Quá trình nitrat hĩa

V. Phạm vi nghiên cứu

3.2.4.2.2 Quá trình nitrat hĩa

Quá trình nitra hĩa là quá trình oxy hĩa nitơ hĩa các muối amon đầu tiên thành nitrit và sau đĩ thành nitrat trong điều kiện thích ứng ( cĩ oxy và nhiệt độ trên 4oC).

Vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hĩa gồm cĩ 2 nhĩm:

 Vi khuẩn nitrit: oxy hĩa amoniac thành nitrit hồn thành giai đoạn thứ nhất.

 Vi khuẩn nitrat: oxy hĩa nitrit thành nitrat, hồn thành giai đoạn thứ hai.

Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau: 2NH3 + 3O3→ 2NHO3 + 2H2O

2HNO3 + O2→ 2NHO3

(NH4)2CO3 + 3O2 = 2HNO2 + CO2 + 3H2O 2HNO2 + O2 = 2HNO3

Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp 3 lần so với giai đoan thứ hai. Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hĩa 1mg nitơ của muối amon ở giai đoạn tạo nitrit là 343 mgO2, cịn ở giai đoạn tạo nitrat là 4,5 mgO2. Sự cĩ mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khống hĩa hồn thành các chất bẩn hữu cơ.

Quá trình nitrat hĩa cĩ một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải. Trước tiên nĩ phản ánh mức độ khống hĩa các chất hữu cơ như đã trình bày ở trên. Nhưng quan trọng hơn là quá trình nitrat hĩa tích lũy được một lượng oxy dự trữ cĩ thể dùng để oxy hĩa các chất hữu cơ khơng chứa nito khi lượng oxy tự do ( lượng oxy hịa tan) đã tiêu hao hồn tồn cho quá trình đĩ.

Hình 3.6 : vi khuẩn nitrosomonas và nitrobacter 3.2.4.2.3 Quá trình khử nitrat

Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitritt, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí ( vi khuẩn khử nitrat). Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để oxy hĩa các chất hữu cơ. Lượng oxy được giải phĩng trong quá trình khử nitrit N2O3 là 2,85 mg/1mg nitơ. Sự chuyển hố nitơ ở dạng nitrat thành dạng dễ khử cĩ thể qua nhiều con đường với nhiều lồi vi khuẩn. . Trong số đĩ cĩ: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirillum. Những vi khuẩn này là loại dị dưỡng cĩ khả năng khác nhau trong việc khử nitrat theo quá trình hai bước: 1) chuyển hố nitrat thành nitrit; 2) tạo nitơ oxit, dinoto oxit và khí nitơ, các phản ứng khử nitrat diễn ra như sau: NO3  NO2  NO 

N2O  N2. Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển.

3.2.4.2.4 Quá trình khử phostpho

Sự phân giải hợp chất chứa phostpho cĩ liên quan nhiều đến khả năng tạo axit hữu cơ của các giống vi sinh vật, trong đĩ cĩ sự hình thành axit; cacbonic, HNO3, H2SO4…

Ca2(PO4)2 + 4H2SO4 = CaH2SO4.2H2O + 2Ca(HCO3)2 Ca2(PO4)2 + 4HNO3 = Ca(H2SO4)2 + 2Ca(HNO3)2

3.2.5 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thối của màng vi sinhvật: vật:

Quá trình vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt đệm chia thành 3 giai đoạn:

 Giai đoạn thứ nhất: cĩ dạng logarithm, khi màng vi sinh vật cịn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong trường hợp này, tất cả các vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình sinh vật lơ lửng.

 Giai đoạn thứ hai: độ dày màng trở nên lớn hơn độ dày hiệu quả. Trong giai đoạn này, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì độ dày lớp màng hiệu quả khơng thay đổi bất chấp sự thay đổi của tồn bộ lớp màng. Tổng số vi sinh vật đag phát triển cũng khơng thay đổi trong suốt quá trình. Lượng tiêu thụ cơ chất chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh, khơng nhằm vào mục đích tăng sinh khối. Lưu ý: lượng cơ chất đưa vào quá trình phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu khơng sẽ cĩ sự giảm sinh khối và lớp màng sẽ mỏng dần nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối.

 Giai đoạn thứ ba: bề dày lớp màng trở nên khá ổn định. Khi đĩ tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trơi theo lực cắt của dịng chảy.

3.2.6 Tắc màng và các biện pháp khắc phục

3.2.6.1 Hiện tượng tắc màng

Nhiễm bẩn màng thường được gọi là tắc màng gây nên sự tiêu hao năng lượng lớn, tần số rửa màng cao hơn, giảm thời gian hữu dụng ( thời gian sống) của màng.

Theo IUPAC, tắc màng được định nghĩa là quá trình làm giảm hiệu suất của màng gây nên bởi sự lắng đọng của các chất rắn hồ tan hoặc lơ lửng trên bề mặt, trên lỗ xốp hoặc trong lỗ xốp của màng.

Màng luơn cĩ độ cản nhất định. Khi lọc nước sạch, màng chỉ cĩ độ cản màng Rm.Khi nước cĩ mức hạt chất rắn lơ lửng nhất định các hạt này lắng đọng trên bề mặt màng tạo thành lớp bánh lọc và chúng tạo nên độ cản bánh lọc ( hạt) Rbl. Khi các hạt làm tắc nghẽn lỗ xốp của màng chúng tạo nên độ cản lấp lỗ Rll. Ơû đây tác động chủ yếu là sự kết tủa của các chất rắn hồ tan nên cịn gọi là đĩng cặn. Thêm vào đĩ vật chất bị hấp phụ trên hoặc trong màng cũng gây nên độ cản được gọi là độ cản hấp phụ Rhp- phần lớn gây nên bởi các vi khuẩn do vậy cịn được gọi là tắc sinh học.

Để quá trình duy trì được hiệu suất lọc cố định áp suất vận hành can phải tăng dần trong quá trình và đến áp suất nhất định thì quá trình khơng cịn tính kinh tế, mặt khác sức chịu đựng của màng cũng cĩ hạn.

Sự tắc màng trong cơng nghệ màng là khơng thể tránh khỏi, mọi cố gắng chỉ là để tối thiểu hố nĩ bằng cách lựa chọn cơng nghệ thích hợp với nguồn nước can xử lý, tối ưu hố hệ thống và chế độ rửa màng. Những nhân tố chỉ thị sự giảm cơng suất màng là:

 Tốc độ dịng sản phẩm thấp.

 Châùt lượng sản phẩm kém.

 Sụt giảm áp suất.

 Cần phải rửa màng thường xuyên.

3.2.6.2 Cách khắc phục

Tăng cường khả năng kháng tắc của màng:

Màng được biến tính xử lý với chất hoạt động bề mặt hay được phủ moat lớp khống protein, cĩ thể cải thiện được khả năng kháng tắc. Nhờ đĩ tính chất bề mặt của màng biến đổi làm giảm sự hấp phụ của vi khuẩn hoặc các chất mang điện tích.

Cĩ nhiều phương pháp rửa màng như xối nước xuơi, xối nước ngược và thơi khí.

 Ở phương pháp xối nuớc xuơi: màng được xối bằng nước nạp hoặc nước thấm xuơi theo bề mặt màng với tốc độ lớn hơn tốc độ trong quá trình lọc. Nhờ tốc độ và chuyển động hỗn loạn của dịng nước các phân tử hấp phụ trên màng bị cuốn đi. Tuy nhiên, phương pháp này khơng loại bỏ được những phân tử hấp phụ trong lỗ xốp. Khi xối xuơi được áp dụng cản trở liên quan đến cơ cấu lọc chặn được loại bỏ. Đồng thời hoạt động theo cơ chế lọc trượt khơng tạo ra dịch lọc. Mục đích của xối xuơi là lọai bỏ lớp nhiễm tạp trên bề mặt màng nhờ chuyển động hỗn loạn, trong đĩ cần đến gradien áp suất thuỷ lực lớn.

 Phương pháp xối nước ngược là tạo dịng chảy nước với quá trình lọc. Dịch thấm được cho chảy ngược lại với áp suất gấp 2- 2,5 lần áp suất vận hành làm cho lỗ xốp được sạch. Phương pháp này làm giảm lượng sản phẩm lọc, do vậy thời gian rửa cần khống chế sao cho ngắn nhất cĩ thể.

 Phương pháp thổi hay cịn gọi thổi khí trên nước là biến thể của phương pháp xối nước xuơi. Trong đĩ, khơng khí được đưa thêm bào đường xối nước trong khi duy trì tốc độ nước, tạo nên những bọt khí nhờ vậy sự hỗn loạn của dịng chảy tăng lên, tăng khả năng bị cuốn đi của các phần tử hấp phụ. Nhiễm bẩn trên bề mặt màng cần phải loại bỏ sao cho hiệu quả nhất trong quá trình xối nước ngược. Ưu thế của thổi khí hơn xối nước xuơi là chỉ cần dùng cơng suất bơm thấp hơn trong quá trình rửa màng.

 Rửa màng bằng hố chất: khi các phương pháp trên khơng đủ để làm sạch màng, tức khơng đủ để phục hồi tốc độ lọc ở mức cĩ thể chấp nhận, cần phải tiến hành rửa màng bằng hố chất. Màng trước heat được ngâm với dung dịch axit clohydro, axit nitric hoặc các chất khử trùng như peroxit hydro, tiếp đĩ áp dụng phương pháp xối nước xuơi hoặc ngược để loại bỏ chất bẩn.

Sau nhiều lần rửa màng định kỳ khả năng thấm của màng khơng trở lại được giá trị ban đầu do các chất lắng đọng trên bề mặt màng khơng thể loại bỏ được làm giảm vĩnh viễn tốc độ thấm, đĩ là thời điểm phải thay màng.

3.2.7 Ưu điểm và nhược điểm3.2.7.1 Ưu điểm 3.2.7.1 Ưu điểm

• Cùng một lúc cĩ thể khử BOD và chuyển NH4  NO3 • Lớp vật liệu cĩ thể giữ được vật liệu cặn lơ lửng. • Chiếm diện tích ít ( vì cĩ thể khơng cần bể lắng trong) • Đơn giản, dễ vận hành

• Dễ dàng với nước thải pha lỗng • Đưa vào hoạt động nhanh

• Ít mùi

3.2.7.2 Nhược điểm

• Làm tổn thất tải lượng, giảm lượng nước thu hồi • Tổn thất khí cấp cho quá trình

• Phun khí mạnh tạo nên dịng chuyển động xốy làm giảm khả năng giữ huyền phù.

3.2.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến xử lý

 Nồng độ oxy: ảnh hưởng mạnh mẽ tới quá trình. Cần phải cung cấp oxy một cách đầy đủ và liên tục sao cho lượng oxy hồ tan trong nước ra khỏi bể lắng > 2mg/l.

 Tải trong chất hữu cơ thường tấp hơn so với xử lí kị khí, thường BOD tồn phần < 1000 mg/l( đối với bể aerotank), cịn bể lọc sinh học thì < 500 mg/l

 Các nguyên tố vi lượng và dinh dưỡng cũng rất cần thiết nên phải bổ sung thích hợp. Các nguyên tố như K,Ca, Mg, Fe, Cu, Zn, S, CI…Tùy theo nước thải mà cĩ yêu cầu về dinh dưỡng khác nhau. Thơng thường cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo tỷ lệ: BOD tồn phn: N: P = 100: 5: 1 hay COD: N: P =

150: 5: 1. Nếu thời gian xử lí là 20 ngày đêm thì giữ ở tỷ lệ BOD tồn phần: N: P = 200: 5: 1.

 PH cũng là yếu tố quan trọng cho vi sinh vật phát triển và hoạt động, pH tối ưu cho vi sinh vật phát triển 6,5 – 8,5.PH < 5 sẽ thúc đẩy nấm phát triển. pH > 9 sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào, vi sinh vật sẽ chết.

 Nhiệt độ mỗi lồi men cĩ nhiệt độ thích hợp khác nhau. Nước thải cĩ nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật tối ưu từ 250C – 370C hoặc 20 – 400C thấp nhất vào mùa đơng 120C.

 Ngồi ra quá trình xử lí hiếu khí cịn phụ thuộc vào nồng độ muối vơ cơ, lượng chất lơ lửng, các loại vi sinh vật và cấu trúc các chất bẩn hữu cơ.

Vị trí đặt bể

Sau bể lắng 1 và trước bể lắng 2

Nước sau khi lọc cĩ thể chưa đạt yêu cầu cĩ thể cho nước tuần hồn để tăng hiệu quả xử lý.

3.3 Mơ hình thí nghiệm

Mơ hình bằng tấm kính cĩ kích thước tương ứng D*R*C= 0,15*0,15*0,8, cĩ thể tích hữu ích là 14,5 lít đã trừ thể tích khối vật liệu ( giá thể dính bám cho vi sinh vật tạo màng).

Trên mơ hình cĩ bố trí 4 điểm để lấy mẫu theo độ cao từ đáy lên là 0,12m – 0,325m – 0,53m – 0,735m, van cĩ độ cao cuối cùng cũng là van chảy tràn. Ngồi ra cịn cĩ 1 van ở đáy bể là van xả cặn.

3.3.1 Chuẩn bị:

Xây dựng mơ hình với các thơng số như trên. Dưới đáy bể đặt hệ thống sục khí bằng đá bọt.

Giá thể nghiên cứu là những vịng nhựa cĩ đường kính là d= 21 mm, coa chiều cao 25 mm được cắt ra từ ống nhựa PVC. Giá thể cho vào mơ hình với chiều cao 2/3 chiều cao của bể, tương ứng thế tích chiếm chỗ khoảng 9 lít.

Lấy mẫu nước thải thực phẩm.

Lấy bùn được lấy từ bể SBR của trạm xử lý nước thải.

3.3.2 Các bước tiến hành

3.3.2.1 TN1: xác định các thơng số bùn:

Lấy cốc 100ml đem sấy khơ ở 105oC trong 2h, sau đĩ đem cân được khối lượng m0

Lấy thể tích V1=10ml (bùn), sấy ở 105oC trong 2h, sau đĩ đem cân được khối lượng m1

Nồng độ bùn xác định: Cb = 1 V mss = l mg

Bùn hoạt tính được lấy tại bể vi sinh hiếu khí của trạm xử lý nước thải khu cơng nghiệp sĩng thần II.

Bùn nuơi cấy ban đầu cho vào mơ hình với hàm lượng SS vào khoảng 2000- 3000.

Thể tích bể chứa là V= 14 ( lít). Muốn hàm lượng bùn trong nước thải là 2500 mg/ l(C) thì thể tích bùn cần lấy là:

Đo COD nước thải đầu vào= a mg/l

Chon thời gian chạy 1 ngày  tải lượng COD: a.10-3 kg/m3.ngđ

Kết quả và vẽ đồ thị biểu diễn hiệu quả khử COD theo thời gian đối với thí nghiệm thích nghi.

3.3.2.3 TN3 : giai đoạn chạy tĩnh:

Cuối giai đoạn thích nghi, xác định các thhơng số COD sau 24h, MLSS, pH. Đánh dấu mức bùn lắng sau 30 phút (mức bùn lắng này ứng với SS khoảng 2000mg/l) xác định khả năng lắng của bùn bằng chỉ tiêu SVI.

Cách xác định SVI:

Lấy 1l mẫu được lấy từ bể phản ứng (sau khi thích nghi bùn). Khả năng lắng của bùn được đo bằng cách đổ hỗn hợp đến vạch 1l, để lắng trong 30 phút sau đĩ được thể tích bị chiếm bởi bùn lắng

SS được xác định bằng cách lọc, sấy khơ và cân trọng lượng

SVI là thể tích bằng ml bị chiếm giữ bởi 1g bùn hoạt tính sau khi để lắng 30 phút hỗn hợp trong bể phản ứng. Được tính:

SVI =

SS

V*1000

( mg/l)

Chạy tải trọng tĩnh ứng với thời gian lưu nước 24h, 12h, 6h, 4h, 2h. Lập bảng số liệu, vẽ đồ thị quan hệ thời gian và hiệu quả xử lý COD, COD vào và ra.

Chạy tải trọng động ứng với thời gian lưu nước (24h) với lưu lượng 28 lít/ ngày. lập bảng số liệu, vẽ đồ thị quan hệ thời gian và hiệu quả xử lý COD, COD vào và ra.

Chạy tải trọng động ứng với thời gian lưu nước ( 12h) với lưu lượng 56 lít/ngày, lập bảng số liệu, vẽ đồ thị quan hệ thời gian và hiệu quả xử lý COD, COD vào và ra.

Chạy tải trọng động ứng với thời gian lưu nước (6h) với lưu lượng 112 lít/ngày,lập bảng số liệu, vẽ đồ thị quan hệ thời gian và hiệu quả xử lý COD, COD vào và ra 3.4 Cơng thức tính thơng số động học Hiệu quả lọc: K = o = αF+β S S 10 (3.1) F: chuẩn số : F = H.B0,6 KT/q0,4 Trong đĩ KT = 0,2 x 1,047 T –20

H: chiều cao lớp vật liệu lọc

B: lưu lượng đơn vị của KK: 8 –12 (m3KK / 1 m3 nước thải) q: tải trọng thuỷ lực (20-80 m3/m2.ng).

β

α, phụ thuộc vào đơn vị khơng khí, vào F

Thể tích bể lọc sinh học: W = NO Q S S ngày TB o )* ( − (3.2)

So: Nồng độ BOD5 đầu vào bể lọc sinh học S: Nồng độ BOD5 đầu ra bểlọc sinh hoc

X dt

X

d. =µ (3.3)

Trong đĩ: X – nồng độ vi khuẩn (hoạt động) µ - hệ số phát triển vi sinh, t-1-

Cơ chất sinh trưởng giới hạn:

Aûnh hưởng của các chất dinh dưỡng hoặc cơ chất giới hạn đến sinh trưởng của vi sinh vật trong nuơi cấy liên tục cĩ thể được tính theo cơng thức của Monod đề xuất trong các năm 1942 và 1949 dựa trên phương trình cơ bản về động học enzym của Michaelis- Menten:

s k S s m + =µ µ (3.4)

Trong đĩ µ - tốc độ sinh trưởng riêng (t-1 µm - tốc độ sinh trưởng riêng cực đại

S- nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn trong dung dịch (khối lượng/đơn vị thể tích)

ks –hằng số tương ứng với ½ tốc độ cực đại( g/m3, mg/l)

Aûnh hưởng của nhiệt độ: KT= ( 20)

20 T−

K θ (3.5)

Trong đĩ: KT là giá trị của biến tại nhiệt độ K20 là giá trị củabiến tại 20oC