Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD của hai kĩ thuật xử lý yếm khí nước thải giàu cặn hữu cơ
VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26
Original article
The Dependence of Removal Rate and Efficiency on COD
Loading Rate in Two Anaerobic Systems Treating High
Organic Suspended Wastewater
Nguyen Truong Quan1,*, Vo Thi Thanh Tam1, Cao The Ha1,
Le Van Chieu2, Tran Manh Hai3
1Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development (CETASD),
VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Ha Noi, Vietnam
2VNU Project Management Department, 144 Xuan Thuy, Cau Giay, Hanoi, Vietnam
3 Institute of Environmental Technology, Vietnam Academy of Science and Technology (VAST),
18 Hoang Quoc Viet, Hanoi, Vietnam
Received 20 March 2018
Revised 09 March 2019; Accepted 13 March 2019
Abstract: The dependence of removal rate and efficiency on COD loading rate in two anaerobic
systems using Internal Circulation (IC) and Modified Internal Circulation (MIC) models was
evaluated for treatment of piggery waste in this study. Two systems were operated at the similar
COD loading rate and retention times at room temperature when using anaerobic slugde
concentration of 13.3 gVMLSS/l. Generally, both IC and MIC achieved the similar performances
regarding total COD removal rate are in the range of 0.7 - 13.0 kgCOD/m3/day with influent COD
loading rate of 1.0 - 20.0 kg/m3/day; soluble COD removal rate are in the range of 0.3 - 4.0
kgCOD/m3/day with influent soluble COD of 0.6 - 7 kgCO/m3/day. Both IC and MIC showed the
similar performance regarding total and soluble COD removal efficiencies, which are in the range
of 69 - 71% and 65%, respectively. However, MIC is more advantaged in the aspects of system
manufacturing and operation.
Keywords: Loading rate, removal capacity, internal circulation, anaerobic.
________
Corresponding author.
21
VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26
Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD
của hai kĩ thuật xử lý yếm khí nước thải giàu cặn hữu cơ
Nguyễn Trường Quân1,*, Võ Thị Thanh Tâm1, Cao Thế Hà1,
Lê Văn Chiều2, Trần Mạnh Hải3
1Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD),
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
2Ban Quản lý các Dự án, Đại học Quốc gia Hà Nội, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam
3Viện Công nghệ Môi trường, Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 20 tháng 3 năm 2018
Chỉnh sửa ngày 09 tháng 3 năm 2019; Chấp nhận đăng ngày 13 tháng 3 năm 2019
Tóm tắt: Bài báo đánh giá mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD đối
với công nghệ yếm khí cao tải bằng kĩ thuật tuần hoàn nội (IC) và tuần hoàn nội cải tiến (MIC) qui
mô phòng thí nghiệm áp dụng xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Hai hệ được vận hành ở điều kiện
nhiệt độ thường với thời gian lưu nước, tải trọng COD đầu vào tương đương nhau và có mật độ
bùn yếm khí ban đầu 13,3 g/l. Nhìn chung cả hai hệ IC và MIC có khả năng xử lý là tương đương
nhau với năng suất xử lý COD tổng trong khoảng 0,7 - 13,0 kgCOD/m3/ngày với tải trọng COD
vào từ 1,0 - 20,0 kg/m3/ngày; năng suất xử lý COD hòa tan trong khoảng 0,3 - 4,0
kgCOD/m3/ngày với tải trọng COD vào 0,6 - 7,0 kgCO/m3/ngày. Cả hai hệ IC và MIC có hiệu
suất xử lý COD tổng và hòa tan tương đương nhau dao động trong khoảng 69-71% và 65%. MIC
có ưu điểm hơn so với hệ IC về khía cạnh chế tạo và vận hành.
Từ khóa: Tải trọng, năng suất xử lý, tuần hoàn nội, yếm khí.
1. Mở đầu
Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải có
thành phần cặn hữu cơ cao, chứa nhiều hợp chất
khó phân hủy sinh học và là một đối tượng rất
khó xử lý. Kĩ thuật yếm khí luôn là sự lựa chọn
đầu tiên đối với loại nước thải này. Theo
Lettinga [1], hệ yếm khí là quá trình diễn ra
chậm, tốc độ sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp
và năng suất xử lý kém so với kĩ thuật hiếu khí.
Tuy nhiên các kĩ thuật yếm khí hiện đại gần đây
được cải tiến như kĩ thuật tuần hoàn nội (IC -
Internal Circulation) có thể chấp nhận tải trọng
đầu vào từ vài chục đến hàng trăm
kgCOD/m3/ngày với hiệu suất xử lý lên tới 70-
90% [2, 3].
________
Tác giả liên hệ.
22
N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26
23
Kĩ thuật tuần hoàn nội hoạt động dựa trên
nguyên tắc của hai bồn phản ứng yếm khí
ngược dòng qua lớp đệm vi sinh (Upflow
Anaerobic Sludge Blanket - UASB) xếp chồng
lên nhau. Khí tách ra từ bộ phận tách pha bên
dưới chuyển động lên phía trên vào khoang thu
khí qua đường ống dẫn lên. Dòng khí chuyển
động lên sẽ cuốn theo nước và bùn từ vùng
phân hủy cao tải bên dưới. Sau khi tách khí,
nước và vi sinh được đưa trở lại vào vùng phản
ứng xuống đáy bể, hòa trộn với dòng vào qua
đường ống dẫn xuống. Dòng bùn-nước quay
ngược lại vùng phản ứng cao tải tạo ra dòng
tuần hoàn liên tục trong cột phản ứng - đây là
tính chất đặc trưng của kĩ thuật tuần hoàn nội.
Kĩ thuật này được đánh giá rất cao cho năng
suất xử lý khá lớn trên đơn vị thể tích, gấp tới
75 lần so với kĩ thuật truyền thống (bồn phản
ứng khuấy trộn hoàn toàn) và gấp 3 lần so với
kĩ thuật UASB [4]. Do vậy, kĩ thuật này được
lựa chọn để nghiên cứu đối với loại nước thải
có thành phần cặn hữu cơ cao.
2. Thực nghiệm
2.1. Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi qui mô
phòng thí nghiệm
Để đánh giá năng lực xử lý COD của kĩ
thuật tuần hoàn nội, các thí nghiệm được tiến
hành trên 02 hệ thí nghiệm: (1) Hệ IC - được
thiết kế gồm 01 cột phản ứng có đường kính
0,14m, cao 2m, ứng với thể tích V = 30 lít
(Hình 1) và (2) Hệ MIC (Kĩ thuật tuần hoàn nội
cải tiến – Modified Internal Circulation) - được
thiết kế gồm 03 cột phản ứng và 01 cột lắng có
đường kính 0,14m và cao 1m, ứng với tổng thể
tích V = 52 lít (Hình 2). Hệ MIC được cải tiến
từ kĩ thuật IC với mục đích làm giảm chiều cao
từ 2-3 lần để dễ dàng chế tạo, vận hành và tăng
cường khả năng tách bùn sau xử lý do bố trí
thêm một cột lắng phía sau.
Hai hệ IC và MIC được vận hành song
song, đều ở điều kiện thường (không điều nhiệt)
với thời gian lưu nước (24, 20, 16, 12, 10 và 6
giờ) và giá trị COD đầu vào tương đương nhau,
và có mật độ bùn yếm khí ban đầu là 13,3 g/l.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm IC.
Hình 2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm MIC.
N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26
24
Bảng 1. Thành phần nước thải đầu vào
2.2. Lấy mẫu, phân tích mẫu và tính toán
Nước thải được lấy từ các hộ nuôi lợn thịt ở
thôn Đông Mỹ, Thanh Trì, Hà Nội. Điểm lấy
mẫu là hố ga, lấy lúc rửa chuồng với tần suất
lấy mẫu 1-3 lần/tuần. Mẫu được lọc cặn bằng
rây có kích thước lỗ 1mm sau đó lưu vào bồn
chứa, nước thải được kiểm tra các chỉ tiêu
COD, TSS, hiệu chỉnh nhằm đảm bảo sự ổn
định về thành phần và tải trọng COD. Ở chế độ
khởi động (thời gian lưu thủy lực HRT=24h) cả
hai hệ thí nghiệm được vận hành liên tục trong
khoảng 2 tháng để vi sinh thích nghi, ở các chế
độ tiếp theo (tăng dần tải trọng đầu vào) thì các
hệ được vận hành trong khoảng 2-3 tuần và lấy
mẫu đầu vào, đầu ra (tần suất 2 ngày/lần) để
phân tích các chỉ tiêu áp dụng các phương pháp
phân tích tiêu chuẩn [5, 6]. Các giá trị được lấy
trung bình trong từng chế độ thí nghiệm.
Nước thải
thô
Thông số
Nước thải sau lọc thô
pH
7,1 - 7,5
7,2 - 7,5
CODtổng
(mg/l)
4.200 -
6.800
4.000 - 6.500
CODhòa tan 750 -
550 - 1.100
(mg/l)
1.450
TSS
(mg/l)
1.500 -
2.800
1.450 - 2.750
Nước thải thô ban đầu khi lấy về có giá trị
COD tổng trong khoảng 4.200-6.800 mg/l,
COD hòa tan trong khoảng 750-1.450 mg/l,
nước thải sau khi lọc thô có giá trị COD tổng
trong khoảng 4.000-6.500 mg/l, COD hòa tan
trong khoảng khoảng 550-1.100 mg/l.
Trên cơ sở kết quả phân tích chỉ tiêu COD
(g/l) và đánh giá hiệu quả xử lý đối với hai hệ
thí nghiệm (IC và MIC), chúng tôi thiết lập mối
quan hệ giữa tải trọng với năng suất xử lý và
hiệu suất xử lý của COD tổng và COD hòa tan.
3.2. Mối quan hệ tải trọng với NSXL và hiệu
suất xử lý COD tổng
Tải trọng (TT- kgCOD/m3/ngày), năng suất
xử lý (NSXL- kgCOD/m3/ngày) và hiệu suất xử
lý (HS - %) được tính theo các công thức sau:
Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất xử
lý và hiệu suất xử lý COD tổng của hai hệ thí
nghiệm IC và MIC được trình bày trong Hình 3
và Hình 4. Trong đó, đường nét liền thể hiện
đường hồi quy các giá trị NSXL trung bình.
Các đường chéo nét đứt biểu diễn các đường
mức hiệu suất xử lý tính theo tải trọng COD để
việc quan sát và đánh giá được thuận tiện.
CODQ
TT
(1)
V
NSXL TTvào TTra
(2)
(3)
TTvào TTra
HS
100%
Đồ thị Hình 3 và Hình 4 cho thấy NSXL
COD tổng với tải trọng COD đầu vào của hệ IC
và MIC có mối quan hệ tuyến tính, tức là khi
tăng tải trọng COD tổng đầu vào thì NSXL tăng
lên. Trong các chế độ thí nghiệm, tải trọng
COD tổng đầu vào chỉ khảo sát đến 20,8
kgCOD/m3/ngày vì khi tiếp tục tăng bằng cách
bổ sung nước thải đậm đặc hoặc tăng lưu lượng
đầu vào (giảm thời gian lưu) thì lượng cặn
(TSS) đi vào hệ thí nghiệm sẽ gây ảnh hưởng
rất lớn đến khả năng lắng và tách bùn (bao gồm
cả cặn) dẫn đến bùn bị rửa trôi tại đầu ra.
TTvào
Trong đó:
- Q: Lưu lượng (m3/ngày)
- V: Thể tích phản ứng của hệ xử lý (m3).
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Thành phần nước thải nuôi lợn
Nước thải có pH, giá trị COD tổng, COD
hòa tan và TSS được trình bày trong Bảng 1.
N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26
25
Hình 3. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT
COD tổng đầu vào (Hệ IC).
Hình 4. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT
COD tổng đầu vào (Hệ MIC).
Đối với hệ IC (Hình 3), tải trọng COD tổng
được khảo sát từ 1 - 19,7 kgCOD/m3/ngày thì
NSXL của hệ xử lý được từ 0,7 - 13
kgCOD/m3/ngày và HS xử lý dao động trong
khoảng từ 63-75% (giá trị trung bình là 69%),
tại các điểm có tải trọng thấp thì hệ xử lý đạt
HS xử lý trung bình trên 70% (HS cao nhất tại
TT = 4,9 kgCOD/m3/ngày đạt 75%). Trong khi
đó, hệ MIC (Hình 4) được khảo sát tải trọng
COD từ 0,8 - 20,8 kgCOD/m3/ngày thì NSXL
của hệ xử lý được từ 0,3 - 16 kgCOD/m3/ngày,
đạt hiệu su So sánh hệ MIC và hệ IC có thể
thấy rằng hiệu suất xử lý COD hòa tan trung
bình của hai hệ là tương đương nhau và ổn định
như nhau do các giá trị NSXL nằm trong
khoảng dao động gần như nhau, hiệu quả xử lý
của hai hệ đều đạt giá trị trung bình là 65%.
này cho thấy hệ MIC có khả năng xử lý COD
tổng ổn định hơn so với hệ IC.
3.3. Mối quan hệ tải trọng với NSXL và hiệu
suất xử lý COD hòa tan
Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất xử
lý và hiệu suất xử lý COD hòa tan của hai hệ thí
nghiệm IC và MIC được thể hiện trong Hình 5
và Hình 6.
Đồ thị Hình 5 và Hình 6 cho thấy NSXL
COD hòa tan với tải trọng COD đầu vào của hệ
IC và MIC cũng có mối quan hệ tuyến tính, tức
là khi tải trọng COD hòa tan đầu vào tăng thì
NSXL tăng.
Đối với hệ IC (Hình 5), tải trọng COD hòa
tan được khảo sát từ 0,6 - 7,2 kgCOD/m3/ngày
thì NSXL của hệ xử lý được từ 0,3 - 4,8
kgCOD/m3/ngày và hiệu suất xử lý đạt trong
khoảng từ 54-72% (giá trị trung bình là 65%).
Trong khi đó hệ MIC (Hình 6) được khảo sát
tải trọng COD hòa tan từ 0,6 - 6,3
kgCOD/m3/ngày thì NSXL của hệ xử lý được
từ 0,2 - 4,0 kgCOD/m3/ngày và đạt hiệu suất xử
lý trong khoảng từ 60-71 % (giá trị trung bình
là 65% - trừ thời điểm ban đầu là giai đoạn khởi
động có TT = 0,6 kgCOD/m3/ngày, HS chỉ đạt
33%).
ất xử lý trong khoảng từ 67-77 % (giá trị
trung bình là 71%, trừ giá trị tại điểm ban đầu là
giai đoạn khởi động có TT
=
0,8
kgCOD/m3/ngày, HS = 42%), HS xử lý cao
nhất tại TT = 20,8 kgCOD/m3/ngày đạt 77%.
So sánh hai hệ IC và MIC có thể thấy rằng
HSXL trung bình của hệ MIC (71%) tương
đương với hệ IC (69%). Tuy nhiên, hệ MIC có
các giá trị NSXL nằm trong khoảng dao động
nhỏ hơn so với hệ IC (so sánh khoảng cực đại
trên và dưới tại mỗi giá trị TT trên đồ thị). Điều
N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26
26
Hình 5. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT
Hình 6. Mối quan hệ giữa NSXL và HSXL với TT
COD hòa tan (Hệ MIC).
COD hòa tan (Hệ IC).
Nhìn chung cả hai hệ IC và MIC có khả
năng xử lý là tương đương nhau với NSXL
phù hợp với điều kiện Việt Nam để xử lý ô
nhiễm môi trường kết hợp với tận dụng chất
thải của các trang trại chăn nuôi lợn.” Mã số:
KC.08.04/11-15 do Bộ Khoa học và Công nghệ
COD tổng trong khoảng 0,7
-
13
kgCOD/m3/ngày với TT COD vào từ 1,0 - 20
kg/m3/ngày; NSXL COD hòa tan trong khoảng
0,3 - 4,0 kgCOD/m3/ngày với TT COD vào 0,6-
7,0 kgCOD/m3/ngày.
tai trơ.̣
̀
Tài liệu tham khảo
[1] Lettinga G. , Anaerobic digestion and wastewater
[2] Kassam Z.A., Yerushalmi L. and Guiot S.R. , A
market study on the anaerobic wastewater treatment
systems. Water, Air, and Soil Pollution 143 (2003)
179-192, Kluwer Academic Publishers.
[3] Jules B. van Lier & Grietje Zeeman, Current Trends
in Anaerobic Digestion: Diversifying from
waste(water) treatment to resource oriented energetic
conversion techniques, 2009.
[4] Van Lier J.B. , New challenges for wastewater: from
pollution prevention to resource recovery in “Nieuwe
Uitdagingen”, TU Delf, Published by water
Management Academic Press, Delft, The
Netherlands, 2009, pp.57-67.
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu và đánh giá mối quan
hệ giữa tải trọng với năng suất xử lý và hiệu
suất xử lý COD của hai hệ thí nghiệm IC và
MIC cho thấy: Hệ MIC xử lý COD tổng hiệu
quả và ổn định hơn một chút so với hệ IC, còn
đối với COD hòa tan thì cả hai hệ đều xử lý ổn
định và hiệu quả xử lý là tương đương nhau. Về
mặt ứng dụng thực tế, hệ MIC có ưu điểm hơn
so với hệ IC về khía cạnh chế tạo và vận hành.
Mối quan hệ giữa tải trọng COD đầu vào
với năng suất xử lý và hiệu suất xử lý COD
thiết lập được làm cơ sở tính toán, thiết kế xây
dựng một hệ xử lý nước thải giàu hữu cơ trên
thực tế khi lựa chọn công nghệ xử lý yếm khí
cao tải.
[5] American Public Health Association, Standard
Methods for the Examination of Water and
Wastewater, 19th Edition, American Public Health
Association, 5220 D Closed Reflux, Colorimetric
Method, 1995, pp 5.15 - 5.16.
[6] Adams. V. Dean, Water & Wastewater Examination
Manual, Lewis Publishers, 1990, pp. 168-17.
Lời cảm ơn
Các tác giả xin cám ơn Đề tài cấp nhà nước
“Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiên tiến
N.T. Quan et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol. 35, No. 1 (2019) 21-26
27
7 trang
09/01/2024
15200
Free
Bạn đang xem tài liệu "Mối quan hệ giữa tải trọng với năng suất và hiệu suất xử lý COD của hai kĩ thuật xử lý yếm khí nước thải giàu cặn hữu cơ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- moi_quan_he_giua_tai_trong_voi_nang_suat_va_hieu_suat_xu_ly.pdf
