụng thử để lọc bia và xử lý nước bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn - Hà Nội

uá trình lọc. 1.4.4. Trở lực của màng. Trở lực của màng là áp suất thuỷ tĩnh để dung môi có thể chảy được với lưu lượng riêng nào đó. Màng càng dày càng ít lỗ bít thì trở lực càng lớn và ngược lại. Trở lực của màng cũng là yếu tố cần chọn lựa khi sử dụng màng. 1.5. Cơ chế tách trên màng. Do quá trình chuyển chất qua màng là một quá trình rất phức tạp. Người ta đã đưa ra rất nhiều giả thuyết để giải thích cho quá trình này trong đó có 2 giả thuyết chính và tương đối hợp lí nhất. 1.5.1. Thuyết mô hình mao quản. Màng bán thấm tạo bởi nhiều mao quản, trên bề mặt màng bán thấm và trong ống mao quản hình thành một lớp chất lỏng liên kết hấp phụ. Do tương tác của lực hoá lý, lớp nước hấp phụ này đã bị mất một phần hay toàn bộ khả năng hoà tan chất tan. Vì thế nó không cho chất tan đi qua ống mao quản. Nếu các ống mao quản có đường kính đủ nhỏ hơn hai lần chiều dày lớp nước liên kết hấp phụ thì màng chỉ cho nước đi qua. Giả thuyết này có thể giải thích khá đầy đủ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách. 1.5.2. Thuyết sàng lọc. Thuyết này cho rằng màng gồm nhiều mao quản có kích thước lỗ xác định. Chất nào có kích thước nhỏ hơn đường kính mao quản sẽ vận chuyển qua màng, chất có kích thước lớn hơn được giữ lại. Thuyết này phù hợp để giải thích cho quá trình siêu lọc và vi lọc. 1.6 . Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách trên màng. 1.6.1. Sự phân cực nồng độ và quá trình làm giảm sự phân cực nồng độ. Sự phân cực nồng độ là hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng do dung môi vận chuyển được qua màng và chất tan thì bị giữ lại. Theo thời gian dưới tác dụng của áp suất dung môi vận chuyển qua màng, chất tan tích tụ ngày càng nhiều trên bề mặt màng. Sự tăng nồng độ chất tan trên bề mặt màng làm thay đổi đặc tính tách bình thường của màng: làm giảm sự thấm nước, tăng vọt áp suất thẩm thấu. Ta có thể làm giảm sự phân cực nồng độ bằng cách tạo ra các dòng chảy mạnh trên bề mặt màng. Tuy nhiên, màng vẫn phải được làm sạch định kỳ, thường xuyên loại bỏ cặn bẩn, kết tủa trên bề mặt màng. 1.6.2. ảnh hưởng cấu trúc dung dịch. Khi tiến hành tách các dung dịch khác nhau trong cùng một điều kiện thì độ lưu giữ cũng như năng suất lọc qua màng là khác nhau. Điều đó chứng tỏ bản chất dung dịch và cấu trúc của nó có ảnh hưởng tới quá trình tách bằng màng. Đối với dung dịch muối quá trình hoà tan là quá trình có sự tương tác chất tan và dung môi. Hiệu ứng của quá trình có khi rất lớn do liên kết giữa chất tan và dung môi, liên kết đó có thể là sonvat hoá hay hidrat hoá ( dung môi là nước ). Quá trình hidrat hoá: Khi một chất tan vào nước thì các phần tử nước (phân cực) sẽ bao bọc xung quanh chất tan, hình thành lớp vỏ hidrat bao bọc chất tan, những phần tử nước không chuyển động tự do mà gắn liền với ion chất tan. Những phần tử nước còn lại không tham gia lớp vỏ hiđrat gọi là nước tự do, chúng có khả năng chuyển động tự do và tương đối linh động. Độ lưu giữ và lưu lượng qua màng thay đổi khi lượng nước tự do thay đổi hay cấu trúc dung dịch thay đổi. 1.6.3. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch. Trong quá trình tách trên màng áp suất thẩm thấu có vai trò quyết định đến năng suất lọc. Mà áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch: p = b. Cs. R.T. Khi nồng độ dung dịch càng lớn thì áp suất thẩm thấu càng cao cho lưu lượng qua màng giảm xuống. 1.6.4. ảnh hưởng của áp suất khi lọc. Trong kỹ thuật lọc đòi hỏi phải có sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của vật liệu lọc. Nếu độ chênh lệch càng lớn thì năng suất lọc càng cao và ngược lại. Độ chênh áp có thể tạo ra bằng hai cách đó là lọc bằng chân không và lọc bằng áp lực. Tuy nhiên, độ chênh áp chỉ ở một giới hạn nhất định. Nếu quá giới hạn đó thì độ lưu giữ và năng suất lọc hầu như không thay đổi. Mối quan hệ giữa áp suất với năng suất lọc và độ lưu giữ được biểu diễn như sau: ãĐộ lưu giữ : R R= P- áp suất đặt lên màng. a1, a2 – là các hằng số thực nghiệm. ã Năng suất lọc : Jv. Jv = b1 + b2. lgP. b1, b2 là các hằng số phụ thuộc vào từng loại màng và dung dịch tách . 1.6.5. Bản chất chất điện li. Khi tách dung dịch muối vô cơ bằng quá trình lọc qua màng độ lưu giữ và năng suất lọc qua màng phụ thuộc vào khả năng hidrat của muối. Các ion có vỏ hidrat càng lớn thì độ chọn lọc càng cao đồng thời áp suất càng nhỏ dẫn đến năng suất lọc càng lớn. 1.6.6. Các yếu tố ảnh hưởng khác. ã Dung dịch tách huyền phù, keo, nhũ tương có khả năng làm bít lỗ màng, làm giảm khả năng lọc và tăng áp suất thẩm thấu. Do đó khi tách qua màng phải loại bỏ sơ bộ các tạp chất này. ã Khử các loại vi sinh vật trước khi qua màng, chúng có thể ăn các polime hữu cơ làm giảm thời gian làm việc của màng. Các yếu tố trên còn được loại bỏ bằng thiết bị tiền lọc. ã pH có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của màng, phải điều chỉnh pH thích hợp cho từng loại màng. ã Nhiệt độ dung dịch tách quá cao cũng ảnh hưởng tới tuổi thọ của màng. 2. Công nghệ sản xuất bia Công nghệ sản xuất bia là một quá trình rất phức tạp trong đó các sản phẩm nông nghiệp như đại mạch, hoa houblon được chuyển hoá thành bia thông qua sự lên men. Quá trình sản xuất bia dù thực hiện trên dây chuyền, hay công nghệ nào thì cũng phải trải qua 4 giai đoạn chính: *Chuẩn bị nguyên liệu. *Chuẩn bị dịch đường houblon hoá. *Lên men chính để chuyển hoá dịch đường thành bia non, lên men phụ và tàng trữ để lão hoá bia non thành bia tiêu chuẩn. *Lọc trong bia và đóng chai, hoàn thiện sản phẩm. 2.1.Chuẩn bị nguyên liệu. Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính là malt đại mạch, hoa houblon và nước. Để tiết kiệm nguồn malt đại mạch hoặc để sản xuất một vài loại bia thích hợp với thị hiếu người tiêu dùng thì bên cạnh malt đại mạch, người ta còn dùng thêm các nguyên liệu phụ như bột mỳ, gạo, bột ngô, bột đậu tương đã tách béo. Trong nguyên liệu của quá trình sản xuất bia thì nước chiếm 77-90% . Vì vậy, nước là một trong những nguyên liệu quan trọng để sản xuất bia. Do đó, thành phần hoá học của nước ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng bia thành phẩm bia sau này. Ngoài yêu cầu về thành phần hoá học, nước dùng trong công nghệ sản xuất bia cần phải có thêm các tiêu chuẩn khác như : + Nước trong, không có mùi, vị lạ. + Chuẩn Coli: 300ml (là hàm lượng nước tối thiểu cho phép phát hiện 1 tế bào E.coli). +Chỉ số E. coli 3 (là số tế bào E.coli cho phép có trong một lít nước) Malt đại mạch : là nguyên liệu thiết yếu nhất trong công nghệ sản xuất bia. Quá trình quan trọng nhất mà qua đó hạt đại mạch trở thành hạt malt là sự nảy mầm và sấy khô. Mục tiêu lớn nhất của quá trình nẩy mầm và cũng là mục tiêu chủ yếu của quá trình sản xuất malt là để hoạt hoá, tích luỹ về khối lượng và hoạt lực của hệ enzym có trong hạt đại mạch. Yêu cầu của hạt đại mạch : + Hạt bảo quản tốt khi độ ẩm < 14%. + Hàm lượng Protein <11%. + Hàm lượng tinh bột 63- 65 % chất khô. + Khi kiểm tra phải có mùi tinh và vị hơi ngọt . Tính chất và thành phần của malt là những yếu tố quyết định hương, vị, màu sắc, khả năng tạo bọt và độ bền của bia. - Hoa houblon: là nguyên liệu gây cho bia vị đắng đặc biệt và mùi thơm dễ chịu, đồng thời hoa houblon chiết ra những chất có tác dụng sát trùng, do đó làm tăng thời gian bảo quản bia, giúp cho thành phần của bia được ổn định và bọt bia giữ được lâu tan. Ngoài ra tinh dầu thơm của hoa houblon tạo cho bia một mùi thơm đặc trưng, rất nhẹ nhàng và dễ chịu. Tinh dầu có dạng chất lỏng trong suốt màu vàng nhạt hoặc không màu, có mùi thơm rất mạnh. 2.2 Quá trình đường hoá hoa houblon. Đây là giai đoạn chuẩn bị dịch đường cho men. Nguyên liệu sau khi đã nghiền nhỏ sẽ được trộn với nước ở trong hệ thống thiết bị đường hoá. Lượng nước phối trộn với bột nghiền phụ thuộc vào chủng loại bia sản xuất và đặc tính kỹ thuật của hệ thống thiết bị. Trong môi trường giàu nước, các hợp chất có phân tử lượng thấp có sẵn trong nguyên liệu sẽ hoà tan vào nước và trở thành chất tan của dịch đường. Các hợp chất cao phân tử như: tinh bột, Protein..sẽ bị các enzym phân huỷ, phân cắt thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp và hoà tan vào nước để trở thành chất tan của dịch đường như : Glucozơ, maltozơ, dextrin.. ã Đường hoá : Lượng malt còn lại được chuyển vào nồi đường hoá với tỷ lệ .Sau khi được ngâm, khuấy kỹ, nâng nhiệt độ lên 48.5 oC, giữ một thời gian rồi bơm dịch đã hồ hoá đang sôi ở thùng nấu gạo sang. Nhiệt độ trong thùng đường hoá sẽ lên 60-70oC, giữ nhiệt độ này 50-60 phút rồi nâng lên 76oC trong 15-20 phút cho đến khi đường hóa hoàn toàn. ãLọc dịch đường nấu hoa : Dịch đường hoá được bơm vào máy lọc ép khung bản. Dịch đường nóng được đưa vào nồi nấu với hoa. Khi lọc gần hết thì mở hơi nóng giảm nhiệt độ nồi nấu hoa. Bã lọc được rửa nóng ở 75-80oC ( lượng nước để rửa theo yêu cầu của cán bộ kỹ thuật công nghệ). ãTách bã và làm lạnh dịch men: Sau khi nấu, dịch được lọc tách bã hoa rồi được bơm vào thùng lắng xoáy, để lắng trong 30 phút rồi bơm dịch qua thùng lạnh để hạ nhiệt độ từ 91oC xuống 8-10oC và được bổ xung oxy với lượng 30-35 ml/ lit dịch, tạo điều kiện cho nấm men phát triển rồi chuyển vào thiết bị lên men. 2.3. Quá trình lên men. Đây là một quá trình quan trọng nhất của sản xuất bia. Gồm hai quá trình: - Quá trình lên men chính. - Quá trình lên men phụ. Khi đó đường có trong nước nha được lên men dưới tác dụng của nấm men. Về cơ bản quá trình lên men là quá trình oxy hoá khử được tiến hành do hoạt động sống của vi sinh vật, dưới xúc tác của các enzym nhằm cung cấp năng lượng và các hợp chất trung gian cần thiết khác. Các phản ứng hoá sinh cơ bản của quá trình lên men là: - Các phản ứng đường phân - Chu trình Kreps - Chu trình Pentozơ photphat. Song song với quá trình lên men còn xảy ra rầt nhiều quá trình hoá sinh , sinh lý, hoá học, lý học rất phức tạp, Những quá trình này đóng vai trò rất quan trọng đối với chất lượng bia thành phẩm. Kết quả của quá trình lên men là tạo ra rượu Etylic, CO2 và các sản phẩm phụ khác. Quá trình lên men được tiến hành trong thùng liên hợp, được chế tạo có áo lạnh và thùng bảo ôn bên ngoài, với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ của bia trong thùng khi cần. Hai mẻ nấu được lên men trong một thùng. Thời gian lên men 10-14 ngày. Khi lên men nhiệt độ trong thiết bị lên đến 14-16oC, áp suất ở 1,3-1,5 bar, nhiệt độ và áp suất tự động khống chế. Sau 8 ngày lên men, duy trì nhiệt độ 4oC trong 24 giờ . Sau đó làm lạnh bia trong thiết bị xuống -1oC và giữ thêm 1-3 ngày, ở nhiệt độ -10C. Nấm men và các cặn mịn, các chất keo tụ (famin, protein, pectin không tan và nhựa hoa houblon) lắng làm bia trong và bão hoà CO2. Cặn lắng được lấy ra trước khi lọc bia. 2.4. Lọc bia, làm trong bia, đóng chai thành bia thành phẩm. 2.4.1. Mục đích của quá trình lọc bia, làm trong bia. Làm trong để tăng thêm giá trị cảm quan, ổn định thành phần cơ học, làm tăng độ bền sinh học và độ bền keo của bia, loại nấm men. 2.4.2.Cơ sở lý thuyết của quá trình làm trong bia. Trong quá trình lên men phụ và tàng trữ, bia đã được làm trong một cách tự nhiên nhưng chưa đạt đến mức độ cần thiết. Màu đục của bia được lý giải bằng sự hiện diện của nấm men, của các hạt phân tán cơ học, của các hạt dạng keo, của phức chất protein-polyphenol, của nhựa đắng nhiều loại hạt ly ty khác. Vì vậy, muốn làm tăng độ bền của bia, với mục đích là tăng thời gian bảo quản khi lưu hành bia trên thị trường. Có 2 giải pháp để làm trong bia: Phương pháp lọc. Phương pháp ly tâm. Nguyên tắc lọc bia được xây dựng trên 2 quá trình : Giữ chặt bằng lực cơ học tất cả các hạt có kích thước lớn hơn kích thước lỗ hổng của vật liệu lọc. - Hấp phụ các hạt có kích thước bé hơn, các hạt hoà tan dạng keo và các hạt hoà tan phân tử. Độ trong của bia đạt được là nhờ giai đoạn hấp phụ này. Hiệu quả của quá trình hấp phụ, phụ thuộc trước hết vào bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, sau đó là thời điểm trong quá trình lọc. Ly tâm là phương pháp thứ hai thường được sử dụng trong sản xuất để làm trong bia. Việc tách các hạt phân tán ra khỏi pha lỏng hoàn toàn mang tính chất cơ học. 2.4.3. Các phương pháp làm trong bia. - Dùng máy ly tâm: Việc tách các hạt phân tán ra khỏi pha lỏng hoàn toàn mang tính chất cơ học: + ưu điểm của phương pháp này : tiện lợi, kỹ thuật thao tác đơn giản, dễ có khí hoá, mặt bằng diện tích chiếm ít, năng suất cao, chi phí sản xuất thấp, sự thay đổi thành phần và tính chất của bia không đáng kể. + Nhược điểm của phương pháp: bia không đạt được độ trong cần thiết, không loại hoàn toàn nấm men.. nên độ bền keo của sản phẩm không cao. - Lọc bằng bông: Xơ bông được trộn với bột amiang rồi ép thành bánh hình tròn ( hoặc hình chữ nhật, hình vuông). Vì độ dày của bánh khá lớn nên gọi là khối lọc. Các bánh được xếp trong một ống dài gọi là cột bông. + ưu điểm của phương pháp: Cột bông có thể hấp phụ mạnh nấm men và các phân tử phân tán cơ học nên bia đạt được độ trong cần thiết và loại được gần hết nấm men và vi sinh vật có hại. Lọc trong cột bông tránh được sự thất thoát CO2 và hạn chế được quá trình oxy hóa. + Nhược điểm của phương pháp: Thiết bị phức tạp, việc tái sử dụng mất nhiều công, khả năng loại nấm men và các phân tử gây đục khác chưa triệt để. Nên chỉ dùng phương pháp lọc bông trong quá trình sản xuất bia hơi. Ngoài ra, việc sử dụng amiang rất có hại cho sức khoẻ nên hiện nay thế giới không cho phép sử dụng. - Lọc có sử dụng chất trợ lọc diatomit. Diatomit là một hợp chất khoáng nhiều cấu tử trong đó chiếm nhiều nhất và giá trị nhất là hợp phần hydrosilicat. Lọc có sử dụng diatomit được dùng nhiều hơn so với hai phương pháp trên vì lọc bằng diatomit làm cho bia ít thay đổi về chất lượng và có độ bền sinh học tương đối cao. Trong công nghiệp sản xuất bia người ta thường lọc bia bằng máy lọc khung bản có sử dụng diatomit kết hợp với vải lọc công nghiệp. Qua việc kiểm tra bia sử dụng máy lọc khung bản với vải lọc công nghiệp và diatomit thấy rằng bia sản xuất ra chỉ đạt được tiêu chuẩn chất lượng bia hơi. Muốn sản xuất được bia lon, bia chai người ta lại phải tiến hành thêm công đoạn thanh trùng bia sau khi lọc. Nếu thanh trùng bia sẽ dẫn đến sự thay đổi bất lợi về hương, vị, màu sắc của sản phẩm. Một trong những nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi trên là do sự tạo thành melanoit. Thanh trùng bia cũng có thể dẫn đến vẩn đục dạng keo cho sản phẩm. Vấn đề này phụ thuộc vào thành phần protein của bia, nhiệt độ và thời gian đun nóng. Protein cao phân tử là những thủ phạm chính gậy vẩn đục dạng keo trong giai đoạn thanh trùng. ở một mức độ nào đó, các hợp chất polyphenol ngưng tụ cũng góp phần làm hỏng bia. Để khắc phục nhược điểm này một số nước phát triển đã sử dụng màng lọc để lọc bia. Lọc trong bia bằng màng lọc thì có thể loại bỏ được hết nấm men, vi khuẩn mà không làm ảnh hưởng đến màu sắc và hương, vị của bia Hình 1: Sơ đồ công nghệ sản xuất bia 3.Các tiêu chuẩn chất lượng của bia. Bia được các nhà nghiên cứu, sản xuất và đặc biệt là người tiêu dùng đánh giá qua các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu như mùi, vị, màu sắc, độ trong suốt, bọt và độ bền của bọt. Mùi của bia có được là nhờ nguyên liệu và các sản phẩm lên men tạo nên. Các loại bia khác nhau có thể khác nhau về vị, độ cồn, màu sắc.. Nếu nguyên liệu không đảm bảo phẩm chất, nếu quá trình lên men bia không diễn ra theo đúng yêu cầu công nghệ, nếu giống nấm men không tốt thì bia sẽ có mùi lạ, không phải mùi bia . Vị của bia chủ yếu là do các sản phẩm lên men dịch trích ly hoa houblon và malt đại mạch. Một trong những chỉ tiêu chất lượng quan trọng của bia là sự hoà hợp một tập hợp phức tạp của các chất dextrin, melanoit, các hợp chất chứa nitơ, các hợp chất từ hoa houblon, rượu etylic. Tính thẩm mỹ là một tiêu chí quan trọng đối với bia đó là màu sắc và độ trong suốt của bia. Các chỉ tiêu cảm quan trên là các chỉ tiêu đầu tiên đập vào mắt người uống. Bia tốt có màu vàng rơm, sánh lấp lánh. Bia có bọt nhiều, dày mịn và lâu tan là dấu hiệu của bia tốt. Bia có bọt mịn và dày thường có vị ngon. 3.1. Các chỉ tiêu cảm quan của bia. - Độ trong suốt, hương vị, bọt và độ bão hoà CO2 được đánh giá trực tiếp bằng phương pháp cảm quan theo thang điểm sau: + Độ trong suốt :10 điểm. + Hương và vị : 50 điểm. + Bọt và độ bão hoà CO2: 40 điểm. - Bia có độ trong suốt cao và lấp lánh, óng ánh được đánh giá 10 điểm. Không lấp lánh, không óng ánh 8-9 điểm. Bia có độ trong trung bình 4-5 điểm .Bia vẩn đục gọi là bia hỏng, không có điểm Bia có hương và vị đúng hoàn toàn với tiêu chuẩn đã đăng kí theo từng loại bia ( bia hơi, bia chai, bia hộp) cho 49-50 điểm , hương và vị tốt 46-48 điểm, hương và vị đạt 42-45 điểm , hương vị không tốt 38-41 điểm. Bia có hương vị không phù hợp với tiêu chuẩn đã đăng kí : có mùi của nấm men, phảng phất mùi phenol, vị đắng khó chịu sẽ được điểm rất thấp, có thể bị loại bỏ. - Tổng cộng nếu bia được 96-100 điểm thì được coi là loại có chất lượng rất cao; 90-95 điểm là loại tốt ; 85-89 điểm là loại đạt ; dưới 85 điểm là loại xấu. 3.2. Các chỉ tiêu hoá lý của bia. - Bên cạnh phương pháp cảm quan, để đánh giá chất lượng bia một cách chính xác cần phải phối hợp phương pháp cảm quan với các phương pháp phân tích hóa lý và hoá học. Qua đó đề ra một tiêu chuẩn chất lượng như sau: + Hàm lượng hoà tan của nước nha ban đầu tính theo phần trăm khối lượng :10-12%. + Hàm lượng cồn ( độ cồn) : 3-4.5 %. +Độ chua ( tính bằng số ml dung dịch NaOH 1N cho 100 ml bia : 1.2-1.7. +Màu ( tính bằng số ml dung dịch I2 cho 100ml bia : 0.5-1.0. + Hàm lượng CO2 (%) : 2.8-4.0. +Độ bền sinh học ( ngày đêm) : 7-20. 3.3. Các chỉ tiêu vi sinh vật của bia hơi, bia chai, bia hộp. ãBia hơi: Tên chỉ tiêu Mức Vi khuẩn hiếu khí tính theo số khuẩn lạc trong 1ml bia Ê1000 Vi khuẩn kị khí Không được phép có Nấm men tính theo số khuẩn lạc trong 1ml bia Ê 100 ã Chỉ tiêu của bia chai. Tên chỉ tiêu Mức Vi khuẩn hiếu khí tính theo số khuẩn lạc trong 1ml bia Ê 100 Vi khuẩn kị khí Không được phép có e.coli Không được phép có Nấm men Không được phép có ãChỉ tiêu của bia hộp. Tên chỉ tiêu Mức Tổng số vi khuẩn hiếu khí, khuẩn lạc trong 1ml bia Ê 100 e.coli Không được phép có Vi sinh vật gây đục Không được phép có Các nấm men, nấm mốc, số khóm nấm Không được phép có Vi trùng gây bệnh đường ruột Không được phép có 4.Rác thải sinh hoạt, các thông số chính của nước rác và các phương pháp xử lý nước rác. 4.1. Rác thải sinh hoạt. 4.1.1. Nguồn gốc Rác thải sinh hoạt tạo ra từ các nguồn chủ yếu sau : Từ các khu dân cư. Từ các trung tâm thương mại. Từ các cơ sở trường học, công trình công cộng. Từ dịch vụ đô thị, sân bay. Từ các hoạt động xây dựng đô thị. Từ các trạm xử lý nước thải, đường ống thoát nước của thành phố. 4.1.2. Thành phần. Rác thải sinh hoạt có thành phần rất phức tạp như : Những hợp chất vô cơ: kim loại, sành sứ, gạch ngói vỡ, đất đá. Những hợp chất hữu cơ: các loại thực phẩm dư thừa hoặc quá hạn sử dụng, xương động vật, rau xanh, vỏ hoa quả, các loại tre gỗ, lông gà, lông vịt, vải sợi, giấy, xác động - thực vật, cao su, nhựa... Những loại khác: các hợp chất dễ bay hơi, trong đó có những chất mang mùi nặng. 4.1.3. Phân loại Rác thải được đưa vào môi trường từ nhiều nguồn khác nhau. Dựa trên tính chất thành phần có thể chia rác thải sinh hoạt thành 3 nhóm sau: ãNhóm 1: Chất thải thực phẩm Đó là các loại thức ăn dư thừa, hoa quả, rau xanh... Chất thải thực phẩm là những hợp chất hữu cơ, mang bản chất sinh học. Vì vậy, chúng rất dễ bị phân huỷ bằng con đường sinh học. Quá trình phân huỷ của chúng tạo nên các mùi khó chịu của CO2, NH3, H2S.. đặc biệt trong thời tiết ẩm. ãNhóm 2: Chất thải từ hoạt động công nghiệp, xây dựng Gồm các loại phế thải: đất đá, gạch ngói, bê tông, các vật liệu bằng kim loại, thuỷ tinh, chất dẻo. Đây là nhóm chất thải khó phân huỷ, bền vững theo thời gian. Trong đó, vật liệu bằng kim loại, thủy tinh, các loại chất dẻo có thể tái sử dụng thành vật liệu composit và một số dạng đặc biệt khác. ãNhóm 3: Chất thải từ nông nghiệp Là những chất thải và mẩu thừa từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp (trồng trọt, thu hoạch) các loại cây trồng, các phế thải từ quá trình chế biến sữa, của lò giết mổ... Nhóm này được tập kết cùng với nhóm 1 để xử lý bằng phương pháp phân huỷ sinh học. 4.2. Các thông số chính của nước rác. 4.2.1. Hàm lượng chất rắn. Là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải. Nó bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan. Hàm lượng các chất rắn ttong nước được đánh giá bằng các thông số: - Tổng chất rắn (TS) : trọng lượng khô tính bằng mg, sau khi cho bốc hơi 1l nước mẫu và sấy khô ở nhiệt độ 1030C cho đến khi trọng lượng khô không thay đổi. Đơn vị tính bằng mg/l. - Hàm lượng chất rắn huyền phù (SS): là hàm lượng chất rắn lơ lửng có trong 1l nước. Được tính bằng trọng lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thuỷ tinh sau sấy khô ở T0= 1030C- 1050C đến khi trọng lượng không thay đổi. Đơn vị tính bằng mg/l. - Chất rắn hoà tan (DS)= TS – SS. - Chất rắn bay hơi (VSS): là thành phần mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù SS ở 5500C trong khoảng thời gian nhất định, sau khi nung còn lại M. VSS = SS - M. VSS: Biểu diễn hàm lượng chất rắn dạng hữu cơ có trong nước. 4.2.2. Hàm lượng oxy hoà tan DO (Disolved oxygen) Đó là hàm lượng oxy hoà tan trong nước. Hàm lượng oxy hoà tan phụ thuộc vào các yếu tố: áp suất, nhiệt độ, các thành phần hoá học trong nước, vi sinh, thuỷ sinh..oxy hoà tan trong nước có tác dụng duy trì sự sống cho các vi sinh vật trong nước. Các nguồn nước mặt thường có nồng độ oxy lớn hơn so với nước ngầm. Khi thải các chất thải sử dụng oxy cho các nguồn nước, quá trình oxy hoá chúng sẽ làm giảm nồng độ oxy hoà tan trong các nguồn nước này, thậm chí có thể đe doạ sự sống của các loài cá cũng như các sinh vật sống trong nước. Xác định hàm lượng oxy hoà tan để đánh giá chất lượng nước. Nếu hàm lượng oxy hoà tan thấp thì nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ, từ đó đưa ra phương pháp xử lý thích hợp. Nếu hàm lượng oxy hoà tan cao sẽ có nhiều rong tảo có thể gây ăn mòn đường ống nước. 4.2.3.Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical oxygen Demand) Chỉ tiêu COD được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng các chất hữu cơ trong nước thải. COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các hợp chất hữu cơ chứa trong nước thải thành CO2 và H2O. Để thực hiện phản ứng oxy hoá, xác định COD người ta thường dùng chất oxy hoá mạnh theo các phương pháp: + Xác định COD theo phương pháp dicromat Phương trình phản ứng: Các chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ CO2 + H2O +2 Cr3+. K2Cr2O7 có khả năng oxy hoá hoàn toàn các chất hữu cơ có trong nước thải, khi đun thực hiện phản ứng trong 2h. +Phương pháp xác định COD bằng dung dịch KMnO4 trong dung dịch axit. COD xác định theo phương pháp này thường nhỏ xấp sỉ ở giá trị thực của nó vì các hợp chất hữu cơ chỉ bị oxy hoá một phần bởi KMnO4 . Do việc xác định BOD đòi hỏi thời gian lâu hơn nên người ta thường xác định COD để đánh giá mức độ ô nhiễm. Để thải ra môi trường tự nhiên, nước thải phải đạt ba loại chỉ tiêu COD sau: Loại A: COD < 50 mg/l. Loại B : COD < 100 mg/l. Loại C : COD < 200 mg/l. 4.2.4. Nhu cầu oxy sinh hoá BOD (Biochemical oxygen Demand). BOD là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng để oxy hoá các hợp chất hữu cơ có mặt trong một đơn vị thể tích nước. BOD là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và nước thải công nghiệp. BOD chỉ ra lượng oxy mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng: Phương trình tổng quát: Vi khuẩn Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O+ Tế bào mới + Sản phẩm trung gian BOD biểu thị lượng các chất hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật. Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ vì nó tốn quá nhiều thời gian do đó để xác định người ta sử dụng giá trị BOD5 là lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C . Phương pháp xác định BOD: - Cấy vi khuẩn thích hợp với từng loại nước thải. - ủ ở nhiệt độ 200C. Cho một lượng nhất định mẫu nước thải vào chai phân tích oxy hoà tan có thể tích 300ml, pha loãng tới thể tích trên và đóng nút kín để chai mẫu trong tủ hoặc phòng tối ở 200C . Xác định nồng độ oxy hoà tan trong mẫu ban đầu và sau ngày thứ 5. Hiệu số giữa hai nồng độ oxy hoà tan này là BOD5. BOD5 = ( mg/l). Trong đó: D1: Nồng độ oxy hoà tan của mẫu nước thải pha loãng trước khi ủ, mg/l. D2 : Nồng độ oxy hoà tan của mẫu nước thải pha loãng sau 5 ngày ủ ở 200C, mg/l P : Hệ số pha loãng. 4.2.5. Độ màu. Do các chất bẩn trong nước gây nên như các hợp chất của sắt không hoà tan làm cho nước có màu nâu đỏ, các chất mùn humic gây màu vàng, các loài thuỷ sinh như rong, tảo gây màu xanh. Độ màu được sử dụng để đánh giá định tính mức độ ô nhiễm của nước. Để xác định độ màu của nước người ta dùng một số phương pháp như so màu, trắc quang.. 4.2.6. Độ đục. Nước có độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng. Các nguyên nhân gây ra độ đục gồm : + Do các hạt rắn lơ lửng trong nước . + Do các chất hữu cơ phân rã trong nước. + Do các động – thực vật sống trong nước. 4.2.7. Các chất dinh dưỡng. *. Hàm lượng nitơ. Nitơ có thể tồn tại ở các dạng chủ yếu sau: + Nitơ hữu cơ : N- HC. + Nitơ ammoniac : N- NH3. + Nitơ nitrit: N- NO2. + Ntơ nitrat : N- NO3. + Nitơ tự do: N2. Vì nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào tổng hợp protein nên số lượng chỉ tiêu 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. 4.3. Các phương pháp xử lý nước thải. Thực tế có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải. Các phương pháp chủ yếu sau đây đã được sử dụng để xử lý nước bãi rác Nam Sơn- Hà Nội. 4.3.1. Phương pháp hóa lý. Phương pháp đã được sử dụng để xử lý nước rác Nam Sơn _ Hà Nội là phương pháp đông tụ và keo tụ. Phương pháp này thường được sử dụng để tách các chất bẩn ở dạng keo và hoà tan. Để tách các hạt rắn có kích thước rất nhỏ này người ta cần trung hoà rồi liên kết chúng lại với nhau. Quá trình trung hoà điện tích gọi là quá trình đông tụ. Quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ. Cơ sở của phương pháp : + Các hạt cặn bé lơ lửng kích thước vô cùng nhỏ, mang điện tích dương hoặc âm, có bề mặt tiếp xúc rất lớn. Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc kết dính với nhau bằng lực liên kết phân tử và điện từ, tạo thành những hạt keo phân tán lơ lửng trong nước. + Khi cho thêm nhân tố keo tụ là những hoá chất, sẽ làm cho các hạt keo kết dính với nhau thành những hạt lớn hơn có khả năng lắng được bằng phương pháp lắng cơ học. Quy trình tạo bông gồm 2 giai đoạn: + Giai đoạn 1 : sử dụng phèn nhôm, phèn sắt Al2(SO4)3. Fe2 (SO4)3 cho vào nước và khuấy trộn nhanh trong vài giấy để tạo các bông keo mới. Các phản ứng xảy ra : Al2(SO4)3 + 3 Ca( HCO3)2 2 Al(OH)3 ¯ + 3 CaSO4 + 6 CO2 Fe2 (SO4)3 + 3 Ca( HCO3)2 2 Fe(OH)3¯ +3 CaSO4 + 6 CO2 Vì thực tế Al2(SO4)3 hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả cao trong điều kiện pH = 5-7,5 nên đã được sử dụng trong quá trình đông tụ và keo tụ nước rác Nam Sơn. + Giai đoạn 2: Keo tụ và tạo bông Các bông cặn Al(OH)3 , Fe(OH)3 có khả năng kết tụ được với các hạt keo ( các hạt keo bẩn trong nước thường có điện tích âm trong khi Al(OH)3 , Fe(OH)3 mang điện tích dương) thành những bông cặn lớn. Giai đoạn này thường xảy ra với thời gian lâu hơn giai đoạn trên. Trong nhiều trường hợp quá trình kết tụ các hạt keo tạo thành những bông nhỏ để tạo thành bông lớn người ta thường bổ xung thêm các chất trợ tạo bông như dùng các chất polyme hữu cơ vì các chất này có cấu trúc phân tử dạng khối nên cho phép tạo thành những bông cặn lớn. Chất keo tụ Tác nhân keo tụ 4 3 2 1 Nước sạch Nước thải 1. Bể khuấy trộn 2. Bể keo tụ 3. Bể lắng 4. Bể lọc cát Hình 2: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp keo tụ tạo bông - lắng 4.3.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Quá trình xử lý sinh học là quá trình dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật để phân huỷ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước thải. Các vi sinh vật này sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng tạo ra năng lượng và tổng hợp nên tế bào mới. Các phương pháp sinh học gồm có: + Phương pháp hiếu khí + Phương pháp yếm khí * Phương pháp hiếu khí: Là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxi liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng từ 20 - 40o C * Phương pháp yếm khí: Là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí nói chung trong xử lý nước thải công nghiệp, các phương pháp hiếu khí được sử dụng rộng rãi hơn cả. Nguyên lý chung của quá trình: Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình gồm ba giai đoạn : + Giai đoạn 1: Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuyếch tán đối lưu hoặc phân tử. + Giai đoạn 2: Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ ở trong và ngoài tế bào. +Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng. Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải. Phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxi hoá sinh hoá ở điều kiện hiếu khí có dạng như sau : Men VSV CXHYOZN + (x + y /4+z/3 +3/4)O2 x CO2 + (y -3)/2 H2O +NH3 + DH Men VSV CXHYOZN +NH3 + O2 C 5H7NO2 +  CO2+ DH Trong đó: CXHYOZN: Chất hữu cơ có trong nước thải C 5H7NO2: Các nguyên tố chính của tế bào vi sinh vật DH: Năng lượng Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì không đủ chất dinh dưỡng sẽ xảy ra quá trình phân huỷ chất liệu tế bào ( tự OXH - tế bào vi khuẩn tự bị oxy hoá) Men VSV C 5H7NO2 +5 O2  5CO2+ NH3+ 2H2O+DH Men VSV Men VSV NH3+ O2 HNO2 + O2 HNO3 - Nước thải có thể xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ đạt được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD Phương pháp sinh học thường sử dụng trong quá trình xử lý nước rác Nam Sơn: Đó là phương pháp hồ sinh học Trong hồ, nước thải được làm sạch bằng các quá trình tự nhiên bao gồm tảo, vi khuẩn *. Đặc điểm : + Tốc độ oxy hoá chậm. + Thời gian lưu thuỷ lực tương đối lâu ( 30-50 ngày). Cơ chế phân huỷ chất thải trong hồ: Các vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ quá trình quang hợp của tảo, oxy được hấp thụ từ không khí để phân huỷ các hợp chất hữu cơ. Sau đó, tảo sẽ sử dụng CO2, NH4+ ,PO43- và các chất được giải phóng từ quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ để thực hiện quá trình quang hợp. Điều kiện: cần khống chế pH dòng vào, nhiệt độ và các điều kiện tự nhiên khác. *. Phân loại gồm có: + Hồ hiếu khí + Hồ hiếu - yếm khí + Hồ yếm khí - Hồ hiếu khí: Có quá trình hiếu khí xảy ra trong tự nhiên và oxy cung cấp làm thoáng không khí qua bề mặt một cách tự nhiên hoặc nhờ hệ thống cấp khí. Tách được 40 đến 60% BOD5, không tách được chất rắn lơ lửng. - Hồ hiếu - yếm khí: Là loại phổ biến nhất. Trong hồ tồn tại cả hai dạng vi sinh vật hiếu và yếm khí ( đáy hồ). Khả năng xử lý BOD khoảng 300 kg/ha . ngày - Hồ yếm khí: Trong hồ diễn ra quá trình phân huỷ yếm khí. Hiệu suất khử BOD là 70%. Thường sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ lớn. *. Ưu điểm của hồ sinh học: Chi phí vận hành và bảo quản thấp. *. Nhược điểm: Tốn diện tích, thời gian lưu lâu. 4.4. Đặc tính nước rác Nam Sơn Hà Nội. 4.4.1. Bãi chôn lấp Nam Sơn. Bãi rác Nam Sơn là bãi rác được xây dựng với quy mô lớn. Bãi là nơi sử dụng để xử lý rác thải của thành phố Hà Nội. Bãi được vận hành từ năm 1999, lượng chôn lấp rác trong năm 2000 trung bình là 1200 - 1400 tấn / ngày. Lượng rác thải của Hà Nội liên tục tăng với số lượng rác trong năm 2001- 2002 thể hiện ở bảng 1. Lượng nước rác tính toán là 400-450 m3 / ngày. Bảng 1: Khối lượng rác thải tại bãi Nam Sơn Hà Nội năm 2001-2002. Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rác năm 2001(t) 44275 42100 39745 39663 41229 40403 42000 43621 40580 43615 41983 45765 Rác năm 2002(t) 47415 44635 44416 45744 49130 49532 48005 48179 44714 45245 47800 47600 Các giai đoạn chôn lấp : + Giai đoạn 1: đổ rác vào ô số 1, lần lượt sử dụng ô 2 và ô 3 như hồ sinh học, sau đó lấp đầy các ô ( ô số 1 có diện tích 2,2 ha , ô số 2 có diện tích 2,79 ha, ô số 3 có diện tích 2,5 ha) . Cao độ chôn lấp trung bình là 20 m. + Giai đoạn 2 : Chôn lấp tại các ô B, C, D, E, G, H, I, ô A được sử dụng như hồ sinh học với diện tích 3 ha gồm hồ H1, H2, H3 được xây dựng vận hành đầu năm 2002. Nước rác được tách ra khỏi bãi chôn, gom về hồ sinh học để xử lý trước khi thải ra môi trường. Sự biến động về nồng độ chất hữu cơ và hợp chất nitơ của nước rác dưới sự tương tác của vi sinh vật, điều kiện vật lý, thực vật được quan tâm nghiên cứu. 4.4.2. Sự biến động nồng độ chất hữu cơ và pH của nước rác Nam Sơn. Nồng độ chất hữu cơ được đặc trưng bởi chỉ số BOD5, COD. Tỷ lệ COD/ BOD5 phụ thuộc vào sự phân huỷ của rác và nước rác, độ phân huỷ càng cao thì tỷ lệ này càng lớn. Đặc biệt vào các mùa mưa. Trong hồ yếm khí lượng oxy hoà tan thấp, vi sinh yếm khí hoạt động thuận lợi cho sự giảm nồng độ chất hữu cơ trong nước rác. Sinh khối không được tách ra chúng chết lắng xuống đáy hồ tiếp tục phân huỷ tạo ra nguồn hữu cơ mới. Trong hồ tuỳ nghi có vi sinh hiếu khí, yếm khí và tảo ảnh hưởng rất lớn tới sự biến đổi nồng độ chất hữu cơ phần thực nghiệm 2.1.Hoá chất, thiết bị 2.1.1. Hoá chất Propylen biến tính tinh khiết. Xenluloaxetat tinh khiết. Axeton tinh khiết. K2Cr2O7 0,25 N. Dung dịch muối Morh . Ag2SO4 HgSO4 Chỉ thị feroin. 2.1.2 Thiết bị. Dụng cụ chế tạo màng. Máy khuấy hoà tan cao phân tử. Thiết bị thử màng. Bình cầu Sinh hàn Pipet 2.2.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng màng. ã Hai đại lượng quan trọng nhất để đánh giá chất lượng ( hiệu quả tách) của màng là : Độ lưu giữ R và năng suất lọc J: ã Độ lưu giữ: R= . 100 Với C0: Nồng độ dung dịch trước khi qua màng. C : Nồng độ dung dịch sau khi qua màng. ã Năng suất lọc: J= Với V: Thể tích dịch lọc. S: Diện tích màng lọc t: Thời gian lọc. Để kiểm tra độ lưu giữ và năng suất lọc của màng lọc chế từ Xelluloaxetat và PolyPropylen biến tính, chúng tôi đã dùng bia non ( là bia được lấy sau công đoạn lên men phụ ). Chất cần tách ở đây là nấm men và các vi sinh vật khác có trong bia. Độ lưu giữ của màng lọc bia được đánh giá qua khả năng lưu giữ vi sinh vật ( chủ yếu là nấm men) trên bề mặt màng . Đại lượng này được xác định thông qua độ đục ( độ hấp thụ tại bước sóng 500nm) của dịch lọc hoặc kiểm tra vi sinh vật có trong dịch lọc bằng phương pháp nuôi cấy. Do đó, đòi hỏi của màng lọc bia là phải giữ men tốt và năng suất lọc vẫn cao. 2.3. Các phương pháp phân tích kiểm tra độ lưu giữ của màng lọc 2.3.1. Phương pháp quang học. - Xác định độ màu tương đối bằng khả năng hấp thụ ánh sáng ( phương pháp trắc quang). Phương pháp này dựa vào tính chất hấp phụ phần ánh sáng của chùm tia tới chiếu thẳng vào dung dịch. Độ đục hay sự hấp phụ ánh sáng của dung dịch đo hoàn toàn là do sinh khối của vi sinh vật trong dịch đo gây ra. Phương pháp đo: Cắm điện, bật máy, chọn bước sóng của nguồn sáng thích hợp. Dùng 2 cuvet để đo, một cuvet đựng nước cất, một cuvet đựng dịch đo. Lắp cuvet nước cất vào máy, ấn Call để ABS = 0 ở bước sóng đã chọn, bỏ cuvet nước cất ra và cho cuvet chứ dịch cần đo vào ta được giá trị ABS độ hấp thụ cần đo. 2.3.2. Phương pháp phân tích xác định chỉ số COD trong nước thải. a. Nguyên tắc. Dùng K2Cr2O7 là chất oxy hoá mạnh để oxy hoá các hợp chất hữu cơ. Sau đó, chuẩn độ lượng K2Cr2O7 dư bằng dung dịch muối Morh với chỉ thị feroin. Để oxy hoá hoàn toàn các chất hữu cơ mạch thẳng, các hydrocacbon thơm khó bị oxy hoá có mặt trong nước rác, cần phải cho ag2SO4 làm xúc tác, 80-90% các chất trên được oxy hoá. Trong nước có ion Cl- phải dùng HgSO4 để tránh sai số khi phân tích. b. Chuẩn bị hoá chất. *. Chuẩn bị dung dịch K2Cr2O7 0,25 N: Sấy khô K2Cr2O7 loại PA ở 1050C trong 2 giờ, để nguội trong bình hút ẩm. Cân chính xác 12,258 g K2Cr2O7 hoà tan trong nước cất 2 lần, rồi định mức 1000ml. *. Chuẩn bị dung dịch amoni sunfat (dung dịch muối Morh) 0,1 N: Hoà tan 39,2 g sắt amoni sunfat Fe(NH4)2SO4.6H2O loại PA trong 20ml H2SO4 đặc, cho vào bình định mức 1000ml bằng nước cất. Mỗi lần dùng muối Morh phải kiểm tra lại nồng độ bằng cách chuẩn bằng dung dịch K2Cr2O7 chuẩn biết trước nồng độ. Nồng độ dung dịch muối Morh tính theo công thức : NMorh= *. Chuẩn bị chỉ thị feroin: Hoà tan 1,48g octo- phenan throlin Monohydrat với 0,695 g FeSO4.7H2O trong nớc cất 2 lần, định mức 100ml. c. Quá trình phân tích. Lấy Vm (ml) mẫu cho vào bình cầu, thêm V1 ml dung dịch K2Cr2O7 0,25 N và một ít HgSO4 tinh thể lắc đều. Cho thêm 2-3 viên đá bọt, lắp sinh hàn hồi lưu. Hoà tan một ít ag2SO4 tinh thể trong H2SO4 đặc. Đổ từ từ H2SO4 trên vào bình cầu. Đun hồi lưu 2 giờ, để nguội. Chuyển toàn bộ dung dịch trong bình cầu sang bình nón, tráng bình cầu bằng nước cất từ 2- 3 lần. Thêm 1-2 giọt chỉ thị feroin. Chuẩn K2Cr2O7 dư bằng muối Morh 0,1 N, khi dung dịch chuyển từ màu xanh sang màu nâu đỏ thì kết thúc phép chuẩn độ. COD = (V1´N1- V2´ N2)´8 ´1000/ Vm (mg/l) Vm : Thể tích mẫu đem phân tích. V1 : Thể tích K2Cr2O7 . V2 : Thể tích muối Morh. N1 : Nồng độ đương lượng của K2Cr2O7. 2.4. Nghiên cứu chế tạo màng lọc bia từ Xelluloaxetat và Polypropylen biến tính. 2.4.1. Quy trình công nghệ. Chúng tôi đã chế tạo màng theo quy trình sau: Hoà tan cao phân tử trong dung môi thích hợp. Gạt dung dịch thành lớp mỏng. Bốc hơi. Đông tụ. 2.4.2. Màng Xelluloaxetat kéo trên kính. Hoà tan Xelluloaxetat trong axeton. Với các nồng độ khác nhau. Chế tạo màng từ dung dịch thu được. Chất lượng màng được đánh giá qua kết quả lọc bia ( sau khi lên men phụ ) tại áp suất 1 bar. Kết quả được trình bày trong bảng 1. Bảng 1 : ảnh hưởng của nồng độ Xelluloaxetat tới chất lượng màng. Nồng độ chất tạo màng (g/l) Thời gian lọc (phút) Năng suất lọc (l/m2.h) Độ đục Nhận xét 80 2 1321 0,284 Bia đục, men không bị giữ lại trên màng 85 2 896 0,231 Bia đục, có một ít men giữ lại trên màng 90 2 423 0,213 Bia đục, có một ít men giữ lạ trên màng 95 2 237 0,198 Bia tương đối trong, men giữ khá hơn 100 2 28 0,163 Bia khá trong, men giữ khá hơn Nhận xét : Qua kết quả thí nghiệm cho thấy : Nồng độ Xelluloaxetat ( vật liệu tạo màng) càng cao thì năng suất lọc càng giảm và độ lưu giữ tăng lên. Song ngay cả, khi năng suất lọc giảm xuống rất thấp, bia vẫn còn hơi đục màng chưa giữ được toàn bộ nấm men. Ngoài ra, loại màng này còn có nhược điểm: Chịu lực kém nên chỉ dùng cho máy lọc đĩa chứ không được dùng cho máy lọc khung bản 2.4.3. Màng Xelluloaxetat có đế vải. - Để tăng độ bền cơ học của màng và có thể dùng cho máy lọc khung bản, chúng tôi đã chế tạo màng có đế vải. Kết quả được trình bày trong bảng 2 Bảng 2 : Kết quả kiểm tra chất lượng màng Xelluloaxetat có đế vải. Nồng độ chất tạo màng (g/l) Thời gian lọc (phút) Năng suất lọc (l/m2.h) Độ đục Nhận xét 100 2 9791 0,240 Bia đục 120 2 7632 0,208 Bia đục, hầu như nấm men qua màng hết 140 2 2834 0,194 Bia đục, có một ít nấm men bị giữ lại trên màng 160 2 754 0,161 Bia khá trong, nấm men bị giữ lại trên màng nhiều hơn 180 2 91 0,138 Bia khá trong nấm men bị giữ lại trên màng khá nhiều Nhận xét : Qua kết quả thu được cho thấy : Với cùng nồng độ chất tạo màng thì khi có đế vải năng suất lọc sẽ tăng lên nhiều. Tuy nhiên, loại màng này vẫn chưa giữ được toàn bộ nấm men 2.4.4. Màng Xelluloaxetat và Polypropylen biến tính. Hoà tan 1,5 g Xelluloaxetat ( CA) trong 12,5 ml axeton (ax) . Sau đó cho từ từ dung dịch Polypropylen biến tính (PP) với nồng độ 120g/l , khuấy đều. Và kéo màng trên đế vải với chiều dày 0,5 mm và bốc hơi 1 phút. Thay đổi dần lượng Polypropylen cho vào để khảo sát ảnh hưởng của thành phần dung dịch tạo màng và tìm điều kiện chế tạo màng tối ưu cho loại vật liệu này.Kết quả được trình bày trong bảng 3 Bảng 3: Kết quả lọc bia bằng màng Xelluloaxetat và Polypropylen biến tính. Thành phần dung dịch tạo màng CA/ax/ PP Thời gian lọc (Phút) Năng suất lọc (l/m2.h) Độ đục Nhận xét 1,5g/ 12,5ml/ 5ml 3 1541 0,253 Bia vẫn đục, lượng men trên bề mặt màng rất ít 1,5g/ 12,5ml/ 8ml 3 1653 0,194 Bia đục, lượng men giữ trên bề mặt màng ít 1,5g/ 12,5ml/ 9ml 3 1708 0,143 Bia khá trong, nhưng men vẫn bị lọt xuống 1,5g/ 12,5ml/ 10ml 3 1847 0,086 Bia rất trong, men bị giữ trên bề mặt màng nhiều 1,5g/ 12,5ml/ 11ml 3 1692 0,094 Bia rất trong, men bị giữ trên bề mặt màng khá nhiều 1,5g/ 12,5ml/ 12ml 3 1560 0,260 Bia đục, men bị lọt qua màng do màng xốp 1,5g/ 12,5ml/ 15ml 3 1292 0,312 Bia đục, men đi qua màng được Nhận xét: Từ kết quả trên cho thấy: khi tăng lượng Polypropylen biến tính từ 5 đến 10 ml thì không chỉ năng suất lọc, mà độ lưu giữ cũng tăng lên. Đây là hiện tượng rất ít xảy ra. Thông thường, khi thu hẹp kích thước lỗ màng để tăng độ lưu giữ thì sẽ làm cho năng suất lọc bị giảm xuống. Với dung dịch 5g CA/ 12,5 ml ax/ 10ml PP có thể chế tạo được màng lọc bia với độ lưu giữ và năng suất lọc cao. Bia sau khi lọc rất trong, không còn nấm men và các vi sinh vật khác . Sau đó, nếu ta tiếp tục tăng Polypropylen lên thì độ lưu giữ và năng suất lọc của màng đều giảm xuống. Theo chúng tôi, có thể giải thích hiện tượng trên như sau: Dung dịch có thành phần 5g CA/12,5 ml ax/ 10ml PP cho phép tạo được vật liệu làm màng có độ xốp rất cao, mật độ lỗ tại lớp hoạt động lớn nhưng kích thước lỗ lại bé. Nếu thay đổi thành phần dung dịch khỏi tỉ lệ trên thì màng sẽ ít xốp hơn, mật độ lỗ tại lớp hoạt động giảm xuống và kích thước lỗ tăng lên. Tuy nhiên, muốn có được kết luận chắc chắn thì cần phải tiếp tục nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu bằng các phương pháp khác nhau như kính hiển vi điện tử. 2.5. ứng dụng màng lọc xử lý nước thải bãi rác Nam Sơn - Hà Nội. 2.5.1. Tìm hiểu sự biến động hàm lượng chất hữu cơ và amoni. [Mục này trích dẫn từ Đề tài nghiên cứu quy trình xử lý nước thu gom từ bãi chôn lấp rác Nam Sơn - Hà Nội trong Hội thảo công nghệ xử lý chất thải rắn, kinh nghiệm - thách thức, 2003]. - Để hiểu rõ hơn về hàm lượng chất hữu cơ có trong nước rác Nam Sơn thì chúng tôi đã tiến hành phân tích xác định COD và hàm lượng amoni của nước rác gốc ở các hồ chứa H1, H2, H3 ở các thời điểm khác nhau. Kết quả được trình bày ở bảng 4. Bảng 4: Kết quả phân tích xác định chỉ số COD và hàm lượng amoni qua các hồ ở các thời gian khác nhau: Ngày lấy mẫu Chỉ số Kết qủa phân tích các mẫu cở các hồ Mẫu gốc Hồ H1 Hồ H2 Hồ H3 26/9/2002 COD NH4+ 1570 788 674 472 547 222 593 145 6/1/2003 COD NH4+ 5534 811 1240 536 935 380 620 315 11/2/2003 COD NH4+ 14370 2463 1496 840 1122 749 986 630 2.5.2. Kết quả lọc nước rác Nam Sơn sau công đoạn xử lý hoá lý và tách loại amoni. *. Đặc điểm của nước rác Nam Sơn. Nước rác Nam Sơn có thành phần nitơ so với cacbon cao. Hàm lượng nito trung bình là 546 mg/l và COD trung bình là 1006 mg/l. Tỷ lệ BOD/ COD thấp, tỷ lệ COD/N thấp. Tỷ lệ COD/P cao và biến động lớn. Tuy nhiên sau quá trình gom và giữ trong 3 hồ chứa thì hàm lượng các chất hữu cơ giảm đáng kể. Nước rác Nam Sơn sau công đoạn xử lý hoá lý và tách loại amoni thì có COD trung bình trên 600 mg/l . Nguyên nhân chủ yếu làm cho COD còn cao là do các hợp chất hữu cơ còn lại trong nước rác ở dạng các hợp chất có chứa cacbon và nitơ khó phân huỷ. *. Một số phương pháp như dùng than hoạt tính hấp phụ, hoặc phương pháp oxy hoá kết hợp có thể làm giảm COD trong nước xuống mức đạt tiêu chuẩn xả ra môi trường tự nhiên. Nhưng giá thành còn cao, do đó chúng tôi đã thử ứng dụng màng lọc chế từ Xelluloaxetat và polypropylen biến tính để xử lý nước rác Nam Sơn. Mục đích của quá trình sử dụng màng là để tách loại các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ.Kết quả được trình bày ở bảng 5. Bảng 5: Kết quả lọc tách loại các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ trong nước rác. Các loại màng Năng suất lọc (l/m2.h) COD đầu (mg/l) COD sau lọc (mg/l) Độ lưu giữ (%) M1 7454 620 401 35,3 M2 6728 620 344 44,5 M3 6072 620 321 48,2 Kí hiệu : M1: Màng chế từ Xelluloaxetat và polypropylen biến tính có thành phần 1,5 gCA/ 12,5 ml ax / 9 ml PP. M2 : Màng chế từ Xelluloaxetat và polypropylen biến tính có thành phần 1,5gCA/ 12,5 ml ax/ 11 ml PP. M3 : Màng chế từ Xelluloaxetat và Polypropylen biến tính có thành phần 1,5 g CA/ 12,5ml ax/ 10 ml PP. Nhận xét : - Với COD ban đầu là 620 mg/l, sau khi lọc dã giảm xuống đáng kể thì ta có thể khẳng định hàm lượng các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước rác hầu như đã được loại bỏ. -Màng M3 cho ta kết quả về độ lưu giữ cao nhất trong 3 màng đạt 48,2%. Tuy nhiên, COD vẫn chưa đạt tiêu chuẩn thải ra môi trường tự nhiên. Song điều đó chứng tỏ nó hợp với quy luật như đã lọc với bia ở trên. 2.5.3. Khảo sát độ lưu giữ theo thời gian bốc hơi của màng. Để tăng độ lưu giữ của màng M3 chúng tôi đã tiến hành khảo sát, tăng thời gian bốc hơi cua màng M3 lên. Kết quả được trình bày trong bảng 6 . Bảng 6: Khảo sát độ lưu giữ theo thời gian bốc hơi Các loại màng Năng suất lọc (l/m2.h) COD đầu ( mg/l) COD sau lọc (mg/l) Độ lưu giữ (%) M4 5636 620 307 51,5 M5 4546 620 236 61,9 Ký hiệu: M4: Là màng chế từ Xelluloaxetat và Polypropylen biến tính có thành phần 1,5 g CA/12,5ml Ax/10mlPP có thời gian bốc hơi 3 phút. M5: Là màng chế từ Xelluloaxetat và Polypropylen biến tính có thành phần 1,5 g CA/12,5ml Ax/10mlPP có thời gian bốc hơi 4phút. Nhận xét: - Từ bảng 6 ta thấy màng M3 với thời gian bốc hơi là 4 phút cho ta kết quả tốt nhất. Độ lưu giữ đạt 61,9 %. Nước rác sau khi lọc đạt tiêu chuẩn loại C có thể thải ra môi trường tự nhiên. Màu của nước thải trước khi lọc có màu vàng nhưng sau khi lọc màu vàng gần như mất hẳn. 2.5.4. So sánh màng M3 với màng lọc vi trùng có kích thước lỗ 0,22 mm Để xác định kích thước lỗ màng của một loại màng nào đó, chúng tôi đã tiến hành so sánh loại màng đó với một loại màng chuẩn đã biết kích thước lỗ. ở đây chúng tôi sử dụng màng vi trùng có kích thước 0,22mm. - Màng vi trùng được chế từ Xelluloaxetat được chúng tôi sử dụng để lọc thử nước rác. Kết quả được so sánh với màng M3 và được trình bày ở bảng 7. Bảng 7: Kết quả so sánh màng M3 với màng vi trùng có kích thước lỗ 0,22mm. Loại màng COD đầu (mg/l) COD sau lọc (mg/l) Năng suất lọc (l/m2.h) Độ lưu giữ (%) Màng vi trùng 620 382 7001 38,4 Màng M3 620 321 6072 48,2 Nhận xét : Từ bảng 7 chúng tôi thấy màng M3 có độ lưu giữ lớn hơn màng vi trùng nên có thể kết luận màng M3 có kích thước lỗ nhỏ hơn 0,22 mm . Cho nên có thể xếp màng M3 vào loại màng siêu lọc. Kết luận 1.Chúng tôi đã chế thử màng lọc bia từ CA với đế vải và không có đế vải. Khi tăng nồng độ chất tạo màng thì màng sẽ ít xốp hơn, chiều dày lớp hoạt động tăng lên, do đó độ lưu giữ tăng và năng suất lọc giảm xuống. Màng lọc làm từ CA theo phương pháp này có độ lưu giữ kém đối với nấm men. Ngay cả khi năng suất lọc của màng giảm rất thấp thì vẫn có một ít nấm men lọt qua màng. Màng có đế vải có năng suất lọc cao hơn nhiều so với màng không có đế vải. Ngoài ra còn có độ bền cơ học lớn nên có thể dùng cả trong máy lọc khung bản. 3.Chúng tôi đã nghiên cứu chế thử màng lọc bia từ Xelluloaxetat và Polypropylen biến tính. Khi cố định lượng CA và axeton là 1,5 g CA/ 12,5 ml ax và thay đổi dần lượng Polypropylen biến tính từ 5ml đến 10 ml thì năng suất lọc và độ lưu giữ của màng cùng tăng lên. Điều này rất ít gặp và rất có giá trị thực tế vì màng tốt là màng phải có năng suất lọc và độ lưu giữ cao. Với dung dịch có thành phần 1,5g CA/ 12,5 ml ax /10ml PP đã chế tạo được màng với năng suất lọc cao và lưu giữ được toàn bộ nấm men và các vi sinh vật khác có trong bia như e.coli, Coliform.Sau đó nếu tăng tỷ lệ PP lên từ 10- 15 ml thì năng suất lọc và độ lưu giữ giảm xuống. 4. Từ CA và PP biến tính có thể chế tạo được màng lọc bia với chất lượng tốt. Loại màng này có độ lưu giữ cao đã giữ được toàn bộ nấm men và các vi khuẩn. Tuy nhiên muốn ứng dụng kỹ thuật lọc màng vào quá trình sản xuất bia thì cần giải quyết đồng bộ nhiều vấn đề nhất là khâu tiền lọc. Vì trong quá trình lọc bia nấm men bám trên bề mặt sẽ làm tắc dần lỗ màng và năng suất lọc giảm rất nhanh[7]. 5. Chúng tôi đã ứng dụng thử màng chế từ CA và PP để lọc nước rác Nam Sơn và đã thu được kết quả tương đối khả quan. Sau khi lọc COD của nước rác đã giảm từ 620 xuống 236. Vậy độ lưu giữ của màng đối với các hợp chất hữu cơ khó phân hủy có trong nước rác đạt 61,9%. Nước trước khi lọc có màu vàng nhưng sau khi lọc màu vàng gần như mất hẳn. Song, đây mới chỉ là một số kết quả bước đầu do đó chúng tôi cần phải nghiên cứu thêm để nhanh chóng đưa phương pháp này vào ứng dụng phục vụ thực tế . Tài liệu tham khảo. 1. PGS.TS. Lê Viết Kim Ba. TS.Trần Khiêm Thẩm . Trần Thị Dung . Nghiên cứu chế tạo màng lọc làm ngọt nước biển. Tạp chí Hoá học và công nghiệp hoá chất.Tạp chí của hội Hoá học Việt Nam- ISSN 0866-7004. Số 8-2000. 2.Đỗ Văn Đoàn. 2002. Công nghệ sản xuất rượu vang và nghiên cứu chế thử màng lọc rượu, bia từ Poly Propylen biến tính. Khoá luận tốt nghiệp. ĐHKHTN. 3. Dương Thị Lịm. 2001. Nghiên cứu chế thử màng Xenluloaxetat để lọc bia . Khoá luận tốt nghiệp. ĐHKHTN. 4. Hồ Sưởng . Công nghệ sản xuất bia. Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật. 1992. 5. Trịnh Lê Hùng, Nguyễn Đắc Vinh, Phạm Thị Dương, Lê Văn Dũng, Nguyễn Thị Minh Nguyệt. Nghiên cứu quy trình xử lý nước thu gom từ bãi chôn lấp rác Nam Sơn- Hà Nội. Hội thảo công nghệ xử lý chất thải rắn, kinh nghiệm- thách thức.3-2003. Trang 122- 127. 6. Nguyễn Xuân Nguyên, Ngô Kim Chi, Lê Văn Cát. Nghiên cứu diễn biến đặc tính nước rác Nam Sơn- Hà Nội. Hội thảo công nghệ xử lý chất thải rắn, kinh nghiệm - thách thức. 3-2003. Trang 65-71. 7. Piotr Czekaj, Francisco López, Came Guell. Membrane fouling during microfiltration of fermented beverages. Journal of membrane science. 1999. 8. Satoshi ohnishi Soda, Kazutaka Kusunoki. Xử lý dịch rò rỉ từ bãi chôn lấp rác bằng thiết bị phản ứng sinh học sử dụng nấm kết hợp với màng siêu lọc. Hội thảo công nghệ xử lý chất thải rắn, kinh nghiệm- thách thức, 2003.