CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.5. Ảnh hưởng của các điều kiện vận hành mô hình hệ thống đến hiệu quả xử lý
3.5.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tuần hoàn nước đến hiệu quả xử lý nitrat 101 3.6. Đánh giá chung quá trình vận hành của mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm
Nước thải sau quá trình nitrat hóa, amoni chuyển sang dạng nitrat. Nitrat chưa phải là sản phẩm bền vững và còn gây ô nhiễm môi trường. Do đó, nitrat được tuần hoàn về bể thiếu khí để khử nitrat về sản phẩm bền vững là khí N. Quá trình khử nitrat xảy ra theo trình tự:
NO3- → NO2- → NO (khí) → N2O (khí) → N2 (khí)
Tỷ lệ dòng tuần hoàn tăng, đồng nghĩa với lượng nitrat được hình thành từ quá trình oxy ôxy hóa amoni trong bể hiếu khí được đưa về bể thiếu khí càng lớn.
Lượng nitrat được xử lý càng lớn thì nitrat đầu ra của hệ thống càng thấp và sẽ đáp ứng được tiêu chuẩn xả thải.
Khác với dòng tuần hoàn trong các hệ thống BHT truyền thống là tuần hoàn hỗn hợp bùn và nước, trong nghiên cứumô hình này, dòng tuần hoàn chỉ có mỗilà dòng tuần hoàn nước. Với lưu lượng nước thải đầu vào 45 L/ngày, khảo sát các tỷ lệ dòng tuần hoàn nước từ sau bể hiếu khí về thiếu khí ở mức 200, 300 và 400%.
Lưu lượng vào các bể khi vận hành hệ thống với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau được thể hiện trong Bảng 3.8 .
Bảng 3.8. Lưu lượng vào các bể với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau Tỷ lệ
tuần hoàn (%)
Bể yếm khí (L/ngày)
Dòng tuần hoàn
thiếu khí (L/ngày)
Bể thiếu khí (L/ngày)
Dòng tuần hoàn
hiếu khí (L/ngày)
Bể hiếu khí (L/ngày)
Lưu lượng ra (L/ngày)
200 45 90 135 105 240 45
300 45 135 180 60 240 45
400 45 180 225 15 240 45
Khi thay đổi tỷ lệ tuần hoàn nước trong nội bộ hệ thống đồng nghĩa với tổng lưu lượng dòng vào của từng bể cũng sẽ có sự thay đổi. Cụ thể:
Khi tỷ lệ dòng tuần hoàn là 300%, nghĩa là tuần hoàn về 3Q. Tổng lưu lượng dòng vào bể thiếu khí lúc này sẽ tăng lên so với khi tuần hoàn 200%, nghĩa
là thành 4Q, tương đương với 45 x 4 = 180 L/ngày. Do lượng nước tuần hoàn về bể thiếu khí lớn nên lượng nước từ bể đệm về bể hiếu khí giảm xuống chỉ còn:
240 – 180 = 60 L/ngày.
Tương tự cách tính như trên đối với các tỷ lệ tuần hoàn nước được khảo sát.
Thời gian lưu nước trong các bể khi vận hành hệ thống với các tỷ lệ tuần hoàn khác nhau được thể hiện trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Thời gian lưu nước trong các bể và toàn hệ với các tỷ lệ tuần hoàn nước khác nhau
Tỷ lệ tuần hoàn Thời gian lưu nước (ngày)
Bể yếm khí Bể thiếu khí Bể hiếu khí
200 0,89 0,22 0,46
300 0,89 0,17 0,46
400 0,89 0,13 0,46
Với lưu lượng đầu vào hệ thống 45 L/ngày, tại bể yếm khí, thời gian lưu nước sẽ là: t = V/Q = 40 / 45 = 0,89 ngày.
Tại bể thiếu khí, tổng lưu lượng dòng vào (4Q) nên thời gian lưu nước là:
t = V /Q = 30 / 180 = 0,17 ngày.
Tại bể hiếu khí, tổng lưu lượng vào bể hiếu khí là 240 L/ngày, thì thời gian lưu nước tại bể hiếu khí là: t = V / Q = 110 / 240 = 0,46 ngày.
Tương tự cách tính thời gian lưu nước như trên đối với các tỷ lệ dòng tuần hoàn nước được khảo sát.
Kết quả diễn biến amoni và nitrat khi thay đổi các tỷ lệ dòng tuần hoàn được thể hiện trên Hình 3.1514.
Quan sát các kết quả nghiên cứu thu được, thể hiện trên đồ thị Hình 3.15 nhận thấy, quá trình chuyển hóa amoni xảy ra gần như hoàn toàn, hiệu suất trên 95%, do đó hầu hết amoni đã chuyển sang dạng nitrat. Khi hệ thống vận hành với tỷ lệ dòng tuần hoàn 200% từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 9, nồng độ nitrat đầu ra
102
còn khoảng 112 – 133 mg/L. Khi tăng tỷ lệ tuần hoàn lên 300%, từ ngày thứ 10 đến 18, hiệu suất xử lý nitrat tăng lên, giá trị nitrat đầu ra giảm xuống chỉ còn 16,1 – 28,5 mg/L, thấp hơn rất nhiều so với khi tỷ lệ tuần hoàn là 200% và đáp ứng tiêu chuẩn xả thải. Tiếp tục tăng tỷ lệ tuần hoàn lên đến 400%, nitrat đầu ra chỉ còn khoảng 4,5 – 15,8 mg/L.
Hình 3.1514. Diễn biến NH4+-N và NO3- -N với các tỷ lệ dòng tuần hoàn nước khác nhau
Quan sát các kết quả nghiên cứu thu được, thể hiện trên đồ thị Hình 3.14 nhận thấy, quá trình chuyển hóa amoni xảy ra gần như hoàn toàn, hiệu suất trên 95%, do đó hầu hết amoni đã chuyển sang dạng nitrat. Khi hệ thống vận hành với tỷ lệ dòng tuần hoàn 200% từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 9, nồng độ nitrat đầu ra còn khoảng 112 – 133 mg/L. Khi tăng tỷ lệ dòng tuần hoàn lên 300%, từ ngày thứ 10 đến 18, hiệu suất xử lý nitrat tăng lên, giá trị nitrat đầu ra giảm xuống chỉ còn 16,1 – 28,5 mg/L, thấp hơn rất nhiều so với khi tỷ lệ tuần hoàn là 200% và đáp ứng tiêu chuẩn xả thải. Tiếp tục tăng tỷ lệ dòng tuần hoàn lên đến 400%, nitrat đầu ra chỉ còn khoảng 4,5 – 15,8 mg/L.
Quan sát các kết quả nghiên cứu thu được, thể hiện trên đồ thị Hình 3.15 nhận thấy, quá trình chuyển hóa amoni xảy ra gần như hoàn toàn, hiệu suất trên
95%, do đó hầu hết amoni đã chuyển sang dạng nitrat. Khi hệ thống vận hành với tỷ lệ dòng tuần hoàn 200% từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 9, nồng độ nitrat đầu ra còn khoảng 112 – 133 mg/L. Khi tăng tỷ lệ tuần hoàn lên 300%, từ ngày thứ 10 đến 18, hiệu suất xử lý nitrat tăng lên, giá trị nitrat đầu ra giảm xuống chỉ còn 16,1 – 28,5 mg/L, thấp hơn rất nhiều so với khi tỷ lệ tuần hoàn là 200% và đáp ứng tiêu chuẩn xả thải. Tiếp tục tăng tỷ lệ tuần hoàn lên đến 400%, nitrat đầu ra chỉ còn khoảng 4,5 – 15,8 mg/L.
Trong mô hình hệ thống nghiên cứu, quá trình khử nitrat diễn ra thuận lợi do sử dụng nguồn nước thải chăn nuôi giàu cơ chất, tỷ lệ COD/N > 5. VSV khử nitrat thuộc nhóm Denitrifier và chúng sẽ sử dụng nguồn cơ chất được cung cấp để khử nitrat và xây dựng tế bào.
Với việc sử dụng nguồn chất hữu cơ từ nguồn nước thải (có công thức chung là C18H19O9N) thì quá trình khử nitrat xảy ra theo phương trình (Lê Văn Cát, 2007):
70
1 C18H19O9N + 5
1NO3- + 5 1H+ →
10 1 N2 +
70
17 CO2 + 70
1 HCO3-+ 70
1 NH4++ 5
1H2O (3.4)
Song song với quá trình khử nitrat, quá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lượng cần thiết cho phản ứng hóa học. Tính toán cho thấy để khử 1g nitrat cần 2,86 g chất hữu cơ tính theo COD và thu được 4,35g HCO3- khi nguồn nitơ để tổng hợp tế bào là nitrat hoặc 3,7g HCO3- khi nguồn N tổng hợp tế bào là amoni.
Mặt khác, để đánh giá hiệu quả khử nitrat của VSV trong bể thiếu khí (TK) với các tỷ lệ dòng tuần hoàn khác nhau, ta có:
H (%) = x 100% , (3.5)
trong đó: NO3- vào bể thiếu khí là lượng nitrat được tuần hoàn từ bể hiếu khí về bể thiếu khí;
104
NO3- ra bể thiếu khí là lượng nitrat đầu ra của bể thiếu khí.
Hiệu quả khử nitrat với các tỷ lệ dòng tuần hoàn khác nhau được thể hiện trên Hình 3.1615.
Hình 3.1615. Hiệu suất khử NO3- -N với các tỷ lệ dòng tuần hoàn khác nhau Khi tỷ lệ dòng tuần hoàn tăng, đồng nghĩa với nitrat đầu vào bể thiếu khí bị pha loãng càng lớn, tức nồng độ nitrat đầu vào bể thiếu khí càng thấp. Do đó, tỷ lệ dòng tuần hoàn cao không hoàn toàn đồng nghĩa với hiệu quả khử nitrat trong bể thiếu khí cao. Thật vậy, qua số liệu kết quả thể hiện trên Hình 3.16 15 nhận thấy, khi hệ vận hành với tỷ lệ tuần hoàn 200%, hiệu suất khử nitrat chỉ đạt 53 – 61,84%. Khi tăng tỷ lệ tuần hoàn lên 300%, hiệu suất khử nitrat tăng lên và đạt 62,5 – 78,41%. Tuy nhiên, khi vận hành hệ thống với tỷ lệ tuần hoàn 400%, mặc dù nồng độ nitrat đầu ra rất thấp 4,5 – 15,8 mg/L, nhưng hiệu suất khử nitrat giảm so với tỷ lệ tuần hoàn 300%, chỉ đạt 60,33 – 77,78%.
Trong nghiên cứu, hiệu suất khử nitrat đạt được khi hệ vận hành với điều kiện tỷ lệ tuần hoàn 300% là 62,5 – 78,41%. Kết quả này phù hợp với lý thuyết và khá tương đồng so với các nghiên cứu khác như của nhóm Shin (2005) và Kim (2008). Vể mặt lý thuyết, với tỷ lệ tuần hoàn 300%, hiệu suất loại bỏ nitơ phải đạt 75% với nước thải chứa đầy đủ hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy (Shin và ncs, 2005). Trong nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sử dụng hệ
MBR kết hợp bể nitrat hóa của Kim (2008) cũng đã nghiên cứu các tỷ lệ dòng tuần hoàn từ 100% - 500%. Kết quả với tỷ lệ tuần hoàn 100, 300 và 500% tương ứng hiệu suất loại bỏ nitrat đạt 73 – 78%; 80 – 92%; và 75 – 85% (Kim và ncs, 2008). Kết quả với tỷ lệ tuần hoàn 500%, hiệu suất khử nitrat giảm so với tỷ lệ tuần hoàn 300%. Hiệu suất loại bỏ nitrat khi tỷ lệ tuần hoàn 300% và 400% trong nghiên cứu cũng tương tự.
Hiệu quả xử lý nitrat của hệ thống phụ thuộc vào tỷ lệ dòng tuần hoàn. Khi tỷ lệ dòng tuần hoàn quá lớn, hiệu quả khử nitrat không cao, bên cạnh đó còn gây lãng phí về năng lượng. Trong nghiên cứu này, khi hệ vận hành với điều kiện tỷ lệ dòng tuần hoàn 300%, nồng độ nitrat trong nước thải đầu ra đã giảm xuống dưới 30 mg/L, đáp ứng được tiêu chuẩn xả thải loại B theo QCVN 01- 79:2011/BNNPTNT đối với chỉ tiêu N. Do đó, tỷ lệ dòng tuần hoàn được lựa chọn ở mức 300% khi vận hành hệ thống.
3.6. Đánh giá chung quá trình vận hành của mô hình hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng quy mô phòng thí nghiệm
Dựa vào các số liệu thực nghiệm thu được khi vận hành mô hình hệ thống với các chế độ khác nhau, rút ra chế độ vận hành tối ưu của mô hình hệ thống như sau:
Lưu lượng đầu vào 45 L/ngày; Tỷ lệ dòng tuần hoàn nước 300%; sục khí liên tục với cường độ sục khí 0,0675 – 0,075 L/cm2/phút, nồng độ BHT trong bể hiếu khí tích hợpchứa màng lọc duy trì khoảng 9000 mg/L.
Sơ đồ hoạt động của mô hình hệ thống sinh học kết hợp lọc màng được thể hiện trên Hình 3.17165.
106
Hình 3.17165. Sơ đồ khối mô hình hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn quy mô phòng thí nghiệm