STT Chỉ tiêu
phân tích Tần suất lấy mẫu Vị trí lấy mẫu
1 pH Hàng ngày Bể thiếu khí, bể hiếu khí, bể lắng. 2 DO Hàng ngày Bể thiếu khí, bể hiếu khí, bể lắng 3 Nhiệt độ Hàng ngày Bể thiếu khí, bể hiếu khí, bể lắng 4 COD Hai ngày Nƣớc thải vào, bể hiếu khí, nƣớc đầu
ra sau bể lắng
5 TN Hai ngày Nƣớc thải vào, nƣớc đầu ra sau bể lắng
6 NH4+ Hai ngày Nƣớc thải vào, nƣớc sau bể hiếu khí, nƣớc đầu ra sau bể lắng
7 NO3- Hai ngày Nƣớc thải vào, nƣớc sau bể hiếu khí, nƣớc đầu ra sau bể lắng
Bảng 2.5. Chỉ tiêu và phƣơng pháp ph n tích TT Chỉ tiêu
phân tích Phƣơng pháp đo Dụng cụ đo
1 pH
Dùng đầu điện cực của
máy đo HandyLab 680 Máy đo cầm tay SI ANAL TICS HandyLab 680 – Đức. 2 Nhiệt độ
3 DO Dùng đầu điện cực của
máy đo HandyLab 680 Máy đo cầm tay SI ANAL TICS HandyLab 680 – Đức.
4 COD SMEW 5220-D
Máy phá mẫu COD, ống phá mẫu, máy đo quang phổ và các hóa chất cần thiết
5 TN TCVN 6638:2000
/BKHCNMT
Bộ phân hủy mẫu DK 6 – VELP – Ý, Bộ chƣng cất đạm tự động UDK 142, các hóa chất cần thiết 6 N-NH4+ TCVN 6179-1: 1996 Máy đo quang phổ và hóa chất
cần thiết
7 N-NO3- SMEWW 4500 C Máy đo quang phổ và hóa chất cần thiết
2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu sau khi phân tích sẽ đƣợc thống kê và xử lý bằng các phần mềm Microsoft Excel để đánh giá, so sánh hiệu quả xử lý cũng nhƣ mối quan hệ của chúng. Cách tính tốn hiệu suất xử lý nhƣ sau:
Hiệu suất xử lý chất ô nhiễm A:
HA (%) = ( )
Hiệu suất khử nitrat:
H(%) = ([ ] [ ] [ ] ) [ ] [ ]
Cách tính sai số trên đồ thị: Để tính sai số trên đồ thị ta cần tính hai giá trị là giá trị trung bình và độ lệch chuẩn.
Tính giá trị trung bình: Atb = ∑
Tính độ lệch chuẩn: SD = √
∑ ( )
Sai số chuẩn: SE =
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu chế tạo đƣợc
3.1.1 Kết quả quan sát vật liệu
Theo phƣơng pháp đƣợc mô tả trong phần 2.2.2 nhóm nghiên cứu đã chế tạo đƣợc 6 mẫu đá rỗng thủy tinh. Mẫu đá sau khi đƣợc lấy ra khỏi lò nung và mài sẽ đƣợc quan sát và đánh giá tính chất vật lý của vật liệu. Hình ảnh của mẫu M1, M2, M3, M4, M5, M6 đƣợc thể hiện trên hình 3.1-3.6. (a) (b) Hình 3.1. Mẫu M1 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh (a) (b) Hình 3.2. Mẫu M2 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh (a) (b) Hình 3.3. Mẫu M3 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh
(a) (b) Hình 3.4. Mẫu M4 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh (a) (b) Hình 3.5. Mẫu M5 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh (a) (b) Hình 3.6. Mẫu M6 (a) tổng thể và (b) mặt cạnh
Kết quả quan sát cho thấy toàn bộ 06 mẫu đá ở trạng thái rắn, màu sắc của đá phụ thuộc vào màu sắc của các chất thành phần (bột thủy tinh và bột xi măng). Đối với các sản phẩm sự dụng đá rỗng trang trí trong bể cá cảnh hoặc muốn tạo màu bắt mắt cho sản phẩm có thể thêm chất tạo màu trong quá trình phối trộn vật liệu.
Quan sát cũng cho thấy các mẫu đá có nhiều lỗ rỗng. Các mẫu M1, M2, M3 (phụ gia NaHCO3) sau q trình nung, mẫu có nhiều lỗ rỗng hơn so với các mẫu M4, M5, M6 (phụ gia CaCO3). Nhƣ vậy sử dụng chất phụ gia NaHCO3 sẽ tạo nhiều lỗ rỗng hơn so với việc sử dụng CaCO3.
(a) (b)
Hình 3.7 Mẫu M3 (a) dạng viên ( ) sau khi đập nhỏ và mài
Quan sát các mẫu để miếng lớn và các mẫu nặn thành các viên nhỏ (ngay từ đầu) cho thấy những mẫu nặn thƣờng có ít lỗ rỗng hơn các mẫu để miếng lớn (hình 3.7). Nguyên nhân có thể do tác động của quá trình nặn làm biến dạng lỗ rỗng tự nhiên. Nhƣ vậy muốn tạo nhiều lỗ rỗng, sau khi trộn bột nên để thành miếng lớn theo tự nhiên, sau khi lấy ra khỏi lò nung mới tiến hành phân tách miếng lớn thành các miếng nhỏ có kích thƣớc theo mong muốn.
3.1.2 Kết quả đánh giá cấu trúc của vật liệu
Các mẫu sau khi đƣợc quan sát sẽ đƣợc gửi đi phân tích cấu trúc bằng phƣơng pháp BET. Kết quả phân tích cấu trúc của 6 mẫu đá đƣợc thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Một số tính chất của vật liệu TT Mẫu Diện tích ề mặt TT Mẫu Diện tích ề mặt (m2/g) Thể tích rỗng (%) Khối lƣợng riêng (g/cm3) 1 M1 0,3514 0,0211 94,11 1,1 2 M2 0,5218 0,0047 94,671 1,09 3 M3 0,6661 0,0055 96,96 1,09 4 M4 0,1519 0,0092 91,95 1,1 5 M5 0,3378 0,0083 93,02 1,1 6 M6 0,4378 0,0033 93,02 1,09
Từ kết quả bảng 3.1 ta thấy mẫu M1, M2, M3 có diện tích bề mặt cao hơn mẫu M4, M5, M6 (so cùng tỷ lệ phối trộn). Đúng nhƣ kết quả quan sát, nhóm mẫu sử dụng phụ gia NaHCO3 cho nhiều lỗ rỗng hơn nên diện tích bề mặt lớn hơn nhóm sử dụng phụ gia CaCO3.
Trong 6 mẫu chế tạo dƣợc mẫu M3 (bột thủy tinh: NaHCO3: xi măng = 60:20:20) có diện tích hấp phụ lớn nhất trong 6 mẫu đạt 0,6661 m2/g. Mẫu M4 (bột thủy tinh: CaCO3: xi măng = 80:10:10) có diện tích hấp phụ bề mặt thấp nhất (0,1519 m2/g). Nhƣ vậy tỷ lệ phối trộn các nguyên liệu theo tỷ lệ 60:20:20 cho diện tích bề mặt cao hơn so với hai tỷ lệ phối trộn cịn lại. So với các VLM sẵn có trên thị trƣờng hiện nay thì diện tích bề mặt của mẫu đá M3 mặt cao hơn hẳn VLM Anoxkaldnes K1 và K3 (bảng 3.2).
Tƣơng ứng với diện tích bề mặt lớn cho thể tích rỗng lớn. Mẫu M3 có diện tích bề mặt lớn nhất có thể tích rỗng lớn nhất (96,96%). Tƣơng ứng với đó là mẫu M5 có diện tích bề mặt thấp nhất và thể tích rỗng cũng thấp nhất (91,95%).
Về khối lƣợng riêng của các mẫu khá tƣơng đƣơng nhau. Mẫu M2, M3, M6 có khối lƣợng riêng bằng nhau và nhẹ nhất (1,09 g/cm3). Mẫu M1, M4, M5 có khối lƣợng riêng bằng nhau và nặng hơn khối lƣợng riêng của nhóm trên một chút đạt
1,1 g/cm3. Việc khối lƣợng riêng của mẫu khơng theo diện tích bề mặt và thể tích rỗng có thể do ảnh hƣởng của chất phụ gia và tỷ lệ phối trộn tƣơng ứng.
Nhƣ đã trình bày trong phần tổng quan, diện tích bề mặt và kích thƣớc lỗ có mỗi tƣơng quan với nhau. Kích thƣớc lỗ càng nhỏ cho diện tích bề mặt càng lớn. Tuy nhiên kích thƣớc lỗ quá nhỏ sẽ ảnh hƣởng tới q trình bám dính của vi sinh và quá trình khuếch tán thức ăn từ bên ngoài vào bên trong vật liệu. Vì vậy sau khi đánh giá cấu trúc vật liệu, mẫu M3 đƣợc gửi đi chụp kích thƣớc lỗ (hình 3.7).
Hình 3.8. Hình ảnh chụp mẫu đá M3 bằng kính hiển vi (X100).
Hình 3.8 (độ chia nhỏ nhất của thang đo 0,01 mm) cho thấy kích thƣớc lỗ nhỏ nhất của mẫu đá M3 khoảng 0,01 mm. So với các VLM sẵn có trên thị trƣờng hiện nay, kích thƣớc lỗ của mẫu đá nhỏ hơn so với vật liệu Anoxkaldnes K1 và K3 (bảng 3.2).
Bảng 3.2. So sánh diện tích bề mặt của mẫu đá và VLM trên thị trƣờng TT Mẫu Diện tích ề mặt (m2/m3) Kích thƣớc lỗ TT Mẫu Diện tích ề mặt (m2/m3) Kích thƣớc lỗ
(DxL mm)
1 M3 611,1 x 103 > 0,01
2 Anoxkaldnes K1, [17] 500,0 1,09
3 Anoxkaldnes K3, [17] 500,0 1,17
Q trình phân tích, đánh giá và so sánh cho thấy mẫu M3 có khối lƣợng riêng gần tƣơng đƣơng với nƣớc (1,09 g/cm3). Mẫu M3 cũng có diện tích hấp thụ bề mặt
lớn và thể tích rỗng cao (94,1%). Do đó lựa chọn mẫu M3 làm vật liệu mang chạy thử trong mơ hình xử lý.
3.2 Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của mơ hình xử lý khi có vật liệu mang
3.2.1 Đặc trưng nước thải tại trạm xử lý tập trung Kim Liên
Nƣớc thải đƣợc nghiên cứu là nƣớc thải sinh hoạt của một số khu vực tại thành phố Hà Nội đƣợc thu gom về xử lý tại Trạm xử lý Kim Liên, Đống Đa, Hà Nội. Tại đây, nƣớc thải đƣợc xử lý theo công nghệ AAO nhƣ sau:
Hình 3.9. Sơ đồ cơng nghệ xử lý nƣớc thải của trạm xử lý Kim Liên
Công nghệ AAO gồm 3 vùng liên kết với nhau : Anaerobic (kỵ khí) – Anoxic (thiếu khí) – Oxic (hiếu khí). Bể kỵ khí và thiếu khí dùng cách khuấy chìm, bể hiếu khí đƣợc sục khí để cấp DO.
Nƣớc thải sau quá trình tiền xử lý đi vào bể kỵ khí. Q trình phân hủy kỵ khí đƣợc chia thành 3 giai đoạn chính: phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử, tạo các axit, tạo methane. Nƣớc sau q trình xử lý kỵ khí sẽ đƣợc đƣa sang bể thiếu khí để thực hiện q trình xử lý nitơ và photpho. Tiếp theo nƣớc sẽ qua bể hiếu khí để vị sinh vật hiếu khí sẽ oxi hóa các hợp chất hữu cơ, thực hiện q trình nitrat hóa. Một phần nƣớc từ bể hiếu khí sẽ đƣợc tuần hồn lại bể thiếu khí để xử lý nitrat mới sinh ra sau q trình oxy hóa. Phần nƣớc cịn lại sẽ đƣợc tách các bơng bùn lơ lửng tại bể lắng, nƣớc trong đƣợc thu sang bể khử trùng kết thúc quá trình xử lý, bùn lắng sẽ đƣợc tuần hồn lại về bể kỵ khí thực hiện q trình phân hủy bùn.
Các đặc trƣng của nƣớc thải và hiệu suất xử lý các hợp chất ô nhiễm tại trạm đƣợc thể hiện trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Đặc tính nƣớc thải của trạm XLNT Kim Liên
(số liệu trung bình từ trạm xử lý Kim Liên)
TT Chỉ tiêu Đơn vị Dòng vào Nƣớc sau xử lý Hiệu quả xử lý (%) 1 pH - 6,5-8,0 6,5-8,0 - 2 BOD5 mg/L 115 9 87 3 COD mg/L 145 18 84 4 SS mg/L 85 5 89 5 TP mg/L 6,5 1,3 80 6 TN mg/L 40 16 60
So với hiệu suất xử lý năm 2013 do ngân hàng thế giới tổng hợp (bảng 3.4), đặc trƣng nƣớc thải tại trạm xử lý Kim Liên ổn định, không biến động nhiều, thể hiện bởi các số liệu đầu vào của các thông số khá tƣơng tƣơng nhau.
Hiệu suất xử lý BOD5, COD, SS vẫn ổn định trong khoảng từ 80% đến 90%. Hiệu quả xử lý tổng nitơ và tổng phot pho hiện tại có tăng hơn từ 3% đến 7% so với năm 2013.
Bảng 3.4. Đặc tính nƣớc thải của trạm XLNT Kim Liên năm 2 13, [6]. TT Chỉ tiêu Đơn vị Dòng vào Nƣớc sau xử lý Hiệu quả
xử lý (%) 1 pH - 6,5-8,0 6,5-8,0 - 2 BOD5 mg/L 150 9 94 3 COD mg/L 225 35 84 4 SS mg/L 180 20 88 5 TP mg/L 6,5 1,7 73 6 TN mg/L 40 17 57
lửng, tổng nitơ và coliform. Công nghệ xử lý nƣớc thải tại trạm xử lý Kim Liên cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ, cặn lơ lửng, tổng photpho khá tốt, hiệu quả xử lý luôn đạt trên 80%. Tuy nhiên hiệu quả xử lý tổng Nitơ của hệ thống chƣa tốt, chỉ đạt 63%. Nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ của hệ thống đồng thời vẫn vận dụng đƣợc cơ sở hạ tầng sẵn có nhằm tiết kiệm chi phí tối đa.
3.2.2 Đánh giá hiệu quả xử lý Nitơ của hệ MBBR có sử dụng vật liệu mang mới
Q trình đánh giá đƣợc tiến hành bởi hai thí nghiệm đối chiếu với nhau. Thí nghiệm 1 hệ xử lý khơng có VLM, với cùng điều kiện vận hành (bảng 2.3), thực hiện thí nghiệm 2 có bổ sung VLM vào bể hiếu khí. Nƣớc thải đầu vào của mơ hình thí nghiệm lấy trực tiếp tại trạm sau quá trình tiền xử lý (sau bể lắng sơ cấp). Nƣớc thải sẽ đƣợc kiểm sốt các thơng số (bảng 2.5) trƣớc và sau xử lý. Từ đó đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các hợp chất Nitơ trong nƣớc thải khi đƣa vật liệu mang mới vào vận hành trong hệ pilot MBBR.
a) Điều kiện vận hành của hai thí nghiệm
Biến thiên giá trị pH của hai thí nghiệm đƣợc thể hiện lần lƣợt trên biểu đồ 3.1 và 3.2 với đƣờng màu xanh chấm tròn là giá trị pH của nƣớc trong bể lắng, đƣờng màu cam chấm vuông là giá trị pH của nƣớc tại bể hiếu khí và đƣờng màu ghi chấm tam giác là giá trị pH của nƣớc tại bể thiếu khí.
Biểu đồ 3.1. Biến thiên pH trong thí nghiệm khơng có VLM nghiệm khơng có VLM
Biểu đồ 3.2. Biến thiên pH trong thí nghiệm có VLM nghiệm có VLM 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 pH
Thời gian (ngày)
lắng hiếu khí thiếu khí 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 pH
Thời gian (ngày)
Từ biểu đồ 3.1 và 3.2 có thể thấy pH tại 3 bể ít biến động, thƣờng ổn định trong khoảng từ 7 đến 8, pH thấp nhất là 7,1 tại bể lắng, pH cao nhất là 7,8. Nhƣ vậy pH của hệ xử lý luôn nằm trong khoảng từ 7 đến 8, khoảng pH tối ƣu của vi khuẩn.
Biến thiên nhiệt độ của hai thí nghiệm đƣợc thể hiện lần lƣợt trên biểu đồ 3.3 và 3.4 với đƣờng màu ghi chấm tam giác là nhiệt độ của nƣớc trong bể lắng, đƣờng màu xanh chấm tròn là nhiệt độ của nƣớc tại bể hiếu khí và đƣờng màu cam chấm hình vng là nhiệt độ của nƣớc tại bể thiếu khí.
Biểu đồ 3.3. Biến thiên nhiệt độ trong
thí nghiệm khơng có VLM Biểu đồ 3.4. Biến thiên nhiệt độ trong thí nghiệm có VLM
Từ biểu đồ 3.3 và 3.4 có thể thấy nhiệt độ tại 3 bể thƣờng ổn định trong khoảng từ 20 oC đến 25o
C. Nhƣ vậy nhiệt độ của nƣớc trong hệ xử lý luôn nằm trong khoảng tối ƣu cho vi khuẩn phát triển.
Biến thiên giá trị DO của hai thí nghiệm đƣợc thể hiện lần lƣợt trên biểu đồ 3.5 và 3.6 với đƣờng màu xanh chấm tròn là giá trị DO của nƣớc trong bể lắng, đƣờng màu cam chấm hình vng là giá trị DO của nƣớc tại bể hiếu khí, và đƣờng màu ghi chấm tam giác là giá trị DO của nƣớc tại bể thiếu khí.
0 5 10 15 20 25 30 35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 N h iệ t độ o C
Thời gian (ngày)
hiếu khí thiếu khí lắng 0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 N h iệ t độ o C
Thời gian (ngày)
Biểu đồ 3.5. Biến thiên DO trong thí
nghiệm khơng có VLM Biểu đồ 3.6. Biến thiên DO trong thí nghiệm khơng có VLM
Lƣợng oxy hịa tan trong nƣớc (DO) sẽ quyết định đến điều kiện xử lý là hiếu khí, thiếu khí hay kỵ khí. DO trong bể thiếu khí khơng chỉ ảnh hƣởng đến khả năng sự dụng chất nền của phản ứng khử nitrat mà khi DO tăng cao còn trực tiếp ức chế q trình khử nitrat. Khi có mặt oxy tự do trong nƣớc thải, vi khuẩn thiếu khí sẽ ƣu tiên sử dụng oxy tự do trƣớc rồi mới sử dụng oxy trong nitrat và nitrit. Do vậy, DO trong bể thiếu khí phải đủ thấp (dƣới 0.5 mg/L) để thuận lợi cho sự khử nitrat, [28].
Từ biểu đồ 3.5, 3.6 ta thấy DO bể thiếu khí đƣợc kiểm sốt ổn định, ln duy trì ở mức dƣới 0,5 mg/l, phù hợp cho vi khuẩn thiếu khí phát triển.
Trong bể hiếu khí, q trình oxy hóa chất hữu cơ và nitrat hóa địi hỏi sự có mặt của oxy. Nồng độ oxy hịa tan có ảnh hƣởng quan trọng tới tốc độ sinh trƣởng của vi khuẩn và tốc độ xử lý cơ chất. Nhu cầu oxy hịa tan cho bể hiếu khí khoảng từ 2-4 mg/l. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng DO từ 2,5- 3,5mg/l là nồng độ tối ƣu cho q trình nitrat hóa đạt hiệu quả cao nhất. Cịn DO <1,5 mg/l sẽ hạn chế q trình nitrat hóa và sự phát triển của các vi khuẩn hiếu khí (Anjali Barwal, Rubina Chaudhary, 2014).
Từ biểu đồ 3.5, 3.6 cho thấy DO bể hiếu khí đƣợc duy trì ổn định trên 3 mg/L, phù hợp cho vi khuẩn hiếu khí phát triển. DO tại bể lắng sẽ biến thiên theo DO tại
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15