3.3.1. Mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn
So sánh với các công nghệ kỵ khí trước đó thì công nghệ MCABR- bể phản ứng sinh học kỵ khí nhiều ngăn chính là sự cải tiến của chúng- những bể phản ứng một ngăn gồm nhiều giai đoạn. Với bể phản ứng dạng cột chỉ gồm một ngăn trong đó diễn ra tất cả các quá trình phân huỷ kỵ khí, sẽ gây ra sự chồng chéo giữa các giai đoạn, làm giảm hiệu quả xử lý cũng như khả năng thu hồi khí sinh học.
Đối với bể phản ứng 03 ngăn, sự ngăn cách về mặt vật lý của hai giai đoạn acid hóa và metan hóa có thể làm tăng sự ổn định bởi vì sự quá tải của ngăn phản ứng Metan có thể được ngăn chặn do bước acid hóa được kiểm soát chặt chẽ. Hơn thế nữa, việc tách pha cũng cho phép duy trì mật độ vi khuẩn tạo acid và metan
thích hợp ở các ngăn phản ứng và làm tối đa hoá hoạt động của hai nhóm vi khuẩn này bằng cách áp dụng các điều kiện hoạt động tối ưu quyết định bởi sự chuyển hóa và đặc điểm động lực sinh học của cả hai nhóm. Cuối cùng, ngăn phản ứng pha acid giúp thay đổi chất nền dần dần thích hợp cho giai đoạn metan hóa
Hình 3.1. Mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn
a. Kích thước mô hình:
Mô hình làm bằng tấm mica, dày 5 mm; được chia làm 03 ngăn bằng tấm mica dày 5 mm, có khoảng trống giữa các vách ngăn với nắp mô hình khoảng 2 mm để khí sinh học sinh ra từ ba ngăn có thể thoát chung về van xả khí, van này được bố trí ở giữa nắp mô hình (Hình 3.1). Các vật liệu cấu thành mô hình được gắn kết với nhau bằng silicol.
Chiều dài 450 mm (ngăn 1: 100mm, ngăn 2: 150mm, ngăn 3: 200mm), chiều rộng 100 mm, chiều cao 600 mm,
Mô hình có 3 vị trí lấy mẫu tương ứng cho 3 ngăn và 1 vị trí thu biogas, thể tích tổng cộng mô hình thí nghiệm 27 lít. Nước vào Nước ra Van 4 Van 5 Van 6 Van 2 Van1 Van 8 Van 9 Van 7 Van 3
Các ngăn được chia cách bằng tấm mica dày 5,0 mm, khoảng trống giữa các vách ngăn với nắp mô hình là 2 mm, là nơi khí sinh học sinh ra từ ba ngăn thoát chung về van xả khí, van này được bố trí ở giữa nắp mô hình
Các vật liệu cấu thành mô hình được gắn kết với nhau bằng ba loại keo : AB, 502 và silicol.
Mô hình được bố trí tổng cộng 05 van, đường kính Φ = 13 mm, đảm nhiệm các chức năng sau :
− Van 1: Dẫn nước thải vào mô hình
− Van 2: Thoát nước sau xử lý
− Van 3, van 4, van 5: Lấy mẫu tương ứng cho 3 ngăn.
− Van 6: Xả biogas.
− Van 7,8,9: Xả bùn
b. Bố trí vật liệu đệm
Giá thể được cắt thành từng miếng sau đó kết nối vào từng khung nhỏ có kích thước tương tự, từng khung nhỏ này (sau khi đã kết nối giá thể) được xếp trật tự vào một khung khối hộp chữ nhật (khung giá thể nhỏ hơn ngăn phản ứng để thuận tiện trong thao tác vận hành). Phương pháp bố trí giá thể kiểu này làm chế độ thủy lực ở các vị trí trong ngăn phản ứng đồng đều, hạn chế tổn thất thủy lực, đồng thời giúp kiểm soát chế độ thủy lực trong ngăn phản ứng.
Hình 3.3. Bố trí vật liệu đệm trong mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn c. Phân phối nước
Trên mỗi tấm vách ngăn được khoan hai hàng lỗ so le nhau có đường kính
Φ = 6,0 mm là nơi để nước tràn từ ngăn này qua ngăn khác.
Chín lỗ phân phối nước của vách ngăn thứ nhất chia cách ngăn 1 và ngăn 2 được bố trí cách nắp mô hình 30% tổng chiều cao, cho phép nước tràn theo hướng từ trên xuống. Các lỗ phân phối nước của vách ngăn thứ 2 chia cách ngăn 2 và ngăn 3 được bố trí cuối vách ngăn, cho phép nước dâng từ dưới lên.
Ở ngăn giữa, để tránh tình trạng cục bộ do nước chảy từ trên xuống không phân phối đều khắp bề mặt vật liệu nên bố trí thêm một tấm plastic có 5 lỗ Φ = 6.0 mm phân bố theo đường chéo hình vuông và đặt phía trên bề mặt lớp vật liệu đệm, thực hiện chức năng phân phối nước.
Bơm định lượng: Bơm định lượng với lưu lượng là 1,4 l/h, trên mặt bơm có
chia lưu lượng: 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%
Hai ống được bố trí 2 đầu bơm: ống phía dưới bơm được gắn với nước đầu vào và ống phía trên được gắn vào đầu vô của mô hình.
Hình 3.4. Bơm định lượng
3.3.2. Mô hình cột lọc kỵ khí:
Mô hình cột lọc kỵ khí chứa vật liệu rắn trơ làm giá thể cố định cho VSV kỵ
khí sống bám trên bề mặt. Giá thể được sử dụng chung dạng với vật liệu đệm sử dụng trong bể kỵ khí ba ngằn dòng thải phân bố đều từ dưới lên trên tiếp xúc với màng VSV trên giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn tới lượng vi sinh trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy, thời gian lưu nước
nhỏ và có thể vận hành ở tải trọng cao.
− Chiều cao xây dựng: 100cm
− Chiều cao làm việc: 95cm
− Đường kính xây dựng: 20 cm
− Bề dày lớp mica 5 mm
− V = 31 lít (thể tích chứa nước thải và giá thể là 27 lít)
Vậy thể tích toàn bộ mô hình (gồm bể ba ngăn và cột lọc) là 54 lít
Hình 3.6. Mô hình kỵ khí ba ngăn trong thực nghiệm
Hình 3.8. Mô hình kỵ khí ba ngăn kết hợp với cột lọc kỵ khí trong thực nghiệm
3.4. NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 3.4.1. Nước thải dệt nhuộm 3.4.1. Nước thải dệt nhuộm
Nước thải được sử dụng trong quá trình chạy thích nghi được pha tại Phòng Thí nghiệm Viện MT &TN TP HCM với thành phần được mô phỏng giống như nước thải từ các nhà máy, bao gồm chủ yếu là màu nhuộm hoạt tính (bao gồm 3 màu Yellow 25; Red 195 và Blue 76). Theo một số nghiên cứu trước đây, điều kiện đảm bảo cho VSV kỵ khí phát triển tốt nhất thì tỷ lệ dinh dưỡng COD : N : P là 200 : 5 : 1. Chính vì vậy ta phải bổ sung Nito và Photpho bằng cách bổ sung (NH2)2CO và K2HPO4.3H2O vào nước thải. Nước thải được bảo quản trong tủ lạnh phòng Thí nghiệm ở 4oC.
Nước thải chạy thực nghiệm được pha theo cách pha của đề tài nghiên cứu của nhóm tác giả C. O’Nell, A. Lopez, S. Esteves, F. R. Hawkers được công bố
aerobic treatment system operating on simulated textile effluent “ và được
pha phù hợp với thuốc nhuộm và diều kiện hóa chất nước ta.
a. Hóa chất pha nước thải chạy thích nghi sử dụng trong thực nghiệm
Bảng 3.2. Thuốc nhuộm REACTIVE BRILLIANT RED K-2BP (C.I.REACTIVE RED 24 )s
Tên thương mại Tên thuốc nhuộm
(C.I)
Xuất xứ λmax nm
Reactive Brilliant
Red K-2BP C.I. Reactive Red 24 Trung Quốc 675
- Urê (NH2)2CO, Glucô C6H12O6
- Kali bihydro photphat K2HPO4.3H2O
- K2Cr2O7, H2SO4 đậm đặc, dd FAS, feroin
b. Thiết bị:
- Máy đo pH, máy đo độ màu, máy đo DO
- Tủ sấy, tủ nung, cân phân tích
- Pipet, erlen, buret, bóp cao su, ống đong, bình chuẩn độ, ống COD,
bình đo BOD
c. Cách pha nước thải chạy thích nghi:
- Phân tích thuốc nhuộm:
Bảng 3.3. Chỉ số COD 1 lít nước thải pha với khối lượng tương ứng
Chỉ số Thuốc nhuộm (0,1g/lít) Gluco (1g/lít)
COD 177 936
- Lưu ý: Ở giai đoạn chạy thích nghi ta đưa về điều kiện thuận lợi cho vi
sinh vật phát triển nên ta chọn tỉ lệ COD/BOD = 2. Theo bảng ta thiết lập phương trình :
- 177X + 936Y = A (1)
- X = 2Y (2)
- Và C : N : P = 200 : 5 : 1 (3)
- Vậy: với (1), (2), (3) ta tính được khối lượng các chất pha tương ứng trong
giai đoạn chạy thích nghi.
d. Hóa chất pha nước thải chạy thực nghiệm
- Thuốc nhuộm REACTIVE BRILLIANT RED K-2BP (C.I.REACTIVE
RED 24 )
- NAOH, CH3COOH, FeSO4.7H2O, ZnSO4.7H2O, MnCl2.4H2O,
CuSO4.5H2O, Co(NO3)2.6H2O, NaB4O7.10H2O, NiCl2.6H2O, NH4Cl, (NH4)2SO4, Na3PO4, Na2HPO4
- K2Cr2O7, H2SO4 đậm đặc, dd FAS, feroin, HCl
e. Cách pha nước thải chạy thực nghiệm:
Chuẩn bị 4 dd:
- Thuốc nhuộm (10g/l) được thủy phân với NAOH đến pH = 12 ở 80oC trong
1h30 phút (dd A1).
- Tinh bột (100g/l) thủy phân với NAOH (40g/l) ở nhiệt độ phòng qua đêm
(dd A2).
- CH3COOH (dd A3).
- Pha 1lít gồm 5g FeSO4.7H2O, 0,011g ZnSO4.7H2O, 0,1g MnCl2.4H2O, 0,392g CuSO4.5H2O, 0,248g Co(NO3)2.6H2O, 0,177g NaB4O7.10H2O, 0,025g NiCl2.6H2O, 0,23g NH4Cl, 0,28g (NH4)2SO4, 0,123g Na3PO4 và 0,038g
- Na2HPO4 (dd A4).
Pha trong một lít nước thải:
- 0,45 g/l A1 à 9 ml
- 2,9 g/l A2 à 58 ml
- 530 mg/l A4 à 0,53 ml
Hình 3.9. Mẫu nước thải dệt nhuộm mô phỏng
Giá trị COD trong nước thải mô phỏng đầu vào được cố định bằng glucosse theo nồng độ nghiên cứu. Để vi sinh vật hoạt động ổn định, nước thải mô phỏng được bổ sung NH4Cl, K2HPO4 đảm bảo cho tỷ lệ COD : N : P = 200 : 5 : 1; pH được điều chỉnh bằng acid (H2SO4) hoặc xút (NaOH) khoảng trung tính (pH ≈ 7); ngoài ra, các khoáng chất và vi lượng cũng được cho thêm vào để cho vi sinh vật phát triển (Bảng 3.4).
Bảng 3.4. Thành phần dinh dưỡng bổ sung vào dòng vào mô hình
Dinh dưỡng Nồng độ(g/l) FeSO4.7H2O 5 ZnSO4.7H2O 0,011 MnCl2.4H2O 0,1 CuSO4.5H2O 0,392 Co(NO3)2.6H2O 0,248 NaB4O7.10H2O 0,177 NiCl2.6H2O 0,025 NH4Cl 0,23 (NH4)2SO4 0,28 Na3PO4 0,123 K2HPO4 0,038
3.4.2. Sinh khối – bùn kỵ khí
Nguồn sinh khối cung cấp cho mô hình trong suốt quá trình nghiên cứu là bùn vi sinh được nuôi cấy bởi Công ty Phân bón Hoà Bình – Quận Tân Phú – Tp. Hồ Chí Minh. Tỷ lệ TS/VS = 0,55 – 0,6; MLVSS = 40 (g/l). Bùn được sử dụng cho cho mô hình sinh học kỵ khí và cho chạy thích nghi với nước thải mô hình để tạo màng vi sinh bám dính trên vật liệu đệm với nồng độ MLSS là 15g/l.
Hình 3.10. Bùn vi sinh được nuôi cấy bởi Công ty Phân bón Hoà Bình – Quận Tân Phú – Tp. Hồ Chí Minh
Bùn kỵ khí được lấy từ bùn thải từ trạm xử lý nước thải dệt nhuộm được ủ và chạy thích nghi trong mô hình.
3.4.3. Giá thể vật liệu đệm
o Dạng sợi xù xì, tăng độ dính bám cho màng VSV, đan thành lưới
o Cấu tạo vật liệu: sợi tổng hợp acrylic
o Bề mặt riêng : 146,5m2/m3
o Khả năng dính bám : 0,5 - 0,6 g-SS/g-vật liệu
o Đặc tính dính bám của sinh khối : dạng khối
Hình 3.11.Cấu tạo giá thể
Hình 3.12. Giá thể trong mô hình thực nghiệm
3.5. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH
Nước thải sau khi được chuẩn bị theo mục đích nghiên cứu được chứa trong một bình có thể tích V = 55 lít và được bơm vào bể sinh học kỵ khí ba ngăn bằng bơm định lượng đảm bảo thời gian lưu trong bể trong thời gian điều chỉnh. Nước thải được dẫn vào ngăn 1 theo hướng từ dưới lên, qua lớp vật liệu đệm và tràn qua ngăn 2. Trong ngăn thứ 2, nước chảy theo chiều từ trên xuống, tràn qua vách ngăn và đi vào ngăn 3. Tại đây, nước thải dâng theo hướng từ dưới lên và thoát ra ngoài,
kết thúc quá trình xử lý bậc một tại bể sinh học ba ngăn. Nước thải đầu ra sau bể sinh học ba ngăn được dẫn vào cột lọc sinh học. Vì tổn thất áp lực nước lớn nên nước tại đầu ra của bể sinh học ba ngăn không thể chảy trực tiếp vào cột lọc, nên ta bố trí bơm trung gian bơm nước thải từ bể ba ngăn vào cột lọc. Bơm trung gian này được điều chỉnh lưu lượng sao cho thời gian lưu trong cột lọc ta mong muốn. Tại cột lọc sinh học, nước chảy ngược lên, thông qua lớp vật liệu tiếp xúc và được xả ra tại van trên cùng của cột.
Hình 3.13. Mô hình sinh học kỵ khí ba ngăn kết hợp với lọc sinh học kỵ khí
3.6 CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH MÔ HÌNH
Nước thải được lấy kiểm tra pH, COD, BOD và độ màu tại các van dọc trên mỗi mô hình và tại đầu ra phía trên mỗi mô hình. Tại mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn điểm lấy mẫu được xác định tại 4 vị trí: Nước thải đầu vào và các van lấy mẫu tại mỗi ngăn (van 3, van 4 và van 5). Đối với mô hình cột lọc sinh học kỵ khí, 4 vị trí được điểm trên cột tương ứng với 3 van lấy mẫu và van xả nước thải.
Các chỉ tiêu phân tích pH, độ màu và COD tại đầu vào và ra của mô hình nhằm xác định hiệu quả xử lý pH, độ màu và COD, BOD của mô hình. Ngoài ra, một số chỉ tiêu như: độ kiềm, hàm lượng amonia, lượng khí CH4 sinh ra cũng cần
được theo dõi trong suốt quá trình thí nghiệm do ảnh hưởng đến là với các vi khuẩn sinh methane. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian tiến hành thí nghiệm, nên đề tài không thể đánh giá các chỉ tiêu độ kiềm, hàm lượng amonia và lượng khí CH4 sinh ra cũng như khả năng chuyển hóa hàm lượng Nitơ trong nước thải sau khi qua mô hình kỵ khí.
3.7. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM
3.7.1. Thí nghiệm giai đoạn thích nghi
• Mục đích:
Giai đoạn thích nghi nhằm giúp các VSV ở bể kỵ khí thích nghi dần với nước thải dệt nhuộm, đồng thời giúp tạo lớp màng vi sinh bám trên bề mặt lớp vật liệu lọc để xử lý nước thải, vật liệu đệm trước khi đưa vào mô hình được trộn với bùn
kỵ khí.
• Cách tiến hành:
Ta vận hành mô hình thí nghiệm hoạt động với nước thải dệt nhuộm cho vào có hàm lượng COD thay đổi từ 400 mg/l, 600mg/l, 800mg/l. Vì giai đoạn thích nghi diễn ra rất chậm, nên với mỗi giá trị COD, tiến hành chạy liên tục trong 10 ngày để xác định hiệu suất xử lý ổn định. Thời gian chạy thích nghi được chấm dứt trong khoảng 30 ngày, khi lớp màng vi sinh hình thành rõ trong mô hình xử lý, sinh khối bùn tăng và hiệu suất xử lý COD và độ màu của toàn mô hình đạt khoảng 75%
Thời gian vận hành mô hình trong giai đoạn này là 48h. Sau đó ta tiến hành xả nước. Lưu lượng bơm tương ứng thời gian lưu nước 48h là 1,14 lít/h, vạch 45% của bơm định lượng.
Số lần lấy mẫu phân tích là 15 lần.
3.7.2. Thí nghiệm giai đoạn tăng tải trọng
• Mục đích:
Xác định tải trọng COD tối ưu của mô hình, thời gian lưu tối ưu đạtt hiệu
quả xử lý màu tối ưu, từ đó khảo sát ảnh hưởng các yếu tố tới hiệu suất xử lý màu,
COD, BOD của mô hình lọc sinh học kỵ khí ba ngăn kết hợp lọc kỵ
• Cách tiến hành:
Mẫu nước thải được mô phỏng theo tính chất và thành phần nước thải ngành dệt nhuộm sau quá trình nhuộm vải cotton của quá trình nhuộm. Do nước thải sau quá trình này có sử dụng công đoạn giũ hồ làm hàm lượng COD, BOD trong nước thải cao phù hợp với mô hình nghiên cứu kỵ khí.
Mô hình được vận hành liên tục tăng dần theo tải trọng từ 1,77; 1,974; 2,612; 3,762 kgCOD/m3.ngày.đêm. Ở mỗi tải trọng ta tiến hành chạy liên tục để đảm bảo lấy mẫu 3 lần mỗi lần cách nhau 2 ngày. Tổng thời gian cho giai đoạn này là 60 ngày. Mẫu được lấy phân tích hằng ngày theo từng tải trọng xử lý. Các thông số theo dõi: pH, COD, BOD, độ màu.
Lập bảng thay đổi độ màu dòng vào tức nồng độ màu thay đổi, khảo sát các thông số dòng ra pH, COD, BOD, độ màu theo tải trọng COD và thời gian lưu.