CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.5 Tổng quan xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng phương pháp sục khí
1.5.2 Thí nghiệm sử dụng cơng nghệ sục khí
1.5.2.1 Cơ sở khoa học của hệ thống sục khí
Cơ sở của thí nghiệm này dựa trên định luật Henry áp dụng cho chất khí, định luật phát biểu như sau: Ở một nhiệt độ khơng đổi, độ hịa tan của chất khí vào trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của chất khí đó. Cơng thức tổng qt của định luật có dạng.
Si = H Pi
Trong đó: H – Hằng số Henry, phụ thuộc vào nhiệt độ Pi – Áp suất riêng phần của khí i
Si – Độ hịa tan của chất khí i
Đối với một chất khí được xem là lý tưởng, mối tương quan giữa các đại lượng áp suất, thể tích, nhiệt độ và số mol được thể hiện thơng qua phương trình khí lý tưởng có dạng:
pV = nRT Trong đó: p – Áp suất chất khí (atm)
V – Thể tích chất khí (L)
n – số mol của chất khí (mol)
R – Hằng số khí lý tưởng, có giá trị 0,082 (L.atm mol.K⁄ ) T – Nhiệt độ chất khí (oK)
Rõ ràng, khi các yếu tố thể tích và nhiệt độ khơng đổi, số mol khí sẽ biến đổi tỷ lệ thuận với áp suất của chất khí đó. Khi áp suất sục khí tăng lên, lượng mol chất khí cũng tăng tỷ lệ, từ đó thúc đẩy q trình hịa tan oxy vào nước tốt hơn.
1.5.2.2 Mơ hình hệ thiết bị sục khí quy mơ PTN
Cả 3 cột nước đại diện cho 3 mô đun trong nghiên cứu sẽ cùng được nạp đầy nước để đạt được chiều cao cột nước là 4 m, cài đặt trên 3 mô đun cùng một lưu lượng sục khí thơng qua các lưu lượng kế có van điều chỉnh; điểm khác nhau giữa 3 mô đun chính là ở độ sâu sục khí. Mơ đun thứ nhất sẽ được sục khí ở độ sâu lớn nhất (tầng đáy), ngập phía dưới mặt nước một khoảng là 4 m; mơ đun thứ hai được sục khí ở độ sâu trung bình (tầng giữa), ngập dưới mặt nước một khoảng 2 m và mô đun thứ ba được sục ở tầng mặt với độ sâu ngập nước là 0,25 m. Việc áp dụng sục
khí tại ba độ sâu khác nhau nhằm mục đích nghiên cứu, khảo sát mức độ ảnh hưởng của áp suất sục khí tăng cường đến khả năng hịa tan oxy vào nước.
Hình 1.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm sục khí cưỡng bức theo độ sâu
Nguồn: Báo kinh tế môi trường, 2019 [25]
Lưu lượng sục khí áp dụng cho cả 3 mơ đun là như nhau và được kiểm sốt nhờ van điều tiết trên các lưu lượng kế, cụ thể trong thí nghiệm này mức lưu lượng áp dụng lên 3 mơ đun là 50 lít/giờ. Theo dõi hoạt động của 3 mơ đun liên tục trong khoảng thời gian 2 ngày, tiến hành đo nhanh giá trị DO và lấy mẫu phân tích COD sau các khoảng thời gian 2; 4; 6; 8; 12; 16; 20; 30 và 48 giờ kể từ lúc bắt đầu vận hành hệ thí nghiệm. Khi tiến hành xác định nhanh giá trị DO bằng máy đo cầm tay, máy thổi khí sẽ được tạm dừng trước thời điểm đo và lấy mẫu khoảng 15 phút. Tiến hành lấy mẫu cả ở tầng mặt và tầng đáy của cột nước; sau mỗi lần lấy mẫu sẽ bổ sung thêm một lượng vừa đủ với lượng nước thải đã bị thất thoát để tránh làm thay đổi tới chiều cao cột nước.
Do quy mơ thí nghiệm nhỏ và thực hiện trong khoảng thời gian ngắn nên chấp nhận các yếu tố bất định như hệ thí nghiệm vận hành theo mẻ, khơng có q
trình tuần hồn nước, khơng có lớp trầm tích đáy và tạm thời bỏ qua các yếu tố địa hình cũng như kết cấu của hệ thống thoát nước trong thực tế.
Mơ hình thí nghiệm của hệ thiết bị sục khí phục vụ q trình nghiên cứu của luận văn được thể hiện trên hình 1.7.
Hình 1.7: Mơ hình hệ thiết bị sục khí PTN
Hệ thiết bị được thiết kế phục vụ nghiên cứu gồm 3 cột ống nhựa đại diện cho 3 mơ đun với các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Cột ống được sử dụng trong nghiên cứu là loại ống nhựa acrylic trong suốt, đường kính ống = 90 mm, chiều dài ống L = 2000 mm và độ dày thành ống W = 3 mm. Các mô đun trong nghiên cứu được thiết kế với chiều cao cột nước là 4 m, vì vậy hai cột ống với chiều dài mỗi cột là 2 m sẽ được ghép lại với nhau bằng mặt bích được gia cơng từ nhựa mica có sử dụng keo dán, tổng cộng cần 6 ống kích thước 90×3×2000 cho 3 mô đun. Đáy của các cột có bố trí thêm van xả nước thải, phục vụ cho quá trình thay nước cũng như lau dọn vệ sinh sau các lần tiến hành thí nghiệm.
Máy thổi khí sử dụng trong hệ thí nghiệm là model XU125D6 của Đức với các thông số kỹ thuật: áp suất thổi khí 1,3 bar; lưu lượng thổi khí là 2,7 m3
/phút và công suất tiêu thụ là 50W. Lưu lượng kế đo dịng khí sử dụng trong hệ thí nghiệm là loại có van điều tiết, model DK 800-6 với dải đo dao động từ 50 – 500 lít/giờ.
1.5.2.3 Ảnh hưởng của phương pháp sục khí đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ
Ảnh hưởng của phương pháp sục khí đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ đã được nêu rõ trong “Hiện trạng ô nhiễm chất hữu cơ trên các sông nội đô thành phố Hà Nội và giải pháp kỹ thuật sục khí cưỡng bức nhằm giảm ơ nhiễm chất hữu cơ” [25]
Đồ thị thể hiện xu hướng diễn biến của nồng độ chất hữu cơ trong nước thải thí nghiệm trên mơ đun 1 được thể hiện trên hình 1.8.
Hình 1.8: Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mơ đun 1
Phương trình thể hiện mối tương quan giữa giá trị COD trong nước thải và thời gian sục khí của tầng mặt và tầng đáy trong mơ đun 1 lần lượt có dạng:
y = -6,426ln(x) + 60,465 và y = -5,257ln(x) + 68,621
Trong đó: y đặc trưng cho nồng độ giá trị COD x là thời gian tiến hành sục khí.
Cả hai đường xu thế diễn biến DO đều cho thấy chiều hướng giá trị COD giảm dần theo thời gian sục khí; độ tin cậy của đường xu thế diễn biến tại tầng mặt đạt được trong mô đun 1 là khá cao với R2
= 0,9111, tầng đáy chỉ đạt R2 = 0,6277. Đường xu thế diễn biến COD của tầng mặt nằm phía dưới đường xu thế diễn biến của tầng đáy chứng tỏ giá trị COD tại tầng mặt có chiều hướng giảm nhanh hơn (hệ số a trong phương trình xu thế tại tầng mặt là là -6,426 và tầng đáy là -5,257) và đồng nghĩa với khả năng xử lý chất hữu cơ xảy ra tốt hơn tại tầng mặt.
Tầng mặt y = -6,426ln(x) + 60,465 R² = 0,9111 Tầng đáy y = -5,257ln(x) + 68,621 R² = 0,6277 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 0 10 20 30 40 50 CO D (m g /l )
Thời gian sục khí (giờ)
Dựa trên đường xu thế có thể thấy sau 12 tiếng sục khí, hiệu quả xử lý chất hữu cơ tại tầng mặt đạt khoảng 51% và tại tầng đáy là 38%. Sau 48 tiếng sục khí, hiệu quả xử lý chất hữu cơ đạt được ở tầng mặt và tầng đáy lần lượt là 60% và 46%. Có thể thấy q trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra ở hai tầng trong mô đun 1 là rất chậm bởi giá trị COD nước thải đầu vào là khá thấp, tuy vậy sau 48 tiếng xử thì giá trị COD ở cả hai tầng mặt và đáy đều đạt yêu cầu chất lượng nước mặt quy định trong QCVN 08:2015/BTNMT – Cột B2. Cả hai đường xu thế cũng dự báo nếu tiếp tục sục khí lâu hơn thì giá trị COD cũng có chiều hướng giảm thêm nhưng khơng nhiều, q trình xảy ra sẽ chậm hơn so với các thời điểm ban đầu.
Hình 1.9: Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mơ đun 2
Diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mơ đun 2 và 3 được thể hiện trên các hình 1.9 và hình 1.10.
Phương trình tương quan giữa giá trị COD và thời gian sục khí của tầng mặt và tầng đáy trong mô đun 2 lần lượt là:
y = -6,665ln(x) + 60,142 và y = -6,385ln(x) + 64,922.
Độ tin cậy của hai đường xu thế đạt được là tương đối cao, lần lượt là R2
= 0,8649 đối với tầng đáy và R2
= 0,8896 đối với tầng mặt. Cũng như mô đun 1, đường xu thế diễn biến giá trị COD của tầng mặt trong mô đun 2 nằm phía dưới đường xu thế diễn biến của tầng đáy với hệ số a trong phương trình xu thế tương
Tầng mặt y = -6,665ln(x) + 60,142 R² = 0,8896 Tầng đáy y = -6,385ln(x) + 64,922 R² = 0,8649 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 0 10 20 30 40 50 CO D (m g /l )
Thời gian sục khí (giờ)
ứng là -6,665 nhỏ hơn so với tầng đáy là -6,385. Như vậy trong mô đun 2, q trình hịa tan phân hủy chất hữu cơ trong nước xảy ra tốt hơn tại tầng mặt tương tự như trong mô đun 1.
Đường xu thế cho thấy sau 48 tiếng sục khí, hiệu quả xử lý chất hữu cơ đạt được tại tầng mặt và tầng đáy lần lượt là 62% và 55%, giá trị COD thu được đảm bảo yêu cầu đối với chất lượng nước mặt quy định tại QCVN 08:2015/BTNMT – Cột B2. Giá trị COD ở cả hai tầng cũng sẽ có chiều hướng giảm nhưng rất chậm nếu tiếp tục tăng thời gian sục khí thêm.
Hình 1.10: Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mơ đun 3
Đối với mơ đun 3, phương trình xu thế diễn biến COD theo thời gian sục khí của tầng mặt và tầng đáy lần lượt là:
y = -7,357ln(x) + 59,214 và y = -7,174ln(x) + 65,227
Với độ tin cậy tương ứng là 0,8485 (tầng mặt) và 0,821 (tầng đáy). Tương tự như kết quả đã nêu trong mô đun 1 và 2, đường xu thế diễn biến COD của tầng mặt trong mơ đun 3 nằm phía dưới đường xu thế diễn biến của tầng đáy với hệ số a trong phương trình xu thế lần lượt là -7,357 đối với tầng mặt và tầng đáy là -7,174. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải thí nghiệm trên mơ đun 3 cũng xảy ra tốt hơn tại tầng mặt so với tầng đáy. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ sau 48 tiếng sục
Tầng mặt y = -7,357ln(x) + 59,214 R² = 0,8485 Tầng đáy y = -7,174ln(x) + 65,227 R² = 0,821 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 0 10 20 30 40 50 CO D (m g /l )
Thời gian (giờ)
khí đạt 66% tại tầng mặt và 58% tại tầng đáy. Giá trị COD sẽ tiếp tục giảm nhưng diễn ra rất chậm hơn nếu tiến hành sục khí lâu hơn.
Tiến hành so sánh các đường xu thế biến đổi giá trị COD theo thời gian trên cùng một tầng nước giữa các mô đun với nhau, xu thế thay đổi của giá trị COD mẫu nước tại tầng mặt thí nghiệm trong 3 mơ đun được thể hiện trên hình 1.11
Hình 1.11: Diễn biến giá trị COD tầng mặt theo thời gian của hệ sục khí
Hệ số tương quan R2
của đường xu thế diễn biến COD theo thời gian sục khí trên cả 3 mơ đun đều đạt giá trị khả quan. Đường xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian của mơ đun 3 có độ cong lớn hơn và nằm dưới cùng so với đường xu thế của hai mơ đun cịn lại, ngoài ra hệ số a trong phương trình xu thế của mơ đun 3 cũng thấp hơn (hệ số a = -7,357 so với a = -6,665 trong mô đun 2 và a = -6,426 trong mô đun 1) cho thấy khả năng phân hủy chất hữu cơ tầng mặt trong mô đun này tối ưu hơn so với hai mô đun 1 và 2. Đường xu thế của hai mô đun 1 và 2 nằm rất sát nhau, tuy nhiên hệ số a phương trình xu thế của mơ đun 2 có giá trị nhỏ hơn so với mô đun 1, điều đó chứng tỏ mức độ phân hủy hợp chất hữu cơ trong nước (diễn ra tại tầng mặt) của mô đun 2 tốt hơn so với mô đun 1.
So sánh khả năng xử lý chất hữu cơ của ba mô đun tại cùng một thời điểm là sau 8 tiếng sục khí nhận thấy hiệu suất xử lý (tầng mặt) của mô đun 3 đạt giá trị tốt nhất là 53%, các mô đun 2 và 1 lần lượt đạt 50% và 49%. Có thể thấy hiệu suất xử
Mơ đun 1 y = -6,426ln(x) + 60,465 R² = 0,9111 M ô đun 2 y = -6,665ln(x) + 60,142 R² = 0,8896 M ô đun 3 y = -7,357ln(x) + 59,214 R² = 0,8485 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 0 10 20 30 40 50 CO D (m g /l )
Thời gian sục khí (giờ)
lý chất hữu cơ tại tầng mặt của ba mơ đun khơng có sự chênh lệch rõ rệt bởi lẽ giá trị COD đầu vào của nước thải hay thải lượng chất hữu cơ phải xử lý là không lớn. Như vậy, từ kết quả phân tích nêu trên có thể nhận định rằng khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ khi sục khí ở độ sâu 4 m với áp suất được tăng cường 0,4 atm tối ưu hơn so với các độ sâu sục khí thấp hơn tương ứng với lượng áp suất tăng cường nhỏ hơn.
Tương tự đối với tầng đáy, đồ thị mối tương quan giữa giá trị COD trong nước theo thời gian áp dụng cho 3 mơ đun được thể hiện trên hình 1.12
Hình 1.12: Diễn biến giá trị COD tầng đáy theo thời gian của hệ sục khí
Các đường xu thế diễn biến giá trị COD tầng đáy theo thời gian của cả ba mô đun thực nghiệm cho kết quả với độ tin cậy ở mức tương đối trong đó mơ đun 1 có hệ số tương quan thấp nhất R2
= 0,6277. Cũng giống với kết quả thí nghiệm của tầng mặt, hệ số a trong phương trình xu thế diễn biến tại tầng đáy của mô đun 3 vẫn đạt giá trị nhỏ nhất (a = -7,174), tiếp đó là mơ đun 2 (a = -6,385) và cuối cùng là mô đun 1 (a = -5,257). Đường xu thế của mô đun 3 và mô đun 2 nằm khá sát nhau và cùng nằm thấp hơn so với mô đun 1. Điều này cho thấy giá trị COD thu được khi sục khí ở độ sâu lớn hơn với lượng áp suất sục khí được tăng cường nhiều hơn sẽ nhỏ hơn, đồng nghĩa với hiệu suất xử lý cao hơn.
Mô đun 1 y = -5,257ln(x) + 68,621 R² = 0,6277 M ô đun 2 y = -6,385ln(x) + 64,922 R² = 0,8649 Mô đun 3 y = -7,174ln(x) + 65,227 R² = 0,821 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 0 10 20 30 40 50 CO D (/ m g /l )
Thời gian sục khí (giờ)
Sau khoảng 8 tiếng kể từ khi bắt đầu sục khí, hiệu suất xử lý đạt được tại 3 mô đun lần lượt là 37% tại mô đun 1, 44% tại mô đun 2 và 46% tại mô đun 3. Như vậy, tương tự như kết quả thí nghiệm tầng mặt, khả năng phân hủy chất hữu cơ tầng đáy khi sục khí ở độ sâu 4 m (áp suất tăng cường thêm 0,4 atm) là tối ưu hơn so với độ sâu sục khí 2 m (áp suất tăng cường 0,25 m) và độ sâu sục khí 0,25 m (áp suất tăng cường 0,025 atm).
1.5.2.4 Cơng nghệ sục khí ngầm được áp dụng trên thế giới
Công nghệ sục khí ngầm là cơng nghệ áp dụng sục khí cưỡng bức kiểu ống chữ U đã được áp dụng trên sông San Joaquin (Mỹ). Cơng nghệ sục khí cưỡng bức ngầm là cơng nghệ áp dụng sục khí cưỡng bức kiểu ống chữ U (U-Tube) như mơ tả trong hình 3.18, đã được áp dụng trên sông San Joaquin (Mỹ). Việc áp dụng cơng nghệ sục khí cưỡng bức ngầm sẽ có ưu điểm là khơng làm ảnh hưởng đến các hoạt động khai thác mặt nước như cảnh quan và các hoạt động khai thác khác như hoạt động thể thao, giải trí dưới nước và giao thơng thủy.
Hình 1.13: Sơ đồ thiết bị sục khí cưỡng bức kiểu ống chữ U
Với công nghệ này dịng khơng khí được đưa vào nước sơng với áp lực cao