1.3.Ý nghĩa và tính mới của đề tài Hiện nay, trên thế giới xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí kết hợp thiếu khí và hiếu khí đã ứng dụng nhiều trong các hệ thống xử lý nước thải côn
TỔNG QUAN
Nước thải chăn nuôi heo và công nghệ xử lý
Nước thải chăn nuôi heo là một trong những loại nước thải có nồng độ ô nhiễm khá cao, đặt biệt là COD, nitơ, photpho và vi sinh vật gây bệnh Thành phần, khối lượng của nước thải chăn nuôi heo phụ thuộc nhiều vào giai đoạn sinh trưởng của heo, chế độ cho ăn và phương thức vệ sinh chuồng trại Nước phân chuồng chăn nuôi heo chủ yếu phát sinh từ nước tiểu, phân, thức ăn dư thừa Nước phân chuồng chứa khá nhiều đạm và kali Đạm trong nước phân chuồng tồn tại chủ yếu ở 3 dạng: urê, axit uric và axit hippuric Thành phần nước thải chăn nuôi heo giao động khá lớn, tùy thuộc vào điều kiện chăm sóc và vệ sinh của mỗi cơ sở chăn nuôi, nhưng thông thường thì nước thải chăn nuôi heo chứa một lượng lớn các thành phần sau:
SS:180 – 1248 mg/l; COD: 500 – 3000; BOD: 300 – 2100 mg/l; NH4 +: 15- 865mg/l;
Escherichia Coli: 15.10 5 – 68,3.10 7 MPN/ 100ml; Steptococcus faecalis 3.10 2 – 3,5.10 3 MPN/ 100ml; Clostridium perfringens: 50 – 160 tế bào/ 100ml Tính chất của nước thải chăn nuôi được trình bày ở bảng 2.1
Bảng 2.1 Tính chất của nước thải chăn nuôi ĐẶC TÍNH ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ Độ màu Pt-Co 350 – 870 Độ đục mg / l 420 – 550
Nước thải từ chăn nuôi heo cần được xử lý để giảm ô nhiễm, đặc biệt là vi khuẩn gây bệnh Bể Biogas và UASB là các công nghệ phù hợp để xử lý nước thải có nồng độ COD cao Bể Biogas là loại bể phản ứng phổ biến trong xử lý nước thải chăn nuôi, đặc biệt là ở các hộ chăn nuôi nhỏ lẻ.
Hình 2.1.Mô hình sử dụng bể Biogas xử lý nước thải chăn nuôi
Bản chất của quá trình sản xuất Biogas là dựa vào nguyên tắc phân hủy kị khí, các chất hữu cơ phức tạp bị phân hủy tạo thành các chất đơn giản ở dạng khí hoặc hòa tan Quá trình trải qua nhiều giai đoạn với hàng nghìn phản ứng hóa học, có sự tham gia nhiều loại vi sinh vật kị khí Lượng khí metan có thể thu từ phân gia súc phụ thuộc vào khẩu phần thức ăn, phương thức thu gom, lưu trữ, xử lý và thời gian phân hủy Thường chỉ có 40 – 60% chất rắn dễ bay hơi được chuyển hóa trong thời gian phân hủy 12 – 18 ngày
Phân hữu cơ sau lên men ổn định hơn Hàm lượng nitơ hữu cơ tăng 30-60% do hơn 50% nitơ hữu cơ chuyển thành dạng amoniac hòa tan, sau đó thành dạng nitrit, nitrat; dạng vô cơ này dễ hấp thụ cho cây Hàm lượng kali, photpho không giảm do 50% photpho và 80% kali không thay đổi trong quá trình lên men.
Công nghệ Biogas có thể xử lý được nước thải có nồng độ COD cao đồng thời sinh ra khí sinh học có thể được sử dụng cho nấu ăn hay máy phát điện, khi đốt 1m 3 hỗn hợp khí gas từ bể biogas sẽ sinh ra một lượng nhiệt tương đương với 1 lít cồn với 4,5 – 6 kcal được sinh ra, với mức năng lượng này cũng tương đương với 0,8 lit xăng, 0,6 lit dầu thô, 1,4kg than hoa hay 2,2 kW điện Bùn thải sau Biogas có thể được sử dụng làm phân bón vì chứa một lượng lớn các chất dinh dưỡng Tuy nhiên, nước thải sau bể Biogas vẫn còn nồng độ ô nhiễm cao cả về COD và chất dinh dưỡng Bảng 2.2 cho ta thấy thành phần chính của khí từ bể biogas Nước thải chăn nuôi chứa một lượng lớn nitơ và photpho, các chất dinh dưỡng này chỉ bị giữ lại một phần rất nhỏ trong bể qua quá trình hấp thụ vào trong tế bào, còn lại hầu hết các chất dinh dưỡng này được thải cùng với nước thải sau bể biogas
Bảng 2.2 Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas
Loại khí Thành phần khí
Nước thải sau biogas nếu không được xử lý tiếp mà xả thải vào môi trường sẽ tạo ra một lượng lớn dinh dưỡng trong nước, gây ra quá trình phú dưỡng hóa, gây ô nhiễm môi trường nước Vì vậy, trong công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi, sau bể biogas luôn được bố trí các công trình xử lý phù hợp để xử lý nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn cho phép trước khi xả vào môi trường Các công nghệ được sử dụng cho nước thải sau biogas thường là các công nghệ có khả năng loại bỏ được chất dinh dưỡng như các công nghệ ứng dụng quá trình hiếu khí kết hợp với thiếu khí.
Công nghệ AAO
Công nghệ AAO là công nghệ cải tiến từ quy trình AO, công nghệ này nhờ sự kết hợp giữa các quá trình kị khí, thiếu khí và hiếu khí nên có có khả năng xử lý kết hợp COD, nitơ và photpho với hiệu suất loại bỏ khá cao Công nghệ AAO được ứng dụng xử lý các loại hình nước thải có hàm lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng cao như: nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải ngành chế biến thủy hải sản, nước thải ngành sản xuất bánh kẹo - thực phẩm, nước thải chăn nuôi
Nước thải được đưa qua bể kị khí, thiếu khí rồi đến hiếu khí Để tăng khả năng loại bỏ phopho và nitơ, bùn thải được tuần hoàn từ bể lắng về bể kị khí và nước thải được tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí Ở bể kị khí, bùn đã tích lũy photpho tuần hoàn về từ bể hiếu khí sẽ giải phóng photpho đơn Tại bể thiếu khí, vi khuẩn sử dụng nitrat làm nhiệm vụ khử nitrat, loại bỏ nitơ ra khỏi nước thải Ở bể hiếu khí, amoni được oxi hóa thành nitrat nhờ vi khuẩn nitrat hóa
Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ AAO
2.2.1.Quá trình Anaerobic (Quá trình kị khí)
Trong các bể kị khí xảy ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và các chất dạng keo trong nước thải với sự tham gia của hệ vi sinh vật kị khí Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, vi sinh vật kị khí sẽ hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành các hợp chất ở dạng khí
Khí sinh ra bám vào các hạt bùn cặn, làm chúng nổi lên Quá trình này gây xáo trộn và tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp bùn cặn lơ lửng Vi sinh vật kị khí phân hủy chất hữu cơ, và quá trình này có thể được biểu diễn bằng các phương trình hóa học đơn giản.
(COHNS) + VK yếm khí → CO2 + H2S + CH4 + các chất khác + năng lượng (COHNS) + VK yếm khí + năng lượng → C5H7O2N (Tế bào vi khuẩn mới)
Các quá trình sinh h ọ c trong quá trình k ị khí
Hình 2.4 Cơ chế tạo khí metan từ chất hữu cơ
Toàn bộ quá trình chuyển hóa xảy ra trong vật chất hữu cơ trong chất thải hữu cơ chia làm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn phân giải các chất hữu cơ: chất thải hữu cơ chứa rất nhiều các polyme hữu cơ như protein, polysaccharide, chất béo, legnin,… sẽ được phân hủy bởi enzym ngoại bào của vi khuẩn, tạo ra những chất có phân tử lượng nhỏ hơn và có khả năng tan trong nước Những chất này được vi khuẩn sinh axit hấp thụ
- Giai đoạn axit: là giai đoạn sau khi các chất có phân tử lượng nhỏ được tạo thành từ quá trình phân giải chui vào tế bào vi khuẩn, bắt đầu chuyển hóa thành axit Các quá trình chuyển hóa này được thực hiện bởi các vi khuẩn Acetogenic và sản phẩm được tạo thành là axit béo bay hơi Các axit béo bay hơi sẽ chuyển thành acetate và từ acetate sẽ chuyển hóa thành CH4 và CO2 Ngoài acetate ra, trong giai đoạn này người ta thấy trong tế bào vi khuẩn tích lũy CO2, H2, etanol và metanol Các chất này được tạo thành phần lớn từ trao đổi của polysaccharit
Số lượng, thành phần các axit béo bay hơi và các sản phẩm khác được tạo thành trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều ở thành phần hóa học của chất thải đưa vào lên men, phương pháp lên men
- Giai đoạn tạo thành khí CH4: giai đoạn tạo thành khí CH4 được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn Methanogens
Bên cạnh việc loại bỏ COD, bể kị khí có nhiệm vụ quan trọng là giải phóng photpho trùng ngưng trong tế bào vi sinh vật Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật trên hấp thụ chất hữu cơ, phân hủy photphat trùng ngưng trong tế bào và thải ra môi trường dưới dạng photphat đơn:
(C2H4O2)2 là chất hữu cơ tích lũy trong cơ thể vi sinh được hấp thu từ ngoài vào Lượng photpho được tách ra từ vi sinh vật theo tỷ lượng là 0,5 mol P/mol axit axetic
2.2.2.Quá trình Anoxic (Thiếu khí)
Trong nước thải, có chứa hợp chất nitơ và photpho, những hợp chất này cần phải được loại bỏ ra khỏi nước thải Tại bể Anoxic, trong điều kiện thiếu khí hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển xử lý N và P thông qua quá trình khử nitrat và Photphoril
Quá trình khử nitrat là phản ứng biến đổi NO3- thành khí nitơ N2 Quá trình này diễn ra theo bốn giai đoạn gồm: NO3- chuyển hóa thành NO2-, tiếp theo NO2- chuyển thành NO (khí), sau đó NO (khí) chuyển thành N2O (khí) và cuối cùng N2O (khí) chuyển thành N2 (khí) Cần lưu ý rằng NO2-, NO và N2O là các sản phẩm trung gian được tạo ra trong quá trình chuyển hóa, và mỗi giai đoạn đều được xúc tác bởi một hệ enzyme riêng biệt Quá trình khử nitrat còn được gọi là quá trình dị hóa, có ý nghĩa quan trọng trong quá trình chuyển hóa nitơ trong thiên nhiên.
Khác với quá trình nitrat hoá, số lượng vi khuẩn có thể thực hiện quá trình khử nitrat hoá tương đối phong phú Có ít nhất 14 chủng vi khuẩn được biết là có khả năng khử nitrat hoá Ví dụ như chủng: Bacillus, Pseudomona , Methanomonas,
Quá trình khử nitrat do vi khuẩn đa dạng thực hiện, điển hình là Paracocus, Spirillum, Thiobacillus Chúng hô hấp tùy tiện, sử dụng O2 hoặc NO3- làm chất nhận electron cuối cùng Hô hấp hiếu khí sử dụng O2, còn hô hấp thiếu khí sử dụng NO3- hoặc NO2- Cơ chế của cả hai quá trình tương tự nhau, chỉ khác biệt ở enzym xúc tác vận chuyển electron Quá trình khử nitrat đòi hỏi phải loại trừ O2 Khi cả O2 và NO3- đều có mặt, vi sinh vật sẽ ưu tiên sử dụng O2 vì hô hấp hiếu khí tạo ra nhiều năng lượng hơn hô hấp thiếu khí.
Các vi sinh vật cần nitơ để tổng hợp protein, nguồn nitơ vi sinh vật có thể sử dụng trực tiếp trong tổng hợp là NH4 + Trong trường hợp không sẵn có nguồn NH4 +, một số vi sinh vật có khả năng khử NO3 - thành NH4 + để sử dụng Khi đó một phần nitơ đã được chuyển vào trong tế bào, quá trình khử nitơ kiểu này được gọi là “khử nitrat do đồng hoá “
Phần lớn vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng, sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào Ngược lại, có một số ít là vi khuẩn tự dưỡng, sử dụng nguồn cacbon vô cơ.
Tổng quan về giá thể bám dính
Biofringe là một vật liệu tiếp xúc đa năng hiệu quả cao, nó giữ lượng lớn vi sinh vật bên trong và bên ngoài và không bao giờ bung tất cả các vi sinh vật ra cùng lúc.BioFringe được làm từ các nguyên liệu dệt, các sợi dây treo có nguồn gốc từ polyester, có thể căng mạnh ra và kết nối dễ dàng và không thấm nước Các sợi ngang cấu tạo từ sợi acryl đặt biệt mà tính thấm nước tốt nhất trong các loại sợi nhân tạo để nó có thể giữ một lượng lớn sinh khối bùn và nhô ra theo nhiều hướng khác nhau
Giá thể Biofringe với đặc tính “swimming” của mình sẽ tăng khả năng tiếp xúc của vi sinh vật bám trên giá thể, từ đó làm tăng hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm
Hình 2.6 Giá thể Biofinge (a) và giá thể khi có ki sinh vật bám (b)
Các sợi giá thể nằm ngang có thể giữ bùn không chỉ trên bề mặt mà còn bên bề mặt Điều này làm thời gian lưu bùn lâu hơn, hệ vi sinh trong vật liệu lâu hơn và sản lượng bùn thấp hơn
Hình 2.7 Phân bố của vi sinh vật trên giá thể Ưu điểm của vật liệu tiếp xúc BioFringe:
- Tăng khả năng bám dính 2 – 5 lần Giảm thể tích Không cần tăng thêm thể tích
- Giảm sản lượng bùn từ 1/5 – 1/10
- Không cần các quá trình tiền xử lý phía trước như keo tụ, tạo bông vì thời gian lưu bùn dài hơn
Hệ thống BioFringe hoạt động với nồng độ MLSS ≥ 20.000 mg/l, cho phép tăng công suất hệ thống ngay cả khi chỉ lắp đặt một phần vật liệu tiếp xúc BioFringe Điều này dẫn đến kích thước bùn bong ra khỏi vật liệu BF lớn hơn đáng kể so với hệ thống xử lý thông thường.
- Hệ thống thường có thể vận hành lâu hơn (trên 15 năm) với mức độ bảo dưỡng thấp
- Ngoài ra, các sợi giá thể acrylic ưa nước có bề mặt xù xì, rỗ, điều này cho phép một lượng lớn bùn bám dính trên nó Và nhờ sự chuyển động của dòng nước tạo ra chuyển động “Swimming” làm tăng khả năng tiếp xúc của màng sinh học với cơ chất, giúp quá trình xử lý đạt hiệu quả cao hơn
BioFix là một giá thể tiếp xúc đặc biệt, được làm từ một loại sợi polyester tổng hợp như một khung và các sợi acrylic thấm nước như một thùng chứa bùn
Thông số kỹ thuật của sợi biofix được trình bày ở bảng 2.3
Hình 2.8 Giá thể Biofix Bảng2.3 Thông số kĩ thuật của giá thể Biofix
Thông số Đơn vị Giá trị Độ dài sợi m/m 3 23,324
Diện tích bề mặt riêng m 2 /m 3 146,5 Đường kính sợi Mm 2 Ưu điểm của vật liệu tiếp xúc Stick – Bed BioFix:
- Diện tích bề mặt gấp 6 lần so với BioFringe
- Thể tích bùn lưu giữ lớn nhất, gấp 10 lần so với BioFringe
- Chất lượng nước đầu ra tốt bởi vì sự tiếp xúc có thể cao hơn so với cấu trúc ba chiều của nó
- Dòng nước xung quanh ít xuất hiện hơn vì những kẽ hở rộng và bùn không rơi xuống tất cả một lần
- Thích hợp cho quá trình xử lý kị khí
Vật liệu tiếp xúc BioFix được phát triển cho nhiều ứng dụng mới, như đề cập ở dưới đây vì nhưng đặc tính duy nhất của nó như sau:
- Khả năng tiếp xúc cao hơn: thích hợp cho các bể Biofilters, tiền xử lý cho các hệ thống nước cấp
- Thể tích chứa bùn lớn: hiệu quả xử lý BOD cao
- Tạo điều kiện kị khí bên ngoài giá thể: phù hợp cho quá trình Anamox, nitrate và khử nitrate trong các bể tương tự.
Nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• Ứng dụng công nghệ Swim – Bed như một quá trình sinh trưởng bám dính mới để xử lý nước thải tải trọng cao, Joseph D Rouse et al (2004) Mô hình nghiên cứu gồm 2 bể phản ứng có thể tích lần lượt là: 7,7 lít và 21,6 lít
Trong các bể phản ứng, nước thải được đưa vào sau bên trong ngăn sục khí bằng bơm nước thải Khí nén cũng được đưa vào gần đáy của tấm hướng dòng nhằm tạo sự xáo trộn và oxy hóa nước thải trong khi tuần hoàn suốt bể phản ứng Sợi BioFringe trong bể phản ứng 7,7 lít dài 520mm và có 94 sợi giá thể, còn trong bể phản ứng 21,6 lít sợi BF dài 1.540mm và có 245 sợi giá thể Các sợi BF này được xoắn lại để các sợi giá thể tủa ra nhiều hướng trong không gian Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lỳ COD của mô hình lên đến 80% ở trải trọng 12kgCOD/m 3 ngày với thời gian lưu nước là 3h
Nghiên cứu của Yingjun Cheng và cộng sự (2007) đã chứng minh tính hiệu quả của mô hình Swim-Bed trong việc giảm khối lượng bùn dư và cải thiện đặc tính sinh khối trong quá trình xử lý nước thải Bể phản ứng được thiết kế với vật liệu BF làm từ nhựa tổng hợp, có các vách ngăn hướng dòng khí lên và xuống Dung tích hiệu dụng của bể là 21,6 lít Nước thải đầu vào được bơm vào gần đáy vách ngăn hướng dòng khí lên với lưu lượng khoảng 2 lít/giờ Khí cũng được đưa vào gần đáy vách ngăn này nhằm khuấy trộn và oxy hóa nước thải trong quá trình lưu chuyển.
3150 mg/l, TN từ 45 – 315 mg/ Mô hình thực nghiệm được chia làm 5 giai đoạn tương ứng với sự thay đổi tải trọng đầu vào từ 1 – 7 kgCOD/m3.ngày
Mô hình nghiên cứu đạt hiêu quả xử lý COD trên 80% ở tải trọng trên 7kgCOD/m3.ngày
• Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Swim-bed để khử COD và nitrate hóa nước thải cao su do Nguyễn Lễ (2010) Nghiên cứu này hướng tới công nghệ Swim-bed trong việc khử COD và quá trình nitrat hóa trong việc xử lý nước thải cao su Kết quả cho thấy rằng hiệu quả xử lý COD và quá trình nitrat hóa cao ở những tải nhỏ hơn hay bằng 1 kg COD/m 3 ngày, hiệu quả khử COD và nitrat hóa thấp khoảng 86% và 20% Nồng độ sinh khối tăng khi tải trọng thể tích tăng, ở tải trọng 2 kg COD/m 3 ngày và 3 kg COD/m 3 ngày lần lượt là 6800 mg/L và 7900 mg/L
• Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ Swim-Bed sử dụng giá thể Biofringe, Nguyễn Lâm Phương (2012) Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải thủy sản bằng công nghệ Swim-Bed sử dụng giá thể Bio-fringe ở các tải trọng khác nhau từ 0,5-3,0 kg COD/m 3 ngày Thời gian lưu nước khoảng 6h ở tất cả các tải trọng Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu quả loại bỏ COD cao nhất đạt 94% ở tải trọng 1,0 kg COD/m 3 ngày ứng với tải trọng nito 0,14 kg N/m 3 ngày thì hiệu quả loại bỏ COD đã giảm xuống chỉ còn 88% và hiệu suất nitrate hóa cũng giảm chỉ còn 65% Nồng độ sinh khối tăng trong bể Swim- Bed khi tăng tải trọng COD và ở tải trọng 3,0 kg COD/m 3 ngày, nồng độ sinh khối trong bể đạt được 6,324 mg/L
• Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng sự kết hợp mô hình Swim-bed và Stick-bed, Thái Vân Anh (2012) Nghiên cứu thực hiện nhằm đánh giá tính khả thi của việc sử dụng hệ thống kết hợp Swim-bed (giá thể Bio-fringe) và Stick-bed (giá thể Bio-fix) có sử dụng giá thể nhúng chìm
Nghiên cứu được tiến hành trên 4 tải trọng hữu cơ 0,5; 1; 1,5; 2 kg bỏ TSS 91 %, COD 86,8%, BOD5 80%, N-NH4 + 72 %, P-PO4 3- 42%, và T- coliform 99,8%
Nghiên cứu của Lê Quang Huy và Nguyễn Tấn Phong (2012) đã chứng minh hiệu quả của mô hình xử lý nước thải giết mổ kết hợp bể Stick-bed và Swim-bed Mô hình sử dụng bể kỵ khí và thiếu khí chứa giá thể Stick-bed, trong khi bể hiếu khí sử dụng giá thể Swim-bed làm chất mang sinh khối Quá trình vận hành liên tục với tải trọng từ 3,5 đến 6,5 kgCOD/m3 ngày đã cho thấy hiệu quả xử lý cao, với COD và SS giảm trên 90%, TKN và amonia giảm trên 65% Đáng chú ý, quá trình nitrat và khử nitrat diễn ra hoàn toàn ở tải trọng 3,5 và 4,5 kg COD/m3 ngày.
• Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chế biến thuỷ sản bằng mô hình kết hợp Swim – bed và Stick – bed, Mai Thành Luân và Nguyễn Tấn Phong (2013) Mô hình được thiết kế bao gồm 4 bể: bể kỵ khí, bể thiếu khí và bể hiếu khí, mỗi bể có thể tích 10 lít sau cùng là bể lắng với thể tích 2,5 lít Bể kỵ khí và bể thiếu khí sử dụng công nghệ Stick – bed với BioFix làm giá thể, còn bể hiếu khí sử dụng công nghệ Swim – bed dùng giá thể BioFringe Mô hình xử lý nước thải thủy sản, nồng độ COD đầu vào 1000 mg/l, với các tải khác nhau, tăng từ 3,5 đến 6,5 kgCOD/m 3 ngày Kết quả quá trình thực nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý COD là trên 95%, SS trên 93% Hiệu suất xử lý photpho của hệ thống chưa cao chỉ hơn 43%, với nồng độ đầu ra thấp nhất là 7,5 mg/l Khả năng xử lý TKN trên 79% và ammonia trên 65%, nồng độ đầu ra amoni còn khá cao, khoảng 37,3 mg/l, chưa đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT.
MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mô hình nghiên cứu
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình thí nghiệm
1 – Bể chứa nước thải 8 – Máy nén khí 2 – Ngăn kị khí BX 9 – Bơm tuần hoàn Nitrit 3 – Ngăn thiếu khí BX 10 – Bơm tuần hoàn 4 – Ngăn hiếu khí BF 11 – Van khí
5 – Ngăn lắng 12 – Van điều chỉnh lưu lượng khí 6 – Bơm nước thải vào 13 – Nước sau xử lý
7 – Thiết bị thu khí 14 – Ống thu khí
Hình 3.2 Mô hình thực tế
Nguyên tắc hoạt động của mô hình:
Nước thải sau khi pha với nồng độ COD và điều chỉnh pH phù hợp sẽ được cho vào thùng chứa (1) trước khi được bơm (6) bơm vào bể kị khí BX Nước thải được bơm vào bể kị khí (2) từ dưới đáy của bể Bể kị khí có sử dụng giá thể BioFix làm vật liệu dính bám sẽ thực hiện quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ các vi khuẩn kị khí Sau đó, nước thải chảy sang bể thiếu khí (3) Bể thiếu khí cũng sử dụng giá thể Biofix là vật liệu dính bám, tại bể thiếu khí vi sinh vật sẽ tiếp tục loại bỏ các chất ô nhiễm ( chủ yếu là nitơ và COD) Sau đó, nước thải tiếp tục chảy sang bể hiếu khí (4) Bể hiếu khí sử dụng giá thể BioFringe làm vật liệu dính bám cho vi sinh vật Tại bể hiếu khí (4), dưới sự hiện diện của các vi sinh hiếu khí, các chất hữu cơ bị phân hủy hoàn toàn, amonia sẽ bị oxi hóa thành nitrat Nước thải sau khi qua bể sinh học hiếu khí (4) tiếp tục chảy sang bể lắng (5) Bể lắng (5) có nhiệm vụ tách hỗn hợp bùn sinh học và nước Phần nước trong theo máng thu nước chảy ra ngoài Để tăng hiệu quả loại bỏ nitơ, nước từ bể hiếu khí (4) và bể lắng cũng được tuần hoàn về bể thiếu khí với lưu lượng tuần hoàn 100%
Mô hình gồm 1 bể ba ngăn: ngăn kị khí, ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí, bể lắng (hình 3.3) Các thiết bị bao gồm: 1 bơm nước thải vào, 1 bơm nước thải từ bể hiếu khí sang bể kị khí, 1 bơm bùn và nước từ bể lắng sang bể thiếu khí, 1 máy thổi khí Thông số của các bể phản ứng được trình bày ở bảng 3.1
Bảng 3.1 Chi tiết kích thước mô hình thực nghiệm
Stt Bể phản ứng Thể tích hình học (lít)
Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm.
Nước thải nghiên cứu
Nước thải sau bể biogas được lấy từ trang trại chăn nuôi heo của Bác Sáu trên đường Nguyễn Ảnh Thủ, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, TP HCM
Hình 3.4 Bể lấy nước thải
Sau khi mang về phòng thí nghiệm mẫu nước thải được lưu trữ trong kho lạnh lưu mẫu trong thời gian 7 ngày, nhiệt độ kho lạnh là 4 o C Mẫu nước thải sau đó sẽ được pha loãng tương ứng với các tải trọng thí nghiệm Nếu mẫu nước có hàm lượng COD thấp hơn yêu cầu thì sẽ được bổ sung rỉ đường
Bảng 3.1 Thành phần nước thải chăn nuôi sau bể Biogas
2 BOD5 (mg/l) 550 – 705 3 COD (mg/l) 933 – 1258 4 SS (mg/l) 230 – 320 5 Tổng N (mg/l) 240 – 310 6 Amoni 115 - 130
BOD được tính cho BOD tổng COD được tính cho COD tổng
Giá thể sinh học
Giá thể BioFix là một giá thể tiếp xúc đặc biệt được làm từ sợi polyester kết lại dáng lưới như một khung chứa bùn Với nhiều ưu điểm như khả năng tiếp xúc với diện tích mỗi tấm là 160 cm 2 , được cố định hai đầu bằng meca Giá thể Biofix được sử dụng cho bể kị khí và thiếu khí Mỗi bể sử dụng 3 tấm giá thể, tổng diện tích sử dụng là 480 cm 2 cho một bể
Các sợi BioFringe được sử dụng trong các bể hiếu khí, có cấu tạo từ những hợp chất acrylic ưa nước Chúng có diện tích bề mặt lớn, cho phép vi khuẩn bám dính chắc chắn bất chấp dòng nước chảy Mỗi sợi BioFringe có nhiều tua nối với một trục chính và được xoắn theo cách sao cho các đầu tua chỉa nhiều hướng, tạo nên sự tiếp xúc tối ưu giữa vi sinh vật và cơ chất có trong nước thải Trong nghiên cứu này, các sợi BioFringe có chiều dài 50 cm và được cố định ở cả hai đầu.
Điều kiện nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm tại phòng thí nghiệm khoa Môi Trường của trường Đại học Bách Khoa TP HCM Nhiệt độ môi trường tự nhiên khoảng từ 28 – 32 o C Mô hình được vận hành trong điều kiện như sau:
- pH = 6,8 – 7,5 - Nhiệt độ: 28 – 32 o C - COD nước thải đầu vào: 1.000 mg/l - Tải trọng vận hành tăng lần lượt là: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 kgCOD/m 3 ngày.
Phương pháp lấy mẫu và phân tích
Các thông số phân tích: COD, photpho, nitrat (NO3-N), nitrit (NO2-N), amoni (NH4-N), nitơ tổng (T-P), SS Các mẫu được lấy trong suốt quá trình vận hành và đựng trong bình tam giác, định kỳ lấy mẫu 3 lần/tuần vào buổi sáng để phân tích các chỉ tiêu Mẫu được lấy phân tích là mẫu nước đầu vào, sau bể kị khí và đầu ra (hình 3.7) Riêng MLSS được phân tích ở cuối tải, bùn được tách ra khỏi giá thể ở cuối mỗi tải, sau đó được chạy thích nghi trong 1 tuần trước khi chạy tải mới để vi sinh vật bám lại trên giá thể Các phương pháp phân tích được trình bày bảng 3.2
Hình 3.7 Thu thập mẫu phân tích (a) mẫu đầu và, (b) mẫu sau bể kị khí, (c) mẫu đầu ra
Bảng 3.2 Các phương pháp phân tích trong nghiên cứu
Thông số Đơn vị Tần suất lấy mẫu Vị trí lấy mẫu Tài liệu tham khảo pH - 3 lần/tuần Đầu vào, sau kị khí, đầu ra
COD mg/l 3 lần/tuần Đầu vào, sau kị khí, đầu ra 5220 C *
NO2 - mg/l 3 lần/tuần Đầu vào, sau kị khí, đầu ra 4500-NO2 -B *
NO3 - mg/l 3 lần/tuần Đầu vào, sau kị khí, đầu ra TCVN 4562:1988
TKN mg/l 3 lần/tuần Đầu vào, sau kị khí, đầu ra 4500-Norg B *
NH4 + mg/l 3 lần/tuần Đầu vào, sau kị khí, đầu ra 4500-NH3B *
MLSS mg/l Cuối mỗi tải trọng Đầu vào, sau kị khí, đầu ra Standard Methods
PO4 3- mg/l 3 lần/tuần Đầu vào, sau kị khí, đầu ra 4500-P D * SS mg/l 3 lần/tuần Đầu ra 2540 D *
*Standard methods for the examination of water and wastewater, 21st Edition, 2005 – APHA
- Nitrit được xác định bằng phương pháp so màu, dựa vào nguyên lý ở pH = 2 - 2,5, nitrit tác dụng với acid sulnanilic và naphthylamine tạo thành acid azobenjol naphthylamine sulfonic có màu đỏ tía
- Nitrat được xác định bằng phương pháp so màu Nitrat phản ứng với natri salixylat trong môi trường axit cho một phức có màu vàng của muối axit nitrosalixylic Có thể xác định nitrat ở nồng độ từ 0,1 đến 20 mg/l Xác định nồng độ nitrat bằng phương pháp so màu
- Amoni được xác định bằng phương pháp chưng cất
- TKN bằng phương pháp vô cơ hóa mẫu để tạo amoni sunphat Trong môi trường có chứa H2SO4, K2SO4, CuSO4, nitơ amin trong các chất hữu cơ được chuyển hóa thành ammonium, kể cả amoni tự do Sau khi thêm vào môi trường kiềm, amoni được hấp thu trong dung dịch boric và chuẩn độ bằng axit clohidric hoặc axit sunfuric
- COD được xác định bằng phương pháp sử dụng Kali dicromat (K2Cr2O7) Mẫu được phân hủy bởi dung dịch axit mạnh và lượng dư Kali dicromat Lượng kali dicromat dư được chuẩn độ bằng dung dịch sunfat amoni (FAS)
Sau khi lọc mẫu qua giấy lọc (kích thước lỗ 1,2 micrômet), mẫu được sấy khô ở nhiệt độ 105 độ C trong vòng một giờ Tổng chất rắn được xác định bằng khối lượng chênh lệch giữa giấy lọc trước và sau khi sấy khô.
- TP: Các dạng của photpho sẽ được chuyển về dạng orthophosphate trong môi trường axít với xúc tác là K2S2O8 Dạng photpho này sẽ phản ứng với ammonium molybdate để phóng thích axit molybdophosphoric, sau đó axit này sẽ bị khử bởi SnCl2 cho molybdenum màu xanh dương Nồng độ TP sẽ được xác định thông qua độ hấp thu ở bước sóng 690 nm.
Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được phân tích bằng phần mềm Microsoft Excel 2010
9 Tính n ồ ng độ COD: xV xf V x x l x mg COD tkn m tn V
Vtn : thể tích FAS dùng chuẩn mẫu trắng, ml
Vtnk: thể tích FAS dùng chuẩn mẫu trắng không nung, ml V: thể tích mẫu, ml f: hệ số pha loãng mẫu 1,5 là thể tích K2Cr2O7 sử dụng (1,5 ml)
CODv : nồng độ COD đầu vào, mg/l CODr : nồng độ COD đầu ra, mg/l
9 Tính n ồ ng độ N – NO 2 - Nồng độ nitrit (NO2-N) (mg/l): Tính toán theo phương trình đường chuẩn
NO2-N = 0,1536 X - 0,001 ; R 2 = 0,999 Với X là hệ số hấp thu
9 Tính n ồ ng độ N – NO 3 - Nồng độ nitrit (NO3-N) (mg/l): Tính toán theo phương trình đường chuẩn
NO3-N = 0,712 X - 0,0074 ; R 2 = 0,9998 Với X là hệ số hấp thu
Hiệu quả loại bỏ Nitơ (%) = x100
TNv: tổng nồng độ Nitơ đầu vào, mgN/l TNr: tổng nồng độ Nitơ đầu ra, mgN/l
A: thể tích H2SO4 dùng để chuẩn mẫu, ml B: nồng độ H2SO4 dùng để chuẩn mẫu trắng, ml V: thể tích mẫu, ml
N: nồng độ H2SO4 dùng để chuẩn mẫu (N)
A: thể tích H2SO4 dùng để chuẩn mẫu, ml B: nồng độ H2SO4 dùng để chuẩn mẫu trắng, ml V: thể tích mẫu, ml
N: nồng độ H2SO4 dùng để chuẩn mẫu (N) 9 Xác đị nh sinh kh ố i:
Sinh khối trong bể phản ứng bao gồm sinh khối bám dính trên giá thể BioFringe, BioFix và sinh khối lơ lửng Sinh khối bám dính được xác định 1 lần khi kết thúc tải trọng Để xác định lượng sinh khối dính bám phải xác định được MLSS và MLSS tổng
Giấy lọc: sấy 105 0 C trong 2 giờ, hút ẩm 1 giờ, cân 3 số lẻ, m1
Mẫu: đồng nhất mẫu, lấy thể tích nhất định (Vs), đối với bùn lơ lửng hiếu khí lấy thể tích mẫu là 50ml, lọc qua giấy lọc ( dùng thiết bị hút chân không), sấy đến khối lượng không đổi ở 105 0 C trong 2 giờ, hút ẩm 1 giờ, cân và xác định m2 :
Cốc: sấy 105 0 C trong 2 giờ, hút ẩm 1 giờ, cân 3 số lẻ, m3
Mẫu: bao gồm MLSS và sinh khối dính bám được đồng nhất trong thể tích 10 lít Lượng sinh khối dính bám vào sợi BioFringe và sợi Biofix được tách hết ra bằng tay ở cuối mỗi tải trọng, sau đó đồng nhất mẫu để lấy ra một thể tích nhất định (Vs) cho vào cốc sứ đem đi nung ở 105 0 C trong 2 giờ, hút ẩm 1 giờ, cân 3 số lẻ, m4
Lượng sinh khối dính bám vào sợi BioFringe, tấm BioFix được xác định như sau:
Sinh khối dính bám (mg/l) = MLSSt – MLSS
