Sau khi xác định đƣợc cặp hóa chất (MgSO4.7H2O và Na3PO4.12H2O) cho hiệu quả cao nhất cùng các điều kiện pH và tỉ lệ phân tử tối ƣu, ta tiến hành khảo sát thời gian khuấy trộn và tốc độ khuấy trộn tối ƣu cho cặp hóa chất này.
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn đến quá trình kết tủa
Điều kiện thí nghiệm
Nƣớc thải đầu vào: CODđầu vào = 9126 mg/l; NH4 +
-Nđầu vào = 492 mg/l. pH thí nghiệm tại pH = 9. Tỉ lệ mol phân tử thí nghiệm tƣơng ứng Mg2+:NH4
+
:PO4 3-
= 1,1:1:1,1. Tốc độ khuấy trộn tại 150 vòng/phút. Thời gian khuấy trộn khảo sát trong khoảng từ 3-60 phút.
Kết quả nghiên cứu được thể hiện trên đồ thị hình 3.7 sau:
Hình 3.7. Ảnh hƣởng của thời gian khuấy trộn tới hiệu quả xử lí NH4+-N và COD
Từ đồ thị hình 3.7 ta thấy, với hiệu quả khử ammoni hiệu suất phản ứng nhanh chóng đạt hiệu quả cao nhất tại thời gian t =10 phút là gần 80%. Sau thời gian trên, cân bằng phản ứng đƣợc thiết lập và hiệu suất xử lí gần nhƣ không đổi trong các thời gian tiếp theo. Hiệu suất loại bỏ ammoni đạt hiệu quả cao ngoài việc do tăng thời gian tiếp xúc giữa các thành phần tạo kết tủa còn là việc tăng thời gian hóa khí của ammoni trong môi trƣờng kiềm.Do đó mà hiệu quả xử lí đạt rất cao.
Lớp KTMT 2012B 50 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
Với hiệu quả xử lí COD, hiệu suất khử COD cũng có cùng xu hƣớng với hiệu quả xử lí ammoni và với thời gian 10 phút hiệu suất đạt gần 20% và sẽ đạt hiệu quả cao nhất tại 30 phút là trên 30%. Sau thời gian trên, hiệu suất khử COD gần nhƣ ổn định. Điều này có thể lí giải do khi các hạt kết tủa tạo thành và dần dần ổn định thì việc duy trì thời gian tiếp xúc lâu hơn với tốc độ khuấy trộn sẽ làm tăng khả năng hấp phụ của các hạt kết tủa đối với các chất hữu cơ có trong nƣớc thải.
Kết hợp lại để hiệu quả xử lý COD và NH4+-N đều đạt cao là ở thời gian 30 phút. Nhƣng mục tiêu chính của nghiên cứu xử lý sơ bộ là đuổi tách NH4+
-N còn COD có thể loại ở khâu xử lý sinh học. Vì vậy ở đây chọn thời gian phản ứng tối ƣu là 10 phút.
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến quá trình kết tủa
Tốc độ khuấy trộn liên quan trực tiếp đến vấn đề năng lƣợng tiêu tốn cho quá trình và khả năng tạo độ xáo động cũng là tăng sự tiếp xúc giữa các thành phần trong phản ứng kết tủa nên việc khảo sát là rất cần thiết.
Điều kiện thí nghiệm
Nƣớc thải đầu vào: CODđầu vào = 9320 mg/l; NH4 +
-Nđầu vào = 495 mg/l. pH thí nghiệm tại pH = 9. Tỉ lệ mol phân tử thí nghiệm tƣơng ứng Mg2+:NH4
+
:PO4 3-
= 1.1:1:1.1. Thời gian khuấy trộn tại t = 10 phút và tốc độ khuấy trộn khảo sát trong khoảng từ 10 - 300 vòng/phút.
Kết quả nghiên cứu được thể hiện trên đồ thị hình 3.8 sau:
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy trộn tới hiệu quả xử lí NH4+-N và COD
Từ kết quả thể hiện trên đồ thị hình 3.8 cho thấy, với việc tách amoni, tại thời gian khuấy trộn là 10 phút, hiệu quả xử lí sẽ tăng khi tăng dần tốc độ khuấy và tại
Lớp KTMT 2012B 51 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
tốc độ khuấy 200 vòng/phút thì hiệu suất khử NH4 +
-N đã đạt 84%. Khi tiếp tục tăng tốc độ khuấy thì hiệu quả xử lí vẫn tiếp tục tăng nhƣng tăng không đáng kể. Lí giải cho điều này, khi tăng tốc độ khuấy nghĩa là tăng cƣờng quá trình đảo trộn trong dung dịch, làm tăng khả năng di chuyển vật chất vào bề mặt kết tủa MAP, làm tăng hiệu quả tách NH4
+
- N và COD. Tuy nhiên, khi tốc độ khuấy quá lớn sẽ lại làm tan trở lại một phần kết tủa, điều đó làm tốc độ kết tủa và hòa tan gần cân bằng nhau, dẫn tới hiệu quả xử lí sẽ tăng không nhiều nữa. Đối với hiệu suất khử COD, nhìn chung khi tăng tốc độ khuấy thì hiệu quả xử lí có xu hƣớng tăng dần và đạt cực đại tại tốc độ khuấy 100 vòng/phút. Khi tăng tốc độ khuấy lên đến 200 vòng/phút thì hiệu quả gần nhƣ không đổi. Tại tốc độ khuấy 250 vòng/phút còn có xu hƣớng giảm nhẹ. Điều này có thể đƣợc giải thích khi tốc độ khuấy tăng lên quá cao tức năng lƣợng cấp vào lớn dẫn tới phá vỡ liên kết giữa các chất hữu cơ với bề mặt kết tủa do đó làm giảm hiêu quả quá trình tách COD. Vì vậy cân bằng giữa bài toán xử lí và bài toán kinh tế thì ta sẽ chọn tốc độ khuấy tối ƣu là 200 vòng/phút. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.4. Nghiên cứu xử lý yếm khí nƣớc thải chế biến cao su
3.4.1. Quá trình hoạt hóa bùn yếm khí và khởi động hệ thống Pilot thí nghiệm
- Bùn yếm khí đƣợc lấy từ bể xử lý yếm khí của hệ thống xử lý nƣớc thải đang hoạt động tại công ty đem về phòng thí nghiệm.
- Bùn sau đó đƣợc loại bỏ bớt các hạt rắn vô cơ, phối trộn thêm với một lƣợng nhỏ vi khuẩn đã đƣợc phân lập, tuyển chọn trong thí nghiệm trƣớc đó trƣớc khi đƣa vào hệ thống Pilot thí nghiệm. Hàm lƣợng VSS trong bùn đƣợc phân tích theo phƣơng pháp phân tích khối lƣợng APHA 2005 là 50000 mg/L.
- Sau khoảng 2 ngày bùn đƣợc nạp vào hệ thống, nƣớc thải đƣợc đƣa vào hệ thống. Ở thời điểm ban đầu vận hành hệ thống, lƣu lƣợng nƣớc thải đƣợc đƣa vào với lƣu lƣợng 4 ml/phút nhờ 01 bơm định lƣợng. COD trong nƣớc thải ở thời điểm khởi động hệ thống là 2000 mg/L.
- Nƣớc thải sử dụng trong quá trình nghiên cứu là nƣớc thải sau quá trình xử lý bậc 1 bằng phƣơng pháp kết tủa MAP có bổ sung thêm các nguyên tố đa lƣợng và vi lƣợng để kích thích quá trình sinh trƣởng của các vi sinh vật trong bùn. Thời gian đầu nƣớc thải đƣợc điều chỉnh pH = 7.
Lớp KTMT 2012B 52 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
- Nhiệt độ đƣợc duy trì ổn định trong thiết bị ở khoảng nhiệt độ tối ƣu cho quá trình xử lý yếm khí có thu Biogas là từ 35oC - 37 oC.
- Trong khoảng 2 tuần đầu sau khi khởi động hệ thống, lƣợng Biogas tạo thành rất ít. Hình 3.9 là các hình ảnh quan sát dƣới kính hiển vi các hạt bùn yếm khí trong giai đoạn khởi động hệ thống. Có thể nhận thấy các hạt bùn thƣờng có hình dạng là hình tròn hoặc bầu dục, với kích thƣớc của đƣờng kính dao động từ 0,2 – 2mm, trung bình là 1,5mm (có một số hạt có kích thƣớc cực đại khoảng 3 – 4 mm). Dựa trên quan sát hình dạng của một số vi khuẩn có trong bùn, có thể nhận thấy có nhiều chủng vi khuẩn yếm khí khác nhau, cả cầu khuẩn và trực khuẩn.
Hình 3.9. Các hạt bùn yếm khí trong giai đoạn khởi động hệ thống
3.4.2. Ảnh hưởng của pH dòng vào
Để nghiên cứu ảnh hƣởng của pH dòng vào tới hiệu quả xử lý của thiết bị, nƣớc thải đầu vào đƣợc điều chỉnh pH thay đổi từ 5,5 – 8,5. Nƣớc thải đƣợc bơm
Lớp KTMT 2012B 53 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
vào trong thiết bị với lƣu lƣợng ổn định là 8ml/phút nhờ 1 bơm định lƣợng, tƣơng ứng với thời gian lƣu của nƣớc thải trong thiết bị là 3 ngày.
Trong nghiên cứu này, nƣớc thải đầu vào đƣợc chuẩn bị với COD dao động trong khoảng 3000 – 4000 mg/l. Nƣớc thải đầu vào cũng đƣợc bổ sung vi lƣợng với tỷ lệ thích hợp 1ml vi lƣợng/1g COD nƣớc thải đầu vào.
Lƣợng khí Biogas thu đƣợc ở thời điểm ban đầu khi mới vận hành thiết bị rất thấp, khi phân tích, CO2 chiếm trên 25%. Sau 2-3 tuần khi thiết bị hoạt động ổn định, lƣợng khí Biogas thu đƣợc tăng lên đáng kể và khi phân tích hàm lƣợng khí CO2 giảm, hàm lƣợng CH4 tăng, khi đốt cho ngọn lửa màu xanh. Trong Biogas thành phần chủ yếu là CO2 và CH4 nên chỉ cần phân tích CO2 rồi suy ra CH4. Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa pH của nƣớc thải dòng vào tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa của thiết bị.
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của pH dòng vào tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa
Từ hình 3.10 Có thể nhận thấy khi pH tăng, hiệu quả xử lý cũng nhƣ hiệu quả khí hóa tăng. Trong khoảng pHopt = 7- 7,5, cho hiệu quả xử lý và hiệu suất thu Biogas (hiệu quả khí hóa) cao nhất (đạt khoảng 0,42 l/g COD chuyển hóa).
3.4.3. Ảnh hưởng của tải lượng dòng vào
Tải lƣợng dòng vào: ( ) 1 2 R TB R TB v V COD V COD Q V QCOD T (g/l.ngày)
Lớp KTMT 2012B 54 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
Để nghiên cứu ảnh hƣởng của tải lƣợng dòng vào tới hiệu quả xử lý của thiết bị, cũng nhƣ hiệu quả thu khí Biogas, nƣớc thải đầu vào đƣợc điều chỉnh COD thay đổi từ 3000 mg/L – 5000 mg/L. Nƣớc thải đƣợc bơm vào trong thiết bị với lƣu lƣợng thay đổi từ 12ml/ phút; 18 ml/phút, 24ml/phút nhờ 1 bơm định lƣợng, tƣơng ứng với thời gian lƣu của nƣớc thải trong thiết bị là 3 ngày, 2 ngày và 1 ngày. pH của nƣớc thải dòng vào đƣợc duy trì ổn định trong khoảng 7 -7,5.
Sau quá trình khởi động hệ thống, khi các nhóm vi sinh vật trong lớp bùn yếm khí đã thích nghi, hệ thống dần đi vào hoạt động ổn định. Để rút ngắn thời gian lƣu và tăng hiệu quả xử lý tải lƣợng dòng vào đƣợc điều chỉnh tăng dần. Bảng 4.1 tóm tắt các kết quả ảnh hƣởng của tải lƣợng dòng vào tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa của thiết bị khi thay đổi lƣu lƣợng và thay đổi hàm lƣợng COD trong nƣớc thải dòng vào.
Bảng 3.1. Kết quả ảnh hƣởng của tải lƣợng dòng vào tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa Lƣu lƣợng (l/ngày) Tải lƣợng ( g/l,ngày) Y COD (%) YBiogas (l/gCOD ch) 12 0,73 63 0,34 12 0,95 65 0,36 12 1,03 68 0,35 18 1,28 69 0,37 18 1,51 72 0,41 18 1,78 74 0,42 18 2,02 71 0,40 24 2,24 64 0,38
Hình 3.11 thể hiện mối quan hệ giữa tải lƣợng dòng vào tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa của thiết bị. Có thể nhận thấy với tải lƣợng đầu vào từ 1,7 – 1,9 g/l.ngày cho hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa cao nhất.
Lớp KTMT 2012B 55 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
Hình 3.11. Ảnh hƣởng của tải lƣợng dòng vào tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa
3.4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ duy trì trong thiết bị
Thí nghiệm đƣợc tiến hành ở 2 dải nhiệt độ là điều kiện thƣờng (25- 30oC) và 35-50oC (duy trì nhờ hệ thống điều nhiệt).
Hình 3.12. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết quả thể hiện trên hình 3.12 cho thấy với cùng thời gian lƣu nhƣ nhau, cùng tải lƣợng đầu vào thì ở dải nhiệt độ từ 35-50oC, lƣợng biogas thu đƣợc nhiều hơn (tăng 20%) và sau 7 ngày tiếp liệu hệ thống, hiệu quả xử lý cũng tăng rõ rệt, hệ thống hoạt động ổn định. Trƣớc đó khi vận hành hệ thống ở điều kiện thƣờng trong phòng thí nghiệm, thời gian khởi động hệ thống lâu hơn, sau 15 ngày mới thấy xuấy hiện khí biogas, hiệu quả xử lý COD đạt khoảng 71%. Có thể nói nhiệt độ ảnh hƣởng khá lớn tới các vi khuẩn metan hóa. Khi duy trì trong điều kiền ƣa ấm, lƣợng CH4 trong biogas đạt khoảng 68% trong khi đó khi để điều
Lớp KTMT 2012B 56 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
kiện thƣờng thì lƣợng CH4 thu đƣợc trong biogas < 50%. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh khí giảm nhiệt độ 3 -5oC hiệu quả thu biogas có thể giảm từ 10-15%.
3.4.5. Ảnh hưởng của chế độ tuần hoàn
- Việc tuần hoàn lại một phần nƣớc thải đầu ra quay trở lại hệ thống xử lý có ý nghĩa rất quan trọng trong việc duy trì chế độ hoạt động ổn định của thiết bị và nâng cao hiệu quả của quá trình khí hóa. Do thiết bị UASB làm việc theo nguyên tắc đẩy, việc thực hiện quá trình tuần hoàn có tác dụng tránh dòng cục bộ, tăng cƣờng đảo trộn nƣớc thải để tạo độ đồng nhất, điều hòa pH trong khoang tiếp liệu và thủy phân và đặc biệt tạo điều kiện thoát khí Biogas, tránh cho bề mặt dung dịch bị một lớp bùn nổi dày bao phủ từ đó tránh hiện tƣợng ức chế cục bộ, tăng khả năng di chuyển vật chất tới vùng phản ứng làm tăng hiệu suất của quá trình xử lý.
- Trong quá trình nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ tuần hoàn tới khả năng xử lý và hiệu quả khí hóa của thiết bị, COD dòng vào của quá trình nghiên cứu đƣợc điều chỉnh dao động trong khoảng 4000 - 4500 mg/L. Nƣớc thải đƣợc cấp vào thiết bị với lƣu lƣợng 8ml/p, tƣơng ứng thời gian lƣu của nƣớc thải trong thiết bị là 2 ngày.
- pH dòng vào đƣợc điều chỉnh trong khoảng pH ~ 7,0- 7,5.
- Tỷ lệ tuần hoàn (Qth/Q) đƣợc nghiên cứu thay đổi từ 50% đến 350%.
Hình 3.13. Ảnh hƣởng của tỷ lệ tuần hoàn tới hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa
Hiệu quả của quá trình tại các tỷ lệ tuần hoàn nƣớc thải đầu ra khác nhau đƣợc thể hiện ở Hình 3.13. Có thể nhận thấy, tỷ lệ tuần hoàn thích hợp cho quá trình là Qth/Q = 2-2,5 lần cho hiệu quả xử lý COD (đạt 74%) và hiệu quả khí hóa cao nhất( 0.42l/g COD chuyển hóa).
Lớp KTMT 2012B 57 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
KẾT LUẬN
Từ kết quả nghiên cứu có thể rút ra một số kết luận sau:
I. Đối với kết tủa MAP trong xử lý nước thải cao su
1. MgSO4.7H2O&Na3PO4.12H2O là hỗn hợp sử dụng cho hiệu quả loại NH4 +
- N cao hơn so với cặp hóa chất MgCl2.6H2O và K2HPO4.3H2O.
2. pH là một thông số quan trọng đối với quá trình loại bỏ NH4+-N trong nƣớc thải chế biến mủ cao su bằng kết tủa MAP. pH tối ƣu cho quá trình loại bỏ ammoni là pHopt = 9.
3. Tỉ lệ phân tử giữa các hóa chất ảnh hƣởng nhiều đến quá trình xử lí. Tỉ lệ quá thấp cho hiệu quả không cao, tỉ lệ quá cao cũng không làm thay đổi nhiều hiệu suất mà còn có thể gây những tác động xấu đến nguồn thải nhƣ việc dƣ thừa photpho có thể gây phú dƣỡng nguồn nƣớc. Tỉ lệ thích hợp đƣợc tìm ra là Mg2+:NH4
+
:PO4 3-
= 1,1:1:1,1.
4. Thời gian và tốc độ khuấy trộn là hai thông số ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu quả tách amoni và năng lƣợng tiêu tốn trong quá trình xử lí. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, thời gian phản ứng đạt tối ƣu tại 10 phút với tốc độ khuấy trộn thích hợp là 200 vòng/phút.
II. Đối với phương pháp xử lý yếm khí nước thải cao su
1. pH là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng tới hiệu quả xử lý yếm khí nƣớc thải cao su. Khoảng pH tối ƣu cho quá trình pHopt = 7- 7,5, cho hiệu quả xử lý cũng nhƣ hiệu suất thu Biogas hay hiệu quả khí hóa cao nhất (đạt khoảng 0,42 m3/kg COD chuyển hóa).
2. Với tải lƣợng đầu vào từ 1,7 – 1,9 m3 COD/kg.ngày cho hiệu quả xử lý cao nhất đạt 74% và hiệu quả khí hóa cao nhất đạt gần 45%.
3. Nhiệt độ ảnh hƣởng khá lớn tới các vi khuẩn metan hóa. Khi duy trì trong điều kiền ƣa ấm, lƣợng CH4 trong biogas đạt khoảng 76%.
4. Tỷ lệ tuần hoàn thích hợp cho quá trình là Qth/Q = 2-2,5 lần cho hiệu quả xử