Thống kê và phân tích số liệu: được sử dụng để thống kê và phân tích các số liệu phân tích nước thải trong các công đoạn xử lý tại các chế độ vận hành khác nhau và từ đó làm rõ mối quan hệ giữa các điều kiện khảo sát và đánh gái điều kiện vận hành tối ưu.
PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1. Diễn biến thành phần nước thải
Bảng 4.1. Thành phần nước thải trại lợn sau pha loãng
Đầu vào tổng số Đầu vào hòa tan
Số lần lấy mẫu TS (mg/l) pH Alk, ht (mg/l) COD, t (mg/l) T-N, t (mgN/l) T-P, t (mgP/l) COD, ht (mg/l) T-N, ht (mgN/l) NH4, ht (mg/l) T-P, ht (mgP/l) PO4, ht (mgP/l) Lần 1 302 7,0 740 1010 247 22,8 816 172 155 16,2 9,8 Lần 2 735 6,8 768 1080 231 23,2 804 176 153 15,8 8,2 Lần 3 219 6,9 789 1046 243 24,0 778 184 149 15,4 11 Lần 4 315 7,1 810 1040 230 23,8 810 195 154 17,2 9,4 Lần 5 279 6,5 747 992 250 21,8 778 178 136 15,6 10,6 Lần 6 234 6,8 723 1099 242 22,4 908 163 163 15,4 9,4 Lần 7 264 6,7 690 1080 239 22,4 852 181 153 17 8,4 Lần 8 312 6,9 720 1000 248 24,0 890 175 167 18,8 11,8 Lần 9 297 6,5 705 1040 227 18,3 800 195 154 16,8 8,4 Lần 10 264 6,5 675 980 235 23,6 806 171 154 14,8 8,6 Lần 11 234 6,7 710 1064 254 20,0 872 174 165 16,4 9,6 Trung bình 314 6,8 734 1039 240 22,4 829 179 155 16,3 9,6
Xét giá trị trung bình từ các kết quả trong bảng 4.1 tỉ lệ COD: N: P = 46: 4,3:1 không được thuận lợi cho các quá trình xử lý sinh học. Nồng độ BOD5 theo lý thuyết cần thiết để xử lý N và P xuống đến tiêu chuẩn xả thải (loại QCVN 40/2011 loại B, COD: 150mg/l, amoni: 10 mg/l). Tỉ lệ độ kiềm: amoni bằng 6 là thuận lợi cho quá trình nitrat hóa, tỉ lệ COD: N: P tối ưu trong nước thải là 100: 5: 1 theo Metcalf và Edd.
4.2. Đánh giá các chế độ
4.2.1. Chế độ thời gian lưu nước 24h, Qr = 7,2 m3/ h
Trong chế độ này, dòng tuần hoàn từ thiếu khí sang hiếu khí được duy trì ở lưu lượng 7,2 m3/h. Nước thải sau khi lấy về được tiến hành phân tích và sau đó pha loãng duy trì giá trị nồng độ COD khoảng 1.000 mg/l, N tổng 250 mgN/l và P tổng khoảng 20 mgP/l (bảng 4.1).
Hình 4.1. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ
Giá trị COD tổng số trong đầu vào nằm trong khoảng 980-1100 mg/l, đạt giá trị trung bình 1039 mg/l, COD hòa tan có giá trị từ 778-908 mg/l, đạt giá trị trung bình 829 mg/l (chiếm 82% COD tổng).Sau khi đi qua ngăn yếm khí giảm 30% do quá trình phân hủy yếm khí. Tại ngăn thiếu khí COD giảm xuống giá trị trung bình 724 mg/l. Sau bể hiếu khí COD còn lại khoảng từ 144-380 mg/l, cho giá trị trung bình 249 mg/l. Như vậy COD đạt giá trị cao hơn tiêu chuẩn về COD của QCVN 40:2011 cho nước thải ra môi trường loại B (150mg/l) (hình 4.1).
Hình 4.2. Diễn biến của tổng N trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ
N tổng trong đầu vào nằm trong khoảng 227-254 mgN/l, đạt giá trị trunh bình 240 mgN/l, N hòa tan có giá trị từ 163-195 mgN/l, đạt giá trị trung bình 179 mgN/l. Sau khi đi qua ngăn yếm khí, nồng độ N tổng hầu như không thay đổi so với N hòa tan do quá trình phân hủy yếm khí. Tại ngăn thiếu khí N tổng giảm xuống giá trị trung bình 110 mgN/l, tức là nó đã bị mất đi khoảng 60% do quá trình khử nitrat trong giai đoạn thiếu khí (khử nitrat thành N2 khí). Sau bể hiếu khí N tổng còn lại khoảng từ 28-84 mg/l, cho giá trị trung bình 55 mgN/l cao hơn tiêu chuẩn về N tổng của QCVN40:2011/BTNMT cho nước thải ra môi trường loại B (40 mgN/l) (hình 4.2).
Hình 4.3. Diễn biến của NH4+ trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ
Nồng độ NH4+ trong đầu vào nằm trong khoảng 136-167 mgN/l, đạt giá trị trung bình 152 mgN/l chiếm 61% của N hòa tan tổng số. Qua ngăn
yếm khí xuống khoảng 120-143 mg/l, giá trị trung bình 132 mg/l giảm khoảng 7% do NH4+ có thể bị vi sinh vật hấp thu.Tại ngăn thiếu khí NH4+
giảm xuống giá trị trung bình 65 mgN/l, tức là nó bị mất đi khoảng 70% do quá trình khử nitrat thành phần nitơ. Sau bể hiếu khí NH4+ còn lại khoảng từ 11-38 mgN/l, cho giá trị trung bình 22,5 mgN/l cao hơn so với tiêu chuẩn về NH4
+ tổng của QCVN40: 2011 cho nước thải ra môi trường loại B (10mgN/l) (hình 4.3).
Hình 4.4. Diễn biến của NO3- trong chế độ thời gian lưu (HRT) = 24 giờ
Nitrat sinh ra nhiều nhất trong giai đoạn hiếu khí 43,8-54,4 mgN/l cho hiệu suất oxi hóa amoni 85%. Nồng độ nitrat trong ngăn thiếu khí giảm xuống 19,4-29 mgN/l do quá trình đề-nitrat hóa trong giai đoạn thiếu khí cho hiệu suất khử nitrat 53% (hình 4.4).
Hình 4.5. Diễn biến của octophotphat và tổng P trong chế độ HRT = 24 giờ
Giá trị P tổng trung bình trong nước thải đầu vào khoảng 22,4 mgP/l, trong đó P tổng hòa tan là 16,3 mgP/l, octophophat là 9,6 mgP/l. Trong ngăn yếm khí, quá trình giải phóng ra octophotphat của các vi sinh PAO trong bùn
hoạt tính nâng giá trị này lên 27 - 37 mgP/l tức là gấp khoảng 2 lần. Nồng độ octophotphat và P tổng sau ngăn hiếu khí còn lại tương ứng là 6,7 và 9,2 mgP/l gần đạt giá trị tiêu chuẩn của QCVN40: 2011 đối với P tổng trong nước thải ra môi trường loại B (6mgP/l) (hình 4.5).
Hình 4.6. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ HRT = 24 giờ
Nhìn chung, các giá trị trung bình khảo sát thu được: hiệu suất loại bỏ COD là 76%, hiệu suất oxi hóa amoni là 85% hiệu suất xử lý N là 77% và P là 59 % (hình 4.6).
4.2.2. Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h
Trong chế độ này thay đổi thời gian lưu nước từ 24h sang 36h, còn dòng tuần hoàn từ thiếu khí sang hiếu khí được duy trì ở lưu lượng 7,2 m3
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 2 4 6 8 10 12 C O D ( m m g /l ) Số lần lấy mẫu
Đầu và o COD, t (mg/l ) Đầu và o COD, ht (mg/l ) Yầm khí COD, ht (mg/l )
Thi ầu khí COD, ht (mg/l ) Hi ầu khí COD, ht (mg/l )
Hình 4.7. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h
Giá trị COD tổng số trong đầu vào nằm trong khoảng 1365-1668 mg/l, COD hòa tan có giá trị từ 990-1230 mg/l (chiếm 75% COD tổng số) và giảm dần sau khi đi qua ngăn yếm khí khoảng 50% do quá trình phân hủy yếm khí. Sau khi đi qua bể thiếu khí, giá trị COD tiếp tục giảm so với ngăn yếm khí, nằm trong khoảng 401-592 mg/l. Sau bể hiếu khí COD còn lại khoảng từ 97- 273 mg/l, với giá trị trung bình 154 mg/l gần đạt tiêu chuẩn về COD của QCVN40: 2011 cho nước thải ra môi trường loại B (150mg/l) (hình 4.7).
Hình 4.8. Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3/h
N tổng trong đầu vào nằm trong khoảng 302-364 mgN/l, N hòa tan có giá trị từ 227-288 mgN/l (chiếm 75% N tổng). Sau khi đi qua ngăn yếm khí giảm xuống khoảng 137 -192 mgN/l. Tại ngăn thiếu khí N tổng giảm không nhiều so với ngăn yếm khí đạt giá trị trung bình 157 mgN/l. Sau bể hiếu khí N tổng còn lại khoảng từ 34-50 mg/l, mất đi khoảng 75% do quá trình khử nitrat thành N2 khí. Như vậy, N tổng có giá trị trung bình 39,5 mgN/l đạt tiêu chuẩn về N tổng của QCVN 40 cho nước thải ra môi trường loại B (40 mgN/l) (hình 4.8).
Hình 4.9. Diễn biến của NH4+ trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3
Nồng độ NH4+ trong nước đầu vào nằm trong khoảng 189,6-252 mgN/l, chiếm 84% của N hòa tan tổng số. Sau khi đi qua ngăn yếm khí giảm xuống khoảng 127 -150 mg/l. Tại ngăn thiếu khí NH4+ giảm xuống giá trị 72-115 mgN/l, tức là nó đã bị mất đi khoảng 30% do quá trình khử nitrat. Sau bể hiếu khí NH4+ còn lại khoảng từ 7-28 mgN/l, cho giá trị trung bình 14,4 mgN/l gần đạt tiêu chuẩn về NH4+ tổng của QCVN 40: 2011 (hình 4.9).
Hình 4.10. Diễn biến của NO3- trong chế độ HRT: 36 giờ, Qr = 7,2 m3 /h
Nitrat sinh ra nhiều nhất trong giai đoạn hiếu khí tăng lên đến 43,8-54,4 mgN/l cho hiệu suất oxi hóa amoni 93%. Do quá trình tuần hoàn nước và bùn từ ngăn hiếu khí để quá trình đề-nitrat trong môi trường được diễn ra làm cho nồng độ nitrat trong ngăn thiếu khí giảm xuống 28,5-43 mgN/l cho hiệu suất khử nitrat 30% (hình 4.10).
Hình 4.11. Diễn biến của octophotphat và P tổng trong chế độ HRT: 36 giờ, Qr = 7,2 m3
/h
Giá trị P tổng trung bình trong nước thải đầu vào khoảng 34,8 mgP/l, trong đó P tổng hòa tan là 24,5 mgP/l, octophophat là 14,2 mgP/l. Trong ngăn yếm khí, quá trình giải phóng ra octophotphat của các vi sinh nâng giá trị lên 30,8 - 44,3 mgP/l tức là gấp 2,5 lần. Nồng độ octophotphat và P tổng sau ngăn hiếu khí còn lại tương ứng là 4,5 và 6,4 mgP/l gần đạt được giá trị tiêu chuẩn của QCVN40:2011 đối với P tổng trong nước thải ra môi trường loại B (hình 4.11).
Hình 4.12. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, Qr = 7,2 m3
Nhìn chung các giá trị trung bình khảo sát thu được: hiệu suất loại bỏ COD là 89,8%, hiệu suất oxi hóa amoni là 93,2% hiệu suất xử lý N là 88,3% và P là 81,6%.Nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn về Nitơ tổng, còn COD, amoni và photpho tổng gần đạt giá tiêu chuẩn của QCVN40: 2011 (hình 4.12).
4.2.3. Chế độ thời gian lưu nước 36 giờ, có vật liệu xốp PU gắn biofilm
Chế độ này được thực hiện tương tự như chế độ thí nghiệm mục 4.1.1, tuy nhiên có sử dụng vật liệu mang xốp PU (2 x 2 x 2 cm) trong chế độ trước đó và duy trì trong khoảng 1 tháng để các vi sinh bám vào vật liệu mang. Thể tích vật liệu mang polyurethan (PU) sử dụng là 20% so với thể tích các bồn phản ứng và được phân bổ theo tỉ lệ thể tích các bồn. Dòng tuần hoàn từ thiếu khí sang hiếu khí được duy trì ở lưu lượng 7,2 m3/h. Nước thải sau khi lấy về được tiến hành phân tích và sau đó pha loãng sao cho giá trị COD khoảng 1500 mg/l, N tổng 350 mgN/l, P tổng khoảng 35 mgP/l.
Hình 4.13. Diễn biến của COD trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU
COD tổng số trong đầu vào nằm trong khoảng 1401-1668 mg/l, COD hòa tan có giá trị từ 990-1230 mg/l (chiếm 76%). Sau khi đi qua ngăn yếm khí
giảm khoảng 60% do quá trình phân hủy yếm khí. Tại ngăn thiếu khí COD nằm trong khoảng 590-850 mg/l không thay đổi nhiều so với ngăn yếm khí. Sau bể hiếu khí COD còn lại khoảng từ 75-213 mg/l, trung bình 126 mg/l thấp hơn so với tiêu chuẩn về COD của QCVN 40: 2011 cho nước thải ra môi trường loại B (150mg/l) (hình 4.13).
Hình 4.14. Diễn biến của N tổng trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU
N tổng trong đầu vào nằm trong khoảng 319,2-364,5 mgN/l, N hòa tan có giá trị từ 227-288 mgN/l (chiếm 76%). Sau khi đi qua ngăn yếm khí giảm xuống khoảng 137,2 -181,8 mgN/l không đổi nhiều so với giá trị N hòa tan. Tại ngăn thiếu khí N tổng giảm xuống giá trị trung bình 157,9 mgN/l, mất đi khoảng 41% do quá trình khử nitrat thành N2 khí. Sau bể hiếu khí N tổng còn lại khoảng từ 13-48,4 mg/l, cho giá trị trung bình 26,8,3 mgN/l thấp hơn so với tiêu chuẩn về N tổng của QCVN 40: 2011 cho nước thải ra môi trường loại B (40 mgN/l) (hình 4.14).
Hình 4.15. Diễn biến của NH4
+ trong chế độ HRT: 36 giờ, có vật liệu xốp PU
Amôni trong đầu vào nằm trong khoảng 189,6-230,4 mgN/l, chiếm 60% của N hòa tan tổng số. Sau khi đi qua ngăn yếm khí giảm gần 20% xuống khoảng 127 -149,2 mg/l do trong ngăn yếm khí có thể amoni có thể bị hấp thu một phần vào sinh khối. Tại ngăn thiếu khí amoni giảm xuống giá trị 78-108,7 mgN/l, tức là nó đã bị mất đi khoảng 35% do quá trình khử nitrat. Sau bể hiếu khí amoni còn lại khoảng từ 8-16,2 mgN/l, cho giá trị trung bình 16,7 mgN/l cao hơn so với tiêu chuẩn về amoni tổng của QCVN 40: 2011 cho nước thải ra môi trường loại B (10mgN/l). Điều này có thể giải thích như sau: các vật liệu xốp đã giữ lại các vi sinh và không thể luân chuyển (do bơm chỉ bơm dung dịch, không bơm được vật liệu qua các ngăn), do đó lượng vi sinh trong ngăn hiếu khí ít hơn so với 2 chế độ thí nghiệm nêu trên (hình 4.15).
Nitrat trong giai đoạn hiếu khí tăng lên đến 40-53,4 mgN/l cho hiệu suất oxi hóa amoni 92,2%. Nồng độ nitrat trong ngăn thiếu khí giảm xuống 18-26 mgN/l do quá trình đề-nitrat hóa trong giai đoạn thiếu khí cho hiệu suất khử nitrat 52%. Hiệu suất khử nitrrat trong chế độ thí nghiệm này có giá trị cao nhất so với 2 chế độ trên. Do tác dụng của vật liệu mang PU tạo điều kiện tốt cho quá trình khử nitrat và do các vi sinh được thấm sâu vào trong khối vật liệu xốp - nơi có điều kiện thiếu khí có lợi cho quá trình khử (hình 4.16).
Hình 4.17. Diễn biến của otophotphat và P tổng trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU
Giá trị P tổng trung bình trong nước thải đầu vào khoảng 35,0 mgP/l, trong đó P tổng hòa tan là 24,4 mgP/l, octophophat là 14,1 mgP/l.Trong ngăn yếm khí, quá trình giải phóng ra octophotphat của các vi sinh PAO trong bùn hoạt tính nâng giá trị này lên 30,7 - 44,2 mgP/l tức là gấp 2,6 lần. Nồng độ octophotphat và P tổng sau ngăn hiếu khí còn lại tương ứng là 8,3 và 6,4 mgP/l cao hơn giá trị tiêu chuẩn của QCVN 40: 2011 đối với P tổng trong nước thải ra môi trường loại B (6 mgP/l). Do các vi sinh PAO bị các vật liệu PU giữ lại không được luân chuyển giữa các ngăn yếm khí - hiếu khí. Do đó quá trình giải phóng - tích lũy octophotphat của các vi sinh không thực hiện thuận lợi (hình 4.17).
Hình 4.18. Hiệu suất xử lý các thành phần N và P trong chế độ thời gian lưu tổng số (HRT): 36 giờ, có vật liệu xốp PU
Nhìn chung các giá trị trung bình trong chế độ khảo sát thu được: hiệu suất loại bỏ COD là 91,8%, hiệu suất oxi hóa amoni là 92,2% hiệu suất xử lý N là 92,2% và P là 75,8% (hình 4.18)
Bảng 4.2. Tổng hợp các kết quả khảo sát hệ xử lý AAO cải tiến
Chếđộ COD, t, vào (mg/l) T-N, t, vào (mgN/l) T-P, t vào (mgP/l) COD, ht ra (mg/l) T-N, ht ra (mgN/l) T-P, ht ra (mgP/l) TS, ra (mg/l) HS COD (%) HS oxi hóa NH4+ (%) HS khử N (%) HS XL P (%) HRT: 24 giờ 1039 240,5 22,4 249,1 55,1 9,2 136,6 75,9 85,3 77,1 58,7 HRT: 36 giờ 1522 340,7 34,8 154,1 39,5 6,4 135,2 89,8 93,2 88,3 81,6 HRT: 36 giờ, có PU biofilm 1533 341,6 35,0 126,3 26,8 8,4 34,9 91,8 92,2 92,2 75,8
Các kết quả trên bảng 4.2 cho thấy hệ xử lý đồng thời N và P bằng hệ