CHUYÊN ĐỀ 4 HIỆU QUẢ CỦA MÔ HÌNH XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG KIỀM

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH 1 CHỮ VIẾT TẮT 2 TÓM TẮT 3 1. GIỚI THIỆU 3 2. PHƯƠNG PHÁP 4 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5 3.1. HÒA TAN CHẤT HỮU CƠ 5 3.2. THAY ĐỔI KHẢ NĂNG TÁCH NƯỚC CỦA BÙN 6 3.3. MÔ HÌNH PHÂN HỦY BÙN BẰNG NaOH 8 4. KẾT LUẬN 10 5. HIỆN TRẠNG XỬ LÝ BÙN THẢI Ở VIỆT NAM 11 5.1. Bùn nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt 11 5.2. Bùn nhà máy xử lý nước thải công nghiệp 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

CHUYÊN ĐỀ 4 HIỆU QUẢ CỦA MÔ HÌNH XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG KIỀM

NHÓM BÁO CÁO: NHÓM 18 GVHD: TS Tô Thị Hiền THÀNH VIÊN NHÓM:

Nguyễn Thị Xuân Huệ 1022118

Nguyễn Thị Thảo 1022275

Tp HCM, Ngày 23 tháng 10 năm 2013

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 1

CHỮ VIẾT TẮT 2

TÓM TẮT 3

1 GIỚI THIỆU 3

2 PHƯƠNG PHÁP 4

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5

3.1 HÒA TAN CHẤT HỮU CƠ 5

3.2 THAY ĐỔI KHẢ NĂNG TÁCH NƯỚC CỦA BÙN 6

3.3 MÔ HÌNH PHÂN HỦY BÙN BẰNG NaOH 8

4 KẾT LUẬN 10

5 HIỆN TRẠNG XỬ LÝ BÙN THẢI Ở VIỆT NAM 11

5.1 Bùn nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt 11

5.2 Bùn nhà máy xử lý nước thải công nghiệp 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Biến thiên của SCOD trong thời gian xử lý bằng NaOH……….05 Hình 3.2 ảnh hưởng của loại kiềm và nồng độ đến CST và khả năng lọc……… 06

Hình 3.3 Ảnh hưởng loại kiềm và nồng độ khả năng ly tâm của bùn ………07 Hình 3.4 So sánh số liệu thực nghiệm và mô phỏng cho bùn DDCOD……….09

Hình 3.5 Mối tương quan giữa dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm cho

DDCOD ……….10

CHỮ VIẾT TẮT

WAS: Waste Activated Sludge

EPS: Extracellular Polymer Substances

SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand VSS: Volatile Suspended Solid

SS: Suspended Solid

DDCOD : Disintegration Degree

TCOD: Total Chemical Oxygen Demand CST: Capillary Suction Time

V5 min: Sludge Viltration Ability

2

TÓM TẮT

Do thiếu thông tin về xử lý bùn thải bằng kiềm ở nồng độ cao tại nhiệt độ môi trường xung quanh Do đó, bài nghiên cứu này nghiên cứu về khả năng xử lý của NaOH và Ca(OH)2 ở các nồng độ khác nhau, 0 – 0.5 mol/L của NaOH và Ca(OH)2

trong khoảng nhiệt độ 0 – 400C Kết quả cho thấy, NaOH phân hủy bùn tốt hơn Ca(OH)2 Xử lý bằng NaOH, nồng độ hiệu quả nhất là khoảng 0.05 mol/L( 0.16 g/g chất rắn khô) và 60 – 71% chất hữu cơ được hòa tan trong 30 phút đầu trong tổng thời gian 24h xử lý Quá trình này được mô phỏng bằng mô hình năng lượng thay đổi và mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và nhiệt độ theo phương trình Arrhenius Xử lý bằng NaOH ở liều lượng thấp (<0.2 mol/L) thì khả năng tách nước giảm, trong khi khả năng tách nước tăng dần khi tăng nồng độ NaOH Xử lý bằng Ca(OH)2, các mảng bông bùn

và polymer hữu cơ hòa tan có thể được tái tạo lại với sự giúp đỡ của các Cation Canxi

Do đó, ảnh hưởng của phân hủy bùn là chống lại hoặc cải thiện khả năng tách nước của bùn

1 GIỚI THIỆU

Bùn thải (WAS) là sản phẩm chính của quá trình xử lý chất thải và nó khoảng 0.5 – 1% tổng lượng dòng nước thải Ở Trung Quốc, 20– 50% vốn và chi phí vận hành của nhà máy xử lý nước thải được chi cho xử lý bùn thải, vì thế giảm lượng bùn là rất quan trọng Sự phân hủy bùn, phương pháp tiền xử lý tách nước hoặc phân hủy kị khí,

đã được nghiên cứu rộng rải và được chứng minh cải thiện quá trình làm giảm lượng bùn Phương pháp phân hủy bùn gồm cơ khí, nhiệt, hóa học, xử lý sinh học So sánh với các phương pháp khác thì phương pháp xử lý bằng kiềm có một vài lợi thế, ví dụ: cần các thiết bị đơn giản, dễ vận hành, và hiệu quả cao Xử lý bùn bằng kiềm có thể phá vỡ bông bùn và tế bào, giải phóng ra chất hữu cơ bên trong và thúc đẩy quá trình thủy phân bùn và cải thiện hiệu suất phân hủy kỵ khí Bên cạnh đó, xử lý bùn bằng kiềm có thể giải phóng nước trong bông bùn và cấu trúc tế bào, mà không thể thực hiện với quá trình tách nước thông thường Vì vậy, xử lý bùn bằng kiềm làm tăng khả năng tách nước

Xử lý bùn bằng kiềm phụ thuộc vào sự hòa tan hoặc cấu trúc của bông bùn và thành tế bào bởi gốc hydroxy Chất polymer màng (EPS) giữ các hạt bùn với nhau tạo thành bông bùn EPS gồm protein, humic, polysaccharid, lipid and acid nucleic pH cao làm protein mất hình dạng tự nhiên của chúng, sự xà phòng hóa lipid và thủy phân RNA Kiềm mạnh hòa tan gels không chỉ vì biến đổi hóa học mà còn là sự ion hóa của nhóm OH (- OH - O -) dẫn đến giản nỡ và tiếp tục hòa tan Sau khi phá hủy EPS

và gels, các tế bào được tiếp xúc với môi trường có pH cực đoan do đó không thể giữ

áp suất trương thích hợp Với những lý do trên và sự xà phòng hóa của lipid, tế bào bị phá vỡ và các thứ bên trong được phóng thích Do đó, xử lí bùn bằng kiềm có thể hòa tan được bùn và phóng thích nước bên trong Hầu hết các cuộc nghiên cứu làm tăng khả năng ôxy hóa hóa học (SCOD) hoặc giảm chất rắn lơ lững (VSS) đặc biệt ở nồng

độ thấp (< 0.1 mol/L) xử lý bằng kiềm hoặc kết hợp với xử lý nhiệt Nhưng khi nồng

độ kiềm thấp thường tác động như chất phụ trợ trong quá trình thủy phân nhiệt (50 –

2000C) và có ít thông tin về xử lý bằng kiềm ở nồng độ cao tại nhiệt độ thường, đặc biệt là khả năng tách nước Mục đích của nghiên cứu này là để điền vào khoảng trống trong nghiên cứu chúng tôi kiểm tra hiệu quả phân hủy bùn, khả năng khử nước trong

xử lý bằng kiềm với liều lượng thấp và cao của NaOH và Ca(OH)2 tại nhiệt độ xung quanh (0 – 400C) Dựa trên những phân tích xử lý bùn bằng kiềm và thiết lập mô hình thí nghiệm để mô tả quá trình

2 PHƯƠNG PHÁP

Mẫu bùn được lấy từ các đầu ra của bể hiếu khí và bể lắng bùn của nhà máy xử

lý nước thải và được lưu trữ ở 40C trước khi phân tích Quá trình của nhà máy xử lý nước thải là kỵ khí- thiếu khí- hiếu khí Mẫu bùn có hàm lượng nước là 98%, pH= 6.9, SCOD= 275 mg/L, SS=12.788 mg/L và VSS= 9630 mg/L Để phân tích ảnh hưởng của nồng độ bùn khi xử lý bằng kiềm, nồng độ bùn đã được điều chỉnh lấy ra hoặc thêm vào chất nổi bề mặt thu được bởi quá trình lắng bùn

Xử lý bùn bằng kiềm được thực hiện trong hàng loạt trong lò phản ứng hỗn hợp theo mẻ có thể tích 2.0L, tất cả được đặt cách thủy để điều chỉnh nhiệt độ phản ứng trong khoảng 00C – 400C Nồng độ NaOH được thêm vào từ 0.05 mg/L đến 1.0 mg/L

và Ca(OH)2 từ 0.02 mg/L đến 0.5 mol/L Chất hữu cơ hòa tan của bùn được đo bởi hai thông số SCOD và VSS Mức độ phân hủy bùn được tính toán dựa trên tỉ lệ tăng của SCOD do xử lý bằng kiềm có thể làm SCOD tăng đến mức tối đa: DDCOD = (SCOD – SCOD0)/(TCOD – SCOD0), trong đó SCOD0 là SCOD của bùn chưa được xử lý, TCOD tổng nhu cầu oxy hóa hóa học của mẫu bùn Khả năng tách nước được đo bằng

3 phương pháp: thời gian hút mao dẫn (CST), lọc và ly tâm Mẫu bùn được sử dụng trực tiếp để đo hàm lượng nước, SS, VSS và TCOD bằng phương pháp chuẩn (APHA, 1995)

Các mẫu được ly tâm với 5000g cho 10 phút, và khi đó các chất nổi bề mặt được lọc thông qua màn với kích thước lổ là 0.45µm Dịch lọc được dùng để đo SCOD pH

đo bằng máy đo pH Phân bố kích thước hạt bùn được kiểm tra bằng phép đo mật độ hạt sự nhiễu xạ tia laser malvern Mastersizer CST được đo bằng thiết bị CST sản xuất

4

bởi Boshitong Ltd China Khả năng lọc bùn (V5 min) được đo bằng mẫu dịch lọc của 100mL mẫu bùn thông qua định lượng bằng giấy lọc với vận tốc lọc trung bình sau 5 phút lọc chân không tại 0.09 Mpa Khả năng li tâm của bùn được đo bởi độ ẩm (5000g, 10min) bánh bùn và độ đục của gạn ly tâm Độ đục được đo bằng Nephelometer

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến sự phân hủy bùn được thể hiên bởi sự thay đổi SCOD ( hình 3.1) SCOD tăng cùng với nồng độ NaOH và hiệu quả xử lý cao nhất khi nồng độ khoảng 0.05 mol/L (0.16 g/g DS) Nó chỉ ra nồng độ NaOH dư thừa Thực

tế, giá trị pH của bùn vẫn còn hơn 12 sau 30 phút xử lý NaOH 0.05 mol/L Do đó, lượng chất hữu cơ hòa tan tỉ lệ với nồng độ bùn và trong nghiên cứu này, tỉ lệ gia tăng của SCOD và VSS của bùn khoảng 0.63 với 0.05 mol/L NaOH Giống như kết quả được báo cáo bởi Xiao và Liu (2006) Ảnh hưởng của thời gian xử lý NaOH đến phân hủy bùn cũng được trình bày trong hình 3.1 SCOD tăng có thể chia thành 2 bước: trong 30 phút đầu, lượng hòa tan bùn là 60 -71% của tổng số chất hữu cơ hòa tan trong 24h xử lý Vì vậy xử lý hiệu quả nhất là trong 30 phút đầu

Ca(OH)2 cũng có thể phân hủy bùn, nhưng hiệu quả thì thấp hơn so với NaOH Sau 30 phút xử lý bằng Ca(OH)2, SCOD tăng từ 275 mg/L đến 1375 mg/L, 1365 mg/L, 984 mg/L, và 821 mg/L với nồng độ 0.02, 0.05, 0.3 mol/L Kết quả đã trình bày: chất hữu cơ hòa tan giảm dần khi nồng độ quá 0.02 mol/L Chất polyme ngoại bào (EPS) là chất gắn kết quan trọng trong bông bùn, các polyme hữu cơ hòa tan có thể đóng vai trò tương tự Cation có hóa trị 2 gồm Canxi và Magie là những chất quan trọng trong việc liên kết tế bào với EPS Vì thế với sự trợ giúp của Cation canxi, polymer hữu cơ hòa tan tăng cường tái tạo bông của các mảng được tạo ra bởi xử lý bằng kiềm Trong quá trình đó, chất hữu cơ hòa tan được chuyển thành bông bùn lần

nữa, và kích thước bông bùn tăng lên Dựa trên sự so sánh phân tích của NaOH và Ca(OH)2, có thể kết luận NaOH hiệu quả hơn Ca(OH)2 trong hòa tan bùn

3.2 THAY ĐỔI KHẢ NĂNG TÁCH NƯỚC CỦA BÙN

Trong quá trình xử lý bùn bằng kiềm, những thay đổi của bông bùn có thể được phản ánh bằng khả năng tách nước gián tiếp bao gồm CST, V5 min, độ ẩm của bánh bùn

ly tâm, độ đục của gạn ly tâm (hình 3.2 và 3.3)

Khả năng tách nước của bùn giảm lúc đầu và cải thiện dần khi lượng NaOH tăng từ 0.05 mol/L đến 0.5 mol/L Khi NaOH giảm thấp hơn 0.1 mol/L, khả năng tách nước giảm rõ rệt bởi vì sự phá vỡ bông bùn và tế bào Giá trị CST thay đổi chỉ ra rằng các polyme hữu cơ ưa nước và lượng nước lân cận tăng Hiệu quả của lọc bùn và ly tâm cho thấy các hạt mịn tăng lên Các gạn ly tâm dường như sạch hơn sau khi xử lý NaOH 0.1 mol/L Nó có thể bởi vì polyme hữu cơ hòa tan hình thành dạng gel có chứa lượng lớn nước và một số hạt mịn, mà nó cũng có thể quan sát trực tiếp được kết quả

là, độ ẩm của bánh bùn ly tâm thì cao và độ đục của gạn thì thấp

6

Hình 3.2. Ảnh hưởng của loại kiềm và nồng độ đến CST và khả năng lọc

Hình 3.3. Ảnh hưởng loại kiềm và nồng độ khả năng ly tâm của bùn

Khi liều lượng tăng hơn 0.2 mol/L, khả năng tách nước của bùn được cải thiện

so với hiệu quả xử lý bằng NaOH ở nồng độ thấp Sự sụt giảm CST cho thấy các polyme hữu cơ ưa nước giảm và gels được hòa tan bởi kiềm mạnh V5 min tăng và giảm

độ đục chất lỏng bề mặt cho thấy các hạt mịn đã giảm đi một phần

Sự phân bố kích thước hạt có thể được sử dụng để xác minh sự thay đổi giá trị

d90 tăng từ 115.69µm đến 135.51 µm sau khi xử lý 0.5mol/L NaOH Điều này cho thấy một số mảng bông bùn bị phá vỡ đã được tái tạo với sự giúp đỡ của polyme hữu cơ mang điện dương được cung cấp bởi quá trình xử lý bằng kiềm mạnh Giảm cá hạt mịn

và hòa tan gels dẫn đến cải thiện khả năng tách nước của bùn Mặc dù hạt mịn có thể tái tạo thành bông bùn khi xử lý NaOH liều cao, số lượng của chúng vẫn tăng so với không xử lý mẫu bùn và giá trị d10 tăng từ 15.77 µm đến 11.87 µm Vì thế khả năng lọc của bùn đã xử lý vẫn xấu hơn bùn không được xử lý

Mặc dù Ca(OH)2 có thể phân hủy một số bông bùn, nhưng nó có thể cải thiện khả năng tách nước Sự thay đổi CST và V5 min là không rõ ràng Lượng nước của bánh bùn ly tâm và độ đục của phần gạn ly tâm điều giảm rõ ràng với lượng Ca(OH)2, trong

đó chỉ ra rằng Ca(OH)2 có thể nâng cao tái tạo lại bông bùn và tăng lượng bùn vô cơ Mặc dù nồng độ Ca(OH)2 cao thì có lợi cho khả năng kết lại của bùn nhưng trọng lượng của bùn sẽ tăng lên bởi vì sự thêm vào của chất hữu cơ Khi lượng Ca(OH)2 là 0.05 mol/L, thì khối lượng bánh bùn tăng lên 24.3%( giảm 26% so với xử lý bằng NaOH cung nồng độ) Hơn nữa có thể dẫn đến tăng trọng lượng của bánh bùn, đó là bất lợi cho xử lý sau này

3.3 MÔ HÌNH PHÂN HỦY BÙN BẰNG NaOH

Bởi vì Cation Canxi có thể làm giảm hòa tan polyme hữu cơ bằng cách tái tạo lại bông bùn, nên xử lý NaOH là hiệu quả cho sự phân hủy bùn hơn Ca(OH)2 Mô tả quá trình xử lý bằng kiềm với nồng độ NaOH khác nhau (0 -0.5 mol/L) tại nhiệt độ môi trường, công việc này là để cung cấp một mô hình sử dụng DDCOD như biến độc lập Ghi nhận phân tích trên, nồng độ bùn không có tác dụng rõ ràng đối với mức sự phân hủy bùn Vì thế các biến độc lập bao gồm: nồng độ NaOH, thời gian xử lý và nhiệt độ môi trường xung quanh Giá trị của DDCOD thay đổi trong khoảng 0 và 1 khi

xử lý bùn bằng kiềm, hơn nữa, tỉ lệ hòa tan của chất hữu cơ giảm dần với thời gian và nồng độ NaOH Vì thế mô hình biến đổi năng lượng được thiết kế như phương trình (1)

để miêu tả quá trình của xử lý bùn

1

1

COD

A

k C t

 

CA là nồng độ của dung dịch NaOH, g/L

α, β là các chỉ số tương ứng của liều lượng NaOH và thời gian

k là hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, được miêu tả trong phương trình Arrhenius

exp a/

k A� E RT

Trong phương trình (2) A là hệ số nhân; Ea là năng lượng hoạt hóa J/mol; R là hằng số khí, 8.31 J/(K mol); T là nhiệt độ tuyệt đối, K Khi nhiệt độ phản ứng được tăng hơn, sự hòa tan chất hữu cơ thì không chỉ phụ thuộc chính vào thủy phân kiềm mà còn phụ thuộc vào thủy phân nhiệt độ và các mô hình có thể không phù hợp

Để thuận tiện cho tính toán phương trình 1có thể chuyển thành phương trình 3

DD

1 DD

COD

A COD

k  C  t

Dựa trên dữ liệu SCOD trong xử lý bằng kiềm với nồng đồ NaOH khác nhau và thời gian khác nhau tại 9.80C (Hình 3.4), k 9.8 C0 , α và β có thể được tính toán bằng nhiều đường hồi quy Kết quả trình bày trong phương trình (4) và hệ số tương quan là 0.98, trong đó k 9.8 C0 là 0.42 Đường cong mô phỏng được hiển thị trong Hình 4:

8

0.22 0.15

1

1

COD

A

k C t

 

Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh lên xử lý bùn bằng kiềm cũng được đo Khi nhiệt độ phản ứng là 00C, 13.30C, 20.40C, 30.60C và 40.60C giá trị của k

là 0.40, 0.41, 0.55, 0.59 và 0.74 Kết quả chỉ ra rằng sự tăng lên của nhiệt độ là hữu ích

để tăng tốc độ hòa tan các chất hữu cơ trong bùn trong khoảng 0 - 400C Dựa vào đó, các thông số của phương trình 2 được tính toán bằng đương hồi quy Kết quả thể hiện trong phương trình 5 Hệ số tương quan là 0.96 nó cho thấy rằng mối quan hệ giữa hằng sô tốc độ phản ứng và nhiệt độ theo phương trình Arrhenius

12030

8.31

k

T



Hình 3.4. So sánh số liệu thực nghiệm và mô phỏng cho bùn DD COD (các

điểm là số liệu thực nghiệm, dòng là kết quả tính toán, những con số là nồng

độ NaOH, g/L)

34 nhóm dữ liệu khác được sử dụng để xác minh phương trình (4) và (5) ở nhiệt

độ môi trường khác nhau, nồng độ bùn, lượng kiềm và thời gian xử lý Các dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm được so sánh (Hình 3.5) Chúng phù hợp và hệ số tương quan là 0.97 Vì thế mô hình có thể được sử dụng để tính mức độ phân hủy khi xử lý bằng NaOH dựa trên phương trình 4 và 5

4 KẾT LUẬN

NaOH là hiệu quả hơn cho sự phân hủy bùn Quá trình bao gồm 2 bước: giai đoạn đầu diễn ra nhanh chống trong 0.5h và giai đoạn sau chậm hơn Mức phân hủy bùn được quyết định bởi lượng NaOH và giống nhau về liều lượng hợp chất hữu cơ hòa tan là tỷ lệ thuận với nồng độ bùn Nồng độ NaOH thấp khả năng tách nước giảm xuống, trong khi khả năng tách nước có thể được phục hồi tại mức độ nào đó bởi quá trình xử lý ở nồng độ cao

Ca(OH)2 thì thích hợp cho việc cải thiện khả năng tách nước của bùn Cation canxi có thể nâng cao khả năng tái tạo lại bông bùn của polyme hữu cơ hòa tan, chống lại tác dụng phân hủy bùn Ca(OH)2 không thể thay đổi CST và khả năng lọc, trong khi

10

Hình 3.5. Mối tương quan giữa dữ liệu mô phỏng và

dữ liệu thực nghiệm cho DD COD