2.4.1. Giới thiệu
Công nghệ Swim bed là công nghệ mới có liên quan tới vật liệu mới: sợi acryl mang sinh khối- hay còn gọi là sợi sinh học-BF (biofringe) đã làm tăng hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước thải. BF cho phép bám dính một lượng lớn sinh khối vào một sợi linh động trên một vị trí cố định. Bằng cách tiếp cận này, sự linh động của sợi được gây ra bởi dòng nước thải tạo ra một chuyển động “Swimming” để làm tăng sự vận chuyển chất dinh dưỡng đến sinh vật dính bám (màng sinh học). Vì vậy, công nghệ Swim-bed kết hợp những ưu điểm giữa giá thể cố định và giá thể tầng sôi, không phụ thuộc vào điều kiện thủy lực để
tránh đóng cặn hoặc nổi lên của giá thể trung gian và không yêu cầu màng che hoặc vách ngăn để ngăn ngừa sự ra ngoài của giá thể.
2.4.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Swim-bed là bể phản ứng gồm 2 ngăn thông với nhau bởi một vách hướng dòng. Không khí được nạp vào sát đáy của một ngăn thông qua máy nén khí để trộn và cung cấp oxy cho nước thải đồng thời tạo dòng chảy lưu thông tuần hoàn trong bể phản ứng. Ngăn được nạp khí sẽ có dòng hướng lên được gọi là ngăn dòng hướng lên. Ngăn còn lại được gắn giá thể bio-fringe sẽ hình thành dòng chảy hướng xuống.
Vật liệu bio-fringe được xoắn lại theo trục thẳng đứng trước khi được gắn vào bể. Những sợi ngang trên vật liệu có thể uốn cong linh hoạt trên sợi trục chính ở nhiều hướng khác nhau trong bể dưới tác dụng của dòng nước hình thành chuyển động bơi của sợi ngang. Chính điều này làm tăng cường hoạt động của sinh khối trên vật liệu. Vì vậy có thể khẳng định bể swim-bed là sự kết hợp những ưu điểm bể phản ứng giá thể cố định (fix-bed) và bể phản ứng tầng sôi (fluidized-bed).
2.4.3. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước
Joseph D.Rouse, 2004 đã nghiên cứu công nghệ Swim-bed sử dụng Bio- fringe làm giá thể bám dính. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao với 80% COD được loại bỏ ở tải trọng thể tích cao đến 12 kg/m3ngày với thời gian lưu nước là 3h, khả năng dính bám là rất tốt với 133g sinh khối/m3giá thể.
Taichi Yamamoto, 2006 nghiên cứu về khả năng xử lý nitrat hóa bán phần của bể phản ứng Swim-bed sử dụng Bio-fringe làm giá thể dính bám vi sinh vật trong quá trình xử lý kỵ khí nước thải chăn nuôi heo. Thành phần nitrat hóa bán phần là tương đối ổn định ở mức tải trọng nitơ 1,9kg/m3ngày mà không có bất kì hoạt động kiểm soát nào, chỉ có một phần nhỏ nitrat được sinh ra trong toàn bộ thời gian hoạt động và tỉ lệ ( N-NO2/ (N-NO2+N-NO3) luôn luôn trên 95%.
Sen Qiao, Yuki 2008 nghiên cứu về quá trình nitrate hóa bán phần của bể swim-bed có bùn kỵ khí thô (SB) và bể swim-bed và có bùn hoạt tính (SBAS), đồng thời so sánh đặc tính bùn của từng bể. Khả năng chuyển đổi ammonium thành nitrate của từng bể tương ứng là 52,3% và 40% đối với tải trọng nitơ là 3kgN/m3ngày, với hiệu quả này chứng minh tiềm năng ứng dụng tốt quá trình annamox để loại bỏ nitơcủa bể SB. Bùn trong bể SB có tính chất tốt hơn so với SBAS.
Yingjun Cheng và Kenji Furukawa nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ Swim-bed dùng Bio-fringe là giá thể sinh học với sự kết hợp của 2 quá trình lơ lững và dính bám, khả năng xử lý chất hữu cơ của bể Swim-bed là rất tốt hiệu quả lên tới 80% với mức tải trọng hữu cơ lên tới 12kgCOD/m3ngày và thời gian lưu nhỏ hơn 3h cùng với khả năng dính bám là rất tốt với 133g sinh khối / m giá thể.
Dõan Thu Hà, 2005 đã nghiên cứu công nghệ swim-bed sử dụng giá thể
sinh học acryl-fiber(bio-fringe) đã được tiến hành để khảo sát hiệu quả loại bỏ ammonium của nó trong xử lý nước ngầm ở Hà Nội. Trong nghiên cứu này sử dụng hai bể phản ứng với số lượng khác nhau của biofringe (sợi đơn và sợi đôi). Hiệu suất loại bỏ ammonium là 95-100% ớ tải trong5the63 tích lên tới 0,22 và 0,48 kg/m3ngày tương ứng với thời gian lưu nước (HRT) ngắn là 3h và 1,3h tương ứng cho các bể sợi đơn và sợi đôi.
Yoshinobu Yamagiwa đã tổng hợp một số nghiên cứu về sự phát triển của
những phương pháp loại bỏ nitơ mới bằng cách sử dụng non-woven và vải lông acrylic làm giá thể dính bám của sinh khối. Các mô hình thí điểm nghiên cứu khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải từ nhà máy sản xuất thuốc nhuộm đã được thực hiện. Quá trình loại bỏ nitơ thông qua quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa sử dụng vải lông như giá thể sinh học thiết lập. Quá trình Anammox, hiện thu hút nhiều sự chú ý như là một hướng mới về việc chuyển nitơ, đã được nghiên cứu để đạt được tỷ lệ loại bỏ nitơ cao hơn.
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU
3.1. VẬT LIỆU3.1.1. Nước thải 3.1.1. Nước thải
Nước thải đầu vào là nước sau bể lắng 1, trước bể sinh học của khu chế biến và kinh doanh thủy hải sản thuộc Trung tâm thương mại Bình Điền.
3.1.2. Mô hình
• Cấu tạo mô hình swim-bed:
Mô hình được làm bằng nhựa gồm 2 ngăn, ngăn dòng hướng lên và ngăn dòng hướng xuống, được đặt song song theo phương thẳng đứng. Tiết diện mỗi khu vực lần lược là 100 × 100 mm và 100 × 25 mm. Chiều cao cột nước trong bể là 630 mm với thể tích chất lỏng tổng cộng là 11 lít. Giữa 2 khu vực thông nhau với chiều cao khoảng 70 mm ở bên dưới và 30 mm ở bên trên.
Nước thải được dẫn vào phía dưới sâu của ngăn updraft, đồng thời khí cũng được thổi vào để xáo trộn và oxy hóa nước thải khi lưu thông trong bể phản ứng.
Chiều dài vật liệu biofringe là 510 mm chứa khoảng 84 nhánh, mỗi nhánh có chiều dài 105mm.
Hình a Hình b
Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm
• Nguyên lý hoạt động:
Mô hình thí nghiệm bao gồm: Bể phản ứng swim-bed, bể lắng và các thiết bị phụ trợ khác
Mô hình thí nghiệm hoạt động liên tục. Nước thải được bơm vào bể phản ứng. Tại bể phản ứng nước thải sẽ được xáo trộn bằng thiết bị thổi khí, với mục đích:
1) Tăng khả năng tiếp xúc của sợi bùn sinh học với nước thải,
2) Cung cấp đủ lượng oxi cần thiết cho vi sinh vật để vi sinh vật oxi hóa chất hữu cơ, tạo thành cacbonic và hơi nước.
3) Tránh hiện tượng đóng cặn dưới đáy bể phản ứng, 4) Giúp các sợi tua sinh học chuyển động trong nước.
Quá trình sinh học xảy ra nhằm: loại bỏ COD và nitrat hóa nước thải. Nước thải sau khi qua bể phản ứng sẽ được dẫn đến bể lắng để tách phần bùn sinh học và phần nước:
1) Phần nước trong sẽ đi ra ngoài.
2) Phần bùn sinh học lắng: một phần được tuần hoàn và một phần được xả bỏ.
3.1.3. Giá thể
Giá thể bio-fringe được cấu tạo bởi các sợi dệt đa hợp ưa ẩm có kết cấu nhám, với nhiều lỗ rỗng trên bề mặt nên dễ dính bám các bông bùn.
Hình 3.2: Giá thể biofringe
Cấu tạo: giá thể này bao gồm một trục chính dài 510mm và những sợi nằm ngang có đường kính khoảng 3mm và dài 105mm. Chúng được xoắn lại khi cố định trong bể sao cho một chu kỳ xoắn có 3 sợi ngang.
Sợi trục chính được làm bằng sợi polyester có độ bền cao, chịu được trọng lượng đến 200kg. Đường may nối các sợi nằm ngang và sợi trục chính có thể chịu được trọng lượng trên 70kg. Các sợi ngang là các sợi được cấu tạo từ ác sợi acrylic với mật độ 18 sợi / sợi ngang.
Vùng kỵ khí Vùng hiếu khí Sợi vật liệu
Hình a. cấu trúc của giá thể Hình b. cấu trúc sợi acrylic
Hình 3.3 Cấu trúc giá thể bio-fringe
Lớp màng vi sinh bám dính trên giá thể biofringe được phân thành hai vùng: bên trong là vùng kị khí, bên ngoài là vùng hiếu khí. Nhờ thế mà quá trình nitrat hóa và quá trình khử nitơ có thể xảy ra đồng thời.
3.1.4. Bùn
Bùn được lấy từ bể sinh học hiếu khí của khu chế biến và kinh doanh
thủy hải sản thuộc Trung tâm thương mại Bình Điền. Trong đó sẽ bao gồm
tập hợp nhiều loại vi sinh vật như: vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm, và một số động vật hạ đẳng. Đây là tác nhân tham gia vào quá trình phân hủy các chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng khác trong nước thải.
3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2.1. Xác định các thông số của bùn và của nước thải đầu vào3.2.1.1. Xác định các thông số của bùn 3.2.1.1. Xác định các thông số của bùn
Xác định SS, MLSS bằng phương pháp trọng lượng
Giấy lọc: Sấy 1050C đến khối lượng không đổi (khoảng 2h), hút ẩm trong 1h, cân – m1
Mẫu: Lấy 5ml (Vs), lọc qua giấy lọc đã sấy ở trên, sấy ở 1050C đến khối lượng không đổi, hút ẩm trong 1h, cân – m2
m2 (g) – m1 (g)
MLSS(mg/l) = --- x 106 Vs (ml)
3.2.1.2 Xác định các thông số đầu vào của nước thải
Bảng 3.1: Các phương pháp phân tích nước thải
STT Thông số Phương pháp
1 pH Máy đo đa chỉ tiêu YSI 556MPS
2 Độ kiềm SMEWW 2320 – B
3 DO Máy đo đa chỉ tiêu YSI 556MPS
4 COD SMEWW 5220 – C 5 BOD5 SMEWW 5210 – B 6 N-NO2 SMEWW 4500 – NO2- - B 7 N-NO3 SMEWW 4500 – NO3- - E 8 TKN SMEWW 4500 – N 9 N-NH3 SMEWW 4500 - NH3 – F 10 TSS SMEWW 4500 - TSS 11 MLVSS Phương pháp trọng lượng
a) Chạy giai đoạn thích nghi
Theo dõi sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật thông qua hiệu quả xử lý chất hữu cơ được đặc trưng bởi thông số COD.
b) Giai đoạn tăng tải trọng
Theo dõi khả năng xử lý của vi sinh vật ở các tải trọng hữu cơ khác nhau, tăng tải từ từ để xác định tải trọng tối đa có thể xử lý đạt hiệu quả cao.
CHƯƠNG 4:
4.1. GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI
Trong giai đoạn này, mô hình được vận hành với nước đầu vào có nồng độ COD tương đối thấp, vào khoảng 200-300 mg/l do đó nước thải sẽ được pha loãng 5-6 lần. Ứng với nồng độ COD như trên thì tải trọng hữu cơ vào khoảng 0.5kg/m3ngày.
Bùn nuôi cấy là bùn được lấy từ bể sinh học của hệ thống xử lý nước thải thuộc trung tâm thương mại Bình Điền. Hàm lượng MLSS được định ở mức 3000 mg/l.
Máy thổi khí được điều chỉnh ở mức lưu lượng khí thổi 8 lít/phút nhằm cung cấp oxy cho quá trình hiếu khí đồng thời tạo dòng chảy hướng lên và xáo trộn bùn.
4.1.1. Hiệu quả xử lý COD
Bảng 4.1 Sự biến thiên của COD COD tải trọng 0,5kg/ m3 ngày Thời gian (ngày) Đầu vào (mg/l) Đầu ra (mg/l) Hiệu suất (%) 1 205 72 64,88 2 236 68 71,19 3 245 66 73,06 4 240 57 76,25 5 263 71 73,00 6 256 85 66,80 7 220 56 74,55 8 260 65 75,00 9 243 58 76,13 10 264 42 84,09 11 254 45 82,28 12 260 40 84,62 13 270 36 86,67 14 246 32 86,99 15 258 29 88,76
Hình 4.1 Đồ thị biến thiên COD và hiệu quả xử lý theo thời gian
Hình 4.1 cho thấy trong giai đoạn thích nghi sau 10 ngày khởi động mô hình đã cho hiệu quả xử lý khá cao, đạt trên 80%.
Trong giai đoạn đầu do vi sinh vật chưa thích nghi với nước thải và điều kiện môi trường nên hiệu quả xử lý chưa cao. Mặt khác, do lượng vi sinh vật dính bám trên giá thể còn rất ít nên việc xử lý chủ yếu dựa vào vi sinh vật hiếu khí lơ lững. Sau 7 ngày vi sinh vật đã thích nghi với điều kiện sống, bắt đầu tăng sinh khối và bám dính trên giá thể, hiệu quả xử lý kết hợp của cả vi sinh vật dính bám và vi sinh lơ lững do đó hiệu quả xử lý tăng dần. Cuối giai đoạn thích nghi hiệu quả xử lý tăng cao trên 80% và dao động ổn định trong khoảng 80-90%.
4.1.2. Hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng
Bảng 4.2 Sự biến thiên các thông số cuối giai đoạn thích nghi Thông số Đơn vị Đầu vào Đầu ra
pH --- 6,75 6,1 COD mg/l 258 29 T-P mg/l 3,8 2,3 T-N mg/l 59 25 N-NH4+ mg/l 50 26 N-NO3- mg/l 0,06 11,22 N-NO2- mg/l 0,05 1,025 Độ kiềm mg/l 112 2 Chỉ tiêu nitơ
Cuối giai đoạn thích nghi giá trị nitơ tổng của dòng ra còn cao cho thấy hiệu quả xử lý nitơ chưa cao, đạt khoảng 37%.
Tuy việc xử lý nitơ không cao nhưng thông số nitơ tổng vẫn giảm và thông qua các chỉ tiêu N-NO3-, N-NO2- , NH4+ cho ta thấy quá trình nitrat hóa và khử nitrat đã xảy ra.
Ở giai đoạn thích nghi T-N giảm một phần do vi sinh vật sử dụng để chuyển hóa thành năng lượng phục vụ cho quá trình sống và tổng hợp tế bào. Một phần bị bay hơi do quá trình sục khí, và quá trình khử nitrat giải phóng nitơ. Chỉ tiêu phospho
Cuối giai đoạn thích nghi quá trình xử lý phospho diễn ra làm cho nồng độ T-P giảm, tuy nhiên chỉ mới giảm nhẹ. Hàm lượng phospho giảm do vi sinh vật sử dụng để tổng hợp tế bào.
Chỉ tiêu pH
pH giảm trong nước đầu ra chứng tỏ quá trình nitrat hóa đang xảy ra trong bể sinh học làm tăng nồng độ ion H+. Vi khuẩn sử dụng nitơ, oxy, CO2 tạo nên những tế bào mới do đó độ kiềm trong bể phản ứng giảm [ Nguyễn Văn Phước, 2007].
4.2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ4.2.1. Hiệu quả xử lý COD 4.2.1. Hiệu quả xử lý COD
Sau giai đoạn thích nghi, tiến hành khảo sát hiệu quả xử lý chất hữu cơ ở các tải trọng khác nhau tăng dần từ 0.5 kgCOD/m3 ngày lên 1 kgCOD/m3 ngày, 1.5 kgCOD/m3 ngày, 2 kgCOD/m3 ngày, 2.5 kgCOD/m3 ngày.
Hiệu quả xử lý chất hữu cơ được đánh giá qua chỉ tiêu COD đầu vào và đầu ra của bể Swim-bed và được kiểm tra hằng ngày.
Mô hình được vận hành với tải trọng hữu cơ tăng từ từ để tránh làm ức chế vi sinh vật.
Hình 4.2: Đồ thị biến thiên COD đầu vào, đầu ra và hiệu suất theo thời gian
Nhận xét:
Bắt đầu vào mỗi giai đoạn tăng tải thì hiệu quả xử lý không cao, do vi sinh vật chưa thích nghi với tải trọng mới, nhưng càng về sau thì hiệu quả xử lý càng tăng và hiệu suất xử lý tương đối ổn định.
Qua đó ta thấy được tính khả thi của việc áp dụng công nghệ swim-bed vào xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao. Hiệu quả xử lý đạt đến 94% ở tải trọng 2,5 kgCOD/m3 ngày.
4.2.2. Hiệu quả xử lý dinh dưỡng 4.2.2.1. Hiệu quả xử lý Nitơ: 4.2.2.1. Hiệu quả xử lý Nitơ:
Hiệu quả xử lý dinh dưỡng được đánh giá thông qua khả năng loại bỏ nitơ và phospho và được theo dõi thông qua các chỉ tiêu T-N, NO3-, NO2-, T-P
Hình 4.4: Đồ thị biến thiên T-N đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý nitơ theo thời gian
Nhận xét:
Giá trị T-N bị tác động mạnh bởi giá trị NO3-, NO2- do quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa. Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý nitơ không cao (dao động trong khoảng 20-50%). Hai quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa là hai quá trình xảy trong điều kiện ngược nhau: hiếu khí - kỵ khí, tự dưỡng - dị dưỡng. Do đó hai quá trình phải được phản ứng trong hai bể riêng biệt để tạo điều kiện