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 giờ đối với COD và 2 % mỗi giờ đối với Amoni). So với mốc thời gian trước đó là 4 và 5 giờ thì hiệu suất xử lý có dấu hiệu giảm. Do mục tiêu quan trọng nhất là xử lý lượng Amoni (khi Amoni được xử lý thì đồng thời COD sẽ giảm theo) nên dù có tăng thời gian xử lý nhưng hiệu suất tăng không đáng kể chưa kể kéo dài thời gian xử lý sẽ làm nồng độ COD lại có chiều hướng tăng trở lại, do cơ chất đã bị phân hủy hết.
- Các sản phẩm tạo ra trong quá trình oxy hóa Amoni là Nitrit và Nitrat, đây là các sản phẩm không bền nên cần phải chuyển hóa nó về dạng Nitơ phân tử. Trong quá trình chuyển hóa Nitrit và Nitrat về Nitơ sẽ cần một lượng cơ chất nhất định để thực hiện quá trình trên. Để khử 1g Nitrat và Nitrit cần một lượng chất hữu cơ tương ứng từ 3 – 10 g và 1,8 – 6 g tính theo COD. Với hiệu suất chuyển hóa COD như trên, tại thời điểm 6h lượng cơ chất còn khoảng 1350 – 1690 mg/l ;
Chính vì vậy, việc dừng quá trình oxy hóa Amoni tại 6 giờ vừa đảm bảo cho quá trình xử lý Amoni đạt hiệu quả cao và giữ lại cơ chất cho quá trình xử lý Nitrit và Nitrat.
Sau khi lựa chọn mốc thời gian thích hợp cho quá trình sục hiếu khí là 6 giờ, ta tiến hành lặp lại 4 thí nghiệm và đưa ra kết quả sau:
Bảng 3.3 Tỉ lệ hình thành Nitrit/Nitrat sau quá trình oxic (6 giờ) Nồng độ Amoni (mg/l) Nồng độ Nitrat (mg/l) Nồng độ Nitrit (mg/l) Tỉ lệ Nitrit/nitrat Đầu vào TN1 470 – – – Đầu ra TN1 174 94 103 1,10 Đầu vào TN2 453 – – – Đầu ra TN2 168 89 106 1,19 Đầu vào TN3 511 – – – Đầu ra TN3 189 96 121 1,26 Đầu vào TN4 468 – – – Đầu ra TN4 173 91 115 1,26
Từ các kết quả trên ta thấy:
- Tỉ lệ NO2/NO3 luôn lớn hơn 1 (khoảng 1,10 – 1,26) chứng tỏ lượng oxy tuy cấp thừa nhưng vẫn không đủ cho phản ứng oxy hóa để tạo thành NO3 (có thể do khả năng hòa tan oxy trong nước kém). Đây là điều thuận lợi cho quá trình khử Nitrat vì Nitrit chính là hợp chất trung gian. Quá trình càng tạo ra lượng Nitrit nhiều sẽ giúp tiết kiệm được lượng cơ chất cho giai đoạn sau.
Tổng nồng độ Nitơ sau quá trình trên (Nitrat + Nitrit + Amoni còn lại) so với nồng độ Amoni ban đầu chỉ chiếm khoảng 78,9 % – 80,6 %, chứng tỏ rằng đã có một lượng Amoni nhất định tham gia vào quá trình tổng hợp tế bào.