CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.3. Thiết bị nghiên cứu
Thiết bị chính sử dụng trong q trình nghiên cứu là máy AD - W8 tại phịng thí nghiệm hóa mơi trƣờng. Dƣới đây là mơ hình máy xử lý yếm khí đƣợc sử dụng trong thí nghiệm: Thiết bị gồm 2 bình phản ứng chính (1) và (2) giống hệt nhau, có thể tích là 5 lít, có chứa các giá thể bằng nhựa dạng hình cầu, có thể điều chỉnh đƣợc nhiệt độ nhờ vỏ gia nhiệt 200W với điều khiển PID (7) và (8) từ một cảm biến nhiệt độ đƣợc đặt bên trong bể phản ứng. Điểm cài đặt nhiệt độ trong phạm vi môi trƣờng xung quanh đến 550C. Máy bơm cấp liệu (5) và (6) nhu động giống hệt nhau, biến tốc sử dụng biến trở 10 vòng đến 4.0 vòng/phút đƣợc cung cấp với 3 đƣờng kính ống 3,2 mm, lƣu lƣợng dịng chảy từ 0,2 đến 5,8 lít ngày. Các bể chứa góp khí (3) và (4) giống nhau có thể tích 5 lít. Các điểm A và B tƣơng ứng là các điểm để chích lấy mẫu chất khí và mẫu dung dịch.
(1) và (2): Bình phản ứng chính (3) và (4): Bình thu khí biogas (5) và (6): Máy bơm.
(7) và (8): Bộ điều chỉnh nhiệt độ bể phản ứng. (A) và (B): Điểm lấy mẫu phân tích.
Hình 2.1. Sơ đồ mơ hình thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD-W8
- Dựa trên mơ hình ủ yếm khí nhƣ trên, ta thiết lập lại mơ hình phản ứng cho
phù hợp với mục đích nghiên cứu nhƣ sau:
- Nhiệt độ: Mơ hình thí nghiệm đƣợc đặt trong cùng điều kiện nhiệt độ thí
nghiệm dao động từ 280C đến 320 C.
Bể phản ứng 1: Ống khí đƣợc nối trực tiếp với túi lấy khí để mang mẫu khí đi đo xác định thành phần khí (%CH4, %CO2)
Bể phản ứng 2: Ống khí đƣợc nối vào hệ thống thu khí có sẵn theo máy để đo thể tích lƣợng khí sinh ra theo ngày.
Hình 2.2. Cách bố trí mới thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD-W8 2.4. Chuẩn bị nguyên liệu nạp
Chuẩn bị bùn thải:
Mẫu bùn thải sau khi đƣợc lấy về phịng thí nghiệm đƣợc đổ vào thùng nhựa thể tích 20 lít và khuấy đều để đồng nhất mẫu bùn thải sau đó tiền hành xác định khối lƣợng riêng (nhƣ hình 2.3), sau đó tiến hành xác định tỷ trọng của bùn thải theo các bƣớc sau:
- Cân bình đong 1000 ml đƣợc khối lƣợng m1 (gam) - Đổ bùn vào bình đến vạch 1000 ml
- Cân cả bùn và bình đƣợc khối lƣợng m2 (gam) - Tính tỷ trọng theo cơng thức d = (m2-m1)/1000
Từ đó ta có kết quả xác định khối lƣợng riêng của bùn thải đƣợc thể hiện trong bảng 2.1 sau:
Bảng 2.1: Tính khối lƣợng riêng của bùn
Đợt Khối lƣợng bình ( g) Bình+ mẫu (g) Thể tích của bình mL)
Khối lƣợng riêng D(g/mL)
1 404 1614 1000 1,21
2 430 1650 1000 1,22
Chuẩn bị rác thải sinh hoạt – Rác thải hữu cơ:
Rác sau quá trình tiền xử lý và phân loại có thành phần chủ yếu là rau quả, vỏ quả, thân quả thối, cuống, lá... đƣợc nghiền nhỏ bằng máy say (loại say sinh tố với tốc độ cao), sau đó mẫu đƣợc cân với những tỷ lệ xác định cùng với bùn thải
2.5. Nạp mẫu vào bể phản ứng
Các bước tiến hành
Thí nghiệm 1: Bùn thải đã đƣợc hòa trộn ở thùng 20 lít, đƣợc nạp vào bể phản
ứng bằng ca nhựa và phễu nhựa đến khi đầy bể phản ứng. thể tích bùn thải đƣợc nạp vào bể phản ứng là 3,5 lít.
Thí nghiệm 2: Bùn thải đƣợc hịa trộn ở thùng 20 lít sau đó lấy ra đong thể tích
và trộn với rác thải hữu cơ đã đƣợc nghiền nhỏ với tỷ lệ về khối lƣợng là bùn thải : rác thải hữu cơ là 3:1.
Thí nghiệm 3: Bác bƣớc tiến hành tƣơng tự nhƣ đối với thí nghiệm 2 nhƣng tỷ
lệ phối trộn là bùn thải: rác thải hữu cơ là 1:1.
Thí nghiệm 4: các bƣớc tiến hành tƣơng tự nhƣ đối với thí nghiệm 2 nhƣng tỷ
lệ phối trộn là bùn thải : rác thải hữu cơ là 1:3. Vận hành máy:
Sau khi nạp nguyên liệu vào bể phản ứng đến đầy bình, các van đƣợc khóa chặt.
Để khí thốt ra khơng bị hịa tan, dung dịch trong bình thu khí đƣợc pha bằng nƣớc muối với nồng độ NaCl trong dung dịch là 3%.
Hình 2.4: Quá trình thực nghiệm phối trộn BT và RTHC 2.6. Chuẩn bị hóa chất và thiết bị máy móc cho q trình phân tích mẫu
Chuẩn bị hóa chất:
Hóa chất cần sử dụng cho q trình phân tích các chỉ tiêu tổng nitơ (T-N). tổng phốt pho (T-P), nhu cầu oxi hóa học (COD).
Phƣơng pháp chuẩn bị mẫu để phân tích các chỉ tiêu đƣợc dựa trên tiêu chuẩn TCVN 4047-1985
Hóa chất cho phân tích T-N: Phương pháp TCVN6498:1999
Hóa chất cho phân tích T-P: Phương pháp TCVN6499:1999
Hóa chất phân tích cho COD: Standard Method D1252-95
Bảng 2.2: Hóa chất phân tích
TT Hóa chất Độ tính khiết Hãng sản xuất
2 H2SO4 (đặc) 98% 98% Trung Quốc 3 K2SO4 80% - 87% Trung Quốc 4 CuSO4.5H2O 99% Trung Quốc
5 TiO2 99% Trung Quốc
6 Na2S2O3. 5H2O 96% Trung Quốc
7 NaOH 99% Trung Quốc
8 H3PO3 (đặc) 99% Trung Quốc 9 Bromocresol 99% Trung Quốc
10 Metyl đỏ 99% Trung Quốc
11 Ag2SO4 99% Trung quốc
12 NaHCO3 98% Trung Quốc
13 (NH4)6Mo7O24.4H2O 99% Trung Quốc
14 Na2CO3 99% Trung Quốc
15 KH2PO4 98% Trung Quốc
16 Na2S2O5 97% Trung Quốc 17 K(SbO)C4H4O6.0,5H2O 99% Trung Quốc 18 C6H8O6 99% Trung Quốc
Chuẩn bị máy móc:
Ngồi 2 bộ thiết bị kể trên, trong q trình thực hiện đề tài, tơi cịn sử dụng các thiết bị đƣợc trình bày cụ thể trong bảng 2.1 sau:
Bảng 2.3: Danh mục thiết bị sử dụng trong q trình phân tích mẫu
TT Tên máy Model Hãng sản xuất
1 Máy phá mẫu SM-200 Yamato
2 Máy lắc Vortex ZX3 – Velp Velp – Italy 3 Máy phân tích TC SSM-5000A Shimadzu 4 Bếp phá mẫu ECO16 Velp – Italy 5 Máy đo pH HI 99121 Hanna – Italy 6 Máy say rác IKA M20 Germany
Bên cạnh đó tơi cịn sử dụng một số dụng cụ, thiết bị khác trong Phịng Thí nghiệm Hóa mơi trƣờng 1, 2 – Khoa hố – 19 Lê Thánh Tơng – Hồn Kiếm - Hà Nội và phịng thí nghiệm chất thải rắn thuộc Tầng 7- Phịng 709 – Tịa nhà Thí nghiệm Trƣờng đại học Xây dựng Hà Nội.
2.7. Các thơng số theo dõi và phân tích trong q trình thực hiện phản ứng và kết thúc kết thúc
Mẫu đầu vào gồm bùn thải và rác thải hữu cơ sau quá trình tiền xử lý và phối trộn theo các tỷ lệ thích hợp nhƣ đã trình bày ở mục 2.5 trên đem đi xác định độ ẩm nhƣ sau: Dùng chén sứ đƣợc sấy khô ở 105oC sau đó cho 1 lƣợng chất chủng chính xác vào và đƣợc sấy khơ 105°C trong tủ sấy phịng thí nghiệm hóa mơi trƣờng trong thời gian 1 ngày, đem cân đến khi khối lƣợng khơng đổi. Sau đó đƣợc nghiền nhỏ ở kích thƣớc 0,2mm, lƣu lại trong túi nilon sạch để bảo quản trong bình hút ẩm để chuẩn bị mẫu cho phân tích các chỉ số tiếp theo nhƣ: tổng nitơ (T-N), tổng phot pho (T-P), tổng hàm lƣợng cacbon (T-C), tổng hàm lƣợng chất rắn bay hơi (TVS). Kết quả xác định các chỉ tiêu này đƣợc trình bày trong bảng 3.2, bảng 3.3 và bảng 3.6.
Tiến hành theo dõi mơ hình thí nghiệm sau 30 ngày.
- Các thơng số độ pH, hàm lƣợng COD đƣợc tiến hành lấy mẫu với tần suất 03 ngày/lần với điểm lấy mẫu là đầu ra theo van xả ở phía dƣới đáy bể phản ứng. Giá trị pH đƣợc đo trực tiếp bằng máy đo pH (hãng và model), COD đƣợc xác định dựa trên tiêu chuẩn Standard Method D1252-95.
- Khảo sát sự thay đổi thành phần các chỉ tiêu nhƣ T-N, T-P, TC, TVS giữa đầu vào và đầu ra từ đó cho ta những kết luận cụ thể về q trình phản ứng của từng thí nghiệm, vì vậy
- việc xác định các chỉ tiêu ở các thời điểm nhất định của phản ứng này là rất quan trọng. Mẫu đầu ra đƣợc trộn đều trong xơ có thể tích 10 lít sau đó cân một khối lƣợng mẫu chính xác đem đi xác định độ ẩm, làm lập lại 03 lần để lấy kết quả độ ẩm trung bình, sau đó với cách làm hồn tồn tƣơng tự nhƣ với việc xác định độ
ẩm và các chi tiêu nhƣ đối với đầu vào. Kết quả phân tích hàm lƣợng các chỉ tiêu hóa lý đƣợc trình bày cụ thể trong bảng 3.3, bảng 3.4 và bảng 3.6.
- Đối với chỉ tiêu TVS ở cả mẫu đầu ra và đầu vào đƣợc xác định nhƣ sau: Lấy mẫu TS đem nung trong tủ ở 550°C trong thời gian 1 giờ để nguội và cân bằng cân phân tích
2.8. Xác định thành phần khí sinh ra
Hệ thống sắc ký khí GC – 2010 (Shimadzu Nhật Bản) ghép nối với các đêtectơ ion hóa ngọn lửa (Flame Ionization Detector: FID) và đêtectơ cảm biến nhiệt (Thermal Conductivity Detector: TCD). Cột tách sử dụng đồng thời ba loại cột: Molecular Sieve, Porapak N và Porapak Q). Khí mang nitơ (độ tinh khiết lớn hơn 99,95%).
Điều kiện làm việc của hệ thống:
- Tốc độ dịng khí mang: 10 mL/phút. - Nhiệt độ cổng bơm mẫu (injector): 750
C
- Nhiệt độ buồng cột đặt ở chế độ đẳng nhiệt: 750C
- Khoang chứa 2 đêtectơ FDI và TCD đều đặt ổn định ở 1000 C - Thể tích mẫu khí đƣa vào hệ thống: 10 mL.
Nguyên tắc hoạt động: Hỗn hợp khí đƣợc đƣa vào hệ thống sắc ký từ cổng bơm mẫu, nhờ dịng khí mang hỗn hợp khí đƣợc đẩy qua cột. Tại đây, xảy ra q trình tác các chất khí trong đó có CH4 và CO2. Khi ra khỏi cột tách, khí CO2 đƣợc dẫn qua cột methaonzer (nạp Shimahte Niken) để chuyển hóa thành CH4 để tính lƣợng CO2 trong mẫu khí. Khí CH4 khi ra khỏi cột tách đƣợc dẫn trực tiếp đến đêtectơ TCD để xác định (phƣơng pháp chung là có thể xác định đồng thời thêm các khí H2, O2, N2). Cũng dựa vào phƣơng pháp chuẩn để xác định đƣợc hàm lƣợng khí CH4 có trong mẫu khí. Kết quả thành phần phần trăm về thể tích của CO2, CH4 và các khí khác đƣợc chỉ ra ở bảng 3.9.
thống vịi thốt nƣớc, lƣợng nƣớc thốt ra đƣợc thu lại và đo thể tích cụ thể hàng ngày, lúc này thể tích nƣớc thốt ra tƣơng ứng thể tích khí tạo ra. Kết quả đo lƣợng khí sinh ra đƣợc trình bày cụ thể trong bảng 3.7.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc điểm bùn thải sông Kim Ngƣu 3.1. Đặc điểm bùn thải sơng Kim Ngƣu
Trƣớc khí nghiên cứu khả năng sinh khí của bùn thải sơng Kim Ngƣu kết hợp với rác thải hữu cơ, cần thiết xem xét một số đặc điểm hóa lý của các mẫu bùn thải tại 2 điểm khảo sát khu đô thị Minh Khai (M1) và cầu Lạc Trung (M2) là ổn định. Với pH từ 7,1 đến 7,2 hàm lƣợng COD tổng từ 81000 – 84600 mg/L, là những khoảng chênh lệch không quá lớn qua 02 điểm khảo sát trên. Tổng chất rắn bay hơi ổn định trong khoảng từ 34,78% đến 34,9%, một số chỉ tiêu khác nhƣ T-N (%TS), T-P (%TS), TS cũng có sự dao động hàm lƣợng khơng lớn qua kết quả phân tích đƣợc chỉ ra trong bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải sơng Kim Ngƣu Điểm lấy mẫu COD (mg/L) TN (%TS) TP (%TS) TC (%) PH VS (%TS) TS (%) M1 84600 1,39 0,95 26,7 7,1 31,5 13,2 M2 81000 1,42 0,93 27,3 7,2 32,5 13,9
Kết quả ở bảng 3.1. chỉ ra rằng, thành phần hóa lý của hai mẫu bùn thải lấy tại hai địa điểm khác nhau trên sông Kim Ngƣu không khác nhau nhiều. Sự ổn định của các thơng số hóa lý chứng tỏ bùn sơng Kim Ngƣu tại thời điểm lấy mẫu đã tồn tại với thời gian dài. Trong thời gian đó đã diễn ra các q trình ổn định sinh học tự nhiên làm cho thành phần hóa lý của bùn tại 02 điểm khảo sát là tƣơng tự nhau. Nhƣ vậy, mẫu bùn đƣợc lấy và khảo sát trong nghiên cứu có tính đại diện cho bùn thải tại sông Kim Ngƣu.
3.2. Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trong q trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí
Trong các nghiên cứu trƣớc chỉ ra rằng, các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình phân hủy yếm khí nhƣ ngun liệu đầu vào nếu tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng đến là tối ƣu [10]. Tỷ lệ này q cao thì khơng đủ dinh dƣỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngƣợc lại, tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao. Bên cạnh đó giá trị pH và nhiệt độ cũng là yếu tố để đánh giá khả năng tạo khí metan vi khuẩn sinh CH4 rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH, giá trị pH trong khoảng 6,6 - 7,2 là thích hợp nhất đối với nhóm vi khuẩn này. Đối với nhiệt độ khi tăng nhiệt độ đối với phản ứng phân hủy yếm khí thu đƣợc nhiều ích lợi [9]. Khi tiến hành lên men ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic) sẽ làm tăng khả năng hòa tan của các hợp chất hữu cơ, tăng tốc độ các phản ứng sinh hóa và tăng cƣờng khả năng tiêu diệt mầm bệnh. Tuy nhiên, tiến hành phản ứng phân hủy yếm khí ở điều kiện nhiệt độ cao cũng có một số yếu tố bất lợi nhƣ làm tăng nồng độ NH3 tự do dẫn đến ức chế khả năng hoạt động của vi sinh vật; các axít béo dễ bay hơi (VFA) đƣợc sinh ra làm tăng pKa sẽ gây ức chế cho hệ phản ứng. Vì vậy mục tiêu nghiên cứu điều kiện thích hợp trong q trình ổn định bùn thải bằng phƣơng pháp lên men yếm khí phải bám sát theo các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phần hủy để từ đó lựa chọn đƣợc tỷ lệ phối trộn phù hợp [10].
Để thực hiện mục tiêu trên, các thơng số hóa lý nhƣ: khả năng loại bỏ COD tổng (CODt), khả năng loại bỏ tổng chất rắn (TS) và tổng chất rắn dễ bay hơi (VS), sự giảm hàm lƣợng tổng nitơ (TN) và tổng phốt pho (TP), hiệu suất sinh khí và thành phần khí đƣợc so sánh giữa các thí nghiệm với các tỷ lệ phối trộn khác nhau ở cùng điều kiện lên men yếm khí. Sự hoạt động tốt của hệ vi sinh vật với hiệu quả ổn định cao là cơ sở xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa bùn thải và rác hữu cơ.
Khi tiến hành phân tích thành phần đầu vào các chỉ tiêu nhƣ T-N. T-P. T-C cho ta đƣợc kết quả nhƣ bảng 3.2 sau:
Bảng 3.2: Kết quả phân tích khảo sát thành phần đầu vào của thí nghiệm TT T-N (%TS) T-P (%TS) TC % C/N
TN1 (1:0) 1,44 0,95 27,37 19
TN2 (3:1) 1,51 1,26 39,36 26,07
TN3 (1:1) 1,67 1,54 45,93 27.5
TN4 (1:3) 1,98 1,76 57,45 29,02
Bảng 3.2 chỉ ra rằng, tỷ lệ C/N ở các tỷ lệ chọn để phối trộn đều nằm trong khoảng tối ƣu theo lý thuyết chung về q trình ủ yếm khí. Tuy nhiên, ở thí nghiệm 1, thành phần 100% là bùn thải có hàm lƣợng C/N là 19, do đó sự cần thiết phải tiến hành phối trộn với rác thải hữu cơ để làm tăng giá trị tỷ lệ C/N trong khoảng tối ƣu của q trình phân hủy yếm khí.
3.2.1. Sự giảm hàm lƣợng Nitơ tổng (T-N)
Trong quá trình lên men yếm khí, giá trị hàm lƣợng nitơ tổng có xu hƣớng giảm xuống theo thời gian. Giá trị nitơ tổng giảm đƣợc thể hiện cụ thể trong bảng 3.3. Do hoạt động của hệ vi sinh vật lên men yếm khí đã sử dụng nitơ trong quá trình hình thành nên sinh khối cũng nhƣ nitơ giải phóng dƣới dạng khí N2 và NH3.
Bảng 3.3. Kết quả phân tích T-N đầu vào và đầu ra của các thí nghiệm TT T-N (%TS) đầu vào) T-N (%TS) đầu ra) Hiệu suất sử lý
TN1 (1:0) 1,44 1,07 25,67 %
TN2 (3:1) 1,51 0.91 39,27 %
TN3 (1:1) 1,67 0,83 50,26 %
TN4 (1:3) 1,98 0.87 55,71 %
Sự giảm hàm lƣợng của nitơ tổng tính từ khi bắt đầu nạp nguyên liệu đến ngày