2.2.1. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ nghiên cứu và phƣơng pháp phân tích
* Hóa chất
Hóa chất xử lý hóa lý nước rỉ rác:
NaOH 20N, H3PO4 85%, MgCl2.6H2O (500g/l) để kết tủa MAP. Đồng thời, NaOH 20N sử dụng để kết tủa hóa học các ion kim loại nặng.
Chất keo tụ PAC (100 g/l), chất trợ keo PAA (10 mg/ml) để tiến hành keo tụ. NaOH 20N và H2SO4 98% để điều chỉnh pH.
Hóa chất phân tích các chỉ tiêu và cách pha hóa chất được chỉ rõ trong từng tiêu chuẩn phân tích.
* Thiết bị
Thiết bị vận hành hệ thống gồm có: hệ thống UASB, bơm nước thải, bơm tuần hoàn, túi thu khí, máy điều nhiệt, máy đo pH.
* Dụng cụ
Dụng cụ thí nghiệm: thùng đựng nước thải (220 l; 60 l), thùng nuôi bùn (20 l)
Dụng cụ phòng thí nghiệm: cốc thủy tinh 50 ml; 100 ml; 500 ml và 1.000 ml; bình tam giác 100 ml; bình định mức 25 ml; 50 ml và 100 ml; phễu thủy tinh; pipet 1 ml; 2 ml; 5 ml; 10 ml; 20 và 50 ml; buret 25 ml; cốc nhựa 100 ml; đũa thủy tinh.
* Phương pháp phân tích
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)
NH4+: HDTN 02:: Xác định Amoniac (NH4+) phương pháp lên màu trực tiếp với thuốc thử Nessler
NO3-: TCVN 6268:1997: Xác định NO3- bằng phương pháp cột khử Cadimi
NO2-: HDTN 05: Xác định NO2-
bằng phương pháp so màu
TKN: TCVN 5987: 1995 Chất lượng nước- Xác định nitơ Kendan (Kjeldahl)- Phương pháp sau khi vô cơ hóa với Selen
TP: TCVN 6202: 2008 Xác định tổng photpho- Phương pháp trắc phổ dùng amoni molipdat
52
pH: TCVN 6492: 2011 Chất lượng nước- Xác định pH
SS, MLSS: TCVN 6625: 2000 Chất lượng nước- Xác định chất rắn lơ lửng bằng cách lọc qua cái lọc sợi thủy tinh
Ghi chú: Tài liệu mã số HDTN nguồn Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2.2.2. Các bƣớc nghiên cứu
Thích nghi hệ bùn kỵ khí phục vụ nghiên cứu: Bùn kỵ khí được lấy từ nhà máy bia Hà Nội – KCN Mê Linh đem về nuôi bằng nguồn nước rỉ rác giả đã pha chế. Và từ đó tiến hành một số thí nghiệm với hệ thống mô hình thực nghiệm để khảo sát đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng tới bể UASB như pH, HRT, tải lượng COD.
Kết tuả amoni: Nước rỉ rác được lắng, gạn và tiến hành kết tủa amoni bằng phương pháp MAP (Magnesium – ammonium – phosphate). Công đoạn này được thực hiện để giảm nồng độ amoni cho công đoạn xử lý sinh học, bởi vì amoni có mặt ở nồng độ cao là một tác nhân gây ức chế sự phát triển của các vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học; hơn nữa khi tỷ lệ C/N trong nước rỉ rác thấp hoặc rất thấp sẽ gây khó khăn rất lớn cho quá trình xử lý sinh học dẫn tới nhiều công nghệ xử lý sinh học trở lên không hiệu quả hoặc gặp thất bại. Các chất tham gia kết tủa amoni hiệu quả nhất trong nước rỉ rác là MgCl2.6H2O và Na2HPO4. Tỷ lệ các chất dùng để kết tủa amoni là MgCl2.6H2O : NH4: Na2HPO4 = 1,1:1:1.
Công đoạn keo tụ: Công đoạn này được tiến hành như một công đoạn tiền xử lý cho đầu vào công đoạn xử lý sinh học. Loại và hàm lượng chất keo tụ và trợ keo tụ là PAC (2 - 2,5 g/l) và P (5mg/l). Keo tụ nhằm tách thành phần cặn không tan, đồng thời giảm bớt COD do nhôm hydroxit hình thành có khả năng hấp phụ một phần các thành phần trên.
Xử lý sinh học: Nước rỉ rác sau công đoạn keo tụ và kết tủa amoni được lắng, gạn và đưa vào xử lý sinh học trong bể phản ứng UASB. Đây là công đoạn xử lý chính và được tiến hành nghiên cứu theo các nội dung:
53
(1) Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của pH tới hiệu suất hoạt động của bể UASB chứa hệ bùn kỵ khí xử lý nước rỉ rác; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(2) Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của HRT đối với hiệu quả xử lý của bể UASB;
(3) Nghiên cứu đánh giá tải lượng COD tới hoạt động của bể UASB;
(4) Thử nghiệm chạy hệ thống với nguồn nước rỉ rác chưa qua tiền xử lý qua đó đánh giá về công nghệ có thể áp dụng.
54
2.2.3. Xử lý hóa lý trƣớc UASB
55
Nước rỉ rác Kiêu Kỵ có pH=8,2. Do đó, sử dụng dung dịch NaOH để điều chỉnh pH lên đến 11, do cân bằng sau sẽ chuyển dịch về phía tạo ra khí NH3 khi môi trường pH≥ 9,5:
NH4+ + OH- ↔ NH3 (↑) + H2O
Tiến hành sục khí đuổi NH3 ra khỏi nước thải trong 2 giờ. Sau quá trình đuổi khí, rút sục khí, tạo điều kiện cho quá trình kết tủa và lắng hydroxit kim loại xảy ra. Với các kim loại nặng đặc trưng của nước rỉ rác là Cu2+, Ni2+, Pb2+, Hg2+,… thì pH>9 rất thích hợp cho phản ứng kết tủa tạo hydroxit.
Sau khi kết tủa hydoxit lắng, rút phần nước trong ra, điều chỉnh pH xuống 8,5-9 bằng dung dịch H2SO4. Tiến hành hòa trộn hóa chất (dung dịch MgCl2.6H2O và H3PO4) vào nước thải và khuấy nhanh.Thời gian xảy ra phản ứng tạo kết tủa MAP rất nhanh (5-8 phút). Lượng hóa chất sử dụng được tính theo phương trình hóa học sau tùy thuộc vào nồng độ NH4+ đầu vào phân tích được:
Mg2+ + NH4+ + HPO42- + 6H2O → MgNH4PO4.6H2O (↓)
Trong quá trình phản ứng này, pH của nước rác giảm, cần đo pH và điều chỉnh bằng dung dịch NaOH. Để lắng kết tủa MAP trong thời gian 2 giờ rồi tiến hành rút nước trong, thu MAP. Phân bón MAP có thể được sử dụng để tưới cho cây trồng hoặc tận dụng cho quá trình xử lý nước thải bằng wetland.
Nước rác sau quá trình kết tủa MAP được tiến hành keo tụ dung PAC và chất trợ tạo bông là PAA. Tiến hành keo tụ theo các bước sau:
Khuấy trộn nước thải ở tốc độ cao, bổ sung chất keo tụ PAC, thời gian khuấy nhanh là 30 giây.
Tiếp theo là 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.Sau bước keo tụ - lắng, nước thải đạt yêu cầu để đưa vào hệ thống AO-MBR.
2.2.4. Thích nghi hệ bùn kỵ khí xử lý nƣớc rỉ rác
56
chứa hàm lượng các chất ô nhiễm khá cao. Tỷ số BOD5/COD thấp (khoảng 0,3). Nitơ tồn tại ở dạng NH4+
là chủ yếu. Ngoài ra tổng photpho và SS cũng cao hơn so với QCVN 25:2009/BTNMT rất nhiều.Sau xử lý hóa lý (dừng lại ở bước keo tụ - lắng), nồng độ COD và NH4+ giảm đáng kể. Tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,52÷0,59 cho thấy nước sau hóa lý có khả năng xử lý sinh học. Nước rỉ rác sau xử lý hóa lý được sử dụng cho quá trình vận hành hệ thống UASB.
Hình 2.2. Nước rỉ rác qua các bước xử lý hóa lý
(Từ trái sang: nước rỉ rác Kiêu Kỵ đầu vào, sau kết tủa hóa học, sau kết tủa MAP, sau keo tụ)
Bảng 2.2. Hiệu suất xử lý của các công đoạn hóa lý
Công đoạn Mục đích chính Hiệu suất (%) Sục đuổi khí NH3 Loại bỏ NH4+ 32–40
Kết tủa MAP Loại bỏ NH4+ 45–50
57
Bảng 2.3. Các thông số của nước rỉ rác Kiêu Kỵ đầu vào và sau xử lý hóa lý
STT Thông số Đơn vị Đầu vào nƣớc rỉ
rác Kiêu Kỵ Sau xử lý hóa lý (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1 COD mg/l 2.740–3.222 1.112–1.456 2 BOD5 mg/l 850–1.005 600–750 3 NH4+ mg/l 654–812 205–256 4 NO 3 - mg/l 2,43–2,73 1,78–2,13 5 NO 2 - mg/l 0,06–0,09 0,04–0,08 6 TKN mg/l 950–1.199 230–285 7 TP mg/l 25,8–34,5 26,2–35,1 8 pH - 7,8–8,5 8,2–8,6 9 SS mg/l 190–250 96–140
- Phương pháp nuôi tạo : Bùn kỵ khí được lấy về từ bể UASB của nhà máy bia Hà Nội – KCN Mê Linh. Sau đó được đưa vào nuôi tạo trong bể UASB bằng nguồn nước với các thành phần : Nước rỉ rác sau keo tụ và kết tủa (pha loãng với 10% sạch) + đường nâu + chất dinh dưỡng với tỷ lệ (C : N : P = 100 :1,1 :1).
- Thay đổi nồng độ COD bằng cách bổ sung thêm đường nâu (saccarazo) với liều lượng thích hợp (1g đường/l tương đương 1.000 mgCOD/l) để xác định những ảnh hưởng của tải lượng hữu cơ lên quá trình xử lý C, N, P của hệ thống.
- Với thời gian lưu là 48 giờ, pH = 7, t0 = 350 C, lượng bùn kỵ khí được điều chỉnh trong khoảng 25% thể tích bể. Thời gian nuôi tạo trong 30 ngày.
2.2.5. Mô hình UASB
Mô hình bể UASB được thiết kế với dung tích 8 lít được chế tạo bằng ống thủy tinh hữu cơ trong có lắp thêm hệ thống thu gom khí ở phía trên
58
1. Bể phản ứng 5. Bơm tuần hoàn
2. Lớp nền bùn 6. Bơm cấp
3. Phễu tách khí 7. Bể nước thải dòng vào
4. Túi đựng khí 8. Bể nước thải sau UASB
Hình 2.3. Mô hình hệ thống pilot
Thuyết minh hoạt động của mô hình
Nước rỉ rác sau quá trình keo tụ, kết tủa Nitơ và lắng được đưa vào bể điều hòa (7) để căn chỉnh pH, nồng độ. Sau đó nước rỉ rác được cấp vào bể UASB (1) từ phía đáy bằng bơm cấp (6) có thể điều chỉnh lưu lượng. Nước rỉ rác được cấp từ phía đáy đi qua nền bùn (2), nền bùn được duy trì khoảng 25% thể tích bể, tại đây các chất dinh dưỡng ô nhiễm trong nước được vi sinh vật phân hủy làm nguồn thức ăn để phát triển. Nước sau khi được xử lý qua lớp bùn đi lên phía trên và đi ra khỏi bể UASB qua khe chảy tràn.
59
xả cấp bùn khi căn chỉnh lượng bùn trong bể. Nước thải ở phía trên được tuần hoàn lại một phần nhờ bơm tuần hoàn (5) vào phần phía dưới bể lớp tầng bùn. Tại đây lượng nước tuần hoàn có tác dụng tạo độ xáo trộn trong lớp bùn để sự tiếp xúc của bùn kỵ khí với nước thải được đồng đều và vừa có tác dụng pha loãng bớt nồng độ nước đầu vào. Lưu lượng tuần hoàn không nên quá lớn nếu không sẽ phá vỡ bông bùn và không hiệu quả về mặt kinh tế.
Nước qua khe chảy tràn ra ngoài được đưa qua bế lắng (8) để lấy mẫu phân tích theo dõi kết quả. Khí sinh ra trong bể UASB đi lên phía trên và được thu nhờ phễu tách khí (3) và được đưa vào túi khí (4).
Hình 2.4. Hệ thống nuôi tạo bùn kỵ khí tại phòng thí nghiệm
Tất cả các thí nghiệm khi chưa khảo sát HRT đều để thời gian lưu mặc định là 48giờ.
Trong thí nghiệm khảo sát đánh giá hiệu quả xử lý của hệ vi sinh vật trong quá trình nuôi và tăng tải lượng có bổ sung thêm đường để theo dõi. Tất cả các thông số được lấy mẫu đo đạc ít nhất 3 lần trên cùng một điều kiện.
60
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nguồn nước rỉ rác sau keo tụ và kết tủa được pha loãng, điều chỉnh pH và các thông số như sau:
+ pH: 6,8;
+ COD: 2981 mg/l; + BOD5: 1385 mg/l;
+ Tổng nitơ (TN): 241,56 mg/l.
Với nguồn nước rỉ rác sau keo tụ và kết tủa này có thể đưa vào xử lý sinh học được (BOD5/COD = 0,46). Với nồng độ TN = 241,56 mg/l vẫn nằm trong khả năng xử lý của bùn kỵ khí.
3.1. Ảnh hƣởng của pH tới hiệu quả xử lý COD
- Phương pháp tiến hành :
Với thí nghiệm này ta tiến hành bổ sung thêm H2SO4 3M để tiến hành điều chỉnh pH. Qua đó đo đạc các thông số COD đầu ra và lượng khí thu được để đánh giá sự ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.1. Sự thay đổi hiệu suất và lượng khí sinh ra trong quá trình thay đổi pH môi trường
pH 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0
E(%) 64,5 79 80 82 80 72,2 74,4 76,2 83,2 85 83 78 74 72 64
61
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của pH môi trường tới hiệu suất xử lý và thể tích khí thu được
- Thảo luận kết quả :
Như đã biết trong nước rỉ rác có lẫn nhiều tạp chất và luôn tồn tại hai hệ vi khuẩn chính đóng vai trò sử dụng chuyển hóa chất ô nhiễm là vi khuẩn sinh methane và vi khuẩn khử sulfate. Và phần lớn các chủng vi khuẩn sinh methan đều phát triển mạnh hơn trong môi trường trung tính, điều đó được thể hiện thông qua lượng khí thu được lớn khi dải pH xung quanh 7. Bên cạnh đó các vi khuẩn khử sulfate lại phát triển trong môi trường có pH cao hơn (7,8÷8) do trong khoảng này lượng khí giảm nhiều hơn so với độ giảm của hiệu suất chuyển hóa.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 E ( %) pH % E(%) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 V khí ( l) pH lít Vkhí (l)
62
Ngoài ra cũng có một số vi khuẩn sinh methane phát triển khá tốt trong môi trường hơi acid (pH< 6,2), theo đồ thị cho thấy rõ điều đó trong dải pH 5,2÷6 hiệu suất xử lý đạt khá cao (~ 82%) và đi kèm theo đó là lượng khí thu được cũng tương đối lớn. Và một loạt các thí nghiệm với các loại cơ chất khác nhau trong nước thải chứa các hợp chất metanolic, nước thải thuộc da, nước thải chứa TNT (Trần Minh Trí, 1999; Weijma, 2000; Kim, 2001) cũng cho thấy điều đó.
Bên cạnh sự ảnh hưởng trực tiếp của pH đối với sự phát triển của vi sinh vật, pH còn ảnh hưởng tới cân bằng hóa học các chất có trong môi trường nước rỉ rác làm thay đổi nồng độ ion trong môi trường. Sự chuyển dịch này có ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của vi khuẩn sinh methan như trường hợp tại pH = 6,2 thì cả hiệu suất và lượng khí thu được đều giảm.
Qua những thí nghiệm trên nhận thấy nên duy trì được pH = 6,8 - 7,2 trong quá trình xử lý.
3.2. Ảnh hƣởng của thời gian lƣu nƣớc (HRT) với hiệu quả xử lý COD COD
- Phương pháp tiến hành :
Với những thí nghiệm này, thời gian lưu nước trong bể sẽ được điều chỉnh tăng dần từ thời gian khởi điểm ban đầu là 8h để khảo sát đánh giá sự ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất xử lý.
Nguồn nước thải được cung cấp vẫn giữ nguyên các thành phần, có bổ sung thêm đường nâu nồng độ 2g/l; giá trị pH được điều chỉnh trong khoảng 6,8 – 7,2 để theo dõi hiệu suất xử lý của bể UASB.
63
Bảng 3.2. Hiệu suất xử lý và lượng khí thu được theo sự điều chỉnh thời gian lưu
Ngày hoạt động 1 2 3 4 5 6 Thời gian lƣu (h) E (%) V (l) E (%) V (l) E (%) V (l) E (%) V (l) E (%) V (l) E (%) V (l) 8 h 84 7,8 83,8 7,2 83,5 7 84,5 7,4 83,6 7,2 84 7,5 10 h 85 8 86 8 86 8,3 85,8 8,2 86 8,2 86,2 8,5 12 h 88 8,5 90 8,8 88,5 8,5 89,8 9 88,5 8,6 88,2 8,5 14 h 91 9 91 9,5 90,5 9,5 91,2 9,5 91 9,3 92 10
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hiệu suất xử lý theo thời gian lưu (HRT)
Hình 3.3. Đồ thị thể hiện sự thay đổi lượng khí thu được theo thời gian lưu (HRT) 78 80 82 84 86 88 90 92 94 1 2 3 4 5 6 E ( %) Ngày % 8 h 10 h 12 h 14 h 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 V ( lí t) Ngày lít 8 h 10 h 12 h 14 h
64
- Thảo luận kết quả thu được:
Với những kết quả thu được, nhận thấy khi tăng thời gian lưu nước thải trong bể hiệu suất xử lý tăng lên đáng kể. Có được điều này là do vi khuẩn được tạo điều