CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3 Thiết bị và vật liệu nghiên cứu
2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí
. . .1 Kết c ng ên ý h ạt ộng củ thiết bị tích hợp ếm khí - thiế khí - Kết cấu của thiết bị tích hợp yếm - thiếu khí
Thiết bị xử lý liên hợp: yếm khí- thiếu khí là thiết bị hợp khối được chế tạo bằng thuỷ tinh hữu cơ gồm 2 modul Hình 2.2(a) và 2.2(b).
Modul 1: Khoang xử lý yếm khí (dạng UASB) dung tích hoạt động 110 lít, bao gồm hệ thống phân phối nước, thiết bị gia nhiệt và chụp thu biogas.
Modul 2: Khoang lọc thiếu khí được thiết kế gồm 5 ngăn, tổng dung tích chứa 63,25 lít. Mỗi khoang lọc được thiết kế gồm 2 phần: khe chảy tràn (rộng 5mm) giúp phân phối dòng chảy từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc đã được hoạt hóa (chiếm 30%
dung tích).
1. Bể UASB 7. Ống thoát nước sau xử lý 2. Ống cấp nước vào 8. Ống thu biogas
3. Kết cấu phân phối nước 9. Dẫn cảm biến nhiệt
4. Nắp UASB 10. Van xả bùn
5. Ngăn Anoxic (5 ngăn) 11. Chụp thu biogas 6. Giá thể sinh học
Hình 2.2(a) Sơ ồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí
Hình 2.2(b) Mô hình thiết bị tích hợp xử lý yếm khí - thiếu khí trong phòng thí nghiệm
Nước rác trước và sau khi vào ra khỏi thiết bị được xác định các thông số ô nhiễm COD, BOD5, TN, TP, pH.
- Nguyên lý hoạt động
Nước được bơm vào bể phản ứng (có COD trong giải 4000-7200 mg/l) bằng bơm định lượng với lưu lượng 2,0; 2,3; 2,6 lít/giờ. Dòng vào được phân phối đều ở đáy thiết bị qua kết cấu phân phối lỏng (3) tại đây quá trình chuyển hóa yếm khí xảy ra, các chất ô nhiễm có trong nước rác được chuyển hóa tạo biogas. Biogas được thu qua chụp thu (11) và được chuyển vào túi chứa qua ống thu. Nhiệt độ ở thiết bị yếm khí (UASB) được ổn định ở 35-37oC nhờ thiết bị gia nhiệt (12). Nước rác sau xử lý yếm khí được lưu vào bình chứa (nếu xử lý gián đoạn) hoặc tự chảy sang thiết bị thiếu khí (nếu xử lý liên tục) qua kết cấu chảy tràn (h=5mm) nhằm hòa tan oxi từ không khí vào dòng lỏng. Nước được đưa xuống đáy ngăn lọc theo nguyên tắc chảy ngược qua lớp vật liệu lọc được cố định màng vi sinh vật. Ở đây các chất ô nhiễm được chuyển hoá trong điều kiện thiếu khí. Một phần nitơ, phốt pho được hấp phụ trên bề mặt vật liệu lọc tạo nguồn dinh dưỡng ổn định cho vi sinh vật mà không bị cuốn theo dòng ra. Quá trình lọc thiếu khí được thực hiện liên tục từ ngăn 1 đến ngăn 5. Cuối cùng nước sau xử lý được đưa ra ngoài qua ống thoát (7).
2.3.2.2 Phương pháp và ật iệ nghiên cứ . P ương p p ng ên ứ
- Ng ên ứ ử ý ếm k í.
+ Nước rác thu được tại bãi chôn lấp Đá Mài có thành phần ô nhiễm khác nhau tùy thuộc vào thời điểm lấy mẫu. COD sau tách MAP biến động từ 4268 đến 7284mg/l được đưa vào nghiên cứu xử lý. Thời gian lưu của nước được điều chỉnh theo lưu lượng dòng vào. Thời gian xử lý yếm khí thường lớn, vì vậy mục tiêu của nghiên cứu này là tạo điều kiện tối ưu giúp thu hồi biogas với hiệu quả cao. Dòng ra sau yếm khí sẽ được xử lý bằng Modul lọc sinh học thiếu khí.
+ Các thông số nghiên cứu được quan trắc và phân tích là pH, COD, TN, TP, BOD5, CO2, axit tổng, axit bay hơi, lượng biogas thu được… Các phương pháp phân tích theo tiêu chuẩn Việt Nam.
- Ng ên ứ ử ý ế k í.
+ Nước sau khi sử lý yếm khí được đưa vào xử lý thiếu khí bằng bơm định lượng 1,7; 2,3; 4.5 lít/giờ.
+ Nhờ quá trình thiếu khí nitơ và một phần COD, BOD5 trong nước rác được chuyển hóa. Tuy nhiên quá trình này là quá trình cấp khí tự nhiên nên hiệu quả xử lý
COD và BOD5 bị hạn chế. Vì vậy COD dòng ra sau yếm khí được khống chế từ 715 đến 1.050 mg/l, TN từ 136,3 đến 150,4 mg/l.
+ Các thông số được khảo sát: pH; COD; BOD5; DO; TN; TP.
- Vật liệu nghiên cứu
Hiện nay có nhiều loại đệm có hình dạng khác nhau được sản xuất từ nhựa tổng hợp. Tuy nhiên các loại vật liệu này có tỷ trọng nhỏ nên thường nổi trong nước. Các loại vật liệu này có bề mặt nhẵn hạn chế quá trình bám dính tạo màng của vi sinh vật;
màng vi sinh dễ bị bong tróc và cuốn đi theo dòng nước và đặc biệt giá thành cao.
Đệm được sử dụng là xỉ than (được gom từ nhà máy nhiệt điện, lò hơi hoặc lò cấp nhiệt…). Xỉ dùng trong nghiên cứu được lấy từ bãi thải nhà máy Nhiệt điện Cao Ngạn, Thái Nguyên. Xỉ than có khối lượng riêng 516,2 kg/m3, độ rỗng 66%, kích thước trung bình 20-30mm, bề mặt riêng 160 m2/m3. Xỉ than có bề mặt bám dính tốt, rẻ tiền và đặc biệt xỉ than có khả năng hấp phụ N, P để VSV sử dụng lâu dài mà không bị cuốn trôi theo dòng nước (do thời gian lưu nước nhỏ).
+ Vật liệu lọc được đổ trên mặt giá đỡ inox, cách đáy 30mm.
+ Thể tích đệm nghiên cứu ở: 20%; 30%; 40% và 50% dung tích chứa.
+ Dung tích đệm tối ưu ở 30%.
Hình 2.3 Giá thể sinh h c trong bể thiếu khí
- Vi sinh vật sử dụng trong modul yếm khí là canh trường vi sinh vật yếm khí (nhận được từ phòng thí nghiệm Viện khoa học và Công nghệ Môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội).
Bùn yếm khí này đã được sử dụng trong nghiên cứu xử lý yếm khí của một số đề tài nghiên cứu [17]. Đây là canh trường tập trung chứa các vi khuẩn thuộc một số nhóm sau:
+ Vi sinh vật phân giải cơ chất và lên men axit hữu cơ:
• Nhóm vi khuẩn phân giải cellulo, pectin và lên mem axit hữu cơ: Bacteroides
• Nhóm vi khuẩn phân giải tinh bột và lên men axit hữu cơ: Bacterium butylicum; Bacteroides sp; C. acetobutilicum; Lactobaccillus. sp.
• Nhóm vi khuẩn phân giải protein: Proteus vulgaris; B. putrificus ; B.
sperogenes; Clostridium sp ; B. subtilis, Bacilus sp; Pseudomonas sp.
• Nhóm vi khuẩn lên men các axit hữu cơ: Clostridium sp.; Corynebacterium sp, Lactobacilus, B. acetoetilicus
+ Vi khuẩn metan hoá: có các chủng chính: M. formicium; M. vanniellii; M.
voltae; M. cariaci; Methanospirilum...
- Vi sinh vật sử dụng trong modul thiếu khí
Là canh trường vi sinh vật yếm khí được bổ xung thêm 30% bùn hiếu khí. Bùn hiếu khí này đã được phân tích và sử dụng trong nghiên cứu xử lý nước thải giầu nitơ, phốt pho ngành công nghệ thực phẩm do Viện máy và dụng cụ Công nghiệp thực hiện.
Bùn hiếu khí vi khuẩn Pseudomonas ( P. putida; P. stutzeri); Aerobacter aerogenes; B. vinogratski; Nitrosomonas; Nitrobacter....
Hình 2.4 Vi sinh vật trong thiết bị ph n ứng 2.3. . Kh i ộng thiết bị ếm - thiế khí
- K ộng m d ếm k í
Thiết bị được bổ sung 32 lít bùn yếm khí (hàm lượng chất khô: 13,7 g/l). Tiếp theo được điền đầy nước rác sau tách MAP (pH= 8,5; COD: 5.076mg/l; BOD5: 2.417mg/l; TN: 226,2mg/l; TP:32,8 mg/l. Bùn được hoạt hóa trong 96 giờ (đến biogas thoát ra mạnh). Sau 4 ngày nước dòng ra có pH = 7,68; COD: 471mg/l; TN: 72,2mg/l;
TP: 21,8mg/l. Từ ngày thứ 5 thiết bị được tiếp liệu với vận tốc dòng vào: 2,3l/giờ bằng bơm định lượng. Thiết bị được chạy liên tục 5 ngày cho đến khi dòng ra ổn định thì đưa vào nghiên cứu.
- K ộng m d ế k í
Thiết bị gồm 5 ngăn, dung tích thực chứa 63,25 lít. Hoạt hoá thiết bị thiếu khí được thực hiện nhằm: tạo lớp màng vi sinh ổn định trên giá thể. Nước dòng vào khởi động thiết bị thiếu khí có pH = 7,55 - 7,68; COD: 471- 502 mg/l; TN: 72,2 - 82,1mg/l;
TP: 21,8- 24,3mg/l. Nước được đưa vào thiết bị bằng bơm định lượng. Sau 1 ngày toàn bộ 5 ngăn của modul lọc thiếu khí được điền đầy. Thiết bị liên hợp yếm khí -thiếu khí được vận hành không tải trong 3 ngày nhằm tăng tính ổn định.
Đến ngày thứ 4 thiết bị được tiếp liệu với lưu lượng 2,3 lít/giờ và được vận hành liên lục trong 7 ngày. Các vi sinh vật không thích nghi với quá trình thiếu khí tự thoát ra theo dòng thải. Khi nước dòng ra ổn định, thiết bị được đưa vào nghiên cứu.
Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây được lắp ráp bằng kính chịu lực.
+ Kích thước thiết bị: 1.200 x 500 x 700mm.
+ Tổng dung tích 420 lít + Dung tích hoạt động 300 lít
- Vật liệu lọc là sỏi cuội và đá dăm có độ dày 550mm, gồm 3 lớp (hình 2.6)
+ Lớp dưới cùng H = 300 mm là sỏi cuội =30÷40mm, độ rỗng 46%, tỷ trọng: 1450 kg/m3.
+ Lớp thứ 2 là đá dăm H= 200mm, đường kính trung bình 15÷20mm; độ rỗng 50%; tỷ trọng 108kg/m3.
+ Lớp thứ 3 (trên cùng) là sỏi cuội nhỏ H = 50mm; = 5mm; tỷ trọng 1,26 kg/l; độ rỗng 43,5%.