3.1.1. Địa điểm thực hiện đề tài
Nhà HUBER – Dự án SANSED Khu II – Đại Học Cần Thơ
Phòng thí nghiệm Hoá Kỹ Thuật Môi Trường – Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường – Khoa Môi Trường & TNTN – Trường Đại Học Cần Thơ
3.1.2. Thời gian thực hiện đề tài
Từ 04/08/2008 đến 28/10/2008
3.2. Phương pháp và phương tiện thực hiện 3.2.1. Phương pháp thu gom nguyên liệu đầu vào 3.2.1. Phương pháp thu gom nguyên liệu đầu vào
Để thu gom nước tiểu ở ký túc xá B23, thì trong toilet của các phòng có gắn
bồn tiểu và bồn cầu riêng biệt (khác với các phòng khác ở ký túc xá thường chỉ có
bồn cầu trong toilet chứ không có bồn tiểu), việc tách riêng bồn tiểu bồn cầu này có tác dụng tách nước tiểu riêng ra tránh nước tiểu thất thoát.
Bồn tiểu: Giống các bồn tiểu thông thường, phía dưới có ống dẫn để dẫn
trực tiếp nước tiểu vào đường ống chính, chuyển về bể thu.
Bồn cầu: đây là một loại bồn cầu có khả năng tự động đóng mở bằng một van đặc biệt. Van này chỉ mở khi có áp lực nước tác dụng vào nhằm thu gom triệt để hơn nữa nước tiểu. Nước tiểu theo van xuống ống dẫn, dẫn về bể thu.
Do bơm chìm (P1) đã bị hỏng không bơm nước tiểu lên thí nghiệm được và do
đề tài này sẽ sử dụng lại một số kết quả đã thí nghiệm trong đề tài “Đánh giá hiệu quả xử lý để thu hồi nitơ và photpho làm phân bón của hệ thống xử lý nước tiểu Huber” của sinh viên Châu Ngọc Ánh, ngành KTMT khóa 29. Sử dụng lại một số
kết quả của đề tài trước nên phải đồng nhất về nồng độ chất dinh dưỡng trong nước
tiểu như ở đề tài trước (đề tài trước sử dụng nước tiểu tinh khiết để thí nghiệm). Vì hai nguyên nhân trên nên nguồn nước tiểu để thí nghiệm phải là nước tiểu tinh
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 32
Nitơ amon là 4816 mg/L, Nitơ kjeldhal là 5152 mg/L, Photpho ortho là 425,43
mg/L - phân tích mẫu thử ngày 29/08/2008 tại phòng thí nghiệm Hóa KTMT).
Hình 3.1. Bồn vệ sinh tách nước tiểu khi đi toilet
Tiến hành thu gom: Đầu tiên liên hệ với bốn phòng 5-8 của ký túc xá B23 và toilet nam của nhà trọ 1/3b – đường 30/4 – Thành Phố Cần Thơ, sau đó phân phát
cho mỗi phòng một thùng nhựa có thể tích 30L, các bạn sinh viên sẽ thu gom nước
tiểu vào thùng, mỗi ngày sẽ đến từng phòng thu gom vì tránh để lâu gây mùi hôi cho các bạn. Sau khi thu gom sẽ để vào các thùng 40L để trữ. Thời gian thu gom bắt đầu từ ngày 26/08/2008 đến ngày 23/09/2008.
Hình 3.2. Bình thu gom nước tiểu 30 lít và các thùng chứa 40 lít
Ống dẫn
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 33
3.2.2. Hệ thống xử lý nước tiểu Huber 3.2.2.1. Sơ đồ xử lý 3.2.2.1. Sơ đồ xử lý
Hệ thống sẽ thu lại nitơ và photpho có trong nước tiểu thông qua các quá trình: tạo kết tủa MAP, giải phóng khí NH3 khỏi nước tiểu bằng không khí và hấp thu
NH3 bằng dung dịch H2SO4 để tạo dung dịch (NH4)2SO4.
Thu về Bơm 50 lít MgO Lọc Nước tiểu sau lọc NaOH, tăng to
Bơm P4 Bơm dung dịch
P5 H2SO4 Bơm
cấp khí Khí + NH3
Nước tiểu sau xử lý Không khí hoàn lưu lại
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của hệ thống
Nước tiểu từ
ký túc xá B23
Bể chứa
Bể kết tủa MAP (rắn)
Bể thu nước tiểu
Cột giải phóng Cột hấp thụ dd (NH4)2SO4
(Làm phân bón)
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 34
3.2.2.2. Quy trình công nghệ của hệ thống
Hình 3.4. Bản thiết kế của hệ thống Nguồn nước tiểu Nước tiểu ra Túi lọc Bể thu nước tiểu Chảy tràn Bể chứa Bể trộn tank Bể thu Bể chứa NAOH 50% H o àn l ư u kh í Không khí BỂ KẾT TỦA MgO kết tủa hợp chất photpho và một phần hợp
chất nitơ tạo MAP
CỘT GIẢI PHÓNG
Không khí tách NH3 ra
khỏi nước tiểu
CỘT HẤP PHỤ
Hấp thu NH3 bằng dd H2SO4 tạo dd (NH4)2SO4
Ghi chú:
P1: Bơm nước tiểu từ bể chứa vào bể kết tủa
P2: Bơm NaOH 50%
P3: Bơm hoàn lưu trong bể thu
P4: Bơm nước tiểu sang cột giải phóng
P5: Bơm axit từ bể trộn lên trên cột hấp phụ
P6: Bơm axit từ thùng chứa về bể trộn
P7: Bơm axit sau hấp thu về thùng chứa (NH4)2SO4
Ghi chú: Thông gió Van LS+ LS+ LL Đo mực nước FFF Đo dòng khí Bơm Đo pH và nhiệt độpH Ţ
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 35
Hình 3.5. Hệ thống thực nghiệm ở CHLB Đức
Hình 3.6. Hệ thống thực nghiệm ở nhà Huber sau ký túc xá B23 – Việt Nam 3.2.2.3. Chi tiết hệ thống
a. Bể kết tủa
Bể kết tủa cấu tạo bao gồm: Phía trên là thùng chứa dạng phễu có thể tích 50 lít, bên trong có gắn cánh khuấy. Ở giữa là bộ phậnđể gắn túi lọcđể lọc MAP và hệ
thống dò mực nước max, min để kiểm soát mực nước bên trong của bể thu. Phía dưới cùng có gắn một bể thu, trong bể thu có gắn hệ thống nhiệt và hệ thốngốngđể
gắn đầu dò pH, nhiệtđộ. Phía trên nắp bể kết tủa của gắn motor khuấy và hộp chứa
MgO cung cấp tự động. Ngoài ra bên ngoài còn có bơm P2 (bơm NaOH tăng pH) và bơm P3 (bơm hoàn lưu nước tiểu từ bể chứa về bể chứađể trộnđều nước tiểu).
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 36
Hình 3.7. Bể kết tủa trong thiết kế và thực tế
Hình 3.8. Thùng dạng phễu bên trong có cánh khuấy thể tích 50 lít
Hình 3.9. Bơm P2 và Bơm P3
Hộp MgO Motor khuấy
Nắp quan sát
Đầu dò pH và nhiệtđộ
Bể thu nước tiểu
Nắpđậy hình bán nguyệt
Đầu ra của
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 37
Hình 3.10. Bên trong bể kết tủa và đặt túi lọc để lọc MAP
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 38
b. Cột giải phóng
Hình 3.12. Cột giải phóng trong thiết kế và thực tế
Cột giải phóng là một cột hình trụ dùng để tách NH3 ra khỏi nước tiểu. Nước
tiểuđược bơm bằng bơm P4 vào phía trên của cột, còn không khí được thổi từ phía dưới lên. Ở giữa là lớp vật liệu đệm được làm bằng polypropylen, lớp vật liệu này có tác dụng là nơi giao nhau giữa dòng nước tiểu và dòng khí. Khi giao nhau không khí sẽ mang NH3 ra khỏi nước tiểu. Không khí sẽ đi ra cột giải phóng và đẩy qua cột hấp thụ bằng ống thoát khí ở phía trên cột. Ngoài ra phía dưới cột còn có van thu mẫu nước tiểu sau khi đã tách NH3, và van thoát nước tiểu đã xử lý ra ngoài hệ
thống.
c. Cột hấp thụ
Cột hấp thụ là một cột hình trụ, phía dưới có bố trí bể chứa dung dịch axit
H2SO4. Dung dịch axit được bơm P5 bơm lên từ bể chứa lên trên cột hấp thụ, ở đầu
Nước tiểu vào Không khí ra
Nước tiểu ra sau xử lý Không
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 39
hút dung dich axit của bơm P5 có thông vớiống thu mẫuđể thu mẫu (TN-6) khi thí nghiệm kết thúc. Ở giữa cột cũng là lớp vật liệu đệm polypropylen có tác dụng là
nơi giao nhau giữa dùng khí mang NH3 từ dưới lên và dung dịch H2SO4 từ trên xuống, khi tiếp xúc dung dịch H2SO4 sẽ hấp thu NH3 trong không khí để tạo sản
phẩm (NH4)2SO4. Lắp ở phía trên bể chứa là các đầu dò mực nước min, max trong
bể thu và phía dưới bể chứa có lắp đầu dò pH, nhiệt độ để theo dõi sự thay đổi nhiệt
và pH trong bể chứa. Khi kết thúc sự hấp thu dung dịch axit rơi trở về bể chứa để
tiếp tục được bơm P5 bơm đi hấp thu tiếp. Còn không khí sẽ thoát ra khỏi cột bằng
lỗ thoát phía trên và được máy bơm khí tiếp nhận trở lại để tiếp tục bơm đi vào cột
giải phóng. Sau thí nghiệm dung dịch H2SO4 trong bể chứa đã trở thành dung dịch
sản phẩm (NH4)2SO4, sản phẩm này sẽđược bơm ra bể thu sản phẩm bằng bơm P7. Khi đó ta phải pha tiếp 20 lít dung dịch H2SO4 mới (tỉ lệ 1:20 với nước) từ thùng, rồi bơm vào bể chứa bằng bơm P6 để sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo.
Hình 3.13. Cột hấp thụ trong thiết kế và thực tế Đầu dò pH và nhiệtđộ Đầu dò mực nước Bể trộn Không khí ra khỏi cột Đầuđể bơm axit vào cột Không khí vào cột Đầuđể bơm P5 bơm axit lên
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 40
Hình 3.14. Đầu dò pH - nhiệt độ và máy hiển thị của bể chứa axit
Hình 3.15. Bơm P6 và bơm P7
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 41
3.2.2.4. Cách vận hành hệ thống thực tế
Đầu tiên ta khởiđộng vào hệ thống điều khiển tựđộng bằng cảmứng rồi chọn
chương trình chạy “half auto” là chương trình nửa tựđộng nửa phải chỉnh bằng tay.
Đầu tiên ta tiến hành lấy mẫu nước tiểu nguồn (TN-1), rồi sau đó điều khiển
qua máy cho bơm P1 hoạt động, bơm P1 nước tiểu sẽ bơm nước tiểu vào thùng chứa dạng phễu của bể kết tủa, thùng chứa dạng phễu này có thể tích là 50 lít. Khi nước tiểu đầy phễu ta tắt bơm P1.
Sau đó ta cho lượng MgO cần thiết (đã qua tính toán dựa trên nồng độ
photpho) vào bể để phản ứng tạo kết tủa Magiê – Amon – Photphat (MAP), đồng
thời mở motor khuấy trong vòng 30 phút để trộn đều MgO vào nước tiểu cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Sau khi khuấy 30 phút ta tắt máy khuấy rồi để lắng kết tủa
trong 180 phút. Thời gian này ta có thể tắt hệ thốngđể tiết kiệmđiện. MAP là chất
rắnđược dùng làm phân bón.
Sau khi lắng ta khởi động lại hệ thống, và mở van cho nước tiểu từ phễu qua túi lọc ở giữa (túi lọc dùng để lọc MAP) xuống bể thu nước tiểu. Nước tiểu đã xuống hết bể thu ta dùng bơm P3 bơm hoàn lưu và dùng cây khuấy tay để trộn đều
nước tiểu, khi đã trộn đều ta lấy mẫu (TN-3).
Phản ứng hoá học tạo MAP: CO(NH2)2 + 3H2O 2NH4+ + HCO3- + OH- Mg2+ + PO4 3- + NH4 + + 6H2O Mg(NH4)PO4 (MAP) + 6H2O
Tiếp theo khởi động mở bơm P2 bơm NaOH 50% vào bể để tăng pH, đồng
thời lúc đó mở bơm hoàn lưu P3 và dùng cây khuấy tay trong bể để NaOH được
trộn đều trong bể. Khi pH tăng lên thích hợp khoảng 10.5 thì ta tắt bơm P2 nhưng vẫn để bơm P3 và khuấy tay cho thậtđều. Sau đó ta mở hệ thống nhiệt (ta đặt nhiệt độ là 45oC, khi nhiệt độ lên tới 45oC khoảng sau 30 phút thì ta tắt hệ thống nhiệt, tuy đã tắt nhưng hệ thống vẫn còn có thể tăng nhiệt lên khoảng trên 50oC). Khi đã tăng pH, nhiệt độ và trộn đều xong ta tiến hành lấy mẫu (TN-4). Chú ý khi tăng nhiệtđộ ta tiến hành theo dõi thời gian và sự giảm pH (do khi tăng nhiệtđộ lên thì NH4
+
chuyển thành khí NH3 do đó pH sẽ giảm dần). Quá trình thay đổi nhiệt độ và pH ở bể thu được đầu dò ghi lại và hiển thị trên trên máy, ta có thể quan sát trên máy để ghi nhận sự thay đổiđó.
Chuyển hoá NH4 +
thành NH3 phản ứng thuận nghịch
to, pH
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 42
Nước tiểu khi đã tăng nhiệt độ, pH thì phải tiến hành thí nghiệm liền để tránh NH3 thoát ra. Ta ghi nhận thời gian bắt đầu thí nghiệm ở cột giải phóng và cột hấp
phụ. Mở các bơm theo thứ tự như sau: mở bơm P5 trước, rồi tới bơm cấp khí cuối
cùng là bơm P4 (mở bơm P4 sau cùng là tránh lượng khí NH3 bị thất thoát ra khỏi
hệ thống khi chưa được dung dich axit hấp thụ). Cần xác định lưu lượng của các bơm (bơm cấp khí, P4, P5) và điều chỉnh chúng thích hợp theo yêu cầu của thí nghiệm trước khi tiến hành. Đợi cho hệ thống bơm được một nửa nước tiểu trong bể
thu đi thí nghiệm ta mới tiến hành thu mẫu (TN-5) ở đầu ra xử lý của hệ thống, việc
lấy mẫuở giai đoạn giữađể tránh sai số.
Dung dịch H2SO4 dùng để bơm đi hấp thụ NH3 được pha với nước theo tỉ lệ
1:20, thể tích sử dụng là 20 lít. Khi quá trình hấp thu diễn ra, ta thường xuyên theo dõi sự tăng nhiệt độ ở bể thu sản phẩm (qua đầu dò pH, nhiệt độ và hiển thị qua máy), cứ mỗi 15 phút ta ghi nhận nhiệt độ một lần (lý do tăng nhiệt độ là dòng khí sẽ nóng lên khi tiếp xúc với nước tiểu nóng và lấyđi NH3, dòng khí khi tiếp tục tiếp
xúc với dung dịch H2SO4 sẽ truyền nhiệt qua cho dung dịch H2SO4).
phản ứng tạo (NH4)2SO4
H2SO4 + 2NH3 (NH4)2SO4 (sản phẩm)
Khi gần hết nước tiểu ở bể thu đầu dò min sẽ báo hiệu về hệ thống sau đó máy
tự ngắt bơm P4. Lúc hệ thống tự ngắt bơm P4 thì thí nghiệm đã kết thúc ta tắt bơm
cấp khí. Chú ý ghi nhận thời gian thí nghiệm ở cột giải phóng và hấp thu. Vẫn giữ
bơm P5 thêm một thời gian để trộn đều dung dịch axit H2SO4 đã hấp thu xong. Sau khi đã trộn đều ta tiến hành thu mẫu (TN-6), thu mẫu xong ta tắt bơm P5 và cả hệ
thống. 3.2.3. Các chỉ tiêu phân tích Nitơ tổng Nitơ amon (NH4 + ) Photpho ortho
3.2.3.1. Photpho ortho - phân tích theo phương pháp Thiếc Clorua (SnCl2)
Lý do chỉ phân tích chỉ tiêu photpho ortho mà không phân tích photpho tổng vì
trong nước tiểu nồng độ photpho ortho gần bằng với photpho tổng. Photpho trong
nước tiểu cho toàn bộ khoảng 95 – 100% ở dạng vô cơ và được bài tiết ở dạng ion
photphat (H2PO4 -
, HPO4 2-
), theo [9]. Vì thế ta có thể phân tích photpho ortho để đại
diện cho photpho tổng.
Nguyên tắc: Trong môi trường axit trung bình, photphat dưới dạng ortho
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 43
ammonium photphomolybdate, sau đó chất này bị khử bởi thiếc II clorua cho molybdenum màu xanh dương.
PO43- + 12(NH4)2MoO4 + 24H+ (NH4)3PO4. 12MoO3 + 21NH4+ + 12H2O (NH4)3PO4. 12MoO3 + Sn2+ (molybdenum xanh dương) + Sn4+
Cường độ màu sẽ được đối chiếu với đường chuẩn giúp xác định hàm lượng
ortho photphat trong mẫu.
Trở ngại chính: Lượng mẫu phân tích không được chứa quá 0.04mg ortho
photphat, và hàm lượng silic hòa tan phải dưới 25mg/L. Độ đục là một trở ngại cho phương pháp đo. Cromat cũng như các tác nhân oxy hóa mạnh có thể làm nhạt màu phản ứng. Để loại bỏ các ảnh hưởng trên có thể thêm vào 0.1g axit sunfanilic vào mẫu thử nghiệm trước khi cho molybdate. [4]
Thực hành: Xác định photpho ortho. [4]
1. Lấy 50ml mẫu (hoặc mẫu pha loãng thành 50ml) vào erlen 125ml. Nếu mẫu đục phải lọc hoặc ly tâm trước khi xét nghiệm.