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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 với HRT khác nhau, cho kết quả thể hiện trên Hình 3.2 và Hình 3.3.
Khóa 17-CHMT 44 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
SC1 SC2 SC3 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.2. Biến thiên pH của 3 loại đá SC theo các HRT khác nhau trên các đồ thị
Hình 3.3. Biến thiên pH của 3 loại đá SC qua các HRT khác nhau
Qua các đồ thị thể hiện biến thiên của pH dung dịch chứa đá SC khác nhau, cho thấy pH của đá nằm trong khoảng giá trị kiềm nhẹ. Tuy nhiên, sự thay đổi pH là không đáng kể. Giá trị pH của dung dịch là do sự phôi ra của đá vôi (CaCO3) trong viên đá SC. Sự thay đổi pH không nhiều và ổn định đo được của dung dịch thể hiện tốc độ phôi của đá từ từ, ổn định. Với ba loại đá SC, pH dung dịch đều có xu hướng tăng.
Khóa 17-CHMT 45 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Đá SC1 cung cấp nhiều độ kiềm hơn đá SC2; đá SC2 cung cấp nhiều độ kiềm hơn đá SC3. Điều này thể hiện, đá SC1 có khả năng duy trì và cung cấp độ kiềm hơn hai loại đá còn lại.
Qua thí nghiệm khảo sát biến thiên pH của 3 loại đá SC theo các HRT khác nhau khẳng định:
+) Ba loại đá sử dụng làm thí nghiệm có tốc độ phôi đá vôi thấp. Do vậy, có thể duy trì khả năng xử lý lâu trong hệ vi sinh.
+) Đá SC1 cung cấp nhiều độ kiềm hơn so với hai loại đá còn lại. Độ cứng của đá
Kết quả sau 3 ngày đo độ cứng của 3 dung dịch chứa 3 loại đá SC với HRT khác nhau được thể hiện trên Hình 3.4 và Hình 3.5 :
Khóa 17-CHMT 46 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
SC1 SC2 SC3
Hình 3.5. Biến thiên độ cứng của 3 loại đá SC theo thời gian
Qua đồ thị cho thấy đá SC1 có xu hướng cho độ cứng cao nhất, sau đó là SC2 và SC3.
Cụ thể: đá SC1: 3,69 mg CaCO3.l-1.h-1; đá SC2: 3,61 mg CaCO3.l-1.h-1; đá SC3: 2,52 mg CaCO3.l-1.h-1.
Khảo sát độ cứng trong dung dịch là do thành phần CaCO3 trong đá SC thôi ra trong vòng 3 ngày (72h) cho thấy độ cứng của cả 3 loại đá vẫn có xu hướng tiếp tục tăng. Điều này thể hiện, tốc độ thôi của đá SC chậm nên có thể sử dụng loại đá này để thí nghiệm (thời gian thay đá lâu, có thể sử dụng để thí nghiệm trong thời gian dài). Thí nghiệm này nhằm mục đích xem xét độ cứng của đá phôi ra, tốc độ thôi đá để khảo sát đá phục vụ cho thí nghiệm. Tốc độ thôi của đá càng thấp càng tốt nhưng vẫn cần phải đảm bảo đá cung cấp đủ độ kiềm để pH vẫn nằm trong khoảng vi sinh vật hoạt động được
3.3. Các điều kiện tối ƣu tới quá trình khử nitrat tự dƣỡng
3.3.1. Tỷ lệ thành phần S:CaCO3
Các kết quả khảo sát sự thay đổi các thông số pH, NH4 +
, NO2 -
, NO3 -
của 3 loại đá SC trong hệ liên tục trong khoảng thời gian 18 ngày từ 10/3/2011 đến 28/3/2011 được đưa ra trên các Hình 3.6, 3.7, 3.8, 3.9.
Khóa 17-CHMT 47 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Khảo sát biến thiên giá trị pH
Hình 3.6. Biến thiên pH của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian
Thí nghiệm trên ba loại đá với các hệ liên tục để khảo sát tỷ lệ S:CaCO3 cho thấy pH của 3 loại đá dao động không đáng kể (Hình 3.6). Phạm vi dao động nằm trong khoảng 6,7 đến 7,6. Trong khoảng pH này vẫn đảm bảo vi khuẩn tự dưỡng tồn tại và phát triển.
Cụ thể: SC1 duy trì khoảng pH cao hơn 2 đá còn lại. Kết quả này thể hiện một cách gián tiếp đá SC1 có khả năng cung cấp độ kiềm tốt hơn hai đá còn lại.
Khảo sát biến thiên amoni
Hình 3.7. Biến thiên NH4+-N của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian
Khóa 17-CHMT 48 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự biến thiên nồng độ amoni trong các hệ liên tục (từ ngày 10/3 đến 28/3) trên nước thải nhân tạo với ba loại đá SC đều giảm theo thời gian.
Cụ thể: - Hệ đá SC1: NH4+ giảm từ 141,3 mg-N/l về 20,86 mg-N/l. - Hệ đá SC2: NH4+ giảm từ 141,3 mg-N/l về 44,30 mg-N/l. - Hệ đá SC3: NH4 + giảm từ 141,3 mg-N/l về 42,78 mg-N/l.
Trong hệ đá SC1, nồng độ amoni giảm nhiều nhất. Còn hai hệ còn lại (với đá SC2 và SC3), độ biến thiên amoni gần giống nhau.
Nồng độ amoni giảm có thể do hai nguyên nhân: trong ba hệ có xảy ra quá trình oxi hóa amoni và một phần amoni giảm là do tham gia phản ứng đồng kết tủa với Ca2+
và PO4 3-
. Khảo sát biến thiên nitrit
Hình 3.8. Biến thiên NO2 -
-N của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian
Do một phần amoni giảm là do bị oxi hóa thành nitrit. Nên cần thiết khảo sát nồng độ nitrit trong ba hệ liên tục.
Khảo sát độ biến thiên nitrit trong ba hệ liên tục cho thấy trong 18 ngày thí nghiệm (từ ngày 10/3 đến 28/3). Trong 5 ngày đầu, trong cả ba hệ, nồng
Khóa 17-CHMT 49 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
độ nitrit cao hơn TCVN (NO2-
: 0,05 mg-N/l). Nồng độ nitrit ở các hệ sau đó đều thấp hơn TCVN (NO2-
: 0,05 mg-N/l).
Cụ thể: Hệ thí nghiệm với đá SC1 có nồng độ nitrit thấp hơn so với các hệ thí nghiệm với đá SC2 và SC3. Kết quả này cho thấy quá trình oxi hóa amoni tạo thành nitrit của đá SC1 kém hiệu quả hơn đá SC2 và SC3. Nhưng độ giảm amoni trong hệ đá SC1 giảm nhiều hơn. Điều này cho thấy phản ứng đồng kết tủa trong hệ đá SC1 hiệu quả hơn hai hệ còn lại.
Khảo sát biến thiên nitrat
Hình 3.9. Biến thiên NO3 -
-N của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian
Sau 18 ngày thí nghiệm (từ ngày 10/3 đến 28/3) nồng độ nitrat trong cả ba hệ liên tục đều giảm. Sau 10 ngày, nồng độ nitrat đều giảm từ 200 mg-N/l gần về 0. Cụ thể: - Hệ đá SC1, NO3 - giảm từ 197,6 mg-N/l đến 3,21 mg-N/l. - Hệ đá SC2, NO3 - giảm từ 197,6 mg-N/l đến 20,61 mg-N/l.
Khóa 17-CHMT 50 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
- Hệ đá SC3, NO3- giảm từ 197,6 mg-N/l đến 11,10 mg-N/l.
Kết quả thu được cho thấy, quá trình nitrat tự dưỡng xảy ra trong hệ thí nghiệm với đá SC1 tốt nhất trong ba loại đá. Điều này cũng được thể hiện trong Bảng 3.5 (bên dưới) về hằng số động học của quá trình khử nitrat tự dưỡng đối với từng loại đá.
Bảng 3.5. Tốc độ loại bỏ nitrat của quá trình khử nitrat tự dưỡng đối với từng loại đá SC khác nhau
Tỷ lệ phối liệu S:CaCO3
Tốc độ loại bỏ nitrat (mg-N/L/ngày)
Nồng độ nitrat ban đầu = 200 mg-N/l
3:2 1,3628
2:1 1,0574
3:1 0,4315
Tốc độ loại bỏ nitrat của hệ thí nghiệm với đá SC được xếp theo thứ tự giảm dần như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
SC1 (1,3628 mg-N/L/ngày) > SC2 (1,0574mg-N/L/ngày) > SC3 (0,4315 mg- N/L/ngày).
Kết quả này thể hiện khả năng khử nitrat tự dưỡng của hệ thí nghiệm với đá SC1 cao nhất, với đá SC3 thấp nhất.
So sánh hình ảnh đá SC trước và sau thí nghiệm
Viên SC chứa một lượng lưu huỳnh, đá vôi nhất định. Theo thời gian phản ứng, lưu huỳnh bị ion hóa thành ion sunphat (SO4
2-) làm cho lưu huỳnh trong vật liệu mất dần đi. Đồng thời, đá vôi cũng mất dần do cung cấp độ kiềm để ổn định pH. Tuy nhiên, lượng lưu huỳnh và đá vôi mất đi không chỉ phụ thuộc vào thành phần khối lượng của chúng trong vật liệu SC, mà còn phụ thuộc vào tính chất, kết cấu của vật liệu như độ xốp, độ mịn,…
Khóa 17-CHMT 51 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Để đánh giá vật liệu SC nào có khả năng khử nitrat tốt hơn thì phải quan tâm đồng thời đến 2 yếu tố sau:
- Hiệu quả khử nitrat;
- Tuổi của vật liệu (khoảng thời gian vật liệu khử được nitrat).
Nếu vật liệu SC có hiệu suất khử nitrat cao mà chỉ có thể duy trì trong khoảng thời gian ngắn thì vật liệu khó ứng dụng trong thực tế. Chính vì lý do đó, tuổi vật liệu là một yếu tố quan trọng.
Bước đầu so sánh tuổi của 3 loại đá SC có thể đánh giá bằng cảm quan dựa vào việc so sánh hình ảnh đá SC trước và sau thí nghiệm. Quan sát Hình 3.10 và 3.11 dưới đây:
SC1 SC2 SC3
Hình 3.10. Đá SC trước khi thí nghiệm
SC1 SC2 SC3
Khóa 17-CHMT 52 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Sau một thời gian thí nghiệm với 3 loại đá SC, quan sát thấy màu vàng ban đầu của lưu huỳnh ở cả ba loại đá đều bị nhạt đi. Quan sát bằng mắt, đá SC1 có màu vàng hơn so với SC2 và SC3. Như vậy, theo đánh giá cảm quan thì tuổi của vật liệu SC1 dài hơn hai loại còn lại.
Kết luận:
Thí nghiệm ba hệ liên tục với ba loại đá SC1, SC2, SC3 cho thấy hệ thí nghiệm với đá SC1 (tỷ lệ S:CaCO3 =3:2) có khả năng xử lý nitrat hay nói cách khác là quá trình khử nitrat tự dưỡng đem lại hiệu quả cao nhất trong ba loại đá. Hằng số động học của hệ với đá SC1 là 1,3628 mg-N/L/ngày. Hệ thí nghiệm với đá SC1 xử lý amoni hiệu quả hơn SC2và SC3 nhưng nitrit tạo thành trong hệ lại thấp nhất. Điều này thể hiện gián tiếp, hiệu quả phản ứng đồng kết tủa (Ca2+, NH4+, PO43-) trong hệ thí nghiệm với đá SC1 cao nhất.
Như vậy, với thí nghiệm trên ba loại đá có tỷ lệ S:CaCO3 khác nhau (3:2; 2:1; 3:1) ở các hệ liên tục cho thấy đá SC có tỷ lệ 3:2 là loại đá có tỷ lệ S:CaCO3 tối ưu cho quá trình khử nitrat tự dưỡng.