Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tải trọng nitơ và độ kiềm đến quá trình nitritation cho nước thải từ qui trình sản xuất cao su latex

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o ĐỖ THỊ THÚY PHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG NITƠ VÀ ĐỘ KIỀM ĐẾN QUÁ TRÌNH NITRITATION CHO NƯỚC THẢI TỪ QUI TRÌNH SẢN XUẤT CAO SU LATEX LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TP.HCM, tháng 09 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Bùi Xuân Thành Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày … tháng… năm…… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa Chủ tích Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên Học viên: Đỗ Thị Thúy Phương Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 16/12/1983 Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: MSHV: 02508614 Công nghệ Môi trường I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG NITƠ VÀ ĐỘ KIỀM ĐẾN QUÁ TRÌNH NITRITATION CHO NƯỚC THẢI TỪ QUI TRÌNH SẢN XUẤT CAO SU LATEX II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Đánh giá trình nitritation qua tải trọng nitơ ảnh hưởng độ kiềm đến trình nitritation Nội dung: Nghiên cứu vận hành theo tải trọng nitơ 0,5; 1; 1,5 kgN/m³.ngày đồng thời đánh giá ảnh hưởng hàm lượng kiềm khơng điều chỉnh có điều chỉnh độ kiềm tới trình nitritation tải trọng nitơ III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2010 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/2010 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI XUÂN THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH TS BÙI XUÂN THÀNH TS ĐẶNG VIẾT HÙNG LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn: Thầy Nguyễn Phước Dân, người gợi ý đề tài đề đường hướng chung cho luận văn hỗ trợ, cung cấp thiết bị tạo điều kiện thực trình nghiên cứu Thầy Bùi Xn Thành, người thầy hướng dẫn tận tình cho tơi suốt trình thực Sự hiểu biết dẫn từ thầy giúp học học nhiều nghiên cứu khoa học động viện hỗ trợ tinh thần cho tơi gặp khó khăn q trình nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Hoàng Nghiêm, thầy Đặng Viết Hùng sẵn lòng hỗ trợ giúp đỡ vật tư, thiết bị cần thiết cho trình nghiên cứu thầy Nguyễn Ngọc Bích cho nhận xét giá trị tài liệu quí báu hoạt động thực tiễn xử lý nước thải cao su Bên cạnh đó, tơi xin chân thành cảm ơn thầy anh chị bạn bè nghiên cứu làm việc phịng thí nghiệm giúp đỡ hỗ trợ cho tơi hồn thành q trình nghiên cứu Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn tổ chức hợp tác nghiên cứu Jica giáo sư Furukawa cho hỗ trợ kinh phí vật liệu nghiên cứu Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình tơi Gia đình ln nơi cảm thơng, hỗ trợ động viên tinh thần tơi suốt q trình học cao học hồn thành luận văn TĨM TẮT Nước thải từ trình cao su thường chứa hàm lượng nitơ cao (tỉ lệ C/N thấp), đó, lượng ammonia chiếm tỉ lệ lớn Chính mà phương pháp xử lý nitơ thông thường xử lý hiệu không đạt tiêu chuẩn xả thải cho phép tiêu nitơ có chi phí đầu tư vận hành lớn Phương pháp xử lý nitritation (partial nitrification – nitrate hóa bán phần) kết hợp với q trình denitrification thơng qua nitrite hay q trình anammox cho thấy có nhiều ưu điểm vượt trội chi phí lượng thổi khí hóa chất giảm Nghiên cứu thực nhằm đánh giá ảnh hưởng tải trọng độ kiềm đến trình nitritation cho nước thải cao su qua xử lý kị khí Các tải trọng theo nitơ Kjeldal (NLR) nghiên cứu gồm 0,5; 1; 1,5 kgN/m³.ngày điều kiện không điều chỉnh độ kiềm tải trọng nitơ 1,5; có điều chỉnh độ kiềm theo hàm lượng 6-7,5 gHCO3/gN (tải NLR 1kgN/m³.ngày có tỉ lệ giai đoạn khơng điều chỉnh kiềm) Kết cho thấy tỉ lệ TNOx/TKN dòng giảm dần tăng dần tải trọng nitơ lượng kiềm pH nước thải sau kị khí ảnh hưởng đến q trình nitritation Ở tải trọng kgN/m³.ngày cần phải có lượng kiềm cao (12-31 gHCO3/gN) q trình nitritation đạt tỉ lệ N-NO2/(N-NO2+N-NO3)=89% cịn tỉ lệ 6-7,5 gHCO3/gN tỉ lệ NNO2/(N-NO2+N-NO3) giảm 45,5%±8,14% Trong tải trọng cao tỉ lệ lượng kiềm lớn >7,5 gHCO3/gN kèm theo pH cao lại gây ức chế trình nitritation Việc điều chỉnh lượng kiềm xuống 6-7,5 gHCO3/gN tải trọng 1,5 kgN/m³.ngày giúp pH vào giảm nhờ tỉ lệ TNOx/TKN dịng tăng so với khơng điều chỉnh kiềm i MỤC LỤC A – Mục lục nội dung CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Cơ sở nghiên cứu 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn tính đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Chu trình Nitơ 2.2 Nitơ trình sản xuất cao su 2.3 Phương pháp xử lý nitơ (ammonia) 12 2.3.1 Phương pháp hóa lý 12 2.3.2 Phương pháp sinh học 13 2.4 Mơ hình Swim-bed 41 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42 3.1 Tổng quan tồn thí nghiệm thực 42 3.1.1 Vật liệu sử dụng nghiên cứu 43 3.1.2 Chi tiết mơ hình thí nghiệm 43 3.1.3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm 44 3.2 Các trình thực thí nghiệm 47 3.2.1 Ni cấy bùn chạy thích nghi 47 3.2.2 Giai đoạn vận hành theo tải trọng TKN không điều chỉnh độ kiềm 48 3.2.3 Giai đoạn vận hành theo tải trọng TKN điều chỉnh độ kiềm 48 3.3 Các phương pháp phân tích bảo quản mẫu 48 3.3.1 Phương pháp lấy mẫu 48 3.3.2 Phương pháp bảo quản mẫu 49 3.3.3 Phương pháp phân tích mẫu .49 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ BÀN LUẬN 51 ii 4.1 Hiệu xử lý COD 51 4.2 Đặc tính bùn 54 4.3 Qúa trình chuyển hóa nitơ 58 4.3.1 Sự chuyển hóa TKN ammonia .58 4.3.2 Sự chuyển hóa dạng nitơ .60 4.3.3 Sự khử nitrate mơ hình .66 4.3.4 Ảnh hưởng điều chỉnh độ kiềm tới pH ức chế theo FA, FNA 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 5.1 Kết luận 72 5.2 Kiến nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC SỐ LIỆU 82 iii B- Mục lục hình Hình 2.1: Chu trình nitơ tự nhiên (EPA,2000) Hình 2.2: Quy trình sản xuất cao su mủ tờ Hình 2.3: Quy trình sản xuất cao su mủ cốm .10 Hình 2.4: Quy trình sản xuất cao su ly tâm .11 Hình 2.7: Các đường chuyển hóa ammonia .22 Hình 2.8: Mối liên hệ nồng độ FA FNA lên ức chế vi khuẩn nitrification .30 Hình 2.9: Ảnh hưởng tải trọng ammonia lên tích trữ NO2 32 Hình 2.10: Ảnh hưởng nhiệt độ ảnh hưởng thời gian lưu tế bào tối thiểu q trình oxi hóa ammonia nitrite 33 Hình 3.1: Qui trình thực nghiên cứu 42 Hình 3.2 : Mơ hình nghiên cứu q trình nitrate hóa bán phần Swim-bed 43 Hình 3.3: Gía thể biofringe làm từ sợi acryl .47 Hình 3.4: Mơ hình vận hành thí nghiệm 47 Hình 4.1: COD vào, hiệu xử lý theo thời gian vận hành 51 Hình 4.2: Biểu diễn tải trọng COD hiệu suất xử lý theo tải trọng NLR 52 Hình 4.3: Biểu diễn hiệu suất xử lý trung bình hiệu suất lượng bùn bể theo tải trọng COD 53 Hình 4.4: Hàm lượng bùn theo tải trọng 54 Hình 4.5: Turbatrix Aceti 55 Hình 4.6: Paramecium .56 Hình 4.7: Arcella .56 Hình 4.8: Zoothamnium 57 Hình 4.9: Vorticella sp 57 Hình 4.10: Sự chuyển hóa TKN ammonia vào, .58 Hình 4.11: Tỉ lệ TKN ammonia vào, 59 Hình 4.12: Hiệu suất chuyển hóa N-org 59 Hình 4.13: Sự chuyển nitơ TKN vào với nitrite nitrate .60 Hình 4.14: Sự chuyển nitơ N-NH3 vào với nitrite nitrate 62 Hình 4.17: Biểu diễn pH, độ kiềm vào, theo tải trọng NLR 68 Hình 4.18: Mối quan hệ pH vào, với tỉ lệ lượng kiềm cho 1g N 69 Hình 4.19: Biểu diễn nồng độ FA FNA theo tải trọng 70 iv C – Mục lục bảng Bảng 2.1: Thành phần hóa học cao su Việt Nam Bảng 2.2: Đặc tính nhiễm nước thải ngành chế biến cao su 12 Bảng 2.3: Các phương pháp xử lý nitơ hóa lý hiệu chúng (Metcalf & Eddy, 2003) 12 Bảng 2.4 : So sánh giá trị ammonia tự do, nồng độ oxi nhiệt độ ảnh hưởng đến trình oxi hóa nitrite số nghiên cứu .39 Bảng 2.5: So sánh giá trị ammonia tự do, nồng độ oxi nhiệt độ ảnh hưởng đến q trình oxi hóa nitrite số nghiên cứu .40 Bảng 3.1: Đặc tính nước thải cao su sau xử lý kị khí 43 Bảng 3.2: Bảng tóm tắt bước điều kiện thực thí nghiệm .45 Bảng 3.3: Số lần lấy mẫu giai đoạn nghiên cứu tải trọng độ kiềm .48 Bảng 3.4: Phương pháp lấy mẫu để phân tích tiêu phục vụ cho nghiên cứu 49 Bảng 3.5: Phương pháp phân tích tiêu phục vụ cho nghiên cứu 50 Bảng 4.1: Tải trọng COD hiệu suất xử lý theo tải trọng nitơ .51 Bảng 4.2: Tóm tắt kết tỉ lệ NO2/TNOx tạo qua tải trọng NLR .64 Bảng 4.3: Tỉ lệ NO2-N/NH3-N theo tải trọng nitơ 66 Bảng 4.4: Tóm tắt giá trị FA (mgFA/L) FNA (mgFNA/L) theo tải trọng nitơ .71 v Thuật ngữ từ viết tắt Từ viết tắt AOB Ammonia oxidization bacteria Vi khuẩn oxi hóa ammonia BF Biofringe Gía thể sinh học swim-bed Completely autotrophic nitrogen Bể phản ứng chuyển hóa nitơ removal over nitrite vi khuẩn tự dưỡng thông qua nitrite FA Free ammonia Dạng ammonia tự FNA Free nitrous acid Dạng axit nitrous tự NOB Nitrite oxidization bacteria Vi khuẩn oxi hóa nitrite OLAND Oxygen limited autotrophic CANNON nitrification-denitrification SHARON Single reactor for high-rate ammonium removal over nitrite SNAP Single-stage nitrogen removal using anammox and partial nitritation Bể phản ứng xử lý nitrate hóa khử nitrate vi khuẩn tự dưỡng điều kiện bị giới hạn oxy Bể phản ứng bậc xử lý nitơ tải trọng cao thông qua loại bỏ nitrite Bể phản ứng bậc loại bỏ nitơ thông qua q trình anammox nitrate hóa bán phần Các thông số: TN: tổng nitơ, TKN: nitơ Kjeldal, TNOx: tổng (N-NO2 + N-NO3), NLR: tải trọng nitơ Thuật ngữ Anammox Qúa trình chuyển hóa nhờ vào vi khuẩn anammox Denitrification Qúa trình khử nitrate Nitratation Qúa trình chun hóa nitrite thành nitrate Nitrification Qúa trình nitrate hóa Nitritation Qúa trình chun hóa ammonia thành nitrite Partial nitrification Qúa trình nitrate hóa bán phần 85 Ngày 59 Luu luong (lít/giờ) Thời gian lưu (giờ) COD Vào (mg/L) Ra (mg/L) Hiệu suất (%) pH Vào Ra ALK Vào (mg HCO3− /L) − Vào (mg HCO /L) N-NH3 Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) TKN Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) N-NO2 Ra (mgN/L) N-NO3 Ra (mgN/L) 2,6 2,3 18/6 1.081 96 93,2 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 Tải trọng NLR kgN/m³.ngày – Không điều chỉnh kiềm 1,94 3,42 3,42 3,9 3,5 4,05 3,5 3,5 3,5 2,0 3,1 1,8 1,8 1,5 1,7 1,5 1,7 1,7 1,7 23/6 28/6 19/7 20 21 22 26/7 27/7 28/7 30/7 525 439 1.104 894 983 640 824 1.062 668 1.084 197 113 139 142 141 216 139 164 183 215 65,9 75,8 88,4 86,4 91,1 66,4 83,2 84,6 72,6 80,2 8,06 8,49 8,17 8,61 8,25 8,55 7,98 8,41 8,02 8,52 7,93 8,40 8,12 8,51 8,14 8,58 8,07 8,60 8,10 8,64 8,06 8,64 4.148 3.172 2.440 2.333 2.484 2.440 2.562 2.806 2.796 2.806 2.952 3.087 2.684 2.308 2.250 2.294 1.976 2.464 2.503 2.562 2.879 3.045 175 37 143 67 104 43 128 73 123 69 123 39 138 95 106 57 106 65 99 95 118 78 227 50 168 78 124 52 156 84 153 69 131 45 150 99 129 74 143 95 148 101 141 81 20,86 16,06 6,25 9,65 18,10 48,46 0,55 0,99 0,07 0,37 0,15 4,27 1,59 5,33 1,57 0,56 4,39 4,39 2,37 0,05 0,15 0,28 86 Ngày 81 Luu luong (lít/giờ) Thời gian lưu (giờ) COD Vào (mg/L) Ra (mg/L) Hiệu suất (%) pH Vào Ra ALK Vào (mg HCO3− /L) − Vào (mg HCO /L) N-NH3 Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) TKN Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) N-NO2 Ra (mgN/L) N-NO3 Ra (mgN/L) 1,23 4,9 23/8 1297 215 84,6 83 85 87 89 91 93 95 97 99 Tải trọng NLR 1,5 kgN/m³.ngày – Không điều chỉnh kiềm 1,23 1,32 1,13 1,17 1,26 1,20 1,53 1,51 1,44 4,9 4,5 5,3 5,1 4,8 5,0 3,9 4,0 4,2 24/8 25/8 26/8 27/8 30/8 31/8 27/9 28/9 29/9 1076 1171 1327 1415 1385 1171 1326 1225 1545 132 185 378 489 324 429 324 738 416 90,1 84,6 71,5 65,5 77,2 64,0 75,5 41,8 73,6 8,20 8,50 7,76 8,51 8,06 8,52 7,89 8,43 7,93 8,51 7,93 8,49 7,83 8,21 8,00 8,25 7,88 8,34 7,50 8,18 2.176 2.450 2.318 2.235 2.391 2.391 2.342 2.552 2.220 2.318 1.923 1.376 2.123 2.269 2.245 2.318 2.240 2.538 1.659 1.953 246 185 272 78 252 186 221 218 221 179 274 185 250 174 203 127 194 119 216 125 317 188 280 80 302 235 310 230 310 224 306 214 312 221 245 169 249 171 260 162 13,67 23,37 4,91 0,29 0,96 6,84 6,46 0,07 23,10 7,20 2,21 1,16 0,15 1,22 0,04 0,13 0,57 0,20 1,51 0,82 87 Ngày 101 Luu luong (lít/giờ) Thời gian lưu (giờ) COD Vào (mg/L) Ra (mg/L) Hiệu suất (%) pH Vào Ra ALK Vào (mg HCO3− /L) − Vào (mg HCO /L) N-NH3 Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) TKN Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) N-NO2 Ra (mgN/L) N-NO3 Ra (mgN/L) 1,46 4,1 103 105 107 109 111 113 Tải trọng NLR 1,5 kgN/m³.ngày - Điều chỉnh kiềm 1,45 1,6 1,67 1,67 1,53 1,54 4,1 3,8 3,6 3,6 3,9 3,9 115 117 119 1,59 3,8 1,54 3,9 1,57 3,8 1.451 248 86,8 1.290 353 89,6 1.600 296 89,2 1.031 283 89,1 1.271 385 83,4 1.447 361 87,4 1.434 274 90,6 1.684 396 80,6 1.320 445 72,8 1.341 287 91,1 6,79 8,21 6,99 7,81 6,64 7,9 6,64 7,87 6,58 7,8 7,49 8,72 7,11 7,93 6,66 8,29 6,85 8,17 6,38 7,73 1.923 1.928 1.767 2.015 1.767 1.864 1.757 1.776 1.898 1.845 1.391 498 659 561 630 805 747 1.220 878 492 217 76 202 22 193 17 224 20 196 15 202 39 204 39 216 74 196 73 185 45 255 86 250 32 235 21 264 34 225 29 243 62 233 58 236 92 244 112 239 67 51,48 198,78 112,43 155,26 158,75 162,66 126,97 63,29 78,90 152,35 3,27 13,11 3,39 7,47 4,58 10,10 7,19 6,69 3,31 9,57 88 Ngày 121 Luu luong (lít/giờ) Thời gian lưu (giờ) COD Vào (mg/L) Ra (mg/L) Hiệu suất (%) pH Vào Ra ALK Vào (mg HCO3− /L) − Vào (mg HCO /L) N-NH3 Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) TKN Vào (mgN/L) Ra (mgN/L) N-NO2 Ra (mgN/L) N-NO3 Ra (mgN/L) 123 125 127 Tải trọng NLR kgN/m³.ngày - Điều chỉnh kiềm 1,76 1,54 1,65 1,65 3,4 3,9 3,6 3,6 129 131 1,56 3,8 1,55 3,9 1.038 302 79,6 992 238 85,3 1.129 317 83,6 1.129 280 81,5 1.184 298 79,3 1.157 440 67,8 7,20 8,09 6,97 7,77 7,10 8,12 7,05 7,80 6,96 7,89 7,25 8,21 1.680 1.880 1.848 1.820 1.920 1.812 654 768 630 800 684 864 263 49 276 42 286 87 286 62 286 29 278 62 284 52 324 53 302 96 302 70 320 35 322 88 82,19 84,00 120,00 64,80 48,00 60,79 6,93 12,45 6,50 2,96 7,70 0,80 89 ... TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG NITƠ VÀ ĐỘ KIỀM ĐẾN QUÁ TRÌNH NITRITATION CHO NƯỚC THẢI TỪ QUI TRÌNH SẢN XUẤT CAO SU LATEX II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Đánh giá trình nitritation. .. trọng đến trình nitritation 1.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thực cho nước thải từ trình sản xuất cao su Latex - Qui mơ nghiên cứu qui mơ phịng thí nghiệm - Mơ hình nghiên cứu vận hành tải trọng. .. sở nghiên cứu Nước thải từ trình sản xuất cao su chứa lượng lớn ammonia từ trình bổ sung ammonia vào nước mủ cao su để chống đơng q trình vận chuyển Nếu nước thải xả thải trực tiếp vào nguồn nước