2.1. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM
Bố trí thí nghiệm
2.1.1.
Nội dung nghiên cứu đƣợc mơ tả tóm tắt ở hình 2.1. Đầu tiên, tác giả kế thừa các nghiên cứu trƣớc (Bùi Hồng Hà năm 2020, Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ màng kỳ khí AnMBR xử lý nƣớc thải và rác thải hữu cơ, ứng dụng điển hình tại trạm ra đa 33/trung đoàn 294/sƣ đồn 367) [35] các thơng số để tiến hành thiết kế mơ hình. Xây dựng hệ thống AnMBR ở 2 điều kiện nhiệt độ ƣa ấm và ƣa nhiệt, so sánh hiệu quả xử lý của 2 mơ hình về các chỉ tiêu dinh dƣỡng và khả năng sinh khí từ 2 mơ hình.
Hình 2.1 Sơ đồ tóm tắt nội dung thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu
2.1.2.
Đề tài sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng để thực hiện các nội dung trên nhƣ sau:
Phƣơng pháp kế thừa: tham khảo, kế thừa các kết quả nghiên cứu về xử lý nƣớc thải bằng công nghệ lọc màng trong điều kiện hiếu khí (EaMBR) và kỳ khí (AnMBR), cơng nghệ đồng phân hủy nƣớc thải với chất thải rắn hữu cơ từ các nghiên cứu đã thực hiện tại Việt Nam và một số quốc gia tiên tiến.
Phƣơng pháp thống kê: thu thập các dữ liệu đã có về quy mơ, cơng suất, dây chuyền công nghệ, các thông số thiết kế, đặc trƣng nƣớc thải. Đề tài sẽ áp dụng các phƣơng pháp thống kê đƣợc thừa nhận rộng rãi để xử lý số liệu nhằm đạt độ tin cậy cao. Sử dụng các phƣơng pháp thu thập thông tin, điều tra thực tế nhu cầu và hiện trạng trong nƣớc, tham khảo tình hình cơng nghệ và phƣơng pháp triển khai của quốc tế, từ đó đƣa ra giải pháp phù hợp cho hoàn cảnh Việt Nam.
Phƣơng pháp chuyên gia: kinh nghiệm và kiến thức của chuyên gia trong những lĩnh vực chuyên môn liên quan đến các quá trình xử lý nƣớc thải và chất thải rắn sẽ đƣợc sử dụng để đánh giá nhanh sự thích hợp hay hiệu quả của quá trình/cơng đoạn hay cơng trình đơn vị trƣớc khi áp dụng các phƣơng pháp thực nghiệm.
Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thiết kế mơ hình với qui mơ phịng thí nghiệm.
Phƣơng pháp lấy mẫu phân tích: Mẫu nƣớc thải trƣớc khi pha và rác thải hữu cơ sau nghiền, hỗn hợp rác nƣớc, nƣớc sau xử lý. Mẫu phân tích đƣợc lấy vào 9h hàng ngày sau khi kiểm tra toàn bộ hệ thống vẫn hoạt động bình thƣờng.
Phƣơng pháp đo và phân tích: Đo trực tiếp qua các thiết bị đo nhiệt độ, pH, biogas. Các chỉ tiêu phân tích đƣợc thực hiện chủ yếu theo quy trình phân tích của tài liệu Standard Method for Water and Wastewater.
Phƣơng pháp xử lý số liệu: Kết quả đƣợc tính tốn, xử lý số liệu, vẽ biểu đồ trên phần mềm Microsoft Office Excel 2010.
2.2. MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU
Vật liệu nghiên cứu
2.2.1.
Nghiên cứu đƣợc thực hiện với nƣớc thải sinh hoạt (nƣớc thải tại hố ga Viện Nhiệt đới môi trƣờng) và rác thải hữu cơ tại nhà ăn của Viện Nhiệt đới môi trƣờng.
(Địa chỉ: 57A Trƣơng Quốc Dung, P. 10, Q. Phú Nhuận,Tp. Hồ Chí Minh) Thành phần nƣớc thải sinh hoạt:
Hình 2.2 Địa điểm lấy mẫu
Nƣớc thải sinh hoạt đƣợc lấy từ hố thoát nƣớc thải sinh hoạt của Viện Nhiệt đới môi trƣờng (57A Trƣơng Quốc Dung, Phƣờng 10, Quận Phú Nhuận, TP Hồ Chí Minh) với tần suất 1 ngày/lần thời điểm lấy mẫu vào buổi chiều sau khi các hoạt động sinh hoạt tại Viện kết thúc và mơ hình đƣợc kiểm tra hoạt động bình thƣờng. Rác thải hữu cơ đƣợc lấy từ nhà ăn của Viện Nhiệt Đới Môi trƣờng với tần suất 2 lần/tuần.
Thành phần nƣớc thải sinh hoạt đƣợc thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.1 Thành phần nước thải sinh hoạt
STT CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ NỒNG ĐỘ 1 pH - 5,46 ± 0,47 2 TSS mg/l 57,54 ± 11,41 3 COD mg/l 185 ± 37 4 TN mg/l 135,01 ± 12,20 5 N-NH4+ mg/l 120,08 ± 9,85 6 TP mg/l 9,82 ± 1,05
Thành phần rác thải hữu cơ nhà bếp:
Hình 2.3 Chất thải hữu cơ
Rác thải hữu cơ sử dụng trong nghiên cứu là thức ăn thừa tại nhà ăn của Viện Nhiệt đới môi trƣờng. Rác thải đƣợc loại bỏ các thành phần nhƣ tăm, nilong, xƣơng và các thành phần vơ cơ khác, sau đó đƣợc nghiền nát bằng máy xay trƣớc khi đƣa vào bể kỳ khí.
Bảng 2.2 Thành phần nước thải sinh hoạt
STT CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ NỒNG ĐỘ 1 pH - 6,8 ± 0,5 2 Độ ẩm % 86 ± 2 3 C/N - 32 ± 1,03 4 TS g/kg ƣớt 235 ± 13 5 VS g/kg ƣớt 213 ± 12
Nƣớc thải sẽ đƣợc xáo trộn cùng với rác thải hữu cơ đã đƣợc xay nhuyễn dùng để vận hành mơ hình thí nghiệm. Tính chất nƣớc thải sau pha trộn đƣợc thể hiện trong bảng 2.4
Bảng 2.3 Tính chất nước thải sau pha trộn nước thải sinh hoạt và CTR hữu cơ
STT Chỉ tiêu Nƣớc thải sau pha
Đơn vị Giá trị 1 pH - 7,3 ± 0,3 2 COD mg/l 1996 ± 50 3 TN mg/l 253,57 ± 35,90 4 N-NH+4 mg/l 149,13 ± 7,61 5 TP mg/l 11,98 ± 1,77 6 TSS mg/l 552 ± 40 7 SO42- mg/l 62,4 ± 13,6
Bùn nuôi cấy ban đầu
Bùn vi sinh ni cấy ban đầu là bùn kỳ khí đƣợc thu gom hệ thống xử lý nƣớc thải tại Công Ty Cổ Phần Thực Phẩm Thiên Hƣơng Số 1 Lê Đức Thọ, Khu Phố 02, Phƣờng Tân Thới Hiệp, Quận 12, thành phố Hồ Chí Minh.
Hình 2.4 Bùn ni cấy
Quy trình ni bùn sinh học kỳ khí mơ hình:
Bước 1: Xác định lƣợng bùn cần thiết cho vào mơ hình từ bùn ni cấy ban
đầu
Thể tích bùn ni cấy ban đầu cần bổ sung vào bể là: Vb = (V×C)/MLSS = 20x5000/11600 = 8,6 (L) Trong đó: Vb : Thể tích bùn cần cho vào bể, (L); V : Thể tích bể, (L);
C : Nồng độ bùn kỳ khí tối ƣu trong bể, 4000 ≤ C ≤ 6000 mg/l, chọn C = 5000 mg/l (Theo Lâm Minh Triết, Xử lý nƣớc thải sinh hoạt và cộng nghiệp, 2015)
MLSS : Nồng độ bùn kỳ khí bổ sung vào bể ban đầu, MLSS = 11600 mg/l.
Bước 2: Bổ sung bùn vào bể với thể tích bằng hoặc lớn hơn thể tích tính tốn,
Thể tích bùn bổ sung vào bể khơng lớn hơn 10% thể tích bùn tính tốn.
Bước 3: Cho 20% thể tích nƣớc thải tính tốn, bổ sung nƣớc sạch để làm đầy
bể. chạy liên tục trong 5 ngày. Kiểm tra nồng độ bùn mỗi ngày, nếu nồng độ bùn giảm, cần bổ sung thêm bùn để đảm bảo nồng độ bùn trong bể không đổi
Bước 4: Sau khi vận hành 5 ngày, tắc toàn bộ thiết bị, đợi lắng, lấy phần nƣớc
trong ra khỏi bể. Tiếp tục chạy với 40%, 60%, 80%, và 100% thể tích nƣớc thải tính tốn. Thực hiện tƣơng tự bƣớc 3.
Bước 5: Sau khi đã vận hành với lƣu lƣợng bơm đầu vào 100% thì thƣờng
xuyên xác định chỉ số SVI của bùn nhằm đánh giá chất lƣợng bùn.
Module màng MF
Đặc điểm kỹ thuật module màng MF thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2.4 Đặc điểm kỹ thuật Module màng MF
Stt Thông số Đơn vị Đặc điểm
1 Loại màng - Dạng tấm, dịng chảy vng góc, từ ngồi vào trong 2 Số tấm lọc - 1 3 Tấm lọc - Gồm 2 mặt cố định và một song chắn nhựa đặt giữa các mặt để cố định tấm lọc 4 Vật liệu - Polimer 5 Kích cỡ lỗ màng µm 0,1 6 Kích cỡ màng L W cm 34 24 7 Kích cỡ màng thấm thấu L W cm 28 19 8 Tổng diện tích thẩm thấu m 2 1 tấm (28 19)/1 mặt 2 mặt/tấm 10-4 m2/cm2 = 0,1064 9 Thông lƣợng lọc L/giờ/m2 3 - 6 10 Áp suất động lực cmHg 2,5 - 35 11 pH vận hành - 2 - 10,5 12 Nhiệt độ o C 5 - 45
Mơ hình thí nghiệm
2.2.2.
Mơ hình nghiên cứu AnMBR bao gồm: Hệ thống bể kỳ khí UASB và bể kỳ khí chứa module màng MF.
Thơng số thiết kế mơ hình nghiên cứu Bể kỳ khí UASB
Bể phân hủy kỳ khí UASB đƣợc thiết kế bằng thuỵ tinh có độ dày 4mm đƣợc xáo trộn thuỵ lực bằng dịng tuần hồn từ bể chứa màng lọc MF (AnMBR), thể tích chứa tối đa của bể là 10 lít, đƣợc chia làm 3 vùng:
Vùng đệm: có đƣờng kính 100mm với đáy dạng hình phểu cao 60mm. Dƣới đáy bể đƣợc thiết kế có hệ thống ống bơm nƣớc thải vào và nƣớc tuần hoàn từ bể chứa màng lọc MF (AnMBR) với đƣờng kính 20mm.
Vùng phản ứng: gồm 2 lớp thủy tinh. Lớp trong có đƣờng kính 100mm, lớp ngồi có đƣờng kính 110mm, xung quanh thành bể đƣợc thiết kế 2 nắp xoay đƣờng kính 10mm đƣợc bố trí ở phía trên thân bể và phía dƣới thân bể với nhiệm vụ dẫn nƣớc gia nhiệt vào bể khi cần thiết. Chiều cao vùng phản ứng là 730mm.
Vùng lắng: có đƣờng kính 140mm, cao 310mm. Phía trên đƣợc thiết kế các nắp xoay để dẫn nƣớc sang bể màng, thu khí từ phễu chụp và lấy mẫu phân tích chất lƣợng nƣớc. Bên trong có phễu chụp hƣớng dịng tách 2 pha rắn-lỏng và khí, ống thu khí đƣợc dẫn sang bình Mariot để xác định thể tích khí sinh học đƣợc thu hồi từ bể UASB.
Bảng 2.5 Thơng số thiết kế bể kỵ khí UASB
Stt Thông số Đơn vị Giá trị
1 Chiều cao (L) mm 1100 2 Đƣờng kính (D) mm 100 - 140 3 Thể tích hữu ích
(VHI) lít 7,5
4 Thể tích thực (VT) lít 10
5 Vật liệu Thuỵ tinh
Bể kỳ khí chứa màng MF
Mơ hình bể chứa màng lọc MF đƣợc chế tạo dạng hình hộp từ các tấm vật liệu Mica Acrylic với độ dày 4mm đƣợc kết nối lại với nhau bằng keo AB. Kích thƣớc của bể dài rộng cao là 300 70 500 (mm) có thể tích chứa của bể là 9 lít.
Đáy bể đƣợc tạo từ vật liệu Mica Acrylic 10mm có kích thƣớc dài rộng là 420 150 (mm) với nhiệm vụ làm chân đế, giữ cho bể theo phƣơng thẳng đứng. Phần nắp bể đƣợc thiết kế dạng mặt bích gồm 2 tấm Mica Acrylic dày 4mm có kích thƣớc dài rộng là 370 130 (mm) đƣợc bắt kín với nhau bằng 12 ốc M4 30 kẹp giữa là ron cao su nhằm đảm bảo cho bể tạo thành một khối kín để có thể duy trì trạng thái kỳ khí của bể. Bên trong bể có chứa màng lọc MF dạng tấm phẳng đƣợc đặt trên giá đỡ có gắn thanh sục khí rửa màng. Phía trên nắp bể đƣợc lắp đặt hệ thống đế điện cực (3 chân) kết nối với Rờ-le mực nƣớc với nhiệm vụ là hệ thống tự động điều chỉnh chế độ khởi động của bơm nƣớc đầu ra từ màng lọc. Hai bên thành bể đƣợc thiết kế 2 lỗ trịn Ø12 để dẫn nƣớc vào và tuần hồn nƣớc giữa bể chứa màng và bể UASB. Bên trên đƣợc thiết kế 2 lỗ tròn Ø8 bên trái để tuần hồn khí
sinh học trong bể bằng máy thổi khí kín để rửa màng và 1 lỗ trịn Ø8 bên phải để dẫn nƣớc đầu ra của bể.
Hình 2.6 Bể chứa màng MF
Bảng 2.6 Thông số thiết kế bể chứa màng MF
Stt Thông số Đơn vị Giá trị
1 Chiều dài (L) mm 300 2 Đƣờng rộng (W) mm 70 3 Chiều cao (H) mm 500 4 Diện tích nắp (L W) mm 370 130 5 Diện tích đáy (L W) mm 420 150 6 Thể tích hữu ích (VHI) lít 7,5 7 Thể tích thực (VT) lít 9
Sơ đồ vận hành mơ hình
Hình 2.7 Sơ đồ mơ hình
Vận hành thí nghiệm
Nƣớc thải sinh hoạt đƣợc lấy từ hố ga của Viện Nhiệt đới môi trƣờng sẽ đƣợc phối trộn với chất thải rắn hữu cơ nhà bếp đã đƣợc xay nhuyễn với tỉ lệ 5g/l và đƣa vào bể chứa nƣớc thải đầu vào. Tại đây, dòng thải hỗn hợp đƣợc khuấy trộn liên tục nhờ motor khuấy để tránh hiện tƣợng lắng cặn. Hỗn hợp dòng thải đƣợc trộn đều trƣớc khi đƣợc bơm định lƣợng bơm khơng liên tục vào bể UASB theo dịng chảy từ dƣới lên tạo ra mơi trƣờng bùn kỳ khí lơ lửng. Bơm định lƣợng đầu vào sẽ đƣợc kết nối với bộ hẹn giờ tự động nhằm đảm bảo lƣợng dòng thải đầu vào đƣợc cấp đủ lƣu lƣợng cần thiết và chia đều theo các khoảng thời gian nhất định trong ngày để tránh hiện tƣợng sốc tải.
Tại bể UASB, bùn kỳ khí sẽ tiến hành phân huỵ kỳ khí dịng thải hỗn hợp. Sau một khoảng thời gian, q trình phân huỵ kỳ khí sẽ sinh ra một lƣợng khí sinh học nhất định, lƣợng khí này qua các đƣờng ống trên nắp bể sẽ đƣợc dẫn sang bình Mariot để xác định thể tích khí sinh học thu đƣợc từ mơ hình. Đồng thời tại vùng thu nƣớc của bể UASB, nƣớc thải sẽ dâng từ từ lên và theo ống dẫn tự chảy sang bể chứa màng lọc MF.
Tại bể chứa màng, nƣớc thải tiếp tục thẩm thấu qua màng lọc MF và dòng thấm sẽ đƣợc bơm ra ngồi bằng bơm định lƣợng có kết nối với hệ thống tự động Rơle mực nƣớc. Hệ thống này có tính năng tự động tắc mở bơm khi mực nƣớc thải trong bể chứa màng lọc chạm đến điểm mực nƣớc đã đƣợc quy định từ trƣớc. Từ đó, lƣợng nƣớc thải trong cả 2 bể sẽ đƣợc duy trì ở mức 15L, đảm bảo tính ổn định về lƣu lƣợng nƣớc thải khi vận hành mơ hình.
Bên dƣới bể chứa màng sẽ đƣợc bố trí 1 đƣờng ống dẫn nƣớc tuần hoàn lại bể UASB bằng bơm định lƣợng chạy theo bộ hẹn giờ tự động. Vì vậy, dịng tuần hồn từ bể chứa màng sẽ giúp xáo trộn thuỵ lực cho bể UASB, đảm bảo cho bùn kỳ khí trong bể phát triển ổn định và không bị lắng nén lại dƣới đáy bể.
Khí sinh học đƣợc sinh ra từ q trình phân hủy kỳ khí theo ống thu khí đi vào bình chứa Mariot nhằm đo thể tích khí sinh học sinh ra. bình chứa Mariot nhằm đo thể tích khí sinh học sinh ra.
Quy trình làm sạch màng
Khi màng bị bám bẩn, cần khắc phục sự cố bằng vật lý hoặc hóa học. Thời gian vận hành dƣới 10 ngày và áp suất hút dƣới -49kPa thì áp dụng rửa vật lý, nếu thời gian vận hành trên 10 ngày và áp suất hút trên -49kPa thì áp dụng rửa hóa học. Quy trình rửa màng đƣợc thực hiện nhƣ sau:
- Dừng vận hành mơ hình thí nghiệm
- Kiểm tra hệ thống điện trƣớc khi tháo màng
- Tháo màng ra khỏi bể chứa
Rửa bằng nƣớc sạch để loại bỏ cặn bẩn trƣớc khi rửa vật lý hay hóa học
- Làm sạch vật lý: phơi ngồi trời, thổi khí, rửa ngƣợc.
- Làm sạch hóa học: rửa bằng hóa chất NaOCl 0,03%
Điều kiện vận hành
2.2.3.
Bảng 2.8 thể hiện các thông số vận hành cho 2 mơ hình ở 2 điều kiện nhiệt độ nhằm so sánh hiệu quả khả năng xử lý và tìm năng thu hồi khí sinh học
Bảng 2.7 Thơng số vận hành mơ hình MF- UASB
Thơng số Kí hiệu Đơn vị Mơ hình MF-UASB 35oC Mơ hình MF-UASB 55oC Nhiệt độ t oC 35oC 55oC
Thời gian lƣu nƣớc HRT giờ 48h
pH pH - 6,8-7,4
Thời gian lƣu bùn SRT ngày 90
Thể tích bể V L 15
Lƣu lƣợng nƣớc thải sinh hoạt
QN L/ngày 7,5
Lƣợng rác thải QR gƣớt/ngày 37,5
2.3. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Qui trình lấy mẫu và phân tích
2.3.1.
Vị trí lấy mẫu:
Mẫu (I) đƣợc lấy trực tiếp ở khu vực pha mẫu trƣớc khi trộn chất thải rắn hữu cơ, mẫu đƣợc chứa trong chai nhựa và đem đi phân tích.
Mẫu (II) đƣợc lấy tại khu vực pha mẫu sau khi pha chất thải rắn hữu cơ với tỉ lệ 5g chất thải rắn / 1L nƣớc thải, đƣợc trộn đều bằng máy nghiền, tạo thành hỗn hợp nƣớc thải đầu vào. Mẫu sau khi lấy đƣợc chứa trong chai nhựa và đem đi phân tích.
Mẫu (III) đƣợc lấy từ van dƣới đáy bể UASB.
Mẫu (IV) đƣợc lấy từ van dƣới đáy bể chứa màng.