Hình 2.1. Sơ đồ quy trình xử lý nước rỉ rác a. Xử lý hóa lý trước khi đưa vào hệ thống SBR
- Điều chỉnh pH: Điều chỉnh pH của nước rác Nam Sơn từ 7,8 – 8,5
lên 11 sử dụng 7,5 – 8 ml dung dịch NaOH 12N.
- Sục đuổi khí NH3 và lắng kết tủa (hydroxit và cacbonat) của kim loại nặng: Quá trình sục đuổi khí NH3 trong 2 giờ. Lúc này, nước thải có pH ~ 11 nên các hydroxit của các ion kim loại nặng như Cu2+, Ni2+, Pb2+,… sẽ được kết tủa và lắng xuống.
- Kết tủa MAP: Điều chỉnh pH của nước thải về 8,5 – 9 sử dụng 1,5 –
1,6 ml H2SO4 đặc cho 1l nước thải. Tiến hành kết tủa MAP với lượng hóa chất sau: 10 g MgCl2.6H2O, 2,3 ml dung dịch H3PO4 đặc và duy trì pH ổn định bằng 3 – 4 ml dung dịch NaOH 12N. Kết tủa MAP được tạo ra nhanh trong khoảng 5 – 10 phút, tuy nhiên cần để lắng nước khoảng 2 giờ để tránh cặn còn lơ lửng. Sau đó rút phần nước trong và thu MAP. Kết tủa này có thể được tận thu làm phân bón.
- Keo tụ hóa học: Nước rác sau quá trình kết tủa MAP được tiến hành
keo tụ. Lựa chọn chất keo tụ là PAC với hàm lượng là 2.000 – 2.500 mg/l và chất trợ keo PAA 10mg/l. Tiến hành keo tụ theo các bước sau:
Nước rỉ rác Nam Sơn Xử lý hóa lý (kết tủa, keo tụ) Hệ thống SBR (Oxic, Anoxic)
+ Khuấy trộn nước thải ở tốc độ cao, bổ sung chất keo tụ PAC, khuấy nhanh là 30 giây; tiếp tục 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, rút nước trong, kiểm tra pH và nồng độ các chất ô nhiễm trước khi đưa vào hệ sinh học
b. Xử lý sinh học
Nước rác sau công đoạn keo tụ và kết tủa amoni được lắng, gạn và đưa vào xử lý sinh học trong bể phản ứng SBR. Đây là công đoạn xử lý chính và được tiến hành nghiên cứu theo các nội dung:
(1) Nghiên cứu hiệu suất xử lý COD, Amoni trong quá trình xử lý hiếu khí. Các mốc thời gian nghiên cứu: 4 giờ; 5 giờ; 6 giờ; 7 giờ; 8 giờ; 16 giờ; 20 giờ; 24 giờ. Từ đó xác định thời gian phù hợp cho giai đoạn này.
(2) Nghiên cứu khả năng chuyển hóa Nitrat và Nitrit trong quá trình xử lý thiếu khí. Các mốc thời gian nghiên cứu giai đoạn này là: 1 giờ; 2 giờ; 3 giờ; 4 giờ. Từ đó xác định thời gian phù hợp cho giai đoạn này.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu
Phương pháp lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu để phân tích các tính chất hóa lý cho nước thải, theo TCVN 4556:88.
- Đối với nước rỉ rác: mẫu được chứa trong can nhựa 20 lít, được che kín và tránh tiếp xúc với sức nóng, ánh sáng;
- Đối với nước rác sau khâu tiền xử lý: mẫu được chứa trong chai nhựa và bảo quản ở 4oC;
- Đối với nước rác sau khi xử lý sinh học: mẫu được chứa trong lọ chứa mẫu chuyên dụng, điều chỉnh pH < 2 và bảo quản ở 4oC.
2.2.2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước
Bảng 2.1. Các chỉ tiêu phân tích và phương pháp phân tích theo
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Thông số Tiêu chuẩn/ Tài liệu
COD TCVN 6491:1999 Chất lượng nước – Xác định nhu cầu oxy hóa hóa học
BOD TCVN 6001–1: 2008 Xác định nhu cầu oxy sinh hóa sau n ngày (BODn)
NO3- TCVN 6268:1997: Xác định NO3- bằng phương pháp cột khử Cadimi
NO2- HDTN 05: Xác định NO2- bằng phương pháp so màu
pH TCVN 6492: 2011 Chất lượng nước – Xác định pH (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
SS, MLSS TCVN 6625: 2000 Chất lượng nước – Xác định chất rắn lơ lửng bằng
cách lọc qua cái lọc sợi thủy tinh
2.3. Bố trí thí nghiệm
2.3.1. Đối tượng và vật liệu nghiên cứu
Đối tượng: Nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn đã qua tiền xử lý hóa lý (kết
tủa MAP, keo tụ).
Thiết bị vận hành hệ thống gồm có:
+ Hệ thống SBR gồm 1 bể phản ứng hình trụ có dung tích 5 lít; đường
kính của bể: D = 0,1 m; chiều cao của bể: H = 0,6 m;
+ Máy thổi khí với vận tốc 70 lít/m3phút;
+Máy khuấy trộn với vận tốc 80 vòng/ phút.
Dụng cụ thí nghiệm: thùng đựng nước thải (20 l), thùng nuôi bùn (20 l)
Dụng cụ phân tích: cốc thủy tinh, pipet, buret, ống đun COD, bình tam giác, đũa thủy tinh, ống đong…
Hóa chất xử lý nước thải: NaOH, H3PO4 85%, MgCl2.6H2O, PAA, PAC, H2SO4…
2.3.2. Tiến hành
Quy trình xử lý nước rỉ rác đã qua tiền xử lý bằng công nghệ SBR được mô tả như sau:
Máy sục khí Máy khuấy Nước vào
đã qua
tiền xử lý Nitrat hóa Khử Nitat
Hình 2.2. Giản đồ hệ thống SBR
Quy trình vận hành:
-Nước thải đã được tiền xử lý hóa lý cùng với bùn hoạt tính được đưa vào bể phản ứng hình trụ có dung tích 5 lít, đường kính D = 0,104 m; chiều cao H = 0,6 m. Với pilot thực nghiệm, nước thải được bơm vào pilot khoảng thời gian là 5 phút (với thể tích 5 lít, lưu lượng Q = 1 lít/ phút) để chạy thích nghi bùn với nước rác trong vòng 7 ngày ở điều kiện nhiệt độ 28°C.
-Quá trình Oxic: sau khi hỗn hợp nước rác và bùn hoạt tính đạt điều kiện để xử lý sinh học, bắt đầu quá trình hiếu khí bằng cách rút 2,5 lít nước thải cũ trong bể phản ứng rồi nạp thêm 2,5 lít nước thải mới. Sục hiếu khí với vận tốc 70 lít/m3phút với điều kiện nhiệt độ 28°C. Tiến hành khảo sát ở các mốc thời gian là 4 giờ; 5 giờ; 6 giờ; 7 giờ; 8 giờ; 16 giờ; 20 giờ; 24 giờ.
-Quá trình Anoxic: sau khi lựa chọn được mốc thời gian thích hợp cho quá trình hiếu khí, tiếp tục quá trình thiếu khí bằng cách rút 2,5 lít nước thải cũ sau quá trình hiếu khí rồi nạp thêm 2,5 lít nước thải mới. Khuấy trộn thiếu khí với vận tốc khoảng 80 vòng/ phút với điều kiện nhiệt độ 28°C. Tiến hành khảo sát ở các mốc thời gian là: 1 giờ; 2 giờ; 3 giờ và 4 giờ.
-Lựa chọn thời gian lắng ở các quá trình là 30 phút dựa theo các nghiên cứu của nhóm nghiên cứu về nước rỉ rác phòng 103 C5-10, Đại học Bách khoa
OXIC (HIẾU KHÍ) ANOXIC (THIẾU KHÍ) BỂ LẮNG
a. Thích nghi bùn với nước rác
Lấy 4 lít hỗn hợp nước và bùn hoạt tính với nồng độ MLSS ≈ 4200 (mg/l) cho vào pilot, sau đó bổ sung 1 lít nước rác.
Thời gian chạy thích nghi: 7 ngày, điều kiện nhiệt độ 25°C Chọn thời gian cho các mẻ thích nghi là 24 giờ. Trong đó: + Thời gian cấp nước: 5 phút
+ Thời gian sục khí: 22 giờ 25 phút + Thời gian khuấy trộn thiếu khí: 1 giờ + Thời gian lắng: 30 phút (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các thông số đánh giá giai đoạn này gồm: Nồng độ bùn MLSS, chỉ số thể tích SVI, pH.
b. Tiến hành xử lý nước thải
Khi hàm lượng bùn đã đạt được đến điều kiện thích hợp ~ 5200 mg/l, bắt đầu quá trình vận hành hệ thống SBR với trình tự sau:
- Rút 2,5 lít nước thải cũ trong bể phản ứng (sau lắng) rồi nạp thêm 2,5 lít nước rỉ rác để tiến hành khảo sát quá trình hiếu khí;
- Mở van sục khí với nguồn cấp khí 70 lít/m3phút, duy trì DO = 2 – 4 mg/l (4 giờ; 5 giờ; 6 giờ; 7 giờ; 8 giờ; 16 giờ; 20 giờ; 24 giờ);
- Đóng van sục khí, bật máy khuấy trộn tốc độ khoảng 80 vòng/phút (1 giờ; 2 giờ; 3 giờ; 4 giờ);
- Tắt máy khuấy trộn và để lắng trong 30 phút;
Sau 30 phút, rút 2,5 lít nước thải đã qua xử lý sinh học mang đi phân tích; tiếp tục nạp 2,5 lít nước rỉ rác để tiến hành mẻ tiếp theo.
c. Giai đoạn sục hiếu khí (Oxic)
Khi quá trình thích nghi đạt trạng thái ổn định, tiến hành nghiên cứu giai đoạn hiếu khí với các chỉ tiêu phân tích chính: COD (vào và ra); Amoni (vào và ra); pH (trong hệ thống); SVI (trong hệ thống); MLSS (trong hệ thống).
Chu trình SBR sẽ thực hiện như sau:
+ Cố định các giai đoạn cấp nước (5 phút); khuấy trộn (1 giờ); lắng (30 phút).
+ Khảo sát thời gian chạy hiếu khí với các mốc sau: 4 giờ; 5 giờ; 6 giờ; 7 giờ; 8 giờ; 16 giờ; 20 giờ; 24 giờ.
(3) Giai đoạn khuấy trộn thiếu khí (Anoxic)
Sau khi tiến hành sục hiếu khí và lựa chọn được mốc thời gian thích hợp, tiếp tục khuấy trộn thiếu khí với chu trình như sau:
+ Cố định các giai đoạn: cấp nước (5 phút); hiếu khí (đã lựa chọn mốc thời gian hợp lý); lắng (30 phút)
+ Khảo sát khả năng chuyển hóa của Nitrat và Nitrit trong các mốc thời gian: 1 giờ; 2 giờ; 3 giờ; 4 giờ.
Các chỉ tiêu phân tích: Nồng độ Nitrat, Nitrit sau giai đoạn hiếu khí đã chọn; nồng độ Nitrat, Nitrit trong các mốc thời gian trên.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Xác định đặc trƣng nƣớc rỉ rác trƣớc sau xử lý hóa lý
3.1.1. Công đoạn tiền xử lý bằng hóa lý
Nước rác Nam Sơn được đo đạc một số thông số như: COD, nồng độ NH4+ và pH trước khi xử lý hóa lý được thể hiện dưới bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quả một số thông số chính trong nước rỉ rác Nam Sơn
TT Thông số Đơn vị Kết quả QCVN 25:2009/ BTNMT, cột B
1 COD mg/l 4700 300
2 NH4+ mg/l 480 25
3 pH – 8,2 -
Dựa vào các thông số của nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn (bảng 3.1) cho thấy giá trị COD và TN rất cao, đặc biệt nồng độ amoni cao gấp 20 lần tiêu chuẩn cho phép. Do vậy, cần có các bước xử lý hóa lý trước khi đưa vào hệ thống sinh học. Nước rỉ rác được tiền xử lý hóa lý bằng cách kết tủa MAP rồi keo tụ, sau đó được mang đi phân tích COD và Amoni
Bảng 3.2. Nồng độ COD và Amoni sau quá trình xử lý hóa lý
COD Amoni (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nồng độ ban đầu (mg/l) 9200 – 10.500 900 – 1150 Nồng độ sau xử lý hóa lý (mg/l) 4300 – 5500 450 – 550
Ta thấy, COD và Amoni trong nước rỉ rác của bãi chôn lấp Nam Sơn có nồng độ ô nhiễm khá cao. Nitơ tồn tại ở dạng NH4+ là chủ yếu. Sau xử lý hóa lý (dừng lại ở bước Keo tụ – Lắng), nồng độ COD và NH4+ giảm đáng kể, hiệu quả xử lý COD và NH4+ của quá trình này là khoảng 45 – 50%.. Nước rác sau xử lý hóa lý được sử dụng cho quá trình vận hành hệ thống SBR.
3.1.2. Giai đoạn thích nghi của bùn với nước rác
Sau khi xử lý nước rác bằng hóa lý, quá trình thích nghi nước rác với bùn hoạt tính được tiến hành trong vòng 7 ngày, sau mỗi ngày đo các chỉ tiêu: MLSS, SVI và pH, ta thu được các kết quả:
Hình 3.1 Tốc độ tăng trưởng của bùn hoạt tính trong quá trình hoạt hóa
Quá trính thích nghi bùn diễn ra trong khoảng thời gian 7 ngày. Bùn được nuôi bên ngoài trước khi cho vào hệ thống chạy thích nghi. Từ đồ thị Hình 3.1 cho thấy: Tốc độ tăng trưởng của bùn rất tốt, bùn thích nghi nhanh chóng với nước thải, tốc độ tăng trưởng đều. Bùn có màu vàng nâu, dần dần chuyển màu nâu sẫm và không thay đổi nhiều từ thời điểm thích nghi 4 ngày; bông bùn dày và kích thước bông to hơn ban đầu. Trong vòng 7 ngày từ lúc bắt đầu hoạt hóa bằng nước thải thật, nồng độ MLSS đã tăng 1653 (mg/l) từ 3562 (mg/l) lên 5215 (mg/l). Đây chính là khoảng thời gian tăng nhanh về số lượng vi sinh vật, đặc biệt là chủng vi khuẩn dị dưỡng cacbon.
Hình 3.2 Biến thiên chỉ số lắng của bùn trong giai đoạn hoạt hóa
3562 3903 4218 4527 4769 4998 5215 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 1 2 3 4 5 6 7 MLSS (mg/l) Thời gian (ngày)
Chỉ số thể tích bùn SVI được đo đạc để đánh giá khả năng lắng của bùn. Từ đồ thị Hình 3.2 ta thấy: khả năng lắng của bùn sau 7 ngày đạt giá trị SVI = 131. Do giá trị này < 150 nên bùn dễ lắng. Qua quan sát bằng mắt thường ta thấy: bùn có màu nâu sẫm, bông bùn to. Ở những ngày đầu còn nhiều bông bùn nhỏ lơ lửng không được lắng hết, tuy nhiên vào khoảng thời gian sau, bông bùn phát triển to hơn, lắng tốt hơn và phần nước phía trên cũng trong hơn. Như vậy, sau thời gian thích nghi, bùn đã đảm bảo yêu cầu để tiến hành thí nghiệm xử lý nước thải.
3.1.3. Giai đoạn Oxic (hiếu khí)
Sau khi cho nước rác chạy thích nghi với bùn hoạt tính, ta tiến hành khảo sát giai đoạn hiếu khí theo các mốc thời gian: 4; 5; 6; 7; 8; 16; 20 và 24 giờ, ta thu được kết quả như trên đồ thị hình 3.3:
Hình 3.3 Đồ thị hiệu suất xử lý COD theo thời gian sục khí
Từ kết quả trên, ta thấy: Trong khoảng thời gian 4 – 8 giờ, hiệu suất chuyển hóa COD tăng rõ rệt (25 %) và tăng chậm trong 8 giờ tiếp theo (9 %) và tăng gần như không đáng kể trong 8 giờ cuối (3 %). Sở dĩ hiệu suất tăng nhanh trong khoảng thời gian đầu là do dưới tác dụng của vi sinh vật, chất hữu cơ sẽ được chuyển hóa thành CO2 , H2O, NH3 và năng lượng phản ứng ΔH (các sản phẩm này đều là các hợp chất bền trong môi trường). Ngoài ra, trong khoảng thời này vi sinh vật dị dưỡng Cacbon sẽ cần một lượng cơ chất lớn để tăng về số lượng nên hàm lượng COD giảm rất nhanh.
Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn này bao gồm 2 quá trình: Phân hủy chất hữu cơ và tổng hợp tế bào vi sinh vật [6]:
CxHyOz + (x+y/4+z/3+3/4) O2 men vsv x CO2 + (y-3)/2 H2O + NH3 + ΔH (3.1) CxHyOzN + NH3 + O2 men vsv C5H7NO2 + CO2 + ΔH (3.2)
Trong đó:
+ CxHyOzN là tất cả các chất hữu cơ của nước thải;
+ C5H7NO2 là công thức theo tỉ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vsv;
+ ΔH là năng lượng.
Trong 8 giờ tiếp theo, hiệu suất xử lý COD tăng khoảng 9 % so với khoảng thời gian 4 – 8 giờ thì hiệu quả giảm khoảng 2,7 lần. Khi thời gian sục khí chạm mốc 24 giờ, hiệu suất khử COD đạt 88 %. Tuy nhiên, rõ ràng nhận thấy, tại thời gian 16 giờ và 20 giờ hiệu suất chỉ đạt 85 % và 87 %; nếu tiếp tục sục khí nữa thì hiệu suất sẽ gần như sẽ không tăng. Mặc dù nồng độ COD còn lại khoảng 500 – 650 mg/l vẫn chưa đạt tiêu chuẩn xả thải cột B2, QCVN 25:2009/BTNMT nhưng chủ yếu là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy hoặc không có khả năng phân hủy sinh học. Do đó, việc sục khí tiếp sẽ không mang lại hiệu quả cả về kinh tế lẫn kỹ thuật.
Từ đồ thị Hình 3.4 ta thấy: hiệu suất chuyển hóa của Amoni cũng tăng nhanh trong giai đoạn từ 4 – 8 giờ (11 %); tăng chậm dần trong khoảng thời gian từ 8 – 16 giờ (10 %) và tăng rất chậm trong khoảng 16 – 24 giờ. Qua đó dễ dàng nhận thấy, cùng các mốc thời gian nhưng khả năng chuyển hóa của amoni thấp hơn hiệu suất xử lý COD. Nguyên nhân là do chủng vi sinh vật tự dưỡng nitơ sẽ phát triển chậm hơn so với vi sinh vật dị dưỡng Cacbon.
Mặc dù hai quá trình oxy hóa amoni và COD được thực hiện bởi 2 loại chủng vi sinh khác nhau, độc lập với nhau về quá trình nhưng tác động lẫn nhau về tốc độ và hiệu quả xử lý. Hiện tượng cạnh tranh nguồn oxy trong cùng một bể phản ứng giữa hai chủng vi sinh kia là nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất xử lý khác nhau cho dù lượng cấp Oxy vào luôn đảm bảo trong khoảng từ 3 – 4 mg/l.
Qua 2 đồ thị Hình 3.3 và 3.4: Chọn thời gian tối ưu cho quá trình xử lý hiếu khí là 6 giờ vì:
- Tại thời điểm 6 giờ, hiệu suất chuyển hóa COD đạt 69% và Amoni đạt 63%; bắt đầu tăng chậm khi thời gian dịch chuyển đến mốc 7 và 8 giờ (khoảng 4 % mỗi