3.2.4.1. Nitrite (N-NO2-)
Đường chuẩn
STT 1 2 3 4 5 6
C (μg/mL) 0.02 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2
Độ hấp thu A 0.047 0.107 0.227 0.366 0.478 0.635
Hình: Đồ thị biểu diễn độ hấp thu A theo nồng độ nitrit
Phương trình hồi qui tuyến tính: A = 3,229C - 0.0237 Hệ số tương quan: R2 = 0.9981 y = 3.2293x - 0.0237 R² = 0.9981 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Đ ộ h ấp t h u A Nồng độ (mg/L)
49 Phân tích mẫu
STT Mẫu Hệ số pha loãng Độ hấp thu A Nồng độ mẫu (mg/L) 1 Đầu vào 0 0.124 0.046 2 Đầu ra 1h 25 0.333 2.762 3 Đầu ra 2h 25 0.316 2.630 4 Đầu ra 3h 25 0.303 2.529 5 Đầu ra 4h 25 0.300 2.506 3.2.4.2. Nitrate (N-NO3-) Đường chuẩn: STT 1 2 3 4 5 C (μg/mL) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Độ hấp thu A 0.043 0.129 0.182 0.473 0.578
Phương trình hồi qui tuyến tính: A = 0.707C – 0.143 Hệ số tương quan: R2 = 0.926
50 Phân tích mẫu
STT Mẫu Hệ số pha loãng Độ hấp thu A Nồng độ mẫu (mg/L) Đầu vào 0 0,038 0.256 Đầu ra 1h 25 0,587 25.813 Đầu ra 2h 25 0.577 25.460 Đầu ra 3h 25 0,588 25.849 Đầu ra 4h 25 0,575 25.389 3.2.4.3. Amonia (N-NH4+) = − × × 14.0067 × 1000
• V1: thể tích dung dịch HCl dùng để chuẩn độ mẫu, mL.
• V2: thể tích dung dịch HCl dùng để chuẩn độ mẫu trắng, mL, V2= 0,0 mL. • Vo : thể tích mẫu đem đi phân tích, mL.
• NHCl: nồng độ HCL chuẩn độ = 0,02 N • 14,0067: nguyên tử lượng của nitơ.
Bảng. Nồng độ N-NH4 (mg/L) và hiệu suất xử lí N-NH4 của bể MBR
STT Mẫu Vmẫu (mL) VHCl (mL) Nồng độ N-NH4(mg/L) H (%) Đầu vào 25 2.75 30.815 Đầu ra 1h 25 2.40 26.893 12.73% Đầu ra 2h 25 2.30 25.772 16.36% Đầu ra 3h 25 2.40 26.893 12.73% Đầu ra 4h 25 2.15 24.092 21.82%
51
Hình: Đồ thị biểu diễn nồng độ các hợp chất N theo thời gian Nhận xét:
Theo thời gian, Nitơ amoni giảm nhẹ, nitrite, nitrate tăng mạnh trong một giờ đầu tiên, sau đó các thông số Nitơ amoni, nitrite, nitrate ổn định và hầu như không thay đổi trong suốt quá trình xử lí.
Giải thích:
Cùng với COD và P, Nitơ đầu vào trong nước thải dưới dạng amoni được VSV sử dụng như chất dinh dưỡng để tăng trưởng trong giai đoạn đầu. Tuy nhiên, do lượng bùn hoạt tính trong bể MBR đã có thời gian sinh trưởng khá dài (16/12 – 23/12) nên lúc này sự sinh trưởng của VSV trong bể đi vào pha ổn định, mức tăng sinh khối và nhu cầu sử dụng chất dinh dưỡng giảm dần, do đó hiệu suất xử lí (chuyển hóa) Nitơ amoni không cao (H ≤ 25%) và hầu như không thay đổi trong quá trình vận hành của bể MBR.
Quá trình xử lý của mô hình là theo phương pháp hiếu khí nên sẽ diễn ra quá trình nitrate hóa. Ở mẫu đầu vào, nước thải hầu như chỉ chứa amoni, gần như không có nitrite,
0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 N ồ n g đ ộ ( m g /L ) Thời gian (h)
Đồ thị biểu diễn nồng độ các hợp chất N theo thời gian
52
nitrate. Sau 1 thời gian sục khí, nhóm VSV Nitrate hóa hoạt động chuyển NH4+ thành NO2-
, NO3- là nguyên nhân tăng dần 2 thành phần này trong nước thải. Đo đạc thông số NO2-
rất nhỏ, có thể là do quá trình lấy mẫu, phân tích mẫu đã có sự chuyển đổi của Nitrite thành Nitrate trong môi trường không khí với sự có mặt của Oxy và các VSV nitrate hóa.
3.3. KẾT LUẬN
Bảng tóm tắt hiệu quả xử lí của mô hình (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chỉ tiêu Đầu vào Đầu ra
COD 1235 130
T-P 5.381 2.572
nitrate 0.256 25.389
nitrite 0.046 2.056
amonia 30.815 24.092
Kết quả cho thấy mô hình có khả năng xử lí các chỉ tiêu COD (89.47%), T-P(52,20%), khả năng xử lý amonia theo kết quả thực nghiệm khá thấp (21.81%). Do mô hình diễn ra quá trình sinh học hiếu khí nên nồng độ nitrite và nitrate tăng theo thời gian do phản ứng nitrate hóa và chuyển hóa amon. Mô hình thích hợp xử lí nước thải có tải lượng chất ô nhiễm lớn..
53
BÀI 4: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG MÔ HÌNH UASB 4.1. PHẦN LÝ THUYẾT
4.1.1. Tổng quan về quá trình xử lý kỵ khí và bể UASB Quá trình xử lý kỵ khí Quá trình xử lý kỵ khí
Cơ sở lý thuyết:
- Sự phân hủy kỵ khí là một loạt quá trình vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ thành khí metan (CH4).Tùy theo trạng thái của bùn có thể chia quá trình kỵ khí thành:
+ Quá trình xử lý kỵ khí lơ lửng: như quá trình tiếp xúc kỵ khí, bể UASB. + Quá trình xử lý kỵ khí dính bám: như quá trình lọc kỵ khí, tầng lơ lửng,…. - Quá trình kỵ khí để xử lý nước thải ô nhiễm nặng với hàm lượng COD và BOD cao. Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học.
Organic pollution CH4 + CO2
- Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian. Phương trình phản ứng sinh hóa kỵ khí có thể biểu diễn như sau:
Chất hữu cơ → CH4 + CO2 + NH3 + H2S + TB mới - Một cách tổng quát quá trình này xảy ra theo 4 giai đoạn:
+ Giai đoạn thủy phân: giai đoạn thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp thành những đơn phân hòa tan. Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit được thủy phân thành những chất đơn giản như đường đơn, peptit, axit amin, glixerin, và các acid béo... Quá trình này xảy ra khá chậm, phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, cấu trúc các chất hữu cơ cần phân giải... Chất béo thủy phân rất chậm.
+ Acid hóa: vi khuẩn lên men chuyển hóa các hợp chất hoàn tan thành chất đơn giản acid béo dễ bay hơi. Vi khuẩn lên men chuyển hóa các acid amin, đường đơn và acid béo mạch dài thành các acid hữu cơ mạch ngắn hơn như acid acetic, acid propionic, acid butyric, acid
54
lactic,… Ngoài ra còn có rượu methanol, ethanol, CO2, H2, NH3… Sản phẩm lên men tạo mùi hôi thối do H2S, indol,... được sinh ra và pH của môi trường giảm.
+ Acetate hóa: vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, CO2, H2. Ngoại trừ acid acetic, các sản phẩm của quá trình acid hóa cần được phân giải thành những phân tử đơn giản hơn để vi khuẩn methane có thể sử dụng. Sản phẩm của quá trình là acid acetic, khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn acetate hóa, Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6,7 – 7,8 và 35 – 420oC.
CH3CH2OH + H2O CH3COO- + H+ + 2H2. CH3CH2COO- + 3H2O CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2.
CH3(CH2)2COO- + 2H2O 2CH3COO- + H+ + 2H2.
+ Methane hóa: đây là giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí, Đây là giai đoạn cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng cách tổ hợp các con đường:
24% 52% 4% H2 76% 72% Acetic acid CH4 28% Phức chất hữu cơ
Quá trình thủy phân
Quá trình acetate hóa và khử hydro
20%
Acid hữu cơ
Quá trình methane hóa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
55 4.1.1.2 Bể UASB
UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí. UASB được thiết kế cho nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp. Nồng độ COD đầu vào được giới hạn ở mức min là 100mg/l, nếu SS>3000mg/l không thích hợp để xử lý bằng UASB.
UASB được nghiên cứu và phát triển vào cuối những năm 1970 bởi Tiến sĩ Gatze Lettinga và các đồng nghiệp tại trường đại học Wageningen (Hà Lan). Công nghệ này được cây dựng thí điểm để xử lý nước thải của một nhà máy sản xất đường từ củ cải ở Hà Lan. Năm 1980 công nghệ được công bố và ứng dụng rộng rãi. Ngày nay nó đã trở thành công nghệ điển hình và phổ biến trong quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học kỵ khí do 2 đặc điểm:
- Cả 3 quá trình phân hủy – lắng bùn – tách khí được lắp đặt chung trong cùng một công trình.
- Tạo thành lớp bùn hạt kỵ khí có mật độ VSV cao và tốc độ lắng vượt xa so với lớp bùn hiếu khí lơ lửng.
- UASB là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từ dưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp (v<1m/h). Cấu tạo của bể UASB thông thường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha.
- Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí , tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng vi sinh này. Hệ thống tách pha phía trên bê làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, qua đó thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo.
- Bể UASB hoạt động dựa vào sự phân hủy hợp chất hữu cơ của các VSV kỵ khí bám dính và lơ lửng trong bể. Tùy vào chất lượng đầu ra của bể có thể đặt thêm bể xử lý hiếu khí phía sau.
56
* Ưu điểm:
- Xử lý các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ rất cao, COD=15000mg/l. - Hiệu suất xử lý COD có thể đến 80%.
- Có thể thu hồi nguồn khí sinh học sinh ra từ hệ thống. - Ít tiêu tốn năng lượng vận hành.
- Ít bùn dư, giảm chi phí xử lý bùn, bùn sinh ra dễ tách nước.
- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng. - Cho phép vận hành với tải trọng cao, giảm diện tích công trình.
* Nhược điểm:
- Quá trình kị khí diễn ra chậm hơn quá trình hiếu khí.
- Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại.
- Giai đoạn khởi động kéo dài.
- Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động.
- Khó phục hồi sau thời gian ngừng hoạt động.
57 4.1.2. Cấu tạo bể UASB
Bể UASB được chia thành 2 vùng chính:
Vùng chứa bùn phân hủy kỵ khí: (chiếm không quá 60% diện tích bể): Là lớp bùn hoạt
tính chứa các VSV kỵ khí có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, nước thải vào được cho chảy qua lớp bùn này để xử lý.
Vùng lắng: nằm phía trên lớp bùn kỵ khí. Nước thải sau khi phân hủy sẽ di chuyển lên
vùng này để thực hiện quá trình lắng cặn.
Ngoài ra còn có hệ thống phân phối nước vào, hệ thống thu nước ra, hệ thống thu khí và các vách ngăn và một số hệ thống phụ trợ khác.
4.1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của bể UASB
Nước thải được nạp từ phía đáy bể thông qua bơm có vận tốc trong khoảng 0,6 – 0,9 m/h (thực tế 0,9 – 1,1 m/h), đi qua lớp bùn hạt. Quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu là CH4 70 – 80% và CO2 20 – 30%) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía trên mặt bể. Tại đây, quá trình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí đi qua hệ thống thu khí. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng xuống. Nước thải theo máng răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo. Sau thời gian vận hành liên tục của bể và do sự phát triển của VSV kỵ khí, lượng bùn trong bể sẽ tăng lên. Do đó sau một thời gian vận hành, cần phải loại bỏ lớp bùn già ở đáy bể ra ngoài.
4.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý của UASB (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ảnh hưởng của pH
Trong xử lí kị khí pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến hoạt đông, sinh sản và phát triển của sinh vật. đối với từng nhóm từng loài vsv có một khoảng pH tối ưu.
Trong xử lí kị khí mê tan thì có 2 nhóm thực hiện: nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình acid hóa làm pH môi trường giảm đi, khi độ pH xuống thấp thì quá trình acid hóa chậm lại. Nhóm thứ 2 thực hiện quá trình metan hóa phát triển tốt ở giá trị PH gần trung tính
58
hoặc gần pH là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu xuất quá trình xử lí nước thải, với pH = 7 hiệu suất xử lí đạt giá trị cao nhất (88,3 %). Hiệu suất xử lí thấp nhất với pH = 6 (63,8 %). Ở pH kiềm tính vsv ít bị ảnh hưởng hơn so với pH acid. Ở pH acid vi sinh vật hoạt động kém hiệu quả hơn so với trong môi trường kiềm và ở giá trị kiềm nhẹ nhóm vi khuẩn sinh metan cũng ít bị ảnh hưởng.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Xử lí nước thải trong điều kiện kị khí do quần thể vi sinh vật hoạt động, mỗi chủng nhóm vi sinh vật sẽ sinh trưởng và phát triển tốt ở miền nhiệt độ thích hợp .Nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật metan là khoảng từ 35-55oC, dưới 10oC các chủng vi sinh vật này hoạt động rất kém.
Về mùa hè với nhiệt độ cao các vi sinh vật hoạt động mạnh hơn do đó quá trình xử lí cũng tốt hơn . Về mùa đông nhiệt độ giảm xuống thấp các vi sinh vật bị ức chế hoạt động do đó hiệu quả xử lí thấp (78,3%) hơn nhiều so với mùa hè (92,8 %).
Trong hệ thống xử lí nước thải công suât lớn có thể sử dụng khí CH4 để gia nhiệt dòng nước thải đầu vào làm tăng nhiệt độ môi trường vào mùa đông làm hiệu quả xử lí sẽ tốt hơn.
Trong khoảng nhiệt độ 40-55oC hiệu quả xử lí sẽ cao hơn rất nhiều so với ở nhiệt độ thường.
Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ của nước thải
Tải trọng chất hữu cơ trong nước thải có ý nghĩa rất quan trọng nhằm xác định được khả năng xử lí của hệ thống khi hàm lượng chất hữu cơ tăng cao thì hiệu xuất xử lí cũng tăng theo.
Đối với nước thải có độ ô nhiễm COD khoảng 7000-5000mg/l thì hiệu suất xử lí đạt gần 90% và hiệu suất xử lí giảm dần khi COD đầu vào giảm dần.
59
Thời gian lưu thủy lực là một trong những yếu tố quan trọng quyết định tới hiệu suất xử lí của hệ thống. Nếu thời gian lưu thủy lực ngắn thì hiệu suất xử lí sẻ thấp và ngược lại . Tuy nhiên nếu kéo dài thời gian xử lí thì chi phí đầu tư ban đầu của hoạt động sẽ lớn.
Thời gian xử lí càng lâu thì hiệu suất xử lí càng cao. Thời gian lưu thủy lực khoảng từ 4-12 giờ tùy thuộc vào mức độ ô nhiễm.
Ảnh hưởng của chất tẩy rửa
Trong ngành chế biến thực phẩm nói chung thường phải sử dụng một số chất sát trùng để vô trùng các dụng cụ nhằm bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm . Thường dùng NAOH, cloraminB, javen để tẩy trùng . Đối với các hệ thống sử lí nước thải bằng phương pháp sinh học các chất sát trùng có ảnh hưởng không tốt đến hoạt động của vi sinh vật và do đó ảnh hưởng đến hiệu suất xử lí.
Nồng độ các chất tẩy rửa cao làm cho các vi sinh vật trong hệ thống xử lí nước thải bị ức chế hoàn toàn ,thối rữa tạo thành dạng keo trong nước làm cho COD và SS tăng lên.