Dựa trên nguyên lý làm việc của aerotannk khuấy đảo hồn chỉnh, người ta thay khơng khí nén bằng cách sục oxy tinh khiết. Bể phản ứng thường có nhiều ngăn, kín, và cung cấp các dịng nước giàu oxy ở dạng khí hịa trộn trong chất lỏng.
Dịng nước thải vào và dịng bùn hoạt tính tuần hồn chỉ được đưa vào ở ngăn đầu tiên cùng với oxy (thường tinh khiết 98%). Ở mỗi ngăn có sự pha trộn hồn tồn trong từng ơ. Sự pha trộn các chất rắn lơ lửng và oxy hòa tan được cung cấp cho mỗi ngăn. Các loại máy móc sử dụng trong loại bể này là: máy thổi khí bề mặt tốc độ nhỏ và tuabin đặt trong nước. Việc sử dụng nguồn oxy có độ tinh khiết cao sẽ có tác dụng làm gia tăng áp suất oxy tham gia trong mỗi ngăn, vì vậy sẽ làm tăng tỷ lệ chuyển hóa thể tích oxy hơn so với hệ thống sử dụng khơng khí. Điều này sẽ làm cho thể tích bể phản ứng sinh hóa cần sử dụng nhỏ lại, vì vậy thời gian lưu nước chỉ cịn khoảng 2 - 4 giờ. Thời gian lưu bùn tối thiểu từ 1 - 2 ngày thường được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, cịn đối với nước thải cơng nghiệp cần thời gian lưu bùn dài hơn.
* Bể hiếu khí gián đoạn – SBR (Sequencing Batch Reactor)
Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn (do q trình làm thống và lắng trong được thực hiện trong cùng 1 bể). Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống như sau: 1- làm đầy, 2- sục khí (khử BOD), 3- lắng trong, 4- xả cặn dư và xả nước ra, 5- nghỉ. Tiếp tục thực hiện xử lý theo chu kỳ mẻ nước thải khác.
Pha làm đầy có thể là các trạng thái: tĩnh, khuấy trộn hoặc thơng khí, tùy thuộc vào đối tượng cần xử lý. Trạng thái tĩnh là do năng lượng đầu vào thấp và nồng độ các chất nền cao ở cuối giai đoạn. trạng thái khuấy trộn là do có sự khử nitrat (khi có sự hiện diện của nitrat) các chất lơ lửng sẽ làm giảm nhu cầu oxy và năng lượng đầu vào, và cần phải có điều kiện thiếu hoặc kỵ khí cho q trình loại bỏ sinh hóa P. Trạng thái thơng khí là do các phản ứng hiếu khí ban đầu, làm giảm thời gian tuần hoàn và giữ nồng độ chất nền mức thấp, điều này là quan trọng nếu tồn tại thành phần các chất hữu cơ dễ bị phân hủy với nồng độ độc tính cao.
Nếu khơng có phản ứng sinh hóa xảy ra trong suốt pha làm đầy tĩnh, nồng độ chất nền trong bể SBR sẽ đạt tối đa ở cuối pha này. Nếu trạng thái khuấy trộn được chọn, nồng độ chất nền, nồng độ oxy hòa tan và nồng độ nitrat sẽ thay đổi trong suốt q trình. Khi khơng có oxy hiện diện, nitrat sẽ trở thành tác nhân nhận điện tử và phản
ứng sinh hóa thiếu khí sẽ làm giảm chất nền. Cuối cùng, sự lên men hoặc các phản ứng sinh hóa kỵ khí sẽ bắt đầu một khi oxy và nitrat được lấy hết ra. Trạng thái thơng khí được tiến hành khi khí được cung cấp trong suốt q trình làm đầy. tốc độ phân hủy chất nền được giới hạn bởi tốc độ phản ứng sinh hóa là hàm của sinh khối, và nồng độ chất nền khi nồng độ oxy hòa tan cao hơn so với nồng độ tối thiểu, hoặc là hàm của tốc độ với oxy được cung cấp từ thiết bị thổi khí. Trong trường hợp đầu tiên, kích thước bể SBR thường nhỏ hơn, nhưng thiết bị thổi khí lớn hơn và năng lượng cung cấp lớn hơn. Trong trường hợp thứ hai, địi hỏi có bể phản ứng lớn hơn, nhưng hệ thống thơng gió nhỏ hơn và năng lượng cần cung cấp ít hơn. Khi các phản ứng sinh hóa bị giới hạn bởi tốc độ thơng gió, nồng độ oxy hòa tan tiến gần tới 0.
1.2.7.3.2. Cơng nghệ sinh học kỵ khí a. Cơ sở lý thuyết
Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kị khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vơ cơ có trong nước thải, ở điều kiện khơng có oxi hịa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (CO2, CH4). Q trình phân hủy kị khí có thể mơ tả bằng sơ đồ tổng qt: (CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào vi sinh.[8]
Quá trình sinh học kị khí có thể xử lý nước thải có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao BOD ≥ 10 – 30 (g/l). Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học. Một cách tổng qt, q trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:[10]
Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử; Giai đoạn 2: Acid hóa;
Giai đoạn 3: Acetate hóa; Giai đoạn 4: Methane hóa.
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp
tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau: - 4H2 + CO2 => CH4 + 2H2O - 4HCOOH => CH4 + 3CO2 + 2H2O - CH3COOH => CH4 + CO2 - 4CH3OH => 3CH4 + CO2 + 2H2O - 4(CH3)3N + H2O => 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia q trình xử lý kỵ khí thành:
- Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), q trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dịng nước đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB);
- Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như q trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process).
Hình 1.5: Cấu tạo bể xử lý nước thải áp dụng công nghệ xử lý kỵ khí
b. Các cơng nghệ xử lý * Cơng nghệ xử lý bể kỵ khí
Trong q trình xử lý nước thải bằng cơng nghệ kỵ khí, các chất hữu cơ trong nước thải được chuyển hố thành mêtan và khí cacbonic, q trình được thực hiện khơng có mặt của oxy. Hệ thống xử lý kỵ khí có thể là các ao kỵ khí hoặc các dạng khác nhau của bình phản ứng tải trọng cao.
Hồ kỵ khí được sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và hàm lượng cặn cao. Độ sâu hồ kỵ khí phải lớn 2,4m (8ft), có thể đạt đến 9,1m với thời gian lưu nước dao động trong khoảng 20 – 50 ngày.
Quá trình ổn định nước thải trong hồ xảy dưới tác dụng kết hợp của quá trình kết tủa và q trình chuyển hố chất hữu cơ thành CO2, CH4, các khí khác, các acid hữu cơ và tế bào mới. Hiệu suất chuyển hố BOD5 có thể đạt đến 70 – 80%.
* Cơng nghệ sinh học kỵ khí UASB
Đây là một trong những q trình kị khí được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới do 2 đặc điểm chính sau:[10]
Cả 3 quá trình phân huỷ – lắng bùn – tách khí, được lắp đặt trong cùng một cơng trình;
Tạo thành các loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.[10]
Bên cạnh đó, q trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB cịn có những ưu điểm so với q trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành; - Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn; - Bùn sinh ra dễ tách nước;
- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng; - Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methane;
- Có khả năng hoạt động theo mùa vì kỵ khí có thể phục hồi và hoạt động được sau một thời gian ngưng không nạp liệu.[10]
Hệ thống UASB (Up-flow Anaerobic Slugle Blanked) được phát triển từ hệ thống xử lý kỵ khí đối với các loại nước thải có nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ cao. Trong những năm gần đây UASB đã được nghiên cứu chuyên sâu và triển khai áp dụng rộng rãi trên thế giới do các ưu điểm sau:
- Tải trọng phân huỷ hữu cơ cao do vậy mặt bằng yêu cầu cho hệ thống xử lý nhỏ.
- Nhu cầu tiêu thụ năng lượng thấp do không cần phải cung cấp oxy. - Có khả năng thu hồi năng lượng.[10]
* Sinh học kỵ khí 2 giai đoạn
Hệ thống xử lý nước thải sinh học phân hủy kị khí 2 giai đoạn thường được thiết kế cho vùng dân cư từ 30.000 – 50.000 người. Ở giai đoạn đầu, các hoạt động sinh hóa chỉ là sự lỏng hóa các chất rắn hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hịa tan và sự khí hóa. Ở gian đoạn thứ hai xảy ra chủ yếu la sự khí hóa, tuy nhiên, vẫn cịn sự phân chia ở bề mặt chứa khí và phân hủy bùn.
Giai đoạn đầu thường là q trình phân hủy tải trọng cao với sự hịa trộn liên tục các chất trong khi đó ở giai đoạn 2 thường là sự hịa trộn ở tải trọng thấp với sự nổi trên bề mặt và pha trộn không liên tục. Các chất hữu cơ cung cấp ban đầu ở dòng vào trong giai đoạn 1 thường lớn hơn so với giai đoạn 2.
1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay nghiên cứu về enzyme rác đến quá trình xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam là chưa có. Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu ảnh hưởng của enzyme rác đến quá trình xử lý nước thải rỉ rác, nước thải chăn ni… và một số ít nghiên cứu ảnh hưởng đến nước thải sinh hoạt điển hình là nghiên cứu của Fazna Nazim và V. Meera.
Nghiên cứu về ảnh hưởng của enzyme rác trong nước thải sinh hoạt của Fazna Nazim và V. Meera. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của độ pha loãng từ 5% đến 75% của Garbage Enzyme trong quá trình xử lý các chất ơ nhiễm có trong nước thải sinh hoạt. Kết quả thử nghiệm sau 27 ngày cho thấy enzyme rác làm tăng BOD do hàm lượng hữu cơ có trong enzyme rác cao. Đối với hỗn hợp có hơn 10% enzyme rác,
độ pH của nó vẫn cịn có tính axit sau giai đoạn tiêu hóa 5 ngày. Tuy nhiên, hàm lượng nito tổng và photpho tổng có thể được loại bỏ bằng cách bổ sung enzyme rác.[11]
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, VỊ TRÍ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Enzyme rác, nước thải sinh hoạt
2.2. Vị trí nghiên cứu
Phịng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu
Thu thập thông tin từ các bài báo khoa học, những cơng trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài gồm có:
- Tình hình phát thải, xử lý nước thải sinh hoạt
- Thơng tin đặc điểm tính chất của nước thải sinh hoạt - Thơng tin đặc điểm tính chất của enzyme rác
- Quy trình pha chế enzyme rác từ rác thải - Ứng dụng của enzyme rác
- Tình hình nghiên cứu enzyme rác trong xử lý nước thải
2.3.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm2.3.2.1. Chuẩn bị enzyme rác 2.3.2.1. Chuẩn bị enzyme rác
Tận dụng enzyme rác được ủ sẵn tiến hành cho quá trình nghiên cứu Dung dịch được ủ 1 năm và lọc để dùng cho nghiên cứu
Thể tích enzyme rác cần dùng trong quá trình nghiên cứu: 450 ml
Cách lưu trữ và bảo quản enzyme rác: Bảo quản nơi thoáng mát và tránh ánh nắng trực tiếp.
Các chỉ tiêu cần phân tích trong enzyme rác: BOD5, pH, TDS
Hình 2.1: Dung dịch Garabage Enzyme
2.3.2.2. Chuẩn bị nước thải nhân tạo
Nước thải nhân tạo được chuẩn bị theo công thức của Fazna Nazim Cách pha nước thải xám trong phịng thí nghiệm
Bảng 2.1: Thành phần nước thải xámThành phần nước thải xám Khối lượng Thành phần nước thải xám Khối lượng
Glucose 300 mg/l
Natri axetat trihydrat 400 mg/l
Amoni clorua 225 mg/l
Dinatri hydro photphat 150 mg/l
Kali dihydro photphat 75 mg/l
Magie sulphat 50 mg/l
Phân bị 225 ml/l
Hình 2.2: Nước thải xám nhân tạoBảng 2.2 Bảng số liệu nước thải đầu vào Bảng 2.2 Bảng số liệu nước thải đầu vào
Chỉ tiêu Đơn vị mg/l pH 6,19 TDS 3230 BOD5 405 TN 85 TP 30,2 2.3.2.3. Bố trí thí nghiệm
Nước thải xám nhân tạo được xử lý bằng cách bổ sung enzyme rác. Tiến thành thí nghiệm:
Bước 1: Chuẩn bị 3 can 5l (đánh dấu can 1, 2, 3) Bước 2: Cho 1500ml nước thải nhân tạo vào can Bước 3: Tiếp tục cho enzyme rác vào can theo thứ tự: Can 1: 75ml
Can 2: 150ml Can 3: 225ml
Bước 4: Phân tích các chỉ tiêu BOD5, TDS, TN, TP, pH sau khi cho enzyme rác hòa tan vào trong nước thải.
Các mẫu được phân tích mỗi 5 ngày 1 lần. Các chỉ tiêu BOD5, TDS, pH được
phân tích trực tiếp tại phịng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng. Cịn các chỉ tiêu TN và TP được phân tích tại phịng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vì phịng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng khơng có đầy đủ các thiết bị để phân tích được hai chỉ tiêu này.
Trong q trình xử lý nước thải xám nhân tạo có sử dụng bơm chìm để đảo trộn nước thải và enzyme trong can mục đích tăng q trình xúc tác enzyme với nước thải.
Bơm chìm được điều chỉnh 1h on và 1h off bằng bộ điều chỉnh thời gian.
Hình 2.3: Nước thải xám sau khi bổ sung enzyme rác
Hình 2.4: Bơm chìm Hình 2.5: Bộ điều chỉnh thời gian
2.4. Phương pháp đo, phân tích các chỉ tiêu
2.4.1. Phương pháp phân tích TN (TCVN 6638-2000)
Mẫu được gởi tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Cách tiến hành
Dùng pipet hút 50ml mẫu vào bình kjeldahl. Thêm 4ml ± 0,1ml acid sunfuric, 0,2g ± 0,01g hợp kim Devadar và 2g ± 0,05g kali sunfat.
Sau ít nhất 60 phút. Thêm vài giọt đá bọt và đun sơi lượng trong bình dưới tủ hút. Thể tích lượng trong bình giảm dần do nước bay hơi đi.
Khi khói trắng bắt đầu xuất hiện thì đậy phễu nhỏ vào cổ bình Kjeldahl để giảm sự bay hơi. Khơng đun đến cạn khô. Nhiệt độ của chất lỏng trong giai đoạn này khơng được vượt q 3700C.
Sau khi hết bốc khói thì quan sát định kỳ sự vơ cơ hóa, sau khi chất lỏng trở thành không màu hoặc xanh nhẹ, tiếp tục đun 60 phút ± 5 phút nữa.