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
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:
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.
3.3.2. Kết quả nghiên cứu khả năng khử nitrat tự dưỡng của đá SC đối với một số mẫu bùn thực tế
Tiến hành nuôi vi sinh trong hệ thống 3 bình phản ứng với cơ chất là amoni, nitrat mà không có chất hữu cơ (KHC). Vi sinh nuôi cấy được lấy từ bể bùn hoạt tính của trạm xử lý nước thải bia công ty Ha Đô, bùn thải sinh hoạt sông Tô Lịch. Mật độ vi sinh cho vào nuôi cấy là 0,19 g bùn/l. Dung dịch nuôi vi sinh là nước tự pha có thành phần chính được trình bày tại bảng 3.1 và bảng 3.2, chỉ cho amoni và không cho chất hữu cơ. Thời gian nuôi vi sinh khoảng 1 tháng. Trong thời gian nuôi cấy duy trì các điều kiện về độ kiềm, pH và hàm lượng amoni để vi sinh phát triển tốt.
Khóa 17-CHMT 53 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Kết quả khảo sát các thông số SS và VSS của các loại bùn được thể hiện trong Bảng 3.6
Bảng 3.6. Thông số SS và VSS của các loại bùn
Thông số 100%HT 50%HT + 50%TL 100%TL
SS (g/L) 168,57 136,02 132,28
VSS (g/L) 132,5 98,34 90,07
VSS/SS (%) 78,6 72,30 68,09
Với ba loại bùn thí nghiệm đều cho thấy, tỷ lệ VSS/SS đều nằm trong khoảng gần 70% - 80%. Tỷ lệ VSS/SS càng cao thể hiện lượng vi sinh ngày càng nhiều. Từ số liệu bảng cho thấy, lượng vi sinh của bùn thí nghiệm giảm dần theo các loại, trong đó bùn (100% HT) cao nhất và bùn (100% TL) là thấp nhất.
Thí nghiệm 3 hệ gián đoạn với loại đá tối ưu S:CaCO3 = 3:2 trên 3 loại bùn: 100% HT; 50% HT+ 50%TL và 100%TL. Lấy mẫu sau các khoảng thời gian xử lý 1h, 2h, 4h, 6h, 12h, 24h, 48h và phân tích các thông số pH, NO3-, NO2-, NH4+, SO42-. Kết quả thu được thể hiện ở Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Khả năng xử lý của các loại bùn
Thành phần nƣớc thải đầu vào
pH Hàm lƣợng các chất ô nhiễm (ppm) 7,20 NO3 - NO2- NH4+ SO42- 97,51 0,00 8,65 60,40 Các loại bùn thí nghiệm Mẫu bùn Thời gian,
h pH Hàm lƣợng các chất ô nhiễm (ppm) NO3 - NO2 - NH4 + SO4 2- Hoạt tính 0 7,20 97,51 0,00 89,65 60,40 1 7,32 79,17 1,36 77,07 72,50 2 7,26 55,03 4,04 59,00 90,07 4 7,43 19,94 5,89 36,04 166,70 6 7,56 17,67 6,76 30,14 179,03 12 7,15 9,34 6,55 27,29 192,40 24 6,99 5,64 4,47 20,60 227,00
Khóa 17-CHMT 54 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 48 6,95 0,00 0,00 0,00 239,60 Tô lịch 0 7,20 97,51 0,00 89,65 60,40 1 7,13 89,97 0,99 84,19 53,25 2 7,18 86,52 2,53 78,31 69,60 4 7,32 50,09 3,80 60,05 78,11 6 7,34 34,56 4,20 47,72 102,03 12 7,57 27,84 6,01 38,96 154,16 24 7,23 22,64 6,54 26,53 174,15 48 7,01 3,17 2,33 8,99 198,00 HT + TL 0 7,20 97,51 0,00 89,65 60,40 1 7,20 83,51 2,17 80,35 60,20 2 7,46 77,46 3,34 64,71 87,60 4 7,32 44,74 4,62 46,52 156,30 6 7,45 36,13 5,75 30,14 155,50 12 7,19 17,07 5,10 27,29 184,20 24 7,31 12,30 3,40 23,60 225,40 48 7,01 0,98 0,098 5,14 224,30 Từ kết quả thí nghiệm thu được ở bảng 3.7, có thể biểu diễn sự biến thiên nồng độ nitrat trên Hình 3.12.
Hình 3.12. Biến thiên giá trị NO3--N của các hệ gián đoạn theo thời gian đối với ba loại bùn
Khóa 17-CHMT 55 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Khảo sát 3 hệ gián đoạn với đá SC1 (tỷ lệ S:CaCO3 = 3:2) trên ba loại bùn (100% HT, 50% HT+ 50%TL, 100%TL). Nồng độ NO3
-
đầu vào là 97,51mg-N/L. Kết quả cho thấy sau 48 giờ, nồng độ NO3
-
của ba hệ đều giảm gần về 0. Cụ thể: - Hệ 100% HT, NO3- giảm từ 97,51 mg-N/L đến 0,00 mg-N/L. - Hệ 50% HT+ 50%TL, NO3 - giảm từ 97,51 mg-N/L đến 0,98 mg-N/L. - Hệ 100%TL, NO3 - giảm từ 97,51mg-N/L đến 3,17 mg-N/L.
Kết quả đồ thị cho thấy, ban đầu nồng độ nitrat trong hệ bùn hoạt tính giảm nhanh hơn so với hai hệ thí nghiệm với hai loại bùn còn lại sau 4 giờ thí nghiệm. Sau đó, khả năng xử lý nitrat của cả ba hệ đạt được gần giống nhau.
Như vậy, khả năng xử lý nitrat của hệ thí nghiệm với bùn hoạt tính là cao nhất. Điều này có thể giải thích bởi trong hệ bùn hoạt tính có nhiều vi khuẩn tự dưỡng khử nitrat và có tiềm năng xử lý hơn hai loại bùn còn lại. Tuy nhiên, trong điều kiện không có bùn hoạt tính hoặc không đủ bùn hoạt tính, có thể nuôi bùn sinh hoạt hoặc kết hợp bùn sinh hoạt và bùn hoạt tính sau một thời gian sẽ có thể sử dụng bùn này cho quá trình xử lý.
Kết quả này cũng cho thấy, trong bùn hoạt tính có khả năng chứa nhiều vi khuẩn khử nitrat tự dưỡng hơn loại bùn sinh hoạt.
Khóa 17-CHMT 56 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
3.3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước viên composit tới hiệu quả quá trình khử nitrat tự dưỡng
Khảo sát biến thiên nitrat
Hình 3.13. Biến thiên giá trị NO3 -
-N của các hệ gián đoạn theo thời gian với các kích thước viên SC khác nhau
Thí nghiệm khảo sát kích thước viên tối ưu, với ba dải (< 2mm; 2-5 mm; > 5mm) với hệ thí nghiệm có đá SC1 (S:CaCO3 = 3:2), bùn hoạt tính. Sau 7,5 ngày thí nghiệm nồng độ nitrat đã giảm từ 61,5 mg-N/L về gần 0.
Kết quả khảo sát thể hiện trên đồ thị cho thấy hệ thí nghiệm với đá SC có kích thước < 2mm có hiệu quả xử lý nitrat cao nhất trong ba hệ.
Cụ thể: - Hệ đá SC< 2mm, NO3 - giảm từ 61,50 mg-N/L đến 1,03 mg-N/L. - Hệ đá SC 2-5 mm, NO3- giảm từ 61,50 mg-N/L đến 2,05 mg-N/L. - Hệ đá SC > 5mm, NO3- giảm từ 61,50 mg-N/L đến 0,92 mg-N/L. Từ kết quả thu được, có thể tính toán được hằng số động học của quá trình khử nitrat tự dưỡng với các kích thước viên SC khác nhau. Số liệu tính toán được đưa ra trong Bảng 3.8. Bảng kết quả này là cơ sở đánh giá khả năng xử lý nitrat của các hệ thí nghiệm.
Khóa 17-CHMT 57 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Bảng 3.8. Tốc độ loại bỏ nitrat của quá trình khử nitrat tự dƣỡngvới các kích thƣớc viên SC khác nhau
Kích thƣớc viên SC Tốc độ loại bỏ nitrat (mg-N/L/ngày)
Nồng độ nitrat ban đầu = 200 mg-N/l, Tỷ lệ S:CaCO3 = 3:2
< 2mm 2,910
2-5mm 2,455
>5mm 0,531
Từ bảng số liệu trên thấy rằng, khả năng xử lý nitrat của hệ thí nghiệm với đá SC < 2mm là cao nhất; hệ thí nghiệm với đá SC > 5 mm là thấp nhất.
Như vậy, với đá SC có kích thước viên < 2mm là phù hợp nhất đối với quá trình khử nitrat tự dưỡng.
Bên cạnh việc khảo sát sự biến thiên nồng độ nitrat trong hệ, khảo sát sự biến thiên nồng độ sunphat cũng là một cách gián tiếp đánh giá khả năng xử lý của các hệ thí nghiệm, đồng thời sự biến thiên thông số sunphat theo xu hướng tăng dần thể hiện quá trình khử nitrat tự dưỡng có xảy ra trong các hệ thí nghiệm.
Khóa 17-CHMT 58 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Khảo sát biến thiên sunphat
Hình 3.14. Biến thiên giá trị SO4 2-
của các hệ gián đoạn theo thời gian với các kích thước viên SC khác nhau
Kết quả đồ thị cho thấy, trong quá trình khảo sát nồng độ sunphat tăng dần. Cụ thể:
- Hệ đá SC < 2mm, SO42- tăng từ 37,40 mg/L đến 99,40 mg/L. - Hệ đá SC 2-5 mm, SO42- tăng từ 37,40 mg/L đến 97,76 mg/L. - Hệ đá SC > 5mm, SO42- tăng từ 37,40 mg /L đến 120,09 mg /L.
Quá trình khảo sát cũng cho thấy, biến thiên sản phẩm sunphat tạo thành trong hệ đá SC (< 2 mm) và hệ đá SC (2-5 mm) là gần giống nhau. Nồng độ sunphat trong các hệ thí nghiệm tăng khẳng định quá trình khử nitrat tự dưỡng có xảy ra trong các hệ.
Như vậy, hiệu quả quá trình khử nitrat tự dưỡng xảy ra trong hệ với đá SC < 2 mm cao nhất.
Khóa 17-CHMT 59 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
3.3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hệ thống tới quá trình khử nitrat tự dưỡng trên mô hình pilot
a. Hệ thống thí nghiệm
Hình 3.15. Sơ đồ hệ xử lý liên tục
1- Thùng chứa nước thải nhân tạo; 2- Bơm lưu lượng; 3- Cột sinh học - Thiết bị xử lý có chứa đá SC tỷ lệ 3:2; 4- Bể chứa trung gian; 5- Bơm tuần hoàn; 6- Nước đầu ra
Nguyên tắc hoạt động của hệ xử lý: