5. Tính khoa học và thực tiễn
3.1. Giai đoạn khởi động mơ hình
Để phục vụ cho nghiên cứu các yếu tố sinh – hóa – lý ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý ammonia bằng q trình bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định, mơ hình được vận hành khởi động trong 12 ngày để hình thành lớp màng vi sinh vật trên vật liệu dính bám. Kết quả quan sát cho thấy lớp màng vi sinh đã hình thành trên bề mặt vật liệu. Kết quả thí nghiệm trong giai đoạn khởi động được trình bày trong bảng sau:
Bảng 3.1 Kết quả giai đoạn chạy khởi động mơ hình
Ngày 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH vào 6.45 6.62 6.56 6.54 6.51 6.55 6.53 6.59 6.58 6.49 6.53 6.54 pH ra 7.2 7.41 7.6 7.52 7.48 7.43 6.84 6.69 6.72 6.65 6.74 6.61 Kiềm vào (mgCaCO3/L) 586 682 680 480 560 534 476 548 596 580 544 520 Kiềm ra (mgCaCO3/L) 128 144 128 132 120 124 80 60 56 64 56 52 COD vào (mg/L) 640 560 560 640 720 760 640 800 680 580 760 720 COD ra (mg/L) 128 64 48 48 64 32 48 64 48 32 64 48 N–NH4+ vào (mg/L) 92 110 116 114 117 107 112 113 115 112 114 113 N–NH4+ ra (mg/L) 37 32 17 15 18 14 13 8 3 3 3 4 NO3- (mg/L) 24 32 20 17 15 17 14 10 15 14 18 15 Hiệu suất xử lý COD (%) 80.0 88.6 91.4 92.5 91.1 95.8 92.5 92.0 92.9 94.5 91.6 93.3 Hiệu suất xử lý NH4+ (%) 59.8 70.9 85.3 86.8 84.6 86.9 88.4 92.2 97.1 97.3 97.1 96.5
42
Hiệu quả xử lý N–NH4+
Hình 3.1 Biến thiên nồng độ N–NH4+ trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Trong giai đoạn chạy khởi động mơ hình, nồng độ N–NH4+ vào trong nước thải dao động từ 92 – 117 mg N–NH4+/L. Ở ngày đầu tiên, hiệu quả xử lý N–NH4+ giảm từ 92mg N–NH4+/L xuống còn 37mg N–NH4+/L, hiệu quả xử lý đạt 59,8%, kết quả thu được cho thấy bùn thích nghi khá tốt ở ngày đầu tiên, có thể lý giải do bùn được lấy từ trạm xử lý nước thải chợ Bình Điền đã thích nghi sẵn, tuy nhiên nồng độ sau xử lý vẫn còn cao.Từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 4 hiệu quả xử lý giảm đáng kể. Ở ngày thứ 4, với nồng độ N–NH4+ vào 114 mg N–NH4+/L giảm xuống còn 15 mg N– NH4+/L, hiệu suất xử lý đạt 86,8%. Đến ngày thứ 8, hiệu quả xử lý N–NH4+ đạt 92%, tương ứng với nồng độ N–NH4+ vào 113mg N–NH4+/L giảm xuồng còn 10mg N–NH4+/L, nồng độ sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT, cột B. Đến ngày thứ 12, nồng độ N–NH4+ sau xử lý giảm còn 4mg N–NH4+/L. Kết quả giai đoạn chạy khởi động cho thấy, hiệu suất xử lý N–NH4+ đạt cao nhất 97%, nồng độ N–NH4+ sau xử lý giảm xuống còn 3 – 4mg N–NH4+/L.
43
Hiệu quả chuyển hóa N–NH4+ thành N–NO3-
Trong q trình nitrate hóa làm cho nồng độ N–NH4+ bị oxy hóa thành N–NO2- và N–NO3-. Nếu hiệu quả q trình nitrate hóa xảy ra tốt, phần lớn nitơ ở dạng N–NO3- sau khi kết thúc q trình nitrate hóa.
Hình 4.2 cho thấy, nồng độ N–NO3- sau xử lý tăng lên so với nồng độ N–NO3- trong nước thải trước khi xử lý. Điều này chứng tỏ q trình nitrate hóa đã xảy ra. Nồng độ N–NO3- sẵn có trong nước thải trước xử lý là rất thấp <1mg/L. Sau xử lý, nồng độ N–NO3- 14 – 32mg N–NO3-/L. Nếu so với lượng N–NH4+ đã chuyển hóa, lượng N–NO3- hình thành đo được sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT, cột B. Điều này có thể do quá trình khử N–NO3- từ bể Anoxic và bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định. Kết quả phân tích nồng độ N–NO3- sau xử lý giai đoạn khởi động được trình bài trong hình 3.2
Hình 3.2 Biến thiên nồng độ N–NO3- sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Biến thiên độ kiềm và pH trước và sau xử lý
Q trình nitrate hóa tạo ra ion H+ kết hợp độ kiềm trong nước thải, làm giảm độ kiềm và có thể dẫn đến tình trạng giảm pH nếu độ kiềm (HCO3-) sẵn có khơng đủ để đảm bảo tính đệm cho mơi trường. Kết quả chạy mơ hình thí nghiệm trong 12 ngày cho thấy, độ kiềm của nước sau xử lý khi mơ hình ổn định rất thấp 50 – 60 mg
44
CaCO3/L, 1mg N–NH4+ oxy hóa thành N–NO3- cần 7,14 mgCaCO3, trong khi độ kiềm trước xử lý dao động trong khoảng 476 – 680 mg CaCO3/L, có thể oxy hóa được 67 – 95mg N–NH4+/L trong khi nông độ N–NH4+ vào 92 – 117mg N–NH4+/L, cho thấy kiềm khơng đủ để chuyển hóa, tuy nhiên, kiềm sau xử lý vẫn còn, chứng tỏ độ kiềm tiêu thụ thực tế thấp hơn so với lý thuyết. Hình 4.3 cho thấy, pH sau xử lý dao động trong khoảng 6.61 – 7.48, pH trước xử lý dao động trong khoảng 6.45 – 6.62, pH sau xử lý đều cao hơn pH trước xử lý cho thấy độ kiềm trong nước đủ để q trình nitrate hóa tiêu thụ trong quá trình phản ứng.
Hình 3. 3Biến thiên nồng độ pH trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Hình 3.4 Biến thiên nồng độ kiềm trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
45
Hiệu quả xử lý COD
Trong thời gian vận hành khởi động, kết quả cho thấy hiệu quả xử lý ổn định ngày thứ 3, nồng độ COD giảm từ 480 – 800mg/l xuống còn 32 – 48mg/l, hiệu quả xử lý COD trong mơ hình 91 – 98%. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng xử lý chất hữu cơ trong nước thải chợ đầu mối nơng sản thực phẩm Bình Điền đều nằm trong QCVN 14:2008/BTTMT. Biến thiên nồng độ COD trong nước thải trước và sau xử lý ở giai đoạn khởi động mơ hình được trình bày trong hình 3.5
Hình 3.5 Biến thiên nồng độ COD trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Theo lý thuyết để oxy hóa 1mg N–NH4+ cần 7,14 mgCaCO3. Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ kiềm bị tiêu thụ không ổn định và chênh lệch so với lý thuyết là 7,14 mgCaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa, thấp hơn so với lý thuyết. Ở ngày thứ 8 giai đoạn mơ hình đã ổn định, độ kiềm bị tiêu thụ 4,14 – 5,24 mgCaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa, kết quả cho thấy độ kiềm tiêu thụ < 7,14 mgCaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa là do trong bể xãy ra đồng thời hai q trình là nitrate hóa và khử nitrate, độ kiềm có sẵn trong nước thải và độ kiềm sinh ra từ quá trình khử nitrate của bể Anoxic và bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định. Độ kiềm bị tiêu thụ dao động trong khoảng 3.05 – 5.24 CaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa. Theo phương trình tổng hợp q trình chuyển hóa NH4+ thành NO3- là NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O (Metcaf and Eddy, 2014) cho thấy có 2 đương lượng ion H+ tạo ra khi oxy hóa 1 mol ammonia,
46
ion H+ trở lại phản ứng với 2 đương lượng bicacbonat trong nước thải.. Quá trình khử nitrate sinh ra 3,57 mgCaCO3/mg N–NO3-bị khử (Metcaf and Eddy, 2014) nên đã làm cho độ kiềm trong nước thải sau xử lý tăng trở lại. Theo nghiên cứu của Heike Hoffmann và cộng sự (2007) cho thấy, “nghiên cứu ảnh hưởng của độ kiềm đến hiệu quả khử ni tơ bằng công nghệ SBR với bùn hoạt tính hiếu khí”. Với nồng độ N–NH4+, độ kiềm và pH trước xử lý lần lượt là 37,4mg N–NH4+/L, 234 mg mgCaCO3/L và 7. Sau xử lý nồng độ N–NH4+ =0,7mg/L, N–NO3- = 12,8mg/L, pH = 6,8 và độ kiềm là 55,1 mgCaCO3/L tương ứng với độ kiềm tiêu thụ là 4,87 mgCaCO3/L. Độ kiềm luôn duy trì trong nước thải ở mức ≥ 75 mgCaCO3/L có thể ngăn chặn sự biến động của pH trong q trình nitrate hóa. Tương tự như nghiên cứu của Alleman, lowa và Irving (1980) cho thấy, giá trị độ kiềm bị tiêu thụ rất thấp (2,73 mgCaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa).