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 Thơng 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 tròn Ø12 để dẫn nƣớc vào và tuần hoàn nƣớc giữa bể chứa màng và bể UASB. Bên trên đƣợc thiết kế 2 lỗ trịn 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 không liên tục vào bể UASB theo dòng 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, quá 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 hồn 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 ngoài 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.
Mẫu (V) đƣợc lấy trong bể chứa nƣớc đầu ra của mơ hình.
Mẫu đƣợc lấy vào buổi sáng sau khi kiểm tra mơ hình hoạt động bình thƣờng,
Tần suất lấy mẫu: 3 lần /tuần
Dùng ca lấy mẫu vào chai chứa mẫu.
Bảo quản mẫu trong tủ lạnh (4 – 20oC).
Phương pháp phân tích và các chỉ tiêu hóa lý
2.3.2.
Chỉ tiêu nhiệt độ và pH đƣợc đo bằng hệ thống máy đo online đƣợc lấp trƣợc tiếp vào hệ thống xử lý hoặc thiết bị cầm tay để kiểm chứng số liệu
Các chỉ tiêu phân tích COD, TSS, TN, NH4+, TP, độ kiềm đƣợc thực hiện theo các phƣơng pháp trong Standard Method for Exammination of Water and Wastwater (APHA, Eaton DA, and AWWA (Joint eds.1998) thể hiện trong bảng
Bảng 2.8 Phương pháp phân tích và các chỉ tiêu
STT Chỉ tiêu Phƣơng pháp phân tích
1 COD 5220 C. Closed Reflux, Titrimetric Method. Hoặc SMEWW 5220 C (22st - 2012)
2 TSS SMEWW 2540D.Total Suspended Solids Dried at 103-105oC 3 TN TCVN 6638 : 2000
4 NH4 4500 – NH3 F. Phenate Method. Hoặc TCVN 5988-1995 (ISO 5664-1984)
5 TP TCVN 6202 : 2008 6 VFA SWEMM 5560C (20th) 7 Độ kiềm APHA 2320 C 20th
Edition 1998
Phương pháp đo khí sinh học được sinh ra
2.3.3.
Bình Mariot đƣợc thiết kế hình trụ từ vật liệu Mica Acrylic 5mm có kích thƣớc D H là Ø250 250 (mm) với thể tích chứa 12L. Đáy bình dạng hình vng đƣợc ghép lại từ 2 tấm Mica Acrylic dày 5mm có kích thƣớc dài rộng 350 350 (mm) đƣợc bắt kín với nhau bằng 8 ốc M4 16 kẹp giữa là ron cao su nhằm đảm bảo kín khí.
Ngun lý hoạt động của bình Mariot tn theo định luật Boyle – Mariot Định luật Boyle – Mariot: Với một lƣợng khí lý tƣởng n khơng đổi ở nhiệt độ T khơng đổi thì áp suất P tỵ lệ nghịch với thể tích V
P.V = Const Gọi P1 là áp suất ban đầu của khối khí trong bình P2 là áp suất lúc sau của khối khí trong bình V1 là thể tích nƣớc ban đầu ứng với áp suất P1 V2 là thể tích nƣớc lúc sau ứng với áp suất P2
Nhìn vào biểu thức của định luật Boyle – Mariot ta có thể thấy áp suất (P) tỵ lệ nghịch với thể tích (V). Do đó, khi P tăng thì V giảm và ngƣợc lại.
Lúc đầu bình Mariot ở trạng thái cân bằng, tức chƣa có khí đƣợc bơm vào (P1 khơng đổi) thì thể tích nƣớc trong bình đƣợc duy trì ở trạng thái ổn định (V1 khơng đổi). Khi có khí đƣợc bơm vào bình Mariot thì trong bình sẽ xuất hiện một áp suất có giá trị là P2 với P2 > P1. Khi đó theo định luật Boyle – Mariot thì nƣớc trong bình sẽ tràn ra ngồi, khi đó ta có thể tích nƣớc trong bình là V2 với V2 < V1. Nhƣ vậy, mỗi khi khí đƣợc bơm vào bình thì một lƣợng nƣớc trong bình sẽ chảy ra, điều này tuân theo biểu thức của định luật Boyle – Mariot: P.V = const.
Nhƣ vậy, do sự chênh lệch áp suất của khối khí bên trong bình mà nƣớc trong bình đƣợc đẩy ra ngồi, từ đó ta có thể đo đƣợc thể tích khí bên trong bình Mariot ứng với lƣợng nƣớc chảy ra khỏi bình Mariot.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. SỰ BIẾN ĐỔI PH
Hình 3.1 Sự biến thiên của pH trong mơ hình 35 oC
Nhận xét
Giá trị pH tại thời gian lƣu 48h của 2 mơ hình đƣợc thể hiện ở hình 4.1 và hình 4.2. Từ biểu đồ ta thấy: giá trị pH của dòng thải sau khi đƣợc phối trộn giữa nƣớc thải sinh hoạt và rác thải hữu cơ dao động từ 4,7 đến 6,3. pH của nƣớc thải sau xử lý lần lƣợt ở mơ hình 35 oC là 7,32 ± 0,34 và 7,31 ± 0,33 ở mơ hình 55 oC. Giá trị
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 pH
Thời gian (Ngày)
pH vào pH ra 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 pH
Thời gian ( ngày )
pH vào pH ra
pH này thuận lợi cho nhóm vi khuẩn Methane hoạt động để chuyển đổi hỗn hợp nƣớc thải thành khí methane (khoảng pH tối ƣu 6,8 – 7,5).
Trong hoạt động của mơ hình AnMBR, pH là một thông số vận hành quan trọng. pH đƣợc đo hàng ngày trong nƣớc thải đầu vào và đầu ra nhằm duy trì giá trị pH thích hợp (khoảng pH tối ƣu 6,8 – 7,5) cho hoạt động của vi sinh vật trong suốt quá trình xử lý. Việc giảm hay tăng pH đột ngột sẽ làm giảm hoạt động của vi khuẩn metan hoá, làm giảm việc sử dụng axit acetic và H2 của các vi khuẩn metan hố làm cho sự tích luỹ VFA nhiều hơn và càng làm giảm pH. Nếu tình trạng này kéo dài, kết quả là pH giảm theo dốc đứng, sự tích luỹ VFA có khối lƣợng phân tử cao và gần nhƣ dừng hoạt động của vi khuẩn metan hoá.
3.2. SỰ BIẾN THIÊN CỦA NHIỆT ĐỘ
Hình 3.4 So sánh nhiệt độ mơi trường và nhiệt độ trong mơ hình MF-UASB 55 oC
32 36 40 44 48 52 56 60 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 Nhi ệt đ ộ (0C)
Thời gian (ngày)
Đầu vào Đầu ra 32.5 33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 Nhi ệt đ ộ (0C)
Thời gian (ngày)
Đầu vào Đầu ra
Nhận xét:
Nhiệt độ môi trƣờng và nhiệt độ trong bể phản ứng tại tải trọng 48h của hai mơ hình đƣợc thể hiện ở hình 3.3 và 3.4. Qua đồ thị ta thấy nhiệt độ mơi trƣờng và nhiệt độ trong mơ hình dao động qua các ngày. Nhiệt độ khơng khí trong phịng thí nghiệm đặt mơ hình dao động từ 32,5 – 33,5oC. Trung bình đạt 33,08 ± 0,19oC. Nhiệt độ trung bình của mơ hình MF-UASB 35 oC là 33,94 ± 0,52oC ở khoảng nhiệt độ này thích hợp cho chủng vi sinh mesophilic phát triển (22oC – 40oC). Nhiệt độ trung bình của mơ hình MF-UASB 55 oC là 54,17 ± 1,11oC ở khoảng nhiệt độ này thích hợp cho chủng vi sinh thermophilic phát triển (50oC – 60 oC).
Ở 2 mô hình khơng có nhiều sự biến động lớn về nhiệt độ. Với mơ hình 55 oC ln thƣờng xun kiểm tra hệ thống gia nhiệt và và nhiệt độ bên trong bể để duy trì mức nhiệt độ phù hợp giúp chủng vi sinh thermophilic phát triển.
3.3. HIỆU QUẢ LOẠI BỎ COD
Với điều kiện mesophilic (35oC), giá trị COD của hỗn hợp nƣớc thải đầu vào có giá trị trung bình là 1982 ± 64 mg/L và sCOD là 804 ± 134 mg/L. Hiệu suất xử lý COD trung bình đạt khoảng 94,73% 0,7% (thấp nhất 93%, cao nhất 96%) với giá trị COD dòng thấm từ 80 – 125 mg/L. 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 C O D (m g/ L)
Thời gian (ngày)
tCOD vào sCOD vào COD ra
Hình 3.6 Khả năng loại bỏ COD tại mơ hình MF-UASB 55 oC
Với điều kiện thermophilic (55oC), giá trị COD của hỗn hợp nƣớc thải đầu vào