4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
1.2.2.2 Nguyên lý chung của quá trình oxy hĩa sinh hĩa
Để thực hiện quá trình oxy hĩa sinh hĩa, các chất hữu cơ hịa tan, các chất keo phân tán nhỏ trong NT cần đƣợc di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật. Quá trình này gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Di chuyển các chất gây ơ nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lƣu và phân tử.
Giai đoạn 2: Di chuyển chất từ bề mặt ngồi tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngồi tế bào.
Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hĩa các chất trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lƣợng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lƣợng.
Ba giai đoạn này cĩ quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình 3 đĩng vai trị quan trọng trong XLNT. Nồng độ các chất ở xung quanh tế bào sẽ giảm dần. Các phần thức ăn mới từ mơi trƣờng bên ngồi lại khuếch tán trong mơi trƣờng chậm hơn quá trình hấp thụ thơng qua màng tế bào cho nên nồng độ các chất dinh dƣỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp. Đối với các sản phẩm do tế bào tiết ra thì ngƣợc lại lại cao hơn so với nơi xa tế bào [8]. Mặc dù hấp thụ và hấp phụ là giai đoạn cần thiết trong việc tiêu thụ chất hữu cơ của vi sinh vật song khơng phải cĩ ý nghĩa quyết định trong việc XLNT. Đĩng vai trị chủ yếu quyết định là các quá trình diễn ra bên trong tế bào vi sinh vật (giai đoạn 3).
Các quá trình sinh hĩa:
- QT hiếu khí: chất hữu cơ + O2 vsv CO2, H2O
- QT kỵ khí: chất hữu cơ + O2 vsv CH4, H2S, NH3, CO2, H2O (cĩ mùi, hàm lƣợng phụ thuộc vào chất hữu cơ) (coi oxy ở trong các liên kết nhƣ NO3- , SO42-…) (ngồi các khí này cịn cĩ 1 ít chất hữu cơ khơng phân hủy gọi là chất trơ.
1.2.2.3 Phương pháp kỵ khí
Cơ chế phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí Trong điều kiện khơng cĩ oxy, các chất hữu cơ cĩ thể bị phân hủy nhờ vi sinh vật và sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2. Quá trình chuyển hĩa chất hữu cơ
nhờ vi khuẩn kỵ khí chủ yếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các bƣớc sau:
Bước 1: Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn nhƣ monosacarit, amino axit hoặc các muối khác. Đây là nguồn dinh dƣỡng và năng lƣợng cho vi khuẩn hoạt động.
Bước 2: Các nhĩm vi khuẩn kỵ khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hĩa các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thơng thƣờng nhƣ axit axetic, glixerin, axetat…
CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2
Axit prifionic
CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH2COOH + 2H2
Axit butinic
Bước 3: Các nhĩm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩn lên men metan nhƣ methanosarcina và methanothrix) đã chuyển hĩa axit axetic và hydro thành CH4, CO2.
1.2.2.4 Phương pháp hiếu khí
Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Các quá trình hiếu khí cĩ thể xảy ra trong điều kiện tự nhiên hay trong các điều kiện xử lý nhân tạo. Trong điều kiện xử lý nhân tạo ngƣời ta tạo ra các điều kiện tối ƣu cho quá trình oxy hĩa sinh hĩa nên quá trình xử lý cĩ tốc độ cao và hiệu suất cao hơn.
Quá trình chuyển hĩa vật chất:
- Quá trình oxy hĩa chất hữu cơ: (đáp ứng nhu cầu năng lƣợng của tế bào)
CxHyOzN + O2 CO2 + NH3 + H2O + Q (1) - Quá trình tổng hợp tế bào: (tổng hợp xây dựng tế bào)
(C5H7NO2: Cơng thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật)
- Quá trình oxy hĩa nội bào (tự oxy hĩa): nếu tiếp tục tiến hành QT oxy hĩa thì khi khơng đủ chất dinh dƣỡng, Quá trình chuyển hĩa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra quá trình tự oxy hĩa:
C5H7NO2 + O2 CO2 + NH3 +H2O + Q (3)
Trong quá trình oxy hĩa sinh hĩa hiếu khí, các chất hữu cơ chứa N, S, P cũng đƣợc chuyển thành NO3-, SO42-, PO43-, CO2, H2O.
(4)
và (2): lƣợng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của NT. (1), (2), (3), (4): lƣợng oxy tiêu tốn gần gấp 2 lần lƣợng oxy cho 2 phản ứng đầu.
Khi mơi trƣờng cạn nguồn C hữu cơ, các loại vi khuẩn nitơrít hĩa (nitrosomonas) và nitơrat hĩa (nitrobater) thực hiện quá trình nitơrat hĩa theo 2 giai đoạn:
55NH4+ + 76O2 + 5CO2 C5H7NO2 + 54NO2- + 52H2O + 109 H+
400 NO2- + 19 O2 + NH3 + 2 H2O + 5CO2 C5H7NO2 + 400 NO3
1.2.4 Cơng nghệ ứng dụng khí ozone trong xử lý nước thải
Ozone (O3) là một dạng thù hình của ơxy, trong phân tử của nĩ chứa ba nguyên tử ơxy thay vì hai nhƣ thơng thƣờng. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn ozone là một chất khí cĩ màu xanh nhạt.Ozone hĩa lỏng màu xanh thẫm ở -112°C, và hĩa rắn cĩ màu xanh thẫm ở -193°C. Ozone cĩ tính oxy hĩa mạnh hơn ơxy, do nĩ khơng bền, dễ dàng bị phân huỷ thành oxy phân tử và oxy nguyên tử.
Ví dụ: O3= O2 + O
O3 + 2KI + H2O = I2 + O2 + 2 KOH
Một số thiết bị điện cĩ thể sản sinh ra Ozone mà con ngƣời cĩ thể ngửi thấy dễ dàng. Điều này đặc biệt đúng với các thiết bị sử dụng điện cao áp, nhƣ tivi và máy photocopy. Các động cơ điện sử dụng chổi quét cũng cĩ thể sản sinh ozone do sự đánh lửa lặp lại bên trong khối. Các động cơ lớn, ví dụ những chiếc đƣợc sử dụng cho máy nâng hay máy bơm thủy lực, sản sinh nhiều ơzơn hơn các động cơ nhỏ. Mật độ tập trung cao nhất của ozone trong khí quyển nằm ở tầng bình lƣu (khoảng 20 đến 50 km tính từ mặt đất), trong khu vực đƣợc biết đến nhƣ là tầng ơzơn. Tại đây, nĩ lọc phần lớn các tia cực tím từ Mặt Trời, là tia cĩ thể gây hại cho phần lớn các loại hình sinh vật trên Trái Đất.
Trong cơng nghiệp ozone được sử dụng để:
- Hỗ trợ trong quá trình kết tụ (là quá trình kết tụ của các phân tử, đƣợc sử dụng trong quá trình lọc để loại bỏ sắt và asen),
- Làm sạch và tẩy trắng vải (việc sử dụng để tẩy trắng đƣợc cấp bằng sáng chế)
- Hỗ trợ trong gia cơng chất dẻo (plastic) để cho phép mực kết dính, - Đánh giá tuổi thọ của mẫu cao su để xác định chu kỳ tuổi thọ của cả lơ cao su.
Trong xử lý nước thải ozone được sử dụng để:
- Khử các chất gây ơ nhiễm cĩ trong nƣớc bằng phƣơng pháp hĩa học (sắt, asen, sulfua hiđrơ, nitrit, … và các chất hữu cơ phức tạp liên kết với nhau tạo ra "màu" của nƣớc.
- Khử trùng nƣớc uống trƣớc khi đĩng chai.
1.3 Cơng nghệ và thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp
Thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp hiện nay, đã đƣợc đƣa ra thị trƣờng khá nhiều loại nhƣ:
- Máy tạo khí Ozone: Sylvan HX - 3000.
Hình 1.5: Máy tạo ozone Sylvan HX - 3000
Bảng 1.1: Thơng số kĩ thuật máy Sylvan HX - 3000
Nguồn cấp 115/120V – 60Hz
Sản lƣợng Ozone 3500 mmg/hr
Lƣu lƣợng quạt hút 130 CFM
- Máy tạo khí Ozone: PRO 450.
Hình 1.6: Máy tạo ozone Pro 450P
Bảng 1.2: Thống số kĩ thuật máy Pro 450P
Nguồn cấp 12-13 VDC; 1Amp
Sản lƣợng Ozone 450 mg/hr Lƣu lƣợng quạt hút 61 CFM
Kích thƣớc 6.5" L X 5.75" W X 6.5" H - Máy tạo khí Ozone: Ozone generator Z-1. (Việt Nam)
Bảng 1.3: Thống số kỹ thuật của máy Ozone Z-1 Nguồn cấp 220V – 50Hz Sản lƣợng Ozone 1g/hr Lƣu lƣợng quạt hút 0.883 CFM Kích thƣớc 38 x 20 x 48 Cm 1.4 Kết luận chƣơng 1
Cĩ thể thấy, thiết bị sử dụng kỹ thuật điện cao áp nhằm tạo khí ozone cho cơng nghệ xử lý nƣớc thải cơng nghiệp tỏ ra cĩ những ƣu điểm vƣợt trội trong một số lĩnh vực. Nhằm phát triển và ứng dụng cơng nghệ này trong điều kiện Việt Nam, việc tối ƣu hĩa thơng số và cấu trúc thiết bị cần đƣợc nghiên cứu. Trong nội dung tiếp theo của luận văn, mơ hình thiết bị và mạch điều khiển thơng số sẽ đƣợc xây dựng nhằm đánh giá hiệu quả xử lý. Do khí ozone cĩ tính oxi hĩa cao và tỏ ra cĩ hiệu quả đối với một số chỉ tiêu của nƣớc thải nhƣ độ đục, mà sắc, các mẫu nƣớc thải dự kiến đƣợc xử lý và đánh giá trong luận văn sẽ là nƣớc thải cơng nghiệp dệt nhuộm.
CHƢƠNG 2
XÂY DỰNG MƠ HÌNH TẠO KHÍ OZONE ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP
2.1 Nguyên lý làm việc của mơ hình
Trên hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý của mơ hình tạo khí ozone phục vụ xƣ lý nƣớc thải dệt nhuộm đã xây dựng cho các thực nghiệm thay đổi thơng số nhằm tối ƣu hiệu quả xử lý trong phịng thí nghiệm Điện cao áp, bộ mơn Hệ thống điện, trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội.
Van điều chỉnh lƣu lƣợng khí Mạch tạo cao áp Ống tạo khí Ozone Mẫu nƣớc Khơng khí V 220 VAC 50Hz
Hình 2.1: Sơ đồ mơ hình tạo khí ozone ứng dụng kĩ thuật điện cao áp
Thiết bị tạo khí Ozone đƣợc chia làm 2 phần chính: - Khối tạo nguồn điện cao áp
- Khối tạo khí Ozone
2.1.1 Khối tạo nguồn điện cao áp
Mạch điện tạo nguồn cao áp đƣợc hoạt động dựa trên nguyên lý của nguồn xung push-pull, sử dụng một nguồn nuơi là với điện áp 220V 50Hz, điện áp 220 đƣợc chia làm 2 nhánh:
- Tạo điện áp thấp để nuơi mạch điều khiển: Mạch điều khiển đƣợc cấp nguồn 12VDC và tạo ra 2 xung dao động ngƣợc pha nhau. Xung dao động này, sau đĩ đi vào phần cơng suất đĩng mở 2 Mosfet với nguyên lý hoạt động
push-pull. Xung dao động này cĩ thể điều chỉnh đƣợc, để cĩ thể thay đổi điện cao áp ở phía ra.
- Chỉnh lƣu thành điện một chiều đƣa vào phần cơng suất: Dịng điện sau chỉnh lƣu thành một chiều đi qua một biến áp xung lõi ferrit, tạo ra đƣợc một nguồn cao áp lên tới 5 kV và cĩ thể điều chỉnh đƣợc.
+ Nguồn xung push-pull
Đây là dạng kiểu nguồn xung đƣợc truyền cơng suất gián tiếp thơng qua biến áp, cho điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào. Từ một điện áp đầu vào cũng cĩ thể cho nhiều điện áp đầu ra. Nĩ đƣợc gọi là nguồn đẩy kéo [5].
Hình 2.2: Nguyên lý nguồn xung push-pull
Đối với nguồn xung loại Push-Pull này thì dùng tới 2 van để đĩng cắt biến áp xung và mỗi van dẫn trong 1 nửa chu kì. Khi Mosfet1 đƣợc mở Mosfet2 đĩng thì cuộn dây 1 ở phía trên sơ cấp cĩ điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây 2 phía trên ở thứ cấp cĩ điện và điện áp sinh ra cĩ cùng cực tính. Dịng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải.
Nhƣ trên hình vẽ, khi Mosfet2 mở và Mosfet1 đĩng thì cuộn dây 2 ở phía dƣới sơ cấp cĩ điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây 2 phía dƣới thứ cấp cĩ điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính. Nhƣ trên hình vẽ, với việc đĩng cắt liên tục hai van này thì luơn luơn xuất hiện dịng điện liên tục
trên tải. Chính vì ƣu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi là cao nhất và đƣợc dùng nhiều trong các bộ nguồn nhƣ UPS, Inverter...
2.1.2 Khối tạo khí Ozone
Hình 2.3: Sự phĩng điện cao áp tạo khí Ozone
Ozone đƣợc sinh ra dựa trên nguyên tắc phĩng điện vầng quang, khi đƣa khơng khí qua một vùng cĩ phĩng điện thì sẽ tạo ra khí Ozone, với điện áp phĩng điện cỡ hàng nghìn volt.
Khơng khí đƣợc đƣa vào một ống phĩng điện nhờ một máy nén khí, khơng khí đƣợc qua ống phĩng điện với điều kiện điện áp đặt vào 2 bản cực của ống phĩng là một điện cao áp khoảng 5 kV. Gây ra hiện tƣợng phĩng điện vầng quang tại 2 bản cực, oxy trong khơng khí đi qua ống sẽ đƣợc biến đổi thành Ozone và đi ra ngồi ống phĩng [9,10,13].
+ Sự phĩng điện vầng quang
Sự phĩng điện vầng quang là một dạng phĩng điện cục bộ vốn phát sáng và thỉnh thoảng chúng ta cĩ thể thấy đƣợc bằng mắt thƣờng.
Vầng quang xảy ra khi khơng khí xung quanh một dây dẫn mang điện trở nên bị ion hĩa, gây nên một sự phĩng điện. Vầng quang xảy ra khi các khiếm khuyết hiện hữu ở các dây dẫn nhƣ là các rìa cĩ cạnh sắc nhọn hoặc
các chỗ vỡ tại đĩ tạo nên điện trƣờng cục bộ lớn. Ta cũng cĩ thể nghe một âm thanh nhƣ tiếng rít khi xảy ra vầng quang [7,18].
Các phân tử nitơ trong khơng khí bị kích thích và dẫn đến sự phát xạ tia cực tím. Thỉnh thoảng chúng ta thấy đƣợc vầng quang xuất hiện nhƣ là một quầng sáng xanh mờ bao xung quanh các dây dẫn, đặc biệt trong bĩng đêm.
+ Các ảnh hƣởng của vầng quang
Vầng quang xảy ra cùng với sự hình thành khí ozone và các oxit nitơ. Các oxit nitơ cĩ thể phản ứng với hơi ẩm trong khơng khí và tạo nên axit nitric một chất cĩ khả năng ăn mịn kim loại [18,19].
Vầng quang cĩ thể gây hƣ hỏng đối với các cách điện dùng trong các ứng dụng cao áp [15].
Sự phát ra vầng quang đi kèm với sự phát ra các sĩng radio vốn cĩ thể gây nhiễu đến sự truyền phát radio thƣơng mại. Đơi khi, vầng quang cũng cĩ thể gây tiếng ồn khiến cĩ thể làm mất đi sự yên tĩnh cho khu dân cƣ ở gần đĩ.
Vầng quang đơi khi cĩ thể gây ra các cặn muội than mà chính điều này cĩ thể sau đĩ gây nên hồ quang điện.
Cĩ thể sử dụng vầng quang để nhận biết đƣợc các vấn đề bất thƣờng. Vầng quang ở các đƣờng dây truyền tải chỉ thị sự hiện diện của các bụi bẩn hoặc các tạp chất khác cĩ trên đƣờng dây mang điện và cĩ thể yêu cầu tiến hành ngay cơng việc vệ sinh đƣờng dây.
Vầng quang cĩ mặt sau khi đĩng điện nghiệm thu một thiết bị cĩ thể chỉ ra sự lắp đặt khơng đúng.
Cƣờng độ vầng quang sẽ thay đổi theo độ ẩm. Ở những điều kiện cĩ độ ẩm cao, vầng quang cĩ thể tiến triển thành một phĩng điện tia lửa khiến cĩ thể gây ra sự cắt điện và gây hƣ hỏng đối với các thiết bị điện[14, 15].
2.2 Cấu tạo và thơng số kĩ thuật của mơ hình
2.2.1 Khối tạo điện cao áp
Khối tạo đƣợc chia làm 2 phần: - Mạch điều khiển
- Mạch cơng suất.
2.2.1.1 Mạch điều khiển
Hình 2.4: Mạch điều khiển
Để cĩ thể điều khiển đƣợc điện cao áp đầu ra của mạch điện, chúng ta cần dung đến phƣơng pháp điều chế độ rộng xung. Phƣơng pháp điều chế độ rơng xung là phƣơng pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuơng dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Hình 2.5: Biểu đồ xung của phương pháp điều chế độ rộng xung
Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sƣờn dƣơng) nĩ thay đổi dãn ra hoặc co vào. Và độ rộng của nĩ đƣợc tính bằng phần trăm tức là độ rộng của nĩ đƣợc tính nhƣ sau:
Độ rộng = (t1 / T).100% U0 = UV.t1/T (điện áp đầu ra)
Nhƣ vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn. Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính đƣợc điện áp ra tải sẽ là:
- Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V) - Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)
- Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V)
Cứ nhƣ thế ta tính đƣợc điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào.