1.9.3.1 Khái niệm và nguyên tắc của quá trình tuyển nổi [14]
Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất ( ở dạng rắn hoặc dạng lỏng ) phân tán không tan tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp quá trình này cũng được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt.
Trong xử lý nước thải về nguyên tắc, tuyển nổi thường sử dụng để khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử hoàn toàn các hạt nhỏ hơn hoặc nhẹ, lắng chậm, trong một thời gian được gom bằng bộ phận vớt bọt.
Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ vào pha lỏng. Các khí đó sẽ kết dính với các hạt và khi lực nổi của tập hợp các bong bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt sau đó chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng ban đầu.
Trong trường hợp cần tách các hạt rắn kỵ nước khi bong bóng khí dính chặt vào chúng sẽ tạo thành một đường bao là biên giới của pha rắn-lỏng-khí giới hạn diện tích dính của bọt khí. Đường tiếp tuyến với mặt bọt khí tại điểm tiếp xúc và bề mặt của hạt rắn tạo thành một góc θ.
Khả năng tạo thành tổ hợp tuyển nổi của các hạt – bọt khí, vận tốc của quá trình, độ bền vững của mối dính kết và thời gian tồn tại của tổ hợp trên phụ thuộc vào bản chất hạt, vào đặc tính tác dụng tương hỗ của các tác nhân với bề mặt hạt và và khả năng thấm ướt của bề mặt năng lượng tạo thành tổ hợp bọt khí – hạt bằng.
A = σ (1- cosθ) (1.5) Trong đó:
σ: là sức căng bề mặt của nước trên biên giới với khí.
Đối với hạt thấm ướt tốt θ ->0, cos θ->1, do đó sự bền vững của kết dính là nhỏ nhất, ngược lại đối với hạt không thấm nước độ bền vững đó là lớn nhất.
Xác suất kết dính của hạt với bóng khí phụ thuộc vào độ thấm ướt của hạt. Độ thấm ướt đó được đặc trưng bởi đại lượng góc biên θ. Góc biên thấm ướt càng cao và độ bền vững của mối kết dính trên bề mặt càng lớn.
1.9.3.2 Các phương pháp tuyển nổi
Trong xử lý nước thải, người ta phân biệt các phương pháp tuyển nổi như sau: - Tuyển nổi bằng việc tách không khí từ dung dịch
- Tuyển nổi phân tán không khí bằng phương pháp cơ học
- Tuyển nổi bằng cách cấp không khí qua đầu khuếch tán bằng vật liệu xốp - Tuyển nổi điện và tuyển nổi hóa học.
- Qúa trình thực hiện liên tục có phạm vi ứng dụng rộng rãi - Vốn đầu tư chi phí vận hành không lớn
- Thiết bị đơn giản
- Có độ lựa chọn tách các tạp chất
- Tốc độ tuyển nổi cao hơn quá trình lắng
1.9.3.4 Ứng dụng của phương pháp tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải của nhiều ngành công nghiệp như chế biến dầu mỏ, sợi tổng hợp, giấy, da, chế tạo máy, thực phẩm hóa chất…
1.9.4 Xử lý nước thải nhiễm dầu bằng công nghệ sinh học [17]
Ứng dụng công nghệ sinh học vào kỹ thuật môi trường đã và đang là một hướng nghiên cứu rất được quan tâm phát triển và ngày càng có nhiều ứng dụng thiết thực với ưu điểm là thân thiện với môi trường.
Chẳng hạn Kho K99 của tổng cục hậu cần là kho đầu mối trử lượng lớn, lưu lượng tiếp nhận, cấp phát hàng trăm nghìn tấn xăng dầu mỗi năm. Hơn nữa kho còn pha chế xăng A90 để cấp phát cho các đơn vị quân đoàn. Số lượng xăng dầu lớn nên số lượng nước thải nhiễm dầu cũng đáng kể. Phải xử lý an toàn để đảm bảo môi trường cho kho và khu vực xung quanh. Từ năm 2001 kho K99 được đầu tư công nghệ xử lý nước thải nhiễm dầu đồng bộ trong đó có bể xử lý sinh học.
Quy trình xử lý bao gồm:
Bơm nước từ bể thu váng lên tháp, để lắng 24 giờ, sau đó mở van cho nước xuống các bể từ 1 đến 4, khi nước vào đầy các bể, cách mặt từ 15 cm đến 20 cm đóng van xả, cho chế phẩm sinh học dạng viên vào các bể chứa ngâm xử lý từ 7 đến 10 ngày. Sau đó chuyển tải nước xử lý lần một qua các bể còn lại với mức nước đầy. Tiếp tục rắc các chế phẩm sinh học để xử lý. Tiếp đó, sử dụng các thiết bị khuấy, sục khí tại các bể, thời gian sục liên tục 36 giờ, cứ 6 giờ nghỉ khoảng 30 phút. Sau 24 giờ tiếp tục bổ sung vào các bể các chế phẩm sinh học. Kết thúc quá trình sục khí, mở van
xả nước ra bể xử lý sinh học lần cuối, nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường.
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.1 Phương pháp lấy mẫu
- Mẫu nhũ tương dầu/nước được lấy từ nguồn nước thải nhà máy dầu nhờn BP – Castrol, Petrolimex, Vilube, AP Sài Gòn Petro, Nikko, PV Oil tại các bể lắng, sau khi đã lọc gạn lớp váng dầu lần 1 ( lọc bằng bông thủy tinh) thì xác định hàm lượng dầu trong nước còn lại.
- Mẫu nhũ tương dầu trong nước của dầu nhờn thành phẩm Helix HX5 15W40 của hãng Shell được pha với nước với tỷ lệ khác nhau và khuấy sau đó tiến hành để ổn định xác định lại hàm lượng dầu trong nước.
Bảng 2.1: Hàm lượng dầu trong mẫu pha với các thể tích khác nhau
Tên mẫu 1 2 3 4 5 6
Hàm lượng dầu
(mg/l) 10 -50 50-100 100-200 200-300 300-400 400 -500 Hàm lượng dầu
trong mẫu nước khi để ổn định 30 ngày (mg/l)
20,4 78,3 158,8 265,5 356,9 451,2
( Nguồn bằng thực nghiệm pha trong phòng thí nghiệm)
Trước khi quy hoạch hóa thực nghiệm tiến hành khảo sát thăm dò từng yếu tố như nồng độ chất keo tụ, thòi gian khuấy, tốc độ khuấy ảnh hưởng đến hiệu xuất loại bỏ dầu trong nước của nhũ tương dầu/nước.
2.1.3 Phương pháp phân tích dầu tại phòng thí nghiệm
Mẫu sau khi keo tụ phá nhũ tương dầu/nước bằng phèn nhôm và C-300 để ổn định khoảng 15 phút. Sau đó cho vào phiễu chiết tách lấy lớp váng dầu phía trên. Phần nước sau khi chiết cho vào phiễu chiết cho vào thêm 20 ml dung môi Petroleum ether có nhiệt độ sôi từ 30 đến 600C lắc đều. Chiết lấy phần dung môi chứa dầu vào một bình tam giác 250ml. Đem chưng tách dung môi Petroleum ether ở nhiệt độ 60 đến 700C cho đến khi phần dung môi bay ra hết. Đem bình tam giác chứa dầu cho vào tủ sấy, sấy ở nhiệt độ 1000C để nước và dung môi còn lại bay hết, để nguội rồi cho vào bình hút ẩm khoảng 15 phút, rồi đem cân trên cân phân tích với độ chính xác 10-4 (gam) ta được khối lượng g2 ( gam).
Lượng dầu trong nước được tính theo công thức sau:
Trong đó
g1: Khối lượng bình trước khi chưng (g) g2: Khối lượng bình có dầu sau khi chưng (g) V: Thể tích mẫu đem phân tích (ml)
m: Khối lượng dầu trong nước (mg/l)
2.1.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm
Qua thực nghiệm xác định hàm lượng dầu ở các tổng kho chứa xăng dầu, các nhà máy sản xuất dầu nhờn tại TP.HCM hàm lượng dầu nằm trong khoảng 86 -310
mg/l. Do lượng dầu tồn tại trong nước tại các tổng kho, nhà máy dầu nhờn thay đổi nên các giá trị hàm lượng dầu trong nước xác định là những giá trị trung bình. Sau khi khảo sát thăm dò các yếu tố như nồng độ, tốc độ khuấy, thời gian khuấy ta tiến hành:
Hàm lượng dầu trong nước từ 10 -200 mg/l mã hóa theo bảng 2.2 Hàm lượng dầu trong nước từ 200 -500 mg/l mã hóa theo bảng 2.3 Đối với hàm lượng dầu
Ta tiến hành đặt các biến như sau: Z1: Là biến nồng độ (ppm)
Z2: Là biến thời gian khuấy ( giây) Z3: Là biến tốc độ (vòng/phút) Mã hóa các biến theo công thức
=
Trong đó:
=
=
xj = 0 khi Zj =
xj = -1 khi Zj = Zmin
Mẫu 1 hàm lượng dầu nằm trong khoảng 10 -50 mg/l, mẫu 2 hàm lượng dầu nằm trong khoảng 50 – 100 mg/l mẫu 3 hàm lượng dầu nằm trong khoảng 100 -200 mg/l sau khi mã hóa ta được bảng sau:
Bảng 2.2 : Bảng mã hóa khi hàm lượng dầu nằm trong khoảng 10-200 mg/l
Yếu tố Nồng độ hóa chất (ppm)
Thời gian khuấy ( giây) Tốc độ khuấy ( vòng/phút) Đặt biến Z1 Z2 Z3 Giá trị gốc 15 75 600 Cận trên 24 120 1000 Cận dưới 6 30 200 9 45 400
Mẫu 4, mẫu 5, mẫu 6 sau khi mã hóa ta được bảng như sau:
Bảng 2.3 : Bảng mã hóa khi hàm lượng dầu nằm trong khoảng 200 - 500 mg/l
Yếu tố Nồng độ hóa chất (ppm)
Thời gian khuấy ( giây)
Tốc độ khuấy ( vòng/phút)
Giá trị gốc 30 75 600
Cận trên 48 120 1000
Cận dưới 12 30 200
18 45 400
2.1.5 Phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm [9,10,11]
Thông thường các bài toán công nghệ đặt ra là các bài toán tối ưu. Do vậy việc tiến hành thực nghiệm phải được tổ chức theo một kế hoạch định trước sao cho có nhiều thông tin, xử lý dễ, gọn, rẻ. Đó là phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm.
2.1.5.1 Kế hoạch hai mức tối ưu bậc một
Khi kế hoạch hóa thực nghiệm, các điều kiện thí nghiệm là số các mức xác định đối với mỗi yếu tố. Nếu các thực nghiệm tiến hành ở hai mức giá trị của các yếu tố và trong quá trình thực nghiệm thực hiện tất cả các tổ hợp từ hai mức của k yếu tố, thì việc tổ chức thực nghiệm toàn phần hay kế hoạch 2k ( vì số tổ hợp từ hai mức của k yếu tố N = 2k). Mức của yếu tố giới hạn của vùng được nghiên cứu theo các thông số công nghệ đã cho.
Ví dụ : Gỉa sử nghiên cứu ảnh hưởng của ba yếu tố : nhiệt độ là 100÷200oC, áp suất là 20 ÷ 60 kp/cm2 và thời gian lưu t = 10÷ 30 phút đến năng suất của sản phẩm Mức trên theo nhiệt độ mức dưới
(2.1)
(2.2)
∆zj: Đơn vị thay đổi hoặc khoảng thay đổi theo trục Zj
gọi là tâm của kế hoạch hay mức cơ sở
Từ hệ tọa độ chuyển sang hệ tọa độ mới không thứ nguyên x1,x2,……xk
theo công thức với mọi j =
Trong hệ tọa độ không thứ nguyên, tọa độ của mức trên là +1 và mức dưới là -1, tâm là 0 và trùng với gốc tọa độ.
Trong bài toán của ta k = 3. Số tổ hợp có thể N của ba yếu tố trên hai mức bằng N = 2k = 23 = 8. Kế hoạch tiến hành thí nghiệm ghi trong bảng 2.4, giá trị của y nhận được khi thực hiện ở cột cuối. Kế hoạch trong bảng 2.4 có thể hình tượng hóa trong hình hộp, tám đỉnh của nó trùng với tám điểm thực nghiệm.
Lặp lại ma trận kế hoạch của kế hoạch 23 và kết quả thực nghiệm, đồng thời thêm vào cột biến số hằng x0 = 1 ( Bảng 2.5)
Ma trận kế hoạch trong bảng 2.5 có các tính chất như sau:
. 0 u , u, j = (2.3)
. N j = (2.5) Trong đó
k: số yếu tố độc lập N: số thí nghiệm
Tính trực giao của ma trận kế hoạch hóa làm giảm nhiều khó khăn trong các hệ số của phương trình hồi quy, bởi vì ma trận hệ số của phương trình chuẩn tử của nó bằng số thí nghiệm N trong ma trận kế hoạch hóa (X*X)-1 là Cij = 1/N
Bảng 2.4: Kế hoạch hóa thí nghiệm [10]
Gía trị các yếu tố trong quy mô tự nhiên
Gía trị các yếu tố trong hệ tọa độ không thứ nguyên Lượng ra Số thứ tự thí nghiệm z1 z2 z3 x1 x2 x3 y 1 100 20 10 -1 -1 -1 2 2 200 20 10 +1 -1 -1 6 3 100 60 10 -1 +1 -1 4 4 200 60 10 +1 +1 -1 8 5 100 20 30 -1 -1 +1 10 6 200 20 30 +1 -1 +1 18 7 100 60 30 -1 +1 +1 8 8 200 60 30 +1 +1 +1 12
Bảng 2.5: Ma trận kế hoạch của kế hoạch 23 [10] Số thứ tự x0 x1 x2 x3 y 1 +1 - - - y1 2 +1 + - - y2 3 +1 - + - y3 4 +1 + + - y4 5 +1 - - + y5 6 +1 + - + y6 7 +1 - + + y7 8 +1 + + + y8
Như vậy ta có: Dùng kế hoạch ở bảng 2.5 bắt đầu tính các hệ số hồi quy của phương trình tuyến tính.
y= b0 +b1.x1 + b2x2 +b3x3 (2.6)
Nếu trong nghiên cứu cần đưa ra phương trình hồi quy đầy đủ hơn với các hệ số tương hỗ: y= b0 +b1.x1 + b2x2 +b3x3 + b13.x1.x3 + b23.x2.x3 + b12.x1.x2 + b123.x1.x2.x3 (2.7) Để xác định b12, b13, b23, b123 thì ta phải mở rộng ma trận ở bảng 2.5 thành ma trận kế hoạch ở bảng 2.6 Bảng 2.6 : Bảng ma trận kế hoạch mở rộng [10] N0 x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 y 1 +1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 2 2 +1 +1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 6 3 +1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 4
4 +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 8
5 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 10
6 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 18
7 +1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 -1 8
8 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 12
Căn cứ vào bảng 2.6 ta tính được các giá trị :
b0 = 8,5 b2= 2,5; b2 = 0,5 ; b3 = 3,5 b12 = - 0,5 ; b13 = 0,5; b23 = -1,5 ; b123 = -0,25
Tính ra = 8,5 + 2,5x1 + 3,5x3 -1,5x2.x3
• Ưu điểm của quy hoạch hai mức tối ưu bậc một - Dễ tính toán
- Các hệ số phương trình không phụ thuộc nhau
- Phương sai của các biến ra ( hàm) không phụ thuộc vào việc xoay không gian biến số quanh trục tọa độ (quy hoạch mang tính tâm xoay ) mà chỉ phụ thuộc vào bề mặt tâm xoay biến số ( bán kính của bề mặt không gian đó)
Tối ưu hóa bằng phương pháp leo dốc theo bề mặt mức[10,11]
Giả sử cần tìm tọa độ điểm cực trị của bề mặt mức y = f(x1,x2,…………xk)
Ta đã biết rằng vectơ gradien của hàm y = f(x) tại điểm ký hiệu
Kiểm định mô hình trên nếu y phù hợp, nghĩa là mặt cong y= f(x) xấp xỉ được bởi mặt phẳng thì D0 chưa phải là vùng chứa điểm cực trị ∇f(x0) chỉ ra lượng tăng nhanh nhất của hàm y tại điểm x0
.
Bước chuyển sang vùng D1 đi theo hướng cho tới khi hàm y= f (x) không tăng được nữa ta được điểm mới. Lặp lại quá trình trên cứ làm như vậy cho đến khi phương trình bậc một không phù hợp nữa thì ta đã tới vùng chứa điểm cực trị.
Thuật toán leo dốc
Tính chất các thành phần của gradien Ta triển khai Taylor tại điểm xo
Cứ như thế đến một lúc nếu yp < yp-1 có nghĩa là mặt cong bắt đầu giảm thì ta dừng lại ở điểm Mp-1. Với trung tâm của miền nghiên cứu mới D1 là điểm Zp-1. Tại Zp-1 lại tiếp tục quá trình xấp xỉ bởi mặt phẳng, rồi kiểm định sự phù hợp của mô hình bậc nhất, nếu thỏa mãn thì ta lại tìm tọa độ dài bước và làm thí nghiệm như đã diễn tả vừa rồi. Cứ như vậy cho tới khi mô hình bậc nhất không phù hợp được nữa.
Mô tả vùng hầu như ổn định
Trong vùng này, các hiệu ứng tương hỗ và hiệu ứng bình phương trở nên có ý nghĩa. Sự gần gũi vùng hầu như ổn định có thể được xác định, nếu đặt các thí