TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG SỐ 10(71) 2013 62 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN SỤC KHÍ ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ SBR EFFECTS OF AERATION TIMES ON THE P[.]
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN SỤC KHÍ ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ SBR EFFECTS OF AERATION TIMES ON THE PERFORMANCE OF SBR SYSTEM IN TREATING DOMESTIC WASTEWATER Đỗ Khắc Uẩn Viện Khoa học Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Email: dokhacuan@yahoo.com Văn Thị Thu Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ Võ Thị Mỹ Hạnh Công ty CP Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng CNMT Trung Việt, Quy Nhơn TÓM TẮT Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu xử lý nước thải sinh hoạt công nghệ SBR Nước thải sinh hoạt thu từ hệ thống cống thải khu KTX B5a Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội lọc sơ trước nạp vào bể SBR Thời gian sục khí thay đổi từ - 10 h Kết thu cho thấy, tăng thời gian sục khí, hiệu suất xử lý COD, BOD5, TP TN có xu hướng tăng lên Ở thời gian sục khí h, hệ thống đạt hiệu suất xử lý cao nhất, COD: 80,1%, BOD5: 88,3%, TP: 65%, TN: 82,2% Tuy nhiên, thời gian sục khí khơng ảnh hưởng đến số thể tích bùn Tỷ lệ MLVSS/MLSS không bị ảnh hưởng tăng thời gian sục khí Từ khóa: cơng nghệ SBR; nước thải; xử lý; thời gian sục khí; số thể tích bùn ABSTRACT This study was carried out to evaluate the effect of aeration time on the performance of the SBR technology in treating domestic wastewater Domestic wastewater was collected from the sewage systems in the B5a dormitory of Hanoi University of Science and Technology It was pre-screened before filling into the SBR system The aeration times were varied from h to 10 h As a result, the treatment efficiencies of COD, BOD5, TP and TN increased when aetation time increased For h of aeration, the system reached the highest treatment efficiencies with COD 80.1%, BOD5 88.3%, TP 65%, and TN 82.2% However, an increase in aeration time did not affect the sludge volume index The MLVSS/MLSS ratio was also not influenced by the aeration time Key words: sequencing batch reactor (SBR); wastewater; treatment; aeration time; sludge volume index Đặt vấn đề Nước thải sinh hoạt cán bộ, sinh viên từ dịch vụ phục vụ giảng dạy, nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (ĐHBKHN) thải khoảng 1015 m3/ngày [1] Lượng nước thải xử lý sơ bể tự hoại thải sông Sét (đoạn sơng cống hóa tạo thành đường Trần Đại Nghĩa) Hầu hết thông số nước thải (COD, BOD5, TN, TP) vượt giá trị giới hạn QCVN 14:2008/BTNMT, nước thải sinh hoạt, cột B [2, 3], nên nguồn nước thải góp phần khơng nhỏ gây nhiễm sơng hồ Thành phố Hà Nội Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu xử lý nguồn nước thải phịng thí nghiệm nhằm cung cấp thơng tin cho thiết kế hệ thống xử lý nước thải 62 quy mô lớn cần thiết Các hoạt động trường diễn ban ngày, nên nguồn nước thải thường không liên tục Cho nên, việc lựa chọn công nghệ xử lý gián đoạn phù hợp so với công nghệ xử lý liên tục Cơng nghệ hiếu khí theo mẻ (SBR) công nghệ sử dụng phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt [4] Công nghệ có ưu điểm lớn tồn hoạt động xử lý diễn bể nhất, nên có diện tích mặt nhỏ, điều phù hợp cho trường đại học, vốn có diện tích hạn chế Bên cạnh đó, cơng nghệ linh hoạt khâu vận hành, có khả vận hành tốt với nguồn thải có đặc trưng biến động lớn [5, 6] Tuy nhiên, công nghệ gồm giai đoạn chu trình xử lý: (i) nạp nước thải; (ii) khuấy trộn; TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 (iii) sục khí; (iv) lắng; (v) xả nước sau xử lý [7] Các giai đoạn nối tiếp nhau, nên có ảnh hưởng đến hiệu q trình xử lý Trong đó, giai đoạn sục khí có ảnh hưởng định đến q trình ơxi hóa hợp chất hữu q trình nitrat hóa Thời gian sục khí lớn, có khả tăng hiệu xử lý, nhiên làm tăng chi phí vận hành tăng thời gian sục khí Ngược lại, thời gian sục khí nhỏ, tiết kiệm chi phí vận hành, khơng đảm bảo hiệu xử lý Do đó, mục đích nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu xử lý nước thải sinh hoạt ĐHBKHN công nghệ SBR Từ đó, xác định thời gian sục khí thích hợp việc xử lý nguồn nước thải sinh hoạt ĐHBKHN Ngoài ra, ảnh hưởng q trình sục khí đến số lắng bùn thảo luận, thơng số quan trọng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước sau xử lý Phương pháp nghiên cứu khảo sát 2.1 Hệ thống SBR dùng nghiên cứu Hệ thống SBR dùng nghiên cứu thể hình Hệ thống gồm: thùng chứa nước thải (dung tích V= 20 L) Bể SBR, thân hình trụ, chế tạo vật liệu PS, tích làm việc 12 L Trong hệ thống lắp đặt thiết bị cần thiết khác như: máy khuấy, máy sục khí, hệ thống phân phối khí điều khiển thời gian cho giai đoạn vận hành Nước thải sinh hoạt ĐHBKHN thu gom từ cống thải khu ký túc xá B5a lọc qua lưới lọc sơ có kích thước lỗ 212 μm để loại bỏ tạp chất lớn, sau đổ vào thùng chứa nước thải Đặc trưng nguồn nước thải thể Bảng Nước thải từ thùng chứa điều chỉnh hệ thống van để chảy vào bể SBR Quá trình nạp nước thải khuấy trộn diễn h Tiếp theo đó, để đánh giá ảnh hưởng thời gian sục khí, giai đoạn thực theo thời gian khác nhau, thay đổi từ h, h, h, h, 10 h Quá trình lắng thực 1,5 h rút nước sau xử lý khoảng 0,5 h Hình Hệ thống SBR dùng nghiên cứu Ghi chú: (1) Máy thổi khí, (2) Thùng chứa nước thải, (3) Máy khuấy, (4) Ống thơng khí, (5) Bể SBR, (6) Thùng chứa nước sau xử lý, (7) Van xả bùn, (8) Bộ phận phân phối khí Bảng Đặc trưng nguồn nước thải sinh hoạt ĐHBKHN Thông số pH SS (mg/L) COD (mg/L) BOD5 (mg/L) TN (mg/L) TP (mg/L) Giá trị Trung bình Độ lệch chuẩn Lớn Nhỏ 8,3 7,1 7,8 0,1 287 126 228 51 838 425 724 134 620 369 478 74 82,7 61,3 78,8 6,6 25,3 16,6 21,5 2,8 Hàm lượng bùn hoạt tính bể SBR trì khoảng 2500 mg/L trạng thái lơ lửng nhờ hệ thống khuấy trộn (tốc độ khuấy trộn 200 vịng/phút) Nồng độ oxy hồ tan (DO) bể SBR giai đoạn sục khí trì khoảng mg/L, với lưu lượng cấp khí khoảng 11 L/phút 2.2 Phương pháp phân tích Trong trình nghiên cứu, thơng số đo đạc phân tích theo phương pháp chuẩn Cụ thể MLSS, MLVSS phân tích theo TCVN 6625:2000 COD xác định theo TCVN 6419:1999 BOD5 xác định theo TCVN 6001-2:2008 TN xác định 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 theo TCVN 5987-1995 TP xác định theo TCVN 6202:2008 pH đo pH Metter DO đo DO Metter Toledo AG Kết bàn luận COD vào COD (mg COD/L) 1350 TB COD Hiệu suất xử lý COD 100 90 1200 80 1050 70 900 60 750 50 600 40 450 30 300 20 150 10 Hiệu suất xử lý COD (%) 1500 2h 4h 6h Thời gian suc (h) 8h 10h Hình Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý COD Sau 2h sục khí khuấy trộn đều, COD chưa xử lý hoàn tồn, hiệu suất xử lý q trình thấp, trung bình đạt 60%, tương ứng với COD dịng sau xử lý trung bình khoảng 284 mg/L Kết thu cho thấy thời gian sục khí h chưa đủ để vi khuẩn phân giải hết chất hữu có nước thải Khi tăng thời gian sục khí lên h h hiệu suất xử lý COD cải thiện đáng kể, tăng lên đến 75% Tiếp tục tăng đến h sục khí, hiệu suất xử lý trung bình đạt 80,1%, tương ứng với COD dịng trung bình khoảng 143 mg/L Tuy nhiên tiếp tục tăng thời gian sục khí lên đến 10 h, hiệu suất xử lý COD q trình tăng lên khơng đáng kể (chỉ từ 80,1% lên 81,4%) Các kết cho thấy trì thời gian sục khí h, chất hữu dễ phân hủy xử lý, nước cịn lại chủ yếu hợp chất hữu khó khơng phân hủy hợp chất dầu mỡ động thực vật, chất tẩy rửa, Trong trình vận hành, có nhiều thời điểm (16/12/2012 - 26/12/2012) quan sát thấy hàm lượng bọt chất tẩy rửa đầy bể xử lý (hình 3) Trong thời điểm này, hàm lượng COD dòng vào tăng lên đột biến, làm giảm hiệu xử lý 64 Các kết hiệu xử lý BOD5 (hình 4) góp phần giải thích đánh giá mức độ phân hủy chất hữu dễ phân hủy sinh học Khi tăng thời gian sục khí, hiệu suất xử lý BOD5 tăng lên BOD5 vào 1000 BOD5 Hiệu suất xử lý BOD5 100 900 90 800 80 700 70 600 60 500 50 400 40 300 30 200 20 100 10 Hiệu suất xử lý BOD5 (%) Kết phân tích cho thấy, COD nước thải sinh hoạt ĐHBKHN dao động lớn, từ 425 - 836 mg/L Tuy nhiên, pH nước thải ổn định khoảng – 8, giống đặc điểm nước thải sinh hoạt thông thường [8], phù hợp cho xử lý sinh học (a) (b) Hình Hình ảnh hệ thống vận hành bình thường (a) tượng bọt (b) BOD5 (mg BOD5/L) 3.1 Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý COD 2h 4h 6h 8h 10h Thời gian sục khí, (h) Hình Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý BOD5 BOD5 dòng vào trung bình khoảng 369 - 620 mg/L Hiệu suất xử lý BOD5 h khơng cao, trung bình khoảng 78,2% Tương ứng thời điểm này, hiệu suất xử lý COD khoảng 68% (hình 2) Khi tăng thời gian sục khí lên h, h, h 10 h hiệu suất xử lý BOD5 trình tăng theo từ 78,2 - 88,8% Tuy nhiên, so với thời điểm sục khí h hiệu suất xử lý chất hữu h, 10 h tăng không đáng kể Nguyên nhân vận hành hệ thống chế độ sục khí h, lượng chất hữu dễ phân hủy sinh học bể gần khơng cịn, hiệu suất xử lý h đạt 87,5% Mặt khác giai đoạn làm đầy khuấy trộn liên tục, bể xảy trình khử nitrat, vi khuẩn khử nitrat sử dụng phần chất chất dinh dưỡng có bể nên hiệu suất xử lý BOD5 tăng tăng thời gian sục khí 3.2 Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý TP Nước thải lấy vị trí KTX B5a điểm xả thải từ nhà ăn bể tự hoại (trong sữa, thịt, cá dụng cụ nấu ăn, đựng loại TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 TP 70 30 60 25 50 20 40 15 30 10 20 10 0 4h 6h 8h 10h Thời gian suc (h) Hình Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý TP Qua đồ thị cho thấy, hiệu suất xử lý TP tăng tăng thời gian lưu thủy lực từ h đến 10 h Khi đó, hiệu suất xử lý trung bình hệ thống tăng từ 45% đến 68%, TP trung bình dịng thải dao động từ 8,8 - 11,2 mg P/L Ở 2h hiệu suất xử lý TP gần thấp, đạt 45% Nguyên nhân nguồn nước thải ĐHBKHN biến động lớn lưu lượng mức độ ô nhiễm, khiến cho lượng chất chất dinh dưỡng nước thải cao Tuy nhiên, hệ thống vận hành điều kiện hiếu khí, lượng chất chất dinh dưỡng cần cho vi sinh vật tổng hợp tế bào nằm tỉ lệ C:N:P = 100:5:1 Trong đó, tỉ lệ C/P có bể dao động từ 26,3 39,9 Điều chứng tỏ vi khuẩn bể gần không xử lý TP Khi tăng thời gian sục khí đến 10 h khả tích lũy TP tăng, điều thể qua hiệu suất xử lý TP bể tăng từ 45 - 68% Kết giải thích lượng vi khuẩn - P tăng dần theo thời gian lưu bùn chiếm ưu thế, loại vi khuẩn có tốc độ phân huỷ thấp lại có khả hấp thụ lượng lớn TP bùn lắng cặn nên làm cho hiệu xử lý TP tăng lên 3.3 Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý TN Nước thải sinh hoạt ĐHBKHN có hàm lượng chất dinh dưỡng cao, TN trung bình dao động khoảng 61,3 - 82,7 TN vào 135 80 Hiệu suất xử lý TP 35 2h 150 TN (mg N/L) TP vào Hiệu suất xử lý P (%) TP (mg P/L) 40 mg N/L Giữ lượng MLSS bể ổn định khoảng 2500 mg/L, thời gian sục khí khuấy trộn thay đổi liên tục h, h, h, h, 10 h hiệu suất xử lý TN trung bình tồn trình tăng theo từ 65 - 83 mg N/L, thể qua Hình TN 100 Hiệu suất xử lý TN 90 120 80 105 70 90 60 75 50 60 40 45 30 30 20 15 10 0 2h 4h 6h 8h Hiệu suất xử lý N (%) vào nước thải lượng photpho đáng kể) nên TP đầu vào cao dao động từ 16,6 25,3 mg P/L, thể qua hình Ngồi mức độ nhiễm từ hợp chất nitơ, photpho nước thải sinh hoạt ĐHBKHN biến động theo lưu lượng nguồn thải, mức độ sử dụng nước sinh viên, mức độ tập trung dịch vụ cơng cộng, thời tiết, khí hậu vùng 10h Thời gian suc (h) Hình Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý TN Qua đồ thị cho thấy, hệ thống vận hành thời gian oxy hóa h hiệu suất xử lý TN trình chưa cao, đạt 65% Nguyên nhân thời gian sục khí chưa đủ lớn, hợp chất nitơ nước không đủ điều kiện để chuyển hoá hết dạng nitrit, nitrat nên nước thải sau xử lý chứa lượng lớn nitơ (trung bình TN sau xử lý khoảng 25,1 mg N/L) nên hiệu suất xử lý TN giai đoạn thấp Tăng sục khí lên h kèm theo khuấy trộn liên tục Trong giai đoạn này, vi sinh vật sinh sản phát triển thành bơng cặn bùn hoạt tính trạng thái lơ lững bể Các cặn giúp phân hủy chất hữu xây dựng tế bào nên cần nhiều chất dinh dưỡng để phát triển, hiệu suất xử lý TN cao, đạt 80 - 86% Tuy nhiên, hiệu suất xử lý TN 10 h tăng so với giai đoạn h, đạt 83%, nguyên nhân chủ yếu lượng chất bể gần khơng cịn, khiến cho hoạt lực vi sinh vật giảm làm ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý q trình 3.4 Ảnh hưởng thời gian sục khí đến đến đặc trưng bùn hệ thống Chỉ số thể tích bùn (SVI) thể khả lắng bùn Trong trình xử lý, hệ thống vận hành nhiều chế độ sục khí khác (từ h - 10 h), kết quan sát bùn có màu nâu vàng lắng nhanh Điều thể rõ qua kết xác định 65 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 SVI, hầu hết dao động khoảng từ 43 – 72 mL/g MLSS Kết SVI thu nghiên cứu so sánh tương đương với khả lắng với bùn hạt hiếu khí (SVI bùn hạt hiếu khí từ 30 – 80 mL/g MLSS [9]) Ngồi ra, trình vận hành, tỷ lệ MLVSS/MLSS giám sát để đánh giá mật độ sinh khối bùn hoạt tính Kết cho thấy, cho dù hệ thống vận hành với chế độ sục khí khác nhau, tỷ lệ MLVSS/MLSS ổn định, dao động từ 0,71 – 0,79, tương đương tỷ lệ MLVSS/MLSS q trình bùn hoạt tính thơng thường (khoảng 0,8 [10]) Kết luận Sau tháng vận hành hệ thống SBR quy mô nhỏ cho xử lý nước thải ĐHBKHN, nghiên cứu xác định yếu tố ảnh hưởng đến chế độ vận hành hệ thống Thời gian sục khí có ảnh hưởng lớn đến hiệu trình xử lý Khi tăng thời gian sục khí từ h - 10 h, hiệu suất xử lý COD, BOD5, TP TN có xu hướng tăng lên Tuy nhiên, thời gian sục khí khơng ảnh hưởng đến số thể tích bùn Tỷ lệ MLVSS MLSS khơng bị ảnh hưởng tăng thời gian sục khí So sánh điều kiện sục khí khác cho thấy, thời gian sục khí h, hệ thống đạt hiệu suất xử lý cao, cụ thể: Hiệu suất xử lý COD đạt 80,1%, BOD5 đến 88,3%, TP đạt 65%, TN đạt 82,2% Như việc áp dụng công nghệ xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR) để xử lý nước thải sinh hoạt ĐHBKHN hoàn toàn phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sở Tài nguyên Môi trường thành phố Hà Nội, Đề án xả nước thải vào nguồn nước trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Sở TNMT Hà Nội, 2009 [2] Metcalf and Eddy, Wastewater Engineering: Treatment, disposal and reuse, 4th Edition, Mc Hill, NewYork, USA, 2003 [3] Mulder A., “The quest for sustainable nitrogen removal technologies”, Water Science and Technology, 48(1), 2003, 67-75 [4] Xing L., Dawen G., Hong L., Lin L., Yuan F., “Photphorus removal characteristics of granular and flocculent sludge in sequencing batch reactor”, Applied Microbiology and Biotechnology, 94(1), 2012, 231-236 [5] Vo Thi My Hanh, Van Thi Thu, Do Khac Uan, “Effects of sludge concentrations on performances of a lab-scale SBR system treating domestic wastewater from HUST: a case study”, The 5th ASEAN civil Engineering Conference, The 5th ASEAN Enviromental Engineering Conference and the 3rd seminar on Asian wastewater environment, Ho Chi Minh City, 25-26/10/2012, 1-9 [6] Eyup D., Neslihan M., “Sequence optimization in a sequencing batch for biological nutrient removal from domestic wastewater”, Bioprocess and Biosystems Engineering, 33(5), 2010, 533-540 [7] Nguyễn Trọng Lực, Nguyễn Phước Dân, Trần Tây Nam, “Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí khử COD amonia bể phản ứng khí nâng mẻ luân phiên”, Tạp chí Khoa học Phát triển, 12(2), 2009, 39-50 [8] Wisaam S., He Q., Wei W., “Review on Sequencing Batch Reactos”, Pakistan Journal of Nutrition, 6(1), 2007, 11-19 [9] Liao B , Leppard G., Liss S., “Effect of solids retention time on structure and characteristics of sludge flocs in sequencing batch reactor”, Water Research, 40(13), 2006, 2583-2591 [10] Amir H., Mesdaghinia A., Karakami F., “Feasibility of Continuous Flow Sequencing Batch Reactor in Domestic Wastewater Treatment”, American Journal of Applied Sciences, 1(4), 2004, 348-353 (BBT nhận bài: 29/07/2013, phản biện xong: 12/08/2013) 66 ... thống SBR quy mô nhỏ cho xử lý nước thải ĐHBKHN, nghiên cứu xác định yếu tố ảnh hưởng đến chế độ vận hành hệ thống Thời gian sục khí có ảnh hưởng lớn đến hiệu trình xử lý Khi tăng thời gian sục khí. .. sục khí nhỏ, tiết kiệm chi phí vận hành, khơng đảm bảo hiệu xử lý Do đó, mục đích nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu xử lý nước thải sinh hoạt ĐHBKHN công nghệ SBR. .. chất dinh dưỡng có bể nên hiệu suất xử lý BOD5 tăng tăng thời gian sục khí 3.2 Ảnh hưởng thời gian sục khí đến hiệu suất xử lý TP Nước thải lấy vị trí KTX B5a điểm xả thải từ nhà ăn bể tự hoại