Luận án tiến sĩ về hệ thống đo lường trực tuyến và nghiên cứu độc tính nước thải trên bùn hoạt tính

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hus contributions to online measurement systems for the investigation of wastewater toxicity on, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Ferdinand Friedrichs
• Người hướng dẫn: Assoc. Do Quang Trung
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi VNU University Of Science
• Chuyên ngành: Environmental Chemistry
• Đề tài: Contributions To Online Measurement Systems For The Investigation Of Wastewater Toxicity On Activated Sludge
• Loại tài liệu: Ph. Thesis
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Ha Noi

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đo lường trực tuyến trong nghiên cứu độc tính nước thải

Hệ thống đo lường trực tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu độc tính nước thải, đặc biệt là trong quá trình xử lý bùn hoạt tính. Luận án tiến sĩ của Ferdinand Friedrichs đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc đánh giá độc tính của nước thải. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi liên tục mà còn cung cấp dữ liệu thời gian thực, từ đó hỗ trợ các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong việc đưa ra quyết định kịp thời.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ thống đo lường trực tuyến

Hệ thống đo lường trực tuyến là công cụ giúp theo dõi và phân tích các thông số môi trường trong thời gian thực. Trong nghiên cứu độc tính nước thải, hệ thống này cho phép phát hiện nhanh chóng các chất độc hại, từ đó bảo vệ bùn hoạt tính và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

1.2. Lợi ích của việc áp dụng công nghệ đo lường trực tuyến

Việc áp dụng công nghệ đo lường trực tuyến mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu thời gian phân tích, tăng cường độ chính xác và khả năng phát hiện sớm các vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Điều này giúp cải thiện chất lượng nước thải trước khi thải ra môi trường.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu độc tính nước thải

Nghiên cứu độc tính nước thải gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của bùn hoạt tính. Các chất độc hại có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của vi sinh vật trong bùn, dẫn đến hiệu quả xử lý nước thải giảm sút. Luận án đã chỉ ra rằng việc thiếu thông tin về các yếu tố này là một trong những nguyên nhân chính gây khó khăn trong nghiên cứu.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của bùn hoạt tính

Độ nhạy của bùn hoạt tính có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ, nồng độ oxy và thời gian ủ. Những yếu tố này cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo kết quả nghiên cứu chính xác.

2.2. Thiếu thông tin và dữ liệu trong nghiên cứu độc tính

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu độc tính nước thải là thiếu dữ liệu đáng tin cậy về các chất độc hại. Điều này dẫn đến việc khó khăn trong việc đánh giá chính xác tác động của chúng đến bùn hoạt tính và hiệu quả xử lý nước thải.

III. Phương pháp nghiên cứu chính trong luận án tiến sĩ

Luận án tiến sĩ của Ferdinand Friedrichs đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại để đánh giá độc tính nước thải. Các thí nghiệm được thực hiện với sự hỗ trợ của các thiết bị đo lường trực tuyến như NitriTox và Biomonitor, cho phép theo dõi độ nhạy của bùn hoạt tính dưới tác động của các chất độc hại.

3.1. Thí nghiệm với hệ thống đo lường NitriTox

Hệ thống NitriTox được sử dụng để đo lường độ nhạy của bùn hoạt tính đối với các chất độc hại như Zn(II), Cu(II) và Cr(VI). Các thí nghiệm cho thấy rằng độ nhạy của bùn có thể thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện môi trường.

3.2. Phân tích dữ liệu từ hệ thống Biomonitor

Biomonitor cho phép thực hiện các phép đo độc tính trong thời gian thực, giúp xác định nhanh chóng các chất độc hại trong nước thải. Phân tích dữ liệu từ hệ thống này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về tác động của các chất độc đến bùn hoạt tính.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu độc tính nước thải

Nghiên cứu độc tính nước thải không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp và bảo vệ môi trường. Các kết quả từ luận án đã được áp dụng trong việc giám sát chất lượng nước thải tại nhiều khu công nghiệp ở Việt Nam.

4.1. Giám sát chất lượng nước thải tại các khu công nghiệp

Việc áp dụng hệ thống đo lường trực tuyến đã giúp các khu công nghiệp giám sát chất lượng nước thải một cách hiệu quả. Điều này không chỉ bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo tuân thủ các quy định về bảo vệ môi trường.

4.2. Cải thiện quy trình xử lý nước thải

Các kết quả nghiên cứu đã giúp cải thiện quy trình xử lý nước thải, từ đó nâng cao hiệu quả và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Việc phát hiện sớm các chất độc hại giúp các nhà quản lý có biện pháp xử lý kịp thời.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu độc tính nước thải

Luận án tiến sĩ của Ferdinand Friedrichs đã đóng góp quan trọng vào lĩnh vực nghiên cứu độc tính nước thải, đặc biệt là trong việc phát triển các hệ thống đo lường trực tuyến. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong việc bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng nước thải.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu độc tính trong bảo vệ môi trường

Nghiên cứu độc tính nước thải đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Việc phát hiện và xử lý kịp thời các chất độc hại giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái.

5.2. Hướng phát triển trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ

Tương lai của nghiên cứu độc tính nước thải sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới. Việc áp dụng các hệ thống đo lường hiện đại sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc giám sát chất lượng nước thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VNU UNIVERSITY OF SCIENCE Ferdinand Friedrichs CONTRIBUTIONS TO ONLINE MEASUREMENT SYSTEMS FOR THE INVESTIGATION OF WASTEWATER TOXICITY ON ACTIVATED SLUDGE PH. THESIS IN CHEMISTRY Ha Noi – 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VNU UNIVERSITY OF SCIENCE ------------------------------ Ferdinand Friedrichs CONTRIBUTIONS TO ONLINE MEASUREMENT SYSTEMS FOR THE INVESTIGATION OF WASTEWATER TOXICITY ON ACTIVATED SLUDGE Branch: Environmental Chemistry Code: 62440120 PH. THESIS IN CHEMISTRY Supervisors: Assoc. Do Quang Trung Prof.

Wolfgang Genthe Ha Noi – 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Acknowledgement First of all, I would like to thank both of my supervisors, Prof. Genthe who gave me the chance to work for the AKIZ project in Vietnam as an employee of LAR Process Analysers AG, for giving me the chance to work on such an exciting project, any kind of support, inspiring discussions and arranging enough time to finalize the Ph. Many thanks to Prof. Do Quang Trung as my supervisor from the Vietnamese site from Vietnam National University.

I highly appreciate for giving me the opportunity to do my Ph. at the Vietnam National University VNU. Many thanks for the support to finalizing my Ph. subjects, to give me the chance to work on research projects with students from VNU and the interesting discussion related to my Ph.

Secondly, many thanks to all my colleagues at LAR Process Analysers, the AKIZ team, and the members and students from VNU who supported during my time in Vietnam doing my Ph. Special thanks to my lab members Ms. Nhan and Mrs. Lanh for the support in the laboratory and the beautiful time spent together in Can Tho.

Also many thanks to the students from VNU Mr. Dung and Ms. Lanh for coming to Can Tho to do research at the AKIZ laboratory. Many thanks to my colleagues from LAR Process Analysers AG for the support regarding technical issues related to the analysers and the interesting discussion related to the research topic.

Therefore I want to acknowledge Thomas, Rafael, Olga, Olaf, Winfried, Gerhard, and Agnes. Many thanks to the project leader Prof. Rudolph as project leader and Dominic, Rene, Sandra and Mr. Long for coordinating the AKIZ Project.

Last but not least, I would like to thank family and friends for their patience and care, especially to my wife Huyen, my son Nico Tri, and my daughter Lina Kim for keeping me in a good mood. I LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Declaration I hereby declare that I have written the present thesis independently and without the use of others than the indicated sources. Berlin, 20th June 2017 Signature:____________________ II LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Acknowledgement First of all, I would like to thank both of my supervisors, Prof. Genthe who gave me the chance to work for the AKIZ project in Vietnam as an employee of LAR Process Analysers AG, for giving me the chance to work on such an exciting project, any kind of support, inspiring discussions and arranging enough time to finalize the Ph.

Many thanks to Prof. Do Quang Trung as my supervisor from the Vietnamese site from Vietnam National University. I highly appreciate for giving me the opportunity to do my Ph. at the Vietnam National University VNU.

Many thanks for the support to finalizing my Ph. subjects, to give me the chance to work on research projects with students from VNU and the interesting discussion related to my Ph. At this point I would like to acknowledge Prof. mult, Rudolph as the leader of the AKIZ project, who always supported me, especially with the publication of scientific articles.

Secondly, many thanks to all my colleagues at LAR Process Analysers, the AKIZ team, and the members and students from VNU who supported during my time in Vietnam doing my Ph. Special thanks to my lab members Ms. Huy and Mrs. Lanh for the support in the laboratory and the beautiful time spent together in Can Tho.

Also many thanks to the students from VNU Mr. Dung and Ms. Hanh for coming to Can Tho to do research at the AKIZ laboratory. Many thanks to my colleagues from LAR Process Analysers AG for the support regarding technical issues related to the analysers and the interesting discussion related to the research topic.

Therefore, I want to acknowledge Thomas, Rafael, Olga, Olaf, Winfried, Gerhard, and Agnes. Many thanks to Dominic, Rene, Sandra and Mr. Long for coordinating the AKIZ Project and their support. Last but not least, I would like to thank family and friends for their patience and care, especially to my wife Huyen, my son Nico Tri, and my daughter Lina Kim for keeping me in a good mood.

Many thanks to my parents who always supported me during my studies and the entire life. I LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Declaration I hereby declare that I have written the present thesis independently and without the use of others than the indicated sources. Berlin, 16th April 2018 Signature:____________________ II LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Abstract Removal of nitrogen compounds and organic pollutants from wastewater is one of the essential issues in wastewater treatment. Commonly applied for this treatment step is the activated-sludge process.

To guarantee a proper operation of this process, it is necessary to monitor the inhibitory effect of toxic substances on activated-sludge bacteria. This is commonly done by the activated-sludge respiration-inhibition test. But there is still a lack of knowledge, which parameters have an influence on the stability and sensitivity of the biological test. In the literature, the inhibitory effects of single toxicants on activated sludge may vary up to three orders of magnitudes.

The aim of the study is to increase the sensitivity of toxicants on the activated-sludge respiration test to create an adjustable biosensor. To this end, the research question is as follows: Which parameters have an influence on the sensitivity of the activated-sludge respiration-inhibitions test? The research question is answered through experiments using the international standardized activated-sludge respiration-inhibition test and the two online-respirometers NitriTox and Biomonitor of LAR Process Analysers AG. To influence the sensitivity of these bio assays following parameters were investigated pH, temperature, oxygen concentration in the fermenter, incubation time, nutrient limitation and biomass concentration. These experiments were realized with using Zn(II), Cu(II), Cr(VI) and 3,5 DCP as toxicants.

A series of experiments are described with this objective, and showed in each case, that the sensitivity of the bioassay could be varied by the investigated parameters. The sensitization of the test organisms can be explained by altering the activity of the bacteria and also the speciation of the toxicants in the presence of the nutrient solution and its biological degradation products. It is, therefore, possible to detect toxic pollutants in lower concentrations, which have an inhibiting effect on activated-sludge bacteria. I expect that this new approach is applied to detect inhibiting substances in wastewater in lower concentrations to protect activated-sludge bacteria in a wastewater treatment plant more efficiently.

Additionally, a mobile laboratory was developed and assembled to conduct wastewater monitoring in seven industrial zones across the country Vietnam with toxicity as a critical III LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. The aim of the monitoring campaigns was to apply the online respiration inhibition respirometer NitriTox to do a case study in which extend the activated-sludge process of industrial wastewater treatment plant are inhibited by toxic wastewaters in Vietnam. The high necessity of monitoring the toxicity of industrial wastewater can be proved that toxic wastewater occurred in five of the seven tested industrial zones. In conclusion, the NitriTox was applied successfully in the frame of the measurement campaigns in seven industrial zones in Vietnam.

IV LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF CONTENTS Acknowledgement. III List of Abbrevations. X List of Figures. XI List of Tables.

The Importance of the Topic. The new Points of this Dissertation. 2 Chapter 1: Literature Review .1 Wastewater Treatment Plant Overview .1 Activated-Sludge Process .1 Inhibition and Toxicity .2 Necessity of Toxicity Monitoring .3 Sum-Parameters in Water Monitoring .4 Sources of Heavy Metal Pollution .5 Toxicity Assessment Methods to Determine the Inhibition of Pollutants on Activated-Sludge Bacteria .6 Activated-Sludge Respiration-Inhibition Test .1 Offline Respiration-Inhibition Measurements .2 Online Respiration-inhibition Measurements .7 Comparison of the Toxicity-Assessment Methods used to determine the Inhibition of Pollutants on Activated-sludge Bacteria .8 Comparison of EC 50 Values of Activated-Sludge Inhibition-Test. 19 V LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Influencing Factors on Nitrification-Respiration Inhibition-Test .5 Formation of Toxicant Speciation .7 Growth State of Microorganisms .9 Concentration of the Biomass and Toxins .10 Adaption and Alteration of the Community Structure of Nitrifiers.1 Oxygen-Producing and Oxygen-Consuming Substances .2 pH Change of Substances under Aeration.

33 Chapter 2: Materials and Methods .1 Offline Respiration-Inhibition Measurements .1 International Standard ISO 8192, 2007. Water-Quality test for Inhibition of Oxygen Consumption by Activated-Sludge for Carbonaceous and Ammonium Oxidation (ISO 8192) .2 International Standard ISO 11348-3, 2007. Water-Quality Determination of the Inhibitory Effect of Water Samples on the Light Emission of Vibrio fischeri (Luminescent bacteria test) - Method using Freeze-Dried Bacteria .3 International Standard ISO 9509, 2006. Water-Quality - Toxicity Test for Assessing the Inhibition of Nitrification of Activated-Sludge Microorganisms .2 Online Respiration-Inhibition Measurements .3 Analytical Standard Methods.

46 VI LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Toxicity Testing on Real Samples and Standard Solutions .2 Developed Procedure for Toxicity Measurement with the Biomonitor .3 Factors Influencing the Activated-Sludge Respiration-Inhibition Test .4 Influencing Factors to Biomonitor Measurements .1 Influence of Nutrient Solution on Biomonitor Measurements .2 Influence of the sludge concentration on Biomonitor Measurements .3 Influence of the ASR value on Biomonitor Measurements .5 Influencing Factors to NitriTox Measurements.1 NitriTox Measurement According to DIN ISO 8192 .2 Influence of Nutrient Solution on NitriTox Measurements.3 Influence of pH on Inhibition .4 Influence of Temperature on Inhibition .5 Influence of Biomass Concentration on Inhibition .6 Influence of Incubation Time in the Measurement Cell on Inhibition .7 Influence of Incubation Time at the Measurement Phase II on Inhibition .8 Influence of O2 Concentration in the Fermenter on Inhibition .9 Influence of the Sample Matrix Nutrients on Inhibition .6 Toxicants and Standard Solutions.5 Calculation of Theoretical Heavy-Metal Speciation by using MINTEQ 3.6 Technical Introduction of the Mobile Laboratory .7 Inoculum - Nitrosomonas stercoris.3 Activated-Sludge Respiration .4 Rank Scores of Sensitivity.5 Factor of Sensitization. 61 VII LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Tra Noc - Industrial Zone .2 Nam Sach - Industrial Zone .3 Hoa Cam - Industrial Zone .4 Hoa Khanh - Industrial Zone .5 Company Groz-Beckert.1 Tra Noc - Industrial Zone .2 Nam Sach - Industrial Zone .3 Hoa Cam - Industrial Zone .4 Hoa Khanh - Industrial Zone .5 Company Groz Beckert .67 Chapter 3: Results and Discussion .1 Studies with the Activated-Sludge Respiration Test Sensitization by Varying Nutrient Solutions .1 Sensitisation of Activated-Sludge Respiration-Inhibition Testing by Varying Nutrient Solutions .2 Influence of the Nutrient Solution on Heavy-Metal Speciation .3 Verifying the Results of Activated-Sludge Respiration-Inhibition Testing using an ORP Electrode .2 Activated-Sludge Respiration Inhibition with the Online Respirometer Biomonitor .3 Validation of Biomonitor Measurements .4 Influencing factors of respiration inhibition with the Biomonitor.1 Influence of Nutrients in the Fermenter .2 Influence of Sludge Concentrations .3 Influence of the ASR value on the respiration inhibition .3 Activated-Sludge Respiration-Inhibition with the Online Respirometer NitriTox. 86 VIII LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Validation of NitriTox Measurements .1 NitriTox in-House Round-Robin Test .2 Stability of Results over four Years .3 Comparison of Toxicity-Assessment Methods to Determine the Inhibition of Pollutants on Activated-Sludge Bacteria with the Results of the NitriTox Analyser .4 Comparison of EC 50 Values of Activated-Sludge Inhibition-Test from Literature with NitriTox Measurements .5 NitriTox Measurement according to DIN ISO 8192 .2 Influencing Factors to NitriTox Measurements.1 Influence of Nutrient Solution in the Fermenter .