›

Luận văn Nghiên cứu xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với bể USBF

pdf 151 trang yendo 5641
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với bể USBF", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_nghien_cuu_xu_ly_nuoc_thai_thuy_san_bang_phuong_pha.pdf

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với bể USBF

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA KẾT HỢP VỚI BỂ USBF CBHD: LÊ HOÀNG VIỆT HUỲNH LONG TOẢN SVTH: NGUYỄN NGỌC ANH 1070933 NGUYỄN MINH TÙNG 1070984 Cần Thơ, tháng 11 năm 2010
  2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA MÔI TRƯỜNG & TNTN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG o0o Cần Thơ, ngày 16 tháng 8 năm 2010 PHIẾU ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP NĂM HỌC: 2010 - 2011 1. Họ và tên: NGUYỄN MINH TÙNG MSSV: 1070984 Lớp Kỹ Thuật Môi Trường Khóa 33 2. Tên đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá ”. 3. Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường - Khoa Môi Trường & TNTN - Trường Đại học Cần Thơ. 4. Cán bộ hướng dẫn: LÊ HOÀNG VIỆT & HUỲNH LONG TOẢN 5. Mục tiêu của đề tài: Tìm ra các thông số vận hành tốt nhất cho bể keo tụ điện hoá để ứng dụng vào việc xử lý nước thải thuỷ sản. 6. Các nội dung thực hiện: Tìm ra các thông số thiết kế và vận hành thích tốt nhất cho bể keo tụ điện hoá như: khoảng cách giữa hai điện cực, diện tích tiếp xúc bề mặt của điện cực với nước thải, thời gian lưu thích hợp. Xác định sự tương quan giữa hiệu xuất xử lý của bể keo tụ điện hoá với hiệu điện thế và cường độ của dòng điện. Xác định khả năng bị ăn mòn của các điện cực và tiêu tốn điện năng. 7. Các yêu cầu hỗ trợ:  Mô hình bể keo tụ điện hoá.  Các thiết bị, phương tiện cần thiết để phân tích các chỉ tiêu. 8. Kinh phí dự trù thực hiện đề tài: 800.000VNĐ DUYỆT CỦA CBHD SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ Nguyễn Minh Tùng DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HĐ THI VÀ XÉT TN
  3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA MÔI TRƯỜNG & TNTN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG o0o Cần Thơ, ngày 16 tháng 8 năm 2010 PHIẾU ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP NĂM HỌC: 2010 - 2011 1. Họ và tên: NGUYỄN NGỌC ANH MSSV: 1070933 Lớp Kỹ Thuật Môi Trường Khóa 33 2. Tên đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng bể USBF”. 3. Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường - Khoa Môi Trường & TNTN - Trường Đại học Cần Thơ. 4. Cán bộ hướng dẫn: LÊ HOÀNG VIỆT 5. Mục tiêu của đề tài: Tìm ra các thông số vận hành tốt nhất cho bể USBF để ứng dụng vào việc xử lý nước thải thuỷ sản. 6. Các nội dung thực hiện: Xác định hiệu suất xử lý của bể USBF. Tìm ra các thông số vận hành cho bể tốt nhất cho bể USBF. So sánh hiệu xuất xử lý của bể USBF có giá bám và bể USBF không có giá bám. 7. Các yêu cầu hỗ trợ:  Mô hình USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration)  Các thiết bị, phương tiện cần thiết để phân tích các chỉ tiêu. 8. Kinh phí dự trù thực hiện đề tài: 800.000VNĐ DUYỆT CỦA CBHD SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ Nguyễn Ngọc Anh DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HĐ THI VÀ XÉT TN
  4. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng i
  5. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng ii
  6. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” LỜI CẢM ƠN Sau 3 tháng thực hiện, cuối cùng đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” của chúng tôi đã hoàn thành đúng tiến độ. Qua đó, tất cả các mục tiêu của đề tài mà chúng tôi đã đề ra từ lúc đầu đều được hoàn thành. Trong quá trình thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu, chúng tôi cũng thu được các kết quả hết sức khả quan và đáng tin cậy. Để đạt được những kết quả này chúng tôi đã phải cố gắng làm việc rất nhiều kể từ khi bắt đầu thực hiện đề tài cho đến thời điểm cuối cùng. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn của gia đình, thầy cô và bạn bè. Nhân đây, chúng tôi xin gởi lời cám ơn đến: + Gia đình và những người thân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, khuyến khích và động viên chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. + Thầy Lê Hoàng Việt đã tận tình chỉ bảo, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôi hoàn thành tốt đề tài của mình. + Quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường nói riêng và toàn thể thầy cô của Khoa Môi trường & Tài nguyên Thiên nhiên nói chung đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho chúng tôi thực hiện đề tài. + Các nhân viên của Công ty Cổ Phần Thủy Sản Bình An đã nhiệt tình giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình thu mẫu nước thải. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng xin cảm ơn ban Giám Đốc của công ty đã tạo điều kiện cho chúng tôi thu mẫu nước thải của nhà máy trong suốt quá trình thực hiện đề tài. + Tất cả các bạn bè, đặc biệt là những người bạn làm luận văn cùng chúng tôi trong học kỳ này đã cùng nhau trao đổi kiến thức và giúp đỡ lẫn nhau trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài, tuy chúng tôi đã cố gắng hết sức để hoàn thành tốt đề tài nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên đề tài không thể tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quí báu của quí thầy cô cùng các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Trân trọng! Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Anh Nguyễn Minh Tùng SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng iii
  7. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nước thải thủy sản là một loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học cao (Lâm Minh Triết - Nguyễn Thanh Hùng - Nguyễn Phước Dân, 2006). Do đó, nếu loại nước thải này được thải trực tiếp ra môi trường hoặc có xử lý nhưng chất lượng nước đầu ra không đạt QCVN 11: 2008/BTNMT thì khả năng gây ô nhiễm môi trường tiếp nhận là rất cao. Trong khi đó, việc xây dựng hệ thống và vận hành các hệ thống xử lý nước thải đúng kỹ thuật là rất khó khăn. Bởi vì, các công ty có qui mô vừa và nhỏ thì không có tiềm lực kinh tế nên không thể vận hành hệ thống đúng kỹ thuật một cách thường xuyên, còn các công ty lớn thì luôn mở rộng quy mô sản xuất nên các hệ thống luôn bị quá tải và hoạt động không tốt. Bên cạnh đó, các công ty sản xuất thủy hải sản xuất khẩu thường sản xuất theo đơn đặt hàng và theo mùa vụ nên ảnh hưởng rất lớn đến các hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Do vậy, nước thải đầu ra của các công ty này thường không đạt QCVN 11: 2008/ BTNMT. Các công nghệ xử lý nước thải hiện tại thì rất tốn kém chi phí cho việc xây dựng và vận hành hệ thống đúng kỹ thuật. Mặt khác, khả năng nâng cao công suất xử lý cho hệ thống khi nhà máy nâng cao công suất là rất hạn chế. Trong khí đó, công nghệ USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration – lọc dòng ngược bùn sinh học) hiện đang nổi lên như một phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt với hiệu suất rất cao. Bên cạnh đó, công nghệ này sử dụng diện tích đất ít hơn công nghệ bùn hoạt tính cổ điển do đã kết hợp được 3 quá trình thiếu khí (anoxic), hiếu khí (aerobic) và lắng trong một đơn vị xử lý nước thải. Vì thế, giá thành của công nghệ này là thấp hơn so với công nghệ bùn hoạt tính cổ điển. Trong khi đó, công nghệ EC (electrocoagulation - keo tụ điện hoá) cũng hứa hẹn là một đơn vị có khả năng giảm tải nạp cho bể USBF ở phía sau là rất tốt . Bởi những tính năng ưu việt của công nghệ này là không sử dụng hóa chất và chỉ sử dụng dòng điện một chiều cùng các điện cực bằng kim loại. Do đó, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu việc kết hợp hai công nghệ này vào cùng một hệ thống xử lý nước thải thủy sản, với mục đích là tìm ra được một quy trình xử lý nước thải thủy sản vừa phù hợp về mặt kinh tế mà vẫn đảm bảo về mặt kỹ thuật. Hơn thế nữa, chúng tôi còn nghiên cứu việc nâng cao công suất cho hệ thống bằng cách bổ sung giá bám vào ngăn hiếu khí của bể USBF. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng iv
  8. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Trong quá trình nghiên cứu về đề tài của mình, chúng tôi thực hiện tổng cộng 8 thí nghiệm. Các kết quả thí nghiệm đã được chọn dưới đây là tốt nhất cả về kinh tế lẫn kỹ thuật: + Thí nghiệm 1: xác định kim loại làm điện cực cho bể keo tụ điện hóa. Sau khi xử lý và phân tích số liệu của thí nghiệm này, chúng tôi kết luận nhôm làm cực dương - sắt làm cực âm là cho kết quả tốt nhất. + Thí nghiệm 2: xác định thời gian lưu tốt nhất cho bể keo tụ điện hóa. Kết quả đạt được là để giảm tải nạp cho bể USBF thì 45 phút là thời gian lưu tốt nhất cho bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ. + Thí nghiệm 3: xác định khoảng cách giữa hai điện cực cho bể keo tụ điện hóa. Sau quá trình xử lý và phân tích số liệu của thí nghiệm này, chúng tôi nhận thấy rằng 2cm là khoảng cách giữa hai điện cực tốt nhất. + Thí nghiệm 4: xác định diện tích bảng điện cực cho bể keo tụ điện hóa (hay tỉ số S/V - tỉ số giữa diện tích bảng điện cực (S) với thể tích hữu dụng của bể keo tụ điện hóa (V)). Sau quá trình xử lý và phân tích số liệu của thí nghiệm này, chúng tôi nhận thấy rằng diện tích bảng điện cực là 100 cm2 (hay tỉ số S/V = 4,167 cm2/lít = 0,4167 m2/m3) là tốt nhất. + Thí nghiệm 5: xác định giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng điện cho bể keo tụ điện hóa (hay mật độ dòng). Sau quá trình xử lý và phân tích số liệu của thí nghiệm này, chúng tôi nhận thấy rằng giá trị hiệu điện thế là 24V và cường độ dòng điện là 1,6A (hay mật độ dòng điện là 160 A/m2) là tốt nhất. + Thí nghiệm 6: xác định hiệu suất xử lý của bể USBF không giá bám và bể USBF có giá bám với tổng thời gian lưu là 10h sau khi được bể keo tụ điện hóa giảm tải nạp. Kết quả đạt được là hiệu suất xử lý của bể USBF không giá bám: SS 89.96%; COD 96,33%; BOD5 97,52%; TKN 89,34%; Ptổng 71,95%, bể USBF có giá bám SS 92,63%; COD 97,16%; BOD5 98,00%; TKN 92,69%; Ptổng 75,85%. Các chỉ tiêu SS, COD, BOD5, TKN đều đạt QCVN 11: 2008/BTNMT (cột A), riêng Ptổng thì đạt loại A trong QCVN 24: 2009/BTNMT (do QCVN 11: 2008/BTNMT không có quy định ngưỡng ô nhiễm tối đa của Ptổng nên chúng tôi so sánh với QCVN 24: 2009/BTNMT). + Thí nghiệm 7: xác định hiệu suất xử lý của bể USBF không giá bám và bể USBF có giá bám với tổng thời gian lưu là 8h sau khi được bể keo tụ điện hóa giảm tải SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng v
  9. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” nạp. Kết quả đạt được là hiệu suất xử lý của bể USBF không giá bám: SS 76,39%; COD 94,68%; BOD5 95,48%; TKN 80,93%; Ptổng 67,80%, bể USBF có giá bám SS 82,26%; COD 95,83%; BOD5 96,57%; TKN 88,08%; Ptổng 72,93%. Các chỉ tiêu SS, COD, BOD5, TKN đều đạt QCVN 11: 2008/BTNMT (cột A), riêng P tổng thì đạt QCVN 24: 2009/BTNMT (cột A). + Thí nghiệm 8: xác định hiệu suất xử lý của bể USBF không giá bám và bể USBF có giá bám với tổng thời gian lưu là 7h sau khi được bể keo tụ điện hóa giảm tải nạp. Kết quả đạt được là hiệu suất xử lý của bể USBF không giá bám: SS 50,85%; COD 81,19%; BOD5 83,77%; TKN 51,82%; Ptổng 43,41%, bể USBF có giá bám SS 59,94%; COD 88,59%; BOD5 90,16%; TKN 46,02%; Ptổng 47,72%. Các chỉ tiêu SS (cả 2 bể), COD, TKN (bể USBF có giá bám) đạt QCVN 11: 2008/BTNMT cột (B). Qua 8 thí nghiệm, chúng tôi đã xác định được một số các thông số kỹ thuật cơ bản cho việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ kết hợp với bể USBF không giá bám và bể USBF có giá bám. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng vi
  10. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” MỤC LỤC Trang Phiếu đề nghị làm luận văn Nhận xét của cán bộ hướng dẫn i Nhận xét của cán bộ phản biện ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt đề tài iv Mục lục vii Danh sách hình xii Danh sách bảng xvi Danh sách phụ lục xvii Danh sách từ viết tắt xx CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1 CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 4 2.1 Phương pháp xử lý hoá học 4 2.1.1 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa 4 2.1.1.1 Khái niệm 4 2.1.1.2 Đặc điểm của phương pháp keo tụ điện hoá 5 2.1.1.3 Điện hóa học 5 2.1.1.3.1 Khái niệm về phương pháp điện hoá học 5 2.1.1.3.2 Nguyên lý của quá trình điện hoá học 6 2.1.1.4 Tuyển nổi điện phân 7 2.1.1.4.1 Khái niệm 7 2.1.1.4.2 Cơ chế của quá trình tuyển nổi điện phân 7 2.1.1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi bằng phương pháp điện phân 8 2.1.1.4.4 Các thông số kỹ thuật trong thiết kế và vận hành bể tuyển nổi điện phân 8 2.1.1.5 Keo tụ - tạo bông 9 2.1.1.5.1 Khái niệm 9 2.1.1.5.2 Cơ chế của quá trình keo tụ 9 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng vii
  11. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” 2.1.1.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ 9 2.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa 10 2.1.2.1 Cấu tạo 10 2.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động 10 2.1.3 Các quá trình diễn ra trong bể keo tụ điện hoá 11 2.1.3.1 Các phản ứng điện phân xảy ra ở các điện cực 11 2.1.3.2 Quá trình keo tụ 12 2.1.3.3 Quá trình loại bỏ photpho trong nước thải 12 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa 13 2.1.5 Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa 14 2.2 Sơ lược phương pháp xử lý sinh học 15 2.2.1 Giới thiệu về phương pháp xử lý sinh học 15 2.2.1.1 Khái niệm 15 2.2.1.2 Cơ sở của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 15 2.2.1.3 Phân loại 16 2.2.1.3.1 Phương pháp hiếu khí 16 2.2.1.3.2 Phương pháp thiếu khí 20 2.2.2 Xử lí sinh học kết hợp với giá bám 22 2.2.2.1 Khái niệm xử lí sinh học kết hợp với giá bám 22 2.2.2.2 Sự hình thành màng sinh học 22 2.2.2.3 Các loại giá bám thường được sử dụng 23 2.2.2.4 Ưu, khuyết điểm phương pháp xử lí sinh học kết hợp với giá bám 25 2.2.3 Sơ lược về quá trình lắng và bể lắng 25 2.2.3.1 Quá trình lắng 25 2.2.3.2 Sơ lược về bể lắng 26 2.2.3.3 Tìm hiểu về quá trình lọc qua tầng cặn lơ lửng (ngăn lắng trong bể USBF) 26 2.2.4 Giới thiệu công nghệ USBF 27 2.2.4.1 Sơ lược vê công nghệ USBF 27 2.2.4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể USBF 27 2.2.4.2.1 Cấu tạo 27 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng viii
  12. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” 2.2.4.2.2 Nguyên tắc hoạt động 27 2.2.4.3 Các quá trình diễn ra trong hệ thống 28 2.2.4.3.1 Quá trình khử Cacbon 28 2.2.4.3.2 Quá trình nitrat hóa(Nitrification) và khử nitrat (Denitrification) 29 2.2.4.3.3 Loại bỏ Photpho bằng phương pháp sinh học 29 2.2.4.3.4 Quá trình lắng trong ngăn lắng 30 2.2.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của bể USBF 30 2.2.4.5 Ưu điểm của USBF 31 2.2.4.6 Các thông số thiết kế và vận hành bể USBF 32 2.2.4.6.1 Tỉ lệ thức ăn trên số lượng vi khuẩn F/M 32 2.2.4.6.2 Nhu cầu dưỡng chất 33 2.2.4.6.3 Tuổi bùn (thời gian lưu tồn tế bào) 33 2.2.4.6.4 Hàm lượng vi sinh vật 34 2.2.4.6.5 Thời gian lưu nước 34 2.2.4.6.6 Nồng độ oxi hòa tan (DO) 34 2.2.4.7 Các nghiên cứu về bể keo tụ điện hóa và bể USBF 35 2.2.4.7.1 Các nghiên cứu về bể keo tụ điện hóa 35 2.2.4.7.2 Các nghiên cứu về bể USBF 35 2.2.4.8 Các ứng dụng bể USBF trong và ngoài nước 36 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 37 3.1. Địa điểm và thời gian thực hiện 37 3.2. Đối tượng thí nghiệm 37 3.3 Chuẩn bị thí nghiệm 37 3.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm cho bể keo tụ điện hoá 37 3.3.2 Chuẩn bị thí nghiệm cho bể USBF 39 3.4 Phương tiện và cách bố trí thí nghiệm 40 3.4.1 Phương tiện thí nghiệm 40 3.4.1.1 Gia công bể keo tụ điện hóa 40 3.4.1.2 Gia công bể USBF 40 3.4.2 Cách bố trí thí nghiệm 41 3.4.2.1 Bố trí thí nghiệm cho bể keo tụ điện hoá 41 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng ix
  13. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” 3.4.2.2 Bố trí thí nghiệm cho bể USBF 45 3.4.3 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu 48 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 4.1 Kết quả thí nghiệm xác định loại kim loại làm điện cực (thí nghiệm 1) 51 4.1.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 51 4.1.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 51 4.1.3 Kết quả thí nghiệm 52 4.1.4 Các nhận xét và giải thích 52 4.2 Kết quả thí nghiệm trên bể keo tụ điện hóa 54 4.2.1 Kết quả thí nghiệm xác định thời gian lưu nước (thí nghiệm 2) 54 4.2.1.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 54 4.2.1.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 54 4.2.1.3 Kết quả thí nghiệm 55 4.2.1.4 Các nhận xét và giải thích 59 4.2.2 Kết quả thí nghiệm xác định khoảng cách của hai điện cực (thí nghiệm 3) 61 4.2.2.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 61 4.2.2.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 61 4.2.2.3 Kết quả thí nghiệm 62 4.2.2.4 Các nhận xét và giải thích 65 4.2.3 Kết quả thí nghiệm xác định diện tích bảng điện cực (thí nghiệm 4) 67 4.2.3.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 67 4.2.3.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 67 4.2.3.3 Kết quả thí nghiệm 68 4.2.3.4 Các nhận xét giải thích 71 4.2.4 Kết quả thí nghiệm xác định giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng điện (thí nghiệm 5) 73 4.2.4.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 73 4.2.4.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 74 4.2.4.3 Kết quả thí nghiệm 74 4.2.4.4 Các nhận xét và giải thích 78 4.3 Kết quả thí nghiệm trên bể USBF có giá bám và bể USBF không có giá bám 79 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng x
  14. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” 4.3.1 Kết quả thí nghiệm với tổng thời gian lưu 10h (thí nghiệm 6) 79 4.3.1.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 79 4.3.1.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 80 4.3.1.3 Kết quả thí nghiệm 80 4.3.1.4 Các nhận xét và giải thích 84 4.3.2 Kết quả thí nghiệm với tổng thời gian lưu 8h (thí nghiệm 7) 85 4.3.2.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 86 4.3.2.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 86 4.3.2.3 Kết quả thí nghiệm 87 4.3.2.4 Các nhận xét và giải thích 90 4.3.3 Kết quả thí nghiệm với tổng thời gian lưu 7h (thí nghiệm 8) 91 4.3.2.1 Đặc điểm của nước thải đầu vào 92 4.3.2.2 Hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm 92 4.3.2.3 Kết quả thí nghiệm 92 4.3.3.4 Các nhận xét và giải thích 96 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xi
  15. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 2.1. Sơ đồ phương pháp điện hoá học 5 Hình 2.2. Bể tuyển nổi điện phân 8 Hình 2.3. Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ 10 Hình 2.4. Sơ đồ quá trình phân hủy hiếu khí 17 Hình 2.5. Màng sinh học phát triển trên giá bám 23 Hình 2.6. Một số ngăn lắng trong bể USBF 27 Hình 2.8. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể USBF 28 Hình 3.1. Vị trí lấy mẫu nước thải làm thí nghiệm 37 Hình 3.2. Bể keo tụ điện hóa 38 Hình 3.3. Giá bám trước khi tạo màng và sau khi tạo màng 40 Hình 3.4. Bể USBF có giá bám (a) và bể USBF không giá bám (b) 41 Hình 4.1. Nước thải đầu ra của bể keo tụ điện hóa với cực dương lần lượt là Al và Fe 51 Hình 4.2. Kết quả xử lý SS và COD trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa có cực dương lần lượt là nhôm (Al) và sắt (Fe) 52 Hình 4.3. Nước thải đầu vào và nước thải đầu ra của bể keo tụ điện hóa với thời gian lưu là 45 phút và 120 phút 55 Hình 4.4. Hiệu xuất loại bỏ SS trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa theo thời gian lưu 56 Hình 4.5. Hiệu suất loại bỏ COD trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa theo thời gian lưu 57 Hình 4.6. Hiệu suất loại bỏ BOD5 trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa theo thời gian lưu 57 Hình 4.7. Hiệu suất loại bỏ TKN trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa theo thời gian lưu 58 Hình 4.8. Hiệu suất loại bỏ Ptổng trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa theo thời gian lưu 58 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xii
  16. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Hình 4.9. Nước thải đầu vào và nước thải đầu ra của bể keo tụ điện hóa với khoảng cách của hai điện cực là 1cm 62 Hình 4.10. Kết quả loại bỏ SS trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các khoảng cách giữa hai điện cực 63 Hình 4.11. Kết quả loại bỏ COD trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các khoảng cách giữa hai điện cực 63 Hình 4.12. Kết quả loại bỏ BOD5 trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các khoảng cách giữa hai điện cực64 Hình 4.13. Kết quả loại bỏ TKN trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các khoảng cách giữa hai điện cực 64 Hình 4.14. Kết quả loại bỏ Ptổng trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các khoảng cách giữa hai điện cực 65 Hình 4.15. Kết quả loại bỏ SS trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các diện tích bảng điện cực hay tỉ số S/V 69 Hình 4.16. Kết quả loại bỏ COD trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các diện tích bảng điện cực hay tỉ số S/V69 Hình 4.17. Kết quả loại bỏ BOD5 trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các diện tích bảng điện cực hay tỉ số S/V 70 Hình 4.18. Kết quả loại bỏ TKN trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các diện tích bảng điện cực hay tỉ số S/V 70 Hình 4.19. Kết quả loại bỏ Ptổng trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các diện tích bảng điện cực hay tỉ số S/V 71 Hình 4.20. Kết quả loại bỏ SS trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các giá trị U&I hay mật độ dòng điện75 Hình 4.21. Kết quả loại bỏ COD trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các giá trị U&I hay mật độ dòng điện 76 Hình 4.22. Kết quả loại bỏ BOD5 trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các giá trị U&I hay mật độ dòng điện 76 Hình 4.23. Kết quả loại bỏ TKN trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các giá trị U&I hay mật độ dòng điện 77 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xiii
  17. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Hình 4.24. Kết quả loại bỏ Ptổng trong nước thải thủy sản của bể keo tụ điện hóa ứng với các giá trị U&I hay mật độ dòng điện 77 Hình 4.25. Nước thải đầu vào và nước thải đầu ra của bể keo tụ điện hóa và hai bể USBF (tổng thời gian lưu 10h) 80 Hình 4.26. Kết quả loại bỏ SS trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 10h 81 Hình 4.27. Kết quả loại bỏ COD trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 10h 82 Hình 4.28. Kết quả loại bỏ BOD5 trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 10h 82 Hình 4.29. Kết quả loại bỏ TKN trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 10h 83 Hình 4.30. Kết quả loại bỏ Ptổng trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 10h 83 Hình 4.31. Nước thải đầu vào và nước thải đầu ra của bể keo tụ điện hóa và hai bể USBF (tổng thời gian lưu 8h) 86 Hình 4.32. Kết quả loại bỏ SS trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 8h 87 Hình 4.33. Kết quả loại bỏ COD trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 8h 88 Hình 4.34. Kết quả loại bỏ BOD5 trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 8h 88 Hình 4.35. Kết quả loại bỏ TKN trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 8h 89 Hình 4.36 Kết quả loại bỏ Ptổng trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 8h 89 Hình 4.37. Nước thải đầu vào và nước thải đầu ra của bể keo tụ điện hóa và hai bể USBF (tổng thời gian lưu 7h) 92 Hình 4.38. Kết quả loại bỏ SS trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 7h 93 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xiv
  18. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Hình 4.39. Kết quả loại bỏ COD trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 7h 94 Hình 4.40. Kết quả loại bỏ BOD5 trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 7h 94 Hình 4.41 Kết quả loại bỏ TKN trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 7h 95 Hình 4.42. Kết quả loại bỏ Ptổng trong nước thải thủy sản của bể USBF có giá bám & bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu 7h 95 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xv
  19. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 2.1. Điều kiện thích hợp cho quá trình nitrat hóa 19 Bảng 2.2. Ưu, nhược điểm của một số loại giá bám 24 Bảng 3.1. Các chỉ tiêu cần theo dõi và cách phân tích 49 Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm xác định loại kim loại làm điện cực 52 Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm xác định thời gian lưu nước cho bể keo tụ điện hóa 55 Bảng 4.3. Kết quả các thí nghiệm xác định khoảng cách giữa hai điện cực cho bể keo tụ điện hóa 62 Bảng 4.4. Kết quả các thí nghiệm xác định diện tích của điện cực 68 Bảng 4.5. Kết quả các thí nghiệm xác định giá trị dòng điện (U và I) 75 Bảng 4.6 Nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải đầu vào và đầu ra bể KTĐH - 2 bể USBF với thông thời gian lưu 10h 81 Bảng 4.7. Nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải đầu vào và đầu ra bể KTĐH - 2 bể USBF với tổng thời gian lưu 8h 87 Bảng 4.8. Nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải đầu vào và đầu ra bể KTĐH – 2 bể USBF với tổng thời gian lưu 7h 93 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xvi
  20. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” DANH SÁCH PHỤ LỤC Trang PHỤ LỤC 1: BẢNG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MẪU Bảng 1. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 15 phút 104 Bảng 2. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 30 phút 104 Bảng 3. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 45 phút 104 Bảng 4. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 60 phút 105 Bảng 5. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 75 phút 105 Bảng 6. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 90 phút 105 Bảng 7. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 105 phút 106 Bảng 8. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về thời gian lưu 120 phút 106 Bảng 9. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về khoảng cách giữa hai điện cực là 1cm 106 Bảng 10. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về khoảng cách giữa hai điện cực là 2cm 107 Bảng 11. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về khoảng cách giữa hai điện cực là 3cm 107 Bảng 12. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về diện tích bảng điện điện cực là 100 cm2 107 Bảng 13. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về diện tích bảng điện điện cực là 200 cm2 108 Bảng 14. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về diện tích bảng điện điện cực là 300 cm2 108 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xvii
  21. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Bảng 15. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về giá trị trị U và I của dòng điện là 15V – 1.1A 108 Bảng 16. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về giá trị trị U và I của dòng điện là 18V – 1.4A 109 Bảng 17. Các chỉ tiêu hóa lý đầu vào và đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại về giá trị trị U và I của dòng điện là 24V – 1.6A 109 Bảng 18. Giá trị các chỉ tiêu hóa lý đầu vào, đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại của bể USBF không giá bám với thời gian lưu 10h 109 Bảng 19. Giá trị các chỉ tiêu hóa lý đầu vào, đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại của bể USBF có giá bám với thời gian lưu 10h 110 Bảng 20. Giá trị các chỉ tiêu hóa lý đầu vào, đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại của bể USBF không giá bám với thời gian lưu 8h 110 Bảng 21. Giá trị các chỉ tiêu hóa lý đầu vào, đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại của bể USBF có giá bám với tổng thời gian lưu 8h 110 Bảng 22. Giá trị các chỉ tiêu hóa lý đầu vào, đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại của bể USBF không giá bám với thời gian lưu 7h 111 Bảng 23. Giá trị các chỉ tiêu hóa lý đầu vào, đầu ra, hiệu suất xử lý, độ lệch chuẩn của các thí nghiệm lặp lại của bể USBF có giá bám với tổng thời gian lưu 7h 111 PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ CHẠY SỐ LIỆU Bảng 1. Kết quả phân tích Duncan về các thời gian lưu của bể keo tụ điện hóa 112 Bảng 2. Kết quả phân tích Duncan về các khoảng cách giữa hai điện cực 112 Bảng 3. Kết quả phân tích Duncan về các diện tích bảng điện cực 113 Bảng 4. Kết quả phân tích Duncan về các giá trị U và I của dòng điện 113 Bảng 5. Kết quả phân tích Duncan về bể USBF có giá bámvà bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu là 10h 113 Bảng 6. Kết quả phân tích Duncan về bể USBF có giá bámvà bể USBF không giá bám với tổng thời gian lưu là 8h 114 Bảng 7. Kết quả phân tích Duncan về bể USBF có giá bámvà bể USBF không giá bám với thời gian lưu là 7h 114 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xviii
  22. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” PHỤ LỤC 3: MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Hình 1. Biến điện dùng để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều 115 Hình 2. Công tơ điện dùng để đo điện năng tiêu thụ 115 Hình 3. Các điện cực (điện cực trắng là Al điện cực đen là Fe) 116 Hình 4. Mô hình bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ 116 Hình 5. Thùng nuôi bùn 117 Hình 6. Thùng nuôi giá bám 117 Hình 7. Bộ phận phân phối khí 118 Hình 8. Máy sục khí 118 Hình 9. Máy hoàn lưu bùn 119 Hình 10. Bình mariot 119 Hình 11. Bể USBF không giá bám 120 Hình 12. Bể USBF có giá bám 120 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xix
  23. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT EC Electrocoagualation Keo tụ điện hóa USBF Upflow Sludge Blanket Filtration Lọc qua tầng bùn lơ lửng BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan F/M Food/Microorganism Tỷ lệ thức ăn trên vi khuẩn MLSS Mixed Liquor Suspended Solid Chất rắn lơ lửng trong hỗn dịch bùn hoạt tính SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng KTMT&TNTN Kỹ Thuật Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng Nitơ Kjeldahl QCVN Quy chuẩn Việt Nam BTNMT Bộ tài nguyên & môi trường KTĐH Keo tụ điện hóa ĐNTT Điện năng tiêu thụ SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng xx
  24. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” CHƯƠNG I GIỚI THIỆU Đất nước ta đang trên đường hội nhập và phát triển, việc gia nhập tổ chức Thương mại Thế giới (WTO) là một cơ hội và cũng là một thách thức cho nền kinh tế đất nước. Từ tháng 9 năm 2008, kinh tế thế giới bị khủng hoảng và điều này đã ảnh hưởng rất lớn đến nền kinh tế của nước ta [1]. Tốc độ tăng trưởng kinh tế giảm rõ rệt trong năm 2008. Cụ thể là GDP năm 2008 tăng 5.5% thấp hơn nhiều so với GDP năm 2007 tăng 8.44% [2; 3; 4]. Đứng trước tình hình đó, chính phủ nước ta đã có chính sách vực dậy nền kinh tế bằng những gói kích cầu kinh tế có tổng trị giá khoảng 8.0 tỉ USD [5]. Sự hỗ trợ này của chính phủ cùng với những nổ lực của các doanh nghiệp nên kinh tế của nước ta trong năm 2009 và năm 2010 đã có những dấu hiệu phục hồi rất tích cực. Tất cả các lĩnh vực đều đạt tốc độ tăng trưởng cao hơn tốc độ tăng trưởng cùng kỳ năm trước. Trong đó, GDP 6 tháng đầu năm 2010 tăng khoảng 6 - 6,1% [6]. Các ngành công nghiệp như: khai thác dầu khí, khai thác than, dệt may, xuất khẩu gạo, xuất khẩu thủy hải sản, là những ngành thu về nhiều ngoại tệ nhất cho nước ta trong 6 tháng đầu năm 2010. Cụ thể như: xuất khẩu dầu khí đạt 79.9 triệu USD, xuất khẩu than đạt 1.8 tỉ USD (4 tháng đầu năm 2010), xuất khẩu hàng dệt may đạt 4.65 tỉ USD, xuất khẩu gạo đạt 1.396 tỉ USD, xuất khẩu thủy hải sản đạt 1.8 tỉ USD. Bên cạnh đó, các ngành công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, thương mại - dịch vụ cũng góp một phần đáng kể cho sự phục hồi của nền kinh tế [7; 8; 9; 10; 11]. Song song với sự phục hồi của nền kinh tế thì các nhà máy, xí nghiệp ở khắp nơi đã hoạt động bình thường trở lại sau thời gian hoạt động cầm chừng trong giai đoạn khủng hoảng và ngày càng được mở rộng về quy mô. Đây là tín hiệu đáng mừng cho nền kinh tế nhưng đổi lại môi trường của chúng ta sẽ có nguy cơ ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng hơn. Đặc biệt là môi trường nước mặt rất dễ bị ô nhiễm do nước thải của các ngành công nghiệp chưa qua xử lý hoặc xử lý nhưng không đạt các quy định trong hệ thống QCVN (cụ thể là QCVN 24: 2009/BTNMT). Trong các loại nước thải thì nước thải của các nhà máy chế biến thủy hải sản là một trong những loại có khả năng gây ô nhiễm nguồn nước mặt cao nhất. Bởi vì, loại nước thải này có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (Lâm Minh Triết - Nguyễn Thanh Hùng - Nguyễn Phước Dân, 2006). Bên cạnh đó, trong tất cả các khu vực kinh tế của SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 1
  25. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” nước ta thì khu vực đồng bằng sông Cửu Long là nơi có sản lượng xuất khẩu thủy hải sản cao nhất nước ta. Chỉ 6 tháng đầu năm 2010 khu vực này đã đóng góp hơn 530 triệu USD cho tổng giá trị xuất khẩu thủy sản của cả nước [12]. Tuy nhiên, trong những năm gần đây mặt hàng cá tra, basa philê xuất khẩu của đồng bằng sông Cửu Long thường bị các công ty Mỹ kiện về việc bán phá giá và mặt hàng này liên tục bị áp đặt “thuế chống bán phá giá” vào thị trường này. Theo ông Nguyễn Việt Thắng, Chủ tịch Hội nghề cá Việt Nam cho rằng: “quyết định này của Mỹ đã gây ảnh hưởng lớn đến người nuôi cá tra, basa ở đồng bằng sông Cửu Long” [13]. Trước vấn đề này, rất khó khăn cho các công ty, xí nghiệp chế biến thủy hải sản ở đồng bằng sông Cửu Long có quy mô vừa và nhỏ xây dựng và vận hành một hệ thống xử lý nước thải đúng kỹ thuật. Bởi vì, lợi nhuận của họ thu được là rất bấp bênh và phụ thuộc rất lớn vào thị trường Mỹ. Trong khi đó, các công ty có quy mô lớn thì có khả năng xây dựng hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh nhưng họ liên tục mở rộng quy mô hay nâng cao công suất hoạt động nên các hệ thống xử lý này luôn nằm trong tình trạng quá tải. Bên cạnh đó, việc chế biến các mặt hàng cá tra, cá basa philê xuất khẩu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long thường là theo mùa vụ và theo đơn đặt hàng. Vào mùa vụ do thừa nguyên liệu nên đại đa số các nhà máy phải hoạt động hết công suất. Điều này làm cho hệ thống xử lý nước thải của các công ty trong giai đoạn này luôn trong tình trạng quá tải dẫn đến chất lượng nước thải đầu ra không đạt QCVN (cụ thể là QCVN 11: 2008/BTNMT). Vào mùa thiếu nguyên liệu (nghịch mùa) các nhà máy phải hoạt động cầm chừng, không ổn định hoặc phải sử dụng nguồn nguyên liệu khác để sản xuất ra mặt hàng khác. Điều này đã ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả hoạt động của hệ thống xử lý nước thải. Bởi vì, các hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy thủy hải sản thường áp dụng phương pháp sinh học, mà việc hoạt động của các nhà máy không ổn định như thế thì lượng nước thải được thải ra hằng ngày là không ổn định cả về lưu lượng lẫn chất lượng. Do vậy, tình trạng này đã ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng hoạt động của các vi sinh vật trong hệ thống dẫn đến chất lượng nước thải đầu ra không đạt theo QCVN 11: 2008/BTNMT. Với những vấn đề của các công ty, xí nghiệp và hiện trạng của các hệ thống xử lý nước thải như hiện tại, thì nguy cơ các nguồn nước mặt ở đồng bằng sông Cửu Long bị ô nhiễm do nước thải thủy sản là rất cao. Bên cạnh đó, vấn đề quản lý và xử lý nước SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 2
  26. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” thải thủy sản ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long là hết sức bức thiết nhưng hiện nay vẫn chưa có giải pháp triệt để. Như vậy, việc cần làm ngay vào thời điểm này là phải tiến hành nghiên cứu và tìm ra một công nghệ xử lý nước thải thủy sản mới vừa có thể đáp ứng được tình hình kinh tế của các doanh nghiệp mà vẫn đảm bảo chất lượng nước đầu ra của hệ thống. Bên cạnh đó, cũng cần có những phương pháp cải tạo hoặc nâng cao công suất cho các hệ thống cũ hay các hệ thống bị quá tải. Trong khi đó, ở Việt Nam công nghệ USBF đã xuất hiện với rất nhiều những ưu điểm trong việc xử lý nước thải. Tuy nhiên, công nghệ này chỉ mới áp dụng rộng rãi cho việc xử lý nước thải sinh hoạt như: khách sạn Novotel Phan Thiết - Bình Thuận, resort Aquaba Mũi Né - Bình Thuận, khu Du lịch Sinh Thái An Viên - Nha Trang, Hiệu quả xử lý cụ thể của một số chỉ tiêu như sau: SS 85%; COD 91%; BOD5 91%; N 84%; và P 80% (Nguyễn Hàn Mộng Du, 2006). Công nghệ USBF được cải tiến từ qui trình bùn hoạt tính cổ điển. Công nghệ này kết hợp ba quá trình thiếu khí, hiếu khí và lắng trong một đơn vị xử lý nước thải. Đây chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính cổ điển, thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý không cao. Với sự kết hợp này khi sử dụng bể USBF sẽ tiết kiệm chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu việc áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải thủy sản là một việc hoàn toàn phù hợp. Bên cạnh đó, để giảm tải nạp cho bể USBF thì bể keo tụ điện hóa là một lựa chọn rất khả quan. Bể keo tụ điện hóa là một công nghệ giao thoa ưu điểm của 3 phương pháp: tuyển nổi điện phân, keo tụ - tạo bông và điện phân hóa học (Hold, Barton và Mitchell, 2004). Do sử dụng dòng điện một chiều và kim loại (nhôm và sắt) làm cực tan nên không cần phải tốn chi phí mua hóa chất cho việc vận hành bể này. Bên cạnh đó, giá bám sẽ được bổ sung vào ngăn hiếu khí của bể USBF. Việc làm này sẽ làm tăng mật độ vi sinh vật trong ngăn hiếu khí. Khi đó chất lượng nước thải đầu ra sẽ được cải thiện hơn và thể tích của bể USBF sẽ được giảm đáng kể. Với những vấn đề hiện tại của các công ty, xí nghiệp và các hệ thống xử lý nước thải. Hệ thống kết hợp bể keo tụ điện hóa và USBF hứa hẹn sẽ giải quyết được bài toán SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 3
  27. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” trên. Đó là lý do đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” đã được chúng tôi thực hiện. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 4
  28. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU Tuỳ theo bản chất của các phương pháp xử lý nước thải, người ta có thể chia chúng thành phương pháp lý học, phương pháp hoá học, phương pháp sinh học. Một hệ thống xử lý hoàn chỉnh thường kết hợp đủ các thành phần kể trên. Tuy nhiên, tuỳ theo tính chất của nước thải, mức độ tài chính và yêu cầu xử lý mà người ta có thể cắt bớt một số công đoạn (Lê Hoàng Việt, 2002). Đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” là một đề tài kết hợp hai phương pháp xử lý: + Phương pháp hoá học: phương pháp keo tụ điện hoá (electrocoagulation) + Phương pháp sinh học: công nghệ USBF(Upflow Sludge Blanket Filtration) Do đó, ở phần lược khảo tài liệu này, chúng tôi sẽ tập trung vào các vấn đề của hai phương pháp này. 2.1. Phương pháp xử lý hoá học Theo Lê Hoàng Việt (2002), xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học là đưa vào nước thải một hoá chất nào đó, hoá chất này tác dụng với các chất ô nhiễm trong nước thải để tạo thành các cặn lắng hay chất hoà tan không độc hại. Cơ sở của các phương pháp hoá học là các quá trình hoá lý diễn ra giữa chất bẩn và các hoá chất thêm vào. Những phản ứng diễn ra có thể là các phản ứng oxi hoá - khử, các phản ứng tạo thành chất kết tủa hoặc các phản ứng phân huỷ các chất độc hại (Trần Hiếu Nhuệ, 2001). Các phương pháp hoá học thường được sử dụng trong xử lý nước thải là: keo tụ, hấp phụ, khử trùng, trung hoà, khử Chlor, (Lê Hoàng Việt, 2002). Bên cạnh đó, keo tụ điện hoá cũng là một phương pháp hoá học. Tuy nhiên, phương pháp này kết hợp với phương pháp lý học (dòng điện và các điện cực) nên có thể xem phương pháp này là một phương pháp hoá - lý. 2.1.1 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa 2.1.1.1 Khái niệm Keo tụ điện hoá là một phương pháp điện hoá trong xử lý nước thải, trong đó dưới tác dụng của dòng điện thì các điện cực dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ hoặc Fe3+) vào SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 5
  29. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí ở cực âm (Hold, Barton và Mitchell, 2004). 2.1.1.2 Đặc điểm của phương pháp keo tụ điện hoá Theo Ramesh Babu, Bhadrinarayana, Meera Sheriffa Begum Anantharaman (2006), phương pháp keo tụ điện hóa có các đặc điểm sau đây: + Dòng điện được sử dụng trong phương pháp keo tụ điện hóa là dòng điện một chiều. + Các điện cực dương được sử dụng thường là bằng nhôm hoặc sắt. Tùy vào giá trị pH và đặc tính của nước thải ở từng trường hợp cụ thể mà xác định xem điện cực nào là cực dương, điện cực nào là cực âm. + Thời gian lưu nước, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và hiệu suất vận hành của bể có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau. + Hệ thống điện cực được đặt ngập trong nước thải, để đảm bảo khả năng tiếp xúc giữa các bọt khí và các chất ô nhiễm là tốt nhất. + Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong điều kiện là nạp nước thải đầu vào liên tục hoặc hoạt động trong điều kiện nước thải chỉ được nạp một lần (theo mẻ). Theo Hold, Barton và Mitchell (2004), keo tụ điện hóa là phương pháp giao thoa của ba quá trình: điện hoá học, tuyển nổi điện phân, keo tụ. 2.1.1.3 Điện hóa học 2.1.1.3.1 Khái niệm về phương pháp điện hoá học Điện hoá học là phương pháp làm sạch các tạp chất hoà tan hoặc phân tán trong nước thải nhờ tác dụng của dòng điện một chiều khi xảy ra quá trình oxi hoá ở cực dương và quá trình khử ở cực âm (Trịnh Lê Hùng, 2006). Cực dương Cực âm (anot) + (catot) – Ion (-) Ion (+) Hình 2.1. Sơ đồ phương pháp điện hoá học (Nguồn: Trịnh Lê Hùng, 2006) SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 6
  30. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” 2.1.1.3.2 Nguyên lý của quá trình điện hoá học Theo Agustin, Sengpracha và Phutdhawong (2008), khi có 2 điện cực cùng nhúng trong một dung dịch chất điện li và cho dòng điện một chiều đi qua thì: + Tại cực dương (anot): các ion âm sẽ cho electron, nghĩa là xảy ra phản ứng oxi hoá điện hoá. + Tại cực âm (catot): các ion dương sẽ nhận electron, nghĩa là xảy ra phản ứng khử. Cực dương: A → An+ + ne- - - Cực âm: 2H2O + 2e → 2OH + H2 Theo Trịnh Lê Hùng (2006), dưới tác dụng của dòng điện và các electron, các ion, và trong quá trình oxi hoá điện hoá, các hợp chất trong nước thải bị phân rã hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và nước, hay tạo thành các chất đơn giản hơn và không độc hại, có thể tách ra bằng các phương pháp khác. Quá trình điện phân được nghiên cứu để loại bỏ các tạp chất xyanua, sunfoxyanua, ancol, các andehyt, hợp chất nitơ (như các amin, phẩm nhuộm azo), sunfit, mecaptan, ra khỏi nguồn nước. Các ví dụ: . Theo Trịnh Lê Hùng, (2006) + Oxi hoá phenol nhờ oxi sinh ra trong quá trình điện phân: + - 2H + 2e → H2 - - 4OH - 4e → 2H2O + O2 C6H5OH + 7 O2 → 6CO2 + 3H2O + Các hợp chất halogen hữu cơ độc hại sẽ được chuyển thành các hợp chất hữu cơ ít độc hại hơn khi không còn liên kết với halogen: RCl + 2e- + H+ → R-H + Cl- + Oxi hoá ở anot của xyanat xảy ra theo phản ứng sau: - + 2- CNO + 2H2O → NH 4 + CO 3 + Hoặc oxi hoá đến mức tạo thành khí nitơ: - - - 2CNO + 4OH - 6e → N2 + 2CO2 + 2H2O + Trường hợp bổ sung thêm NaCl, thì khí Cl2 được giải phóng ở anot sẽ oxi hoá xyanua: - - 2Cl - 2e → Cl2 - - - - CN + 2OH + Cl2 → 2Cl + H2O + CNO SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 7
  31. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” - - - 2CNO + 4OH + 3Cl2 → 2CO2 + N2 + 6Cl + 2H2O + Sunfoxyanua được phân huỷ theo phản ứng sau: - - - - + 2- CNS + 10OH - 8e → CNO SO 4 + 5H2O 2- + Khử Crom hoá trị VI (Cr2O7 ): 2- + - Cr2O7 + 14H + 12e → 2Cr + 7H2O + Khử NH4NO3: + - NH4NO3 + 2H + 2e → NH4NO2 + 2H2O NH4NO2 → N2 + 2 H2O Hiệu suất của phương pháp điện hoá học này phụ thuộc vào các yếu tố như: mật độ dòng điện, điện áp, hệ số sử dụng hữu ích điện áp, hiệu suất theo dòng, hiệu suất theo năng lượng, 2.1.1.4 Tuyển nổi điện phân 2.1.1.4.1 Khái niệm Tuyển nổi điện phân là phương pháp được thực hiện dựa trên cơ sở sự điện ly của nước tạo thành những dòng khí rất nhỏ (Nguyễn Thị Thu Thuỷ, 2000). 2.1.1.4.2 Cơ chế của quá trình tuyển nổi điện phân Theo Lê Hoàng Việt (2002), phương pháp này thì các điện cực sẽ được đặt ở dưới đáy bể. Dòng điện một chiều sẽ điện phân dung dịch nước thải tạo nên các bọt khí. Các bọt khí oxi được tạo nên ở các điện cực dương và khí hidro tạo ra ở cực âm sẽ nổi lên và bám vào các hạt chất rắn lơ lửng tạo lực nâng chúng lên bề mặt tạo thành lớp váng để sau đó loại bỏ chúng bằng thanh gạt. Ngoài ra, nếu trong nước thải có nhiều chất bẩn khác là các chất điện phân thì khi dòng điện đi qua sẽ thay đổi thành phần hóa học và tính chất của nước. Trạng thái các tạp chất không tan do các quá trình điện ly, phân cực, điện chuyển và oxi hóa khử, diễn ra. Trong nhiều trường hợp những quá trình đó có lợi cho quá trình xử lý nước thải và trong một số trường hợp khác cần phải điều khiển các quá trình đó để đạt được hiệu suất xử lý một loại chất bẩn nào đó (Trần Hiếu Nhuệ, 2001). Khi sử dụng các điện cực bằng nhôm hay sắt là cực dương thì ở cực dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại. Kết quả là các cation kim loại (Fe3+ hoặc Al3+) sẽ di chuyển trong môi trường nước thải. Những cation đó sẽ kết hợp cùng với nhóm hidroxyl và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3, Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 8
  32. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” trong xử lý nước thải. Do đó, trong không gian các điện cực sẽ đồng thời diễn ra các quá trình tạo bông keo tụ và tạo các bọt khí. Hiện tượng này sẽ tạo điều kiện để các bọt khí bám vào bông cũng như làm cho quá trình keo tụ chất bẩn, quá trình hấp thụ, kết dính, diễn ra mạnh và hiệu suất tuyển nổi cao hơn (Trần Hiếu Nhuệ, 2001). Cặn Nước ra Nước Điện cực vào Ống thu bùn Hình 2.2. Bể tuyển nổi điện phân (Nguồn: Trần Hiếu Nhuệ, 2001) 2.1.1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi điện phân Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001), các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi bằng phương pháp điện phân: + Thành phần hóa học của nước thải: các loại nước thải có thành phần như dầu, mỡ, chất rắn lơ lửng cao thì quá trình tuyển nổi sẽ đạt được hiệu suất cao. + Vật liệu các điện cực: (tan hoặc không tan) tốt nhất là các điện cực dương bằng nhôm hay sắt. + pH: nước thải có giá trị pH nằm trong khoảng thích hợp với cực dương làm bằng sắt là từ 3.5 - 6.5, còn pH thích hợp với cực dương làm bằng nhôm là 5.5 - 7.5. + Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất, Ngoài ra, còn có các yếu tố khác như: thành phần các kim loại (đặc biệt là kim loại nặng) có trong nước thải, độ đục, độ màu, 2.1.1.4.4 Các thông số kỹ thuật trong thiết kế và vận hành bể tuyển nổi điện phân Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001), các thông số kỹ thuật cần thiết cho việc thiết kế và vận hành bể tuyển nổi điện phân là: + Thời gian tuyển nổi xác định bằng thực nghiệm: t = 0,3 - 0,75h. + Khoảng cách giữa hai tấm điện cực: 15 - 20 mm. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 9
  33. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Chiều dày mỗi tấm điện cực: 6 - 10 mm. 2.1.1.5 Keo tụ - tạo bông 2.1.1.5.1 Khái niệm Theo Nguyễn Thị Thu Thuỷ (2000), keo tụ là một phương pháp xử lý nước có sử dụng hoá chất, trong đó các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo thành bông keo có kích thước lớn hơn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các biện pháp lắng hay tuyển nổi. Bằng cách sử dụng quá trình keo tụ người ta có thể tách được hoặc làm giảm đi 3 các thành phần có trong nước như: kim loại nặng, các chất bẩn lơ lửng, các ion PO4 và có thể cải thiện được độ đục, độ màu của nước (Nguyễn Thị Thu Thuỷ, 2000). 2.1.1.5.2 Cơ chế của quá trình keo tụ Theo Lâm Minh Triết - Nguyễn Thanh Hùng - Nguyễn Phước Dân (2006), khi chất keo tụ cho vào nước và nước thải, các hạt keo bản thân trong nước bị mất tính ổn định, tương tác với nhau, kết cụm lại hình thành các bông cặn lớn, dễ lắng. Quá trình mất tính ổn định của hạt keo là quá trình hóa lý phức tạp, có thể giải thích dựa trên các cơ chế sau: + Giảm điện thế zeta tới giá trị mà tại đó dưới tác dụng của lực hấp dẫn Van der Waals cùng với năng lượng khuấy trộn cung cấp thêm, các hạt keo trung hòa kết cụm và tạo thành bông cặn; + Các hạt kết cụm lại do sự hình thành cầu nối giữa các nhóm hoạt tính trên hạt keo; + Các bông cặn đã hình thành khi lắng xuống sẽ bắt giữ các hạt keo trên quỹ đạo lắng. 2.1.1.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ Theo Nguyễn Ngọc Dung (1999), đối với ion Al3+ thì: + Độ pH: độ pH của nước ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thuỷ phân. Khi pH < 4,5 thì không xảy ra quá trình thuỷ phân. Thông thường Al3+ đạt hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có pH = 5,5 - 7,5. + Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo tụ xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao. Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng Al3+ vào khoảng 20 - 400C, tốt nhất là 35 - 400C. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 10
  34. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Độ đục: độ đục của nước cũng ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ. Độ đục càng cao thì hiệu quả keo tụ càng rõ rệt. Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ như: thành phần các ion có trong nước, các hợp chất vô cơ - hữu cơ, Theo Nguyễn Ngọc Dung (1999), đối với ion Fe3+ thì: + Độ pH: phản ứng thuỷ phân xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 - 6,5. + Nhiệt độ: ion Fe3+ khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt độ của nước gần bằng 00C vẫn có thể dùng ion Fe3+ làm chất keo tụ. 2.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong cả hai điều kiện nạp nước là liên tục và theo mẻ. Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu về quá trình hoạt động cũng như hiệu suất xử lý của bể keo tụ điện hoá hoạt động theo mẻ. 2.1.2.1 Cấu tạo Bể gồm có các phần chính: ống dẫn nước đầu vào, thân bể hình hộp chữ nhật, hệ thống các điện cực và bộ phận gạt váng bọt, bùn cặn, phao và ống thu nước đầu ra, hố chứa bùn và ống thu bùn. 2.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động Nước thải đầu vào cho vào bể một lần với thể tích đã được xác định. Nước thải phải làm ngập các hệ điện cực ở trong bể. Nước Phao nổi Ống xả váng bọt vào Ống thu nước ra Hệ điện cực Ống xả cặn Hình 2.3. Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 11
  35. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Theo Hold, Barton và Mitchell (2004), khi cho dòng điện một chiều đi qua các điện cực thì tại cực dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại. Do đó, các điện cực dương được làm bằng nhôm hoặc sắt thì quá trình này sẽ giải phóng ra các cation (Fe3+ hoặc Al3+). Các cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường nước thải. Những cation (Fe3+ hoặc Al3+) sẽ kết hợp cùng với nhóm hidroxyl và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3, Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải. Các chất keo tụ này sẽ tác dụng vào các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước và liên kết với nhau tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn (Trần Hiếu Nhuệ, 2001). Bên cạnh đó, việc các phản ứng điện phân đã xảy ra và tạo ra các bọt khí tại cực âm. Các bọt khí này thường là khí H2 và chúng có xu hướng đi lên mặt thoáng của bể keo tụ điện hoá. Trên đường đi của các bọt khí này chúng sẽ bám vào các bông keo đã được tạo ra ở trên và mang chúng theo lên mặt thoáng của bể. Trong khi đó, các bông keo có kích thước lớn và nặng hơn thì sẽ lắng xuống phía dưới đáy bể. Trên quỹ đạo lắng của các bông cặn này chúng sẽ va chạm và kết cụm với các bông cặn khác, như thế quá trình lắng sẽ diễn ra tốt hơn (Lê Hoàng Việt, 2002). Tiếp theo, các váng bọt ở phía trên và các bông cặn ở phía dưới đáy bể sẽ được thu gom bằng hệ thống các thanh gạt. Nhưng chúng không được gạt một cách liên tục như bể keo tụ điện hoá hoạt động trong điều kiện nạp nước liên tục mà sẽ được gạt một lần duy nhất vào những phút cuối của thời gian lưu (mục đích là để cô đặc bùn). Sau đó, bùn sẽ được đưa ra khỏi bể bởi những ống xả. Nước thải đầu ra sẽ được thu bởi hệ thống phao nổi và ống thu. Sau đó, nước thải được dẫn qua các đơn vị xử lý tiếp theo. 2.1.3 Các quá trình diễn ra trong bể keo tụ điện hoá 2.1.3.1 Các phản ứng điện phân xảy ra ở các điện cực Trong trường hợp điện cực dương làm bằng nhôm (Al) còn điện cực âm làm bằng sắt (Fe). Khi cho dòng điện một chiều đi từ cực dương sang cực âm thì dưới tác dụng của dòng điện thì ở các điện cực xảy ra các quá trình: Cực dương: xảy ra quá trình oxi hoá Al và tạo thành ion Al3+ Al → Al3+ + 3e- Cực âm: Cực xảy ra quá trình khử và tạo thành khí H2 - - 2H2O + 2e → 2OH + H2 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 12
  36. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Các bọt khí này có xu hướng đi lên mặt thoáng của bể keo tụ điện hoá. Trên đường đi của các bọt khí này chúng sẽ bám vào các chất rắn lơ lửng, bông bùn đã được tạo ra ở trên và mang chúng theo lên mặt thoáng của bể. Quá trình này đi kèm với việc cô đặc bùn ở bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ. 2.1.3.2 Quá trình keo tụ Các cation Al3+ và Fe3+ được giải phóng ra trong quá trình hoà tan kim loại ở - điện cực dương sẽ kết hợp với nhóm hydroxyl (OH ) và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3 , Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải. 3+ + Al + 3H2O → Al(OH)3 + 3H 3+ + Fe + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H Al(OH)3 không tan tạo nên bông cặn có độ nhớt cao. Al(OH)3 , Fe(OH)3 lắng xuống với vận tốc chậm sẽ mang theo các chất rắn lơ lửng (Lê Hoàng Việt, 2002). 2.1.3.3 Quá trình loại bỏ photpho trong nước thải Theo Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt (2009), một số phương pháp xử lý photpho phổ biến bao gồm: + Kết tủa hóa học (thực hiện bằng việc kiểm soát pH và các cation như Ca, Fe và Al). + Đồng hóa photpho bởi vi khuẩn. Thúc đẩy các quá trình loại bỏ photpho (enhance biological phosphorus removal - EBPR). + Vi sinh vật tham gia quá trình kết tủa photpho. Loại bỏ photpho bằng phương pháp kết tủa hóa học Quá trình hòa tan kim loại tại điện cực dương được làm bằng nhôm hoặc sắt khi cho dòng điện một chiều đi qua sẽ giải phóng ra các cation (Fe3+ hoặc Al3+). Các cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường nước thải và sẽ kết hợp cùng với nhóm hidroxyl tạo thành các hidroxit (Al(OH)3 , Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải. 3+ 3+ 3- Bên cạnh đó, một phần những cation (Fe hoặc Al ) sẽ phản ứng với gốc PO 4 trong nước thải và tạo thành chất kết tủa (AlPO4, FePO4) (Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009). Phản ứng giữa nhôm và photphat trong nước thải như sau: 3+ 3- Al + PO 4 → AlPO4 SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 13
  37. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Sắt sẽ phản ứng với photpho để tạo thành photphate sắt III: 3+ 3- Fe + PO 4 → FePO4 Các chất kết tủa này sẽ lắng xuống đáy bể hay bị các bọt khí bám vào và mang lên mặt thoáng của nước thải trong bể. Sau cùng là chúng được loại bỏ cùng với các bông bùn và các váng bọt thông qua hệ thống các thanh gạt. 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa Do bể keo tụ điện hoá là phương pháp giao thoa giữa ba phương pháp: keo tụ, điện hoá học, tuyển nổi điện phân nên các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa sẽ tương đồng với các bể ở trên. Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001), các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của bể keo tụ điện hoá: + Thành phần hóa học của nước thải: các loại nước thải có thành phần như dầu, mỡ cao thì hiệu suất xử lý cao. + Vật liệu các điện cực: (tan hoặc không tan) tốt nhất là các điện cực dương bằng nhôm hay sắt, còn điện cực âm thì là kim loại khác nhôm hoặc sắt và phải đứng sau nhôm hoặc sắt trong dãy điện hóa. + Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất, Các yếu tố này nên được xác định bằng thực nghiệm. + Độ pH: đối với cực tan là nhôm thì khi pH 7,5 làm cho muối kiềm kém tan ít đi và hiệu quả keo tụ bị hạn chế. Trong trường hợp này thì hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có pH = 5,5 -7,5. Đối với trường hợp cực tan là sắt thì phản ứng xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 - 6,5. + Nhiệt độ: đối với cực tan là nhôm thì nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo tụ xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao. Độ đục của nước càng cao, thì ảnh hưởng của nước càng rõ rệt. Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng cực tan là nhôm vào khoảng 20 - 400C, tốt nhất là 35 - 400C . Đối với cực tan là sắt thì khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt độ của nước gần bằng 00C vẫn có thể dùng phèn sắt làm chất keo tụ. Theo Trần Hiếu Nhuệ ( 2001), các thông số kỹ thuật trong thiết kế và vận hành của bể keo tụ điện hoá: SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 14
  38. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Thời gian lưu: 0,3 - 0,75h (t) + Khoảng cách giữa hai tấm điện cực: 15 - 20 mm (c) + Chiều dày mỗi tấm điện cực: 6 - 10 mm (p) + Khoảng cách từ hai tấm điện cực ngoài cùng đến tường: 100 mm (d) + Tổng diện tích bề mặt của các điện cực (m2). + i: mật độ dòng điện (A/m2). Mật độ dòng điện được tính bởi công thức: i = I / S (A/m2) Trong đó, - i: mật độ dòng diện (A/m2) - I: cường độ dòng điện (A) - S: diện tích bảng điện cực (m2) Tất cả các thông số trên nên được xác định bằng thực nghiệm. Bởi vì, các thông số này phụ thuộc rất nhiều vào tính chất nước thải và số lượng mẫu thử của chúng ta (thể tích của bể hay lưu lượng). + Theo Ramesh Babu, Bhadrinarayana, Meera Sheriffa Begum và Anantharaman (2006), điện năng tiêu thụ có thể được tính bởi công thức: E = (U*I) / (1000*Q) Trong đó: - E: là điện năng tiêu thụ (Wh) - U: là hiệu điện thế của dòng điện (V) - I: là cường độ dòng điện (I) - Q: lưu lượng nước thải (m3/h) 2.1.5 Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa Theo Hold, Barton và Mitchell (2004), phương pháp keo tụ điện hoá có các ưu điểm sau: + Thiết bị dùng trong bể keo tụ điện hóa rất đơn giản, dễ dàng vận hành. + Bông cặn được hình thành dễ dàng, có khả năng cô đặc bùn tốt. + Có thể loại bỏ nhiều thành phần khác nhau trong nước thải như: chất rắn lơ lửng nhỏ, độ màu, độ đục, kim loại nặng có trong nước thải. + Có thể loại bỏ khoảng 95-99% các kim loại nặng trong nước thải. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 15
  39. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Bọt khí sinh ra trong quá trình tuyển nổi nâng theo các chất lơ lửng, bông cặn lên bề mặt bể để loại bỏ dễ dàng bằng các thiết bị gạt váng. + Có thể loại bỏ được các ion hòa tan trong nước thải và tạo thuận lợi cho quá trình keo tụ. + Không sử dụng hóa chất nên không gây dư thừa hóa chất rồi tốn hóa chất khác để trung hòa. Ngoài ra, bể keo tụ điện hoá còn có các ưu điểm sau: + Tiết kiệm được chi phí mua hoá chất trong quá trình vận hành các bể xử lý hoá học cổ điển. + Trong quá trình vận hành việc thay thế các điện cực là không thường xuyên và rất dễ dàng, không nguy hiểm do điện. Vì có hệ thống ngắt điện rất an toàn và dòng điện sử dụng là dòng điện một chiều. 2.2 Sơ lược phương pháp xử lý sinh học 2.2.1 Giới thiệu về phương pháp xử lý sinh học 2.2.1.1 Khái niệm Theo Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân (2006), quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình nhằm phân hủy các vật chất hữu cơ ở dạng hòa tan, dạng keo và dạng phân tán nhỏ trong nước thải nhờ vào sự hoạt động của các vi sinh vật. 2.2.1.2 Cơ sở của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Theo Lương Đức Phẩm (2007), cơ sở của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Quá trình hoạt động của vi sinh vật cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Bên cạnh đó, quá trình này chủ yếu là dựa vào khả năng phân huỷ các liên kết hữu cơ dạng hoà tan và không hoà tan của vi sinh vật - chúng sử dụng các liên kết đó như là nguồn thức ăn. Mức độ phân hủy và thời gian phân hủy phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hòa tan của chúng trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 16
  40. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” 2.2.1.3 Phân loại Theo Trịnh Thị Thanh, Trần Yêm, Đồng Kim Loan (2004), có 3 nhóm phương pháp xử lý nước thải theo nguyên tắc sinh học: + Phương pháp hiếu khí (aerobic process) + Phương pháp thiếu khí (anoxic process) + Phương pháp yếm khí (anaerobic process) Dựa trên các cơ sở như: sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng dính bám hay hệ thống sinh trưởng kết hợp của vi sinh vật mà mỗi phương pháp riêng biệt chúng ta còn có thể phân chia thành nhiều phương pháp cụ thể và chi tiết hơn. 2.2.1.3.1 Phương pháp hiếu khí Theo Lương Đức Phẩm (2007), phương pháp hiếu khí là quá trình xử lý sinh học sử dụng các vi sinh oxi hóa các chất hữu cơ trong điều kiện có oxi. Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động cần có oxi của không khí để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện. Theo Lê Hoàng Việt (2002), quá trình hiếu khí gồm 2 quá trình chính: Quá trình oxi hóa (dị hóa): + CHONS + O2 + VK hiếu khí → CO2 + NH4 + sản phẩm khác + năng lượng Quá trình tổng hợp (đồng hóa): CHONS + O2 + VK hiếu khí + năng lượng → C5H7O2N (tế bào VK mới) Khi hàm lượng chất hữu cơ thấp hơn nhu cầu của vi khuẩn, vi khuẩn sẽ trải qua quá trình hô hấp nội bào hay là tự oxi hóa sử dụng nguyên sinh chất của bản thân chúng làm nguyên liệu. + C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + NH4 + 2H2O + năng lượng Trong phương pháp hiếu khí, amôn cũng được loại bỏ bằng oxi hóa nhờ vi sinh vật dị dưỡng (quá trình nitrat hóa). SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 17
  41. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Nước thải đầu vào BOD Năng lượng Các chất nền Hô hấp nội bào không phân hủy 2 Sinh khối CO2 , H 2O,SO4 , NO3 Nước thải đầu ra Hình 2.4. Sơ đồ quá trình phân hủy hiếu khí (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2002) a. Quá trình nitrat hóa Theo Lê Hoàng Việt (2002), quá trình nitrat hóa (nitrification) là quá trình oxi hóa sinh hóa nitơ của các muối amôn đầu tiên thành nitrit và sau cùng thành nitrat trong điều kiện thích ứng (có oxi và nhiệt độ trên 4oC). Quá trình nitrat hóa gồm 2 giai đoạn sau: + Giai đoạn I: amôn bị oxi hóa thành nitrit do tác động của vi khuẩn nitrit + Nitrosomonas - + 2NH4 + O2 2NO2 + 4H + 2H2O + Giai đoạn II: oxi hóa nitrit thành nitrat do tác động của vi khuẩn nitrat - Nitrobacter - 2NO2 + O2 2NO3 Quá trình chuyển hóa amôn thành nitrat có thể tổng hợp bằng phương trình sau: + - + NH4 + 2O2 NO3 + 2H + H2O + Theo Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt (2009), việc chuyển hóa NH4 thành - NO2 được thực hiện bởi vi khuẩn oxy hóa amôn (Ammonia Oxidizing Bacteria - AOB). Nitrosomonas (như N. europaea, N. oligocarbogenes) là các vi khuẩn tự dưỡng oxy hóa amôn thành hydroxylamine (NH2OH). Các AOB khác là Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, và Nitrosovibrio. Trong nước thải hầu hết các AOB là Nitrosomonas. Việc chuyển hóa nitrit thành nitrat được tiến hành bởi các vi sinh vật oxi hóa nitrit (Nitrite Oxidizing bacteria - NOB). Các vi khuẩn hóa dưỡng khác tham gia oxi hóa SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 18
  42. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” nitrit là Nitrosopina, Nitrosococcus, Nitrosopira. Trong số đó Nitrobacter là vi khuẩn thường gặp trong nước thải nhất. Mặc dù các vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng chiếm ưu thế về số lượng trong môi trường nhưng quá trình nitrat hóa cũng có thể diễn ra bởi các vi khuẩn dị dưỡng (Arthrobacter) và nấm (Aspergillus). Các vi sinh vật này sử dụng nguồn cacbon hữu cơ và oxi hóa amôn thành nitrat, tuy nhiên các vi khuẩn dị dưỡng cần năng lượng và sự tăng trưởng của chúng chậm hơn nhóm vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng rất nhiều, do đó mức độ đóng góp của nó vào quá trình nitrat hóa coi như không đáng kể (Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009). Quá trình nitrat hóa có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải: + Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các hợp chất hữu cơ. + Quá trình nitrat hóa tạo được một lượng oxi dự trữ có thể dùng để oxi hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxi hòa tan đã tiêu hao ở quá trình đó. b. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa Theo Lâm Minh Triết, Đỗ Hồng Lan Chi (2005), các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá như: nồng độ amonia/nitrat, nồng độ oxi, pH, nhiệt độ, tỉ lệ BOD5/TNK và sự hiện diện các hóa chất độc hại. + Nồng độ amonia/nitrat: phụ thuộc vào động học quá trình phát triển của vi khuẩn nitrat. + Nồng độ oxi hòa tan: nồng độ oxi hòa tan là một trong những yếu tố quan trọng nhất kiểm soát quá trình nitrat hoá. Nồng độ oxi tốt nhất cho quá trình là lớn hơn 2 mg/L, thấp nhất là 1,3 mg/L. + Nhiệt độ: sự phát triển của vi khuẩn nitrat chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitrat là 8  300C, tốt nhất là khoảng 300C. + pH: pH tối ưu cho qua trình nằm trong khoảng khá rộng từ 7,5  8,5. Quá trình nitrat sẽ bị ức chế khi pH 10. Quá trình này cũng sử dụng độ kiềm trong nước thải, cứ 1 mg NH 4 -N được oxy hóa cần 7,14 mg CaCO3, do đó làm giảm độ kiềm trong nước thải. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 19
  43. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Tỷ số BOD5/TNK: tỉ lệ vi khuẩn nitrat giảm khi BOD5/TKN tăng. Kết hợp quá trình khử BOD và nitrat hóa cần tỷ lệ BOD5/TKN >5, trong khi đó chỉ có quá trình khử nitrat thì tỉ lệ BOD5/TKN 1 MLVSS mg/L 1200 ÷ 2500 Kim loại nặng (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr) mg/L < 5 Cyanua và các hợp chất mg/L < 20 (Nguồn: Gabriel Biton,1999) c. Quá trình bùn hoạt tính Theo Trịnh Xuân Lai (2002), nguyên lý cơ bản của bể bùn hoạt tính là tạo điều kiện hiếu khí cho quần thể vi sinh vật có trong bể phát triển tạo thành bùn hoạt tính. Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân cho vi khuẩn bám vào, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bông cặn có màu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú, phát triển của vô số vi khuẩn và vi sinh vật khác. Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD) SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 20
  44. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành các tế bào mới. Một vài loại vi khuẩn tấn công vào các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp, sau khi chuyển hóa thải ra các hợp chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản hơn, một vài loại vi khuẩn khác dùng các chất này làm thức ăn và lại thải ra các chất hữu cơ đơn giản hơn nữa và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chất thải cuối cùng không thể dùng làm thức ăn cho bất cứ loại vi sinh vật nào nữa. Thông thường người ta dùng hệ thống khuấy trộn hoặc sục khí cưỡng bức để cung cấp oxi tạo điều kiện hiếu khí cho vi sinh vật hoạt động. Theo Lương Đức Phẩm (2007), quá trình oxi hóa các chất hữu cơ xảy ra trong bể bùn hoạt tính trải qua 3 giai đoạn: + Giai đoạn thứ nhất: tốc độ oxi hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxi. Ở giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Hàm lượng oxi cần cho vi sinh vật sinh trưởng, đặc biệt là ở thời gian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này rất ít. Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân. Vì vậy lượng tiêu thụ oxi tăng dần. + Giai đoạn hai: vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi cũng ở mức gần như ít thay đổi. Chính ở giai đoạn này các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. + Giai đoạn ba: sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hóa cầm chừng (hầu như ít thay đổi) và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây là giai đoạn nitrat hóa muối amôn. 2.2.1.3.2 Phương pháp thiếu khí Theo Lương Đức Phẩm (2007), phương pháp thiếu khí là quá trình xử lý sinh học sử dụng các vi sinh vật oxi hóa các chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxi, không cấp thêm oxi từ ngoài vào. Trong kỹ thuật xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học thiếu khí theo kỹ thuật bùn hoạt tính, sự khử nitrat xảy ra khi 0 < DO < 1 mg/L. Khi đó oxi cần cho hoạt động của vi sinh vật giảm dần và việc giải phóng oxi từ nitrat sẽ xảy ra. Theo nguyên tắc trên, phương pháp thiếu khí được dùng để loại nitơ ra khỏi nước thải. a. Quá trình khử nitrat SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 21
  45. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Theo Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt (2009), trong điều kiện thiếu khí, ion NO 3 có thể bị khử thành N2 do quá trình khử nitrat của các vi khuẩn dị dưỡng theo phương trình sau: VK dị dưỡng - NO 3 + chất hữu cơ N2 + CO2 + OH + H2O Để quá trình khử nitrat có thể xảy ra chúng ta phải duy trì điều kiện thiếu khí, nếu không vi khuẩn sẽ sử dụng oxi để oxi hóa chất hữu cơ và quá trình sẽ trở thành quá trình oxi hóa chất hữu cơ. Các vi khuẩn khử nitrat rất cần nguồn cacbon để làm chất cho điện tử cho quá trình phản ứng, do đó cần phải cung cấp đầy đủ nguồn cacbon cho các vi khuẩn. Một số loài vi khuẩn như Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirillum, đây là những loài vi khuẩn dị dưỡng có khả năng khác nhau trong việc khử nitrat (Trần Hiếu Nhuệ, 2001). Chuỗi phản ứng của quá trình khử nitrat có thể được tóm tắt bằng sơ đồ sau: Nitrate Nitrite Nitrite oxide Nitrous oxide NO 3 NO 2 NO N2O N2 reductase reductase reductase reductase b. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat Theo Lê Văn Cát (2007), quá trình khử nitrat chịu ảnh hưởng bởi: + Ảnh hưởng của oxi: do oxi là tác nhân ức chế tốc độ phản ứng khử nitrat nên chúng có tác động ngược lại, nồng độ oxi càng cao thì mức độ ức chế càng lớn. + Sự hiện diện của các chất hữu cơ: bản chất của chất hữu cơ cũng ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrat, các chất hữu cơ tan dễ phân hủy tạo điều kiện tốt thúc đẩy tốc độ khử nitrat. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ khử nitrat tăng dần khi sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh, từ nguồn nước thải và chủ động đưa vào hệ như: metanol, axit axetic. + pH: giá trị pH thích hợp là 7- 9, tốt nhất là gần bằng 7, ngoài vùng tối ưu tốc độ khử nitrat giảm nhanh. Tại pH ≈ 10 và pH ≈ 6 tốc độ khử nitrat chỉ còn lại vài phần trăm so với vùng tối ưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ kiềm và pH tăng trong quá trình khử nitrat. Nguyên nhân là do 1mg NO 3 chuyển sang N2 làm tăng 3,6 mg CaCO3. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 22
  46. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Nhiệt độ: ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình khử nitrat tương tự như đối với quá trình nitrat hóa. Quá trình khử nitrat có thể xảy ra ở nhiệt độ 35  500C, cũng có thể ở nhiệt độ thấp hơn 5  100C nhưng với tốc độ chậm hơn. + Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng: quá trình khử nitrat được kích thích khi có mặt của Mo và Se. Trong nước thải, chúng hoạt động tạo thành formate dehydrogenase, một trong những enzyme phức tạp nhất trong sự trao đổi chất của methanol. Mo còn là nguyên tố chủ yếu trong việc tổng hợp nitrat reductase (Lâm Minh Triết - Đỗ Hồng Lan Chi, 2005). + Các hợp chất độc hại: quá trình này ít bị ảnh hưởng bởi chất độc so với quá trình nitrat hóa (Lâm Minh Triết - Đỗ Hồng Lan Chi, 2005). 2.2.2 Xử lý sinh học kết hợp với giá bám 2.2.2.1 Khái niệm xử lý sinh học kết hợp với giá bám Theo Lê Hoàng Việt (2003), tăng trưởng bám dính (attached growth), màng cố định (fixed film) hay màng sinh học (biofilm) là những tên gọi khác nhau của quá trình tăng trưởng của vi khuẩn trong đó các vi khuẩn bám trên bề mặt của các vật thể rắn dùng làm giá bám cho chúng. 2.2.2.2 Sự hình thành màng sinh học Theo Lê Hoàng Việt (2002), quá trình hình thành các màng sinh học trên bề mặt các giá thể như sau: Quá trình hình thành các màng sinh học trên bề mặt các giá thể tương tự như quá trình hình thành các màng sinh học trong tự nhiên. Sau khi các giá thể bị các chất hữu cơ bám vào các vi khuẩn sẽ di chuyển đến và phát triển trên đó thành các khuẩn lạc, sau đó các dạng sống khác sẽ dần dần phát triển để tạo thành biofilm. Để cho các vi khuẩn có thể hấp phụ lên bề mặt của giá thể cần phải có sự hình thành của các phức hệ chứa các polymer gọi là glycocalyx. Các chất polymer ngoại bào này giúp gắn kết các vi sinh vật tạo màng sinh học vào giá thể. Glycocalyx còn tạo nên bề mặt có nhiều hợp chất đa anion giúp cho việc tạo thành các phức kim loại. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 23
  47. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Màng sinh học Hiếu khí Yếm khí O2 Giá thể CO2 Chất nền và dưỡng chất trong nước thải Di chuyển đến Kết dính Tạo khuẩn lạc Tạo màng Hình 2.5. Màng sinh học phát triển trên giá bám sinh học (Nguồn: Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009) Các vi sinh vật trên màng sinh học sẽ phân huỷ các chất hữu cơ và tăng trưởng, việc tăng chiều dày của màng sinh học sẽ làm giới hạn việc khuếch tán của oxi hoà tan vào phía bên trong màng sinh học và tạo thành những khu vực yếm khí bên trong màng. Nếu màng quá dày, các vi sinh vật bên trong màng có thể bị thiếu chất nền và chúng sẽ chuyển qua giai đoạn phân huỷ nội bào, sau đó sẽ xảy ra hiện tượng bong tróc các màng sinh học; quá trình hình thành màng sinh học mới sẽ tái diễn nhưng phải cần một thời gian đủ dài. 2.2.2.3 Các loại giá bám thường được sử dụng Hiện nay, nhiều công ty đã sản xuất nhiều loại giá bám để sử dụng kết hợp với bể bùn hoạt tính. Những loại vật liệu này có thể trôi lơ lửng hay được đặt cố định trong bể bùn hoạt tính. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 24
  48. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Bảng 2.2. Ưu, nhược điểm của một số loại giá bám [14] Loại giá bám Loại cố định Ưu điểm Khuyết điểm • Lắp đặt đơn giản • Rẻ tiền Fabric Web-type • Không cần bảo dưỡng • Có thể bị nghẹt khi chất (AccuWeb) • Đạt hiệu quả nhanh lơ lửng nhiều • Không bị thất thoát khi vận hành • Vật liệu dễ hỏng và gây • Đạt hiệu quả nhanh nghẽn Rope-type • Không bị thất thoát khi • Mua trọn bộ vận hành • Có thể bị nghẹt khi chất lơ lửng nhiều • Trở ngại khi khuấy trộn oxy PVC Sheet Media • Đạt hiệu quả nhanh • Có thể bị nghẹt khi chất (Trickling Filter • Không bị thất thoát khi lơ lửng nhiều Media) vận hành • Dễ bị nghẹt do sinh khối của vi sinh vật Loại lơ lửng Ưu điểm Khuyết điểm Polypropylene • Thất thoát nguyên liệu Finned Cylinders do bào mòn • Khuấy trộn hoàn chỉnh • Có thể làm nghẹt lưới • Hạn chế được việc hoàn lược đầu ra lưu bùn Sponges • Khó duy trì điều kiện hiếu khí SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 25
  49. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Tuy nhiên, trên thực tế còn rất nhiều loại vật liệu có thể làm giá bám được như: nút chai nhựa, lưới cước, bông lọc, Bởi vì, các loại vật liệu này ngoài việc có độ rỗng thích hợp làm giá bám mà chúng còn có giá thành rất rẻ. Do đó, cần nghiên cứu thêm về việc sử dụng các loại vật liệu có sẵn ở địa phương hoặc có giá rẻ, dễ tìm mua để làm giá bám. Qua đó có thể tiết kiệm được chi phí cho quá trình vận hành hệ thống. 2.2.2.4 Ưu, khuyết điểm phương pháp xử lí sinh học kết hợp với giá bám a. Ưu điểm + Mật độ vi sinh vật trong bể bùn hoạt tính sẽ tăng lên (Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009). + Kết hợp với loại bỏ dưỡng chất (N, P) thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa (Lê Hoàng Việt, 2003). + Cải thiện nồng độ chất rắn lơ lửng có trong nước thải, giảm lượng bùn sinh ra. Nâng cao chất lượng nước đầu ra mà không cần xây thêm bể. b. Khuyết điểm + Nhu cầu DO trong bể cao hơn so với bể sinh học không có kết hợp với giá bám. Do đó, cần phải sục khí nhiều hơn và gây ra tốn điện năng (Lê Hoàng Việt, 2003). + Nếu vận hành không tốt có thể sẽ xảy ra hiện tượng quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đều kiện yếm khí chiếm ưu thế hơn quá trình phân hủy hiếu khí. Khi đó sẽ xuất hiện mùi hôi do khí H2S được sinh ra trong quá trình yếm khí (Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009). + Bên cạnh đó, trong quá trình vận hành bể sinh học có bổ sung giá bám thì vật liệu làm giá bám có thể bị mất (mài mòn hoặc cọ xát). 2.2.3 Sơ lược về quá trình lắng và bể lắng 2.2.3.1 Quá trình lắng Theo Lâm Minh Triết - Nguyễn Thanh Hùng - Nguyễn Phước Dân (2006), quá trình lắng là quá trình tách các chất lơ lửng ra khỏi nước thải dưới tác dụng của trọng lực lên hạt lơ lửng có tỷ trọng nặng hơn tỷ trọng của nước. Quá trình lắng được ứng dụng trong: + Lắng cát (cát, mảnh kim loại, thuỷ tinh, hạt trái cây, mảnh xương, ) + Loại bỏ cặn hữu cơ trong bể lắng đợt I. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 26
  50. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Loại bỏ cặn sinh học (bùn hoạt tính, màng vi sinh vật) trong bể lắng đợt II. + Loại bỏ các bông cặn trong quá trình keo tụ - tạo bông. + Nén bùn trọng lực nhằm giảm độ ẩm bùn trong công đoạn xử lý bùn. Dựa vào hàm lượng và khả năng tương tác giữa các hạt, có thể phân chia ra làm 4 dạng lắng: + Lắng hạt rời rạc. + Lắng kết bông. + Lắng cản trở. + Lắng nén. 2.2.3.2 Sơ lược về bể lắng Theo Hoàng Huệ (1996), tùy theo công dụng của bể lắng trong dây chuyền công nghệ mà người ta phân biệt bể lắng đợt I (bể lắng sơ cấp) và đợt II (bể lắng thứ cấp). Bể lắng đợt I đặt trước công trình xử lý sinh học, bể lắng đợt II đặt sau công trình xử lý sinh học. Bể lắng thứ cấp có dạng hình chữ nhật hoặc hình tròn, có chức năng loại bỏ các tế bào vi khuẩn nằm ở dạng các bông cặn, các bông cặn này sẽ lắng xuống đáy bể lắng tạo thành bùn, một phần bùn ở bể lắng được hoàn lưu về bể bùn hoạt tính, phần còn lại được xả ra ngoài hệ thống xử lý bùn. Thời gian lưu tồn (giờ) có hoàn lưu bùn hoạt tính trong bể lắng biến thiên trong khoảng 1,5h - 2,5h (Metcalf and Eddy, 2003). 2.2.3.3 Tìm hiểu về quá trình lọc qua tầng cặn lơ lửng (ngăn lắng trong bể USBF) Đối với bể lắng thứ cấp truyền thống thông thường thì việc tách các hạt cặn ra khỏi nước bằng trọng lực, nhưng đối với ngăn lắng trong bể USBF thì việc tách các hạt cặn ra khỏi nước bằng cách lọc qua tầng cặn lơ lửng, với lớp vật liệu lọc là bùn hoạt tính cho phép cải thiện chất lượng nước sau lắng so với công nghệ lắng truyền thống. Hỗn dịch đi vào ngăn lắng từ phía dưới, chính dòng hỗn dịch đi lên này duy trì trạng thái lơ lửng của lớp bùn, do diện tích của mặt cắt ngăn lắng tăng dần làm cho tốc độ nước dâng giảm dần. Trong quá trình đi qua lớp vật liệu lọc là bùn hoạt tính, các bông bùn nhỏ có khuynh hướng kết dính lại với nhau hay dính kết với các bông bùn có trước hình thành những bông bùn lớn hơn, cho đến khi tốc độ nước dâng cân bằng với tốc độ lắng của các bông bùn thì chúng bắt đầu tích tụ lại và được giữ lại trong lớp vật liệu lọc là bùn hoạt tính (Wang, Shammas, and Hung, 2009). SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 27
  51. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Các dạng ngăn lắng như: ngăn lắng có đáy tam giác, ngăn lắng có dạng nón cụt và hình lăng trụ. Đây là ba loại ngăn lắng được sử dụng phổ biến nhất. Loại đầu tiên là hình nón đơn giản có đầu vào phía dưới, loại thứ hai là khe mở theo chiều dọc của khối chữ V và loại thứ ba là hình trụ. 1 2 3 Hình 2.6. Một số ngăn lắng trong bể USBF (Nguồn: Wang, Shammas, and Hung, 2009) 2.2.4 Giới thiệu công nghệ USBF 2.2.4.1 Sơ lược vê công nghệ USBF Theo Mahvi, Nabizadh, Pishrafti và Zarei (2008), công nghệ USBF là công nghệ được cải tiến từ qui trình bùn hoạt tính cổ điển trong đó kết hợp với 3 quá trình thiếu khí (anoxic), hiếu khí (aerobic) và lắng trong một đơn vị xử lý nước thải. Bên cạnh đó, đặc điểm trên đây của bể USBF cũng chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển, thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý không cao. Với sự kết hợp này bể USBF sẽ được sử dụng rộng rãi do tiết kiệm chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống. 2.2.4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể USBF 2.2.4.2.1 Cấu tạo Theo Nguyễn Hàn Mộng Du (2006), bể USBF gồm có 3 ngăn chính, ngăn thiếu khí (anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) và ngăn lắng. Máng chảy tràn và thu nước đầu ra, ống thu bùn, bộ phận sục khí và cánh khuấy. 2.2.4.2.2 Nguyên tắc hoạt động Theo Mahvi, Nabizadh, Pishrafti và Zarei (2008), bể USBF được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ cacbon, quá trình nitrat hoá/khử nitrat và loại bỏ dinh dưỡng (N, P). Bể này có quá trình hoạt động như sau: SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 28
  52. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Nước thải sau khi loại bỏ chất rắn, sau đó được dẫn vào ngăn thiếu khí trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn, ngăn này có vai trò như ngăn chọn lọc thiếu khí (anoxic selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học và chọn lọc trao đổi chất để tăng cường hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật hình sợi gây vón bùn và nổi bọt. Quá trình loại bỏ cacbon, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này. Sau đó nước thải chảy tự động từ ngăn thiếu khí qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn lắng. Ở đây oxi được cung cấp nhờ các máy thổi khí. Ở ngăn này người ta có thể bổ sung thêm giá bám để tăng cường mật độ của các vi sinh vật [18]. Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn lắng và di chuyển từ dưới lên. Đây chính là giai đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học dùng chính khối bùn hoạt tính. Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy vào máng thu nước đầu ra và tự động chảy ra ngoài. Một phần hỗn hợp nước thải và bùn trong ngăn này được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí [18]. Hình 2.8. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể USBF [16] 2.2.4.3 Các quá trình diễn ra trong hệ thống Theo Wang, Shammas, and Hung (2009), trong quá trình hoạt động của bể USBF xảy ra các quá trình sau: 2.2.4.3.1 Quá trình khử Cacbon Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải vì nó ảnh hưởng đến các quá trình khác. Các vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất cần thiết cung cấp cho sinh trưởng phát triển và sinh SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 29
  53. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” sản tế bào mới Trong bể USBF, quá trình khử cacbon được diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn lắng. 2.2.4.3.2 Quá trình nitrat hóa(Nitrification) và khử nitrat (Denitrification) Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001), nitơ có thể tồn tại ở nhiều dạng trong nước thải và qua nhiều kiểu chuyển hóa khi xử lý nước thải. Những kiểu chuyển hóa này có thể cho phép nitơ ở dạng amôn chuyển thành các sản phẩm tách khỏi nước thải. Trong tất cả các phương pháp được sử dụng để loại bỏ nitơ, việc kết hợp hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat là phương pháp có hiệu quả cao, ổn định và giảm giá thành xử lý do đơn giản được hệ thống, tiết kiệm diện tích cho việc thiết lập hệ thống. Trong bể hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat được kết hợp trong một hệ thống, quá trình nitrat hóa diễn ra trong ngăn hiếu khí và khử nitrat diễn ra trong ngăn thiếu khí. Quá trình nitrat hóa - khử nitrat, việc loại bỏ nitơ diễn ra theo hai bước. Ở bước một, nitrat hóa, nhu cầu oxi của amôn bị giảm do chất này chuyển thành nitrat, nhưng nitơ đã thay đổi dạng và không bị khử nữa. Ở bước hai, khử nitrat, nitrat được khử thành sản phẩm khí (Mahvi, Nabizadh, Pishrafti và Zarei, 2008). Trong quá trình, dòng tuần hoàn bùn từ ngăn lắng đến ngăn thiếu khí đóng một - vai trò rất lớn về mặt cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể cả NO3 (sản phẩm của quá trình nitrat hoá diễn ra trong ngăn hiếu khí). Đồng thời dòng tuần hoàn bùn sẽ mang theo các vi sinh vật, nguồn cacbon tham gia vào quá trình. Đây cũng là một trong những ưu điểm của bể này là do sự liên kết giữa các module thực hiện các chức năng khác nhau trong cùng một hệ thống đơn giản. 2.2.4.3.3 Loại bỏ photpho bằng phương pháp sinh học Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001), các vi sinh vật sử dụng photpho dưới dạng orthophotphat và poliphotphat để duy trì hoạt động, dự trữ, vận chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới, Trong bể USBF, việc kết hợp 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và lắng cùng với dòng tuần hoàn bùn hoạt tính tạo nên dòng liên tục. Quá trình khử photpho được kết hợp với quá trình khử cacbon, quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Việc kết hợp các ngăn này cũng như các quá trình hỗ trợ của các vi sinh vật được luân phiên trong điều kiện thiếu khí và hiếu khí từ đó thúc đẩy các quá trình xử lý diễn ra vượt trội hơn mức bình thường. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 30
  54. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Nước thải vào ngăn thiếu khí đầu tiên, ở đây trong môi trường thiếu khí, các vi khuẩn sẽ tác động phân giải các hợp chất chứa photpho trong nước thải để giải phóng photpho. Dòng photpho hoà tan từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn ưa photpho hấp thụ và tích lũy. Các vi khuẩn này hấp thụ photpho cao hơn mức bình thường vì ngoài việc phục vụ cho việc vận chuyển năng lượng tổng hợp và duy trì tế bào để sử dụng cho giai đoạn hoạt động sau mà còn tích lũy để vi sinh vật sử dụng khi cần thiết. Trong ngăn lắng, nhờ quá trình lắng của bùn hoạt tính nên photpho sẽ được loại bỏ. Ngoài ra, nhờ dòng bùn hoạt tính tuần hoàn trở lại nên một số vi khuẩn ưa photpho sẽ được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí sẽ tiếp tục phát triển và hấp thụ các photpho hoà tan có trong ngăn hiếu khí. Theo Mahvi, Nabizadh, Pishrafti và Zarei (2008), hiệu quả của quá trình loại bỏ photpho phụ thuộc vào tỉ lệ BOD/P của nước thải. 2.2.4.3.4 Quá trình lắng trong ngăn lắng Không giống như bể lắng thứ cấp truyền thống, ngăn lắng trong bể USBF áp dụng quy trình lọc qua nền chất rắn xáo trộn (fluidized bed filtration) với vật liệu lọc là lớp bùn hoạt tính tích tụ lại trong ngăn từ trước cho phép cải thiện chất lượng nước sau lắng. Ngăn lắng có dạng hình chóp ngũ diện úp ngược, đáy là hình chữ nhật hướng lên, đỉnh hướng xuống. Vì vậy việc thu hồi bùn lắng và tuần hoàn bùn rất thuận lợi và dễ dàng. Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn lắng từ dưới di chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lửng trong vùng bùn lâu hơn [18]. 2.2.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của bể USBF Một số điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và khả năng xử lý của hệ thống như sau: + Hàm lượng oxi hoà tan (DO): đây là một trong các thông số quan trọng nhất trong xử lý nước thải. Nhu cầu DO tuỳ thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kị khí, hiếu khí. Trong bể này, DO trong ngăn thiếu khí vào khoảng nhỏ hơn 1mg/l và trong ngăn hiếu khí khoảng 2 - 4 mg/l. Như vậy ngăn t hiếu khí chỉ cần dùng cách khuấy, ngăn hiếu khí phải sục khí. Khi sục khí ở ngăn hiếu khí các bóng khí phải thật mịn để có thể dễ dàng hoà tan vào trong nước thải [18]. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 31
  55. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): các chất dinh dưỡng như C, N, P Đây là các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Do đó quá trình vận hành phải theo dõi yếu tố này. Ở một số hệ thống xử lý nước thải người ta thường bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật. Ngăn hiếu khí của bể USBF có nguyên tắc hoạt động cũng giống bể bùn hoạt tính nên tỉ lệ BOD5: N: P vẫn là 100: 5: 1 (Lâm Minh Triết, Lê Hoàng Việt, 2009). + Nhiệt độ: nhiệt độ trong hệ thống ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật và khả năng hoà tan của oxi hoà tan trong nước. Nhiệt độ quá cao thì vi sinh vật có thể bị chết. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp quá trình thích nghi, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật sẽ bị chậm lại, quá trình nitrat hoá, lắng bị giảm hiệu suất rõ rệt. Nhiệt độ tối ưu khoảng từ 20 - 350C phù hợp với nhiệt độ phòng thí nghiệm (Nguyễn Hàn Mộng Du, 2006). + pH: ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống enzyme vi sinh vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý vi sinh vật. Khoảng pH tối ưu là từ 7,5 - 8,5 [18]. + Chế độ thủy động: chế độ thuỷ động là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình xử lý vì nó ảnh hưởng tới sự tiếp xúc của bùn hoạt tính với nước thải, trạng thái lơ lửng và sự phân bố bùn lơ lửng đồng đều Yêu cầu phải đảm bảo dòng thuỷ động như yêu cầu thiết kế, nếu không thì hệ thống sẽ không vận hành được hay hiệu quả xử lý không cao (Nguyễn Hàn Mộng Du, 2006). 2.2.4.5 Ưu điểm của USBF Việc ứng dụng bể USBF có những ưu điểm [16; 17]: + Giảm chi phí đầu tư: USBF kết hợp nhiều các công đoạn xử lý vào một bể làm giảm kích thước các bể và giảm chi phí đầu tư công trình. + Chi phí vận hành và bảo trì thấp: với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ, các thiết bị cơ động, vận hành theo chế độ tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình và hạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành và bảo trì. + Hiệu suất xử lý cao: là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu cơ dạng carbon (BOD, COD) và chất dinh dưỡng (N, P) nên chất lượng nước thải sau khi xử lý luôn đảm bảo tiêu chuẩn thải theo yêu cầu nhất là hàm lượng chất dinh dưỡng mà các công trình xử lý sinh học thông thường khác khó đạt được. SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 32
  56. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” + Lượng bùn thải bỏ ít: hệ thống được thiết kế với tuổi bùn lớn hơn so với hệ thống sinh học hiếu khí thông thường nên lượng bùn sản sinh ít hơn. + Hạn chế mùi: dưới điều kiện phân hủy hiếu khí và nồng độ bùn lớn làm giảm những tác nhân gây mùi. Bể USBF có thể lắp đặt tại những khu vực đông dân cư mà không sợ ảnh hưởng bởi mùi. + Thay đổi thể tích linh động: bể lắng hình cone trong bể tạo không gian trống để các phản ứng khác xảy ra chung quanh và bản thân bể lắng cũng có thể thay đổi thể tích linh động vì ngăn lắng là ngăn rời nên ta có thể thu hẹp hoặc mở rộng góc cone để phù hợp với yêu cầu thiết kế. Bể USBF cũng có thể chịu được sự quá tải lưu lượng, khi lưu lượng tăng cao, lớp bùn họat tính dâng cao hình thành diện tích lọc lớn hơn nên cũng ít ảnh hưởng đến chất lượng nước đầu ra. + Hạn chế được sự phát triển của vi khuẩn hình sợi: việc tách rời quá trình khử nitrat tạo điều kiện cho việc phục hồi độ kiềm đã mất đi trong quá trình nitrat hóa. Như vậy, sẽ hạn chế được sự phát triển quá mức của vi khuẩn hình sợi, khi đó quá trình lắng sẽ tốt hơn. + Tiết kiệm mặt bằng sử dụng: công nghệ USBF kết hợp tất cả các quá trình khử nitrat, nitrat hóa, lắng và ổn định bùn trong một công trình làm giảm kích thước chung của công trình dẫn đến tiết kiệm mặt bằng sử dụng. + Không cần bể lắng đợt I: công nghệ USBF thường không cần bố trí bể lắng đợt I phía trước. Đối với các hệ thống lớn chỉ cần trang bị hệ thống sàn rác, loại cát để đảm bảo cho yêu cầu xử lý sinh học. 2.2.4.6 Các thông số thiết kế và vận hành bể USBF Bể USBF là một loại bể xử lý sinh học, do đó các thông số thiết kế và vận hành đều nhằm làm thỏa mãn nhu cầu của hệ vi sinh vật trong bể để nâng cao hiệu quả loại bỏ các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học. Bể USBF là cải tiến của bể bùn hoạt tính vì vậy các thông số cần thiết phải xem xét cho quá trình thiết kế và vận hành ở bể USBF sẽ giống như bể bùn hoạt tính. 2.2.4.6.1 Tỉ lệ thức ăn trên số lượng vi khuẩn F/M Bể bùn hoạt tính là một hệ thống hoạt động trong đó các vi sinh vật phát triển và chết đi liên tục. Để hoạt động có hiệu quả người ta thường sử dụng các thông số F/M để thiết kế và vận hành hệ thống. Hệ thống đạt cân bằng khi lượng thức ăn F và lượng vi SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 33
  57. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” khuẩn M nằm trong khoảng thích hợp cho điều kiện hoạt động của hệ thống. Tỷ lệ F/M dùng để kiểm soát quá trình oxi hóa sinh hóa và sinh khí bằng cách duy trì sự phát triển của hệ vi sinh vật ở giai đoạn log hay ở giai đoạn phân hủy nội bào. Theo Lê Hoàng Việt (2002), công thức F/M như sau: S Q * S F / M 0 0  * X V * X Trong đó: θ: thời gian tồn lưu nước trong bể bùn hoạt tính (d) F/M: tỷ lệ thức ăn trên số lượng vi khuẩn (day-1) 3 S0: BOD hoặc COD của nước thải đầu vào (mg/L hoặc g/m ) Q: lưu lượng nước thải nạp vào bể (m3/d) V: thể tích bể phản ứng (m3) X: hàm lượng vật chất rắn bay hơi (VSS) trong bể (mg/L hoặc g/m3) Tỉ lệ F/M của bể bùn hoạt tính hoạt động theo kiểu truyền thống trong khoảng 0,2 ÷ 0,4 (Lê Hoàng Việt, 2002). 2.2.4.6.2 Nhu cầu dưỡng chất Để đảm bảo cho vi sinh vật hoạt động tốt thì nguồn dinh dưỡng cho chúng có thể theo tỷ lệ BOD : N : P = 100 : 5 : 1. Đối với các công trình hiếu khí dài ngày thì tỷ lệ BOD : N : P = 200 : 5 : 1 (Lương Đức Phẩm, 2007). Trong trường hợp thiếu N, P ta có thể cân đối dưỡng chất bằng cách thêm vào các muối amôn và photphat. 2.2.4.6.3 Tuổi bùn (thời gian lưu tồn tế bào) Theo Lê Hoàng Việt (2002), tuổi bùn, hay thời gian lưu tồn tế bào ( c) được tính bằng công thức: VX* c QXQXw w e e Trong đó:  c: thời gian cư trú trung bình của vi khuẩn trong bể theo thể tích (d) V: thể tích của bể (m3) X: hàm lượng VSS trong bể (mg/l) 3 Qw: lưu lượng bùn thải bỏ (m /d) 3 Qe: lưu lượng nước thải đầu vào (m /d) SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 34
  58. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” Xw: hàm lượng VSS trong bùn thải bỏ (mg/l) Xe: hàm lượng VSS trong nước thải đầu ra (mg/l) Đối với nước thải công nghiệp nên duy trì tuổi bùn từ 15 - 30 ngày (Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009). 2.2.4.6.4 Hàm lượng vi sinh vật Phần chất rắn bay hơi trong chất rắn lơ lửng trong hỗn dịch nước thải được thể hiện bởi MLSS. MLSS bao gồm những chất hữu cơ vi sinh cũng như những vi sinh vật sống và đã chết. Nồng độ bùn hoạt tính trong bể giới hạn ở mức1500 - 4000 mg/l. Theo Trịnh Xuân Lai (2002), ta có: Nếu: S0 X X X 200 (mg/L) => X = 2800 - 4000 (mg/L) Với S0 là nồng độ chất nền đi vào bể và X là nồng độ bùn hoạt tính trong bể. Tuy nhiên, các giá trị thực nghiệm từ công ty ECOfluid cho thấy nồng độ bùn hoạt tính của bể nằm trong khoảng 4000 - 6000 mg/l. 2.2.4.6.5 Thời gian lưu nước Trong hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính cổ điển là tách rời 2 quá trình: hiếu khí và lắng ra riêng biệt thì ở mỗi bể có thời gian lưu như sau: + Bể bể bùn hoạt tính: theo Trịnh Xuân Lai (2002) thì thời gian lưu nước của bể bùn hoạt tính thường nằm trong khoảng 6 - 15h. + Bể lắng: thời gian lưu nước trong bể lắng tốt nhất là khoảng từ 1,5 - 2,5h (Metcalf and Eddy, 2003). Tuy nhiên, bể USBF gồm 3 ngăn: thiếu khí, hiếu khí và lắng. Mỗi ngăn có nhiệm vụ khác nhau nên ứng với mỗi ngăn thì thời gian lưu sẽ khác nhau. Tổng thời gian lưu của bể USBF xử lý nước thải giết mổ là 10h (Lê Ngọc Cẩm Vân, Nguyễn Thị Diễm, 2010). 2.2.4.6.6 Nồng độ oxi hòa tan (DO) Oxi thường có hiệu suất hòa tan thấp và thường phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, nồng độ muối trong nước thải Trong quá trình xử lý, các vi sinh vật sử dụng oxi hòa tan để oxi hóa sinh hóa, đồng hóa các chất dinh dưỡng và chất nền (BOD, N, P) cần SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 35
  59. Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thuỷ sản bằng phương pháp keo tụ điện hoá kết hợp với bể USBF” thiết cho sự sống, sinh sản và tăng trưởng của chúng. Vì vậy, giữ được oxi hòa tan trong nước thải trong suốt quá trình xử lý là vấn đề quan trọng. Theo Lâm Minh Triết - Đỗ Hồng Lan Chi (2005) thì nồng độ oxi hoà tan duy trì trong ngăn hiếu khí là lớn hơn 2 mg/l, thấp nhất là 1,3 mg/l. Đối với ngăn thiếu khí DO nhỏ hơn 1mg/l. 2.2.4.7 Các nghiên cứu về bể keo tụ điện hóa và bể USBF 2.2.4.7.1 Các nghiên cứu về bể keo tụ điện hóa Nghiên cứu của Zarouala, Azzia, Saiba và Chainetb (2005) về việc xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp EC đã đạt được kết quả: hiệu suất xử lý COD đạt từ 84 – 100%. Nghiên cứu của Moh Faiqun Ni’am, Fadil Othman, Johan Sohaili và Zulfa Fauzia (2006) về việc xử lý nước thải thuộc da bằng phương pháp EC đã đạt được kết quả: hiệu suất xử lý SS 92,3%, độ đục 81,25%. Nghiên cứu của Ramesh Babu, Bhadrinarayana, Meera Sheriffa Begum và Anantharaman (2007) về việc xử lý nước thải thuộc da bằng phương pháp EC đã đạt được kết quả: hiệu suất xử lý TSS 72%, BOD5 63%, COD 68%, Crôm 76%. 2.2.4.7.2 Các nghiên cứu về bể USBF Ở ngoài nước: công nghệ USBF đã nghiên cứu, thí nghiệm và phát triển từ những năm 1950. Vào những năm 1997 người ta đã xây dựng các công trình nghiên cứu về bể USBF và cho hiệu quả xử lý khá cao. Hiệu quả xử lý cụ thể của một công trình xử lý nước thải Pinzolo ở Italy như sau: TSS 92,2%; COD 93,4%; BOD5 96%; NH4-N 96,3%; và P 67,6% (Lawrence K.Wang - Nazih K.Shammas - Yung Tse Hung, 2009). Ở trong nước: hiện nay công nghệ USBF được nghiên cứu để xử lý nước thải đô thị. Ở nước ta có một số nghiên cứu về công nghệ này: + “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ sinh học cải tiến USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration)” được báo cáo tại Hội Nghị khoa học tháng 12- 2005, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia TP.HCM và đăng tuyển tập các kết quả nghiên cứu khoa học 5 năm (2000 - 2005) khoa môi trường. + “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ bùn hoạt tính cải tiến USBF” đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ (trọng điểm Đại Học Quốc Gia). Kết quả nghiên cứu trong báo cáo này thì hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khá cao, nước thải SVTH: Nguyễn Ngọc Anh - Nguyễn Minh Tùng 36