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.
2. Cho 2ml dung dịch ammonium molybdate và 0.25ml (5 giọt) dung
dịch thiếc clorua (SnCl2).
3. Lắc đều mẫu để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Đo mẫu ở bước sóng =
690 nm khi sau 10 phút nhưng phải trước 12 phút.
Tính toán: Ta xác định đường chuẩn trước rồi từ mới tính toán kết quả
phân tích dựa vào đường chuẩn.
Đường chuẩn photpho được xác định như hình phía dưới
y = 2.7853x - 0.6308 R2 = 0.9982 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Abs Đồ thị đường chuẩn Abs mg/L P-PO43- 0.251 0 0.395 0.5 0.744 1.5 0.932 2 1.130 2.5 1.318 3
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 44
Từ đồ thị đường chuẩn suy ra phương trình đường chuẩn là: y = 2.7853x – 0.6308. Với x là Abs; y là nồng độ photpho (mg P-PO4
3-
/L).
Từ phương trình đường chuẩn photpho đã xây dựng, khi tính nồng độ Abs ta
sẽ thế vào phương trình để tính y. Đối với mẫu có pha loãng, khi tính ra ta nhân thêm hệ số pha loãng.
3.2.3.2. Nitơ Kjeldhal - phân tích theo phương pháp phân hủy và chưng cất Kjeldhal [4]
Nguyên tắc: Trong môi trường axit mạnh, nitơ hữu cơ sẽ phân huỷ thành muối ammonium sulphat. Cho ammonium sulphat tác dụng với bazơ mạnh, NH3
được giải phóng khỏi dung dịch axit. Lượng ammonia hữu cơ được hấp thu bởi
dung dịch axit boric bão hoà và được xác định bằng phương pháp định phân thể
tích.
Giai đoạn phân hủy mẫu: Đong 50ml (hoặc pha loãng mẫu thành 50ml) cho vào ống Kjeldhal. Thêm một muỗng xúc tác (K2SO4:CuSO4:Se tỉ lệ 100:10:1). Cẩn thận cho 10ml axit H2SO4 đậm đặc vào ống Kjeldhal, lắc đều. Đặt các ống
Kjeldhal vào giá đun, đun ở nhiệt độ 390oC trong ít nhất là 2 giờ. Khi đun phải bật
máy hút khí, để tránh khí thoát ra trong phòng. Tiếp tục đun cho đến khi dung dịch
trở thành trong, màu vàng rơm, và khói trắng dày đặc trong ống không còn nữa. Tắt
bếpđể nguội. Thực hiện tương tự một mẫu trắng (nước cất).
Giai đoạn chưng cất mẫu: Nốiống Kjeldhal vào hệ thống chưng cất. Đầu
ra nhúng chìm trong dung dịch axit boric (25ml). Chưng cất đến khi axit boric chuyển từ màu tím đỏ sang màu xanh. Dung dịch trong bình tam giác hứng khoảng
200ml. Tiếp theo định phân dung dịch chưng cất thu được bằng dung dịch H2SO4 0.02N đến khi màu tím đỏ ban đầu xuất hiện trở lại. Với lập chương trình vận hành máy chưng cất như sau:
+ Bước 1: Chỉnh thời gian châm NaOH 3 – 5 giây + Bước 2: Chỉnh thời gian phản ứng 5 giây
+ Bước 3: Chỉnh thời gian chưng cất mẫu 300 giây
Cách tính: (V1 – V0) * N * 14 * 1000 Hàm lượng N - hữu cơ (mg/L) = V Trong đó:
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 45 V0: Thể tích dd H2SO4 0.02N sử dụngđịnh phân mẫu trắng (ml)
N: Nồngđộ đương lượng của dung dịch H2SO4định phân
V: Thể tích mẫu phân tích (ml)
Chú ý khi tính ra kết quả, nếu có pha loãng mẫu thì ta nhân cho số lần pha loãng, đó mới là kết quả cuối cùng.
3.2.3.3. N-NH4+ - phân tích NH4+ theo phương pháp chưng cất Kjeldhal [4]
Chưng cất mẫu: Đong 50ml mẫu (hoặc pha loãng mẫu thành 50ml) cho vào ống Kjeldhal. Sau đó thêm 1 muỗng xúc tác MgO và đem vào máy chưng cất.
Đầu ra nhúng chìm trong dung dịch axit boric (25ml). Chưng cất đến khi axit boric chuyển từ màu tím đỏ sang màu xanh. Dung dịch trong bình tam giác hứng khoảng
200ml. Tiếp theo định phân dung dịch chưng cất thu được bằng dung dịch H2SO4
0.02N đến khi màu tím đỏ ban đầu xuất hiện trở lại. Với lập chương trình vận hành máy chưng cất như sau:
+ Bước 1: Chỉnh thời gian châm NaOH 0 giây + Bước 2: Chỉnh thời gian phản ứng 5 giây
+ Bước 3: Chỉnh thời gian chưng cất mẫu 300 giây
Cách tính: (V1 – V0) * N * 14 * 1000 Hàm lượng N - NH4+ (mg/L) = V Trong đó:
V1: Thể tích dung dịch H2SO4 0.02N sử dụngđịnh phân mẫu (ml)
V0: Thể tích dd H2SO4 0.02N sử dụngđịnh phân mẫu trắng (ml)
N: Nồngđộ đương lượng của dung dịch H2SO4định phân
V: Thể tích mẫu phân tích (ml)
Chú ý khi tính ra kết quả, nếu có pha loãng mẫu thì ta nhân cho số lần pha loãng, đó mới là kết quả cuối cùng.
3.2.3.4. Phân tích thành phần photpho trong mẫu MAP
Các mẫu MAP thu ở dạng rắn sau khi lọc ở các thí nghiệm sẽ được gửi đến
trườngĐại Học Bonn - CHLB Đứcđể phân tích bằng phương pháp quang phổ. Kết
quả phân tích được tính theo thành phần phần trăm các chất N, P, K… có trong mẫu.
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 46
Phương pháp: Sử dụng tia X quang để chiếu vào MAP, ứng với mỗi thành phần vật chất có trong mẫu sẽ có 1 tia phản xạ khác nhau. Người ta dựa vào cường độ màu đậm nhạt của tia phản xạ về để xác định thành phần phần trăm những chất
có trong mẫu.
Hình 3.17. Sản phẩm MAP sau khi sấy khô 3.2.3.5. Xác định lượng MgO cần sử dụng
Lượng MgO sử dụngđược xác định dựa vào nồng độ photpho trong nước tiểu đầu vào. Cách thức tính lượng MgO như sau: P-PO4
3-
Tính số mol photpho trong 1 lít nước tiểu
CP-PO43-(g/L)
nphotpho = (mol/L) 31
Tính số mol và khối lượng MgO cần cho 1 lít nước tiểu
nMgO = 1.5 x nphotpho (mol/L)
mMgO = nMgO x 40 (g/L) Trong đó: khối lượng phân tử MgO = 40 (g)
Khối lượng MgO cho mỗi lần thí nghiệm
mMgO = mMgO x Vnước tiểu (g) (Công thức3.1)
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 47
Ta chỉ tiến hành thí nghiệm các cấp bơm lưu lượng nước tiểu khác nhau bơm
P4 (có 3 cấp bơm lưu lượng nước tiểu) với các cấp lưu lượng bơm cấp khí khác
nhau (có 3 cấp bơm lưu lượng cấp khí) do đó ta cần làm 9 thí nghiệm cố định như
bảng sau.
Bảng 3.1. Bố trí thí nghiệm
Thí Nghiệm Nước tiểu (P4) Cấp khí pH DD H2SO4
[l/h] [m³/h] 1 20 85 9,5 20 L 2 30 85 9,5 20L 3 40 85 9,5 20L 4 20 127,5 9,5 20 L 5 30 127,5 9,5 20L 6 40 127,5 9,5 20L 7 20 170 9,5 20 L 8 30 170 9,5 20L 9 40 170 9,5 20L
* Các thông số sau đây ta sẽ cố định:
pH nước tiểu cố định ≥ 9,5
Dung dịch H2SO4 cố định 20 lít (pha H2SO4 với nước theo tỉ lệ 1:20 ta sẽ
có dung dịch H2SO4 cần cho thí nghiệm). Dự tính ban đầu cố định sử dụng 20 lít dung dịch H2SO4 cho 3 thí nghiệm: pha 20 lít sử dụng cho thí nghiệm 1, sau đó ta sử dụng lại lượng axit ở thí nghiệm 1 để dùng tiếp cho thí nghiệm 2 và tiếp tục như
thế từ thí nghiệm 2 cho thí nghiệm 3. Đến thí nghiệm 4 ta sẽ sử dụng 20 lít axit
H2SO4 mới và cũng hoàn lưu cho thí nghiệm 5, 6. Tương tự ở thí nghiệm 7 ta cũng
sử dụng 20 lít axit mới rồi lại hoàn lưu cho thí nghiệm 8, 9. Việc sử dụng lại 3 lần lượng axit nhằm để tránh lãng phí H2SO4 . Nhưng sau khi thí nghiệm thực tế lượng
axit đấy không hấp thu đủ cho 3 thí nghiệm nên đã chuyển xuống hấp thu cho 2 thí nghiệmđể kết quả thí nghiệmđược chính xác hơn.
Nhiệt độ thí nghiệm đạt khoảng 40oC đến 50oC.
* Khi hệ thống hoạt động ta tiến hành thu mẫu để phân tích đánh giá. Theo
yêu cầu của đề tài thì ta cần thu 6 mẫu ở 6 vị trí trong hệ thống cho mỗi lần thí
nghiệm để phân tích
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 48
Bảng 3.2. Vị trí thu mẫu ở các thí nghiệm
3.4. Công thức xác định các hiệu suất xử lý 3.4.1. Hiệu suất xử lý photpho – ortho 3.4.1. Hiệu suất xử lý photpho – ortho
C1(P – PO43-) – C2(P – PO43-)
H (P – PO43-) = x 100 (%) (3.2)
C1(P – PO43-)
Trong đó:
H (P – PO43-): Hiệu suất xử lý photpho – ortho (%)
C1(P – PO43-): Nồngđộ photpho – ortho của mẫu nước tiểuđầu vào (mg/L). Thu mẫu vị trí 1 (TN-1)
C2(P – PO43-): Nồngđộ photpho – ortho của mẫu nước tiểu ở bể thu sau khi lọc MAP (mg/L). Thu mẫu vị trí 3 (TN-3)
3.4.2. Hiệu suất xử lý Nitơ Kjeldhal
C3(N – total ) – C4(N – total )
H N – total = x 100 (%) (3.3)
C3(N – total )
Trong đó:
H N – total : Hiệu suất xử lý Nitơ tổng (%)
C3(N – total ): Nồng độ Nitơ tổng của mẫu nước tiểu ở bể thu sau khi tăng pH và nhiệtđộ (mg/L). Thu mẫu vị trí 4 (TN-4)
Mẫu Vị trí thu mẫu Chỉ tiêu phân tích Thời gian thu mẫu 1 Đầu vào của nước tiểu (TN-1) - Phốtpho tổng
- Đạm tổng, amon Trước mỗi lần thí nghiệm
2 Sản phẩm MAP khi lọc (TN-2) - Phốtpho tổng
- Đạm tổng, amon Đang mỗi lần thí nghiệm
3 Bể thu hồi sau lọc, trước khi tăng nhiệt và pH (TN-3)
- Phốtpho tổng
- Đạm tổng, amon Đang mỗi lần thí nghiệm
4 Bể thu hồi sau khi tăng nhiệt
và pH (TN-4) - Đạm tổng, amon Đang mỗi lần thí nghiệm
5 Dòng nước tiểu sau xử lý thải
ra khỏi cột giải phóng (TN-5) - Đạm tổng, amon Đang mỗi lần thí nghiệm
6 Sau phản ứng tạo dung dịch
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
SVTH: Vương Anh Thế Kiệt 49 C4(N – total ): Nồngđộ Nitơ tổng của mẫu nước tiểuở dòng ra khỏi cột giải
phóng sau khi tách NH3 (mg/L). Thu mẫu vị trí 5 (TN-5)
3.4.3. Hiệu suất xử lý Nitơ – amon (NH4+)
C3(NH4+)– C4(NH4+)
H NH4+ = x 100 (%) (3.4)
C3(NH4+)
Trong đó:
H NH4+: Hiệu suất xử lý Nitơ – amon (%)
C3(NH4+): Nồng độ Nitơ – amon của mẫu nước tiểu ở bể thu sau khi tăng