Đồ án Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc hiếu khí sử dụng xơ dừa làm giá thể kết hợp hồ thủy sinh

uyển hóa trong xử lý nước thải. Nếu như điều kiện môi trường không còn phù hợp của các loài sinh vật, hoặc số lượng các loài vi sinh vật trong hệ thống tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải. VSV của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí Các phản ứng xảy ra trong quá trình này do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động cần có oxi của không khí để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào trong nước thải. Theo Eckenfelder W.W và Conon D.J (1961) quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng: enzyme Oxi hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Các hợp chất hydratcacbon bị phân huỷ hiếu khí chủ yếu theo phương trình này. enzyme Tổng hợp xây dựng tế bào CxHyOz + O2 Tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Đây là phương trình sơ giản tóm tắt quá trình sinh tổng hợp tạo thành tế bào vi sinh vật. enzyme Tự oxi hóa chất liệu tế bào (tự phân huỷ) C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ∆H Trong ba loại phản ứng ∆H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào. Các chỉ số x, y, z tuỳ thuộc dạng chất hữu cơ chứa carbon bị oxi hóa. Đối với các hợp chất hữu cơ chứa N và S cũng có thể được theo các phương trình trên. Vi khuẩn Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si, Mg. Chúng sinh sôi và nẩy nở nhờ hình thức tự phân đôi. Vi khuẩn có thể xem là một trong những sinh vật sống nhỏ bé nhất, có đường kính 0.5 -2µm và chiều dài từ 1 -10 µm. Các vi khuẩn được phân làm ba nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn cầu, còn gọi là Cocci. Dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus. Dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong, gọi là Spirilla. Đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bông cặn dễ lắng. Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò tích cực quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không có hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành qui trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó. Pseudomonas: Phân hủy hiđratcacbon, protein, phản ứng nitrat hóa. Hình 3.5: Các loài vi khuẩn Pseudomonas Bacillus: Phân hủy hiđratcacbon, protein… Hình 3.6 : Các loài vi khuẩn Bacillus Zooglea: Oxy hóa các chất hữu cơ để chuyển hóa chất dinh dưỡng. Chúng tạo thành polysachrides và những chất polymer khác giúp cho việc tạo bông của sinh khối vi sinh vật Hình 3.7: Vi khuẩn Zooglea hình ngón tay Nấm men Nấm men là vi sinh vật sinh sản bằng phương pháp chia đôi, tạo chồi và sinh sản bằng bào tử. Nếu gặp điều kiện thuận lợi chúng sẽ phát triển và chuyển hóa rất nhanh hàm lượng đường có trong nước thải. Mặc khác, trong quá trình lên men, nấm men tạo ra các chất ức chế các vi sinh vật khác ( CO2, C2H5OH, và các chất khí khác). pH thấp hơn 6 có thể tạo điều kiện thích hợp cho nấm phát triển và tạo bùn sợi. Do đó hầu hết các loại nấm đều gây hại trong quá trình xử lý. Hình 3.8 : Nấm Geotrichum Candidum NAÁM Saccharomyces cerevisiae Aspergillus niger Hình 3.9: Một vài hình ảnh về nấm Aspergill và Saccharomyces Tảo Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ở chỗ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các hợp chất hữu cơ từ vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Tảo có thể phát triển mạnh dưới những điều kiện như pH thấp, độc chất, và chất thải thiếu nguồn nitơ. Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc.. Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic… làm cho nước có màu xanh lam. Tảo Ascilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu vàng nâu. Chrisophit làm cho nước có màu vàng nhạt. Hình 3.10: Tảo lam Một số nguyên sinh động vật (Protozoa) Động vật nguyên sinh là một tổ chức lớn nằm trong nhóm Eukaryotic, với hơn 50,000 loài đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tập hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng 4 -500 μm. Các nhóm động vật nguyên sinh chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng. Dạng thứ nhất là Mastigophara, là các động vật nguyên sinh có nhiều roi – flagella, ví dụ như Giardia lamblia. Dạng thứ hai là Ciliophora, có roi ngắn hơn hay còn gọi là lông mao – cilia, ví dụ như Stalked. Dạng thứ ba là Sarcodina, có kiểu chuyển động như amip (lướt đi trong nước, hình dạng của chúng thay đổi theo các động tác di chuyển này). Các động vật nguyên sinh ăn các chất hữu cơ để sống và thức ăn ưu thích của chúng là các vi khuẩn. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng. Amip Giardia lamblia – cá thể dinh dưỡng dạng roi Paramecium Peritrichia (chủng có mao) Holotrichate Vorticella convallaria Hình 3.11: Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải Trùng bánh xe: Có kích thước lớn hơn các loài trên (50 đến 500 mm) và có hình dạng rất phong phú. Ngoài ra, chúng còn có các loại cấu trúc phức tạp hơn nguyên sinh động vật. Hầu hết chúng đều có khả năng di động và thường bám vào các bông bùn nhờ các “chân” co rút. Hình 3.12: Lecane sp.(Rotifer) Euchlanis là rotifer bơi được, chúng sử dụng chân và tiêm mao để di động. Euchlanis được thấy trong bể lọc sinh học khi chất lượng dòng nước tốt. Nó đòi hỏi cung cấp DO thường xuyên. BOD: 0-15 mg/l. NH3: 0-10 mg/l. Hình 3.13: Euchlanis Vi sinh vật của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của VSV trong điều kiện không có oxy. Có nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình phân hủy kỵ khí. Phản ứng chung của các quá trình như sau : Chất hữu cơ lên men yếm khí > CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như sau: Methane (CH4) 55¸65% Carbon dioxide (CO2) 35¸45% Nitrogen (N2) 0¸3% Hydrogen (H2) 0¸1% Hydrogen Sulphide (H2S) 0¸1% Biogas (khí sinh học) có giá trị nhiệt cao 4500 – 6000 kcal/m3 tùy vào thành phần phần trăm methane có trong biogas. (Methane có trị nhiệt cao 9.000 kcal/m3). Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành ba giai đoạn chính như sau: Giai đoạn I Giai đoạn II Giai đoạn III Thủy phân Tạo acid acetic, H2 Sinh CH4 Thủy phân – Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrates được thủy phân thành amino acid, glucose, glycerin, acid béo (các chất hữu cơ đơn phân tử hoặc mạch ngắn). Tạo nên các acid. (Quá trình một và hai gọi chung là lên men acid): Các chất hữu cơ như đường, acid amin, acid béo được phân hủy để tạo thành các acid hữu cơ như acetic, propionic, formic, lactic, butyric…, các alcohol và ketons như ethanol, methanol, glycerol, aceton, acetat, CO2, H2. Sản phẩm chính của quá trình này là acetic acid, H2, CO2. Tạo methane (lên men methane): Vi khuẩn lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH4 để trao đổi chất và gia tăng sinh khối. Trong quá trình này không có sự hiện diện của oxy. Và cần nhiệt độ cao cho phản ứng xảy ra. Các nhóm VSV tham gia quá trình xử lý kỵ khí: Nhóm một: VK thủy phân – Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số VSV). Nhóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, cellulose, lignin, lipids) thành những đơn phân tử hòa tan như acid amin, glucose, acid béo và glycerol. Hình 3.14: Vi khuẩn The hydrolytic bacteria Nhóm hai: VK lên men acid – Fermentative acidogenic bacteria. VK ở nhóm này sẽ chuyển đường, acid amin, acid béo để tạo thành acid hữu cơ như acetic, propionic, formic, lactic, butyric, susscinic. Vi khuẩn: Clostridium spp., Peptococcus anaerobus., Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli. Nấm: Penicillium, Furasium, Mucor… Protozoa: Thảo trùng và trích trùng… Nhóm ba: VK acetic – Acetogenic bacteria. Nhóm này gồm các VK như Syntrobacter wolinii, Syntrophomonas wolfei chuyển hóa các acid béo và alcohol thành acid acetic, H2, CO2, cho nhóm VK methane sử dụng tiếp theo. Nhóm bốn: VK mêtan – Methanogens. VK mêtan chia thành 3 nhóm phụ. VK mêtan hydrogenotrophic: Ngoài tạo khí mêtan, nhóm này còn giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa acid bay hơi và alcol thành acid acetic. CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O VK metan acetotrophic: CH3COOH → CH4 + CO2 . Nhóm này còn được gọi là vi khuẩn phân giải acetat. Methylotrophic methanogens: 3CH3OH + 6H+ → 3CH4 + 3H2O 4(CH3)3 – N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Nhóm vi khuẩn mêtan rất phong phú về số lượng loài, hình dạng (hình cầu, hình que, hình phẩy, …), kiểu sinh sản, ngoài ra một số loài còn có khả năng di động bằng đuôi và lông roi cho phép chúng di chuyển trong môi trường vì vậy chúng dễ dàng tiếp xúc với cơ chất nâng cao hiệu quả xử lý trong bể xử lý. Hình 3.15: Một số dạng đuôi và lông roi ở vi khuẩn metan Bảng 3.3 Một vài vi khuẩn mêtan và cơ chất sử dụng của chúng Một vài vi khuẩn mêtan và cơ chất sử dụng của chúng Loài Cơ chất Methanobacterium formicium CO2, HCHO, H2 Methanobacterium thermoantotrophicum H2, CO2, CO Methanococcus frisius H2, CH3OH, methylamine Methanococcus mazei CH3OH, methylamine, acetate Methanococcus bakerii Acetate, methylamine, CO2, H2, CH3OH Trong các công trình xử lý kỵ khí thường gặp các loài vi khuẩn mêtan sau: Methanobacterium formicium Methanobrevibacter arboriphilus Methanosarcina bakerii Methanobacillus Methanococcus frisius Hình 3.16: Một số loài vi khuẩn mêtan Các dạng trao đổi chất của vi sinh vật Người ta cũng có thể phân chia vi sinh vật hoá năng dị dưỡng dựa theo dạng trao đổi chất và nhu cầu oxy hoá của chúng. Vi sinh vật tạo ra năng lượng bằng cách vận chuyển electron nhờ enzym trung gian từ chất cho electron đến chất nhận electron ở bên ngoài tế bào được gọi là vi sinh vật trao đổi chất hô hấp ( respiratory metabolism). Ngược lại, các chất nhận electron ở bên ngoài tế bào không tham gia vào quá trình trao đổi chất lên men ( fermentation metabolism ). Do đó, sự trao đổi chất lên men không tạo ra nhiều năng lượng bằng trao đổi chất hô hấp. Khi phân tử oxy được sử dụng làm chất nhận electron trong trao đổi chất hô hấp thì quá trình được gọi là hô hấp hiếu khí. Các vi sinh vật phụ thuộc vào quá trình hô hấp hiếu khí chỉ có thể sống được khi ta cung cấp oxy cho chúng nên gọi là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc ( obligately aerobic ). Ngoài ra, các hợp chất vô cơ bị oxy hoá như nitrat và nitrit cũng có thể được một số vi sinh vật trao đổi chất hô hấp dùng làm chất nhận electron khi môi trường không có oxy. Các vi sinh vật tạo ra năng lượng nhờ quá trình lên men chỉ sống được trong môi trường không có oxy và được gọi là vi sinh vật kỵ khí bắt buộc (obligately anaerobic). Các vi sinh vật này được sử dụng trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí. Ngoài ra cũng có các vi sinh vật có thể thích nghi trong cả hai điều kiện hiếu khí và kỵ khí và được gọi là vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện (facutative anaerobic) Sự tăng trưởng của vi sinh vật Vi sinh vật vó thể nảy nở thêm nhiều nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản giới tính và nảy mầm nhưng chủ yếu chúng phát triển bằng cách phân đôi. Thời gian cần để phân đôi tế bào thời gọi là thời gian sinh sản có thể dao động khoảng 20 phút đến hàng ngày. Ví dụ: nếu thời gian sinh sản là 30 phút một vi khuẩn có thể sinh ra 16777216 vi khuẩn sau thời gian 12 giờ. Vi khuẩn không thể tiếp tục sinh sản đến vô tận bởi vì quá trình sinh sản phụ thuộc vào môi trường. Khi thức ăn cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài trị số tối ưu, việc sinh sản sẽ ngừng lại. Sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng Sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng có thể được chia thành bốn giai đoạn như sau: Giai đoạn phát triển chậm: giai đoạn phát triển chậm thể hiện khoảng thời gian cần thiết để vi khuẩn làm quen với môi trường mới và bắt đầu phân đôi. Giai đoạn tăng trưởng về số lượng theo Logarit: trong suốt thời kỳ này các tế bào phân chia theo tốc độ xác định bởi thời gian sinh sản và khả băng thu nhận và đồng hoá thức ăn (tốc độ tăng trưởng theo phần trăm là không đổi). Giai đoạn phát triển ổn định: ở giai đoạn này số lượng vi khuẩn trong mẻ quan sát đạt đến số lượng ổn định do: Vi khuẩn đã ăn hết chất nền và chất dinh dưỡng. Số vi khuẩn mới sinh ra vừa đủ bù cho số vi khuẩn già cõi chết đi. Giai đoạn vi khuẩn tự chết: trong suốt giai đoạn này tốc độ tự chết của vi khuẩn vượt xa tốc độ sinh sản ra tế bào mới. Tốc độ chết là hàm số của số lượng tế bào đang sống và đặc tính của môi trường, ở vài trường hợp số logarit của số lượng tế bào chết tương đương với trị số logarit của số lượng tế bào sinh ra ở giai đoạn sinh trưởng nhưng có dấu ngược lại. Dựa vào kết quả thí nghiệm về sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng theo thời gian , người ta đã dựng được đường cong biểu diển các giai đoạn phát triển của vi khuẩn về số lượng theo thang Logarit. Thời gian Giá trị log của số lượng vi khuẩn Giai đoạn phát triển chậm Giai đoạn tăng trưởng theo quy luật logarit Giai đoạn ổn định Giai đoạn chết theo Logarit Hình 3.17: Đường cong biểu diễn các giai đoạn phát triển của vi khuẩn về số lượng theo thang Logarit. Sự tăng trưởng của vi sinh vật về khối lượng (sinh khối) Tương tự như sự tăng trưởng của vi sinh vật về số lượng, sự tăng trưởng của vi sinh vật về sinh khối cũng bao gồm bốn giai đoạn như sau: Giai đoạn tăng trưởng chậm: là giai đoạn vi khuẩn cần thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng. Giai đoạn tăng trưởng chậm của sinh khối không dài bằng giai đoạn phát triển chậm của số lượng vi khuẩn bởi vì sinh khối bắt đầu tăng ngay trước khi sư phân chia tế bào xảy ra (tế bào lớn lên rồi mới phân chia) Giai đoạn tăng sinh khối theo Logarit: ở giai đoạn này luôn có thừa thức ăn bao quanh vi khuẩn và tốc độ trao đổi chất và tăng trưởng của vi khuẩn chỉ phụ thuộc vào khả năng xử lý chất nền của vi khuẩn. Giai đoạn tăng trưởng chậm dần: tốc độ tăng sinh khối giảm dần đi vì sự cạn kiệt dần của chất dinh dưỡng bao quanh. Giai đoạn hô hấp nội bào: vi khuẩn buộc phải thực hiện quá trình trao đổi chất bằng chính các nguyên sinh chất có trong tế bào bởi vì nồng độ các chất dinh dưỡng cấp cho tế nào đã cạn kiệt. Trong giai đoạn này xảy ra hiện tượng giảm dần sinh khối khi đó các chất dinh dưỡng còn lại trong các tế bào đã chết khuyếch tán ra ngoài để cấp cho tế bào còn sống. Thời gian Giai chậm Giá trị log của số lượng vi khuẩn Giai đoạn tăng sinh khối theo quy luật logarit Giai đoạn tăng chậm Giai đoạn hô hấp nội bào Hình 3.18: Đường cong biểu diễn các giai đoạn tăng sinh khối của vi khuẩn trong mẻ nuôi cấy theo thang Logarit Các yếu tố ảnh hưởng Hai yếu tố môi trường quan trọng nhất đối với quá trình sống và phát triển của vi khuẩn chính là nhiệt độ và độ pH. Mỗi loại vi khuẩn đều có khoảng nhiệt độ tối ưu riêng.: + Vi khuẩn chịu nhiệt: 50 – 600C + Vi khuẩn không chịu nhiệt: 25 – 270C + Vi khuẩn thích nghi ở nhiệt độ thấp: 10 – 150C Nhiệt độ tối ưu cho vi khuẩn phát triển không thấp hơn 25 – 270C. Độ pH của nước thải cũng là yếu tố quan trọng đối với sự phát triển của vi khuẩn. Phần lớn vi khuẩn không chịu được giá trị pH trên 9,5 hoặc dưới 4. Nhìn chung, giá trị pH thích hợp để vi khuẩn phát triển tốt nằm trong khoảng 6,5¸ 8,5. Các anion như: xianua, florua, asenat, cromat, bicacbonat đều có các ảnh hưởng tương tự. Các halogen và một số hợp chất hữu cơ khác cũng tham gia vào quá trình phân hủy protein hay thủy phân các thành phần khác của tế bào. Nồng độ muối vô cơ ảnh hưởng đến khả năng xử lý, khi nồng độ muối clorit tăng lên 20g/l sẽ làm giảm chất luợng làm sạch nước thải. Hàm lượng oxy hòa tan trong nước thải >= 2mg/l. Các nguyên tố dinh dưỡng + Nguyên tố vi lượng: Mg: 10.10-5mg/mgBOD; Cu: 14,6.10-5mg/mgBOD; Zn: 16.10-5mg/mgBOD; Mb: 42.10-5mg/mgBOD; Ca: 620.10-5mg/mgBOD; Na: 5.10-5mg/mgBOD; K: 450.10-5mg/mgBOD; Fe: 1200.10-5mg/mgBOD; CO2-2: 270.10-5mg/mgBOD. + Nguyên tố đa lượng cung cấp đầy đủ sao cho: BOD : N : P = 100 : 5 : 1 COD : N : P = 150 : 5 : 1 Chương 4: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM Giá thể làm từ xơ dừa Đặc tính của giá thể Các vật liệu dùng làm giá thể cho sinh vật bám trong quy trình xử lý nước thải sinh học thường có ít nhất một trong bốn điểm yếu sau: đắt tiền, trọng lượng lớn, chiếm chỗ và dễ gây tắc nghẽn dòng chảy. Xơ dừa là một vật liệu có thể tránh được những bất lợi đó. Phương pháp xử lý theo kiểu sinh trưởng dính bám (có giá thể), một trong những biện pháp nâng cao mật độ vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải. Các miếng đệm xơ dừa được sắp xếp dưới dạng các khối chữ nhật kích thước nhỏ được lắp đặt đều bên trong bể xử lý hiếu khí. Hình 4.1: Giá thể từ xơ dừa Vì thành phần chủ yếu của xơ dừa là cellulose (khoảng 80%) và lignin (khoảng 18%), nên rất khó bị vi sinh vật phân hủy, khả năng và hiệu quả sử dụng xơ dừa thô trong bể xử lý hiếu khí để xử lý nước thải sinh hoạt. Xơ dừa là một vật liệu rẻ tiền và sẵn có ở nhiều vùng trong nước ta, nên đây có thể được coi như một hướng phát triển các công nghệ xử lý nước thải đơn giản và rẻ tiền. Quy trình tiến hành chế tạo giá thể từ xơ dừa Dừa khô sau khi bóc vỏ lấy phần xơ bên trong. Phơi khô, tách thành từng sợi nhỏ, ngâm trong nước sạch và sau đó xả lại vài lần để loại bỏ màu, nấm móc, những thứ có khả năng gây độc hay ức chế VSV phát triển. Sau đó để ráo nước, có thể sử dụng được. Đặc tính của thực vật thủy sinh ( bèo lục bình) Hình 4.2: Bèo Lục Bình Bèo Lục Bình (Water hyacinth, Eichhoma crassipes) còn gọi là bèo tây, bèo Nhật Bản, bèo sen là một loài thực vật thuỷ sinh, nổi theo dòng nước, thuộc về chi Eichhornia của họ Cỏ cá chó (Pontederiaceae). Cây bèo mọc cao khoảng 30cm với dạng lá hình tròn, màu xanh lục, láng và nhẵn mặt. Lá đơn, lá mọc thành hoa nhị, cuống xốp phồng lên thành phao nổi lên khi còn non, trưởng thành cuống thon dài. Hoa lưỡng tính không đều, màu tím nhạt, cánh hoa có một đốm vàng. Cây thân cỏ sống lâu năm, nổi trên mặt nước hay bám dưới bùn, rễ dài và rậm. Kích thước cây thay đổi tùy theo môi trường có nhiều hay ít chất dinh dưỡng, sinh sản bằng con đường vô tính. Từ các nách lá, đâm ra những thân bò dài và mỗi đỉnh thân bò dài cho một cây mới, sớm tách khỏi cây mẹ để trở thành một cá thể độc lập. Ao, hồ, đầm nước lặng nhiều chất dinh dưỡng thì bèo lục bình phát triển rất nhanh, có thể cho 150 tấn chất khô/hécta/năm. Ở dạng tự nhiên, loại bèo này có tác dụng hấp thụ những kim loại nặng (như chì, thủy ngân và strontinum). Vì thế, bèo lục bình vừa có thể dùng để xử lý ô nhiễm môi trường có hiệu quả vừa thu nhận sinh khối phục vụ cho chăn nuôi, làm phân bón hay sản xuất năng lượng tái sinh. Hệ thống mô hình xử lý Ống dẫn nước thải Hình 4.3 : Sơ đồ hệ thống mô hình xử lý Hệ thống mô hình xử lý gồm có: Bể chứa nước thải đầu vào có dung tích 45 lít. Bể lọc sinh học hiếu khí sử dụng giá thể xơ dừa có dung tích là 45 lít, phần xử lý là 35 lít. Hồ thực vật thủy sinh (sử dụng bèo lục bình) chứa nước sau bể lọc sinh học. Máy thổi khí, bơm điều hòa lưu lượng. Nước thải từ bể chứa, dưới áp suất thủy tĩnh theo ống dẫn chảy vào đáy bể lọc sinh học, đồng thời không khí được máy thổi khí đưa vào bể lọc sinh học. Tại đây dòng nước thải và dòng khí sẽ đi lên và phân phối đều khắp tiết diện của bể nhờ sàn phân phối. Nước thải và không khí sau khi hòa trộn với nhau sẽ đi lên qua lớp giá thể. Tại đây, các quá trình sinh học diễn ra và nước thải sẽ được xử lý. Sau khi qua lớp giá thể, nước tràn qua theo đường ống đi qua hồ thủy sinh. Nước qua hồ thủy sinh có chứa bèo lục bình, nhờ quá trình hấp thụ của bèo lục bình, xử lý được các thành phần ô nhiễm trong nước thải. Hình 4.4 : Mô hình thí nghiệm Mô hình lọc sinh học Mục đích Tìm hiểu phương pháp xử lý nước thải bằng mô hình lọc hiếu khí sử dụng giá thể xơ dừa như thế nào. Xác định hiệu suất xử lý của chúng. Xác định các thông số động học qua bể lọc sinh học hiếu khí. Cấu tạo của bể lọc sinh học Bể lọc sinh học có lớp giá thể ngập trong nước có kích thước ( 0.35m x 0.28m x 0.45m). Bể có dung tích 45 lít, dung tích xử lý 35 lít trong đó phần giá thể chiếm 50% thể tích và được cố định giữa bể. Giá thể được cố định trong bể bằng sàn chắn trên và sàn đở dưới. Nước và khí sẽ phân phối đều trước khi tiếp xúc với giá thể nhờ một tấm nhôm có khoan nhiều lỗ nhỏ dùng làm sàn phân phối nước và khí đặt bên dưới làm sàn đở lớp vật liệu (sàn cách lớp vật liệu lọc 50mm). Hệ thống sục khí bằng các viên đá bọt đặt ở đáy bể. Trên mô hình có bố trí 4 van để lấy mẫu theo độ cao của mô hình: theo sắp xếp từ dưới lên, van 1 cách đáy 0.12m, van 2 cách đáy 0.25m, van 3 cách đáy 0.35m và van 4 cách đáy 0.42m, van 4 này còn được dùng làm van chảy tràn. Ngoài ra, mô hình còn có một van xả đáy ở phía dưới. Hình 4.5 : Vật liệu sử dụng trong bể lọc sinh học 10cm 50 cm 30cm Vận hành mô hình Giai đoạn chuẩn bị Các bước chuẩn bị Xây dựng mô hình bể xử lý với các thông số trên. Dưới đáy bể đặt hệ thống sục khí bằng đá bọt. Giá thể được chuẩn bị với khối lượng đầy đủ theo yêu cầu cho giá thể vào bể lọc sinh học hiếu khí đúng vị trí và cố định lại. Việc chuẩn bị tốt giá thể góp phần quan trọng cho kết quả xử lý bể sinh học. Nước thải được lấy từ hệ thống ống xả tại cụm dân cư ở phường 25 - Quận Bình Thạnh. Bùn được lấy từ bể SBR của nhà máy xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp Tân Bình. Chuẩn bị nước thải Tiến hành kiểm tra thành phần của nước thải đem về, kết quả thu được như sau: Bảng 4.1: Thành phần nước thải sinh hoạt STT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị 1 pH - 6.8 2 COD mg/l 912 3 BOD5 mg/l 598 4 N tổng mg/l 59 5 P tổng mg/l 6.3 6 SS mg/l 386 7 Coliform tổng MPN/100ml 105 – 106 Chuẩn bị bùn: Bùn hoạt tính dùng cho việc xử lý được lấy từ nhà máy xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp Tân Bình. Bùn được lấy trực tiếp tại các bể SBR của nhà máy, sau đó đem về tiến hành xác định nồng độ bùn: Cb= 16290 (mg/l). Bùn cho vào mô hình với MLSS khoảng 2000 – 3500 mg/l (chọn 2500mg/l). Thể tích bể lọc là V = 35 lít. Muốn hàm lượng bùn trong nước thải là 2500 mg/l thì thể tích bùn cần lấy là: Vận hành mô hình thí nghiệm Giai đoạn chạy thích nghi Giai đoạn thích nghi được tiến hành ở nồng độ COD đầu vào khoảng 300 mg/l. Giai đoạn thích nghi được thực hiện theo các bước sau: Cho vào mô hình 35 lít nước thải đã được pha loãng có nồng độ COD đầu vào khoảng 300 mg/l cùng với bùn tạo thành hỗn hợp có MLSS khoảng 2500 mg/l. Chạy mô hình và hàng ngày thường xuyên kiểm tra các thông số COD, pH, SS. Giai đoạn thích nghi kết thúc khi lớp màng vi sinh vật đã hình thành bám trên giá thể và hiệu quả khử COD tương đối ổn định (COD không tiếp tục giảm nữa). Giai đoạn xử lý Sau giai đoạn chạy thích nghi (6 ngày), một lớp màng vi sinh vật được tạo thành trên bề mặt vật liệu lọc. Lần lượt vận hành bể lọc với từng tải trọng khác nhau đến khi bể lọc sinh học đạt trạng thái ổn định. Trạng thái ổn định là trạng thái mà ở đó nồng độ cơ chất trong nước thải sau xử lý (COD, BOD, …) không thay đổi theo thời gian. Nước thải được đưa vào mô hình liên tục thông qua bơm, với lưu lượng bơm có thể điều chỉnh được. Nước được đưa vào từ phía dưới của mô hình và được chảy tràn ra ngoài thông qua van 4. Tăng tải trọng dần lên ứng với thời gian lưu nước 24h, 12h, 8h, 6h, 4h và 2h. Khi hiệu quả xử lý ở tải trọng đó ổn định ta mới tăng tải trọng tiếp theo. Ở mỗi tải trọng ta cũng tiến hành kiểm tra các chỉ tiêu pH, COD, SS. Quá trình tăng tải trọng kết thúc khi hiệu quả khử COD giảm vì xảy ra hiện tượng quá tải. Vẽ các đường biểu diễn hiệu quả xử lý COD, SS theo từng tải trọng khác nhau. Bảng 4.2: Các thông số hoạt động của mô hình ứng với từng tải trọng STT Tải trọng (kgCOD/m3.ngày) COD vào (mg/l) Thời gian lưu (giờ) Lưu lượng (l/h) 1 0.320 320 24 1.46 2 0.674 337 12 2.92 3 1.484 356 8 4.37 4 1.938 371 6 5.83 5 1.938 323 4 8.75 6 4.080 340 2 17.5 Cách xác định các thông số động học Áp dụng phương trình thực nghiệm của Eckenfelder. Eckenfelder xây dựng các phương trình biểu diễn dựa trên phương trình tốc độ loại bỏ cơ chất sau: (4.1) Với: : tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng của vi sinh vật, kgCOD/kgVSV.ngày. : tốc độ tiêu thụ cơ chất, kgCOD/m3.ngày k: hằng số tốc độ phản ứng, m3/kgVSV.ngày. S: nồng độ của cơ chất, kgCOD/m3. X: nồng độ vi sinh vật, kgVSV/m3. Tích phân hai vế của phương trình (4.1) ta được: (4.2) Với: : nồng độ trung bình của VSV trong bể lọc sinh học, kgVSV/m3 vật liệu lọc. Se: nồng độ cơ chất trong dòng nước thải sau xử lý, kgCOD/m3. S0: nồng độ cơ chất trong nước thải vào bể lọc, kgCOD/m3. T: thời gian tiếp xúc của nước thải với màng VSV. Nồng độ trung bình của VSV tỷ lệ với diện tích bề mặt riêng của vật liệu lọc AS: (4.3) Trong đó: AS: diện tích bề mặt riêng của bể lọc. m: hằng số thực nghiệm. Thời gian tiếp xúc trung bình được tính toán theo công thức của Howland như sau: (4.4) QL: tải trọng thể tích của nước thải trên bề mặt bể lọc, m3/m2.ngày. (4.5) Trong đó: Q: lưu lượng nước thải theo tính toán thiết kế, m3/ngày. A: diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m2. C, n: các hằng số thực nghiệm. H: chiều cao lớp vật liệu lọc, m. Thay thế phương trình (4.3) và (4.4) vào phương trình (4.2): (4.6) Đặt phương trình (4.6) sẽ được viết lại: (4.7) Thông số động học K và hằng số thực nghiệm n được xác định dựa trên các số liệu thí nghiệm Se, So, H và QL khi chạy mô hình lọc sinh học trong phòng thí nghiệm. Khi lấy logarit cơ số tự nhiên cả hai vế phương trình (4.6) ta được: (4.8) Đây là đường thẳng và H có hệ số góc Tiếp tục lấy logarit cơ số e của hệ số góc a ta được: lns = -nlnQL + lnK (4.9) Đây là phương trình đường thẳng lns và lnQL; các hệ số của phương trình được xác định bằng phương pháp đồ thị; từ đó suy ra các thông số n, K. Như vậy khi có các kết quả thí nghiệm , H, QL ta sẽ tính toán được các thông số động học của quá trình lọc sinh học. Trong đề tài này ta tính toán cụ thể như sau: Vẽ 3 phương trình đường thẳng của ln(CODra/CODvào) theo H (m) ứng với 3 lưu lượng nước thải khác nhau: + Q1 = 70 lít/ngày + Q2 = 105 lít/ngày + Q3 = 145 lít/ngày Ta sẽ có được các giá trị s1, s2, s3 trong các phương trình đường thẳng trên. Vẽ phương trình đường thẳng của ln(s) theo ln(QL). Ta sẽ có được giá trị n trong phương trình đường thẳng này. Áp dụng lns = -nlnQL + lnK suy ra K. Từ các giá trị của n và K ta sẽ có được phương trình thực nghiệm: Mô hình hồ thủy sinh Mục đích Nhằm nâng cao chất lượng nước thải đầu ra, tiến hành thí nghiệm cho nước thải từ mô hình lọc sinh học qua hồ thủy sinh có chứa thực vật thủy sinh (bèo lục bình). Tìm hiểu khả năng xử lý nước của bèo lục bình. Xác định hiệu quả xử lý qua hồ thủy sinh. Cấu tạo của hồ thực vật thủy sinh: Hồ thủy sinh được xây dựng bằng gạch với kích thước (800mm x 800mm x 400mm). Hình 4.6 : Mô hình hồ thực vật thủy sinh Phương pháp thực hiện: Đối tượng nghiên cứu là nước thải từ bể lọc sinh học sau khi đã phân tích các chỉ tiêu pH, COD, BOD, N tổng, P tổng, SS, Coliform tổng rồi cho vào hồ thực vật thủy sinh sử dụng bèo lục bình để xử lý và một hồ dùng làm đối chứng . Thời gian lưu nước trong hồ 25 ngày. Cứ sau 5 ngày đem mẫu phân tích một lần. Các chỉ tiêu phân tích là pH, COD, N tổng , P tổng, SS. Xác định hiệu quả xử lý tối ưu nhất. Phân tích các chỉ tiêu đầu ra Thứ tự pH COD ra (mg/l) Ntổng (mg/l) Ptổng (mg/l) SS (mg/l) Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 Chương 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả chạy mô hình lọc sinh học sử dụng giá thể xơ dừa Giai đoạn chạy thích nghi Bảng 5.1: Kết quả thí nghiệm ở giai đoạn chạy thích nghi Ngày Thời gian (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) SSvào (mg/l) SSra (mg/l) pH 1 24 0.3 300 260 13.33 317 201 6.8 2 24 0.3 300 234 22.00 310 235 6.8 3 24 0.3 300 202 32.67 298 179 7.0 4 24 0.3 300 138 54.00 306 124 7.2 5 24 0.3 300 106 64.67 296 112 7.0 6 24 0.3 300 105 65.00 305 110 7.1 Hình 5.1: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian ở giai đoạn chạy thích nghi Hình 5.2: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng SS theo thời gian ở giai đoạn chạy thích nghi. Nhận xét: Giai đoạn thích nghi kết thúc khi lớp màng vi sinh vật đã được hình thành và dính bám vào giá thể. Trong giai đoạn chạy thích nghi, nồng độ COD đầu vào ở mức 300 mg/l cho VSV thích nghi với nước thải, tránh gây sốc cho VSV, chỉ số COD nước thải đầu ra không cao và kết quả tương đối ổn định, hiệu quả xử lý COD của nước thải đạt ở mức 65.00 %. Chất rắn lơ lửng bắt đầu giảm, chỉ số pH luôn đạt ở mức trung bình phù hợp cho VSV phát triển. Hình 5.3 : Màng sinh học trên giá thể xơ dừa Giai đoạn chạy xử lý Tải trọng 24h Bảng 5.2: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 0.32 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 24h Ngày Thời gian (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) SSvào (mg/l) SSra (mg/l) pH 1 24 0.32 320 79 75.31 286 156 7.2 2 24 0.32 320 87 72.81 302 102 7.1 3 24 0.32 320 78 75.63 270 142 6.9 4 24 0.32 320 76 76.25 294 126 7.1 Hình 5.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 24h Hình 5.5: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng SS ở thời gian lưu nước 24h Nhận xét: Từ đồ thị hình 5.4 ở tải trọng 0.32 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 24h, hiệu quả xử lý đạt 76.25 % và tương đối ổn định ở ngày thứ 3 và thứ 4. VSV bắt đầu hoạt động kết bám các chất rắn lơ lửng vào giá thể xơ dừa, do đó hàm lượng SS giảm dần, pH ổn định. Tải trọng 12h Bảng 5.3: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 0.674 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 12h Ngày Thời gian (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) SSvào (mg/l) SSra (mg/l) pH 1 12 0.674 337 73 78.34 350 158 7.3 12 0.674 337 64 81.01 312 174 7.0 2 12 0.674 337 48 85.76 289 125 7.3 12 0.674 337 38 88.72 276 98 7.2 3 12 0.674 337 46 86.35 276 75 6.9 12 0.674 337 44 86.65 285 82 7.0 Hình 5.6: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 12h Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng SS ở thời gian lưu nước 12h Nhận xét: Từ đồ thị hình 5.6 ở mức tải trọng 0.674 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 12h, hiệu suất khử COD trong nước thải rất cao, cao nhất là 88.72 %, mô hình chạy ổn định trong ngày thứ 3. Chỉ số pH tương đối ổn định, giao động trong khoảng từ 6.9 – 7.3 thích hợp cho VSV phát triển. Quá trình khử SS trong giai đoạn này rất cao, điều này cho thấy việc hình thành bùn hoạt tính như bể aerotank rất hạn chế, phần khác SS được giữ lại do tác dụng lọc của lớp giá thể. Tải trọng 8h Bảng 5.4: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 1.068 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 8h Ngày Thời gian (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) SSvào (mg/l) SSra (mg/l) pH 1 8 1.068 356 77 78.37 256 149 7.1 8 1.068 356 67 81.18 232 142 7.3 2 8 1.068 356 49 86.24 218 124 7.4 8 1.068 356 54 84.83 203 158 7.0 3 8 1.068 356 58 83.71 205 142 6.8 8 1.068 356 59 83.43 201 139 7.2 Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian lưu nước 8h Hình 5.9: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng SS theo thời gian lưu nước 8h Nhận xét: Từ đồ thị hình 5.8 ở mức tải trọng 1.068 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 8h, hiệu suất khử COD trong nước thải là 86.24 %, mô hình chạy tương đối ổn định. Tải trọng 6h Bảng 5.5: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 1.484 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 6h Ngày Thời gian (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) SSvào (mg/l) SSra (mg/l) pH 1 6 1.484 371 96 74.12 269 146 7.0 6 1.484 371 81 78.17 285 204 7.2 2 6 1.484 371 72 80.59 246 165 6.8 6 1.484 371 64 82.75 303 159 7.2 3 6 1.484 371 79 78.71 287 167 6.9 6 1.484 371 80 78.44 304 218 6.7 Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian lưu nước 6h Hình 5.11: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng SS theo thời gian lưu nước 6h Nhận xét: Từ đồ thị hình 5.10 ở mức tải trọng 1.484 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 6h, hiệu suất khử COD trong nước thải là 82.75 %. Tải trọng 4h Bảng 5.6: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 1.938 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 4h Ngày Thời gian (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) SSvào (mg/l) SSra (mg/l) pH 1 4 1.938 323 115 64.40 315 305 6.8 4 1.938 323 112 65.33 316 204 6.8 4 1.938 323 96 70.28 294 156 7.0 2 4 1.938 323 112 65.33 287 142 7.3 4 1.938 323 117 63.78 312 218 6.9 4 1.938 323 118 63.47 302 310 7.1 Hình 5.12: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian lưu nước 4h Hình 5.13:Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng SS theo thời gian lưu nước 4h Nhận xét: Từ đồ thị hình 5.12 ở mức tải trọng 1.938 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 4h, hiệu suất khử COD trong nước thải là 70.28 %. pH tương đối ổn định. Tải trọng 2h Bảng 5.7: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 4.080 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 2h Ngày Thời gian (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) SSvào (mg/l) SSra (mg/l) pH 1 2 4.080 340 130 61.76 289 156 7.1 2 4.080 340 143 57.94 330 190 6.6 2 4.080 340 136 60.00 256 216 7.2 2 4.080 340 128 62.35 254 285 6.9 2 2 4.080 340 156 54.12 270 157 7.2 2 4.080 340 164 51.76 278 280 7.3 2 4.080 340 176 48.24 289 184 6.8 2 4.080 340 174 48.82 290 207 7.0 Hình 5.14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian lưu nước 2h Hình 5.15:Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng SS theo thời gian lưu nước 2h Nhận xét: Từ đồ thị hình 5.14 ở mức tải trọng 4.080 (kgCOD/m3.ngđ) ứng với thời gian lưu nước 4h, hiệu suất khử COD trong nước thải là 62.35 %, hiệu quả khử COD giảm do hiện tượng quá tải, mặc khác do quá trình phát triển của VSV bắt đầu giảm dần dẫn đến khả năng xử lý không còn đạt hiệu quả cao. SS tăng một phần do giá thể tạo nên, một phần do xác chết của các VSV. pH tương đối ổn định giao động từ 6.7 – 7.3. So sánh hiệu quả xử lý COD với các tải trọng khác nhau. Bảng 5.8: Hiệu quả xử lý COD ở các mức tải trọng khác nhau Thời gian (h) Tải trọng (kg/m3.ngđ) CODvào (mg/l) CODra (mg/l) Hiệu suất (%) 2 4.080 340 128 62.35 4 1.938 323 96 70.28 6 1.484 371 64 82.75 8 1.068 356 49 86.24 12 0.674 337 38 88.72 24 0.32 320 76 76.25 Hình 5.16: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở các mức tải trọng khác nhau trong giai đoạn xử lý Như vậy: Hiệu quả xử lý tăng dần ở các tải trọng khác nhau. Hiệu quả xử lý đạt giá trị cực đại ở tải trọng 0.674 kgCOD/m3.ngđ. Sau đó, hiệu quả xử lý giảm dần ở các tải 1.938 kgCOD/m3.ngđ và 4.080 kgCOD/m3.ngđ vì lúc này trong bể đã có hiện tượng quá tải xảy ra. Xác định các thông số động học Tải trọng 12h Bảng 5.9: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H ở lưu lượng 70 lít/ngày Chiều cao COD ra ( mg/l) COD vào (mg/l) Ln(CODra/COD vào) 0.12 m 337 340 0 0.25 m 142 -0.87 0.35 m 73 -1.54 0.42 m 36 -2.25 Hình 5.17: Đồ thị Ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 0.714 m3/m2.ngày Tính Tải trọng 8h Bảng 5.10: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H ở lưu lượng 105 lít/ngày Chiều cao COD ra ( mg/l) COD vào (mg/l) Ln(CODra/COD vào) 0.12 m 365 368 0 0.25 m 173 -0.75 0.35 m 98 -1.32 0.42 m 50 -2.00 Hình 5.18: Đồ thị Ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 1.07 m3/m2.ngày Tính Tải trọng 6h Bảng 5.11: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H ở lưu lượng 145 lít/ngày Chiều cao COD ra ( mg/l) COD vào (mg/l) Ln(CODra/COD vào) 0.12 m 368 370 0 0.25 m 215 -0.58 0.35 m 132 -1.03 0.42 m 65 -1.74 Hình5.19:Đồ thị Ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 1.48 m3/m2.ngày Tính Tính toán các thông số n và K Tính toán các thông số n và K dựa vào QL và hệ số s đã xác định được ở phần trên. Bảng 5.12: Kết quả mối liên hệ giữa tải trọng thể tích QL và hệ số góc s STT QL Ln(Ql) s Ln(s) 1 0.714 -0.337 7.34 1.99 2 1.07 0.068 6.47 1.87 3 1.48 0.392 5.53 1.71 Hình 5.20: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ln(s) và Ln(QL) Suy ra các giá trị n và K: n = 0.38 K = 6.43 Vậy phương trình thực nghiệm cần tìm là: Ứng dụng thông số thực nghiệm Từ các thông số động học qua mô hình thí nghiệm bể lọc sinh học hiếu khí, áp dụng vào tính thể tích bể lọc sinh học xử lý nước thải cho cụm dân cư phường 25, quận Bình Thạnh. Lưu lượng nước thải sinh hoạt từ cụm dân cư – phường 25, quận Bình Thạnh được tính trên cơ sở lượng nước cấp dự kiến 200 lít/người/ngày. Với số lượng dân cư khoảng 4982 người, lưu lượng nước thải từ cụm dân cư – phường 25 được ước tính như sau: Nước thải sinh hoạt: 200 lít/người/ngđ x 4982 người = 9964 m3/ngđ(1) Từ các nguồn khác như thấm qua hệ thống cống, nhà trẻ, trường học, doanh trại quân đội, … = 20% (1) = 199 m3/ngđ. Tổng khoảng 1200 m3/ngđ. Lưu lượng nước thải trung bình theo ngày: = 1200 m3/ngđ. Kết quả thực nghiệm từ mô hình bể lọc sinh học hiếu khí ta có: Lượng không khí cung cấp trong quá trình lọc hiếu khí: Q = 0.75(cm3/s) = 2.7 (l/h) Lượng không khí cung cấp trong một ngày: 2.7 x 24 = 64.8 (lít/ngđ) Lượng oxy cung cấp: = 12.96 (lít O2/ ngđ) Nồng độ oxy cung cấp: 12.96 x 1.43 = 18.54 (gO2/ngđ) (Khối lượng riêng của oxy 1.43 g/l) Thể tích xử lý của bể lọc sinh học hiếu khí : V = 35 (lít) Năng lực oxy hóa của bể lọc: NO = = 530 (gO2/m3.ngđ) Các thông số thực nghiệm: n = 0.38 (n: hằng số thực nghiệm) K = 6.43 (K: hằng số tốc độ phản ứng, m3/kgVSV.ngày) Phương trình thực nghiệm Trong đó: Se: nồng độ cơ chất trong dòng nước thải sau xử lý, kgCOD/m3. S0: nồng độ cơ chất trong nước thải vào bể lọc, kgCOD/m3. NO: Năng lực oxy hóa của bể lọc, gO2/m3ngđ. è è Thông số áp dụng: BOD5 : COD = 0.68 Thể tích bể lọc sinh học: Trong đó: So : Nồng độ BOD5 đầu vào bể lọc sinh học, So = 230 mg/l Se : Nồng độ BOD5 đầu ra bể lọc sinh học, S = 10.88 mg/l : Lưu lượng trung bình ngày đêm, = 1200 m3/ngđ = 496 m3 Kết quả chạy mô hình hồ thủy sinh Sau khi xác định được tải trọng tối ưu qua bể lọc sinh học. Với mục đích nâng cao hiệu quả xử lý nước đầu ra đạt chất lượng tốt theo QCVN 14 : 2008/BTNMT. Nước thải tiếp tục cho qua hồ thủy sinh có chứa bèo lục bình để xử lý. Bảng 5.13: Thành phần nước thải sau bể lọc sinh học STT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị 1 pH - 7.3 2 SS mg/l 98 3 COD mg/l 64 4 BOD5 mg/l 45 5 NTổng mg/l 48 6 PTổng mg/l 4.0 7 Coliform tổng MPN/100ml 103 - 104 Kết quả tổng hợp các chỉ tiêu nước thải đầu ra hồ thủy sinh Bảng 5.14: Kết quả thí nghiệm nước thải đầu ra ở hồ thủy sinh Chỉ tiêu pH COD (mg/l) Ntổng (mg/l) Ptổng (mg/l) SS (mg/l) Ngày 5 Xử lý 7.2 58 35.16 2.8 105 Đối chứng 7.3 60 46.23 3.7 110 Ngày 10 Xử lý 7.1 33 27.3 1.9 98 Đối chứng 7.1 52 45.11 3.8 102 Ngày 15 Xử lý 6.9 16 3.9 1.3 72 Đối chứng 7.2 58 41.72 3.5 101 Ngày 20 Xử lý 6.5 29 13.49 2.4 96 Đối chứng 6.9 54 39.62 3.4 95 Ngày 25 Xử lý 6.3 31 16.59 2.5 128 Đối chứng 7.1 55 39.38 3.5 102 Giá trị pH qua các lần xử lý Bảng 5.15: Kết quả phân tích chỉ tiêu pH STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 pH xử lý 7.2 7.1 6.9 6.5 6.3 pH đối chứng 7.3 7.1 7.2 6.9 7.1 Hình 5.21: Đồ thị biểu diễn giá trị pH qua hồ thủy sinh Qua quá trình kiểm tra, ta nhận thấy nước đầu vào mô hình hồ thủy sinh với giá trị pH 7.3 rất thích hợp cho sự phát triển của bèo lục bình và hệ vi sinh vật, đồng thời rất thuận lợi cho các quá trình sinh hóa xảy ra. pH nước thải đầu ra ở đối chứng và thí nghiệm với bèo lục bình đều giảm. pH thí nghiệm với bèo lục bình đều nhỏ hơn đối chứng do bèo lục bình và vi sinh vật cộng sinh thực hiện quá trình chuyển hóa sinh hóa làm giảm pH. Hiệu quả xử lý COD Bảng 5.16: Kết quả phân tích chỉ tiêu COD STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 COD xử lý (mg/l) 58 33 16 29 31 COD đối chứng (mg/l) 60 52 58 54 55 Hình 5.22: Đồ thị biểu diễn giá trị COD qua hồ thủy sinh Bảng 5.17: Hiệu suất xử lý COD trong hồ thủy sinh STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 Hiệu suất xử lý (%) 9.37 48.44 75.00 54.69 51.56 Hiệu suất đối chứng (%) 6.25 18.75 9.37 15.63 14.06 Hình 5.23: Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD trong hồ thủy sinh Qua đồ thị hình 5.23 hiệu suất xử lý của mô hình thí nghiệm tăng dần từ lần kiểm tra ngày 5 đến ngày 15, bắt đầu giảm xuống ở lần kiểm tra ngày 20 và ngày 25. Hiệu suất xử lý COD đạt hiệu quả cao nhất ở lần kiểm ngày 15 là 75%. Trong hồ thủy sinh các chất rắn sẽ lắng xuống đáy bể và sau đó bị phân hủy bởi các vi sinh vật yếm khí. Các chất rắn lơ lửng và hữu cơ hòa tan được loại đi bởi các hoạt động của VSV nằm lơ lửng trong nước, bám vào bùn lắng, bám vào thân và rễ của bèo Lục Bình. Việc loại bỏ chất hữu cơ một phần do hoạt động của các vi sinh vật hấp thu các dưỡng chất, nhưng phần lớn là nhờ thực vật thủy sinh tạo giá bám cho các VSV hoạt động. Hiệu quả xử lý Nitơ tổng Bảng 5.18: Kết quả phân tích chỉ tiêu Nitơ tổng STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 N xử lý (mg/l) 35.16 27.3 3.9 13.49 16.59 N đối chứng (mg/l) 46.23 45.11 41.72 39.62 39.38 Hình 5.24: Đồ thị biểu diễn giá trị Nitơ qua hồ thủy sinh Bảng 5.19 : Hiệu suất xử lý Nitơ trong hồ thủy sinh STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 Hiệu suất xử lý (%) 26.75 43.12 91.87 71.89 65.44 Hiệu suất đối chứng (%) 3.69 6.02 13.08 17.46 17.96 Hình 5.25 : Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý Nitơ trong hồ thủy sinh Qua đồ thị hình 5.25 ta thấy hiệu quả xử lý Nitơ tổng đạt hiệu quả cao ở lần kiểm tra ngày 15 là 91.87 %. Nitơ được chuyển hóa trong môi trường nước do một số nguyên nhân: Thực vật nhận từ các chất có chứa nitơ trong môi trường để tạo ra sinh khối. Bị mất theo dạng amoniac. Vi khuẩn tham gia quá trình nitrit hóa và phản nitrit hóa. Quá trình phản nitrit hóa xảy ra trong điều kiện yếm khí, khi đó N2 được giải phóng ra khỏi các hợp chất hóa học chuyển thánh dạng khí và thoát ra ngoài không khí. Hiệu quả xử lý Phốtpho tổng Bảng 5.20: Kết quả phân tích chỉ tiêu Phốtpho tổng STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 P xử lý (mg/l) 2.8 1.9 1.3 2.4 2.5 P đối chứng (mg/l) 3.7 3.8 3.5 3.4 3.5 Hình 5.26: Đồ thị biểu diễn giá trị Phốtpho qua hồ thủy sinh Bảng 5.21: Hiệu suất xử lý Phốtpho trong hồ thủy sinh STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 Hiệu suất xử lý (%) 30 52.5 67.5 40 37.5 Hiệu suất đối chứng (%) 7.5 5 12.5 15 12.5 Hình 5.27 : Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý Phốtpho trong hồ thủy sinh Phốtpho trong nước thải được khử đi do quá trình hấp thụ và kết tủa. Hiệu suất đạt kết quả cao nhất ở lần kiểm tra ngày 15 là 67.5 %, nồng độ phốtpho giảm xuống còn 1.3 (mg/l). Giá trị SS qua các lần xử lý Bảng 5.22: Kết quả phân tích chỉ tiêu SS STT Ngày 5 Ngày 10 Ngày 15 Ngày 20 Ngày 25 SS xử lý (mg/l) 79 72 56 73 100 SS đối chứng (mg/l) 89 67 79 82 91 Hình 5.28: Đồ thị biểu diễn giá trị SS qua mô hình thí nghiệm Các chất rắn bám vào bề mặt của các thực vật và bị phân hủy bởi VSV hiếu khí. Các chất rắn lắng sẽ lắng xuống đáy hồ và bị phân hủy bởi các vi sinh vật yếm khí. Giá trị SS giảm ở các ngày kiểm tra là ngày 5, ngày 10, ngày 15 nhưng sau đó lại tăng lên ở ngày 20, ngày 25 do phần rễ và lá bèo Lục Bình già đi và phân hủy trong hồ. Nhận xét: Qua thời gian khảo sát và tiến hành thực nghiệm thu được kết quả trên, qua đó cho thấy kết quả khả quan của quá trình nghiên cứu, tìm ra vật liệu lọc làm giá thể cho quá trình sinh trưởng dính bám của vi sinh vật, đồng thời khảo sát được khả năng xử lý nước của thực vật thủy sinh, đạt hiệu quả tối ưu và cao nhất. A2 A3 A1 Hình 5.29: Mẫu nước trước và sau xử lý A1: Mẫu nước thải đầu vào A2: Mẫu nước sau bể lọc hiếu khí A3: Mẫu nước sau hồ thủy sinh Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nước thải sinh hoạt được nghiên cứu trong suốt quá trình thí nghiệm với những tính chất COD>80mg/l, BOD>50mg/l, SS>100mg/l. Nồng độ ô nhiễm này vượt quá tiêu chuẩn cho phép xả thải theo QCVN 14 : 2008/ BTNMT. Quá trình chạy mô hình lọc sinh học sử dụng giá thể xơ dừa kết hợp với hồ thủy sinh sử dụng bèo lục bình để xử lý nước thải, hiệu suất xử lý cao và tương đối ổn định. Có các kết luận sau: Trên mô hình lọc sinh học mô phỏng ở qui mô phòng thí nghiệm với giá thể xơ dừa, các số liệu thực nghiêm thu được qua bể lọc sinh học hiếu khí sử dụng giá thể xơ dừa gồm có: + Trong sáu tải trọng đã tiến hành gồm 0.32, 0.674, 1.068, 1.938 và 4.080 kgCOD/m3.ngđ thì tải trọng 0.674 kgCOD/m3.ngđ là tải trọng tối ưu. Ở tải trọng này, với thời gian lưu nước tương ứng 12h và nồng độ COD đầu vào mô hình khoảng 337 mg/l, hiệu quả xử lý đạt 88.72 %. + Thông số động học của quá trình lọc sinh học hiếu khí được xác định tương ứng là n= 0.38, K= 6.43. Qua các lần phân tích cho thấy hiệu suất xử lý của bèo lục bình trong hồ thủy sinh tăng khá cao ở ngày 15 và hiệu suất giảm dần ở ngày 20 và ngày 25. Ở ngày 15 hiệu suất xử lý COD đạt 75%, N tổng đạt 91.87%, P tổng đạt 67.5%. Công nghệ xử lý sinh học bằng lọc sinh học sử dụng giá thể xơ dừa kết hợp hồ thủy sinh rất đơn giản, ít tốn chi phí, dễ thực hiện, hiệu quả xử lý cao. Có thể áp dụng rộng rãi. Sau khi tồn tại trong môi trường nước thải, giá thể xơ dừa bị mục nát ta có thể ủ làm phân bón (composting), đồng thời sinh khối thu được trong hồ thủy sinh có thể sử dụng vào các mục đích như: compost, thức ăn chăn nuôi hoặc làm đồ thủ công mỹ nghệ. Với mô hình xử lý nước thải bằng lọc sinh học kết hợp với hồ thủy sinh có thể một công nghệ trong ngành xử lý nước thải. Kiến nghị và đề xuất công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt Kiến nghị Vì thời gian nghiên cứu có hạn, đố án chỉ thực hiện với khối lượng việc và nội dung hạn chế nên cần có những bổ sung thêm để hoàn thiện hơn. Các kiến nghị sau: Đồ án chỉ thực hiện trên một loại nước thải nên kết quả đạt được chỉ phản ánh khả năng xử lý của mô hình một cách hạn hẹp. Cần có thêm nhiều nghiên cứu tương tự trên nhiều loại nước thải và các công nghệ khác nhau. Thời gian tồn tại của giá thể xơ dừa trong bể lọc sinh học hiếu khí không được lâu nên thực tế chưa áp dụng giá thể này vào xử lý ngay được. Việc tìm kiếm một cách thức nào đó làm cho bền hơn, sử dụng lâu hơn sẽ là một nghiên cứu hữu ích khác. Tăng cường công tác giáo dục và nâng cao ý thức cho người dân, cộng đồng và xã hội về bảo vệ môi trường. Cần phải có quy hoạch tổng thể gắn kết việc phát triển kinh tế đi đôi với việc bảo vệ môi trường nhằm mục tiêu phát triển bền vững Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt Bể lắng 2 Hồ thủy sinh Nước sau xử lý Bể nén bùn Bể mêtan Bể lọc sinh học Sân phơi cát Máy nén khí Máy nghiền rác Hóa chất Bể lắng I Bể điều hòa Bể lắng cát Hố gom Song chắn rác NTSH Sân phơi bùn Hình 6.1: Quy trình công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt Chú thích: Đường dẫn nước thải Đường dẫn bùn Đường dẫn khí Đường dẫn hóa chất Thuyết minh sơ đồ công nghệ xử lý Nước thải sinh hoạt được thu gom bằng hệ thống thoát nước của khu dân cư dẫn về hố gom của trạm xử lý có đặt song chắn rác thô. Tại song chắn rác các tạp chất không tan có kích thướt lớn được loại ra khỏi nước thải. Rác sau khi thu gom đem đi nghiền ở máy nghiền rác và đưa tới bể mêtan để lên men còn nước thải đã được tách tiếp tục đưa tới hố gom. Sau khi nước thải trong hố gom đạt đến một mức nhất định sẽ được bơm đặt tại hố hom bơm lên song chắn rác tinh có cào rác cơ giới trước khi đến bể lắng cát. Bể lắng cát có nhiệm vụ tạo thời gian lưu và thu giữ các hạt cát sỏi có kích thước lớn hơn 0,2mm, các chất vô cơ có trọng lượng lớn sẽ bị tách ra khỏi nước, và được xả vào sân phơi cát. Sau đó nước thải được dẫn đến bể điều hòa để điều hòa lưu lượng nước thải nhằm ổn định dòng chảy kết hợp với hệ thống sục khí để chống khả năng lắng cặn tại bể. Nước thải từ bể điều hòa được bơm qua bể lắng I. Mục đích để loại bỏ các chất rắn lắng được, tách dầu mỡ và các chất nổi khác, giảm tải trọng hữu cơ cho công trình xử lý sinh học phía sau. Dòng nước sau khi bể lắng I tiếp tục chảy qua bể lọc sinh học hiếu khí. Tại bể lọc, nước thải được xử lý bằng quá trình sinh học dính bám hiếu khí. Các hợp chất hữu cơ được giữ lại nhờ vật liệu lọc. Nước thải tiếp tục chạy qua bể lắng II .Tại đây, phần bùn tạo ra trong quá trình oxi hóa ở bể hiếu khí sẽ lắng xuống đáy bể và nước sạch đi ra ngoài. Phần bùn dư được định kì bơm vào bể nén bùn sau đó chuyển tới bể mêtan. Nước từ bể lắng II chảy qua hồ thủy sinh sử dụng hệ thực vật nổi kèm với quá trình sục khí để tránh quá trình kỵ khí xảy ra dưới đáy hồ. Mục đích nhằm giảm hàm lượng nitơ, phốtpho,.... Đồng thời hồ này còn có khả năng khử trùng nhờ ánh sáng tự nhiên. Sau đó nước được thải ra nguồn tiếp nhận. Toàn bộ lượng bùn cặn thu nhận được sau khi lên men ở bể mêtan chuyển qua sân phơi bùn làm khô đến mức độ nhất định. Bùn cặn sau đó có thể dùng cho mục đích sản xuất nông nghiệp.