Tài liệu Nghiên cứu sử dụng hệ thống lọc nổi tiền xử lý nước thải chăn nuôi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG ---------- Trần Thị Thủy NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG LỌC NỔI TIỀN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành Công nghệ môi trường (Chương trình đào tạo chuẩn) Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG ---------- Trần Thị Thủy NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG LỌC NỔI TIỀN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành Công nghệ môi trường (Chương trình đào tạo chuẩn) Cán bộ hướng dẫn: PSG.TS. Cao Thế Hà ThS. Nguyễn Trường Quân Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Để thực hiện và hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp này, trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Cao Thế Hà - Phó Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD) là người đã trực tiếp hướng dẫn truyền đạt cho em những kinh nghiệm quá báu trong suốt quá trình thực tập. Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Nguyễn Trường Quân cùng tập thể các thầy cô, anh chị thuộc phòng Công nghệ - Trung tâm CETASD đã đồng hành giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể các thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội truyền thụ những kiến thức quý báu cho em trong suốt 4 năm học qua. Em xin cảm ơn bác Thái Ngô Đức - chủ trang trại Hòa Bình xanh cùng các anh chị công nhân đã chỉ bảo, quan tâm trong suốt ngày tháng tham gia nghiên cứu ở trang trại. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người luôn quan tâm giúp đỡ và động viên, khuyến khích em trong suốt thời gian qua để em hoàn thành khóa luận được tốt hơn. Hà Nội, ngày 2 tháng 6 năm 2015 Sinh viên Trần Thị Thủy DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BOD Nhu cầu oxy sinh hoá (Biochemical Oxygen Demand) BTNMT Bộ tài nguyên môi trường BXD Bộ xây dựng CETASD Trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững (Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development) COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) ĐV Đơn vị FAO Tổ chức nông lương thực thế giới (Foundation Agriculture Organization) H Hyđrô IC Kỹ thuật tuần hoàn nội (Internal Circulation) K Kali NĐ – CP Nghị định chính phủ p.t Phương trình QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia TN Nitơ tổng TP Photpho tổng TS Tổng chât rắn (Total Solid) TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid) TVTS Thực vật thủy sinh UASB Bể sinh học kị khí dòng chảy ngược qua lớp bùn (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) VLL Vật liệu lọc VS Tổng chất rắn bay hơi (Volatile solid) R/L Tách rắn - lỏng MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG...............................................................................................iii DANH MỤC HÌNH................................................................................................iv MỞ ĐẦU..................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN........................................................................................3 1.1. Tổng quan về nước thải giàu hữu cơ.............................................................3 1.2. Nước thải chăn nuôi lợn.................................................................................3 1.2.1. Tình hình phát triển ngành chăn nuôi.............................................................3 1.2.2. Nước thải của ngành chăn nuôi lợn................................................................5 1.2.3. Các công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi đã và đang được áp dụng.............6 1.3. Lý thuyết quá trình lọc và bể lọc vật liệu lọc nổi..........................................8 1.3.1. Lý thuyết về lọc...............................................................................................8 1.3.2. Thông số kiểm soát động học của bể lọc......................................................12 1.3.3. Bể lọc vật liệu lọc nổi...................................................................................15 1.3.3.1. Tình hình sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi trên thế giới và Việt Nam...........16 1.3.3.2. Những ưu việt của bể vật liệu lọc nổi.........................................................17 1.3.3.3. Các đặc trưng của vật liệu lọc nổi..............................................................18 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................20 2.1. Đối tượng.......................................................................................................20 2.2. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................20 2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu......................................................................20 2.2.2. Phương pháp thực nghiệm............................................................................20 2.2.2.1. Mô hình thực nghiệm..................................................................................20 2.2.2.2. Thiết bị phân tích, dụng cụ, hóa chất..........................................................23 2.2.2.3. Cách lấy mẫu..............................................................................................24 2.2.2.4. Các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm..................................24 2.3. Nội dung nghiên cứu.....................................................................................25 i 2.3.1. Quan hệ tổn thất áp lực khi lọc qua lớp VLL nổi theo thời gian và tốc độ lọc................................................................................................................. 25 2.3.2. Sự biến đổi các thông số SS, COD................................................................25 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................26 3.1. Thành phần nước thải chăn nuôi lợn..........................................................26 3.2. Quan hệ tổn thất áp lực khi lọc qua lớp VLL nổi theo thời gian ở các chu kì khác nhau và thay đổi chất lượng nước qua hệ lọc..............................27 3.2.1. Vận tốc lọc v = 0,5m/h, Q = 6,63l/h, ho = 1cm.............................................27 3.2.2. Vận tốc lọc v = 0,6m/h, Q = 7,96l/h, ho = 1cm.............................................29 3.2.3. Vận tốc lọc v = 0,7m/h, Q = 9,29l/h, ho = 1cm.............................................31 3.2.4. Vận tốc lọc v = 0,8m/h, Q = 10,61l/h, ho = 1.5cm........................................33 3.2.5. Vận tốc lọc v = 0,9m/h, Q = 11.94l/h, ho = 2cm...........................................35 3.2.6. Vận tốc lọc v = 1m/h, Q = 13,27l/h, ho = 1,5cm...........................................37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................38 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................40 PHỤ LỤC............................................................................................................... 42 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các nước có số lượng lợn nhiều nhất thế giới năm 2009 [2].......................4 Bảng 2: So sánh một số thông số đặc trưng nước thải chăn nuôi lợn của Singapo, Trung Quốc và Việt Nam [3].....................................................................................5 Bảng 3: Thành phần nước thải của một số trại chăn nuôi tập trung [3]...................6 Bảng 4: Một số công trình sử dụng bể lọc VLL nổi đã xây dựng.............................17 Bảng 5: Danh mục thiết bị.......................................................................................21 Bảng 6: Các chế độ khảo sát...................................................................................23 Bảng 7: Thành phần nước thải các chuồng ở trại Hòa bình Xanh..........................26 Bảng 8: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.5m/h...............................................27 Bảng 9: Chất lượng nước đầu vào, ra của hệ lọc tại v = 0,5m/h.............................28 Bảng 10: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.6m/h.............................................29 Bảng 11: Chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại v = 0,6m/h....................30 Bảng 12: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.7m/h.............................................31 Bảng 13: Số liệu chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại 0,7m/h...............32 Bảng 14: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.8m/h.............................................33 Bảng 15: Số liệu chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại 0,8m/h...............34 Bảng 16: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.9 m/h............................................35 Bảng 17: Số liệu chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại v = 0,9m/h.........36 Bảng 18: Thể tích nước lọc được qua 1 m2 thiết diện lọc của các vận tốc lọc.........37 Bảng 19: Hiệu suất xử lý SS....................................................................................38 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1: Mô hình lọc với lớp màng lọc tự hình thành.................................................9 Hình 2: Đồ thị mô tả quá trình lọc theo phương trình 1.8.......................................10 Hình 3: Sự gia tăng tồn thất áp P trong quá trình lọc...........................................13 Hình 4: Diễn biến của độ đục và tổn thất áp suất trong quá trình lọc.....................13 Hình 5: Bể lọc tự chảy và diễn biến áp lực trong bể lọc tự chảy.............................14 Hình 6: Bể lọc vật liệu nổi.......................................................................................15 Hình 7: Sơ đồ thiết kế hệ lọc nổi.............................................................................22 Hình 8: Quan hệ tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian v = 0,5m/h.........28 Hình 9: Quan hệ tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian v = 0,6m/h..........30 Hình 10: Quan hệ tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian v = 0,7m/h........32 Hình 11: Quan hệ tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian v = 0,8m/h........34 Hình 12: Quan hệ tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian v = 0,9m/h........36 iv Trần Thị Thủy K56_CNMT MỞ ĐẦU Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiên tiến phù hợp điều kiện Việt Nam để xử lý ô nhiễm kết hợp tận dụng chất thải của các trang trại chăn nuôi lợn” của Bộ Khoa học và Công nghệ, đã được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm tại phòng Công nghệ môi trường của Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD) và hệ pilot ứng dụng tổ hợp các kỹ thuật yếm khí, thiếu - hiếu khí cùng với hệ thực vật thủy sinh tại trang trại chăn nuôi lợn Hòa Bình Xanh (Công ty TNHH Sản xuất Đầu tư và Thương mại Đức Anh, xóm Suối Cốc, xã Hợp Hòa, Lương Sơn, Hòa Bình) đạt được mục tiêu đề ra và đã được nghiệm thu cấp cơ sở. Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu xử lý nước thải bằng công nghệ yếm khí gặp phải vấn đề khó khăn là giá trị TSS rất cao có thể tới 10g/l, chiếm tới trên 80% TS, trong đó thường 80% là hữu cơ. Thành phần TSS lớn gây tắc nghẽn và thất thoát vi sinh trong các hệ xử lý. Do đó, để đảm bảo quá trình vi sinh yếm khí, hiếu khí đạt hiệu quả, việc nghiên cứu sử dụng các hệ thống tách R/L phù hợp với điều kiện quy mô nhỏ và chi phí thấp là vô cùng cấp thiết. Ở các nước phát triển, đã áp dụng ngay từ đầu các kỹ thuật tách rắn lỏng (R/L) như lắng trọng lực, li tâm, ép bùn, lọc,…Tuy nhiên ép bùn tiêu tốn nhiều năng lượng; li tâm vận hành đơn giản nhưng có yêu cầu đầu tư lớn; còn lắng trọng lực có cơ cấu đơn giản và chi phí vận hành thấp hơn. Song các phương pháp này có chất lượng nước ra chưa đảm bảo về mặt SS (1000 – 3000mg/l). Hiện nay, phương pháp sử dụng bể lọc vật liệu lọc (VLL) nổi đã bắt đầu được nghiên cứu bước đầu thành công với những ưu điểm đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp và có tiềm năng ứng dụng rất cao ở nước ta. Bể lọc vật liệu nổi đã được nghiên cứu ở Liên Xô và Tiệp Khắc vào những năm 1973 - 1974 trên mô hình, đến năm 1975 đã được đem áp ra áp dụng trong thực tế để xử lý nước mặt và nước ngầm ở giai đoạn cuối sau lắng. Ở Liên Xô , người ta sử dụng loại bể lọc này trong xử lý nước thải ở một vài nghiên cứu bước đầu. Năm 1987, PGS. Phạm Ngọc Thái là người đầu tiên nghiên cứu và đưa loại bể lọc này vào sử dụng ở Việt Nam. Năm 1988, tại Hội chợ triển lãm toàn quốc lần thứ 4 tổ chức tại Giảng Võ - Hà Nội, công trình trạm xử lý nước mặt với bể lọc vật liệu lọc nổi được nhận giải thưởng huy chương vàng. Bể lọc VLL nổi đã được áp dụng trong khoảng 10 năm trở lại đây với quy mô công suất nhỏ từ vài chục tới vài trăm m3/ngày đêm, đến nay đã phát triển tới quy mô công suất 10000m 3/ngày đêm trong xử lý nước cấp. Còn trong xử lý nước thải hầu như chưa có một nghiên cứu chuyên sâu nào đề xuất các thông số tính toán, thiết kế để đưa ra những chỉ dẫn cần thiết Khóa luận tốt nghiệp 1 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT cho loại bể này một cách cụ thể. Việc thiết kế các trạm xử lý nước có sử dụng loại bể lọc vật liệu nổi mới chỉ tập trung ở một nhóm chuyên gia thiết kế am hiểu lĩnh vực này mà chưa được áp dụng rộng rãi trong giới chuyên ngành xử lý nước thải. Việc nghiên cứu sử dụng bể lọc vật liệu nổi trong tiền xử lý nước thải chăn nuôi trong giai đoạn tiền xử lý có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn. Chính vì thế, đề tài: “Nghiên cứu sử dụng hệ thống lọc nổi tiền xử lý nước thải chăn nuôi” được lựa chọn làm khóa luận. Nội dung chính của đề tài bao gồm: - Khảo sát quan hệ về tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian và tốc độ lọc; - Quan hệ về sự biến đổi chất lượng nước khi lọc qua lớp VLL nổi; - Thời gian làm việc giới hạn ở các tốc độ lọc khác nhau; - Tìm ra được tốc độ lọc phù hợp đảm bảo giá trị SS trong khoảng 500mg/l – thông số SS đầu vào của hệ yếm khí cao tải. Khóa luận tốt nghiệp 2 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nước thải giàu hữu cơ Nước thải giàu hữu cơ bao gồm nước thải từ chăn nuôi, các hoạt động sản xuất công nghiệp và nước rỉ rác. Nước thải sinh hoạt hàng ngày của con người, đặc biệt từ các khu dân cư khu hoạt động thương mại, công sở, trường học, chợ cũng có hàm lượng chất hữu cơ. Đặc tính của nước thải giàu chất hữu cơ: nước thải này chủ yếu chứa các hợp chất hữu cơ ít độc có nguồn gốc thực vật hoặc động vật. Chất thải có nguồn gốc động vật có thành phần chủ yếu là protein và chất béo, có hàm lượng chất rắn lơ lửng, BOD, COD cao... Chất thải có nguồn gốc thực vật có thành phần chủ yếu là các cenlulose và các hợp chất dễ phân hủy. Người ta có thể chia nước thải giàu hữu cơ thành hai loại chính:  Nước thải giàu hữu cơ đơn giản: thông số SS, BOD, COD (<1000 mg/l ), chứa các chất hữu cơ dễ phân huỷ. Đó là các hợp chất protein, hydratcacbon, chất béo có nguồn gốc động vật và thực vật. Đây là các hợp chất chính có trong nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm.  Nước thải giàu hữu cơ phức tạp: thông số SS, BOD, COD tương đối cao (hàng nghìn mg/l), chứa các chất hữu cơ khó phân huỷ có vòng thơm (hydrocacbua của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ… Chúng tồn tại lâu dài trong môi trường, gây độc cho sinh vật, đòi hỏi phương pháp xử lý phức tạp hơn. Điển hình cho loại nước thải này là nước thải chăn nuôi. 1.2. Nước thải chăn nuôi lợn 1.2.1. Tình hình phát triển ngành chăn nuôi  Trên thế giới và trong khu vực Theo số liệu thống kê của Tổ chức Nông lương thế giới - FAO năm 2009 số lượng tổng đàn lợn trên thế giới là 887,5 triệu con [2]. Tốc độ tăng về số lượng vật nuôi hàng năm của thế giới trong thời gian vừa qua thường chỉ đạt trên dưới 1% năm. Các cường quốc về chăn nuôi lợn của thế giới: bao gồm Trung Quốc 451,1 triệu con/năm, Hoa Kỳ 67,1 triệu con/năm, Brazil 37,0 triệu con/năm, Việt Nam đứng thứ 4 với 27,6 triệu con/năm và thứ năm là Đức với 26,8 triệu con/năm [2]. Theo số liệu thống kê của FAO năm 2009, Châu Á có tổng đàn lợn 534,3 triệu con. Các nước có số lượng lợn lớn nhất Châu Á là Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ, Philippine và Nhật [1]. Khóa luận tốt nghiệp 3 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT Bảng 1: Các nước có số lượng lợn nhiều nhất thế giới năm 2009 [2] STT Tên nước Số lượng (con) 1 451.177.581 Trung Quốc  2 Hoa Kỳ 67.148.000 3 Brazil 37.000.000 4 Việt Nam 27.627.700 5 Đức 26.886.500 6 Nhật 26.289.600 7 Liên Bang Nga 16.161.860 8 Mexico 16.100.000 9 Pháp 14.810.000 10 Ba Lan 14.278.647 Ở Việt Nam Theo Chiến lược phát triển chăn nuôi đến 2020 (QĐ No10/2008/QĐ - TTg ngày 16.01 năm 2008) ngành chăn nuôi sẽ được ưu tiên phát triển cả về tỷ trọng trong nông nghiệp lẫn phương thức sản xuất. Về tỷ trọng trong nông nghiệp chăn nuôi sẽ tăng từ 32% (năm 2010) lên 38% (2015) và 43% (2020), để đảm bảo điều này tốc độ tăng trưởng chăn nuôi luôn cao hơn toàn ngành nông nghiệp. Theo số liệu thống kê, năm 2014 cả nước có khoảng 4293 trang trại chăn nuôi lợn và 26,7 triệu đầu lợn [3]. Bình quân mỗi ngày, mỗi đầu lợn thải ra khoảng 2kg phân, 1kg nước tiểu. Theo khảo sát của tổ chức JICA và Viện Công nghệ môi trường, lượng nước tiêu thụ từ 10 - 40lít/đầu lợn/ngày đêm. Ước tính, mỗi năm ngành chăn nuôi thải ra môi trường một lượng lớn chất thải rắn và lỏng, nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. 1.2.2. Nước thải của ngành chăn nuôi lợn Khóa luận tốt nghiệp 4 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT Nước thải chăn nuôi lợn là nước tiểu lợn hoà lẫn với phân và nước rửa chuồng. Thành phần nước tiểu tuỳ thuộc vào điều kiện dinh dưỡng và khí hậu. Tuy nhiên, nước tiểu lợn giàu đạm, kali… nên nước thải rất giàu dinh dưỡng. Thành phần chủ yếu gồm có: - Chất hữu cơ: 70 - 80% gồm cellulose, protit, axit amin, chất béo, hydratcarbon và các dẫn xuất của chúng... Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy. Các chất hữu cơ bền vững gồm các hợp chất hydrocacbon, vòng thơm, hợp chất đa vòng. Vi sinh vật gây bệnh: nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh như: Giun sán, Salmonella, E. Coli, Shigella... Chất vô cơ: chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, urê, amoni, muối clorua, SO42Các chất rắn tổng số trong nước: gồm chất rắn lơ lửng và chất rắn hoà tan, chất rắn bay hơi và chất rắn không bay hơi do các chất keo protein, hydratcacbon, chất béo có trong nước thải hoặc được tạo ra khi gặp điều kiện như: pH, nhiệt độ, độ cứng thích hợp. Lượng chất rắn lơ lửng cao trong nước gây cản trở quá trình xử lý chất thải. Chất rắn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi chủ yếu là cặn phân vật nuôi trong quá trình vệ sinh chuồng trại, trong phân có nitơ, phốt phát và nhiều vi sinh vật. Phần lớn nitơ trong phân ở dạng amoni (NH4+) và hợp chất nitơ hữu cơ. Nếu không được xử lý thì một lượng lớn amoni sẽ đi vào không khí ở dạng amoniac (NH3). Bảng 2: So sánh một số thông số đặc trưng nước thải chăn nuôi lợn của Singapo, Trung Quốc và Việt Nam [3] Singapo Trung Quốc Ý Việt Nam TS (mg/l) 27401 - 18620 - TSS (mg/l) 19144 6103 15350 4570 CODt (mg/l) 24357 6500 24790 5500 Bảng 3: Thành phần nước thải của một số trại chăn nuôi tập trung [3] Chỉ tiêu kiểm tra Đơn vị Khóa luận tốt nghiệp Trại lợn Đan Phuợng Trại lợn Trại lợn Thụy Tam Điệp Phương 5 Trại lợn Công ty Gia Nam Trại Hồng Điệp Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT pH 7,15 7,26 7,08 6,78 6,83 BOD5 mg/l 1339 1080 882 783 1221 COD mg/l 3397 2224 1924 1251 2824 TDS mg/l 4812 4568 3949 4012 4720 P_tổng mg/l 99 80 69 85 57 N_tổng mg/l 332 280 250 204 275 Từ Bảng 2, 3 có thể thấy đặc tính chung của nước thải chăn nuôi có thành phần COD, TSS rất cao. Do đó, cần áp dụng các công nghệ xử lý phù hợp để xử lý nước thải chăn nuôi đạt QCVN trước khi thải ra môi trường. 1.2.3. Các công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi đã và đang được áp dụng Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi như phương pháp xử lý lý học, phương pháp xử lý hóa học và hóa lý, phương pháp xử lý sinh học. Trong đó, biện pháp sinh học được coi là phương pháp xử lý hiệu quả, thân thiện với môi trường và được ứng dụng rộng rãi. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành hai loại: phương pháp yếm khí sử dụng nhóm vi sinh vật yếm khí, hoạt động trong điều kiện không có ôxi và phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp ôxi liên tục. Tuy nhiên, quá trình phát triển sinh khối yếm khí nhỏ hơn nhiều so với hiếu khí nên giảm nhu cầu dinh dưỡng và giảm chi phí xử lý bùn dư. Không có chi phí ôxi, điều này giảm cả chi phí thiết bị lẫn vận hành hệ cấp khí (máy nén, hệ phân tán, chi phí điện năng). Khí metan sinh ra có giá trị nhiệt năng lớn, có thể thay thế khí đốt. Lợi ích từ giảm phí xử lý bùn, giảm nhu cầu điện năng tiêu thụ, khả năng thu hồi - sử dụng metan nằm trong khoảng 0,053 - 0,132$/m3 nước thải sinh hoạt (Jewell 1987). Lợi ích từ sự giảm phí xử lý bùn và chi phí cấp khí lớn hơn chi phí năng lượng cho bản thân quá trình xử lý yếm khí (Jewell 1987). Hơn nữa phần lớn năng lượng vận hành có thể lấy từ biogas. Các quá trình yếm khí chấp nhận tải đầu vào cao hơn nhiều so với hiếu khí, đó là vì không có cản trở do yêu cầu khuếch tán ôxi. Từ sau năm 1970, các công nghệ xử lý yếm khí mới ra đời và đã đạt được những thành tựu nổi bật, làm thay đổi bộ mặt của công nghệ yếm khí xử lý nước thải. Trong đó đáng kể nhất, GS.Lettinga đã khởi động những nghiên cứu biến công Khóa luận tốt nghiệp 6 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT nghệ yếm khí vốn được coi là công nghệ “phân hủy” bùn cặn năng suất thấp thành công nghệ xử lý nước thải giàu hữu cơ có năng suất rất cao, cao hơn cả công nghệ xử lý nước thải tiêu chuẩn là công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí [19]. Theo Van Lier kĩ thuật yếm khí hiện đại bắt đầu từ bồn khuấy trộn liên tục, tiến bộ hơn là bồn tiếp xúc (thêm hệ lắng - tuần hoàn bùn), bước ngoặt là hệ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) với lớp vi sinh dạng hạt. Vi sinh trong hệ UASB là vi sinh dạng hạt kích thước lớn, mật độ cao nên quá trình lắng rất hiệu quả và cơ cấu lắng trở nên rất đơn giản: chỉ cần tách được khí ra khỏi hạt là hạt lắng rất nhanh. Do khả năng xử lý rất hiệu quả, công nghệ xử lý yếm khí với lớp bùn vi sinh dạng hạt tiếp tục được các nhà khoa học nghiên cứu sâu sắc và hoàn thiện hơn với những kỹ thuật mới được ra đời. Biến thể của công nghệ UASB bắt đầu được ra đời với các kỹ thuật mới như EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt trương nở), IC (Internal Circulation - kĩ thuật tuần hoàn nội), các kĩ thuật này thực sự trở thành một trong những công nghệ xử lý tốc độ cao (“high - rate”). Tuy nhiên, nước thải chăn nuôi giàu SS chỉ có thể áp dụng các kỹ thuật thấp tải như hệ biogas phổ biến ở Việt Nam hoặc các bồn phân hủy yếm khí phổ biến ở các nước công nghiệp. Các kỹ thuật cao tải cho phép xử lý từ vài tới vài chục kgCOD/m3/ngày (tùy loại bùn hoạt tính, bùn bông hay bùn hạt) nhưng các hệ yếm khí cao tải có yêu cầu nồng độ SS, VSS giới hạn, nếu áp dụng ngay cho toàn bộ nước thải thô là không khả thi. Giải pháp là phải tách tốt SS trước xử lý yếm khí. Có nhiều phương pháp tiền xử lý được áp dụng để tách rắn - lỏng như: lắng trọng lực, li tâm, ép bùn, lọc,…Tuy nhiên ép bùn tiêu tốn năng lượng, chi phí cao; li tâm vận hành đơn giản nhưng có yêu cầu đầu tư lớn; lắng trọng lực có cơ cấu đơn giản và chi phí vận hành thấp. Song các phương án này có chất lượng nước ra chưa đảm bảo về mặt SS. Hiện nay, người ta đang bắt đầu nghiên cứu sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi, phương pháp này đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp và có tiềm năng ứng dụng rất cao ở nước ta. 1.3. Lý thuyết quá trình lọc và bể lọc vật liệu lọc nổi 1.3.1. Lý thuyết về lọc Lọc là quá trình được thực hiện bằng cách cho chất cần lọc (chất lỏng, chất khí) đi qua một cơ cấu lọc cho phép tách loại các yếu tố không mong muốn. Trong các hệ xử lý nước cấp, lọc là quá trình quan trọng bậc nhất vì nó trực tiếp quyết định chất lượng nước sản phẩm, trong xử lý nước thải lọc chỉ áp dụng Khóa luận tốt nghiệp 7 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT trong những trường hợp nhất định. Quá trình lọc được thực hiện ở hai công đoạn trong dây chuyền xử lý: một là lọc thô ngay điểm bắt đầu thu nước, khi đó quá trình lọc mang tính phòng ngừa: chắn rác, lọc cặn thô, rêu tảo… để bảo vệ hệ thống xử lý phía sau và hai là ở công đoạn gần cuối, trước khử trùng: lọc để đảm bảo độ trong yếu tố hàng đầu của chất lượng nước. Về môi trường vật liệu lọc có hai nhóm chính: - Nhóm vật liệu lọc dạng hạt, môi trường lọc là lớp vật liệu lọc dày - Nhóm vật liệu dạng màng, môi trường lọc có độ dày không đáng kể. a. Phương trình lọc: Phương trình Đacxy (Darcy) - trường hợp lớp vật liệu lọc sạch [4] Để nghiên cứu và theo dõi định lượng quá trình lọc người ta sử dụng phương trình Đacxy. Khi lớp vật liệu lọc còn mới, chưa bám bùn cặn ta có: v= Trong đó: K P 1 P  H R H (1.1) v = tốc độ lọc; K = độ thấm của môi trường (vật liệu) lọc bằng = ;  = độ nhớt động học của nước; P = tổn thất áp suất; H = bề dày lớp vật liệu lọc; R = trở lực của lớp vật liệu lọc. Phương trình (1.1) có thể chuyển thành: P vHR (1.2) Theo pt (1.2): tổn thất áp P tỷ lệ thuận với tốc độ lọc v, bề dày lớp vật liệu lọc H, độ nhớt  của nước, trở lực R của lớp vật liệu lọc (nghĩa là tỷ lệ nghịch với độ thấm K của lớp vật liệu lọc). Đây là trường hợp khi mới bắt đầu lọc, lớp vật liệu lọc còn sạch (R là hằng số). Thực tế phức tạp hơn, theo thời gian lọc bề mặt lớp vật liệu bị bẩn dần, lớp bùn bẩn sẽ làm tăng R, làm biến dạng pt. (1.2) như sẽ trình bày dưới đây. Trường hợp lọc với màng lọc hình thành trong quá trình lọc [4] Đây là trường hợp thông thường, dễ thấy nhất là khi lọc nước có độ đục cao. Khi đó ta sẽ thấy bùn cặn tích luỹ dần trên mặt lớp vật liệu lọc tạo thành lớp màng lọc thứ cấp từ các hạt cặn lơ lửng có trong nước thô (xem hình 1). độ dày của lớp màng lọc này tăng dần theo thời gian, trở lực tăng, tuy nhiên khả năng lọc trong cũng tăng theo. Trong trường hợp này, yếu tố trở lực R trong phương trình Darcy (1.1) bằng: R = RVL + RC (1.3) Trong đó: RVL = trở lực của lớp vật liệu ban đầu; RC = trở lực của lớp màng lọc hình thành từ bùn cặn. Khóa luận tốt nghiệp 8 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT Nước đục Lớp bùn-màng lọc Vật liệu lọc Hình 1:Nước Mô lọc hình lọc với lớp màng lọc tự hình thành RC có thể tính từ: RC = r M CV r S S (1.4) Trong đó: M r S C V = khối lượng cặn; = trở lực riêng của lớp cặn ở áp suất P; = diện tích hình học bề mặt lọc; = mật độ cặn lơ lửng (SS) trong 1 đơn vị thể tích; = thể tích nước lọc trong thời gian thiết bị làm việc. Kết hợp pt. (1.4) với pt. (1.3) ta có: R RC  RVL r CV  RVL S (1.5) Thay R từ pt. (1.5) vào (1.1) ta có: P v CV  (r  RVL ) S (1.6) Mặt khác: tốc độ lọc v tính bằng thể tích nước lọc trên một đơn vị diện tích lọc trong một đơn vị thời gian, kết hợp pt. (1.6) ta có: v= 1 dV P  S dt  CV   r  RVL  S   (1.7) Giả thiết, nếu trở lực riêng r không đổi (r = const) nghĩa là lớp lọc không bị nén, lấy tích phân pt. (1.7) ta có : t = aV2 + bV với a= rC 2PS 2 t = aV + b V hoặc và b= (1.8) RVL PS Như vậy, đại lượng (t/V) hay thời gian cần thiết để lọc được một đơn vị thể tích nước tỷ lệ tuyến tính t/V với thể tích V nước lọc như đoạn thẳng trên đồ thị hình 2. Khóa luận tốt nghiệp b = 9  Đại học Khoa học Tự nhiên tg = rC/2PS2 V Trần Thị Thủy K56_CNMT Hình 2: Đồ thị mô tả quá trình lọc theo phương trình 1.8 Nếu quá trình lọc kéo dài, quy luật nói trên sẽ bị vi phạm, năng suất lọc sẽ giảm mạnh, t/V sẽ tăng đột ngột (xem hình 2). Đó là vì khi lọc lâu dài, lớp lọc bị nén lại, trở lực lọc riêng của lớp cặn r sẽ tăng theo phương trình: r = ro + r1PS (1.9) Trong đó: r = trở lực riêng hay hệ số lọc, m/kg; ro = là trở lực riêng khi P = 0; r1 = là trở lực riêng khi P = 1 atm; s = là thông số thể hiện khả năng nén cặn. Để so sánh khả năng lọc các loại cặn khác nhau có thể dùng đại lượng r 0..5 hay trở lực riêng xác định ở áp suất 0,5 atm. b. Cơ chế lọc[5]: Tùy bản chất của cặn cần lọc, kỹ thuật và VLL áp dụng có thể gặp các cơ chế lọc và hiện tượng sau: lưu giữ, bám dính và hiện tượng đánh thủng… - Các cơ chế lưu giữ Cơ chế lưu giữ có thể hiểu là cơ chế “lọc” thuần tuý vật lý được ghi nhận trong trường hợp lọc qua lưới lọc, màng lọc có kích thước lỗ đã định. Trong trường hợp này lớp lọc hoạt động theo nguyên lý cái rây bột: hạt cặn nhỏ đi qua, hạt lớn bị lưu giữ lại. Trong thực tế, hạt nhỏ hơn đường kính lỗ trống cũng có thể bị lưu giữ lại nếu đồng thời nhiều hạt nhỏ cùng qua một lỗ trống, hoặc hạt cần lọc bị tăng kích thước do nhiều nguyên nhân khác nhau. Trong trường hợp này, các cơ chế sau có thể lần lượt hoặc đồng thời xuất hiện:  Nhiều hạt nhỏ chen nhau cùng qua khe trống nên bị kẹt lại;  Hạt nhỏ trong khi theo dòng chảy qua lỗ trống bị cọ xát vào lớp vật liệu lọc  rắn và bị giữ lại do lực bề mặt (hấp phụ); Do gia tốc trọng trường, hạt cặn lắng trên bề mặt VLL ở khu vực không có lỗ trống... Những cơ chế này xuất hiện trong cả kỹ thuật lọc màng và kỹ thuật lọc bằng lớp vật liệu lọc dạng hạt. - Cơ chế bám dính Khi tốc độ dòng chảy không lớn, các lực bề mặt có thể gây ra sự bám dính các hạt cặn trên bề mặt VLL. Bản chất các lực bề mặt khá phức tạp, phổ biến là lực hút tĩnh điện và lực Van dec Val (Van der Waals). Khóa luận tốt nghiệp 10 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT - Hiện tượng đánh thủng Trong quá trình lọc qua lớp VLL hạt, do các cơ chế nêu trên nên khe trống giữa các hạt VLL bị lấp đầy dần bởi các hạt cặn bị lưu giữ hoặc bám dính. Như vậy, thiết diện chảy thực tế bị thu hẹp dần, tốc độ dòng chảy qua khe sẽ tăng và kéo theo các hạt cặn nhỏ vào sâu trong lớp VLL hạt, thậm chí hạt cặn bị kéo theo nước lọc. Trường hợp này nước lọc giảm chất lượng, ta nói lớp lọc bị đánh thủng. - Hiện tượng “tắc” và sự phục hồi lớp vật liệu lọc Hiện tượng “tắc” thiết bị lọc do cặn bít dần các khe, lỗ trống mà nước có thể chảy qua theo các cơ chế đã nêu. Trong trường hợp này vẫn có thể tiếp tục lọc bằng cách tăng áp suất. Ví dụ: nếu lọc trọng lực như đối với bể cát có thể để mực nước trên lớp VLL dâng tới mức độ vài mét. Đối với các thiết bị lọc áp lực với lớp VLL là cát có thể nâng áp lực tới vài atm. Thông thường, khi thiết kế thiết bị lọc có thể chấp nhận một mức độ “tắc” nhất định. Để vượt qua hiện tượng này có thể tăng mực nước hoặc mức áp áp vào lớp VLL để giữ tốc độ lọc không đổi. Khi tổn thất áp vượt quá mức độ đã định (do sự tích luỹ lớp bùn cặn) cần phục hồi lại lớp vật liệu lọc về trạng thái ban đầu bằng cách rửa sạch lớp vật liệu lọc khỏi bùn cặn, gọi là rửa lọc. Cách rửa phụ thuộc vào loại vật liệu và kỹ thuật lọc áp dụng, có một số kỹ thuật sau: Rửa ngược là phổ biến nhất và là kỹ thuật duy nhất đối với các thiết bị lọc dùng lớp vật liệu dạng hạt. Môi trường để rửa thường là nước sạch và ở các trạm lớn là hỗn hợp khí - nước. Đối với các loại màng lọc như màng lọc micro, nano... sau rửa ngược thường phải xử lý hoá chất bổ sung. Rửa bằng cách xả cặn bằng trọng lực hay áp dụng đối với kỹ thuật lọc nổi, kỹ thuật lọc màng điatomit. Khi đó chỉ cần dùng lượng nhỏ nước sạch để tráng vật liệu lọc. 1.3.2. Thông số kiểm soát động học của bể lọc Để kiểm soát hoạt động của một hệ lọc ta cần theo dõi một trong hai thông số hoặc cả hai, đó là tổn thất áp lực khi lọc và độ đục của nước sản phẩm. Xét một bể lọc trọng lực, tổn thất áp P có thể khảo sát gián tiếp thông qua mức dâng mực nước trên lớp vật liệu lọc hoặc trực tiếp thông qua độ chênh lệch mức nước trong bể lọc và trong ống đo mực nước trong suốt lắp ở ống thu nước gọi là piezometer. Thông thường, đối với những bể lọc trọng lực người ta thiết kế mức tổn thất áp nhỏ hơn hoặc bằng 1,5m [20] hoặc 2,4m [16]. Nếu khảo sát P theo thời gian, bắt đầu từ lúc cát lọc vừa được rửa sạch, tổn thất áp P tăng dần theo thời gian lọc, càng về sau tăng càng nhanh. Thời gian để Khóa luận tốt nghiệp 11 Đại học Khoa học Tự nhiên Trần Thị Thủy K56_CNMT đạt Pmax tối đa cho phép càng dài càng tốt, cho phép ít nhất là t1 = 12 giờ (TCN 33 85), thường được thiết kế là 24h (xem hình 3) để tiết kiệm chi phí rửa lọc. a. Độ đục của nước lọc Chất lượng nước lọc được đánh giá thông qua đại lượng nghịch của độ trong là độ đục (đo bằng đơn vị NTU hoặc mg/l). NTU dễ dàng đo được bằng máy đục kế, thậm chí ở chừng mực nhất định những cán bộ có kinh nghiệm có thể xác định bằng mắt. Khác với P tăng đều suốt quá trình lọc, khi khảo sát độ đục từ điểm bắt đầu lọc theo thời gian, thấy quá trình lọc có thể chia làm 3 giai đoạn (hình 4). Mức tổn thất áp cho phép Hình 3: Sự gia tăng tồn thất áp  P trong quá trình lọc Độ đục Hình 4: Diễn biến của độ đục và tổn thất áp suất trong quá trình lọc Giai đoạn một từ 0 đến t1: trên Hình 4 độ đục giảm dần theo thời gian lọc tới khi đạt độ đục tối thiểu. Đoạn từ 0 đến to nước còn đục cần xả lọc, gọi là xả lọc đầu. Sau to nước trong bắt đầu có thể thu nuớc vào bể. Thời gian t 1 ứng với điểm chuyển sang giai đoạn hai dài hay ngắn phụ thuộc vào công nghệ lọc được áp dụng và chất lượng nước vào. Khóa luận tốt nghiệp 12 Đại học Khoa học Tự nhiên