nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo

trình bày về nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo

4.1 Sơ lược nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nước thải sau bể biogas được lấy về Để lắng 2 giờ để loại bỏ cặn lơ lửng dễ lắng

¾ Xác định thành phần tính chất nước thải sau lắng

¾ Tiến hành chạy trên mô hình thí nghiệm lọc sinh học kị khí tĩnh

- Xác định khả năng xử lý đối với nước thải chăn nuôi sau bể biogas

- Xác định đặc tính xử lý theo thời gian của mô hình thí nghiệm

- Xác định các thông số động học

¾ Tiến hành chạy trên mô hình thí nghiêm lọc sinh học kị khí động

- Xác định hiệu quả xử lý ứng với các thời gian lưu nước khác nhau Từ đó chọn ra thời gian lưu nước tốt nhất

- Xác định tải trọng tối ưu ứng với thời gian lưu nước tốt nhất

Từ các kết quả thu được, ứng dụng các lý thuyết đã biết để giải thích và rút ra kết luận

4.2 Xác định thành phần tính chất nước thải

Bảng 4.1: Thành phần tính chất nước thải sau lắng

Chỉ tiêu Kết quả phân tích Đơn vị

Van xả đáy

Van lấy mẫu

Mô hình tĩnh và động được làm từ các bình nhựa trong, có kích thước:

• Đường kính: 330 mm

• Chiều cao bình: 450 mm

• Thể tích bình: 20 lít

Các thông số ban đầu của mô hình lọc kị khí tĩnh và động:

• Vật liệu lọc: sơ dừa, dạng sợi

• Đăc tính của sơ dừa:

9 Đường kính một sợi: 0.435 mm

9 Khối lượng riêng của sơ dừa đã nén chặt: 234.3 kg/m3

• Tổng chiều cao lớp lọc sơ dừa: 350 mm

• Tổng thể tích sơ dừa trong nước: 4 lít

• Khối lượng sơ dừa: 1kg

Tại vị trí van lấy mẫu, tiến hành lấy mẫu phân tích

4.4.1 Thí nghiệm trên mô hình tĩnh

9 Giai đoạn thích nghi

Mục đích là tạo ra lớp màng vi sinh dính bám lên lớp vật liệu lọc để xử lý nước thải

Giai đoạn thích nghi bắt đầu với nồng độ COD = 600mg/l Nước thải được bơm

trình hình thành màng vi sinh dính bám lên sơ dừa, tiến hành bổ sung bùn lấy từ hệ thống phân huỷ khị khí Bùn lấy về, rây qua lưới lọc, loại bỏ rác và sạn sau đó cho vào mô hình sao cho hàm lượng VSS ban đầu là 10-12g VSS/1 lít nước thải

Giai đoạn thích nghi kết thúc khi hiệu quả xử lý ổn định và hình thành lớp màng vi sinh dính bám trên sơ dừa

Giai đoạn thích nghi của mô hình thí nghiệm kéo dài trong 2 tuần, 1 tuần cho 1 lần thay nước với nồng độ COD = 600 mg/l Trong giai đoạn thích nghi, tiến hành đo các chỉ tiêu COD, pH

9 Giai đoạn tăng nồng độ

Sau khi thích nghi, tiến hành tăng nồng độ và theo dõi hiệu quả xử lý ở các nồng

độ COD = 600 mg/l , 1200 mg/l, 1500 mg/l Thời gian theo dõi là 2 ngày

Mỗi nồng độ chạy trong 2 tuần Cuối mỗi nồng độ, tiến hành theo dõi đặc tính xử

lý của mô hình theo thời gian

Ở mỗi nồng độ, tiến hành phân tích các chỉ tiêu COD, BOD5, pH, N-NH3 ,PO43-, N tổng Nhưng do điều kiện thí nghiệm không cho phép để thực hiện phân tích các chỉ tiêu BOD5 ,PO43-, N tổng một cách thường xuyên nên các thông số kiểm soát thường xuyên cho cả mô hình tĩnh và động là COD, N-NH3, pH

4.4.2 Thí nghiệm trên mô hình động

9 Giai đoạn thích nghi:

Tương tự như mô hình tĩnh Nước thải được bơm tuần hoàn trong suốt quá trình thích nghi bằng bơm định lượng với lưu lượng 28.8 lít/ngày đến khi hình thành lớp màng

vi sinh và hiệu quả xử lý ổn định

9 Giai đoạn ổn định:

Tiến hành khảo sát hiệu quả xử lý của mô hình ở các thời gian lưu nước khác nhau, theo thứ tự giảm dần thời gian lưu: HRT = 24giờ, 12giờ, 8giờ và 4 giờ Với HRT = 24 giờ, tiến hành tăng dần nồng độ đến khi đạt được nồng độ thực COD = 1500 mg/l và hiệu quả

xử lý ổn định thì giảm dần thời gian lưu nước

Trong quá trình thí nghiệm, thực hiện phân tích thường xuyên các chỉ tiêu: COD,

Hiệu quả xử lý (HRT=2 ngày)

HRT: thời gian lưu nước

Đồ thị 4.1: Sự biến đổi COD ở các nồng độ khác nhau

Đồ thị 4.2: Hiệu quả xử lý COD ở các nồng độ khác nhau

Đồ thị 4.3: Sự biến đổi N-NH 3 ở các nồng độ khác nhau

Đồ thị 4.4: Hiệu quả xử lý N-NH 3 ở các nồng độ khác nhau

Trong giai đoạn thích nghi ban đầu, tại COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau

1 ngày lưu nước chỉ đạt 15-34%, sau 2 ngày lưu nước chỉ đạt 35-40% Hiệu quả xử lý thấp do vi sinh vật chưa thích nghi và chưa dính bám tốt Sau giai đoạn thích nghi, hiệu quả xử lý tăng lên và đạt ổn định

9 Tại nồng độ COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước 1 khoảng 65-69%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 65-68%

9 Tại nồng độ COD = 1000 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước khoảng 65-71%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 68%-71%

9 Tại nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước: 64-67%, sau 2 ngày lưu nước: 66-68%

Nhìn trên đồ thị, ta thấy rõ sự ổn định về hiệu suất xử lý khi tăng COD từ 600 mg/l lên 1000 mg/l và 1500 mg/l

Hiệu quả xử lý COD ở cả 3 nồng độ khá cao 65-70% (sau khi đã qua 1 bậc xử lý kị khí trong bể biogas) Ở mỗi nồng độ, không có sự khác biệt đáng kể về hiệu xuất xử lý COD sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước Điều này có thể giải thích do nước thải chăn nuôi là loại nước thải dễ phân hủy sinh học; hơn nữa, sau khi qua bể biogas, một phần các chất hữu cơ đã bị phân hủy, những chất khó phân huỷ cũng đã được vi khuẩn thuỷ phân, lên men và vi khuẩn acid hoá chuyển thành các hợp chất đơn giản, dễ phân

hủy, thuận lợi cho hoạt động phân huỷ của hệ vi sinh kị khí trong quá trình lọc kị khí Do

đó tốc độ methane hoá trong quá trình lọc kị khí xãy ra nhanh hơn, hiệu quả xử lý ở các nồng độ khá cao và ổn định sau thời gian xử lý là 1 ngày

Vậy ta có thể chọn thời gian lưu nước là 1 ngày

pH tăng ít từ 0.03 đến 0.3 đơn vị N-NH3 ứngvới thời gian lưu nước 2 ngày biến động (tăng hoặc giảm) 20-40 mg/l Sự biến động này là do ảnh hưởng của NH3 sinh ra trong quá trình kị khí và NH3 do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào

4.5.1.2.Theo dõi sự biến đổi các thông số theo thời gian ứng với các nồng độ COD khác nhau

7.98

- 7.71

- 7.77

- 8.00

- 8.07

- 7.95

- 7.98

- 8.08

- 8.04

- 8.07

Đồ thị 4.6: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 600mg/l

Đồ thị 4.7: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 600 mg/l

Trong 4 giờ đầu pH giảm đồng thời COD cũng giảm pH đầu vào là 7.98, pH sau 4 giờ lưu nước giảm còn 7.77 (giảm 0.2 đơn vị), sau đó pH tăng lên và dao động nhẹ xung quanh giá trị pH = 8

N-NH3 trong vài giờ đầu tăng 10 – 20 mg/l, sau đó giảm dần ở thời gian tiếp theo

Đồ thị 4.9: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1000mg/l

7.68 7.35 7.50 7.58 7.77 7.78 7.82 7.80 7.75 7.84 7.76

307

322 337.5

290

297

Đồ thị 4.10: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l

Đồ thị 4.11: Sự biến đổi N-NH 3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l

Nhận xét:

Trong trường hợp COD = 1000 mg/l, COD giảm từ 1017 mg/l xuống còn 294 mg/l sau 12 giờ lưu nước, và đạt hiệu quả xử lý 71%

COD giảm nhanh trong 6 giờ đầu, sau 6 giờ lưu COD chỉ còn 514 mg/l, hiệu quả

xử lý cơ chất đạt 50% Sau đó COD giảm chậm hơn trong các giờ kế tiếp và đạt ổn định với hiệu suất khử COD 71-72%

Tương tự như tại COD = 600 mg/l, ở COD = 1000 mg/l, pH cũng giảm trong vài giờ đầu pH đầu vào là 7.68 nhưng sau 2 giờ giảm còn 7.35 (giảm 0.33 đơn vị) Sau đó pH tăng chậm, pH sau 10 giờ lưu là 7.78, và dao động nhẹ 0.04-0.06 đơn vị trong các giờ tiếp theo

N-NH3 tăng ở 4 giờ đầu, từ 307 mg/l lên 337 mg/l sau 4 giờ lưu (tăng 30 mg/l) Sau đó NH3 giảm chậm, sau 10 giờ lưu còn 288 mg/l

a Nồng độ COD = 1500 mg/l:

Bảng 4.5: Sự biến đổi các thông số theo thời gian tại COD = 1500 mg/l

Đồ thị 4.12: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1500mg/l

7.92 7.58 7.48 7.66 7.67 7.80 7.82 7.80 7.90 7.79 7.86

Đồ thị 4.13: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l

Đồ thị 4.14: Sự biến đổi N-NH 3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l

Nhận xét:

Trong trường hợp COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD đạt 66.5% sau 18 giờ lưu nước; thấp hơn so với tại nồng độ 600 mg/l và 1000 mg/l trong cùng thời gian

COD giảm nhanh trong 10 giờ đầu, COD vào = 1533 mg/l, sau 10 giờ lưu hiệu quả

xử lý đạt 58% ứng với COD = 642 mg/l Tương tự như ở COD = 600 mg/l và COD =

1000 mg/l, sau thời gian đầu giảm nhanh, COD giảm chậm hơn ở các giờ kế tiếp và đạt

ổn định với hiệu quả xử lý 66.5%

pH vào = 7.92, sau 4 giờ giảm còn 7.48 (giảm 0.44 đơn vị), sau đó tăng chậm 0.4 đơn vị Sau 20 giờ pH là 7.86

NH3 tăng dần trong 6 giờ đầu, NH3 đầu vào = 395 mg/l, sau 6 giờ là 434 mg/l (tăng 39 mg/l) Sau đó giảm dần và dao động nhẹ trong khoảng 404-409 mg/l Sau 20 giờ

NH3 không giảm mà còn tăng 12 mg/l so với đầu vào

Ta thấy rõ, hàm lượng chất hữu cơ càng cao, thời gian phân huỷ càng dài

Trong 3 trường hợp, ta thấy có sự tương tự nhau: pH giảm trong vài giờ đầu, đồng thời COD cũng giảm đáng kể Điều này có thể giải thích do: Trong thành phần nước thải sau quá trình biogas vẫn còn chứa 1 số chất hữu cơ ở dạng phức tạp, chưa được phân huỷ như cellulose, protit, chất béo…;ở pH = 7-8, vi khuẩn acid hoá hoạt động, song song đó,

vi khuẩn methane hoá cũng hoạt động Vi khuẩn acid hoá hoạt động chuyển hoá các hợp chất này thành các acid acetic, propionic, butyric… làm giảm pH của nước, vi khuẩn methane hoá hoạt động chuyển hoá các acid này thành CH4 và CO2 làm giảm COD trong nước Ứng với COD càng cao, pH giảm càng nhiều vì lượng acid sinh ra nhiều hơn so với

ở COD thấp pH sau đó tăng chậm lên do quá trình giải phóng độ kiềm bicarbonate HCO

-;đồng thời do trong quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, đã lấy đi H+trong nước

Trong các trường hợp trên, NH3 tăng trong vài giờ đầu do quá trình do quá trình phân huỷ các chợp chất hữu cơ chứa N như protein, acid amin sinh ra NH3 tự do, sau đó giảm ở các giờ tiếp theo do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào và 1 phần NH3 thoát ra ngoài mô hình

Trong quá trình lọc kị khí, hiệu quả xử lý N-NH3 không đáng kể Ở nồng độ càng cao, hiệu quả xử lý N-NH3 càng kém kết quả theo dõi ở COD = 1500 mg/l cho thấy NH3tăng 12 mg/l sau 20 giờ lưu nước

m 3 ngày)

Hiệu quả xử

lý (%)

pH v pH r

COD = 600 mg/l

600600733655667565847

204192218209215164320

0.340.340.420.370.380.320.48

66.0 68.0 70.3 68.1 67.8 71.0 62.2

7.857.497.717.567.627.527.58

7.827.477.687.757.687.717.76

COD =1000 mg/l

1059988109110189889881129

30532022284273301400

0.610.560.620.580.560.560.65

71.2 67.6 76.0 72.1 72.4 69.5 64.6

7.757.797.817.737.667.537.62

7.917.787.537.617.847.917.84

HRT = 24

giờ

COD =1200 mg/l

120012001200120012001167

381381438329351329

0.690.690.690.690.690.67

68.3 68.3 63.5 72.6 70.8 71.8

7.737.878.017.698.037.64

7.938.037.717.678.087.75

COD = 1500 mg/l

150913711645157114401400

357425494494520466

0.860.780.940.900.820.80

76.3 69.0 70.0 68.6 63.9 66.7

7.527.678.077.807.607.75

7.757.908.328.087.717.73

HRT = 12

giờ

COD = 1500 mg/l

15771600150916451518

773747600690686

3.243.293.103.383.12

51.0 53.3 60.2 58.1 54.8

8.037.857.797.818.02

7.947.718.038.118.07

HRT = 8

giờ

COD = 1500 mg/l

16001600153315701545

11331000933800757

5.495.495.265.385.30

29.2 37.5 39.1 49.0 51.0

7.397.537.367.607.57

7827.717.787.467.59

HRT = 4

giờ

COD = 1500 mg/l

154515641628160016001600

122011451256121810641064

10.5910.7211.1610.9710.9710.97

21.0 26.8 22.9 23.9 33.5 33.5

7.537.677.457.837.727.71

7.417.607.537.617.637.64

a Thời gian lưu nước HRT = 24 giờ

Nhận xét:

Ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ, hiệu quả xử lý ổn định ở các nồng độ COD khác nhau Hiệu quả xử lý khá cao, 70% Kết quả này tương tự như kết quả thu được trong mô hình tĩnh khi khảo sát ở thời gian lưu nước 1 ngày Hiệu quả xử lý cao

và ổn định tại các nồng độ khác nhau có thể được giải thích do: bản thân nước thải chăn nuôi sau hệ thống biogas có tính chất dễ phân huỷ sinh học; đồng thời đối với tải trọng hữu cơ thấp (từ 0.3 – 1.5 kgCOD/m3.ngày) ứng với thời gian lưu nước dài (24 giờ) và lưu lượng nhỏ (0.58 lit/giờ), thì vận tốc nước chảy qua màng chậm, tăng cường khả năng tiếp xúc giữa màng vi sinh với nước thải , do đó tăng cường khả năng khuyếch tán và hấp phụ cơ chất vào màng, kết quả là nước thải được làm sạch hơn Nhìn trên đồ thị ta thấy rõ sự ổn định hiệu suất xử lý khi tăng nồng độ từ 600 lên

1500 mg/l ứng với HRT = 24 giờ

Hiệu quả xử lý COD cao đồng thời với pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị pH tăng do quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, lấy đi H+ trong nước và do quá trình giải phóng độ kiềm bicarbonate

b Thời gian lưu nước HRT = 12 giờ

Nhận xét:

Với thời gian lưu nước HRT = 12 giờ, hiệu quả xử lý COD ở nồng độ 1500 mg/l tương đối cao, 55-60% nhưng thấp hơn so với ở thời gian lưu nước 24 giờ (hiệu quả xử lý

c Thời gian lưu nước HRT = 8 giờ

Nhận xét:

Hiệu quả xử lý COD giảm còn 50-53% và pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị

d Thời gian lưu nước HRT = 4 giờ

Nhận xét:

Ứng với thời gian lưu nước HRT = 4 giờ, hiệu quả xử lý COD giảm đáng kể, ở nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu suất xử lý chỉ còn 25-35% Điều này có thể giải thích: ở

Hiệu quả xử lý COD giảm đồng thời pH đầu ra cũng giảm Chứng tỏ các acid hữu

cơ được tạo thành trong quá trình lên men và acid hoá chưa được chuyển hoá hoàn toàn thành CH4 và CO2 Có thể giải thích cho điều này: do vi khuẩn methane hoá có tốc độ phát triển chậm hơn vi khuẩn acid hoá nên với thời gian lưu nước quá ngắn thì không đủ cho hoạt động chuyển hoá acid của vi khuẩn methane hoá

Đồ thị 4.23: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo thời gian lưu nước

Nhìn chung, thời gian lưu nước càng dài, hiệu quả xử lý COD càng cao Ở thời gian lưu nước 24 giờ, hiệu quả xử lý COD cao hơn các thời gian lưu 12 giờ, 8 giờ và 4 giờ Hiệu quả xử lý COD ở thời gian lưu 24 giờ đạt khoảng 70% và khá ổn định khi tăng COD từ 600 mg/l dần đến 1500 mg/l Hiệu quả xử lý giảm dần ứng với việc giảm thời gian lưu nước (tức tăng tải trọng chất hữu cơ) Ở thời gian lưu nước 4 giờ, hiệu quả khử COD rất thấp, chỉ còn khoảng 20-30%

Từ kết quả thí nghiệm trên mô hình động, kết hợp với kết quả thu được trên mô hình tĩnh (khi theo dõi hiệu quả xử lý sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước), ta có thể chọn thời gian lưu nước để xử lý nước thải chăn nuôi sau quá trình biogas cho trại Xuân Thọ III là 1 ngày

Đồ thị 4.24: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo tải trọng

Đồ thị 4.25: Hiệu quả xử lý COD theo tải trọng ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ

Theo đồ thị, tải trọng tối ưu của mô hình ứng với thời gian lưu nước 24 giờ là 1-1.2 kg COD/m3.ngày, khi đó hiệu quả xử lý đạt 71-72%

4.5.3 Xác định thông số động học và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính

toán từ phương trình động học

4.5.3.1 Xác định thông số động học

Để xác định bậc phản ứng n, ta tiến hành đo nồng độ cơ chất theo thời gian để có

S0 , S(t1) , S(t2) Trong đó phải thoã điều kiện vi sinh vật ở thời điểm t1, t2 đang nằm trong pha log, để phù hợp với điểu kiện của phương trình là S >> E

X S

X S

1 0

1 1

1 0

)1(1

)1(1

1 1)1(1

)1(1

Có t1, t2 và X1, X2 ta suy ra được bậc phản ứng n Từ đó tính được k bằng công thức:

t n m

X V

)1(

)1(

1 0

−

−

−

Từ kết quả theo dõi hiệu quả xử lý của mô hình tĩnh theo thời gian ở nồng độ thực

COD = 1500 mg/l, chọn X1 = 30%, X2 = 50% vì ứng với 2 độ chuyển hóa này, vi sinh vật đang nằm trong pha log Từ đó ta lập được bảng sau:

Biễu diễn quan hệ này trên đồ thị ta được:

Quan hệ giữa t1/t2 và n có dạng : t 1 /t 2 = - 0.086n + 0.6005 với độ lệch R 2 = 1.Kết

quả này đáng tin cậy và có thể dùng phương trình trên để suy ra bậc phản ứng n khi đã có

1

0

)1

(

)1(1

t n m

X V