Nghiên cứu công nghệ và mô hình hoá quá trình xử lý nước thải Công ty TNHH Hải Long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG TY TNHH HẢI LONG NGÀNH: HOÁ LÝ THUYẾT VÀ HOÁ LÝ MÃ SỐ: 62.44.3101 NGUYỂN VIẾT ĐẠI Người hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN VĂN XÁ HÀ NỘI 2005 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I - TỔNG QUAN 8 I.1 - Ngành chế biến nông lâm thuỷ sản và những vấn đề về môi trường 8 I.2- Tổng quan về các công nghệ xử lý nước thải 10 I.2- Các công nghệ xử lý nước thải giàu chất hữu cơ. 15 I.3- Công ty TNHH Hải Long và các vấn đề cần được giải quyết 22 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 30 II.1- Phương pháp xác định các chỉ số của nước thải 30 II.2- Phương pháp tính 35 II.3- Đặc tính nước thải của công ty TNHH Hải Long 36 II.4- Phương pháp mô tả thống kê, tối ưu hoá thực nghiệm 37 II.5- Phương pháp xác lập mô hình vật lý 40 II.6- Sơ đồ thí nghiệm 43 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 III.1- Giai đoạn xử lý sơ cấp đông keo tụ: 45 III.2- Giai đoạn xử lý thứ cấp - Xử lý sinh học 54 III.3- Đề xuất sơ đồ công nghệ 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH SÁCH CÁC BẢNG Tên Trang Bảng I. 1: Các phương pháp xử lý nước thải bằng cơ học và hoá lý 11 Bảng I. 2: Các phương pháp xử lý nước thải bằng hoá học 12 Bảng I. 3: Các phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học 14 Bảng I. 4: Các phương pháp xử lý nước thải bằng điện hoá 15 Bảng I. 5: Các sản phẩm của công ty TNHH Hải Long 23 Bảng I. 6: Nguyên liệu và hoá chất sử dụng của Công ty TNHH Hải Long 26 Bảng I. 7: Kết quả phân tích mẫu nước thải của công ty TNHH Hải Long 28 Bảng II. 1: Pha dãy chuẩn phân tích COD 32 Bảng III. 1: Xác định khoảng thực nghiệm lắng đông keo tụ 47 Bảng III. 2: Mã hoá các yếu tố ảnh hưởng 48 Bảng III. 3: Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết quả thí nghiệm 49 Bảng III. 4: Tính giá trị phương sai dư 50 Bảng III. 5: So sánh giữa giá thành và hiệu suất tách 53 Bảng III. 6: Ma trận thứ nguyên 57 Bảng III. 7: Ma trận các đại lượng điều khiển hệ. 62 Bảng III. 8: Ma trận chuẩn số 63 Bảng III. 9: Ma trận các hệ số của hệ phương trình Logarit 63 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình I. 1: Cấu trúc của hạt mixen âm 16 Hình I. 2: Cấu trúc hạt mixen dương 18 Hình I. 3: Cấu trúc của màng sinh học khi phát triển đầy đủ 21 Hình I. 4: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất agar 24 Hình I. 5: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất bia hơi 25 Hình I. 6: Sơ đồ dòng công đoạn rửa chai 26 Hình III. 1: Sơ đồ thí nghiệm lọc sinh học 54 Hình IV. 1: Sơ đồ công nghệ 66 CÁC CHỮ VIẾT TẮT DO: ôxi hoà tan COD: nhu cầu ôxi phân huỷ các chất hữu cơ bằng hoá học BOD: nhu cầu ôxi phân huỷ các chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học TSS: tổng chất rắn lơ lửng N.tổng: Nitrơ tổng số P.tổng: phospho tổng số HDT: thời gian lưu thuỷ lực Công ty: Công ty TNHH Hải Long NLTS: nông, lâm, thuỷ sản VSV: Vi sinh vật L: Mật độ tưới của tháp Mhc: Hàm lượng chất hữu cơ (COD) Tl: Nhiệt độ nước thải (l: Khối lượng riêng nước thải K: Lưu lượng không khí Tk: Nhiệt độ không khí Hàm lượng ôxy trong khí (k: khối lượng riêng của không khí d: Đường kính hạt đệm h: Chiều cao hạt đệm D: Đường kính tháp H: Chiều cao lớp đệm A: Bề mặt riêng của đệm V0: Thể tích riêng của đệm Td: Thời gian lưu thuỷ lực  MỞ ĐẦU Một trong các nguồn gây ô nhiễm môi trường lớn và phổ biến ở nước ta đó là nước thải chứa nhiều chất hữu cơ. Chúng được sinh ra từ các hoạt động khác nhau của con người: từ sinh hoạt, chăn nuôi, sản xuất công nghiệp chế biến thực phẩm, giấy, dệt nhuộm và chôn lấp rác thải tập trung . Đặc điểm của loại nước thải này là có hợp chất hữu cơ, nitơ và phốt pho vi sinh vật là tác nhân gây mùi thối, gây hiện tượng phú dưỡng cho các ao hồ, sông, giảm hàm lượng ôxy hòa tan trong nước gây ngạt cho động, thực vật dưới nước, làm ảnh hưởng tới sức khoẻ con người. Chính vì vậy, việc nghiên cứu xử lý nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các nguồn thải giàu chất hữu cơ luôn là vấn đề cần được quan tâm. Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu xử lý nước thải loại hình này đã thu được kết quả khả quan có tính thực tiễn. Tuy vậy, khi đặt vấn đề áp dụng một công nghệ xử lý môi trường hoàn hảo cho một đối tượng cụ thể nào đó rất cần có một giai đoạn nghiên cứu nghiêm túc mối quan hệ giữa lý thuyết và thực tiễn nhằm giải quyết triệt để bài toán chi phí và lợi ích. Hướng nghiên cứu của bản luận văn này là lựa chọn phương án công nghệ, mô hình hoá quy trình thiết bị xử lý môi trường nước thải cho một cơ sở công nghiệp cụ thể. Ở Hải Phòng, Công ty TNHH Hải Long là một đơn vị hoạt động sản xuất kinh doanh trong ngành chế biến nông, lâm, thuỷ sản. Sản phẩm của Công ty rất đa dạng như bia hơi, agar,... với sản lượng khoảng 15.000 lít bia hơi, 4 tấn agar thành phẩm trên một tháng. Chất thải của Công ty chủ yếu là chất thải rắn hữu cơ; Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ và chất dinh dưỡng hoà tan cũng như một lượng lớn chất rắn lơ lửng, chất mang mầu với độ pH thay đổi,... Công ty hiện không có hệ thống thu tách và xử lý nước thải. Việc nghiên cứu thiết kế một hệ thống công nghệ xử lý nước thải phù hợp với điều kiện hạ tầng và nguồn tài chính của Công ty là cần thiết. Với mục đích trên luận văn giải quyết vấn đề “Nghiên cứu công nghệ và mô hình hoá quá trình xử lý nước thải Công ty TNHH Hải Long” tập trung vào phương pháp hoá lý và hoá sinh kết hợp làm đề tài nghiên cứu của Luận văn này. Đề tài được thực hiện với các nội dung sau: Liệt kê đánh giá sơ bộ bức tranh công nghệ xử lý môi trường hiện nay. Khảo sát công nghệ sản xuất, các nguồn thải và mức độ gây ô nhiễm của Công ty TNHH Hải Long. Xây dựng phương pháp nghiên cứu và hướng công nghệ xử lý. Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải cấp 1 bằng phương pháp đông keo tụ, dựa trên sự biến thiên của thông số COD. Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải cấp 2 bằng phương pháp hoá sinh, dựa trên sự biến thiên của thông số COD. Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng: Phương pháp kế thừa: Một phần của Luận văn này được kế thừa từ những kết quả đã có để xây dựng nghiên cứu mới phù hợp. Phương pháp tổng hợp và phân tích thống kê: Dựa trên các số liệu đã có và khảo sát thực địa. Phương pháp mô hình thống kê: Nghiên cứu xử lý trong phòng thí nghiệm trên các thiết bị. Phương pháp mô hình vật lý: dựa trên lý thuyết nhóm và các kết quả nghiên cứu trên mô hình. Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp thêm cơ sở khoa học cho lĩnh vực xử lý môi trường nói chung và đặc biệt là áp dụng cho loại nước thải giàu chất hữu cơ. Ngoài ra sự thành công đó còn khẳng định thêm khả năng ứng dụng của phương pháp hoá lý - hoá sinh kết hợp trong xử lý môi trường. Về mặt thực tiễn sự thành công của đề tài còn đề xuất cho Công ty TNHH Hải Long một phương án công nghệ xử lý nước thải cụ thể, chi tiết nhiều tính ưu việt, giúp cho Công ty giải quyết được vấn đề ô nhiễm của mình trong điều kiện kinh phí cho phép. Chương I - TỔNG QUAN I.1 - Ngành chế biến nông lâm thuỷ sản và những vấn đề về môi trường I.1.1- Sự phát triển của ngành chế biến nông, lâm, thuỷ sản ở nước ta Trong thời kỳ quá độ tiến lên Chủ nghĩa xã hội, nước ta tập trung phát triển theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước trên nền tảng vững chắc của kinh tế nông nghiệp hiện đại. Việc xây dựng một nền nông nghiệp hiện đại phải dựa vào sự hỗ trợ của các ngành công nghiệp trong đó có ngành công nghiệp chế biến. Công nghiệp chế biến nông, lâm, thuỷ sản (sau đây viết tắt là NLTS), phát triển mạnh theo hướng đầu tư công nghệ hiện đại, sản xuất ra các sản phẩm đủ khả năng cạnh tranh trên thị trường trong nước và nước ngoài; chú trọng các mặt hàng chế biến như thuỷ sản, lương thực, ca phê, thịt, sữa, đường mật, nước giải khát, dầu thực vật, nước hoa quả, bột giấy,... Ngành công nghiệp chế biến NLTS là động lực thúc đẩy ngành nông, lâm, ngư, nghiệp lạc hậu của nước ta phát triển theo hướng hàng hoá với các vùng chuyên canh, thâm canh hiệu quả. Ngoài ra ngành này còn đóng vai trò phát huy nội lực, mang lại nguồn ngoại tệ mạnh nhờ các mặt hàng xuất khẩu đa dạng. Xuất khẩu nông, lâm, thuỷ sản năm 2000 đạt 4,3 tỷ USD, gấp hơn 1,7 lần năm 1995, bình quân hàng năm chiếm khoảng 30% kim ngạch xuất khẩu cả nước; đã tạo được 3 mặt hàng xuất khẩu chủ lực là gạo (đứng thứ 2 thế giới), cà phê (đứng thứ 3) và thuỷ sản (chiếm 34% trị giá kim ngạch xuất khẩu toàn ngành). Với vai trò to lớn như vậy, nghành công nghiệp chế biến NLTS cần được quan tâm phát triển đúng theo vị trí của nó. Chúng ta cần quan tâm nghiên cứu nâng cấp công nghệ, phát triển sản phẩm để ngành công nghiệp này xứng đáng trở thành một trong những ngành công nghiệp nền tảng. I.1.2- Những vấn đề môi trường gặp phải Bên cạnh những mặt tích cực to lớn, ngành công nghiệp Chế biến NLTS cũng để lại cho môi trường nhiều loại chất thải ở các thể rắn, lỏng, khí. Khí thải Ô nhiễm khí thải xuất phát từ hệ thống nồi hơi chủ yếu là bụi, CO, SO2, NO2; thải lượng tỉ lệ thuận với lượng nhiên liệu tiêu thụ. Thông thường lượng nhiên liệu tiêu thụ trên một tấn sản phẩm không lớn vì vậy thải lượng ô nhiễm không khí của ngành là thấp. Chỉ cần có biện pháp xử lý đơn giản như sử dụng xiclon ướt là có thể xử lý đạt tiêu chuẩn thải. Nước thải Các chất ô nhiễm theo nước thải chủ yếu là cặn lơ lửng, hợp chất hữu cơ hoà tan hoặc tồn tại dạng keo, chất dinh dưỡng, vi sinh vật, mầu sắc, dầu mỡ với nồng độ cao (COD từ 1500-2000). Nguồn phát thải đa dạng, xuất hiện hầu hết tại các công đoạn sản xuất. Vì vậy, thải lượng ô nhiễm trong nước thải rất cao, khi thải ra môi trường gây nhiều ảnh hưởng đến thuỷ vực tiếp nhận như gây tắc nghẽn dòng chảy, phì dưỡng, huỷ hoại hệ sinh thái dưới nước. Do đó cần phải có các nghiên cứu xử lý phù hợp cho từng đối tượng cụ thể. Chất thải rắn Chất thải rắn có thành phần chủ yếu là rác thải hữu cơ như phế liệu, chất cặn bã, các loại vỏ hộp cartôn ngoài ra còn các loại vỏ hộp bằng kim loại, xỉ than,… Nhìn chung đây là các loại chất thải không có nhiều nguy cơ ảnh hưởng đến môi trường, có thể xử lý đơn giản như tái sử dụng, làm thức ăn gia súc, phân bón hữu cơ, chôn lấp,… Tóm lại, nguồn thải của ngành công nghiệp này là đáng chú ý nhất là nước thải với tải lượng chất ô nhiễm cao, nguy cơ ô nhiễm tiềm ẩn lớn, cần được nghiên cứu xử lý một cách triệt để tạo điều kiện cho ngành phát triển sạch, phát triển bền vững, muốn vậy cần có sự hiểu biết sâu sắc về các công nghệ xử lý môi trường. I.2- Tổng quan về các công nghệ xử lý nước thải Hiện nay, trên thế giới có nhiều công nghệ xử lý nước thải và đặc biệt là nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu thành công và không ngừng được hoàn thiện. Nguyên tắc chung của các công nghệ này được chia thành các loại cơ bản sau: I.2.1- Xử lý nước thải bằng phương pháp thuỷ lực Trong phương pháp này, các lực vật lý như trọng trường, ly tâm, được áp dụng để tách các chất không hoà tan ra khỏi nước thải. Phương pháp xử lý lý học thường đơn giản, rẻ tiền và có hiệu quả cao khi xử lý chất lơ lửng. Các công trình xử lý thuỷ lực được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải là: (1) song lưới chắn rác; (2) thiết bị nghiền rác; (3) bể điều hoà; (4) khuấy trộn; (5) lắng; (6) lắng cao tốc; (7) tuyển nổi; (8) lọc. Việc ứng dụng các công trình cơ học trong xử lý nước thải được tóm tắt trong bảng I.1. Bảng I. 1: Các phương pháp xử lý nước thải bằng thuỷ lực Stt  Thiết bị  Tác dụng   1  Lưới chắn rác  Tách các chất rắn thô và có thể lắng   2  Bể điều hoà  Điều hoà lưu lượng và tải trọng BOD và SS   3  Khuấy trộn  Khuấy trộn hoá chất và chất khí với nước thải và giữ cặn ở trạng thái lơ lửng   4  Tạo bông  Giúp cho việc tập hợp của các cặn nhỏ thành các hạt cặn lớn hơn để có thể tách ra bằng lắng trọng lực   5  Lắng  Tách các cặn lắng và nén bùn   6  Tuyển nổi  Tách các hạt cặn lơ lửng nhỏ và các hạt cặn có tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của nước hoặc sử dụng để nén bùn sinh học   7  Lọc  Tách các hạt cặn lơ lửng còn lại sau xử lý sinh học hoặc hoá học   8  Màng lọc  Tương tự như quá trình lọc, tách tảo từ nước thải sau hồ ổn định   9  Vận chuyển khí  Bổ sung và tách khí   10  Bay hơi và bay khí  Bay hơi các hợp chất hữu cơ từ nước thải   I.2.2- Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học - hoá lý Phương pháp hoá học sử dụng các phản ứng hoá học để xử lý nước thải. Các thiết bị xử lý hoá học thường kết hợp với các thiết bị xử lý thuỷ lực. Mặc dù có hiệu quả cao nhưng phương pháp xử lý hoá học thường đắt tiền và đặc biệt có thể tạo thành các sản phẩm phụ độc hại, khó kiểm soát. Việc ứng dụng các phương pháp xử lý hoá học được tóm tắt trong bảng I.2. Bảng I. 2: Các phương pháp xử lý nước thải bằng hoá học Stt  Phương pháp  Tác dụng   1  Kết tủa  Tách phospho và nâng cao hiệu quả của việc tách cặn lơ lửng ở bể lắng bậc 1   2  Keo tụ  Tách các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, phospho,…   3  Hấp phụ  Tách các chất hoà tan, các chất hữu cơ khó tách bằng các phương pháp thông thường   4  Khử trùng bằng các chất ô xi hoá mạnh  diệt các vi sinh vật gây bệnh   5  Tạo bông  Giúp cho việc tập hợp của các cặn nhỏ thành các hạt cặn lớn hơn để có thể tách ra bằng lắng trọng lực   6  Lắng  Tách các cặn lắng và nén bùn   7  Tuyển nổi  Tách các hạt cặn lơ lửng nhỏ và các hạt cặn có tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của nước hoặc sử dụng để nén bùn sinh học   I.2.3- Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Phương pháp xử lý sinh học là phương pháp ứng dụng các quá trình tự nhiên để xử lý chất thải, do đó đã khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp khác như không sử dụng hoá chất trong quá trình xử lý, không tạo sản phẩm phụ độc hại, tiêu tốn ít năng lượng, có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí metan). Tuy nhiên phương pháp sinh học chỉ đạt hiệu quả cao khi chất thải có hàm lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học cao, có tỉ lệ BOD5/COD ( 0,5 và chất thải phải không chứa chất độc đối với vi sinh vật. Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là để xử lý các chất hữu cơ hoà tan trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, sunfit, amoniac, nitơ, phốt pho,... dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ sinh học thường là các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô cơ (NH4+, PO43-) và tế bào mới. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình ôxi hoá sinh hoá. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hoà tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải phải di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn chính sau đây: Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuyếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào. Chuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân chia thành 2 loại: Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có ôxi có 2 dạng cơ bản là sử dụng dòng chảy ngang và sử dụng dòng chảy ngược từ dưới lên Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp ôxi liên tục cưỡng bức hoặc thông gió tự nhiên. Bảng I. 3: Các phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học Stt  Phương pháp  Tác dụng   1  Bể phân huỷ hiếu khí sử dụng bùn hoạt tính – Aerotank  Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí và sục khí cưỡng bức   2  Bể lọc sinh học  Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật kỵ và hiếu khí nhờ vật liệu mang vi sinh vật   3  Bể phân huỷ kỵ khí dòng ngược – UASB.  Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ VSV kỵ khí với dòng nước vào chảy ngược từ dưới lên.   4  Hồ sinh học  Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ VSV tự nhiên   5  Mương kỵ khí  Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ VSV tự nhiên   I.2.4- Xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá Phương pháp xử lý môi trường bằng điện hoá là sử dụng quá trình điện phân để xử lý nước thải. Đó là phương pháp sử dụng phản ứng điện cực như tách kim loại, hoà tan kim loại, ôxi hoá các chất có trong nước thải bằng dòng điện, ... Mỗi đối tượng nước thải cần có phương pháp xử lý riêng biệt, các phương pháp đó được tổng hợp trong bảng I.4: Bảng I. 4: Các phương pháp xử lý nước thải bằng điện hoá Stt  Phương pháp  Tác dụng   1  Tách thu hồi kim loại  Xử lý nước thải có hoà tan các kim loại quý, kim loại nặng độc hại   2  Điện keo tụ với điện cực anot hoà tan  Xử lý nước thải có nhiều chất lơ lửng phân tán dạng keo, và các chất hữu cơ hoà tan.   3  Điện tuyển nổi bằng thoát ly khí ở điện cực  Xử lý nước thải có nhiều chất lơ lửng khó keo tụ bằng các phương pháp khác.   4  Ôxy hoá điện hoá  Xử lý nước thải có chất hữu cơ hoà tan và các hợp chất mang mầu có nguồn gốc hữu cơ.   I.2- Các công nghệ xử lý nước thải giàu chất hữu cơ. Nước thải giàu chất hữu cơ đồng thời cũng chứa nhiều các chất ô nhiễm khác như các dạng tồn tại của nitrơ, phốt pho, S2-, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng và chất mang mầu. Việc xử lý ô nhiễm thông thường tập trung theo các hướng sau: I.2.1- Hướng áp dụng phương pháp hoá lý - lắng đông keo tụ Khi áp dụng hoá lý vào xử lý môi trường nước thải giàu chất hữu cơ chủ yếu vào mục đích loại bỏ chất rắt lơ lửng đồng thời giảm chỉ số COD, BOD, chất dinh dưỡng và các chất khác có khả năng kết tủa được. Các thiết bị xử lý nước thải bằng phương pháp hoá lý phổ biến là: Các dạng bể lắng, Các dạng bể tuyển nổi, Hiệu suất của các công trình xử lý bằng phương pháp hoá lý thường đạt 80 - 95% chất rắn lơ lửng, 50 –55 % COD, 20-30% BOD,... Với các nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao thường nước ra sau quá trình hoá lý không được xử lý triệt để. Nên phương pháp hoá lý chỉ dùng trong công đoạn xử lý cấp 1. Bản chất của phương pháp hoá lý trong xử lý nước thải chính là đưa dạng tồn tại bền của chất ô nhiễm trong nước về dạng không bền từ đó dễ dàng loại bỏ, thông thường chúng tồn tại ở dạng lơ lửng hoặc hoà tan. I.2.1.1- Sự tồn tại của hệ keo Các chất rắn trong nước tồn tại ở dạng huyền phù và dạng keo. Đối với dạng huyền phù khi thay đổi chế độ thuỷ lực của dòng thải như sử dụng các dạng bể lắng trọng lực với kỹ thuật giảm đột ngột vận tốc dòng, đổi hướng dòng, sử dụng vách ngăn là có thể loại bỏ. Còn chất rắn tồn tại dạng keo lại tồn tại rất bền với các kỹ thuật trên không thể xử lý được. Cấu trúc của các hạt keo rất phức tạp gồm nhiều lớp điện tích bao quanh và một hạt nhân keo tích điện, cấu trúc này gọi là hạt mixen. Hình I. 1: Cấu trúc của hạt mixen âm Kích thước của hạt mixen rất lớn và có bề mặt tích điện với điện thế ( vì vậy các hạt mixen cùng dấu luôn luôn đẩy lẫn nhau tạo thành trạng thái bền của dung dịch. Thế ( càng lớn thì hệ keo càng bền. Đối với hạt keo có nhân là chất hữu tự nhiên cơ thường là keo âm do trong công thức phân tử có chứa nhiều nhóm -OH, -CHO, -COOH. I.2.1.2- Quá trình đông keo tụ. Quá trình lắng đông keo tụ chính là quá trình giảm thế ( dựa vào sự hoạt động của các chất đông tụ, đó là các chất khi tan trong nước có khả năng thuỷ phân tạo kết tủa hiđroxit hình thành các hạt keo dương, các hạt keo dương này tương tác tĩnh điện với các hạt keo âm có sẵn trong nước thải, phá trạng thái bền của hệ tạo thành các hạt có kích thước, trọng lượng lớn hơn và dễ dàng lắng xuống. Để tăng hiệu suất và rút ngắn thời gian làm việc của hệ thống lắng người ta bổ sung thêm chất trợ lắng có cấu trúc là các cao phân tử với các nhóm chức khác nhau. Chất keo tụ thông thường là muối của nhôm và sắt hoặc các dạng tồn tại khác của chúng. Hoạt động của các chất keo tụ này theo nguyên tắc sau: Khi cho chất đông tụ vào nước chúng phân ly thành các ion dương có hoá trị lớn +3, +2 các ion này một mặt hấp phụ lên bề mặt hạt keo làm giảm thế ( mặt khác chúng thuỷ phân tạo thành các hiđroxit không tan tích điện dương Me(OH)nm+, các mầm hiđroxit này hấp phụ các ion tích điện trái dấu trong dung dịch tạo thành các hạt mixen dương theo cơ chế sau: Ví dụ với Me3+: Me3+ + H2O ( Me(OH)2+( + H+ Me(OH)2+ + H2O ( Me(OH)2+( + H+ Me(OH)2+ + H2O ( Me(OH)3 ( + H+ Hình I. 2: Cấu trúc hạt mixen dương Thông thường chất đông tụ được sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, sữa vôi, hoặc các dạng tồn tại khác của chúng. Ngoài ra, người ta cũng có thể sử dụng các loại bột ôxít kim loại khác cũng với mục đích tạo mầm hình thành hạt keo dương như silíc ôxít. Mỗi loại hoá chất dùng cho đông keo tụ hoạt động trong một vùng pH tối ưu khác nhau. Với phèn nhôm khoảng pH thích hợp là 5,5 - 7,5 tại khoảng pH này lượng ion nhôm tồn tại dạng Al(OH)3 đến 80-90%. Hàm lượng phèn nhôm thưởng được sử dụng trong khoảng 30 – 120 ppm tính cho hàm lượng muối nhôm khan tuỳ thuộc vào hàm lượng chất lơ lửng của từng loại chất thải. Với phèn sắt II khoảng pH ở 5 - 7,5, phèn sắt (III) khoảng pH ở 8 đến 10. I.2.1.3- Chất trợ đông tụ: Các chất này khi cho vào nước làm tăng nhanh khả năng liên kết giữa các hạt bông tạo thành các mảng bông to hơn đủ khả năng lắng và hấp phụ các chất khác trong nước. Trên thị trường các chất trợ đông tụ phổ biến là các loại santangum, polyacryamid - PAA, polyacryamid biến tính - ACCOFLOC v.v…. Có thể chia các chất này thành 3 loại theo nhóm phân ly là loại cation, anion, nonion. Các chất đông keo tụ sử dụng trong đông keo tụ nước thải thường được sử dụng với hàm lượng từ 1-15ppm tuỳ theo từng loại nước thải. I.2.2- Hướng áp dụng sinh học Mục đích của việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học là nhằm loại bỏ chất hữu cơ đặc biệt là chất hữu cơ hoà tan cũng như các dạng tồn tại của nitrơ và phốt pho. Nguyên tắc làm việc của phương pháp này là lợi dụng quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong nước sẽ sử dụng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng khác làm thức ăn và tách chất ô nhiễm ra khỏi nước thải dưới dạng bùn sinh học (xác vi sinh vật). Hiệu suất xử lý của phương pháp sinh học thường đạt 80 – 85% COD, 90 – 95% BOD, 15 – 50% nitrơ,... Vì vậy, quá trình sinh học được áp dụng để xử lý thứ cấp, xử lý triệt để ô nhiễm nước thải. Tuy nhiên, phương pháp sinh học đã bộc lộ một số nhược điểm như: Không xử lý được các hợp chất mang mầu trong nước thải. Thời gian xử lý kéo dài nên đòi hỏi phải có diện tích lớn. Tiêu tốn nhiều năng lượng vì phải thường xuyên đảm bảo ổn định điều kiện làm việc của vi sinh vật như cung cấp đủ ôxi, ổn định nhiệt độ, độ pH, chế độ thuỷ lực. Phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học quan trọng nhất là quá trình hình thành và phát triển của vi sinh vật (VSV). Thông thường VSV ở hàm lượng cao có tính co cụm thành các dạng tập hợp, tồn tại lơ lửng trong nước hoặc bám trên bề mặt của vật liệu mang (còn gọi là vật liệu đệm). Ở dạng tồn tại lơ lửng thường được sử dụng trong kỹ thuật bể sục khí aerotank, bể kị khí dòng ngược UASB sử dụng bùn hoạt tính. Ở dạng bám trên vật liệu đệm thường được sử dụng trong kỹ thuật lọc sinh học nhỏ giọt hoặc lọc sinh học với vật liệu đệm ngập trong nước (còn gọi là lọc sinh học cao tải). Tập hợp VSV lơ lửng thường không bền và có tuổi thọ ngắn, hình thành, tan rồi lại hình thành tập hợp mới rất nhanh không có tính chất đặc trưng. Ngược lại với tập hợp VSV trên bề mặt vật liệu đệm có quá trình hình thành và phát triển rất phức tạp và có tuổi thọ lớn hơn. Kỹ thuật sử dụng vật liệu mang để tạo màng VSV thường là đi kèm thông khí tự nhiên hoặc cưỡng bức. Ban đầu hình thành các cá thể VSV đơn lẻ tại các vùng lõm của bề mặt đệm tại đây ảnh hưởng của dòng lỏng và dòng khí rất ít tạo điều kiện cho VSV hiếu khí phát triển sinh khối. Lớp sinh khối ban đầu này phát triển ngày càng mạnh nhờ chất dinh dưỡng có trong nước thải và ôxi của không khí (đây là quá trình tiếp xúc 3 pha rắn- lỏng- khí). Khối VSV trong quá trình phát triển sinh ra lớp màng nhầy bao bọc. Lớp màng này có vai trò chống lại tác động của dòng chảy vì vậy chúng có tác dụng bảo vệ rất tốt, ngoài ra lớp màng nhầy này còn có tác dụng hấp phụ các chất dinh dưỡng và ôxi nuôi VSV. Nhờ được bảo vệ chắc chắn tập hợp VSV này phát triển ngày càng mạnh và lan rộng khắp bề mặt đệm gọi là màng sinh học. Khi lớp màng phát triển đầy đủ nó sẽ có một cấu trúc hoàn chỉnh đi từ ngoài vào gồm: lớp màng nhầy, lớp VSV hiếu khí, lớp VSV kị khí (do ôxi không thể khuếch tán sâu vào trong). (xem hình I.3) Lớp màng nhầy Bề mặt Lớp VSV Lớp VSV chất mang yếm khí Hiếu khí Chất hữu cơ O2 trong môi trường Lớp sinh học Màng chất lỏng môi trường Hình I. 3: Cấu trúc của màng sinh học khi phát triển đầy đủ Khi màng sinh học phát triển đầy đủ, quá trình phân huỷ ở vùng kỵ khí xảy ra mạnh làm giảm khả năng bám dính của màng lên bề mặt vật liệu mang. Quá trình này kéo dài sẽ làm bong màng khỏi vật liệu và chu kỳ hình thành lớp màng mới lại bắt đầu. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của màng: - Độ pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến quá trình ức chế hay kích thích sự phát triển của màng sinh học. Độ pH ảnh hưởng quyết định đến năng suất làm việc của màng thậm chí còn làm thay đổi chủng loại VSV tạo màng hoặc huỷ hoại màng. - Cấu trúc, bản chất của vật liệu được sử dụng làm đệm có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành và phát triển của màng. Sự bám dính của màng sinh học lên vật liệu đệm chủ yếu nhờ lực liên kết tĩnh điện giữa các nhóm phân cực của thành tế bào VSV và các nhóm phân cực hoặc ion của bề mặt vật liệu hoặc lỗ mao quản tự nhiên, bên cạnh đó còn có lực Van-dec-van, trọng lực, tính thấm ướt trong dung môi nước của vật liệu. Thông thường độ rỗng xốp, độ nhám, độ phân cực của vật liệu có ảnh hưởng quyết định đến thời gian hình thành, độ dầy, độ rộng và tuổi thọ của màng. Ngoài ra các yếu tố khác cũng tác động đến quá trình tạo màng như sức mài mòn của dòng chảy, nhiệt độ, tỉ lệ dinh dưỡng (C, N, P), chế độ cấp dưỡng khí,... I.3- Công ty TNHH Hải Long và các vấn đề cần được giải quyết Để phát triển công nghệ xử lý nước thải của ngành chế biến NLTS, luận văn đã lựa chọn nước thải của Công ty TNHH Hải long (gọi tắt là Công ty) làm đối tượng nghiên cứu. Đây là một trong các công ty điển hình vể sản xuất chế biến rong câu, sản xuất bia với quy mô khá lớn tại Hải Phòng. Nước thải của Công ty được coi là đối tượng khó trong xử lý. Dưới đây là một vài nét sơ lược về hoạt động sản xuất và chất thải của Công ty. I.3.1- Các hoạt động sản xuất của Công ty Công ty TNHH Hải Long hoạt động trong ngành sản xuất bia và chế biến nông lâm thuỷ sản. Nằm cạnh bờ sông Lạch Tray (hạ lưu của hệ thống sông Thái bình), địa chỉ của Công ty: 109 đường Trường Chinh, Kiến An, TP. Hải Phòng. Ngày đầu khởi nghiệp, Công ty sản xuất bia hơi và các loại bánh từ bột gạo, từ năm 2001 Công ty bắt đầu sản xuất agar từ nguyên liệu rong câu chỉ vàng và rong sụn. Hiện nay, công ty có xưởng sản xuất agar, xưởng sản xuất bia, xưởng sản xuất thử nghiệm thạch rong câu, xưởng sản xuất bánh rế. Vì vậy, sản phẩm của Công ty khá phong phú. Bảng I. 5: Các sản phẩm của công ty TNHH Hải Long Stt  Tên gọi  Đơn vị  Số lượng   1  Agar  Kg/ tháng  4.000   2  Bia  Lít/ tháng  15.000   3  Bánh rế  Cái/ tháng  30.000   “Nguồn: Báo cáo quan trắc nước thải công nghiệp – Công ty TNHH Hải Long– Trung tâm Quan trắc môi trường Hải Phòng [9]” Mỗi sản phẩm của công ty có một dây truyền công nghệ sản xuất riêng. Ở đây luận văn chỉ đề cập đến các dây chuyền công nghệ sản xuât ra các sản phẩm chính. 1- Xưởng sản xuất agar Công suất: trung bình 50 tấn/năm Công nghệ: thuỷ phân bằng axit citric. Đầu vào Sơ đồ dòng Chất thải Hình I. 4: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất agar 2- Xưởng xản suất bia Công suất: 180.000 lit/năm Đầu vào Sơ đồ dòng Chất thải Hình I. 5: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất bia hơi  Từ hai sơ đồ công nghệ cho thấy nguyên liệu chính của Công ty là rong câu, nước, malt đại mạch, hoa hublong, gạo, đường, nấm men,… ngoài ra, còn sử dụng các hoá chất như xút, axít citric, javen. Hình I. 6: Sơ đồ dòng công đoạn rửa chai Bảng I. 6: Nguyên liệu và hoá chất sử dụng của Công ty TNHH Hải Long Stt  Tên gọi  Đơn vị  Số lượng/tháng   1  Rong câu  Tấn  45   2  Malt  Tấn  4,3   3  Gạo  Tấn  2,0   4  Hoa Hublon  Kg  15   5  Đường  Kg  300   6  Xút  Tấn  4,5   7  Javel  Tấn  4,0   8  Axit citric  Kg  250   I.3.2- Các vấn đề về chất thải của Công ty Các nguyên phụ liệu đi vào sản phẩm phần còn lại tồn tại ở dạng chất thải rắn và chất hoà tan cùng với hoá chất dư vào nước thải. I.3.2.1- Chất thải rắn Chất thải rắn hàng tháng của Công ty bao gồm khoảng 20.000 kg bã rong câu, 1.000 kg bã bia, bã hoa bia và một lượng lớn xỉ than. Lượng chất thải rắn này được Công ty thuê Công ty Môi trường đô thị Hải Phòng thu gom, vận chuyển và xử lý chôn lấp tại bãi rác tập trung của Thành phố Hải Phòng. I.3.2.2- Nước thải Nước thải của Công ty phát sinh từ hai nguồn với các đặc tính khác nhau: Nước thải từ xưởng sản xuất bia hơi: đây là nguồn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ với thành phần chính là tinh bột đã nấu chín, đường gluco, chất đạm hữu cơ, phốt pho hữu cơ và một lượng lớn vi khuẩn, nấm men. Nước thải này thuộc loại dễ phân huỷ ngoài ra trong nước thải còn chứa một lượng lớn chất rắn lơ lửng có nguồn gốc hữu cơ như bã bia, bột nguyên liệu,… Tuy nhiên với sản lượng bia thấp lượng nước thải sinh ra cũng không nhiều nước tính trong ngày sản xuất cao điểm lượng nước thải khoảng 30 – 40m3/ngày. Nước thải từ xưởng sản xuất agar: đây là nguồn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ hoà tan có thành phần chính là tinh bột, sắc tố của rong câu (có mầu xanh đen), đạm hữu cơ, phốt pho hữu cơ, chất rắn lơ lửng có nguồn gốc chất hữu cơ như bã rong câu và chất vô cơ như bùn đất, phù sa lẫn trong nguyên liệu. Ngoài ra, trong nước thải còn có một lượng lớn xút dư từ công đoạn tẩy trắng nguyên liệu. Xưởng sản xuất này mang lại nguồn lợi chính cho Công ty với sản lượng vào khoảng 4 tấn/tháng nên lượng nước thải sinh ra vào loại lớn đạt 700m3/ngày. Cả hai loại nước thải này được chảy chung vào một hệ thống cống trước khi thải ra môi trường. Bảng I. 7: Kết quả phân tích mẫu nước thải của công ty TNHH Hải Long Stt  Ngày  Mầu  BOD5 (mg/l)  COD (mg/l)  TSS (mg/l)  N.T (mg/l)  Phc (mg/l)  P.T (mg/l)   1  12/01/2005  263  454,7  992  361,3  123,5  4,56  15,9   2  13/01/2005  271  591,2  1650  747,3  190,7  7,03  21,0   3  14/01/2005  250  560,5  1773  1443,3  213,0  9,00  24,5   TCVN 5945-1995 cột B   50  100  100  60  4  6   Bảng I.7 cho thấy nước thải của Công ty có hàm lượng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng cao, so với tiêu chuẩn cho phép TCVN 5945-1995 hầu hết các chỉ tiêu đề vượt từ 5 đến 15 lần. Điều đó khẳng định nước thải của Công ty gây ô nhiễm nghiêm trọng và cần được xử lý đảm bảo đạt dưới tiêu chuẩn cho phép trước khi thải ra môi trường Tóm lại: Chất thải rắn là chất hữu cơ và xỉ than lượng chất thải này cơ bản không phải chất thải nguy hại dễ xử lý. Nước thải có hàm lượng hữu cơ, chất dinh dưỡng, mầu sắc và lưu lượng lớn cần được nghiên cứu xử lý đạt tiêu chuẩn thải. Đề tài luận văn là xử lý nước thải của Công ty và tập trung vào giải quyết các vấn đề sau: Xử lý triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ, chất dinh dưỡng N, P, K ở nồng độ cao. Tiết kiệm diện tích, chi phí đầu tư xây dựng, chi phí vận hành hệ thống. Đơn giản hoá quá trình vận hành hệ thống. Chương II: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM II.1- Phương pháp xác định các chỉ số của nước thải Trong quá trình làm thí nghiệm các chỉ số pH, DO, COD, BOD5 được tiến hành kiểm soát. Các thông số chất lượng nước thải đưa vào xử lý và nước đã xử lý cuối cùng được phân tích tại phòng thí nghiệm của Viện Tài nguyên và Môi trường biển. Vì vậy, sau đây chỉ trình bầy phương pháp đo nhanh các thông số pH, DO, và phương pháp phân tích COD, BOD5. II.1.1- Phương pháp đo pH pH được xác định bằng phương pháp điện cực chọn lọc với thiết bị đo nhanh hiện số EC10 (USA) và điện cực thuỷ tinh (USA). Được hiệu chuẩn với dung dịch đệm pH có các giá trị pH=7 và pH=10. II.1.2- Phương pháp đo DO Chỉ số DO được xác định bằng phương pháp điện cực chọn lọc với máy đo độ ôxi hoà tan YSI 52 (USA). Phương pháp này được hiệu chỉnh thường xuyên mỗi lần đo bằng không khí ẩm. II.1.3- Phương pháp xác định COD Phương pháp xác định COD được sử dụng là phương pháp so mầu với máy trắc quang DR/4000 (USA). Nguyên tắc của phương pháp: Sử dụng tác nhân ôxi hoá là dikalicromat với xúc tác là bạc sunfat trong môi trường axit mạnh và đun hồi lưu kín ở nhiệt độ 1500C liên tục 2 giờ. Ion Cr3+ sinh ra sau quá trình ôxi hoá được đo bằng máy trắc quang ở bước sóng 600 nm. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của phương pháp là sự có mặt của ion Cl-, NO3-. Các chất này bị loại bỏ khả năng ảnh hưởng bằng thuỷ ngân (II) sunfat và axit sunfamic dạng tinh thể tinh khiết. Dụng cụ và hoá chất: Máy trắc quang DR/4000, Lò phá huỷ mẫu COD đạt nhiệt độ 1500C, Ống thuỷ tinh Bore có nắp TFP, kích thước ( = 16 mm, H = 100 mm, Hoá chất : K2Cr2O7 , Ag2SO4, H2SO4, Hg2SO4 , axit sunfamic và kali hydrophtalat, nước cất 2 lần. Dung dịch K2Cr2O7. 0,5N hoạt hoá bằng 120ml H2SO4 đặc/1000ml, Axit H2SO4 đặc có hoà tan 20g Ag2SO4/1000ml Dung dịch sunfamic 20%. Cách tiến hành: Dựng đường chuẩn: chuẩn bị dãy chuẩn bằng dung dịch gốc muối kali hidrophtalat có nồng độ chính xác được pha như sau: sấy muối kali hidrophtalat tinh khiết ở nhiệt độ 1230C đến khối lượng không đổi sau đó cân chính xác 430mg và pha loãng đến 500ml, được dung dịch gốc tương ứng với COD bằng 1000mgO2/lít để lạnh dùng được 3 tháng. Dãy chuẩn được pha theo thứ tự từ trái sang phải và lượng các chất như bảng II.1 với ống thuỷ tinh Bore đã rửa sạch và sấy khô: Bảng II. 1: Pha dãy chuẩn phân tích COD Stt  H2SO4 tinh thể (mg)  K2Cr2O7. 0,5N (ml)  Dung dịch chuẩn (ml)  H2SO4 đặc có Ag2SO4. (ml)  COD được pha (mgO2/l)   1  40  3  2  3  0   2  40  3  2  3  50   3  40  3  2  3  100   4  40  3  2  3  200   5  40  3  2  3  400   6  40  3  2  3  600   7  40  3  2  3  1000   Trộn đều và đem công pháp ở nhiệt độ 1500C trong 2 giờ bằng máy phá huỷ mẫu COD chuyên dùng. Để nguội đến nhiệt độ phòng và đo ở bước sóng 600nm. Dựng đường chuẩn quan hệ giữa COD biết trước và độ hấp phụ ánh sáng bằng phần mềm cài đặt sẵn trong máy DR/4000. Phân tích mẫu: Mẫu được pha loãng (nếu cần thiết) để đưa về trong khoảng 0 – 1000 mg/l. Thao tác tương tự như khi dựng đường chuẩn. Khi đo bằng máy DR/4000 có nhớ sẵn đường chuẩn vừa dựng, chỉ cần gọi lại chương trình đã cài đặt và đo độ hấp thụ quang, số hiển thị là mgO2/l. Độ chính xác của phương pháp: theo tài liệu Standard method –USA thì độ chính xác của phương pháp này đạt 93 – 95 %. II.1.4- Phương pháp xác định BOD5 BOD là lượng ôxi đã tiêu hao do các hoạt động ôxi hoá các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Nguyên tắc phương pháp: Xác định BOD là xác định sự sai khác DO của mẫu song song: mẫu thứ nhất trước khi có sự hoạt động của vi sinh vật và mẫu thứ hai sau khi có sự hoạt động của vi sinh vật. Thường quy ước xác định ủ 5 ngày ở nhiệt độ 200C trong phòng tối (tránh quang hợp), kí hiệu là BOD5. Dụng cụ hoá chất: Tủ ủ ấm BOD – HACH (USA), Máy đo độ ô xi hoà tan YSI 52 (USA), Máy sục khí bão hoà ôxi, Chai chuyên dùng cho mẫu BOD 250ml có cổ, nút nhám, Nước cất 2 lần, Dung dịch đệm phốt phát: cân 8,5g KH2PO4, 21,75gK2HPO4, 33,4g Na2HPO4 . 7H2O và 1,7g NH4Cl pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch MgSO4: 22,5 g MgSO4 .7H2O pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch CaCl2: 27,1 g CaCl2 khan pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch FeCl3: 0,25g FeCl3. 6H2O pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch HCl. 1N, NaOH. 1N, Dung dịch Na2SO3 0,025N, Dung dịch nước cấy mầm vi khuẩn (từ nước thải sinh hoạt), Cách tiến hành: Chuẩn bị dung dịch pha loãng: Nước cất bão hoà ôxi: sử dụng nước cất 2 lần và sục khí kết hợp lắc liên tục trong 30 giờ ở 200C. Thêm các chất môi trường: Thêm 1ml mỗi loại các dung dịch hoá chất gồm đệm phốt phát, magiê sunfat, canxi clorua, sắt III clorua vào nước cất bão hoà ôxi rồi định mức đến 1 lít. Bổ sung vi sinh vật bằng 1 – 2ml nước thải sinh hoạt chưa xử lý cho 1 lít nước dung dịch pha loãng. Pha loãng nước mẫu: Sử dụng dịch pha loãng để pha loãng mẫu sao cho BOD trong mẫu đem phân tích vào khoảng 20–25 mgO2/l. Bằng cách ước lượng BOD bằng khoảng 50% COD. Cho V ml mẫu vào dung dịch pha loãng và định mức đến 1 lít. rót nước mẫu đã pha loãng vào 2 chai BOD dung tích 250 ml (rửa sạch bằng nước cất) sau khi đã sử dụng chính dung dịch này tráng ít nhất 2 lần. Một chai được đo DO sau khi để ổn định 15 phút và một chai được do DO sau 5 ngày ủ trong tủ BOD ở nhiệt độ 200C. Tính toán kết quả: BOD5 được tính theo công thức: BOD5 =
(mgO2/l) (2.1.1) Trong đó: D1: DO của mẫu pha loãng sau 15 phút (mg/l), D2: DO của mẫu pha loãng sau khi ủ 5 ngày (mg/l), V: thể tích mẫu đem pha loãng (ml), B1: DO của nước pha loãng sau 15 phút (mg/l), B2: DO của nước pha loãng sau khi ủ 5 ngày (mg/l),
V1: thể tích chất lỏng bổ sung vi khuẩn cho D1, V2: thể tích chất lỏng bổ sung vi khuẩn cho B1, II.2- Phương pháp tính II.2.1- Xác định hiệu suất và năng suất xử lý COD Hiệu suất xử lý COD của quá trình lắng đông keo tụ:
(2.2.1) Trong đó: H Là hiệu suất ( %) CODv nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng vào - mg/l CODr nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng ra - mg/l Năng suất xử lý COD của tháp lọc sinh học cùng chiều: Mxl = 103.Q(CODv - CODr)/Vd (kgO2/m3.h) (2.2.2) Trong đó: Q lưu lượng dòng vào - m3/h CODv: nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng vào - mg/l CODr: nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng ra - mg/l Vd: Thể tích toàn phần của lớp đệm - m3 Vd = 3,14 . (D/2)2 . H D: đường kính tháp lọc - m H: chiều cao lớp đệm - m Do thể tích của mô hình tháp lọc nghiên cứu nhỏ (khoảng 15 lít) chỉ tiến hành phản ứng gián đoạn theo mẻ. Tuy nhiên, muốn duy trì chế độ thuỷ lực chúng tôi đã áp dụng biện pháp bơm tuần hoàn mẫu và coi toàn bộ thể tích của mô hình (gồm cả thể tích đường ống, máy bơm và tháp lọc) là thể tích làm việc của tháp. Khi đó Q không còn ý nghĩa trong công thức (2.2.2). năng suất của quá trình được tính bằng công thức sau: Mxl = 10-3.VMH(CODtr – CODs)/Td.Vd (kgO2/m3.h) (2.2.3) Trong đó: VMH: Tổng thể tích của mô hình - m3 CODtr: Nhu cầu ô xi hoá hoá học trước phản ứng - mg/l CODs: Nhu cầu ô xi hoá hoá học sau phản ứng - mg/l Td: Thời gian lưu (thời gian phản ứng) - h II.2.2- Xác định tốc độ phát triển của màng vi sinh vật Lớp màng vi sinh phát triển trên bề mặt vật liệu lọc theo thời gian được tính theo công thức:
(2.2.4) Trong đó: Vvsv : tốc độ phát triển của màng vi sinh vật, Avsv2 : mật độ VSV trên bề mặt đệm VSV/cm2 tại thời điểm sau, Avsv1 : mật độ VSV trên bề mặt đệm VSV/cm2 tại thời điểm trước, (t : khoảng thời gian giữa các lần xác định mật độ VSV. II.3- Đặc tính nước thải của công ty TNHH Hải Long Theo tài liệu quan trắc của Trung tâm Quan trắc môi trường tháng 12 năm 2004, nước thải của công ty TNHH Hải Long có các đặc tính sau: II.3.1- Lưu lượng của nước thải - Mức độ thải vào loại lớn ở mức sản xuất ổn định mùa đông là 1000 m3/ngày còn vào mùa hè còn lớn hơn vì sản lượng bia hơi tăng gần gấp 2 lần. - Mức độ dao động trong ngày lớn, cao nhất đến 47 m3/h thấp nhất là 15m3/h và trung bình là 25-30 m3/h. II.3.2- Tính chất của nước thải Nước thải của Công ty được cấu thành từ 2 nguồn đó là nguồn từ xưởng sản xuất bia hơi tính chất của nguồn thải này là pH thấp cỡ 6, nhiều chất hữu cơ và giàu vi sinh vật; nguồn thải thứ 2 là nguồn từ xưởng sản xuất agar tính chất của nguồn thải này là có pH thay đổi rộng thấp nhất cỡ 4, cao nhất cỡ 13 đặc biệt là nước ngâm- tẩy trắng nguyên liệu; nhiều chất hữu cơ hoà tan và nghèo vi sinh vật. Tuy nhiên, hai nguồn thải này đi chung trong một hệ thống cống thải lên đã trung hoà bớt kiềm tính của nguồn thứ hai pH cao nhất là 10,3 thấp nhất là 5,5. Trong dây chuyền công nghệ sản xuất agar có công đoạn tẩy trắng bằng dung dịch xút đậm đặc. Trong môi trường này tinh bột bị biến tính và có tính chất hoạt động bề mặt, do đó khi sục khí nước thải sẽ có khả năng tạo bọt tốt. II.4- Phương pháp mô tả thống kê, tối ưu hoá thực nghiệm Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố độc lập đến hàm mục tiêu chúng tôi sử dụng phương pháp mô hình thống kê. Lập mô hình thống kê nghiên cứu quá trình công nghệ hoá học ta cần thực hiện theo các bước sau: xác định hệ; xác định cấu trúc hệ; xác định các thông số của mô hình mô tả hệ; kiểm tra tính tương hợp các mô tả đó và cải tiến nếu cần. II.4.1- Xác định hệ Xác định các yếu tố tố độc lập ảnh hưởng đến hệ. Số yếu tố ảnh hưởng là F: F = FĐK + FH (2.4.1) Trong đó: FĐK - bậc tự do điều khiển; FH - bậc tự do hình học. Trong thực tế, tuỳ theo yêu cầu của người nghiên cứu chỉ cần chọn k (k(F) yếu tố ảnh hưởng lên một hàm mục tiêu y. Hàm mục tiêu y thường là chỉ tiêu công nghệ hoặc chỉ tiêu kinh tế. II.4.2- Xác định cấu trúc hệ Hệ công nghệ hoá học được xem là hộp đen với k các yếu tố đầu vào (bao gồm các tác nhân, nguyên liệu, xúc tác, điều kiện môi trường) và n các yếu tố đầu ra đó là các hàm mục tiêu. II.4.3- Xác định các hàm toán mô tả hệ Hàm toán mô tả hệ là hàm hồi quy thực nghiệm còn gọi là mô hình thống kê:
(2.4.2) trong đó:
là hàm mục tiêu, bj, bju, bjj là hệ số hồi quy thực nghiệm, xj, xu là các biến mã hoá, k là số biến khảo sát. Phương trình này là dạng tông quát của mô hình thống kê mô tả đối tượng nghiên cứu. II.4.4- Xác định các thông số của mô hình thống kê Các thông số của mô hình thống kê cần xác định chính là các hệ số hồi quy thực nghiệm b từ N thực nghiệm theo công thức:
(2.4.3)
(2.4.4) Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số bj theo công thức: tbj ( tp,f2 Trong đó: tp,f2 là giá trị tra bảng của chuẩn số Student ở mức có nghĩa p và bậc tự do lặp f2 = m - 1 (xem phụ lục ). tbj là chuẩn số Student của hệ số bj được xác định theo công thức:
vậy, tbj ( tp,f2 trong đó:
(2.4.5) trong đó:
(2.4.6) yoa là giá trị của hàm mục tiêu ở thực nghiệm thứ a tại tâm,
là giá trị trung bình của m thực nghiệm tại tâm kế hoạch:
. (2.4.7) Chỉ có các b có nghĩa (khác 0) mới xuất hiện trong phương trình hồi quy, các hệ số không có nghĩa (bằng 0) sẽ bị loại bỏ. Các hệ số b có nghĩa không phải tính toán lại bởi vì kế hoạch bậc một có tính trực giao. II.4.5- Kiểm tra tính tương hợp của mô hình Sử dụng chuẩn số Fisher để kiểm tra tính tương hợp của mô hình Nến Ftính < Ftra bảng mô hình tương hơp với bức tranh thực nghiệm nhưng cần cải tiến tìm vùng hầu như ổn định để có điểm tối ưu. Nếu Ftính > Ftra bảng mô hình không tương hợp cần phải tiến hành thực nghiệm ở bậc cao hơn. II.5- Phương pháp xác lập mô hình vật lý Việc xây dựng mô hình vật lý mô tả quá trình công nghệ hoá học dựa trên định lý ( của Buckingham và phương pháp phân tích thứ nguyên hiện đại. Định lý ( được phát biểu như sau: Nếu có n (n ( F+1) các đại lượng đặc trưng có thứ nguyên và không thứ nguyên tuân theo phương trình toàn phần (là phương trình có dạng không đổi khi đơn vị đo của các đại lượng thay đổi): ( (x1, x2, ...,x3, ..., xn) = 0 (2.5.1) thì luôn luôn có thể đưa phương trình này về dạng. ( ((1, (2, ..., (j, ... (p’) = 0 (2.5.2) trong đó (1, (2, ..., (p’ (p’= n – r) - đại lượng đặc trưng không thứ nguyên chuẩn số được xác định theo công thức (j =
,
(2.5.3) Các bước tiến hành xây dựng mô hình vật lý mô tả hệ. II.5.1- Xác định các đại lượng công nghệ độc lập Khi nghiên cứu quá trình công nghệ hoá học bao giờ cũng đặt ra một hoặc hai yếu tố là mục tiêu nghiên cứu của hệ và các yếu tố ảnh hưởng độc lập khác. Về số lượng các yếu tố công nghệ độc lập được xác định nhờ bậc tự do theo công thức F = FĐK + FNT + FH Trong đó FĐK là bậc tự do điều khiển hay số lượng các yếu tố công nghệ độc lập điều khiển hệ: đây là các đại lượng đặc trưng cho đầu vào của hệ như lưu lượng, nhiệt độ, khối lượng riêng, hàm lượng chất tan,... của các dòng vật chất tham gia vào hệ FNT là bậc tự do nội tại hay số lượng các yếu tố công nghệ độc lập đặc trưng cho nội tại của hệ. FH là bậc tư do hình học số lượng các yếu tố công nghệ đặc trưng cho các thông số kích thước hệ. II.5.2- Xác định các chuẩn số Các chuẩn số đơn giản: được thiết lập từ các đại lượng không thứ nguyên, các đại lượng có cùng thứ nguyên, và các đại lượng có thứ nguyên dễ dàng biểu diễn bởi sự kết hợp của một vài thứ nguyên của đại lượng khác có trong mô tả hệ. Các chuẩn số phức hợp còn lại được xác định bằng cách lập ma trận thứ nguyên (ai() từ các đại lượng còn lại và giải hệ phương trình. (aip)(kij) = 0 (2.5.4) II.5.3- Xác lập mô tả quan hệ chuẩn số và các thông số mô hình Mô tả quan hệ giữa các đại lượng độc lập đến mục tiêu nghiên cứu bằng thiết lập hàm quan hệ chuẩn số có dạng (j = C
(2.5.5) Trong đó: (j là chuẩn số của đại lượng mục tiêu (u là chuẩn số của các đại lượng ảnh hưởng độc lập C và (u là các tham số của mô hình cần xác định Bằng thực nghiệm theo kế hoạch 2k với các mức trên và mức dưới của (u ta sẽ xác định được C và (u thông qua giải hệ phương trình tuyến tính logarit dạng lg((j) = lgC +
(2.5.6) Số ẩn số là u+1 vì vậy muốn giải được phương trình cần ít nhất u+1 thí nghiệm để có u+1 phương trình. II.6- Sơ đồ thí nghiệm Theo bảng phân tích số liệu chất lượng nước thải của Công ty và cơ sở lý thuyết của công nghệ xử lý nước thải đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu. Nước thải của Công ty cần được kết hợp các phương pháp khác nhau để xử lý đạt hiệu quả trên cơ sở thoả mãn: Công nghệ xử lý hiện đại; Chi phí đầu tư thấp, hiệu quả xử lý cao; Giá thành xử lý thấp; Diện tích xây dựng vừa phải; Quy trình vận hành đơn giản; Nước sau xử lý đạt dưới TCVN 5945-1995 cột B. Để đáp ứng được các yêu cầu đó chúng tôi chọn phương án Công nghệ như sau: Thuỷ lực – Hoá lý – sinh học Thuỷ lực: được áp dụng ngay ban đầu nhằm loại bỏ các phần cặn thô, rác lẫn trong nước kết hợp giữa bể lắng nghiêng và song chắn rác. Hoá lý: được áp dụng tách các hạt lơ lửng khó tồn tại dưới dạng hệ keo chủ yếu là xenlulo sinh ra từ quá trình thuỷ phân rong câu, đây là loại chất hữu cơ khó phân huỷ bằng sinh học. Phương pháp hoá lý được áp dụng là đông keo tụ có sử dụng chất trợ lắng Poliacryamit. Sinh học: được áp dụng để loại bỏ hầu hết các chất hữu cơ hoà tan trong nước. Phương pháp này dựa trên quá trình ôxi hoá các chất hữu cơ bằng quá trình ôxi hoá sinh học với sự hoạt động của các vi sinh vật. Quy trình công nghệ: CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1- Giai đoạn xử lý sơ cấp đông keo tụ: III.1.1- Tiến hành thực nghiệm Dụng cụ: Thùng khuấy bằng nhựa PVC ( 110 dung tích 2 l, với dung tích làm việc 1 l, tỉ số H/D = 2 Máy khuấy tốc độ vòng tối đa 200 vòng/phút Cánh khuấy dạng bản nghiêng 450, d =35 mm; h =10 mm Ống đong 1000ml Pipet: 2ml, 10ml Máy đo pH EC 30 Hach (USA) Đồng hồ Hoá chất: Chất đông tụ PAC, phèn Al2(SO4)3 thương phẩm 97%, FeCl3 ; Chất trợ keo tụ A 101, N 106; Axit H2SO4 đặc; NaOH. 5N. Các bước tiến hành Chuẩn bị dụng cụ, hoá chất; Đồng nhất mẫu: Để đảm bảo cùng điều kiện tiến hành thí nghiệm giữa các lần lấy mẫu khác nhau, mẫu nước thải trước khi xử lý được đưa về chất lượng mẫu trung bình trên cơ sở kết quả phân tích đã được Trạm quan trắc thực hiện (tháng 12 năm 2004), bằng cách pha loãng hoặc cô mẫu trong phòng hút ẩm. Thông số được lựa chọn đánh giá hiệu suất thí nghiệm là COD và TSS; Điều chỉnh pH Khuấy trộn nhanh 200 v/phút, tạo chuyển động chảy xoáy với
= 245 > 30. Thêm chất đông tụ; Khuấy trộn nhanh 1-5 phút; Thêm chất trợ keo tụ; Khuấy trộn chậm 20 v/phút khoảng 5-10 phút, tạo chuyển động dòng với Rek = 24,5 < 30. Để lắng tĩnh từ 20 đến 40 phút; Kiểm tra hiệu suất quá trình đông tụ Hiệu suất quá trình lắng đông tụ được kiểm tra qua sự giảm chỉ số COD. Lập kế hoạch thực nghiệm Theo phân tích trong phần trên nước thải của Công ty có pH trung bình trong khoảng 8,2 – 8,5, nên polyaluminiumclorua - PAC thương phẩm đã được chọn sử dụng để xử lý đông keo tụ sau khi điều chỉnh pH của nước thải về khoảng 6,5-7 bằng dung dịch H2SO4. Chất lượng nước thải trước khi xử lý đảm bảo ổn định ở TSS = 200-250 mg/l, COD = 1200-1250 mg/l. Theo các tài liệu cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến quá trính đông keo tụ gồm: độ pH, chế độ khuấy trộn, chất đông tụ và hàm lượng, chất trợ keo tụ và hàm lượng ,... Với độ pH đã có các nghiên cứu chỉ ra vùng tối ưu cho từng loại chất đông tụ vì vậy chúng tôi cố định pH đối với mỗi chất đông tụ được nghiên cứu. Ở đây các yếu tố ảnh hưởng độc lập được chọn là hàm lượng chất đông tụ, hàm lượng chất trợ keo tụ, thời gian phản ứng đông tụ. Bằng các thí nghiệm khảo sát sơ bộ với các chất đông tụ FeCl3, FeCl2, Al2(SO4)3, PAC và các chất trợ keo tụ A101, N106 ở các điều kiện và nồng độ được cho là tối ưu chúng tôi thấy rằng đối với nước thải của Công ty khả quan nhất là sử dụng PAC kết hợp với A101.