Phương pháp tiến hành thí nghiệm để khảo sát các yếu tố liên quan đến nội dung nghiên cứu.
+ Nhóm 1: Phân tích các thông số NO3 - , NO2 - , PO4 3- , SO4 2- bằng phương pháp trắc quang trên máy đo UV THERMO ELECTRON COVPORATION
Khóa 17-CHMT 32 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Phân tích nitrat (NO3-)
- Pha các hóa chất : dung dịch NaCl 30%; dung dịch H2SO4 ( 4 + 1); dung dịch Brucine; dung dịch KNO3 gốc.
- Cách làm : xác định nồng độ NO3 -
trong mẫu: Lấy 10 ml mẫu (pha loãng mẫu nếu cần) vào bình 25ml . Lần lượt cho thêm 2 ml dung dịch NaCl 30% và 10 ml dung dịch H2SO4 (4 + 1) , lắc đều và làm nguội. Thêm 0,5 ml brucine rồi đun sôi trong 20 phút. Sau khi để nguội, định mức lên 25 ml rồi đo quang ở bước sóng λ = 410 nm.
Phân tích nitrit (NO2-)
- Pha hóa chất: dung dịch EDTA; dung dịch α – naphthylamin; dung dịch axít sulfanilic; dung dịch đệm natri axetat; dung dịch NaNO2 gốc.
- Cách làm: xác định nồng độ NO2 -
trong mẫu: Lấy 25 ml mẫu ( pha loãng mẫu nếu cần). Thêm 0,5 ml EDTA và 0,5 ml axít sulfanilic, để 5 – 10 phút, sau đó thêm 0,5 ml α – naphthylamin và 0.5 ml natri axetat , để 20 – 25 phút rồi đo quang với bước sóng λ = 520 nm.
Phân tích phôtphat (PO4 3-
)
(Phương pháp axit Vanadomolybdophosphoric (P - PO43-
< 50 mg/l))
- Pha hóa chất: dung dịch Vanadat - Molipđat; dung dịch Phosphat chuẩn 50 mg PO43- - P/l.
- Cách làm: xác định phosphat trong mẫu : lấy 25 ml mẫu, thêm 10 ml dung dịch Vanađat - Molipđat, so màu với mẫu trống (mẫu không có phosphat) ở bước sóng 410 nm.
Phân tích sunphat (SO42-)
- Pha hóa chất: dung dịch CR; dung dịch Na2SO4 100 mg SO4 2-
/l. - Cách làm: xác định SO4
2-
trong mẫu : lấy 25 ml mẫu sau đó thêm 1,25 ml dung dịch CR. Trộn đều và khuấy sau đó thêm 1 thìa BaCl2 tinh thể, đo quang ở bước sóng 420 nm hoặc đo độ đục với mẫu trắng là mẫu không có sunfat.
Khóa 17-CHMT 33 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
+ Nhóm 2: Phân tích các thông số độ cứng, độ kiềm bằng phương pháp chuẩn độ
Phân tích độ cứng
- Pha hóa chất: dung dịch HCl 1N; dung dịch đệm HCl; dung dịch NaOH 1N; chỉ thị Eriochrome black T; chỉ thị Muexit; dung dịch EDTA.
- Cách làm :
+) Xác định độ cứng canxi : lấy 50 ml mẫu vào bình tam giác, cho 2 ml NaOH 1N để pH của mẫu trong khoảng 12 - 13, cho một ít chỉ thị Murexit, chuẩn bằng EDTA 0,01M tới khi dung dịch chuyển từ đỏ sang tím hoa cà.
Độ cứng Ca = m V VEDTA 1000 = 50 1000 EDTA V = 20 VEDTA mgCaCO3/l. Phân tích độ kiềm
- Pha hóa chất: dung dịch HCl 0,1N; dung dịch HCl 0,02N; dung dịch chỉ thị phenolphthalein; dung dịch chỉ thị metyl da cam.
- Cách làm :
- Độ kiềm tự do (P) : lấy 50 ml mẫu, thêm 2 giọt phenolphtalein, nếu xuất hiện màu hồng thì có độ kiềm tự do. Chuẩn với HCl 0,02N tới khi hết màu. P = 50 50000 02 , 0 HCl V = 20VHCl mgCaCO3/l.
- Độ kiềm tổng (T) : lấy 50 ml mẫu, thêm 1 giọt metyl da cam. Chuẩn với HCl 0,02N tới khi dung dịch chuyển từ màu vàng sang màu gạch non.
T = 50 50000 02 , 0 HCl V = 20VHCl mgCaCO3/l. pH lúc chuẩn xong = 4,1 - 4,3.
Nhóm 3: Phƣơng pháp phân tích hàm lƣợng vi sinh trong bùn
+) Giấy lọc thủy tinh được sấy khô trong tủ nung ở 105oC trong 60 phút, lấy ra cho vào bình chân không 60 phút rồi cân được khối lượng Mo;
Khóa 17-CHMT 34 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
+) Lấy 2 ml bùn lọc qua gấy lọc thủy tinh bằng máy hút chân không, sấy khô ở 105oC trong 60 phút, rồi cho vào bình chân không 60 phút, cân được khối lượng M1. Sau đó, tiếp tục cho vào tủ nung ở 550oC trong vòng 15 phút rồi để trong bình chân không 60 phút, cân được khối lượng M2;
+) Tính toán:
Hàm lượng chất rắn lơ lững ( SS):
Hàm lượng chất rắn bay hơi (VSS):
2.4. Nghiên cứu các điều kiện tối ƣu cho quá trình xử lý
Hiện nay, hệ xử lý nước thải sử dụng đệm vi sinh được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ xử lý nước, được mô tả trên Hình 2.1. Vì hệ này tạo ra những giá thể giúp vi sinh phát triển và lưu giữ được mật độ vi sinh trong hệ cao hơn so với các hệ khác, dẫn đến khả năng xử lý nước cao hơn.
Hình 2.1.Hệ xử lý nước thải đệm vi sinh ngược dòng
Đối với các thí nghiệm khảo sát trong luận văn, các hệ được vận hành ngược dòng để tăng khả năng tiếp xúc tối đa giữa vi sinh và nước thải. Nước
Khóa 17-CHMT 35 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
thải được cung cấp từ dưới lên, qua lớp đệm vi sinh là các viên SC. Nước thải được lưu một thời gian HRT, qua thiết bị thu nước (một phần nước thải được bơm tuần hoàn ngược trở lại). Bên dưới sử dụng khuấy từ để khuấy trộn dòng nước thải trong hệ.
2.4.1. Nghiên cứu tỷ lệ thành phần S:CaCO3 tối ưu cho quá trình khử nitrat tự dưỡng (Thí nghiệm 1) nitrat tự dưỡng (Thí nghiệm 1)
Trong quá trình xử lý, nếu cung cấp riêng biệt từng thành phần S và CaCO3 tạo ra sự phân bố không đồng đều trong thiết bị, đặc biệt là tỷ lệ phân tách đá vôi rất khó điều khiển. Vì vậy, cần tìm ra tỷ lệ S: CaCO3 tối ưu để hiệu quả xử lý cao nhất.
Thí nghiệm được bố trí với đá SC có tỷ lệ khối lượng (g/g) S: CaCO3
khác nhau như sau: 3:2 (ký hiệu là đá SC1); 2:1 (ký hiệu là đá SC2); 3:1 (ký hiệu là đá SC3). Chạy 3 hệ liên tục (có tuần hoàn nước) trên 3 loại đá có tỷ lệ như trên. Sơ đồ thí nghiệm như trên Hình 2.2. Khảo sát các thông số pH, NH4+, NO2-, đặc biệt là thông số NO3-
để đánh giá khả năng xử lý của từng loại đá. Số lần lấy mẫu 1 lần/2 ngày.
Hình 2.2. Hệ thí nghiệm liên tục
1.Thùng chứa nước thải nhân tạo; 2.Bơm lưu lượng; 3.Cột sinh học - Thiết bị xử lý có chứa SC; 4. Bể chứa trung gian; 5. Bơm tuần hoàn; 6. Nước đầu ra 1 1 6 3 4 2 5
Khóa 17-CHMT 36 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Nước thải nhân tạo từ thùng chứa 1 (thể tích V = 20 lít) qua bơm lưu lượng 2 (Peristarltic Pump model GT-150D), để điều chỉnh lưu lượng rồi đi vào cột sinh học 3 có chứa SC (cột được làm từ nhựa PVC đường kính 7cm, cao 29,5cm). Sau khi ra khỏi cột sinh học 3, nước thải đi vào bể trung gian 4 (thể tích V = 0,5 lít). Tại đây, nước thải chia thành 2 phần, 1 phần được bơm tuần hoàn 5 trở lại cột sinh học 3 bằng bơm tuần hoàn Atman At-302 có thể điều chỉnh tốc độ, phần còn lại được thải ra ngoài.
Kết quả cần đạt được:
+) Tính chất vật lý của đá: pH, khối lượng riêng, độ cứng
Khối lượng riêng của đá SC
Khối lượng riêng của 3 sản phẩm SC được xác định theo công thức: ρ = ,
trong đó: ρ – Khối lượng riêng vật liệu, g/cm3; M – Khối lượng vật liệu, g;
V – Thể tích vật liệu, cm3.
pH và độ cứng của đá SC
Tiến hành thí nghiệm như sau: lấy 400mg mỗi loại đá ngâm vào các hệ dạng batch (gián đoạn) với nước cất. Đo độ cứng và pH của dung dịch với các giá trị HRT thay đổi (HRT = 12h, 24h, 36h, 48h, 60h, 72h).
Khóa 17-CHMT 37 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
+) Đồ thị biến thiên của các thông số: pH, NH4+
, NO2-, NO3-
2.4.2. Nghiên cứu khả năng khử nitrat tự dưỡng của đá SC đối với một số mẫu bùn thực tế (Thí nghiệm 2) mẫu bùn thực tế (Thí nghiệm 2)
Mục đích: so sánh được khả năng xử lý nitrat đối với hai loại bùn thí nghiệm (bùn thải sinh hoạt (bùn từ sông Tô Lịch) và bùn hoạt tính tại nhà máy xử lý nước thải (bùn hoạt tính lấy từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Bia Ha Đô - Hà Đông - Hà Nội)).
Thí nghiệm được tiến hành trên 3 hệ gián đoạn: hệ 1 (100% bùn hoạt tính), hệ 2 (50% bùn hoạt tính + 50% bùn sinh hoạt), hệ 3 (100% bùn sinh hoạt) và vật liệu nền là đá SC tối ưu. Khảo sát sự biến thiên NO3- theo thời gian.
Kết quả cần đạt được:
+) Giá trị VSS/SS của 2 loại bùn;
+) Đồ thị thể hiện sự biến thiên của nitrat theo thời gian.
2.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước viên composit tới hiệu quả quá trình khử nitrat tự dưỡng(Thí nghiệm 3) quá trình khử nitrat tự dưỡng(Thí nghiệm 3)
Mục đích tìm ra được dải kích thước đá SC tối ưu cho quá trình xử lý. Thí nghiệm được tiến hành trên 3 hệ gián đoạn với 3 dải kích thước viên SC, mm: > 5; 2 - 5 và < 2 với loại bùn hoạt tính từ nhà máy bia. Thí nghiệm được bố trí tương tự thí nghiệm 2. Khảo sát nồng độ nitrat theo thời gian thí nghiệm, từ đó đánh giá dải kích thước nào là phù hợp nhất.
Kết quả cần đạt được:
+) Mối quan hệ giữa nồng độ nitrat và dải kích thước của viên theo thời gian
2.4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu nền tới quá trình khử nitrat tự dưỡng trên mô hình pilot (Thí nghiệm 4)
Khóa 17-CHMT 38 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Thí nghiệm được tiến hành trên thiết bị hình trụ ( = 34cm; chiều cao (h) = 68cm) làm bằng nhựa PVC, đã nạp vật liệu nhồi là đá SC (Hình 2.4) để khảo sát khả năng xử lý nitrat tự dưỡng theo các chiều cao khác nhau.
Hình 2.4.Cột sinh học trong hệ thí nghiệm mô hình pilot
Quá trình vận hành liên tục, mẫu được lấy theo chiều cao của đá SC nạp trong thiết bị (tại các vị trí cách đáy 20cm; 42cm và đầu ra) để xác định các thông số.
Thông số thiết bị Chiều dài (cm)
Chiều rộng (cm)
Khoảng cách các điểm lấy mẫu (cm)
Vật liệu làm thiết bị
Giá trị 68 34 20; 22 Nhựa PVC
Kết quả cần đạt được:
+) Mối quan hệ giữa chiều cao thiết bị và biến thiên nồng độ chất ô nhiễm NO3
-
theo thời gian.
2.4.5. Thử nghiệm khả năng tách loại đồng thời PO43-, NH4+ , Ca2+ (thí nghiệm 5) nghiệm 5)
Khóa 17-CHMT 39 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Đánh giá khả năng tách loại đồng thời PO43-
, NH4+ trên cơ sở của phản ứng tạo kết tủa CaNH4PO4.6H2O.
Ca2+ + NH4+ + PO43- + H2O CaNH4PO4.6H2O
Thí nghiệm được thiết kế như các phần trước, nhưng khảo sát các thông số NH4+, Ca2+, PO43- để đánh giá khả năng đồng kết tủa (thí nghiệm được tiến hành trong các điều kiện khác phải tối ưu đã khảo sát: loại bùn; kích thước đá SC và tỷ lệ S:C).
Kết quả cần đạt được:
+) Đồ thị thể hiện sự biến thiên Ca2+
, PO43-, NH4+ theo thời gian.
2.5. Thử nghiệm với nƣớc thải thực tế (Thí nghiệm 6)
Mục đích khảo sát khả năng ứng dụng của quá trình với nước thải thực tế (mô hình pilot).
Trên cơ sở vật liệu chế tạo được từ các kết quả nghiên cứu với nước thải nhân tạo tiến hành thử nghiệm với nước thải thực tế. Tiến hành thí nghiệm trên hai hệ liên tục chạy song song để so sánh kết quả. Khảo sát thông số pH, SO4 2- , NO3 - . Kết quả cần đạt được:
+) Xây dựng được đồ thị về biến thiên nồng độ nitrat theo thời gian; +) Lượng sản phẩm sunphat tạo ra theo thời gian (đánh giá gián tiếp khả năng xử lý);
Khóa 17-CHMT 40 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thành phần và tính chất nƣớc thải
3.1.1. Thành phần và tính chất nước thải nhân tạo
Thành phần nước thải nhân tạo được đưa ra trong các Bảng 3.1 và 3.2
Bảng 3.1. Thành phần vi khoáng của nước thải nhân tạo
Thành phần Hàm lƣợng (g/L) EDTA CaCl2 CuSO4.5H2O CoCl2.6H2O MnCl2.4H2O ZnSO4.7H2O FeSO4.7H2O 0,5000 0,0554 0,0157 0,0161 0,0506 0,2200 0,0499
Chuẩn dung dịch về pH = 6 bằng KOH 1M
Bảng 3.2.Thành phần chính của nước thải nhân tạo
Thành phần Hàm lƣợng (g/L) Na2S2O3.5H2O KNO3 NH4Cl MgCl2.6H2O FeSO4.7H2O NaHCO3 KHPO4 0,20 1,45 0,50 0,50 0,01 1,00 2,00
Khóa 17-CHMT 41 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Từ số liệu trong các Bảng 3.1 và 3.2, có thể suy ra, nồng độ các hợp chất nitơ hòa tan ban đầu tương ứng là [NO3
-
-N] = 200 ppm; [NH4 +
-N] = 130 ppm. Các thông số này đều cao hơn so với quy định tiêu chuẩn nước thải - tiêu chuẩn loại B (QCVN 24:2009/BTNMT).
Thông số Giá trị QCVN 24:2009/BTNMT Loại A (ppm) Loại B (ppm) NO3 - -N (ppm) 200 30 50 NH4 + -N (ppm) 130 5 10
Nghiên cứu với loại nước thải nhân tạo có nồng độ các chất ô nhiễm như trên có tính chất gần giống nước thải thực tế. Việc nghiên cứu khả năng xử lý của hệ với nước thải nhân tạo sẽ rút ngắn được thời gian thích nghi của vi sinh vật với nước thải thực tế.
3.1.2. Thành phần và tính chất nước thải mạ điện (nước thải mạ điện của Công ty Cổ phần Xuân Hòa) Công ty Cổ phần Xuân Hòa)
Kết quả phân tích thành phần nước thải đã qua hệ thống xử lý của công ty được đưa ra trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Thành phần nước thải mạ điện Xuân Hòa
Thành phần Nồng độ (ppm) QCVN 24:2009/BTNMT Loại A Loại B pH NO3 - -N NH4+-N NO2--N PO4 3- Cl- SO4 2- Cr3+ Cr6+ Ni+ 7,34 - 7,45 115 - 130 25,11 - 30,03 0,00 3,23 -10,98 0,50 - 1,60 0,05 - 1,00 0,000 - 0,002 0,10 - 0,15 0,004 -0,030 6-9 KQĐ 5 KQĐ KQĐ 500 0,2 0,2 0,05 0,2 5,5 -9 KQĐ 10 KQĐ KQĐ 600 0,5 1 0,1 0,5 KQĐ: Không quy định
Khóa 17-CHMT 42 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
(Trong QCVN 24:2009/BTNMT không quy định giá trị nồng độ của các thông số NO3
-
, NO2 -
mà chỉ quy định TN, không quy định PO4 3-
mà chỉ quy định TP).
3.2. Sản phẩm đá lƣu huỳnh - đá vôi Composit và tính chất của đá Quy trình chế tạo viên SC
Thành phần viên SC gồm có lưu huỳnh (S), đá vôi (CaCO3) và magie oxit (MgO). Trộn 3 thành phần trên theo tỷ lệ mong muốn rồi cho vào hệ phản ứng, được kiểm soát ở một nhiệt độ hợp lý. Nhiệt độ nóng chảy của S là 120oC. Nhưng nhiệt độ của hệ phản ứng phải được tăng lên tới 150oC để phối trộn tốt vì S được trộn lẫn với CaCO3 và MgO. Hỗn hợp nóng chảy sẽ được đưa vào khuôn, nén chặt và rồi làm lạnh. Hỗn hợp được làm lạnh nhanh thì sẽ tạo ra các lỗ nhỏ bên trong viên SC, là nơi bám dính và phát triển của vi khuẩn. Sau khi làm lạnh, hỗn hợp sẽ được làm khô 1 ngày và sau đó đập nhỏ. Kích thước của viên SC sử dụng trong khoảng 5 – 20 mm để tránh mất đầu vào trong quá trình xử lý.
S Trộn đều Đun nóng chảy CaCO3
MgO 150oC Nén Đập nhỏ Để nguội
Sản phẩm SC
Theo kết quả nghiên cứu từ các tài liệu, các tỷ lệ S:CaCO3 là 3:2; 2:1; 3:1 cho kết quả khử nitrat tốt hơn các tỷ lệ khác. Tiến hành chế tạo viên SC
Hỗn hợp bột Hỗn hợp
nóng chảy
Khối đá nóng Khối đá
Khóa 17-CHMT 43 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
với các tỷ lệ trên làm thực nghiệm. SC1, SC2, SC3 với tỷ lệ các thành phần lưu huỳnh: đá vô tương ứng là 3:2; 2:1; 3:1 (Hình 3.1). Theo đánh giá cảm quan thì cả 3 sản phẩm SC đều có độ mịn tương đối tốt.
SC1 SC2 SC3
Hình 3.1. Những sản phẩm SC chế tạo được
Khối lượng riêng của đá
Kết quả được thể hiện trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Khối lượng riêng của từng loại SC
Đá SC SC1 SC2 SC3
Khối lượng riêng (g/cm3) 2,63 2,68 2,50
pH của đá
Sau khoảng thời gian 3 ngày đo pH của 3 dung dịch chứa 3 loại đá SC