Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng công nghệ AO USBF

Do thành phần của nước rỉ rác kém ổn định, có nồng độ ô nhiễm cao và thường xuyên thay đổi theo thời gian nên cần có sự nghiên cứu kỹ lưỡng về đặc tính của nước rỉ rác nitơ, ph sử dụng

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Lời đầu tiên, tôi xin PGS.TS – người đã

trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

tôi vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình

Tôi cũng xin c m ơn quý thầy cô trong Viện

đã truyền dạy những kiến thức quý báu, những kiến thức này rất hữu ích và

Xin c m ơn các anh chị cán bộ phòng thí nghiệm, các anh chị đang là nghiên

tôi trong

Tôi xin chân thành c m ơn

Học viên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

3

1.1 3

1.1.1 3

1.1.2 4

1.2 C -USBF 7

1.2.1 7

8

11

13

13

14

18

18

18

18

18

2.1.4 Phương pháp nghiên cứu 20

2.2 Bố trí thực nghiệm 21

2.2.1 Sơ đồ công nghệ 21

22

- 23

26

26

27

3.3 31

31

4+ theo MLSS 32

3.3.3 Hiệu quả xử lý TP theo MLSS 33

34

35

3.4.2 Hiệu suất xử lý NH4+ theo tỷ lệ tuần hoàn bùn 36

3.4.3 Hiệu suất xử lý TP theo tỷ lệ tuần hoàn bùn 37

(HRT) 38

38

3.5.2 Hiệu suất xử lý NH4+ theo HRT 39

3.5.3 Hiệu suất xử lý TP theo HRT 40

3.6 Một số kết quả xử lý của hệ thống 41

3.6.1 Các thông số vận hành 41

3.6.2 Hiệu quả xử lý COD 45

3.6.3 Hiệu quả xử lý N 46

3.6.4 Hiệu quả xử lý TP, BOD5 và SS 47

3.7 Thảo luận 49

3.7.1 Đánh giá chất lượng dòng ra với các quy chuẩn 49

3.7.2 Các nghiên cứu về USBF trong và ngoài nước 49

KẾT LUẬN 51

53

PHỤ LỤC 55

TT Ký hiệu,

1 AOPs Phương pháp oxy hóa nâng cao Advanced oxidation processes

3 USBF Lắng lọc dòng ngược sinh học Upflow Sludge Blanket

Filtration

4 BOD Nhu cầu oxy sinh hóa Biochemical oxygen demand

5 BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường

8 F/M Tỷ lệ thức ăn và vi sinh Food/ microorganism ratio

9 HRT Thời gian lưu của nước thải Hydraulic retention time

12 QCVN Quy chuẩn Việt Nam

14 SVI Chỉ số thể tích lắng của bùn Sludge volume index

19 UV - Vis Quang phổ tử ngoại khả kiến Ultraviolet radiation Visible

2.1 Kết quả một số thông số chính trong nước rỉ rác Kiêu Kỵ 21

Phụ lục 2

Bảng 2 Hiệu quả xử lý COD, NH4+

, TP theo MLSS 58

Bảng 4 Hiệu quả xử lý COD, NH4+, TP theo thời gian lưu nước 60

Bảng 5 Kết quả vận hành hệ thống với các điều kiện tối ưu (trung bình 7

ngày)

61

Bảng 6 Kết quả đo pH đầu vào, đầu ra và trong các ngăn 61

Bảng 7 Kết quả đo DO tại các thời điểm và nhiệt độ cao nhất ngày trong

7 ngày

61

3.17 MLSS và MLVSS duy trì trong quá trình vận hành hệ thống 44 3.18 Hiệu suất xử lý NH4+, nồng độ NH4+ đầu vào và đầu ra 46

1

Chất thải sinh hoạt thuộc nhóm chất thải rắn phổ biến có xu thế tăng cùng với sự phát triển của xã hội Tại Việt Nam, dự kiến đến năm 2015, khối lượng chất thải rắn phát sinh đạt khoảng 44 triệu tấn/năm Trong đó, khoảng 50,8% là chất thải rắn đô thị, khoảng 22,1% là chất thải rắn công nghiệp, số còn lại là chất thải rắn nông thôn, làng nghề và chất thải rắn y tế [1] Kỹ thuật chôn lấp xử lý chất thải rắn là một kỹ thuật đơn giản khá phù hợp với điều kiện của Việt Nam hiện nay Điều đáng quan tâm là do không phân loại tại nguồn dẫn đến thành phần đem chôn lấp rất phức tạp Tại các bãi chôn lấp vẫn còn tình trạng nước ngập trong rác, không kiểm soát được sự thâm nhập của nước mưa, nước ngầm vào ô chôn lấp

Nước rỉ rác (còn gọi là nước rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất ở dưới đáy bãi chôn lấp [12], nếu không xử lí đúng cách sẽ ảnh hưởng tới môi trường bề mặt, sau đó ngấm vào mạch nước ngầm Do thành phần của nước rỉ rác kém ổn định, có nồng độ ô nhiễm cao và thường xuyên thay đổi theo thời gian nên cần có sự nghiên cứu kỹ lưỡng về đặc tính của nước rỉ rác

nitơ, ph

sử dụng để xử lý nước rỉ rác, trong đó quy trình AO-USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration) được cải tiến từ quy trình bùn hoạt tính cổ điển kết hợp

lý sinh học Quy trình được thiết kế để khử BOD, nitrate hoá/khử nitrate, khử photpho và là một hệ thống kết hợp nên chiếm ít không gian và các thiết bị đi kèm

trên mô hình động học xử lý BOD, nitrate hoá (nitrification) và khử nitrate (denitrification) của Lawrence và McCarty Inc., lần đầu tiên được giới thiệu ở Mỹ những năm 1900 sau đó được áp dụng ở châu Âu từ năm 1998 trở lại đây [2]

nhưng hiện tại chưa được áp

2

Trước tình hình thực tế đó, tôi đã lựa chọn đề tài: “

P

tuần hoàn bùn) đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý chung của hệ thống Ngoài ra,

nghiên cứu còn sử dụng quy trình

xử lý sơ bộ bằng phương pháp hóa lý

1

Nước rỉ rác được hình thành khi nước thấm vào các ô chôn lấp theo một số cách sau: nước sẵn có và tự hình thành khi phân hủy rác hữu cơ trong bãi chôn lấp, mực nước ngầm dâng lên vào các ô chôn lấp, nước rỉ qua vách của ô rác, nước từ các khu vực khác chảy qua có thể thấm xuống các ô chôn lấp, nước mưa rơi xuống khu vực bãi chôn lấp Trong đó, các nguồn chính tạo ra nước rỉ rác bao gồm nước từ phía trên bãi chôn lấp, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn bùn được cho phép Việc mất đi nước được tích trữ trong bãi rác bao gồm nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác, hơi nước bão hòa bốc hơi theo khí và nước thoát ra từ đáy bãi chôn lấp (nước rò rỉ) Quá trình sinh hóa diễn ra tại bãi chôn lấp chất thải chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng để duy trì các hoạt động sống của chúng Các vi

sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm men và nấm mốc trong đó các loại vi khuẩn và nấm mốc đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ [12]

Có 5 giai đoạn phân huỷ chính như sau:

Giai đoạn thích nghi ban đầu kéo dài từ vài giờ cho tới vài tuần Trong giai

đoạn này, quá trình phân hủy hiếu khí được diễn ra, các chất hữu cơ dễ bị oxy hóa sinh hóa thành các dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo và một năng lượng tỏa ra rất lớn

Giai đoạn chuyển tiếp kéo dài từ 1 đến 6 tháng Khi oxy bị các vi sinh vật

hiếu khí tiêu thụ dần thì các vi sinh vật yếm khí bắt đầu xuất hiện và có nhiều quá trình lên men khác nhau được bắt đầu diễn ra trong các ô chôn lấp

Giai đoạn lên men axit kéo dài từ 3 tháng tới 3 năm Các chất hữu cơ dạng

đơn giản, các amino axit, đường… được chuyển hóa thành các axit béo dễ bay hơi, alcohols… Các axit béo dễ bay hơi, alcohols sau đó lại được chuyển hóa tiếp tục với sự tham gia của các vi khuẩn axeton và các vi sinh vật khử sunfat Sản phẩm chính tạo ra là axit axetic, khí CO2, khí H2 và lượng nhỏ khí H2S Các chất này là nguồn nguyên liệu ban đầu của quá trình lên men hóa

Giai đoạn metan hóa kéo dài 8-40 năm Trong giai đoạn này, các vi khuẩn

metan hóa chuyển hóa các axit hữu cơ hình thành trong giai đoạn axit hóa thành khí

CH4 và CO2 Sự hình thành metan và các axit hữu cơ xảy ra đồng thời mặc dù sự tạo thành axit giảm nhiều

Giai đoạn ổn định (giai đoạn kết thúc- ít nhất 40 năm), ở giai đoạn này, các

chất hữu cơ đã chuyển hóa hết thành khí, chỉ còn lại các chất khó phân hủy sinh học như axit humic và axit fulvic [18]

1.1.2

canxi, magie, kali, sắt, natri, amoni, bicacbonat, sunphat, clo… kim loại dạng vết (kẽm, đồng, crom, niken, chì, cadimi…), các hợp chất hữu cơ được xác định dưới dạng: tổng cacbon hữu cơ (TOC), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD) [18]

Thành phần của nước rỉ rác chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố chính sau: tuổi bãi chôn lấp, chất và lượng của chất thải, các quá trình sinh học và hóa học xảy tra trong bãi chôn lấp và lượng nước mưa [21]

Thành phần hoá học của nước rác trước hết phụ thuộc vào mức độ phân huỷ của rác (nhiệt độ, độ ẩm, tuổi, điều kiện môi trường) Nước thải từ các bãi rác với mức độ phân huỷ thấp (mới, mùa khô, lạnh) đang trong giai đoạn axit hoá thì 80-90% chất hữu cơ trong đó là các axit hữu cơ dễ bay hơi có khả năng sinh huỷ cao Ngược lại nước thải từ bãi rác có độ phân huỷ sâu (giai đoạn metan đang

và sắp kết thúc) thì các chất hữu cơ trong đó chủ yếu là các chất trơ, khó sinh huỷ như axit humic, fulvic, tannin, lignin và amoni với hàm lượng rất cao [4]

Thành phần hóa học của nước rỉ rác thay đổi phụ thuộc vào tuổi của bãi chôn lấp Tuổi của bãi chôn lấp thường được phân chia thành 3 bậc như sau: mới (ít hơn

5 năm), trung bình (5 – 10 năm) và cũ (lớn hơn 10 năm) Trong số các thành phần của nước rỉ rác, tỷ lệ BOD/COD là đặc điểm đặc trưng cho nước rỉ rác bởi nó liên quan trực tiếp tới khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác Nước rỉ rác mới thường có nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao như các axit béo bay hơi (VFA) và do đó tỷ lệ BOD/COD cao Hầu hết lượng BOD này sẽ được phân hủy trong quá trình ổn định bãi Do đó, tỷ lệ BOD/COD giảm dần theo thời gian bởi các hợp chất không có khả năng phân hủy sinh học trong COD không bị ảnh hưởng trong quá trình phân hủy này Tỷ lệ nước rác mới, trung bình, cũ thường nằm tương ứng trong khoảng 0,5 – 1,0, 0,1 – 0,5 và thấp hơn 0,1 Tuy nhiên, ranh giới phân biệt giữa nước rác cũ và trung bình đôi khi vẫn chưa rõ ràng Các loại nước rác có

tỷ lệ BOD/COD thấp hơn 0,2 cũng có thể được xử lý như đối với nước rác cũ Nước rác đã ổn định cũng có hàm lượng NH3-N và các vật chất khó phân hủy cao (ví dụ, các axit humic) [21]

Nước rác được tách ra khỏi bãi chôn, thường được gom về các hồ chứa trước khi được xử lý và thải ra môi trường Sự biến động về nồng độ chất hữu cơ (BOD, COD) và hợp chất nitơ trong nước thải dưới sự tương tác của vi sinh vật, điều kiện vật lý (gió, mưa, khô, hanh, nóng, lạnh) và thực vật là đối tượng đáng quan tâm khi đánh giá đặc trưng của nước rác [4]

Nước rỉ rác có chứa nhiều chất ô nhiễm: Chất hữu cơ, vô cơ hòa tan, dầu mỡ, các chất rắn lơ lửng, vi khuẩn gây bệnh, có màu nâu sẫm và mùi hôi thố

[12]

(mg/l) (< 2 năm)

Bảng 1.2 sau đây cho thấy sự thay đổi rất rõ về COD, BOD và tỷ số COD/BOD của nước rỉ rác từ bãi chôn lấp ở Đài Loan theo tuổi Bảng này cho thấy, với thời gian chôn lấp không lâu (1-2 năm), nước rỉ rác có giá trị COD và BOD rất cao, tỷ số BOD/COD cũng cao (> 0,6) Nước rỉ rác có chứa nhiều thành phần hữu

cơ dễ bị phân hủy sinh học Ngược lại, với thời gian chôn lấp lâu (trên 3 năm), nước

rỉ rác có COD không cao, tỷ số BOD/COD cũng thấp (< 0,2), cho thấy nước rỉ rác ứng với thời gian chôn lấp rác lâu chứa nhiều thành phần hữu cơ khó bị phân hủy sinh học

Bảng 1.2 Sự thay đổi tính chất nước rỉ rác từ bãi chôn lấp ở Đài Loan theo tuổi (1995)[17]

BOD (mg/l) 25.000 10.000 260 210 160 150 100 80 COD (mg/l) 35.000 16.000 1.500 1.200 1.150 1.100 1.050 1.000 BOD/COD 0,71 0,60 0,17 0,16 0,13 0,10 0,08 0,08

và P cao [7]

-USBF [2]

ước được đưa vào hệ thống trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn Hỗn hợp nước - bùn hoạt tính đi vào ngăn thiếu khí, ngăn này có vai trò như ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi chất (Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật hình sợi, gây vón cục và nổi bọt Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này

Nước thải sau đó chảy sang ngăn hiếu khí Ngăn sục khí oxy cho quá trình sinh trưởng của vi sinh vật Trong ngăn này, amoni bị oxy

hóa thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và sau đó

Nitrobacter trong vùng sục khí riêng biệt

Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển từ dưới lên ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Ngăn USBF có vai trò vừa lọc vừa xử lý sinh học các thành phần hữu cơ và N, P còn lại trong nước thải nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của

hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính

Phần nước trong đã được xử lý chảy tràn vào máng thu nước đầu ra và tự chảy ra ngoài Phần bùn đáy ngăn USBF một phần được tuần hoàn lại ngăn Anoxic, hòa trộn với dòng đầu vào, một phần thải bỏ nhằm duy trì sinh khối trong bể [2]

1.2.2

1.2.2.1

Tại ngăn thiếu khí xảy ra quá trình khử nitrat

Denitrifier Chất oxy hóa là nitrat, chất hữu cơ đóng vai trò là chất

khử Quá trình khử nitrat xảy ra nhiều giai đoạn kế tiếp nhau, trong đó hóa trị của nitơ giảm dần từ 5 → 3 → 2 → 1 và về 0 Nguồn chất hữu cơ bao gồm: chất hữu cơ

có sẵn trong nước thải, chất hữu cơ sinh ra trong quá trình phân hủy nội sinh của vi sinh vật và nguồn bổ sung từ bên ngoài (đường, methanol )

Quá trình khử nitrat là quá trình tạo kiềm, phản ứng khử nitrat với chất hữu cơ (methanol) như sau [4]:

NO3- + 5/6 CH3OH → 5/6 CO2 + 1/2 N2 + 7/6 H2O + OHNếu sử dụng một chất hữu cơ nào đó từ nguồn nước thải với công thức chung là C18H19O9N thì quá trình khử nitrat xảy ra [4]:

-uá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi đó, lượng chất hữu

cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lượng cần thiết cho phản ứng hóa học Mặt khác, trong môi trường thiếu khí, sản phẩm của quá trình lên men BOD sẽ cấu thành thành phần đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ photpho vi sinh

bio-P (Acinetobactor là chủ yếu) Nguyên tắc photpho hóa sinh học là tích lũy

photpho vào sinh khối [8]

Trong vùng thiếu khí (không có oxy, chỉ có nitrat), quá trình tích lũy photpho xảy ra [4]:

C2H4O2 + 0,16NH4+ + 0,2PO43- + 0,96NO3- → 0,16C5H7NO2 + 1,2CO2 + 0,2(HPO3)

+ 1,4OH- + 0,48N2 + 0,96H2O Phương trình trên cho thấy, chủng vi sinh bio-P cũng có khả năng khử nitrat (HPO3) là photphat dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật Trong vùng kị 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 [4]:

2C2H4O2 + (HPO3) + H2O → (C2H4O2)2 + PO43- + 3H+ Như vậy ngăn thiếu khí có vai trò loại bỏ cacbon, khử nitrat và chuyển photpho hữu cơ ortho-P dạng poly-P thành photpho hòa tan

Ngăn hiếu khí cũng diễn ra quá trình nitrat hóa Đây là quá trình tự dưỡng, vi khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước (trươc hết là amoni NH4+) để lấy năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng

NH4+ + 2O2 → 2H+ + H2O Quá trình diễn ra hai giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn nitrit hóa và giai đoạn nitrat hóa Trong giai đoạn nitrit hóa, NH4+ sẽ được oxy hóa thành nitrit nhờ vi

khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas và Nitrosopira) theo phương trình phản ứng sau:

NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + H2O Giai đoạn nitrat hóa: NO2- sẽ được chuyển hóa thành NO3- nhờ vi khuẩn

nitrat hóa (Nitrobacter) theo phương trình phản ứng:

NO2- + 0,5O2 → NO3Tại ngăn này, vi sinh bio-P tích lũy photphat trùng ngưng trong cơ thể chúng

-từ photphat đơn tồn tại trong nước thải [4]:

C2H4O2 + 0,16NH4+ + 1,2O2 + 0,2PO43- → 0,16C5H7NO2 + 1,2CO2 + 0,2(HPO3) +

0,44OH- + 1,44H2O Photpho hòa tan sẽ được hấp thụ và lưu trữ trong sinh khối vi khuẩn

Acinetobactor Sự thay đổi liên tiếp các giai đoạn kị khí, thiếu khí và hiếu khí giúp

đẩy nhanh việc tích lũy photpho ở vi sinh bio-P Trong bùn hoạt tính, photpho tích lũy thường đạt 7% [8] Photpho sau đồng hóa sẽ được loại bỏ khỏi hệ thống dưới dạng bùn dư Ngoài ra, nhờ dòng bùn hoạt tính tuần hoàn nên một số vi khuẩn bio-P

sẽ được trở lại ngăn thiếu khí, tiếp tục phát triển và hấp thụ photpho hòa tan có trong ngăn thiếu khí

1.2.2

Ngăn USBF là một module đóng vai trò cực kỳ quan trọng ưu điểm chính của mô hình Quá trình lọc dòng ngược quá trình lắng diễn ra ở đây Ngăn USBF có dạng hình trụ chóp ngũ diện úp ngược, đáy là hình chữ nhật hướng lên, đỉnh hướng xuống, mặt bên là các hình tam giác Vì vậy việc thu hồi bùn lắng

và tuần hoàn bùn rất thuận lợi và dễ dàng Từ trên xuống dưới, ngăn USBF có thể chia thành 3 vùng: vùng nước trong trên cùng, vùng tiếp theo là vùng có lớp bùn lơ lững chưa lắng đóng vai trò như một lớp lọc sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng nén của bùn lắng Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm

dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ lững lâu hơn

Hình 1.3 Một số dạng ngăn USBF

Do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng

Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra một lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc Khi các bông bùn đủ nặng chúng sẽ lắng xuống đáy tạo nên gradient vận tốc di chuyển của của dòng bùn lắng từ trên xuống ngược với dòng dịch chuyển của nước

Sự tuần ho

sẽ nâng cao hơn so với bể lọc truyền thống

Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên nên dòng này sẽ có vận tốc giảm dần Mặt khác, do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc di chuyển của dòng giảm dần

từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng Hiệu quả lắng lọc của hệ thống cao, nước đầu ra có hàm lượng SS rất thấp

Như vậy, ngăn USBF có vai trò vừa lọc, vừa xử lý sinh học các thành phần hữu cơ, nitơ và photpho còn lại trong nước thải

1.2.3

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của hệ thống, dưới đây là một số điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và đến khả năng

xử lý của hệ thống:

Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Đây là một trong các thông số quan trọng nhất

trong xử lý nước thải Nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kỵ khí hay hiếu khí Trong mô hình này, DO trong ngăn thiếu khí vào khoảng 0,2mg/l và trong ngăn hiếu khí là khoảng 2 – 4 mg/l Như v

Nhiệt độ

lắng… bị giảm hiệu suất rõ rệt Nhiệt độ tối ưu là khoảng từ 20oC đ o

C (phù hợp với nhiệt độ phòng thí nghiệm)

pH: Ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống

enzyme vi sinh vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn… ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý

vi sinh vật Khoảng pH tối ưu là từ 6,5

-Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): Các chất dinh dưỡng như C, N, P

là các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triể

Nabizadh, M.H Pishrafti và Th Zarei (Trường Y tế công cộng và Trung tâm nghiên cứu Môi trường Tehran, Đại học Khoa học Y tế, Tehran, Iran) Các thí nghiệm được tiến hành với pilot USBF có thể tích 4 lít Thí nghiệm đánh giá khả năng xử lý nitơ và photpho của hệ thống USBF theo thời gian lưu khác nhau, đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý khi tăng tải trọng hữu cơ lên 1,5 lần Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý nitơ tương đối cao trong khi hiệu quả xử lý photpho ở mức trung bình Tuy nhiên, nghiên cứu không đề cập đến sự ảnh hưởng của lượng bùn tuần hoàn và tuổi của bùn đến hiệu quả xử lý [15]

Upflow Sludge Blanket Filtration (USBF): an Innovative Technology in Activated Sludge Process (Công nghệ USBF: Một công nghệ mới về bùn hoạt tính):

ăm 2010

đưa ra Với nước thải sử dụng cho các thí nghiệm có đặc tính tương

tự như nước thải sinh hoạt điển hình Mô hình thí nghiệm gồm pilot USBF, một máy nén khí, thiết bị khuấy trộn, bơm tuần hoàn bùn và bơm nước thải Kết quả cho thấy,

hệ thống xử lý có khả năng loại bỏ 82,2% BOD5 và 85,7% COD trong thời gian lưu nước 6 giờ Khi tăng nồng độ các chất ô nhiễm lên đến 50%, khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm không bị suy giảm [16]

C

Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng

ngược USBF do n Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đ

thải đô thị Nước thải chứa thành phần hữu cơ cao, dễ phân hủy sinh học Các tỷ lệ BOD5/COD nằm trong khoảng 0,51-0,69; BOD5/TN khoảng 7,7-13,4 và BOD5/P khoảng 12-35 Kết quả sau khảo sát cho thấy hiệu quả xử lý COD, BOD5, nitơ và photpho ùn hoạt tính thích nghi nhanh với đặc tính của nước thải và điều kiện vận hành của mô hình

mg/l; SS = 1.350 -9.635 mg/l Mô hình được làm từ vật liệu là nhựa tấm, có kích thước 100×22×40 (dài×rộng×cao, đơn vị tính cm), bao gồm 3 module chính: ngăn thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (Oxic) và ngăn lọc dòng ngược bùn sinh học (USBF) Các thiết bị cần thiết bao gồm: bơm định lượng nước thải đầu vào, bơm tuần hoàn bùn, máy thổi khí, bộ phận sục khí ghiên cứu

cao nhất đạt 97%; P có thể đạt 85%)

[3]

Nghiên cứu Thiết kế chế tạo bể USBF xử lý nước thải sơ chế thủy sản

Ngô Quốc Dũng, Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân, Nguyễn Hữu Chiếm, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ nhằm tìm ra một hệ thống xử lý nước thải sơ chế thủy sản với các đặc điểm: nhỏ gọn, hiệu quả, vận hành đơn giản, di chuyển dễ dàng và đáp ứng được nhu cầu của các cơ sở chế biến

nước thải đầu vào: BOD5 = 521,25±355,32 mg/l; COD = 972,92±384,89 mg/l; SS = 2.515±17 mg/l; TKN = 238,78±105,84 mg/l; TP = 40,05±3,83 mg/l đều vượt mức cho phép theo QCVN 11:2008/BTNMT Mô hình bằng sắt (dài 0,7 m; rộng 0,24 m; cao 0,5 m) với một mặt mica trong để quan sát được bên trong mô hình

Với thời gian lưu là 8 giờ thì hiệu quả xử lý COD và BOD5, SS, TKN, TP lần lượt là 96,68% và 98,2%; 98,8%; 94,18% và 97,83% đạt yêu cầu tiêu chuẩn đầu

ra loại A QCVN 11:2008 /BTNMT Với thời gian lưu là 7 giờ thì hiệu quả xử lý TP

cứu này chưa đủ để đánh giá khả năng xử lý tối ưu của hệ thống [5]

Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến bánh tráng bằng bể USBF được tiến

hành trên mô hình phòng thí nghiệm để xác định các thông số thiết kế, vận hành bể USBF, từ đó ứng dụng để cải tạo hệ thống xử lý nước thải cho Xí nghiệp Bánh tráng xuất khẩu - Tiền Giang Mô hình bể USBF sử dụng trong thí nghiệm có kích thước 75 lít gồm 3 ngăn: ngăn thiếu khí (19 lít), ngăn hiếu khí (45 lít) và ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược USBF (11 lít) Nước thải sau khi được xử lý sơ b

: COD = 842,5±5,3 mg/l; BOD5 = 567±3,6 mg/l; TP =

2,7±0,1 mg/l; TKN = 22±4,6 mg/l Hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN và TP lần lượt là 94,24%; 96,35%; 76,36% và 51,85% Nồng độ các chất ô nhiễm chủ yếu của nước thải xí nghiệp xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) [14]

- Công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng ngược AO-USBF được lựa chọn ứng dụng cho đề tài

2.1.3 Nội dung nghiên cứu

2.1.3

a Khảo sát quá trình thích nghi của bùn hoạt tính với nước rỉ rác

2PO4 (hoặc K2HPO4), sắt citrat và MgSO4, được pha thành dung dịch để bổ sung dinh dưỡng cho vi sinh vật hàng ngày Tỷ lệ dinh dưỡng cho vi sinh vật ăn hàng ngày: 10 ml dinh dưỡng mỗi loại và

10 g đường đỏ cho 10 lít bùn nuôi Tuy nhiên, tùy thuộc hàm lượng bùn có thể thay đổi lượng dinh dưỡng thích hợp

-10.000 mg/l Sau khi cho vào hệ thống thì cần có thời gian chạy thích nghi với nước rỉ rác Trong giai đoạn này, chạy thích nghi với lưu lượng nước thải là 1 l/h, tuần hoàn bùn 100%

Tiến hành theo dõi và đánh giá sự phát triển của vi sinh trong môi trường nước rỉ rác, theo dõi các thông số MLSS, SVI đến khi hàm lượng bùn hoạt tính đạt khoảng 3.500 mg/l, SVI trong khoảng 80-120 ml/gMLSS thì tiến hành bố trí các thí nghiệm tiếp theo

b Xác định hàm lượng bùn tối ưu

19

Tiến hành khảo sát tìm ra hàm lượng bùn tối ưu trong ngăn oxic bằng cách chạy hệ thống với thời gian lưu 8h, tuần hoàn bùn 100% và thay đổi hàm lượng bùn: 2.000; 3.000; 3.500; 4.000; 4.500 và 5.500 mg/l Giảm hàm lượng bùn bằng cách tăng lượng bùn thải bỏ hoặc để ngăn oxic lắng và rút bùn; tăng hàm lượng bùn bằng cách không thải bỏ bùn dư hoặc bổ sung dinh dưỡng nuôi bùn để thúc đẩy quá trình sinh trưởng của vi sinh vật

c Nghiên cứu tuần hoàn bùn phù hợp để xử lý nước rỉ rác

Tiến hành các đợt chạy hệ thống với thời gian lưu nước cố định là 8h, hàm lượng bùn tối ưu, thay đổi tỷ lệ tuần hoàn bùn: 50%; 60%; 70%; 80%; 90% và 100% (tuần hoàn bùn đặc đáy ngăn USBF) Lấy mẫu nước sau xử lý đem phân tích các thông số để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống

d Nghiên cứu thời gian lưu nước tối ưu

Thí nghiệm được tiến hành với hàm lượng bùn, tuần hoàn bùn tối ưu cố định, thay đổi thời gian lưu nước: 6h; 10h; 12h; 14h; 16h; 18h và 20h Lấy mẫu đầu ra để phân tích các chỉ tiêu, đánh giá hiệu quả xử lý

e Đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống

Sau khi tìm ra được các điều kiện vận hành tối ưu của hệ thống, tiến hành chạy liên tục hệ thống trong thời gian 1 tuần để đánh giá sự ổn định của hệ thống và chất lượng dòng ra

2.1.3.2 Hóa chất, thiết bị, dụng cụ

a Hóa chất

Hóa chất xử lý hóa lý nước rỉ rác:

- NaOH 20N, H3PO4 10%, MgCl2.6H2O (500g/l) để kết tủa MAP Đồng thời, NaOH 20N sử dụng để kết tủa hóa học các ion kim loại nặng

- Chất keo tụ PAC (100 g/l), chất trợ keo PAA (10 mg/ml) để tiến hành keo tụ

- NaOH 20N và H2SO4 5% để điều chỉnh pH

Hóa chất nuôi vi sinh vật:

- Đường đỏ cung cấp nguồn cacbon hydrat cho vi sinh vật

- Ure (NH2)2CO (110 g/l), K2HPO4 (54 g/l) hoặc KH2PO4 (30 g/l) cung cấp N

và P cho vi sinh vật

- Sắt citrat (0,25 g/l) và MgSO4 (110 g/l) cung cấp các nguyên tố vi lượng cho

vi sinh vật

20

Hóa chất phân tích và cách pha hóa chất được chỉ rõ trong từng tiêu chuẩn

phân tích

b Thiết bị

Thiết bị vận hành hệ thống: hệ thống AO-USBF, bơm nước thải, bơm tuần

hoàn, máy thổi khí, máy khuấy

c Dụng cụ

Dụng cụ thí nghiệm

Dụng cụ phòng thí nghiệm: cốc thủy tinh 50 ml; 100 ml; 500 ml và 1.000 ml;

bình tam giác 100 ml; bình định mức 25 ml; 50 ml và 100 ml; phễu thủy tinh; pipet

1 ml; 2 ml; 5 ml; 10 ml; 20 và 50 ml; buret 25 ml; cốc nhựa 100 ml; đũa thủy tinh

Bảng 2.1 Kết quả một số thông số chính trong nước rỉ rác Kiêu Kỵ

TT Thông số Đơn vị Kết quả QCVN 25:2009/ BTNMT, cột B2

Dựa trên các số liệu đầu vào đã phân tích ở bảng 2.1 có thể đưa ra quy trình thí nghiệm xử lý nước rỉ rác như sau:

, Ni2+, Pb2+, Hg2+,… thì pH

> 9 rất thích hợp cho phản ứng kết tủa tạo hydroxit [9]

Sau khi kết tủa hydoxit và lắng, rút phần nước trong ra, điều chỉnh pH xuống 8,5-9 bằng dung dịch H2SO4 Tiến hành hòa trộn hóa chất (dung dịch MgCl2.6H2O

và H3PO4) vào nước thải và khuấy nhanh Thời gian xảy ra phản ứng tạo kết tủa MAP rất nhanh (5-8 phút) Lượng hóa chất sử dụng được tính theo phương trình hóa học sau [6]:

Mg2+ + NH4+ + HPO42- + 6H2O → MgNH4PO4.6H2O (↓) pKS = 12,6 (25°C)

23

Trong quá trình phản ứng này, pH của nước rác giảm nên cần đo pH và điều chỉnh bằng dung dịch NaOH Để lắng kết tủa MAP trong thời gian 2 giờ rồi tiến hành rút nước trong, thu MAP

Nước rác sau quá trình kết tủa MAP được tiến hành keo tụ Lựa chọn chất keo tụ là PAC [11] Sử dụng hàm lượng PAC 2.000-2.500 mg/l và PAA 10mg/l Tiến hành keo tụ theo các bước sau:

- Khuấy trộn nước thải ở tốc độ cao, bổ sung chất keo tụ PAC, thời gian khuấy nhanh là 30 giây;

- Tiếp theo là khuấy chậm trong 3 phút;

- Bổ sung PAA khuấy nhanh trong 30 giây, rồi khuấy chậm trong 5 phút

- Để các bông keo lắng, rút nước trong, kiểm tra pH [7]

-2.2.3

-24

T1- thùng chứa nước rỉ rác P2- bơm bùn tuần hoàn

T5- thùng chứa nước rầu ra V3- van xả bùn

Mô hình có thể tích 94 lít gồm có 3 module chính: ngăn thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (Oxic) và ngăn lắng lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) (thể tích nước là 85 lít, trong đó ngăn Anoxic 21 lít, ngăn oxic 37 lít, ngăn USBF 27 lít) Nước thải trong thùng chứa T1 được khuấy trộn nhằm cân bằng nồng độ trong quá trình thí nghiệm và tránh hiện tượng phân hủy kỵ khí gây mùi Nước thải được bơm định lượng P1 bơm vào ngăn thiếu khí Nước thải từ ngăn thiếu khí T2 tự chảy đến ngăn hiếu khí T3 theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở ở phần dưới mô hình Không khí được cấp vào ngăn hiếu khí T3 bằng hệ thống sục khí bao gồm các quả sục khí khí được nối với máy thổi khí P3, lưu lượng khí được theo dõi và điều chỉnh bằng lưu lượng kê và van khí V1, V2 Nước thải tiếp tục qua ngăn lắng T4 theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở giữa vách ngăn của ngăn USBF Trong ngăn này, nước thải di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy tràn vào máng thu nước đầu ra và dẫn nước sau xử lý ra ngoài Bùn lắng đọng dưới đáy ngăn lắng

sẽ được bơm bùn P2 bơm tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí T2, một phần sẽ được thải

25

tại pH = 7, tỉ lệ NH4+ : Mg2+ : PO4

3-2.2.3.3

+ Bơm nước thải: sử dụng bơm lưu lượng tốc độ nước tối đa 8,4 l/h;

+ Bơm tuần hoàn: sử dụng bơm lưu lượng tốc độ bơm tối đa là 6 l/h

Bảng 2.2 Điều kiện môi trường trong hệ thống USBF

Nhiệt độ (to

C) 28 ± 0,3 28 ± 0,3 26 ± 0,3 27 ± 0,3 27 ± 0,3

3.1

một

Bảng 3.1 Hiệu suất xử lý của các công đoạn hóa lý

chứa hàm lượng các chât ô nhiễm khá cao Tỷ số BOD5/COD thấp (khoảng 0,3) Nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng NH4+ Ngoài ra tổng photpho và SS cũng cao hơn so với QCVN 25:2009/BTNMT rất nhiều Sau xử lý hóa lý (dừng lại ở keo tụ - lắng), nồng

độ COD và NH4+

giảm đáng kể Tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,52-0,59 cho thấy nước sau hóa lý có khả năng xử lý sinh học được sử dụng cho quá trình vận hành hệ thống AO - USBF

TT Thông số Đơn vị Đầu vào nước rác Kiêu Kỵ Sau xử lý hóa lý

ho thấy tỷ số BOD5/COD thấp (khoảng 0,3) Nitơ tồn tại ở dạng

NH4+ là chủ yếu Ngoài ra tổng photpho và SS cũng cao hơn so với QCVN 25:2009/BTNMT rất nhiều Sau xử lý hóa lý (dừng lại ở bước Keo tụ - Lắng), nồng

độ COD và NH4+ giảm đáng kể Nước rác sau xử lý hóa lý được sử dụng cho quá trình thực nghiệm vận hành hệ thống AO - USBF

3.2 Nghiên cứu sự thích nghi bù

Bùn hoạt tính được nuôi ngoài hệ thống đến khi đạt hàm lượng sinh khối MLSS = 6.000÷8.000 mg/l thì cho bùn vào hệ thống AO-USBF để chạy thích nghi MLSS đo được trong ngăn hiếu khí bắt đầu quá trình thích nghi là 6.700 mg/l Trong ngày đầu của quá trình thích nghi, quan sát thấy bông bùn màu nâu vàng, mật độ dày và lắng tốt, tuy nhiên vẫn còn một số bông lơ lửng kích thước nhỏ Những ngày tiếp theo quan sát thấy sự suy giảm mạnh của bùn hoạt tính, mật độ bông giảm Tuy nhiên, kích thước bông bùn lớn dần, lắng rất nhanh, phần nước sau

Bùn hoạt tính được hoạt hoá trong thiết bị aeroten tại phòng thí nghiệm 402 tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hình ảnh thực tế của thiết bị này như sau:

Hình 3.1 Thiết bị hoạt hóa bùn hoạt tính