2.2.3. Vi sinh vật
Nguồn vi sinh vật đưa vào mơ hình được lấy từ bùn của trạm xử lý nước thải chợ đầu mối nơng sản thực phẩm Bình Điền.
Bảng 2.3 Thơng số nguồn vi sinh vật
Thông số Giá trị
Độ ẩm 92 – 95%
35
2.3. Tiến trình thí nghiệm
Bảng 2.4 Tiến trình thí nghiệm
STT Thí nghiệm Chế độ vận hành Thông số theo dõi
1 Chạy khởi động mơ hình
Chạy dạng liên tục để bùn dính vào vật liệu
- Đầu vào: pH, kiềm, COD và N- NH4+.
- Đầu ra: pH, kiềm, COD, N-NO3- và N-NH4+.
2
Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng thể tích đến hiệu quả xử lý ammonia
- Chạy mơ hình dạng mẻ xác định thời gian lưu nước tối ưu.
- Sau đó chuyển sang chạy dạng liên tục để kiểm chứng hiệu quả xử lý của mơ hình.
- Đầu vào: pH, kiềm, COD và N- NH4+.
- Đầu ra: pH, kiềm, COD, N-NO3- và N-NH4+.
3
Nghiên cứu ảnh hưởng của liều lượng kiềm đến hiệu quả xử lý ammonia
Bổ sung lượng kiềm khác nhau vào mơ hình, chạy mơ hình dạng mẻ xác định lượng kiềm tối ưu.
- Đầu vào: pH, kiềm và N-NH4+. - Đầu ra: pH, kiềm và N-NH4+.
4
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan đến hiệu quả xử lý ammonia
Chạy mơ hình dạng liên tục xác định lượng DO tối ưu.
- Đầu vào: pH, kiềm và N-NH4+. - Đầu ra: pH, kiềm, N-NO3- và N- NH4+.
2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng thể tích đến hiệu quả xử lý ammonia
Mẫu nước thải được lấy từ hố thu đầu vào tại trạm xử lý nước của chợ Bình Điền được đựng trong can 30 lít đem về phịng thí nghiệm đại học Văn Lang.
36
Bảng 2.5 Thành phần nước thải tại hố thu gom nước thải đầu vào
Stt Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị
1 pH ở 250C - 6,45 – 6,82 2 SS mg/L 110 – 270 3 Độ kiềm mgCaCO3/L 440 – 680 4 COD mg/L 560 – 1200 5 N-NH4+ mg/L 92 - 157 6 N-org mg/L 13,3 – 21,8 7 N-NO3- mg/L 0.5 - 1 8 TDS mg/L 3600 - 4210 9 Cl- mg/L 2000 – 2200
2.4.1. Giai đoạn khởi động
Mơ hình thí nghiệm chạy theo dạng liên tục, nước thải từ thùng nhựa tự chảy sang bể Anoxic, sau đó chảy sang bể bùn hiếu khí tăng trưởng dính bám, điều kiện hiếu khí ln được duy trì bằng máy thổi khí.
Bùn ni cấy vào mơ hình thí nghiệm là bùn của trạm xử lý nước thải chợ đầu mối nông sản thực phẩm Bình Điền.
Vận hành ở giai đoạn khởi động
- Xác định lượng bùn cho vào bể Anoxic và bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định. Nồng độ bùn cho vào bể Anoxxic và bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định khoảng 3000 mgVSS/l,
- Cho nước thải từ thùng nhựa tự chảy vào bể Anoxic với lưu lượng 1,0 l/h, nước thải tự chảy sang bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định, nước được tuần hồn từ bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định về bể Anoxic, với tải trọng L1= 0,09 – 0,11 kg N-NH4+ /m3.ngđ và HRT= 24h;
- Mỗi ngày lấy mẫu phân tích thành phần nước thải trước và sau xử lý (pH, CODlắng, N-NH4+, N-NO3-);
37
- Chạy mơ hình đến khi hiệu quả xử lý ammonia đạt QCVN 14: 2008/BTNMT;
Điều kiện vận hành mơ hình bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định để đánh giá ảnh hưởng của ammonia đến hiệu quả xử lý tại thời điểm khởi động mơ hình được trình bày tóm tắt trong Bảng 2.6.
Bảng 2.6 Thơng số vận hành mơ hình bùn hoạt tính tăng trưởng dính bám cố định trong thời gian khởi động
Thông số Đơn vị Giá trị
Thể tích nước cơng tác lít 25 HRT giờ 24 N-NH4+ vào mg/L 87 - 117 CODvào mg/L 480 – 800 L ammonia kg N-NH4+ /m3ngđ 0,09 – 0,11 LCOD kg COD/m3ngđ 0,46 – 0,77 2.4.2. Tăng tải trọng
- Nâng tải trọng bằng cách tăng nồng độ ammonia lên tương ứng với tải trọng ammonia L2= 0,17 – 0,19 kg N-NH+4/m3.ngđ, chạy mơ hình ở dạng mẻ đến khi hiệu quả xử lý ammonia đạt trạng thái ổn định. Ta tiến hành chạy biến thiên theo giờ để xác định thời gian lưu nước tối ưu cho mơ hình. Sau khi xác định được thời gian lưu nước tối ưu. Ta chạy mơ hình ở dạng liên tục, điều chình lưu lượng và thời gian lưu nước đúng với quá trình chạy biến thiên theo giờ để kiểm chứng hiệu quả xử lý ammonia;
- Mỗi ngày lấy mẫu phân tích thành phần nước thải trước và sau xử lý (pH, CODlắng, N-NH4+, N-NO3-);
- Tiếp tục nâng tải trọng L3 = 0,20 – 0,21 kg N-NH+4/m3.ngđ theo trình tự đã trình bày như trên cho đến khi hiệu quả xử lý ammonia đạt ổn định.
38
Bảng 2.7 Thơng số vận hành mơ hình bùn hoạt tính tăng trưởng dính bám cố định trong thời gian nâng tải trọng ammonia
Thông số Đơn vị Giá trị
Thể tích nước cơng tác lít 25 N-NH4+ vào mg/L 125 – 135 146 – 157 COD vào mg/L 480 - 880 880 – 1200 L ammonia kg N- NH4+/m3ngđ 0,17 - 0,19 0,20 – 0,21 LCOD kg COD/m3ngđ 0,77 – 0,96 0,96 – 1,2
2.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của liều lượng kiềm đến hiệu quả xử lý ammonia
Nghiên cứu được thực hiện theo các bước chính sau:
- Chạy mơ hình ở tải trọng đã xác định được ở nghiên cứu trước (mục 2.4) tương ứng với từng liều lượng kiềm thay đổi giảm dần cho đến khi hiệu quả xử lý ammonia đạt trạng thái ổn định;
- So sánh hiệu quả xử lý ở các liều lượng kiềm đã nghiên cứu. Xác định liều lượng kiềm thích hợp để q trình nitrate hóa xảy ra hiệu quả.
- Cơng thức tính tốn kiềm thêm vào mơ hình:
NH4+ +1,855O2+1,979HCO3- 0,021C5H7O2N+0,979NO3- +1,041H2O+ 1,874H2CO3
Từ phương trình cho thấy, để chuyển hóa 1mg N-NH4+ thành NO3- cần 8,62mgHCO3-/1mg N-NH4+.
Độ kiềm=[(nồng độ N-NH4+ x 8,62)-(kiềm trong nước thải+kiềm từ khử NO3-]x Vbể Thông số vận hành nghiên cứu ảnh hưởng của liều lượng kiềm bổ sung đến hiệu quả xử lý ammonia được trình bày trong Bảng 2.8.
Bảng 2.8 Thơng số vận hành mơ hình bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám ảnh hưởng của liều lượng kiềm bổ sung đến hiệu quả xử lý ammonia
Thông số Đơn vị Giá trị
Thể tích nước cơng tác lít 25
Thời gian lưu nước (HRT) giờ Xác định ở mục 2.4
39
LCOD kg COD/m3.ngđ Xác định ở mục 2.4
N-NH4+ vào mg/L 92 – 157
CODvào mg/L 480 - 1200
LKiềm g NaHCO3/ngày 5 4 2 1
2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan đến hiệu quả xử lý ammonia
Nghiên cứu được thực hiện các bước như sau:
- Vận hành mơ hình thí nghiệm với tải trọng ammonia và độ kiềm tối ưu đã xác định được trong nghiên cứu của trên. Thay đổi nồng độ DO giảm dần cho đến khi hiệu quả xử lý ammonia đạt trạng thái ổn định;
- So sánh hiệu quả xử lý ở các nồng độ DO đã nghiên cứu. Xác định nồng độ DO thích hợp để hiệu quả xử lý ammonia là tối ưu nhất.
- Thông số vận hành nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ DO đến hiệu quả xử lý được trình bày trong Bảng 2.9.
Bảng 2.9 Thông số vận hành mơ hình bùn hoạt tính tăng trưởng dính bám cố định trong thời gian nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ DO đến hiệu quả xử lý ammonia
Thông số Đơn vị Giá trị
Thể tích nước cơng tác lít 25
Thời gian lưu nước
(HRT) giờ Xác định ở mục 2.4 L ammonia kg N-NH4+/m3ngđ Xác định ở mục 2.4 LCOD kg COD/m3ngđ Xác định ở mục 2.4 LKiềm g NaHCO3/ngày Xác định ở mục 2.5 N-NH4+ vào mg/L 92 – 157 COD vào mg/L 480 - 1200 DO mg/L 4,5 - 5 3,5 - 4 2,5 - 3 2.7. Phương pháp phân tích
Tồn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu mơi trường được tiến hành theo đúng quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 5999:1995 và Standard Methods for the examination of wastewater (APHA, 2005), phân tích các chỉ tiêu pH, DO, COD, độ kiềm, SS, VSS, N-NO3-, N-NH4+ được trình bày chi tiết trong phụ lục.
40
Bảng 2.10 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích
Chỉ tiêu Đơn vị Phương pháp phân tích
Nhiệt độ oC Đo bằng nhiệt kế
pH - Đo bằng máy pH 526, hiệu WTW, sản xuất tại Đức DO mg O2/l Đo bằng máy DO Sension 6, hiệu HATCH, Mỹ
TSS mg/l APHA 2540 D
VSS mg/l APHA 2540 E
COD mgO2/l APHA 5220 B (5 mgO2/L < COD < 50 mgO2/L) APHA 5220 C (COD >50 mgO2/L)
Độ kiềm mgCaCO3/l APHA 2320 B
N-NH3 mg/L APHA 4500 NH3.G
41
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Giai đoạn khởi động mơ hình
Để phục vụ cho nghiên cứu các yếu tố sinh – hóa – lý ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý ammonia bằng q trình bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định, mơ hình được vận hành khởi động trong 12 ngày để hình thành lớp màng vi sinh vật trên vật liệu dính bám. Kết quả quan sát cho thấy lớp màng vi sinh đã hình thành trên bề mặt vật liệu. Kết quả thí nghiệm trong giai đoạn khởi động được trình bày trong bảng sau:
Bảng 3.1 Kết quả giai đoạn chạy khởi động mơ hình
Ngày 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH vào 6.45 6.62 6.56 6.54 6.51 6.55 6.53 6.59 6.58 6.49 6.53 6.54 pH ra 7.2 7.41 7.6 7.52 7.48 7.43 6.84 6.69 6.72 6.65 6.74 6.61 Kiềm vào (mgCaCO3/L) 586 682 680 480 560 534 476 548 596 580 544 520 Kiềm ra (mgCaCO3/L) 128 144 128 132 120 124 80 60 56 64 56 52 COD vào (mg/L) 640 560 560 640 720 760 640 800 680 580 760 720 COD ra (mg/L) 128 64 48 48 64 32 48 64 48 32 64 48 N–NH4+ vào (mg/L) 92 110 116 114 117 107 112 113 115 112 114 113 N–NH4+ ra (mg/L) 37 32 17 15 18 14 13 8 3 3 3 4 NO3- (mg/L) 24 32 20 17 15 17 14 10 15 14 18 15 Hiệu suất xử lý COD (%) 80.0 88.6 91.4 92.5 91.1 95.8 92.5 92.0 92.9 94.5 91.6 93.3 Hiệu suất xử lý NH4+ (%) 59.8 70.9 85.3 86.8 84.6 86.9 88.4 92.2 97.1 97.3 97.1 96.5
42
Hiệu quả xử lý N–NH4+
Hình 3.1 Biến thiên nồng độ N–NH4+ trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Trong giai đoạn chạy khởi động mơ hình, nồng độ N–NH4+ vào trong nước thải dao động từ 92 – 117 mg N–NH4+/L. Ở ngày đầu tiên, hiệu quả xử lý N–NH4+ giảm từ 92mg N–NH4+/L xuống còn 37mg N–NH4+/L, hiệu quả xử lý đạt 59,8%, kết quả thu được cho thấy bùn thích nghi khá tốt ở ngày đầu tiên, có thể lý giải do bùn được lấy từ trạm xử lý nước thải chợ Bình Điền đã thích nghi sẵn, tuy nhiên nồng độ sau xử lý vẫn còn cao.Từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 4 hiệu quả xử lý giảm đáng kể. Ở ngày thứ 4, với nồng độ N–NH4+ vào 114 mg N–NH4+/L giảm xuống còn 15 mg N– NH4+/L, hiệu suất xử lý đạt 86,8%. Đến ngày thứ 8, hiệu quả xử lý N–NH4+ đạt 92%, tương ứng với nồng độ N–NH4+ vào 113mg N–NH4+/L giảm xuồng còn 10mg N–NH4+/L, nồng độ sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT, cột B. Đến ngày thứ 12, nồng độ N–NH4+ sau xử lý giảm còn 4mg N–NH4+/L. Kết quả giai đoạn chạy khởi động cho thấy, hiệu suất xử lý N–NH4+ đạt cao nhất 97%, nồng độ N–NH4+ sau xử lý giảm xuống còn 3 – 4mg N–NH4+/L.
43
Hiệu quả chuyển hóa N–NH4+ thành N–NO3-
Trong q trình nitrate hóa làm cho nồng độ N–NH4+ bị oxy hóa thành N–NO2- và N–NO3-. Nếu hiệu quả q trình nitrate hóa xảy ra tốt, phần lớn nitơ ở dạng N–NO3- sau khi kết thúc q trình nitrate hóa.
Hình 4.2 cho thấy, nồng độ N–NO3- sau xử lý tăng lên so với nồng độ N–NO3- trong nước thải trước khi xử lý. Điều này chứng tỏ q trình nitrate hóa đã xảy ra. Nồng độ N–NO3- sẵn có trong nước thải trước xử lý là rất thấp <1mg/L. Sau xử lý, nồng độ N–NO3- 14 – 32mg N–NO3-/L. Nếu so với lượng N–NH4+ đã chuyển hóa, lượng N–NO3- hình thành đo được sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT, cột B. Điều này có thể do quá trình khử N–NO3- từ bể Anoxic và bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định. Kết quả phân tích nồng độ N–NO3- sau xử lý giai đoạn khởi động được trình bài trong hình 3.2
Hình 3.2 Biến thiên nồng độ N–NO3- sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Biến thiên độ kiềm và pH trước và sau xử lý
Q trình nitrate hóa tạo ra ion H+ kết hợp độ kiềm trong nước thải, làm giảm độ kiềm và có thể dẫn đến tình trạng giảm pH nếu độ kiềm (HCO3-) sẵn có khơng đủ để đảm bảo tính đệm cho mơi trường. Kết quả chạy mơ hình thí nghiệm trong 12 ngày cho thấy, độ kiềm của nước sau xử lý khi mơ hình ổn định rất thấp 50 – 60 mg
44
CaCO3/L, 1mg N–NH4+ oxy hóa thành N–NO3- cần 7,14 mgCaCO3, trong khi độ kiềm trước xử lý dao động trong khoảng 476 – 680 mg CaCO3/L, có thể oxy hóa được 67 – 95mg N–NH4+/L trong khi nông độ N–NH4+ vào 92 – 117mg N–NH4+/L, cho thấy kiềm khơng đủ để chuyển hóa, tuy nhiên, kiềm sau xử lý vẫn cịn, chứng tỏ độ kiềm tiêu thụ thực tế thấp hơn so với lý thuyết. Hình 4.3 cho thấy, pH sau xử lý dao động trong khoảng 6.61 – 7.48, pH trước xử lý dao động trong khoảng 6.45 – 6.62, pH sau xử lý đều cao hơn pH trước xử lý cho thấy độ kiềm trong nước đủ để q trình nitrate hóa tiêu thụ trong q trình phản ứng.
Hình 3. 3Biến thiên nồng độ pH trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Hình 3.4 Biến thiên nồng độ kiềm trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
45
Hiệu quả xử lý COD
Trong thời gian vận hành khởi động, kết quả cho thấy hiệu quả xử lý ổn định ngày thứ 3, nồng độ COD giảm từ 480 – 800mg/l xuống còn 32 – 48mg/l, hiệu quả xử lý COD trong mơ hình 91 – 98%. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng xử lý chất hữu cơ trong nước thải chợ đầu mối nơng sản thực phẩm Bình Điền đều nằm trong QCVN 14:2008/BTTMT. Biến thiên nồng độ COD trong nước thải trước và sau xử lý ở giai đoạn khởi động mơ hình được trình bày trong hình 3.5
Hình 3.5 Biến thiên nồng độ COD trước xử lý và sau xử lý trong giai đoạn khởi động mơ hình
Theo lý thuyết để oxy hóa 1mg N–NH4+ cần 7,14 mgCaCO3. Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ kiềm bị tiêu thụ không ổn định và chênh lệch so với lý thuyết là 7,14 mgCaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa, thấp hơn so với lý thuyết. Ở ngày thứ 8 giai đoạn mơ hình đã ổn định, độ kiềm bị tiêu thụ 4,14 – 5,24 mgCaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa, kết quả cho thấy độ kiềm tiêu thụ < 7,14 mgCaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa là do trong bể xãy ra đồng thời hai q trình là nitrate hóa và khử nitrate, độ kiềm có sẵn trong nước thải và độ kiềm sinh ra từ quá trình khử nitrate của bể Anoxic và bể bùn hoạt tính hiếu khí tăng trưởng dính bám cố định. Độ kiềm bị tiêu thụ dao động trong khoảng 3.05 – 5.24 CaCO3/mg N–NH4+bị oxy hóa. Theo phương trình tổng hợp q trình chuyển hóa NH4+ thành NO3- là NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O (Metcaf and