Bể hiếu khí
- Bể hiếu khí tổng thể tích nước hữu dụng 13L, làm bằng nhựa PVC , thiết kế như trên Hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đờ bể hiếu khí
- Bể hiếu khí đươ ̣c lắp đă ̣t hê ̣ thớng phân phới khí ta ̣i đáy bể , có tác dụng cung cấp oxi cho quá trình sinh ho ̣c hiếu khí , khuấy trộn phản ứng và q trình sục khí cho màng lo ̣c ở thể động tránh hiện tượng tắc màng.
- Q trình hiếu khí:
- Màng lọc vi l ọc vật liệu sử du ̣ng trong bể hiếu khi có diê ̣n tích b ề mặt 1 m2 loại sợi rỗng, vâ ̣t liê ̣u Polyvinylidene fluor ide. Màng được cố định trong hộp bảo vệ hình hộp và định vị cố định trên giá đỡ . Màng sử dụng loại bơm hút có thể điểu chỉnh lưu lượng.
Các thông số của màng sợi rỗng vật liệu PVDF như sau:
Vật liệu màng PVDF
Diện tích 0,065 m2
Năng suất thiết kế 10 – 60 l/m2.giờ Sợi đường kính trong/ ngồi 1,0/1,8 mm
Kích thước lỗ 0,1 m
Lọc mơ hình Bên ngồi - trong
Tối đa áp lực hoạt động - 70 cm Hg đề nghị áp lực <- 40 cm Hg
Nhiệt độ 5~45
Giá trị pH 1~12
Bầu chất kết dính nhựa epoxy
Hình 2.5. Cấu tạo sợi màng
- Tại bể hiếu khí diễn ra các phản ứng sinh hoá trong bể phản ứng, đây cũng là thời điểm xảy ra các quá trình phân hủy chất ơ nhiễm chủ yếu. Trong bể hiếu khí đươ ̣c su ̣c khí bằng bong bóng bo ̣t nhỏ và liên tu ̣c trong suốt quá trình xử lý . Màng hoạt động nhờ vào áp lực hút do bơm tạo ra để đưa nước sạch ra ngồi, tại đây dịng ra đươ ̣c chia làm 2, mô ̣t phần ra bể chứa , phần còn la ̣i được bơm tuần hoàn bơm ngươ ̣c trở la ̣i bể thiếu khí sớ 3.
2.3.2.2. Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm 3: Khảo sát hiệu quả xử lý COD và nitơ trong nước thải chăn
nuôi bằng hệ sinh học kết hợp màng vi lọc polyme
- Nước thải đưa vào hệ lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, được lọc sơ bộ, loại bỏ những că ̣n lớn bằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm.
- Các thông số vận hành : Nồng độ bùn hoạt tính hiếu khí 9000 mg/L; Thời gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 – 60 ngày; Dịng tuần hồn so với dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2.h. Hệ chạy liên tục [9].
- Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lấy mẫu ở các bể (đầu vào, sau bể yếm khí , sau bể thiếu khí , sau bể hiếu khí) tương ứng với các vi ̣ trí lấy mẫu M1; M2; M3; M4 với mâ ̣t đô ̣ 1 lần/ngày.
- Mẫu được phân tích các chỉ tiêu: pH, COD, độ màu, SS, NH4+, NO3-, NO2-, PO43- để đánh giá hiệu quả xử lý.
Thí nghiệm 4: khảo sát hiệu quả xử lý COD và nitơ trong nước thải chăn
ni bằng phương pháp hóa lý kết hợp hệ sinh học
- Nước thải đưa vào hệ lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, được lọc sơ bộ, loại bỏ những că ̣n lớn bằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 600 mg/L, điều chỉnh pH khoảng 8, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút và để lắng trong khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong dẫn vào hệ sinh học kết hợp màng vi lọc polyme.
- Các thông số vận hành : Nồng độ bùn hoạt tính hiếu khí 9000 mg/L; Thời gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 – 60 ngày; Dịng tuần hồn so với dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2
.h. Hệ chạy liên tục [9].
- Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lấy mẫu ở các bể (đầu vào, sau bể yếm khí , sau bể thiếu khí , sau bể hiếu khí) tương ứng với cá c vi ̣ trí lấy mẫu M1; M2; M3; M4 với mâ ̣t đô ̣ 1 lần/ngày.
- Mẫu được phân tích các chỉ tiêu: pH, COD, độ màu, SS, NH4+, NO3-, NO2-, PO43- để đánh giá hiệu quả xử lý.
Thí nghiệm 5: khảo sát hiệu quả xử lý COD và nitơ trong nước thải chăn
ni bằng phương pháp hóa lý kết hợp hệ sinh học
- Nước thải đưa vào hệ lấy từ trang trại chăn nuôi lợn, được lọc sơ bộ, loại bỏ những că ̣n lớn bằng rây lọc kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm, bổ sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 1000 mg/L, điều chỉnh pH khoảng 8, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút và để lắng trong khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong dẫn vào hệ sinh học kết hợp màng vi lọc polyme.
- Các thông số vận hành : Nồng độ bùn hoạt tính hiếu khí 9000 mg/L; Thời gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 – 60 ngày; Dịng tuần hồn so với dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2.h. Hệ chạy liên tục [9].
- Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lấy mẫu ở các bể (đầu vào, sau bể yếm khí, sau bể thiếu khí , sau bể hiếu khí) tương ứng với các vi ̣ trí lấy mẫu M1; M2; M3; M4 với mâ ̣t đô ̣ 1 lần/ngày.
- Mẫu được phân tích các chỉ tiêu: pH, COD, độ màu, SS, NH4+, NO3-, NO2-, PO43- để đánh giá hiệu quả xử lý.
2.3.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme bằng phương pháp keo tụ sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme bằng phương pháp keo tụ
Thí nhiệm 6: Ảnh hưởng của pH đối với chất keo tụ là phèn nhơm
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo tụ là phèn nhôm Al2(SO4)3.18 H2O, nồng độ 500 mg/L. Hỗn hợp nước thải được điều chỉnh pH trong khoảng 3 - 9, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test và để lắng trong khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý, từ đó tìm ra khoảng pH tối ưu.
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo là phèn nhôm Al2(SO4)3.18 H2O, nồng độ thay đổi từ 500 đến 2000 mg/L, điều chỉnh pH tối ưu có được từ thí nghiệm 6,
khuấy nhanh 300 vịng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test, để lắng khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý.
Thí nhiệm 8: Ảnh hưởng của pH đối với chất keo tụ là phèn sắt
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 500 mg/L. Hỗn hợp nước thải được điều chỉnh pH trong khoảng 3 - 9, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test và để lắng trong khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý, từ đó tìm ra được khoảng pH tối ưu.
Thí nhiệm 9: Ảnh hưởng của nồng độ đối với chất keo tụ là phèn sắt
Thí nghiệm được tiến hành với 500 ml nước thải sau xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme, bổ sung chất keo tụ là phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ thay đổi từ 500 đến 2000 mg/L, điều chỉnh pH tối ưu có được từ thí nghiệm 8, khuấy nhanh 300 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30 vòng/phút trong 10 phút bằng thiết bị jar test, để lắng khoảng 60 phút. Lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, COD, độ màu để đánh giá hiệu quả xử lý.
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc tính của nƣớc thải chăn ni lợn
Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa lý và chỉ tiêu sinh học của nước thải chăn nuôi lơ ̣n được nghiên cứu thể hiê ̣n trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Đặc tính của nước thải lợn lấy tại địa chỉ xóm Múi – xã Bích Hòa huyê ̣n Thanh Oai – Hà Nội
STT Các chỉ
tiêu Đơn vị Giá trị QCVN 40:2011/ BTNMT (cột B) QCVN 01-79:2011/ BNNPTNT (cột B)
1 pH - 7,3 - 8,5 5,5-9 5,5-9 3 TSS mg/L 800 - 3000 100 100 4 COD mg O2/L 2100 - 7000 150 100 5 BOD5 mg O2/L 1000 - 3500 50 50 6 N-NH4+ mg/L 140 - 538 10 10 7 N-NO2- mg/L 0,1 - 0,3 - - 8 N-NO3- mg/L 0,2 - 0,6 - - 9 P-tổng mg/L 20 - 75 6 6 10 Coliforms MPN/ 100 mL 0,95×106 - 1,25×106 5.000 5.000
Theo kết quả phân tích trong Bảng 3.1 cho thấy tất cả các thông số đặc trưng cho sự ô nhiễm đều cao hơn nhiều lần so với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT), cột B, cụ thể: TSS cao gấp 80 - 300 lần; COD gấp 20 - 60 lần; BOD5 gấp 40 - 70; NH4+ cao gấp 10 - 50 lần; T-P cao gấp 10 - 20 lần và Coliforms cao gấp 190 – 250 lần. Như vậy, nước thải chăn nuôi lợn tại đây rất ô nhiễm, nếu không đươ ̣c xử lý trước khi thải ra môi trường sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường và sức khỏe con người.
3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất tiền xử lý nƣớc thải chăn nuôi bằng phèn sắt
3.2.1. Ảnh hưởng của pH
Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng lớn các hạt rắn và hầu hết chúng là những hạt keo bền vững. Keo tụ hóa học là một phương pháp có khả năng xử lý hiệu quả nước thải chuồng lợn do nó có khả năng tách rắn - lỏng. Tuy nhiên, phương pháp keo tụ không thể xử lý triệt để ô nhiễm trong nước thải chăn ni mà chỉ có thể làm giảm một phần các thông số như COD, SS, độ đục, độ mầu, nitơ và phốtpho.
Trong quá trình keo tụ, pH là một yếu tố ảnh hưởng rất quan trọng, do vậy thí nghiệm với giá trị pH trong khoảng từ 5 – 9 đã được thực hiện.
Muối sắt chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng rất phổ biến ở các nước công nghiệp. Muối sắt thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậy cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi.
Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2
So với phèn nhơm, muối sắt có ưu thế là vùng pH tối ưu rộng hơn, từ 5 đến 9, bông cặn bền hơn và nặng hơn nên lắng tốt hơn, lượng sắt dư thấp hơn và ít độc cho giai đoạn xử lý sinh học sau này.
Tiến hành thí nghiệm như đã mơ tả tai mục 2.3.1, chương 2, kết quả thu được thể hiện trong Bảng 3.2 và trên Hình 3.1:
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả tiền xử lý bằng phèn sắt
STT Mẫu thí nghiệm COD (mg O2/L) SS (mg/L) Độ đục (NTU) Độ màu (Pt-Co) NH4+ (mg/L) 1 Đối chứng 4280 939 735 6800 253 3 pH 5 3580 400 205 2300 231 4 pH 6 3680 478 175 1000 211 5 pH 7 3640 446 161 2100 201 6 pH 8 1840 292 153 2000 209 7 pH 9 2840 381 177 1800 226
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 pH5 pH6 pH7 pH8 pH9 H iệ u su ất xử lý ( %) COD SS Độ đục Độ màu Amoni
Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý bằng phèn sắt
Từ Bảng 3.2 và Hình 3.1 cho thấy, tại pH khoảng 8, hiệu suất xử lý COD và SS cao nhất lần lượt là 57,0% và 68,9%. Tại các giá trị pH khác, hiệu suất loại bỏ độ đục và độ màu đều trên 66% do các chất rắn lơ lửng có trong nước thải chăn ni lợn lắng xuống cùng các hạt keo. Nước thải chăn ni được nghiên cứu có đặc tính độ kiềm cao nên pH tối ưu cho phản ứng keo tụ bằng phèn sắt sẽ tốn ít chi phi hóa chất và thời gian cho giai đoạn hóa lý.
Các kết quả nghiên cứu thu được chỉ ra rằng, khả năng xử lý amoni của q trình keo tụ khơng cao, hiệu suất xử lý chỉ đạt khoảng 17 - 20%. So sánh với nghiên cứu của Seung Hwan Lee (2009) thấy rằng: hiệu suất loại bỏ nitơ cũng thấp hơn các thông số khác và hiệu suất loại bỏ amoni cũng không đáng kể, chỉ đạt 21 – 33%. Như vậy, kết quả thu được trong nghiên cứu này tương đồng với kết quả của Seung Hwan Lee (2009).
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ
Sau khi đã lựa chọn được pH tối ưu của phèn sắt đối với nước thải chăn nuôi lợn, tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất keo tụ. Tiến hành với nồng độ phèn sắt tăng dần từ 400 – 1200 mg/L ở pH ~ 8. Kết quả thu được thể hiện trong Bảng 3.3 và trên Hình 3.2.
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu quả tiền xử lý
STT Nồng độ phèn sắt (mg/L) COD (mg O2/L) SS (mg/L) Độ đục (NTU) Độ màu (Pt-Co) PO43- (mg/L) 1 0 4960 987 1206 9400 22,9 3 400 2570 278 278 2800 19,0 4 600 2440 291 234 2900 17,5 5 800 1970 119 224 2200 17,1 6 1000 1860 105 227 1400 13,6 7 1200 1762 123 234 1200 15,7
Hiệu suất xử lý COD, SS, độ đục, độ màu và phốtpho trong nước thải chăn ni bằng phèn sắt tại các thí nghiệm được thể hiện trên Hình 3.2:
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 400 600 800 1000 1200 H iệ u su ất x ử lý (%) Nồng độ phèn sắt (mg/l) COD SS Độ đục Độ màu PO4
Kết quả tại bảng 3.2 và đồ thị hình 3.2 nhận thấy, ở pH 8 phèn sắt đạt hiệu quả xử lý cao nhất khi nồng độ 1000 - 1200 mg/L. Tại khoảng nồng độ này, hiệu suất xử lý COD, SS, độ đục, độ màu tương ứng là 64,5; 87,5; 80,6 và 87,2%. Ngồi ra, q trình keo tụ bằng phèn sắt cịn xử lý được một phần phốtpho trong nước thải chăn nuôi. Hiệu suất xử lý phốtpho đạt lớn nhất 40,1% tại nồng độ chất keo tụ là 1000 mg/L.
So sánh với nghiên cứu của Seung Hwan Lee (2009) khi xử lý nước thải chuồng lợn bằng quá trình keo tụ - MBR được theo dõi trong 5 tháng đã cơng bố thì hiệu suất trung bình loại bỏ BOD, COD, NH3-N trong quá trình keo tụ tương ứng là 64,3; 77,3 và 40,4% [22]. Hiệu suất loại bỏ độ đục bởi hóa chất keo tụ đạt 96,4%. Kết quả của Seung Hwan Lee (2009) cao hơn một chút so với kết quả của thí nghiệm trong nghiên cứu này.
3.3. Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học
Vâ ̣n hành giai đoạn xử lý sinh học: Thời gian lưu thủy lực 4 ngày; Thời gian lưu bùn 30 - 60 ngày; Dịng tuần hồn so với dòng ra là 3:1; Năng suất lọc của màng: 12 L/m2.h [9]. Sau thời gian hệ hoạt động ổn định (30 ngày) bắt đầu lấy mẫu ở các bể, kết quả nghiên cứu được thể hiện trong Bảng 3.4:
Bảng 3.4. Một số đặc tính của nước thải chăn ni lợn đầu vào (M1) hệ xử lý
Thời gian (ngày) pH COD (mg O2/L) N-NH4+ (mg/L) P-PO43- (mg/L) 1 8,31 2140 312,6 24,7