Nước thải sử dụng trong quá trình nghiên cứu là nước thải lấy tại bể cân bằng sau bể xử lý keo tụ tạo bông (xử lý sơ cấp) của hệ thống xử lý nước thải của Công ty giấy Giấy Bãi Bằng – Thị trấn Phong Châu – Huyện Phù Ninh – Tỉnh Phú Thọ.
2.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Luận văn này tập trung vào “nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý của các bể hiếu
khí bằng cách điều chỉnh dinh dưỡng thích hợp cho vi khuẩn đối với hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Giấy Bãi Bằng” sau khi đã qua xử lý hóa lý (keo tụ tạo bông,
điều chỉnh pH, nhiệt độ) cụ thể là nghiên cứu các thống số dinh dưỡng để vận hành thích hợp hệ thống xử lý vi sinh thay thế dinh dưỡng N, P truyền thống, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí hóa chất xử lý.
Nội dung nghiên cứu trong luận văn tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng như hàm lượng amoni, photphat, hàm lượng các nguyên tố vi lượng, chỉ số thể tích bùn, đánh giá hiệu quả xử lý khác nhau khi bổ sung các nguyên tố vi lượng và không bổ sung các nguyên tố vi lượng.
Ảnh hưởng các nguyên tố vi lượng tới hiệu quả xử lý COD trong quá trình xử lý nước thải giấy bằng phương pháp vi sinh hiếu khí cũng là một mục tiêu quan tâm của luận văn này. Đây cũng là cơ sở để nâng cao hiệu suất xử lý COD của hệ thống xử lý nước thải hiện tại. Những kết quả nghiên cứu là cơ sở để thiết kế, tính toán bổ sung hàm lượng các nguyên tố vi lượng vi lượng thay vì bổ sung chất dinh dưỡng (ure và axit photphoric) thông thường.
59
Kỹ thuật xử lý nước thải giấy bằng phương pháp sinh học nói chung, sinh học hiếu khí nói riêng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng quyết định nhất chính là các vi sinh vật thực hiện nhiệm vụ phân giải, xử lý các thành phần ô nhiễm. Những thông tin chính xác về đặc tính sinh trưởng, phát triển của các vi sinh vật đặc biệt cần thiết. Một trong những mục tiêu của luận văn này là xác định nhu cầu của các chất vi lượng cần thiết đến sự phát triển của vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải giấy.
2.3. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị chính sử dụng cho nghiên cứu
2.3.1. Hóa chất
Bảng 2.1. Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu
STT Hóa chất Mục đích sử dụng Ghi
chú
1 Axit sunfuric, H2SO4 Xác định COD TKPT1
2 Axit sunfủic, H2SO4 Điều chỉnh môi trường HCCN
2
3 Xút, NaOH Pha dung dịch xecnhet, nessler để
xác định NH4+ TKPT
4 Xút, NaOH Điều chỉnh môi trường HCCN
5 Bạc sunfat, Ag2SO4 Xác định COD TKPT
6 Kalidicromat,K2Cr2O7 Xác định COD TKPT
7 Thủy ngân (II) sunfat, HgSO4 Xác định COD TKPT
8 Kali natri tactrac, KNaC2H4O6.4H2O
Pha dung dịch xecnhet xác định
NH4+ TKPT
1
TKPT: Tinh khiết phân tích
60
9 Kali iotdua, KI Pha dung dịch nessler xác định
NH4+ TKPT
10 Thủy ngân (II) iotdua, HgI2 Pha dung dịch nessler xác định
NH4+ TKPT
11 Ure, (NH2)2CO, 46% ure Bổ sung dinh dưỡng nitơ HCCN 12 Axit photphoric, H3PO4 Bổ sung dinh dưỡng photpho HCCN 13 Phân vi lượng (phân bón tổng
hợp) N:P:K=20:20:20 Bổ sung dinh dưỡng vi lượng HCCN
14 Silicagen Sử dụng trong bình hút ẩm, đựng
hóa chất và trong cân phân tích. HCCN 15 Chất phá bọt, Amidefoam AD – 5902 Phá bọt trong bể thí nghiệm Aeroten HCCN 16 Amonimolipdat, (NH4)6Mo7O24.4H2O
Pha dung dịch vanadate
molipdate xác định PO43- TKPT
17 Vanadate, NH4VO3 Pha dung dịch vanadate
molipdate xác định PO43- TKPT 18 Axit clohydric, HCl Pha dung dịch vanadate
molipdate xác định PO43- TKPT 19 Than hoạt tính, C Loại màu nước thải xác định
PO43- TKPT
2.3.2. Dụng cụ và thiết bị
Bảng 2.2. Danh mục các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
STT Tên thiết bị, dụng cụ Mục đích sử dụng
1 Cuvet thủy tinh Xác định COD
61 METTLER TOLEDO, PB – 602 – S và Setra systems, Inc. RS - 232 3
Cân phân tích
HR – 200, max 210 g, d=0,1 mg
Pha hóa chất sử dụng trong phân tích, xác định TSS và SVI
4
Cuvet thạch anh Xác định hàm lượng NH4+
và PO43-
5 ISUZU SF – 214S, MADE IN JAPAN. Sấy hóa chất, dụng cụ 6 Giấy lọc thường, giấy lọc băng xanh Xác định COD, SVI
7 pH
INOLAB pH 720, made in Germany Xác định pH, nhiệt độ
8 Ống đong Lấy hóa chất, lấy mẫu
9 HANNA – HI 839800 – 02. Made in HUNGARY
- Europe Xác định COD
10 UV-1601
UV-VISIBLE SPECTROPHOTOMETER
Đo trắc quang xác định hàm lượng NH4+ và PO43-
11 Pipet Lấy mẫu, lấy hóa chất
12 Thiết bị khí nén Sục khí trong bể Aeroten
13
Aeroten reactor 50 lít và 1 m3
Nghiên cứu xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
14 Bình định mức Xác định NH4+ và PO43-
15
Thiết bị hút chân không Xác định COD, NH4+ và PO43-
16
Phễu thủy tinh Xác định COD, NH4+ và
62
17 Bình hút ẩm Đựng hóa chất
18 Fume Hood RFS 120, Made in Japan
Fume Hood ESCO Laboratory EFA–4UDRVW–8 Pha hóa chất 19 Máy cất nước 1 lần Gesellschaft für, labortechnik mbH D – 30938. Burgwedel Nước cất sử dụng trong các phép phân tích 20 Con khuấy từ Xác định PO43- 21 Máy khuấy từ
Thermolyne cinarec®1, MADE IN U.S.A Xác định PO43-
2.4. Bổ sung dinh dƣỡng
Nước thải từ quá trình sản xuất bột giấy nói chung và của công ty Giấy Bãi Bằng nói riêng thường chứa một lượng nhỏ nitơ và photpho, không đủ để các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và phân hủy các hợp chất hữu cơ. Để khắc phục hạn chế trên, ngoài nguồn cacbon có sẵn trong nước thải tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, cần bổ sung thêm nitơ và photpho sao cho tỷ lệ BOD:N:P xấp xỉ 100:5:1, tỷ lệ này đôi khi được cho theo COD : N : P = 200 : 5 : 1. Ở đây nguồn nitơ và photpho được bổ sung theo hai cách:
- Cách thứ nhất: Bổ sung Nitơ và photpho dưới dạng đạm ure và axit photphoric
(cách bổ sung dinh dưỡng thông thường đối với hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh hiếu khí).
- Cách thứ hai: Bổ sung ure, axit photphoric và các nguyên tố vi lượng dưới dạng
phân bón vi lượng do bộ môn Công Nghệ Hóa Học – Khoa Hóa Học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội sản xuất. Thành phần của các chất dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng trong phân bón vi lượng là: N (20%), P (20%), K (20%), Fe (0,1%), Zn (0,05), Cu (0,05%), Mn (0,05%), Mg
63
(0,05%), Bo (0,02%), Mo (0,0005%), Co (0,0005%), còn lại là các vitamin cần thiết, chất bám dính và chất kích thích.
Cách tính toán lượng dinh dưỡng sử dụng trong luận văn có thể tham khảo ở phụ lục 2.
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nước thải sau khi đã quả xử lý hóa lý (keo tụ tạo bông) điều chỉnh pH, nhiệt độ vẫn có những thông số vượt xa so với các chỉ tiêu cho phép. Do đó nước thải cần phải tiếp tục được xử lý bằng phương pháp sinh học hiếu khí.
Trong phương pháp này, nước thải sau khi đã qua tiền xử lý đã đạt được một số tiêu chuẩn đề ra cho nước thải đầu vào của hệ thống xử lý sinh học hiếu khí như: pH ≈ 6,9 ÷ 7,2, nhiệt độ T ≈ 35 ÷ 370
C, MLSS ≈ 2,5 ÷ 3,5 g/l, SVI ≤ 100 ml/g (khoảng sai số 25 ÷ 150 ml/g).
Vi sinh vật hiếu khí bùn hiếu khí sử dụng trong nghiên cứu này được lấy tại bộ phận xử lý nước thải – Hệ thống xử lý nước thải – Công ty Giấy Bãi Bằng (Thị trấn Phong Châu – Huyện Phù Ninh – Tỉnh Phú Thọ). Vi sinh được lấy tại thời điểm hệ thống xử lý đang được vận hành bình thường nên có thể sử dụng luôn vào mục đích nghiên cứu.
Những nghiên cứu xử lý nước thải giấy bằng phương pháp sinh học hiếu khí được tiến hành trên thiết bị Aeroten reactor. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị được trình bày như trên hình 2.1.
64 Sục khí Bổ sung phân vi lượng Bổ sung dinh dưỡng N, P
Nước thải qua tiền xử lý
3
4
Hình 2.1: Sơ đồ thiểt bị thí nghiệm xử lý hiếu khí
Về nguyên tắc thao tác và cách lấy mẫu của mô hình thí nghiệm và mô hình pilot là giống nhau.
- Với mô hình thí nghiệm: Dung tích bể mỗi bể là 50 lít, sục khí vào mỗi bể với
lưu lượng 6 lít/phút. Mỗi bể chứa 6 lít sinh khối và 14 lít nước thải sau xử lý sơ cấp. Mẫu lấy về được mang đi xác định các chỉ số nhiệt độ, pH, COD, SVI, NH4+, PO43-, sau đó cho vào mỗi bể 14 lít nước thải và bổ sung dinh dưỡng: bể thứ nhất bổ sung dinh dưỡng như hệ thống xử lý nước thải của nhà máy, còn bể thứ 2 bổ sung phân vi lượng. Sau đó sục khí 30 phút rồi lấy mẫu mang đi xác định các chỉ tiêu. Sau xử lý 18 giờ lấy mẫu để đo lại các chỉ tiêu, sau đó rút sục khí để bể lắng trong 1 giờ sau đó hút bỏ phần nước trong và tiếp theo bổ sung nước thải mới để làm thí nghiệm mới.
- Với mô hình pilot: dung tích mỗi bể là 1 m3, sục khí vào mỗi bể với lưu lượng 30 lít/phút. Mỗi bể chứa 300 lít sinh khối và 700 lít nước thải sau xử lý sơ cấp. Mọi thao tác chuẩn bi mẫu, bổ sung dinh dưỡng và đo mẫu tương tự như phòng thí nghiệm.
3: Bể thí nghiệm bổ sung N & P giống HTXLNH của Công ty Giấy Bãi Bằng
65
2.6. Các phƣơng pháp phân tích xác định các thông số chất lƣợng nƣớc thải
Để xác định một số thành phần và mức độ ô nhiễm của mẫu nước thải cũng như theo dõi diễn biến của quá trình xử lý người ta sử dụng nhiều thông số khác nhau trong nghiên cứu này: Nhiệt độ, pH, TSS, SVI, COD, NH4+
, PO4-3 là những thông số chính được quan tâm.
2.6.1. Xác định pH và nhiệt độ
pH và nhiệt độ được xác định trên máy đo INOLAB pH 720, made in Germany. Mỗi lần tiến hành đo với một lượng mẫu khoảng 50 ml.
2.6.2. Xác định COD
COD là thông số đặc trưng cho mức độ ô nhiễm hữu cơ của nguồn nước. Để xác định COD người ta sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh để oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải thành CO2, H2O. Những chất oxy hóa mạnh thường được sử dụng là K2Cr2O7 hoặc KMnO4. Các phương pháp xác định COD sử dụng K2Cr2O7, KMnO4 có tên gọi tương ứng là phương pháp Kalidicromat và phương pháp Kalipemanganat [39]. Người ta có thể sử dụng các kỹ thuật khác nhau để xác định chính xác lượng chất oxy hóa đã phản ứng với chất hữu cơ nhưng có hai kỹ thuật thường được sử dụng phổ biến hơn cả, đó là kỹ thuật trắc quang và kỹ thuật chuẩn độ. Trong Luận văn này, COD được xác định theo phương pháp Kalidicromat với kỹ thuật trắc quang.
Nguyên tắc:
Dùng dung dịch K2Cr2O7 là chất oxy hóa mạnh để oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong môi trường axit H2SO4 đặc và dùng tinh thể Ag2SO4 làm xúc tác cho phản ứng xảy ra hoàn toàn theo phương trình:
66
Lượng K2Cr2O7 dư được xác định trên máy trắc quang.
Yếu tố cản trở và cách loại trừ:
Cl- thường xuyên có mặt trong nước làm sai số cho kết quả phân tích do xảy ra phản ứng:
Cr2O72- + 6Cl- + 14H+ → 3Cl- + 2Cr3+ + 7H2O
Do đó để loại trừ ảnh hưởng của Cl- người ta dùng HgSO4 để loại bỏ ảnh hưởng của Cl- trong quá trình phân tích.
Cách tiến hành:
Lấy 2,0ml mẫu nước cần phân tích vào cuvet, thêm 3,0 ml dung dịch hỗn hợp xác định COD (250 ml K2Cr2O7 0.25N + 5 gam HgSO4 tinh thể + 225 ml hỗn hợp (1 lít H2SO4 98% + 10 Ag2SO4) + 525 ml H2SO4 98%), lắc đều. Làm mẫu trống tương tự mẫu thực nhưng thay 2,0 ml mẫu thực bằng 2,0 ml nước cất. Cho cuvet vào bến đun COD sau đó bật nhiệt độ 1500C và bật công tắc hẹn giờ (thực hiện đun trong 2 giờ). Sau 2 giờ lấy cu vét ra để nguội đến nhiệt độ phòng. Thực hiện đo trên máy trắc quang, đầu tiên cho cuvet mẫu trống vào máy đo và ấn nút Auto Zero để đưa mẫu trống về “0” sau đó lấy mẫu trống ra và cho mẫu thực vào đo và ấn nút READ DIRECT và đọc, ghi kết quả hiện thị trên máy, đó chính là giá trị COD (mg/l) cần đo.
2.6.3. Xác định MLSS
MLSS là thông số biểu thị hàm lượng hàm lượng các chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp nước thải và vi sinh vật. Hàm lượng của nó chính là trọng lượng khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc (băng xanh) khi lọc 1 lit mẫu rồi sấy khô đến khối lượng không đổi. MLSS là một thông số quan trọng được dùng trong nghiên cứu động học và chỉ số thể tích bùn của quá trình xử lý sinh học, vì thế cũng là một trong những thông số cần thiết để nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý [19].
67
Cách tiến hành
- Sấy giấy lọc băng xanh đến khối lượng không đổi (ở điều kiện 105oC trong 02 giờ), xác định khối lượng giấy lọc (m1, gam);
- Sử dụng giấy lọc trên để lọc một thể tích xác định hỗn hợp nước thải và vi sinh vật; - Sấy giấy lọc đến khối lượng không đồi, xác định khối lượng này (m2, gam).
Giá trị MLSS được xác định theo biểu thức: MLSS g L( / ) (m2 m1)1000
V
Trong đó: V là thể tích hỗn hợp nước thải và vi sinh vật đã sử dụng.
2.6.4. Xác định chỉ số thể tích bùn (SVI)
Nguyên tắc xác định
Chỉ số thể tích bùn (SVI) được định nghĩa là thể tích tính bằng số mililit của 1 gam khô bùn hoạt tính lắng trong 30 phút.
Giá trị SVI đối với hệ thống bùn hoạt tính làm việc với nồng độ MLSS từ 2000 đến 3500 mg/l. Đây là yếu tố cơ bản trong thiết kế và đó cũng là thước đo tiêu chuẩn về các đặc tính vật lý của bùn hoạt tính [25].
- Khi SVI < 50 ml/g: Tiềm năng. - Khi 50< SVI < 100 ml/g: Tốt nhất.
- Khi 100 < SVI < 150 ml/g: Có sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi. - Khi 150 < SVI < 200 ml/g: Bùn tương đối khó lắng.
- Khi 200 < SVI < 300 ml/g: Bùn khó lắng. - Khi SVI > 300 ml/g: Bùn không lắng.
Cách tiến hành
Lấy nước thải trong bể sục khí vào ống đong 1 lít, để lắng 30 phút, ghi thể tích bùn còn lại (V ml). Sau đó lấy 1 lít nước đó đi xác định MLSS và được tính như sau:
68
𝑆𝑉𝐼 =𝑉. 1000
𝑀𝐿𝑆𝑆
Trong đó: