Làm thế nào để nuôi dưỡng bùn hạt hiếu khí từ nước thải

Thread Content

Bùn hạt hiếu khí là một công nghệ mới trong xử lý sinh học nước thải. So với các khối bùn hoạt tính được sử dụng phổ biến hiện nay trong phương pháp bùn hoạt tính, ưu điểm của bùn hạt hiếu khí là các khối bùn hoạt tính phát triển thành hạt trong một số điều kiện nhất định và tốc độ lắng trong nước lớn hơn nhiều so với các khối bùn hoạt tính. Vì vậy, khi sử dụng bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải thì nồng độ sinh học trong bể sục khí có thể* * Bằng cách tăng thời gian lắng, * * Rút ngắn. Nồng độ bùn hoạt tính trong bể sục khí của phương pháp bùn hoạt tính thông thường là khoảng 3000 mg·L-1, thời gian lắng là 30 phút đến 2 giờ. Với công nghệ bùn hạt hiếu khí, nồng độ bùn trong bể sục khí có thể đạt 10000 ~ 14000 mg·L-1 và thời gian lắng chỉ 1 ~ 3 phút. So với bùn hạt kỵ khí thường được sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ cao và nước thải chịu lửa, thời gian nuôi cấy bùn hạt hiếu khí là khoảng 1 tuần đến 1 tháng, ngắn hơn nhiều so với thời gian khởi động của bùn hạt kỵ khí là 6 tháng. Vì vậy, công nghệ bùn hạt hiếu khí được kỳ vọng sẽ mang lại bước tiến đột phá cho công nghệ xử lý nước thải sinh học hiện nay. Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu về quá trình tạo hạt bùn hiếu khí còn ngắn và người ta chưa quen với quá trình hình thành và cơ chế hình thành của bùn hạt hiếu khí. Hiện vẫn còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về tác động của các yếu tố môi trường khác nhau đến bùn hạt hiếu khí và vi sinh vật bùn hạt. Ngoài ra, hầu hết các nghiên cứu về bùn hạt hiếu khí đều được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng phân phối nước nhân tạo với nồng độ chất hữu cơ cao hơn (như glucose, v.v.) làm nền. Nước thải sinh hoạt đô thị có nồng độ chất hữu cơ thấp hiếm khi được sử dụng để nuôi bùn dạng hạt hiếu khí. Mặt khác, nước thải sinh hoạt đô thị chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau và hàm lượng COD thấp, thường dưới 200 mg·L-1. Hiện nay, loại nước thải này hầu hết được xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính truyền thống, có tác dụng xử lý nước thải tốt. Tuy nhiên, hệ thống xử lý bùn hoạt tính truyền thống thường chiếm diện tích lớn, chi phí xây dựng cao, lượng bùn dư lớn, chi phí vận hành cao và dễ bị giãn nở bùn. Nghiên cứu này đã thiết lập một thiết bị thử nghiệm thí điểm sử dụng nước thải đô thị thực tế để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí và sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như kính hiển vi quét laser đồng tiêu và nhiễu xạ tia X để nghiên cứu các đặc tính của bùn hạt nuôi cấy, nhằm tạo nền tảng cho ứng dụng thực tế của công nghệ bùn hạt hiếu khí. 1 Vật liệu và phương pháp 1.1 Thiết bị thử nghiệm Thử nghiệm thí điểm sử dụng lò phản ứng SBR hình trụ. Phần trên được làm bằng thủy tinh hữu cơ, phần dưới được làm bằng thép, bên trong được sơn để chống ăn mòn. Đường kính trong của lò phản ứng là 1 m, chiều cao hiệu quả là 4,5 m và thể tích hiệu dụng là 3,5 m3. Một máy nén khí được sử dụng để cung cấp không khí và thể tích sục khí được điều khiển bằng đồng hồ đo lưu lượng. Thể tích sục khí là 12,5 m3·h-1 và tốc độ dòng khí trên bề mặt bên trong của lò phản ứng là 0,44 cm. ·s-1. Tốc độ dòng khí trên bề mặt bên trong của lò phản ứng được xác định như sau: 　　Tốc độ dòng khí trên bề mặt bên trong của lò phản ứng (cm ·s-1) = tốc độ dòng khí trong lò phản ứng (m3 ·s-1)/diện tích mặt cắt ngang của lò phản ứng (m2) × 100. Thiết bị thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Thời gian chu trình một chu kỳ SBR là 180 phút, bao gồm 8 phút nước vào, 160 phút sục khí, 6 phút kết tủa và 6 phút nước ra; toàn bộ quy trình vận hành được điều khiển bởi một công tắc điều khiển thời gian của máy vi tính. Nước thải mô phỏng nhân tạo được bơm vào lò phản ứng từ phần trên của lò phản ứng bằng bơm định lượng, nước thải được xả ra từ cổng thoát nước ở giữa lò phản ứng với tỷ lệ thoát nước là 50%. Trong chu trình 3 giờ, nồng độ DO trong lò phản ứng luôn được duy trì trên 2 mg·L-1. http://www.hjkx.ac.cn/hjkx/ch/html/PIC/20140531-1.jpg 　　Hình 1 Sơ đồ nhà máy thí điểm 1. Bể chứa nước thô; 2. Bơm đầu vào; 3. Bộ điều khiển thời gian vi máy tính; 4. Máy nén khí; 5. Đồng hồ đo lưu lượng không khí; 6. Đầu sục khí; 7. Bơm đầu ra; 8. Cửa thoát nước 1.2 Bùn cấy và nuôi cấy Bùn cấy là bùn tuần hoàn từ bể lắng thứ cấp của trạm xử lý nước thải thực tế. Bùn có cấu trúc bông xốp màu vàng và các đặc tính của nó được thể hiện trong Bảng 1. Sau khi sục khí bùn hạt trong 24 giờ, nó lắng trong 30 phút, xả phần nổi phía trên sao cho lượng bùn được cấy là 50% tổng thể tích, sau đó bơm nước thải nuôi cấy đến mực nước bình thường. Sau khi cấy, nồng độ bùn trong lò phản ứng xấp xỉ 3000 mg·L-1. Nước thử nghiệm được sử dụng là nước thải đô thị thực tế từ nhà máy xử lý nước thải và chất lượng nước đầu vào như trong Bảng 2. http:// www.dowater.com/jishu/UploadFiles_9416/201611/2016111614141850.jpg 　　Bảng 1 Tính chất của bùn cấy http://www.dowater.com/jishu/UploadFiles_9416/201611/2016111614143015.jpg 　　Bảng 2 Chất lượng nước đầu vào 1.3 Phương pháp phân tích (1) Phân tích thường xuyên COD và NH+4-N áp dụng phương pháp quang phổ kín nhanh. NO-2-N, NO-3-N, TP, nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp rượu (chất rắn lơ lửng hỗn hợp, MLSS), nồng độ chất rắn lơ lửng dễ bay hơi hỗn hợp rượu (chất rắn lơ lửng dễ bay hơi hỗn hợp, MLVSS) và nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước thải (chất rắn lơ lửng, SS) đều được xác định bằng các phương pháp tiêu chuẩn. Olympus được sử dụng. Kính hiển vi quang học CX31 và máy ảnh kỹ thuật số Olympus phù hợp được sử dụng để thu nhận hình ảnh. (2) Phân tích CLSM của các phần đông lạnh: Bùn dạng hạt hiếu khí trong lò phản ứng được loại bỏ, rửa bằng PBS, đặt trong môi trường đông lạnh Tissue-Tek OCT (Miles, Elkhart, IN) và đông lạnh ở -40°C qua đêm. Bùn dạng hạt đông lạnh được cắt thành các phần dày 50 μm trên máy lạnh quay (CM 1510-Cryost, Leica, Đức). phân tích CLSM: Thuốc nhuộm axit nucleic SYTO9 (25 mmol·L-1, Molecular Probe, Eugene, OR) được sử dụng để nhuộm vi khuẩn trong các mặt cắt và thuốc nhuộm huỳnh quang lectin ConA-TRITC (250 mg·L-1, Sigma) được sử dụng để nhuộm EPS trong các mặt cắt. Sau khi nhuộm trong 20 phút, các mẫu được rửa bằng PBS. Các mẫu phần nhuộm màu đã được rửa được đặt trên kính hiển vi quét laser đồng tiêu (CLSM, LSM 5 Pascal, Zeiss, Jena, Đức). (3) Phân tích thành phần vô cơ của bùn hạt hiếu khí. Sử dụng máy phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích thành phần các chất vô cơ trong bùn hạt hiếu khí. Phương pháp cụ thể là:: Đầu tiên, đốt mẫu ở nhiệt độ 550°C trong hơn 30 phút, để nguội và khô, sau đó nghiền mẫu thành bột và sử dụng máy đo nhiễu xạ bột tia X Bruker D8 Advance để thu mẫu (tia Cu-Kα, máy dò LynxEye, điện áp ống đèn 40 kV, dòng điện 40 mA, phạm vi góc 2θ 10°~80°, kích thước bước 0,02°, tốc độ quét 0,3 s·bước-1), Eva Phần mềm xử lý mẫu XRD (Bruker Co. Ltd.) đã được sử dụng để phân tích dữ liệu. 2 Kết quả và phân tích 2.1 Sự hình thành bùn hạt hiếu khí Trong quá trình hình thành bùn hạt, hình thái của bùn hạt trong lò phản ứng được quan sát bằng kính hiển vi quang học và những thay đổi của nó được thể hiện trong Hình 2. Có thể thấy rằng theo thời gian nuôi cấy, bùn keo tụ phân tán dần dần biến đổi thành các hạt nhỏ không đều, sau đó từ từ phát triển thành các hạt lớn hơn với các cá thể lớn hơn và hình dạng đầy đủ, cuối cùng tạo thành bùn hạt hiếu khí trưởng thành hình elip, màu nâu sẫm có ranh giới rõ ràng. Tỷ lệ bùn hạt trong bể phản ứng tăng dần, từ khoảng 20% ​​ở 40 ngày lên khoảng 85% ở 100 ngày. http://www.hjkx.ac.cn/hjkx/ch/html/PIC/20140531-2.jpg 　　Hình 2 Sự thay đổi hình thái của bùn hạt hiếu khí. Trong quá trình nuôi cấy bùn hạt hiếu khí, thời gian lắng của bể phản ứng giảm dần từ 30 phút xuống còn 6 phút. Trong quá trình giảm thời gian lắng, do xả bùn quá nhiều nên nồng độ bùn (MLSS) trong bể phản ứng giảm từ 2,13 g·L-1 xuống 0,94 g. ·L-1 (Hình 3), khi đó bùn dạng hạt có thể thu được nhiều chất dinh dưỡng hơn để phát triển. Nồng độ bùn trong lò phản ứng tăng dần theo quá trình tạo hạt và MLSS bắt đầu tăng chậm. Khi chạy trong 40 ngày, kích thước hạt tăng lên so với trước và về cơ bản trưởng thành. Kích thước hạt của bùn hạt hiếu khí có thể đạt khoảng 1,0 mm. Tại thời điểm này, nồng độ MLSS trong lò phản ứng là khoảng 1,2 g ·L-1. Nước đầu vào của nhà máy xử lý nước thải là nước sông. Chương 75 d, do mưa lớn nên chất rắn lơ lửng trong nước sông tăng mạnh khiến nồng độ MLSS trong bể phản ứng tăng cao; sau khi hết mưa, nồng độ MLSS trong lò phản ứng giảm trở lại bình thường. http://www.hjkx.ac.cn/hjkx/ch/html/PIC/20140531-3.jpg 　　Hình 3 Sự thay đổi MLSS và MLVSS trong lò phản ứng SBR thí điểm theo thời gian vận hành 2.2 Loại bỏ các chất ô nhiễm Sự thay đổi nồng độ của SS trong nước thải của lò phản ứng thí điểm được thể hiện trên Hình 4. Khi thời gian vận hành tăng lên, tỷ lệ bùn dạng hạt trong lò phản ứng thí điểm ngày càng cao hơn và nồng độ SS trong nước thải của lò phản ứng giảm dần. Tuy nhiên, so với tiêu chuẩn loại A đối với nước thải từ nhà máy xử lý nước thải (nước thải SS