Luận văn Nghiên cứu công nghệ và mô hình hoá quá trình xử lý nước thải công ty TNHH Hải Long

sẵn trong nước thải, phá trạng thái bền của hệ tạo thành các hạt có kích thước, trọng lượng lớn hơn và dễ dàng lắng xuống. Để tăng hiệu suất và rút ngắn thời gian làm việc của hệ thống lắng người ta bổ sung thêm chất trợ lắng có cấu trúc là các cao phân tử với các nhóm chức khác nhau. Chất keo tụ thông thường là muối của nhôm và sắt hoặc các dạng tồn tại khác của chúng. Hoạt động của các chất keo tụ này theo nguyên tắc sau: Khi cho chất đông tụ vào nước chúng phân ly thành các ion dương có hoá trị lớn +3, +2 các ion này một mặt hấp phụ lên bề mặt hạt keo làm giảm thế z mặt khác chúng thuỷ phân tạo thành các hiđroxit không tan tích điện dương Me(OH)nm+, các mầm hiđroxit này hấp phụ các ion tích điện trái dấu trong dung dịch tạo thành các hạt mixen dương theo cơ chế sau: Ví dụ với Me3+: Me3+ + H2O D Me(OH)2+¯ + H+ Me(OH)2+ + H2O D Me(OH)2+¯ + H+ Me(OH)2+ + H2O D Me(OH)3 ¯ + H+ (Me(OH)nm+)x dung dịch Hình I. 2: Cấu trúc hạt mixen dương Thông thường chất đông tụ được sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, sữa vôi, hoặc các dạng tồn tại khác của chúng. Ngoài ra, người ta cũng có thể sử dụng các loại bột ôxít kim loại khác cũng với mục đích tạo mầm hình thành hạt keo dương như silíc ôxít. Mỗi loại hoá chất dùng cho đông keo tụ hoạt động trong một vùng pH tối ưu khác nhau. Với phèn nhôm khoảng pH thích hợp là 5,5 - 7,5 tại khoảng pH này lượng ion nhôm tồn tại dạng Al(OH)3 đến 80-90%. Hàm lượng phèn nhôm thưởng được sử dụng trong khoảng 30 – 120 ppm tính cho hàm lượng muối nhôm khan tuỳ thuộc vào hàm lượng chất lơ lửng của từng loại chất thải. Với phèn sắt II khoảng pH ở 5 - 7,5, phèn sắt (III) khoảng pH ở 8 đến 10. I.2.1.3- Chất trợ đông tụ: Các chất này khi cho vào nước làm tăng nhanh khả năng liên kết giữa các hạt bông tạo thành các mảng bông to hơn đủ khả năng lắng và hấp phụ các chất khác trong nước. Trên thị trường các chất trợ đông tụ phổ biến là các loại santangum, polyacryamid - PAA, polyacryamid biến tính - ACCOFLOC v.v…. Có thể chia các chất này thành 3 loại theo nhóm phân ly là loại cation, anion, nonion. Các chất đông keo tụ sử dụng trong đông keo tụ nước thải thường được sử dụng với hàm lượng từ 1-15ppm tuỳ theo từng loại nước thải. I.2.2- Hướng áp dụng sinh học Mục đích của việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học là nhằm loại bỏ chất hữu cơ đặc biệt là chất hữu cơ hoà tan cũng như các dạng tồn tại của nitrơ và phốt pho. Nguyên tắc làm việc của phương pháp này là lợi dụng quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong nước sẽ sử dụng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng khác làm thức ăn và tách chất ô nhiễm ra khỏi nước thải dưới dạng bùn sinh học (xác vi sinh vật). Hiệu suất xử lý của phương pháp sinh học thường đạt 80 – 85% COD, 90 – 95% BOD, 15 – 50% nitrơ,... Vì vậy, quá trình sinh học được áp dụng để xử lý thứ cấp, xử lý triệt để ô nhiễm nước thải. Tuy nhiên, phương pháp sinh học đã bộc lộ một số nhược điểm như: Không xử lý được các hợp chất mang mầu trong nước thải. Thời gian xử lý kéo dài nên đòi hỏi phải có diện tích lớn. Tiêu tốn nhiều năng lượng vì phải thường xuyên đảm bảo ổn định điều kiện làm việc của vi sinh vật như cung cấp đủ ôxi, ổn định nhiệt độ, độ pH, chế độ thuỷ lực. Phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học quan trọng nhất là quá trình hình thành và phát triển của vi sinh vật (VSV). Thông thường VSV ở hàm lượng cao có tính co cụm thành các dạng tập hợp, tồn tại lơ lửng trong nước hoặc bám trên bề mặt của vật liệu mang (còn gọi là vật liệu đệm). Ở dạng tồn tại lơ lửng thường được sử dụng trong kỹ thuật bể sục khí aerotank, bể kị khí dòng ngược UASB sử dụng bùn hoạt tính. Ở dạng bám trên vật liệu đệm thường được sử dụng trong kỹ thuật lọc sinh học nhỏ giọt hoặc lọc sinh học với vật liệu đệm ngập trong nước (còn gọi là lọc sinh học cao tải). Tập hợp VSV lơ lửng thường không bền và có tuổi thọ ngắn, hình thành, tan rồi lại hình thành tập hợp mới rất nhanh không có tính chất đặc trưng. Ngược lại với tập hợp VSV trên bề mặt vật liệu đệm có quá trình hình thành và phát triển rất phức tạp và có tuổi thọ lớn hơn. Kỹ thuật sử dụng vật liệu mang để tạo màng VSV thường là đi kèm thông khí tự nhiên hoặc cưỡng bức. Ban đầu hình thành các cá thể VSV đơn lẻ tại các vùng lõm của bề mặt đệm tại đây ảnh hưởng của dòng lỏng và dòng khí rất ít tạo điều kiện cho VSV hiếu khí phát triển sinh khối. Lớp sinh khối ban đầu này phát triển ngày càng mạnh nhờ chất dinh dưỡng có trong nước thải và ôxi của không khí (đây là quá trình tiếp xúc 3 pha rắn- lỏng- khí). Khối VSV trong quá trình phát triển sinh ra lớp màng nhầy bao bọc. Lớp màng này có vai trò chống lại tác động của dòng chảy vì vậy chúng có tác dụng bảo vệ rất tốt, ngoài ra lớp màng nhầy này còn có tác dụng hấp phụ các chất dinh dưỡng và ôxi nuôi VSV. Nhờ được bảo vệ chắc chắn tập hợp VSV này phát triển ngày càng mạnh và lan rộng khắp bề mặt đệm gọi là màng sinh học. Khi lớp màng phát triển đầy đủ nó sẽ có một cấu trúc hoàn chỉnh đi từ ngoài vào gồm: lớp màng nhầy, lớp VSV hiếu khí, lớp VSV kị khí (do ôxi không thể khuếch tán sâu vào trong). (xem hình I.3) Lớp màng nhầy Bề mặt Lớp VSV Lớp VSV chất mang yếm khí Hiếu khí Chất hữu cơ O2 trong môi trường Lớp sinh học Màng chất lỏng môi trường Hình I. 3: Cấu trúc của màng sinh học khi phát triển đầy đủ Khi màng sinh học phát triển đầy đủ, quá trình phân huỷ ở vùng kỵ khí xảy ra mạnh làm giảm khả năng bám dính của màng lên bề mặt vật liệu mang. Quá trình này kéo dài sẽ làm bong màng khỏi vật liệu và chu kỳ hình thành lớp màng mới lại bắt đầu. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của màng: - Độ pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến quá trình ức chế hay kích thích sự phát triển của màng sinh học. Độ pH ảnh hưởng quyết định đến năng suất làm việc của màng thậm chí còn làm thay đổi chủng loại VSV tạo màng hoặc huỷ hoại màng. - Cấu trúc, bản chất của vật liệu được sử dụng làm đệm có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành và phát triển của màng. Sự bám dính của màng sinh học lên vật liệu đệm chủ yếu nhờ lực liên kết tĩnh điện giữa các nhóm phân cực của thành tế bào VSV và các nhóm phân cực hoặc ion của bề mặt vật liệu hoặc lỗ mao quản tự nhiên, bên cạnh đó còn có lực Van-dec-van, trọng lực, tính thấm ướt trong dung môi nước của vật liệu. Thông thường độ rỗng xốp, độ nhám, độ phân cực của vật liệu có ảnh hưởng quyết định đến thời gian hình thành, độ dầy, độ rộng và tuổi thọ của màng. Ngoài ra các yếu tố khác cũng tác động đến quá trình tạo màng như sức mài mòn của dòng chảy, nhiệt độ, tỉ lệ dinh dưỡng (C, N, P), chế độ cấp dưỡng khí,... I.3- Công ty TNHH Hải Long và các vấn đề cần được giải quyết Để phát triển công nghệ xử lý nước thải của ngành chế biến NLTS, luận văn đã lựa chọn nước thải của Công ty TNHH Hải long (gọi tắt là Công ty) làm đối tượng nghiên cứu. Đây là một trong các công ty điển hình vể sản xuất chế biến rong câu, sản xuất bia với quy mô khá lớn tại Hải Phòng. Nước thải của Công ty được coi là đối tượng khó trong xử lý. Dưới đây là một vài nét sơ lược về hoạt động sản xuất và chất thải của Công ty. I.3.1- Các hoạt động sản xuất của Công ty Công ty TNHH Hải Long hoạt động trong ngành sản xuất bia và chế biến nông lâm thuỷ sản. Nằm cạnh bờ sông Lạch Tray (hạ lưu của hệ thống sông Thái bình), địa chỉ của Công ty: 109 đường Trường Chinh, Kiến An, TP. Hải Phòng. Ngày đầu khởi nghiệp, Công ty sản xuất bia hơi và các loại bánh từ bột gạo, từ năm 2001 Công ty bắt đầu sản xuất agar từ nguyên liệu rong câu chỉ vàng và rong sụn. Hiện nay, công ty có xưởng sản xuất agar, xưởng sản xuất bia, xưởng sản xuất thử nghiệm thạch rong câu, xưởng sản xuất bánh rế. Vì vậy, sản phẩm của Công ty khá phong phú. Bảng I. 5: Các sản phẩm của công ty TNHH Hải Long Stt Tên gọi Đơn vị Số lượng 1 Agar Kg/ tháng 4.000 2 Bia Lít/ tháng 15.000 3 Bánh rế Cái/ tháng 30.000 “Nguồn: Báo cáo quan trắc nước thải công nghiệp – Công ty TNHH Hải Long– Trung tâm Quan trắc môi trường Hải Phòng [9]” Mỗi sản phẩm của công ty có một dây truyền công nghệ sản xuất riêng. Ở đây luận văn chỉ đề cập đến các dây chuyền công nghệ sản xuât ra các sản phẩm chính. 1- Xưởng sản xuất agar Công suất: trung bình 50 tấn/năm pH ³ 10 TSS, chất hữu cơ pH £ 6 Chất hữu cơ Rong câu Ngâm xút Giặt, rửa Thủy phân Lọc Ép khô, sấy Agar Xút Nước sạch Nước Axit citric Kiểm tra Nước thải Bã thải Công nghệ: thuỷ phân bằng axit citric. Đầu vào Sơ đồ dòng Chất thải Hình I. 4: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất agar 2- Xưởng xản suất bia Công suất: 180.000 lit/năm Nấu - đường hoá Nấu hoa Nên men chính, phụ Lọc dịch đường Tách bã Lọc bia Nước thải Nén CO2 Làm lạnh Bão hoà CO2 Chiết chai Hơi nước Nước sạch Chai sạch Nguyên liệu Đầu vào Sơ đồ dòng Chất thải Hình I. 5: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất bia hơi Chai đã sử dụng Rửa chai Khử trùng Chai sạch Nước thải Nước sạch Từ hai sơ đồ công nghệ cho thấy nguyên liệu chính của Công ty là rong câu, nước, malt đại mạch, hoa hublong, gạo, đường, nấm men,… ngoài ra, còn sử dụng các hoá chất như xút, axít citric, javen. Hình I. 6: Sơ đồ dòng công đoạn rửa chai Bảng I. 6: Nguyên liệu và hoá chất sử dụng của Công ty TNHH Hải Long Stt Tên gọi Đơn vị Số lượng/tháng 1 Rong câu Tấn 45 2 Malt Tấn 4,3 3 Gạo Tấn 2,0 4 Hoa Hublon Kg 15 5 Đường Kg 300 6 Xút Tấn 4,5 7 Javel Tấn 4,0 8 Axit citric Kg 250 I.3.2- Các vấn đề về chất thải của Công ty Các nguyên phụ liệu đi vào sản phẩm phần còn lại tồn tại ở dạng chất thải rắn và chất hoà tan cùng với hoá chất dư vào nước thải. I.3.2.1- Chất thải rắn Chất thải rắn hàng tháng của Công ty bao gồm khoảng 20.000 kg bã rong câu, 1.000 kg bã bia, bã hoa bia và một lượng lớn xỉ than. Lượng chất thải rắn này được Công ty thuê Công ty Môi trường đô thị Hải Phòng thu gom, vận chuyển và xử lý chôn lấp tại bãi rác tập trung của Thành phố Hải Phòng. I.3.2.2- Nước thải Nước thải của Công ty phát sinh từ hai nguồn với các đặc tính khác nhau: Nước thải từ xưởng sản xuất bia hơi: đây là nguồn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ với thành phần chính là tinh bột đã nấu chín, đường gluco, chất đạm hữu cơ, phốt pho hữu cơ và một lượng lớn vi khuẩn, nấm men. Nước thải này thuộc loại dễ phân huỷ ngoài ra trong nước thải còn chứa một lượng lớn chất rắn lơ lửng có nguồn gốc hữu cơ như bã bia, bột nguyên liệu,… Tuy nhiên với sản lượng bia thấp lượng nước thải sinh ra cũng không nhiều nước tính trong ngày sản xuất cao điểm lượng nước thải khoảng 30 – 40m3/ngày. Nước thải từ xưởng sản xuất agar: đây là nguồn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ hoà tan có thành phần chính là tinh bột, sắc tố của rong câu (có mầu xanh đen), đạm hữu cơ, phốt pho hữu cơ, chất rắn lơ lửng có nguồn gốc chất hữu cơ như bã rong câu và chất vô cơ như bùn đất, phù sa lẫn trong nguyên liệu. Ngoài ra, trong nước thải còn có một lượng lớn xút dư từ công đoạn tẩy trắng nguyên liệu. Xưởng sản xuất này mang lại nguồn lợi chính cho Công ty với sản lượng vào khoảng 4 tấn/tháng nên lượng nước thải sinh ra vào loại lớn đạt 700m3/ngày. Cả hai loại nước thải này được chảy chung vào một hệ thống cống trước khi thải ra môi trường. Bảng I. 7: Kết quả phân tích mẫu nước thải của công ty TNHH Hải Long Stt Ngày Mầu BOD5 (mg/l) COD (mg/l) TSS (mg/l) N.T (mg/l) Phc (mg/l) P.T (mg/l) 1 12/01/2005 263 454,7 992 361,3 123,5 4,56 15,9 2 13/01/2005 271 591,2 1650 747,3 190,7 7,03 21,0 3 14/01/2005 250 560,5 1773 1443,3 213,0 9,00 24,5 TCVN 5945-1995 cột B 50 100 100 60 4 6 Bảng I.7 cho thấy nước thải của Công ty có hàm lượng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng cao, so với tiêu chuẩn cho phép TCVN 5945-1995 hầu hết các chỉ tiêu đề vượt từ 5 đến 15 lần. Điều đó khẳng định nước thải của Công ty gây ô nhiễm nghiêm trọng và cần được xử lý đảm bảo đạt dưới tiêu chuẩn cho phép trước khi thải ra môi trường Tóm lại: Chất thải rắn là chất hữu cơ và xỉ than lượng chất thải này cơ bản không phải chất thải nguy hại dễ xử lý. Nước thải có hàm lượng hữu cơ, chất dinh dưỡng, mầu sắc và lưu lượng lớn cần được nghiên cứu xử lý đạt tiêu chuẩn thải. Đề tài luận văn là xử lý nước thải của Công ty và tập trung vào giải quyết các vấn đề sau: Xử lý triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ, chất dinh dưỡng N, P, K ở nồng độ cao. Tiết kiệm diện tích, chi phí đầu tư xây dựng, chi phí vận hành hệ thống. Đơn giản hoá quá trình vận hành hệ thống. Chương II: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM II.1- Phương pháp xác định các chỉ số của nước thải Trong quá trình làm thí nghiệm các chỉ số pH, DO, COD, BOD5 được tiến hành kiểm soát. Các thông số chất lượng nước thải đưa vào xử lý và nước đã xử lý cuối cùng được phân tích tại phòng thí nghiệm của Viện Tài nguyên và Môi trường biển. Vì vậy, sau đây chỉ trình bầy phương pháp đo nhanh các thông số pH, DO, và phương pháp phân tích COD, BOD5. II.1.1- Phương pháp đo pH pH được xác định bằng phương pháp điện cực chọn lọc với thiết bị đo nhanh hiện số EC10 (USA) và điện cực thuỷ tinh (USA). Được hiệu chuẩn với dung dịch đệm pH có các giá trị pH=7 và pH=10. II.1.2- Phương pháp đo DO Chỉ số DO được xác định bằng phương pháp điện cực chọn lọc với máy đo độ ôxi hoà tan YSI 52 (USA). Phương pháp này được hiệu chỉnh thường xuyên mỗi lần đo bằng không khí ẩm. II.1.3- Phương pháp xác định COD Phương pháp xác định COD được sử dụng là phương pháp so mầu với máy trắc quang DR/4000 (USA). Nguyên tắc của phương pháp: Sử dụng tác nhân ôxi hoá là dikalicromat với xúc tác là bạc sunfat trong môi trường axit mạnh và đun hồi lưu kín ở nhiệt độ 1500C liên tục 2 giờ. Ion Cr3+ sinh ra sau quá trình ôxi hoá được đo bằng máy trắc quang ở bước sóng 600 nm. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của phương pháp là sự có mặt của ion Cl-, NO3-. Các chất này bị loại bỏ khả năng ảnh hưởng bằng thuỷ ngân (II) sunfat và axit sunfamic dạng tinh thể tinh khiết. Dụng cụ và hoá chất: Máy trắc quang DR/4000, Lò phá huỷ mẫu COD đạt nhiệt độ 1500C, Ống thuỷ tinh Bore có nắp TFP, kích thước f = 16 mm, H = 100 mm, Hoá chất : K2Cr2O7 , Ag2SO4, H2SO4, Hg2SO4 , axit sunfamic và kali hydrophtalat, nước cất 2 lần. Dung dịch K2Cr2O7. 0,5N hoạt hoá bằng 120ml H2SO4 đặc/1000ml, Axit H2SO4 đặc có hoà tan 20g Ag2SO4/1000ml Dung dịch sunfamic 20%. Cách tiến hành: Dựng đường chuẩn: chuẩn bị dãy chuẩn bằng dung dịch gốc muối kali hidrophtalat có nồng độ chính xác được pha như sau: sấy muối kali hidrophtalat tinh khiết ở nhiệt độ 1230C đến khối lượng không đổi sau đó cân chính xác 430mg và pha loãng đến 500ml, được dung dịch gốc tương ứng với COD bằng 1000mgO2/lít để lạnh dùng được 3 tháng. Dãy chuẩn được pha theo thứ tự từ trái sang phải và lượng các chất như bảng II.1 với ống thuỷ tinh Bore đã rửa sạch và sấy khô: Bảng II. 1: Pha dãy chuẩn phân tích COD Stt H2SO4 tinh thể (mg) K2Cr2O7. 0,5N (ml) Dung dịch chuẩn (ml) H2SO4 đặc có Ag2SO4. (ml) COD được pha (mgO2/l) 1 40 3 2 3 0 2 40 3 2 3 50 3 40 3 2 3 100 4 40 3 2 3 200 5 40 3 2 3 400 6 40 3 2 3 600 7 40 3 2 3 1000 Trộn đều và đem công pháp ở nhiệt độ 1500C trong 2 giờ bằng máy phá huỷ mẫu COD chuyên dùng. Để nguội đến nhiệt độ phòng và đo ở bước sóng 600nm. Dựng đường chuẩn quan hệ giữa COD biết trước và độ hấp phụ ánh sáng bằng phần mềm cài đặt sẵn trong máy DR/4000. Phân tích mẫu: Mẫu được pha loãng (nếu cần thiết) để đưa về trong khoảng 0 – 1000 mg/l. Thao tác tương tự như khi dựng đường chuẩn. Khi đo bằng máy DR/4000 có nhớ sẵn đường chuẩn vừa dựng, chỉ cần gọi lại chương trình đã cài đặt và đo độ hấp thụ quang, số hiển thị là mgO2/l. Độ chính xác của phương pháp: theo tài liệu Standard method –USA thì độ chính xác của phương pháp này đạt 93 – 95 %. II.1.4- Phương pháp xác định BOD5 BOD là lượng ôxi đã tiêu hao do các hoạt động ôxi hoá các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Nguyên tắc phương pháp: Xác định BOD là xác định sự sai khác DO của mẫu song song: mẫu thứ nhất trước khi có sự hoạt động của vi sinh vật và mẫu thứ hai sau khi có sự hoạt động của vi sinh vật. Thường quy ước xác định ủ 5 ngày ở nhiệt độ 200C trong phòng tối (tránh quang hợp), kí hiệu là BOD5. Dụng cụ hoá chất: Tủ ủ ấm BOD – HACH (USA), Máy đo độ ô xi hoà tan YSI 52 (USA), Máy sục khí bão hoà ôxi, Chai chuyên dùng cho mẫu BOD 250ml có cổ, nút nhám, Nước cất 2 lần, Dung dịch đệm phốt phát: cân 8,5g KH2PO4, 21,75gK2HPO4, 33,4g Na2HPO4 . 7H2O và 1,7g NH4Cl pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch MgSO4: 22,5 g MgSO4 .7H2O pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch CaCl2: 27,1 g CaCl2 khan pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch FeCl3: 0,25g FeCl3. 6H2O pha thành 1 lít dd với nước cất, Dung dịch HCl. 1N, NaOH. 1N, Dung dịch Na2SO3 0,025N, Dung dịch nước cấy mầm vi khuẩn (từ nước thải sinh hoạt), Cách tiến hành: Chuẩn bị dung dịch pha loãng: Nước cất bão hoà ôxi: sử dụng nước cất 2 lần và sục khí kết hợp lắc liên tục trong 30 giờ ở 200C. Thêm các chất môi trường: Thêm 1ml mỗi loại các dung dịch hoá chất gồm đệm phốt phát, magiê sunfat, canxi clorua, sắt III clorua vào nước cất bão hoà ôxi rồi định mức đến 1 lít. Bổ sung vi sinh vật bằng 1 – 2ml nước thải sinh hoạt chưa xử lý cho 1 lít nước dung dịch pha loãng. Pha loãng nước mẫu: Sử dụng dịch pha loãng để pha loãng mẫu sao cho BOD trong mẫu đem phân tích vào khoảng 20–25 mgO2/l. Bằng cách ước lượng BOD bằng khoảng 50% COD. Cho V ml mẫu vào dung dịch pha loãng và định mức đến 1 lít. rót nước mẫu đã pha loãng vào 2 chai BOD dung tích 250 ml (rửa sạch bằng nước cất) sau khi đã sử dụng chính dung dịch này tráng ít nhất 2 lần. Một chai được đo DO sau khi để ổn định 15 phút và một chai được do DO sau 5 ngày ủ trong tủ BOD ở nhiệt độ 200C. Tính toán kết quả: BOD5 được tính theo công thức: BOD5 = (mgO2/l) (2.1.1) Trong đó: D1: DO của mẫu pha loãng sau 15 phút (mg/l), D2: DO của mẫu pha loãng sau khi ủ 5 ngày (mg/l), V: thể tích mẫu đem pha loãng (ml), B1: DO của nước pha loãng sau 15 phút (mg/l), B2: DO của nước pha loãng sau khi ủ 5 ngày (mg/l), V1: thể tích chất lỏng bổ sung vi khuẩn cho D1, V2: thể tích chất lỏng bổ sung vi khuẩn cho B1, II.2- Phương pháp tính II.2.1- Xác định hiệu suất và năng suất xử lý COD Hiệu suất xử lý COD của quá trình lắng đông keo tụ: (2.2.1) Trong đó: H Là hiệu suất ( %) CODv nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng vào - mg/l CODr nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng ra - mg/l Năng suất xử lý COD của tháp lọc sinh học cùng chiều: Mxl = 103.Q(CODv - CODr)/Vd (kgO2/m3.h) (2.2.2) Trong đó: Q lưu lượng dòng vào - m3/h CODv: nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng vào - mg/l CODr: nhu cầu ô xi hoá hoá học của dòng ra - mg/l Vd: Thể tích toàn phần của lớp đệm - m3 Vd = 3,14 . (D/2)2 . H D: đường kính tháp lọc - m H: chiều cao lớp đệm - m Do thể tích của mô hình tháp lọc nghiên cứu nhỏ (khoảng 15 lít) chỉ tiến hành phản ứng gián đoạn theo mẻ. Tuy nhiên, muốn duy trì chế độ thuỷ lực chúng tôi đã áp dụng biện pháp bơm tuần hoàn mẫu và coi toàn bộ thể tích của mô hình (gồm cả thể tích đường ống, máy bơm và tháp lọc) là thể tích làm việc của tháp. Khi đó Q không còn ý nghĩa trong công thức (2.2.2). năng suất của quá trình được tính bằng công thức sau: Mxl = 10-3.VMH(CODtr – CODs)/Td.Vd (kgO2/m3.h) (2.2.3) Trong đó: VMH: Tổng thể tích của mô hình - m3 CODtr: Nhu cầu ô xi hoá hoá học trước phản ứng - mg/l CODs: Nhu cầu ô xi hoá hoá học sau phản ứng - mg/l Td: Thời gian lưu (thời gian phản ứng) - h II.2.2- Xác định tốc độ phát triển của màng vi sinh vật Lớp màng vi sinh phát triển trên bề mặt vật liệu lọc theo thời gian được tính theo công thức: (2.2.4) Trong đó: Vvsv : tốc độ phát triển của màng vi sinh vật, Avsv2 : mật độ VSV trên bề mặt đệm VSV/cm2 tại thời điểm sau, Avsv1 : mật độ VSV trên bề mặt đệm VSV/cm2 tại thời điểm trước, Dt : khoảng thời gian giữa các lần xác định mật độ VSV. II.3- Đặc tính nước thải của công ty TNHH Hải Long Theo tài liệu quan trắc của Trung tâm Quan trắc môi trường tháng 12 năm 2004, nước thải của công ty TNHH Hải Long có các đặc tính sau: II.3.1- Lưu lượng của nước thải - Mức độ thải vào loại lớn ở mức sản xuất ổn định mùa đông là 1000 m3/ngày còn vào mùa hè còn lớn hơn vì sản lượng bia hơi tăng gần gấp 2 lần. - Mức độ dao động trong ngày lớn, cao nhất đến 47 m3/h thấp nhất là 15m3/h và trung bình là 25-30 m3/h. II.3.2- Tính chất của nước thải Nước thải của Công ty được cấu thành từ 2 nguồn đó là nguồn từ xưởng sản xuất bia hơi tính chất của nguồn thải này là pH thấp cỡ 6, nhiều chất hữu cơ và giàu vi sinh vật; nguồn thải thứ 2 là nguồn từ xưởng sản xuất agar tính chất của nguồn thải này là có pH thay đổi rộng thấp nhất cỡ 4, cao nhất cỡ 13 đặc biệt là nước ngâm- tẩy trắng nguyên liệu; nhiều chất hữu cơ hoà tan và nghèo vi sinh vật. Tuy nhiên, hai nguồn thải này đi chung trong một hệ thống cống thải lên đã trung hoà bớt kiềm tính của nguồn thứ hai pH cao nhất là 10,3 thấp nhất là 5,5. Trong dây chuyền công nghệ sản xuất agar có công đoạn tẩy trắng bằng dung dịch xút đậm đặc. Trong môi trường này tinh bột bị biến tính và có tính chất hoạt động bề mặt, do đó khi sục khí nước thải sẽ có khả năng tạo bọt tốt. II.4- Phương pháp mô tả thống kê, tối ưu hoá thực nghiệm Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố độc lập đến hàm mục tiêu chúng tôi sử dụng phương pháp mô hình thống kê. Lập mô hình thống kê nghiên cứu quá trình công nghệ hoá học ta cần thực hiện theo các bước sau: xác định hệ; xác định cấu trúc hệ; xác định các thông số của mô hình mô tả hệ; kiểm tra tính tương hợp các mô tả đó và cải tiến nếu cần. II.4.1- Xác định hệ Xác định các yếu tố tố độc lập ảnh hưởng đến hệ. Số yếu tố ảnh hưởng là F: F = FĐK + FH (2.4.1) Trong đó: FĐK - bậc tự do điều khiển; FH - bậc tự do hình học. Trong thực tế, tuỳ theo yêu cầu của người nghiên cứu chỉ cần chọn k (k£F) yếu tố ảnh hưởng lên một hàm mục tiêu y. Hàm mục tiêu y thường là chỉ tiêu công nghệ hoặc chỉ tiêu kinh tế. II.4.2- Xác định cấu trúc hệ Hệ công nghệ hoá học được xem là hộp đen với k các yếu tố đầu vào (bao gồm các tác nhân, nguyên liệu, xúc tác, điều kiện môi trường) và n các yếu tố đầu ra đó là các hàm mục tiêu. II.4.3- Xác định các hàm toán mô tả hệ Hàm toán mô tả hệ là hàm hồi quy thực nghiệm còn gọi là mô hình thống kê: (2.4.2) trong đó: là hàm mục tiêu, bj, bju, bjj là hệ số hồi quy thực nghiệm, xj, xu là các biến mã hoá, k là số biến khảo sát. Phương trình này là dạng tông quát của mô hình thống kê mô tả đối tượng nghiên cứu. II.4.4- Xác định các thông số của mô hình thống kê Các thông số của mô hình thống kê cần xác định chính là các hệ số hồi quy thực nghiệm b từ N thực nghiệm theo công thức: (2.4.3) (2.4.4) Kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số bj theo công thức: tbj ³ tp,f2 Trong đó: tp,f2 là giá trị tra bảng của chuẩn số Student ở mức có nghĩa p và bậc tự do lặp f2 = m - 1 (xem phụ lục ). tbj là chuẩn số Student của hệ số bj được xác định theo công thức: vậy, tbj ³ tp,f2 trong đó: (2.4.5) trong đó: (2.4.6) yoa là giá trị của hàm mục tiêu ở thực nghiệm thứ a tại tâm, là giá trị trung bình của m thực nghiệm tại tâm kế hoạch: . (2.4.7) Chỉ có các b có nghĩa (khác 0) mới xuất hiện trong phương trình hồi quy, các hệ số không có nghĩa (bằng 0) sẽ bị loại bỏ. Các hệ số b có nghĩa không phải tính toán lại bởi vì kế hoạch bậc một có tính trực giao. II.4.5- Kiểm tra tính tương hợp của mô hình Sử dụng chuẩn số Fisher để kiểm tra tính tương hợp của mô hình Nến Ftính < Ftra bảng mô hình tương hơp với bức tranh thực nghiệm nhưng cần cải tiến tìm vùng hầu như ổn định để có điểm tối ưu. Nếu Ftính > Ftra bảng mô hình không tương hợp cần phải tiến hành thực nghiệm ở bậc cao hơn. II.5- Phương pháp xác lập mô hình vật lý Việc xây dựng mô hình vật lý mô tả quá trình công nghệ hoá học dựa trên định lý p của Buckingham và phương pháp phân tích thứ nguyên hiện đại. Định lý p được phát biểu như sau: Nếu có n (n £ F+1) các đại lượng đặc trưng có thứ nguyên và không thứ nguyên tuân theo phương trình toàn phần (là phương trình có dạng không đổi khi đơn vị đo của các đại lượng thay đổi): j (x1, x2, ...,x3, ..., xn) = 0 (2.5.1) thì luôn luôn có thể đưa phương trình này về dạng. F (p1, p2, ..., pj, ... pp’) = 0 (2.5.2) trong đó p1, p2, ..., pp’ (p’= n – r) - đại lượng đặc trưng không thứ nguyên chuẩn số được xác định theo công thức pj = , (2.5.3) Các bước tiến hành xây dựng mô hình vật lý mô tả hệ. II.5.1- Xác định các đại lượng công nghệ độc lập Khi nghiên cứu quá trình công nghệ hoá học bao giờ cũng đặt ra một hoặc hai yếu tố là mục tiêu nghiên cứu của hệ và các yếu tố ảnh hưởng độc lập khác. Về số lượng các yếu tố công nghệ độc lập được xác định nhờ bậc tự do theo công thức F = FĐK + FNT + FH Trong đó FĐK là bậc tự do điều khiển hay số lượng các yếu tố công nghệ độc lập điều khiển hệ: đây là các đại lượng đặc trưng cho đầu vào của hệ như lưu lượng, nhiệt độ, khối lượng riêng, hàm lượng chất tan,... của các dòng vật chất tham gia vào hệ FNT là bậc tự do nội tại hay số lượng các yếu tố công nghệ độc lập đặc trưng cho nội tại của hệ. FH là bậc tư do hình học số lượng các yếu tố công nghệ đặc trưng cho các thông số kích thước hệ. II.5.2- Xác định các chuẩn số Các chuẩn số đơn giản: được thiết lập từ các đại lượng không thứ nguyên, các đại lượng có cùng thứ nguyên, và các đại lượng có thứ nguyên dễ dàng biểu diễn bởi sự kết hợp của một vài thứ nguyên của đại lượng khác có trong mô tả hệ. Các chuẩn số phức hợp còn lại được xác định bằng cách lập ma trận thứ nguyên (air) từ các đại lượng còn lại và giải hệ phương trình. (aip)(kij) = 0 (2.5.4) II.5.3- Xác lập mô tả quan hệ chuẩn số và các thông số mô hình Mô tả quan hệ giữa các đại lượng độc lập đến mục tiêu nghiên cứu bằng thiết lập hàm quan hệ chuẩn số có dạng pj = C (2.5.5) Trong đó: pj là chuẩn số của đại lượng mục tiêu pu là chuẩn số của các đại lượng ảnh hưởng độc lập C và au là các tham số của mô hình cần xác định Bằng thực nghiệm theo kế hoạch 2k với các mức trên và mức dưới của pu ta sẽ xác định được C và au thông qua giải hệ phương trình tuyến tính logarit dạng lg(pj) = lgC + (2.5.6) Số ẩn số là u+1 vì vậy muốn giải được phương trình cần ít nhất u+1 thí nghiệm để có u+1 phương trình. II.6- Sơ đồ thí nghiệm Theo bảng phân tích số liệu chất lượng nước thải của Công ty và cơ sở lý thuyết của công nghệ xử lý nước thải đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu. Nước thải của Công ty cần được kết hợp các phương pháp khác nhau để xử lý đạt hiệu quả trên cơ sở thoả mãn: Công nghệ xử lý hiện đại; Chi phí đầu tư thấp, hiệu quả xử lý cao; Giá thành xử lý thấp; Diện tích xây dựng vừa phải; Quy trình vận hành đơn giản; Nước sau xử lý đạt dưới TCVN 5945-1995 cột B. Để đáp ứng được các yêu cầu đó chúng tôi chọn phương án Công nghệ như sau: Thuỷ lực – Hoá lý – sinh học Thuỷ lực: được áp dụng ngay ban đầu nhằm loại bỏ các phần cặn thô, rác lẫn trong nước kết hợp giữa bể lắng nghiêng và song chắn rác. Hoá lý: được áp dụng tách các hạt lơ lửng khó tồn tại dưới dạng hệ keo chủ yếu là xenlulo sinh ra từ quá trình thuỷ phân rong câu, đây là loại chất hữu cơ khó phân huỷ bằng sinh học. Phương pháp hoá lý được áp dụng là đông keo tụ có sử dụng chất trợ lắng Poliacryamit. Sinh học: được áp dụng để loại bỏ hầu hết các chất hữu cơ hoà tan trong nước. Phương pháp này dựa trên quá trình ôxi hoá các chất hữu cơ bằng quá trình ôxi hoá sinh học với sự hoạt động của các vi sinh vật. Quy trình công nghệ: Bể lắng, song chắn rác Thiết bị - lọc sinh học, sục khí Thiết bị - lắng thứ cấp Thiết bị - lắng đông keo tụ Nước thải Nước đã xử lý CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1- Giai đoạn xử lý sơ cấp đông keo tụ: III.1.1- Tiến hành thực nghiệm Dụng cụ: Thùng khuấy bằng nhựa PVC f 110 dung tích 2 l, với dung tích làm việc 1 l, tỉ số H/D = 2 Máy khuấy tốc độ vòng tối đa 200 vòng/phút Cánh khuấy dạng bản nghiêng 450, d =35 mm; h =10 mm Ống đong 1000ml Pipet: 2ml, 10ml Máy đo pH EC 30 Hach (USA) Đồng hồ Hoá chất: Chất đông tụ PAC, phèn Al2(SO4)3 thương phẩm 97%, FeCl3 ; Chất trợ keo tụ A 101, N 106; Axit H2SO4 đặc; NaOH. 5N. Các bước tiến hành Chuẩn bị dụng cụ, hoá chất; Đồng nhất mẫu: Để đảm bảo cùng điều kiện tiến hành thí nghiệm giữa các lần lấy mẫu khác nhau, mẫu nước thải trước khi xử lý được đưa về chất lượng mẫu trung bình trên cơ sở kết quả phân tích đã được Trạm quan trắc thực hiện (tháng 12 năm 2004), bằng cách pha loãng hoặc cô mẫu trong phòng hút ẩm. Thông số được lựa chọn đánh giá hiệu suất thí nghiệm là COD và TSS; Điều chỉnh pH Khuấy trộn nhanh 200 v/phút, tạo chuyển động chảy xoáy với = 245 > 30. Thêm chất đông tụ; Khuấy trộn nhanh 1-5 phút; Thêm chất trợ keo tụ; Khuấy trộn chậm 20 v/phút khoảng 5-10 phút, tạo chuyển động dòng với Rek = 24,5 < 30. Để lắng tĩnh từ 20 đến 40 phút; Kiểm tra hiệu suất quá trình đông tụ Hiệu suất quá trình lắng đông tụ được kiểm tra qua sự giảm chỉ số COD. Lập kế hoạch thực nghiệm Theo phân tích trong phần trên nước thải của Công ty có pH trung bình trong khoảng 8,2 – 8,5, nên polyaluminiumclorua - PAC thương phẩm đã được chọn sử dụng để xử lý đông keo tụ sau khi điều chỉnh pH của nước thải về khoảng 6,5-7 bằng dung dịch H2SO4. Chất lượng nước thải trước khi xử lý đảm bảo ổn định ở TSS = 200-250 mg/l, COD = 1200-1250 mg/l. Theo các tài liệu cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến quá trính đông keo tụ gồm: độ pH, chế độ khuấy trộn, chất đông tụ và hàm lượng, chất trợ keo tụ và hàm lượng ,... Với độ pH đã có các nghiên cứu chỉ ra vùng tối ưu cho từng loại chất đông tụ vì vậy chúng tôi cố định pH đối với mỗi chất đông tụ được nghiên cứu. Ở đây các yếu tố ảnh hưởng độc lập được chọn là hàm lượng chất đông tụ, hàm lượng chất trợ keo tụ, thời gian phản ứng đông tụ. Bằng các thí nghiệm khảo sát sơ bộ với các chất đông tụ FeCl3, FeCl2, Al2(SO4)3, PAC và các chất trợ keo tụ A101, N106 ở các điều kiện và nồng độ được cho là tối ưu chúng tôi thấy rằng đối với nước thải của Công ty khả quan nhất là sử dụng PAC kết hợp với A101. Kế hoạch thực nghiệm được lựa chọn là kế hoạch bậc một hai mức tối ưu ba biến, khoản nghiên cứu như trong Bảng III.1. Bảng III. 1: Xác định khoảng thực nghiệm lắng đông keo tụ Yếu tố ảnh hưởng Đơn vị Mức dưới Mức trên Nồng độ PAC mg/l 30 60 Nồng độ A101 mg/l 1 4 Thời gian phản ứng đông tụ phút 1 5 Các điều kiện biên giữ ổn định như sau: pH= 6,5 Thể tích mẫu 1 lít Thời gian keo tụ 10 phút Nhiệt độ nước thải 250C Thời gian lắng tĩnh 30 phút Chế độ trong phản ứng đông tụ 200 vòng/phút, Chế độ khuấy trong quá trình keo tụ tạo bông 20 vòng/phút, Phương trình hồi quy có dạng bậc 1: (3.1.1) = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1.x2 + b13x1.x3 + b23x2.x3 + b123x1.x2.x3 trong đó ta có hàm mục tiêu là hiệu suất xử lý COD, x1, x2, x3 là các biến mã hoá thay cho các biến thực Z1, Z2, Z3. Vậy, ta có mô hình thống kê ứng với hàm mục tiêu cần được xác định. III.1.2- Kết quả nghiên cứu Kế hoạch thực nghiệm được thực hiện với hai mức trên và dưới của các yếu tố như như trong bảng III.2. Bảng III.2: Mã hoá các yếu tố ảnh hưởng Yếu tố ảnh hưởng Ký hiêu biến Z max Z min DZ Z0 Hàm lượng PAC (mg/l) Z1 60 30 15 45 Hàm lượng A101(mg/l) Z1 4 1 1,5 2,5 Thời gian phản ứng đông tụ (phút) Z3 5 1 2 3 Kết quả nghiên cứu quá trình lắng đông keo tụ được thể hiện trong bảng III.3. Bảng III.3: Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết quả thí nghiệm Stt Z1 Z2 Z3 x0 x1 x2 x3 yi % COD 1 60 4 5 + + + + 42,3 2 30 4 5 + - + + 35,4 3 60 1 5 + + - + 29,5 4 30 1 5 + - - + 27,3 5 60 4 1 + + + - 37,6 6 30 4 1 + - + - 35,2 7 60 1 1 + + - - 27,6 8 30 1 1 + - - - 28,5 9 45 2,5 3 0 0 0 0 33,5 10 45 2,5 3 0 0 0 0 34,2 11 45 2,5 3 0 0 0 0 34,5 Qua tính toán cụ thể ta được (xem phụ lục) - Các hệ số hồi quy: b0= 32,93; b1=1,33; b2 = 4,70; b3 = 0,70; b12 = 1,00; b13 = 0,95; b23 = 0,52; b123 = 0,18 - Giá trị trung bình của kết quả thí nghiệm tại tâm kế hoạch: yo tb = 34,07 Các hệ số hồi quy chỉ có nghĩa khi = 0,78 Vậy, các hệ số b có nghĩa là: b0, b1, b2, b12, b13. Phương trình hồi quy thực nghiệm có dạng: Y^= 32,93 + 1,33x1 + 4,7x2 + 1,00x1x2 + 0,95x1x3 (3.1.2) Bảng III.4: Tính giá trị phương sai dư Stt x1 x2 x3 x1x2 x1x3 yi y^i = (yi - y^i)2 1 + + + + + 42,30 40,90 1,96 2 - + + - - 35,40 34,35 1,1025 3 + - + - + 29,50 29,50 0 4 - - + + - 27,30 26,95 0,1225 5 + + - + - 37,60 39,00 1,96 6 - + - - + 35,20 36,25 1,1025 7 + - - - - 27,60 27,60 0 8 - - - + + 28,50 28,85 0,1225 Sdư = Chuẩn số Fisher F = 3,46 Chuẩn số Fisher tra bảng Fp,f1,f2 = 19,4 Như vậy Ftính < Fp,f1,f2 Kết luận mô thống kê tương hợp với bức tranh thực nghiệm. III.1.3- Thảo luận Tìm điểm tối ưu của mô hình thực nghiệm, bằng phương pháp giải tích Giải hệ phương trình: 1,33 + x2 + 0,95 x3 = 0 4,7 + x1 = 0 0,95 x1 = 0 ó Ảnh hưởng của chế độ khuấy trộn không lớn nên khi chọn chế độ công nghệ tối ưu chỉ tập trung và 2 thông số đó là hàm lượng PAC và hàm lượng A101. giải hệ phương trình: (3.1.3) x2 = - 1,33 x1 = - 4,7 1,33 + x2 = 0 4,7 + x1 = 0 ó y^= 32,93 + 1,33*(-4,7) + 4,7*(-1,33) + 1,00*(-4,7)*(-1,33) = 26,679 đây là giá trị cực tiểu của hiệu suất tách ứng với Z1= 25 mg/l PAC, Z2= 0 mg/l A101 . Qua phương trình hồi quy nhận thấy: Y^= 32,93 + 1,33x1 + 4,7x2 + 1,00x1x2 + 0,95x1x3 Khi tăng hàm lượng PAC (x1) và A101 (x2) trong vùng nghiên cứu hiệu suất tách COD của quá trình tăng theo (ảnh hưởng dương). Ảnh hưởng của việc thay đổi hàm lượng A101 mạnh gấp 3,5 lần PAC. Ngoài ra trong phương trình hồi quy còn xuất hiện hệ số tác động kép x1 với x2; x1 với x3 chứng tỏ các thông số công nghệ có tác động tương hỗ lên sự thay đổi của nhau, đây là sự tác động tương hỗ cùng chiều. Ảnh hưởng của sự thay đổi thời gian phản ứng đông tụ trong vùng nghiên cứu là ảnh hưởng dương nhưng không lớn, chỉ xuất hiện với vai trò tương hỗ cùng chiều với sự thay đổi hàm lượng PAC. Khi tăng hàm lượng PAC cần phải tăng cùng sự khuấy trộn. Điều này phù hợp với lý thuyết vì với hàm lượng lớn của chất đông tụ khi khuấy trộn mạnh sẽ phân tán tốt vào dung dịch làm tăng hiệu suất quá trình. Trên quan điểm tăng hiệu suất và giảm giá thành xử lý, đã nhận thấy rằng việc tăng hiệu suất tách bằng cách tăng hàm lượng chất PAC và A101 sẽ làm tăng giá thành. Vì vậy, việc lựa chọn điểm tối ưu là hiệu suất tách cao và giá thành xử lý có thể chấp nhận được. Hiện nay trên thị trường giá của PAC và A101 thương phẩm như sau: PAC: 10.000 đồng/kg. (10 đồng/gam) A101: 25.000 đồng/kg. (25 đồng/gam) Bài toán chi phí lợi ích được thể hiện trong bảng III.5. Bảng III.5: So sánh giữa giá thành và hiệu suất tách Thống số Biến TN1 TN2 TN3 TN4 TN ở tâm Hàm lượng PAC (mg/l) Z1 60 30 60 30 45 Hàm lượng A101(mg/l) Z1 4 4 1 1 2,5 Giá thành (đồng/m3) 700 400 625 325 462,5 Hiệu suất tách (% giảm COD) theo phương trình Y^ 40,90 34,35 29,50 26,95 32,93 Qua bảng dễ nhận thấy ở TN2 ứng với hàm lượng PAC 30mg/l, A101 4mg/l hiệu quả xử lý cao thứ 2 và giá thành là thấp nhất. Vậy chọn đây là chế độ công nghệ thích hợp để đạt hiệu suất tách tối ưu. Y^tu = 32,93 + 1,33(-1) + 4,7(1) + 1,00(-1)(1) + 0,95(-1)(-0,5) = 36,25 Tiến hành thực nghiệm tại chế độ công nghệ đã chọn thu được kết quả như sau: ytu1 = 35,4; ytu2 = 38,2; ytu3 = 37,2 (ytu1- y^tu) /y^tu = 0,023 ; (ytu2- y^tu) /y^tu = 0,053; (ytu3- y^tu) /y^tu = 0,026. Sai số trung bình : 0,034 III.2- Giai đoạn xử lý thứ cấp - Xử lý sinh học nước mẫu không khí D H nước tuần hoàn III.2.1- Tiến hành thực nghiệm: Bơm tuần hoàn Trong khuôn khổ đề tài luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ không đủ điều kiện tiến hành các nghiên cứu sâu, đề cập đến nhiều yếu tố ảnh hưởng. Do vậy, mục tiêu nghiên cứu là năng suất xử lý chất hữu cơ bằng tháp lọc sinh học ba pha cùng chiều (nước, khí nén) trên một loại vật liệu đệm là đất nung vì vật liệu này đáp ứng được yêu cầu phân cực, có độ nhám tốt, bền vật lý, hoá học và quan trọng là có nguồn gốc tự nhiên dễ sản xuất, không độc với VSV. Hình III. 1: Sơ đồ thí nghiệm lọc sinh học Tháp lọc sinh học ba pha cùng chiều được lựa chọn nghiên cứu xử lý sinh học vì nó có các ưu điểm sau: Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành; Bề mặt riêng của đệm được sử dụng tối đa và có thể xác định được; Khi lưu lượng nước thải nhỏ vẫn đảm bảo quá trình thấm ướt toàn bộ bề mặt đệm. Chuẩn bị mô hình thí nghiệm qua các bước sau: Dụng cụ: Bơm nén khí màng 70 l/phút Bơm nước 16 lít/phút Ống nhựa PVC f 200 Vật liệu đệm bằng đất nung dạng trụ tròn rỗng giữa Hoá chất: K2HPO4 công nghiệp KH2PO4 công nghiệp Đạm ure Cách tiến hành thí nghiệm: Chuẩn bị mô hình thí nghiệm (lắp đặt mô hình như Hình III.1) Phân tích chỉ số COD, N. tổng, P. tổng nước mẫu đầu vào. Điều chỉnh tỉ lệ COD: N : P = 100 : 5 : 1. cố định nhiệt độ môi trường bằng nhiệt kế và điều chỉnh máy điều hoàn nhiệt độ, sai lệch ± 20C. Tạo màng sinh học bằng cách vận hành hệ thống với hỗn hợp nước thải thành phố và nước mẫu 10 ngày. Điều chỉnh các yếu tố công nghệ độc lập khác theo kế hoạch thực nghiệm. Kết thúc thí nghiệm kiểm tra COD và Mật độ vi sinh vật trên vật liệu đệm. III.2.2- Xây dựng phương trình chuẩn số Qua một số thí nghiệm thăm dò [5,6,7,8] đã nghiên cứu trước đây lựa chọn các đại lượng công nghệ độc lập: Dòng nước thải vào: Mật độ tưới của tháp - L : kg/m2.h Hàm lượng chất hữu cơ (COD) - Mhc : kgO2/m3 Nhiệt độ nước thải - Tl : 0C Khối lượng riêng nước thải - rl : kg/m3 Dòng không khí vào: Lưu lượng không khí - K : kg/m2.h Nhiệt độ không khí - Tk : 0C Hàm lượng ôxy trong khí - xo : m3/m3 khối lượng riêng của không khí - rk : kg/m3 Nội tại đặc trưng cho hệ tháp lọc: Đường kính hạt đệm - d : m Chiều cao hạt đệm - h : m Đường kính tháp - D : m Chiều cao lớp đệm - H : m Bề mặt riêng của đệm - A : m2/m3 Thể tích riêng của đệm - V0 : m3/m3 Thời gian lưu thuỷ lực -Td : h Mật độ VSV trên bề mặt đệm -Avsv : số VSV/m2 Tổng số có 16 đại lượng độc lập. Đại lượng phụ thuộc mà ta cần xét là: năng suất xử lý chất hữu cơ theo thể tích đệm và thời gian xử lý tính qua COD kí hiệu – Mxl có đơn vị kgO2/m3.h Mxl = 10-3.VMH(CODtr – CODs)/Td.Vd (xem mục II.2) Tìm các chuẩn số đơn giản: pVo= V0; pxo= xo; ph= ; pH= ; pD= ; pA=Ad; pTl= ; pK=; prl= ; pMhc=; pAvsv=Avsv.d2 Chuẩn số của các đại lượng phụ thuộc pMxl= ; Số chuẩn số đơn giản là: 11 Các đại lượng độc lập còn lại là n = 5 lập thành ma trận thứ nguyên Bảng III.6: Ma trận thứ nguyên I r x1 X2 x3 x4 X5 rk L Tk Td D L -3 -2 0 0 1 M 1 1 0 0 0 q 0 0 1 0 0 T 0 -1 0 1 0 Hạng của ma trận thứ nguyên r’ = 4 số chuẩn số phức hợp là p = n - r’ = 5 - 4 = 1 Tìm các kij bằng các giả hệ phương trình: [aip] [kij] =0 Khi j=1 chọn k11=1, giải ra ta có: k21=-1, k51=1, k31=0, k41=-1 Ta có chuẩn số phức hợp có dạng: pd = Xét quan hệ giữa hiệu suất xử lý chất hữu cơ Mxl với các đại lượng công nghệ độc lập có các chuẩn số đơn giản từ pVo đến pMhc, pMxl= , và chuẩn số phức hợp pd = . Xác lập mô tả Sự phụ thuộc của năng suất xử lý COD vào các chuẩn số được mô tả bằng phương trình sau: = C (V0)a1 ()a2 ()a3 ()a4 (Ad)a5 ()a6 ()a7 ()a8 ()a9 (xo) a10() a11 (3.2.1) Ở điều kiện đẳng nhiệt có thể bỏ qua thông số nhiệt độ Tl/Tk xấp xỉ bằng 1, hàm lượng ôxi trong không khí, tỉ số hầu như không đổi do quá trình tiến hành ở những nhiệt độ ổn định và hàm lượng ổn định. Vì vậy, có thể chập vào hằng số C. Viết lại phương trình chuẩn số sau: = C(V0)a1()a2()a3()a4(Ad)a5()a6()a7()a8 (3.1.2) Do điều kiện tiến hành thí nghiệm chưa thay đổi được loại đệm khác, chưa khống chế được mật độ vi sinh vật nên các chuẩn số V0, D/d, h/d và Avsv.d2 được coi là hằng. Và mô hình còn lại là: = C ()a1 ()a2 ()a3 ()a4 (3.1.3) Logarit hoá hai vế của hai phương trình trên ta được: (3.1.4) lg()= lgC + a1.lg() + a2.lg() + a3.lg() + a4.lg() đặt ai = lg()i; bi = lg()i; ci = lg()i; di = lg()i; ei = lg()i trong đó: i là số thứ tự của thí nghiệm, i = ; n: số thí nghiệm độc lập Mỗi thí nghiệm ứng với một bộ giá trị của H, K, L, Mhc, Td sẽ nhận được một giá trị Mxl và từ đó sẽ được một bộ hệ số a,b,c,d,e của hệ phương trình tuyến tính. Trong phương trình logarit có 5 ẩn số, vậy số phương trình cần phải lập là 5 ứng với 5 thí nghiệm độc lập ta sẽ có hệ phương trình: a1 = lgC + b1.a1 + c1.a2 + d1.a3 + e1.a4 a2 = lgC + b2.a1 + c2.a2 + d2.a3 + e2.a4 a3 = lgC + b3.a1 + c3.a2 + d3.a3 + e3.a4 a4 = lgC + b4.a1 + c4.a2 + d4.a3 + e4.a4 a5 = lgC + b5.a1 + c5.a2 + d5.a3 + e5.a4 Giải hệ phương trình trên ta được C, a1, a2, a3, a4 Các đại lượng công nghệ không đổi gồm. d =0,0142 m; d’ = 0,0103 m; h = 0,0151 m; A = 939 m2/m3; V0 = 0,229 m3/m3; D = 0,19 m; Tl = Tk = 220C; rk = 1,206 kg/m3; rl = 1001 kg/m3; x0 = 0,20 m3/m3. III.2.2- Kết quả nghiên cứu Quá trình thực nghiệm và kết quả được trình bầy trong bảng phụ lục II Kết quả thực nghiệm với 5 thí nghiệm ta được mô hình mô tả ảnh hưởng của các đại lượng công nghệ nghiên cứu đến năng suất xử lý COD của tháp lọc sinh học dòng cùng chiều với vật liệu là đệm đất nung như sau: Ma trận các đại lượng điều khiển hệ Bảng III.7: Ma trận các đại lượng điều khiển hệ. VMH H Qk Ql CODtr CODs Td M3 m L/h l/h mg/l mg/l H 1 0,0125 0,35 1050 30 950 132 12 2 0,0125 0,35 1050 60 950 63 24 3 0,0125 0,35 1050 30 1450 325 12 4 0,0137 0,25 1050 60 1450 574 12 5 0,0137 0,25 1050 60 1450 335 24 Trong bảng Ql, Qk là lưu lượng nước thải vào hệ và lưu lượng không khí đưa vào hệ (các ký hiệu khác xem mục II.2.1) Mật độ tưới nước thải L và lưu lượng không khí K có đơn vị kg/m2.h được tính theo công thức L = Ql . rl / 3,14 (D/2)2 K = Qk .rk/ 3,14 (D/2)2 Sau khi tiến hành thực nghiệm và tính kết quả (xem phụ lục II) ta được ma trận chuân số thể hiện trong bảng III.9. Bảng III.8: Ma trận chuẩn số Stt 1 0,007166 1,8421 0,041944 0,78773 1,3.105 2 0,001943 1,8421 0,020951 0,78773 3,3.106 3 0,006457 1,8421 0,083889 1,20232 1,3.105 4 0,006429 1,5789 0,041944 1,20232 6,6.106 5 0,002046 1,5789 0,041944 1,20232 3,3.106 Bảng III.9: Ma trận các hệ số của hệ phương trình Logarit lg () Hệ số của lgC Lg () lg () lg () lg () -2,14 1,00 0,27 -1,38 -0,10 -4,88 -2,71 1,00 0,27 -1,68 -0,10 -5,48 -2,19 1,00 0,27 -1,08 0,08 -4,88 -2,19 1,00 0,20 -1,38 0,08 -5,18 -2,69 1,00 0,20 -1,38 0,08 -5,48 Giải ra ta được: xem trong phụ lục II a1 = -1,01; a2 = -1,42; a3 = 2,08; a4 = 1,65; C = 2,7829.104 Vậy quan hệ giữa các chuẩn số có dạng = 2,7829.104.()-1,01 ()-1,42 ()2,08 ()1,65 (3.2.1) III.2.3. Thảo luận Qua phương trình quan hệ chuẩn số nhận thấy với khoảng thực nghiệm đã nghiên cứu có thể đưa ra một số nhận xét như sau: Hệ số C: Hệ số C = 2,7829.104 nhận được lớn, như vậy còn một số chuẩn số khác có ảnh hưởng mà luận văn chưa có điều kiện nghiên cứu. Chẩn số : đặc trưng cho năng suất xử lý của tháp Mxl theo thời gian xử lý Td và hàm lượng chất hữu cơ đầu vào Mhc phụ thuộc vào các chuẩn số như sau: Với chuẩn số : đặc trưng cho tỷ lệ chiều cao của lớp đệm và đường kính tháp, có số mũ a1 = -1,01 cho biết khi sử dụng cùng một thể tích đệm nếu tăng đường kính tháp hoặc giảm chiều cao của lớp đệm sẽ tăng năng suất xử lý. Với chuẩn số : đặc trưng cho tỉ lệ cấp không khí và lưu lượng nước thải đầu vào, có số mũ a2 = -1,42 cho biết khi tăng tăng lưu lượng lượng nước thải đầu vào tương ứng với tăng cường chế thuỷ lực trong tháp sẽ làm tăng năng suất xử lý. Khi điều chỉnh chẩn số này nhằm mục đích tăng năng suất xử lý theo thời gian cần phải đảm bảo đủ lượng ôxi cho VSV làm việc (DO của nước sau xử lý trong khoảng 2-3) [2]. Chuẩn số : đặc trưng cho ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ đầu vào theo khối lượng riêng của không khí, có số mũ a3 = 2,08 cho thấy khi tăng hàm lượng chất hữu cơ đầu vào sẽ làm tăng năng suất xử lý theo thời gian của tháp lọc. Chứng tỏ tháp lọc có thể hoạt động tốt trong điều kiện tải lượng chất hữu cơ cao. Chuẩn số : đặc trưng cho tỉ lệ giữa đường kính hạt đệm và mật độ tưới, thời gian xử lý, có số mũ a4 = 1,65. Cho thấykhi đườngkính hạt đệm giảm, bề mặt đệm tăng sẽ làm giảm thời gian xử lý trong cùng một điều kiện tải trọng L. Như vậy, ảnh hưởng của d khá lớn. Trong các chuẩn số trên, có ảnh hưởng lớn nhất đến năng suất xử lý của tháp. Chúng được thể hiện qua số mũ lớn nhất trong các số mũ au nhận được. Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế, nguồn dinh dưỡng càng giàu, tốc độ phát triển của VSV càng nhanh. III.3- Đề xuất sơ đồ công nghệ Thu gom Loại rác bẩn Đông tụ - lắng H2SO4 PAC A101 Bùn thải Tháp xử lý sinh học Khí nén Bể lắng thứ cấp Bơm tuẩn hoàn Thải ra môi trường Bùn thải Nước thải Hình IV. 1: Sơ đồ công nghệ Cơ sở để tính toán hệ thống xử lý nước thải của Công ty TNHH Hải Long là đảm bảo đủ công suất xử lý với lưu lượng thải Q = 30 m3/h và hệ số an toàn bằng 2. Vì điều kiện không cho phép nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh các thiết bị xử lý nên luận văn chỉ đề xuất nguyên tắc thiết kế dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã đạt được. + Song chắn rác kết hợp bể lắng cát dạng nghiêng Thời gian lưu Td = 0,5 h Thời gian lưu bùn Td = 1 h + Bể điều hoà dạng ngang Thời gian lưu Td = 4 giờ (phù hợp với chu kỳ thải của dây chuyền sản xuất rong agar: Vận tốc dòng v = 0,6 m/s + Bể lắng đông keo tụ dạng đứng Thời gian lưu Td = 2,5 h vận tốc dòng tràn Q/A = 1,5 h Thời gian lưu bùn Td = 4 h + Tháp lọc sinh học vật liệu ngập nước cùng chiều Tháp song song Hàm lượng chất hữu cơ đầu vào 1,2 kg/m3 + Bể lắng thứ cấp Thời gian lưu Td = 1 h Chiều cao H = 2 m KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kế luận: Đã lựa chọn được công nghệ xử lý nước thải của công ty TNHH Hải Long phù hợp với đặc tính thải của nguồn bao gồm hai công đoạn chính là: lắng đông keo tụ và lọc sinh học cao tải. Đã xây dựng được phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm: hàm lượng PAC, hàm lượng A101 và thời gian phản ứng đông tụ đến hiệu suất tách tính theo sự giảm COD: Y^= 32,93 + 1,33x1 + 4,7x2 + 1,00x1x2 + 0,95x1x3 Từ phương trình hồi quy đã tìm được chế độ công nghệ thích hợp cho thiết bị lắng: PAC = 30mg/l, A101 = 4mg/l và thời gian phản ứng đông tụ là 2 phút với hiệu suất lắng đạt được y = 36 %, độ lặp lại đạt 97%. Xây dựng được mô hình vật lý mô tả quá trình lọc sinh học trong tháp 3 pha cùng chiều mô tả quan hệ giữa năng suất xử lý tính theo COD với các chuẩn số đặc trưng cho quá trình công nghệ: = 2,7829.104.()-1,01 ()-1,42 ()2,08 ()1,65 Bằng thực nghiệm đã xác định được các tham số của mô hình vật lý tìm được ở trên. Các kết quả cho thấy năng suất xử lý trong tháp lọc sinh học 3 pha cùng chiều phụ thuộc nhiều vào lưu lượng lỏng, hàm lượng chất hữu cơ đầu vào và lưu lượng không khí cấp vào tháp, cách bố trí lớp đệm trong tháp. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, đã đề xuất một quy trình công nghệ xử lý nước thải công ty TNHH Hải Long. Quy trình công nghệ này tương đối phù hợp về điều kiện mặt bằng xây lắp cũng như đặc tính của nguồn thải. Kiến nghị: Để đưa được các kết quả nghiên cứu vào thực tế xây dựng hệ thống thiết bị xử lý cho công ty TNHH Hải Long cần phải đầu tư nghiên cứu thêm một số vấn đề và biện pháp kỹ thuật cụ thể. Cần phải nghiên cứu được ảnh hưởng của tất cả các chuẩn số quan trọng như: Ad, V0, h/d, Avsv.d2, ; . Cần phải khảo sát thêm về điều kiện khí hậu thuỷ văn bởi vì chúng cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của hệ thống sinh học. Cần phải tính đến về điều kiện mặt bằng lắp đặt hệ thống thiết bị cũng như các yếu tố khác có ảnh hưởng đến quá trình xây lắp và vận hành hệ thống thiết bị cụ thể. TÀI LIỆU THAM KHẢO I. Tài liệu tiếng Việt Cục Bảo vệ môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường) (2003), Báo cáo nhiệm vụ nghiên cứu khoa học, công nghệ về môi trường: Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn công nghệ điển hình nhằm ứng dụng công nghệ sinh học xử lý chất thải cải thiện môi trường, Hà Nội. Dự án Môi trường Việt Nam – Canada giai đoạn II (2005), Tập huấn xử lý nước thải công nghiệp modul 2. Trịnh Xuân Lai (2000), Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải. NXB Xây dựng, Hà Nội. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2002), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải - NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. Lương Đức Phẩm (2003), Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, NXB Giáo dục, Hà Nội. Đào Thị Phương Thảo- Trịnh Lê Hùng- Phạm Văn Thiêm- Hoàng Văn Thắng (2004), “Nghiên cứu sự tạo màng trên các chất mang khác nhau, ứng dụng cho xử lý nước thải nhà máy bia”, Tạp chí Phân tích Hoá lý và Sinh học (số T- 9 tháng 2), trang 33 –36. Đào Thị Phương Thảo - Phạm Văn Thiêm (2004), “Nghiên cứu điều kiện thực nghiệm tối ưu cho quá trình tạo màng sinh học để xử lý nước thải bia”, Tạp chí Khoa học - Kỹ thuật (108(3)), trang 94-99. Đào Thị Phương Thảo - Nguyễn Văn Nội (2005), “Nghiên cứu xử lý nước thải bia phương pháp màng sinh học”, Tạp chí Khoa học - Kỹ thuật, (112(3)), trang 154-157. Trung tâm Quan trắc môi trường- Sở Tài nguyên và môi trường Hải phòng (2004), Báo cáo quan trắc nước thải công nghiệp- Công ty TNHH Hải Long. 10- Trung tâm Tư vấn chuyển giao công nghệ nước sạch và môi trường (2003), Nước thải và công nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 11- Trường đại học Bách khoa Hà Nội (2004), Báo cáo đề tài “nghiên cứu, xây dựng, biên soạn tài liệu về các qui trình công nghệ xử lý môi trường trong công nghiệp thực phẩm”, mã số: B2002 - 28 - 28 – ĐTMT. 12- Nguyễn Minh Tuyển, Phạm Văn Thiêm (2005), Kỹ thuật hệ thống công nghệ hóa học tập I, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. 13- Trần Cẩm Vân (2003), Vi sinh vật môi trường - Trường Đại học khoa học tự nhiên – ĐHQGHN, Hà Nội II. Tài liệu tiếng nước ngoài 14- McGraw-Hill Higher Education (2003), Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Fourth Edition, International Edition. 15- APHA, AWWA, WEF (1995), Standard method for the Examination of water and wastewater, 19th edition, USA. 16- Ramalho R, S (1977), Introduction for Wastewater Treatment Process, Laval University Quebec, Canada. 17- U.S. Environmental Protection Agency (1996), Operation of Wastewater treatment plants, fourth Edition Volume II, USA.