Đề tài Nghiên cứu quá trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia có công suất 30m3/ngày/đêm bằng aeroten

cao với BOD >5000 mg/l, có khả năng thu hồi năng lượng (biogas) cao, chi phí vận hành thấp, thể tích công trình nhỏ chiếm ít diện tích mặt bằng.Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, phương pháp kỵ khí cũng có những nhược điểm là: Quá trình phân huỷ kỵ khí sinh ra nhiều khí độc, có mùi hôi thối gây ô nhiễm không khí như mercaptan, scatol, indol, H2S, NH3..., thời gian dài. Nguyên tắc của phương pháp này là dùng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tuỳ nghi để phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy hoà tan trong cặn hoặc trong nước thải ở điều kiện nhiệt độ thích hợp cho sản phẩm là CH4, CO2, N2, H2... Quá trình phân huỷ kỵ khí diễn ra trong vòng từ 3 á 6 tháng ở điều kiện thường, khi nhiệt độ lên tới 40 - 550C thời gian phân huỷ sẽ rút ngắn Theo Eckenfelder W.W, quá trình lên men kỵ khí diễn ra theo các giai đoạn sau: + Giai đoạn 1: Lên men axit. + Giai đoạn 2: Chấm dứt lên men axit. + Giai đoạn 3: Lên men kiềm hay lên men metan. 1.4.2. Phương pháp thiếu khí (Anoxic) [13] Trong điều kiện thiếu oxy (hàm lượng oxy hoà tan vào khoảng 0,5 á 1 mg/l), các chất dinh dưỡng như N, P có trong nước thải sẽ bị phân huỷ. Phương pháp này chủ yếu dùng để khử nitrat hoá. Ta có thể biểu diễn dưới dạng phương trình sau: NO3- Desulfovibrio N2ư + O2 + Năng lượng 1.4.3. Phương pháp hiếu khí (aerobic) [1, 13] .Nguyên lý của phương pháp hiếu khí là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí dưới dạng bùn hoạt tính phân huỷ các chất hữu cơ trong nước thải ở điều kiện có oxy hoà tan liên tục cùng với nhiệt độ 20- 400C. Để có thể đạt hiệu quả cao trong xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí, người ta thường sử dụng bể aeroten sục khí hoàn chỉnh kết hợp với bùn hoạt tính hồi lưu. Bùn hoạt tính là một tập hợp các vi sinh vật phức tạp bao gồm vi khuẩn, nguyên sinh động vật, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, vi rút... chủ yếu là vi khuẩn. Bùn hoạt tính có thể được tạo ra từ chính loại nước thải cần xử lý bằng cách bổ sung dinh dưỡng thích hợp. Nước thải khi mới được đưa vào hệ thống thải đã có sẵn một số lượng tế bào vi sinh vật nhất định. Sau một thời gian thích nghi và gặp điều kiện dinh dưỡng, nhiệt độ, pH... thuận lợi, các tế bào này bắt đầu sinh trưởng và phát triển rất mạnh. Các vi sinh vật sử dụng oxy có sẵn trong nước thải, oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ hoà tan, làm cho quần thể vi sinh vật tăng trưởng, trong đó các loài vi khuẩn sinh vỏ nhầy kết các bào tử vi khuẩn thành các sợi bông hoặc keo nhỏ. Các hạt sợi này kéo theo các phần tử lơ lửng chứa rất nhiều vi khuẩn hiếu khí, các chất huyền phù khó lắng, có thể còn kéo theo cả các ion kim loại có tính độc. Các hạt sợi nhầy hoạt tính có khả năng oxy hoá nhanh các chất hữu cơ thúc đẩy quá trình làm sạch nước thải. Sau một thời gian lơ lửng trong nước làm giảm BOD của nước thải, các hạt sợi nhầy phát triển to dần và thành khối nhầy lớn, lắng xuống thành bùn. Vì vậy, người ta dùng thuật ngữ "bùn hoạt tính" để gọi loại bùn đặc biệt này. Quá trình xử lý nước thải gồm 3 giai đoạn: ỉ Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử. ỉ Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất trong và ngoài tế bào. ỉChuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật cùng với sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới trong tế bào với sự hấp thu năng lượng. Phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxy hoá sinh hoá ở điều kiện hiếu khí như sau: - Phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào: CxHyOzN + (x + y/4 - z/2 +3/4)O2 Vi sinh vật xCO2 + (y +3)/2H2O + NH3 - Phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào: CxHyOzN + NH3 + O2 Vi sinh vật C5H7NO2 + CO2 Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải. Trong phản ứng trên, CxHyOzN là chất hữu cơ còn C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật. Vi sinh vật Amon hoá Tiếp tục tiến hành oxy hoá, tới thời điểm không đủ dinh dưỡng, sẽ xảy ra qúa trình hô hấp nội bào hay oxy hoá các chất liệu tế bào (tự oxy hoá - tự phân). C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O + DH Vi sinh vật Vi sinh vật Nitrat hoá Vi sinh vật Khử Nitrat Error! Not a valid link. 1.5. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải Nước thải khi mới thải ra đi vào bể chứa có thể ít về số lượng, nhưng sau một vài giờ nhất là ở điều kiện thích nghi (nhiệt độ 25- 300C, pH 6,5- 7,5 trong môi trường nhiễm bẩn có đủ chất dinh dưỡng đối với chúng và không có chất độc ức chế chúng), vi khuẩn bắt đầu sinh sản. Vi sinh vật tăng nhanh về số lượng nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản hữu tính và sinh sản nảy mầm, nhưng chủ yếu vẫn là sinh sản phân đôi. Thời gian tự phân đôi có thể dao động rất lớn: từ vài phút đến vài chục phút, sinh sản chỉ ngừng lại khi điều kiện về thức ăn, pH, nhiệt độ thay đổi ngoài giá trị tối ưu. Quá trình sinh trưởng của vi khuẩn trong nước thải được mô tả ở hình2. Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn vi khuẩn chết tăng trưởng ổn định theo logarit theo quy luật logarit Giai đoạn phát triển chậm Sinh trưởng và phát triển của hệ VSV Thời gian Hình 2: Đường cong biểu diễn sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong nước thải Quá trình sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong nước thải chia làm 4 pha: - Pha làm quen: mới đầu vi khuẩn chưa sinh sản ngay mà cần thời gian để thích nghi với môi trường. Thời gian này có thể là vài chục phút tới vài giờ. - Pha phát triển logarit: sau khi thích nghi, vi khuẩn bắt đầu sinh sản bằng cách phân đôi tế bào. Số lượng tế bào tăng theo cấp số nhân. Giai đoạn này sinh trưởng của vi khuẩn rất nhanh và được gọi là giai đoạn phát triển theo logarit. ở pha này các chất dinh dưỡng trong môi trường còn phong phú và các tế bào giàu ARN và các enzim được sản sinh ra phục vụ cho quá trình dị hoá chất hữu cơ và đồng hoá xây dựng tế bào mới. Nói chung ở pha này các tế bào chết chưa xuất hiện. - Pha ổn định: sinh trưởng ở cuối pha logarit chậm dần, chất dinh dưỡng cạn dần. Số lượng tế bào già chết đi bằng số tế bào sinh ra. - Pha suy thoái: ở pha này dinh dưỡng cạn kiệt, số lượng tế bào già chết đi nhiều hơn số tế bào mới sinh ra. Nếu không bổ sung dinh dưỡng, toàn thể quần thể vi khuẩn sẽ chết. 1.6. Bùn hoạt tính 1.6.1. Hệ vi sinh vật trong bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là một tập hợp các vi sinh vật phức tạp bao gồm vi khuẩn, nguyên sinh động vật, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, vi rut... nhưng chủ yếu là vi khuẩn. Bùn tốt có bông màu vàng nâu, dễ lắng, có kích thước từ 3 á5 mm, có khả năng hấp thụ lên bề mặt của nó và oxy hoá các chất khi có mặt oxy làm sạch nước thải [1]. Thành phần vi sinh vật của bùn hoạt tính gồm một số lượng lớn các loài như: Actinomyces, Bacillus, Corynebacterium, Escherichia, Pseudomonas, Sarcina. Bảng 2. Một số giống chính trong quần thể vi sinh vật hiếu khí trong bùn hoạt tính Vi khuẩn Khả năng phân huỷ Pseudomonas Hyđrat-cacbon, Protein, Nitrat, chất hữu cơ khác Arthobacter Hyđrat-cacbon Bacillus Hyđrat-cacbon, Protein Cytophaga Polysaccarit Nitromonas Nitrit Nitrobacter Nitrat Alcaginenes Protein Favobacterium Protein Corynebacterium Protein Escherichia Protein, hợp chất hữu cơ Sarcina Chất hữu cơ Nguyên sinh động vật Xác vi sinh vật Nhìn qua bảng 2, chúng có khả năng phân huỷ protein và lipid, nhất là Bacillus và Pseudomonas. Nguyên sinh động vật tham gia vào việc sử dụng chất hữu cơ, kích thích vi sinh vật tiết ra enzzim ngoại bào để phân huỷ chất hữu cơ, ăn vi khuẩn già và xác vi khuẩn, giúp điều chỉnh thành phần và loài của vi sinh vật trong bùn hoạt tính, giữ chúng luôn ở mức hoạt động tôi ưu, làm tăng cường quá trình làm sạch nước thải, tăng khả năng kết lắng bùn, loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh. Đối với bùn tốt, nguyên sinh động vật có khoảng 10-15 cá thể/106 tế bào [6, 13]. Thành phần vi sinh vật trong bùn hoạt tính được giới thiệu ở bảng 2. 1.6.2.Hoạt hoá bùn hoạt tính [13] Hoạt hoá bùn hoạt tính là tạo điều kiện cho quần thể vi sinh vật có trong đó phát triển lại trước khi cho bùn hồi lưu vào bể aeroten. Hoạt hoá bùn nhằm làm tăng số lượng vi sinh vật lên, từ đó tăng khả năng sử dụng chất hữu cơ có trong nước thải. Để phát huy được vai trò của bùn hoạt tính trong quy trình công nghệ xử lý nước thải, phải quan tâm đến nồng độ oxy hoà tan trong nước, nồng độ và tuổi của bùn hoạt tính, các chất độc cho vi sinh vật, pH, nhiệt độ của nước thải. Nước thải sau khi được xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính thì hàm lượng các chất gây ô nhiễm giảm đi, nước thải ra môi trường tương đối đạt tiêu chuẩn về hàm lượng các chất cho phép: BOD giảm đến 85- 90%, Nitơ giảm 40%, coliform giảm 60- 90% [13]. Như vậy phương pháp bùn hoạt tính có khá nhiều ưu điểm và hiện nay vẫn là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải đô thị và công nghiệp. 1.6.3. Đánh giá bùn hoạt tính Bùn hoạt tính có chất lượng cao có dạng búi xốp, màu vàng hoặc nâu sẫm, dễ lắng và có khả năng thu hồi nhanh. Nếu bùn kém, các chất lơ lửng sẽ trôi theo nước ra, sẽ làm tăng BOD. Tốc độ oxy hoá chất hữu cơ phụ thuộc vào khả năng thích nghi của các chủng vi sinh vật mới có khả năng kết lắng và phân huỷ phổ nhiễm bẩn cao của nước thải [13]. * Tuổi và số lượng của bùn hoạt tính: Hiệu suất xử lý của phương pháp phụ thuộc nhiều vào độ tuổi của bùn hoạt tính hay thời gian lưu của bùn trong hệ thống xử lý. Nhìn chung khi tăng lượng bùn hoạt tính thì khả năng xử lý càng cao, nhưng chỉ đến một mức độ giới hạn nhất định, vì khi tăng lượng bùn hoạt tính thì nhu cầu oxy cũng phải tăng theo cho đủ hàm lượng oxy hoà tan. Bùn hoạt tính có chất lượng cao chỉ sử dụng được trong một thời gian nhất định. Nếu để lâu có nghĩa là bùn hoạt tính càng già thì khả năng xử lý kém dần đi do xác vi sinh vật chết lại trở thành nguồn gây ô nhiễm mới. Trong suốt toàn bộ quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính thì lượng bùn thải loại ra rất nhiều. Lượng bùn này tỷ lệ với mức độ nhiễm bẩn của nước thải thể hiện qua các chỉ số COD, BOD5. 1.7. Bể aeroten [13] Aeroten là một dạng bể nhân tạo trong đó ta tiến hành cấp khí hoàn chỉnh để cung cấp oxy cho vi sinh vật sinh trưởng ở trạng thái huyền phù trong môi trường nước thải cần xử lý. Việc cấp khí (sục khí) ở đây đảm bảo hai yêu cầu là cung cấp đủ oxy cho vi sinh vật sinh trưởng và oxy hoá chất hữu cơ đồng thời duy trì chúng ở trạng thái lơ lửng. Bể aeroten có nhiều dạng được phân loại theo nhiều cách khác nhau: - Phân loại theo nguyên lý làm việc. - Hệ thống có quay vòng bùn. - Hệ thống không có tái sinh bùn. - Phân loại theo các dạng cấp khí. + Cấp khí theo tầng: Thường dùng với các aeroten có chiều sâu lớn, COD ban đầu cao. Phương pháp này giúp giảm chi phí khí nén và làm cho bể aeroten hoạt động hiệu quả ở tất cả các tầng theo chiều sâu của bể. + Bể hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn: Bể này thường áp dụng khi nước thải được chảy liên tục vào bể eroten có thiết bị khuấy hoạt động. Nước thải sau khi lắng và bùn hồi lưu dược đưa vào nhiều điểm trên bể aeroten. Chất hữu cơ cho vào và nhu cầu oxy đồng đều theo chiều dài của bể aeroten, thời gian lưu 3 á 5 ngày, tải trọng 0,8 á 2 kg BOD5/m3/ngày, thời gian lưu bùn từ 5 á 15 ngày. + Cấp khí theo chiều dọc: Hình thức bố trí ở phía đầu vào mật độ các phân tán khí dày hơn phía cuối bể. + Cấp khí theo ngăn: Bể aeroten được chia thành các ngăn, nước thải đi từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Mức độ cấp khí ở các ngăn khác nhau vừa đảm bảo xử lý triệt để vừa giảm chi phí khí nén. + Bể hiếu khí ổn định tiếp xúc: Quá trình ổn định tiếp xúc gồm hai bể riêng biệt hoặc hai ngăn riêng biệt để xử lý nước thải và ổn định bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính sau khi đã ổn định trộn với nước thải đưa vào bể tiếp xúc. Sau bể tiếp xúc nước thải qua bể lắng thứ cấp và bùn hồi lưu đưa về bể ổn định. Phương pháp này được sử dụng để xử lý nước thải với BOD cao, các chất hữu cơ chủ yếu ở dạng lơ lửng và dạng keo. Thời gian lưu trong bể ổn định 1,5 á5 giờ, thời gian lưu trong bể tiếp xúc hiếu khí 20 á 40 phút. Tải trọng từ 0,6 á 0,75 kg/m3/ngày. Các thông số cơ bản của aeroten. Trong quá trình vận hành theo dõi các thông số của bể aeroten là càn thiết để điều chỉnh quá trình xử lý có hiệu quả và tiết kiệm, đồng thời giảm khả năng tái nhiễm do vi sinh vật trong bùn hoạt tính bị phân huỷ. Các thông số theo dõi là: + Thời gian lưu của nước trong bể aeroten q (ngày, giờ): q = (1.7 – 1) Trong đó: V: Thể tích của bể aeroten (m3). Q: Lưu lượng nước thải đi vào bể (m3/ngày); (m3/h). + Chỉ số thể tích bùn SVI (Slugde Volume Index): (ml/g) (1.7 – 2) Trong đó: V1: diện tích lắng (ml/g). X: hàm lượng sinh khối có trong 1l (mg/l). Chỉ số SVI là thông số biểu thị dung tích lắng của 1 gam bùn. + Lượng oxy cần thiết cho quá trình xử lý nước thải : OCo = - 1,42Px + (kg O2/ngày) (1.7 – 3) Trong đó: OCo: lượng oxy cần thiết theo điều kiện tiêu chuẩn của phản ứng ở 200C. Q: Lưu lượng nước thải cần xử lý (m3/ngày). So: Nồng độ BOD5 đầu vào (g/m3). S: Nồng độ BOD5 đầu ra (g/m3). f: Hệ số chuyển đổi từ BOD5 sang COD hay BOD20 f = (1.7 – 4) Px: Phần tế bào dư xả ra ngoài theo bùn dư (kg/ngày). Px = YbQ(So – S)x10-3 (1.7 – 5) 1,42: Hệ số chuyển đổi từ tế bào sang COD. No: Tổng hàm lượng Nitơ đầu vào (g/m3). N: Tổng hàm lượng Nitơ đầu ra (g/m3). 4,57: Hệ số sử dụng oxy khi oxy hoá NH4+ thành NO3- + Lượng oxy cần thiết trong điều kiện thực tế: (1.7 – 6) Trong đó: Cs : Nồng độ oxy bão hoà trong nước sạch ứng với nhiệt độ (T0C) (mg/l). C : Nồng độ oxy cần duy trì trong công trình (mg/l). Khi xử lý nước thải thường lấy C = 1,5 á 2 mg/l. : Hệ số điều chỉnh lượng oxy ngấm vào nước thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt động bề mặt, loại thiết bị làm thoáng, hình dáng và kích thước bể, có giá trị từ 0,6 á 0,94. + Lượng không khí cần thiết: (m3/ngày) (1.7 – 7) Trong đó: OCt : Lượng oxy cần thiết tính theo công thức (1.7 – 6). f : Hề số an toàn, thường từ 1,5 á 2 OU = Ou.h : Công suất hoà tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối tính theo gam oxy cho 1 m3 không khí. Ou : Công suất hoà tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối tính theo gram oxy cho 1 m3 không khí. h : Độ sâu ngập nước của thiết bị phân phối khí. Phần II. Vật Liệu Và Phương Pháp 1. Vật liệu 1.1. Mẫu nước thải - Nước thải được lấy tại bể tập trung của Công ty Bia Liên hợp Thực phẩm Hà Tây. - Mẫu nước thải được bảo quản ở 4o C. 1.2 Hóa chất K2Cr2O7, Na2S2O3, KMnO4, H2SO4 98 %, Ag2SO4, HgSO4, Fe(NH4)2(SO4).6H2O, KI, KOH, NaOH, H3BO3, MnSO4, FeCl3.6H2O, KH2PO4, pepton, cao men, agar 1.3 Môi trường nuôi cấy vi sinh vật : (Xem phụ lục). 1.4 Thiết bị Máy so mầu quang điện Pharmacia Biotech Novaspec II. Máy đo pH Mettler Toledo 320. Cân phân tích AND HR – 200. Bình tối để xác định BOD. Máy sục khí. Tủ ấm. Tủ sấy. Sinh hàn ngược. Bộ cất đạm 2. Phương pháp nghiên cứu nước thải 2.1 Xác định thành phần, số lượng vi sinh vật [4] Số lượng vi sinh vật trong mẫu nước thải đựơc xác định theo phương pháp pha loãng 10-1, 102, 10-3 10-20, sau đó cấy lên môi trường thạch trên đĩa peptri đã chuẩn bị sẵn, nuôi trong tủ ấm sau 24 – 48 giờ, đếm số lượng khuẩn lạc. Vi khuẩn hiếu khí nuôi trên môi trường MPA. Nấm men nuôi trên môi trường thạch Hansen. Nấm mốc nuôi trên môi trường Czapeck – Dox. 2.2 Xác định oxy hòa tan (DO- Disolved Oxygen) [8, 13] Để xác định lượng oxy hòa tan ta dùng phương pháp iot của Winkler. a. Nguyên lý của phương pháp: Trong môi trường kiềm Mn2+ bị oxy hòa tan trong nước oxy hóa đến Mn4+ dưới dạng MnO2. Mn2+ + 2 OH- + O2 = MnO2¯ + H2O ( Mầu nâu) Trong muôi trường H+, Mn4+ có khả năng oxy hóa I- thành I2 và Mn4+ bị khử đến Mn2+. MnO2 + 2 I- + 4H+ = Mn2+ + 2H2O + I2 Lượng iôt tự do sinh ra tương đương với lượng oxy tự do có trong nước thải. Dùng Na2S2O3 chuẩn lượng I2 giải phóng ra với chỉ thị hồ tinh bột, từ đó xác định được lượng oxy hòa tan. Mn4+ + I2 + Na2S2 O3 Chỉ thị tinh bột Na2S4O6 + 2 NaI * Hóa chất: - Dung dịch đệm photphat: Hòa tan 8,5 g KH2PO4; 21,75g K2HPO4; 33,4 g Na2HPO4. 7H2O và 1,7g NH4Cl trong khoảng 500 ml nươc cất rồi định mức đến 1 lit. Dung dịch có pH = 7. - Dung dịch MgSO4: Hòa tan 22,5 g MgSO4.7H2O trong nước, định mức đến một lít. - Dung dịch CaCl2: Hòa tan 27,5 g CaCl2 trong nước, định mức một đến một lít. - Dung dịch FeCl3: Hòa tan 0,25 g FeCl3. 6H2O trong nước, định mức đến 1 lít. - Dung dịch MnSO4: Hòa tan 480 g MnSO4.4H2O trong nước cất, lọc và định mức tới 1 lít. - Dung dịch I- trong kiềm: Hòa tan 700 g KOH và 150 g KI trong nước cất và định mức tới 1 lít. Thêm vào dung dịch này 10 g NaN3 đã hòa tan trong 40 ml nước cất. - Dung dịch hồ tinh bột 1%: Hòa tan 1 g tinh bột trong 100 ml nươc cất, thêm vài giọt Focmaldehyt để bảo quản. - Dung dịch Na2S2O3 0,025 N: Hòa tan 6,205 g Na2S2O3.5H2O trong nứơc cất mới sôi rồi làm lạnh bằng nước cất, thêm nước đến một lít (Bổ sung 0,4 g NaOH/ lít để bảo quản). - H2SO4 đặc. b. Cách tiến hành: Cho mẫu nước thải vào đầy bình BOD tối mầu có dung tích 100 – 150 ml, đậy nút cho tràn nước để tránh tạo bọt khí. Bổ sung vào bình 1 ml dung dịch MnSO4 và 1 ml dung dịch I-. Đậy nút và dốc ngược chai 15 lần để trộn đều dung dịch. Để lắng vài giây để tạo kết tủa. Thêm cẩn thận 1 ml H2SO4 đặc (cho chảy theo thành bình), rồi đậy nút lại và dốc ngược chai vài lần đến khi kết tủa hòa tan hoàn toàn. Chuẩn độ lượng I2 bằng dung dịch Na2S2O3 0,025 N đến mầu vàng rơm, thêm vài giọt hồ tinh bột và tiếp tục đinh phân đến khi dung dịch mất mầu xanh và trở nên trắng ngà. c. Tính toán kết quả: DO (mg/l) = (ml x N) của Na2S2O3 x 8 x 1000 V1 – V2 N: nồng độ đương lượng của Na2S2O3. V1: Thể tích chai chứa mẫu BOD (ml). V2: Lượng chất phản ứng bổ sung vào bình chuẩn BOD (ml). 8: Đượng lượng gam oxy (= 16/2) 2.3 Xác định nhu cầu oxy sinh học BOD5 [8, 13] a. Cách tiến hành Pha loãng mẫu nước: Nước thải của nhà máy bia có hàm lượng chất hữu cơ cao nên tỷ lệ pha loãng thích hợp nhất là 1 ml mẫu/ 300 ml nước pha loãng. Nước pha được chuẩn bị ở chai to, rộng miệng bằng cách thổi không khí sạch ở 200C vào nước cất và lắc nhiều lần cho đến khi bão hoà oxy sau đó thêm 1 ml dung dich đệm photphat, 1 ml dung dịch MgSO4, 1 ml dung dịch CaCl2 và 1 ml dung dịch FeCl3, định mức đến 1 lít bằng nước cất. Trung hòa mẫu phân tích đến pH = 7 bằng H2SO4 1N hay bằng NaOH 1N. Cho mẫu đã pha loãng vào 2 chai tối mầu có dung tích 100 – 150 ml để xác định BOD5. Đậy kín nút chai. 1 chai dùng để ủ 5 ngày ở nơi tối tại nhiệt độ 200C. 1 chai dùng để xác định DO ban đầu. Xác định DO sau 5 ngày nuôi (nếu cần kết quả nhanh có thể ủ ở 300C trong vòng 3 ngày gọi là chỉ số BOD3 do 2 chỉ số này có giá trị gần tương đương). b. Tính toán kết quả BOD5 (mg/l) = D1 – D2 P D1: Lượng oxy hòa tan của dung dịch mẫu đã pha loãng sau 15 phút (mg/l). D2: Lượng oxy hòa tan trong mẫu sau 5 ngày ủ ở 200C. P: hệ số pha loãng. P = Thể tích mẫu đem pha loãng Thể tích mẫu đem pha loãng + Thể tích nước pha loãng 2.4 Xác định nhu cầu oxy hóa học COD [8, 13] a. Nguyên tắc của phương pháp: là xác định lượng oxy cần thiết cho các quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ trong nước thành CO2 và H2O. Để xác định COD người ta thường sử dụng chất oxy hóa mạnh Kalibicromat (K2Cr2O7) trong môi trường axit (đun hồi lưu trong 2 giờ). Khi đó xẩy ra phản ứng: Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + H+ Ag2SO4 to CO2 + H2O + 2Cr3+ + 2K+ Lượng Cr2O72- dư được chuẩn độ bằng dung dịch muối Morh Fe(NH4)2(SO4)2 với chỉ thị là N phenyl antalic axit. Cr2O72- + Fe2+ + H+ Cr3+ + Fe3+ + H2O Chỉ thị chuyển từ mầu nâu đỏ sang mầu xanh lam. + Hóa chất: - Dung dịch K2Cr2O7 0,25 N: Hòa tan 12,259g K2Cr2O7 đã sấy khô 2 giờ ở 103o C, trong nước cất và thêm nước đến 1 lít. - Dung dịch H2SO4 + Ag2SO4: Hoà tan 2g Ag2SO4 vào 500 ml H2SO4 đặc, lắc để tan 1 ngày mới dùng. - Chỉ thị N phenyl antalic axit, cần 0.25g pha trong 12 ml dung dịch NaOH 0,1N sau đó pha loãng nước đến 250 ml. - Ag2SO4 tinh khiết, HgSO4 tinh khiết để phân tích. - Dung dịch muối Mohr: Hòa tan 39g Fe(NH4)2(SO4)2 tinh khiết để phân tích trong nước cất, thêm 20 ml H2SO4 đặc, để nguội rồi định mức đến1 lít (chuẩn lại dung dịchbằng dung dịch K2Cr2O7 chuẩn trước khi dùng). b. Cách tiến hành: Lấy 10 ml nước thải hoặc 10 ml nước cất làm mẫu đối chứng cho vào bình tam giác chịu nhiệt có dung tích 250 ml. Bổ sung 1 ít HgSO4 và vài hạt thủy tinh, thêm 2 ml dung dịch H2SO4 có xúc tác Ag2SO4 vừa lắc vừa làm lạnh. Sau đó cho tiếp 5 ml dung dịch K2Cr2O7 0,025 N vào và lắc đều. Lắp bình vào ống sinh hàn ngược, mở nước làm lạnh, sau đó cho tiếp 13 ml H2SO4 có xúc tác Ag2SO4 qua đầu kia của ống sinh hàn. Chú ý vừa bổ sung axit vừa lắc đều để tránh hiện tượng đốt nóng cục bộ đáy bình và làm bắn chất phản ứng ra ngoài. Đậy sinh hàn bằng một cốc nhỏ. Đun hồi lưu trong 2 giờ. Để nguội và rửa sinh hàn hồi lưu bằng nước cất. Tháo bình khỏi sinh hàn và pha loãng bằng nước cất đến thể tích bằng 2 lần thể tích chất phản ứng trong bình, làm lạnh đến nhiệt độ phòng. Chuẩn lượng bicromat dư bằng muối Mohr, thêm 2 – 3 giọt chỉ thị N phenyl antalic axit, dung dịch chuyển từ mầu nâu đỏ sang mầu xanh lam. Tiến hành xác định đồng thời mầu trắng, thay lượng mẫu bằng nước cất. c. Tính toán kết quả: COD(mg/l) = (A - B). N.8000 V A: Số ml dung dịch Mohr dùng để chuẩn độ mẫu trắng B: số ml dung dịch Mohr dùng để chuẩn mẫu phân tích N: Nồng độ đương lượng của dung dịch muối Mohr V: Thể tích mãu đem phân tích (ml) Nồng độ thật của dung dịch muối Mohr được tính theo công thức: N = Lượng dung dịch K2Cr2O7 x 0.25 Lượng dung dịch Mohr tiêu tốn (ml) 2.5 Xác định hàm lượng Nitơ tổng số [8, 14] * Hoá chất: - H2SO4 đặc, CuSO4, K2SO4, H2SO4 0,1N, H2SO4 0,02N. - NaOH 40%, H3BO3 3%, HCl loãng, H2 O2 30%. - Chỉ thị Taxiro: hỗn hợp (2:1) của dung dịch metyl đỏ 0,1% trong rượu và metylen xanh 0,1% trong rượu etylic a. Phương pháp tiến hành: + Phá mẫu theo phương pháp Kendal: Hút 10 ml mẫu cho vào bình Kendal. Chú ý để mẫu vật không dính bám lên thành cổ bình. Cho tiếp vào bình Kendal 5 ml H2SO4 đặc. Thêm 0,5g hỗn hợp xúc tác CuSO4 và K2SO4 (1:3), lắc đều. Đậy bình bằng một chiếc phễu nhỏ rồi đặt lên bếp đun. Đun nhẹ 15 phút sau đó mới đun mạnh đến sôi. Khi dung dịch có mẫu xanh nhạt trong suốt thì đun tiếp 15 phút nữa. Lấy ra để nguội, chuyển toàn bộ dung dịch vào bình định mức 100 ml, dùng nước cất tráng bình đốt và lên thể tích đến vạch địnhmức. Nitơ trong nước thải được chuyển về dạng amonisunphat (NH4)2 SO4. Để xác định Nitơ ở dạng này ta dùng phương pháp chuẩn độ. + Cất và chuẩn độ xác định ammoniac: Dùng kiềm đặc NaOH 40% cho vào bình cất có chứa dung dịch sau khi phá mẫu, khi đó xẩy ra phản ứng: (NH4)2SO4 + 2NaOH 2 NH3 + H2O + Na2SO4 Dùng axit boric 3% để hấp phụ NH3, sử dụng chỉ thị màu taxiro: NH3 + H3BO3 (NH4)3BO3 Dùng dung dịch axit H2SO4 0,02 N để chuẩn lại lượng sản phẩm tạo thành. (NH4)3BO3 + H2SO4 H3BO3 + (NH4)2SO4 b. Tính toán kết quả: NTS = (a - b). 0,28. 100 (g/ l) m.V a: Số ml H2SO4 0,02 N dùng để chuẩn độ mẫu phân tích. b: Số ml H2SO4 0,02 N dùng để chuẩn độ mẫu trắng. 0,28: Số mg Nitơ ứng với 1 ml H2SO4 0,02N. m: Số ml mẫu đem đi phá mẫu. V: Số ml mẫu lấy để phân tích từ bình định mức 100 ml. 100: Thể tích bình định mức. 2.6. Xác định hàm lượng Photpho tổng số [3] * Hoá chất: - Dung dịch H2SO4 30%: Hoà tan 300 ml H2SO4 đặc vào khoảng 600 ml nước cất và định mức thành 1 lít với nước cất. - Dung dịch K2S2O8: Hoà tan 5g K2S2O8 vào trong 100 ml nước cất - Dung dịch Vanadat – Molipdat + Dung dịch A: Hoà tan 25g amoni molipdat, (NH4)6Mo7O24.4H2O trong 400 ml nước cất. + Dung dịch B: Hoà tan 1,25g amoni vanadat, NH4VO3 trong 300 ml nước cất, đun sôi, để nguội rồi thêm 330 ml HCl đặc. Làm mát dung dịch B đến nhiết độ phòng rồi đổ dung dịch A vào dung dịch B, định mức thành 1 lít với nước cất. - Dung dịch photphat chuẩn 50 mg P – PO43-/l: Hoà tan 219,5mg KH2PO4 trong 1 lít nước cất. * Cách tiến hành: - Dựng đường chuẩn: từ dung dịch photphat 50mg P – PO43-/l pha ra các nồng độ 0,5; 1; 2; 3; 4; 30 mg/l trong thể tích 25 ml, thêm 10 ml dung dịch vanadat – molipdat, so mầu với mầu trắng (mẫu không có phôtphat ) ở bước sóng 410nm ta được bảng số liệu biểu thị quan hệ giữa nồng độ và mật độ quang. Lập đường chuẩn từ bảng số liệu thu được. - Lấy 50 ml mẫu, thêm 0,5 ml dung dịch axit H2SO4 30% và 5 ml dung dịch K2S2O8. Đun sôi nhẹ, ít nhất 90 phút, cho thêm nước cất vào để giữ được 25 – 50 ml mẫu. Để nguội, định mức thành 50 ml. - Xác định photphat trong mẫu nước: Lấy 25 ml mẫu, thêm 10 ml dung dịch vanadat – molipdat, so mầu với mầu trắng ở bước sóng 410nm. Chú ý: Nếu sau khi phá mẫu mà dung dịch có màu thì phải dùng than hoạt tính hấp thụ mầu rồi mới phân tích PO43-. 2.8 Xác định chất rắn tổng số (TS) [13] Tổng lượng rắn là chất rắn còn lại trong bình sau khi sẫy mẫu trong tủ sấy. Tổng lượng chất rắn bao gồm: Chất rắn huyền phù và chất rắn hoà tan. a. Cách tiến hành + Chuẩn bị bát sứ: Sấy bát sử ở 103 – 1050 C trong 1 giờ. Giữ bát trong bình hút ẩm trước khi dùng, cân ngay trước khi sử dụng. + Chuẩn bị mẫu: Chọn thể tích mẫu thích hợp để lượng cặn còn lại khoảng 2,5- 200 mg. Cho lượng mẫu thích hợp vào bát sứ, sấy khô trong tủ sấy đến khối lượng không đổi sau đó đem cân. b. Tính toán kết quả: TS (mg/l) = ( a – b ).1000 V a: Khối lượng cặn và bát sứ sau khi sấy (mg). b: Khối lượng bát sứ (mg). V: Thể tích mẫu phân tích (ml). 2.9 Xác định chất rắn huyền phù (SS) [13] Mẫu được trộn đều đem lọc qua giấy lọc đã biết trước khối lượng. Cặn còn lại trên giấy được sấy khô đến khối lượng không đổi ở 103 – 1500C. a. Cách tiến hành Đặt giấy lọc đã biêt khối lượng vào phễu sứ, chọn thể tích mẫu để lượng cặn còn lại không nhỏ hơn 2,5mg. Nhỏ vài giọt nước để giấy lọc dính sát phễu, sau đó lọc lượng mẫu đã trộn đều qua giấy lọc. Rửa căn bằng nươc cất và tiếp tục hút chân không. Tách giấy lọc khỏi phễu đem đi sấy tới khối lượng không đổi ở nhiệt độ 103 – 1500 C sau đó đem đi cân. b. Tính toán kết quả SS (mg/l) = ( a - b).1000 V a: Khối lượng cặn và giấy lọc sau khi sấy (mg). b: Khối lượng giấy lọc (mg). V: Thể tích mẫu (ml). 2.10 Xác định chất rắn bay hơi (MLSS) [13] Bùn lắng đem sấy khô ở 1050C đến khối lượng không đổi ta được MLSS, tiếp tục nung ở 600 + 500C ta được lượng tro MLSS. Tính toán kết quả: Bùn hoạt tính không tro: MLSS = TS105oC – TS600oC 2.11 Tạo bùn hoạt tính + Phương pháp tiến hành: Dựa vào tỷ lệ BOD5: N: P của mẫu nước thải đã xác định được, ta tiến hành bổ sung bằng hoá chất (rỉ đường để tăng BOD5 ; (NH4)2SO4; KH2PO4 để tăng P, N) để cân đối sao cho tỷ lệ BOD5: N: P đạt 100:5:1. Tiến hành sục khí (khoảng 1/2 lít) trong 24 giờ với hỗn hợp nước thải trên cùng với bùn làm giống lấy ở bể xử lý của xí nghiệp bia, trong điều kiện nhiệt độ phòng 250C– 300C. Ta thu được hỗn hợp dung dịch mầu vàng nhạt. Dung dịch này được sử dụng làm bùn giống. 2.12 Xác định nồng độ bùn [13] Lấy một lượng xác định (ml) bùn hoạt tính cho vào bát sứ rồi xác định theo phương pháp xác định chất rắn bay hơi (đã trình bầy ở trên). Đơn vị của nồng độ bùn hoạt tính lấy theo mg/l. Đây là thông số quan trọng trong xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính. 2.13. Xác định chỉ số thể tích của bùn hoạt tính [13] Chỉ số thể tích bùn SVI được định nghĩa là thể tích tính bằng ml của 1 gam bùn khô hoạt tính lắng được trong 30 phút và được tính như sau: Cho 1000 ml hỗn hợp SVI (ml/g) = V x 1000 MLSS SVI: Chỉ số thể tích bùn hoạt tính. V: Thể tích chất rắn lắng được trong ống đong 1 lít trong 30 phút. MLSS: Hàm lượng chất rắn (mg/l) của hỗn hợp lỏng - chất rắn huyền phù trong aeroten. 1000: Hệ số quy đổi mg ra gam. Giá trị SVI đánh giá khả năng kết lắng bùn hoạt tính. Giá trị điển hình của SVI đối với hệ thống bùn hoạt tính làm việc với nồng độ MLSS từ 2000 á 3500 mg/l thường nằm trong khoảng 80 á 150 mg/l. phần 3. Kết quả và thảo luận 1. Đánh giá chất lượng nước thải của Công ty bia Liên hợp thực phẩm Sản xuất bia là công nghệ phức tạp có nhiều công đoạn kế tiếp nhau, lượng nước sử dụng cho từng công đoạn cũng khác nhau do đó lưu lượng của dòng thải và tính chất của dòng thải biến đổi theo các giai đoạn. Mặt khác, sản xuất bia ở các tỉnh phía bắc phụ thuộc vao mùa vụ (tập trung chủ yếu vào mùa hè) nên lưu lượng thải cũng thay đổi theo thời gian. Các mẫu phân tích được lấy ở các thời điểm sau: _ Mẫu 1: 05/03/2003 _ Mẫu 2: 05/04/2003 _ Mẫu 3: 05/05/2003 Các chỉ tiêu phân tích mức độ ô nhiễm nước thải của Công ty bia Liên hợp thực phẩm thể hiện qua các lần lấy mẫu được trình bày ở bảng1. Bảng 1: Các chỉ tiêu nước thải của Công ty bia Liên hợp thưc phẩm. Mẫu COD mg/l BOD5 (mg/l) SS (mg/l) TS (mg/l) NTS (mg/l) PTS (mg/l) pH Mẫu 1 Lần 1 453 297 75 125 95 25 6,03 Lần 2 472 300 83 123 102 22 6,05 Lần 3 420 259 80 115 125 29 6,04 TB 448,3 285,3 79,3 121 107,3 25,3 6,04 Mẫu 2 Lần1 1225 857 102 224 157 35 6,13 Lần 2 1197 855 123 198 135 42 6,15 Lần 3 1232 827 116 235 172 33 6,16 TB 1218 846,3 113,7 219 154,7 36,7 6,15 Mẫu 3 Lần 1 1786 1295 225 397 232 57 5,85 Lần 2 1815 1262 237 420 217 55 5,87 Lần 3 1820 1285 232 400 205 58 5,87 TB 1807 1280,7 231,3 405,6 218 56,7 5,86 Trung bình 1157,8 804,1 141,4 248,5 160 39,6 6,02 Bảng 2: Số lượng vi sinh vật trong nước thải của Công ty bia Liên hợp thực phẩm. Nhóm vi sinh vật Số lượng vi sinh vật (CFU/ml) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Vi khuẩn 12.105 17.105 25.105 Nấm men 2.105 2.105 3.104 Nấm mốc 1.102 2.102 7.102 Nhận xét: Từ kết quả ở bảng 3 cho thấy nước thải của Công ty bia Liên hợp thực phẩm thường biến động, có độ nhiễm bẩn các chất hữu cơ cao, COD, BOD5 hầu như đều vượt quá so với chỉ tiêu cho phép. Tại giá trị trung bình của 3 thời điểm lấy mẫu: COD= 1157,8 mg/l; BOD5= 804,1 mg/l ta thấy nước thải này thuộc loại ô nhiễm trung bình, có thể xử lý bằng aeroten. 2. Xác định khả năng gây độc của nước thải đối với vi sinh vật Dựa vào khả năng sinh trưởng của vi sinh vật với giống thuần chủng trong môi trường nước thải, ta có thể đưa ra kết luận nước thải đó có độc tính đối với vi sinh vật hay không. Nếu trong nước thải có độc tính thì vi sinh vật bổ sung vào sẽ không phát triển được. Sự phát triển của vi sinh vật được đánh giá bằng cách đo OD với kính lọc màu đỏ bước sóng 620nm. Trong thí nghiệm này, chủng vi sinh vật được sử dụng là giống Bacillus subtilis thuần chủng nuôi trên môi trường nước thải bia, nhiệt độ phòng (25- 300C, cấp khí liên tục. Thí nghiệm được thực hiện trên 2 loại môi trường sau: MT1: Môi trường nước thải + Bacillus subtilis thuần chủng. MT2: Môi trường MPA lỏng + Bacillus subtilis thuần chủng. Bảng3: Khả năng sinh trưởng của vi sinh vật trên các môi trường. Thời gian (h) Khả năng sinh trưởng của vi sinh vật (OD620) MT1 MT2 0 0,202 0,212 2 0,275 0,323 4 0,476 0,629 6 0,692 0,943 8 0,866 1,157 10 0,977 1,099 12 0,812 0,997 14 0,702 0,912 Hình 1: Khả năng sinh trưởng của vi sinh vật trên các môi trường. Từ số liệu ở bảng 3 và đồ thị tương ứng ở hình 1 miêu tả khả năng sinh trưởng của vi sinh vật trong các môi trường ta có nhận xét như sau: Đối với cả 2 môi trường, vi sinh vật đều hoạt động tốt. Môi trường nước thải có cấy chủng Bacillus subtilis phát triển kém hơn một chút so với môi trường MPA lỏng. Môi trường MPA lỏng có OD cao nhất đạt được sau 8 giờ, còn môi trường nước thải có OD cao nhất đạt được sau 10giờ. Kết luận : nước thải của Công ty Bia Liên hợp Thực phẩm không có độc tính đối với vi sinh vật. 3. Xử lý nước thải bằng aeroten 3.1. Mô hình chung của bể aeroten Bể aeroten được dùng phổ biến trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí với bùn hoạt tính lơ lửng. Không khí được cấp dưới dạng khí nén và khuấy trộn bằng tuốc bin. Nước thải ra Xử lý bùn Lắng cặn Bể aeroten sục khí Lắng bùn Xả cặn Xả bùn Nước thải vào Tuần hoàn bùn hoạt tính Hình 2. Mô hình chung ủa bể aeroten Mô tả quy trình: Nước thải sau khi qua bể lắng 1 có chứa các chất hữu cơ hoà tan và các chất lơ lửng đóng vai trò các hạt nhân để các vi khuẩn bám vào, sinh sản, phát triển dần lên thành các bông cặn màu nâu sẫm gọi là bùn hoạt tính (bùn hoạt tính cũng là nơi cư trú của vô số các vi khuẩn và víinh vật sống khác). Do được cấp khí các bông bùn luôn luôn ở trạng thái lơ lửng trong hệ thống aeroten, làm tăng khả năng tiếp xúc với các chất bẩn đồng thời tăng khả năng làm sạch nước thải. Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể aeroten của lượng nước thải đi vào bể không đủ để làm giảm nhanh các chất hữu cơ do đó phải sử dụng bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy bể lắng 2 bằng cách tuần hoàn bùn để duy trì nồng độ bùn trong bể đạt 2500- 3000 mg/l. Bùn dư được xả ra khu xử lý bùn. * Điều kiện xử lý: - Bể aeroten 20 lít xử lý theo mẻ. - Cấp khí hoàn chỉnh cho bể bằng máy sục khí. - Nhiệt độ duy trì trong khoảng 25- 300C (nhiệt độ phòng). - Tiến hành thí nghiệm với nước thải vào có COD = 1157 mg/l, BOD5 = 804 mg/l. 3.2. Xử lý nước thải bia theo mô hình phòng thí nghiệm Chúng tôi tiến hành với 3 đợt thí nghiệm sau. a. Thí nghiệm 1 Bảng 4: Kết quả quá trình xử lý nước thải bia ở thí nghiệm 1. Chỉ tiêu Mẻ xử lý Kết quả theo thời gian (h) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 COD (mg/l) 1 1157 1083 993 810 696 566 388 267 196 2 1157 1048 896 630 420 288 193 142 125 3 1157 993 769 564 319 189 131 103 72 4 1157 995 765 572 321 190 131 102 70 BOD5 (mg/l) 1 804 737 675 567 487 396 272 187 120 2 804 702 611 422 277 186 120 98 75 3 804 677 523 400 225 120 87 72 52 4 804 665 520 395 223 118 85 70 50 Cảm quan (Mùi, độ đục) 1 Thối, đục - Thối ít - Hơi thối - Ko mùi - Hơi đục 2 Thối, đục - Thối ít - - Ko mùi - - - 3 Thối, đục - Thối ít - Ko mùi - - - Trong 4 Thối, đục - Thối ít - Ko mùi - - - Trong Nước thải đưa vào bể aeroten có sục khí tích cực được tiến hành với 4 mẻ như sau: Mẻ 1: Nước thải được đưa vào sục khí, bùn hoạt tính được tạo thành sau 16 giờ xử lý. Mẻ 2: Nước thải + lượng bùn tạo thành từ mẻ 1. Mẻ 3: Nước thải + lượng bùn được tạo thành từ mẻ 2. Mẻ 4: Nước thải + lượng bùn được tạo thành từ mẻ 3. Kết quả thu được sau 16 giờ xử lý được trình bày ở bảng 4. Nhận xét: Từ kết quả ở bảng 4 cho thấy các thông số COD, BOD5 ở mẻ 3 và mẻ 4 mới bắt đầu ổn định.Mẫu nước thải có bổ sung thêm bùn từ mẻ trước thì khả năng xử lý tốt hơn. ta có một số đánh giá theo BOD5 (TCVN 5945- 1995) như sau: Mẻ 1 có khả năng xử lý kém nhất sau 16 giờ xử lý, nước ra chưa đạt tiêu chuẩn loại C. Mẻ 2 sau 14 giờ xử lý đạt tiêu chuẩn loại C, sau 16 giờ xử lý chưa đạt tiêu chuẩn loại B. Mẻ 3 và 4 sau 12 giờ xử lý đạt tiêu chuẩn loại C, sau 16 giờ xử lý đạt tiêu chuẩn loại B. b. Thí nghiệm 2 Bảng 5. Kết quả xử lý nước thải bia ở thí nghiệm 2 Chỉ tiêu Mẻ xử lý Kết quả theo thời gian (h) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 COD (mg/l) 1 1157 995 767 675 321 175 121 100 70 2 1157 995 767 676 320 175 120 100 70 BOD5 (mg/l) 1 804 675 523 395 223 120 85 72 50 2 804 675 525 396 225 120 85 70 50 Cảm quan (mùi, độ đục) 1 Thối, đục - Thối ít, - Ko mùi - - - Trong 2 Thối, đục - Thối ít - Ko mùi - - - Trong Dùng bùn từ mẻ 4 ở thí nghiệm 1 làm bùn giống. ở thí nghiệm 2 ta nghiên cứu 2 mẻ, bổ sung lượng bùn bằng nhau. Kết quả thể hiện ở bảng 5. Từ kết quả ở bảng 5 ta có nhận xét như sau: Kết quả xử lý ở mẻ 1 = mẻ 2, như vậy nếu ta bổ sung bùn làm giống ban đầu thì kết quả xử lý ở các mẻ sẽ ổn định. c. Thí nghiệm 3 Dùng bùn ở mẻ 4 của thí nghiệm 1 đem hoạt hoá lại để sử dụng cho thí nghiệm 3. Kết quả xử lý thể hiện ở bảng 6. Bảng 6. . Kết quả xử lý nước thải bia ở thí nghiệm 3 Chỉ tiêu Kết quả theo thời gian (h) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 COD 1157 974 663 326 123 75 38 54 65 BOD5 804 672 457 225 85 52 26 37 45 Cảm quan (mùi, độ đục) Thối, đục - - Ko mùi - Trong - - - Từ kết quả ở bảng 6 ta có một số đánh giá theo BOD5 (TCVN 5945- 1995) như sau:Nước thải bổ sung bùn hoạt tính đã hoạt hoá có khả năng xử lý rất tốt, chỉ sau 10 giờ xử lý nước ra đã đạt loại B, sau 12 giờ xử lý gần đạt tiêu chuẩn loại A. Từ 3 thí nghiệm trên ta có kết luận: để xử lý nước thải bia đạt hiệu quả tốt thì phải tạo bùn hoạt tính. Sau khi làm việc và bùn hoạt tính được hoạt hoá dùng để bổ sung vào aeroten thì quá trình xử lý được ổn định, đạt hiệu quả tốt, có thể rút ngắn thời gian và BOD5 có thể đạt loại B. 3.3. Tạo bùn hoạt tính từ bùn và nước thải Bùn hoạt tính là tổ hợp các chủng vi sinh vật đã được hoạt hoá dùng để xử lý nước thải. Quá trình hoạt hoá vi sinh vật có hai mục đích: - Tăng số lượng vi sinh vật trong bùn. - Làm cho vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải để cho chúng có khả năng sử dụng mạnh các chất hữu cơ có trong nước thải. Bùn tạo thành ở mẻ 4 của thí nghiệm 1 được hoạt hoá trên môi trường tạo bùn. Bùn tạo thành được xác định số lượng vi khuẩn hiếu khí và nấm mốc. Kết quả được trình bày ở bảng 7. Bảng 7. Số lượng vi sinh vật trong bùn trước và sau khi hoạt hoá Nhóm vi sinh vật Số lượng vi sinh vật (CFU/ml) Bùn trước hoạt hoá Bùn sau hoạt hoá Vi khuẩn 9.107 12.1011 Nấm mốc 2.103 5.104 Kết quả ở bảng 7 cho thấy số lượng vi sinh vật trong bùn sau khi đã hoạt hoá tăng lên rất nhiều so với mẫu bùn và nước thải. Mẫu bùn này được sử dụng để xử lý nước thải. Thử hoạt tính enzim (amylaza, proteaza ) trên môi trường có cơ chất cảm ứng (tinh bột, protein) ta thấy vòng phân giải của bùn hoạt tính hoạt hoá là khá mạnh. 3.4. ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính lên quá trình xử lý nước thải bia Trong xử lý nước thải bùn hoạt tính đóng vai trò là tác nhân oxy hóa các chất hữu cơ, thực chất là các vi sinh vật trong bùn hoạt tính giữ vai trò này. ảnh hưởng của nồng độ bùn lên quá trình xử lý cũng tương tự như ảnh hưởng của tỷ lệ giống trong quá trình lên men. Về nguyên lý lượng bùn càng lớn thì khả năng xử lý càng cao. Tuy nhiên, xét về mặt kinh tế thì lại không hoàn toàn như vậy. Trong xử lý nước thải với cùng một dung tích bể xử lý với lượng bùn thì lượng nước thải sẽ giảm và như vậy tải trọng của bể xử lý sẽ giảm. Như vậy lượng bùn trong xử lý được chọn tối ưu sao cho vừa có khả năng xử lý tốt vừa không làm giảm nhiều đến lượng nước thải đưa vào xử lý. Kết quả xử lý nước thải với các nồng độ bùn hoạt tính đã hoạt hoá khác nhau được trình bày ở bảng 8. Bảng 8: ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính lên quá trình xử lý (Thời gian 6 giờ, không khí 1:1:1, BOD5 ban đầu 804 mg/l) Lượng nước thải (ml) Lượng bùn ướt (ml) Trọng lượng bùn khô (g/l) BOD5 (mg/l) Giảm BOD5 so với ban đầu (%) 245 5 0,232 346 57 240 10 0,464 257 68 230 20 0,928 160 80 220 30 1,392 160 80 Từ kết quả ở bảng 8, với lượng bùn thấp 5ml/250ml thì BOD5 giảm chậm hơn nhiều so với các mẫu xử lý với lượng bùn cao hơn 20- 30ml/250ml. ở nồng độ bùn 30ml/250ml thì BOD5 giảm tốt hơn so với ở nồng độ bùn 10- 20ml/250ml. Xử lý nước thải ở nồng độ bùn 30ml/250ml BOD5 không giảm hơn so với ở lượng bùn 20ml/250ml. Do đó, xét về mặt kinh tế thì sử dụng lượng bùn với tỷ lệ 20ml/250ml (lượng bùn tạo thành là 2,5g bùn ướt / lít) cho hiệu quả tốt hơn. Chỉ tiêu này có ý nghĩa rất lớn trong khi thiết kế hệ thống xử lý cũng như trong quá trình vận hành bể xử lý ở các cơ sở sản xuất. 3.5. Xác định mức độ cấp khí cho quá trình xử lý Trong quá trình xử lý nước thải ở các bể aeroten, lượng khí nén cung cấp vào có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xử lý. Khi lượng oxy cấp vào thấp, trao đổi chất yếu dẫn đến quá trình xử lý kéo dài. Khi nồng độ oxy quá cao, một mặt sẽ không kinh tế vì tốn năng lượng, một mặt vượt quá giới hạn cho phép sẽ ức chế một số loại vi sinh vật cũng làm chậm quá trình xử lý. Để xác định lượng oxy tiêu thụ trong quá trình xử lý, trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp xác định lượng oxy hoà tan tiêu tốn trong một đơn vị thời gian bằng chỉ số sulphit. Kết quả xử lý với các tỷ lệ thông khí khác nhau được trình bày ở bảng 9. Bảng 9: ảnh hưởng của chế độ thông khí lên quá trình xử lý nước thải. Chế độ thông khí Lượng oxy cấp vào (mg/l.ph) BOD5 (mg/l) (theo thời gian xử lý) 0h 10h 16h 2:1:1 40 804 26 52 1:1:1 16 804 52 72 0,5:1:1 6 804 75 28 Nhìn vào kết quả ở bảng 9 ta thấy với tỷ lệ thông khí từ 1-2 lít không khí trên một lít nước trong một phút cho kết quả xử lý tốt, sau 10 giờ xử lý BOD5 (TCVN 5945- 1995) đạt tiêu chuẩn loại B. Kéo dài thời gian xử lý BOD5 hơi tăng trở lại do nguồn dinh dưỡng trong môi trường hết, vi sinh vật chuyển sang pha suy vong, chất hữu cơ của tế bào vi sinh vật chết tan vào môi trường làm cho BOD tăng. Ngoài ra, vào thời gian này các hợp chất nitơ được vi khuẩn amon hoá chuyển từ các axit amin đến NH3 và nitrat hoá chuyển từ amoni sang nitrat, cả hai giai đoạn này đều cần oxy của không khí. Còn ở tỷ lệ thông khí (0,5:1:1) quá trình xử lý kéo dài hơn. BOD5 đạt tiêu chuẩn loại B sau 16 giờ xử lý. Xét về mặt kinh tế thì ở chế độ thông khí 1:1:1 là phù hợp với quá trình xử lý. 3.6. Động thái quá trình xử lý Trong quá trình công nghệ sử dụng vi sinh vật, động thái sinh trưởng và phát triển luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Từ đồ thị động thái người ta xác định được chính xác thời điểm kết thúc của quá trình sao cho có lợi nhất. Đối với xử lý nước thải, nghiên cứu động thái của quá trình giúp ta xác định được thời gian xử lý thích hợp để thu hiệu quả xử lý cao và chi phí thấp. Động thái quá trình xử lý nước thải nhà máy bia với BOD ban đầu khác nhau được trình bày ở bảng 10. Bảng 10. Động thái quá trình xử lý nước thải nhà máy bia Thời gian xử lý (h) BOD5 (mg/l) Nước thải nguyên Nước thải pha loãng 0 804 450 3 573 295 6 326 183 8 85 72 10 50 46 12 26 17 16 63 48 24 48 32 Hình 3. Động thái xử lý nước thải bia vơi các BOD ban đầu khác nhau. Qua kết quả ở bảng 10 ta thấy ở các BOD khác nhau nhưng thời gian giảm BOD đến mức thấp nhất là 12 giờ, sau đó lại tăng lên và tiếp tục giảm xuống, nhưng vẫn cao hơn ở thời điểm 12 giờ. Vậy ở thời điểm 12 giờ là thời gian tốt nhất để kết thúc quá trình xử lý. Hiệu suất xử lý của quá trình là 96,76%. 4. Thiết kế mô hình xử lý nước thải cho nhà máy bia quy mô nhỏ bằng bể aeroten Từ các kết quả nghiên cứu trên chúng tôi đề xuất quy trình xử lý chung cho nước thải nhà máy bia quy mô nhỏ bằng bể Aeroten. Nước ra Hoạt hoá bùn Xử lý bùn Xả cặn Xả bùn Nước thải 1 2 3 4 1 5 Hình 4. Mô hình xử lý nước thải cho Nhà máy bia có quy mô nhỏ bằng bể aeroten Trong đó: 1 là song chắn rác 2 là bể điều hoà và trung hoà 3 là bể lắng 1 4 là bể aeroten 5 là bể lắng 2 Bể phản ứng sinh học hiếu khí aeroten là các công trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp người ta chế tạo các aeroten bằng sắt thép, thông dụng nhất hiện nay là các aeroten hình bể khối chữ nhật. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể, và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hoà tan và tăng cường quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước. Tính toán thiết kế bể aeroten Từ các kết quả trên ta có số liệu cho tính toán: BOD5 đầu vào = 804 mg/l BOD5 đầu ra = 26 mg/l Hiệu suất của quá trình xử lý : 96,76%. Thời gian lưu của nước: q = 12 giờ Lượng bùn hoạt tính bổ sung = 8% tương đương với nồng độ bùn ướt 1g/l. Khối lượng bùn tạo thành : 3,5 g/l. Thời gian lưu của bùn : qc = 8 ngày Từ các dữ liệu trên ta tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải của cơ sở sản xuất có: Lưu lượng nước thải Q = 30 m3/ngày/đêm. Nhu cầu oxy sinh học BOD5 =1300 mg/l. a. Lưu lượng nước cần xử lý Vơi BOD5 đầu vào là 1300 mg/l, để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất là 96,76% thì BOD5 trong quá trình làm việc tối thiểu phải là 804 mg/l. Lưu lượng nước cần xử lý là: Qxl = (1300/804) x 30 = 48,5 m3 Thẻ tích bùn cần bổ sung để xử lý nước là: Qb = 8 x 48,5/100 =3,88 m3 Tổng lượng nước cần xử lý là: Qt = 48,5 + 3,88 = 52,38 m3 Lượng nước pha loãng cần bổ sung là: Qbs = 48,5 - 30 = 18,5 m3 Trong quá trình xử lý thì nước sau khi được xử lý một phần được hồi lưu lại làm nước pha loãng. b. Thể tích của bể: V (m3) Để xử lý được lượng nước thải là 52,38 m3/ngày/đêm thì bể xử lý cần có thể tích là V (m3). Từ công thức (1.7 -1): Ta có: V = Q x q = 52,38 x 12/24 = 26,19 m3 Trong quá trình xử lý thì thể tích làm việc của bể chỉ chiếm 75%, còn lại là mặt thoáng, vậy thể tích thực của bể là: Vt = V x 100/75 = 26,19 x 100/75 = 34,92 m3 c. Tính kích thước của bể aeroten Lấy chiều rộng của bể (R) là 2,5 m. Chiều cao của bể (h) là 3 m. Chiều daì của bể (l) là: l = V / (R x h) = 34,92/ (2,5 x 3) = 4,7 m d. Tính lượng bùn cần xử lý Để xử lý được 1 lít nước thì lượng bùn ướt tạo ra là : 3,5 - 1 = 2,5 g. Vậy để xử lý được lượng nước thải là 52,38 m3 thì lượng bùn ướt tạo ra là Gbùn (kg bùn ướt): Gbùn = 52,38 x 2,5 = 130,95 kg bùn ướt e. Tính lượng oxy cần thiết cho quá trình xử lý (theo công thức 1.7 – 3): (kg/ngày) Trong đó: Q = 52,38 m3 So = 804 (g/m3) S = 26 (g/m3) f = 0,69 N0 = 160 mg/l N = 30 mg/l Px = YbQ(So – S). 10-3 Kd : Hệ số phân huỷ nội bào ( ngày-1) Kd = 0,055 Y : Hệ số sinh trưởng cực đại (mg bùn hoạt tính / mg BOD5 tiêu thụ ) Y = 0,6 (kg/ngày) Lượng oxy thực tế cần thiết theo công thức 1.7 - 6 Cs = 9,08 mg/l C = 2 mg/l Nhiệt độ nước thải T = 20oC = 0,7 (kg/ngày) f. Tính lượng không khí cần thiết: Chọn hệ thống phân phối bọt khí nhỏ Ou = 7g O2/m3.m h = 3 m OU = Ou . h = 7 . 3 = 21g O2/m3 Lượng không khí cần thiết tính theo công thức: (m3/ngày) g. Kết quả công trình xây dựng thực tế - Số liệu đầu vào: Q (m3/ngày) 30 BOD5 (mg/l) 1300 Nts (mg/l) 160 Số liệu đầu ra: BOD5 (mg/l) 26 Hiệu quả xử lý (%) 96,76 Thời gian lưu của nước thải (h) 12 Thể tích bể, Vt(m3) 34,92 Lượng bùn tạo thành Gbùn (kg) 130,95 Kích thước bể aeroten (m) 2,5 x 3 x 4,7 Lượng oxy cần thiết OCt (kg/ngày) 65,084 Lượng không khí cần thiết Qkk (m3/ngày) 4648,857 Từ các kết quả tính toán ở trên, cần trang bị 3 máy thổi khí, 2 máy làm việc liên tục, 1 máy dùng để thay nghỉ định kỳ. Quá trình xử lý mới thực hiện được giảm BOD, chưa tính đến giảm hàm lượng nitơ (thể hiện bằng nitrat). Kết luận 1. Đã xác định được các chỉ tiêu hoá lý và sinh hoá của nước thải bia (COD, BOD5, SS), cho thấy nước thải bia có độ ô nhiễm cao. Nước thải bia là loại dễ phân huỷ sinh học nên xử lý bằng sinh học hiếu khí có hiệu quả cao. 2. Đã xác định được số lượng vi sinh vật ở trong nước thải và bùn để tạo bùn hoạt tính dùng để xử lý nước thải. Xác định được nồng độ bùn đưa vào xử lý đạt hiệu quả cao nhất là 8% ( Tương đương với 1 gam bùn ướt/lít). Lượng bùn tạo thành 3,5 gam/lít. 3. Xác định được mức độ cấp khí phù hợp, từ đó lập mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. 4. Từ các kết quả thu được sử dụng để tính toán hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia: thể tích của aeroten, lưu lượng nước thải cần xử lý qua aeroten/ ngày, lượng không khí cần thiết cấp cho hệ thống, chế độ làm việc của aeroten. Phụ lục Các loại môi trường nuôi cấy vi sinh vật Cao thịt 3 g Pepton 10 g NaCl 3 g Thạch 20 g Nước 1 lít pH=7 khử trùng 40 phút ở 0,8 at *CZapeck Dox (Xác định nấm mốc) NaNO3 3,5 g K2HPO4 1,5 g MgSO4 0,5 g KCl 0.5 g FeSO4 0,01 g Saccarose 30 g Thạch 10 g Nước 1 lít pH=7 khử trùng 40 phút ở 0,8 at *Hansen (Xác định nấm men) Glucoza 50 g Pepton 10 g Cao men 3 g KH2PO4 3 g MgSO4. 7H2O 3 g Thạch 15 g Nước 1 lít pH=7 khử trùng 40 phút ở 0,8 at Tài liệu tham khảo 1. Hoàng Kim Cơ, Trần Hữu Uyển, Lương Đức Phẩm, Lý Kim Bảng, Dương Đức Hồng. Kỹ thuật môi trường - Nhà xuất bản “Khoa học - Kỹ thuật”, Hà nội, 2000. 2. Lê Văn Cát. Cơ sở hoá học và kỹ thuật xử lý nước - Nhà xuất bản “Thanh Niên”, Hà nội, 1999. 3. Lê Văn Cát. Phương pháp phân tích chất lượng nước thải (Tài liệu biên soạn dựa trên phương pháp chuẩn của APHA, 1995). Viện hoá học, 1998. 4. Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty, Đặng Đức Trạch, Dương Đức Tiến. Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học. Tập 1, 2, 3 - Nhà xuất bản “Khoa học - Kỹ thuật”, Hà nội, 1992. 5. Hoàng Đình Hoà. Công nghệ sản xuất malt và bia - Nhà xuất bản “Khoa học - Kỹ thuật”, Hà nội, 2002. 6. Lê Gia Hy. Công nghệ vi sinh xử lý nước thải. Giáo trình giảng dạy cao học Viện ST & TNSV. Trung tâm KHTN & CNQG, Hà nội, 1997. 7. Lê Gia Hy, Phạm Kim Dung, Trần Văn Nhị, Trần Đình Mấn, Đào Thư. Nghiên cứu bùn hoạt tính để xử lý nước thải Phú Đô bằng biện pháp sinh học. Kỷ yếu Viện Công nghệ sinh học - Nhà xuất bản “Khoa học - Kỹ thuật”, Hà nội, 1995. 8. Lê Văn Khoa, Nguyễn Xuân Cự, Bùi Thị Ngọc Dung, Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, Cái Văn Tranh. Phương pháp phân tích Đất, Nước, Phân bón, Cây trồng - Nhà xuất bản “giáo dục”, Hà nội, 2000. 9. TS Trịnh Xuân Lai. Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải - Nhà xuất bản “Xây dựng”, Hà nội, 2000. 10. Trần Nhuệ Minh. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình xử lý nước thải sản xuất bia bằng bùn hoạt hoá , 1997. 11. Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga. Công nghệ xử lý nước thải - NXB “Khoa học - Kỹ thuật”, Hà Nội, 1999. 12. Trần Hiếu Nhuệ. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học - Đại học Xây dựng Hà nội, 1990. 13. Lương Đức Phẩm. Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học - Nhà xuất bản “Giáo dục”, Hà nội, 2002. 14. Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Xuân Sâm, Tổ Kim Anh. Thí nghiệm hoá sinh công nghiệp - Trường Đại học Bách khoa Hà nội, 1997. 15. Nguyễn Thị Sơn. Điều tra hiện trạng môi trường và nghiên cứu giảm thiểu chất thải trong sản xuất bia Hà nội CEST, 1997. 16. Đánh giá tác động môi trường của các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ ngành chế biến nông sản thực phẩm. 17. Lurie iu.iu, Rubnhicova A.I., 1974. Khimitrexk analiz proizbodxtnuwkh xtotrnuwkh vod. NXB " Khimia ". 18. OECD Guideline for Testing of Chemicals, 1981. 19. Standard methods, 1989. 17th ed. Alpha. 20. Standard methods for examination of water and waste water, 1989. 17th ed, Americal public Health Assococation. 21. Product – Ecology – Test Mothod, CIBA – GEIGY. 22. Exkenfelder W.W.Jr. and O’Connr D.J, 1996, Biological waster treatment Pergamon Press., Ltd. 23. Burton F.L (1991) Wastewater engineering treatment Disposal.