Quá trình sản xuất có thể phát sinh ra lượng nước thải ngày càng tăng trong khi việc tăng công suất hoạt động của hệ thống xử lý nước thải hiện hữu gặp phải nhiều khó khăn.. DANH MỤC CÁ
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Trang 3- -oOo -
Tp HCM, ngày 01 tháng 05 năm 2012
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN HOÀNG NHƯ Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 08/10/1987 Nơi sinh : An Giang
Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường
1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm
Reactor) để xử lý nước thải sản xuất bia.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Lập mô hình nghiên cứu, kế hoạch lấy mẫu, phân tích các thông số nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình MBBR đối với nước thải từ bể cân bằng của nhà máy bia Sabmiller
Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình đối với tính chất nước thải đầu vào đã đề
ra
Đề xuất phương án áp dụng công nghệ
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/05/2012
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/12/2012
Trang 4Thực hiện luận văn cao học thật sự là một thách thức lớn trong quá trình học tập
và công tác, thông qua đó giúp em ho ̣c đươ ̣c nhiều điều cả trên lý thuyết lẫn thực tiễn cuô ̣c sống Để có được những trải nghiê ̣m này , em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Ứng Long đã tạo điều kiện và chỉ dạy em trong suố t khoảng thời gian công tác và nghiên cứ u Với lòng biết ơn, em xin kính chúc Thầy luôn khỏe mạnh
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc Công ty TNHH Sabmiller Việt Nam, anh Mai Nghi Thuấn, anh Dương Công Chung đã hỗ trơ ̣ tôi thực hiện mô hình thí nghiệm và phân tích các chỉ tiêu trong suốt quá trình thực nghiệm Chúc mọi người có nhiều sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong công việc
Chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên giúp tôi có thể vượt qua tất cả khó khăn cho tới hôm nay Chúc mọi người luôn bình an, hạnh phúc
TP.HCM, ngày 16 tháng 12 năm 2012
Nguyễn Hoàng Như
Trang 5Hiện nay, công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát ở Việt Nam đang phát triển mạnh để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng của xã hội Quá trình sản xuất có thể phát sinh ra lượng nước thải ngày càng tăng trong khi việc tăng công suất hoạt động của hệ thống xử lý nước thải hiện hữu gặp phải nhiều khó khăn Nên đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) để xử lý nước thải sản xuất bia” đưa ra thêm lựa chọn cho việc nâng cấp hệ thống xử lý nước thải hiện hữu trở nên đơn giản Mô hình sử dụng hai loại giá thể lơ lửng trong điều kiện hiếu khí tuần tự là K3 và F10 – 4 ở các mức tải trọng 1 Kg/m3.ngày, COD dòng vào <400 mg/l, TN <60 mg/l, TP <13 mg/l thời gian lưu nước 8h, ở mức tải trọng 1.5, 3, 4.5 KgCOD/m3.ngày, COD dòng vào <2200mg/l, TN <80 mg/l, TP <21 mg/l và thời gian lưu nước tương ứng là 32, 16, 10h Kết quả cho thấy ở mức tải trọng 1 và 1.5 KgCOD/m3
.ngày, cả hai loại giá thể đều thể hiện ưu điểm tốt, dòng ra COD <43 mg/l, TN <14 mg/l, TP <4 mg/l đáp ứng được QCVN 24:2009/BTNMT, loại A Ở các mức tải trọng cao hơn, TN
<14 mg/l đạt loại A theo tiêu chuẩn trên, Tp <5mg/l đạt loại B theo thiêu chuẩn trên, COD đạt hiệu quả xử lý trung bình đến 92%
Trang 6development Manufacturing process can generate increasing amount of wastewater while increasing the operational capacity of the existing wastewater treatment system encountered many difficulties This research was studied on application of Moving Bed Biofilm Reactor for brewing wastewater treatment, given more options for upgrading existing wastewater treatment system This experiment use two types of media are K3 and F10 – 4 in difference organic loading rates 1 KgCOD/m3.day (outlet
of UASB tank), average characteristics of wastewater: COD lower than 400 mg/l, TN lower than 60 mg/l and TP lower than 13 mg/l, hydraulic retention time is 8h ; 1.5, 3, 4.5 KgCOD/m3.day, average characteristics of wastewater: COD lower than 2200 mg/l, TN lower than 80 mg/l and TP lower than 21 mg/l, hydraulic retention time are
32, 16, 10h The experimental result shown that in OLR 1 and 1.5 KgCOD/m3.day, effluent: COD lower than 43 mg/l, TN lower than 14 mg/l, TP lower than 4 mg/l and meet QCVN 24:2009/BTNMT, level A; the remaining OLR, TN lower 14 mg/l meet level A, TP lower 5 mg/l meet level B and average efficiency of COD is 92%
Trang 7MỤC LỤC
TÓM TẮT V MỤC LỤC VI DANH MỤC BẢNG IX DANH MỤC HÌNH X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XIII
CHƯƠNG 1 1
MỞ ĐẦU 1
1.1 ĐẶTVẤNĐỀ 2
1.2 MỤCTIÊUNGHIÊNCỨU 3
1.3 ĐỐITƯỢNGVÀPHẠMVINGHIÊNCỨU 3
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm 3
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 3
1.4 PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 4
1.4.1 Phương pháp hồi cứu 4
1.4.2 Phương pháp thí nghiê ̣m và phân tích 4
1.4.3 Phương pháp nghiên cứu mô hình 4
1.4.4 Phương pháp xử lý số liê ̣u 4
1.4.5 Tính mới của đề tài và ý nghĩa thực tiễn 4
CHƯƠNG 2 5
TỔNG QUAN 5
2.1.TỔNGQUANVỀNƯỚCTHẢISẢNXUẤTBIA 6
2.1.1 Quá trình sản xuất bia 6
2.1.2 Thành phần ô nhiễm 8
2.1.3 Công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia 10
2.1.4 Tổng quan Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller 11
Trang 82.2.1 Phương pháp sinh học 16
2.2.2 Phương pháp sinh học loại bỏ nitrogen 21
2.3 TỔNGQUANVỀCÔNGNGHỆMBBR 27
2.3.1 Giới thiệu về công nghệ MBBR 27
2.3.2 Giá thể di động 28
2.3.3 Lớp màng biofilm 30
2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR 32
2.3.5 Ứng dụng công nghệ MBBR 34
2.5.NHỮNGTHUẬNLỢIVÀHẠNCHẾCỦACÔNGNGHỆMBBR 40
2.5.1 Thuận lợi 40
2.5.2 Hạn chế 40
2.4 MỘTSỐCÔNGTRÌNHÁPDỤNGCÔNGNGHỆMBBR 40
2.4.1 Hệ thống xử lý nước thải khu tự trị Sharjah 40
2.4.2 Hệ thống xử lý nước thải Siêu thị Coopmart Bà Rịa 44
2.4.2 Hệ thống xử lý nước thải Nhà máy bia Sapporo Việt Nam 46
2.4.3 Hệ thống xử lý nước thải Nhà máy chế biến thủy sản Minh Phú – Hậu Giang 50
CHƯƠNG 3 54
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 54
3.1 ĐỐITƯỢNGNGHIÊNCỨU 55
3.1.1 Nước thải 55
3.1.2 Giá thể 55
3.2 MÔHÌNHNGHIÊNCỨU 56
3.2.1 Thiết kế mô hình 56
3.2.2 Kích thước trong mô hình 58
3.2.3 Các chi tiết thiết bị trong mô hình 59
3.3 NỘIDUNGNGHIÊNCỨU 56
3.3.1 Thí nghiệm thích nghi trên giá thể K3 57
Trang 93.3.2 Thí nghiệm 1 58
3.3.3 Thí nghiệm 2 59
3.3.4 Thí nghiệm 3 59
3.3.5 Thí nghiệm 4 60
3.3.6 Thí nghiệm 5 60
3.3.7 Thí nghiệm thích nghi, thí nghiệm 6; 7; 8; 9 61
3.4 QUYTRÌNHLẤYMẪUVÀPHƯƠNGPHÁPPHÂNTÍCH 62
3.4.1 Quy trình lấy mẫu 62
3.4.1 Phương pháp phân tích 62
CHƯƠNG 4 64
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 64
4.1 KẾTQUẢVẬNHÀNHỞGIAIĐOẠNTHÍCHNGHI 65
4.1.1 Sự phát triển của lớp màng vi sinh trên giá thể K3 65
4.1.2 Sự phát triển của lớp màng vi sinh trên giá thể F10 – 4 68
4.2 KẾTQUẢTRÊNMÔHÌNHMBBRVỚIGIẢTHỂK3 71
4.2.1 So sánh hiệu quả xử lý COD, TN, TP và hàm lượng MLSS trên mô hình có tuần hoàn và không tuần hoàn nước ở tải trọng OLR=1.5 KgCOD/m3.ngày 71
4.2.2 Đánh giá kết quả phân tích trên mô hình với giá thể K3 74
4.3.KẾTQUẢTRÊNMÔHÌNHMBBRVỚIGIÁTHỂF10-4 79
4.2.1 Diễn biến của chỉ tiêu pH 80
4.2.2 Diễn biến của chỉ tiêu DO 80
4.2.3 Hiệu quả xử lý COD 81
4.2.4 Hiệu quả xử lý TN, TP 82
4.2.3 Diễn biến MLSS của màng vi sinh 83
4.4. ĐỀXUẤTPHƯƠNGÁNỨNGDỤNGCÔNGNGHỆMBBRVÀONÂNG CẤPHỆTHỐNGXỬLÝNƯỚCTHẢINHÀMÁYSABMILLER 86
4.4.1 Đánh giá kết quả phân tích với nước thải lấy từ đầu ra của bể UASB 86
4.4.2 Đề xuất phương án nâng cấp Hệ thống xử lý nước thải hiện tại 90
Trang 10TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 96
PHẦN PHỤ LỤC 97
PHỤLỤC1:KẾTQUẢPHÂNTÍCH 97
PHỤLỤC2:MỘTSỐHÌNHẢNHTRONGQUÁTRÌNHNGHIÊNCỨU 109
Trang 11DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Ngưỡng giá trị chung của nước thải trong công đoạn sản xuất bia 8
Bảng 2.2 Đặc tính nước thải một số nhà máy sản xuất bia 9
Bảng 2.3 Thông số nước thải đầu vào hệ thống xử lý nước thải Nhà máy bia Sabmiller 13
Bảng 2.4 Một số giống vi khuẩn và chức năng của chúng 18
Bảng 2.5 Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước 23
Bảng 2.6 Thông số các loại giá thể Anox Kaldnes 28
Bảng 2.7 Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước 37
Bảng 2.8 So sánh thông số thiết kế của MBBR với các công nghệ khác 40
Bảng 2.9 Thông số thiêt kế cho hệ MBBR – keo tụ - tuyển nổi 41
Bảng 2.10 Thông số thiết kế hệ thống xử lý nước thải Sharjah 42
Bảng 2.11 Kết quả thí nghiệm của hệ thống xử lý nước thải khu tự trị Sharjah 43
Bảng 3.1 Các thông số nước thải đầu vào của mô hình 55
Bảng 3.2 Thông số các loại giá thể sử dụng trong mô hình 55
Bảng 3.3 Các thông số vận hành trong giai đoạn thích nghi 57
Bảng 3.4 Các thông số vận hành ở thí nghiệm 1 58
Bảng 3.5 Các thông số vận hành ở thí nghiệm 2 59
Bảng 3.6 Các thông số vận hành ở thí nghiệm 3 59
Bảng 3.7 Các thông số vận hành ở thí nghiệm 4 60
Bảng 3.8 Các thông số vận hành ở thí nghiệm 5 60
Bảng 3.9 Thời gian thực hiện mô hình trên giá thể F10 – 4 và tải trọng bề mặt 61
Bảng 3.10 Diễn giải các vị trí lấy mẫu 62
Bảng 3.11 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 62
Bảng 4.1 Kết quả phân tích tại OLR=0.6KgCOD/m3.ngày trên giá thể K3 65
Bảng 4.2 Kết quả phân tích tại OLR=0.6KgCOD/m3.ngày trên giá thể F10-4 68
Bảng 4.3 So sánh kết quả vận hành mô hình MBBR trên hai loại giá thể 85
Trang 12DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Công nghệ sản xuất bia và các dòng thải 7
Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia điển hình 10
Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller 14
Hình 2.4 Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller 16
Hình 2.5 Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang 21
Hình 2.6 Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng 21
Hình 2.7 Sự chuyển hóa nitơ trong quá trình chuyển hóa sinh học 22
Hình 2.8 Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR 27
Hình 2.9 Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix-O 29
Hình 2.10 Sự phát triển của lớp màng biofilm ở bên ngoài ít hơn bên trong 30
Hình 2.11 Mặt cắt lớp màng vi sinh trên giá thể K1 31
Hình 2.12 Nồng độ của chất nền theo chiều sâu lớp màng 32
Hình 2.13 Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể 33
Hình 2.14 Hệ MBBR khử hữu cơ và nitrogen 34
Hình 2.15 Các quy trình công nghệ tách sinh khối trong nước sau khi qua MBBR 35
Hình 2.16 Công nghệ MBBR xử lý hữu cơ 36
Hình 2.17 Công nghệ MBBR để xử lý hữu cơ và phosphorus 36
Hình 2.18 Quy trình xử lý BOD và chất dinh dưỡng 38
Hình 2.19 AnoxKaldnesTM – bể MBBR độc lập 38
Hình 2.20 HybasTM – quy trình kết hợp 39
Hình 2.21 LagoonGuardTM – quy trình hồ sinh học 39
Hình 2.22 BasTM – quy trình kết hợp 39
Hình 2.23 Hệ MBBR kết hợp keo tụ 41
Hình 2.24 Công nghệ MBBR để xử lý hữu cơ và photpho 43
Hình 2.25 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải Siêu thị Coopmart Bà Rịa 44
Hình 2.26 Lưới chặn giá thể, thiết bị trộn tĩnh và máy thổi khí trong hệ MBBR 46
Trang 13Hình 2.27 Giá thể K3 – Anox Kaldnes trước khi cho vào bể MBBR 46
Hình 2.28 Sơ đồ công nghệ Hệ thống xử lý nước thải Nhà máy bia Sapporo 47
Hình2.29 Giá thể K3 trong giai đoạn hình thành màng của Nhà máy bia Sapporo 49
Hình 2.30 Hệ thống xử lý nước thải Nhà máy bia Sapporo 50
Hình 2.31 Sơ đồ công nghệ trạm xử lý nước thải Minh Phú – Hậu Giang 51
Hình 2.32 Trước và sau khi hình thành màng trên giá thể K3 của hệ thống xử lý nước thải Minh Phú – Hậu Giang 52
Hình 3.1 Các loại giá thể sử dụng trên mô hình MBBR 56
Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ mô hình MBBR 57
Hình 3.3 Mô hình MBBR thực tế 58
Hình 3.4 Kích thước bể MBBR1-2 và bể lắng 58
Hình 3.5 Các thiết bị chính trong mô hình MBBR 59
Hình 3.6 Các phụ kiện trong mô hình 59
Hình 3.7 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 60
Hình 3.8 Tóm tắt các nội dung thí nghiệm 56
Hình 3.9 Men vi sinh Biosystem B560HV sử dụng nuôi cấy vi sinh 58
Hình 3.10 Các vị trí lấy mẫu 62
Hình 4.1 Bọt trắng nổi trên bề mặt bể phản ứng trong giai đoạn thích nghi 65
Hình 4.2 Diễn biến pH và DO trong giai đoạn thích nghi 66
Hình 4.3 Màng vi sinh hình thành trên giá thể K3 ngày thứ 3 và 20 67
Hình 4.4 Diễn biến MLSS của màng vi sinh và hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn thích nghi 68
Hình 4.5 Bọt trắng xuất hiện trên bề mặt bể MBBR trong quá trình làm đầy bể 69
Hình 4.6 Diễn biến pH và DO trong giai đoạn thích nghi trên giá thể F10-4 70
Hình 4.7 Diễn biến MLSS của màng vi sinh và hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn thích nghi 70
Hình 4.8 Màng vi sinh hình thành trên giá thể F10 – 4 ngày thứ 7 và ngày thứ 20 71
Hình 4.9 Diễn biến pH và DO ở tải trọng OLR=1.5KgCOD/m3.ngày trên giá thể K3 72
Trang 14Hình 4.10 Diễn biến COD và MLSS ở tải trọng OLR=1.5KgCOD/m3
.ngày trên giá thể
K3 73
Hình 4.11 Diễn biến TN và TP ở tải trọng OLR=1.5KgCOD/m3 ngày trên giá thể K3 73
Hình 4.12 Diễn biến pH thí nghiệm trên giá thể K3 74
Hình 4.13 Diễn biến DO thí nghiệm trên giá thể K3 75
Hình 4.14 Hiệu quả xử lý COD thí nghiệm trên giá thể K3 76
Hình 4.15 Hiệu quả xử lý TN, TP thí nghiệm trên giá thể K3 77
Hình 4.16 Diễn biến MLSS của màng vi sinh trên giá thể K3 78
Hình 4.17 Màng vi sinh hình thành trên giá thể K3 ngày thứ 78 và 95 79
Hình 4.18 Diễn biến pH thí nghiệm trên giá thể F10-4 80
Hình 4.19 Diễn biến DO thí nghiệm trên giá thể K3 81
4.2.3 Hiệu quả xử lý COD 81
Hình 4.20 Hiệu quả xử lý COD thí nghiệm trên giá thể F10 – 4 82
4.2.4 Hiệu quả xử lý TN, TP 82
Hình 4.21 Hiệu quả xử lý TN, TP trên giá thể F10-4 83
4.2.3 Diễn biến MLSS của màng vi sinh 83
Hình 4.22 Diễn biến MLSS của màng vi sinh trên giá thể F10-4 84
Hình 4.23 Màng vi sinh hình thành trên giá thể F10 – 4 ngày thứ 56 và 77 85
Hình 4.24 Diễn biến pH và DO ở thí nghiệm 5 86
Hình 4.25 Diễn biến MLSS và hiệu quả xử lý COD ở thí nghiệm 5 87
Hình 4.26 Màng vi sinh bám dính trên giá thể ở hai bể MBBR trong thí nghiệm 5 87
Hình 4.27 Hiệu quả xử lý TN, TP ở thí nghiệm 5 88
Hình 4.28 Diễn biến pH và DO ở thí nghiệm 9 88
Hình 4.29 Diễn biến MLSS và hiệu quả xử lý COD ở thí nghiệm 9 89
Hình 4.30 Màng vi sinh bám dính trên giá thể ở hai bể MBBR trong thí nghiệm 9 89
Hình 4.31 Hiệu quả xử lý TN, TP ở thí nghiệm 9 90
Hình 4.32 Sơ đồ công nghệ đề xuất áp dụng mô hình MBBR cho nhà máy bia Sabmiller 91
Trang 15DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD5 Nhu cầu oxy sinh hoá 5 ngày (Biochemical Oxygen Demand 5 days) COD Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand)
DO Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)
F/M Tỉ số cơ chất/vi sinh (Food/Microorganism)
HRT Thời gian lưu nước thuỷ lực (Hydraulic Retention Time)
MBBR Xử lý sinh học với giá thể lơ lửng (Moving Bed Biofilm Reactor) MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng ( Mixed Liquor Suspended Solids)
MLVSS Hàm lượng chất rắn bay hơi (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids) OLR Tải lượng chất hữu cơ (Organic loading rate)
QCVN Quy chuẩn Việt Nam
SRT Thời gian lưu bùn (Sludge retention time)
TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid)
SVI Thể tích lắng của bùn (Sludge volume index)
TKN Tổng nitơ Kjeldahl (Total Kjeldahl nitrogen)
TN Tổng nitơ (Total Nitrogen)
TP Tổng Phốtpho (Total Phosphorus)
VFA Acid béo bay hơi (Volatile Fat Acid)
SVI Chỉ số thể tích bùn (Sludge Volumn Index)
SALR Tải trọng bề mặt (Surface Area Loading Rate)
SARR Tải trọng bề mặt xử lý (Surface Area Removal Rate)
UASB Bể xử lý sinh học kỵ khí dòng chảy ngược (Up-ward flow Anaerobic Sludge Blanket)
KCN Khu công nghiệp
Trang 16CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU
Trang 171.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Bia được được con người biết đến từ rất lâu, nhiều chứng cứ cho thấy nó có từ hơn 5000 năm trước Công nguyên Ngành công nghiệp bia bắt đầu ở Việt Nam cách đây trên 100 năm Hiện nay, nhu cầu sống của xã hội ngày càng tăng cao: nhu cầu giải trí, vui chơi, thưởng thức những điều thú vị mới, và bia là một trong những đồ uống được ưa chuộng nhiều nhất để sử dụng trong các hoạt động này do đó chỉ trong thời gian ngắn, ngành sản xuất bia đã có những bước phát triển mạnh mẽ Mức tiêu thụ bia bình quân theo đầu người vào năm 2011 dự kiến là 28 lít/người/năm Bình quân lượng bia tăng 20% mỗi năm Các nhà máy bia được đầu tư và xây dựng rất nhiều Ngoài việc sản xuất bia, các nhà máy này cũng thải ra một lượng lớn nước thải mang đặc trưng của ngành Nước thải do sản xuất rượu bia thải ra thường có đặc tính chung là ô nhiễm hữu cơ rất cao, nước thải thường có màu xám đen và khi thải vào các thủy vực đón nhận thường gây ô nhiễm nghiêm trọng do sự phân hủy của các chất hữu cơ diễn
ra rất nhanh Thêm vào đó là các hoá chất sử dụng trong quá trình sản xuất như CaCO3, CaSO4, H3PO4, NaOH, Na2CO3…Những chất này cùng với các chất hữu cơ trong nước thải có khả năng đe dọa nghiêm trọng tới thuỷ vực đón nhận nếu không được xử lý hợp lý
Khu vực phía Nam hiện nay đang có nhiều thương hiệu bia nổi tiếng với quy
mô sản xuất lớn như nhà máy bia Sài Gòn, nhà máy bia Việt Nam, nhà máy bia Sabmiller, nhà máy bia Sapporo… Các nhà máy bia này đã đầu tư rất kỹ lưỡng ngay từ đầu cho công tác xử lý nước thải để giảm thiểu ô nhiễm khi xả thải ra nguồn tiếp nhận Tuy nhiên, công suất của nhà máy có thể nâng lên trong một giai đoạn nhất định hoặc theo thời gian sẽ mở rộng quy mô sản xuất và điều cần thiết khi này là phải có biện pháp vận hành, cải tạo để hệ thống xử lý nước thải có thể đáp ứng tốt yêu cầu vận hành mới
Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí truyền thống dựa trên hoạt động của vi sinh vật lơ lửng (quá trình bùn hoạt tính) có hiệu quả đối với chất hữu cơ và dinh dưỡng nhưng vẫn còn một số vấn đề đi kèm như khả năng lắng của bùn, cần khối tích phản ứng và lắng lớn, tiêu tốn năng lượng dòng tuần hoàn [12]
Trong khi đó quá trình màng sinh học với giá thể di động (MBBR) đã được phát triển ở Nauy từ thập niên 80 MBBR đạt được hiệu quả xử lý sinh học cao cơ bản dựa trên sự kết hợp lợi điểm của quá trình bùn hoạt tính và quá trình màng sinh học
Từ những tính chung của các vấn đề nêu trên giúp tôi xác định tính cần thiết khi
lựa chọn đề tài: “Nghiên cư ́ u ứng dụng công nghệ MBBR(Moving Bed Biofilm Reactor) để xử lý nước thải sản xuất bia”
Trang 181.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu, đánh giá hiê ̣u quả x ử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng của mô hình MBBR hiếu khí bằng giá thể K3 và F10-4 ở các tải trọng 1.5 kg COD/m3ngày.đêm; 3
kg COD/m3ngày.đêm và 4.5 kg COD/m3ngày.đêm
Đề xuất phương án cải tạo Hệ thống xử lý nước thải của nhà máy bia Sabmiller khi cần tăng công suất hoạt động
1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm
Thu thập thông tin và tổng quan các tài liệu liên quan đến các phương pháp xử lý nước thải sản xuất bia hiện nay
Thu thập thông tin và tổng quan các tài liệu liên quan đến hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bia của phương pháp MBBR
Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm về công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia bằng phương pháp xử lý MBBR, gồm có:
Thiết lập mô hình xử lý và phương pháp vận hành mô hình
Sử dụng giá thể K3 cho mục đích nghiên cứu
Sử dụng giá thể F10-4 cho mục đích nghiên cứu
Vận hành mô hình thực nghiệm với tải trọng khác nhau
Lấy mẫu, phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm của mô hình nghiên cứu theo các vị trí nghiên cứu nhất định
Đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp MBBR vào hệ thống xử lý nước thải của nhà máy bia Sabmiller
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu
Thực nghiệm được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm (bench-scale
experiments) đặt tại phòng thí nghiệm Nhà máy bia Sabmiller, KCN Mỹ Phước II,
huyện Bến Cát, tỉnh Bình Dương
Sử dụng mô hình thí nghiệm bao gồm:
Mô hình hiếu khí với giá thể K3
Mô hình hiếu khí với giá thể F10-4
Đánh giá hiệu quả xử lý COD và chất dinh dưỡng với HRT với tải trọng:
Trang 19 Mô hình hiếu khí: OLR lần lượt là 1.5 kg COD/m3
.ngày, 3 kg COD/m3/ngày và 4.5 kg COD/m3.ngày
Nước thử nghiệm: nước thải sản xuất bia được lấy từ bể cân bằng và sau bể UASB của Hệ thống xử lý nước thải Nhà máy bia Sabmiller
Nghiên cứu được tiến hành trong khoảng thời gian từ 01/05/2012 – 15/12/2012
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.4.1 Phương pha ́ p hồi cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài, các thông tin, tài liệu, số liệu về đối tượng nghiên cứu trên tất cả các nguồn như: sách báo, giáo trình, tạp chí, internet… sẽ được thu thập và sưu tầm Những tài liệu, số liệu này sẽ được lựa chọn, phân tích, tổng hợp làm cơ sở cho việc định hướng và thực hiện nghiên cứu
1.4.2 Phương pha ́ p thí nghiê ̣m và phân tích
Toàn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu môi trường được tiến hành theo đúng các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế (theo Standard Methods)
1.4.3 Phương pha ́ p nghiên cứu mô hình
Khảo sát hiệu quả xử lý COD và chất dinh dưỡng trên mô hình MBBR hiếu khí
1.4.4 Phương pha ́ p xử lý số liê ̣u
Sử dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích và tối ưu hoá quá trình thí nghiệm Đồng thời xử lý số liệu kết quả thí nghiệm bằng phần mềm Excel
1.4.5 Tính mới của đề tài và ý nghĩa thực tiễn
Hiện nay, nghiên cứu về hệ thống MBBR để xử lý nước thải của các ngành sản xuất đặc trung như nước thải sản xuât bia chỉ ở bước đầu và đang hạn chế về số lượng Chính vì vậy việc lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài là hoàn toàn mới và hợp lý
Kết quả nghiên cứu là cơ sở ban đầu để ứng dụng cho một hệ thống MBBR mới hoặc cải tạo, nâng cấp hệ thống cũ
Trang 20CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
Trang 212.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA
2.1.1 Quá trình sản xuất bia [2]
Các nhà máy bia trên thế giới ngày nay đều dùng nguyên liệu là thóc malt (đại mạch nảy mầm)khoảng 70% và các lạoi bọt như gạo, ngô, mạch (không phải malt) khoảng 30%, ngoài ra còn dùng hoa hublon, các loại bột trợ lọc như diatomit, bentonit…
2.1.1.1 Quy trình chung:
Quy trình sản xuất bia bao gồm các công đoạn như sau:
Nấu – đường hóa: nấu bột và trộn với malt, cho thủy phân dịch bột thành đường, lọc bỏ bã các loại bột, bã hoa hublo Nước thải của công đoạn này giàu các chất hydrocacbon, xenlulozơ, pentozơ, trong vỏ trấu, các mảnh hạt và bột, các cục vón… cùng với các xác hoa, một ít tannin, các chất đắng, chất màu
Công đoạn lên men chính và lên men phụ:nước thải nước thải của công đoạn này rất giàu xác men – chủ yếu là protein, các chất khoáng, vitamin cùng với bia cặn
Giai đoạn thành phẩm: lọc, bão hòa CO2, chiết block, đóng chai, hấp chai Nước thải ở đây chứa bột trợ lọc lẫn xác men, lẫn bia chảy tràn ra ngoài…
Trang 22Hình 2.1 Công nghệ sản xuất bia và các dòng thải
Chuẩn bị nguyên liệu
Nấu – đường hóa
Lọc dịch đường
Làm lạnh Tách bã Nấu hoa
Bã malt
Nước thải
Bã malt
Trang 23 Nước rửa chai và téc chứa
Nước rửa sàn, phòng lên men, phòng trữ
Nước thải từ nồi hơi
Nước thải sinh hoạt
Nước thải từ hệ thống làm lạnh có chứa hàm lượng chlorite cao (tới 50mg/l), cacbonate thấp
Nói chung nước thải trong các công đoạn sản xuất chứa nhiều các chất hữu cơ
và có các chỉ số sau:
Bảng 2.1 Ngưỡng giá trị chung của nước thải trong công đoạn sản xuất bia
men, chỉ số này sẽ cao hơn rất nhiều)
16 triệu lít/năm, khoảng 80,000 l/ngày)
Các chất hữu cơ (các hợp chất hydrocacbon, protein, acid hữu cơ cùng các chất tẩy rửa) có nồng độ cao, nồng độ các chất rắn, thô, hoặc kết lắng thấp
Nước rửa chai cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong công nghệ sản xuất bia Về nguyên lý, chai có thể đóng bia được rửa qua các bước: rửa với nước nóng, rửa bằng dung dịch kềm loãng nóng (1 – 3% NaOH), tiếp đó là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngoài chai và cuối cùng là phun kiềm nóng rửa bên trong và bên ngoài chai, sau đó là rửa sạch bằng nước nóng và nước lạnh Do đó, dòng thải của quá trònh rửa chai có độ pH cao và làm cho dòng thải chung có độ pH kiềm tính
Trong sản xuất bia, nước thải ít thay đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau có thể chỉ là áp dụng phương pháp lên men nổi hay men chìm Nhưng sự
Trang 24sàn nhà… Điều đó dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ô nhiễm của nhà máy bia rất khác nhau Ở các nhà máy bia có biện pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm nước thì lượng nước thấp Định mức nước cấp: 4 – 8 m3/1000 lít bia, tải lượng nước thải: 2.5 – 6 m3/lít bia
Với các biện pháp sử dụng nước hiệu quả nhất thì định mức nước thải của nhà máy bia không thể thấp hơn 2 – 3 m3/1000 lít bia sản phẩm trung bình lượng nước thải
………
Bảng 2.2 Đặc tính nước thải một số nhà máy sản xuất bia
Lưu lượng dòng thải và đặc tính dòng thải trong công nghệ sản xuất bia còn biến đổi theo chu kỳ và mùa sản xuất
Do đặc tính nước thải của công nghệ sản xuất bia có chứa hàm lượng hữu cơ cao ở trạng thái hòa tan và trạn thái lơ lửng, trong đó chủ yếu là hydrocacbon, protein
và các acid hữu cơ, là các chất có khả năng phân hủy sinh học Tỉ lệ BOD5/COD nằm trong khoảng từ 0.5 – 0.7 nên thích hợp với phương pháp xử lý sinh học Tuy nhiên,
trong những trường hợp thiếu các chất dinh dưỡng như nitrogen, phosphorus cho quá
trình phát triển của vi sinh vật, cần phải bổ sung kịp thời
Nước thải trước khi đưa vào xử lý sinh họpc cần phải qua sàng, lọc, để tách các tạp chất thô như giấy nhãn, nút bấc và các loại hạt rắn khác Đối với dòng thải rửa chai
có giá trị pH cao cần được trung hòa bằng khí CO2 của quá trình lên men hay bằng khí thải của nồi hơi
Trang 252.1.3 Công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia
2.1.3.1 Xử lý sơ bộ nước thải
Nước thải rửa chai lọ và téc cần qua một sàn tuyển để loại bỏ mảnh thủy tinh vỡ
và nhãn giấy nước thải sản xuất hỗn hợp cần cho các bể tách dầu trước khi xử lý sinh học
Nước thải sản xuất và nước thải vệ sinh tập trung vào một hệ thống được xử lý bằng bể sục một giai đoạn: nước làm lạnh và nước mưa thải vào nơi tiếp nhận không cần xử lý
Quy trình công nghệ xử lý nước thải của các nhà máy bia thường chọn phương pháp sinh học hiếu khí với kỹ thuật bùn hoạt tính
Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia điển hình
2.1.3.1 Xử lý sinh học
Việc lựa chọn phương pháp xử lý hiếu khí, kỵ khí hay phương pháp kết hợp và thiết bị sinh học để xử lý nước thải công nghiệp bia phụ thuộc vào đặc tính nước thải lưu lượng nước thải, điều kiện kinh tế - kỹ thuật và diện tích sử dụng cho phép
Trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp bia thường dùng các phương pháp sinh học sau:
Phương pháp bùn hoạt tính (Aerotank) với tải lượng bùn F/M = 0.05 – 0.1 KgBOD5/Kgbùn/ngày và SV tới 270 ml/g Do hàm lượng hữu cơ dạng hydrocacbon cao, nếu thiếu chất dinh dưỡng như nitrogen, phosphorus thì quá trình dễ sinh ra vi sinh dạng sợi và bùn khó lắng Càng hạn chế bã men trong nước thải, vận hành thiết bị với tải trọng bùn không cao sẽ hạn chế được quá trình tạo bùn dạng sợi
Bùn hồi lưu
Loại dầu, lắng
Bể lắng Chắn rác
Bể nén bùn
Bùn dư
Nước lắng bùn
Ép bùn Làm phân
compost
Khử trùng
Nước thải đầu ra
Trang 26 Phương pháp màng sinh học hiếu khí: với các thiết bị dạng tháp, trong có lớp đệm bằng các hạt nhân tạo (nhựa, gỗ…) loại này thường có tải trọng thể tích từ
1 – 1.6 KgBOD5/m3.ngày và tải lượng bùn F/M = 0.4 – 0.64 Kg/m3.ngày
Hồ sinh học hiếu khí: có thể gồm một hoặc nhiều hồ nối tiếp hay song song được sục khí, vận hành với tải lượng thể tích tối đa từ 0.025 – 0.03 KgBOD5/m3.ngày và sau đó có bể lắng với thời gian lưu là 1 ngày Đáy hồ phải chống thấm và đòi hỏi diện tích lớn (100m2/1000 lít bia sản phẩm.ngày)
Phương pháp kị khí sử dụng để xử lý nước thải có lượng chất hữu cơ ô nhiễm cao (COD > 2000 mg/l) Do phương pháp yếm khi có ưu điểm lượng bùn sinh
ra ít, tiêu tốn ít năng lượng (không cần sục khí) và tạo ra khí methane có giá trị năng lượng nên nhiều nhà máy bia trong và ngoài nước đã sử dụng phương pháp này để xử lý nước thải
Hoặc do yêu cầu của dòng thải ra, nước thải bia cần được xử lý kỵ khí trước để làm giảm tải trọng ô nhiễm trước khi đưa vào xử lý hiếu khí, kết hợp giữa phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí
2.1.4 Tổng quan Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller [3, 5]
Công ty TNHH Sabmiller Việt Nam
Địa chỉ: Lô A, KCN Mỹ Phước 2, huyện Bến Cát, tỉnh Bình Dương
2.1.4.1 Các công đoạn sản xuất bia
a Nguyên vật liệu
Đại mạch và gạo được vận chuyển bằng container và được kiểm tra chất lượng trước khi nhập vào các bồn chứa Hệ thống nhập tự động sẽ chuyển đại mạch và gạo vào trong các silo bồn chứa Trong quá trình nhập liệu, những chất bẩn như đá, rơm rạ… sẽ bị loại bỏ bằng hệ thống sàn ray trong khi nhập vào silo bồn chứa bao gồm 2 silo chứa đại mạch (300 tấn/silo) và 1 silo chứa gạo (50 tấn)
Các nguyên liệu khác phù hợp với tiêu chuẩn thực phẩm (houlon, hóa chất, bột lọc…) cũng được qua khâu kiểm nghiệm trước khi đưa vào sản xuất
Nguyên tắc FIFO được áp dụng cho tất cả các nguyên vật liệu sử dụng trong quá trình sản xuất
b Nấu dịch đường
Đại mạch và gạo ở tỷ lệ nhất định được nghiền nát và hòa với nước cho vào nồi nấu Hỗn hợp này được gia nhiệt để trích ly đường và chất đạm có trong đại mạch và gạo Hỗn hợp sau đó được đem lọc để tách dịch đường Bã hèm chuyển vào bồn chứa
để dùng cho thức ăn gia súc Dịch đường được làm trong và làm lạnh chuyển vào bồn
Trang 27lên men sẵn sàng cho giai đoạn lên men Toàn bộ quá trình này hoàn toàn tự động và được điều khiển bằng hệ thống máy tính
c Lên men
Trong quá trình chuyển dịch đường lạn vào bồn lên men, men và không khí được thêm vào và quá trình lên men bắt đầu men sẽ chuyển hóa đường có trong dịch đường thành cồn, khí cacbonite và hương thơm đặc trưng cho bia Quá trình lên men được thực hiện trong khoảng thời gian quy định bao gồm 02 giai đoạn chính: giai đoạn lên men chính ở nhiệt độ từ 12 – 150C và giai đoạn tồn trữ ở nhiệt độ 0 – (-10C) Men được thu hồi ở cuối quá trình lên men và được sử dụng lại cho những mẻ sau Khí cảbonic thoát ra trong quá trình lên men được thu hồi và dùng cho các quá trình lọc và chiết bia
d Lọc
Bia sau khi lên men được dẫn qua hệ thống lọc có chứa bột trợ lọc và bột ổn định lọc để tách men còn sót lại trong quá trình lên men và những cặn khác Bia trong được phối trộn với nước ngậm khí carbonic để đạt được độ đường, cồn theo như sản phẩm mong muốn Bia tươi được giữ trong các bồn chứa sẵn sàng để chiết vào chai
e Đóng gói tự động
Chai thu hồi về từ thị trường được rửa bằng xút nóng và làm sạch bằng nước nhiều lần trong máy rửa chai tự động Chai sau khi rửa được KCS kiểm tra định kỳ độ sạch và độ pH của nước đọng lại trong chai Đồng thời máy kiểm tra tự động sẽ kiểm tra từng chai đi vào trong máy chiết bia Tất cả các chai còn nhãn, vật lạ trong chai, xút
dư, chai mẻ, chai lạ… sẽ bị loại ra
Bia tươi dẫn từ các bồn chứa được chết vào chai Hệ thống đóng nắp tự động sẽ đóng kín nắp chain gay sau khi bia được chiết Tốc độ chiết chai là 30,000 chai/giờ
Chai bia được dán nhãn, in mã sản xuất và gắp tự động vào trong két nhựa Két nhựa được chất tự động lên pallet và chuyển qua kho thành phẩm chờ phân phối
2.1.4.2 Đặc trưng các nguồn nước thải:
(bao gồm nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất)
Nước thải sinh hoạt: đáp ứng cho số lượng 100 nhân viên của công ty với định mức khoảng 8m3/ngày
Nước thải sản xuất:
Trang 28 Nước làm lạnh, nước ngưng: được sử dụng tuần hoàn theo chu trình khép kín nên lượng nước thải này không đáng kê và hầu như không ô nhiễm
Do đó, có thể thải trực tiếp đến nguồn tiếp nhận
Nước thải vệ sinh các thiết bị như bồn nấu, bồn lọc, bồn lên men, đường ống chứa bã hèm, tinh bột, bã hoa bia, bã men…
Nước thải công đoạn rửa chai: trước tiên chai được rửa bằng dung dịch kiềm loãng nóng (1 – 3% NaOH) để rửa sạch chat bẩn và nhãn chai, sau đó được rửa lại bằng nước sạch và thanh trùng Do đó, nước thải từ quá trình rửa chai có pH cao và cũng chứa các chất ô nhiễm hữu cơ (do bia
và các chất khác trong quá trình lưu thông vỏ chai gây ra)
Lưu lượng nước thải trong quá trình sản xuất bia khoảng 12,8 lít nước thải/1 lít bia than phẩm
Bảng 2.3 Thông số nước thải đầu vào hệ thống xử lý nước thải Nhà máy bia
2.1.4.3 Công nghệ xử lý nước thải
Nước thải từ các công đoạn sản xuất của nhà máy được thu gom về hệ thống xử
lý Trước khi vào bể gom, nước thải được dẫn qua thiết bị lược rác thô để loại bỏ chất rắn có kích thước lớn hơn 20mm ra khỏi dòng thải
Trang 29Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller
Từ bể tập trung, nước thải được 2 bơm chìm bơm lên thiết bị lược rác tinh với công suất cực đại là 168 m3/h để loại bỏ cặn rắn có kích thước lớn hơn 0.5mm Sau đó
Bùn
dư
Thiết bị đốt khí
Trang 30thành phần BOD, COD… của nước thải Bể cẩn bằng được bố trí hệ thống khuấy chìm nhằm tạo sự xáo trộn tránh hiện tượng lắng cặn và phân hủy kỵ khí trong hệ bể này, đồng thời tạo môi trường đồng nhất cho dòng thải trước khi qua các bước xử lý tiếp theo Tại đây 1 máy bơm trục ngang cong suất 84 m3/h sẽ chuyển nước thải từ bể cân bằng lên các bể xử lý sinh học yếm khí UASB
Trước khi vào bể UASB, nước thải được dẫn qua thiết bị trộn tĩnh để điều chỉnh
pH của nước thải về giá trị thích hợp cho quá trình xử lý kỵ khí Tại bể UASB, nước thải được phân phối điều từ dưới đáy qua hệ thống phân phối, khi qua đệm bùn kỵ khí (bùn hạt), chất hữu cơ sẽ bị phân hủy bởi các vi sinh vật kỵ khí thành nước và khí biogas bay lên Khí biogas sinh ra được thu hồi và đốt tại đầu đốt khi tự động, nước xử
lý đi qua bộ phận tách ba pha (khí – lỏng – rắn) theo máng thu chảy sang bể chứa trung gian, tại đây một phần lượng nước thải (57m3/h) được bơm tuần hoàn trở lại ban đầu vào bể UASB để đảm bảo vận tốc nước dâng trong bể UASB luôn được duy trì thích hợp (0.6 – 1m/h), phần còn lại được dẫn sang bể xử lý sinh học hiếu khí với bùn hoạt tính Aerotank
Trong bể Aerotank, quá trình xử lý sinh học hiếu khí diễn ra nhờ vào lượng õy hòa tan trong nước, một lượng oxy thích hợp được cung cấp cho bùn hoạt tính để phân hủy các chất hữu cơ
Từ bể Aerotank, nước thải chảy vào bể lắng, tại đó diễn ra quá trình tách bùn hoạt tính và nước thải đã xử lý Từ bể lắng, nước thải chảy vào bể chứa nước sau xử
lý, tại đây một phần nước được dẫn sang hồ cá (nếu có) phần còn lại được dẫn sang bể tiếp xúc và được khử trùng bằng dung dịch Chlorine Nước thải sau khử trùng được xả vào hệ thống thoát nước của KCN Mỹ Phước 2
Công đoạn xử lý bùn:
Bùn hoạt tính dưới đáy bể lắng được thu gom vào hố trung tâm bởi thiết bị gạt bùn Một phần bùn hoạt tính được bơm tuần hoàn trở về bể Aerotank để duy trì chức năng sinh học và giữ nồng độ bùn trong bể này ở mức cố định Lượng bùn dư sẽ được bơm vào bể nén bùn từ nồng độ 1%DS lên 2.5DS, sau đó được bơm vào thiết bị keo tụ bùn, trộn đều với polymer, sau đó toàn bộ hỗn hợp đi vào thiết bị ép bùn băng tải bánh bùn sau khi ép được đổ và thiết bị thu bùn tho và chuyển đi chôn lấp hoặc bón cây
Nước dư từ bể nén bùn và máy ép bùn được thu gom và chảy về trạm bơm nước thải để tiếp tục xử lý
Khí biogas sinh ra từ bể UASB được thu gom và đốt bằng thiết bị đốt tự động đặt trên bể UASB, khi hệ thống hoạt động ổn định, lượng khí này có thể được thu hồi
để phục vụ cho việc vận hành lò hơi
Trang 31Nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 24:2009/BTNMT loại A
Hình 2.4 Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller
2.2 TỔNG QUAN CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC
Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là
sử dụng hiệu quả sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân hủy các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải
Ưu điểm : rẻ tiền, sản phẩm phụ của quá trình có thể tận dụng làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí methane)
Trang 32Quá trình bùn hoạt tính là quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, chúng sống tập trung kết dính lại với nhau thành hạt bùn hoặc những bông bùn với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%), những bông bùn hay hạt bùn này còn được gọi là bùn hoạt tính có kích thước khoảng từ 50 đến 200µm, màu vàng nâu và dễ lắng Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là phần chất rắn của rong rêu, tảo Những sinh vật sống trong bùn thường là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là các ấu trùng sâu bọ, vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn, có thể chia làm 8 nhóm:
7 Pseudomonas- Vibrio aeromonas
8 Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micrococus
Trong nước thải các tế bào của loài Zooglea có thể sinh ra bao nhầy xung quanh
tế bào có tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khó lắng và các chất gây mùi…
và phát triển các hạt bông cặn Các hạt bông cặn này khi kuấy trộn và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc Trong bùn hoạt tính luôn có động vật nguyên sinh mà đại diện là
Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác Quan
hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn là quan hệ “mồi – thú” thuộc cân bằng động chất hữu cơ – vi khuẩn – động vật nguyên sinh Khi bùn lắng xuống, hoạt tính bùn giảm gọi là “bùn già”.Hoạt tính của bùn có thể được hoạt hóa trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ Phần lớn các vi sinh vật có đều khả năng xâm chiếm, bám dính trên bề mặt vật rắn khi có cơ chất, muối khoáng và oxy tạo nên màng sinh học dạng nhầy có màu thay đổi theo thành phần nước thải từ vàng xám đến nâu tối Trên màng sinh học có chứa hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, nấm men,
và một số đông vật nguyên sinh khác Tuy nhiên, khác với hệ quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính thành phần loài và số lượng các loài trong màng sinh học là tương đối đồng nhất công thức bùn hoạt tính thường dùng trong các tính toán là C5H7O2N
Một số giống vi khuẩn chính có trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng khi
tham gia xử lý nước thải được trình bày trong bảng 2.4
Trang 33Bảng 2.4 Một số giống vi khuẩn và chức năng của chúng [2]
1 Pseudomonas Phân hủy hydratcacbon, protein, các chất hữu
cơ… và khử nitrate
2 Arthrobacter Phân hủy hydratcacbon
5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysaccarit), chất keo tụ
6 Acinetobacter Tích lũy polyphosphate, khử nitrate
9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân hủy các chất hữu cơ
10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrate
11 Flavobacterium Phân hủy protein
12 Nitrococcus denitrificans Khử nitrate (khử nitrate thành N2)
13 Thiobaccillus denitrificans
Khử nitrate ( khử nitrate thành N2)
14 Acinetobacter
15 Hyphomicrobium
16 Desulfovibrio Khử sulfate, khử nitrate
2.2.1.2 Xử lý sinh học sinh trưởng dính bám
Quá trình sinh trưởng bám dính hay còn gọi là màng sinh học cũng như những phương pháp xử lý sinh học khác có một lịch sử lâu dài Màng sinh học bao gồm các
vi sinh vật, hạt vật chất, và các polymer ngoại bào bám dính trên các vật liệu giá thể Các vật liệu giá thể này có thể là nhựa, đá, hoặc các vật liệu khác Đối với quá trình sinh trưởng bám dính, cơ chất được tiêu thụ trong màng sinh học Độ dày của lớp màng sinh học tùy thuộc vào điều kiện sinh trưởng trưởng của vi sinh vật và các điều kiện thủy động lực học của hệ thống Một lớp phim chất lỏng (lớp khuếch tán) chia tách màng sinh học với khối chất lỏng chảy trên bề mặt của màng sinh học hoặc được xáo trộn bên ngoài lớp phim Cơ chất, oxy và chất dinh dưỡng khuếch tán qua các lớp phim chất lỏng này để đến lớp màng sinh học, và các sản phẩm của quá trình phân huỷ
Trang 34sinh học từ màng sinh học được đưa vào khối chất lỏng sau khi khuếch tán qua lớp phim
Bể phản ứng màng sinh học cho nhiều ưu điểm hơn các hệ thống sinh trưởng lơ lửng truyền thống.Một đặc tính quan trọng của các hệ thống màng sinh học là có khả năng chịu đựng điều kiện sốc tải Những vật liệu giá thể với khả năng hấp phụ hoặc trao đổi ion cho phép nó trở thành chất đệm nếu nồng độ của chất độc hại vượt quá khả năng chịu đựng của các vi sinh vật Hơn nữa, quá trình sinh trưởng bám dính có thể xử
lý nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp Thông thường đối với hệ thống bùn hoạt tính, nếu giá trị BOD của nước thải thấp hơn 50 – 60 mg/l, nó sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của bùn.Tuy nhiên với các quá trình sinh trưởng bám dính thì giá trị BOD5 của nước thải có thể giảm xuống thấp từ 20 – 30 mg/l đến 5 – 10 mg/l Ngoài ra, quá trình sinh trưởng bám dính còn dễ dàng quản lý và có thể cắt giảm chi phí
Hơn nữa, trong quá trình bùn hoạt tính truyền thống, MLVSS thường có thể duy trì từ 1,500 – 3,000 mg/l trong bể hiếu khí, và bùn được giữ ở trạng thái lơ lửng hoàn toàn Do đó, nếu tải trọng hoặc hoặc nồng độ chất hữu cơ được nạp vào quá cao, nó sẽ
là nguyên nhân làm vi sinh vật chết và sinh khối khối bị trôi ra ngoài hoặc làm giảm hiệu quả lắng, dẫn đến chất lượng nước đầu ra giảm Ngược lại, quá trình sinh trưởng bám dính có thể duy trì nồng độ sinh khối cao do các vi sinh vật được bám trên bề mặt của vật liệu hỗ trợ Hàm lượng MLVSS tối đa có thể đạt đến nồng độ 22,000 mg/l đến 150,000 mg/l, gấp 7 – 20 lần so với quá trình bùn hoạt tính truyền thống
Quá trình sinh trưởng bám dính có thể được chia thành hai nhóm cơ bản sau:
a Quá trình sinh trưởng bám dính không ngập nước
Lọc sinh học nhỏ giọt với lớp vật liệu đệm bằng đá sử dụng ít năng lượng, quy trình đơn giản, thông thường được sử dụng để xử lý thứ cấp từ trước những năm 1900 Khái niệm về một bộ lọc sinh học nhỏ giọt được hình thành từ việc sử dụng các bộ lọc tiếp xúc tại Anh vào cuối những năm 1890 Trong những năm 1950, giá thể bằng nhựa bắt đầu thay thế cho giá thể bằng đá tại Hoa Kỳ Việc sử dụng giá thể nhựa cho phép
xử lý tải trọng hữu cơ cao hơn, tăng chiều cao của các bể lọc nên cải thiện được diện tích bể, hiệu quả của quá trình, và làm giảm tắc nghẽn
Trong thập niên 1960, đĩa quay sinh học (RBC) được ứng dụng thực tế RBC gồm hàng loạt những đĩa tròn, phẳng làm bằng polystyre hoặc polyvinylclorua lắp trên một trục bằng thép có đường kính tới 3,5m Các đĩa được đặt ngập một phần trong nước thải (thường chiếm 30 – 40% đường kính của đĩa) và xoay tròn với vận tốc rất chậm, khoảng 1 – 3 vòng/phút Trong quá trình vận hành, các vi sinh vật sẽ sinh trưởng gắn kết trên bề mặt giá thể là và hình thành lớp màng sinh học trên bề mặt ướt
Trang 35của đĩa Khi đĩa quay, lần lượt làm cho lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với không khí để hấp thụ oxy
b Quá trình sinh trưởng bám dính ngập nước
Các quá trình sinh trưởng bám dính ngập trong nước bắt đầu vào những năm
1970 và được mở rộng vào những năm 1980, như một lớp mới của quá trình sinh trưởng bám dính hiếu khí Trong hệ thống nước thải có thể được đưa vào từ dưới lên hoặc từ trên xuống trong bể phản ứng giá thể cố định và bể phản ứng tầng sôi.Ưu điểm đặc biệt của hệ thống là chỉ cần diện tích nhỏ chỉ bằng một phần năm tới một phần ba diện tích cần cho bể xử lý bùn hoạt tính
2.2.1.3 Xử lý sinh học bằng wetland
Đất ngập nước (wetland) được hiểu là phần đất có chứa nước trong đất thường
xuyên dạng bão hoà hoặc cận bão hòa Trong thiên nhiên, đất ngập nước hiện diện ở các vùng trũng thấp như các cánh đồng lũ, đầm lầy, ao hồ, kênh rạch, ruộng nước, vườn cây, rừng ngập nước mặn hoặc nước ngọt, các cửa sông tiếp giáp với biển, … Tuy nhiên, việc xử lý nước thải qua đất ngập nước tự nhiên thường chậm, phải có nhiều diện tích và khó kiểm soát quá trình xử lý
Xử lý nước thải bằng đất ngập nước kiến tạo đã được áp dụng khoảng 100 năm nay ở Mỹ và Châu Âu và gần đây nhất là ở các nước Châu Á và Châu Úc Việc nghiên cứu kỹ thuật đất ngập nước kiến tạo khá nhiều trong khoảng hơn 20 năm nay, đặc biệt
là các côngtrình của Kadlec và Knight (1996), US-EPA (1988), Moshiri, (1993),
Kadllec et al.(2000), Solano et al (2003), Vymazal (2005), … cho thấy hiệu quả xử lý
các chất ônhiễm như nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), lượng oxy hòa tan (DO), tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS), đạm tổng số (TKN), tổng Phophorous (Ptotal), tổng số Coliform, … đầu có giảm đáng kể trong nước thải
Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: loại
chảy tự do trên mặt đất (free surface flow) và loại chảy ngầm trong đất (subsurface
flow) Loại chảytự do thì ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại
chảy ngầm nhưnghiệu quả xử lý thì kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển.Đất ngập nước kiến tạo kiểu
chảy ngầm lại phân ra hai kiểu chảy: chảy ngang (horizontal flow) và chảy thẳng đứng (vertical flow)
Việc chọn lựa kiểu hình tùy thuộc vào địa hình và năng lượng máy bơm.Đôi khi người ta phối hợp cả hai hình thức xử lý này
Trang 36Nhiều loại cây trồng cho vùng đất ngập nước kiến tạo được lựa chọn để tham gia vào quá trình hấp thu các chất ô nhiễm trong nước thải, nhiều nhất là các loại cây sậy, năn, lác, cỏ Vetiver (cho loại chảy ngầm) hoặc lục bình, hoa súng, bèo các loại
Hình 2.5 Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang
Hình 2.6 Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng
2.2.2 Phương pháp sinh học loại bỏ nitrogen
Nitrogen trong nước thải đô thị hiện diện ờ nhiều dạng khác nhau như nitrogen hữu cơ (protein và ure) và N-NH3 Việc loại bỏ nitrogen có thể đạt được bởi 2 quá
Trang 37trình cơ bản gồm quá trình đồng hóa và quá trình nitrate hóa - khử nitrate hóa Vi sinh vật đồng hóa N-NH3 để chuyển thành sinh khối
Đối với quá trình nitrat hóa - khử nitrate, nitrogen sẽ được loại bỏ bởi 2 quá trình đó Trong giai đoạn đầu tiên, nitrat hóa là tiến trình sinh học trong đó N-NH3 sẽ được chuyển hóa thành nitrite và cuối cùng là nitrate, tất cả diễn ra trong quá trình hiếu khí Quá trình nitrat hóa diễn ra do các vi sinh vật tự dưỡng Quá trình loại bỏ nitơ gồm 2 phản ứng, một là oxi hóa N-NH3 thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và từ nitrit sang nitrat bởi vi khuẩn Nitrobacter Trong giai đoạn thứ 2, nitrat chuyển hóa thành khí N2, quá trình khử nitrat hóa diễn ra trong điều kiện thiếu khí
Sự chuyển hóa nitrogen trong quá trình sinh học được mô tả trong hình 2.7.Hầu
hết việc xử lý nước thải sinh hoạt sử dụng quá trình sinh học, đây là phương pháp có hiệu quả và tiết kiệm trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ
Hình 2.7 Sự chuyển hóa nitơ trong quá trình chuyển hóa sinh học [8]
2.2.2.1 Quá trình khử Ammonia bằng phương pháp sinh học
Quá trình xử lý sinh học được ứng dụng trong việc khử ammonia và nitrate trong nước thải được ứng dụng một cách rộng rãi với nhiều quy trình công nghệ xử lý ngày càng trở nên phổ biến, từ đầu tiên là công nghệ SBR, mương oxy hóa đến những công nghệ gần đây như ANAMMOX (Mulder, 1995), CANON (Schmidt, 2003) và SHARON (Hellinga, 1998)
Trang 38Quá trình thông thường nitơ trong nước thải được loại bỏ nhờ sự chuyển hóa của
vi khuẩn đối với các hợp chất của nitrogen như N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-,… thành nitrogen tự do nhờ quá trình nitrate hoá và khử nitrate (nitrification/denitrification) Tổng kết các quá trình chuyển hoá nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh
học được thê hiện trong bảng 2.5
Bảng 2.5 Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước
Vi khuẩn
1b
C5H7O2N + 5O2 4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O
Ammonification (hiếu khí)
Vi khuẩn
2 NH4+ + OH- NH3 + H2O Cân bằng
ammonia/ammonia
Không (quá trình vật lý)
N eutropha N.europea Nitrosospira
5 NO2- + 0,5O2 NO3- Nitratation
Nitrobacter, e.g
N agilis Nitrospira Nitrococácus Nitrosocystics
Trang 39STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật
6 C + 2NO3- 2NO2- + CO2 Denitratation
Denitrifying heterotrophic bacteria
6 + 7
5C + 2H2O + 4NO32N2 + 4HCO3- + CO2
-Denitrification
Heterotrophs: Pseudomonas Bacillus Alcaligenes Paracocácus
Ammonia- oxidizing bacteria
9a NH4+ + NO2- N2 + 2H2O Anammox (không tổng
hợp tế bào) Planctomycetales
9b
NH4+ + 1,32NO2- + 0,066HCO3- 1,02N2 + 0,26NO3- + 0,066CH2O0, 5N0, 15
+2,03H2O
Anammox (có tổng hợp tế bào) Planctomycetales
4 + 7
4NH4+ + 6O2 + 3C + 4HCO3- 2N2 + 7CO2 +
10H2O
Modified nitrogen removal
Bacteria
4 + 5
+ 6
4NH4+ + 8O2 + 5C + 4HCO - 2N + 9CO +
Khử nitơ truyền thống (Traditional nitrogen
Trang 40STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật
4 + 9 NH3 + 0,85O2 0,11NO3
- + 0,44N2 + 0,14H+ + 1,43H2O CANON
Nitrifying bacteria Planctomycetales
10
NH4+ + 0,75O20,5N2 + H+ + 1,5H2O
2.2.2.2 Quá trình Nitrate hoá
Quá trình nitrate hoá là quá trình oxy hoá hợp chất chứa nitơ, đầu tiên là ammonia được chuyển thành nitrite sau đó nitrite được oxy hóa thành nitrate Quá trình nitrate hoá diễn ra theo 2 bước liên quan đến 2 chủng loại vi sinh vật tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter
Bước 1: Ammonia được chuyển thành nitrite bởi loài Nitrosomonas
NH4+ + 1,5 O2 NO2- + 2 H+ + H2O (2.1)
Bước 2 : Nitrite được chuyển thành nitrate bởi loài Nitrobacter
NO2- +0,5 O2 NO3- (2.2) Phương trình phản ứng (2.1) và (2.2) tạo ra năng lượng Theo Painter (1970), năng lượng tạo ra từ quá trình oxy hoá ammonia khoảng 66-84 kcal/mole ammonia và
từ oxy hoá nitrite khoảng 17,5 kcal/mole nitrite Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng lượng này cho sự sinh trưởng của tế bào và duy trì sự sống Tổng hợp 2 phản ứng (2.1) và (2.2) được viết lại như sau:
NH4+ + 2 O2 NO3
+ 2 H+ + H2O (2.3)
Từ phương trình (2.3), lượng O2 tiêu thụ l 4,57gO2/gN-NH4+ bị oxy hóa, trong đó 3,43g/g sử dụng cho tạo nitrite và 1,14g/g sử dụng cho tạo nitrate, 2 đương lượng ion H+ tạo ra khi oxy hoá 1 mole ammonia, ion H+ trở lại phản ứng với 2 đương lượng ion bicarbonate trong nước thải Kết quả là 7,14 g độ kiềm CaCO3 bị tiêu thụ/g N-
NH4+ bị oxy hoá
