nghiên cứu mô hình và kết quả

trình bày về nghiên cứu mô hình và kết quả

Chương 3 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ

3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH

3.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ NHẬN XÉT

Chương 3: Nghiên Cứu Mô Hình Và Kết Quả Nghiên Cứu

3.1.1 Nguyên tắc của phương pháp hiếu khí

Các phương pháp hiếu khí dựa trên nguyên tắc là các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy hòa tan

Chất hữu cơ + O2 Vi sinh → vat H2O + CO2 + NH3 + …

Ở điều kiện hiếu khí (hàm lượng ôxy hòa tan tối thiểu 1.5 – 2.0 mg/l), NH4+ cũng

bị loại nhờ quá trình nitrat hóa của vi sinh vật tự dưỡng

NH4+ + 2O2 Vi sinh → vat NO3- + 2H+ + H2O + Năng lượng

3.1.2 Giới thiệu về bùn hoạt tính và quá trình bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính là tập hợp của khối quần thể các vi sinh vật hoạt tính có khả năng hấp thụ trên bề mặt của nó và oxy hoá chất hữu cơ trong nước thải (ổn định chất hữu cơ) với sự có mặt của oxy Bùn hoạt tính là bông màu vàng nâu, dễ lắng có kích thước từ 3–150 micromet Những sinh vật sống là vi khuẩn, động vật hạ đẳng, dòi,giun, nấm men,nấm mốc và xạ khuẩn

Trong quá trình xử lý sinh học thì quá trình bùn hoạt tính là quá trình có tính linh hoạt nhất, nó có thể giảm tối đa các chất hữu cơ với phạm vi thay đổi BOD rộng

Vì thế mà chúng được áp dụng rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Quá trình bùn hoạt tính gồm các bước sau:

− Trộn lẫn bùn hoạt tính với nước thải để xử lý

− Khuấy trộn và sục khí hỗn hợp với yêu cầu trong một thời gian dài

− Làm trong nước và tách bùn hoạt tính từ hỗn hợp trong quy trình tại bể lắng cuối

− Tuần hoàn bùn hoạt tính để trộn lẫn với nước thải đầu vào

-− Loại bỏ bùn dư.

Bông bùn hoạt tính là một hệ vi sinh vật phức tạp bao gồm: vi khuẩn, Aetponicet, nguyên sinh động vật, nấm, tảo, virus… Vi khuẩn trong bùn hoạt tính thuộc dạng: Alkaligenes, Achromobacter, Pseudomonas, Corynebacterium

3.1.3.Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong bùn hoạt tính

Các vi sinh vật sẽ hấp thụ và đồng hoá các chất dinh dưỡng trong nước thải để tăng sinh khối (tăng trọng lượng và kích thước) và phát triển (tăng số lượng) Mỗi loại vi sinh vật có đường cong sinh trưởng và phát triển riêng và phụ thuộc vào nguồn thức ăn, chất dinh dưỡng có sẵn, điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, điều kiện kị khí hay hiếu khí

Các giai đoạn sinh trưởng của Vi khuẩn:

− Pha lag (lag phase)(giai đoạn tiềm tàng):là giai đoạn vi khuẩn cần thời gian

để thích nghi với môi trường dinh dưỡng Ơû giai đoạn này, vi khuẩn chỉ tăng sinh khối chứ không tăng về số lượng Thời gian của pha lag phụ thuộc vào các yếu tố tiền sử của tế bào như tuổi, khả năng chống chọi và khả năng chịu đựng với các yếu tố vật lý, hoá học… và thành phần môi trường nuôi cấy

Pha ổn

Pha lag

Thời gian

Hình 3.1: Các giai đoạn tăng sinh khối của TB Vi khuẩn theo thang log

Chương 3: Nghiên Cứu Mô Hình Và Kết Quả Nghiên Cứu

− Pha log (log phase)(giai đoạn tăng sinh khối theo hàm số mũ): trong môi

trường thức ăn dồi dào ở pha log, vi khuẩn sản xuất ra nhiều enzim cần thiết cho quá trình sinh trưởng nên khả năng thu nhận và đồng hoá thức ăn cũng như tốc độ phân chia của tế bào vi sinh vật đạt đến giá trị tối đa

− Pha ổn định(Stationary phase): giai đoạn tăng trưởng chậm dần do thiếu hụt

chất dinh dưỡng và chất nhận điện tử cùng với sự sản sinh và tích tụ các sản phẩm trao đổi chất độc hại Trong môi trường cạn kiệt thức ăn, tốc độ tăng sinh khối của VSV giảm dần, số lượng VSV đạt đến giá trị ổn định, số lượng sinh ra đúng bằng số lượng chết đi

− Pha chết(death phase): giai đoạn hô hấp nội bào – xảy ra khi tốc độ sinh

trưởng giảm, nồng độ chất dinh dưỡng tối thiểu VSV chết theo logarit: do nồng độ chất dinh dưỡng trong môi trường đã cạn kiệt, buộc VSV phải thực hiện quá trình trao đổi chất bằng chính nguyên sinh chất có trong tế bào, làm nguyên sinh khối bùn giảm Dinh dưỡng còn lại trong tế bào chết sẽ khuếch tán ra ngoài môi trường cung cấp cho các tế bào còn sống Lúc này tốc độ các VSV chết vượt xa tốc độ sinh sản và tế bào VSV mới

3.1.4 Cơ chế của quá trình phân hủy các chất trong tế bào

Quá trình phân huỷ hiếu khí trong nước thải gồm 3 giai đoạn:

− Oxy hoá các chất hữu cơ

CxHyOz + O2   →Enzim CO2 + H2O + H

− Tổng hợp xây dựng tế bào

CxHyOz + O2   →Enzim tế bào SV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - H

− Tự oxy hoá chất liệu tế bào

C5H7NO2 + 5O2 Enzim →  5CO2 + 2H2O + NH3 + H

-H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào Các chỉ số x,y,z phụ thuộc vào dạng chất hữu cơ chứa Cacbon bị oxy hoá Đối với hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, Lưu huỳnh cũng có thể được theo kiểu các phương trình trên

3.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình bùn hoạt tính

− Aûnh hưởng của pH

Giá trị pH tối ưu của đa số các vi sinh vật từ 6.5 – 8.5, vi khuẩn tăng trưởng ở pH

=7 Giá trị pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào

− Aûnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ nước thải là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng sự tăng trưởng và sống còn của vi sinh vật trong quá trình bùn hoạt tính Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nước thải trong quá trình xử lý không dưới 60 và không quá 370 Sự tăng nhiệt độ có thể dẫn đến biến tính protein, đặc biệt là enzim, đồng thời thay đổi cấu trúc màng, dẫn đến sự thay đổi tính thấm của màng

− Aûnh hưởng của kim loại nặng

Phần lớn kim loại nặng thường hiện diện trong nước thải công nghiệp Hầu hết các kim loại nặng thường xâm nhập vào bùn hoạt tính ở dạng hoà tan hay dưới dạng các ion tự do Khi các kim loại này hấp thụ vào bề mặt của tế bào vi sinh vật tạo ra các phản ứng hoá lý, và được hấp thụ vào trong tế bào, tấn công các enzim

− Aûnh hưởng của chất dầu mỡ và chất béo trong nước thải

Chất béo thường gặp trong nước thải sinh hoạt là các chất bơ, margarine, dầu thực vật, dầu ăn, thịt… chất béo và dầu mỡ là những hydrocacbon mạch dài nên thường bền vững và khó bị phân huỷ sinh học Trong quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính, các hợp chất này sẽ bao phủ các bông bùn Ngoài ra chúng được hấp

Chương 3: Nghiên Cứu Mô Hình Và Kết Quả Nghiên Cứu

thụ vào thành tế bào vi khuẩn và tăng nồng độ MLVSS (Michael H Gerardi, 2003)

− Sự lên men của nước thải

Nước thải lên men hay sự hiện diện của quá nhiều acid và rượu đơn giản, hoà tan sẽ là môi trường sống và phát triển của một số vi khuẩn dạng sợi không mong muốn Nồng độ của các acid, rượu hoà tan đơn giản khoảng 200mg/l sẽ tạo điều kiện cho các vi khuẩn dạng sợi sinh sôi như: Beggiatoa sp, Microthrix parvicella, Thiothrix sp và loại 021N (Michael H Gerardi, 2003)

− Nhu cầu ôxy

Vi sinh vật có thể tăng trưởng khi có hoặc vắng mặt của oxy Phần lớn nhu cầu oxy cho quá trình bùn hoạt tính DO≥ 2.0mg/l Thông thường khi oxy bị giới hạn, các vi sinh vật dạng sợi sẽ chiếm ưu thế, làm bùn hoạt tính trở nên khó lắng Nhưng nếu tăng hàm lượng oxy hoà tan một cách không cần thiết sẽ tăng chi phí vận hành trong khi không cải thiện hiệu quả xử lý nhiều (Michael Richard và cộng sự http://www.searchbrown.com)

− Chất dinh dưỡng

Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất dinh dưỡng N, P, chất hữu cơ ( BOD ), làm thức ăn để chuyển hoá chúng thành sản phẩm cuối (không phân huỷ) và tế bào mới Thiếu các chất dinh dưỡng sẽ kiềm hãm và ngăn cản các quá trình oxy hoá sinh hoá Ngoài ra, cần phải thêm K, Mg, Ca, S, Fe… các nguyên tố này thường có đủ trong nước thải nên ta không cần phải thêm vào Để xác định sơ bộ lượng nguyên tố dinh dưỡng cần thiết trong nước thải có thể chọn theo tỷ lệ sau : BODtoàn phần: N:P = 100:5:1 hay COD:N:P = 150:5:1

− Lượng bùn tuần hoàn

Mục đích chính của việc tuần hoàn bùn là duy trì nồngđộ MLSS cần thiết trong các bể làm thoáng Tuy nhiên, thông thường người ta lấy khoảng 50 – 70% của

-lưu lượng nước thải trung bình Nồng độ MLSS trong bùn tuần hoàn khoảng từ

4000 – 12000 mg/l (Mrtcalf & Eddy, 2003)

− Thời gian lưu bùn

Thời gian lưu bùn hay còn gọi là tuổi bùn, ảnh hưởng lớn đến sự hiện diện của các vi sinh vật trong bông bùn hoạt tính dựa trên tốc độ phát triển và phân huỷ

3.1.6 Các sự cố có thể xảy ra khi vận hành quá trình bùn hoạt tính

Bảng 3.1: Các sự cố thường gặp khi vận hành quá trình bùn hoạt tính

Chương 3: Nghiên Cứu Mô Hình Và Kết Quả Nghiên Cứu

1

Bùn phát

triển phân

tán(Disperse

d growth)

Các vi sinh vật không tạo bông mà phân tán dưới dạng những cá thể riêng biệt hay những cụm nhỏ với đường kính 10 - 20µm

Hiệu suất bể lắng đợt

2 thấp, nước ra khỏi bể bị đục, không có vùng lắng trong Lượng bùn tuần hoàn ít

2

Bông bùn

mịn, bùn

không kết

dính

được(pinpoi

nt floc)

Bông bùn thường có hình cầu nhỏ nén, có đường kính 50 -100µm, nguyên nhân là do có sự phân chia các bông bùn lớn, thiếu thức ăn, vi sinh vật phải dùng các polysaccarit ngoại bào như nguồn C và năng lượng cho quá trình sống

Chỉ số SVI thấp, nước

ra khỏi bể bị đục

3

Bùn tạo

khối(bulking

)

Các vi khuẩn dạng sợi phát triển quá mức trong bùn làm bùn nén kém và lắng kém

SVI cao Khó duy trì nồng độ bùn cần thiết trong bể sục khí Khả năng tách nước của bùn giảm

4

Bùn

nổi(rising

sludge)

Trong bể lắng đợt 2 diễn ra quá trình khử nitrat hoá sinh ra khí N2, khi1 N2 di chuyển lên trên kéo theo các bông bùn hoạt tính lên trên mặt nước

Hình thành lớp bùn hoạt tính trên mặt nước

5

Bọt

váng(foarmi

ng/ scum)

Gây nên do:

- Sự hiện diện quả vi khuẩn Norcadia spp

- Microthix parvicella

- Những chất hoạt động bề mặt không bị thoái hoá

Gây mùi hôi thối Làm tăng SS, BOD ở nước thải đầu ra

Lớp bọt váng sẽ giữ lại một lớp bùn hoạt tính làm ảnh hưởng tới thời gian lưu bùn Nhày: bùn Bùn chứa quá nhiều polymer ngoại - Giảm tính lắng và

3.1.7 Sự phân giải các chất hữu cơ ở quá trình xử lý sinh học hiếu khí

• Những chất độc ảnh hưởng đến quá trình

Có đến 80 nhóm chất độc ảnh hưởng đến vi sinh vật, như vậy trước khi qua bể xử lý sinh hoá ta cần phải lọc bỏ, xử lý đến nồng độ không gây ảnh hưởng đến sự sống của vi sinh

Ví dụ: Bo < 0,05 mg/l, Ni < 0,1 mg/l, KCN < 2 mg/l , CuSO4 < 0,2 mg/l

• Các dạng vật liệu tiếp xúc

Tùy thuộc vào các yếu tố như: tốc độ tăng trưởng của vi sinh, lưu lượng nước và đặc tính của vi khuẩn mà ta chọn các loại vật liệu tiếp xúc cho thích hợp

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Mô hình thí nghiệm gồm có các công trình sau:

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm bùn hoạt tính

− Thùng pha nước thải (45 lít) : Pha loãng nước thải với nồng độ mong muốn.

Thùng chứa

nước vào Bể sinh học

Thùng chứa nước ra

Chương 3: Nghiên Cứu Mô Hình Và Kết Quả Nghiên Cứu

− Thùng chứa nước thải (30 lít) : Thu gom lượng nước thải sau khi xử lý ở bể

sinh học

− Bể sinh học : Bể sinh học làm bằng kính tấm (dày 5mm), thể tích hữu ích 30

lít, chiều cao lớp nước 0,3m (chiều cao tổng cộng 0,4 m) Khí được đưa vào bằng máy nén khí và được khuếch tán vào nước qua cục đá bọt

3.2.1 Các bước chuẩn bị

Nước thải được lấy mỗi ngày 1 lần tại cống xả của Khu dân cư Quận 8 vào giờ cao điểm tức là thời điểm lượng nước thải đổ ra nhiều nhất (8h – 9h sáng) Các mẫu nước thải được vận chuyển về phòng thí nghiệm khoa Môi Trường để xác định một số thông số như COD, SS, pH, Tổng Nitơ, Tổng P Nhìn chung, nước thải sinh hoạt này có hàm lượng hữu cơ, chất dinh dưỡng khá cao, hoàn toàn phù hợp cho việc xử lý bằng phương pháp sinh học mà không cần phải bổ sung bất kỳ chất dinh dưỡng nào

Bùn hoạt tính dùng cho việc xử lý được lấy tại trạm xử lý nước thải sinh hoạt khách sạn Park Hyatt, Q1 Bùn được lấy trực tiếp từ các bể sinh học hiếu khí của

trạm, sau đó tiến hành xác định hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS – Suspended Solids), khả năng lắng của bùn thể hiện qua chỉ số thể tích bùn (SVI - Sludge Volume Index) nhằm kiểm tra chất lượng bùn

3.2.2 Các thiết bị và vật liệu nghiên cứu

− Tủ sấy

− Máy đo pH (MP220 pHMeter)

− Máy quang phổ kế (Spectrophotometer)

− Hóa chất làm COD, Tổng Nitơ, Tổng P

− Thiết bị chưng cất Kjeldahl

− Dụng cụ thủy tinh

-3.2.3 Tiến hành thí nghiệm

• Xác định thông số của bùn:

− Lấy thể tích V (ml) bùn, sấy ở 105oC, xác định MLSS của bùn

− Nồng độ bùn được xác định : C b =MLSS V (mg/l)

• Quá trình thích nghi

Ở giai đoạn này tiến hành làm các bước sau:

Chọn lượng nước thải cần xử lý là 24 lít Bùn nuôi cấy ban đầu được lấy từ công trình bùn hoạt tính hiếu khí ở của trạm xử lý nước thải sinh hoạt khách sạn Park Hyatt, Q1 Pha bùn với nước thải đã pha loãng sao cho hỗn hợp bùn và nước thải

có nồng độ chất rắn lơ lửng (MLSS - Mixed Liquor Suspended Solids) = 2000 –

3500 mg/l (ở đây chọn MLSS = 2500 mg/l)theo hệ phương trình sau:







+

=

=

+

bùn nước hh

hh hh bùn bùn nước

nước

V V

V

xSS V xSS

V xSS

V

Trong đó:

− Vnước, Vbùn, Vhh: Thể tích của nước thải (lít) đã pha loãng, thể tích bùn, thể tích hỗn hợp gồm bùn và nước thải

− SSnước, SSbùn, SShh: Hàm lượng chất rắn lơ lửng (mg/l) của nước thải, bùn và hỗn hợp nước thải và bùn

Sau khi tính toán được lượng bùn cần cho vào, ta đánh dấu mức bùn trong bể để thuận tiện cho việc duy trì thể tích bùn đã được xác định

− Giai đoạn thích nghi bắt đầu ở tải trọng 0.525 kg/m3.ngđ tương ứng với COD vào khoảng 525 mg/l và thời gian lưu nước là 24 giờ

Chương 3: Nghiên Cứu Mô Hình Và Kết Quả Nghiên Cứu

− Cho hỗn hợp bùn và nước thải vào bể sinh học, xác định các thông số COD, pH, MLSS đầu vào và tiến hành sục khí liên tục trong 24 giờ Trong quá trình sục khí, cần theo dõi chỉ số nồng độ oxy hòa tan trong nước thải

(DO – Dissolved Oxygen) để kịp thời điều chỉnh lượng khí cần cung cấp vào

bể (DO = 3 – 5 mg/l)

− Sau 24 giờ, lấy 1000ml nước thải để xác định các thông số: pH, SS, COD

− Tiếp tục tiến hành việc thích nghi cho đến khi hiệu quả khử COD dần ổn định Giai đoạn thích nghi kết thúc khi COD ổn định theo thời gian lưu nước, khi đó bùn kết cụm thành dạng bông màu nâu sẫm, dễ lắng

Vẽ đồ thị biểu diễn hiệu quả khử COD theo thời gian đối với thí nghiệm thích nghi và nhận xét

• Quá trình tăng tải trọng

Cuối giai đoạn thích nghi, xác định các thông số COD, MLSS, pH sau 24 giờ Đánh dấu mức bùn lắng sau 30 phút (mức bùn lắng này ứng với SS khoảng 2500 mg/l) Xác định khả năng lắng của bùn bằng chỉ tiêu SVI

− Cách xác định SVI :

+ Lấy 1 lít mẫu được lấy từ bình phản ứng (sau khi thích nghi bùn)

+ Khả năng lắng của bùn được đo bằng cách đổ hỗn hợp đến vạch 1 lít, để lắng trong 30 phút, sau đó được thể tích bị chiếm bởi bùn lắng

+ SS được xác định bằng cách lọc, sấy khô và cân trọng lượng

+ SVI là thể tích bằng ml bị chiếm giữ bởi 1 gam bùn hoạt tính sau khi để lắng 30 phút hỗn hợp trong bể phản ứng, được tính:

) / ( 35 , 0 2870

1000 1 1000

g ml MLSS

V









 ×

=

Tăng tải trọng COD ứng với thời gian lưu nước là 24h, 12h, 4h

-Ở mỗi tải trọng xác định COD, pH, SS.

Khi hiệu quả khử COD ở tải trọng nào đó ổn định trong thời gian tối thiểu 3 ngày, tiếp tục tăng tải cao hơn Quá trình tăng tải kết thúc khi hiệu quả COD giảm Lúc đó hiện tượng quá tải xảy ra

Lập bảng số liệu mô hình tĩnh sắp xếp theo thời gian lưu nước tăng dần và vẽ đồ thị biểu diễn mô hình tĩnh sắp xếp theo thời gian lưu nước tăng dần và nhận xét

• Chạy mô hình động và xác định các thông số động học

− Chạy tải trọng động ứng với thời gian lưu nước (24h): lập bảng số liệu, vẽ đồ thị quan hệ thời gian và hiệu quả khử COD, COD vào và ra

− Chạy tải trọng động ứng với thời gian lưu nước (12h): lập bảng số liệu, vẽ đồ thị quan hệ thời gian và hiệu quả khử COD, COD vào và ra

− Chạy tải trọng động ứng với thời gian lưu nước (4h): lập bảng số liệu, vẽ đồ thị quan hệ thời gian và hiệu quả khử COD, COD vào và ra

− Các hệ số động học của quá trình sinh học hiếu khí bao gồm hằng số bán vận tốc Ks, tốc độ sử dụng cơ chất tối đa K, tốc độ sinh trưởng vùng tối đa µm, hệ số sản lượng tối đa Y và hệ số phân huỷ nội bào Kd Các thông số này được xác định theo 2 phương trình sau:

K

1 S

1

* K

K ) S S (

.

− θ

d 0

C

K )

X (

)]

S S (

Y [ 1

− θ

−

= θ

Trong đó:

+ X : Hàm lượng bùn hoạt tính MLSS, mg/l

+ θ : Thời gian lưu nước trong bể aerotank, ngày

+ θ : Thời gian lưu bùn, ngày