Nƣớc rỉ rác Kiêu Kỵ đƣợc lấy về chứa trong các thùng chứa tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển công nghệ môi trƣờng – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, sử dụng cho cả quá trình nghiên cứu. Tính chất của nƣớc rỉ rác phụ thuộc rất nhiều vào thời gian lƣu trữ, do vậy, trƣớc mỗi đợt xử lý, cần lấy mẫu phân tích lại các thông số đầu vào.
Bảng 2.1. Kết quả một số thông số chính trong nƣớc rỉ rác Kiêu Kỵ thô (19/12/2014)
TT Thông số Đơn vị Kết quả QCVN 25:2009/ BTNMT, cột B
1 BOD5 (20ºC) mg/l 1005 50
2 COD mg/l 3222 300
3 NH4+ mg/l 812 25
4 Tổng Photpho mg/l 26,6 -
5 pH - 8,2 -
Các thông số của nƣớc rỉ rác trong bảng 1 cho thấy giá trị COD và TN rất cao, đặc biệt nồng độ amoni cao gấp 30 lần tiêu chuẩn cho phép. Tỷ lệ BOD5/COD nằm trong khoảng 0,31 cho thấy xử lý bằng phƣơng pháp sinh học sẽ không đạt tiêu chuẩn cho phép. Do vậy, cần có các bƣớc xử lý hóa lý trƣớc khi đƣa vào hệ thống sinh học.
2.2.1. Xử lý hóa lý trƣớc khi đƣa nƣớc rác vào hệ thống MBR
Nƣớc rỉ rác Kiêu Kỵ có pH khoảng 8,2. Sử dụng dung dịch NaOH để điều chỉnh pH lên đến 11, do cân bằng sau sẽ chuyển dịch về phía tạo ra khí NH3 khi môi trƣờng pH≥ 9,5:
NH4+ + OH- ↔ NH3 (↑) + H2O
Tiến hành sục khí đuổi NH3 ra khỏi nƣớc thải trong 2 giờ. Sau quá trình đuổi khí, rút sục khí, tạo điều kiện cho quá trình kết tủa và lắng hydroxit kim loại xảy ra. Với các kim loại nặng đặc trƣng của nƣớc rỉ rác là Cu2+, Ni2+, Pb2+, Hg2+,… thì pH>9 rất thích hợp cho phản ứng kết tủa tạo hydroxit.
Sau khi kết tủa hydoxit lắng, rút phần nƣớc trong ra, điều chỉnh pH xuống 8,5-9 bằng dung dịch H2SO4. Tiến hành hòa trộn hóa chất (dung dịch MgCl2.6H2O và H3PO4) vào nƣớc thải và khuấy nhanh. Thời gian xảy ra phản ứng tạo kết tủa MAP rất
33
nhanh (5-8 phút). Lƣợng hóa chất sử dụng đƣợc tính theo phƣơng trình hóa học sau tùy thuộc vào nồng độ NH4+ đầu vào phân tích đƣợc:
Mg2+ + NH4+ + HPO42- + 6H2O → MgNH4PO4.6H2O (↓)
Trong quá trình phản ứng này, pH của nƣớc rác giảm, cần đo pH và điều chỉnh bằng dung dịch NaOH. Để lắng kết tủa MAP trong thời gian 2 giờ rồi tiến hành rút nƣớc trong, thu MAP. Phân bón MAP có thể đƣợc sử dụng để tƣới cho cây trồng hoặc tận dụng cho quá trình xử lý nƣớc thải bằng wetland.
Nƣớc rác sau quá trình kết tủa MAP đƣợc tiến hành keo tụ dung PAC và chất trợ tạo bông là PAA. Tiến hành keo tụ theo các bƣớc sau:
Khuấy trộn nƣớc thải ở tốc độ cao, bổ sung chất keo tụ PAC, thời gian khuấy nhanh là 30 giây. Tiếp theo là khuấy chậm trong 3 phút.
Bổ sung PAA và khuấy nhanh trong 30 giây, rồi khuấy chậm trong thời gian 5 phút.
Để các bông keo lắng trong 2 giờ, rút nƣớc trong, kiểm tra pH và nồng độ các chất ô nhiễm trƣớc khi đƣa vào hệ sinh học. Sau bƣớc keo tụ - lắng, nƣớc thải đã đạt yêu cầu để đƣa vào hệ thống MBR nên không cần qua bƣớc xử lý oxy hóa nâng cao. Kết quả phân tích các thông số đầu ra cụ thể đƣợc thể hiện trong mục đầu tiên của phần kết quả.
2.2.2. Mô hình MBR
34
Bể phản ứng sinh học kết hợp lọc màng nhúng chìm (iMBR) có thể tích làm việc 45L, gồm 3 bộ phận chính: ngăn thiếu khí (Anoxic) có thể tích 15L, ngăn hiếu khí (Oxic) có thể tích 30L và một modun màng nhúng chìm trong bể hiếu khí. Nƣớc rác sau các quá trình xử lý sơ bộ đƣợc đƣa vào bể Anoxic, sau đó chảy qua ngăn Oxic qua khe hẹp giữa hai ngăn:
Bể Anoxic: diễn ra các quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ và đề nitrat hóa (khử nitrat) trong điều kiện thiếu khí. Bể thiếu khí đƣợc lắp đặt thiết bị khuấy trộn hoạt động tại tốc độ khoảng 100 vòng/phút để duy trì các chất rắn lơ lửng mà không tăng cƣờng sự sục khí dƣ thừa.
Quá trình khử nitrat hóa diễn ra dƣới các điều kiện thiếu khí khi quá trình oxy hóa cacbon hữu cơ diễn ra sử dụng ion nitrat (NO3 ), hình thành nito phân tử (N2) là sản phẩm chính cuối cùng:
10 19 3 10 3 5 2 10 2 3 10
C H O N NO N CO NH OH
Trong phƣơng trình này “C10H19O3N” biểu thị nƣớc thải. Quá trình khử nitrat diễn ra khi các vi sinh vật tùy nghi – các loài xử lý BOD dƣới các điều kiện hiếu khí, có khả năng chuyển hóa nitrat thành khí nito dƣới các điều kiện thiếu khí. Nitrat là chất dinh dƣỡng cần thiết chovi khuẩn dị dƣỡng phân hủy cacbon, Đây là nguyên nhân tại sao nƣớc thải giàu nitrat từ vùng hiếu khí đƣợc tuần hoàn để hòa trộn với nƣớc thải thô. Hầu hết các nhà máy xử lý nƣớc thải MBR thực tế cũng đƣợc thiết kế để đạt đƣợc quá trình khử nitrat [18].
Bể Oxic: diễn ra quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ và quá trình nitrat hóa trong điều kiện cấp khí nhân tạo. Các thiết bị khuyếch tán khí đƣợc đặt tại đáy của bể và tại phía sau điểm cuối của modun màng để cung cấp khí và làm sạch bằng khí. Nồng độ oxy hòa tan đƣợc duy trì trong khoảng từ 3 tới 5 mg/l, đƣợc cấp khí bằng cách điều chỉnh tốc độ sục khí của 3 quả sục khí, mỗi quả sục có lƣu lƣợng cấp khí từ khoảng 3,8 L/phút.
Tổng nito đƣợc loại bỏ nhờ quá trình oxy hóa amoni thành nitrat trong điều kiện hiếu khí, và sự khử nitrat thành khí nito diễn ra trong các điều kiện thiếu khí. Sự hình thành nitrat sinh học từ nito dạng amoni (NH4+) và các điều kiện hiếu khí (quá trình nitrat hóa), diễn ra theo hai giai đoạn riêng biệt:
35 4 2 2 2 2NH 2O 2NO 2H 2H O (amoni → nitrit) 2 2 3 2NO O 2NO (nitrit → nitrat) Tổng quát: NH4 2O2 NO3 H O2
Do bƣớc thứ hai diễn ra với tốc độ nhanh hơn bƣớc đầu tiên, nên nitrit không đƣợc tích lũy trong hầu hết các bể phản ứng sinh học. Tuy nhiên, vì những vi sinh vật này là tự dƣỡng, do đó sự sinh trƣởng của chúng chậm hơn, nên chúng cần SRT tƣơng đối dài để tích lũy và thực hiện quá trình nitrat hóa triệt để. Đây là một ƣu điểm khác của MBR.
Photpho trong nƣớc thải tồn tại ở dạng photphat (octophotphat, photphat ngƣng tụ, photphat hữu cơ), và nó có thể bị loại bỏ bởi sự lắng đọng và/hoặc hấp phụ, hoặc bởi sự hấp thụ bậc cao. Chỉ một lƣợng nhỏ photpho đƣợc sử dụng cho chuyển hóa tế bào và sự sinh trƣởng. Các quá trình kết tủa và hấp phụ yêu cầu pH thích hợp, sự có mặt của các ion sắt hoặc canxi, vv. Quá trình loại bỏ photpho trong hệ thống MBR 2 bậc hiếu khí và thiếu khí đƣợc tăng cƣờng hơn rất nhiều bởi các sinh vật tích lũy photpho (PAOs) đƣợc giữ lại trong bể sinh học, màng MF đóng vai trò nhƣ một rào chắn cơ học giữ lại các PAOs trong bể, sinh khối trong bể không bị mất mát đủ để quá trình loại bỏ photpho xảy ra hiệu quả. Trong điều kiện hiếu khí ở bể oxic, các PAOs tích lũy photpho đơn dƣới dạng photpho trùng ngƣng trong cơ thể (HPO3). Trong điều kiện thiếu khí ở bể anoxic (chỉ có mặt nitrat), quá trình tích lũy photpho cũng xảy ra, vi sinh vật tích lũy photpho có khả năng khử nitrat [37].
Nƣớc sau xử lý qua màng vào trong các sợi rỗng và đƣợc bơm ra ngoài bể chứa bằng bơm dòng thấm. Dòng không khí đƣợc tạo ra dƣới đáy của modun màng để tạo ra sự xáo trộn giúp cọ rửa mặt ngoài các sợi màng, do đó làm giảm sự tích tụ của các chất rắn trên bề mặt màng. Quá trình làm sạch màng đƣợc thực hiện định kỳ để giảm sự tắc màng và duy trì thông lƣợng ổn định cho màng. Modun màng với các sợi rỗng đƣợc làm từ chất liệu Polyvinylidene fluoride (PVDF) với diện tích bề mặt 1 m2 và kích thƣớc lỗ 0,45 µm đã đƣợc sử dụng. Hệ thống hoạt động dƣới điều kiện các màng đƣợc bơm hút chân không áp suất thấp (10 – 15 kPa) bởi bơm tách dòng thấm. Quá trình lọc
36
định kỳ và thời gian nghỉ của màng tƣơng ứng là 60 phút và 10 phút. MBR hoạt động theo chế độ dòng vào liên tục và không xảy ra hiện tƣợng mất mát bùn.
(a) (b)
Hình 2.2. (a) Hệ thống MBR thực nghiệm; (b) Màng MF
2.2.3. Các bƣớc nghiên cứu
2.2.3.1. Khảo sát quá trình thích nghi của bùn hoạt tính với nước rỉ rác
Bùn hoạt hóa nuôi trong các bể đƣợc sục khí liên tục.Nguồn dinh dƣỡng sử dụng để nuôi bùn là đƣờng đỏ, ure, KH2PO4 (hoặc K2HPO4), sắt citrat và MgSO4. Dinh dƣỡng đƣợc pha thành dung dịch để thuận tiện cho quá trình bổ sung dinh dƣỡng cho vi sinh vật hàng ngày: Ure 110 g/l, KH2PO4 30 g/l (hoặc K2HPO4 54 g/l), sắt citrat 0,25g/l và MgSO4 110 g/l. Tỷ lệ dinh dƣỡng cho vi sinh vật ăn hàng ngày: 10 mL dinh dƣỡng mỗi loại và 10 g đƣờng đỏ cho 10L bùn nuôi. Tuy nhiên, tùy thuộc hàm lƣợng bùn có thể thay đổi lƣợng dinh dƣỡng thích hợp. Nuôi bùn trong bể tới nồng độ khoảng 2.000 mg/l, sau đó tiến hành thích nghi bùn với nƣớc rỉ rác.
Nƣớc rác đƣợc sử dụng cho quá trình thích nghi là nƣớc rác sau quá trình tiền xử lý hóa lý. Tiến hành thích nghi bùn với nƣớc rác theo hai giai đoạn. Giai đoạn 1: sử dụng nƣớc rác đã pha loãng 2 lần. Giai đoạn 2 sử dụng nƣớc rác không pha loãng. Trong suốt giai đoạn thích nghi vẫn bổ sung thêm dinh dƣỡng.
37
Tiến hành theo dõi và đánh giá sự phát triển của vi sinh vật trong môi trƣờng nƣớc rỉ rác, theo dõi các thông số MLSS, SVI đến khi hàm lƣợng bùn hoạt tính đạt khoảng 8.000 – 9.000 mg/l, SVI đạt 80 – 90 mg/L thì tiến hành bố trí các thí nghiệm tiếp theo.
2.2.3.2. Nghiên cứu thời gian lưu nước tối ưu
Thí nghiệm đƣợc tiến hành với hàm lƣợng bùn, tuần hoàn bùn tối ƣu cố định, thay đổi thời gian lƣu nƣớc: 4; 6; 8; 12; 16; 20 và 24 giờ. Lấy mẫu đầu ra để phân tích các chỉ tiêu, đánh giá hiệu quả xử lý. Các điều kiện vận hành đƣợc lựa chọn cho nghiên cứu: pH = 7,5±0,2, tỷ lệ tuần hoàn bùn 100%, DO ngăn anoxic = 0,05 mg/l, DO ngăn oxic = 3,0 mg/l, giá trị các thông COD = 1.345 ± 8 mg/l, NH4+ = 246,3 ± 5 mg/l, NO2- = 0,05, NO3- = 2,12 mg/l, TKN = 286 ± 8 mg/l, TP = 35,1 ± 4 mg/l, BOD5 = 755 ± 8 mg/l, SS = 102 ± 6 mg/l, MLSS ~ 9.000 ± 20 mg/l.
2.2.3.3. Xác định hàm lượng bùn tối ưu và ảnh hưởng của hàm lượng bùn tới thông lượng hoạt động của màng
Tiến hành khảo sát tìm ra hàm lƣợng bùn tối ƣu trong ngăn oxic bằng cách chạy hệ thống với thời gian lƣu 8h, tuần hoàn bùn 100% và thay đổi hàm lƣợng bùn ban đầu trong các khoảng: 6.500 ± 40, 7.500 ± 40, 8.500 ± 40, 9.500 ± 30, 10.500 ± 30, 11.500 ± 40 mg/l. Giảm hàm lƣợng bùn bằng cách tăng lƣợng bùn thải bỏ hoặc để ngăn oxic lắng là rút bùn; tăng hàm lƣợng bùn bằng cách không thải bỏ bùn dƣ hoặc bổ sung dinh dƣỡng nuôi bùn để thúc đẩy quá trình sinh trƣởng của vi sinh vật.
Chọn thời gian lƣu cho quá trình xử lý là 20 giờ, pH ~ 7,5± 0,2, tỷ lệ tuần hoàn bùn 100% ± 5%, DO ngăn anoxic = 0,05± 0,01mg/l, DO ngăn oxic = 3,0 ±0,1mg/l. Giá trị các thông số trong nƣớc rác: COD = 1345 ± 8 mg/l, NH4+ = 246,3 ± 12 mg/l, NO2- = 0,05, NO3- = 2,12± 0,3mg/l, TKN = 286 ± 15mg/l, TP = 35,1 ± 5mg/l, BOD5 = 755 ± 5mg/l, SS = 102 ± 10 mg/l. Thay đổi nồng độ bùn trong 6 lần chạy hệ thống.
2.2.3.4. Nghiên cứu tuần hoàn bùn phù hợp để xử lý nước rỉ rác
Tiến hành các đợt chạy hệ thống với thời gian lƣu nƣớc cố định là 8h, hàm lƣợng bùn tối ƣu, thay đổi tuần hoàn bùn: 50; 100; 150; 200; 250 và 300% (tuần hoàn bùn từ ngăn oxic sang ngăn anoxic). Lấy mẫu nƣớc sau xử lý để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống.
38
Chọn thời gian lƣu cho quá trình xử lý là 16 giờ, pH ~ 7,4 ± 0,2, DO ngăn anoxic = 0,05 mg/l, DO ngăn oxic = 3,0 ± 0,3 mg/l. Giá trị các thông số trong nƣớc rác: COD = 1.315 ± 7 mg/l, NH4+ = 221,5 ± 5 mg/l, NO2- = 0,08, NO3- = 2,6 mg/l, TP = 27,2 ± 4 mg/l, BOD5 = 690 ± 10 mg/l, SS = 96 ± 9 mg/l. Tỷ lệ tuần hoàn bùn đƣợc thay đổi: 50%, 100%, 150%, 200%, 250% và 300%.
2.2.3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hữu cơ đầu vào
Thay đổi nồng độ COD trong khoảng từ 1.000 – 5.000 bằng cách bổ sung thêm đƣờng nâu (saccarazo) với liều lƣợng thích hợp (1g đƣờng/l tƣơng đƣơng 1.000 mgCOD/l) để xác định những ảnh hƣởng của nồng độ hữu cơ lên quá trình xử lý C, N, P của hệ thống.
Chọn thời gian lƣu cho quá trình xử lý là 24 giờ, pH ~ 7,5, MLSS ~ 9.000 mg/l, tỷ lệ tuần hoàn bùn 150%, DO ngăn anoxic = 0,05 mg/l, DO ngăn oxic = 3,0 mg/l. Giá trị các thông số trong nƣớc rác: NH4+ = 209,5 ± 8 mg/l, NO2- = 0,09, NO3- = 1,78 mg/l, TKN = 244,9 ± 11mg/l, TP = 27,2 ± 5 mg/l, SS = 115 ± 8 mg/l. Thay đổi nồng độ hữu cơ đầu vào thông qua thay đổi giá trị nồng độ COD từ khoảng 1.000 mg/l tới 5.000 mg/l. Tỷ lệ BOD5/COD ít thay bởi khi quá trình thay đổi COD đầu vào.
2.2.3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ DO
Giữ ổn định các thông số đầu vào nƣớc rác và hệ thống MBR, điều chỉnh tốc độ sục khí của mỗi quả sục khí với lƣu lƣợng cấp khí từ 1,5 tới 5 L/phút để duy trì nồng độ DO trong bể oxic đạt các giá trị từ 1 mg/l, 2 mg/l, 3 mg/l và 4 mg/l. Đánh giá sự thay đổi trong hiệu quả xử lý các thông số chính nhƣ COD, NH4+, TP… khi thay đổi nồng độ DO.
Thí nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của nồng độ oxy lên khả năng hình thành nitrit và nitrat đƣợc tiến hành với điều kiện: thời gian lƣu cho quá trình xử lý là 18 giờ, pH ~ 7,4± 0,2, MLSS ~ 8.000± 50 mg/l, tỷ lệ tuần hoàn bùn 150%, DO ngăn anoxic ~ 0,05 mg/l. Giá trị các thông số trong nƣớc rác: COD = 1.211 ± 6 mg/l, NH4+ = 209,5 ± 5 mg/l, NO2- = 0,09, NO3- = 1,78 mg/l, TKN = 244,9 ± 8 mg/l, TP = 27,2 ± 4 mg/l, BOD5 = 630 ± 7 mg/l, SS = 115± 7 mg/l. Thay đổi nồng độ DO ngăn oxic từ khoảng 1mg/l tới 4 mg/l.
2.2.4. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ nghiên cứu và phƣơng pháp phân tích
39
Hóa chất xử lý hóa lý nước rỉ rác:
NaOH 20N, H3PO4 85%, MgCl2.6H2O (500g/l) để kết tủa MAP. Đồng thời, NaOH 20N sử dụng để kết tủa hóa học các ion kim loại nặng.
Chất keo tụ PAC (100 g/l), chất trợ keo PAA (10 mg/ml) để tiến hành keo tụ. NaOH 20N và H2SO4 98% để điều chỉnh pH.
Hóa chất nuôi vi sinh vật:
Đƣờng đỏ cung cấp nguồn cacbon hydrat cho vi sinh vật.
Ure (NH2)2CO (110 g/l), K2HPO4 (54 g/l) hoặc KH2PO4 (30 g/l) cung cấp N và P cho vi sinh vật.
Sắt citrat (0,25 g/l) và MgSO4 (110 g/l) cung cấp các nguyên tố vi lƣợng cho vi sinh vật.
Hóa chất phân tích các chỉ tiêu và cách pha hóa chất đƣợc chỉ rõ trong từng tiêu chuẩn phân tích.
* Thiết bị
Thiết bị vận hành hệ thống gồm có: hệ thống AO-MBR, bơm nƣớc thải, bơm
tuần hoàn, máy thổi khí, máy khuấy.
* Dụng cụ
Dụng cụ thí nghiệm: thùng đựng nƣớc thải (220 l; 60 l), thùng nuôi bùn (20 l)
Dụng cụ phòng thí nghiệm: cốc thủy tinh 50 ml; 100 ml; 500 ml và 1.000 ml;