3.2.1. Hiệu suất thu hồi Nitơ và Photpho với vận tốc dòng lên khác nhau Khi vận hành mô hình tầng sôi, vận tốc dòng lên là một thông số quan trọng, thông số này quyết định độ ổn định của hạt, từ đó ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất xử lý nitơ và photpho. Thí nghiệm được tiến hành với hai dạng magie khác nhau là MgCl2 và nước ót. Thông số vận hành vận tốc dòng lên trong thí nghiệm được thể hiện trên Bảng 2.6.
Hình 3.10. Hiệu suất loại bỏ a) Photpho và b) Nitơ theo thời gian ở các vận tốc với nguồn magie là hóa chất MgCl2
Từ Hình 3.10b, thấy được rằng hiệu suất xử lý photpho có tăng, tuy nhiên thì không có sự khác biệt đáng kể ở các vận tốc (97,3±0,2%; 98,6±0,1% và 99,5±0,1%
lần lượt ở vận tốc là 0,40; 0,56 và 0,72 m/phút). Ở hầu hết các vận tốc, hiệu suất tăng nhanh ở 1h đầu, sau đó tăng chậm và có dấu hiệu ổn định từ 5h trở đi. Tuy nhiên, ở vận tốc 0,40 m/phút có hiệu suất tăng chậm hơn, cần nhiều thời gian để đạt bão hòa hơn so với các lưu còn lại. Từ đó thấy dược vận tốc dòng lên càng cao thì hiệu suất xử lý photpho càng cao và thời gian cần thiết để hiệu suất ổn định càng ít.
Theo xu hướng như vậy, nitơ giảm nhanh ở khoảng 1h đầu, tăng dần ở các thời gian tiếp theo.Ở vận tốc 0,72 m/phút, hiệu suất đạt cao nhất 75,9±1,4% ở 12h so với các lưu lượng khác, tuy nhiên lại không đạt sự ổn định. Ở vận tốc nhỏ hơn 0,72 m/phút, hiệu suất nitơ giảm xuống lần lượt 64,5±1,6% và 54,6±1,8% ở vận tốc 0,52 m/phút và 0,40 m/phút. Tuy nhiên thì ở hai vận tốc nhỏ hơn 0,72 m/phút, hiệu
61
suất đạt ổn định sau 9h vận hành. Có thể thấy sự xáo trộn mạnh trong bể phản ứng tạo điều kiện cho sự chuyển hóa amoni thành NH3, làm tăng hiệu suất xử lý nitơ và là nguyên nhân cho sự bất ổn định của hiệu suất ở các lưu lượng cao. Nhìn chung, dòng lên ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý đồng thời nitơ và photpho. Ở vận tốc lớn, hiệu quả loại bỏ tăng nhanh và độ xáo trộn là cao hơn, làm thất thoát nitơ. Chính vì vậy, cần giữ mô hình vận hành ở vận tốc dòng lên là trung bình, để tối ưu được cho quá trình loại bỏ mà không gây ô nhiễm. Để có được kết quả lưu lượng tối ưu, tiến hành xem xét giữa hiệu suất cùng với kích thước hạt struvite tạo thành trong quá trình vận hành cột FBR.
Hình 3.11. Hiệu suất loại bỏ a) Photpho và b) Niơ theo thời gian ở các vận tốc với nguồn magie là nước ót
Tương tự như khi sử dụng MgCl2, đối với mô hình sử dụng nguồn magie từ nước ót, hiệu suất xử lý nitơ và photpho tăng khi tăng vận tốc dòng lên. Cùng xu hướng tăng nhanh và ổn định sau một khoảng thời gian. Tuy nhiên, khi sử dụng nước ót, hiệu suất xử lý photpho tăng chậm hơn và ổn định sau 8h (thời gian lâu hơn khi sử dụng MgCl2). Nhưng không có sự khác nhau đáng kể ở hiệu suất đạt được sau cùng, với 96,4±0,9 %; 98,6±0,1%; 99,5±0,1% ở các vận tốc lần lượt là 0,40 m/phút; 0,57 m/phút và 0,72 m/phút).
Dựa vào kết quả thể hiện ở Hình 3.11b, ở vận tốc nhỏ nhất 0,40 m/min, hiệu suất xử lý nitơ là cao hơn so với khi sử dụng MgCl2, chỉ đạt 46,4%. Không có sự khác nhau đáng kể ở hai vận tốc còn lại, như ở vận tốc 0,72 m/phút, hiệu suất đạt 75,9% và 76,3% (lần luợt ở MgCl2 và nước ót) và ở vận tốc 0,57 m/min đạt hiệu sất
62
64,5% và 62,6% (lần luợt ở MgCl2 và nước ót). Nhìn chung, hiệu quả xử lý photpho là tương đương giữa nước ót và MgCl2. Nghiên cứu của Shin và Lee cũng phát hiện ra rằng khả năng loại bỏ photpho là tương đương giữa magie clorua là 97% và nước biển là 95% [99]. Tuy nhiên, nghiên cứu còn chỉ ra rằng có sự khác nhau về độ tinh khiết của sản phẩm tạo thành. Ngoài việc tạo kết tủa struvite, photpho còn kết hợp với canxi tạo canxi photphat. Bên cạnh đó, sự hiện diện của các ion lạ trong nguồn magie là nước ót cũng có thể làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm, vì các ion hóa trị hai bao gồm Mn, Fe, Zn, Cu, Co và Cd có thể thay thế magie và các ion hóa trị một như Kali có thể thay thế amoni trong struvite [100]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của các ion này là không đáng kể, và cũng là các nguyên tố thích hợp cho việc tạo phân bón. Từ đó thấy được việc sử dụng nước ót thay thể cho hóa chất, điều này giúp giảm chi phí mà vẫn duy trì được hiệu suất xử lý nitơ và photpho.
3.2.2. Phân bố kích thước hạt ở các vận tốc dòng lên khác nhau
Hình 3.12. Phân bố kích thước hạt ở các vận tốc a) 0,40 m/phút b) 0,56 m/phút c) 0,72 m/phút
63
Hình 3.12 thể hiện sự phân bố kích thước hạt tạo thành bên trong bể phản ứng ở các vận tốc dòng lên với hai nguồn magie khác nhau. Có thể nhận thấy được, sự ảnh hưởng là đáng kể đối với kích thước hạt. Khi vận hành mô hình với nguồn magie là MgCl2, việc gia tăng vận tốc từ 0,4 m/phút lên 0,56 m/phút đã làm tăng kớch thước hạt trung bỡnh thờm 52 àm. Kớch thước hạt trung bỡnh đạt tối đa 510 àm ở lưu lượng 0,56 m/phỳt với tỷ lệ cỏc hạt >750 àm thu được chiếm 24,8%. Tăng so với 12,3% (tỷ lệ hạt lớn hơn 750 àm) ở lưu lượng 0,40 m/phỳt. Tuy nhiờn khi tiếp tục tăng lưu lượng lờn 0,72 m/phỳt kớch thước hạt trung bỡnh giảm, chỉ đạt 232 àm.
Ở vận tốc này, hạt cú kớch thước nhỏ hơn 150 àm đạt cao nhất với tỷ lệ 34,1%, ngược lại thỡ hạt cú kớch thước lớn hơn 750 àm chỉ đạt 5,6%. Từ đú thấy được, vận tốc ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt tạo thành. Khi tăng vận tốc lớn hơn 0,4m/phút đồng nghĩa với việc tỷ lệ kích thước hạt lớn tăng lên. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng vận tốc cao hơn 0,8m/phút, sẽ gây ra sự xáo trộn mạnh, từ đó giảm tỷ lệ các hạt lớn, tạo thành nhiều hạt mịn và sẽ bị trôi ra khỏi mô hình.
Tiếp đó, khi mô hình sử dụng nguồn magie là nước ót, sự phân bố kích thước hạt là ổn định hơn so với khi vận hành mô hình hóa chất. Ở tỷ lệ hạt lớn hơn 750 àm, sự chờnh lệch giữa cỏc vận tốc là khụng đỏng kể với tỷ lệ lần lượt đạt 10,3%
đối với vận tốc là 0,40 m/phút; 15,0% với vận tốc là 0,56 m/phút và 7,9% với vận tốc là 0,72 m/phút. Từ đó, thấy được việc sử dụng nguồn magie là nước ót giúp ổn định hơn về kích thước hạt tạo thành. Mặc dù có sự chênh lệch, tuy nhiên sự phân bố kích thước hạt giống với thí nghiệm mô hình vận hành với nguồn magie là MgCl2. Tuy nhiên, cùng một thông số vận hành vận tốc nhưng nước ót có kích thước hạt trung bình nhỏ hơn so với nguồn magie hóa chất MgCl2.Liu và cộng sự đã lý giải cho điều này là do khi sử dụng nước ót, số lượng các tinh thể nhỏ tạo thành nhanh hơn đáng kể nên các hạt đồng thời cùng tạo trong một khoảng thời gian nên việc phát triển hạt lên kích thước lớn cần nhiều thời gian hơn [100]. Nghiên cứu của Hartke và cộng sự cũng có kết quả tương tự khi thay nguồn magie bằng nước ót, sự hiện diện của canxi làm giảm hạt trung bình từ 13μm xuống 15μm[59].
Nhìn chung, sự gia tăng vận tốc dòng lên ảnh hưởng đến kích thước hạt tạo thành. Việc gia tăng vận tốc từ 0,40 m/phút lên 0,56 m/phút đã làm tăng kích thước
64
hạt trung bỡnh thờm 52 àm và 44 àm lần lượt ở MgCl2 và nước út . Kớch thước hạt trung bỡnh đạt tối đa 510 àm (MgCl2) và 414 àm (nước út) ở vận tốc 0,56 m/phỳt.
Điều này là do khi lưu lượng càng tăng, tỷ lệ truyền khối giữa chất lỏng và chất rắn cũng tăng lên, từ đó cải thiện sự phát triển của hạt [101]. Một lý do quan trọng khác là sự nhiễu loạn càng tăng, dẫn đến va chạm thường xuyên giữa các tinh thể, từ đó củng cố sự kết tụ tinh thể. Sự kết tụ cho phép các tinh thể nhỏ liên kết với nhau, góp phần rất lớn vào sự phát triển kích thước của hạt [102]. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng vận tốc lờn 0,72 m/phỳt kớch thước hạt trung bỡnh giảm, chỉ đạt 232 àm và 213 àm (sử dụng MgCl2 và nước ót, tương ứng). Ở vận tốc 0,72m/phút này, hạt kích thước nhỏ hơn 150 àm đạt tỷ lệ cao nhất. Đõy là dấu hiệu cho thấy sự hỡnh thành cỏc hạt mịn do vỡ sản phẩm, là kết quả do sự nhiễu loạn lớn bên trong bể phản ứng FBR.
Còn có thể giải thích rằng, ở vận tốc quá cao quá trình tạo mầm sơ cấp diễn ra nhanh và số lượng lớn hạt mịn được tạo thành và va chạm với nhau dẫn đến bị vỡ [73]. Do đó, việc đảm bảo vận tốc bề mặt cao là cần thiết để các hạt được lơ lửng trong cột FBR và thúc đẩy sự phát triển kích thước cũng như hình dạng của hạt. Trong khi đó, cũng cần có giá trị tối đa để đảm bảo có chất lượng hạt tốt nhất và hiệu suất ổn định.
Qua thí nghiệm, có thể xác định vận vận tốc dòng lên tối đã nằm trong khoảng 0,5m/phút đến 0,6 m/phút, tương ứng với vận tốc là 0,6 m/phút.
65
3.2.3. Ảnh hưởng kích thước hạt mầm đối với sự tạo hạt Struvite
Sự hình thành struvite là một quá trình kết tinh hai bước bao gồm là tạo mầm và tăng trưởng sự phát triển tinh thể. Diện tích bề mặt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tạo chất rắn để đẩy nhanh quá trình xử lý và tạo ra chất rắn trong thời gian đầu vận hành mô hình, việc cung cấp một bề mặt để tránh sự thất thoát các hạt mịn trong thời gian đầu là rất cần thiết. Trong nghiên cứu này sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt mầm trong quá trình thu hồi tiến hành thêm 5g hạt mầm với kớch thước trung bỡnh của hai kớch thước là 150-300 àm và 300-500 àm vào mô hình, vận hành liên tục với thời gian lưu chất rắn là 24h ở vận tốc dòng lên là 0,6m/phút.
Hình 3.13. Hiệu suất xử lý ở các kích thước hạt mầm khác nhau a) Nitơ và
b)Photpho ở magie nguồn nước ót, c) Nitơ và d) Photpho ở magie nguồn MgCl2
66
Nhìn vào kết quả thể hiện ở Hình 3.13, hiệu suất xử lý photpho tăng nhanh ngay ở những thời gian đầu, đạt 90,4±0,5% (nước út, kớch thước mầm 300-500 àm) và 94,9±0,8% (MgCl2, kớch thước mầm 300-500 àm) trong 1h đầu tiờn. Sau đú nhanh chóng ổn định và đạt hiệu suất cao ở tất cả các kích thước (99,1±0,8% và 99,3±0,6% lần lượt ở kớch thước mầm 300–500 àm và 150 – 300 àm đối với nước ót) Tương tự vậy, hiệu xuất xử lý nito tăng nhanh hơn so với khi không bổ sung mầm. Khi sử dụng nước út với kớch thước mầm thờm vào là 150 – 300 àm hiệu suất xử lý nitơ ở 1h đầu tăng 6% so với khi không sử dụng mầm. Đồng thời, hiệu suất sau 12h cũng cao hơn, khoảng 5%.
Nhìn chung, so với phương pháp kết tinh không gieo hạt, sử dụng hạt mầm làm tăng tốc độ phản ứng và rút ngắn thời gian ổn đinh, từ đó nâng cao hiệu quả thu hồi photpho và nitơ. Các nghiên cứu khác cũng cho ra kết quả tương tự khi thêm mầm cho quá trình tạo struvite [103]. Nhiều vật liệu mầm khác nhau cũng được nghiên cứu như granite, cát, tuy nhiên khi sử dụng các hạt struvite thì hiệu suất là cao nhất [104]. Muhmood và cộng sự sử dụng hạt mầm là than sinh học, quá trình này cải thiện khả năng thu hồi chất dinh dưỡng lần lượt lên tới 7% và 11% đối với photpho và nitơ, đồng thời tăng kích thước hạt struvite lên 43%, bất kể loại than sinh học [105].
Hình 3.14 So sánh kích thước hạt trung bình ở các kích thước hạt mầm khác nhau
67
Sự tặng trưởng kích thước này cũng được quan sát trong thí nghiệm. Hình 3.14 biểu diễn kích thước hạt ở các điều kiện vận hành khác nhau.
Kích thước hạt mầm cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt sau cùng tạo thành.
Khi hạt được thờm vào cú kớch thước trung bỡnh từ 150 – 300 àm, kớch thước đạt lần lượt 539 àm và 417 àm đối với MgCl2 và nước út . Khi tăng kớch thước hạt lờn 300–500 àm, hiệu suất khụng cao bằng, tuy nhiờn thỡ kớch thước hạt là ổn định và to hơn, đạt lần lượt 542 àm và 500 àm đối với MgCl2 và nước út. So với khi khụng sử dụng hạt mầm, kích thước tăng khoảng 2% so với MgCl2 và tăng 9,1% khi sử dụng nước ót.
Điều này là đúng so với lý thuyết, cho rằng hạt nhân tinh thể sẽ ổn định và chỉ phát triển thành tinh thể khi bán kính của hạt nhân tinh thể lớn hơn bán kính tới hạn và việc bổ sung hạt làm hạt nhân tinh thể sẽ đẩy nhanh sự phát triển của tinh thể bằng cách loại bỏ nhu cầu hình thành hạt nhân tinh thể trong dung dịch. Nhiều ngiên cứu tương tự cũng đã được thực hiện, hạt mầm được thêm vào có cùng thành phần với hợp chất kết tinh giúp tăng độ tinh khiết. Bên cạnh đó, thời gian lưu giữ chất lỏng chỉ trong vài phút nên quá trình này phù hợp để xử lý các dòng chảy lớn [65].
Sự hiện diện của hạt mầm gián tiếp làm tăng tốc độ tạo sản phẩm struvite bằng cách giảm thời gian tạo mầm. [106]. Tuy nhiên, việc vận hành bể phản ứng có sử dụng hạt mầm gây tiêu tốn nhiều năng lượng hơn [105]. Chính vì vậy, để đạt được những tiến bộ trong thiết kế, vận hành tối ưu, cần hiểu biết rõ những hiện tượng cơ bản trong FBR và các mô hình toán học, động lực học liên quan, bên cạnh đó cần kiểm soát và tối ưu hóa ở quy mô toàn diện [66].
3.2.4. Kết quả vận hành mô hình tầng sôi liên tục
Khảo sát mô hình FBR liên tục trong 7 ngày với 12h/ngày với hai nguồn magie khác nhau là MgCl2 và nước ót
+ Tỷ lệ mol Mg/P là 1/1
+ Giá trị pH giao động trong khoảng 9 – 9,15 + Lưu lượng Qt = 0,6 l/phút (v = 0,56 m/phút)
68
Mẫu được lấy và xác định nồng độ nitơ và photpho đầu vào và đầu ra theo từng ngày. Ngoài ra nhóm còn tiến hành kiểm tra giá trị pH đầu ra vào cuối ngày.
Bảng 3.3. Hiệu suất khảo sát vận hành liên tục nguồn nước ót của mô hình tầng sôi FBR
Ngày
Nước ót
PO43- NH4+ pH
Đầu vào (ppm)
Đầu ra (ppm)
Hiệu suất (%)
Đầu vào (ppm)
Đầu ra (ppm)
Hiệu suất (%)
Đầu vào
Đầu ra
1 1031 16,7 98,4 2408 574 76,2 9,16 9,15
2 1028 30,1 97,1 2352 504 78,6 9,07 8,99
3 1136 31,1 97,3 2268 560 75,3 9,15 9,02
4 1098 28,1 97,4 2296 532 76,8 9,16 9,12
5 1054 29,2 97,2 2324 602 74,1 9,04 9,01
6 1072 31,8 97,0 2366 574 75,7 9,12 9,03
7 1079 24,4 97,7 2324 546 76,5 9,10 8,98
69
Bảng 3.4. Hiệu suất khảo sát vận hành liên tục nguồn hóa chất MgCl2 của mô hình tầng sôi FBR
Ngày
Hóa chất MgCl2
PO43- NH4+ pH
Đầu vào (ppm)
Đầu ra (ppm)
Hiệu suất
(%)
Đầu vào (ppm)
Đầu ra (ppm)
Hiệu suất (%)
Đầu vào
Đầu ra
1 1056 12,9 98,8 2394 574 76,0 9,05 9,01
2 1032 11,5 98,9 2366 588 75,1 9,08 9
3 1137 10,9 99,0 2282 560 75,5 9,1 8,98
4 1099 15,1 98,6 2254 532 76,4 8,99 8,93
5 1054 17,8 98,3 2310 574 75,2 9,15 9,02
6 1072 16,1 98,5 2352 574 75,5 9,18 9,11
7 1083 18,3 98,3 2338 546 76,6 9,03 8,9
Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý là không chênh lệch ở từng ngày vận hành khác nhau, điều này cho thấy được hiệu quả xử lý là ổn định khi vận hành mô hình FBR. Bằng cảm quan, từ ngày thứ 3 trở đi, các hạt nhỏ bắt đầu kết cụm và lắng, làm cho phần đầu mô hình trở nên trong hơn. Sự tạo thành các hạt to rõ ràng hơn, quan sát được sự lắng xuống phần dưới cột. Giá trị pH đầu ra có giảm tuy nhiên không nhiều (trung bình từ 9,08 – 8,99).
70
Hình 3.15. Sản phẩm struvite thu được ở mô hình vận hành liên tục a) MgCl2 b) Nước ót
Hình 3.16. Mô hình sau 7 ngày vận hành liên tục với nguồn magie a) MgCl2 b) Nước ót