Các hoá chất và thiết bị sau đây được sử dụng trong quá trình nghiên cứu.
+ Thiết bị
Thiết bị vận hành: Hệ thống USBF, máy bơm nước thải, máy bơm tuần hồn, máy nén khí, máy khuấy.
70
Thiết bị phân tích: Máy đo pH Denver Model 225; Bếp đun COD; Tủ điều nhiệt xác định BOD; Buret chuẩn tự động; Thiết bị lọc nước deion; Tủ sấy: Binder -
Đức; Bộ cất nước hai lần: Hamilton – Anh; Cân điện tử 4 số - Đức; Máy khuấy từ -
Trung Quốc; Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (Aanalyst 700 – Perkin Elmer - Mỹ); Vi sóng phá mẫu (Speed Wave – Đức); Máy sắc ký khí với detector ion hóa ngọn lửa (Trace GC - Thermo Finigan – Mỹ)
+ Hóa chất
Hóa chất thí nghiệm: PAA, PAC, MgCl2.6H2O, H3PO4.6H2O
Hóa chất phân tích: Axit sunfuric (H2SO4) chứa AgSO4; Dung dịch H2SO4; Dung dịch NaOH; Feroin; Dung dịch FAS; MgSO4.7H2O; Al2(SO4)3.18H2O và FeSO4.7H2O; K2Cr2O7; HCl, HNO3; KMnO4; Nước cất 2 lần, nước deion
+ Dụng cụ
Dụng cụ thí nghiệm: Xơ đựng nước rỉ rác; Xô đựng nước ra
Dụng cụ phân tích: Cốc thủy tinh loại 100ml, 250ml, 500ml, 1000 ml,...; Pipet loại 2ml, 5ml, 10ml,...; Ống đun COD, ống nghiệm, các loại pipet,... ; Các loại dụng cụ thuỷ tinh khác,...
71
Chương 3- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu sự thích nghi của bùn hoạt tính với nước thải nhân tạo
Bùn hoạt tính được hoạt hóa trong thiết bị aeroten đặt tại phịng thí nghiệm 402 của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Thiết bị hoạt hóa được thể hiện trên hình 3.1.
Hình 3.1. Thiết bị hoạt hóa bùn hoạt tính
Trong thời gian hoạt hóa bùn, hàm lượng các chất dinh dưỡng được pha
tương ứng theo tỷ lệ COD: N: P là 100: 5: 1 để đảm bảo điều kiện tối ưu về dinh dưỡng cho vi sinh vật trong bùn sinh trưởng và phát triển tốt. Bùn ban đầu cho vào nước có màu nhạt sau đậm dần, đến ngày thứ 8 có mầu nâu vàng. Tiếp tục hoạt hóa và theo dõi đến khi chỉ số thể tích bùn SVI ổn định trong khoảng 80 – 120 ml/g và
nồng độ sinh khối trong khoảng 3500 – 4000 mg/l thì cho bùn vào hệ thống USBF
để chạy thích nghi.
Bùn sau khi hoạt hóa được cho vào hệ thống, lúc này nồng độ bùn có sự suy giảm do thể tích mơ hình lớn và thay đổi mơi trường. Tiếp tục chạy thích nghi bùn hoạt tính với hệ thống và nước thải nhân tạo. Sau 1 tuần chạy thích nghi nồng độ
bùn tăng lên, chỉ số lắng của bùn giảm. Chỉ số lắng của bùn và chỉ số thể tích bùn được thể hiện trên hình 3.2 và 3.3.
72
Hình 3.2. Thay đổi thể tích lắng của bùn theo thời gian
73
Chỉ số thể tích bùn giảm dần từ 170 ml/g đến 86 ml/g. Sau thời gian chạy thích nghi chi số thể tích bùn ổn định trong khoảng 86 ml/g đến 107 ml/g. Với chỉ số thể tích như vậy chứng tỏ bùn đã thích nghi được với hệ thống và nước thải nhân tạo, có thể tiếp tục tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
3.2. Nghiên cứu hiệuquả xử lý COD, TN của hệ thống USBF theo tải trọng COD và và tải trọng N dòng vào COD và và tải trọng N dòng vào
Nước rỉ rác có nồng độ chất hữu cơ và nồng độ nitơ rất cao có thể gây ảnh hưởng đến quá trình xử lý của hệ thống. Vì vậy sau khi hoạt hóa bùn và để bùn thích nghi được với hệ thống cần tiến hành khảo sát hiệu quả xử lý COD, TN theo
sự thay đổi của tải trọng COD và tải trọng N nhằm xác định khoảng giá trị nồng độ mà hệ thống có thể xử lý và cho hiệu quả xử lý tốt nhất..
Nghiên cứu này được thực hiện bằng nước thải nhân tạo. Phương pháp pha nước thải đã được chi tiết trong chương 2. Nồng độ COD khảo sát trong khoảng
2034 – 4003 mg/l tương ứng với tải trọng từ 2,75 đến 5,41 kgCOD/m3/ngày. Nồng
độ TN khảo sát trong khoảng 120,07 -350,05 mg/l tương ứng với tải trọng từ 0,16 -
0,47 kgN/m3/ngày.
3.2.1. Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD của hệ thống theo tải trọng chất hữu cơ
Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD bằng hệ thống USBF theo tải trọng
COD được trình bày trong hình 3.4 và phụ lục 1.
Theo dõi sự thay đổi của hiệu suất khi thay đổi thay đổi tải trọng COD trên hình 3.1 cho thấy: Hiệu quả xử lý trong suốt q trình có xu hướng giảm khi tăng dần tải trọng COD. Trong khoảng nồng độ COD từ 2034 – 3086 mg/l tương ứng với tải trọng COD dao động từ 2,75 – 4,00 kgCOD/m3/ngày, hiệu suất xử lý đạt được
dao động trong khoảng 90,75 %- 93,91% và hiệu suất biến động không lớn. Trong
74
khoảng 4,22 – 5,41 kgCOD/m3/ngày thì hiệu xuất xử lý giảm từ 90,75% đến
74,70%, hiệu suất thay đổi lớn.
Hình 3.4. Hiệu xuất xử lý COD theo tải trọng chất hữu cơ
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: hệ thống AO- USBF cho hiệu suất xử lý cao nhất ở khoảng tải trọng 2,75 – 4,00 kgCOD/m3/ngày, tương đương
nồng độ COD trong khoảng 2034 – 3086 mg/l. Khi tải trọng COD trong khoảng 4,17 – 4,39 kgCOD/m3/ngày, tương ứng với nồng độ COD trong khoảng 3086 -
3252 mg/l thì cho hiệu suất xử lý kém hơn dải nồng độ trước, tuy nhiên thay đổi không lớn và ở mức nồng độ này hạn chế được các chi phí ban đầu để đưa nước rỉ rác về nồng độ phù hợp, do vậy lựa chọn dải COD trong khoảng này để tiếp tục khảo sát nồng độ TN phù hợp.
3.2.2. Nghiên cứu hiệu quả xử lý TN theo tải trọng N
Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý TN theo tải trọng nitơ được trình bày trong hình 3.2 và phụ lục 1.
75
Xem xét diễn biến hiệu suất xử lý TN theo tải trọng N trên hình 3.2 nhận thấy: hiệu suất xử lý thay đổi nhẹ không theo quy luật nhất định, tuy nhiên trong cả quá trình khảo sát dải tải trọng nitơ từ 0,16 – 0,47 kgN/m3/ngày thì hiệu suất xử lý
nitơ đi theo một xu hướng giảm; đặc biệt giảm mạnh ở dải tải trọng 0,38 -0,47
kgN/m3/ngày. Trong khoảng tải trọng 0,16 -0,28 kgN/m3/ngày, hiệu xuất xử lý nitơ
dao động từ 47,57 -55,31%, khoảng tải trọng 0,31 -0,36 kgN/m3/ngày hiệu xuất xử lý nitơ dao động từ 42,26 -48,88% và khoảng tải trọng 0,38-0,47 kgN/m3/ngày có hiệu suất xử lý nitơ dao động trong khoảng 25,65 – 38,91%.
Hiệu suất xử lý nitơ ở khoảng nồng độ từ tải trọng 0,38-0,47 kgN/m3/ngày cho hiệu quả thấp rõ rệt. Hiệu suất xử lý ở tải trọng 0,16 -0,28 kgN/m3/ngày cao hơn nhưng không nhiều so với mức tải trọng 0,31 -0,36 kgN/m3/ngày. Vì vậy để
hạn chế chi phí tiền xử lý, lựa chọn khoảng tải trọng nitơ từ 0,31 -0,36
kgN/m3/ngày để xử lý tiếp tục nước rỉ rác bằng hệ thống sinh học AO - USBF.
Hình 3.5. Hiệu quả xử lý TN theo tải trọng N
76
Quá trình khảo sát hiệu quả xử lý của hệ thống USBF theo tải trọng COD và
tải trọng N đã lựa chọn ra được khoảng nồng độ COD và TN phù hợp để xử lý đảm bảo được đầu vào cho hệ thống ổn định và có hiệu suất xử lý cao. Tải trọng COD
trong khoảng 4,17 – 4,39 kgCOD/m3/ngày, tương ứng nồng độ COD trong khoảng
3086 -3252 mg/l và tải trọng N trong khoảng 0,31 -0,36 kgN/m3/ngày tương ứng
nồng độ TN là 175,7 – 255,7 mg/l.
3.3. Kết quả nghiên cứu sự thích nghi và đặc tính bùn hoạt tính với nước rỉ rác
Bùn hoạt tính sau khi chuyển hệ thống từ nước thải nhân tạo sang nước rỉ rác có sự thay đổi màu sắc rõ rệt. Bùn chuyển từ màu vàng hơi nâu dần sang màu nâu sậm. Qua các lần đo, thể tích lắng của bùn hoạt tính trong hê thống AO - USBF
không thay đổi nhiều so với thể tích bùn lắng và chỉ số thể tích khảo sát tại thời điểm chạy thích nghi của hệ thống với nước thải nhân tạo.
Ở giai đoạn đầu khi mới đưa bùn vào và chạy với nước rỉ rác đã được xử lý sơ bộ (keo tụ và kết tủa nitơ để đưa về dải nồng độ phù hợp như đã nghiên cứu ở
trên, bùn có tốc độ lắng chậm, chỉ số thể tích bùn cao hơn mức tối ưu (80 – 120
ml/g). Điều này có thể lý giải do khi chuyển sang chạy với nước rỉ rác, bùn chưa thích nghi được với nước rỉ rác, cần có thời gian để thích nghi. Tuy nhiên sau thời
gian tiếp tục chạy hệ thống, chỉ số thể tích bùn giảm dần đến 90 ml/g. Với chỉ số thể
tích bùn như vậy cho thấy bùn đã thích nghi với nước rỉ rác và mơ hình. Q trình thích nghi được thể hiện trên hình 3.6 và 3.7.
77
Hình 3.6. Thể tích bùn lắng theo thời gian
78
Sau thời gian thích nghi bùn duy trì được sinh khối ở mức 3500 – 4000 mg/l. Trong suốt quá trình thí nghiệm bùn ổn định và giữ được chỉ số lắng tối ưu trong khoảng 80-120 ml/g.
3.3. Nghiên cứu hiệu quả xử lý của mơ hình theo thời gian lưu nước (HRT)
Sau khi bùn thích nghi được với hệ thống, duy trì nồng độ bùn trong hệ
thống ở mức 4000 mg/l. Thời gian lưu nước xác định theo bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thời gian lưu nước được sử dụng để khảo sát
Thời gian lưu nước
trong ngăn oxic (giờ) 4 6 8 10 12 15 20
Thời gian lưu nước
trong hệ thống (ngày) 0,46 0,56 0,74 0,93 1,11 1,39 1,86
DO trong ngăn oxic luôn dao động trong khoảng 2,0 – 4,0 mg/l; trong ngăn
anoxic DO ln duy trì đảm bảo mơi trường thiếu khí từ 0,2 mg/l đến 0,4 mg/l.
Ngoài ra sự thay đổi nồng độ DO có thể là do sự dao động của nhiệt độ môi trường.
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD theo thời gian lưu nước (HRT)
Thời gian lưu nước liên quan trực tiếp đến tải lượng COD đi vào hệ thống vì vậy ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý của hệ thống. Thời gian lưu nước cao thì tải trọng COD đi vào hệ thống thấp và ngược lại. Nếu tải trọng quá nhỏ thì lượng chất hữu cơ cung cấp cho vi sinh vật khơng đủ để thực hiện q trình xử lý dẫn tới hiệu suất xử lý không cao. Nếu tải trọng quá lớn thì lượng chất hữu cơ sẽ vượt xa khả
năng đồng hóa của vi sinh vật tham gia quá trình xử lý cũng làm cho hiệu suất xử
79
Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD theo thời gian lưu nước trong hệ thống
được trình bày trong bảng 3.3. và hình 3.5.
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD theo thời gian lưu nước
Thời gian lưu nước (h) Tải trọng COD (Kg COD/ m3/h) COD vào (mgO2/l)
Ngăn Anoxic Ngăn Oxic Ngăn USBF Hiệu suất Tổng (%) COD (mgO2/l) Hiệu suất (%) COD (mgO2/l) Hiệu suất (%) COD (mgO2/l) Hiệu suất (%) 4 0,79 3172 1775 44,04 949 46,54 578 39,09 81,78 6 0,51 3035 1702 43,92 873 48,71 527 39,63 82,64 8 0,38 3012 1789 40,60 884 50,59 484 45,25 83,93 10 0,32 3223 1930 40,12 737 61,81 428 41,93 86,72 12 0,27 3200 1947 39,16 735 62,25 513 30,20 83,97 15 0,20 3040 2012 33,82 746 62,92 493 33,91 83,78 20 0,16 3156 2175 31,08 842 61,29 523 37,89 83,43
80
Kết quả khảo sát cho thấy: hiệu quả xử lý COD có sự biến động lớn tại các mức thời gian lưu nước khác nhau. Hiệu quả tăng dần khi tăng mức thời gian lưu
nước từ 3 giờ đến 8 giờ, nhưng lại giảm dần từ 8 giờ đến 20 giờ. Điều này cho thấy
mức thời gian lưu nước 8 giờ là phù hợp để xử lý nước rỉ rác trong hệ thống AO - USBF.
Hình 3.9. Hiệu quả xử lý COD theo tải trọng dịng vào
Như đã phân tích ở trên, thời gian lưu nước ảnh hưởng đến tải trọng COD đi
vào hệ thống. Ở thí nghiệm này xem xét đến hiệu quả xử lý của hệ thống theo tải trọng COD để xác định tải trọng COD phù hợp cho hệ thống. Hiệu quả xử lý COD theo tải trọng thể hiện trong hình 3.9.
So sánh hiệu suất xử lý COD theo tải trọng COD đầu vào cho thấy: hiệu quả xử lý COD có xu hướng tăng dần từ 81,78 – 86,72% khi giảm dần tải trọng COD
đầu vào từ 0,79 – 0,32 kgCOD/m3/h. Xu hướng là đối ngược khi tiếp tục giảm tải
trọng COD từ 0,32 – 0,16 kgCOD/m3/h. Điều này cho thấy mức tải trọng phù hợp
81
Tiếp tục xem xét hiệu quả xử lý COD trong từng ngăn của hệ thống tại thời
gian lưu nước khác nhau cho thấy hiệu quả xử lý COD ở 3 ngăn là tương đối đều. Tuy nhiên, ngăn oxic vẫn chiếm ưu thế xử lý cao hơn, theo sau là ngăn thiếu
khí và cuối cùng là ngăn USBF. Ngăn USBF mặc dù hiệu quả xử lý là thấp hơn các
ngăn còn lại ở tất cả các thời gian lưu nước nhưng vẫn có hiệu quả xử lý đáng kể.
Hiệu quả xử lý cao nhất của ngăn này đạt tới 41,93%. Thực tế ngăn USBF ít diễn ra q trình phân hủy chất hữu cơ hơn, mà chủ yếu thực hiện vai trò lọc và một phần vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ để tồn tại. Mặt khác chất hữu cơ đi tới ngăn này chủ yếu là chất hữu cơ khó phân hủy nên khả năng xử lý sẽ thấp hơn. Hiệu quả xử lý
COD theo HRT qua các ngăn của hệ thống được thể hiện trong hình 3.10.
Hình 3.10 cho thấy ở ngăn Anoxic khi tăng dần thời gian lưu nước từ 8h đến 20h thì hiệu quả xử lý COD giảm dần. Trong khoảng 4h đến 10h hiệu quả xử lý
tương đối như nhau sự biến động không lớn. Đi theo một xu hướng đối lập, hiệu
quả xử lý của ngăn oxic lại tăng khi tăng dần thời gian lưu nước. Hiệu quả xử lý COD có sự chênh lệch khơng đáng kể với khoảng thời gian lưu từ 8h đến 20h. Hiệu quả xử lý tại ngăn USBF có sự khác biệt lớn ở các mức thời gian lưu khác nhau trong đó mức 6h có hiệu quả xử lý tốt nhất.
82
3.3.2. Khảo sát hiệu quả xử lý nitơ theo thời gian lưu nước
Kết quả cho thấy hàm lượng nitơ tổng có sự biến đổi trước và sau xử lý tuy nhiên hiệu quả xử lý không cao, dao động trong khoảng 32,39 – 47,17%. Hiệu quả xử lý tổng nitơ đạt cao nhất ở thời gian lưu nước 8h với hiệu suất 47,17%. Kết quả
phân tích được thể hiện trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý TN theo thời gian lưu nước
Thời gian lưu
nước (h) Tải trọng nitơ (KgN/m3/h)
TN (mgN/l)
TNvào TNra Hiệu suất xử lý
(%) 4 0,06 237,21 148,33 37,48 6 0,04 253,34 165,21 34,70 8 0,03 241,25 132,45 45,11 10 0,02 245,76 129,87 47,17 12 0,02 228,92 137,28 40,06 15 0,02 255,33 172,64 32,39 20 0,01 243,46 163,52 32,83 Hình 3.11. So sánh kết quả xử lý TN theo HRT
83
Kết quả phân tích cho thấy hiệu quả xử lý TN dao động từ 32,39 – 47,17%.
Sự thay đổi hiệu suất xử lý được thể hiện trên hình 3.11.
Hình 3.11 cho thấy nồng độ TN giảm đáng kể sau xử lý bằng hệ thống USBF. Nồng độ TN trong nước rỉ rác sau kết tủa còn tương đối cao vì vậy hiệu quả xử lý vẫn chưa đạt được QCVN 25:2009/BTNMT cột B2. Tuy nhiên đã giảm đáng