Nồng độ axit oxalic (mg/l) Nồng độ COD (mg/l) Hiệu suất xử lý COD (%)
0 125,1 - 201 20-50 30 187,6 – 195,3 22-51 40 105 - 124,8 20-58 50 112 - 132,5 47-55 60 87,7 - 144 42-65 70 146 - 240 4-42
Có thể thấy với nồng độ axit oxalic là 60 mg/l thì hiệu suất xử lý COD là cao nhất đạt khoảng 65% tại thời gian 90 phút. Cơ chế phản ứng theo các phương trình sau:
[FeIII(C2O4)3]3- hv → [FeII(C2O4)2]2- + C2O4*- C2O4*- + [FeIII(C2O4)3]3- → [FeII(C2O4)2]2-+ C2O42- + 2CO2
C2O4*- + O2 → O2*- + 2CO2
Khi nồng độ axit oxalic (COOH)2 cao thì sau khi phản ứng hết với Fe3+ để tạo phức ferrioxalat [FeIII(C2O4)3]3-, phần dư sẽ phản ứng H2O2 với theo cơ chế:
Đầu vào 10 phút 20 phút 30 phút 40 phút 50 phút 60 phút 70 phút 80 phút 90 phút 100 phút 110 phút 120 phút Nồng độ COD 250 207,5 203,3 200 187,5 170 162,5 146,3 121,8 112,5 115 114,8 114,8 Hiệu suất xử lý 0 17 18,7 20 25 32 35 41,5 51,3 55 54 54,1 54,1 0 50 100 150 200 250 300
C2O42- + HO* → CO2 + CO22-
Khi nồng độ (COOH)2 quá cao thì hiệu suất xử lý COD giảm và nồng độ tối ưu của thí nghiệm này là 60 mg/l.
Hình 3.22: Hiệu suất xử lý COD theo nồng độ axit oxalic và thời gian
Thí nghiệm xác định điều kiện pH tối ưu
Kết quả thí nghiệm thể hiện ở hình 3.23 và bảng 3.2.
Bảng 3.2: Kết quả nồng độ COD đo được trong nước thải
pH Nồng độ COD (mg/l) Hiệu suất xử lý COD (%)
Ban đầu 185 - 212 15-26 2 142,6 – 189 24-43 3 114,9 – 197,1 21-54 4 102 - 151 40-59 5 176,3 – 224,7 10-30 6 185,3 – 177,5 15-29
Từ thí nghiệm rút ra được kết quả là với pH = 4 hiệu suất xử lý COD cao nhất đạt 59% và pH = 3 hiệu suất đạt 54%. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu đã báo cáo rằng khi pH nằm trong khoảng 3 – 4 thì Fe(III) chủ yếu tồn tại ở dạng [Fe(C2O4)2]- và [Fe(C2O4)3]-3 có tính quang hoạt cao [29]. Tuy nhiên khi giá trị pH tăng lên khoảng 4 – 5 thì Fe(III) – oxalat tồn tại ở dạng Fe(C2O4)+ và [FeIII(C2O4)3]3-
với độ quang hoạt thấp dẫn đến hiệu suất xử lý COD thấp.
Hình 3.23: Hiệu suất xử lý COD theo pH và thời gian
Thí nghiệm xác định nồng độ H2O2 tối ưu
Kết quả thí nghiệm thể hiện ở hình 3.24 và bảng 3.3
Bảng 3.3: Kết quả nồng độ COD đo được trong nước thải
Nồng độ H2O2 (mg/l) Nồng độ COD (mg/l) Hiệu suất xử lý COD (%)
30 157,5 – 192,1 23-37 60 192,2 – 150 23-40 90 142,6 – 181 28-43 120 57,4 - 127,7 49-77 180 35,3 – 85,2 66-86 200 37,4 – 85,3 66-85
Hiệu suất cao nhất đạt khoảng 86% là H2O2 với nồng độ 180 mg/l và 200 mg/l với hiệu suất 85% với thời gian tối ưu là 60 phút với H2O2 càng cao thì hiệu suất trong 10 phút đầu rất cao nhưng hiệu suất không tăng với nồng độ 200 mg/l. Điều này cho thấy khi đạt tới 86% thì H2O2 không thể xử lý được nữa vì COD cịn lại trong nước rỉ rác bền vững.
Hình 3.24: Hiệu suất xử lý COD theo nồng độ H2O2 và thời gian
Thí nghiệm xác định nồng độ ion Fe3+ tối ưu
Kết quả thí nghiệm ở hình 3.25 và bảng 3.4:
Bảng 3.4: Kết quả nồng độ COD đo được trong nước thải
Nồng độ Fe3+ (mg/l) Nồng độ COD (mg/l) Hiệu suất xử lý COD (%)
0 90,1 – 105,1 58-64
4 87,5 – 104,9 58-65
12,5 87,3 – 104,8 58-65
20 55,2 – 87,5 65-78
40 76,1 – 125 50-70
Dựa vào kết quả cho thấy hiệu suất xử lý COD cao nhất đạt 78% ứng với nồng độ Fe3+ là 20 mg/l. Hiệu quả xử lý COD tăng dần từ 0 lên đến 20 mg/l và giảm tại nồng độ 40 mg/l.
Hợp chất tạo bởi Fe3+ và axit oxalic bao gồm: Fe(C2O4)+, Fe(C2O4)2- và Fe(C2O4)33-: [7]
[Fe(C2O4)3]3- hv → Fe(II) + C2O4*- + 2C2O42- C2O4*- + [Fe(C2O4)3]3- → Fe(II) 3C2O42- + 2CO2
C2O4*- + O2 → O2*-+ 2CO2 O2*- + H+ → HO2* HO2* + HO2* → H2O2 + O2 H2O2 Fe(II) → Fe(III) *OH + OH-
.
Hình 3.25: Hiệu suất xử lý COD theo nồng độ Fe3+
Khi thêm Fe(III) vào sẽ được chuyển thành Fe(II) và làm giảm nồng độ của nó ban đầu tạo điều kiện để cho [Fe(C2O4)2]- hình thành đó sẽ là Fe(III) – oxalat oxy hóa các chất hữu cơ trong dung dịch. Mặt khác, khi thêm Fe3+
làm cho tỷ lệ Fe(III) – oxalat và [Fe(C2O4)3]3- giảm thấp hơn tỷ lệ C2O4*-/CO2*- phản ứng với O2 hơn là phản ứng với Fe(III) và do đó tỷ lệ hình thành và nồng độ các chất oxy giảm làm cho hiệu suất xử lý COD giảm [29] .
Kết luận
Sau khi tiến hành các thí nghiệm thì nhận thấy để xử lý nước thải có COD từ nồng độ ban đầu và 250 ± 10 mg/l xuống còn 87,5 mg/l (tương đương hiệu suất xử lý 78%) khuấy trộn 100 vòng/phút trong thời gian 80 phút (Với các điều kiện pH = 4, nồng độ H2O2 là: 180 mg/l, nồng độ Axit oxalic: 60 mg/l) thì liều lượng Fe3+ cần là 20 mg/l.
3.2.3 So sánh ưu nhược điểm của 2 phương pháp xử lý COD Bảng 3.5: So sánh ưu nhược điểm Bảng 3.5: So sánh ưu nhược điểm
Phương pháp sục khí Phương pháp sử dụng hợp
chất chứa sắt
Ưu điểm - Không tốn nhiều năng
lượng
- Quá trình công nghệ khơng địi hỏi kỷ thuật phức tạp
- Khơng cần sử dụng hóa
- Các tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối rẻ, không độc hại
- Hiệu quả xử lý cao và xử lý được các CHC khó phân hủy
chất, thân thiện với mơi trường
- Ít tốn kém
- Một số KLN cũng có thể được loại bỏ
Nhược điểm - Hiệu quả xử lý chưa thật sự cao, còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố
- Chưa xử lý hiệu quả được các CHC khó phân hủy
- Phải thực hiện ở pH thấp
- Tạo lượng bùn sắt kết tủa lớn
- Phải sử dụng thêm hóa chất sau xử lý
- Phải xử lý loại bỏ gốc HCO3- trong nước trước xử lý Dựa trên cách tiếp cận của luận văn theo định hướng sinh thái và PTBV: - Tìm cách tốt nhất, hợp lý nhất để có thể đạt được sự hài hịa giữa lợi ích thu được từ các chức năng sinh thái của sông nội đô với việc phục hồi khả năng tự làm sạch, giảm ô nhiễm
- Giảm tối đa nhu cầu sử dụng vật liệu xử lý và hạn chế tối đa chất thải phát sinh thêm từ quá trình xử lý, đồng thời nâng cao khả năng tự làm sạch của các sông nội đơ
Luận văn lựa chọn oxy khơng khí làm chất oxy hóa để xử lý ơ nhiễm hữu cơ trong nước sông.
3.2.4 Sử dụng pin năng lượng mặt trời cho hệ thống sục khí 3.2.4.1 Tiềm năng sử dụng pin năng lượng mặt trời 3.2.4.1 Tiềm năng sử dụng pin năng lượng mặt trời
Hà Nội có điều kiện tự nhiên thuộc vùng khí hậu Bắc Bộ với đặc điểm của khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, mùa hè nóng, mưa nhiều, mùa đơng lạnh, mưa ít. Nằm trong vùng nhiệt đới, Hà Nội quanh năm tiếp nhận lượng bức xạ mặt trời rất dồi dào và có nhiệt độ cao. Mùa hè diễn ra liên tục với nhiều đợt nắng nóng diện rộng, cường độ mạnh hơn trung bình các năm từ 2015 đến 2018, nhiều hơn so với các năm trước.
Theo nghiên cứu của Sở Công Thương Hà Nội, năng lượng mặt trời khu vực Hà Nội chỉ ở mức trung bình thấp. Các đại lượng về mật độ năng lượng mặt trời
trung bình ngày và số giờ nắng trung bình năm có các giá trị tương ứng là 3,95 kWh/m2.ngày và 1.631 giờ/năm.
Hình 3.26: Bản đồ tiềm năng NLMT tại Việt Nam năm 2017
Nếu tính năng lượng mặt trời trung bình trên 1 m2 khu vực Hà Nội trong một năm đạt gần 1442 kWh. Nếu sản xuất điện bằng pin mặt trời hiệu suất 13% thì thu được 187,5 kWh/m2.năm điện năng. Nếu sản xuất nhiệt bằng bộ thu NLMT hiệu suất 45% thì thu được gần 1,8 kWh/m2
.ngày hay 649 kWh/m2.năm.
Bên cạnh đó, sự phân bố năng lượng mặt trời trong các tháng trong năm khơng đều. Có hai mùa rõ rệt: mùa Đơng - Xuân trong các tháng 12, 1, 2 và 3; mùa Hè - Thu trong các tháng từ tháng 4 đến tháng 11. Các tháng 12, 1, 2, 3 lượng bức xạ quá thấp, đặc biệt là tháng 1 đến tháng 3. Trong các tháng này do mây mù nhiều nên lượng trực xạ rất thấp (tháng 1: 0,73; tháng 2: 0,47; tháng 3: 0,44 kWh/m2.ngày).
Theo Sở Công Thương Hà Nội, với các thiết bị thu năng lượng mặt trời hội tụ thì trong các tháng đầu năm không thể làm việc bình thường được. Từ tháng 5 đến tháng 10 hàng năm ở Hà Nội có bức xạ mặt trời khá lớn, lân cận 5 kWh/m2.ngày và số giờ nắng trung bình khoảng 180 giờ/tháng. Trong các tháng này các thiết bị năng lượng mặt trời sẽ làm việc hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này, sử dụng công tơ điện 2 chiều đấu nối vào hệ thống điện. Khi năng lượng mặt trời không đủ cung cấp cho hệ thống hoạt động thì sẽ lấy nguồn điện từ hệ thống điện lưới và khi năng lượng mặt trời ở mức cao thì nguồn điện thừa sẽ được chạy vào hệ thống điện lưới. Vào thời gian cao điểm sử dụng điện, hoặc mùa nắng nóng, thì hệ thống sẽ cung cấp một phần, hoặc toàn phần nhu cầu tiêu thụ, và có thể phát lên lưới điện giúp giảm quá tải các trạm biến áp, giảm khả năng sự cố điện.
3.2.4.2 Tính tốn và thiết kế sơ đồ hệ thống sục khí sử dụng pin NLMT
Theo cơng nghệ sục khí ngầm là công nghệ áp dụng sục khí cưỡng bức kiểu ống chữ U đã được áp dụng trên sơng San Joaquin (Mỹ) đã tính tốn được để cung cấp 1kg O2 vào nước sông hằng năm dao động từ 0,5 USD đến 0,7 USD. Theo kết quả quan trắc chất lượng nước sơng Tơ Lịch, hàm lượng COD trung bình quan trắc được tại mùa khô với hàm lượng 127,9 mg/l. Như vậy, để xử lý được hàm lượng COD đạt QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1 (30 mg/l) cần cung cấp 97,9 mgO2/l tương đương 97,9 g O2/m3, với hiệu suất sục khí khoảng 70% thì lượng O2 cần cung cấp 139,9 g O2/m3. Để xử lý 1m3
nước sơng nội đơ chi phí cần khoảng 0,07 USD đến 0,10 USD.
Giả sử với mỗi một đoạn sông ta đặt 10 máy sục công suất 1kW sục 24h/ngày thì ta cần 240kW/ngày. Vậy công suất dàn pin mặt trời cần là: 240 x 1,2 = 288 kW/ngày (trong đó 1,2 là hệ số tiêu hao điện năng).
Hình 3.27: Bức xạ NLMT trong ngày theo từng tháng ở Việt Nam
Kịch bản 1: Mùa mưa
Tại khu vực Hà Nội, bức xạ mặt trời đo được cao nhất vào khoảng tháng 6, tháng 7. Các tháng 5, 8, 9, 10 có xu hướng giảm dần vì chuyển mùa, tuy nhiên các tháng này lượng bức xạ cũng gần trong TP Hồ Chí Minh.
Tính tốn theo hình 3.27 thì lượng bức xạ trung bình trong ngày đo được của mùa mưa là 5,15 kWh/m2/ngày. Với lượng bức xạ này thì sẽ dư thừa lượng điện năng để cung cấp cho hệ thống sục khí. Lượng điện năng thừa sẽ được bán lại cho EVN. Với hiệu suất chuyển đổi khoảng 20% thì trung bình 1 ngày với diện tích dàn pin 400 m2 thì lượng điện năng có thể tạo ra là 5,15* 20% * 400 = 412 kW/ngày.
Vậy theo ước tính thì một ngày lượng điện năng dư ra là 124 kW/ngày, một tháng lượng điện dư ra là 3.720 kW/tháng.
Tại khu vực Hà Nội, bức xạ mặt trời vào các tháng 1, 2, 3, 4, 11, 12 tương đối thấp, thấp nhất là vào khoảng tháng 1 và tháng 2.
Tính tốn theo hình 3.27 thì lượng bức xạ trung bình trong ngày đo được của mùa khơ là 2,93 kWh/m2/ngày. Với lượng bức xạ này thì sẽ thiếu hụt điện năng để cung cấp cho hệ thống sục khí, khi đó cần lấy thêm điện từ hệ thống điện lưới quốc gia. Theo tính tốn với hiệu suất chuyển đổi khoảng 20% thì trung bình 1 ngày với diện tích dàn pin 400 m2
sẽ tạo ra lượng điện năng là 2,93 * 20% * 400 = 234,4 kW/ngày.
Vậy theo ước tính thì lượng điện năng thiếu hụt là 53,6 kW/ngày, một tháng lượng điện cần lấy từ lưới điện quốc gia là 1.608 kW/tháng.
Để hiệu suất của tấm pin đạt cơng suất tối đa thì ta có thể lựa chọn lắp hệ thống pin xoay chiều theo vị trí mặt trời.
Hình 3.28: Các loại mơ hình 1 trục và 2 trục định hướng theo vị trí mặt trời
Bảng 3.6: So sánh hiệu quả của hệ thống định hướng 1 trục và 2 trục
Nguồn: Lý Ngọc Thắng, 2013 [16]
Dựa trên các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra hệ thống định hướng theo trục kép chỉ có thể tăng thêm thêm 3% năng lượng so với trục đơn. Với chi phí thiết bị, chi phí bảo trì cao hơn và có thời gian ngừng để sửa chữa cao, hệ thống định hướng theo trục kép thực tế có thể ít khả năng phát triển mạnh như loại một trục.
Bảng 3.7: Danh mục máy móc thiết bị sử dụng trong q trình lắp đặt hệ thống điện mặt trời
TT Thành phần vật tư / cơng vi ệc chính
Hãng sản
xuất Đơn vị Số lượng
1 Tấm pin năng lượng mặt trời
AE Solar
Tấm 200
JA
2 Bộ Inverter hòa lưới DC-AC, 01 Fronius Bộ 1
Hệ thống định hướng theo một trục Hệ thống định hướng theo hai trục
Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đơng sang Tây bằng cách sử dụng một trục
duy nhất
Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đơng sang Tây và phía Bắc đến phía Nam
bằng cách sử dụng hai trục quay Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời
tới 34%
Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 37%
Thiết kế đơn giản, hiệu quả Thiết kế phức tạp hệ thống các cảm biến và điều khiển động cơ
Bảo dưỡng thấp Chi phí bảo trì cao hơn
Chi phí đầu tư thấp hơn so với trục kép Chi phí đầu tư cao hơn do các bộ phận bổ sung và thời gian lắp đặt Giảm thấp khả năng hư hỏng Các bộ phận bổ sung thêm tăng thêm
pha hoặc 03 pha
Thiết bị giám sát qua Internet
SMA
Sungrow
3 Dây cáp điện Helukabel Mét -
4 MC4 Helukabel Bộ 1
5 Hệ rail đỡ tấm pin Antai Hệ 1
6 Tủ điện tích hợp chống sét lan truyền Nhập khẩu Hệ 1 7 Thiết bị ngoại vi hệ thống, phí khảo
sát, vận chuyển, thi công phần điện Kingtek Hệ 1 8 Chi phí thi cơng, hồn thiện cơ khí Kingtek Cơng -
Dưới đây là sơ đồ hệ thống sục khí sử dụng pin mặt trời có hịa lưới điện quốc gia.
3.2.4.3 Hiệu quả của hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hiệu quả về môi trường
Theo đánh giá của Bộ Tài nguyên và Môi trường, cứ 1kW giờ điện năng tiết kiệm được sẽ giảm phát thải vào môi trường 0,6612 kg CO2
Bảng 3.8: Hiệu quả về môi trường của việc tiết kiệm điện năng
Quy mô hệ thống 300 kW
Điện mặt trời tạo ra/tháng 9.000 kWh Giảm phát thải CO2/tháng 5.951 kg Tương đương cây xanh được trồng 263
Vậy nếu sử dụng hệ thống pin mặt trời tại 1 trạm sục khí thì ta có thể tiết kiệm được 9.000 kWh tương đương với giảm 5.951 kg CO2 phát thải vào môi trường trong 1 tháng tương đương với lượng CO2 của 263 cây xanh hấp thụ được trong 1 năm.
Hiệu quả về kinh tế
Theo Thông tư 05/2019-BCT, các dự án điện mặt trời được thực hiện cơ chế mua bán điện theo chiều giao và chiều nhận riêng biệt của công tơ điện đo đếm hai chiều. Giá mua điện (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng) là tiền Việt Nam đồng (tương đương với 9,35 UScents/kWh nhân với tỷ giá trung tâm của đồng Việt Nam