CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

51



Hình 2.1. Sơ đồ xử lý NRR bằng phương pháp EC kết hợp BF

2.2.1. Phương pháp phân tích chất lượng nước thải

COD theo TCVN 6491:1999 (phương pháp Bicromat)

NH4+ theo TCVN 6179-1:1996 (có tiến hành chưng cất để loại bỏ ảnh hưởng

của một số yếu tố đến q trình phân tích)

BOD theo TCVN 6001:2008

pH theo TCVN 6492:2011, đo bằng thiết bị HANNA HI 991001

DO được đo bằng thiết bị HANNA HI 991001

Độ màu theo TCVN 6185:1996 (phương pháp so màu)

TSS theo TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997)

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.2. Phương pháp thực nghiệm keo tụ điện hóa

Các thí nghiệm được thực hiện nhằm tìm ra các điều kiện thích hợp về mật

độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực để xử lý NRR.

Hệ EC trong phòng thí nghiệm

Các thí nghiệm khảo sát được tiến hành ở quy mơ phòng thí nghiệm với sơ

đồ được thể hiện như trong hình 2.2:



52



Hình 2.2. Sơ đồ hệ EC trong phòng thí nghiệm

Hệ thí nghiệm điện phân gồm các bộ phận chính sau:

Bể EC

Bể được làm bằng thủy tinh hữu cơ trong suốt có thể tích là 2000 ml, kích

thước của bể: dài 125 mm, rộng 100 mm và cao 125 mm.

Điện cực

Chọn vật liệu làm điện cực: Vật liệu điện cực là một trong các thông số

không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng điện phân diễn ra bên trong dung dịch

mà còn liên quan trực tiếp đến chi phí của phương pháp khi xử lý nước thải. Trong

khí đó, các vật liệu anot từ các kim loại khác nhau liên quan trực tiếp đến lượng ion

kim loại tạo thành trong dung dịch. Các chất keo tụ từ ion kim loại có hóa trị cao

hơn được ưu tiên dùng do chúng có khả năng tăng cường q trình keo tụ và loại bỏ

chất ô nhiễm. Thông thường, các điện cực nhơm và sắt được sử dụng nhiều vì các

đặc tính có thể tạo ra chất keo tụ đa dạng của ion hai kim loại này [56], [35]. Hai

loại điện cực này cũng được dùng nhiều do dễ kiếm, sẵn có, chi phí thấp và tỷ lệ

điện giải cao của chúng. Trong nghiên cứu này dùng hai loại điện cực làm bằng

nhôm và sắt để thử nghiệm xử lý NRR của BCL chất thải rắn Nam Sơn.

Chọn cách sắp xếp điện cực: Có hai cách mắc điện cực là nối tiếp và song

song. Khi mắc các điện cực ở chế độ nối tiếp cần có sự chênh lệch hiệu điện thế lớn.

Ngược lại, khi mắc các điện cực ở chế độ song song, dòng điện được phân chia riêng



53



rẽ giữa các điện cực được nối với nhau và đóng vai trò như một điện trở trong bể điện

phân. Tuy nhiên, một điểm đặc biệt của việc mắc các điện cực song song đó là năng

lượng tiêu thụ đúng với năng lượng cần thiết cho phản ứng [64, 70]. Các nghiên cứu

trước cho thấy sắp xếp điện cực đơn cực song song cho chi phí vận hành thấp hơn

[58, 64, 73, 74]. Trong nghiên cứu này chọn cách mắc đơn cực nối song song.

Thí nghiệm dùng 8 điện cực khác nhau trong đó có bốn điện cực âm và bốn

điện cực dương làm từ sắt hoăc nhơm với kích thước 110 mm x 100 mm x 1 mm.

Cực âm và cực dương được lắp đặt song song với nhau và nối với các đầu ra điện âm

và điện dương của một hệ thống cung cấp điện một chiều DC VSP4030 (B & K

Precision, CA, Mỹ) bằng các cặp điện cực phân biệt bằng màu đỏ (điện cực dương)

và xanh (điện cực âm).

Thiết bị khuấy từ

Con từ dùng trong thí nghiệm có kích thước 5 cm kết hợp với bộ khuấy từ

bên dưới bể điện phân luôn được cài đặt chạy với tốc độ 200 vòng/phút để đảm bảo

NRR được khuấy trộn liên tục trong suốt q trình điện phân.

Thể tích làm việc của bể điện phân là 1800 ml. Các dung dịch H2SO4 0,1M và

NaOH 0,1M đã được sử dụng để điều chỉnh pH của dung dịch nước thải.

NRR dùng trong nghiên cứu có độ dẫn cao nên trong nghiên cứu khơng cần bổ

sung chất trợ dẫn.

2.2.2.1. Quy trình thí nghiệm

Định mức 1800 ml dung dịch NRR được lấy từ bãi rác Nam Sơn vào bình

điện phân đã lắp các điện cực.

- Lắp đặt hệ với máy khuấy từ, dây nối điện và nguồn điện một chiều.

- Khuấy đều bằng máy khuấy từ để dung dịch NRR được đồng nhất.

- Kết hợp khuấy từ và tiến hành phản ứng EC trong khoảng thời gian cần thiết

để khảo sát hiệu suất xử lý.

- Tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD, amoni,

TSS và độ màu trong NRR bằng q trình EC.

- Tính từ thời điểm bắt đầu điện phân, lấy mẫu tại các thời điểm cần thiết với

lượng vừa đủ để lắng sau 60 phút. Lấy phần trong ở trên đem đi phân tích giá trị

COD, amoni, TSS và độ màu trước và sau xử lý.



54



- Từ kết quả phân tích COD, amoni, TSS và độ màu đưa ra đánh giá về ảnh

hưởng của các yếu tố tới hiệu quả của phương pháp.

2.2.2.2. Nội dung nghiên cứu

a/ Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD,

amoni, TSS và độ màu bằng cơng nghệ EC

Thí nghiệm sẽ tiến hành thay đổi 2 thông số trong nghiên cứu là mật độ dòng

và thời gian điện phân.

Cơ sở lựa chọn: Theo các nghiên cứu của các tác giả trong bảng 2.2 và qua

các thí nghiệm khảo sát sơ bộ cho thấy nếu tiến hành thí nghiệm ở mật độ dòng nhỏ

q thì hiệu suất xử lý thấp. Khi tăng thời gian điện phân thì hiệu suất xử lý tăng,

nhưng nếu thời gian dài tốn năng lượng.

Bảng 2.2. Mật độ dòng và thời gian điện phân của một số nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu



Mật độ dòng (mA/cm2)



Thời gian điện phân

(phút)



Nguồn



Orkun và cộng sự

(2012)



5, 13, 20, 25, 30



20, 40, 60, 80, 100, 120



[63]



Li X. và cộng sự

(2011)



1,98; 2,98; 3,97; 4,96;

5,95



5, 10, 15, 20, 30, 40, 50,

70, 90, 110



[37]



F. Bouhezila và

cộng sự (2011)



12,5; 25; 50



5, 10, 15, 20, 25, 30



[35]



F. Ilhan và cộng sự

(2008)



34,8; 63,1



5, 10, 15, 20, 25, 30



[36]



Catherine Ricordel

và cộng sự (2014)



2,3; 4,6; 6,8; 9,5



15, 30, 45, 60, 90, 120,

150, 180, 210



[61]



Trong nghiên cứu này mật độ dòng khảo sát từ 1,298 – 5,194 mA/cm2 và

thời gian điện phân từ 10 đến 80 phút.

Đánh giá ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử

lý bằng phương pháp EC. Các thí nghiệm được tiến hành như hình 2.3. Mẫu trước

và sau xử lý được phân tích và đánh giá hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu.



55



Nước rỉ rác

Keo tụ điện hóa



10 phút



10 phút



10 phút



10 phút



10 phút



10 phút



20 phút



20 phút



20 phút



20 phút



20 phút



20 phút



30 phút



30 phút



30 phút



30 phút



30 phút



30 phút



40 phút



40 phút



40 phút



40 phút



40 phút



40 phút



60 phút



60 phút



60 phút



60 phút



60 phút



60 phút



80 phút



80 phút



80 phút



80 phút



80 phút



80 phút



Nghiên cứu

ảnh hưởng của

thời gian điện

phân ở mật độ

dòng

1,298mA/cm2



Nghiên cứu

ảnh hưởng của

thời gian điện

phân ở mật độ

dòng

2,597mA/cm2



Nghiên cứu

ảnh hưởng của

thời gian điện

phân ở mật độ

dòng

3,246mA/cm2



Nghiên cứu

ảnh hưởng của

thời gian điện

phân ở mật độ

dòng

3,896mA/cm2



Nghiên cứu

ảnh hưởng của

thời gian điện

phân ở mật độ

dòng

4,545mA/cm2



Nghiên cứu

ảnh hưởng của

thời gian điện

phân ở mật độ

dòng

5,194mA/cm2



Quan sát thí nghiệm

Lấy phần nước trong sau keo tụ phân tích COD, amoni, TSS và độ màu



Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian

điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR

Điều kiện thí nghiệm:

-



Điện cực: 4 cặp điện cực sắt;



-



Khoảng cách điện cực: 1cm;



-



Cách mắc điện cực: mắc song song;



-



Máy khuấy từ có tốc độ khuấy 200 vòng/phút;



-



Thể tích NRR: 1800 ml/mẻ;



-



Các thí nghiệm được thực hiện ở pH đầu vào của NRR, pH = 7,9 – 8,1.



Từ kết quả thu được lựa chọn giá trị mật độ dòng và thời gian điện phân phù hợp.

b/ Ảnh hưởng của pH đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu

bằng quá trình EC



56



Cơ sở lựa chọn: Orkun và cộng sự (2012) [63] nghiên cứu ảnh hưởng của pH

đầu vào của NRR trong khoảng từ 3 – 8. Li X. và cộng sự (2011) [37] nghiên cứu

các khoảng pH là: 3,9; 5,8; 6,7; 7,5 và 10,1. Trong nghiên cứu này khảo sát tại các

giá trị pH từ 5 – 10.

Đánh giá ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý của quá trình EC bằng cách

tiến hành các thí nghiệm như hình 2.4.

Nước rỉ rác

Keo tụ điện hóa



Thực

nghiệm

ở pH = 5



Thực

nghiệm

ở pH = 6



Thực

nghiệm

ở pH = 7



Thực

nghiệm

ở pH = 8



Thực

nghiệm

ở pH = 9



Thực

nghiệm

ở pH = 10



Nghiên cứu ảnh hưởng của pH với thời gian điện phân và mật độ dòng chọn ở trên



Quan sát thí nghiệm

Lấy phần nước trong sau keo tụ phân tích COD, amoni, TSS và độ màu



Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào

đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR

Trong khi, pH được điều chỉnh thay đổi lần lượt với các giá trị là: 5; 6; 7; 8;

9; 10 (điều chỉnh bằng cách thêm axit H2SO4 0,1M hoặc NaOH 0,1M). Mẫu trước

và sau xử lý được phân tích và đánh giá hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ

màu.

Điều kiện thí nghiệm:

-



Điện cực: 4 cặp điện cực sắt;



-



Khoảng cách điện cực: 1cm;



-



Cách mắc điện cực: mắc song song;



-



Máy khuấy từ có tốc độ khuấy 200 vòng/phút;



-



Thể tích NRR: 1800 ml/mẻ;



57



-



pH: thực hiện thí nghiệm ở các giá trị pH đầu vào của NRR là: 5, 6, 7, 8,

9 và 10.

Từ kết quả thu được, lựa chọn giá trị pH phù hợp.



c/ Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai điện cực đến hiệu suất xử lý COD, amoni,

TSS và độ màu bằng công nghệ EC

Cơ sở lựa chọn: Orkun và cộng sự (2012) [63] nghiên cứu xử lý NRR bằng EC

với khoảng cách điện cực 0,9 cm. Li X. và cộng sự (2011) [37] chọn khoảng cách giữa

các điện cực là 1cm dùng trong nghiên cứu xử lý NRR. Khoảng cách giữa các điện

cực thường nhỏ từ 0,5 – 2,8 cm được các tác giả sử dụng trong nghiên cứu [35, 6063]. Trong quá trình nghiên cứu khi thử nghiệm với khoảng cách cách điện cực < 1

cm thấy q trình điện phân khơng ổn định (đơi khi còn có hiện tượng đoản mạch)

ngun nhân là do trong NRR có TSS cao. Vì vậy, khơng thể tiến hành ở khoảng

cách điện cực < 1 cm. Vì vậy, trong nghiên cứu này khảo sát tại các giá trị khoảng

cách điện cực từ 1 – 7 cm.

Để đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai điện cực tới hiệu suất xử lý

của q trình EC. Các thí nghiệm tiến hành như hình 2.5. Trong khi, khoảng cách

điện cực được điều chỉnh thay đổi lần lượt là: 1; 3; 5; và 7 cm. Mẫu trước và sau xử

lý được phân tích và đánh giá hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu.

Điều kiện thí nghiệm:

-



Điện cực: điện cực sắt;



-



Khoảng cách điện cực: thí nghiệm ở các khoảng điện cực 1, 3, 5, 7 cm;



-



Cách mắc điện cực: mắc song song;



-



Máy khuấy từ có tốc độ khuấy 200 vòng/phút;



-



Thể tích NRR: 1800 ml/mẻ;



-



Các thí nghiệm được thực hiện ở pH đầu vào của NRR, pH = 7,9 – 8,1.



58



Nước rỉ rác

Keo tụ điện hóa



Thực nghiệm ở

khoảng cách

điện cực 1 cm



Thực nghiệm ở

khoảng cách

điện cực 3 cm



Thực nghiệm ở

khoảng cách

điện cực 5 cm



Thực nghiệm ở

khoảng cách

điện cực 7 cm



Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách điện cực với thời gian điện phân, mật độ

dòng và pH đầu vào của NRR lựa chọn ở trên

Quan sát thí nghiệm

Lấy phần nước trong sau keo tụ phân tích COD, amoni, TSS và độ màu



Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách điện cực

đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR

Từ kết quả thu được, lựa chọn giá trị khoảng cách giữa các điện cực phù hợp.

Sau khi chọn được mật độ dòng thích hợp cho q trình EC điện cực sắt.

Tiến hành thí nghiệm tương tự với điện cực nhơm nghiên cứu ảnh hưởng của thời

gian điện phân, pH đầu vào của NRR, khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý

COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ở mật độ dòng lựa chọn.

2.2.3. Phương pháp thực nghiệm lọc sinh học

Các thí nghiệm được thực hiện nhằm tìm ra các điều kiện thích hợp về chế

độ sục khí, tải lượng đầu vào để xử lý NRR sau quá trình xử lý bằng EC (đánh giá

thông qua các thông số COD, amoni, nitrat, TSS, độ màu).

Hệ BF trong phòng thí nghiệm

Thí nghiệm thực hiện trên hệ thiết bị như ở hình 2.6, với chu kỳ vận hành như

hình 2.7. Một ngày đêm hệ BF vận hành 12 chu kỳ (mỗi chu kỳ 120 phút).

Bể thí nghiệm thiếu khí - hiếu khí cải tiến được làm bằng mica trong suốt có

kích thước như bảng 2.3. Vật liệu đệm sinh học được làm bằng polyetylen (PE) với

diện tích bề mặt là 200 m2/m3 và VSV được nuôi cấy bám trên đệm sinh học.

NRR được xử lý ở điều kiện thích hợp lựa chọn ở trên bằng quá trình EC

theo từng mẻ (từ 3 – 6 mẻ/ngày tùy vào lượng nước cần cho BF trong ngày). Sau



59



khi để lắng 60 phút lấy phần nước trong. NRR sau xử lý EC của các mẻ trong ngày

được trộn trộn vào nhau mang xử lý tiếp bằng BF.



Hình 2.6. Sơ đồ hệ BF trong phòng thí nghiệm

①: Ngăn thiếu khí



②: Ngăn hiếu khí



④: Cửa xả bùn thải



⑤: Bơm khí



③: Ngăn lắng

⑥: Vật liệu đệm mang vi sinh



Thời gian 1 chu kỳ = 120 phút



Chu kỳ

trước



Giai đoạn

sục khí

(S)



Giai đoạn

dừng sục khí

(D)



Hình 2.7. Sơ đồ vận hành một chu kỳ trong hệ BF

Giai đoạn khởi động hệ BF



Chu kỳ

tiếp theo



60



NRR sau EC trong thùng chứa được cấp liên tục vào ngăn thiếu khí - hiếu

khí kết hợp và ngăn lắng. Ở ngăn hiếu khí dưới đáy có bộ phận cấp khí làm tăng

lượng oxy trong nước thải. Nhờ hiệu ứng khí nâng, hỗn hợp bùn - nước trong hệ BF

được tuần hồn liên tục từ ngăn hiếu khí sang ngăn thiếu khí. Lưu lượng khơng khí

thổi vào được khống chế ở mức nhất định để duy trì DO trong bể ở mức từ 6 – 7

mg/l nhằm duy trì điều kiện hiếu khí. Nước thải sau khi qua ngăn lắng sẽ chảy tràn

ra ngoài vào thiết bị chứa. Bùn trong ngăn lắng khi sục khí sẽ tự động được kéo

ngược trở lại sang ngăn hiếu khí rồi sang ngăn thiếu khí. Các thơng số pH, DO được

hiển thị trên bảng điều khiển và được lưu trên máy tính. Thời gian sục khí và dừng

sục khí được điều khiển tự động.

VSV được lấy từ hệ thí nghiệm tại Viện Cơng nghệ môi trường cho vào hệ BF

nuôi dưỡng trong thời gian 1 tháng để tạo màng lọc sinh học trên giá thể đệm và cho hệ

vi sinh ổn định đạt yêu cầu của q trình thí nghiệm.

Bảng 2.3. Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm

Thông số



Đơn vị



Ngăn thiếu khí +

Ngăn hiếu khí



Ngăn lắng



Dài



m



0,28



0,05



Rộng



m



0,15



0,15



Cao



m



0.52



0,52



Thể tích hiệu

dụng



lít



20,0



3,8



2.2.3.1. Tiến trình thí nghiệm

Q trình xử lý bằng BF diễn ra trong thời gian một năm rưỡi. NRR lấy ở mùa

khô và mùa mưa là rất khác nhau để hệ xử lý BF hoạt động ổn định NRR đầu vào phải

khống chế theo số liệu của mùa mưa với hàm lượng theo bảng 2.1.

- Tiến hành các thí nghiệm nhằm mục đích khảo sát các yếu tố ảnh hưởng

đến hiệu suất xử lý.



61



Nước rỉ rác

Keo tụ điện phân



Chế độ 1 (25 ngày)

Q=3lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC; S/D=60/60phút



Chế độ 5 (25 ngày)

Q=4lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC



Chế độ 2 (25 ngày)

Q=3lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC; S/D=45/75phút



Chế độ 6 (25 ngày)

Q=5lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC



Chế độ 3 (25 ngày)

Q=3lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC; S/D=30/90phút



Chế độ 7 (25 ngày)

Q=6lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC



Chế độ 4 (25 ngày)

Q=3lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC; S/D=15/105phút



Chế độ 8 (25 ngày)

Q=7lít/ngày; DO= 6–7mg/l;

T=25-32oC



Nghiên cứu ảnh hưởng của

chế độ sục khí khác nhau đến

hiệu suất xử lý COD, amoni,

TSS, nitrat và độ màu



Nghiên cứu ảnh hưởng của

tải lượng đầu vào khác nhau

đến hiệu suất xử lý COD,

amoni, TSS, nitrat và độ màu

(chế độ S/D lựa chọn ở bên)



Quan sát thí nghiệm

Mỗi ngày ở một thời điểm nhất định lấy mẫu đầu ra sau BF

phân tích COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu



Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian sục khí và tải lượng

đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trong NRR

- Mỗi ngày lấy mẫu đầu ra tại một thời điểm nhất định đem đi phân

tích giá trị COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trước và sau xử lý.