Xử lý hiếu khí nước thải bằng bể aeroten

Luận văn vê xử lý hiếu khí nước thải bằng bể aeroten

Bài 1: XỬ LÝ HIẾU KHÍ NƯỚC THẢI BẰNG BỂ AEROTEN

I.Cơ sở lí thuyết của quá trình xử lý hiếu khí nước thải:

I.1.Khái quát về các phương pháp xử lý nước thải và xử lý nứơc thải bằng sinh học:

Trong xử lý nước thải có thể phân thành hai biện pháp chủ yếu là biện pháp hóa lí và biện pháp sinh học

• Biện pháp hóa lý: Thường áp dụng xử lý sơ bộ hoặc đối với nước thải có độ màu cao, chứa các

kim loại nặng, các hợp chất khó và không thể phân hủy sinh học

• Biện pháp sinh học: thường được áp dụng để xử lí nước thải có tỉ lệ BOD/COD > 0.5 chẳng hạn

như nước thải sinh họat, nước thải của các nghành chế biến thủy hải sản, mía đường, thực phẩm, giấy… nhưng với điều kiện trong nước thải không chứa các chất độc với vi sinh vật Đối với phương pháp sinh học bao gồm xử lý hiếu khí và xử lý yếm khí

I.2.Nguyên lý của quá trình xử lý sinh học hiếu khí:

Nguyên lý của quá trình xử lý sinh học hiếu khí là lợi dụng quá trình sống và hoạt động của vi sinh vật hiếu khí và tùy tiện để phân hủy chất hữu cơ và một số chất vô cơ có thể chuyển hóa sinh học được

có trong nước thải Đồng thời các vi sinh vật sử dụng một phần hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hóa để tổng hợp nên sinh khối

I.3.Cơ chế của quá trình:

Quá trình xử lý sinh học là quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ đồng thời tổng hợp sinh khối hay phân hủy nội bào theo các cơ chế cơ bản sau:

• Oxi hóa các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ:

2 O

• Oxi hóa các hợp chất có chứa nitơ:

C x H y O z N+ O 2 CO 2 +

NH 3

(x+ y4 - z 2 -3 4 ) vsv x ( y-32 )

• Tổng hợp sinh khối:

H 2 O

4

• Phân hủy nội bào:

C 5 H 7 NO 2 + 5 O 2 vsv 5 CO 2 + 2 H 2 O + NH 3

• Quá trình Nitrat hóa:

NH 3 (NH 4 + ) vsv NO 2 - vsv NO 3

-• Quá trình phản nitrat hóa:

NO 3

• Oxi hóa các hợp chất chứa lưu huỳnh và photpho:

Hîp chÊt cña S, P vsv SO 4 2- , PO 4

3-• Oxi hóa cá hợp chất chứa sắt và mangan:

C¸c kim lo¹i nÆng Fe, Mn vsv Fe 3+ , Mn 4+

I.4.Sự tăng trưởng của vi sinh vật:

Quá trình tăng trưởng của vi sinh vật trải qua 4 giai đoạn và có thể được mô tả như đồ thị dưới đây

Một đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý

(Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991)

I.5.Động học của quá trình:

I.6.Các tác sinh học:

Tác nhân sinh học được sử dụng trong quá trình xử lí hiếu khí có thể là vi sinh vật hô hấp hiếu khí hay tùy tiện, nhưng phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Chuyển hóa nhanh các hợp chất hữu cơ;

+ Có kích thước tương đối lớn (50 - 200μm);

+ Có khả năng tạo nha bào;

+ Không tạo ra các khí độc.

Dựa trên các yêu cầu đó thì các chủng vi sinh vật thường đựơc sử dụng như sau:

• Vi khuẩn hô hấp hiếu khí:

+ Pseudomonas(P.putid; P.Stutzen);

+ Aerobacter;

+ Bacillus Subtilis (Phát triển trong môi

trường giàu protein);

+ Flavobacterium (Phát triển trong môi

trường giàu sắt);

+ Nitrosomonas (Vi khuẩn nitrit hóa);

+ Nitrobacter (Vi khuẩn nitrathóa)

• Vi khuẩn hô hấp tùy tiện:

+ Cellulosomonas;

+ Rhodospeudomonas (Có màu hồng); + Micothrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng);

+ Thiothrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trằng)

• Ngoài ra còn có các nguyên sinh động vật:

Có kích thước khoảng (30 - 50μm) Trong bể xử lý nó có các vai trò sau

+ Bám vào bùn làm cho bùn dễ lắng hơn;

+ Ăn cặn lơ lửng góp phần làm trong nước;

+ Làm chỉ thị để đánh giá mức độ cấp khí cho bể

Bao gồm hai dạng chủ yếu:

+ Trùng tơ (Cillatae);

+ Trùng roi (Flagellate)

I.7.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý (Đánh giá đối với mô hình thí nghiệm):

• Oxi hòa tan – DO:

Đây là thông số vô cùng quan trọng đối với hệ thống xử lý hiếu khí vì nếu thiếu oxi thì vi sinh vật

hô hấp hiếu khí dễ bị chết và khi đó các vi sinh vật hô hấp tùy tiện như các vi sinh vật dạng sợi làm phồng bùn, khó lắng dẫn đến giảm hiệu quả của quá trình xử lý

DO tối ưu thường từ 2 – 4 mg/l Nhưng trên thực tế thì tốt nhất là > 4 mg/l

Cấp khí một cách đầy đủ cho hệ thống xử lý thì ta phải quan tâm kĩ đến bản chất của nước thải cần

xử lý chẳng hạn ta có hệ số oxi hóa của một số hợp chất cơ bản sau:

Chất Hệ số oxi hóa (k)

Ngoài ra DO còn phụ thuộc vào nhiệt độ

• pH của môi trường:

Mỗi vi sinh vật đều có một khoảng pH hoạt động tối ưu của nó Do đó khi pH thay đổi không phù hợp thì cũng làm cho khả năng xúc tác phản ứng của vi sinh vật thay đổi và làm giảm hiệu quả xử lý Trong trường hợp pH quá cao hoặc quá thấp có thể làm chết vi sinh vật

Dải pH tối ưu cho xử lý hiếu khí nước thải là từ 6.5 – 8

Để đảm bảo được pH trong khoảng trên trong thực tế trước khi cho nước thải vào bể xử lý vi sinh người ta thường đều hòa lưu lượng, đều hòa pH, đều hòa các chất dinh dưỡng ở bể đều hòa

• Nhiệt độ:

Mỗi sinh vật cũng có một khoảng nhiệt độ tối ưu, nếu tăng nhiệt độ quá ngưỡng sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật hoặc bị tiêu diệt hay tạo bào tử

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến DO:

+ Khi nhiệt độ tăng DO giảm và vận tốc phản ứng tăng lên

+ Khi nhiệt độ giảm DO tăng nhưng ngược lại vân tốc phản ứng giảm

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ phản ứng được biểu hiện qua phương trình:

rT = r20.θ(T -20)

Trong đó:

+ rT:Tốc độ phản ứng ở ToC + r20: Tốc độ phản ứng ở 20oC + θ: Hệ số hoạt động của nhiệt độ + T: Nhiệt độ của nước (oC)

Do đó ta phải lựa chọn nhiệt độ sao cho phù hợp với vận tốc phản ứng và DO

Trong bể aeroten nhiệt độ tối ưu là 20 – 27 oC, nhưng cũng có thể chấp nhận khoảng nhiệt độ 17,5 – 35oC

• Chất dinh dưỡng:

Chất dinh dưỡng trong thải chủ yếu là nguồn cacbon (Gọi là chất nền thể hiện bằng BOD), cùng với N và P là những nguyên tố đa lượng Ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như: Mg, Fe, Mn, Co…

Tỉ lệ các chất dinh dưỡng phù hợp là C:N:P = 100:5:1

Tỷ lê C/N = 20:1

Nước thải thiếu N, P thì vi khuẩn dạng sợi phát triển tạo hiện tượng phồng bùn, không tạo bông sinh học Có thể điều chỉnh bằng cách bổ sung urê, muối amôn,…

Trong trường hợp thừa N, P thì vi sinh vật sử dụng không hết phải khử các thành phần này bằng các biện pháp đặc biệt

• F/M – Food/Microorganism (BOD/MLSS):

Tỷ số F/M tối ưu thường nằm trong khoảng 0.5 – 0.75

+ F/M >1 môi trường giàu dinh dưỡng vi sinh vật tập trung phát triển do đó không tạo nha bào vì vậy bông sinh học nhỏ dẫn đến khó lắng Đồng thời tạo ra lượng bùn lớn và phải tốn kém thêm chi phí cho xử lý bùn

+ F/M <=1 Vi sinh vật phát triển ổn định, tạo nha bào, tạo bông sinh học, hệ thống xử lý hiệu quả

+ F/M<0.5 môi trường quá nghèo nghèo dinh dưỡng dẫn đến vi sinh vật không đủ nguồn dinh dưỡng để họat động

• Các chất kiềm hãm:

Nồn độ muối vô cơ trong nước thải không vượt quá 10g/l, nếu là muối vô cơ thông thường thì có thể pha loãng nước thải Còn nếu là các chất độc như kim loại nặng thì phải có các biện pháp khử thích hợp trước khi đưa vào xử lý bằng bể aeroten

• Hàm lượng sinh khối:

Hàm lượng sinh khối ổn định trong bể aeroten thường từ 500 – 800mg/l và có thể 1000 – 1500 mg/l, tùy thuộc vào tính chất của nước thải và họat lực của vi sinh vật

II.Thực nghiệm xử lý nước thải bằng bể aeroten:

II.1.Mô hình thực nghiệm:

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BỂ AEROTEN XỬ LÝ GIÁN ĐOẠN

B¬m cÊp khÝ

P=60l/ph

Nuíc th¶i vµo

+ pH = 7-8 + SS < 50mg/l COD = 500 - 600 + BOD = 400 - 500

+COD : N:P =

100:5:1

BÓ aeroten:

V= 50 lÝt, t = 8 giê,

DO = 2 - 4 mg/l,

t o = 20 - 30 oC Nuíc th¶i ra:

COD < 80 mg/l

BOD5 < 50 mg/l

II.2.Các thông số cần xác định:

II.2.1.Đo pH:

Mục đích đo pH nhằm theo dõi pH trong quá trình xử lý để kịp thời điều chỉnh pH về dải giá trị

pH thích hợp

pH được đo bằng máy đo pH với điện cực thủy tinh

Trước khi đo phải hiệu chuẩn máy bằng dung dịch chuẩn có pH = 4.01 và pH = 7.0

Đo pH phải đi kèm với nhiệt độ

Cách 2 giờ đo một lần

II.2.2.Đo DO:

Đo DO với mục đích theo dõi lượng oxi hòa tan trong bể xử lý xem có đáp ứng được nhu cầu của

hệ thống hay không, nhằm kịp thời điều chỉnh thích hợp trong quá trình vận hành

DO cũng được đo bằng máy đo nhanh

DO được đo tại 4 vị trí chéo nhau trong bể và lấy giá trị trung bình

Đo DO cũng đi kèm với nhiệt độ

DO được đo 2 giờ một lần

II.2.3.Phân tích MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid):

Mục đích của việc phân tích MLSS nhằm xác định nồng độ bùn hoạt tính trong bể aeroten và tính chỉ số thể tích lắng của bùn

Mguyên tắc xác định là phương pháp khối lượng

MLSS được đo 3 lần vào các thời điểm 0h, 4h và 8h

Cách tiến hành:

Cân giấy lọc đã sấy ở 105oC Khối lượng a, gam Lấy mẫu vào ống đong c = 50, ml Lọc mẫu qua giấp đã sấy nhờ bình hút chân không

Sấy đến khối lượng không đổi ở 105oC Thời gian sấy thường là 1h

Cân giấy có sinh khối đã sấy Khối lượng b, gam Đây thực chất là cách xác định SS nhung trong bể aeroten cũng có thể xem nhu nồng độ bùn hoạt tính vì cặn hữu cơ chiếm khoảng 80%

Công thức tính MLSS

MLSS = − × 10 6

c

a b

, mg/l Trong đó:

+ MLSS: Hàm lượng bùn hoạt tính, mg/l

+ b: Trọng lượng giấy có sinh khối, g;

+ a: Trọng lượng giấy không có sinh khối, g;

+ c: Thể tích mẫu, ml

II.2.4.Phân tích SVI:

Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI) là đại lượng lượng biểu thị dung tích lắng (tính bằng ml) của 1 gam bùn hoạt tính (khô)

SVI được đo ở các thời điểm 0h, 4h, 8h

Cách tiến hành:

Lấy mẫu vào ống đong hình trụ 1l (Hỗn hợp rắn, lỏng trong bể ) 1,lít

Để lắng Thời gian lắng 30 phút Ghi lại thể tích lắng VL, ml

Công thức tính:

SVI =

MLSS

V L × 1000

, ml/g Trong đó:

+ SVI: Chỉ số thể tích lắng của bùn, ml/g

+ VL: Thể tích lắng của bùn, ml/l

+ MLSS: Hàm lượng bùn hoạt tính, mg/l

II.2.5.Phân tích BOD 5 :

BOD và COD là hai yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống Do đó ta cần phân tích BOD ở thời điểm oh và 8h để đánh giá hiệu suất xử lý như thế nào cũng như đánh giá nứơc

ra đạt tiêu chuẩn hay chưa

BOD5 được xác định bằng thiết bị oxytop, thiết bị này hoạt động dựa trên cảm biến sự giảm áp trong chai chứa mẫu phản ứng của sensor Quá trình ủ được tiến hành trong hệ kín Khí CO2 tạo ra trong quá trình ủ bị hấp thụ vào chất kiềm mạnh làm áp suất bên trong chai giảm dần Sự giảm áp này được chuyển vào bộ vi xử lý (sensor) và được chuyển thành giá trị BOD tương ứng

Tiến hành phân tích:

Mẫu oh, Lấy mấu vào cốc thủy tinh 200ml, và để lắng 200ml

Mẫu 8h, Lấy vào cốc thủy tinh 500mml, để lắng 500ml

Cho mẫu vào chai ủ đã có con từ (Mẫu oh) 164ml Cho mẫu vào chai ủ đã có con từ (Mẫu 8h) 432ml Cho lẵng cao su lọt vào miệng chai và cho vào 2 viên KOH

Đặt và vặn chặt sensor cảm biến BOD Công thức tính BOD5:

BOD5 = (D – D’).f.k

Trong đó:

+ BOD5: Giá trị BOD của mẫu cần phân tích trong 5 ngày;

+ D:Giá trị hiện trên sensor sau 5 ngày của mẫu phân tích;

+ D’:Giá trị hiện trên sensor sau 5 ngày của mẫu trắng;

+ f: Hệ số phụ thuộc thể tích mẫu;

+ k: Hệ số pha loãng;

II.2.6.Phân tích COD:

COD cũng là thông số đánh giá khả hiệu quả xử lý của hệ thống cũng như đánh giá chất lượng nước sau khi qua hệ thống xử lý

Nguyên tắc xác định COD:

Lượng oxi tham gia phản ứng được xác định gián tiếp bằng phương pháp dùng các chất ôxy hoá mạnh như KMnO4, K2Cr2O7

Phương pháp Bicromat Kali tốt hơn dùng các chất oxi hoá khác do khả năng oxi hoá cao, phạm vi ứng dụng rộng, dễ thao tác, sự ôxi hoá các chất hữu cơ đạt 95 – 100% so với giá trị lý thuyết

Cơ chế phản ứng:

Hầu hết các hợp chất hữu cơ bị õi hoá bởi hỗn hợp sôi của bicrômatkali và axit sunfuaric

H +

Lựơng Cr2O72- dư được chuẩn độ và sử dụng feroin làm chỉ thị Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm khi dung dịch chuyển từ màu xanh lam sang màu nâu đỏ nhạt

Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ 150oC trong khoảng 2 giờ, trong môi trường axit H2SO4 đặc với xúc tác Ag2SO4

Nhu cầu oxi hoá hoá học dễ dàng xác định được khi biết lượng bicromat kali tham gia phản ứng COD được đo ở các thời điểm 0h, 2h, 4h, 6h, 8h

Chú ý:

+ Trước khí đo mẫu vào phải lọc và pha loãng 2 lần

+ Mẫu đầu ra không lọc và không cần pha loãng.

Các bước tiến hành như sau:

Các mẫu (2h, 4h, 6h, 8h) V > 4ml Lọc vào ống nghiệm

Pha loãng (đối với mẫu 0h) các mẫu còn lại

không pha loãng

Pha loãng hai lần 10ml mẫu đã lọc

Lấy vào ống đun đã có sắn 4 ml hỗn hợp làm

COD (mỗi thời điểm 2 ống)

2ml

Đun Nhiệt độ 150oC, trong vòng 2 tiếng đồng hồ

Chuẩn độ bằng dung dịch FAS

Đồng thới chuẩn độ mẫu trắng

Vpt

Vt

Chú ý:

Dung dịch FAS phải được chuẩn độ lại hàng ngày

Mẫu trắng chỉ làm ở thời điểm 0h, và lấy chung cho các thời điểm còn lại

Công thức tính COD

COD =

2

1000 8

) (V t −V pt ×N FAS × ×k×

, mg/l Trong đó:

+ COD là lượng COD trong mẫu phân tích, mg/l

+ Vt: Là thể tích FAS chuẩn mẫu trắng, ml

+ Vpt: Là thể tích FAS chuẩn mẫu phân tích, ml

+ NFAS: Là nồng độ của FAS sau khi chuẩn lại, N

+ 8: Đương lượng gam của oxi trong K2Cr2O7,

+ k: Hệ số pha loãng,

III.Kết quả - tính toán kết quả và đánh giá kết quả thực nghiệm:

III.1.Đánh giá chất lượng bùn bằng cảm quan:

Ta có thể dựa vào đặc tính màu sắc của bùn để đánh giá sơ bộ về hiệu quả xử lý, về DO trong bể

có đủ theo yêu cầu hay không:

+ Bùn có màu vàng nâu chứng tỏ là bùn chất lượng tốt,