Thông số Đơn vị Giai đoạn 1
(NT pha loãng M2) Giai đoạn 2 (NT pha loãng M1) Giai đoạn 3 (NT khơng pha lỗng M0) COD mg/L 82,1±18,6 130,6 ± 11,2 203±10,6 NH4+ -N mg/L 39,7±4,3 80,9 ± 3,8 115,4±3,5 NO2- -N mg/L 3,7 ± 0,7 5,1 ± 2,3 7,6±1,5 NO3- -N mg/L 1,0±0,9 2,8±1,9 3,6±1,0 pH 7,0-7,5 7,0-7,5 7,0-7,5 DO mg/L 2,0-2,5 1,5-2,0 0,8-1,5 Độ kiềm mg CaCO3/l 85±10,5 105±13,5 150±15,5
b. Quy trình pha lỗng nước thải sinh hoạt thực tế cho các giai đoạn của thí nghiệm 2
Để có được nước thải thực tế M0, M1, M2 phục vụ cho 3 giai đoạn nghiên cứu (bảng 3.3), tiến hành lấy mẫu và pha lỗng nước thải sau bể tự hoại theo trình tự sau: - Bước 1: Lấy nước thải từ bể điều hịa nước thải, phân tích các thơng số
(NH4+-N, NO2--N, NO3--N, COD, pH, DO) để xác định được nồng độ các chất trong dung dịch nước thải thật M0 (nước thải khơng pha lỗng).
- Bước 2: Từ mẫu nguyên chất M0 pha loãng M0 thành M1: lấy một thể tích
mẫu M0 và 1 thể tích nước máy (theo tỉ lệ 1:1) hoà với nhau thu được mẫu M1. Tiếp tục lấy 1 thể tích mẫu M1 và 1 thể tích nước máy (theo tỉ lệ 1:1) hoà với nhau thu được mẫu M2.
- Bước 3: Phân tích lại các thơng số chất lượng nước và ghi vào bảng số liệu.
3. Nước thải cho thí nghiệm 3:
a. Thành phần nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau
Trong thí nghiệm 3, để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng các hợp chất hữu cơ đến quá trình Anammox, luận án sử dụng nước thải nhân tạo có các tỉ lệ C/N tăng dần theo từng bước từ 0; 1,0; 2,0; 3,5; 5,0 và 7,0.
80
Bảng 3. 3. Thành phần nước thải nhân tạo sử dụng trong thí nghiệm 3
Thành phần Đơn vị Giá trị (NH4)2SO4 (mgN/L) 20-25 NaNO2 (mgN/L) 20-25 KHCO3 (mg/L) 125.1 KH2PO4 (mg/L) 54.4 FeSO4.7H2O (mg/L) 9.0 EDTA (mg/L) 5.0 COD (Glucose) (mg/L) 0-350
b. Quy trình pha nước thải có tỉ lệ C/N khác nhau trong thí nghiệm 3
Nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N được sử dụng trong các thí nghiệm 3 được tiến hành pha hàng ngày và chứa trong can để bơm vào mơ hình. Quy trình pha nước thải như sau:
- Bước 1: pha dung dịch hoá chất đậm đặc (giống như khi chuẩn bị cho thí
nghiệm 1). Dung dịch đậm đặc được cất giữ trong tủ lạnh (nhiệt độ khoảng 40C) để pha dần.
- Bước 2: Nước thải nhân tạo của thí nghiệm 3 được pha hàng ngày:
+ Lấy một thể tích nước cần dùng trong một ngày vào can từ vòi nước của phịng thí nghiệm
+ Thêm lượng dung dịch hố chất đậm đặc (theo tính tốn) vào thể tích nước trên để có nồng độ tổng nitơ dao động trong khoảng 50 mg/L và khuấy đều.
+ Thêm một lượng glucose (tương ứng với tỉ lệ C/N của từng giai đoạn nghiên cứu) và khuấy đều.
+ Sử dụng khí nitơ để đuổi oxi trong nước, đo nồng độ oxi hoà tan trong nước đến khi DO trong nước dưới 0,5 mg/L thì dừng lại.
81
3.2.4. Lựa chọn và kiểm sốt thơng số vận hành
Trong q trình vận hành thí nghiệm, một số thơng số cần được kiểm sốt như nồng độ oxy hoà tan, nhiệt độ, pH. Bên cạnh đó, thời gian lưu thuỷ lực là thông số cần được khảo sát để xác định được thời gian phù hợp với mơ hình phản ứng tầng cố định sử dụng giá thể mang Felibendy.
Nồng độ oxi hịa tan: DO trong bể nitrit hóa bán phần được kiểm soát ở mức
độ ≈ 2 mg/L (sử dụng máy sục khí) để đảm bảo q trình hiếu khí, tạo điều kiện cho vi khuẩn Nitrosomonas chuyển hóa amoni thành nitrit. Trong khi đó, điều kiện kỵ khí cần được đảm bảo đối với q trình Anammox nên nồng độ oxi hịa tan trong mơ hình AX ln được duy trì ở mức dưới 0,5 mg/L bằng cách sục khí N2 và bình chứa nước thải cần được đậy kín tránh để tránh oxi xâm nhập. Nồng độ oxi hồ tan được kiểm sốt bằng máy đo DO khoảng 4 lần/ngày.
Nhiệt độ: Sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Nitrosomonas và vi khuẩn
Planctomycetes bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ và nhiệt độ tối ưu nhất đối với
chúng thường trong khoảng từ 30-350C. Để giới hạn các yếu tố ảnh hưởng, trong các thí nghiệm của nghiên cứu này, nhiệt độ luôn được giữ ổn định ở mức 33,0 ±1,00C bằng thiết bị ổn nhiệt được đặt trực tiếp vào trong mơ hình phản ứng.
pH: Vi khuẩn Planctomycetes phát triển tối ưu ở khoảng giá trị pH là 6,7-8,3
và vi khuẩn Nitrosomonas thích hợp để tích luỹ nitrit là 7,0-8,5. Do đó, trong nghiên cứu này, pH được duy trì trong các mơ hình phản ứng là 7,0-7,5.
Thời gian lưu thủy lực: HRT trong các giai đoạn nghiên cứu được lựa chọn
đảm bảo cho vi khuẩn có thời gian thích nghi và phát triển trên giá thể mang. Đối với mơ hình nitrit hóa bán phần, nếu HRT dài q thì sẽ chuyển sang q trình nitrat hóa nên HRT trong bể PN chọn từ 18h (giai đoạn đầu) và giảm dần xuống 12h và 9h. Đối với quá trình Anammox, thời gian vi khuẩn thích nghi thường kéo dài nên HRT ban đầu được chọn là 24h, sau đó sẽ được giảm dần xuống 18h, 12h, 9h, 6h.
82
3.3 Trình tự tiến hành nghiên cứu thực nghiệm 3.3.1 Thí nghiệm 1: 3.3.1 Thí nghiệm 1:
1. Nội dung của thí nghiệm 1: tiến hành nghiên cứu quá trình Anammox sử dụng
giá thể mang Felibendy để xử lý nitơ trong nước thải nhân tạo trên mơ hình phản ứng tầng cố định.
Hình 3. 10. Nội dung thí nghiệm 1
2. Trình tự thí nghiệm 1:
+ Thiết lập mơ hình AX sử dụng kỹ thuật phản ứng tầng cố định.
+ Cấy vi khuẩn Planctomycetes lên trên 100g giá thể mang Felibendy kích
thước 10x10x8mm và đặt vào trong mơ hình phản ứng AX. Sử dụng tấm lưới chặn phía trên để giữ các giá thể mang cố định trong mơ hình (chiếm khoảng 70% thể tích mơ hình).
+ Tiến hành pha nước thải nhân tạo có chứa các hợp chất nitơ (theo bảng 3.1). + Vận hành mơ hình thí nghiệm qua 4 giai đoạn (theo bảng 3.4) tương ứng với 4 thời gian lưu thủy lực (giảm từ 24h xuống 18h, 12h và 6h), đồng thời tăng dần nồng độ cơ chất đầu vào (bảng 3.4).
MƠ HÌNH AX (TẦNG CỐ ĐỊNH) + Vật liệu Felibendy (10x10x8mm) Xác định tốc độ loại bỏ cơ chất lớn nhất Đánh giá hiệu quả xử lý của mơ hình Nước thải
nhân tạo
Tăng dần nồng độ cơ chất đầu vào
Giảm dần thời gian lưu thuỷ lực
83
(a) (b)
Hình 3. 11. Hình ảnh thí nghiệm 1: (a). Sơ đồ mơ hình AX; (b) Mơ hình AX khi vận hành thí nghiệm
3. Thơng số vận hành của thí nghiệm 1
Bảng 3.4. Thơng số vận hành của mơ hình trong thí nghiệm 1
Thơng số Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 4
Thời gian (ngày) 42 45 56 48
Từ ngày đến ngày 27/7– 07/9/15 07/9- 23/10/15 23/10- 18/12/15 18/12- 05/02/16 HRT (h) 24 18 12 6
Lưu lượng (L/ngày) 1,62 2,16 3,24 6,48
NH4+-N vào (mgN/L) 10-40 40-60 50-120 80-120 NO2--N vào (mgN/L) 10-40 40-60 50-120 80-120
pH 7,0-7,5
DO < 0,5 mg/L
84
4. Nguyên tắc hoạt động của mơ hình AX
Nước thải nhân tạo được pha trong phịng thí nghiệm và chứa trong thùng kín sau đó được bơm bằng bơm nhu động vào mơ hình từ phía dưới lên trên, đi qua lớp giá thể mang Felibendy đã được cấy vi khuẩn. Vi khuẩn dính bám lên vật liệu sinh học sẽ tạo thành một lớp màng sinh học. Tại đây, các vi sinh vật Planctomycetes bám trên lớp màng sinh học này sử dụng nitrit trong nước thải là chất nhận điện tử, amoni là chất nhường điện tử và tiến hành q trình oxi hố kỵ khí amoni thành khí nitơ. Nước thải sau đó xả ra ngồi qua lỗ tràn ở phía trên của mơ hình. Mơ hình vận hành liên tục với thời gian lưu nước trong mơ hình tương ứng với các giai đoạn là 24h, 18h, 12h và 6h.
3.3.2. Thí nghiệm 2
Thí nghiệm thứ 2 được tiến hành với hệ mơ hình PN/AX để xử lý các hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt thực tế (lấy nguồn từ bể tự hoại của ký túc xá trường Đại học Xây Dựng Hà Nội).
1. Nội dung thí nghiệm 2: tiến hành nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt
bằng q trình nitrit hố bán phần và quá trình Anammox.
Hình 3. 12. Nội dung thí nghiệm 2 MƠ HÌNH NITRIT MƠ HÌNH NITRIT HỐ BÁN PHẦN (PN) MƠ HÌNH TẦNG CỐ ĐỊNH (FBR) Nước thải thực tế
Đánh giá hiệu quả
xử lý của hệ mơ hình PN+FBR Xácđịnh HRT phù hợp với từng mơ hình Xácđịnh phương trình động học phù hợp
Giảm dần thời gian lưu thuỷ lực Tăng dần nồng độ cơ chất đầu vào Mơ hình Anammox (AX) Mơ hình Nitrit hố bán phần (PN)
Giảm dần thời gian lưu thủy lực
Tăng dần nồng độ cơ chất đầu vào
85
2. Trình tự thí nghiệm 2:
+ Thiết lập mơ hình nitrit hóa bán phần (mơ hình PN) sử dụng tấm vật liệu Felibendy kích thước 150 x 250 x 8 (mm) là giá thể cho vi khuẩn Nitrosomonas dính bám.
+ Tiếp tục sử dụng mơ hình Anammox (mơ hình AX) với kỹ thuật phản ứng tầng cố định sử dụng giá thể mang Felibendy dạng hình hộp chữ nhật 10 x 10 x 8 (mm) đã được vận hành trong thí nghiệm 1.
+ Nối tiếp hai mơ hình thí nghiệm: mơ hình PN và mơ hình AX. Hệ mơ hình PN/AX được thể hiện trên hình 3.13 với các trang thiết bị gồm bơm nhu động, thiết bị ổn nhiệt, máy sục khí (cho mơ hình PN) và các can chứa nước thải. Giữa hai mơ hình PN và AX là can nước thải trung gian, chứa nước thải đầu ra của mơ hình PN đồng thời là nước thải đầu vào của mơ hình AX.
+ Vận hành hệ mơ hình thí nghiệm với các thơng số vận hành như trong bảng 3.5 và bảng 3.6, sử dụng nước đầu vào hệ thống là nước thải thực tế có thành phần như trong bảng 3.2.
86
Hình 3. 14. Hình ảnh thí nghiệm 2 (hệ mơ hình PN/AX)
3. Thơng số vận hành của thí nghiệm 2
Mơ hình nitrit hố bán phần và Anammox nối tiếp và tiến hành vận hành mơ hình trong thời gian 210 ngày với 3 giai đoạn nghiên cứu khác nhau về thời gian lưu nước và nồng độ các chất bẩn chứa nitơ trong nước thải được thể hiện trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Thông số vận hành hệ thống PN/AX
Giai
đoạn Từ ngày đến ngày
NH4+-N vào (mg/L) NO2--N vào (mg/L) NO3--N vào (mg/L) HRT (h) PN AX 1a 1/9 – 29/9/17 39,7±4,3 (n=18) 3,7 ± 0,7 (n=18) 1,0±0,9 (n=18) 18 12 1b 29/9-30/10/17 12 9 2a 30/10-29/11/17 80,9 ± 3,8 (n=27) 5,1 ± 2,3 (n=27) 2,8±1,9 (n=27) 12 9 2b 29/11/17-27/12/17 9 6 2c 27/12-26/1/18 9 4,5 3a 26/1-26/2/18 115,4±3,5 (n=18) 7,6±1,5 (n=18) 3,6±1,0 (n=18) 9 6 3b 26/1-28/3/18 9 6
87
Bảng 3.6. Các thơng số kiểm sốt vận hành hệ thống PN/AX
Mơ hình Nhiệt độ (0C) pH DO (mg/L) Vi khuẩn
Mơ hình PN 33±1,0 7,0-7,5 ≈ 2 Nitrosomonas
Mơ hình AX 33±1,0 7,0-7,5 <0,5 Planctomycetes
4. Ngun tắc hoạt động của hệ mơ hình PN/AX
Do nước thải sinh hoạt thực tế có nồng độ nitrit thấp, nên để có được tỉ lệ nitrit/amoni phù hợp với q trình Anammox cần phải bổ sung thêm mơ hình PN (mơ hình nitrit hố bán phần) đặt trước mơ hình AX. Hệ mơ hình PN/AX gồm 2 mơ hình PN và AX nối tiếp nhau, nước thải đầu ra của mơ hình PN là nước thải đầu vào của mơ hình AX. Nước thải thực tế được bơm nhu động bơm từ can chứa vào mơ hình PN. Nước thải qua ngăn phân phối và đi vào ngăn phản ứng (có chứa tấm giá thể mang Felibendy) theo chiều từ dưới lên trên. Khi đó, các vi khuẩn Nitrosomonas dính bám trên vật liệu Felibendy đặt trong mơ hình PN sẽ tiến hành q trình oxi hố các hợp chất amoni trong nước thải thành nitrit. Q trình này nhằm mục đích chuyển hố một phần amoni thành nitrit, tạo tỉ lệ NO2--N/NH4+-N ≈ 1:1 là tiền đề thích hợp cho phản ứng Anammox tiếp theo diễn ra. Nước thải sau khi ra khỏi mơ hình PN tiếp tục được bơm vào mơ hình AX với giá thể mang Felibendy dạng hình hộp chữ nhật 10 10 x 8 (mm) nhờ bơm nhu động. Tại đây, q trình oxi hố kỵ khí amoni sẽ được thực hiện và nitơ trong nước thải sẽ được xử lý. Nước thải sau khi xử lý được tràn ra ngồi qua lỗ tràn.
3.3.3. Thí nghiệm 3
Thí nghiệm 3 sử dụng nước thải nhân tạo có tỉ lệ C/N khác nhau, tăng dần từ 0 đến 7,0.
1. Nội dung thí nghiệm 3: tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu
cơ đến hiệu quả xử lý của q trình Anammox và xác định các thơng số động học của quá trình Anammox tương ứng với từng tỉ lệ C/N khác nhau.
88
Hình 3.15. Nội dung thí nghiệm 3
2. Trình tự thí nghiệm 3:
+ Lắp đặt bộ 3 mơ hình phản ứng tầng cố định có cùng cấu tạo (AX1, AX2, AX3) sử dụng giá thể mang Felibendy đã có sẵn vi khuẩn Planctomycetes từ các thí nghiệm trước.
+ Vận hành bộ mơ hình với các thông số vận hành như bảng 3.7 sử dụng nước thải nhân tạo có thành phần như trong bảng 3.6.
+ Tiến hành thí nghiệm với nước thải nhân tạo khơng có chất hữu cơ (tỉ lệ C/N=0).
+ Nâng dần tỉ lệ C/N trong nước thải từ 0 lên 1,0; 2,0; 3,5; 5,0; 7,0 để đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đến hiệu quả xử lý của quá trình.
+ Sử dụng các số liệu thí nghiệm để xây dựng phương trình động học phản ứng nhằm xác định các thơng số động học của q trình tương ứng với các tỉ lệ C/N khác nhau trong nước thải.
MƠ HÌNH FBR 1(HRT=6h)
Xác định thơng số động học của phương trình Stover Kincannon đối với
các tỉ lệ COD/TN khác nhau
Xác định ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ
đến quá trình Anammox MƠ HÌNH FBR 2 (HRT=9h) MƠ HÌNH FBR 3 (HRT=12h) NT nhân tạo có tỉ lệ COD/TN tăng dần Mơ hình AX1 (HRT = 6h) Mơ hình AX2 (HRT = 9h) Mơ hình AX3 (HRT = 12h) Xác định ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ đến QT Anammox Xác định thông số động học của quá trình Stover Kincannon đối với tỉ lệ
89
Hình 3.16. Sơ đồ mơ hình thí nghiệm 3
90
3. Thơng số vận hành mơ hình
Nghiên cứu được tiến hành trong thời gian 150 ngày với với các thông số vận hành được trình bày trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Thơng số vận hành hệ mơ hình AX1, AX2, AX3 Từ ngày Từ ngày đến ngày 3/9- 21/9/18 21/9- 12/10/18 12/10- 2/11/18 2/11- 23/11/18 23/11- 14/12/18 15/12- 22/12/18 22/12- 05/01/19 05/01- 25/1/19 Tỉ lệ C/N 0 1,0 2,0 3,5 5,5 7,0 0 6,0 COD (mg/L) 0 50±0,4 99,7±0,5 175±0,5 274±0,5 350±0,4 0 299,5±0,6 NH4+ -N (mg/L) 21,6±0,5 21,9±0,3 22,3±0,3 22,2±0,2 22,1±0,3 22,1±0,2 21,9±0,4 22,0±0,3 NO2- -N (mg/L) 23,6±0,2 23,5±0,4 23,4±0,4 23,6±0,3 23,6±0,2 23,4±0,1 23,6±0,2 23,5±0,2 NO3- -N (mg/L) 3,4±0,3 3,3±0,2 3,4±0,2 3,5±0,1 3,5±0,2 3,5±0,1 3,6±0,2 3,5±0,2 Tổng nitơ (mg/L) 48,6±0,7 48,8±0,7 49,1±0,5 49,3±0,4 49,3±0,3 49,0±0,3 49,2±0,5 49,0±0,4 (Độ lệch chuẩn được tính cho n= 10 giá trị)
4. Nguyên tắc hoạt động của 3 mơ hình AX1, AX2, AX3:
3 mơ hình AX1, AX2 và AX3 (có cùng cấu tạo) được lắp song song nhưng được vận hành với thời gian lưu thủy lực khác nhau (6h, 9h và 12h). Trong ba cột AX1, AX2 và AX3 được sử dụng giá thể mang Felibendy dạng khối đã được làm giàu vi khuẩn từ những giai đoạn trước để đảm bảo lượng vi khuẩn ổn định trên giá thể mang. Nước thải nhân tạo được bổ sung thêm glucose để có tỉ lệ C/N khác nhau (tăng dần từ 0 đến 7,0) và được chứa trong can chứa nước thải. Mơ hình AX1, AX2, AX3 được bơm nhu động bơm vào nước thải từ can vào 3 mơ hình. Trong các mơ hình AX1, AX2, AX3 diễn ra quá trình Anammox, nước thải đầu vào và đầu ra được lấy mẫu và phân tích 3 ngày/lần.
91
3.4. Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và xử lý số liệu 3.4.1. Phương pháp lấy mẫu 3.4.1. Phương pháp lấy mẫu
- Nước thải đầu vào và đầu ra của mơ hình thí nghiệm được lấy với tần suất trung bình 2-3 ngày/lần.
- Tại mỗi vị trí lấy mẫu (trước và sau mơ hình), lượng nước thải được lấy với dung tích 100ml vào chai đựng mẫu. Nước thải được lấy tràn thể tích của chai đựng mẫu, đóng chặt nắp (tránh khơng khí xâm nhập) và được bảo quản lạnh trong tủ lạnh của phịng thí nghiệm.
- Mẫu nước thải được phân tích tại phịng thí nghiệm bộ mơn Cấp thốt nước,