Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học

Bài 1: XỬ LÝ HIẾU KHÍ NƯỚC THẢI BẰNG BỂ AEROTEN Cơ sở lí thuyết của quá trình xử lý hiếu khí nước thải: Khái quát về các phương pháp xử lý nước thải và xử lý nứơc thải bằng sinh học: Trong xử lý nước thải có thể phân thành hai biện pháp chủ yếu là biện pháp hóa lí và biện pháp sinh học. Biện pháp hóa lý: Thường áp dụng xử lý sơ bộ hoặc đối với nước thải có độ màu cao, chứa các kim loại nặng, các hợp chất khó và không thể phân hủy sinh học. Biện pháp sinh học: thường được áp dụng để xử lí nước thải có tỉ lệ BOD/COD > 0.5 chẳng hạn như nước thải sinh họat, nước thải của các nghành chế biến thủy hải sản, mía đường, thực phẩm, giấy… nhưng với điều kiện trong nước thải không chứa các chất độc với vi sinh vật. Đối với phương pháp sinh học bao gồm xử lý hiếu khí và xử lý yếm khí. Nguyên lý của quá trình xử lý sinh học hiếu khí: Nguyên lý của quá trình xử lý sinh học hiếu khí là lợi dụng quá trình sống và hoạt động của vi sinh vật hiếu khí và tùy tiện để phân hủy chất hữu cơ và một số chất vô cơ có thể chuyển hóa sinh học được có trong nước thải. Đồng thời các vi sinh vật sử dụng một phần hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hóa để tổng hợp nên sinh khối. Cơ chế của quá trình: Quá trình xử lý sinh học là quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ đồng thời tổng hợp sinh khối hay phân hủy nội bào theo các cơ chế cơ bản sau: Oxi hóa các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ:
Oxi hóa các hợp chất có chứa nitơ:
Tổng hợp sinh khối:
Phân hủy nội bào:
Quá trình Nitrat hóa:
Quá trình phản nitrat hóa:
Oxi hóa các hợp chất chứa lưu huỳnh và photpho:
Oxi hóa cá hợp chất chứa sắt và mangan:
Sự tăng trưởng của vi sinh vật: Quá trình tăng trưởng của vi sinh vật trải qua 4 giai đoạn và có thể được mô tả như đồ thị dưới đây Một đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý (Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991) Động học của quá trình: Các tác sinh học: Tác nhân sinh học được sử dụng trong quá trình xử lí hiếu khí có thể là vi sinh vật hô hấp hiếu khí hay tùy tiện, nhưng phải đảm bảo các yêu cầu sau: Chuyển hóa nhanh các hợp chất hữu cơ; Có kích thước tương đối lớn (50 - 200μm); Có khả năng tạo nha bào; Không tạo ra các khí độc. Dựa trên các yêu cầu đó thì các chủng vi sinh vật thường đựơc sử dụng như sau: Vi khuẩn hô hấp hiếu khí: Pseudomonas(P.putid; P.Stutzen); Aerobacter; Bacillus Subtilis (Phát triển trong môi trường giàu protein); Flavobacterium (Phát triển trong môi trường giàu sắt); Nitrosomonas (Vi khuẩn nitrit hóa); Nitrobacter (Vi khuẩn nitrathóa). Vi khuẩn hô hấp tùy tiện: Cellulosomonas; Rhodospeudomonas (Có màu hồng); Micothrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng); Thiothrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trằng). Ngoài ra còn có các nguyên sinh động vật: Có kích thước khoảng (30 - 50μm) Trong bể xử lý nó có các vai trò sau. Bám vào bùn làm cho bùn dễ lắng hơn; Ăn cặn lơ lửng góp phần làm trong nước; Làm chỉ thị để đánh giá mức độ cấp khí cho bể. Bao gồm hai dạng chủ yếu: Trùng tơ (Cillatae); Trùng roi (Flagellate). Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý (Đánh giá đối với mô hình thí nghiệm): Oxi hòa tan – DO: Đây là thông số vô cùng quan trọng đối với hệ thống xử lý hiếu khí vì nếu thiếu oxi thì vi sinh vật hô hấp hiếu khí dễ bị chết và khi đó các vi sinh vật hô hấp tùy tiện như các vi sinh vật dạng sợi làm phồng bùn, khó lắng dẫn đến giảm hiệu quả của quá trình xử lý. DO tối ưu thường từ 2 – 4 mg/l. Nhưng trên thực tế thì tốt nhất là > 4 mg/l. Cấp khí một cách đầy đủ cho hệ thống xử lý thì ta phải quan tâm kĩ đến bản chất của nước thải cần xử lý chẳng hạn ta có hệ số oxi hóa của một số hợp chất cơ bản sau: Chất  Hệ số oxi hóa (k)   COD  0.68   BOD5  1   BOD  1.42   N – NH4+  4.32   Nhữu cơ  4.57   Ngoài ra DO còn phụ thuộc vào nhiệt độ. pH của môi trường: Mỗi vi sinh vật đều có một khoảng pH hoạt động tối ưu của nó. Do đó khi pH thay đổi không phù hợp thì cũng làm cho khả năng xúc tác phản ứng của vi sinh vật thay đổi và làm giảm hiệu quả xử lý. Trong trường hợp pH quá cao hoặc quá thấp có thể làm chết vi sinh vật. Dải pH tối ưu cho xử lý hiếu khí nước thải là từ 6.5 – 8. Để đảm bảo được pH trong khoảng trên trong thực tế trước khi cho nước thải vào bể xử lý vi sinh người ta thường đều hòa lưu lượng, đều hòa pH, đều hòa các chất dinh dưỡng ở bể đều hòa. Nhiệt độ: Mỗi sinh vật cũng có một khoảng nhiệt độ tối ưu, nếu tăng nhiệt độ quá ngưỡng sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật hoặc bị tiêu diệt hay tạo bào tử. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến DO: Khi nhiệt độ tăng DO giảm và vận tốc phản ứng tăng lên. Khi nhiệt độ giảm DO tăng nhưng ngược lại vân tốc phản ứng giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ phản ứng được biểu hiện qua phương trình: rT = r20.θ(T -20) Trong đó: rT:Tốc độ phản ứng ở ToC r20: Tốc độ phản ứng ở 20oC θ: Hệ số hoạt động của nhiệt độ T: Nhiệt độ của nước (oC). Do đó ta phải lựa chọn nhiệt độ sao cho phù hợp với vận tốc phản ứng và DO. Trong bể aeroten nhiệt độ tối ưu là 20 – 27 oC, nhưng cũng có thể chấp nhận khoảng nhiệt độ 17,5 – 35oC. Chất dinh dưỡng: Chất dinh dưỡng trong thải chủ yếu là nguồn cacbon (Gọi là chất nền thể hiện bằng BOD), cùng với N và P là những nguyên tố đa lượng. Ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như: Mg, Fe, Mn, Co… Tỉ lệ các chất dinh dưỡng phù hợp là C:N:P = 100:5:1 Tỷ lê C/N = 20:1 Nước thải thiếu N, P thì vi khuẩn dạng sợi phát triển tạo hiện tượng phồng bùn, không tạo bông sinh học. Có thể điều chỉnh bằng cách bổ sung urê, muối amôn,… Trong trường hợp thừa N, P thì vi sinh vật sử dụng không hết phải khử các thành phần này bằng các biện pháp đặc biệt. F/M – Food/Microorganism (BOD/MLSS): Tỷ số F/M tối ưu thường nằm trong khoảng 0.5 – 0.75 F/M >1 môi trường giàu dinh dưỡng vi sinh vật tập trung phát triển do đó không tạo nha bào vì vậy bông sinh học nhỏ dẫn đến khó lắng. Đồng thời tạo ra lượng bùn lớn và phải tốn kém thêm chi phí cho xử lý bùn. F/M <=1 Vi sinh vật phát triển ổn định, tạo nha bào, tạo bông sinh học, hệ thống xử lý hiệu quả. F/M<0.5 môi trường quá nghèo nghèo dinh dưỡng dẫn đến vi sinh vật không đủ nguồn dinh dưỡng để họat động. Các chất kiềm hãm: Nồn độ muối vô cơ trong nước thải không vượt quá 10g/l, nếu là muối vô cơ thông thường thì có thể pha loãng nước thải. Còn nếu là các chất độc như kim loại nặng thì phải có các biện pháp khử thích hợp trước khi đưa vào xử lý bằng bể aeroten. Hàm lượng sinh khối: Hàm lượng sinh khối ổn định trong bể aeroten thường từ 500 – 800mg/l và có thể 1000 – 1500 mg/l, tùy thuộc vào tính chất của nước thải và họat lực của vi sinh vật. Thực nghiệm xử lý nước thải bằng bể aeroten: Mô hình thực nghiệm: MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BỂ AEROTEN XỬ LÝ GIÁN ĐOẠN Các thông số cần xác định: Đo pH: Mục đích đo pH nhằm theo dõi pH trong quá trình xử lý để kịp thời điều chỉnh pH về dải giá trị pH thích hợp. pH được đo bằng máy đo pH với điện cực thủy tinh. Trước khi đo phải hiệu chuẩn máy bằng dung dịch chuẩn có pH = 4.01 và pH = 7.0 Đo pH phải đi kèm với nhiệt độ. Cách 2 giờ đo một lần. Đo DO: Đo DO với mục đích theo dõi lượng oxi hòa tan trong bể xử lý xem có đáp ứng được nhu cầu của hệ thống hay không, nhằm kịp thời điều chỉnh thích hợp trong quá trình vận hành. DO cũng được đo bằng máy đo nhanh. DO được đo tại 4 vị trí chéo nhau trong bể và lấy giá trị trung bình. Đo DO cũng đi kèm với nhiệt độ. DO được đo 2 giờ một lần. Phân tích MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid): Mục đích của việc phân tích MLSS nhằm xác định nồng độ bùn hoạt tính trong bể aeroten và tính chỉ số thể tích lắng của bùn. Mguyên tắc xác định là phương pháp khối lượng. MLSS được đo 3 lần vào các thời điểm 0h, 4h và 8h. Cách tiến hành: Thao tác  Thông số, thể tích, khối lượng…   Cân giấy lọc đã sấy ở 105oC  Khối lượng a, gam   Lấy mẫu vào ống đong  c = 50, ml   Lọc mẫu qua giấp đã sấy nhờ bình hút chân không    Sấy đến khối lượng không đổi ở 105oC  Thời gian sấy thường là 1h   Cân giấy có sinh khối đã sấy  Khối lượng b, gam   Đây thực chất là cách xác định SS nhung trong bể aeroten cũng có thể xem nhu nồng độ bùn hoạt tính vì cặn hữu cơ chiếm khoảng 80% Công thức tính MLSS MLSS =
, mg/l Trong đó: MLSS: Hàm lượng bùn hoạt tính, mg/l b: Trọng lượng giấy có sinh khối, g; a: Trọng lượng giấy không có sinh khối, g; c: Thể tích mẫu, ml Phân tích SVI: Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI) là đại lượng lượng biểu thị dung tích lắng (tính bằng ml) của 1 gam bùn hoạt tính (khô). SVI được đo ở các thời điểm 0h, 4h, 8h. Cách tiến hành: Thao tác  Thể tích, thông số..   Lấy mẫu vào ống đong hình trụ 1l (Hỗn hợp rắn, lỏng trong bể )  1,lít   Để lắng  Thời gian lắng 30 phút   Ghi lại thể tích lắng  VL, ml   Công thức tính: SVI =
, ml/g Trong đó: SVI: Chỉ số thể tích lắng của bùn, ml/g VL: Thể tích lắng của bùn, ml/l MLSS: Hàm lượng bùn hoạt tính, mg/l. Phân tích BOD5: BOD và COD là hai yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống. Do đó ta cần phân tích BOD ở thời điểm oh và 8h để đánh giá hiệu suất xử lý như thế nào cũng như đánh giá nứơc ra đạt tiêu chuẩn hay chưa. BOD5 được xác định bằng thiết bị oxytop, thiết bị này hoạt động dựa trên cảm biến sự giảm áp trong chai chứa mẫu phản ứng của sensor. Quá trình ủ được tiến hành trong hệ kín. Khí CO2 tạo ra trong quá trình ủ bị hấp thụ vào chất kiềm mạnh làm áp suất bên trong chai giảm dần. Sự giảm áp này được chuyển vào bộ vi xử lý (sensor) và được chuyển thành giá trị BOD tương ứng. Tiến hành phân tích: Thao tác  Thể tích, thông số,…   Mẫu oh, Lấy mấu vào cốc thủy tinh 200ml, và để lắng  200ml   Mẫu 8h, Lấy vào cốc thủy tinh 500mml, để lắng  500ml   Cho mẫu vào chai ủ đã có con từ (Mẫu oh)  164ml   Cho mẫu vào chai ủ đã có con từ (Mẫu 8h)  432ml   Cho lẵng cao su lọt vào miệng chai và cho vào 2 viên KOH    Đặt và vặn chặt sensor cảm biến BOD    Công thức tính BOD5: BOD5 = (D – D’).f.k Trong đó: BOD5: Giá trị BOD của mẫu cần phân tích trong 5 ngày; D:Giá trị hiện trên sensor sau 5 ngày của mẫu phân tích; D’:Giá trị hiện trên sensor sau 5 ngày của mẫu trắng; f: Hệ số phụ thuộc thể tích mẫu; k: Hệ số pha loãng; Phân tích COD: COD cũng là thông số đánh giá khả hiệu quả xử lý của hệ thống cũng như đánh giá chất lượng nước sau khi qua hệ thống xử lý. Nguyên tắc xác định COD: Lượng oxi tham gia phản ứng được xác định gián tiếp bằng phương pháp dùng các chất ôxy hoá mạnh như KMnO4, K2Cr2O7. Phương pháp Bicromat Kali tốt hơn dùng các chất oxi hoá khác do khả năng oxi hoá cao, phạm vi ứng dụng rộng, dễ thao tác, sự ôxi hoá các chất hữu cơ đạt 95 – 100% so với giá trị lý thuyết. Cơ chế phản ứng: Hầu hết các hợp chất hữu cơ bị õi hoá bởi hỗn hợp sôi của bicrômatkali và axit sunfuaric.
Lựơng Cr2O72- dư được chuẩn độ và sử dụng feroin làm chỉ thị. Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm khi dung dịch chuyển từ màu xanh lam sang màu nâu đỏ nhạt. Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ 150oC trong khoảng 2 giờ, trong môi trường axit H2SO4 đặc với xúc tác Ag2SO4. Nhu cầu oxi hoá hoá học dễ dàng xác định được khi biết lượng bicromat kali tham gia phản ứng. COD được đo ở các thời điểm 0h, 2h, 4h, 6h, 8h. Chú ý: Trước khí đo mẫu vào phải lọc và pha loãng 2 lần. Mẫu đầu ra không lọc và không cần pha loãng. Các bước tiến hành như sau: Thao tác  Thể tích, thông số,…   Lấy mẫu (0h)  V > 10ml   Các mẫu (2h, 4h, 6h, 8h)  V > 4ml   Lọc vào ống nghiệm    Pha loãng (đối với mẫu 0h) các mẫu còn lại không pha loãng.  Pha loãng hai lần 10ml mẫu đã lọc   Lấy vào ống đun đã có sắn 4 ml hỗn hợp làm COD (mỗi thời điểm 2 ống)  2ml   Đun  Nhiệt độ 150oC, trong vòng 2 tiếng đồng hồ.   Để nguội  Đến nhiệt độ phòng   Chuẩn độ bằng dung dịch FAS. Đồng thới chuẩn độ mẫu trắng  Vpt Vt   Chú ý: Dung dịch FAS phải được chuẩn độ lại hàng ngày. Mẫu trắng chỉ làm ở thời điểm 0h, và lấy chung cho các thời điểm còn lại. Công thức tính COD COD =
, mg/l Trong đó: COD là lượng COD trong mẫu phân tích, mg/l Vt: Là thể tích FAS chuẩn mẫu trắng, ml Vpt: Là thể tích FAS chuẩn mẫu phân tích, ml NFAS: Là nồng độ của FAS sau khi chuẩn lại, N 8: Đương lượng gam của oxi trong K2Cr2O7, k: Hệ số pha loãng, Kết quả - tính toán kết quả và đánh giá kết quả thực nghiệm: Đánh giá chất lượng bùn bằng cảm quan: Ta có thể dựa vào đặc tính màu sắc của bùn để đánh giá sơ bộ về hiệu quả xử lý, về DO trong bể có đủ theo yêu cầu hay không: Bùn có màu vàng nâu chứng tỏ là bùn chất lượng tốt, Bùn có màu hồng có thể trong bể thiếu oxi, vi sinh vật hô hấp tùy tiện phát triển, Bùn có màu đen chứng tỏ thiếu oxi trầm trọng, vi sinh vật yếm khí phát triển, Bùn có màu trắng, vi sinh vật dạng sợi phát triển. Hiện tượng rã bùn, Trong bể có chất độc, chấ khử trùng dạng oxi hóa mạnh. Nhận xét: Trong mô hình thí nghiệm, bùn có màu đỏ nâu đro đó cũng có thể đánh giá sơ bộ là hệ thống được cấp oxi đầy đủ. Tuy nhiên để đánh giá quá trình hiệu quả đến mức nào thì phải dựa vào việc đo và phân tích các thông số khác. Kết quả đo pH: Kết quả các lần đo pH tại 5 thời điểm như sau: Thời điểm(h)  Nhiệt độ  pH   0  27.3  7.96   2  27  8.56   4  27.1  8.55   6  27.4  8.84   8  27.2  8.87   Nhận xét: Ta thấy pH tăng theo thời gian xử lý chứng tỏ COD ngày càng giảm dần. Đồng thời pH của môi trường nằm ở vùng hơi kiềm tính, vì đây là quá trình xử lí hiếu khi nước thải do đó nếu quá trình được cấp khí đầy đủ thì không thể xảy ra quá trình lên men tạo axit. Nhưng đây không phải là khoảng pH tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, do đó có thể đánh giá ban đầu là quá trình xử lí có thể không được hiệu quả. Ta thấy tại thời điểm o(h) có pH thấp nhất (pH = 7.96), còn kết quả đo tại các thời điểm còn lại pH đều tăng dần lên khoảng (pH = 8.5) và đến khoảng(pH = 8.8 ). Sự thay đổi pH trên có thể giải thích như sau: Bể aeroten đuợc để hơn 12 giờ đồng hồ từ ngày hôm trước không được sục khí do đó có thể xảy ra quá trình lên men yếm khí tạo các axit hữu cơ làm giảm pH trong bể. Khi bắt đầu quá trình xử lý, bể được sục khí và các axit hữu cơ bị phân giải và pH bắt đầu tăng dần. Ta thấy pH tại các thời điểm 2h và 4h cũng như 6h và 8h tương đương nhau, và chỉ thay đổi trong thời gian từ 0h sang 2 h và từ 4h sang 6h điều này có thể cho thấy càng về sau pH thay đổi càng chậm do quá trình phân giải các axít hữu cơ giảm dần. Kết quả đo DO: Thời điểm(h)  Nhiệt độ(oC)  Lần đo  DO(mg/l)  Trung bình(mg/l)   0  29.3  1  6.55  6.155     2  5.88      3  6.03      4  6.16    2  29.1  1  6.34  6.1775     2  6.17      3  6.25      4  5.95    4  29.4  1  6.03  5.8475     2  5.74      3  5.88      4  5.74    6  29.9  1  6.11  6.045     2  6.08      3  6.05      4  5.94    8  29  1  5.5  5.39     2  5.37      3  5.45      4  5.24    Nhận xét: Từ số liệu đo ta thấy DO luôn lớn hơn 5mg/l, vì vậy hệ thống luôn được cấp đầy đủ khí để hoạt động hiệu quả. Từ bảng số liệu ta thấy giá trị DO tại thời điểm 8h thấp hơn dải DO của tất cả các thời điểm trước đó, Điều này có thể do sự di chuyển thiết bị đo và chưa được hiệu chỉnh lại trước khi đo. Kết quả phân tích MLSS: Thời điểm(h)  Kết quả cân  c(ml)  MLSS(mg/l)    a(g)  b(g)  b - a     0  0.5167  0.576  0.0593  50  1186   4  0.5286  0.5893  0.0607  50  1214   8  0.4993  0.5757  0.0764  50  1528   Nhận xét: Thông thường thì MLSS (hàm lượng sinh khối tối ưu trong bể có COD trong khoảng 400 – 500 mg/l thì hàm lượng sinh khối phù hợp trong bể là 500 – 800 mg/l, nhưng ở đây MLSS đều trên 1000 mg/l là do hàm lượng bùn còn lại trong bể của các ngày trước chưa được đổ đi. Đồng thời COD đầu vào phân tích được cũng trên 800 mg/l. Từ kết quả thu được ta thấy hàm lượng cặn lơ lửng, sinh khối tăng dần theo thời gian là do lượng bùn được tạo ra ngày càng nhiều từ quá trình sinh hóa phân hủy chất bẩn và tạo sinh khối của vi sinh vật. Tuy nhiên hàm lượng cặn lơ lửng trong ½ thời gian đầu của quá trình xử lý tăng chậm là do thời gian đầu quá trình oxi hóa diễn ra mạnh và lượng chất bẩn được lấy làm thức ăn và vi sinh vật tăng. Vì đây là quá trình xử lý gián đoạn nên bùn sẽ được tạo ra nhiều ở cuối quá trình. Kết quả phân tích SVI: Thời điểm(h)  VL(ml)  MLSS(mg/l)  SVI(ml/g)   0  70  1186  59   4  80  1214  66   8  80  1528  52   Nhận xét: Có nhận xét từ kết quả thí nghiệm của các công trình xử lý sinh học bằng aeroten thì chỉ số lắng của bùn tốt nhất là trong khoảng 80 – 150 mg/l. Kết quả thí nghiệm này SVI đều dưới 80 ng/l, nhưng điều đó không có nghĩa là bùn hoạt động không tốt mà có thể do lượng bùn tạo ra ít, quá trình kết bông không tốt làm cho bùn khó lắng. Ta loại bỏ trường hợp vi khuẩn dạng sợi phát triển gây hiện tựơng phồng bùn vì bể được cấp khí đầy đủ. Hơn nữa do hàm lượng MLSS tăng quá nhanh ở giai đoạn cuối của thời gian xử lý nhưng thể tích bùn lắng không thể tăng lên đươc nữa. Kết quả phân tích BOD5 và COD: Kết quả phân tích BOD5: Thời điểm (h)  BOD5(mg/l)   0  350   8  72   Kết quả phân tích COD: Thời điểm(h)  Mẫu trắng  Mẫu phân tích  f  COD(mg/l)    Mẫu 1  Mẫu 2  Trung bình  Mẫu 1  Mẫu 2  Trung bình     0  11.85  11.95  11.9  7  7  7  2  890   2  11.85  11.95  11.9  10  10.25  10.125  1  161   4  11.85  11.95  11.9  10.35  10.4  10.375  1  138   6  11.85  11.95  11.9  10.5  10.45  10.475  1  129   8  11.85  11.95  11.9  10.5  10.5  10.5  1  127   Nhận xét: COD và BOD5 đều giảm rất tốt theo thời gian xử lý. Đối với bể aeroten thì nước thải đầu vào có COD 890 mg/l là hơi cao. Ta thấy COD giảm rất nhanh trong 2 giờ lưu nước đầu tiên. Điều này có thể giải thích là do vi sinh vật trong bể sau 12 tiếng không được cung cấp cơ chẩt nên khi gặp cơ chất và được cấp oxi đầy đủ nên quá trình oxi hóa phân hủy có chất diễn ra mạnh mẽ làm cho COD giảm rất nhanh. từ 890 mg/l xuống 161mg/l. Nhưng trong 6 giờ còn lại thì COD giảm rất chậm do hàm lượng co chất và chất dinh dưỡng còn rất ít nên khả năng tiếp xúc của vi sinh vật với cơ chất cũng giảm dần. Đến giai đoạn cuối thì COD không thể giảm được nữa vì phần còn lại là các chất khó phân hủy hay không thể phân hủy được. Hiệu quả xử lý COD hay BOD5: Hiệu quả xử lí COD: YCOD =
x100 ,% Ta có: CODv = 890, mg/l CODr = 127, mg/l YCOD =
x100 = 85.7,% Hiệu quả xủa lý BOD5: YBOD5 =
x100 ,% Ta có: BOD5vào = 350 mg/l BOD5ra =73, mg/l YBOD5 =
x100 = 79.4 ,% Nhận xét: Ta thấy hiệu quả xử lý COD cao hơn hiệu quả xử lý BOD5 1.07 lần chứng tỏ còn một lượng các chất hữu cơ trong bể mà vi sinh vật chưa phân hủy được do thời gian lưu chưa đủ lâu hoặc do cung cấp chưa đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết khác. Tải trọng riêng của bể: Tải trọng riêng theo BOD5 của bể tính theo công thức: TRGĐ =
x24, (kgBOD5/kgMLSS/ngày) =
x24 = 0.7, (kgBOD5/kgMLSS/ngày) Nhận xét: Theo các nghiên cứu trước đây ta có cách đánh giá tải trọng của bể aeroten như sau: TR < 0.3, Tải trọng thấp TR = 0.3 – 0.5, Tải trọng trung bình. TR > 0.5, Cao tải TR > 1, Rất cao. Như vậy bể thí nghiệm đã hoạt động trong tình trạng cao tải. Hệ số oxi hóa: Hệ số oxi hóa được tính theo công thức: Yoxihoa =
=
= 0.029.10-3,(kgBOD/gamMLSS.h) Hệ số tạo sinh khối: Ysinhkhối =
, gam sinh khối/gam BOD 5,chuyển hóa =
= 1.23,gam sinh khối/gam BOD 5,chuyển hóa Nhận xét: Hệ số tạo sinh khối trong bể aeroten thường dao động trong khoảng 0.25 là hợp lý. Nhưng trong trường hợp này là 1.23, Do đó trong bể tồn tại 1 lượng bùn rất lớn cần xử lý. Tuy nhiên đây không phải là lượng sinh khối tạo ra của 8 giờ đồng hồ mà đây là lượng sinh khối còn lại của các ngày thí nghiệm trước chưa được xử lý. Bảng theo dõi vận hành: TĐ (h)  Đo pH  Đo DO  COD (mg/l)  BOD5 (mg/l)  MLSS mg/l  VL (ml)    (oC)  pH  (oC)  DO(mg/l)       0  27.3  7.96  29.3  6.155  890  350  1186  70   2  27  8.56  29.1  6.1775  161            4  27.1  8.55  29.4  6.8475  138     1214  80   6  27.4  8.84  29.9  6.045  129            8  27.2  8.87  29  5.39  127  72  1528  80   Kết luận: Nước thải sau xử lý có COD = 127 mg/l, và BOD5 là 72 mg/l. Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 5945 – 1995- Nước thải công nghiệp. Thì nước sau xử lí chỉ đạt tiêu chuẩn loại 3 không được phép xả trực tiếp vào nguồn. Do đó trên thực tế phải qua một hồ xử lí cấp 3 Tuy nhiên, với bể cao tải thì nước sau xử lí đạt hiệu quả như trên là rất tốt. Bài 2: XỬ LÝ YẾM KHÍ NƯỚC THẢI BẰNG UASB THU BIOGAS UASB (upward-flow anaerobic sludge blanket – dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí) BIOGAS (Khí sinh học) Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý yếm khí nước thải thu biogas: Sơ lược về quá trình xử lý yếm khí nước thải thu biogas và khả năng ứng dụng: Xử lý yếm khí nước thải bằng UASB là một trong những phương pháp sinh học xử lý hiệu quả nước thải giàu chất hữu cơ đồng thời thu khí biogas. Quá trình này thích hợp với các loại nước thải có chất hữu cơ từ 3000 mg/l đến 10000 mg/l. Có thể đến 20000 mg/l Xử lý bằng UASB thích hợp cho xử lý nước thải một số ngành như: Nước thải ngành thủy sản, nước thải ngành sản xuất cồn, nước thải ngành giấy… Nguyên tắc của quá trình lên men yếm khí tạo biogas: Nguyên tắc của qúa trình này là sử dụng vi sinh vật yếm khí và tùy tiện để để phân hủy các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học thu khí biogas. Cơ chế của quá trình phân giải yếm khí: Cơ chế của quá trình phân giải yếm khí các chất hữu cơ gồm 3 giai đoạn Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân. Dưới tác dụng của các enzim thủy phân (Hyđrolaza) của vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ phức tạp như: gluxit, lipit và protein…được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản thành các chất hữu cơ đơn giản như: Đường, peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin… Cơ chế của một số chất đơn giản:



Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ. Các sản phẩm thủy phân sẽ được phân giải yếm khí tạo thành các axít hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn như axít butyric, axit propionic, axit axetic, axit foocmic. Trong quá trình lên men axit hữu cơ, một số axit béo phân tử lượng lớn được chuyển hóa tạo axit axetic dưới dạng của các vi khuẩn axetogen. Ví dụ một số cơ chế đơn giản sau:



Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: Rượu, andehyt, axeton, các chất khí CO2, H2, NH3, H2S và một lượng nhỏ khí Indol, scatol… Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có rất nhỏ một phần chuyển thành CO2 và NH3 , đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm. Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo khí mêtan. Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính…bị phân giải tạo thành khí mêtan Sự hình thành khí mêtan có thể theo hai cơ chế sau: - Do decacboxyl hóa các axit hữu cơ:




- Do khử CO2 trong đó chất nhường điện tử là H2 hoặc các chất mang H+ trung gian:




Tác nhân sinh học của quá trình: Tác nhân giai đoạn của giai đoạn 1: Bacillus, Pseudomonas, Ptoteus, Micrococus, Clostridium. Tác nhân sinh học của giai đoạn 2: Streptococus, Aerogennes, Bacterium, Clustridium. Tác nhân sinh học của giai đoạn 3: Nhóm ưa ấm: Methanococus, Methanobacterium, Methanosarcina. Nhóm ưa nóng: Methanobacillus, Methanospirilium, Methanothrix. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí: Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp đối với vi sinh vật ưu ấm là 35 – 37 oC, còn đối với vi sinh vật ưa nóng là 55 – 60 oC, như vậy có thể điền chỉnh nhiệt độ cho quá trình khoảng 42 – 43oC Khi nhiệt độ tăng thì vận tốc phản ứng của quá trình tăng nhưng quá trình đối lưu khí trong bể tăng nên khí CO2 và H2 dễ thoát ra ngoài do đó dễ mất 30% CH4 tạo ra nhờ khử CO2 và làm giảm hiệu quả thu khí biogas. pH: Ở giai đoạn 1và 2 thì pH ảnh hưởng không nhiều đến vi sinh vật vì các vi sinh vật của giai đoạn này có thể thích ứng được với môi trường axit. Ở giai đoạn 3 vi khuẩn metan rất nhạy cảm với pH. pH phù hợp là 6.5 – 7.5 nhưng tốt nhất là 6.8 – 7.2 hay 7.3 – 7.8 tùy thuộc vào từng chuẩn vi khuẩn mêtan khác nhau. Nhưng nhìn chung pH khoảng pH>=7. Nếu pH < 6.2 hiệu quả thu metan giảm 30%. Nếu pH < 6 kéo dài trong 1 tuần thì vi khuẩn metan có thể chết. Tỷ lệ C/N: ỷ số C/N = 30/1 là tỷ số thích hợp. C/N > 30: N nhỏ do đó dinh dưỡng không đủ để vi sinh vật tổng hợp tế bào vì vậy kéo dài thời gian xử lý. C/N<30/1: N quá lớn, N dư thừa sẽ phân hủy tạo NH3 trong môi trường yếm khí và trở thành chất độc kìm hãm vi sinh vật cho nên hiệu quả xử lý giảm. So sánh với bể aeroten (C/N = 20/1) thì nhu cầu N của xử lý yếm khí thấp hơn vì hệ số tạo sinh khối đối với biện pháp hiếu khí là khoảng 0.25 lớn hơn nhiều so với phương pháp yếm khí chỉ khoảng 0.05 – 0.136. Các chất kiềm hãm: Các chất kìm hãm đối với vi sinh vật của qúa trình này là: + Các dạng khí: NH3, H2S + Kim loại nặng như: Fe, Mn, As, Cr... + Ngoài ra còn một số các chất hữu cơ dạng mạch vòng, dung môi hữu cơ, chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật... Thời gian lưu: Thời gian lưu yêu cầu là 2 – 30 ngày. Thời gian lưu phụ thuộc vào bản chất của COD và BOD và tải lượng của dòng thải. Thực nghiệm xử lý nước thải bằng UASB thu biogas: Mô hình thí nghiệm: Bể có dung tích 38 l nhưng dung tích làm việc là 35 l. Thời gian lưu của nước thải là 2 ngày do đó lưu lựơng nước thải vào 17.5 l/ngày tức điều chỉnh van tiếp liệu sao cho lưu lượng vào khoảng 12 ml/phút. Nước tự chảy vào bể nhờ một thùng cao vị và có van điều chỉnh lưu lượng. Có túi thu khí được nối với chóp thu khí. Có thiết bị điều nhiệt để đảm bảo nhiệt độ của thiết bị trong khoảng 41 – 43 oC MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM (Hình trang sau) Yêu cầu của thiết bị và các thông số vận hành thiết bị: Thiết bị phải đảm bảo kín để các vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt không bị chết và quá trình xử lý đạt hiệu quả cao. Nhiệt độ phải được đảm bảo đựơc duy trì trong khoảng 37 – 42 oC. Thời giam lưu lớn hơn hoặc 2 ngày. Chất khô thường nhỏ hơn 30mg/l, nếu lượng chất khô lớn hơn 30mg/l sẽ ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu của tế bào vi sinh vật. Các thông số cần xác định trong thí nghiệm: Đo nhiệt độ và pH: pH và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng hàng đầu ảnh huởng đến quá trình xử lý vì vậy hai thông số trên phải được theo dõi chặt chẽ để vận hành hệ thống tốt nhất. Mỗi thời điểm phân tích đều phải đo pH và nhiệt độ tại thời điểm đo pH bằng máy đo pH theo nguyên tắc đo điện thế bằng điện cực thủy tinh. Phân tích TS: Phân tích TS để đánh giá lượng sinh khối cuốn theo nước đi ra khỏi bể. TS bao gồm: Chất hòa tanm chất không hòa tan (vô cơ và hữu cơ), và sinh khối. Để đánh giá lượng sinh khối cuốn theo nước đầu ra ta xét đến tỷ lệ TS/COD. TS>3COD chứng tỏ cặn hòa tan lớn cần có bể lắng hoặc tuần hòan bùn. Nguyên tắc phân tích: Phương pháp khối lượng Cách tiến hành: Thao tác  Thể tích, thông số, khối lượng,…   Cân cốc đã được sấy đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 105oC  m1   Lấy mẫy vào bình định mức dung tích 50  V = 50 ml   Cho vào cốc, cô cạn sau đó sấy khoảng 1 tiếng    Cân cốc chứa cặn  m2   Phân tích COD và BOD5: Vì thời gian phân tích BOD5 và đối với xử lý yếm khí thường quan tâm đến COD nhiều hơn nên trong bài thí nghiệm không phân tích BOD5. Phân tích COD để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống. Nguyên tắc của phương pháp phân tích: Hồi lưu đóng Tiến hành như các bài trước. Xác định axit tổng và axit bay hơi: Xác định và axit bay hơi có vai trò quan trọng trong việc đánh giá tình trạng họat động của vi khuẩn trong các giai đoạn của quá trình. Axit bay hơi là các axit hữu cơ có khối lượng nguyên tử thấp làm nguyên liệu cho quá trình mêtan hóa. Để đánh giá tình trạng họat động của bể ta có thể dựa vào tỷ số Ab/AT. + Ab/AT thông thường bằng 0.5 + Ab/AT < 0.5 giai đoạn metan hóa diễn ra kém. + Ab/AT > 0.5 giai đoạn metan hóa diễn ra tốt. Tiến hành phân tích axit tổng: Thao tác  Thông số, thể tích, khối lượng…   Lấy mẫu vào bình tam giác  VM = 50 ml   Chuẩn độ bằng NaOH 0.1N (được chuẩn lại hàng ngày bằng (COOH)2 0.1N) với chỉ thị phenolphtalein. Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm tại đó dung dịch chuyển từ không màu sang màu hồng.  VN   Công thức tính: AT =

, mg/l Tiến hành phân tích axit bay hơi: Thao tác  Thông số, thể tích, khối lượng,…   Lấy mẫu đem chưng  VM = 200 ml   Sau khi chưng được thể tích  c, ml   Lấy thể một thể tích đã chưng được đem chuẩn  b = 50 ml   Chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 0.1N, với chỉ thị phenolphtalein. Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm dung dịch từ không màu chuyển sang màu hồng.  VN   Công thức tính Ab =
, mg/l Phân tích CH4 thông qua phân tích CO2: Trong thành phần của khí biogas tạo thành có khoảng: 60 – 70 % CH4 20 – 30 % CO2 Còn lại 1 % là các khí khác Bằng cách quan sát ngọn lửa cháy khi đốt khí tạo thành ta có thể đánh giá sơ bộ về chất lượng khí tạo thành. Ta xác định CO2 để tính lượng CH4 tạo ra (CH4 là khí cháy tạo nhiệt lượng cao hơn các khí khác) Nguyên tắc xác định CO2: CO2 được hấp thụ bằng dung dịch baryt (Ba(OH)2 và BaCl2) sau đó được phân tích bằng phương pháp phân tích thể tích. Tiến hành phân tích CO2: Thao tác  Thể tích, thông số, khối lượng,…   Lấy mấu khí vào túi lấy mẫu 2 lít  V = 2 lít   Hấp thụ mẫu khí vào bình tam giác dung tích 250 ml đã có sẵn v = 100 ml baryt nhờ bơm hút chân không  Để trong thời gian 4h thường xuyên lắc đều.   Lấy mẫu dung dịch baryt đã hấp thụ CO2 đi chuẩn độ Đối với mẫu trắng thì lấy dung dịch baryt đem chuẩn  a = 2 ml a = 2ml   Chuẩn độ bằng dung dịch (COOH) 0.56g/l với chỉ thị phenolphtalein, điểm kết thúc chuẩn độ là điểm tại đó dung dịch chuyển từ không màu sang màu hồng. Đồng thời chuẩn độ mẫu trắng  N n   Đo thể tích của chai chứa dung dịch hấp thụ  Vo   Công thức tính: CO2 ‰ =
Kết quả thí nghiệm và đánh giá kết quả: Kết quả đo pH và nhiệt độ: Thời điểm (h)  Nước thải vào  Nước thải ra    Nhiệt độ (oC)  pH  Nhiệt độ (oC)  pH   0  25.5  7.68  26.9  7.65   24  24.8  6.39  28.2  7,56   48           7.65   Nhận xét: Nhiệt độ trên chỉ là nhiệt độ đo đi kèm với giá trị pH, không có ý nghĩa trong đánh giá nhiệt độ cuả nước thải vào hay ra. pH của nước thải dao động quanh 7.5 chứng tỏ thiết bị làm việc tốt. Các giai đoạn diễn ra hoàn toàn Kết quả phân tích TS: Thời điểm(h)  m1(g)  m2 (g)  m2 -m1  V (ml)  TS(g/l)  TS(mg/l)   0  23.5977  23.8112  0.2135  50  4.27  4270   24  21.0191  21.2364  0.2173  50  4.346  4346   48                     Nhận xét: Ta có tỷ số TS/COD = 4346/ 435 = 10 chứng tỏ trong nước đầu ra vẫn còn một lượng lớn cặn lơ lửng do đó trên thực tế cần một bể lắng bậc hai hoặc tuần hoàn lại nước sau xử lý. TS cao còn có thể là do thiết bị lâu không được làm vệ sinh lớp đệm nên lượng bùn bên trong còn nhiều dễ trôi theo nước ra ngoài Kết quả phân tích COD: Thời điểm(h)  CODvào    MT  MPT  f  COD (mg/l)    1  2  TB  1  2  TB     0  10.7  10.5  10.6  7.8  7.85  7.825  50  13875   24  10.5  10.55  10.525  7.25  7.5  7.375  50  15750   48                           Thời điểm(h)  CODra    MT  MPT  f  COD (mg/l)    1  2  TB  1  2  TB     0  10.7  10.5  10.6  7.4  7.15  7.275  2  665   24  10.5  10.55  10.525  8.3  8.4  8.35  2  435   48                    2  431   Nhận xét: COD giảm rất tốt sau khi qua hệ thống xử lý. Kết quả phân tích axit tổng và axit bay hơi: Kết quả phân tích axit tổng (AT) Thể tích NaOH được chuẩn lại bằng (COOH)2 0.1N. Ngày thứ nhất VN = 10.12ml Ta tính được NNaOH = 0.099 N Ngày thứ hai VN = 10.1 Ta cũng tính được NNaOH = 0.099 N. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH AXIT TỔNG Thời điểm(h)  VN(ml)  VM (ml)  AT (mg/l)   0  0.72  50  85.536   24  0.6  50  71.28   48            KẾT QUẢ PHÂN TÍCH AXIT BAY HƠI Thời điểm(h)  c (ml)  VM (ml)  b (ml)  VN(ml)  AB (mg/l)   0  120  200  50  0.54  38.49   24  114  200  50  0.8  54.17   48                  Nhận xét: Thời điểm 24 h, Ab/AT = 0.75 > 0.5, giai đoạn metan hóa diễn ra tốt (vì pH > 7). AT = 16%COD Hiệu quả xủa lý COD: YCOD =
x 100, % Ta có: CODv = 13875, mg/l (COD vào của 0 h) CODr = 431 ,mg/l (COD ra 48 h) YCOD =
= 96.89 % Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD rất cao. Tải trọng COD của bể - Tải trọng khối: Thường tính đối với thiết bị có đệm. Biểu thị khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của một đơn vị thể tích trên một đơn vị thời gian. TK =
, g/l.ngày Ngày thứ nhất:
= 17.5x(CODv1 – CODr2) + 35x(CODr1 - COD r2), g/ngày = 17.5x(13875 – 435 ) + 35x( 665 - 435 ), g/ngày = 243.3, g/ngày. Ngày thứ hai:
= 17.5x(CODv2 – CODr3) + 35x(CODr2 - COD r3), g/ngày = 17.5x(15750 – 431) + 35x( 435- 431), g/ngày = 268.2, g/ngày Ngày  Tổng COD (g/ngày)  V làm việc (l)  TK (g/l.ngày)   Thứ nhất  243.3  35  6.95   Thứ hai  268.2  35  7.66   Trung bình        7.31   Nhận xét: Đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao và COD từ 10000 mg/l trở lên thì TK khoảng 10 – 15 g/l.ngày. Như vậy tải trọng khối của bể không cao. Kết quả phân tích CO2 và tính CH4: Thời điểm(h)  N (ml)  n (ml)  Vo(ml)  v (ml)  a(ml)  CO2(‰)   0  12.5  3.76  290  100  2  230   24  13.45  5.3  290  100  2  214   48                     Nhận xét: Ta thấy lượng CO2 tạo ra khoảng 20 – 25 % Biogas. Chứng tỏ chất lượng khí tạo ra tốt. Đồng thời quan sát ngọn lửa khi đốt khí thì phần ngọn lử màu xanh chiếm một phần lớn. Đánh giá hiệu quả tạo Biogas: Ybiogas =
,l/gam COD được chuyển hóa Thời điểm (h)  h (cm)  P (cm)  V (m3)  V (l)  Tổng COD (g/ngày)  Ybiogas (l/gam)   0  75  120  0.086  85.99         24  53  120  0.061  60.76  243.3  0.25   48  62  120  0.071  71.08  268.2  0.27   Nhận xét: Theo lý thuyết thì hiệu quả tạo khí khoảng từ 0.4 – 0.6 l/gamCODchuyển hóa , thực tế khoảng 0.3 l/gamCODchuyển hóa . Trong thí nghiệm này hệ số tạo khí khoảng 0.25 – 0.3 l/gamCODchuyển hóa là tương đối thấp. Nguyên nhân có thể lượng vi sinh vật hoạt động trong bể (hay sinh khối) thấp đặc biệt là ở giai đoạn 2 và 3 của quá trình. Hiện tượng này có thể do lớp đệm lâu ngày đã bị giảm diện tích bề mặt riêng. Bảng theo dõi vận hành: TĐ (h)  pH  COD (mg/l)  TS(mg/l)  AT(mg/l)  Ab(mg/l)  CO2 0/00    Vào  Ra  Vào  Ra       0  7.68  7.65  13875  665  4270  85.536  38.49  230   24  6.39  7.56  15750  435  4346  71.28  54.17  214   48     7.65     431               Kết luận: Hệ thống làm việc tốt, COD đầu ra chưa đạt tiêu chuẩn do đó cần phải qua một bể xử lý cấp 3 hoặc một hệ thống xử lý hiếu khí tải trọng thấp hay một hồ xử lý tùy tiện nữa sẽ đạt được tiêu chuẩn thải.