- Khảo sát tổng quan về nước thải sinh hoạt.
- Xây dựng mô hình AAO cải tiến quy mô phòng thí nghiệm để xử lý nước thải sinh hoạt phân tán.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của T-P đầu vào, đầu ra đến hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ thống AAO cải tiến.
48
- Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng tuần hoàn đến hiệu suất xử lý tổng photpho trong nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ thống AAO cải tiến.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phƣơng pháp tài kiệu kế thừa
Phương pháp này được sử dụng nhằm xác định, phân tích, đánh giá điều kiện về tự nhiên, môi trường và được thu thập, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau có liên quan đến nguồn nước thải sinh hoạt và định hướng trong việc ứng dụng công nghệ xử lý.
2.3.2. Phƣơng pháp phân tích định lƣợng photpho bằng phƣơng pháp oxy hóa ƣớt bằng K2S2O8
2.3.2.1. Nguyên tắc
Các hợp chất P hữu cơ và tất cả các dạng photphat đầu tiên được chuyển thành dạng ortophotphat (M3PO4). Để giải phóng P, người ta sử dụng phương pháp oxy hóa ướt.
Ở đây giới thiệu phương pháp oxy hóa ướt bằng K2S2O8.
Amoni molypdat và kali antimonyl tatrat phản ứng với octo photphat trong môi trường axit tạo thành axit dị đa photpho molypdic. Axit dị đa này bị khử thành xanh molypden ( phức bền) bằng axit ascorbic. Đo mật độ quang của dung dịch ở 880 nm có thể xác định được nồng độ P .
Phụ thuộc vào việc xử lý mẫu nước cần phân tích mà kết quả xác định P có thể được phân thành:
49
+ Photpho phản ứng (photpho hoạt động): bao gồm ortophotphat, các photphat ngưng tụ khác như pyro -, tripoly -, hecxa, meta photphat, một số hợp chất photphat hữu cơ.
+ Photpho thủy phân trong axit: bao gồm các polyphotphat không có phản ứng tạo sản phẩm xanh molypden. Các dạng photpho này sẽ bị chuyển thành photpho phản ứng, sau khi đun sôi trong axit một thời gian.
+ Photpho tổng : gồm tất cảcác dạng hợp chất chứa photpho trong nước ở dạng tan hay các hạt chất rắn. Để xác định P tổng, cần phân hủy mẫu nước bằng một trong các phương pháp sau:
Phân hủy bằng hỗn hợp HNO3- HClO4
Phân hủy bằng hỗn hợp H2SO4- HNO3
Phân hủy bằng pesunfat
2.3.2.2. Yếu tố ảnh hưởng
Nói chung phương pháp này không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Sự thay đổi nhiệt độ ± 10°C không ảnh hưởng đến kết quả.
2.3.2.3. Dụng cụ thiết bị
Dụng cụ:
+ Thiết bị đun nóng, bề mặt nung nóng 30cm x 50cm là thích hợp. + Nồi hấp áp lực hoặc nồi áp suất 1,1 - 1,4 kPacm3.
50
+ Máy quang phổ (spectrophometer), sử dụng ở bước sóng 880 nm hoặc có thể là 720 nm, nhưng độ nhạy sẽ kém hơn. Cuvet có bề dày 1 cm.
+ Máy hấp phụ kế (Absorptionmeter) + Dụng cụ thủy tinh
Dụng cụ thủy tinh, bao gồm cả chai lấy mẫu , không được sử dụng cho mục đích khác và phải điền đầy đủ axit sunfuric 4,5M. Nếu cần thiết, các dụng cụ thủy tinh phải được rửa sạch bằng axit cromic (hỗn hợp cân bằng của axit nitric và axit clohydric hoặc axit sunfuric). Các hợp chất tẩy rửa chứa P cũng không được sử dụng.
2.3.2.4. Hóa chất
+ Chất chỉ thị phenolphthalein: hòa tan 0,5g phenolphthalein trong 50ml rượu etylic 95% và thêm 50ml nước cất. Nhỏ từng giọt dung dịch NaOH cho tới khi chất chỉ thị có màu phớt hồng.
+ Dung dịch Kali peroxidisunfat. Hòa tan 5gam K2S2O8 vào 100ml nước cất. Dùng hằng ngày
+ Dung dịch gốc photphat: hòa tan 4,390g KH2PO4 khan và định mức đến 1000 ml bằng nước cất. Thêm 1 hoặc 2 giọt toluen để bảo quản dung dịch (1ml dung dịch gốc tương đương với 1mg P).
+ Dung dịch photphat làm việc: pha loãng 10ml dung dịch này thành 1 lít và lắc kỹ. Dung dịch làm việc không được để lâu và phải được chuẩn bị trước khi thí nghiệm (1ml dung dịch làm việc tương đương với 1 μg P).
+ Dung dịch Amonium molybdat trehydrat, 40g/lít + Dung dịch NaOH 5M
51
+ Dung dịch H2SO4 2,5M. Thêm cẩn thận 140 ml H2SO4 (d= 1,84) vào nước, làm lạnh và định mức tới 1 lít.
+ Dung dịch kali antimonyl tatrat: hòa tan 2,7g K(SbO)C4H4O6.½H2O vào nước cất trong bình định mức 1 lít và định mức tới vạch. Bảo quản trong bình có nút thủy tinh.
+ Kali peroxidisunfat rắn ( K2S2O8) .
+ Tác nhân khử: trộn cẩn thận theo thứ tự sau: 250 ml dung dịch H2SO4 2,5M, 75 ml dung dịch amoni molypdat và 150ml dung dịch nước cất. Thêm vào 25ml dung dịch kali antimonyl tatrat và lắc kỹ. Dung dịch này phải được bảo quản trong tủ lạnh và bền vững trong vài tuần. Trước khi sử dụng cho phân tích mẫu, rót một lượng định mức vào các bình tam giác và thêm axit ascorbic với tỷ lệ 1,73g/100ml dung dịch tác nhân khử. Chú ý sau khi thêm axit ascorbic dung dịch tác nhân khử không bền phải sử dụng ngay.
Mỗi bình tiêu chuẩn và mỗi mẫu cần khoảng 8ml dung dịch này.
2.3.2.5. Quy trình phân tích
1. Lấy 100ml mẫu đã lắc đều
2. Thêm 1 giọt ( 0,05 nl ) chỉ thị phenolphtalein. Nếu xuất hiện màu đỏ, thêm từng acid sunfuric cho tới khi mất màu.
3. Thêm 2ml dung dịch acid sunfuric và 15ml dung dịch Kali peroxidisunfat 4. Đun sôi nhẹ ít nhất 1h30’ , thêm nước cất để giữ nước trong bình 25ml
5. Để nguội và thêm 1 giọt ( 0,05 ml ) chất chỉ thị phenol phtalein, trung hòa tới màu hồng nhạt bằng dung dịch NaOH.
52
7. Chuẩn bị các bình định mức 50ml như sau:
Dung dịch photphat làm việc Nồng độ
(ml) (µg /l) 0,0 0 1,0 25 2,0 50 3,0 75 4,0 100 8,0 200 12,0 300 16,0 400
8. Lấy 40 ml mẫu cho vào bình định mức 50 có nút đậy.
9. Thêm 8ml dung dịch tác nhân khử vào từng bình định mức và bình đựng mẫu, định mức tới 50ml bằng nước cất và lắc kĩ. Để yên trong 10 phút.
53
10. Đo độ hấp thụ của mẫu trắng và của bình định mức. Lập đồ thị dựa vào độ hấp thụ tương ứng với nồng độ photpho tính theo 𝜇g/lít
2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm
Thí nghiệm xử lý photpho trong nước thải với quá trình sinh trưởng bám dính được thực hiện trên hệ thống thiết bị thí nghiệm sử dụng vật liệu mang nhựa gấp nếp như hình 6.
Hệ thống được khởi động bằng phương pháp cấp nước thải liên tục cho hệ thống. Nguồn vi sinh vật dùng để cấy vào hệ là bùn từ hệ thiết bị thí nghiệm xử lý photpho trong phòng thí nghiệm.
2.4.1. Hệ thiết bị thí nghiệm
Thí nghiệm thực hiện trên hệ thiết bị như ở hình 1. Bể thí nghiệm AAO cải tiến được làm bằng mica trong suốt có dung tích hữu ích các ngăn như bảng 3.
Bảng 3. Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm
Ngăn (Thiết bị) Dung tích (L) Ngăn (Thiết bị) Dung tích (L)
Thùng chứa nước
thải 120,0 Thiếu khí 25,0
Điều hòa 16,0 Hiếu khí
54
Nước vào
Nước ra
Hình 6. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm
①: Thùng chứa nước thải ②: Ngăn điều hòa ③: Ngăn yếm khí ④: Ngăn thiếu khí ⑤: Ngăn hiếu khí ⑥: Ngăn lắng và khử trùng⑦: Bơm khí ⑧: Bơm nước thải
vào⑨: Vật liệu đệm mang vi sinh ⑩: Cửa xả bùn thải
2.4.2. Các chế độ thí nghiệm và quy trình vận hành
Nước thải được chứa trong thùng chứa V=120 lít. Nước thải được cấp liên tục vào ngăn điều hòa, lần lượt qua các ngăn yếm khí, ngăn thiếu khí, hiếu khí kết hợp và ngăn lắng. Ở ngăn hiếu khí dưới đáy có bộ phận cấp khí làm tăng lượng oxy trong nước thải và tạo dòng tuần hoàn sang ngăn thiếu khí đồng thời kéo và tuần hoàn bùn ở ngăn lắng. Nước thải sau khi qua ngăn lắng sẽ chảy tràn ra ngoài vào thiết bị chứa. Bùn trong ngăn lắng khi sục khí sẽ tự động được kéo ngược trở lại sang ngăn hiếu khí rồi sang ngăn thiếu khí. Các thông số pH, DO (lượng oxy hòa tan trong nước) được hiển thị trên bảng điều khiển và được lưu trên máy tính. Các chế độ thí nghiệm thực hiện như bảng 4.
55 Bảng 4. Các chế độ vận hành Chế độ Thông số vận hành Lƣu lƣợng dòng vào (L/h) Chế độ sục khí Ghi chú Chế độ 1 (CĐ1) 1,0 Sục liên tục DO = 4,0 mg/L 18 – 24,6oC
Mùa đông, xuân
Chế độ 2 (CĐ2) 1,0 Sục liên tục DO = 4,0 mg/L 25 - 30oC Mùa hè Chế độ 3 (CĐ3) 1,0 Sục khí 60 phút, dừng 90 phút, DO khi sục là 4,0 mg/L 25 - 30oC Mùa hè Chế độ 4 (CĐ4) 2,0 Sục khí 60 phút, dừng 30 phút, DO khi sục là 8,0 mg/L Chỉ thí nghiệm với ngăn thiếu khí – hiếu khí Chế độ 5 (CĐ5) 2,0 Sục khí 60 phút, dừng 45 phút, DO khi sục là 8,0 mg/L Chỉ thí nghiệm với ngăn thiếu khí – hiếu khí
56
Hình 7. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm
Nhiệt độ được lấy theo nhiệt độ môi trường tại thời điểm làm thực nghiệm.
57
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc trƣng của nƣớc thải sinh hoạt trong nghiên cứu
Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu được thể hiện trong bảng sau: Bảng 5: Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu
STT Thông số Đơn vị Hàm lƣợng 1 pH _ 7 – 7,5 2 COD mg/l 200 – 350 3 N-NH4 + mg/l 35 - 50 4 N-NO3- mg/l 0 5 Tổng N mg/l 35 - 70 6 Tổng P mg/l 0,5 - 12
58
3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý T-P
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ được thể hiện ở hình 8
Hình 8. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ
Kết quả ở hình 8 cho thấy ở CĐ1 T = 18 – 25oC (mùa đông, xuân), DO = 4,0 mg/L hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 17,0 – 28,0%. Khi chuyển sang CĐ2 ở T = 25 – 30oC (mùa hè), DO = 4,0 mg/L hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 27,3 - 44,4%. Như
vậy khi tăng nhiệt độ hiệu suất xử lý T-P của hệ tăng. Điều này được giải thích là khi nhiệt độ tăng hệ vi sinh vật xử lý photpho hoạt động tốt hơn dẫn đến hiệu suất
xử lý T-P của hệ tăng. 0 10 20 30 40 50 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 5 10 15 20 H SX L T -P (% ) T- P v ào , ra (m g/L )
Thời gian (ngày)
T-P vào T-P ra HSXL T-P
59
3.3. Ảnh hƣởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý T-P
3.3.1. Ảnh hưởng của chế độ sục khí liên tục và sục khí 60 phút/dừng 90 phút đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ được thể hiện ở hình 9.
Hình 9. Ảnh hƣởng của chế độ sục khí liên tục và sục khí 60 phút/dừng 90 phút đến hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ
Kết quả hình 9 cho thấy. Ở CĐ2 (DO=4,0mg/L; T = 25 - 30oC; sục khí liên tục) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ dao động từ 27,3 - 44,4%. Khi chuyển sang CĐ3 (DO=4,0mg/L; T = 25 - 30oC; sục khí 60 phút dừng 90 phút) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ giảm xuống chỉ còn 22,4 – 29,0%. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ chế độ sục khí ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý T-P của hệ. Điều này được giải thích là khi sục khí vi sinh vật hiếu khí hấp thu photpho, nhưng khi ngừng sục khí (thiếu khí và yếm khí) vi sinh vật hiếu khí gần như không hấp thu photpho thậm chí ở chế độ yếm khí còn có hiện tượng vi sinh vật yếm khí giải phóng photpho. Cho nên chế độ sục khí liên tục tạo điều kiện tốt cho vi sinh vật hấp thu phot pho.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 5 10 15 20 H SX L T -P (% ) T- P v ào , ra (m g/L )
Thời gian (ngày)
T-P vào T-P ra HSXL T-P
60
3.3.2. Ảnh hưởng của chế độ sục khí 60 phút/dừng 30 phút và sục khí 60 phút/dừng 45 phút đến hiệu suất xử lý T-P của ngăn thiếu khí – hiếu khí thể hiện ở hình 10.
Hình 10. Ảnh hƣởng của chế độ sục khí 60 phút/dừng 30 phút và sục khí 60 phút/dừng 45 phút đến hiệu suất xử lý T-P
của ngăn thiếu khí – hiếu khí
Kết quả hình 10 cho thấy. Ở CĐ4 (DO=8,0mg/L; sục khí 60 phút/dừng 30 phút) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ dao động từ 39 - 45%. Khi chuyển sang CĐ5 (DO=8,0mg/L; sục khí 60 phút/dừng 45 phút) hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ giảm xuống chỉ còn 19 - 24%. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ chế độ sục khí ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý T-P của hệ. Điều này được giải thích là khi sục khí vi sinh vật hiếu khí hấp thu photpho, nhưng khi ngừng sục khí (thiếu khí và yếm khí) vi sinh vật hiếu khí gần như không hấp thu photpho thậm chí khi dừng lâu gần như yếm khí còn có hiện tượng vi sinh vật yếm khí giải phóng photpho. Cho nên dừng sục khí lâu không tạo điều kiện cho vi sinh vật hấp thu phot pho thậm chí còn giải phóng phốt pho. Như vậy càng dừng sục khí lâu hiệu suất xử lý T-P giảm.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 H SX L TP , % N ồ n g đ ộ T P và o , r a, m g /L
Thời gian, ngày
61
Kết quả nghiên cứu cho thấy mặc dù nồng độ đầu vào của T-P ở chế độ 1, 2, 3 thấp nhưng hiệu suất xử lý photpho chỉ hiệu quả ở quá trình hiếu khí. Còn quá trình yếm khí là quá trình loại bỏ photpho nếu như xả bùn. Cho nên trong nghiên cứu này ở chế độ 4, 5 chỉ nghiên cứu thí nghiệm ở ngăn thiếu khí – hiếu khí.
Trong nghiên cứu này hiệu suất xử lý COD dao động từ 74 – 96%. Hiệu suất xử lý T-N khoảng từ 23 – 66%. Xét về tương quan C:N:P của nước thải dùng trong nghiên cứu thì tỷ lệ N cao. Với tỷ lệ N cao có ảnh hưởng tới quá trình xử lý.
62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Nghiên cứu xử lý T-P trên hệ AAO cải tiến thu được kết quả sau:
- Khi tăng nhiệt độ hiệu suất xử lý T-P của hệ tăng.CĐ1 hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 17,0 – 28,0%, CĐ2 hiệu suất xử lý T-P của toàn hệ 27,3 - 44,4%.
- Khi chuyển chế độ sục khí gián đoạn hiệu suất xử lý T-P giảm. Giảm từ 27,3 - 44,4% ở CĐ2 xuống 22,4 – 29,0%ở CĐ3.
- Khi thời gian dừng sục khí lâu thì hiệu suất xử lý T-P giảm. Giảm từ 39 - 45% ở CĐ4 xuống 19 - 24% ở CĐ5.
- Kết quả nghiên cứu cho thấy mặc dù nồng độ đầu vào của T-P ở chế độ 1, 2, 3 thấp nhưng hiệu suất xử lý photpho chỉ hiệu quả ở quá trình hiếu khí. Còn quá trình yếm khí là quá trình loại bỏ photpho nếu như xả bùn.
Trên đây là những nghiên cứu một số chế độ vận hành trên hệ AAO, AO cải tiến, để hiệu suất xử lý COD, T-N và T-P đạt yêu cầu mong muốn ở các nhiệt độ khác nhau cần phải có những nghiên cứu tiếp theo khi thay đổi DO và có nhiều chế độ gián đoạn quá trình sục khí ở các khoảng khác nhau để tăng hiệu suất khử N, P đồng thời tiết kiệm năng lượng.
KIẾN NGHỊ
Do thời gian và điều kiện nghiên cứu có hạn, cho nên đề tài mới chỉ dừng lại ở những đánh giá ban đầu. Chính vì vậy, cần có những nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực này để tăng hiệu quả xử lý photpho.