Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí

Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 43 4.1 Sơ lược nội dung và phương pháp nghiên cứu Nước thải sau bể biogas được lấy về. Để lắng 2 giờ để loại bỏ cặn lơ lửng dễ lắng. ¾ Xác định thành phần tính chất nước thải sau lắng. ¾ Tiến hành chạy trên mơ hình thí nghiệm lọc sinh học kị khí tĩnh. - Xác định khả năng xử lý đối với nước thải chăn nuơi sau bể biogas. - Xác định đặc tính xử lý theo thời gian của mơ hình thí nghiệm. - Xác định các thơng số động học ¾ Tiến hành chạy trên mơ hình thí nghiêm lọc sinh học kị khí động. - Xác định hiệu quả xử lý ứng với các thời gian lưu nước khác nhau. Từ đĩ chọn ra thời gian lưu nước tốt nhất. - Xác định tải trọng tối ưu ứng với thời gian lưu nước tốt nhất Từ các kết quả thu được, ứng dụng các lý thuyết đã biết để giải thích và rút ra kết luận. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 44 4.2 Xác định thành phần tính chất nước thải Bảng 4.1: Thành phần tính chất nước thải sau lắng Chỉ tiêu Kết quả phân tích Đơn vị pH 7.23 - 8.07 COD 1300 - 1700 mg/l BOD5 845 - 1190 mg/l SS 200 - 400 mg/l N-NH3 304 - 471 mg/l N-tổng 512 - 594 mg/l P-tổng 13.8 - 62 mg/l 4.3 Mơ hình thí nghiệm và nguyên tắc hoạt động 4.3.1 Mơ hình thí nghiệm Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 45 Hình 4.1: Mơ hình lọc kị khí tĩnh Hình 4.2: Mơ hình lọc kị khí động Bơm định lượng Nước ra Lớp vật liệu lọc sơ dừa Nước vào Van xả đáy Van lấy nước Van xả đáy Bơm Lớp vật liệu lọc sơ dừa Van lấy mẫu Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 46 Mơ hình tĩnh và động được làm từ các bình nhựa trong, cĩ kích thước: • Đường kính: 330 mm • Chiều cao bình: 450 mm • Thể tích bình: 20 lít Các thơng số ban đầu của mơ hình lọc kị khí tĩnh và động: • Vật liệu lọc: sơ dừa, dạng sợi • Đăc tính của sơ dừa: 9 Đường kính một sợi: 0.435 mm 9 Khối lượng riêng của sơ dừa đã nén chặt: 234.3 kg/m3 • Tổng chiều cao lớp lọc sơ dừa: 350 mm • Tổng thể tích sơ dừa trong nước: 4 lít • Khối lượng sơ dừa: 1kg • Tổng thể tích chứa nước: 14 lít. • Tổng thể tích sơ dừa và nước trong mơ hình: 18 lít 4.3.2 Nguyên tắc hoạt động 9 Mơ hình lọc kị khí tĩnh: Ban đầu nước thải được bơm vào mơ hình thơng qua van xả đáy. Sau đĩ nước được bơm tuần hồn từ đỉnh xuống đáy mơ hình trong suốt thời gian khảo sát. Khi hiệu quả xử lý đạt mức ổn định, nước được tháo ra ngồi qua van xả đáy. Tại vị trí van lấy mẫu, tiến hành lấy mẫu phân tích. 9 Mơ hình lọc kị khí động: Nước được bơm xuống đáy mơ hình thơng qua bơm định lượng. Khi hết thời gian lưu nước trong mơ hình, nước tràn ra ngồi theo van lấy nước. Tiến hành lấy mẫu đầu vào hệ thống ngay tại vị trí đầu ra của bơm, và đầu ra hệ thống ngay tại vị trí van lấy nước. 4.4 Phương pháp thí nghiệm 4.4.1 Thí nghiệm trên mơ hình tĩnh 9 Giai đoạn thích nghi Mục đích là tạo ra lớp màng vi sinh dính bám lên lớp vật liệu lọc để xử lý nước thải. Giai đoạn thích nghi bắt đầu với nồng độ COD = 600mg/l. Nước thải được bơm tuần hồn trong suốt thời gian thích nghi.Để đẩy nhanh quá trình thích nghi, thúc đẩy quá Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 47 trình hình thành màng vi sinh dính bám lên sơ dừa, tiến hành bổ sung bùn lấy từ hệ thống phân huỷ khị khí. Bùn lấy về, rây qua lưới lọc, loại bỏ rác và sạn sau đĩ cho vào mơ hình sao cho hàm lượng VSS ban đầu là 10-12g VSS/1 lít nước thải. Giai đoạn thích nghi kết thúc khi hiệu quả xử lý ổn định và hình thành lớp màng vi sinh dính bám trên sơ dừa. Giai đoạn thích nghi của mơ hình thí nghiệm kéo dài trong 2 tuần, 1 tuần cho 1 lần thay nước với nồng độ COD = 600 mg/l. Trong giai đoạn thích nghi, tiến hành đo các chỉ tiêu COD, pH. 9 Giai đoạn tăng nồng độ Sau khi thích nghi, tiến hành tăng nồng độ và theo dõi hiệu quả xử lý ở các nồng độ COD = 600 mg/l , 1200 mg/l, 1500 mg/l. Thời gian theo dõi là 2 ngày. Mỗi nồng độ chạy trong 2 tuần. Cuối mỗi nồng độ, tiến hành theo dõi đặc tính xử lý của mơ hình theo thời gian. Ở mỗi nồng độ, tiến hành phân tích các chỉ tiêu COD, BOD5, pH, N-NH3 ,PO43-, N tổng. Nhưng do điều kiện thí nghiệm khơng cho phép để thực hiện phân tích các chỉ tiêu BOD5 ,PO43-, N tổng một cách thường xuyên nên các thơng số kiểm sốt thường xuyên cho cả mơ hình tĩnh và động là COD, N-NH3, pH. 4.4.2 Thí nghiệm trên mơ hình động 9 Giai đoạn thích nghi: Tương tự như mơ hình tĩnh. Nước thải được bơm tuần hồn trong suốt quá trình thích nghi bằng bơm định lượng với lưu lượng 28.8 lít/ngày đến khi hình thành lớp màng vi sinh và hiệu quả xử lý ổn định. 9 Giai đoạn ổn định: Tiến hành khảo sát hiệu quả xử lý của mơ hình ở các thời gian lưu nước khác nhau, theo thứ tự giảm dần thời gian lưu: HRT = 24giờ, 12giờ, 8giờ và 4 giờ. Với HRT = 24 giờ, tiến hành tăng dần nồng độ đến khi đạt được nồng độ thực COD = 1500 mg/l và hiệu quả xử lý ổn định thì giảm dần thời gian lưu nước. Trong quá trình thí nghiệm, thực hiện phân tích thường xuyên các chỉ tiêu: COD, pH, NH3. 4.5 Kết quả thí nghiệm và thảo luận 4.5.1 Mơ hình tĩnh 4.5.1.1 Theo dõi hiệu quả xử lý ứng với các nồng độ COD khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 48 H N - N H 3 (% ) -9 .3 17 .2 15 .1 18 .0 -6 .8 -1 9. 4 15 .9 - 4 .7 10 .1 39 .3 16 .9 -3 .7 -1 0. 8 22 .8 12 .1 11 .7 -1 5. 6 12 .8 8. 7 8. 9 2. 6 N -N H 3r m g/ l (H RT = 2 ng ày ) 22 3. 0 21 3. 0 26 0. 5 17 4. 0 18 9. 0 28 9. 0 22 4. 5 32 6. 0 32 0. 0 25 3. 0 24 7. 0 32 0. 0 21 0. 0 23 7. 0 29 1. 0 32 1. 0 36 7. 0 34 4. 5 39 6. 0 36 4. 0 35 2. 0 N -N H 3v m g/ l 2 04 .0 25 8. 0 30 7. 0 21 2. 5 11 7. 0 24 2. 0 20 9. 0 31 1. 5 35 6. 0 27 9. 0 29 8. 0 34 9. 0 19 0. 0 30 7. 0 32 7. 5 36 3. 5 31 7. 5 39 5. 0 43 3. 5 39 9. 5 36 1. 5 pH r (H RT = 2 ng ày ) 7. 85 7. 88 7. 48 7. 66 7. 58 7. 86 7. 68 7. 94 7. 84 7. 73 7. 73 8. 10 7. 75 7. 51 7. 70 7. 51 7. 68 7. 57 7. 68 7. 93 7. 64 pH r (H RT = 1 ng ày ) 7. 84 7. 65 7. 58 7. 58 7. 84 7. 65 7. 45 7. 84 8. 06 8. 02 7. 85 8. 09 7. 89 7. 30 7. 61 7. 55 7. 60 7. 60 7. 52 7. 87 7. 57 pH V 7. 77 7. 38 7. 62 7. 52 7. 21 7. 74 7. 42 7. 81 7. 57 7. 68 7. 92 7. 59 7. 57 7. 42 7. 52 7. 30 7. 62 7. 73 7. 41 7. 82 7. 62 H C O D (% ) (H RT = 2 ng ày ) 29 .5 40 .3 68 .0 68 .1 65 .9 67 .1 68 .9 68 .0 69 .6 69 .7 71 .3 78 .5 71 .4 70 .3 63 .7 67 .0 67 .5 67 .8 68 .5 70 .0 67 .8 H C O D (% ) (H RT = 1 ng ày ) 15 .7 34 .2 66 .0 66 .3 65 .9 67 .1 68 .9 68 .0 65 .0 68 .2 62 .7 78 .5 71 .4 70 .3 64 .0 62 .0 65 .0 66 .9 66 .1 68 .1 67 .8 C O D r (H RT = 2 ng ày ) 47 0 39 8 19 2 20 8 25 0 22 4 20 4 33 9 34 3 34 0 31 5 20 6 32 4 30 2 52 3 50 4 52 0 47 6 48 3 44 5 50 2 C O D r (H RT = 1 ng ày ) 56 2 43 9 20 4 22 0 25 0 23 8 20 4 33 9 39 5 35 7 40 9 20 6 32 4 30 2 51 8 58 0 56 0 49 0 52 0 47 4 50 2 C O D v 66 7 66 7 60 0 65 2 73 3 68 0 65 5 10 59 11 29 11 23 10 97 96 0 11 34 10 18 14 40 15 27 16 00 14 80 15 32 14 84 15 57 B ản g 4. 2: K ết q uả c hạ y m ơ hì nh tĩ nh ở c ác n ồn g độ C O D k há c nh au C O D = 60 0 m g/ l C O D = 10 00 m g/ l C O D = 15 00 m g/ l Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 49 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 C O D (m g/ l) COD vào COD ra (HRT=1 ngày) COD ra (HRT=2 ngày) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào Hiệu quả xử lý (HRT=1 ngày) Hiệu quả xử lý (HRT=2 ngày) HRT: thời gian lưu nước. Đồ thị 4.1: Sự biến đổi COD ở các nồng độ khác nhau Đồ thị 4.2: Hiệu quả xử lý COD ở các nồng độ khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 50 0 100 200 300 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 N -N H 3 ( m g/ l) N-NH3 vào N-NH3 ra (HRT=2 ngày) 0 100 200 300 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 N -N H 3 (m g/ l) -30 -20 -10 0 10 20 30 H iệ u qu ả xử lý (% ) N-NH3 vào Hiệu quả xử lý (%) Đồ thị 4.3: Sự biến đổi N-NH3 ở các nồng độ khác nhau Đồ thị 4.4: Hiệu quả xử lý N-NH3 ở các nồng độ khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 51 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 pH pH vào pH ra (HRT=2ngày) Đồ thị 4.5: Sự biến đổi pH ở các nồng độ COD khác nhau Nhận xét: Trong giai đoạn thích nghi ban đầu, tại COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước chỉ đạt 15-34%, sau 2 ngày lưu nước chỉ đạt 35-40%. Hiệu quả xử lý thấp do vi sinh vật chưa thích nghi và chưa dính bám tốt. Sau giai đoạn thích nghi, hiệu quả xử lý tăng lên và đạt ổn định . 9 Tại nồng độ COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước 1 khoảng 65-69%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 65-68%. 9 Tại nồng độ COD = 1000 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước khoảng 65-71%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 68%-71%. 9 Tại nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước: 64-67%, sau 2 ngày lưu nước: 66-68%. Nhìn trên đồ thị, ta thấy rõ sự ổn định về hiệu suất xử lý khi tăng COD từ 600 mg/l lên 1000 mg/l và 1500 mg/l. Hiệu quả xử lý COD ở cả 3 nồng độ khá cao 65-70% (sau khi đã qua 1 bậc xử lý kị khí trong bể biogas). Ở mỗi nồng độ, khơng cĩ sự khác biệt đáng kể về hiệu xuất xử lý COD sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước. Điều này cĩ thể giải thích do nước thải chăn nuơi là loại nước thải dễ phân hủy sinh học; hơn nữa, sau khi qua bể biogas, một phần các chất hữu cơ đã bị phân hủy, những chất khĩ phân huỷ cũng đã được vi khuẩn thuỷ phân, lên men và vi khuẩn acid hố chuyển thành các hợp chất đơn giản, dễ phân Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 52 hủy, thuận lợi cho hoạt động phân huỷ của hệ vi sinh kị khí trong quá trình lọc kị khí. Do đĩ tốc độ methane hố trong quá trình lọc kị khí xãy ra nhanh hơn, hiệu quả xử lý ở các nồng độ khá cao và ổn định sau thời gian xử lý là 1 ngày. Vậy ta cĩ thể chọn thời gian lưu nước là 1 ngày. pH tăng ít từ 0.03 đến 0.3 đơn vị. N-NH3 ứng với thời gian lưu nước 2 ngày biến động (tăng hoặc giảm) 20-40 mg/l. Sự biến động này là do ảnh hưởng của NH3 sinh ra trong quá trình kị khí và NH3 do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào. 4.5.1.2.Theo dõi sự biến đổi các thơng số theo thời gian ứng với các nồng độ COD khác nhau a. Nồng độ COD = 600 mg/l Bảng 4.3: Sự biến đổi các thơng số theo thời gian tại COD = 600 mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 776 565 426 353 311 345 334 353 338 310 296 310 310 268 240 240 240 240 240 0 27.2 45.1 54.5 59.9 55.5 57.0 54.5 56.4 60.1 60.1 65.5 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 7.98 - 7.71 - 7.77 - 8.00 - 8.07 - 7.95 - 7.98 - 8.08 - 8.04 - 8.07 250 - 275 - 263 - 242 - 225 - 210 - 222 - 231 - 216 - 222 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 53 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý pH 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ Đồ thị 4.6: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 600mg/l Đồ thị 4.7: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 600 mg/l Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 54 0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ N -N H 3 (m g/ l) N-NH3 Đồ thị 4.8: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 600 mg/l Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD khá cao, gần 70%. Trong 4 giờ đầu, COD giảm nhanh từ 776 mg/l xuống cịn 311 mg/l, hiệu quả xử lý đạt 60%. Sau đĩ, COD giảm chậm hơn ở các giờ tiếp theo. Sau 14 giờ lưu nước, COD chỉ cịn 240 mg/l, ứng với hiệu suất xử lý là 69% và đạt ổn định ở các giờ cịn lại. Trong 4 giờ đầu pH giảm đồng thời COD cũng giảm. pH đầu vào là 7.98, pH sau 4 giờ lưu nước giảm cịn 7.77 (giảm 0.2 đơn vị), sau đĩ pH tăng lên và dao động nhẹ xung quanh giá trị pH = 8. N-NH3 trong vài giờ đầu tăng 10 – 20 mg/l, sau đĩ giảm dần ở thời gian tiếp theo. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 55 b. Nồng độ COD = 1000 mg/l Bảng 4.4: Sự biến đổi các thơng số theo thời gian tại COD = 1000 mg/l 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý (%) Đồ thị 4.9: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1000mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1017 870 732 514 423 440 294 321 294 283 294 0 14.5 28.0 49.5 58.4 56.7 71.1 68.4 71.1 72.2 71.1 7.68 7.35 7.50 7.58 7.77 7.78 7.82 7.80 7.75 7.84 7.76 307 322 337.5 324 308 288 292 282 287.5 290 297 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 56 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ pH 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ N -N H 3 ( m g/ l) Đồ thị 4.10: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l Đồ thị 4.11: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l Nhận xét: Trong trường hợp COD = 1000 mg/l, COD giảm từ 1017 mg/l xuống cịn 294 mg/l sau 12 giờ lưu nước, và đạt hiệu quả xử lý 71%. COD giảm nhanh trong 6 giờ đầu, sau 6 giờ lưu COD chỉ cịn 514 mg/l, hiệu quả xử lý cơ chất đạt 50%. Sau đĩ COD giảm chậm hơn trong các giờ kế tiếp và đạt ổn định với hiệu suất khử COD 71-72% Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 57 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý Tương tự như tại COD = 600 mg/l, ở COD = 1000 mg/l, pH cũng giảm trong vài giờ đầu. pH đầu vào là 7.68 nhưng sau 2 giờ giảm cịn 7.35 (giảm 0.33 đơn vị). Sau đĩ pH tăng chậm, pH sau 10 giờ lưu là 7.78, và dao động nhẹ 0.04-0.06 đơn vị trong các giờ tiếp theo. N-NH3 tăng ở 4 giờ đầu, từ 307 mg/l lên 337 mg/l sau 4 giờ lưu (tăng 30 mg/l). Sau đĩ NH3 giảm chậm, sau 10 giờ lưu cịn 288 mg/l. a. Nồng độ COD = 1500 mg/l: Bảng 4.5: Sự biến đổi các thơng số theo thời gian tại COD = 1500 mg/l Đồ thị 4.12: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1500mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1533 1220 992 824 757 642 593 642 513 513 542 0 20.4 35.3 46.2 50.6 58.1 61.3 58.1 66.5 66.5 64.6 7.92 7.58 7.48 7.66 7.67 7.80 7.82 7.80 7.90 7.79 7.86 395 421 425 434 426 414 419 406 404 409 407 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 58 6 6.5 7 7.5 8 8.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ pH 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ N -N H 3 ( m g/ l) Đồ thị 4.13: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l Đồ thị 4.14: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l Nhận xét: Trong trường hợp COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD đạt 66.5% sau 18 giờ lưu nước; thấp hơn so với tại nồng độ 600 mg/l và 1000 mg/l trong cùng thời gian. COD giảm nhanh trong 10 giờ đầu, COD vào = 1533 mg/l, sau 10 giờ lưu hiệu quả xử lý đạt 58% ứng với COD = 642 mg/l. Tương tự như ở COD = 600 mg/l và COD = 1000 mg/l, sau thời gian đầu giảm nhanh, COD giảm chậm hơn ở các giờ kế tiếp và đạt ổn định với hiệu quả xử lý 66.5%. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 59 pH vào = 7.92, sau 4 giờ giảm cịn 7.48 (giảm 0.44 đơn vị), sau đĩ tăng chậm 0.2- 0.4 đơn vị. Sau 20 giờ pH là 7.86 NH3 tăng dần trong 6 giờ đầu, NH3 đầu vào = 395 mg/l, sau 6 giờ là 434 mg/l (tăng 39 mg/l). Sau đĩ giảm dần và dao động nhẹ trong khoảng 404-409 mg/l. Sau 20 giờ NH3 khơng giảm mà cịn tăng 12 mg/l so với đầu vào. Kết luận: Hiệu quả xử lý COD ở cả 3 nồng độ khá cao 66-70% sau thời gian 20 giờ lưu nước. Nhìn chung, COD giảm nhanh trong vài giờ đầu ứng với sinh trưởng của vi sinh vật đang nằm trong pha log, sau đĩ giảm chậm ở các giờ tiếp theo và dần ổn định. 9 Tại COD = 600 mg/l, COD giảm nhanh trong 4 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 60% 9 Tại COD = 1000 mg/l, COD giảm nhanh trong 8 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 58% 9 Tại COD = 1500 mg/l, COD giảm nhanh trong 10 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 58% Ta thấy rõ, hàm lượng chất hữu cơ càng cao, thời gian phân huỷ càng dài Trong 3 trường hợp, ta thấy cĩ sự tương tự nhau: pH giảm trong vài giờ đầu, đồng thời COD cũng giảm đáng kể. Điều này cĩ thể giải thích do: Trong thành phần nước thải sau quá trình biogas vẫn cịn chứa 1 số chất hữu cơ ở dạng phức tạp, chưa được phân huỷ như cellulose, protit, chất béo…;ở pH = 7-8, vi khuẩn acid hố hoạt động, song song đĩ, vi khuẩn methane hố cũng hoạt động. Vi khuẩn acid hố hoạt động chuyển hố các hợp chất này thành các acid acetic, propionic, butyric… làm giảm pH của nước, vi khuẩn methane hố hoạt động chuyển hố các acid này thành CH4 và CO2 làm giảm COD trong nước. Ứng với COD càng cao, pH giảm càng nhiều vì lượng acid sinh ra nhiều hơn so với ở COD thấp. pH sau đĩ tăng chậm lên do quá trình giải phĩng độ kiềm bicarbonate HCO- ;đồng thời do trong quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, đã lấy đi H+ trong nước. Trong các trường hợp trên, NH3 tăng trong vài giờ đầu do quá trình do quá trình phân huỷ các chợp chất hữu cơ chứa N như protein, acid amin sinh ra NH3 tự do, sau đĩ giảm ở các giờ tiếp theo do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào và 1 phần NH3 thốt ra ngồi mơ hình. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 60 Trong quá trình lọc kị khí, hiệu quả xử lý N-NH3 khơng đáng kể. Ở nồng độ càng cao, hiệu quả xử lý N-NH3 càng kém. kết quả theo dõi ở COD = 1500 mg/l cho thấy NH3 tăng 12 mg/l sau 20 giờ lưu nước. 4.5.2 Mơ hình động Bảng 4.6: Kết quả chạy mơ hình động Thời gian lưu nước HRT CODv (mg/l) CODr (mg/l) Tải trọng ( kgCOD/ m3.ngày) Hiệu quả xử lý (%) pHv pHr COD = 600 mg/l 600 600 733 655 667 565 847 204 192 218 209 215 164 320 0.34 0.34 0.42 0.37 0.38 0.32 0.48 66.0 68.0 70.3 68.1 67.8 71.0 62.2 7.85 7.49 7.71 7.56 7.62 7.52 7.58 7.82 7.47 7.68 7.75 7.68 7.71 7.76 COD =1000 mg/l 1059 988 1091 1018 988 988 1129 305 320 22 284 273 301 400 0.61 0.56 0.62 0.58 0.56 0.56 0.65 71.2 67.6 76.0 72.1 72.4 69.5 64.6 7.75 7.79 7.81 7.73 7.66 7.53 7.62 7.91 7.78 7.53 7.61 7.84 7.91 7.84 HRT = 24 giờ COD =1200 mg/l 1200 1200 1200 1200 1200 1167 381 381 438 329 351 329 0.69 0.69 0.69 0.69 0.69 0.67 68.3 68.3 63.5 72.6 70.8 71.8 7.73 7.87 8.01 7.69 8.03 7.64 7.93 8.03 7.71 7.67 8.08 7.75 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 61 COD = 1500 mg/l 1509 1371 1645 1571 1440 1400 357 425 494 494 520 466 0.86 0.78 0.94 0.90 0.82 0.80 76.3 69.0 70.0 68.6 63.9 66.7 7.52 7.67 8.07 7.80 7.60 7.75 7.75 7.90 8.32 8.08 7.71 7.73 HRT = 12 giờ COD = 1500 mg/l 1577 1600 1509 1645 1518 773 747 600 690 686 3.24 3.29 3.10 3.38 3.12 51.0 53.3 60.2 58.1 54.8 8.03 7.85 7.79 7.81 8.02 7.94 7.71 8.03 8.11 8.07 HRT = 8 giờ COD = 1500 mg/l 1600 1600 1533 1570 1545 1133 1000 933 800 757 5.49 5.49 5.26 5.38 5.30 29.2 37.5 39.1 49.0 51.0 7.39 7.53 7.36 7.60 7.57 782 7.71 7.78 7.46 7.59 HRT = 4 giờ COD = 1500 mg/l 1545 1564 1628 1600 1600 1600 1220 1145 1256 1218 1064 1064 10.59 10.72 11.16 10.97 10.97 10.97 21.0 26.8 22.9 23.9 33.5 33.5 7.53 7.67 7.45 7.83 7.72 7.71 7.41 7.60 7.53 7.61 7.63 7.64 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 62 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 1415 1617 1819 2021 2223 2425 26 Ngày C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 8.4 8.7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Ngày pH pH vào pH ra a. Thời gian lưu nước HRT = 24 giờ Đồ thị 4.15: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 24 giờ Đồ thị 4.16: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 24 giờ Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 63 Nhận xét: Ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ, hiệu quả xử lý ổn định ở các nồng độ COD khác nhau. Hiệu quả xử lý khá cao, 70%. Kết quả này tương tự như kết quả thu được trong mơ hình tĩnh khi khảo sát ở thời gian lưu nước 1 ngày. Hiệu quả xử lý cao và ổn định tại các nồng độ khác nhau cĩ thể được giải thích do: bản thân nước thải chăn nuơi sau hệ thống biogas cĩ tính chất dễ phân huỷ sinh học; đồng thời đối với tải trọng hữu cơ thấp (từ 0.3 – 1.5 kgCOD/m3.ngày) ứng với thời gian lưu nước dài (24 giờ) và lưu lượng nhỏ (0.58 lit/giờ), thì vận tốc nước chảy qua màng chậm, tăng cường khả năng tiếp xúc giữa màng vi sinh với nước thải , do đĩ tăng cường khả năng khuyếch tán và hấp phụ cơ chất vào màng, kết quả là nước thải được làm sạch hơn. Nhìn trên đồ thị ta thấy rõ sự ổn định hiệu suất xử lý khi tăng nồng độ từ 600 lên 1500 mg/l ứng với HRT = 24 giờ. Hiệu quả xử lý COD cao đồng thời với pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị. pH tăng do quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, lấy đi H+ trong nước và do quá trình giải phĩng độ kiềm bicarbonate. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 64 0 400 800 1200 1600 2000 0 1 2 3 4 5 6 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 8.4 0 1 2 3 4 5 6 pH pH vào pH ra b. Thời gian lưu nước HRT = 12 giờ Đồ thị 4.17: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 12 giờ Đồ thị 4.18: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 12 giờ Nhận xét: Với thời gian lưu nước HRT = 12 giờ, hiệu quả xử lý COD ở nồng độ 1500 mg/l tương đối cao, 55-60% nhưng thấp hơn so với ở thời gian lưu nước 24 giờ (hiệu quả xử lý đạt 66-70%). Tương tự như trên, pH đầu ra tăng 0.2 – 0.3 đơn vị. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 65 0 300 600 900 1200 1500 1800 0 1 2 3 4 5 6 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 1 2 3 4 5 6 pH pH vào pH ra c. Thời gian lưu nước HRT = 8 giờ Đồ thị 4.19: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 8 giờ Đồ thị 4.20: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 8 giờ Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD giảm cịn 50-53% và pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 66 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 2 4 6 8 pH pH vào pH ra 0 300 600 900 1200 1500 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 C O D (m g/ l) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý d. Thời gian lưu nước HRT = 4 giờ Đồ thị 4.21: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 4 giờ Đồ thị 4.22: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 4 giờ Nhận xét: Ứng với thời gian lưu nước HRT = 4 giờ, hiệu quả xử lý COD giảm đáng kể, ở nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu suất xử lý chỉ cịn 25-35%. Điều này cĩ thể giải thích: ở thời gian lưu thấp, vận tốc nước đi qua màng lớn, thời gian tiếp xúc giữa màng vi sinh và Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 67 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 HRT (giờ) H iệ u qu ả xử lý (% ) 0 4 8 12 24 24 24 24 cơ chất giảm, do đĩ khả năng khuyếch tán và hấp phụ cơ chất cũng giảm làm cho hiệu quả xử lý COD thấp xuống. Hiệu quả xử lý COD giảm đồng thời pH đầu ra cũng giảm. Chứng tỏ các acid hữu cơ được tạo thành trong quá trình lên men và acid hố chưa được chuyển hố hồn tồn thành CH4 và CO2. Cĩ thể giải thích cho điều này: do vi khuẩn methane hố cĩ tốc độ phát triển chậm hơn vi khuẩn acid hố nên với thời gian lưu nước quá ngắn thì khơng đủ cho hoạt động chuyển hố acid của vi khuẩn methane hố. Đồ thị 4.23: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo thời gian lưu nước Nhìn chung, thời gian lưu nước càng dài, hiệu quả xử lý COD càng cao. Ở thời gian lưu nước 24 giờ, hiệu quả xử lý COD cao hơn các thời gian lưu 12 giờ, 8 giờ và 4 giờ. Hiệu quả xử lý COD ở thời gian lưu 24 giờ đạt khoảng 70% và khá ổn định khi tăng COD từ 600 mg/l dần đến 1500 mg/l. Hiệu quả xử lý giảm dần ứng với việc giảm thời gian lưu nước (tức tăng tải trọng chất hữu cơ). Ở thời gian lưu nước 4 giờ, hiệu quả khử COD rất thấp, chỉ cịn khoảng 20-30%. Từ kết quả thí nghiệm trên mơ hình động, kết hợp với kết quả thu được trên mơ hình tĩnh (khi theo dõi hiệu quả xử lý sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước), ta cĩ thể chọn thời gian lưu nước để xử lý nước thải chăn nuơi sau quá trình biogas cho trại Xuân Thọ III là 1 ngày. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 68 50 55 60 65 70 75 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 kgCOD/m3.ngày H iệ u qu ả xử lý (% ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 kgCOD/m3.ngày H iệ u qu ả xử lý (% ) Đồ thị 4.24: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo tải trọng Đồ thị 4.25: Hiệu quả xử lý COD theo tải trọng ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ Theo đồ thị, tải trọng tối ưu của mơ hình ứng với thời gian lưu nước 24 giờ là 1-1.2 kg COD/m3.ngày, khi đĩ hiệu quả xử lý đạt 71-72%. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 69 4.5.3 Xác định thơng số động học và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính tốn từ phương trình động học 4.5.3.1 Xác định thơng số động học Để xác định bậc phản ứng n, ta tiến hành đo nồng độ cơ chất theo thời gian để cĩ S0 , S(t1) , S(t2). Trong đĩ phải thỗ điều kiện vi sinh vật ở thời điểm t1, t2 đang nằm trong pha log, để phù hợp với điểu kiện của phương trình là S >> E. Lập tỉ lệ: 2 1 kt kt = [ ][ ]nn nn XS XS −− −− −− −− 1 2 1 0 1 1 1 0 )1(1 )1(1 ⇔ 2 1 t t = [ ][ ]n n X X − − −− −− 1 2 1 1 )1(1 )1(1 Cĩ t1, t2 và X1, X2 ta suy ra được bậc phản ứng n. Từ đĩ tính được k bằng cơng thức: k = [ ] tnm XVS nn )1( )1(1 110 − −− −− Từ kết quả theo dõi hiệu quả xử lý của mơ hình tĩnh theo thời gian ở nồng độ thực COD = 1500 mg/l, chọn X1 = 30%, X2 = 50% vì ứng với 2 độ chuyển hĩa này, vi sinh vật đang nằm trong pha log. Từ đĩ ta lập được bảng sau: n ….. 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 ….. 2 1 t t ….. 0.489 0.480 0.471 0.463 0.454 0.446 0.437 0.429 ….. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 70 Biễu diễn quan hệ này trên đồ thị ta được: y = -0.086x + 0.6005 R2 = 1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 n t1/ t 2 Đồ thị 4.26: Quan hệ giữa t1/t2 và n Quan hệ giữa t1/t2 và n cĩ dạng : t1/t2 = - 0.086n + 0.6005 với độ lệch R2 = 1.Kết quả này đáng tin cậy và cĩ thể dùng phương trình trên để suy ra bậc phản ứng n khi đã cĩ t1 và t2. Nồng độ COD = 1500 mg/l Từ đồ kết quả theo dõi hiệu quả xử lý theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l, ta cĩ: S0 = 1533 mg/l Ứng với X1 = 30%, X2 = 50%, suy ra t1 = 3.17giờ , t2 = 7.28gi 2 1 t t = 28.7 17.3 = 0.435 Từ phương trình t1/t2 = - 0.086n + 0.6005, suy ra n = 1.92 k = [ ] 1 1 1 1 0 )1( )1(1 tnm XVS nn − −− −− =0.00219 (mg/l)-0.92.l/kg.giờ Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 71 4.5.3.2 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính tốn từ phương trình động học Phương trình động học biễu diễn nồng độ cơ chất theo thời gian S = S 0 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Với n = 1.92 và k = 0.00219 (mg/l)-0.92.l/kg.giờ, ta được: S = S 0 192.1 1 192.1 0 )192.1(00219.0 − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− V VmtS Ở tải thực COD = 1533 mg/l (S0 = 1533mg/l) và các thơng số của mơ hình thí nghiệm: 9 Khối lượng xơ dừa m = 1kg 9 V chứa nước V = 14 lit ,phương trình động học biễu diễn nồng độ cơ chất theo thời gian cĩ dạng S = 1533 192.1 1 192.1 0 14 14)192.1(*1*00219.0 −− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−tS Bảng 4.7: So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả tính tốn từ phương trình động học Giờ Kết quả thực nghiệm Kết quả tính tốn từ phương trình động học 0 1533 1533 2 1220 1186 4 992 963 6 824 809 8 757 696 10 642 610 12 593 542 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 72 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 2 4 6 8 10 12 14 Giờ C O D (m g/ l) Kết quả thực nghiệm Kết quả tính từ phương trình động học Đồ thị 4.27: So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả tính tốn từ phương trình động học ộ lệch chuẩn σ = 1 )( 2 − −∑ n SS tttn rong đĩ: Stn: Nồng độ COD đo được từ thực nghiệm Stt: Nồng độ COD tính tốn từ phương trình động học n: số điểm khảo sát , ở đây n = 7 Thay các thơng số vào cơng thức, ta tìm được σ = 39.7 mg/l Nhìn trên đồ thị, kết hợp với kết quả độ lệch chuẩn σ khá nhỏ so với nồng độ COD , ta thấy phương trình động học xác định được là đáng tin cậy.