Cơng suất thiết bị USBF tích hợp sinh học có thể áp dụng cho thiết bị trong nhà, quy mô nhỏ như hộ gia đình đến những thiết bị lớn cho thị trấn và khu công nghiệp. Các ứng dụng ở các nước tiên tiến cho thấy công nghệ USBF có thể áp
dụng trên quy mơ cơng nghiệp trong dây chuyền xử lý nước thải của nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy giết mổ gia súc gia cầm, nhà máy bia, rượu….nước thải sinh hoạt, nhà hàng, khách sạn.
Cơng nghệ USBF có thể áp dụng ở nồng độ bùn cao. Hầu hết các thiết bị
truyền thống được vận hành ở mức nồng độ bùn thấp hoặc trung bình, điển hình ở nồng độ 2500 – 3500 mg/l. Trong khi đó, cơng nghệ USBF có thể vận hành tại nồng
độ cao hơn, thường từ 4000 – 6000 mg/l, do đó tuổi bùn dài hơn và hiệu quả xử lý
62
Chương 2 - NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ AO – USBF để xử lý nước rỉ rác - Nghiên cứu các thông số công nghệ phù hợp với nước rỉ rác của hệ thống
AO -USBF
- Nghiên cứu hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng của nước rỉ rác như: COD, BOD5, NH4+, TN, TP trên mơ hình xử lý bằng cơng nghệ AO - USBF
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Mẫu nước thải nhân tạo là hỗn hợp nước pha với đường là nguồn C, K2HPO4 và KH2PO4 là nguồn P, ure (CO(NH2)2) là nguồn N, ngồi ra cịn một số nguyên tố
vi lượng Fe-cytrat, MgSO4.
Mẫu nước rỉ rác được lấy tại Bãi rác Nam Sơn. Mẫu được lấy trong một ngày làm việc bình thường theo cách lấy mẫu liên tục từ 9h đến 12h và từ 14h đến 16h theo TCVN 6663 - 1: 2011. Mẫu được lấy về trong 4 đợt vào các ngày: Ngày
22/3/2013; Ngày 24/5/2013; Ngày 26/7/2013; Ngày 23/8/2013. Mẫu nước rỉ rác
trước khi chạy trong hệ thống USBF được tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ và
kết tủa nitơ. Phương pháp tiền xử lý như sau: Nước rác thô được xử lý qua keo tụ (keo tụ bằng PAC, lượng PAC là 2500 mg/l, pH = 7). Sau khi cho PAC vào khuấy nhanh với tốc độ 150 vòng/phút. Để lắng 30 phút. Sau khi lắng tách phần nước bên
trên đem đi kết tủa amonia. Kết tủa amonia theo phương pháp MAP, hoá chất sử
dụng là H3PO4.6H2O và MgCl2.6H2O tại pH = 7, tỉ lệ NH4+ : Mg2+ : PO43- là 1: 1: 1. Sau khi cho hoá chất vào, khuấy ở tốc độ 200 vòng/phút, thời gian khuấy 15 phút. Sau 15 phút để lắng, tách phần nước bên trên ra đưa vào hệ thống USBF.
63
2.3. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục đích trên đề tài đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
(i) Nghiên cứu sự thích nghi bùn hoạt tính trong hệ thống USBF với nước thải nhân tạo
(ii) Nghiên cứu khả năng xử lý COD, TN của hệ thống USBF theo tải trọng chất hữu cơ và tải trọng nitơ
(iii) Nghiên cứu sự thích nghi của bùn hoạt tính trong hệ thống USBF đối với
nước rỉ rác
(iv) Nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình xử lý
nước rỉ rác của hệ thống USBF
(iv) Đánh giá hiệu quả xử lý một số chất ô nhiễm trong nước rỉ rác như COD,
BOD5, NH4+, TN, TP của hệ thống USBF
2.3.1. Nghiên cứu sự thích nghi bùn hoạt tính trong hệ thống USBF với nước thải nhân tạo thải nhân tạo
Bùn hoạt tính sau khi hoạt hóa được đưa vào hệ thống cần theo dõi sự thích nghi của bùn với hệ thống và với nước thải nhân tạo. Q trình theo dõi sự thích nghi thơng qua chỉ số thể tích bùn SVI. Khi chỉ số này nằm trong khoảng 80 – 120 ml/g và nồng độ sinh khối trong khoảng 3500 – 4000 mg/l thì bùn được coi là thích nghi với hệ thống và nước thải nhân tạo.
Thời gian thực hiện nội dung này bao gồm cả thời gian hoạt hóa bùn và thích nghi của bùn. Thời gian tiến hành từ tháng 4/2012 – tháng 5/2012.
64
2.3.2. Nghiên cứu khả năng xử lý COD, TN của hệ thống theo tải lượng COD và tải lượng N tải lượng N
Từ kết quả tổng quan cho thấy nước rỉ rác có nồng độ COD, TN là khá cao, khó phù hợp với một hệ thống sinh học. Vì vậy trước khi chạy với nước rỉ rác cần có nghiên cứu xác định tải lượng COD và TN tối đa mà hệ thống có thể xử lý và cho kết quả khả quan.
Nội dung này được thực hiện bằng nước thải nhân tạo. Nước thải được pha
như đã trình bày ở trên.
Thời gian nghiên cứu từ tháng 5/2012 – tháng 12/2012.
2.3.3. Nghiên cứu sự thích nghi của bùn hoạt tính trong hệ thống USBF đối với nước rỉ rác. nước rỉ rác.
Sau khi xác định được tải lượng COD, TN tối đa hệ thống có thể xử lý, tiến
hành chạy với nước rỉ rác. Nước rỉ rác được thực hiện quá trình keo tụ và kết tủa
trước để điều chỉnh về tải lượng COD cho phép. Theo dõi sự thích nghi của bùn
thơng qua chỉ số thể tích bùn SVI.
Thời gian tiến hành: Tháng 3/2013 – tháng 4/2013
2.3.4. Nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình xử lý nước rỉ rác của hệ thống USBF nước rỉ rác của hệ thống USBF
Bước 1. Nghiên cứu thời gian lưu nước tối ưu của hệ thống trong xử lý nước rỉ rác
Sau khi bùn thích nghi, lượng bùn đạt 3500 - 4000mg/l, hệ thống ổn định tiến
hành khảo sát thời gian lưu nước tối ưu bằng cách giảm dần thời gian lưu nước trong
ngăn hiếu khí từ 10h, 8h, 6h, 4h, 2h. Lấy mẫu phân tích COD, TN, TP.
65
Thí nghiệm này được tiến hành bằng cách giữ nguyên thời gian lưu nước tối
ưu và thay đổi lưu lượng tuần hoàn theo các mức tuần hoàn 2,4l/h; 3,6l/h; 4,2l/h;
4,8l/h; 5,4l/h. Lấy mẫu phân tích COD, TN, TP.
Thời gian thực nghiệm được thực hiện từ tháng 4/2013 – tháng 7/2013
2.3.5. Đánh giá hiệu quả xử lý một số chất ô nhiễm trong nước rỉ rác
Duy trì các mức thời gian lưu nước, tỷ lệ bùn tuần hoàn và mật độ sinh khối. Khảo sát hiệu quả xử lý COD, BOD5, NH+4, TN, TP, pH theo thời gian.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp thực nghiệm
Các nghiên cứu được tiến hành thực nghiệm tại phịng thí nghiệm 402 nhà C10, phịng thí nghiệm C5-10 của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường.
Bùn hoạt tính được hoạt hóa trên thiết bị aeroten của Viện Khoa học công nghệ Môi trường tại phòng 402 nhà C10. Khi nồng độ bùn đạt tới 2000 mg/l – 3000 mg/l và SVI khoảng 80-120 ml/g thì cho vào hệ thống để chạy thích nghi và tiếp tục chạy để tăng nồng độ bùn.
Mơ hình USBF được đặt tại phịng thí nghiệm C5-10 được mơ tả như hình
2.1:
Mơ hình có thể tích 73,50 lit gồm có 3 module chính: ngăn thiếu khí
(Anoxic), ngăn hiếu khí (Aerobic)và ngăn lắng lọc bùn sinh học ngược (USBF). Nước thải đầu tiên được đưa vào ngăn phân phối nước (A) và được phân phối đều cho ngăn thiếu khí (B). Tại ngăn thiếu khí nhờ hệ thống vi sinh vật hoạt động trong điều kiện thiếu khí hấp thụ một phần chất ô nhiểm trong nước thải dưới dạng
hợp chất Cacbon và quá trình khử Nitrat. Nước thải sau khi qua ngăn thiếu khí theo khe hở dưới đáy mơ hình giữa ngăn thiếu khí và ngăn USBF được phân phối đều
66
trong bể và được đảo trộn đều với nước thải có trong ngăn nhờ hệ thống sục khí
được bố trí sát dưới đáy của ngăn.
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống USBF
Chú thích: (A) Máng phân phối nước đầu vào; (B) Ngăn thiếu khí (Anoxic);
(C) Ngăn hiếu khí (Aerobic); (D) Ngăn USBF
Hệ thống sục khí ngồi chức năng đảo trộn nước thải cịn có chức năng chính là cung cấp nguồn Oxy cho hệ thống vi sinh vật hiếu khí phát triển. Nhờ có hệ thống vi sinh vật hơ hấp hiếu khí tồn tại dưới dạng bùn hoạt tính hâp thụ các chất ơ nhiễm trong (E) Hệ thống sục khí nước thải để phát triển mà nồng độ ô nhiễm trong
nước thải được giảm xuống đến giới hạn cho phép. Nước thải được lưu tại ngăn này
với thời gian vừa đủ để các vi sinh vật hấp thụ chất ô nhiễm trong nước thải, khi nồng độ ô nhiễm trong nước thải giảm đến giới hạn cho phép nước thải và bùn hoạt tính tự chảy vào ngăn USBF (D).
Nước thải tiếp tục đi qua ngăn USBF theo ngun lý bình thơng nhau qua khe hở giữa vách ngăn của ngăn USBF và chảy ngược lên máng thu nước đặt phía trên ngăn USBF và dẫn nước sau xử lý ra ngoài. Bùn lắng đọng dưới đáy ngăn lắng
67
sẽ được bơm tuần hồn lại ngăn thiếu khí (B), một phần sẽ được thải bỏ qua bơm xả.
Các thiết bị cần thiết khác bao gồm: 1 máy bơm nước thải đầu vào, 1 máy
bơm bùn và 1 máy thổi khí, hệ thống đường ống phân phối nước và sục khí,…
Hệ thống được bố trí tại phịng thí nghiệm để tiện theo dõi và phân tích các chỉ tiêu.
Hình 2.2. Hệ thống USBF được đặt tại phịng thí nghiệm
Các thơng số vận hành hệ thống
+ Bơm nước thải: sử dụng bơm lưu lượng với tốc độ nước tối đa 8,4l/h + Bơm tuần hoàn : sử dụng bơm lưu lượng với tốc độ bơm tối đa là 6 l/h Điều kiện môi trường của các ngăn được duy trì trong bảng 2.1.
68
Bảng 2.1. Điều kiện mơi trường duy trì trong hệ thống USBF
Thơng số Nước vào Anoxic Oxic USBF Nước ra
DO - 0,2 – 0,4 2,0 – 4,0 - -
Nhiệt độ
(toC) 28 ± 0,3 28 ± 0,3 26 ± 0,3 27 ± 0,3 27 ± 0,3
Các bước tiến hành thực nghiệm như sau:
Bước 1: Hoạt hóa bùn
Bước 2: Nghiên cứu sự thích nghi của bùn với nước thải nhân tạo và hệ thống
USBF thông qua chỉ số thể tích bùn
Bước 3: Nghiên cứu dải tải trọng chất hữu cơ và tải trọng nitơ trong nước đầu vào
phù hợp với hệ thống USBF
Bước 4: Theo dõi sự thích nghi của bùn hoạt tính khi xử lý nước rỉ rác (nước rỉ rác đã được keo tụ, kết tủa nitơ).
Bước 5: Nghiên cứu lựa chọn thời gian lưu nước (HRT) trong hệ thống cho hiệu
quả xử lý tốt nhất
Bước 6: Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ tuần hoàn trong hệ thống cho hiệu quả xử lý tốt
nhất
Bước 7: Khảo sát hiệu suất xử lý một số chất như: pH, COD, BOD5, NH4+, TN, TP
của hệ thống.
2.4.2. Phương pháp hồi cứu
Quá trình thực hiện đề tài cần thiết phải có sự tham khảo các tài liệu nghiên cứu trước đó để có cơ sở khoa học và giới hạn phạm vi nghiên cứu, vì vậy, đề tài đã
69
tham khảo các tài liệu liên quan đến nước rỉ rác, cơng nghệ USBF, cơng nghệ bùn hoạt tính…của nhiều tác giả trong và ngoài nước. Các nội dung tham khảo đã được trích dẫn cụ thể nguồn tài liệu trong tài liệu tham khảo.
2.4.3. Phương pháp đo và phân tích
Đo pH: Sử dụng pH kế và đo theo tiêu chuẩn TCVN 6492-2011 (ISO 10523-2008) Đo DO: Sử dụng phương pháp điện cực trên máy đo oxy hòa tan
Xác định SVI: Đo VL và MLSS
Định lượng nhu cầu oxy hóa học (COD): Xác định COD theo phương pháp hồi lưu
đóng với tác nhân oxy hố là bicromat-kali (K2Cr2O7) theo TCVN 6491: 1999
Phân tích nồng độ NH4+ - N: Dử dụng phương pháp trắc quang và thuốc thử
Nessler theo TCVN 6660:2000 (ISO 14911-1988)
Phân tích nồng độ TP: Sử dụng Phương pháp trắc quang với thuốc thủ amoni
Molipdat theo TCVN 6202 : 1996
Phân tích nồng độ TN: Phương pháp chuẩn độ sau khi vô cơ hoá với Selen theo
TCVN 6498 :1999
Nhu cầu ôxy sinh hóa, ở 200C (BOD5): Theo TCVN 6001-1:2008
2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu phân tích được xử lý bằng phần mềm Excel.
2.5. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ nghiên cứu
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; Xơ 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 dịng 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