Báo cáo kết quả thí nghiệm thực hành kỹ thuật môi trường

- Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối: Các polymer có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo cầu nối giữa các hạt keo qua các bước: + Phân tán polymer + Vận chuyển polymer đến bề mặt hạt

1

PHÂN HIỆU ĐẠI HỌC HUẾ TẠI QUẢNG TRỊ

Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Môi trường



BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Học phần: Thực tập chuyên đề KTMT

SVTH : Nguyễn Đình Diệp Lớp : CNKTMTK1

Huế, 2013

2.1 Khái niệm keo tụ

Keo tụ là hiện tượng phá vỡ trạng thái ổn định của các hạt keo huyền phù để tạo ra các cụm hạt khi có sự tiếp xúc giữa các hạt keo

2.2 Bản chất của quá trình kẹo tụ

- Quá trình nén lớp điện tích kép, giảm thế điện động zêta nhờ ion trái dấu

- Quá trình keo tụ do hấp phụ ion trái dấu trên bề mặt, trung hòa điện tích tạo ra điểm đẳng điện ζ = 0

- Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối: Các polymer có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo cầu nối giữa các hạt keo qua các bước:

+ Phân tán polymer

+ Vận chuyển polymer đến bề mặt hạt

+ Hấp phụ polymer lên bề mặt hạt

+ Lk giữa các hạt đã hấp phụ polymer với nhau hoặc với các hạt khác

- Quá trình keo tụ hấp phụ cùng lắng trong quá trình lắng

- Trung hòa điện tích

+ Sự hấp phụ các chất mang điện tích trái dấu với các hạt keo

+ Giảm thế điện thế bề mặt và làm mất ổn định hệ keo

+ Hàm lượng chất keo tụ tăng → nồng độ hạt keo tăng

+ Quá nhiều chất keo tụ → tái ổn định hệ keo

- Quá trình keo tụ - hấp phụ cùng lắng trong quá trình lắng

2.3 Các chất keo tụ thường dùng:

Ở nước ta chất keo tụ được sử dụng để lắng trong nước sinh hoạt là nhôm sunfat (thường gọi là phèn đơn) hoặc nhôm kali, nhôm amon sunfat (thường gọi chung là phèn kép) hoặc dung dịch phèn nước (thông thường là dung dịch (phèn nhôm sắt) Nhằm phòng chống một số bệnh tật, bệnh dịch người ta còn sử dụng một số hóa chất khác như clo (clo lỏng, nước javen, bột tẩy) có tác dụng diệt khuẩn; vôi để hiệu chỉnh độ pH; natri silicofluorua chống bệnh sâu răng; polyacrylat để hoàn thiện quá trình lắng trong nước

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ:

- Phải có pH thích hợp đối với từng loại chất keo tụ nhất định Có ảnh hưởng đến khả năng tạo bông

- Nồng độ keo tụ vừa phải không nhiều cũng không ít Quá ít hiệu quả tạo bông không tốt, quá nhiều thì các hạt bông trở về trạng thái ban đầu (các hạt keo lơ lửng)

III Kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành bởi mẫu nước thải có độ đục ban đầu là 752 NTU, pH = 6 3.1 Ảnh hưởng của liều keo tụ lên quá trình keo tụ:

3.1.1 Tiến hành:

- Khuấy đều và dùng ống đong lấy mẫu vào 6 cốc, mỗi cốc 0,75L mẫu Đo pH = 6

- Dùng pipet, cho dung dịch chất keo tụ vào các cốc chứa mẫu theo bảng sau:

3

mL dd Al2(SO4)3 7,5 g/l 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Liều keo tụ, mg/l 5 10 15 20 25 30

- Chia làm hai đợt khuấy do máy Jartest chỉ có 4 chổ:

+ Khuấy nhanh 70 rpm trong vòng 1 phút

+ Giảm tốc độ khuấy xuống còn 25 rpm và duy trì trong vòng 15 phút

+ Dừng khuấy, bắt đầu theo dỏi quá trình lắng bông cặn trong các cốc, ghi chú thời gian lắng hoàn toàn trong các cốc

+ Sau 20 phút gạn lấy phần nước lắng và đo độ đục

- Sau phân tích, thảo luận nhóm quyết định chọn liều lượng keo tụ thích hợp là 15 mg/l

- Dùng pipet, cho dung dịch chất keo tụ vào các cốc với liều lượng 15 mg/l

- Khuấy nhanh với tốc độ 70 rpm trong 1 phút và khuấy chậm 25 rpm trong 15 phút

- Ngừng khuấy, theo dỏi quá trình lắng bông cặn trong các cốc, ghi chú thời gian lắng hoàn toàn của từng cốc

- Sau 20 phút, gạn lấy phần nước lắng và đo độ đục

4

Đồ thị

IV Nhận xét

4.1 Ảnh hưởng của liều keo tụ

- Từ đồ thị ta thấy độ dốc giảm dần từ trái sang phải, càng sang phải độ dốc càng giảm Từ

đó, ta xác định được liều keo tụ thích hợp nhất là 15 mg/l ứng với độ đục là 23,7 NTU

- Khi tăng liều keo tụ lên thì độ đục vẫn giảm, nhưng mức giảm không đáng kể Do vậy,

để giảm chi phí xử lý thì ta nên chọn liều keo tụ 15 mg/l là thích hợp

Từ kết quả thí nghiệm, tính toán các thông số quá trình hấp phụ

II Cơ sở lý thuyết:

2.1 Khái niệm hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tụ tập (chất chứa, thu hút…) các phân tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion của chất tan lên bề mặt phân chia pha Bề mặt phân chia pha có thể là lỏng – rắn, khí – lỏng, khí – rắn Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp phụ, còn chất mà được tụ tập trên bề mặt phân chia pha được gọi là chất bị hấp phụ

2.2 Bản chất quá trình hấp phụ:

2.2.1 Hấp phụ vật lý

Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở

bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết vander walls yếu

Nói một cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chỉ bị

ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu (lực vander walls) và liên kết hiđro Sự hấp phụ vật lý luôn luôn thuận nghịch Nhiệt hấp phụ không lớn

2.2.2 Hấp phụ hóa học

Có những lực hóa trị mạnh (do các liên kết bền của liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) liên kết những phân tử hấp phụ và những phân tử bị hấp phụ tạo thành những hợp chất hóa học trên bề mặt phân chia pha

Nói một cách khác hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử bị hấp phụ và hình thành trên bề mặt phân chia pha (bề mặt pha hấp phụ) Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) sự hấp phụ hóa học luôn luôn bất thuận nghịch Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol

2.3 Các chất hấp phụ thường dùng

2.3.1 Than hoạt tính

- Là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô định hình (bột), một phần nữa

có dạng tinh thể vụn grafit(ngoài carbon thì phần còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát)

Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn, nếu tính ra đơn vị khối lượng thì là từ 500 đến 2500 m2/g, do vậy mà nó là một chất lý tưởng dùng để lọc hút nhiều loại hóa chất 2.3.2 Silicagel

Đó là chất rắn có lỗ xốp nhỏ, dạng cục hoặc viên hình cầu tuỳ thuộc phương pháp tạo hạt khi điều chế, có loại trong suốt như thuỷ tinh, có loại đục Độ xốp thay đổi trong giới hạn

20 - 60%, đường kính lỗ xốp khoảng 3 - 10 nm, bề mặt riêng 200 - 800 m2/g Hút nước mạnh và có khả năng hấp phụ chất khí

Được dùng làm chất hấp phụ để làm sạch dầu khoáng và nước, tách các rượu, axit amin, vitamin, chất kháng sinh, freon, vv

Cũng dùng làm chất mang xúc tác; chất hút ẩm, làm khô và chất hấp phụ (pha tĩnh) trong phân tích sắc kí

2.3.3 Zeolite

Zeolite là các aluminosilicat tinh thể có hệ thống mao quản đồng đều chứa các cation

6

nhóm-I-và-II

Chế phẩm zeolite làm phụ gia thức ăn cho lợn và gà vì khi được trộn vào thức ăn, chế phẩm zeolite sẽ hấp phụ các chất độc trong cơ thể vật nuôi, tăng khả năng kháng bệnh, kích thích tiêu hóa và tăng trưởng

2.4 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Hấp phụ thường được mô tả thông qua đường hấp phụ đẳng nhiệt, là một hàm liên quan giữa lượng chất bị hấp phụ (adsorbate) trên chất hấp phụ (adsorbent) và áp suất của nó (nếu ở thể khí) hoặc nồng độ (nếu ở thể lỏng)ở nhiệt độ không đổi

Phương trình toán học đầu tiên mô tả quá trình hấp phụ đẳng nhiệt của một chất khí được Freundlich và Küster công bố năm 1894

Trong đó: là lượng chất bị hấp phụ (adsorbate), lượng chất hấp phụ (adsorbent), là áp suất của chất bị hấp phụ (adsorbate), và là hằng số đặc trưng cho mỗi cặp adsorbent-adsorbat ở nhiệt độ nhất định

III Kết quả thí nghiệm

3.1 Xây dựng đường chuẩn xanh metylen

- Đo hấp thụ quang của 5 dung dịch chuẩn ở bước sóng 724 nm Xây dựng phương trình đường chuẩn (phụ thuộc độ hấp thụ quang theo nồng độ)

3.1.2 Kết quả đo hấp thụ quang và xây dựng đường chuẩn

- Kết quả đo hấp thụ quang

Nồng độ dd chuẩn, mg/l 30 60 90 120 150

Độ hấp thụ quang 0,096 0,269 0,606 0,804 0,954

- Đồ thị đường chuẩn xanh metylen

- Sau đó, lắc máy liên tục trong vòng 1h

- Lấy ra lắc tay một thời gian, rồi lắc máy liên tục 1h

- Lọc các mẫu qua giấy lọc, thu dịch lọc và đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 724 nm 2.2.2 Kết quả thí nghiệm

Lượng than hoạt tính, g 0,005 0,01 0,02 0,03 0,04 Liều hấp phụ tương ứng, mg/l 1000 2000 4000 6000 8000

Độ hấp thụ quang 0,425 0,349 0,109 0,061 0,011 Nồng độ dd metylen sau hấp phụ, mg/l 79,1 68,3 34 27,1 20 2.3 Tính toán

Từ số liệu thì nghiệm có được, tính:

a Hiệu suất xử lý màu trong từng bình thí nghiệm

b Hoạt tính hấp phụ của than ở từng bình thí nghiệm

c Các hệ số trong phương trình hấp phụ Freundlich

Dãy số liệu thí nghiệm

x/mc, mg/mg 0,709 0,4085 0,29 0,2048 0,1625

- Hiệu suất xử lý màu của than hoạt tính tăng khi tăng liều lượng hấp phụ

- Từ kết quả hoạt tính hấp phụ của than hoạt tính ta thấy lượng chất đã bị hấp phụ giảm dần khi tăng liều hấp phụ Do vậy,khả năng hoạt hoá hấp phụ của than hoạt tính giảm dần

- Từ phương trình Freundlich y = 0,947x – 4,663 ta xác định được các hệ số thực nghiệm

n = 1,06, Kf = 0,009

II Cơ sở lý thuyết

Quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất hữu cơ trong nước thải xảy ra theo động học bậc 1:

Trong đó: k-hằng số tốc độ phản ứng BOD, ngày-1; Lt – nhu cầu oxy của các chất hữu cơ còn lại ở thời điểm t, mg/L

Biến đổi toán học (1) sẽ cho biểu thức tính BOD của mẫu sau thời gian t (ngày):

BODt = L0 – Lt = L0 – L0e-kt = L0(1 – e-kt)

Xác định k và L0 theo phương pháp Thomas

Phương pháp này dựa trên sự giống nhau về khai triển dãy của 2 hàm số :

Biến đổi (5) và lấy căn bậc 3 hai vế :

Đồ thị (t/BODt)1/3 theo t là đường thẳng có đoạn cắt trục tung là: A = (kL0)-1/3 và độ dốc

Từ đây tính được k = 6B/A và L0 = 1/(6A2B)

III Kết quả thí nghiệm

3.1 Xác định COD

3.1.1 Quy trình phân tích COD

- Chuẩn bị dung dịch làm việc

- Các bước phân tích : Là quy trình phân tích chung cho cả đường chuẩn và mẫu

2,5 ml dd.chuẩn/mẫu (trong ống nghiệm 20ml) => Thêm 1,5 ml dd.phân huỷ => Thêm cẩn thận 3,5 ml H2SO4/Ag+ (cho chảy từ từ dọc thành ống nghiệm) Vặn chặt nặp, đảo lộn vài lần để trộn => Cho vào bộ đun ( gia nhiệt đến 200oC) và đun trong vòng 2 giờ => Làm nguội từ từ đến nhiệt độ phòng => Đo hấp thụ quang ở 420 nm (dùng nước cất để thiết lập giá trị zero)

3.1.2 Kết quả đường chuẩn

Độ hấp thụ 0,111 0,081 0,07 0,039 0,017

- Ở ba mức pha loãng trên, độ hấp thụ đều nằm trong khoảng giới hạn của đường chuẩn từ 0,017 đến 0,111Abs

- Từ phương trình đường chuẩn , ta xác định được nồng độ của mẫu như sau:

+ Mẫu không pha loãng có y = 0,048 => Nồng độ của mẫu là

+ Mẫu pha loãng 2 lần có y = 0,052 => Nồng độ của mẫu sau khi pha loãng là

+ Mẫu pha loãng 4 lần có y = 0,059 => Nồng độ của mẫu sau khi pha loãng là

Vậy, do quá trình lấy mẫu không đồng nhất và đại diện tốt nên kết quả có sự sai khác về nồng độ Để đảm bảo tính xác thực của hàm lượng COD có trong nước thải, ta chọn mẫu pha loãng 4 lần là kết quả cần xác định Nồng độ COD có trong nước thải là: 43 x 4 = 172 mg/l

Từ đó ta ước lượng được hàm lượng BOD có trong nước thải là :

- Khuấy trộn đều trong 5 phút và đo DO mẫu pha loãng ban đầu

- Cho mẫu đã pha loãng vào 5 chai Winkler Dùng ống nhựa để nạp mẫu vào chai, cho đầu ống gần sát đáy để tránh xáo trộn Lấy mẫu dư đến miệng chai, dùng nút đậy ngay để tránh tạo bọt khí bên trong chai

- Đặt 5 chai vào tủ ủ BOD ở 20oC

3.2.2 Kết quả đo BOD

DO, mg/l 7,6 6,81 6 4,75 4,43 2,63

- BOD1 = DObđ – DO1 = 7,6 – 6,81 = 0,79 mg/l

- BOD2 = DObđ – DO2 = 7,6 – 6 = 1,6 mg/l

- BOD3 = DObđ – DO3 = 7,6 – 4,75 = 2,85 mg/l

Biểu đồ biểu diễn hàm lượng BOD có trong nước thải

- Tính toán k và L0 theo exel

- Do khi pha mẫu vào bình Winkler không tốt, làm gia tăng oxy hoà tan trong nước thải, nên khi đã pha loãng 25 lần, nhưng DO đo được vẫn ở ngoài khoảng ước tính 5-6 mg/l

- Kết quả BOD là khá tốt, nằm trong khoảng 0,7 – 0,8 COD

Giúp sinh viên hiê ̣u đươ ̣c nguyên tắc vâ ̣n hành của hê ̣ thống bùn hoa ̣t tı́nh và đánh giá hiệu quả xử lý của hê ̣ thống

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính

- Nguyên tắc hoạt động:

Nước thải được bơm vào bể phản ứng chứacác vi sinh vật ở dạng lơ lửng có sục khí, các vi sinh vật hiếu khí này phân hủy các chất hữu cơ, hay các chất hữu cơ đó làm nguồn thức ăn cho các vi sinh vật để tăng sinh khối Nhờ đó mà các chất hữu cơ được loại ra khởi nước thải Nước thải chảy qua bể lắng ở đây các bông bùn được lắng xuống đáy, phần bùn được bơm hồi lưu lại bể phản ứng, phần nước trong được thải ra

- Lắp đặt hệ thống bùn hoạt tính như hình vẽ trên

- Trong 4 giờ đâu tiên, tắt bơm NT vào, chỉ mở bơm bùn hồi lưu và su ̣c khí để vâ ̣n hành với chế đô ̣ mẻ Sau đó, bắt đầu mở bơm NT vào

- Cho hệ thống hoạt động trong 2 ngày, ngày đầu lấy 50ml nước thải đầu vào và 50ml nước thải đầu ra, ngày thứ 2 cũng tương tự Bảo quản mẫu ở trong tủ lạnh

- Trong 2 ngày thı́ nghiê ̣m, tiến hành đo các thông số sau đây trong bể phản ứng (mỗi ngày

đo 1 lần): pH, DO

14

Sau hai ngày

m0, g m1, g m2, g SS, mg/l VSS, mg/l 1,197 1,254 1,231 2280 1360 b.Kết quả Amoni

- Đường chuẩn Amoni:

- Dựa vào phương trình đường chuẩn y = - 0,001x + 0,102 ta tính được x2= 60 mg/l ;

x4=36 mg/l Để đảm bảo tính an toàn, ta chọn kết quả x2=36 mg/l Vậy, hàm lượng COD

có trong nước thải là 36 x 4 = 144 mg/l Ước lượng hàm lượng BOD có trong nước thải đầu vào S0 = 0,8 x COD = 0,8 x 144 = 115,2 mg/l

- Kết quả đo mẫu đầu ra 1

Độ hấp thụ 0,092 0,124 0,149

- Dựa vào phương trình đường chuẩn y = - 0,001x + 0,102 ta tính được x0= 10 mg/l Vậy, hàm lượng COD có trong nước thải là 12 mg/l Ước lượng hàm lượng BOD có trong nước thải đầu vào S1 = 0,8 x COD = 0,8 x 10= 8 mg/l

- Kết quả đo mẫu đầu ra 2

Độ hấp thụ 0,09 0,12 0,143

- Dựa vào phương trình đường chuẩn y = - 0,001x + 0,102 ta tính được x0= 12 mg/l Vậy, hàm lượng COD có trong nước thải là 12 mg/l Ước lượng hàm lượng BOD có trong nước thải đầu vào S1 = 0,8 x COD = 0,8 x 12 = 9,6 mg/l

Chế độ thủy lực của bể: Khuấy trộn hoàn chỉnh

Y :Hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (hệ số sinh trưởng cực đại)

Y= (0,4 – 0,6) (mg bùn hoạt tính/mgBOD) Chọn Y = 0,6

Kd : Hệ số phân hủy nội bào Kd = (0.02 – 0.1) (ngày-1), chọn Kd = 0.06

Px = Yobs Q(S0 – S)10-3 = 0,375 x 0,75 l/h x (115,2 – 8,8)mg/l = 30 mg/h = 7,2 x 10-4kg/ngd

- Hiệu suất xử lý COD =

- Hiệu suất xử lý Amoni =

- Hiệu suất xử lý COD và Amoni của bùn hoạt tính là rất cao Vì vậy, có thể ứng dụng để

xử lý nước thải trong thực tế

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giá thiết quá trı̀nh oxi hóa sinh ho ̣c amoni trong điều kiê ̣n thı́ nghiê ̣m tuân theo đô ̣ng

ho ̣c Monod và giả sử nồng đô ̣ bùn thay đổi không đáng kể trong khoảng thời gian thı́ nghiê ̣m Từ nồng đô ̣ cơ chất amoni (NH4-N) mất đi hay nồng đô ̣ tổng NO2-N và NO3-N (go ̣i chung là NOx-N) tạo thành sau từng khoảng thời gian, tı́nh toán tốc đô ̣ oxy hóa riêng cực đa ̣i, sử du ̣ng dạng biến đổi tuyến tı́nh của phương trı̀nh mônd

(1) (2)

Trong đó:

rN: tốc đô ̣ nitrat hóa, mg NH4-Ngiảm/L/h hay mg NOx-Nta ̣o thành/L/h

k: tốc đô ̣ nitrat hóa riêng cực đa ̣i, mg-N/g-VSS/h

S: nồng đô ̣ cơ chất trong amoni Mg-N/L

X: nồng độ sinh khối, mg-VSS/L

Ks: hằng số

- Quá trình Nitrat hóa

+ Đây là quá trình hiếu khí, bởi các vi khuẩn tự dưỡng ( autotrophic)

+ NH4 bị oxy hóa đến NO3- theo 2 bước:

III MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

1.Môi trường thı́ nghiê ̣m

Điều chỉnh pH đến 7,5 bằng dung dịch NaHCO3 10%

2.Xử lý bùn hoa ̣t tı́nh

- Dùng ống đong, lấy 200mL bùn hoa ̣t tính từ xô nuôi bùn ở PTN

- Cho vào cốc, khuấy đều trên máy khuấy từ và hút ra 50mL để xác đi ̣nh SS và VSS

- Phần 150mL bùn còn la ̣i đươ ̣c xử lý như sau:

a.Lo ̣c hút qua phếu lọc thủy tinh xốp (không giấy lo ̣c),

b.Ngưng bơm hút, dùng bình tỉa nước cất rửa phần bùn nằm trên phễu (dùng 15-20