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.
3.7.3. Thí nghiệm xác định thời gian vận hành tối ưu
• Mục đích:
Xác định thời gian lưu nước mà mô hình xử lý đạt hiệu quả cao nhất. Mang lại hiệu quả nhất về mặt kinh tế.
• Cách tiến hành:
Từ kết quả của giai đoạn tăng tải trọng ở trên, ta tiến hành thí nghiệm xác định thời gian vận hành tối ưu cho mô hình với nước thải đầu vào có hàm lượng COD tương ứng với tải trọng tối ưu.
Vì thời gian không cho phép nên nghiên cứu này chỉ khảo sát ở 3 thời gian lưu là 54h; 48h; 36h; 24h. Ở mỗi thời gian lưu ta lặp lại thí nghiệm 5 lần để xác định được hiệu suất ổn định. Mẫu được lấy theo từng van dọc suốt mô hình
Bơm lưu lượng được điều chỉnh theo từng thời gian lưu khác nhau được trình bày ở bảng 3.5.
Bảng 3.5. Vạch bơm tương ứng với lưu lượng và thời gian lưu
Thời gian lưu
Lưu lượng bơm (lít/h) Vạch bơm máy bơm 1 (3 ngăn) Vạch bơm máy bơm 2(cột lọc) 54h 1 39% (ở 75%) 11% 48h 1,125 40% (ở 75%) 13% 36h 1,5 44% (ở 75%) 17% 24h 2,25 50% (ở 75%) 22%
Mẫu được lấy ở mỗi ngăn của bể sinh học kỵ khí 3 ngăn và từng van của cột lọc sinh học, ứng với mỗi vị trí là thời gian lưu khác nhau, ở vị trí nước thải ra là thời gian lưu của toàn bộ mô hình xử lý.
3.8. LẤY MẪU, BẢO QUẢN MẪU VÀ PHÂN TÍCH MẪU
Mẫu từ bể và cột phản ứng được lấy bằng cách tắt các máy bơm để lắng khoảng 30 phút. Mẫu được lấy một cách cẩn thận khoảng 100ml/ mẫu và được trữ lạnh ngay để tránh các phản ứng xảy ra sau khi lấy mẫu. Sau khi lấy mẫu xong máy bơm được bật hoạt động trở lại.
Mẫu sau khi lấy được phân tích theo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA 1998) với những hóa chất chuẩn.
Mẫu đem phân tích gồm mẫu đầu vào và mẫu đầu ra
ü Xác định pH: pH là đại lượng đặc trưng cho tính acid hay kiềm của
mẫu nước và được định nghĩa theo hàm toán học như sau:
pH = - log [H-] (3.1)
ü Xác định hàm lượng COD
COD - Nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong thành phần nước thải bằng phương pháp hóa học (bằng cách sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh). Với nước rỉ rác có chỉ số COD tương đối cao nên khi phân tích cần phải pha loãng mẫu sao cho giá trị COD ở vào khoảng < 300 mg/l.
Phương pháp xác định COD áp dụng là đun hoàn lưu kín, đơn vị tính mgO2/l: Hàm lượng COD được tính theo công thức sau:
COD = ( trang that) 8000 N mau V V C n V − × × × (3.2) Trong đó:
o Vtrắng: Thể tích FAS dùng để chuẩn mẫu trắng, ml
o Vthật: Thể tích FAS dùng để chuẩn mẫu thật, ml
o Vmẫu: Thể tích mẫu đem đi phân tích, ml
o CN: Nồng độ đương lượng của FAS, N
o n: Số lần pha loãng mẫu
− Xác định BOD5 : Bình BOD có đầu đọc sensor và tủ ủ BOD. Đơn vị tính mgO2/l.
- Dự đoán BOD khoảng 0,3 đến 0,5 COD để pha loãng mẫu.
- Pha loãng mẫu (V > 400ml), sục khí cho đến khi bảo hòa (30 phút)
- Bổ sung 4 loại dinh dưỡng (đệm,FeCl3, Ca2Cl, MgCl2), đo DOđầu, cho vào bình BOD, cho vào tủ ủ ở 20oC trong 5 ngày, sau đó đo DOsau.
Hàm lượng BOD5 được tính theo công thức sau:
(3.3)
Trong đó
o D1: DO ban đầu đo trước khi đi ủ, mg/l
o D2: DO đo sau khi ủ 5 ngày, mg/l
− Xác định độ màu : được đo trên máy hấp thu quang phổ kế Hach DR2010,
chương trình 120, bước sóng 455nm. Đơn vị tính Pt – Co. Xử lý mẫu : mẫu được lấy cẩn thận khoảng 100ml cho vào bình elen, dùng giấy bạc bao kín miệng bình và trữ lạnh trong vòng 30 phút, sau đó lấy mẫu đo.
Bảng 3.6. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích:
Theo “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” (APHA 1998).
Chỉ tiêu Phương pháp/Tài liệu sử dụng Hoá chất/Thiết bị sử dụng
Ph pH meter pH meter
Độ hấp thu
màu Quét bước sóng và độ hấp thu Máy Cary Varian 50
Độ màu So màu Máy so màu DR 2010
DO DO meter Oxymeter WTW 330
COD Standard Methods 5220 B Định phân
BOD Standard Methods 5210 B Máy đo BOD
TKN Standard Methods 4500-N Chưng cất - định phân
Macro - Kjeldahl T-P
Standard Methods 4500-P D UV - visible
spectrophotometer
SS Standard Methods 2540-D Lọc chân không, cân phân
tích, tủ sấy ở 1050C
VSS Standard Methods 2540-E Lò nung ở 550
0C, cân phân tích
Hình 3.14. Ống phân tích COD
Hình 3.15. Máy đo pH
3.9. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ
Ø Hiệu quả loại màu tính theo Pt - Co
Sự phân hủy màu của màu nhuộm được tính toán thông qua độ màu Pt - Co của máy so màu:
(3.4)
− Ao: Độ màu Pt - Co của nước thải dòng vào
− As: Độ màu Pt - Co của nước thải sau xử lý
Ø Hiệu quả xử lý COD và BOD
Hiệu quả phân hủy COD và BOD cũng được tính toán tương tự như phương trình trên
(3.5)
− Bo: COD hay BOD của nước thải dòng vào.
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. GIAI ĐOẠN CHẠY THÍCH NGHI
Trong giai đoạn thích nghi, pH nước thải đầu vào trung tính (pH = 7), tuy nhiên pH của nước thải đầu ra < 5,2, làm hiệu quả xử lý COD và độ màu thấp và không ổn định. pH đầu ra thấp như vậy chứng tỏ quá trình phân hủy khị khí trong mô hình chưa xảy ra hoàn toàn, chưa chuyển qua quá trình methane hóa. Nhóm vi khuẩn lên men acid và nhóm vi khuẩn acetic chuyển hóa các chất từ quá trình