Thu thập các tài liệu về tính chất, thành phần nước thải chăn nuôi, các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi để từ đó có cái nhìn tổng quát và lựa chọn phương pháp xử lý chất phù hợp trong bối cảnh Việt Nam
33 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm
Đề xuất 02 kỹ thuật (tương ứng với 02 hệ nêu trong phần nội dung thực nghiệm)
xử lý nước thải chăn nuôi cùng một nguồn vào bằng 2 công nghệ yếm khí khác nhau IC và ABR với quy mô phòng thí nghiệm, Q= 50l/d, để so sánh hiệu quả xử lý COD. 2.3.2.1 Thiết kế hệ IC Hệ IC Đường kính cột, D = (mm) 140 Diện tích mặt cắt, S = (m2) 0,0154 Chiều cao cột, H = (m) 2
Chiều cao hiệu dụng cột, H = (m) 1,95
Thể tích hiệu dụng cột thí nghiệm (m3) 0,030 Thể tích hiệu dụng cột thí nghiệm (lít) 30,0
SS bùn cho vào hệ 22g/L
V bùn cho vào hệ 12L
Nguồn bùn cho vào hệ: bùn yếm khí lấy từ nhà máy bia Hà Nội- đường Hoàng Hoa Thám- Ba Đình- Hà Nội
Mô tả quá trình vận hành bộ thí nghiệm IC
Quá trình vận hành bộ thí nghiệm IC tương tự như vận hành trong giai đoạn khởi động hệ ABR. Tuy nhiên nội dung vận hành thay đổi do thay đổi tốc độ dâng trong bình phản ứng, thay đổi tải lượng hữu cơ đầu vào của hệ thống,…
34
Hình 11. Bình phản ứng dạng IC khi hoàn chỉnh
Hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc của hai hệ thống UASB xếp chồng lên nhau . Khí tách ra từ bộ phận tách pha phía dưới (lưu lượng lớn do tải lượng cao) được thu lại, chuyển động lên phía trên vào khoang thu khí qua đường ống dẫn lên. Khi dòng khí chuyển động lên sẽ cuốn theo nước và bùn từ vùng phân hủy cao tải. Sau khi tách khí, nước và vi sinh được đưa trở lại vào vùng phản ứng, xuống đáy bể, hòa trộn với dòng vào qua đường ống dẫn xuống. Dòng nước và vi sinh quay ngược lại vùng phản ứng cao tải là tính chất đặc trưng của kỹ thuật IC và vì vậy có tên là tuần hoàn nội bộ.
Nước thải được bơm định lượng ( thông qua Flowmeter 1- F1) vào thiết bị xử lý nước thải.Nước thải sau khi vào thiết bị xử lý nước thải được phân bố đều từ dưới đáy lên trên.Tiếp sau đó, trong quá trình dâng của nước sẽ đi qua hệ tách 3 pha
35
(khí/lỏng/rắn) thứ 1.Tại đây, hỗn hợp nước thải và bùn được phân tách rất hiệu quả, bùn (phần lớn) được giữ lại.
Hỗn hợp nước thải và bùn sau khi qua hệ tách 3 pha thứ 1 tiếp tục đi qua hệ tách 3 pha thứ 2 với mục tiêu giữ lại tối đa lượng bùn còn lại có trong nước thải.
Trong quá trình nước dâng lên qua hệ tách 3 pha (K/L/R), phần bùn được giữ lại và khí được sinh ra bên trong thiết bị xử lý cùng được kéo lên ngăn trên cùng.Tại đây, khí được tách ra bay lên và được thu lại vào túi khí.Sau đó khí được tuần hoàn trở lại thiết bị xử lý từ dưới lên.Bùn thì được phân phối tuần hoàn đều về đáy của thiết bị xử lý thông qua bộ phân phối đều bùn tuần hoàn.
Như vậy, các thành phần K/L/R của nước thải sau khi đi qua hệ tách 3 pha (K/L/R) đã được tách và xử lý riêng biệt triệt để :
+ Pha lỏng : Nước thải được thu ra sau khi đi qua 2 bộ tách 3 pha nằm bên trong thiết bị xử lý.Nước thải có thể cấp tuần hoàn trở lại thiết bị xử lý thông qua Flowmeter 2
+ Pha rắn : Lượng bùn bên trong nước thải được thu lại và tuần hoàn liên tục.Đến khi hàm lượng bùn vượt quá yêu cầu thì tiến hành xả bùn thiết bị xử lý.
+ Pha khí : Khí được sinh ra nội tại bên trong thiết bị xử lý được thu lên ngăn trên cùng được tách riêng bay lên và được thu lại tuần hoàn cấp khí (hoặc xả khí thải, tự cấp khí ngoài) vào thiết bị xử lý từ dưới lên thông qua Flowmeter 3
36 Hình 12: Hình ảnh bộ tách 3 pha nÕp gÊp khe hë nÕp gÊp Hình 13. Hình ảnh nón phân phối bùn Hình ảnh hệ IC khi hoạt động 2.3.2.2 Thiết kế hệ ABR
37
Thuyết minh công nghệ:
Nước thải được bơm định lượng ( thông qua Flowmeter 1- F1) vào (cột 1) thiết bị xử lý nước thải.Nước thải sau khi vào (cột 1) thiết bị xử lý nước thải được phân bố đều từ dưới đáy lên trên.Tiếp sau đó, trong quá trình dâng của nước sẽ đi qua hệ tách 3 pha (khí/lỏng/rắn) nằm bên trong (cột 1) thiết bị xử lý.Tại đây, hỗn hợp nước thải và bùn được phân tách rất hiệu quả, bùn (phần lớn) được giữ lại.
Trong quá trình nước dâng lên qua hệ tách 3 pha (K/L/R), phần bùn được giữ lại và khí được sinh ra bên trong (cột 1) thiết bị xử lý cùng được kéo lên ngăn trên cùng.Bùn được phân phối tuần hoàn đều về đáy của thiết bị xử lý thông qua bộ phân phối đều bùn tuần hoàn.Tại đây, khí được tách ra bay lên (có thể thu lại khí để đo đếm lượng khí sinh ra).
Hình 14.Sơ đồ công nghệ hệ ABR quy mô phòng thí nghiệm ( Q =50 L/ngày )
38
Nước thải sau khi ra khỏi (cột 1) thiết bị xử lý, tiếp tục được chuyển sang (cột 2) thiết bị xử lý.Nước thải cũng được phân phối đều từ dưới đáy, sau đó đi qua 3 tách 3 pha khí/lỏng/rắn như (cột 1) thiết bị xử lý.Về cấu tạo, cột 2 có cấu tạo giống như cột 1.Phần bùn còn lại trong nước thải sau khi ra khỏi (cột 1) thiết bị xử lý tiếp tục được phân tách bởi bộ tách 3 pha khí/lỏng/rắn nằm trong (cột 2) thiết bị xử lý.Với việc nước thải đi qua 2 bộ tách 3 pha, bùn được giữ lại với hiệu quả rất cao.
Trong quá trình nước dâng lên qua hệ tách 3 pha (K/L/R), phần bùn được giữ lại và khí được sinh ra bên trong (cột 2) thiết bị xử lý cùng được kéo lên ngăn trên cùng.Bùn được phân phối tuần hoàn đều về đáy của thiết bị xử lý thông qua bộ phân phối đều bùn tuần hoàn.Tại đây, khí được tách ra bay lên (có thể thu lại khí để đo đếm lượng khí sinh ra).
Nước thải sau khi ra khỏi (cột 2) thiết bị xử lý tiếp tục được đưa qua (cột 3) thiết bị xử lý.Về cấu tạo, cột 3 vẫn có bộ tách 3 pha khí/lỏng/rắn, tuy nhiên không có bộ thu khí và tuần hoàn bùn.Nước thải cũng được phân phối đều từ dưới đáy (cột 3) thiết bị xử lý và đi qua bộ tách 3 pha.Hàm lượng bùn có trong nước thải khi này sẽ còn rất thấp.
Nước sau khi đi qua bộ tách 3 pha trong (cột 3) thiết bị xử lý tiếp tục được đưa sang (cột 4) thiết bị xử lý.(Cột 4) thiết bị xử lý là cột lắng, có nhiệm vụ lắng lại các bông bùn, huyền phù còn sót lại trong nước thải sau khi đi qua 3 bộ tách 3 pha khí/lỏng/rắn.Nước thải được phân phối vào ống trung tâm từ phía trên, sau đó được thu ra.
Ở đây, nước thải ngoài được xáo trộn thủy lực bằng việc cho dòng nước đi theo kiểu zích zắc (từ dưới lên qua 3 cột) thì nó còn được đi qua 3 bộ tách 3 pha khí/lỏng/rắn. Đây là sự kết hợp độc đáo giữa xáo trộn thủy lực của hệ ABR. Có thể nói đây chính là một cải tiến mới của hệ ABR.
Sau 1 thời gian vận hành, lượng bùn càng ngày càng được tăng lên. Nếu vượt quá nồng độ quy định cho phép thì tiến hành xả bùn, nên duy trì nồng độ bùn trong cột tốt nhất từ 20-30g/l.
39 Tên cột Chiều cao cột (cm) Chiều cao hiệu dụng của cột (cm) Thể tích cột ( lít ) Thể tích hiệu dụng cột (lít ) 1 100 93 15,4 14,3 2 100 88 15,4 13,6 3 100 83 15,4 12,8 4 100 75 15,4 11,6 Đường kính cột(m) 0,14 Diện tích mặt cắt (m2) 0,0154 Tổng thể tích cột (m3) 61,6 52,2
Nguồn bùn cho vào cột ABR: bùn yếm khí lấy từ nhà máy bia (bùn lấy từ nhà máy bia Hà Nội- đường Hoàng Hoa Thám- Ba Đình- Hà Nội
Ngày điền bùn vào hệ : 30/1/2013
Hình 15 : hình ảnh hệ ABR hoàn chỉnh 2.4. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
Các chỉ tiêu đo hiện trường : Độ dẫn (mS/cm), pH, nhiệt độ tiến hành đo hàng ngày.
Đối với các chỉ tiêu phân tích:
COD lọc, COD tổng: 3 lần/ tuần
40 SS: 1 lần/1 tuần VFA: 1 lần / 1 tháng 2.4.1. Hóa chất
- Hóa chất bổ sung cơ chất (nếu thiếu): đường hoặc etanol công nghiệp - Hoá chất bổ sung độ kiềm (nếu thiếu): NaHCO3 (loại công nghiệp)
- Hóa chất phân tích các chỉ tiêu: pH, COD, TSS và độ kiềm (loại tinh khiết) 2.4.2. Thiết bị và dụng cụ
Máy đo quang UV-VIS của hãng Shimazu; Cân phân tích 4 số của hãng Shimazu; Bếp nung COD ECO 16 (VELP SCIENTIFICA - Italy); Cốc thủy tinh, bình định mức, bình nón, pipet các loại; Ống phá mẫu COD; Đũa thủy tinh; Máy đánh bùn siêu âm ULTRATURRAX; Máy đo pH hãng HANNAINSTRUMENTS và một số các dụng cụ và thiết bị khác
2.4.3. Các quy trình phân tích
Xác định pH bằng máy đo pH hãng HANNAINSTRUMENTS,
Phương pháp xác định TSS (phụ lục 2)
Phương pháp xác định COD(phụ lục 1)
2.5. Xử lý số liệu (Các số liệu phân tích được đưa vào và xử lý trong bảng excel) excel)
Tải lượng: Là một thông số quan trọng đối với thiết kế cũng như trong quá trình
vận hành có hiệu quả và ổn định các hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Nếu vận hành hệ thống ở giá trị vượt quá khoảng tải lượng cho phép có
thể làm phá vỡ sự ổn định của hệ thống, làm cho hệ thống không làm việc được.
TLvào (kg COD/m3.ngày) =
CODvào (kg/m3)* Qvào (m3/ngày)
41
Năng suất xử lý: là lượng COD được xử lý tính cho một đơn vị thể tích của bể
xử lý được tính theo công thức :
NSXL(kgCOD/m3.ngày) = TLvào(kgCOD/m3.ngày) - TLvào(kg COD/m3.ngày) Năng suất xử lý là một thông số quan trọng trong chọn lựa các phương án thiết kế hệ thống xử lý nước thải khác nhau.
Hiệu suất xử lý COD
42
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hệ IC đã tiến hành khảo sát với các thời gian lưu giảm dần từ 24 tới 6h, tốc độ dâng nước v = 0,9m/h. Hệ ABR đã tiến hành khảo sát các thời gian lưu giảm dần từ 30 tới 6h, v = 0,9m/h.
Vi sinh đầu vào là bùn yếm khí lấy từ nhà máy bia Hà Nội, dạng bông , khả năng lắng kém. Hàm lượng TSS bùn đầu vào là 22 g/l.
Nước thải lấy từ thôn Đông Mỹ- xã Đông Mỹ, huyện Thanh Trì, Hà Nội được đo pH, phân tích các chỉ số CODT, CODht, TSS; TN; TP; độ kiềm và các chỉ số khác. Tuy nhiên, do lưu trữ ở điều kiện nhiệt độ phòng (24-34oC) phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học giảm nhanh, thể hiện rõ ở chỉ số CODht, bởi vậy khi đưa vào chạy hệ nước thải được bổ sung đường để CODht có thể đạt 2.500-3.000 mg/l. Chất lượng nước thải đầu vào được thể hiện ở bảng 5.
Bảng 5: Thông số nước thải đầu vào
Mẫu nước thải
Khoảng giá trị
ToC pH CODT CODht TSS T-N T-P Độ kiềm
Đơn vị 0C mgO2/l mgO2/l mg/l mg/l mg/l mgHCO3/l Nước thải vào 22- 34 7,2-7,5 4.705- 7.950 2.510-3.225 1.560- 4.880 406-510 39-68 2.809-3.020 QCVN 40:2011/ BTNMT(B) 40 5,5- 9 - 150 100 40 6 -
Kết quả ở bảng 5 cho thấy: các chỉ tiêu COD, TSS, T-N, T-P trong nước thải đều vượt quy chuẩn nhiều lần, đáng quan tâm nhất là COD vượt tới 20 lần so với nước thải công nghiệp loại B QCVN 40:2011/BTNMT, TSS vượt quy chuẩn từ 15 – 48 lần, T-N vượt 10-14 lần và T-P vượt 6-11 lần.
3.1 Đánh giá ảnh hưởng của yếu tố tăng dần tải lượng đến khả năng xử lý chất hữu cơ trong giai đoạn khởi động của 2 hệ ABR và IC hữu cơ trong giai đoạn khởi động của 2 hệ ABR và IC
43
Tiến hành chạy khởi động với trại chăn nuôi lợn (thôn Đông Mỹ- xã Đông Mỹ, huyện Thanh Trì, Hà Nội) với các thời gian lưu khác nhau để tìm được thời gian lưu tối ưu. Tốc độ dâng nước được chọn = 0,9m/h. Cơ sở chọn vdâng = 0.9 m/h: theo các nghiên cứu của nhóm GS. Lettinga [10] với các hệ xử lý yếm khí cao tải tốc độ dâng nước có thể lên tới 2m/h, thường = 0,6-1m/h, tuy nhiên tốc độ dâng nước còn phụ thuộc vào dạng của bùn. Nếu bùn yếm khí dạng hạt, lắng tốt, tốc độ dâng có thể đạt cao, nhưng với bùn dạng bông và các dạng khác do khả năng lắng chưa tốt nên thích hợp với dải tốc độ dâng 0,5-1 m/h. Hiện bùn sử dụng cho hệ ABR và IC đang ở dạng bùn bông vì vậy chúng tôi tiến hành lựa chọn khảo sát hệ ABR ở tốc độ dâng ban đầu là 0,9 m/h.Tăng dần tải lượng bằng cách tăng lưu lượng như ở bảng 6.
Bảng 6. Tổng hợp chế độ vận hành hai hệ yếm khí Hệ
phản ứng
Số thí nghiệm ứng với Thời gian lưu nước (HRT, h)
No 1 2 3 4 5 6 IC Q, L/d 30,2 36 43 60 72 125,3 HRT, h 24 20 16 12 10 6 ABR Q, L/h 42 50,1 62 83,5 125,3 207 HRT, h 30 25 20 15 10 6
Các công thức tính toán trong luận văn
Qth ( l/ngày ) = Qtổng – Qv 3 3 3 3 / * / . / m V d m Q m COD kg COD d m COD kg TL r in in (1)
kg COD m d TL kg COD m d TL kg COD m d
NSXL / 3. in / 3. ef / 3. 100 % , , , in T ef T in T COD COD COD COD HS T
3.1.1 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=30h), IC(HRT=24h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) ngày)
Qv ( l/ngày ) = [ Vhiệu dụng hệ ABR(l)/tthời gian lưu(giờ) ] *24
44
Các kết quả vận hành IC ở HRT 24h và ABR ở HRT = 30h được thể hiện trên các hình 16 đến 18.
Hình 16. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 30h, IC 24h
45
Hình 18. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 30h, IC 24h
Từ các hình 16 tới 18 ta thấy: với hệ ABR (HRT= 30h, Q=42l/d) với mật độ bùn trong cột 10-12g/l, giá trị CODt vào dao động (1.767-5.902 mg/l) hiệu suất xử lý CODt trung bình 76%, CODht vào dao động (760-1.290 mg/l) hiệu suất xử lý CODht chỉ đạt trung bình 33%. Cùng đầu vào như hệ ABR với hệ IC (HRT=24h) hiệu suất loại bỏ CODt đạt 76%, hiệu suất loại bỏ CODht đạt 35%. Như vậy do hệ mới bắt đầu hoạt động nên vi sinh trong hệ chưa ổn định dẫn tới khả năng xử lý CODht chưa cao, tuy nhiên hiệu xuất xử lí CODt đã đạt trên 70%.
3.1.2 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=25h), IC(HRT=20h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) ngày)
Các kết quả thí nghiệm ở chế độ tăng tải, ứng với giảm HRT tới 25h (ABR) và 20h (IC) được thể hiện trên hình 19 đến 21.
46
Hình 19. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 25h, IC 20h
47
Hình 21. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 25h, IC 20h
Do hệ đã bắt đầu ổn định hơn mật độ bùn trong cột 15g/l nên hiệu suất xử lý CODt, và CODht của hệ ABR (t=25h), IC (20h) khá cao và ổn định. Với cùng đầu vào CODt,vào tb 4.860mg/l (từ 2.998- 6.900mg/l) thì CODt,ra ABR(tb 1.178mg/l) thấp hơn CODt,ra IC (tb 1.406mg/l), hiệu suất xử lý CODt hệ ABR đạt trung bình 75% cao hơn so với hiệu suất xử lý CODt hệ IC chỉ đạt 70% điều này có thể giải thích do cấu tạo hệ ABR có ngăn lắng nên xử lý được TSS tốt hơn và bùn ít trào ra hơn. Mặt khác với CODht,vào tb 2.834mg/l thì CODht,ra ABR (tb 754mg/l) gần tương đương CODht,ra IC (tb 745mg/l), hiệu suất xử lý CODht ABR và IC đều đạt trung bình 68% từ 55- 76%.
3.1.3 Chạy hệ ABR (HRT=20h), IC(HRT=16h) (thời gian khảo sát 30 ngày) Các kết quả ở chế độ này được thể hiện trên các hình 22 tới 24. Các kết quả ở chế độ này được thể hiện trên các hình 22 tới 24.
48
Hình 22. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 20h, IC 16h
Hình 23 .Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 20h, IC 16h
Từ hình 22 và 23 nhận thấy giá trị CODt đầu vào dao động trong khoảng