Báo cáo thí nghiệm kĩ thuật môi trường

Báo cáo thí nghiệm kĩ thuật môi trường

Bài 1 : Xử lý hiếu khí nước thải bằng bể Aeroten

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Các thông số đánh giá chất lượng nước

Để đánh giá chất lượng nước, người ta đưa ra các chỉ tiêu về chất lượng nước như sau:

• Chỉ tiêu vật lý: mùi vị, nhiệt độ, độ đục, độ màu, độ axit, độ kiềm, độ cứng, hàmlượng chất rắn tan trong nước…

• Chỉ tiêu hóa học: độ pH, oxi hòa tan DO, nhu cầu oxi hóa học COD, nhu cầu oxi sinh học BOD, hàm lượng H2S, Cl-, SO42-, PO43-, F-, I-, Fe2+, Mn2+, các hợpchất nitơ, phốtpho…

• Chỉ tiêu sinh học: vi trùng gây bệnh, các loại rong tảo…

1.1 Nhiệt độ (temperature)

Nhiệt độ nước tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết của lưu vực haymôi trường khu vực Nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải nhà máy điện nhiệt,nhà máy điện hạt nhân thường có nhiệt độ cao hơn nước tự nhiên trong lưu vực nhậnnước cho nên làm cho nước nóng lên (ô nhiễm nhiệt)

Ảnh hưởng của nhiệt độ cao trong nước:

Nhiệt độ cao của nước làm thay đổi các quá trình sinh, hóa, lý học thường của hệ sinh thái nước biểu hiện:

• Làm giảm nồng độ oxi trong nước;

• Phân hủy yếm khí xảy ra mạnh mẽ, gây ra mùi hôi thối do các khí H2S, CO2,CH4, NH3… gây ra;

• Làm thay đổi màu nước.Để đo nhiệt độ của nước người ta dùng các loại nhiệt kế khác nhau

1.2 Độ màu (colour)

Nước tự nhiên thường trong suốt và không màu, nước có màu là do các chất bẩnhòa tan trong nước tạo nên Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp (nước thảinhà máy dệt,

thuộc da, lò mổ, nhà máy giấy…) thường tạo ra màu xám hoặc đen cho nguồn nước Để đánh giá màu sắc của nước, người ta dùng phương pháp so màu bằng mắt hoặc bằng phổ kế với các dung dịch chuẩn

1.3 Độ đục (turbidity)

Nước tự nhiên sạch thường không chứa các chất rắn lơ lửng nên trong suốt và khôngmàu Khi chứa các hạt sét, mùn, vi sinh vật, hạt bụi, các hóa chất kết tủa thì nước trở nên đục Nước đục ngăn cản quá trình chiếu ánh sáng mặt trời xuống đáy thủy vực

Độ đục của nước được xác định bằng máy đo độ đục Đơn vị của độ đục: NTU

( Nephe;pmetric Turbidity Unit ) Nước mặt thường có độ đục 20-100 NTU, mùa lũ có khi cao tới 500- 600 NTU Độ đục của nước hồ sạch thường ở mức dưới 25 NTU Nước thải sinh hoạt phải

có độ đục không lớn hơn 5 NTU, nước uống phải có độ đục không lớn hơn 1NTU

1.4 Độ cứng (hardness)

Độ cứng của nước là đại lượng biểu thị hàm lượng các ion canxi, magie có trong nước Trong xử lý nước thường phân biệt thành 2 loại độ cứng: độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu Độ cứng tạm thời là độ cứng do các muối bi cacbonat của Mg và Ca tạo thành Khi làm thoáng tốt và ở nhiệt độ cao, các muối bi cacbonat tạo kết tủa cacbonat

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O Đây là nguyên nhân nước cứng gây hiện tượng đóng cặn ở các đường ống, dụng cụ,thiết

bị tiếp xúc với nước, nhất là nước nóng Kết hợp với các cặn chứa sắt, mangan, silic, cặn ở đường ống thường có màu trắng vàng gạch hoặc nâu

Độ cứng vĩnh cửu là do các muối Ca, Mg không cacbonat tạo nên (thường là muối sunphat, clorua) Những muối này bền nhiệt nên khi đun nóng không bị kết tủa.Độ cứng của nước được xác định bằng phương pháp chuẩn độ.Theo giá trị độ cứngtính bằng mg/l CaCO3 có thể phân loại nước thành:

Phân loại độ cứng của nước

Độ cứng của nước

Nước mềm

Nước hơi cứng

Nước cứng

Nước rất cứng

1.5 Độ pH

Độ pH của nước được xác định dựa theo công thức: pH = - lg [H+] Nước tinh khiết ở điều kiện thường bị phân ly theo phương trình:

H2O = H+ + OH

-Và trung hòa về điện tích, tức là [H+]=[OH-]

Đối với nước tinh khiết thì pH = 7, khi chứa nhiều ion H+ hơn OH- nước có tính axit pH <

7, khi chứa nhiều ion OH- hơn H+ nước có tính kiềm pH > 7

Ảnh hưởng của độ pH:

- Cá thường không sống được khi nước có pH <4 hoặc pH > 10

- Sự thay đổi độ pH của nước liên quan đến sự hiện diện các hóa chất axit hoặc kiềm, sự phân hủy chất hữu cơ, sự hòa tan của một số anion SO42-, NO3-

Độ pH của nước có thể xác định bằng máy pH – meter hoặc bằng giấy đo pH

Tiêu chuẩn pH cho nước sinh hoạt là 6 – 8,5, cho nước uống là 6,5 – 8,5

1.6 Độ dẫn điện (electric conductivity)

Độ dẫn điện của nước liên quan đến sự hiện diện của các ion của các kim loại muối như NaCl, KCl, Na2SO4, KNO3, … trong nước Tác động ô nhiễm của nước có độ dẫn điện cao thường liên quan đến độc tính độc hại của các ion tan trong nước Để xác định độ dẫn điện, người ta dùng các máy đo điện trở hoặc cường độ dòng điện

1.7 Chất rắn lơ lửng (Suspended solids – SS)

-TSS (total suspended solids): là tổng hàm lượng cặn lơ lửng (mg/l)

Để xác định TSS, người ta làm bay hơi mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 103oC tới trọng lượng không đổi

-SS (Suspended solids): chất rắn lơ lửng (mg/l)

Để xác định chất rắn lơ lửng, người ta thường để lắng sau đó lọc qua giấy lọc chuẩn tách

ra phần chất lắng: sấy khô ở 103oC – 105oC

- DS ( Dissolved Solid): chất rắn hòa tan (mg/l)

Sấy khô một thể tích nước đã biết đã được lọc sach cặn lơ lửng ở nhiệt độ 100 –105oC và cân lượng cặn còn lại sau khi nước bốc hơi hết gọi là chất rắn hòa tan Đây chủ yếu là các khoáng chất và một lượng nhỏ các chất hữu cơ hòa tan

Để xác định riêng phần muối khoáng hòa tan, cần nung lượng cặn này ở 500 -800oC để

phần hữu cơ cháy hết, lượng cặn còn lại tính bằng mg/l chính là tổng lượng

muốikhoáng hòa tan (TKHT)

Phân loại tự nhiên theo TKHT

TKHT, mg/L

< 1000

1000 – 2500

25000 – 50000

> 50000

1.8 Hàm lượng oxy hòa tan DO (dissolved Oxygen)

Oxy tự do hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước (cá,lưỡng cư, thủy sinh, côn trùng…) thường được tạo ra do sự hòa tan oxy từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo Nồng độ oxy tự do hòa tan trong nước khoảng

8-10 ppm(ppm = mg/l hoặc mg/1kg), và sự dao động mạnh phụ thuộc vào nhiệt độ, sự phân hủy các chất, sự quang hợp của tảo Khi nồng độ DO thấp, các loài sinh vật nước thiếu oxy sẽ giảm hoạt động hoặc chết Do vậy DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm thủy vực Có nhiều phương pháp xác định giá trị DO của mẫu nước như phương pháp ion của Winkler

và phương pháp điện cực

1.9 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD (biochemical oxygen demand – BOD)

Nhu cầu oxy sinh hóa là lượng oxy mà vi sinh vật dùng để oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước theo phản ứng:

Chất hữu cơ + O2 → CO2+ H2O + tế bào mới + sản phẩm trung gian

Để xác định giá trị BOD của mẫu nước người ta tìm giá trị oxy hòa tan DO của mẫunước trước và sau khi ủ mẫu một thời gian ở nhiệt độ 20oC Thông thường thời gian ủ là 5 ngày khi đó khoảng 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hóa (BOD5) Theo lý thuyết để oxy hóa gần hết hoàn toàn các chất hữu cơ (98-99%) đòi hỏi sau 20 ngày

1.10 Nhu cầu oxy hóa học (chemical oxygen demand – COD)

Nhu cầu oxy hóa học (COD) là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ

có trong mẫu nước thành CO2 và nước

Như vậy COD là lượng oxy cần thiết để oxy hóa toàn bộ các hợp chất hữu cơ

có trong nước, còn BOD chỉ là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các hợp chất hữu cơ

dễ phân hủy sinh học Thông thường BOD5/COD = 0,5 – 0,7

1.11 Các hợp chất của Nito, Photpho

Các hợp chất của Nito trong nước là kết quả của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên, trong chất thải và trong các nguồn phân bón mà con người trực tiếp hoặc gián tiếp đưa vào nguồn nước Các hợp chất này tồn tại dưới dạng amoniac,nitrit, nitrat và

cả dạng nguyên tố nito.Các hợp chất Photpho có thể tồn tại trong nước bao gồm các hợp chất photphat khi nguồn nước bị nhiễm bẩn phân rác và các hợp chất hữu cơ, quá trình phân hủy giải phóng ion PO4

3- Khi ở trong nước hàm lượng nito, photpho cao sẽ thúc đẩy quá trình phì dưỡng (còn gọi

là phù dưỡng)

1.12 Chỉ tiêu vi sinh

Sinh vật có mặt trong nước ở nhiều dạng khác nhau Bên cạnh các sinh vật có ích,có nhiều nhóm sinh vật gây bệnh hoặc truyền bệnh cho người và động vật Trong số này đáng chú ý

là các loại vi khuẩn, siêu vi khuẩn, ký sinh trùng gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn, sốt rét, viêm gan B, viêm não Nhật Bản, giun đỏ, trứng giun…

Nguồn gây ô nhiễm sinh học cho môi trường nước chủ yếu là phân, rác, nước thải sinh hoạt, xác chết sinh vật, nước và rác thải bệnh viện… Để đánh giá mức độ ô nhiễmsinh học, người ta dùng chỉ số Coliform Đây là chỉ số phản ánh số lượng vi khuẩn E.coli trong nước, thường không gây bệnh cho người và sinh vật Để xác định chỉ số coliform, người ta nuôi

cấy mẫu trong dung dịch đặc biệt và đếm số lượng chúng sau một thời gian nhất định

Người ta phân biệt trị số E.coli và chỉ số E.coli Trị số E.coli là đơn vị thể tích nước có chứa 1 vi khuẩn E.coli, còn chỉ số E.coli là số lượng vi khuẩn E.coli có trong một lít nước Tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt ở các nước tiên tiến qui định trị số E.coli không nhỏ hơn 100ml nước, nghĩa là cho phép có 1 vi khuẩn E.coli trong 100ml nước, chỉ số E.coli tương ứng là 10 Tiêu chuẩn vệ sinh Việt Nam qui định chỉ số E.coli của nước thải sinh hoạt phải nhỏ hơn 20

2 Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa

Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật theo 3 giai đoạn như sau :

• Chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử;

• Khuếch tán chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào;

• Chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào

Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục Quá trình xử lí sinh học hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn :

- Oxy hóa các chất hữu cơ:

C x H y O z N + O 2 CO 2 + H 2 O + NH 3 + ΔH (1) Tổng hợp tế bào mới :

C x H y O z N + NH 3 + O 2 C 5 H 7 NO 2 + CO2 + ΔH (2) Trong đó: C x H y O z N là tất cả các chất hữu cơ của nước thải.

C 5 H 7 NO 2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật

ΔH là năng lượng.

Phản ứng (1) là phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, còn phản ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào Lượng oxy tiêu tốn cho hai phản ứng trên là tổng BOD của nước thải

Nếu tiếp tục quá trình oxy hóa khi không đủ chất dinh dưỡng thì quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hóa chất liệu tế bào (tự oxy hóa):

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

NH 3 + O 2 HNO2 + O 2 HNO 3

2.1 Nguyên lý của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính

Sử dụng vi sinh vật để oxy hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ chuyển hóa sinh học được, đồng thời chính các vi sinh vật sử dụng một phần hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxy hóa để tổng hợp nên sinh khối của chúng (bùn hoạt tính)

Tác nhân sinh học

Chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí Chúng phân giải mạnh các hợp chất hữu cơ

Các vi khuẩn hiếu khí hay còn gọi là các vi sinh vật tham gia vào quá trình oxy hóa sinh học phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

• Chuyển hóa mạnh các chất hữu cơ,

• Kích thước tương đối lớn để “bông sinh học” lắng nhanh (ф = 50 - 200µ),

• Không sinh các chất khí gây ô nhiễm môi trường như H2S, Indol, Scatol

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí trong bể Aeroten

2.1.1 - pH

pH của nước thải có ảnh hưởng lớn đến các quá trình hóa sinh của vi sinh vật, quá trình tạo bùn và lắng Dải pH tối ưu cho xử lý hiếu khí nước thải từ 6,5 - 8,5

2.1.2 - Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật Mỗi vi 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

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến DO:

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

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

Trong bể Aeroten nhiệt độ tối ưu là 25 – 320C, nhưng cũng có thể chấp nhận nhiệt độ 16 – 370C

2.1.3- Oxi hòa tan (DO)

DO là lượng oxy hoà tan trong nước

Đây là thông số quan trọng đối với hệ thống xử lý hiếu khí DO được cấp liên tục để đáp ứng nhu cầu oxy của vi sinh vật trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải

Để đảm bảo tốc độ oxi hoá các chất bẩn diễn ra tốt, nồng độ oxi hoà tan cần đạt 2 – 4mg/l, thường cấp 4mg/l

Khi lượng DO quá cao sẽ gây tốn năng lượng (do quá trình cấp DO tiêu tốn năng lượng); đồng thời quá trình tạo sinh khối diễn ra nhanh khiến vi sinh vật không kịp tạo nha bào, dẫn đến việc hình thành các bông bùn không tốt

2.1.4- Tỷ số F/M (Food/ microorganism = chất thải/ vi sinh vật):

F/M là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật hiếu khí Tỷ lệ F/M thích hợp = 0,2 ÷ 0,6

• Khi tỷ lệ F/M >1, tức lượng thức ăn dư thừa khiến vi sinh vật tập trung phát triển sinh khối, làm cho vi sinh vật không tạo được nha bào tạo ra các bông bùn kém chất lượng không lắng được; đồng thời lượng bùn dư tạo thành quá lớn, làm quá trình xử lý bùn thêm tốn kém

• Khi tỷ lệ F/M << 1 thì vi sinh vật không đủ dinh dưỡng để phát triển

2.1.5 - Các yếu tố dinh dưỡng và vi lượng

Thành phần dinh dưỡng trong nước thải chủ yếu là nguồn Cacbon (thể hiện BOD), cùng với N (thường ở dạng NH4+) và P (ở dạng muối của axit photphoric) là những nguyên tố đa lượng; ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như: Mg, Fe, Ca, Na, Cl, Mn

• Tỷ lệ các chất dinh dưỡng phù hợp cho 3 ngày đầu là C : N : P = 100 : 5 : 1

• Khi quá trình xử lý kéo dài 20 ngày thì tỷ lệ C : N : P = 200 : 5 : 1

• Thiếu nitơ sẽ cản trở quá trình sinh hóa các chất bẩn hữu cơ và tạo ra bùn hoạt tính khó lắng

• Thiếu photpho dấn đến sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, là nguyên nhân chính làm cho bùn hoạt tính bị phồng lên, khó lắng và bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý, làm giảm sinh trưởng của bùn hoạt tính, đồng thời giảm cường độ quá trình oxy hóa

2.1.6- Chất độc đối với VSV

Các muối vô cơ, các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ chứa clo, các chất kháng sinh, các chất oxy hóa, các khí độc, các dung môi độc, có khả năng ức chế thậm chí làm vô hoạt hệ enzym oxy hóa khử ở vi sinh vật Vì thế, cần phải loại bỏ các chất độc này trước khi nước thải được dẫn vào bể Aeroten, khống chế hàm lượng muối vô cơ nhỏ hơn 10g/l bằng phương pháp pha loãng

2.2 Các thông số quan trọng trong vận hành bể Aeroten

2.2.1 Hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng (Mixed Liquoz Suspended Solids - MLSS):

là nồng độ chất rắn trong bùn lỏng MLSS được xác định là lượng cặn lắng được trong bể trong môitrường tĩnh trong khoảng thời gian nhất định MLSS bao gồm cả phần hữu cơ và phần vô cơ

2.2.2 Hàm lượng rắn bay hơi (MLVSS):

là hàm lượng các chất hữu cơ bay hơi (VSS) có trong bể xử lý (hay còn gọi là nồng

độ vi sinh vật trong bùn hoạt tính) Trong tính toán thì lượng MLVSS này chính bằng giá trị bùn hoạt tính X trong bể xử lý MLVSS được xác định bằng cách lấy MLSS cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 550-600oC đến khối lượng không đổi ta thu được độ tro của cặn Lấy MLSS trừ đi độ tro này ta thu được MLVSS

2.2.3 Chỉ số thể tích bùn (Sludge Volume Index - SVI:

là số ml nước thải đang xử lý lắng được 1 gam bùn (theo chất khô không tro) trong vòng

30 phút Cách tính SVI :

Đây là thông số cho biết trạng thái của bùn và hiệu quả xử lý của bể aerotank Nếu SVI nằm trong khoảng 80-150 thì bùn dễ lắng Nếu SVI > 200 thì bùn khó lắng, dễ bị trôi ra ngoài do bùn

bị trương phồng lên

2.2.4 Hệ số sử dụng chất nền cực đại (Heterotrophic synthesis yield Y, mg VSS/mg COD):

Là tỷ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ trong một thời gian nhất định Hệ số sử dụng chất nền cực đại còn có thể được hiểu là “hệ số đồng hoá” là thông

số cho biết khối lượng tế bào vi sinh vật được sinh ra khi xử lý được 1 khối lượng cơ chất (COD) Đây là một thông số động học trong quá trình thiết kế hệ thống xử lý nước thải Giá trị tiêu biểu của Y (tính theo mg BOD) vào khoảng 0,6 (khoảng giao động từ 0,4-0,8); còn Y (tính theo mg COD) vào khoảng 0,4 (khoảng giao động từ 0,3-0,6)

2.2.5 Thời gian lưu thuỷ lực (Hydrolic Retention Time HRT):

Là thời gian lưu của nước trong bể xử lý, tính bằng tỷ số giữa thể tích của bể (V)

và thể tích nước thải đi vào (Qv) trong một khoảngthời gian (ngày hay giờ)

2.2.6 Tuổi của bùn (SRT Solids Retention Time):

Là thời gian của bùn lưu trú lại trong bể xử lý, hay còn gọi là tuổi của cặn Đây là một thông số quan trọng để thiết kế và vận hành một hệ thống bùn hoạt tính SRT được tính bằng tỷ

số giữa lượng bùn có trong bể (V.X) với tổng lượng bùn đi ra khỏi hệ thống (QxaXr + QeXe) trong một ngày

2.2.7 Tỷ số F/M (Food/Mass)

Chỉ số này đánh giá hoạt lực của vi sinh vật

2.2.8 Tải trọng riêng TR:

là đại lượng biểu thị khả năng oxy hóa chất ô nhiễm của một đơn vị sinh khối trong thời gian một ngày

Khi tải trọng riêng được tính theo BOD5 thì có đơn vị là: (kg BOD5/kg sinh khối ngày)

Khi tải trọng riêng được tính theo COD thì có đơn vị là: (kg COD/kg sinh khối ngày)

II THỰC HÀNH VÀ BÁO CÁO KẾT QUẢ

Mô hình thí nghiệm

Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải bằng bể Aeroten

Bể làm việc gián đoạn với:

• Thời gian lưu nước thải trong bể: 8h

• Lưu lượng khí cấp vào bể: 500 l/h,

• Thể tích của bể: 20x35x64 (cm3)

• Thể tích nước thải VNT = 48 l

• Nhiệt độ trung bình của nước thải trong bể vào khoảng 27-28oC,

• Độ pH của nước được duy trì trong bể vào khoảng: 7.4 là thích hợp

• DO trong bể được duy trì với lượng gần 3mg/l

1 Phân tích COD :

a, Định nghĩa:

COD (Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học) là lượng oxy cần thiết để oxy hoá các

hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ (mg/l)

Như vậy, COD là lượng oxy (mg) cần để oxy hoá toàn bộ các chất hoá học trong 1lit nước