Luận án Nghiên cứu phát triển công nghệ yếm khí cao tải tuần hoàn nội - Ic (internal circulation)

dụng kỹ thuật phù hợp hay không phù hợp (fitting) trong Excel để lựa chọn hàm biểu diễn. Đánh giá hệ số tương quan hồi quy của các hàm thu được hoặc tính giá trị của K với các hàm biểu diễn tại mỗi mức H1 và H2 bằng cách thay các giá trị vk vào phương trình thu được. Tính sai số K giữa giá trị K thu được từ hàm biểu diễn (Ky) với giá trị K thu được từ thực nghiệm (Ktn) theo công thức tn ytn K KK K   . Hàm nào cho sai số nhỏ sẽ được chọn là hàm biểu diễn. Ví dụ: Giả sử hàm biểu diễn tại H1 và H2 cố định với vk thay đổi có dạng: y = a.x2 – b.x + c 47 Trong phương trình này y = K và x = vk Thay các giá trị của vk vào phương trình trên sẽ tính được K tại mỗi mức H1, H2 và vk. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran để tìm mô hình thực nghiệm. Ký hiệu K là y và vK, H1, H2 tương ứng là x1, x2, x3. Ta sẽ tìm quan hệ: �̂� = 𝑏0 + 𝑏1𝑥1 + 𝑏2𝑥2 + 𝑏3𝑥3 + 𝑏12𝑥1𝑥2 + 𝑏13𝑥1𝑥3 + 𝑏23𝑥2𝑥3 + 𝑏11𝑥1 2 + 𝑏22𝑥𝑥 2 + 𝑏33𝑥3 2 hay �̂� = 𝑏0 + ∑ 𝑏𝑗𝑥𝑗 3 𝑗=1 + ∑ 𝑏𝑢𝑗𝑥𝑢𝑥𝑗 3 𝑢,𝑗=1 (𝑢≠𝑗) + ∑ 𝑏𝑗𝑗𝑥𝑗 23 𝑗=1 (2.6) Các hệ số b0 – thành phần tự do; b1, b2, b3 – hiệu ứng tuyến tính; b12, b13, b23 – hiệu ứng tương tác đôi và b11, b22, b33 – hiệu ứng bình phương được tìm theo phương pháp bình phương tối thiểu: 𝛷 = ∑ (𝑦𝑖 − 𝑦�̂�) 2𝑛 𝑖=1 → 𝑚𝑖𝑛 (2.7) Trong đó: yi – giá trị thực nghiệm; 𝑦�̂� – giá trị tính theo mô hình (2.6) và n là số điểm thí nghiệm. Điều kiện để cực tiểu hóa hàm Φ theo (2.7) là đạo hàm riêng theo các hệ số phải bằng 0. Lấy đạo hàm và biến đổi ta được hệ 10 phương trình. Sử dụng máy tính để giải ma trận đường chéo kích thước 10 ta thu được giá trị các hệ số b0,bj, bu,j và bjj. Thay các giá trị này vào phương trình (2.6) ta được mô hình thực nghiệm thống kê. Sử dụng chương trình xử lý số liệu thực nghiệm tìm mô hình toán bằng ngôn ngữ lập trình FORTRAN. Tính K theo mô hình thu được và tính sai số giữa giá trị của K tính theo mô hình (KMH) với K thu được từ thực nghiệm (Ktn) theo công thức (2.8): tn MHtn K KK K   (2.8) Mô hình được chấp nhận khi sai số trung bình của tổng số tất cả các kết quả nhỏ hơn 10%. 48 2.2.4. Thực nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi lợn. 2.2.4.1. Mục tiêu thí nghiệm Xác định được năng lực xử lý của hệ IC với NTCNL và lượng khí sinh ra khi chuyển hóa mỗi lượng cơ chất (tính theo COD). 2.2.4.2. Mô hình thí nghiệm Hệ IC được chế tạo dựa trên cơ sở tổng quan tài liệu về đặc trưng cấu trúc gồm: hệ phân bố nước đầu vào, hệ tuần hoàn nội, vùng phản ứng cao tải ở phía dưới và vùng phản ứng tải lượng thấp nằm ở phía trên [48]. Sơ đồ khối hệ thí nghiệm được mô tả trong Hình 2.2. Hình 2. 2. Sơ đồ hệ IC thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi Mô tả hoạt động của hệ thống: Nước thải được bơm định lượng (thông qua lưu lượng kế) vào đáy thiết bị xử lý và được phân bố đều thông qua bộ phân phối, trong quá trình đi lên nước sẽ đi qua lớp bùn vi sinh và quá trình chuyển hóa diễn ra, tiếp theo hỗn hợp nước, bùn và khí đi đến bộ tách 3 pha K-L-R thứ 1. Tại đây hỗn 49 hợp và chạm với các tấm chăn của bộ tách 3 pha, khí tách ra khỏi bùn và tập trung về ống lên, bùn rơi trở lại vùng phản ứng, bùn có tốc độ lắng nhỏ hơn tốc độ dâng nước đi theo nước lên ngăn phản ứng thứ hai. Tại ngăn phản ứng thứ hai quá trình phân hủy tiếp diễn, nhưng tốc độ chậm hơn do lượng chất hữu cơ và mật độ vi sinh đều giảm. Tiếp theo, hỗn hợp đi đến hệ tách 3 pha thứ 2, quá trình diễn ra tại đây cũng giống như tại bộ tách pha thứ 1. Sau khi qua bộ tách pha thứ hai, nước (lẫn bùn nếu tốc độ lắng của bùn nhỏ hơn tốc độ dâng nước) được đưa sang ngăn thu nước (được thiết kế kiểu ngăn lắng). Từ đây nước (và/hoặc bùn) được bơm tuần hoàn vào bộ phận phân phối để duy trì tốc độ dâng nước trong hệ, nước sau lắng tách bùn đi ra ngoài. Với lượng khí đủ lớn kết hợp với hệ khí dâng phù hợp thì khí sẽ kéo bùn và nước lên bộ tách pha thứ 3. Tại đây, khí tách ra khỏi hỗn hợp bùn và nước được thu gom vào túi khí (để phân tích). Bùn và nước thải đi trở xuống đáy thiết bị thông qua ống xuống, vào bộ phân phối cùng với nước đầu vào để tiếp tục quá trình xử lý. Trường hợp quá trình khí kéo nước không diễn ra thì gần như toàn bộ lượng khí sinh ra cũng sẽ đi lên khoang này. Việc thu khí vẫn giống như trường hợp trên. Nước thải chăn nuôi lợn: Nước thải cho thí nghiệm với hệ IC được lấy tại trang trại Hòa Bình Xanh (thuộc Công ty TNHH Sản xuất Đầu tư và Thương mại Đức Anh), xóm Suối Cốc, xã Hợp Hòa, Lương Sơn, Hòa Bình. Tần suất lấy mẫu 1-2 lần/tuần, được lọc qua rây 1-2 mm nhằm loại bỏ rác và cặn thô trước khi đưa vào lưu trong các bồn chứa đầu vào, từ bồn đầu vào nước thải được bơm định lượng theo thiết kế thí nghiệm vào hệ xử lý. Nước thải khi lấy về và khi đưa vào bồn chứa và lấy mẫu phân tích các chỉ tiêu COD tổng, COD hòa tan, TSS, TN, TP. Số liệu thu thập tại Trang trại Hòa bình xanh – địa điểm được lấy mẫu phục vụ thí nghiệm được thể hiện ở Bảng 2.3. Kết quả cho thấy: - 63% COD nằm trong phần rắn có thể lọc được, tỷ lệ gCOD/gSS = 0,7 (thường thì tỷ lệ g COD/g hữu cơ ô nhiễm chỉ là khoảng 1,1) nghĩa là lượng SS trơ là khá lớn. 50 - Nước thải nuôi lợn thuộc loại rất giàu N và khoảng 50% các hợp chất N ở dưới dạng hòa tan. Khác với N, phần lớn P nằm dưới dạng chất không tan, hơn nữa trong quá trình lưu trữ và thu gom P rất dễ bị kết tủa nên tỷ lệ P/N hay P/C sẽ giảm mạnh, tuy nhiên, về nồng độ và tỷ lệ P/C thì đây vẫn là loại nước thải giàu P. Bảng 2. 2. Thành phần nước thải các chuồng ở trại Hòa bình xanh Mẫu pH CODt (mg/L) COD lọc (mg/L) T-N lọc (mg/L) T-N (mg/L) NH4 +-N (mg/L) T-P (mg/L ) SS (mg/L) 4.1 8,96 5500 2254 631 1290 519 100 4570 4.2 8,83 7483 2254 579 1387 527 50.8 5420 4.3 8,96 3786 1262 452 901 377 31 3850 4.4 8,99 3156 1172 497 850 415 47 3240 5.1 8,99 8024 3697 848 1752 770 119 6250 5.2 8,99 3922 2163 605 1298 538 30 5370 5.3 8,97 8475 3020 825 1705 715 118 6040 5.4 9,03 6942 2209 772 1779 658 77 6440 Chuồng đẻ 8,74 7348 2209 630 1550 442 22 7560 Trung bình 5630 ± 1032 2191 ± 330 634 ± 61 1310 ± 180 544 ± 57 60 ± 18 4904 ± 901 Điều hòa 6348 ± 888 (n = 9) 1649 ± 175 (n = 9) 4311 ± 1080 (n = 8)* Bùn yếm khí: Bùn mồi lấy từ nhà máy bia Hà Nội- đường Hoàng Hoa Thám- Ba Đình- Hà Nội, hàm lượng TSS = 22g/L. 2.2.3.3. Vận hành hệ thống Để đạt được mục tiêu thí nghiệm như đã nêu trên, thí nghiệm được bắt đầu bằng quá trình khởi động và đánh giá hệ thống IC đã chế tạo (giai đoạn 1). Trong giai đoạn này tiến hành cho vi sinh thích nghi dần với nước thải bằng cách tăng dần tải lượng COD đầu vào (OLRvào). Nước sau xử lý được lấy để phân tích với tần suất 2-3 ngày/lần, song song với đó tiến hành xác định lượng khí sinh ra. Khi hệ thống ổn định ở mỗi mức tải lượng (xác định thông qua CODht đầu ra) sẽ tiến hành tăng tốc độ dâng nước (tăng lưu lượng tuần hoàn) nhằm xác định khả năng thoát bùn và hiệu quả xử lý của hệ thống. 51 Sau khi xác định được tốc độ dâng phù hợp tiến hành tăng tải lượng ở tốc độ dâng đã chọn nhằm xác định giới hạn xử lý của hệ (giai đoạn 2). Trong giai đoạn này sẽ đánh giá cả hiệu quả xử lý CODtổng và CODht. Trên cơ sở số liệu thí nghiệm thu được kết hợp với các đánh giá về hệ thống sẽ tiến hành bổ sung thí nghiệm khác nếu cần. 2.2.3.4. Đánh giá hệ thống: Khả năng xử lý, tính ổn định đối với thiết kế cũng như trong quá trình vận hành các hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học của hệ thống thường được đánh giá qua ba tiêu chí chính là: tải lượng, năng suất và hiệu suất xử lý. Tải lượng: Là một thông số quan trọng nhất, nếu vận hành hệ thống ở giá trị vượt quá khoảng tải lượng cho phép có thể phá vỡ sự ổn định của hệ thống, làm cho hệ thống không làm việc được. Tải lượng được tính theo công thức (2.9). V QCOD OLR ravao vao *  , kg/m3/ngày (2.9) Năng suất xử lý: là lượng COD được xử lý tính cho một đơn vị thể tích của bể xử lý được tính theo công thức (2.10): ravao OLROLRNS  , kg/m3/ngày (2.10) Năng suất xử lý là một thông số quan trọng trong chọn lựa các phương án thiết kế hệ thống xử lý nước thải khác nhau. Hiệu suất xử lý COD (%): 100. vao ravao COD CODCOD H   (2.11) Trong đó: OLRvào = tổng lượng COD đưa vào hệ xử lý, kg COD/(m3.ngày) OLRra = tổng lượng COD ra khỏi hệ xử lý, kg COD/(m3.ngày) CODvào = hàm lượng COD trong nước thải đầu vào, (kg/m3) CODra = hàm lượng COD trong nước thải đầu ra, (kg/m3) Qvào = Lưu lượng nước thải đưa vào hệ thống, (m3/ngày) V = Thể tích hữu ích của thiết bị xử lý, (m3) NS = Năng suất xử lý của 1 đơn vị thể tích, (kg/m3.ngày) H = hiệu suất xử lý, (%) 52 2.2.3.5. Phương pháp tách rắn-lỏng a. Tách rắn-lỏng bằng polymer Các nghiên cứu đánh giá hiệu quả keo tụ loại bỏ chất rắn và chất dinh dưỡng được thực hiện với các nồng độ khác nhau của ba loại polymer A101, N101, C525. 400 ml mỗi mẫu NTCNL được tạo bông với từng loại A101, N101và C525 ở các nồng độ 25, 50 và 75 mg/L và khuấy đều bằng máy khuấy với tốc độ 120 vòng/phút trong 2 phút, sau đó được để lắng tự nhiên trong một giờ. Một mẫu đối chứng được thực hiện trong điều kiện tương tự không có polymer. Phần chất lỏng thu được và phần bùn được phân tích tổng chất rắn lơ lửng (TSS), tổng nhu cầu ôxy hóa học (CODt), tổng Nitơ (TN), tổng photpho (TP). Hiệu quả loại bỏ chất rắn và chất dinh dưỡng được được tính toán và so sánh thông qua phần chất lỏng tách được từ các mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng. Dựa vào các kết quả thí nghiệm để lựa chọn ra loại polyacyamide thích hợp nhất cho quá trình tạo bông tách lỏng – rắn nước thải chăn nuôi lợn. Để xác định nồng độ tối ưu của polymer cho quá trình keo tụ, một thí nghiệm tương tự đã được thực hiện với polymer thích hợp nhất cho nước thải chăn nuôi lợn tại các nồng độ PAM từ 12,5 ppm đến 125 ppm. b. Tách rắn-lỏng bằng lọc thô Thử nghiệm được tiến hành với theo sơ đồ Hình 2.3. Hình 2. 3. Sơ đồ hệ thí nghiệm tách rắn-lỏng 53 Các thông số chính của cột lọc như sau: Tiết diện 0,013 m2; chiều dày lớp lọc 60 mm. Thí nghiệm được tiến hành với tốc độ lọc từ 0,5 đến 0,9 m/h. Nước thải từ bồn chứa được khuấy trộn đều (duy trì khuấy trộn trong suốt quá trình lọc) trước khi đưa vào hệ lọc. Ghi thời gian từ khi bắt đầu đưa nước vào hệ lọc đến khi kết thúc chu kỳ lọc (khi mức chênh áp h đạt 1m). Kết thúc chu kỳ xả cặn, rửa cột và lặp lại chu kỳ mới. 2.2.3.5. Phương pháp phân tích Các thông số phân tích bao gồm: tổng rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxi hóa học tổng (CODt) và COD hòa tan (CODht) mẫu được lọc qua phin lọc 0,4µm), amoni tính theo N (NH4+-N), tổng nitơ Kjeldahl lọc (TNlọc) và không lọc (TNt), tổng photpho (T-P). Phương pháp phân tích mẫu tuân theo tiêu chuẩn Việt Nam và APHA (1998) [82]. STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Phương pháp phân tích 1. pH - TCVN 6492:2011 2. COD tổng mg O2/L SMEWW 5220C:2012 3. COD hòa tan mg O2/L SMEWW 5220C:2012 4. Tổng N mg/L TCVN 6638:2000 5. Tổng P mg/L TCVN 6202:2008 6. Amoni mg/L TCVN 6179 – 1:1996 7. TSS mg/L SMEWW 2504:2012 Phân tích mẫu được tiến hành tại phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu Công nghệ môi trường & Phát triển bền vững (CETASD) - Trường đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội và Viện công nghệ môi trường (IET) - Viện Hàn lâm KH&CN VN (VAST). Các số liệu phân tích được xử lý thống kê theo hướng dẫn của Hach [83]. 54 2.2.5. Phương pháp đánh giá tiềm năng tạo biogas 2.2.5.1. Tính dự báo lượng biogas phát sinh Để tính tiềm năng metan (thành phần mang năng lượng trong biogas) có thể sử dụng các quy trình và công thức sau: (1) Quy đổi CH4 về COD: Phương trình ôxy hóa CH4: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Theo phương trình này: 16 g CH4 cần 64 g O2 (ứng với nhu cầu ôxi hóa học – CODCH4). Vậy 1 kg CH4 ứng với 4 kg COD  1 kg COD ứng với 0,25 kg CH4 (2) Chuyển kg CH4 về m3 ở điều kiện tiêu chuẩn: Theo định luật Avogađrô thì 1 mol khí tương đương 22,41 L (ở điều kiện chuẩn T = 273,15K, p = 101,325Pa (~1atm)) ta có: 1 mol = 16 g CH4 ứng với 22,41 L; vậy 1000 g CH4 ứng với 1,4 m3 (suy ra khối lượng riêng CH4 = 0,7140 kg/m3).  1 kg COD ứng với 0,25/0,714 = 0,35 m3 metan (đktc) (*)  Với x kg COD được xử lý (cần phân tích COD đầu vào, ra + đo Q) sinh ra thể tích khí metan là: VCH4 = (0,35.x)/1 (m3 metan) Cần số liệu phân tích %VCH4 để tính ra thể tích biogas-VBiogas, khi đó thể tích biogas (ở đktc): Vbiogas = VCH4 (m3)/ %VCH4 (m3 biogas) (2.12) (3) Tính khối lượng biogas ở điều kiện chuẩn: Giả thiết CH4 chiếm 65%, CO2 chiếm 35% thể tích biogas: Vậy 1m3 biogas có 650L CH4 và 350L CO2; MCH4 = 16 g tương ứng 22,41L vậy 650L CH4 ứng với 464,08 g CH4 MCO2 = 44 g tương ứng 22,41L vậy 350L CO2 ứng với 687,19 g CO2 Tổng khối lượng 1 m3 biogas = 464,08 g CH4 + 687,19 g CO2 = 1151,27 g Vậy khối lượng riêng của biogas (65% CH4) ở đktc bằng 1,1513 kg/m3 Khối lượng của CH4 (65%V) trong 1m3 biogas bằng 0,464 kg CH4 (đktc) (*)  1 m3 (1,1513 kg) biogas (65% CH4) ứng với 0,65/0,35 (đktc) = 1,8571 kg COD xử lý được (hay 1 kg COD xử lý được ứng với 1/1,8571 = 0,5385 m3 biogas ở đktc). 55 (4) Tính chuyển đổi điều kiện chuẩn sang điều kiện thực (P, T): Hiệu chỉnh P [84]: RT Mgz o ePP   (2.13) Trong đó: P = áp suất thực cần tính (atm); P0 = áp suất khí quyển ở mực nước biển (1 atm); M = khối lượng mol trung bình của không khí (0,0289 kg mol-1); g = gia tốc trọng trường (9,806 m.s-2); z = cao độ máy đo (m); R = hằng số khí = 8,31 J/(mol.K); T = nhiệt độ (K), nhiệt độ trung bình 22,8ºC = 295,8 K. Ví dụ: Tính P nếu cao độ nơi thực nghiệm = 100m, các số liệu khác như trên: RT Mgz o ePP   = 8,25931,8 100806,90289,0 1     e = 8,25931,8 100806,90289,0 1     e = 0,9885 atm Tính V ở điều kiện thực tính từ các định luật chất khí lí tưởng: 2 22 1 11 T Vp T Vp  (2.14) Chỉ số 1 ứng với điều kiện tiêu chuẩn (p = 1; T = 0oC = 273K); chỉ số 2 ứng với điều kiện thực nghiệm, khi đó đánh giá nhanh V2 ở điều kiện (p2 = p tính được từ (1); T2 = T độ đo được, ví dụ 22,8oC = 22,8+273 = 295,8K); Khi đó:  12 211 2 Tp TVp V = 1*1*295,8/0,9885/273 = 1,0961 m3 2.2.5.2. Phương pháp xác định tiềm năng biogas bằng thực nghiệm Để xây dựng phương pháp xác định tiềm năng biogas bằng thực nghiệm, ta thực hiện bài toán nghịch, tức là từ Vbiogas đo được ở T2, P2, xác định %VCH4, tính lượng hữu cơ (kgCOD) xử lý được. Sơ đồ thí nghiệm được mô tả trong Hình 2.4. Thể tích khí sinh ra được xác định theo phương pháp thay thế chất lỏng, nước trong ống đo được điều chỉnh đến pH ~2 bằng axit sunphuric [85]. Nồng độ CH4 trong biogas được xác định bằng cách sục biogas qua dung dịch kiềm để loại CO2 sau đó đem phân tích sắc ký khí khối phổ- GC [86]. 56 Hình 2. 4. Sơ đồ hệ thu và đo khí biogas Bước 1: Tính p2 từ phương trình (2.14) T2 đo (ví dụ 22,80C), Vbiogas đo được (ví dụ 5 m3/ngày = V2). p2 tính từ phương trình (2.14) = 0,9885 atm Bước 2: Xác định %VCH4 (ví dụ CH4 = 65%V) Bước 3: Tính Vbiogas ở T1 = 273K, p1 = 1atm  21 122 1 TP TVP V = 0,9885*5*273/1/(273+22,8) = 4,5617 m3 (đktc) Bước 4: Tính VCH4 VCH4(đktc) = 4,5617*0,65 = 2,9651 m3 Bước 5: Quy về lượng COD {1 kg COD ứng với 0,35 m3 CH4- theo (*)} kg CODCH4 = 2,9651*1/0,35 = 8,472 kg Như vậy: Trong điều kiện thí nghiệm 8,472 kg COD phân hủy tạo thành 5 m3 biogas (65% CH4)  Do đó 1 kg COD phân hủy tạo thành 0,59 m3 biogas (65% CH4). 57 2.2.6. Tính công suất và cường độ khuấy trộn trong vùng phản ứng từ lượng biogas phát sinh Như đã trình bày, trong các bồn xử lý yếm khí, yếu tố gây ra lực kéo hỗn hợp phản ứng bùn-nước lên và khuấy trộn hỗn hợp phản ứng làm tăng yếu tố f (trong phương trình tốc độ xử lý yếm khí (1.1) (Ch.1-hệ quả phương trình Monod)) là do biogas phát sinh. Tùy vào mục đích khuấy trộn và trong xử lý nước thải thường được đặc trưng bằng cường độ khuấy trộn P/V (W/m3) hoặc gradient tốc độ �̅� (s1). Quan hệ giữa hai đại lượng này được biểu diễn bởi phương trình (2.15) {[65], pt.(9.40)}: �̅� = √ 𝑃 𝜇𝑉 (2.15) Trong đó: �̅� = gradient tốc độ, s1 P = công suất áp đặt vào thể tích khuấy trộn, W (1 W = 1 kg.m2/s3) V = thể tích khuấy trộn, m3 μ = độ nhớt động lực của nước (tra bảng theo nhiệt độ), kg/m.s Như vậy, khi biết hoặc tính được P sẽ tính được �̅� và ngược lại. Khuấy trộn nhằm tạo các va chạm khi tạo bông yêu cầu �̅� = 50-100 s1 [12]. Khi khuấy trộn bằng khí nén, công suất phát ra khi các bọt khí dâng lên được ước tính bằng phương trình sau [12]: 𝑃 = 𝑝𝑎𝑉𝑎𝑙𝑛 ( 𝑝𝑐 𝑝𝑎 ) (2.16) Trong đó: - P = công suất khuấy do khí nén, kW - pa = áp suất khí quyển, kN/m2 = 101,325 Pa - Va = lưu lượng không khí ở áp suất khí quyển, m3/s - pc = áp suất không khí nén tại điểm xả, kN/m2 (kPa) Phương trình (2.16) được rút ra từ hiện tượng giãn nở đẳng nhiệt của một thể tích khí nén khi xả ra môi trường. Nếu lưu lượng của dòng khí được tính theo đơn vị m3/phút và áp suất được biểu thị theo đơn vị mét nước, phương trình (2.16) có thể được viết thành: 58 𝑃 = 𝐾𝑉𝑎𝑙𝑛 ( ℎ+10.33 10.33 ) (2.16a) Trong đó K = 1,689 Trong đó Va = lưu lượng dòng khí ở điều kiện tiêu chuẩn, m3/min Trong đó h = áp suất tại miệng ống thoát khí, m nước Áp dụng cho khuấy trộn bằng biogas phát sinh, ta có: 𝑃𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 = 𝑝𝑎′𝑉𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠𝑙𝑛 ( 𝑝𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠,ℎ𝑖 𝑝𝑎′ ) (2.16 b) Trong đó: - P = công suất khuấy do khí biogas phát sinh, nổi lên và giãn nở, kW - pa’ = áp suất khí quyển, kN/m2 = 101,325 kPa + áp dư trên vùng gom biogas - Vbiogas = lưu lượng biogas phát sinh ở độ cao hi, m3/s - 𝑝𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠,ℎ𝑖 = áp suất biogas tại chiều cao phát sinh, kN/m 2 (kPa) Ở đây, Va là lưu lượng khí nén được thay bằng Vbiogas, tốc độ phát sinh biogas được tính trên cơ sở tốc độ chuyển hóa COD của bồn yếm khí; tương tự, pc được thay bằng 𝑝𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠,ℎ𝑖 , đại lượng này phụ thuộc vào chiều cao mức nước trên trong bồn IC và vị trí tương đối hi của thể tích phản ứng được xem xét. Theo R. Rozendal (2014) [87] vùng phản ứng chính trong IC thường là tầng 1 chiếm khoảng 2/3 tổng chiều cao (từ sát đáy bồn). Năng lượng khuấy trộn trong IC là tổng ba thành phần (Hình 2.5): (1) năng lượng do biogas phát sinh (tính theo pt. (2.16 b); (2) năng lượng do dòng bùn-nước tuần hoàn về đáy theo ống xuống; và (3) năng lượng do bơm nước thải vào. Phương pháp tính công suất phát sinh do biogas, Pbiogas, được xây dựng trên cơ sở phương trình (2.16 b) với một số quy ước như sau: (i) Do khối lượng riêng của biogas (1,1513 kg/m3, đktc) nhỏ hơn không khí (1,292 kg/m3, đktc), chênh lệch 3,2% nên lực nâng Arsimet do bọt khí biogas sẽ lớn hơn không khí tương ứng, tuy nhiên sự khác biệt nhỏ này sẽ bỏ qua. (ii) Xét coi thể tích phản ứng hình trụ có chiều cao H (m), tiết diện = 1 m2, theo chiều cao sẽ chia đều thành H thể tích nhỏ, mỗi thể tích = 1 m3, vậy chiều cao cột nước hi phía trên 1 m3 thể tích phản ứng thứ i tính từ đáy bồn được tính theo phương trình (2.17) [87]. 59 hi = H + a – (i – i/2), m (2.17) - a = áp suất dư ở vùng thu biogas = 1m, do trong IC phần biogas phát sinh đi vào ống lên cần vượt thêm chiều cao 1m trên mức nước trên của IC để xả hỗn hợp phản ứng vào bồn tách khí-lỏng ở trên đỉnh bồn. - 1 mH2O = 101.325/10,333 = 9,806 kPa; - i = số thứ tự của các thể tích 1 m3, tính từ đáy bồn, i = 1, 2, , (2/3)H. (iii) áp suất áp lên bề mặt mỗi thể tích phản ứng = chiều cao cột nước hi + áp suất dư ở vùng thu biogas (giả thiết áp dư = 0,25 m H2O = 2451 Pa = 0,0242 atm, áp suất khí quyển = 101.325 Pa = 10,333 mH2O). Vậy áp suất lên bề mặt thể tích thứ i là: i = hi = H + 1 – (i – i/2), m. Hình 2. 5. Các thành phần khuấy trộn trong hệ IC Ví dụ, với bồn phản ứng có H = 20 m, theo R. Rozendal (2014) [87] vùng phản ứng chính sẽ tính tới h12 ứng với chiều cao = 14 m, khi đó trong tính toán năng 60 lượng do biogas sinh ra sẽ tính cho 14 thể tích phản ứng từ đáy bồn lên rồi lấy tổng. Áp suất thủy tĩnh tính theo: hi = 20 + 1 – (i – i/2)*, i = 1, 2 , 14, m. Sau khi có các kết quả hi, chuyển từ mét H2O sang kPa và áp dụng phương trình (2.15 a) để tính công suất khuấy trộn, 𝑃𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠, kW. (iv) Coi khuấy trộn ở vùng phản ứng xem xét là hoàn toàn, áp suất không ảnh hưởng đến hoạt tính của vi khuẩn yếm khí, khi đó năng suất xử lý COD cũng như tốc độ sinh khí biogas của thể tích phản ứng thứ i bằng các đại lượng tương ứng của thể tích thứ i+1, i+2, . Tuy nhiên, 𝑃𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 sẽ thay đổi vì hi thay đổi theo phương trình *. (v) Hiệu quả chuyển hóa COD = 80% = 0,80, trong đó 10% COD chuyển hóa thành sinh khối [12]. (vi) Metan mất mát = metan hòa tan trong nước ra tạm thời bỏ qua. (vii) Lập trình trên Excel để tính, gradient tốc độ theo �̅� = √ 𝑃 𝜇𝑉 (pt.(5.3) trong M&E/Aecom, 2014) [12]. Vậy, sơ đồ tính P như sau: 61 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xác định K bằng thực nghiệm (KTN) 3.1.1. Các điều kiện thí nghiệm: Thí nghiệm được tiến hành như mô tả trong mục 2.2.1 và với các điều kiện cụ thể như sau:  Ống lên T1 có đường kính trong d1 = 16,2 mm (PVC D21, class 3) tương đương với tiết diện S = 2,06 cm2; Ống xuống T2 có đường kính trong d2 = 23,80 mm (PVC D27, class 1) tương đương S = 4,45 cm2.  Mức ngập nước H1 của ống T1 được thay đổi ở các khoảng: 185; 205; 225; 2,45; 265 và 285 cm. Chiều cao đẩy (phần phía trên mức nước) H2 của ống T1 thay đổi ở các khoảng 10; 20; 30; 40 và 50 cm.  Lưu lượng khí QK (lít/phút) đưa vào chóp thu dưới đáy ống T1 thay đổi ở các khoảng 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5 và 5 lít/phút. 3.1.2. Kết quả thí nghiệm Số liệu thu được từ thực nghiệm được tổng hợp trong Bảng 3.18 (xem phụ lục 1). Theo đó, tỷ lệ lượng nước được kéo lên (thu được) bởi mỗi lượng khí cấp vào (K = QN/QK) phụ thuộc vào vận tốc khí (vk), mức ngập nước H1 và chiều cao xả nước H2:  Tổng hợp các số liệu thí nghiệm cho thấy với các giá trị của vk giảm dần từ 1456 m/h đến 291 m/h; và tỷ lệ H1/H2 tăng dần từ 3,7 đến 28,5 thì giá trị đạt được của K tăng dần từ 2,05 đến 7,2. Giá trị K lớn nhất (Kmax = 7,2) đạt được trong các thí nghiệm là tại H1 = 285 cm; H2 = 10 cm (H’ = 28,5) và v = 291 m/h. Giá trị K nhỏ nhất (Kmin = 1,66) đạt được trong các thí nghiệm là tại H1 = 185 cm, H2 = 50 cm (tỷ lệ H1/H2 = 3,7) và v = 1456 m/h.  Với cùng mức H1 và/hoặc H2 thì K tăng khi vk giảm, chẳng hạn tại H1 = 285 cm và H2 = 50 cm (H1/H2 = 5,7) thì giá trị của K đạt được tăng từ 2,00 đến 3,70 khi vk giảm từ 1456 m/h đến 291 m/h (Hình 3.1).  Với cùng giá trị của vk thì K tăng khi H1 tăng và/hoặc H2 giảm, chẳng hạn với vk = 582 m/h thì với H1 = 285 cm và H2 giảm dần từ 50 đến 10 cm (tỷ lệ H1/H2 tăng dần từ 5,70 đến 28,5) thì giá trị của K đạt được tăng từ 3,25 đến 5,10 (Hình 3.2). 62 Hình 3. 1. Sự thay đổi của K khi vk tăng (tại H1 = 285 và H2 = 50 cm) Hình 3. 2. Sự thay đổi của K khi H1/H2 tăng (tại vk = 582 m/h; H1 = 285 cm)  Khi vận tốc khí vk tăng dần từ 291 m/h đến 1456 m/h và tỷ lệ H1/H2 tăng dần từ 3,7 đến 28,5 thì lượng nước thu được (QN) tăng dần từ 2,05 đến 12,7 (lít/phút). Chẳng hạn với cùng mức H1 = 285 cm và H2 = 50 cm (tỷ lệ H1/H2 = 5,7) thì khi vk tăng từ 291 m/h đến 1456 m/h lượng nước thu được QN tăng từ 3,7 đến 10 lít/phút; Giá trị QN lớn nhất đạt được tại H1 = 285 cm, H2 = 10 cm và vk = 1456 m/h. Giá trị QN nhỏ nhất đạt được tại H1 = 185 cm, H2 = 50 cm và vk = 291 m/h.  Với cùng mức H1 thì QN tăng khi H2 giảm và ngược lại QN giảm khi H2 tăng. Chẳng hạn, với cùng giá trị của vk = 582 m/h và H1 = 285 cm, H2 thay đổi 63 từ 50 đến 10 cm (H1/H2 thay đổi từ 5,7 đến 28,5) thì lượng nước thu được QN tăng từ 5,2 đến 8,8 lít/phút (Hình 3.3). Hình 3. 3. Xu hướng sự thay đổi giá trị của QN khi vận tốc khí vk tăng (tại H1 = 285 và H2 = 50 m)  Tại cùng mức H2 và/hoặc vk thì K và QN tăng khi H1 tăng. Chẳng hạn tại H2 = 50 cm và v = 582 m/h với các mức H1 tăng dần từ 185 đến 285 cm (tỷ lệ H1/H2 từ 5,7 đến 3,7) thì K tăng từ 2,4 đến 3,25 (Hình 3.4). Hình 3. 4. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi mức ngập nước H1 thay đổi (H2 = 50 cm; v khí = 582 m/h)  Tại cùng mức H1 và/hoặc vk thì giá trị của K và QN tăng khi H2 giảm. Chẳng hạn tại H1 = 185 cm, vk = 582 m/h và H2 thay đổi giảm từ 50 xuống đến 10 cm thì giá trị của K tăng từ 2,4 đến 4,6 và QN tăng từ 4,8 đến 9,2 lít/phút (Hình 3.5). 64 Hình 3. 5. Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN khi chiều cao xả nước H2 thay đổi (H1 = 185 cm; v khí = 582 m/h)  Xu hướng sự thay đổi giá trị của K và QN tại mức ngập nước lớn nhất H1-max = 285 cm và nhỏ nhất H1-min = 185 cm với chiều cao xả nước (H2) thay đổi từ 50 đến 10 cm và vk tăng dần từ 291 m/h đến 1456 m/h cũng là xu hướng của toàn bộ các thí nghiệm được thể hiện trong Hình 3.6. Hình 3. 6. Xu hướng sự tha