Đề tài Nghiên cứu thực nghiệm xử lý màu hoạt tính trong nước thải dệt nhuộm bằng mô hình công nghệ sinh học kỵ khí hai giai đoạn

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Bảng 3.1 : Kế hoạch nghiên cứu thực nghiệm : Nội dung Thời gian thực hiện Kết quả dự kiến Tổng quan lý thuyết 02 tuần Hoàn thành chương 1&2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 02 tuần Bể sinh học kỵ khí ba ngăn Cột lọc sinh học kỵ khí. Chạy mô hình thích nghi 01 tháng Mô hình đạt môi trường kỵ khí hoàn toàn và hiệu quả xử lý ổn định, hiệu quả xử lý khoảng 65-75% Khảo sát sự ảnh hưởng của yếu tố tải trọng hữu cơ đến hiệu quả quá trình xử lý của mô hình 01 tháng Xác định được tải trọng tối ưu đối với mô hình xử lý Khảo sát thời gian vận hành của mô hình ở các thời gian lưu khác nhau 01 tháng Xác định được thời gian vận hành tối ưu đối với mô hình xử lý Tổng hợp, xử lý số liệu, viết báo cáo 03 tuần Hoàn tất đề tài 3.2. CÁC BƯỚC THỰC NGHIỆM 3.2.1. Giai đoạn 1: Chạy thích nghi mô hình. Thời gian thực hiện: 01 tháng Thời gian lưu: 48 giờ Thể tích mô hình: 55 lít Các chỉ tiêu phân tích: pH, COD, độ màu của nước thải dệt nhuộm vào và đầu ra. Số lần lấy mẫu: 2 ngày/lần Kết quả mong muốn: mô hình đạt hiệu quả xử lý COD ổn định 3.2.2. Giai đoạn 2: giai đoạn xử lý Gồm hai nhiệm vụ: xác định ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ và thời gian lưu đến hiệu quả xử lý của mô hình. Thời gian thực hiện: 02 tháng Tăng dần nồng độ COD đầu vào với thời gian lưu 24h, ta xác định được ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ. Thay đổi thời gian lưu theo các mức: 36h, 48h, 60h, nhằm xác định thời gian lưu hiệu quả nhất cho mô hình. Thể tích mô hình: 55 lít Các chỉ tiêu phân tích: pH, COD và độ màu của nước thải dệt nhuộm đầu vào và đầu ra. Số lần lấy mẫu: lấy mẫu tại mỗi mức thay đổi tải trọng hữu cơ và thời gian lưu. Kết quả mong muốn: tải trọng hữu cơ cao nhất và thời gian lưu mà mô hình xử lý hiệu quả. 3.3. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 3.3.1. Mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn So sánh với các công nghệ kỵ khí trước đó thì công nghệ MCABR- bể phản ứng sinh học kỵ khí nhiều ngăn chính là sự cải tiến của chúng- những bể phản ứng một ngăn gồm nhiều giai đoạn. Với bể phản ứng dạng cột chỉ gồm một ngăn trong đó diễn ra tất cả các quá trình phân huỷ kỵ khí, sẽ gây ra sự chồng chéo giữa các giai đoạn, làm giảm hiệu quả xử lý cũng như khả năng thu hồi khí sinh học. Nước vào ùc vaøo Nước ra Hình 3.1 : Mô hình sinh học kỵ khí ba ngăn với hướng dòng chảy Đối với bể phản ứng 03 ngăn, sự ngăn cách về mặt vật lý của hai giai đoạn acid hóa và metan hóa có thể làm tăng sự ổn định bởi vì sự quá tải của ngăn phản ứng Metan có thể được ngăn chặn do bước acid hóa được kiểm soát chặt chẽ. Hơn thế nữa, việc tách pha cũng cho phép duy trì mật độ vi khuẩn tạo acid và metan thích hợp ở các ngăn phản ứng và làm tối đa hoá hoạt động của hai nhóm vi khuẩn này bằng cách áp dụng các điều kiện hoạt động tối ưu quyết định bởi sự chuyển hóa và đặc điểm động lực sinh học của cả hai nhóm. Cuối cùng, ngăn phản ứng pha acid giúp thay đổi chất nền dần dần thích hợp cho giai đoạn metan hóa [15] a. Kích thước Chiều dài: 450 mm Ngăn 1 : 100 mm Ngăn 2 : 150 mm Ngăn 3 : 200 mm Chiều rộng : 100 mm Chiều cao : 600 mm Mô hình có 3 vị trí lấy mẫu tương ứng cho 3 ngăn và 1 vị trí thu biogas, thể tích tổng cộng mô hình thí nghiệm 27 lít. Các ngăn được chia cách bằng tấm mica dày 5,0 mm, khoảng trống giữa các vách ngăn với nắp mô hình là 2 mm, là nơi khí sinh học sinh ra từ ba ngăn thoát chung về van xả khí, van này được bố trí ở giữa nắp mô hình Các vật liệu cấu thành mô hình được gắn kết với nhau bằng ba loại keo : AB, 502 và silicol. Mô hình được bố trí tổng cộng 05 van, đường kính F = 13 mm, đảm nhiệm các chức năng sau : Van 1: dẫn nước thải vào mô hình Van 2: lấy mẫu ngăn 1 Van 3: lấy mẫu ngăn 2 Van 4: thoát nước sau xử lý Van 5: xả khí sinh học b. Bố trí vật liệu đệm Giá thể được cắt thành từng miếng sau đó kết nối vào từng khung nhỏ có kích thước tương tự, từng khung nhỏ này (sau khi đã kết nối giá thể) được xếp trật tự vào một khung khối hộp chữ nhật (khung giá thể nhỏ hơn ngăn phản ứng để thuận tiện trong thao tác vận hành). Phương pháp bố trí giá thể kiểu này làm chế độ thủy lực ở các vị trí trong ngăn phản ứng đồng đều, hạn chế tổn thất thủy lực, đồng thời giúp kiểm soát chế độ thủy lực trong ngăn phản ứng. Hình 3.2 : Khung giá thể vật liệu đệm và cách bố trí Hình 3.3 : Mặt cắt khung giá thể có vật liệu đệm c. Phân phối nước Trên mỗi tấm vách ngăn được khoan hai hàng lỗ so le nhau có đường kính F = 6,0 mm là nơi để nước tràn từ ngăn này qua ngăn khác. Chín lỗ phân phối nước của vách ngăn thứ nhất chia cách ngăn 1 và ngăn 2 được bố trí cách nắp mô hình 30% tổng chiều cao, cho phép nước tràn theo hướng từ trên xuống. Các lỗ phân phối nước của vách ngăn thứ 2 chia cách ngăn 2 và ngăn 3 được bố trí cuối vách ngăn, cho phép nước dâng từ dưới lên. Ở ngăn giữa, để tránh tình trạng cục bộ do nước chảy từ trên xuống không phân phối đều khắp bề mặt vật liệu nên bố trí thêm một tấm plastic có 5 lỗ F = 6.0 mm phân bố theo đường chéo hình vuông và đặt phía trên bề mặt lớp vật liệu đệm, thực hiện chức năng phân phối nước. Bơm định lượng: Bơm định lượng với lưu lượng là 1,4 l/h, trên mặt bơm có chia lưu lượng: 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100% Hai ống được bố trí 2 đầu bơm: ống phía dưới bơm được gắn với nước đầu vào và ống phía trên được gắn vào đầu vô của mô hình. Hình 3.4: Bơm định lượng 3.3.2. Mô hình cột lọc kỵ khí Mô hình cột lọc kỵ khí chứa vật liệu rắn trơ làm giá thể cố định cho VSV kỵ khí sống bám trên bề mặt. Giá thể được sử dụng chung dạng với vật liệu đệm sử dụng trong bể kỵ khí ba ngằn dòng thải phân bố đều từ dưới lên trên tiếp xúc với màng VSV trên giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn tới lượng vi sinh trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy, thời gian lưu nước nhỏ và có thể vận hành ở tải trọng cao. Hình 3.5 : Mô hình cột lọc sinh học kỵ khí Chiều cao xây dựng: 100cm Chiều cao làm việc: 95cm Đường kính xây dựng: 20 cm Bề dày lớp mica 5 mm V = 31 lít (thể tích chứa nước thải và giá thể là 27 lít) Vậy thể tích toàn bộ mô hình (gồm bể ba ngăn và cột lọc) là 54 lít Hình 3.6: Mô hình kỵ khí ba ngăn trong thực nghiệm Hình 3.7: Cách bố trí giá thể vào mô hình cột lọc kỵ khí Hình 3.8 : Mô hình kỵ khí ba ngăn kết hợp với cột lọc kỵ khí trong thực nghiệm 3.4. NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 3.4.1. Nước thải dệt nhuộm Nước thải được sử dụng trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm được pha tại Phòng Thí nghiệm Viện MT &TN TP HCM với thành phần được mô phỏng giống như nước thải từ các nhà máy, bao gồm chủ yếu là màu nhuộm hoạt tính (bao gồm 3 màu Yellow 25; Red 195 và Blue 76). Theo một số nghiên cứu trước đây, điều kiện đảm bảo cho VSV kỵ khí phát triển tốt nhất thì tỷ lệ dinh dưỡng COD : N : P là 200 : 5 : 1. Chính vì vậy ta phải bổ sung Nito và Photpho bằng cách bổ sung NH4Cl và K2HPO4.3H2O vào nước thải. Nước thải được bảo quản trong tủ lạnh phòng Thí nghiệm ở 4oC. Nước thải nhuộm thực tế được lấy sau công đoạn nhuộm vải cotton tại Công ty Cổ phần dệt may Bình An - Khu phố 2, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, TP.Hồ Chí Minh. Nước thải chứa màu nhuộm hoạt tính azo: REACTIVE BRILLIANT RED K-2BP (C.I.REACTIVE RED 24). Thành phần và tính chất của nước thải được cho trong Bảng 3.2. Bảng 3.2. Thành phần và tính chất nước thải Công ty CP dệt may Bình An: STT Đặc tính Đơn vị Giá trị 1 pH -- 7,15 2 COD mg/l 1611 3 BOD5 mg/l 645 4 Độ màu Pt-Co 1515 5 Tổng Nitơ mg/l 18,0 6 Tổng P mg/l 0,39 (Kết quả được phân tích tại phòng Thí nghiệm công nghệ môi trường – Viện Môi trường & Tài nguyên TP.HCM) Hóa chất pha nước sử dụng trong thực nghiệm Thuốc nhuộm Amoni clorua NH4Cl, Gluco C6H12O6 Kali bihydro photphat K2HPO4.3H2O K2Cr2O7, H2SO4 đậm đặc, dung dịch FAS, feroin Thiết bị: Máy đo pH, máy đo độ màu Tủ sấy, tủ nung, cân phân tích Pipet, erlen, buret, bóp cao su, ống đong, bình chuẩn độ, ống COD Cách pha nước thải: Phân tích thuốc nhuộm: Pha 0,1g thuốc nhuộm vào 1 lít nước ta phân tích được giá trị COD là =240mg/l Thực nghiệm ta pha 0,15g nhuộm /lít ta có C1=360mg/l Gọi dung dịch V1 là dung dịch pha thuốc nhuộm với tỷ lệ 0,15g nhuộm/lit nên V1 có nồng độ COD là C1= 360mg/l Bổ sung gluco: Gluco có thành phần COD xác định như sau: 1g gluco/lit nước có nông độ COD = 800 mg/l. Gọi V2 là thể tích dung dịch có thành phần gluco là 2g/l nên V2 có nồng độ COD là C2=1600 mg/l. Khi pha nước thải với thành phần COD tương ứng, nếu COD cần pha lớn hơn COD trong dung dịch V1 thì ta bổ sung gluco chứa V2 Bổ sung dinh dưỡng: Theo tỷ lệ COD : N : P = 200:5:1 Cụ thể: ta có công thức: C1V1+C2V2=CV Và V1+V2=V Trong đó V1, V2,C1,C2 theo ký hiệu như đã nói ở trên C là nồng độ COD cần pha, V là thể tích dung dịch cần pha ứng với nồng độ C Pha 55 lít dd nhuộm có COD=1000 gồm 4,05g nhuộm + 56 g gluco + 6,87g NH4Cl + 2,7 g KHPO4.3H2O Pha 55 lít dd nhuộm có COD = 1200 gồm 2,68 g nhuộm + 74,25g gluco + 8,25g NH4Cl + 3,23 g KHPO4.3H2O Tương tự ta có thể pha nước thải với những hàm lượng COD khác nhau. Hình 3.9: Mẫu nước thải dệt nhuộm 3.4.2. Sinh khối – bùn kỵ khí Nguồn sinh khối cung cấp cho mô hình trong suốt quá trình nghiên cứu là bùn vi sinh được nuôi cấy bởi Công ty Phân bón Hoà Bình – Quận Tân Phú – Tp. Hồ Chí Minh. Hình 3.10. Bùn vi sinh được nuôi cấy bởi Công ty Phân bón Hoà Bình – Quận Tân Phú – Tp. Hồ Chí Minh Bùn kỵ khí được lấy từ bùn thải từ trạm xử lý nước thải dệt nhuộm được ủ và chạy thích nghi trong mô hình. 3.4.3. Giá thể vật liệu đệm Dạng sợi xù xì, tăng độ dính bám cho màng VSV, đan thành lưới Cấu tạo vật liệu: sợi tổng hợp acrylic Bề mặt riêng : 146,5m2/m3 Khả năng dính bám : 0,5 - 0,6 g-SS/g-vật liệu Đặc tính dính bám của sinh khối : dạng khối Độ bền hóa, lý: bền với môi trường nước Hình 3.11: Cấu tạo giá thể Hình 3.12: Giá thể trong mô hình thực nghiệm 3.5. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH Nước thải sau khi được chuẩn bị theo mục đích nghiên cứu được chứa trong một bình có thể tích V = 60 lít và được bơm vào bể sinh học kỵ khí ba ngăn bằng bơm định lượng đảm bảo thời gian lưu trong bể khoảng 24 giờ. Nước thải được dẫn vào ngăn 1 theo hướng từ dưới lên, qua lớp vật liệu đệm và tràn qua ngăn 2. Trong ngăn thứ 2, nước chảy theo chiều từ trên xuống, tràn qua vách ngăn và đi vào ngăn 3. Tại đây, nước thải dâng theo hướng từ dưới lên và thoát ra ngoài, kết thúc quá trình xử lý bậc một tại bể sinh học ba ngăn. Nước thải đầu ra sau bể sinh học ba ngăn được dẫn vào cột lọc sinh học. Vì tổn thất áp lực nước lớn nên nước tại đầu ra của bể sinh học ba ngăn không thể chảy trực tiếp vào cột lọc, nên ta bố trí bơm trung gian bơm nước thải từ bể ba ngăn vào cột lọc. Bơm trung gian này được điều chỉnh lưu lượng sao cho thời gian lưu trong cột lọc khoảng 24h. Tại cột lọc sinh học, nước chảy ngược lên, thông qua lớp vật liệu tiếp xúc và được xả ra tại van trên cùng của cột. Các thông số vận hành của mô hình: nước thải được lấy kiểm tra pH, COD, BOD5, độ màu tại các van ở từng ngăn của bể ba ngăn và tại các van dọc trên cột lọc sinh học. 3.6. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 3.6.1. Thí nghiệm giai đoạn thích nghi Mục đích: Giai đoạn thích nghi nhằm giúp các VSV ở bể kỵ khí thích nghi dần với nước thải dệt nhuộm, đồng thời giúp tạo lớp màng vi sinh bám trên bề mặt lớp vật liệu lọc để xử lý nước thải, vật liệu đệm trước khi đưa vào mô hình được trộn với bùn kỵ khí. Cách tiến hành: Ta vận hành mô hình thí nghiệm hoạt động với nước thải dệt nhuộm cho vào có hàm lượng COD thay đổi từ 400 mg/l, 600mg/l, 800mg/l. Vì giai đoạn thích nghi diễn ra rất chậm, nên với mỗi giá trị COD, tiến hành chạy liên tục trong 10 ngày để xác định hiệu suất xử lý ổn định. Thời gian chạy thích nghi được chấm dứt trong khoảng 30 ngày, khi lớp màng vi sinh hình thành rõ trong mô hình xử lý, sinh khối bùn tăng và hiệu suất xử lý COD và độ màu của toàn mô hình đạt khoảng 75% Thời gian vận hành mô hình trong giai đoạn này là 48h. Sau đó ta tiến hành xả nước. Lưu lượng bơm tương ứng thời gian lưu nước 48h là 1,14 lít/h, vạch 45% của bơm định lượng. Số lần lấy mẫu phân tích là 15 lần. Các thông số theo dõi: pH, COD, BOD, độ màu. 3.6.2. Thí nghiệm giai đoạn tăng tải trọng Mục đích: Xác định tải trọng COD tối ưu của mô hình, từ đó khảo sát ảnh hưởng của độ màu dòng vào đối với hiệu quả xử lý màu, COD của mô hình lọc sinh học kỵ khí ba ngăn kết hợp lọc kỵ khí trên một số chỉ tiêu như pH, COD và độ màu Cách tiến hành: Mẫu nước thải được mô phỏng theo tính chất và thành phần nước thải ngành dệt nhuộm sau quá trình nhuộm vải cotton của quá trình nhuộm. Do nước thải sau quá trình này có sử dụng công đoạn giũ hồ làm hàm lượng COD, BOD trong nước thải cao phù hợp với mô hình nghiên cứu kỵ khí. Mô hình được vận hành liên tục tăng dần theo tải trọng từ 0,8; 1; 1.2; 1,4; 1,6; 1,8 kg COD/m3.ngàyđêm. Ở mỗi tải trọng ta tiến hành chạy liên tục 5 ngày, HRT = 24h. Tổng thời gian cho giai đoạn này là 30 ngày. Mẫu được lấy phân tích hằng ngày theo từng tải trọng xử lý. Các thông số theo dõi: pH, COD, BOD, độ màu. Lập bảng thay đổi độ màu dòng vào tức nồng độ màu thay đổi, khảo sát các thông số dòng ra pH, COD, độ màu theo tải trọng COD và thời gian lưu. 3.6.3. Thí nghiệm xác định thời gian vận hành tối ưu Mục đích: Xác định thời gian lưu nước mà mô hình xử lý đạt hiệu quả cao nhất, mang lại hiệu quả nhất về mặt kinh tế. Cách tiến hành: Từ kết quả của giai đoạn tăng tải trọng ở trên, ta tiến hành thí nghiệm xác định thời gian vận hành tối ưu cho mô hình với nước thải đầu vào có hàm lượng COD tương ứng với tải trọng tối ưu. Vì thời gian không cho phép nên nghiên cứu này chỉ khảo sát ở 3 thời gian lưu là 60h; 48h; 36,5h. Ở mỗi thời gian lưu ta lặp lại thí nghiệm 5 lần để xác định được hiệu suất ổn định. Mẫu được lấy theo từng van dọc suốt mô hình Bơm lưu lượng được điều chỉnh theo từng thời gian lưu khác nhau được trình bày ở bảng 4.3. Bảng 3.3: Vạch bơm tương ứng với lưu lượng và thời gian lưu Thời gian lưu Lưu lượng bơm (lít/h) Vạch bơm tương ứng 60h 0,87 35% 48h 1,14 45% 36,5h 1,53 60% Mẫu được lấy ở mỗi ngăn của bể sinh học kỵ khí 3 ngăn và từng van của cột lọc sinh học, ứng với mỗi vị trí là thời gian lưu khác nhau, ở vị trí nước thải ra là thời gian lưu của toàn bộ mô hình xử lý. 3.7. LẤY MẪU, BẢO QUẢN MẪU VÀ PHÂN TÍCH MẪU Mẫu từ bể và cột phản ứng được lấy bằng cách tắt các máy bơm để lắng khoảng 30 phút. Mẫu được lấy một cách cẩn thận khoảng 100ml/ mẫu và được trữ lạnh ngay để tránh các phản ứng xảy ra sau khi lấy mẫu. Sau khi lấy mẫu xong máy bơm được bật hoạt động trở lại. Mẫu sau khi lấy được phân tích theo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA 1998) với những hóa chất chuẩn. Mẫu đem phân tích gồm mẫu đầu vào và mẫu đầu ra Xác định pH: pH là đại lượng đặc trưng cho tính acid hay kiềm của mẫu nước và được định nghĩa theo hàm toán học như sau: pH = - log [H-] (3.1) Để đo pH, áp dụng phương pháp điện cực : pH metter Xác định hàm lượng COD COD - Nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong thành phần nước thải bằng phương pháp hóa học (bằng cách sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh). Với nước rỉ rác có chỉ số COD tương đối cao nên khi phân tích cần phải pha loãng mẫu sao cho giá trị COD ở vào khoảng < 300 mg/l. Phương pháp xác định COD áp dụng là đun hoàn lưu kín, đơn vị tính mgO2/l: Hàm lượng COD được tính theo công thức sau: COD = (3.2) Trong đó: Vtrắng: Thể tích FAS dùng để chuẩn mẫu trắng, ml Vthật: Thể tích FAS dùng để chuẩn mẫu thật, ml Vmẫu: Thể tích mẫu đem đi phân tích, ml CN: Nồng độ đương lượng của FAS, N n: Số lần pha loãng mẫu Xác định BOD5 : Bình BOD có đầu đọc sensor và tủ ủ BOD. Đơn vị tính mgO2/l. Hàm lượng BOD5 được tính theo công thức sau: (3.3) Trong đó D1: DO ban đầu đo trước khi đi ủ, mg/l D2: DO đo sau khi ủ 5 ngày, mg/l n: Hệ số pha loãng mẫu Xác định độ màu : được đo trên máy hấp thu quang phổ kế Hach DR2010, chương trình 120, bước sóng 455nm. Đơn vị tính Pt – Co. Xử lý mẫu : mẫu được lấy cẩn thận khoảng 100ml cho vào bình elen, dùng giấy bạc bao kín miệng bình và trữ lạnh trong vòng 30 phút, sau đó lấy mẫu đo. Bảng 3.4: Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích: Chỉ tiêu Phương pháp/Tài liệu sử dụng Hoá chất/Thiết bị sử dụng pH pH meter pH meter Độ hấp thu màu Quét bước sóng và độ hấp thu Máy Cary Varian 50 Độ màu So màu Máy so màu DR 2010 DO DO meter Oxymeter WTW 330 COD Standard Methods 5220 B Định phân BOD Standard Methods 5210 B Máy đo BOD TKN Standard Methods 4500-N Chưng cất - định phân Macro - Kjeldahl T-P Standard Methods 4500-P D UV - visible spectrophotometer SS Standard Methods 2540-D Lọc chân không, cân phân tích, tủ sấy ở 1050C VSS Standard Methods 2540-E Lò nung ở 5500C, cân phân tích Theo “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” (APHA 1998)). Hình 3.13: Ống phân tích COD Hình 3.14: Máy đo pH Hình 3.15: Máy đo độ màu 3.8. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ Hiệu quả loại màu tính theo Pt - Co Sự phân hủy màu của màu nhuộm được tính toán thông qua độ màu Pt - Co của máy so màu: Khử màu (%)=Ao-AsAo x 100 (3.4) Ao: Độ màu Pt - Co của nước thải dòng vào As: Độ màu Pt - Co của nước thải sau xử lý Hiệu quả xử lý COD và BOD Hiệu quả phân hủy COD và BOD cũng được tính toán tương tự như phương trình trên Hiệu suất xử lý (%)=Bo-BsBo x 100 (3.5) Bo: COD hay BOD của nước thải dòng vào. Bs: COD hay BOD của nước thải sau xử lý.