4. Ý nghĩa của đề tài
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tƣợng nƣớc thải đƣợc chọn là nƣớc thải từ hộ chăn nuôi lợn quy mô nhỏ. Nƣớc thải chăn nuôi lợn đã đƣợc xử lý qua hầm Biogas.
Nƣớc thải lấy tại 1 hộ gia đình chăn nuôi nhỏ lẻ, ở Gia Lâm (Hà Nội). Hộ gia đình chăn nuôi khoảng 20 con lợn, rửa chuồng 3 lần/ngày, vào mùa hè rửa 4 lần/ngày. Lƣợng nƣớc dùng khoảng 1,5 – 2 m3/ngày, có một bể Biogas với thể tích 7 m3, có một bể chảy tràn 1,5 m3. Nƣớc thải chăn nuôi lợn có chứa chất hữu cơ cao, hàm lƣợng amoni cao và chất rắn lơ lửng tƣơng đối cao.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
Hiệu suất xử lý COD, N trong nƣớc thải chăn nuôi lợn sau quá trình xử lý yếm khí bằng phƣơng pháp SBR và ảnh hƣởng của các chế độ thí nghiệm đến hiệu quả xử lý nƣớc thải.
2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
2.2.1. Thời gian nghiên cứu
Thời gian nghiên cứu từ tháng 11/2010 đến tháng 8 năm 2012.
2.2.2. Địa điểm nghiên cứu
Địa điểm nghiên cứu: Vị trí thí nghiệm đƣợc đặt tại Viện Công Nghệ Môi trƣờng - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa điểm phân tích mẫu: Phòng Công nghệ nƣớc và xử lý nƣớc thải – Viện Công nghệ Môi trƣờng - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.3. Nội dung nghiên cứu
Đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính sau đây: - Đặc trƣng nƣớc thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí
- Sự thay đổi của các thông số vận hành trong chu trình xử lý và các chế độ thí nghiệm
- Ảnh hƣởng của tỷ lệ COD/N đến hiệu quả xử lý nƣớc thải của quá trình SBR
- Ảnh hƣởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý nƣớc thải của quá trình SBR
- Ảnh hƣởng của chế độ cấp nƣớc thải đến hiệu quả xử lý nƣớc thải của quá trình SBR
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài đã kết hợp các phƣơng pháp nghiên cứu khảo sát thực địa, xây dựng mô hình thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm và phƣơng pháp phân tích các thông số để đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý.
2.4.1. Phương pháp khảo sát hiện trường
- Khảo sát để tìm mẫu nƣớc thải phù hợp với mục đích nghiên cứu. - Lấy mẫu và phân tích các thông số cần thiết.
2.4.2. Xây dựng mô hình thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm: Hệ SBR quy mô phòng thí nghiệm, cải tiến thiết bị AS Tester ASS-20PS, Nhật Bản.
Thí nghiệm thực hiện trên hệ thiết bị đƣợc nhƣ ở Hình 2.1. Hệ thiết bị đƣợc làm bằng nhựa PVC, chiều rộng là 350 mm, chiều cao 620 mm với thể tích hữu ích là 20 lít khí đƣợc phân phối từ dƣới đáy bể SBR với tốc độ 10 L/phút. Bơm nƣớc thải, bơm nƣớc sau xử lý, sục khí, mô tơ khuấy trộn đƣợc điều khiển tự động. Các thông số pH, ORP, DO đƣợc hiển thị trên bảng điều khiển và đƣợc lƣu trên máy tính.
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thiết bị thí nghiệm SBR
Hệ thí nghiệm đƣợc khởi động trong khoảng hơn 1 tháng, với điều kiện duy trì nồng độ bùn MLSS trong khoảng 3000 – 3500 mg/l, pH của nƣớc thải không điều chỉnh, DO trong khoảng 4 – 6 mg/l (trong lúc đang sục khí). Trong giai đoạn đầu khởi động, chế độ thí nghiệm 6 giờ/1 chu trình (thời gian sục khí 3 giờ, thời gian lắng và xả 2 giờ, 1 giờ bơm nƣớc vào), lƣu lƣợng 5 l/1 chu trình. Tuy nhiên, với thời gian lƣu ngắn (01 ngày) hiệu suất xử lý đạt thấp, COD trong khoảng 80%, N-NH4+ chỉ đạt khoảng 50%, T-N chỉ đạt khoảng 10 – 15%. Với hiệu suất xử lý thấp, đặc biệt là hiệu suất xử lý N-NH4+ còn thấp chứng tỏ thời gian sục khí không đủ để thực hiện quá trình nitrat hóa. Sau đó chuyển sang chế độ thí nghiệm 12 giờ/1 chu trình, thời gian sục khí 8 giờ, 4 giờ lắng, bơm nƣớc thải vào, ra, hiệu suất xử lý có tăng thêm, đặc biệt là hiệu suất xử lý N-NH4+ đạt khoảng trên 80%. Khi kết quả ổn định thì bắt đầu lấy quả.
Chi tiết hệ thiết bị thí nghiệm đƣợc thể hiện trong bảng 2.1.
pH DO ORP Máy tính Máy thổi khí Lƣu lƣợng khí Thùng đựng nƣớc thải Bơm nƣớc thải Máy khuấy Bơm nƣớc ra Thùng chứa nƣớc sạch
Bảng 2.1: Chi tiết thiết bị thí nghiệm
STT Thiết bị Số lƣợng
1 Bể SBR 01
2 Bể chứa nƣớc thải đầu vào 01
3 Bộ điều khiển bằng điện (rơ le, máy tính, đồng hồ…) 1 bộ 4 Máy bơm định lƣợng, máy bơm bùn (nƣớc thải vào,
nƣớc thải ra) 2 chiếc
5 Máy bơm khí 1 chiếc
6 Đầu đo DO 01
7 Đầu đo pH 01
8 Đầu đo ORP 01
Nƣớc thải đầu vào đƣợc bơm vào bể phản ứng từ bể chứa nƣớc thải qua bơm định lƣợng. Lƣợng nƣớc đƣợc bơm vào tùy thuộc vào tốc độ và thời gian đã cài đặt cho bơm định lƣợng, thƣờng thì lƣợng nƣớc bơm vào sẽ trùng với thể tích từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất của phao nổi (đã đƣợc đặt sẵn). Trong quá trình bơm vào ta có thể kèm với chế độ khuấy để khuấy trộn đều nƣớc thải với bùn. Tiếp tục là quá trình sục khí với thời gian và khoảng nồng độ DO đã đặt trƣớc. Sau pha sục khí là pha lắng và bơm ra. Lƣợng nƣớc bơm ra tùy thuộc vào lƣợng nƣớc bơm vào và điểm đặt cho phao nổi (điểm cao nhất và điểm thấp nhất). Mọi chỉ tiêu nhƣ nhiệt độ, pH, DO, ORP đều đƣợc đo tự động bằng máy và hiện thông số lên màn hình điều khiển và đƣợc nối với máy tính.
2.4.3. Các chế độ thí nghiệm
2.4.3.1. Các chế độ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả hoạt động của hệ thống SBR
Chế độ thí nghiệm đƣợc thể hiện trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các chế độ vận hành
Thời gian (giờ)
Chế độ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Khởi động A O S D Chế độ 1 (CĐ 1) A O S D Chế độ 2 (CĐ 2) A O S D Chế độ 3 (CĐ3) A O A O S D Trong đó: A: Không sục khí; O: sục khí; S: Lắng; D: Xả
Chế độ 1 (CĐ 1): Chế độ sục khí gián đoạn 1 chu trình, sục khí 8 giờ, lắng 2 giờ, xả 1 giờ, khuấy trộn 2 giờ (bắt đầu cùng lúc bơm vào). Lƣu lƣợng xử lý 5 lít/mẻ, bơm vào 1 giờ - 5 lít, thời gian 12 giờ/mẻ.
Chế độ 2 (CĐ 2): Chế độ sục khí gián đoạn 1 chu trình thực hiện xử lý 5 lít/mẻ, bơm vào 1 giờ, khuấy trộn 3 giờ, sục khí 6 giờ, lắng 1 giờ, xả 1 giờ.
Chế độ 3 (CĐ 3): Là chế độ sục khí gián đoạn 2 chu trình hiếu khí - thiếu khí, bơm vào 1 giờ, khuấy trộn 1 giờ (bắt đầu cùng lúc bơm vào), sục khí 3 giờ, lắng 2 giờ, khuấy trộn 1 giờ, sục khí tiếp 3 giờ, lắng 1 giờ và xả 1 giờ. Lƣu lƣợng 5lít/mẻ.
2.4.3.2. Các chế độ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải đến hiệu quả hoạt động của hệ thống SBR
Trong các chế độ thí nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của chế độ sục khí đến hiệu quả hoạt động của hệ thống SBR, chế độ cấp nƣớc thải là cấp 1 lần.
Do vậy, trong thí nghiệm này, chế độ cấp nƣớc thải 2 lần ở các tỷ lệ cấp nƣớc khác nhau giữa lần 1 và lần 2 đƣợc lựa chọn.
Bảng 2.3: Các chế độ cấp nƣớc thải cho hệ thống SBR
Chế độ 1:1 (CĐ 1:1): Cấp nƣớc hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 1:1 (Lƣu lƣợng Q1=2,5 L/30 phút, Q2= 2,5 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ).
Chế độ 2:1 (CĐ 2:1): Cấp nƣớc hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 2:1 (Lƣu lƣợng Q1= 3,33 L/30 phút, Q2= 1,67 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ).
Chế độ 3:1 (CĐ 3:1): Cấp nƣớc hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 3:1 (Lƣu lƣợng Q1= 3,75 L/30 phút, Q2= 1,25 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ).
2.4.4. Phương pháp phân tích
+ Phân tích COD: Xác định theo phƣơng pháp Kalibicromat, phản ứng đƣợc thực hiện trên thiết bị phản ứng Thermoreactor TR 320 (Merck, Đức).
+ Phân tích Amoni: Xác định bằng phƣơng pháp Phenat (Theo standard Method 1995), so màu trên máy UV-2450 (Shimazu, Nhật Bản).
+ Phân tích Nitrat: Đƣợc xác định bằng phƣơng pháp so màu với Natri Salixylat (Theo TCVN 4562-88), so màu trên máy UV-2450 (Shimazu, Nhật Bản).
+ Phân tích Nitrit: Đƣợc xác định bằng phƣơng pháp so màu. + Phân tích tổng N: Trên máy TOC-N (Shimazu, Nhật Bản).
2.4.5. Phương pháp tính toán - Tính tải lƣợng COD, T-N: Dòng vào Trộn Sục khí Lắng Dòng ra
Phƣơng thức vận hành Giờ Thời gian biểu
Sục khí có giới hạn
LCOD = CCODvào (mg/L) * Qvào (L/ngày) / (V * 1000)
LT-N = CT-Nvào (mg/L) * Qvào (L/ngày) / (V * 1000)
Trong đó: Qvào = Q (L/mẻ) * 2 (mẻ/ngày) - Tính hiệu suất xử lý: COD, NH4
+
, T-N: H = (Cvào- Cra)*100/Cvào
- Tính thời gian lƣu: T = V / Qvào
- Tính tỷ lệ C/N = CCODvào/CT-Nvào - Tính chỉ số SVI = MLSS/SV30 Trong đó:
SVI: Chỉ số thể tích bùn - thể tích 1g bùn chiếm chỗ ở trạng thái lắng MLSS: Chất rắn trong hỗn hợp chất lỏng - rắn huyền phù (mg/L) SV30: Thể tích bùn lắng trong 30 phút (ml/L)
LCOD, LT-N: Tải lƣợng COD, N (kg/m3
/ ngày) T: Thời gian lƣu nƣớc thải (ngày)
V: Thể tích nƣớc trong bể phản ứng SBR (20L) Q: Lƣu lƣợng (5 L/mẻ)
H: Hiệu suất xử lý ( %)
Cvào: Nồng độ COD, NH4+ hoặc T-N đầu vào (mg/L). Cra: Nồng độ COD, NH4+ hoặc T-N đầu ra (mg/L). 1000: hệ số quy đổi
2.4.6. Phương pháp thu thập, xử lý số liệu
Số liệu phân tích thu đƣợc đƣợc xử lý bằng phần mềm Xcel, sau đó đối chiếu so sánh với nhau và với tiêu chuẩn, qui chuẩn Việt Nam
Chƣơng 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc trƣng nƣớc thải thí nghiệm
Đặc trƣng của nƣớc thải trong nghiên cứu đƣợc thể hiện trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Đặc trƣng nƣớc thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí STT Thông số Đơn vị Hàm lƣợng 1 pH - 6,8 – 7,4 2 COD mg/l 700 - 1100 3 N-NH4+ mg/l 210 - 470 4 N-NO3- mg/l 0,5 – 4,4 5 Tổng N mg/l 150 - 460 6 Tổng P mg/l 5,7- 11 7 TSS mg/l 1500 - 3000
Nƣớc thải sau xử lý kị khí vẫn còn chứa nồng độ chất hữu cơ và nitơ cao, nhƣng tỉ lệ COD/T-N thấp.
3.2. Sự thay đổi của các thông số vận hành trong chu trình xử lý và các chế độ thí nghiệm chế độ thí nghiệm
3.2.1. Sự thay đổi của nồng độ oxy hòa tan (DO), pH và khả năng khử oxy hóa (ORP)
* Nồng độ oxy hòa tan (Dissilved Oxygen - DO):
DO là một thông số rất quan trọng để thực hiện quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Theo Toya (1970) chỉ ra rằng nếu duy trì DO trong khoảng 3-4 mg/L thì hiệu quả của quá trình nitrat có thể đạt đƣợc 90% hoặc nhiều hơn nữa.
Trong các chế độ thí nghiệm, DO đƣợc duy trì trong khoảng 2 - 6 mg/L lúc sục khí. DO cao, NO3-
sinh ra nhiều, DO thấp, NO2- cao.
Tƣơng tự vậy, ORP cũng là một thông số rất quan trọng trong từng giai đoạn của hệ thống SBR, các giai đoạn khác nhau nhƣ yếm khí, thiếu khí, hiếu khí đƣợc phân biệt khá rõ ràng bởi các giá trị ORP khác nhau. Những điều này đƣợc miêu tả rất rõ ràng bởi nhiều tác giả (Peddie et al., 1988; Nakanishi et al., 1990; Wareham et al., 1993, 1994, Ra et al., 2000, v.v).
* pH:
pH là một thông số rất quan trọng trong quá trình xử lý đặc biệt là xử lý nitơ, bởi vì vi khuẩn nitrat hóa và khử nitrat hoạt động tốt ở giá trị pH phù hợp với chúng. Đối với vi khuẩn Nitrosomonas pH thích hợp là 8,0 – 8,5 và đối với vi khuẩn Nitrobacteria là 6,5 – 8,3. Sự thay đổi pH không những ảnh hƣởng đến vi khuẩn nitrat, nitrit mà còn ảnh hƣởng đến việc khử T-N. Khi giá trị pH tăng nhiều hơn 9 thì hiệu suất khử nitrat giảm, Delwiche (1956) chỉ ra rằng giá trị pH tốt nhất là lớn hơn 7,3, khi pH < 7,3 sinh ra nhiều N2O. Trong nghiên cứu này pH trong khoảng 7,5 – 8, là rất thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitrat, nitrit.
Hình 3.1 và 3.2 thể hiện sự biến động DO, pH, ORP (Oxidation Reduction Protenial of a liquid – Khả năng khử oxy hóa – ORP) trong 1 chu trình xử lý và trong chế độ thí nghiệm 2 và 3. Ở chế độ 2 và 3, do thiết bị thí nghiệm đƣợc nối với một máy tính có khả năng tự động ghi lại các thông số và đƣợc thể hiện trên đồ thị. Các thông số này đều đƣợc lấy theo giá trị trung bình của các ngày thí nghiệm.
Hình 3.1. Sự biến đổi của DO, pH, ORP theo thời gian trong 1 chu trình tại chế độ thí nghiệm 2 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Thời gian hoạt động (giờ)
O RP (mv ) 0 2 4 6 8 10 pH (-) D O mg /l it er) OPR pH DO
Chế độ thí nghiệm 2 (CĐ 2): là thí nghiệm thực hiện với thời gian 12 giờ/mẻ, sục khí 6 giờ, 1 chu trình hiếu khí - thiếu khí.
Hình 3.2. Sự biến đổi của DO, pH, ORP theo thời gian trong 1 chu trình tại chế độ thí nghiệm 3
Trong đó, chế độ thí nghiệm 3 (CĐ 3): 12 giờ/mẻ, sục khí 6 giờ, 2 chu trình hiếu khí - thiếu khí
Ở chế độ một chu kỳ hiếu khí, thiếu khí trong một chu trình (chế độ 2, Hình 3.1), giai đoạn đầu không sục khí nên DO hầu nhƣ bằng 0 đến giờ thứ 4 của chu trình bắt đầu sục khí nên DO tăng dần và tăng ở mức không đổi ở giờ thứ 9 (sau 5 giờ sục khí), đến giờ thứ 10 là giai đoạn lắng và xả, DO bắt đầu giảm đến cuối của giai đoạn thì DO gần nhƣ bằng 0. pH của cả chu trình hầu nhƣ không thay đổi nhiều, ở giai đoạn sục khí (từ giờ thứ 4 đến giờ thứ 10) pH hơi giảm nhẹ so với giai đoạn thiếu khí. ORP cũng tƣơng tự nhƣ DO, ở 4 giờ đầu không sục khí nên ORP mang giá trị âm, giảm dần từ giờ đầu tiên đến giờ thứ 4 sau đó đến giai đoạn sục khí ORP lại tăng dần đến giờ thứ 10 là giai đoạn lắng và xả ORP lại giảm dần, lúc đầu của giai đoạn thiếu khí giảm rất nhanh. Ở chế độ hai chu kỳ hiếu khí thiếu khí trong một chu trình (chế độ 3,
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Thời gian (giờ)
O R P ( m V ) 0 2 4 6 8 p H ( -) D O ( m g/ L ) OPR pH DO
Hình 3.2), cũng giống nhƣ chế độ 2, pH hầu nhƣ không thay đổi chỉ giảm nhẹ ở giai đoạn sục khí (từ giờ thứ 1 đến giờ thứ 4 và giờ thứ 7 đến giờ thứ 10). Các thông số DO, ORP cũng thay đổi theo chu kỳ sục khí.
3.2.2. Sự thay đổi của các thông số vận hành khác
Ngoài sự thay đổi của nồng độ oxy hòa tan DO, pH hay khả năng khử oxy hóa ORP trong chu trình xử lý của hệ thống SBR, một số thông số khác cũng có sự biến đổi nhất định trong chu trình xử lý nhƣ nhiệt độ, nồng độ bùn hoạt tính.
* Nhiệt độ:
Hình 3.3 thể hiện sự biến động về nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm:
Trong đó:
Chế độ 1 (CĐ 1): 12 giờ/mẻ, sục khí 8 giờ, 1 chu trình hiếu khí - thiếu khí; Chế độ 2 (CĐ 2): 12 giờ/mẻ, sục khí 6 giờ, 1 chu trình hiếu khí - thiếu khí; Chế độ 3 (CĐ 3): 12 giờ/mẻ, sục khí 6 giờ, 2 chu trình hiếu khí - thiếu khí.
Hình 3.3: Nhiệt độ trong các chế độ thí nghiệm
0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80
Thời gian, ngày
N hi ệt đ ộ, oC Nhiệt độ