Đồ án Nghiên cứu thực nghiệm xử lý màu hoạt tính trong nước thải dệt nhuộm bằng mô hình công nghệ sinh học kỵ khí hai giai đoạn

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1. GIAI ĐOẠN CHẠY THÍCH NGHI Trong giai đoạn thích nghi, pH nước thải đầu vào trung tính (pH = 7), tuy nhiên pH của nước thải đầu ra 6,2). Mô hình thí nghiệm được thiết kế kín, không khí bên ngoài không vào được nên không thể bơm hóa chất để nâng pH trong quá trình hoạt động của mô hình mà cần phải nâng pH ngay từ đầu vào. Để nâng pH lên khoảng 7,5 và 8 trong nước thải đầu vào, ta pha thêm muối Na2CO3 Kết quả Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm nâng pH trong giai đoạn thích nghi Mô hình Chỉ tiêu Thí nghiệm 1 Thí nghiệm 2 Thí nghiệm 3 Nước thải vào pH 6,82 7,42 8,06 COD 791 796 810 Độ màu 1855 1845 1850 Bể lọc sinh học kỵ khí 3 ngăn pH 5,02 5,57 6,23 Độ màu 1140 838 846 % độ màu 38,54 54,58 54,27 COD 682 572 503 % COD 13,78 28,14 37,90 Cột lọc sinh học kỵ khí pH 5,11 5,97 6,71 Độ màu 710 622 456 % độ màu 61,73 66,29 75,35 COD 493 392 337 % COD 37,67 50,75 58,40 Hình 4.1. Hàm lượng COD vào và ra trong từng mô hình trong giai đoạn thích nghi Hình 4.2. Độ màu vào và ra trong từng mô hình trong giai đoạn thích nghi Nhận xét: Theo kết quả bảng 4.1 và đồ thị hình 4.1 và 4.2, ta thấy trong 14 ngày đầu của quá trình chạy thích nghi, phân tích các mẫu đầu ra, độ màu và COD có giảm đi nhưng hiệu suất còn thấp (hiệu quả xử lý COD là 37,67%, màu là 61,73%), đồng thời pH giảm. Sau khi tăng pH của nước thải đầu vào khoảng 8 thì hiệu quả xử lý COD đạt ổn định 58% và hiệu quả xử lý màu là 75% ở nồng độ COD = 800 mg/l. Khi mới cho nước thải vào mô hình, trong bùn kỵ khí của mô hình đã có các VSV kỵ khí tồn tại. Do một số VSV chưa thích nghi kịp với loại nước thải nên chúng chưa thể sử dụng cơ chất có trong nước thải để làm thức ăn, chúng chết đi, làm cho nước thải đầu ra chứa thêm xác VSV nên COD đầu ra vẫn còn cao. Nước thải đầu ra vẫn còn đục và chưa có mùi hôi đặc trưng của quá trình kỵ khí. Quan sát mô hình, ta thấy bùn chưa bám vào giá thể, sinh khối bùn chưa tăng. Sau khoảng 14 ngày, các chủng VSV đã thích nghi với loại nước thải này sinh trưởng và phát triển, sử dụng cơ chất có trong nước thải làm thức ăn nên quá trình xử lý đã diễn ra nhanh và đạt hiệu suất dần ổn định (75%). Đồng thời nước thải trong hơn, có mùi hôi đặc trưng do sinh khí CH4 và H2S . Quan sát mô hình ta thấy sinh khối bùn tăng lên và bám vào giá thể (hình 4.3 và 4.4). Hình 4.3: Bùn chưa bám vào giá thể Hình 4.4: Bùn bám vào giá thể 4.2. GIAI ĐOẠN CHẠY TĂNG TẢI TRỌNG Kết quả Bảng 4.2: Kết quả giai đoạn tăng tải trọng: STT Chỉ tiêu Tải trọng 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Đầu vào pH 8,06 8,12 7,95 7,98 7,97 7,83 Độ màu (Pt-Co) 1850 1860 1850 1855 1855 1845 COD (mg/l) 810 1025 1225 1410 1610 1820 Sau xử lý bậc 1 (bể sinh học 3 ngăn) pH 6,63 6,71 6,43 6,48 6,26 6,13 Độ màu (Pt-Co) 846 824 832 824 972 1063 % Màu 54,27 55,70 55,03 55,58 47,60 42,38 COD (mg/l) 513 581 643 715 918 1305 %COD 36,67 43,32 47,51 49,29 42,98 28,30 Sau xử lý bậc 2 ( cột lọc sinh học) pH 6,85 6,86 7,22 6,87 6,31 5,89 Độ màu (Pt-Co) 406 414 412 410 628 936 % Màu 78,05 77,74 77,73 77,90 66,15 49,27 COD (mg/l) 337 391 457 501 758 961 %COD 58,40 61,85 62,69 64,47 52,92 47,20 Hình 4.5: Hiệu suất xử lý COD theo tải trọng Hình 4.6: Hiệu suất xử lý độ màu theo tải trọng Nhận xét: Từ kết quả ở bảng 4.2 và đồ thị 4.5, ta có thể thấy được hiệu quả xử lý COD tăng dần. Ở tải trọng 0,8 kgCOD/m3.ngày đêm thì hiệu suất sau bể ba ngăn đạt 36,67% và sau cột lọc sinh học đạt 58,4%. Hiệu suất xử lý COD tăng dần theo tải trọng, và đạt cao nhất ở tải trọng 1,4 kgCOD/m3.ngày đêm với 49,29% sau bể ba ngăn và 64,47% sau cột lọc sinh học. Từ đồ thị hình 4.6, hiệu quả xử lý độ màu cũng tăng dần theo tải trọng COD. Ở tải trọng 0,8 kgCOD/m3.ngày đêm thì hiệu suất đạt 54,27% sau bể ba ngăn và đạt 78,05% sau cột lọc sinh học. Khi tải trọng tăng đến 1,4 kgCOD/m3.ngày đêm thì hiệu suất vẫn đạt 55,58% sau bể ba ngăn và 77,9% sau cột lọc. Độ màu và COD giảm đi chứng tỏ hệ VSV đã sử dụng cơ chất làm thức ăn cho quá trình phân hủy, phá vỡ cấu trúc mạch phân tử, làm mất màu thuốc nhuộm. Khi tải trọng tăng đến 1,6 – 1,8 kgCOD/m3ngày đêm, hiệu quả xử lý cả độ màu và COD giảm rõ rệt, điều này có thể lý giải như sau: sự phát triển của VSV tăng theo nồng độ cơ chất đến một giá trị nhất định, sau đó nếu nồng độ cơ chất tiếp tục tăng thì gây ức chế đến sự phát triển của VSV. Trong thí nghiệm này, khi hàm lượng COD tăng cao đã làm cho hệ VSV bị sốc tải. Một số VSV không thích nghi chết đi (chủ yếu là ở ngăn 1 vì ngăn này trực tiếp tiếp nhận nguồn nước thải); một số sống dưới dạng tiềm sinh để thích nghi dần và chỉ một phần VSV có khả năng thích nghi tham gia vào quá trình cắt mạch màu nhuộm và chuyển hoá chất hữu cơ trong nước thải. Hình 4.7: Sự biến thiên pH theo tải trọng COD Dựa vào đồ thị hình 4.7, ta thấy pH của mô hình biến đổi khá phức tạp. Sự thay đổi pH của mô hình tăng giảm khác nhau do sự tạo thành của các axit bay hơi nhưng lại bị tiêu thụ và lại được sinh ra được thực hiện bởi 2 nhóm vi khuẩn acid hóa và vi khuẩn sinh metan. Nước thải trước khi đưa vào có bổ sung Na2CO3 để giữ độ kiềm nên pH của nước thải đầu ra đảm bảo lớn hơn 6,2. Tuy nhiên, ta có thể thấy từ đồ thị, Khi tải trọng tăng đến 1,6 – 1,8 kgCOD/m3ngày đêm thì pH giảm mạnh xuống dưới 5. Nguyên nhân là do hệ VSV đã bị ức chế, quá trình xử lý mới chỉ đến giai đoạn sinh axetat và giai đoạn sinh metan chưa xảy ra để nâng pH lên, quá trình kỵ khí chưa xảy ra hoàn toàn. Bàn luận: Như vậy, ở tải trọng từ 0,8 – 1,4 kgCOD/m3 ngày đêm, hiệu quả xử lý độ màu, COD tăng dần, pH = 6,5 – 6,8. Khi tăng tải trọng từ 1,4 kgCOD/m3.ngày đêm trở lên, có hiện tượng quá tải của vi sinh vật, hiệu quả xử lý độ màu và COD giảm dần và có hiện tượng vi sinh vật chết, không bám trên giá thể và bùn bong khỏi giá thể, rớt xuống đáy mô hình. Từ các kết quả trên, với tải trọng 1,4 kgCOD/m3ngày đêm (tương ứng hàm lượng COD = 1400mg/l) thì quá trình xử lý đạt hiệu quả cao nhất. 4.3. XÁC ĐỊNH THỜI GIAN VẬN HÀNH TỐI ƯU Kết quả 4.3.1. Thời gian lưu HRT = 36,5h Bảng 4.3: Kết quả ở HRT = 36,5h TT Chỉ tiêu Đầu vào Bể sinh học 3 ngăn Cột lọc sinh học ngăn 1 Ngăn 2 Ngăn 3 Van 1 Van 2 Van 3 Van 4 HRT (h) 0 7,5 15 22,5 26 29,5 33 36,5 pH 7,05 6,59 6,32 6,14 6,55 6,83 6,56 6,65 Màu (Pt-Co) 1865 1690 1424 1135 898 803 742 607 % màu 0 9,38 23,65 39,14 51,85 56,94 60,21 67,45 COD (mg/l) 1403 1082 983 869 814 695 652 612 % COD 0 22,88 29,94 38,06 41,98 50,46 53,53 56,38 Hình 4.8: Hiệu suất xử lý độ màu và COD ở HRT =36,5h Hình 4.9: Quá trình xử lý độ màu ở HRT =36,5h Hình 4.10: Quá trình xử lý COD ở HRT =36,5h Nhận xét: Dựa vào kết quả bảng 4.4 và đồ thị hình 4.8 ta thấy trong khoảng thời gian lưu 36,5h, hiệu quả xử lý COD và độ màu tăng dần theo thời gian lưu. Trong khoảng 22h đầu thì hiệu suất xử lý COD cao hơn hiệu suất xử lý màu . Nhưng cuối quá trình thì hiệu quả xử lý màu cao hơn. Theo đồ thị hình 4.10, hàm lượng COD từ 1400mg/l giảm xuống còn 612 mg/l, tương ứng với hiệu quả đạt 56,38%, trong khi ở đồ thị hình 4.9 thì độ màu ban đầu là 1865 Pt-Co giảm xuống còn 607 Pt-Co, tương ứng hiệu quả màu đạt 67,45%. Đồ thị cho thấy hiệu quả xử lý còn tăng theo thời gian, do đó ta chưa thể xác định được thời gian lưu nước tối ưu trong giai đoạn này. Hình 4.11: Sự biến thiên giá trị pH ở HRT = 36,5h Dựa vào đồ thị hình 4.11, giá trị pH ở giai đoạn đầu giảm mạnh do lượng axit sinh ra trong quá trình thuỷ phân nhưng vẫn đảm bảo pH>6, là do quá trình axit hóa và Na2CO3 có trong nước thải. Sau 22h giờ tiếp theo đó, pH tăng dần tuy không ổn định nhưng vẫn dao động trong khoảng 6,5 – 6,8. Nguyên nhân, do quá trình tiêu thụ cơ chất của vi khuẩn metan chuyển hóa sản phẩm cuối cùng của phản ứng acetat hóa thành khí metan và carbon dioxide; Bên cạnh đó, qua quá trình khử sinh học, các dạng amin thơm trong các liên kết Azo chuyển hóa thành các là hợp chất bazơ. Sự biến đổi của pH trong mô hình minh chứng cho sự hoạt động liên tục của hệ vi sinh vật, chứng tỏ đã có sự phân huỷ và tiêu thụ các cơ chất có trong nước thải. Nước thải sau quá trình xử lý có mùi hôi do quá trình xử lý khị khí có sinh ra các khí H2S, CH4… 4.3.2. Thời gian lưu HRT = 48h Bảng 4.4: Kết quả xử lý nước thải ở HRT = 48h: STT Chỉ tiêu Đầu vào Bể sinh học 3 ngăn Cột lọc sinh học ngăn 1 Ngăn 2 Ngăn 3 Van 1 Van 2 Van 3 Van 4 HRT (h) 0 10,0 20,0 30,0 34,5 39,0 43,5 48 pH 7,05 6,45 6,51 6,27 6,70 6,83 7,04 7,12 Màu (Pt-Co) 1855 1587 1129 790 696 534 491 415 % màu 0 14,45 39,14 57,41 62,48 71,21 73,53 77,63 COD (mg/l) 1410 1043 922 701 639 574 532 511 % COD 0 26,03 34,61 50,28 54,68 59,29 62,27 63,76 Hình 4.12: Hiệu quả xử lý độ màu và COD ở HRT = 48h Nhận xét: Tương tự như kết quả ở HRT = 36,5h, từ kết quả ở bảng 4.5 và đồ thị hình 4.12, hiệu quả khử COD và độ màu tiếp tục tăng dần theo thời gian. Trong khoảng thời gian lưu 48h, hiệu quả xử lý COD đạt 63,76%, hiệu quả xử lý màu đạt 77,63%. Quan sát đồ thị ta thấy hiệu suất xử lý vẫn còn tăng theo thời gian, chưa thể xác định được thời gian lưu nước tối ưu trong khoảng thời gian này. Quan sát hiện tượng cho thấy khí thoát ở các ngăn kỵ khí, đặc biệt là các ngăn thứ 2 và 3 của mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn. Do quá trình metan hóa đang diễn ra. Hình 4.13: Quá trình xử lý độ màu ở HRT = 48h Hình 4.14: Quá trình xử lý COD ở HRT = 48h Hình 4.15: Sự biến thiên giá trị pH ở HRT = 48h Nhận xét: Dựa vào đồ thị hình 4.15, pH của quá trình biến đổi phức tạp như pH ở HRT = 36,5h. Cuối quá trình đạt trung tính (pH = 7,12), thời gian lưu càng lâu thì pH đầu ra càng đạt về trung tính. Hình 4.16: Một số mẫu nước thải đầu ra theo từng ngăn ở HRT = 48h. 4.3.3. Thời gian lưu HRT = 60h Kết quả: Bảng 4.5: Kết quả xử lý nước thải ở HRT = 60h STT Chỉ tiêu Đầu vào Bể sinh học 3 ngăn Cột lọc sinh học ngăn 1 Ngăn 2 Ngăn 3 Van 1 Van 2 Van 3 Van 4 HRT (h) 0 12 24 36 42 48 54 60 pH 7,05 6,53 6,48 6,66 6,87 7,00 7,04 7,10 Màu (Pt-Co) 1850 1452 1035 696 536 436 351 347 % màu 0 21,51 44,05 62,38 71,03 76,43 81,03 81,24 COD (mg/l) 1409 1015 859 621 539 498 453 448 % COD 0 27,96 39,03 55,93 61,75 64,66 67,85 68,20 Hình 4.17: Hiệu suất xử lý độ màu và COD ở HRT = 60h Hình 4.18: Quá trình xử lý COD ở HRT = 60h Hình 4.19: Quá trình xử lý độ màu ở HRT = 60h Nhận xét: Dựa vào kết quả bảng 4.6 và đồ thị 4.17, hiệu quả xử lý độ màu và COD tăng đáng kể, từ 48h – 54h thì hiệu suất màu tương ứng là 76,43% - 81,03%, hiệu suất COD tương ứng là 64,67% - 67,85%. Ta có thể thấy dễ dàng hầu như hiệu suất không tăng đáng kể từ 54h – 60h (sau 6h tiếp theo), tương ứng hiệu suất màu là 81,03% - 81,24% (tăng 0,21%), hiệu suất COD là 67,85% - 68,20% (tăng 0,35%). Theo đồ thị hình 4.18 và 4.19, sau 54h, độ màu và hàm lượng COD của nước thải hầu như không giảm đáng kể. Điều này có thể giải thích như sau: hiệu quả xử lý màu và COD tăng dần theo thời gian lưu vì thời gian VSV tiếp xúc với chất thải được lâu hơn, do đó có đủ điều kiện để xử lý các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên VSV chỉ phân hủy được một số chất, còn những chất khó phân hủy và mang độc tính thì chúng không thể xử lý được. Do đó, ở thời gian lưu phù hợp nhất (thời gian lưu tối ưu) thì VSV xử lý đạt hiệu quả cao nhất. Sau thời gian đó, trong nước thải chỉ còn lại những hợp chất khó phân hủy nên hiệu suất quá trình không tăng. Hình 4.20: Sự biến thiên pH ở HRT = 60h Giá trị pH luôn dao động trong khoảng 6,2 : 7,5, đảm bảo điều kiện hoạt động cho VSV kỵ khí, giúp quá trình xử lý không bị ức chế. Ngoài ra khi pH của nước đạt môi trường trung tính, đồng thời với quá trình hình thành ammonia, sẽ hình thành một lượng NH3 tự do. Lượng NH3 tự do này thoát ra ngoài theo quá trình thoát khí của các khí CO2, CH4,… làm tăng pH của nước. Tuy nhiên lượng NH3 tự do này không nhiều. Các acid béo có trong nước thải được chuyển hóa thành CO2 và CH4 trong giai đoạn metan hóa, làm giảm các acid béo, ion H+ có trong nước, làm pH tăng lên. Khí CO2 thoát ra, theo phản ứng sau thì chiều phản ứng sẽ dịch chuyển về phía tạo ra CO2 nên H+ giảm, làm tăng pH của nước H2O + CO2 H+ + HCO3- Quá trình phân hủy kỵ khí tạo ra gốc HCOO-, ở pH trung tính sẽ xảy ra phản ứng: HCOO- + H2O = HCO3- + H2 HCO3- + H+ H2O + CO2 Phản ứng xảy ra làm mất ion H+ có trong nước, làm tăng pH của nước. Hình 4.21: Mẫu nước thải đầu vào và mẫu đầu ra sau bể sinh học ba ngăn và cột lọc ở HRT = 60h. NHẬN XÉT CHUNG Hiệu suất xử lý COD và độ màu tăng theo HRT, ở thời gian lưu HRT = 54h thì hiệu quả xử lý cao nhất (% màu = 81%, %COD = 67,85%). Nhìn chung, nước thải dệt nhuộm là một trong những loại nước thải có thành phần khó phân hủy và mang độc tính cao nên mức độ xử lý của toàn mô hình chưa cao, nước thải đầu ra vẫn chưa đủ tiêu chuẩn thải của nước thải công nghiệp (TCVN 5945 – 2005). Trong suốt quá trình thực nghiệm, ta thấy rằng hiệu suất xử lý độ màu cao hơn COD. Điều này đáp ứng được mục đích của đề tài là nhằm xử lý độ màu của nước thải dệt nhuộm, mà cụ thể là nhóm màu hoạt tính azo. Tiến hành xác định hàm lượng BOD5 và COD tương ứng của nước thải sau xử lý của mô hình trên một số mẫu. Kết quả phân tích cho thấy rằng tỉ lệ BOD5/COD đạt từ 0,15 : 0,2. Với giá trị này có thể cho thấy hàm lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học còn lại trong nước thải sau xử lý của mô hình là rất ít. Điều đó cho thấy khả năng phân hủy chất hữu cơ có trong nước thải của VSV là rất cao. Độ pH thay đổi rõ rệt qua từng ngăn của mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn và cột lọc sinh học do giai đoạn acid hóa và methane hóa trong quá trình xử lý sinh học kỵ khí. pH ở bể ba ngăn thấp hơn pH ở cột lọc sinh học, như vậy, sự phân hủy kỵ khí trong mô hình sinh học kỵ khí 3 ngăn diễn ra chủ yếu quá trình thủy phân và acid hóa; trong mô hình lọc sinh học kỵ khí diễn ra chủ yếu quá trình methane hóa. Điều này tạo thuận lợi trong quá trình kiểm soát quá trình xử lý nước thải khi kết hợp 2 mô hình này.