Nghiên cứu phát triển hệ yếm khí trong xử lý nước thải giàu hàm lượng hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Cao Thế Hà Hà Nội – Năm 2014 Lời cảm ơn Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Cao Thế Hà tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm quý báu cho em q trình thực hồn thành luận văn Trong q trình thực hiện, ngồi cố gắng nỗ lực thân, em nhận giúp đỡ tận tình, ý kiến đóng góp, bảo q báu anh chị phịng Cơng Nghệ - Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường Phát triển bền vững (CETASD), đặc biệt Thạc sĩ Nguyễn Trường Quân Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến anh chị dành cho em giúp đỡ quý báu Ðồng thời, em xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến tập thể thầy giáo Khoa Môi trường, Trường Ðại học Khoa học Tự nhiên – Ðại học Quốc gia Hà Nội truyền thụ kiến thức quý báu cho em suốt trình học tập Cuối em xin cảm ơn cổ vũ, động viên giúp đỡ gia đình bạn bè trình học tập thực đề tài Cơng trình thực khuôn khổ Đề tài KC 08.04/11-15, tác giả xin chân thành cảm ơn Chương trình KC08, Bộ KH&CN tài trợ cho đề tài nhánh Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Trang MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN MỞ ĐẦU CHUƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng hệ thống xử lý nuớc thải giàu hữu giới Việt Nam 1.1.1 Các nước giới 1.2.2 Ở Việt Nam 1.2 Các kỹ thuật xử lý nước thải chăn nuôi 1.2.1 Phương pháp xử lý học 1.2.2 Phương pháp xử lý hóa lý 1.2.3 Phương pháp xử lý sinh học 1.2.3.1 Phương pháp xử lý hiếu khí 1.2.3.2 Các kĩ thuật xử lý yếm khí 1.2.3.3 Các q trình xử lý yếm khí 13 1.2.3.4 Ưu nhược điểm cơng nghệ yếm khí so với cơng nghệ hiếu khí 14 1.3 Các kĩ thuật yếm khí cao tải xử lý nước thải 14 1.3.1.Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt (UASB) 14 1.3.2.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng lưu thể BFB (Biofilm Fluidized Bed) 15 1.3.3.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng hạt dãn nở EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) 16 1.3.4.Kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội IC (Internal Circulation) 17 1.3.5 Kỹ thuật ABR 22 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Đối tượng nghiên cứu 30 2.2 Nội dung nghiên cứu 32 2.3 Phuơng pháp nghiên cứu 32 2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 32 2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 33 2.3.2.1 Thiết kế hệ IC 33 2.3.2.2 Thiết kế hệ ABR 36 2.4 Phương pháp phân tích phịng thí nghiệm 39 2.4.1 Hóa chất 40 2.4.2 Thiết bị dụng cụ 40 2.4.3 Các quy trình phân tích 40 2.5 Xử lý số liệu (Các số liệu phân tích đưa vào xử lý bảng excel) 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Đánh giá ảnh hưởng yếu tố tăng dần tải lượng đến khả xử lý chất hữu giai đoạn khởi động hệ ABR IC 42 3.1.1 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=30h), IC(HRT=24h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) 43 3.1.2 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=25h), IC(HRT=20h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) 45 3.1.3 Chạy hệ ABR (HRT=20h), IC(HRT=16h) (thời gian khảo sát 30 ngày) 47 3.1.4 Chạy hệ ABR (HRT=15h), IC(HRT=12h) (thời gian khảo sát 30 ngày) 49 3.1.5 Chạy hệ ABR (HRT=10h), IC(HRT=10h) (thời gian khảo sát 45 ngày) 51 3.1.6 Chạy hệ ABR (HRT=6h), IC(HRT=6h)( thời gian khảo sát 45 ngày) 53 3.1.7 Đánh giá mối quan hệ TL NSXL COD 56 3.2 Đánh giá khả xử lý COD, TSS qua cột hệ ABR 58 3.3 Đánh giá khả giảm SS có khơng có vật liệu mang 61 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 72 DANH MỤC BẢNG Bảng Sự phụ thuộc thành phần biogas dự trữ lượng biogas vào nước thải 13 Bảng 2: tải hữu cho ba hệ thống xử lý kỵ khí phổ biến [25] 19 Bảng Tóm tắt đặc trưng hệ sử dụng bùn vi sinh dạng hạt có tăng cường khuấy trộn 20 Bảng Tải lượng xử lí thường gặp ba hệ xử lý yếm khí cao tải [14] 21 Bảng 5: Thông số nước thải đầu vào 42 Bảng Tổng hợp chế độ vận hành hai hệ yếm khí 43 DANH MỤC HÌNH Hình Bể phản ứng kiểu túi mềm 10 Hình Loại phản ứng kiểu ống dòng 10 Hình Sơ đồ bể xử lí yếm khí kiểu UASB hình hạt bùn 11 Hình So sánh hai loại bồn phản ứng 12 Hình 5: sơ đồ hệ xử lý UASB 15 Hình 6: sơ đồ thiết bị phản ứng BFB 16 Hình 7: hạt bùn sinh học 16 Hình 8: sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội 18 Hình 9: tải lượng hữu áp dụng kỹ thuật IC theo thời gian 22 Hình 10 Cấu hình bể xử lý ABR 24 Hình 11 Bình phản ứng dạng IC hoàn chỉnh 34 Hình 12: Hình ảnh tách pha 36 Hình 13 Hình ảnh nón phân phối bùn 36 Hình 14.Sơ đồ cơng nghệ hệ ABR quy mơ phịng thí nghiệm ( Q =50 L/ngày ) 37 Hình 15 : hình ảnh hệ ABR hoàn chỉnh 39 Hình 16 Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 30h, IC 24h 44 Hình 17 Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 30h, IC 24h 44 Hình 18 Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 30h, IC 24h 45 Hình 19 Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 25h, IC 20h 46 Hình 20 Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 25h, IC 20h 46 Hình 21 Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 25h, IC 20h 47 Hình 22 Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 20h, IC 16h 48 Hình 23 Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 20h, IC 16h 48 Hình 24 Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 20h, IC 16h 49 Hình 25 Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 15h, IC 12h 50 Hình 26 Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 15h, IC 12h 50 Hình 27 Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 15h, IC 12h 51 Hình 28 Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 10h, IC 10h 52 Hình 29 Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 10h, IC 10h 52 Hình 30 Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 10h, IC 10h 53 Hình 31 Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 6h, IC 6h 54 Hình 32 Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 6h, IC 6h 54 Hình 33 Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 6h, IC 6h 55 Hình 34 Mối quan hệ TL NSXL COD tổng hệ ABR IC qua HRT 56 Hình 35 Mối quan hệ TL NSXL CODht hệ ABR IC qua HRT 58 Hình 36 Diễn biến CODt , Hiệu suất xử lý CODt theo giảm dần HRT hệ ABR qua cột 59 Hình 37 Diễn biến CODht , Hiệu suất xử lý CODht theo giảm dần HRT hệ ABR qua cột 60 Hình 38 Hình ảnh lọc cặn đầu vào 62 Hình 39 So sánh hiệu suất xử lý CODht có khơng có lọc cặn hệ IC 62 Hình 40 So sánh hiệu suất xử lý COD hệ ABR có khơng có lọc cặn 63 Hình 41 Đồ thị so sánh TSS trước sau lọc cặn đầu vào 63 Hình 42 Đồ thị mối quan hệ TL NSXL COD có lọc cặn đầu vào(HRT 6h) .64 Hình 43 : Tổng hợp khả loại bỏ TSS có khơng có lọc cặn đầu vào 65 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt tiếng anh ABR : Anaerobic Baffled Reactor - Hệ phản ứng yếm khí với vách ngăn đảo chiều COD : Chemical oxygen demand - Nhu cầu ơxi hóa học EGSB : Expanded Granular Sludge Bed- Hệ phản ứng với lớp bùn giãn nở IC : Internal Circulation – Hệ tuần hoàn nội HRT : Hydraulic retention time – Thời gian lưu thủy lực UASB :Upflow anaerobic sludge blanket - Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt Chữ viết tắt tiếng việt CODht : Nhu cầu oxi hóa dạng hịa tan CODt : Nhu cầu oxi hóa dạng tổng số NSXL : Năng suất xử lý H% : Hiệu suất Tb : trung bình TL : Tải lượng Vd : Vận tốc dâng nước MỞ ĐẦU Xử lý nước thải công nghệ vi sinh ngày ứng dụng hiệu rộng rãi giới Việt Nam nhẽ, giải pháp xử lý với chi phí thấp, thân thiện với môi trường sử dụng nhiều hóa chất Phương pháp vi sinh bao gồm phương pháp yếm khí, hiếu khí, phương pháp sử dụng riêng rẽ xử lý kết hơp với nhằm xử lý triệt để chất ô nhiễm sinh học nước thải Đối với cơng nghệ yếm khí có nhiều lựa chọn, trước hết lựa chọn kĩ thuật phản ứng Loại đơn giản chi phí thấp hầm biogas phủ bạt gặp nhiều khó khăn Trong trường hợp rõ ràng hệ phản ứng kiểu kĩ thuật lọc ngập nước (Submerged Biotrickling Filter), UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), EGSB (Extended Granule Sludge Blanket),… lựa chọn Lựa chọn cần suất cao chọn kĩ thuật cho khả xử lý cao Nếu coi kĩ thuật đời đầu- bồn phản ứng khuấy trộn hồn tồn có cơng suất đơn vị thể tích bồn tiếp xúc 5, hệ UASB 25 hệ EGSB, IC 75 hình Vậy theo tài liệu giới cho biết kĩ thuật IC cho suất hiệu cao Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu quan tâm NS tương đối Một mục tiêu đề tài phát triển kỹ thuật yếm khí cao tải cho với thời gian lưu ngắn xử lý nước thải giàu hữu cho hiệu xuất theo COD mức 70% trở lên Để đạt mục tiêu thử nghiệm hai kĩ thuật: IC ABR (Anaerobic Buffle Reactor – Bồn yếm khí có vách ngăn đảo dịng) có cải tiến COD tổng: Mẫu nước thải đưa đánh tan cặn máy siêu âm Sau pha lỗng theo độ pha lỗng thích hợp làm COD theo quy trình: 2,5ml mẫu + 1,5 hỗn hợp phản ứng + 3,5 thuốc thử axit cho vào ống COD, lắc đều, đem phá mẫu 150 độ C 2h, để nguội đo quang bước sóng 600nm Nguyên tắc Nguyên tắc phương pháp mẫu đun hồi lưu với K 2Cr2O7 chất xúc tác bạc sunfat (Ag2SO4) môi trường axit H2SO4 đặc Phản ứng diễn sau : Quá trình oxy hóa viết : + O2 + 4H + 4e → 2H2O 3+ Như mol O2 tiêu thụ mol electron để tạo mol Cr Trong 2- O2 tiêu thụ mol electron để tạo nước, mol Cr 2O7 tương đương với 3/2 mol O2 Bạc sunfat dùng để thúc đẩy trình oxy hóa chất hữu phân tử lượng thấp - Các ion Cl gây cản trở cho trình phản ứng : 2- - + Cr2O7 + 6Cl + 14H → 3Cl2 + 2Cr 3+ + 7H2O Để tránh cản trở người ta cho thêm thủy ngân(II) sunfat để tạo phức với - - - Cl Ngồi cản trở Cl cịn phải kể đến cản trở nitrit (NO ), nhiên - với lượng NO2 mg/l cản trở chúng xem khơng đáng kể, việc tách loại chúng khỏi mẫu cần thêm lượng axit sufamic với tỷ lệ - 10mg/1mgNO2 Cách tiến hành Chuẩn bị hóa chất : Hỗn hợp phản ứng: Hòa tan 10,216g K 2Cr2O7 loại tinh khiết, sấy sơ 103 C 2h, thêm 167 ml dung dịch H2SO4 33,3g HgSO4 Làm lạnh định mức tới 1000ml 73 Thuốc thử axit: pha thuốc theo tỷ lệ 22g Ag2SO4/4kg H2SO4 Để dung dịch pha khoảng đến ngày để lượng bạc sunfat tan hoàn toàn Dung dịch chuẩn kaliphtalat (HOOCC 6H4COOK) : Sấy sơ lượng kaliphtalat nhiệt độ 120 C 2h Cân 850mg kaliphtalat hòa tan định mức thành 1L Dung dịch chứa 1mgO2/ml HgSO4,tkpt ; H2SO4đặc, tinh khiết Máy so mầu ; Máy pháp mẫu COD ống phá mẫu có nắp vặn kín TFE ; pipet Phương pháp xác đinh : Lấy vào ống pháp mẫu 2,5ml mẫu, thêm vào 1,5ml dung dịch phản ứng 3,5 ml thuốc thử axit Đem đun máy pháp mẫu COD nhiệt độ 150 C vòng 2h Lấy để nguội, đem đo mật độ quang bước sóng 600 nm (chú ý : đo tránh để dung dịch đục có bọt khí làm sai kết phân tích) Phụ lục Xác định tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Mẫu sau trộn lấy thể tích xác định sau lọc qua máy lọc chân không Phần trọng lượng khô chất rắn giấy lọc (θ = 0,45µm) o sấy khô 105 C tới trọng lượng không đổi.Phần khối lượng giấy tăng lên so với giấy lọc ban đầu thể chất rắn lơ lửng (không tan).Đơn vị tính mg/L Tính tốn kết quả: Lượng rắn khơng hồ tan = (a-b) * 1000/V (mg/L) Trong đó: a: khối lượng chất rắn không tan + khối lượng giấy lọc (mg) b: khối lượng giấy lọc (mg) V: thể tích mẫu (ml) 74 Phụ lục Số liệu tổng N, tổng P qua chế độ thời gian lưu T-Nht, vào (mgN/l) ABR 30h, IC 24h ABR 25h, IC 20h ABR 20h, IC ABR 15h, IC ABR 10h, IC 10h ABR 6h, IC 75 T Nước thải đầu vào đặc TSS, (oC) vào (mg/l) vào pH, 22,6 22,0 20,1 19,0 920 2300 20,8 26,7 360 7,5 7,2 23,9 24,8 21,0 22,6 4250 4000 7,2 7,2 7,3 7,4 20,6 21,0 21,7 17,1 19,8 21,2 21,0 7,4 6,8 6,6 4700 2400 2400 76 7,2 7,4 7,2 7,1 7,5 7,3 7,1 26,0 22,0 27,0 26,0 23,2 24,2 23,1 25,0 26,0 27,0 34 32,0 2100 2850 1600 6,9 7,1 7,5 7,4 7,4 7,4 7,4 7,3 7,2 7,3 7,3 7,2 31 2300 7,2 2135 2450 1300 1350 29,5 32 34,0 29 30 29,1 29,3 30 28,9 28 30 30,8 31 31 32 2150 2100 4500 2401 1390 3219 1500 77 7,2 7,3 7,1 7,3 7,3 7,1 7,2 7,3 7,3 7,1 7,2 7,3 7,2 7,2 7,3 30 30,0 31,0 31,0 32,0 32,0 32,0 32,0 33,0 1771 5000 7,2 7,5 7,2 7,2 7,1 7,2 7,3 1533 2212 1180 1185 7,2 Phụ lục Số liệu COD TL, NSXL COD hệ IC ABR CODt, CODt, CODt, ra, ra, v(mg/l) ABR(m g/l) 2998 1908 3219 2063 1767 3214 4708 5902 IC(mg/l ) 869 192 321 805 577 560 908 1482 572 321 289 985 613 648 101 203 78 4772 4482 5630 5537 4590 5490 2062 837 842 1256 1127 1579 1090 1772 2127 6900 6600 5900 4224 4482 4417 4900 4385 2998 3490 1611 1772 1233 1159 1209 869 1409 837 996 686 2417 1127 1385 1200 1560 1980 1195 998 804 1390 5772 5772 4740 5900 6901 6100 1417 1191 1191 1191 760 1672 ABR 25h, IC 20h ABR 20h, IC 16h 7159 5609 5609 5966 938 1256 1378 1191 517 611 866 806 4127 4320 4837 5159 4514 4579 5672 4772 5127 5643 5842 4129 2106 1911 138 1514 2159 966 1040 1191 1127 2095 1740 1995 1357 901 1127 246 933 1227 1309 1450 1740 993 1901 1159 4772 5162 4804 6159 5169 4690 3109 2740 2224 2062 1579 1940 3360 2546 2390 3509 2560 1690 ABR 15h, IC 12h ABR 10h, IC 10h 3879 5070 4543 4030 3901 4804 3837 4120 4482 4288 4320 4159 4353 4804 ABR 6h, IC 6h 4772 5162 4804 6159 5169 4690 3879 5070 4543 2385 2568 2095 2224 1643 1590 1482 1933 2159 2191 2178 3809 1386 1514 3109 2740 2224 2062 1579 1940 2385 2568 2095 81 4030 3901 4804 3837 4120 2224 1643 1590 1482 1933 Phụ lục Bảng số liệu COD qua cột hệ ABR CODt, vào (mg/l) 10 11 12 13 14 82 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32 33 34 35 36 37 38 83 39 40 41 42 43 44 45 46 Phụ lục Số liệu chạy hệ IC ABR có lọc đầu vào với HRT 6h CODh t, vào lọc cặn(m g/l) CODht, vào k lọc(mg/l) 1708 1708 2047 1886 1886 1499 1.950 1.904 1.908 1.809 1.818 1.515 84 CODht, IC k lọc cặn(mg/l) CODt,vào k lọc(mg/l) 8022 6579 3546 4385 5611 2837 CODt, vào lọc cặn(m g/l) 2.190 2.309 3.445 3.128 2.547 2.502 85 CODt,ra IC k lọc(mg/l) ... nghiên cứu GS.Lettinga.Ơng khởi động nghiên cứu biến cơng nghệ yếm khí vốn coi cơng nghệ “phân hủy” bùn cặn suất thấp thành công nghệ xử lí nước thải giàu hữu có suất cao Đó cơng nghệ xử lí yếm. .. phép hàm lượng Nitơ Phospho nước sau xử lý Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi giàu chất hữu Ý đưa SBR giảm 97% nồng độ COD, Nitơ, Phospho Một nghiên cứu, phát đặt dấu mốc cho ngành xử lý nước thải. .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ