Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí

ÚY Cán bộ hướng dẫn: ThS. NGUYỄN TRẦN NHẪN TÁNH Long Xuyên, tháng 8 năm 2010 Chương 1. MỞ ĐẦU Ứng dụng phương pháp sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt là một trong những phương pháp được áp dụng phổ biến hiện nay ở các công trình xử lý nước thải. Đặc điểm của phương pháp sinh học là có thể loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của vi sinh vật. Các sinh vật này sống bám dính trong các bông bùn, sơ dừa, giá bám plactis…lấy chất hữu cơ có trong nước thải làm chất dinh dưỡng. Theo nhận định Lâm Minh Triết (2006) xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được xem là phương pháp có nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học còn phụ thuộc vào tải lượng nạp, tốc độ tiêu thụ chất hữu cơ và các dưỡng chất khác với hàm lượng cần thiết cho sự sống của vi sinh vật. Ngày nay có nhiều công trình sinh học như hồ sinh học, cánh đồng tưới, đất ngập nước nhưng bùn hoạt tính vẫn được xem là công trình thể hiện rõ quá trình loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của vi sinh vật. Công trình bùn hoạt tính hiếu khí được xem là công trình xử lý chính trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt. Tuy nhiên để xây dựng hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt thì cần phải có nguồn kinh phí lớn mà không phải nơi nào cũng có thể đáp ứng được. Mục đích đề tài “Nghiên cứu mô hình xử thải sinh hoạt bằng hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí” để xác định hiệu suất xử lý và hệ số phân hủy nội bào, hệ số sản lượng bùn qua các thời gian lưu nước 4 giờ, 6 giờ, 8 giờ. Kết quả nghiên cứu là giá trị thực nghiệm chọn thiết kế thể tích bể, lượng bùn hoàn lưu,..cho bể bùn hoạt tính hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn. Hiện tượng quá tải lượng nạp chất ô nhiễm dẫn đến hiệu suất xử lý nước thải đầu ra không đạt Tiêu chuẩn hoặc kích thước lớn so với tải lượng nạp của nước thải dẫn đến chi phí xây dựng hệ thống xử lý cao. Qua đó cho thấy việc thực hiện đề tài nghiên cứu này là rất cần thiết. 1 Chương 2. TỔNG QUAN 2.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt 2.1.1. Khái niệm nước thải sinh hoạt Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải sinh hoạt không còn là vấn đề mới đối với toàn xã hội. Hiện trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt trở thành một vấn đề nóng đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra các phương pháp xử lý và tái sử dụng nước thải thích hợp,... Để bắt đầu nghiên cứu việc định nghĩa nước thải sinh hoạt là rất quan trọng. Hiện tại, có nhiều khái niệm khác nhau về nước thải sinh hoạt nhưng theo Lâm Minh Triết (2008), nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,… Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng khác. Nước thải ở các đô thị được thoát qua hệ thống thoát nước và dẫn ra các sông. Để xác định lưu lượng nước thải cho một khu vực thì giá trị thường được ước lượng trên số dân của khu vực và theo Trần Đức Hạ (2006) thì lượng nước thải sinh hoạt vào khoảng 80% - 90% so với lưu lượng nước cấp. 2.1.2. Thành phần lý hóa học của nước thải Nước thải chứa rất nhiều loại hợp chất rất khác nhau, với số lượng và nồng độ thay đổi cũng khác nhau. Có thể phân loại tính chất nước thải như sau: ™ Tính chất vật lý Theo Nguyễn Văn Phước (2006) tính chất vật lý của nước thải dựa trên các chỉ tiêu như màu sắc, mùi, nhiệt độ, lưu lượng,… Màu nước thải mới có màu hơi nâu sáng khi nhiễm khuẩn hoặc trong nước thải xảy ra các phản ứng dẫn đến nước thải biến đổi nên thường có màu đen. Bên cạnh màu sắc nước thải còn phát sinh mùi, mùi có trong nước thải sinh hoạt là do có khí sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hay có một số chất đưa thêm vào trong nước thải thường có mùi mốc, nếu nhiễm khuẩn thì nó sẽ chuyển sang mùi trứng thối do sự tạo thành H2S trong nước. Nhiệt độ của nguồn nước thải thường cao hơn nhiệt độ nguồn nước ban đầu, bởi vì có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và máy móc. Ngoài ra dòng nước thấm qua đất và lượng nước mưa đổ xuống là nhân tố mới làm thay đổi nhiệt độ của nước thải. Ngoài các yếu tố trên lưu lượng cũng được xem là một trong những tính chất vật lý của nước thải. ™ Tính chất hóa học Các thông số mô tả tính chất hóa học nước thải theo nhận định Nguyễn Văn Phước (2006) biểu hiện thông qua các thông số như pH, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn: pH: Không gây ô nhiễm nhưng đóng vai trò là thông số đặc trưng quan trọng cho biết mức độ nhiễm bẩn và xác định sự cần thiết phải điều chỉnh trước khi xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Sự thay đổi trị số pH làm thay đổi các quá trình hòa tan hoặc keo tụ, làm tăng, giảm vận tốc các phản ứng hóa sinh xảy ra trong nước. Để xử lý nước thải có hiệu quả thì pH chỉ nằm trong khoảng 6,5 – 9. Nhu cầu oxi hóa học: COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa hóa học các chất hữu cơ trong nước thành CO2 và H2O. Hàm lượng COD trong nước thải thường nằm trong khoảng 200 – 500 mg/L. 2 Hợp chất chứa N: Nước thải sinh hoạt chứa hàm lượng lớn các hợp chất N. Phần lớn N trong nước thải sẽ chuyển sang dạng N hữu cơ hay N-NH3. Nồng độ N trong nước thải thường 20-85 mg/L. Trong đó N hữu cơ thường ở khoảng 8-35 mg/L, còn nồng độ N- NH3 thường từ 12 – 50 mg/L. Photpho: Nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa, nhưng chỉ hiện diện với một số tối thiểu, hoặc loại bỏ sau quá trình xử lý bậc hai. Số lượng photpho dư thừa gây rối loạn dòng chảy và làm tăng trưởng quá mức các loại tảo. Nồng độ P thường trong khoảng 6 – 20 mg/L. Các chất rắn: Các chất ô nhiễm trong nước thải có thể được xem là chất rắn. Mục đích của việc xử lý nước thải là loại bỏ chất rắn hoặc chúng chuyển sang dạng ổn định hơn và dễ xử lý. Nồng độ tổng các chất rắn trong nước thải thường < 1200 mg/L. 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình sinh học hiếu khí Theo Nguyễn Văn Phước (2006) nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải có đầy đủ oxi hòa tan ở nhiệt độ, pH, các chất dinh dưỡng thích hợp. Hoạt động sống vi sinh vật hiếu khí bao gồm quá trình dinh dưỡng và quá trình phân hủy. Quá trình dinh dưỡng vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các nguyên tố khoáng vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản. Quá trình phân hủy vi sinh vật oxi hóa phân hủy các chất hữu cơ hòa tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác. 2. 3. Thành phần và tính chất bùn hoạt tính 2.3.1. Thành phần và tính chất bùn hoạt tính Theo nhận định Nguyễn Văn Phước (2004) phương pháp phổ biến nhất trong xử lý sinh học là oxi hóa sinh học nước thải trong bể sục khí bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính có màu nâu vàng, lắng nhanh và có các sinh vật cư trú, gồm động vật nguyên sinh, ấu trùng, vi khuẩn và nhiều nấm mốc. Bông bùn có nhiều dạng khác nhau và kích thước từ 3 – 150 m. Giữ các bông bùn, mà trong đó một lượng lớn vi khuẩn sinh sống, các vi khuẩn còn lại di chuyển với mục đích đi tìm thức ăn. Vi sinh vật được nuôi bởi chất hữu cơ trong nước thải và phân hủy chất hữu cơ nhờ các men. Khi oxi hóa chất hữu cơ, các vi sinh vật nhận được năng lượng cần thiết. Các chất này cũng là nguồn chất nhựa để xây dựng nên thang bùn và do đó tổng sinh khối của bùn gia tăng. Bùn hoạt tính tập hợp những vi sinh vật hình thành bông cặn có khả năng hấp thu và phân hủy các chất hữu cơ khi có mặt oxi. 3 Bảng 2.1: Vi khuẩn tồn tại trong quá trình bùn hoạt tính Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Arthrobacter Bacillus Cytophaga Zooglea Acinetobacter Nitrosomonas Nitrobacter Sphaerotilus Alcaligenes Flavobacterium Nitrococcus dennitrificans Thiobacillus denitrig\ficans Acinetobacter Hyphomicrobium Desulfovibrio Phân hủy hidratcacbon, protein, các hợp chất hữu cơ khác và phần nitrat hóa Phân huỷ hidratcacbon Phân hủy hidratcacbon, protein… Phân hủy các polyme Tạo thành chất nhầy (polysacarit), hình thành chất keo tụ Tích lũy polyphosphat, phản nitrat Nitrit hóa Nitrat hóa Sinh nhiều tiên mao Phân hủy protein, phản nitrat hóa Phân hủy protein Phản nitrat hóa( khử nitrat thành N2) Khử sulfat, khử nitrat (Nguồn: Báo cáo chuyên đề công nghệ môi trường, 2009). Tuy nhiên không phải vi khuẩn nào cũng có lợi cho quá trình sinh hóa. Có hai loại vi khuẩn có hại trong hệ thống hiếu khí. Một là vi khuẩn dạng sợi filamentous thường kết dính với nhau tạo thành lưới nhẹ nổi trên mặt nước và gây cản trở quá trình lắng. Một dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư trong các bể phản ứng. Sau đây là một số hình ảnh vi khuẩn có mặt trong bùn hoạt tính hiếu khí. 4 Hình 2.1: Pseudomonas Hình 2.2: Desulfovibrio Hình 2.3: Bacillus Hình 2.4: Nitrosomonas 2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến bể bùn hoạt tính hiếu khí Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính tức phụ thuộc vào chỉ số bùn. Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn đưa vào công trình xử lý càng lớn hoặc ngược lại. Khi tiến hành quá trình cần phải cung cấp đầy đủ lượng oxi một cách liên tục sao cho lượng oxi hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II > 2 mg/L. Tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ qua bể bùn hoạt tính có BOD toàn phần phải < 1000 mg/L. Ngoài ra trong nước thải cũng cần đầy đủ các nguyên tố vi lượng, nguyên tố dinh dưỡng. Các nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp BODtoàn phần:N:P = 100:5:1 hay COD:N:P = 150:5:1. Giá trị pH tối ưu cho đa số vi sinh vật từ 6,5 – 8,5. pH 9 sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào, vi sinh vật sẽ chết. Nước thải có nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật tối ưu từ 250 – 370C hoặc 200 – 800C thấp nhất vào mùa đông là 120C. Ngoài ra quá trình xử lý hiếu khí còn phụ thuộc nồng độ muối vô cơ, lượng chất lơ lửng chảy vào bể xử lý cũng như các loại vi sinh vật và cấu trúc chất bẩn hữu cơ (Nguyễn Văn Phước, 2006). 5 2.4. Cơ chế phân hủy chất hữu cơ và chu kỳ phát triển của vi khuẩn 2.4.1. Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong nước thải Quá trình phân hủy và nhu cầu tiêu thụ chất hữu cơ trong nước thải bởi vi sinh vật rất phức tạp. Có thể chia làm ba giai đoạn: Giai đoạn 1 vận chuyển chất hữu cơ đến bề mặt tế bào, giai đoạn 2 khuếch tán vật chất qua màng bán thấm tế bào, trong trường hợp cần thiết thủy phân chất hữu cơ tạo thành sản phẩm, có khả năng khuếch tán qua màng tế bào, giai đoạn 3 chuyển hóa sản phẩm khuếch tán kèm theo phát sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Các giai đoạn trên có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hóa các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải. CxHyOzN+ (x + y/4 + z/3 + ¾) O2 ⎯⎯ →⎯Enzim xCO2 + (y-3)/2H2O + NH3 + ÌH CxHyOzN + NH3 + O2 ⎯⎯ →⎯Enzim C5H7O2N + CO2 + ÌH Khi không đủ chất dinh dưỡng quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra tự oxi hóa: C5H7O2N + 5O2 ⎯⎯ →⎯Enzim 5CO2 + NH3 + 2H2O + ÌH Từ các phản ứng trên cho thấy rõ sự chuyển hóa hóa học là nguồn năng lượng cần thiết cho các vi sinh vật (Trần Văn Nhân, 2006). 2.4.2. Chu kỳ phát triển của vi khuẩn Chu kỳ phát triển của vi khuẩn trong bể xử lý theo Lê Hoàng Việt (2000) gồm 4 giai đoạn như sau: - Giai đoạn chậm: Xảy ra khi các bể đưa vào hoạt động và bùn các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào. - Giai đoạn tăng trưởng: Giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường. - Giai đoạn cân bằng: Lúc này mật độ vi sinh vật được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, số lượng vi khuẩn sinh ra bằng số lượng vi khuẩn chết đi. - Giai đoạn chết: Trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi sinh vật trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thước khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường. 2.5. Hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí 2.5.1. Hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thực hiện ở Anh từ năm 1914 được duy trì và phát triển. Ngày nay hệ thống này có nhiều cải tiến về hình dạng theo Lê Hoàng Việt (2002) hệ thống bùn hoạt tính gồm bể bùn hoạt tính và bể lắng. Trong nghiên cứu này chọn bể bùn hoạt tính hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn và bể lắng đứng để nghiên cứu. Bể bùn hoạt tính được khuấy trộn bởi thiết bị sục khí cơ học. Lượng chất hữu cơ và nhu cầu oxi hóa để oxi hóa chúng đồng nhất theo suốt chiều dài của bể. Sau thời gian lưu nước bể bùn nước sẽ chuyển qua bể lắng đứng. Bể lắng đứng là bể chứa hình trụ có đáy 6 hình chóp. Nước thải được cho vào theo ống trung tâm. Sau đó nước chảy từ dưới lên trên vào các rãnh chảy tràn. Ưu điểm của hệ thống này là pha loãng ngay nồng độ của các chất độc hại trong toàn thể tích bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ, áp dụng thích hợp cho loại nước thải có chỉ số chất lơ lửng cao, cặn khó lắng. Dòng vào Bể lắng Dòng ra Bể bùn hoạt tính Bùn hoạt tính tuần hoàn Hình 2.5: Hệ thống bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn 2.5.2. Vận hành hệ thống bùn hoạt tính Chuẩn bị lượng bùn cần thiết cho vào khởi động các công trình sinh học theo trình tự sau. Trước tiên cho một phần nước thải với nồng độ BOD khoảng 200 – 250mg/L chảy qua công trình. Bùn lắng tại bể lắng đợt 2 được tuần hoàn liên tục về bể bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính sẽ tăng theo thời gian. Theo sự gia tăng của bùn có sự xuất hiện của nitrit và nitrat, tăng dần lượng nước cần xử lý hoặc giảm độ pha loãng. Bùn hoạt tính có thể thu từ bùn sông hoặc ao hồ không nhiễm bẩn dầu mỡ hay dầu khoáng. Trước khi cho vào bể aeroten, bùn sông hoặc ao hồ phải được loại sơ bộ các tạp khoáng nặng. Bùn được trộn với nước sau thời gian lắng ngắn 3 – 6phút được đổ vào bể aeroten. Tại đó bùn được thổi khí, không cần nước. Sau khi chuẩn bị bùn cho nước thải vào bể ban đầu với lượng nhỏ, sau đó theo mức độ tích lũy bùn, tăng dần cho đến khi đạt lưu lượng thiết kế. 2.5.3. Các thông số kiểm tra trong quá trình vận hành Lưu lượng quyết định khả năng chịu tải của hệ thống và tải lượng bề mặt của bể lắng. Cần đảm bảo lưu lượng ổn định trước khi vào công trình sinh học. Tỉ số F/M thích hợp là 6,5 – 8,5. pH cao do quá trình chuyển hóa N thành N-NH3 tốt, khả năng đệm cao. Cách khắc phục dao động pH này là cần cung cấp đủ dinh dưỡng, hàm lượng hữu cơ, hạn chế quá trình phân hủy nội bào, sử dụng hóa chất tăng độ kiềm. BOD/COD > 0,5 thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học. Chất dinh dưỡng N, P đối với nước thải sinh hoạt không cần bổ sung thêm. Trong quá trình vận hành bể bùn hoạt tính có thể gặp các sự cố gây ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý. Bảng 2.2 sẽ thống kê các sự cố thường gặp, nguyên nhân và hậu quả từ các sự cố như sau: 7 Bảng 2.2: Sự cố thường gặp khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính Sự cố Nguyên nhân Hậu quả Bùn phát triển phân tán Các vi sinh vật không tạo bông mà phân tán dưới dạng những cá thể riêng biệt hay những cụm nhỏ với đường kính 10 – 20 . Hiệu suất bể lắng được 2 thấp, nước khỏi bể bị đục, không có vùng lắng trong. Lượng bùn tuần hoàn ít. Bông bùn mịn, bùn không kết dính được Bông bùn thường có hình cầu nhỏ, có đường kính 50 – 100 . Nguyên nhân do sự phân chia các bông bùn lớn, thiếu thức ăn. Chỉ số SVI thấp, nước ra khỏi bể bị đục Bùn tạo khối Các vi khuẩn dạng sợi phát triển quá mức làm bùn lắng kém. SVI cao. Khó duy trì nồng độ bùn cần thiết trong bể sục khí. Khả năng tách nước của bùn giảm. Bùn nổi Trong bể lắng đợt 2 diễn ra quá trình khử nitrat hóa sinh ra khí N2, khí N2 di chuyển lên trên kéo theo các bông bùn hoạt tính trên bề mặt nước Hình thành lớp bùn hoạt tính trên bề mặt nước Bọt váng Sự hiện của vi khuẩn Norcadia spp. Những chất hoạt động bề mặt không bị thoái hóa. Gây mùi thối. Làm tăng SS, BOD ở nước thải đầu ra. Lớp bọt váng sẽ giữ lại một lớp bùn hoạt tính làm ảnh hưởng đến thời gian lưu bùn. Nhày do bùn tạo khối không phải do vi khuẩn dạng sợi Bùn chứa nhiều polymer ngoại bào làm bùn xốp. Vi sinh vật hiện diện với số lượng lớn trong lớp màng ngoại bào. Giảm tính lắng, tăng SS, BOD ở nước thải đầu ra, làm loãng lượng bùn. (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2002) 8 2.5.4. Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt Sông Kim Ngưu là một trong dòng sông cổ của Hà Nội nước sông có màu đen sẫm, có nhiều cặn lơ lửng và bốc mùi. Qua tìm hiểu Trịnh Lê Hùng (2002) cho thấy rằng hàm lượng chất hữu cơ cao mà vi sinh vật có thể xử lý được, hàm lượng COD cao vượt giới hạn cho phép, hàm lượng NH3 không cao nhưng góp phần cùng với khí H2S và một số chất hữu cơ dễ bay hơi khác tạo mùi, NO2-, NO3- không đáng kể. Với hàm lượng các chất như trên nước thải sông Kim Ngư có thể xử lý bằng hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một bậc. Hệ thống bể phản ứng gồm 2 bể tròn đồng tâm lồng vào nhau, giữa hai bể ống trụ làm bằng vách ngăn. Bể phản ứng nằm trong có dung tích 100 lít. Bể lắng nằm ngoài có dung tích 150 lít. 2 V3 4 3 1 V4 1 V2 V2 V1 5 Nước vào Hình 2.6: Thiết bị xử lý một bậc Chú thích: 1: Đường dẫn nước thải 2: Đường dẫn nước sau khi lắng sơ bộ vào bể phản ứng 3: Đương dẫn hồi lưu 4: Ống dẫn khí 5: Đường thải bùn V1, V2, V3, V4: Các van điều tiết 9 Kết quả thử nghiệm với thời gian lưu nước 6 giờ cho thấy hiệu suất xử lý cao nhất là 41,4%. Kết quả thử nghiệm thời gian lưu 7,5 giờ hiệu suất xử lý 66,3%. Thử nghiệm với thời gian lưu 10 giờ có hiệu suất xử lý 81,4%. Qua các kết quả thử nghiệm trên cho thấy. Thời gian lưu nước dài hơn làm cho nước sau xử lý có chất lượng tốt hơn. Tuy nhiên thời gian lưu nước tăng tới một giá trị xác định thì hiệu suất xử lý COD sẽ tăng rất chậm hoặc không tăng nữa. Căn cứ vào các thí nghiệm trên chọn thời gian lưu nước 10giờ. Bên cạnh xác định hiệu suất xử lý nước thải thì xác định thông số động học đối với xử lý nước thải sinh hoạt là rất cần thiết theo nghiên cứu của Lâm Minh Triết (2008) thực hiện 4 thí nghiệm trên mô hình hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí xáo trộn hoàn toàn với thời gian lưu nước 7 giờ và tải lượng nạp COD cho 4 thí nghiệm là 126 mg/L, giá trị COD sau xử lý cho 4 đợt thí nghiệm 5,2 mg/L, 7,3 mg/L, 10,5 mg/L, 11,5 mg/L. Sử dụng phương pháp hồi quy tìm được hệ số sản lượng tế bào Y = 0,362 mgVSS/mg, hệ số phân hủy nội bào kd = 0,043 ngày-1, hằng số bán vận tốc Ks = 36 mg/L, hệ số sử dụng cơ chất tối đa k = 1,8 ngày-1. 10 Chương 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nước thải sinh hoạt lấy tại cống thải cạnh cầu Duy Tân của phường Mỹ Long, thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu hiệu suất xử lý và giá trị các thông số động học đối với nước thải sinh hoạt qua hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí có thời gian lưu nước bể bùn hoạt tính từ 4 – 8 giờ. 3.3. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt trong 4ngày bằng hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí có lượng bùn hoạt tính khác nhau cho 3 thí nghiệm (thí nghiệm có thời gian lưu nước 4 giờ, 6 giờ, 8 giờ). - Xác định thông số động học cho quá trình bùn hoạt tính hiếu khí cho 3 thí nghiệm. 3.4. Nội dung nghiên cứu - Thu thập thông tin vị trí thu mẫu nước thải sinh hoạt thực hiện đề tài nghiên cứu. - Thiết kế mô hình hệ thống bùn hoạt tính. - Phân tích thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt với các chỉ tiêu: pH, DO, SS, COD khi chưa qua hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí và sau khi qua hệ thống bùn hoạt tính ở 3 thí nghiệm. - Xác định thông số động học quá trình bùn hoạt tính cho 3 thí nghiệm. - Nhận xét và kết luận hiệu quả xử lý, thông số động học của 3 thí nghiệm. 3.5. Thời gian nghiên cứu - Thời gian bắt đầu thực hiện đề tài 04/2010. - Thời gian kết thúc thực hiện đề tài 07/2010. 3.6. Địa điểm thực hiện Phòng thí nghiệm Khoa Kỹ Thuật - Công Nghệ - Môi Trường, Trường Đại Học An Giang. 3.7. Vật liệu nghiên cứu - Nước thải sinh hoạt. - Các dụng cụ thí nghiệm. - Mô hình hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí. - Các thiết bị phòng thí nghiệm: Tủ sấy, bộ lọc, cân phân tích, nồi hút ẩm, máy Hach…và các dụng cụ khác trong quá trình phân tích. - Hóa chất: Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O, axit H2SO4 đậm đặc, Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O, HgSO4, K2Cr2O7, Ag2SO4. 11 3.8. Phương pháp nghiên cứu 3.8.1. Phương pháp phân tích mẫu Đề tài thực hiện 3 thí nghiệm mỗi thí nghiệm thực hiện trong 4 ngày. Sau đây là bảng bố trí thí nghiệm và các thông số phân tích. Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm Thí nghiệm Thời gian thực hiện Thời gian lưu nước Thông số xác định 1 4 ngày 8 giờ pH, DO, COD, SS 2 4 ngày 6 giờ pH, DO, COD, SS 3 4 ngày 4 giờ pH, DO, COD, SS ™ Vị trí lấy nước thải sinh hoạt và phương pháp phân tích Cống thải có đường kính ống ;600 mm luôn có nước thải từ phường Mỹ Long đổ ra sông. Cống không bị ngập khi nước sông lớn thường ngày (ngoại trừ con nước cuối tháng). Vị trí tương đối thuận lợi cho việc lên xuống lấy nước thải. Để xác định rõ vị trí thu mẫu trong quá trình nghiên cứu vị trí thu mẫu được biểu diễn trên bản đồ ở hình 3.1. Hình 3.1: Bản đồ địa lý phường Mỹ Long, thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang KHÓM 1 KHÓM 2 KHÓM 3 KHÓM 4 KHÓM 5 KHÓM 7 KHÓM 6 K HÓ M P HÓ H U? Ð. LÊ TH? NHIÊN Ð. P H? M H ? N G TH ÁI Ð. NG Ô G IA T? Ð. HU ? N H TH I H U ? NG Ð. NG UY ? N V A N C U N G Ð. PH AN CH U T RIN H Ð. TR? N H UNG Ð? O Ð. HÙNG V UONG Ð. LUONG V AN CÙ Ð. PHAN THÀNH LONG Ð. HAI BÀ TR UNG Ð. PH AN ÐÌ NH PH ÙN G BAN QU? N LÝ CH? NGÂN HÀNG NGO? I THU ONG Cty BH PRUDENTIAL SIÊU TH? CO.OP MARK NHÀ TH? LONG XUYÊN S? CA T?NH AG CHI C? C QLTT THÀNH ? Y TPLX Ð. NG UY ? N HU ? A Ð. NG UY ? N HU ? A Ð. NG UY ? N H U? B Ð. NG UY ? N H U? B CÔ NG VI ÊN CÔ NG VI ÊN CÔ NG VI ÊN CÔ NG V IÊN Ð. NG UY ? N TH ? M IN H K HA I B ? C Ô N G A N Ð. LÝ T? TR ? N G NGÂN HÀNG C? PH? N SÀI GÒN KHÁCH S? N ÐÔNG XUYÊN ÐÌNH TH? N M? PHU ? C R U ? N G TH CH ÂU L A N LIÊ M PHÒNG GD TPLX NH NGO? I THU ONG BA N C TÐ T LO NG X UY ÊN PHÒNG TU PHÁP TPLX C? NH SÁT 113 TR U ? NG M G HO A SE N CÔNG VIÊN CÔNG VIÊN CÔNG VIÊN NGÂN HÀNG TRUNG UONG TRU ? NG TH LÊ QUÝ ÐÔN Ð. LÊ M INH NG ON Ð. NGUY? N ÐÌNH CHI? U TRU NG T M MU A -B ÁN -CH O T HU Ê BA NG ÐIA Ð? I CH ? Ð. NGÔ TH? I NH? M CH? LONG XUYÊN CH? LONG XUYÊN Cty SAO MAI Ð. HÙNG V UONG Ð. L? C V AN NHÌ Ð. NG UY ? N TR ÃI Ð. LUONG V AN CÙ Ð. NG UY ? N TR ÃI Ð. N GUY ? N T RÃI Ð. HAI BÀ TR UNG Ð. HÀ H OÀNG H ? Ð . TR ? N H U N G Ð ? O T TR U ? NG TH CS NG UY ? N TR ÃI TR U N G M U A B Á N D ? N G C ? T D TT L  Cty XÂY L? P AG Cty X ANG D? U M ? LONG NG ÂN HÀ NG C? PH ? N KI ? N LO NG NGÂN HÀNG CP TH U ON G TÍN NHÀ V AN HÓA THÀNH PH? LONG XUYÊN C? U HOÀNG DI? U C? U DUY TÂN TR? M VI? N THÔNG M Ð . TR ? N N GU YÊ N H ÃN Ð. Ð? NG DU NG Ð. HÙNG V UONG Ð. THO? I NG? C H? U Ð. THO? I NG? C H? U Ð. LÝ TH ÁI T? Ð. LÝ TH ÁI T? N G  N H À N G A C B KH ÁC H S? N KI M A NH Ð. ÐI? N BIÊN PH? Ð. H ? XU ÂN H U ON G Ð. ÐI? N BIÊN PH? TR? M Y T? PHU ? NG M? LONG Ð. KIM Ð? NG Ð. CHU V AN AN Ð . N G U Y ?N B ?N H K H IÊM TR U ? N G T H N G UY ? N B ?N H K H IÊ M NG ÂN H ÀN G QU ? C T? VT B NG ÂN HÀ NG CH ÍNH SÁ CH Xà H? I CH I C ? C PH ÒN G C H? NG T? N? N X à H ? I HÙ A Q UA NG T? MI? U C? U PHÚ QUÝ B? N PHÀ AN HÒA PHÀ Ô MÔI CHI C? C QLTT BU U Ð I? N PH U ? NG M ? L ON G C Ð. CH ÂU TH ? T ? UBND TP. LONG XUYÊN Ð. H? XU ÂN H U ON G Ð. LÊ THÁNH TÔN CUNG V AN HÓA THI? U NHI AN GIANG Ð. LÊ V AN HU U Ð. NG UY ? N PH I K HA NH NG ÂN HÀ NG CÔ NG THU ON G NG ÂN HÀ NG Ð? U T U V À P HÁ T T RI? N NG ÂN HÀ NG PH ÁT TR I? N ÐB SC L XA MY HOAHUNG PH U O N G M Y X U Y EN PHU ONG MY PHU OC H U Y EN CH O M O I PHUONG M Y XUYEN C? U KHÔNG CÓ TÊN C? U CÁI S ON TRONG UBND P. M L PH UO NG M Y BI NH Ð. ÐOÀN V AN PH? I LÊ MINH NGUON Ð. PH AN ÐÌ NH PH ÙN G BTC RÁC Ð. HU ? N H V AN H Y KS LONG XUYÊN Ð. HAI BÀ TR UNG Ð. HAI BÀ TR UNG LÊ M INH NG UON Ð. N GU Y? N HU ? B Ð. NG UY ? N TH ? M IN H KH AI Ð. B? CH Ð? NG Ð. NG UY ? N V A N S ? N G Ð. NG UY ? N V A N S ? N G Ð. PH? M HUY CHÚ Ð. T? N ÐÀ BT C RÁ C Ð. THI SÁCH Ð. TR ? N N H? T D U? T Ð. TR ? N NH ? T DU ? T Ð. Ð? NG DU NG Ð. Ð? NG DU NG Ð. LUONG TH? VINH KS TH? Y TIÊN Ð. TR ? N H? U T RA NG B? N X E T ? I Ð. LÊ TH ÁN H T ÔN BT C R ÁC BT C R ÁC TR U ? NG TH PT LO NG X UY ÊN Vị trí lấy mẫu nước thực hiện đề tài 12 ™ Cách thu mẫu và bảo quản mẫu Bình chứa mẫu được rửa sạch, trên bình có ghi rõ thời gian lấy mẫu. Tráng bình thu mẫu bằng nước cần lấy mẫu hai lần, thu mẫu vào bình khi thấy không còn bọt khí nổi lên, nước đã đầy bình, đậy nắp lại và nhấc bình lên. Dụng cụ chứa mẫu và điều kiện bảo quản được thực hiện theo TCVN qui định đối với các thông số thông dụng pH, DO xác định bằng máy Hach tại vị trí lấy mẫu, COD và TSS chứa trong bình PE điều kiện bảo quản 40C và thời gian bảo quản 24 giờ (Diệp Ngọc Sương, 2006). ™ Phương pháp phân tích các thông số - Độ pH: pH được xác bằng máy Hach. - DO: Xác định giá trị DO bằng máy Hach. - Chất rắn lơ lửng + Sấy giấy lọc ban đầu ở 103oC-105oC đến trọng lượng không đổi. + Làm nguội trong bình hút ẩm 2 phút. + Bơm chân không hoặc vòi hút. + Lắc kỹ mẫu, đong một thể tích VmL. + Lọc mẫu qua giấy lọc đã được chuẩn bị. + Sấy giấy và cặn đã lọc ở nhiệt độ 103oC-105oC đến trọng lượng không đổi. + Làm nguội trong bình hút ẩm 20phút. + Cân và ghi trọng lượng. + Tính hàm lượng chất rắn lơ lửng. X(mL)= [(m1 – m0) x 106]/V m1: khối lượng giấy lọc và cặn (g). mo: khối lượng giấy lọc (g). V: thể tích mẫu đã dùng (mL). - COD Theo Nguyễn Văn Phước (2005) COD được xác định bằng phương pháp Closed Reflux (đun kín bằng Bicrommat Kali) như sau: + Đậy nắp, lắc đều dưới vòi nước, cho lên giá đỡ ống nghiệm, đặt vào tủ sấy trong vòng 2giờ ở nhiệt độ 150oC. + Sau thời gian phản ứng 2 giờ, lấy ống nghiệm ra khỏi bếp, để nguội đến nhiệt độ phòng, chuyển toàn bộ dung dịch vào erlen, tráng kỹ ống nghiệm bằng nước cất cho nước tráng vào erlen. + Thêm 2 – 3 giọt chỉ thị ferroin dung dịch chuyển sang màu xanh lam. + Tiến hành chuẩn độ bằng dung dịch FAS 0,01 N đến màu nâu đỏ. Ghi lại thể tích FAS đã dùng. + Làm mẫu trắng với 5 mL nước cất 2 lần thay cho mẫu và thực hiện các bước trên. 13 + Tính kết quả X(mg/L)=[ Vo-V1) x N x 8000 x F]/V Vo: Thể tích dung dịch FAS dùng để chuẩn độ mẫu trắng. V1: Thể tích FAS dùng để chuẩn độ cho mẫu. N: Nồng độ FAS đã được kiểm tra. V: Thể tích mẫu đã được sử dụng. F: Hệ số pha loãng. 3.8.2. Phương pháp mô hình Mô hình được thiết kế gồm bể bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn có thể tích thay đổi theo từng thí nghiệm. Thí nghiệm 1 thể tích bể 8lít, thí nghiệm 2 thể tích bể 6 lít, thí nghiệm 3 thể tích bể 4 lít và bể lắng đứng qua các thí nghiệm có thời gian lưu nước 2 giờ. Nước thải đầu vào chứa trong thùng nhựa được bơm vào bể bùn hoạt tính sau đó chuyển sang bể lắng. Hình 3.2: Mô hình hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí Xác định hiệu suất xử lý cũng như các thông số động học theo Lâm Minh Triết (2008) xác định thông số động học cho quá trình bùn hoạt tính sử dụng hai phương trình tìm thông số động học từ số liệu thí nghiệm thu được hai phương trình có dạng phương trình đường thẳng y = ax + b. 1 U = X So S θ − = 1 1Ks k S K ∗ + 1 c rY K Xθ = − − d 14 Bảng 3.2: Các biến số và thông số của phương trình Phương trình y x a b 1 U = 1 1sK k S K ∗ + 1/U 1/S Ks/k 1/k 1 c YU Kdθ = − − 1 cθ U Y -kd k : Hệ số sử dụng cơ chất tối đa Ks: Hằng số bán vận tốc Kd: Hệ số phân hủy nội bào Y: Hệ số sản lượng tế bào Y U: Tốc độ sử dụng cơ chất riêng cθ : Lưu lượng bùn tuần hoàn θ : Thời gian lưu bùn 3.8 .3. Phương pháp xử lý số liệu Sử dụng phần mềm excel để xử lý số liệu, vẽ biểu đồ hiệu suất xử lý. 15 Chương 4. KẾT QUẢ THẢO LUẬN 4.1. Thí nghiệm 1: Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí có thời gian lưu nước 8 giờ 4.1.1. Chuẩn bị bùn hoạt tính Bùn hoạt tính được lấy tại hệ thống xử lý nước thải Công ty Thủy sản NATACO, An Giang. Bùn được lấy trực tiếp từ bể aeroten của hệ thống xử lý đem về phòng thí nghiệm tiến hành xác định hàm lượng chất lơ lửng. Chạy mô hình để bùn thích nghi với nước thải sinh hoạt khi bùn có màu nâu vàng, kết bông, lắng nhanh khi đó bùn đã thích nghi với nước thải sinh hoạt. Xác định nồng độ bùn tiến hành các thí nghiệm SS = Cb= ss m v = 105000 10 = 10500mg/L Bùn nuôi cấy ban đầu cho vào mô hình với hàm lượng SS vào khoảng 2500 – 3500 mg/L (lấy trung bình 3000 mg/L). Thể tích bể chứa V = 8 lít. Muốn hàm lượng bùn trong nước thải là 3000mg/L thì thể tích bùn cần lấy: Vb= b VxC C = 8 3000 10500 x = 2,29lít Cho thể tích bùn đã xác định vào bể bùn hoạt tính tiến hành sục khí và cho nước thải chạy qua hệ thống bùn hoạ._.