Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Takahiro WATARI
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THÍCH HỢP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CAO SU THIÊN NHIÊN
Ngành: KỸ THUẬT HOÁ HỌC
Mã số: 9520301
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC
Hà Nội – 2022
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Nguyễn Minh Tân GS.TS Takashi Yamaguchi
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK HàNội
2 Thư viện Quốc gia ViệtNam
Trang 3A G Ớ T U LUẠ NN
1 Tính cấp thiết của đề tài nghiêncứu
Cao su tự nhiên là một trong những sản phẩm nông nghiệp có giá trị nhất ở các nướcĐông Nam Á Tuy nhiên, các nhà máy chế biến cao su tự nhiên tại địa phương thải một lượnglớn nước thải từ quy trình sản xuất như đông tụ, ly tâm, cán màng, rửa và sấy khô Nước thải nàychứa nồng độ cao các hợp chất hữu cơ, nitơ, cũng như các chất gây ô nhiễm khác Các nhà máy
ở các nước Đông Nam Á thường sử dụng kết hợp các hệ thống hồ kỵ khí-hiếu khí để xử lý nướcthải này Các hệ thống xử lý hiện tại đã đạt hiệu quả loại bỏ nhu cầu oxy hóa học (COD) cao.Tuy nhiên, chúng đòi hỏi diện tích đầm lớn, chi phí vận hành cao (đặc biệt đối với sục khí) vàthời gian lưu dài (HRT) Ngoài ra, các hệ thống xử lý hiện tại cũng đòi hỏi phải cải thiện chấtlượng nước thải để phù hợp với tiêu chuẩn xả thải đầu ra Các nghiên cứu trước đây đã đưa racác hệ thống mới đạt được tiêu chuẩn nước thải công nghiệp Việt Nam loại B Vấn đề môitrường đang trở nên nghiêm trọng ở Việt Nam, chất lượng nước thải của hệ thống hiện tại cầnđược cải thiện càng sớm càngtốt
Hệ thống yếm khí ngược dòng UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là một trongcác phương pháp hứa hẹn để xử lý các loại nước thải công nghiệp khác nhau, với khả năng chịutải trọng hữu cơ cao (OLR), chi phí vận hành thấp và có thể thu hồi năng lượng dưới dạng khímetan Các nghiên cứu trước đây đã ứng dụng hệ thống UASB để xử lý nước thải chế biến cao
su thiên nhiên Tuy nhiên, hạt cao su dư trong nước thải có tác động tiêu cực đến quá trình xử lýsinh học kỵ khí Do đó, việc phát triển hệ thống tiền xử lý để loại bỏ hạt cao su thiên nhiên dư làđiều cần thiết Nước thải đầu ra từ hệ thống UASB xử lý nước thải công nghiệp vẫn còn chứanồng độ cao các hợp chất hữu cơ và chất dinh dưỡng Do đó, một hệ thống xử lý hiếu khí thườngđược áp dụng ở sau UASB để loại bỏ chất hữu cơ còn sót lại và đạt được tiêu chuẩn nước thảiđầura
2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luậnán
- Phát triển hệ thống xử lý nước thải có khả năng thu hồi năng lượng cho nước thải chế biến cao
su thiên nhiên tại ViệtNam
- Thiết lập hệ thống tối ưu xử lý nước thải cao su thiên nhiên tại ViệtNam
3 Những đóng góp mới của luậnán
- Các vấn đề môi trường và hệ thống xử lý hiện tại đối với nước thải chế biến cao su tựnhiên ở Việt Nam được nghiên cứu và thống kê thông qua không chỉ qua tài liệu mà còn nghiêncứu thực địa và hệ thốnghóa
- Một hệ thống xửlýmới, tên gọi BR-UASB-DHS, đã được phát triển để xử lý nước thải
có ô nhiễm hữu cơ cao và thu hồi khí sinh học làm nănglượng
Trang 4ThailandInd onesiaViet Nam India China,mainland Malaysia Philippines Guatemala Côte d'Ivoire Myanmar Others
4 Bố cục của luậnán
Luận án gồm 99 trang được chia thành các phần như sau: Giới thiệu luận án 2 trang;chương 1: tổng quan tài liệu 24 trang; chương 2: vật liệu và phương pháp nghiên cứu 13 trang;chương 3: kết quả và thảo luận: 43 trang; chương 4: kết luận chung và 80 tài liệu tham khảo 2trang
B NỘI DUNGCHÍNHChương 1 TỔNG QUAN TÀILIỆU
1.1 Tổng quan về cao su thiênnhiên
Cao su thiên nhiên có khả năng chống mòn tốt, độ đàn hồi cao và độ bền kéo, hiệu suấtnăng động tốt và mức độ giảm xóc thấp Do đó, cao su tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi cho lớplót thảm, chất kết dính, bọt, bóng bay và các phụ kiện y tế như găng tay cao su Tổng lượng cao
su tiêu thụ trong năm 2017 đạt tới 28.287.000 tấn và tăng 3% so với năm 2016 (báo cáo củaIRSG) Sản lượng cao su tự nhiên năm 2017 đã được tăng lên 13.380.000 tấn Thái Lan vàIndonesia sản xuất hơn 60% tổng sản lượng cao su tự nhiên Quy trình sản xuất các sản phẩmcao su thiên nhiên như đông tụ,lytâm, cán màng, rửa và sấy khô đã sử dụng một lượng lớn nướcsạch và thải ra cùng một lượng nước thải Những chất thải này chủ yếu chứa nước rửa, mộtlượng nhỏ mủ không được thu và serum chứa một lượng nhỏ protein, carbohydrate, lipid,carotenoids vàmuối
Top 10 of Natural Rubber Processing Countries (2014)
2% 6%
2%
4%3 % 5%
Trang 51.2 Tổng quan về các công nghệ xử lý nước thải sản xuất cao su thiênnhiên
Bể sục khí và ao thường được sử dụng để xử lý nước thải này Mặt khác, việc áp dụngcác quy trình xử lý tiên tiến như tuyển nổi không khí hòa tan (DAF) và bể yếm khí ngược dòng(UASB) vẫn còn hạn chế Bể sục khí có thể loại bỏ ô nhiễm hữu cơ với nồng độ cao với chi phívận hành và chi phí lắp đặt thấp Nên đây là hệ thống xử lý phổ biến nhất đối với nước thải chếbiến cao su thiên nhiên tại Việt Nam Hiện tại, quá trình này được kết hợp với bẫy cao su và /hoặc bể yếm khí và đã đạt được tiêu chuẩn nước thải trong Tiêu chuẩn Việt Nam loại B Tuynhiên, các nhà máy tiêu thụ điện năng cho hệ thông xử lý nước thải còn nhiều hơn cho sản xuấtcao su tự nhiên Hơn nữa, khí nhà kính (GHG) phát thả từ mương oxy hóa cũng gây lo ngại nồng
độ oxy hòa tan thấp và tỷ lệ C/N thấp trong nước thải chế biến cao su tự nhiên
Trang 61 Đặ
c tín
h nướcth
ải ch
ế biếnca
o
su thiênnhiê
n tại
Trang 71.3 Tổng quan về phương pháp sinh học xử lý nước thải côngnghiệp
Quá trình xửlý kỵkhí được phổ biến hơn quá trình xử lý hiếu khí nước thải Bể phản ứngsinh học của quá trình xử lý nước thảikỵkhí là một hệ thống rất đơn giản và có thể được áp dụng
ở mọi quy mô và ở hầu hết mọi nơi Lợi ích lớn nhất của quá trình xử lý nước thải kỵ khí là nănglượng hữu ích có thể được thu hồi ở dạng mêtan Nhìn chung, có thể thu hồi 40 ~ 45 m3khí sinhhọc từ 100 kg COD ở dòng vào Bể UASB là một trong những hệ thống hứa hẹn nhất để xử lýcác loại nước thải công nghiệp khác nhau vì chịu được OLR cao, chi phí vận hành thấp và thuhồi năng lượng dưới dạng khí mê-tan Công nghệ chính để vận hành thành công bể UASB làlượng bùn yếm khí tích tụ trong bể có khả năng lắng tốt và bộ phần phân tách khí-lỏng-rắn hìnhphễu ngược Bảng 1.4 tóm tắt hiệu suất quá trình của bể UASB xử lý nước thải chế biến cao su
tự nhiên Ứng dụng đầu tiên của bể UASB để xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên tại ViệtNam đã được Nguyễn (1999) nêu trong luận án tiến sĩ nghiên cứu tại Đại học Wageningen Kếtquả cho thấy hiệu suất của bể UASB loại được khoảng 79,8% - 87,9% COD tổng ở mức OLR là28,5 kg-COD•m-3•ngày-1 Tuy nhiên, các hạt cao su tự nhiên còn lại, ví dụ như các hạt cao sutích tụ trong bể UASB, làm ảnh hưởng đến sự phân hủy sinh họckỵkhí Do đó, một quy trình tiền
xử lý hiệu quả để loại bỏ các hạt cao su tự nhiên còn sót lại là cần thiết cho việc áp dụng các lòphản ứng UASB trong các nhà máy chế biến cao su tự nhiên địa phương của Việt Nam Nguyễn
và cộng sự (2016) đã báo cáo rằng quá trình tạo hạt được tăng cường khi sử dụng nhôm clorua
và hiệu suất loại bỏ COD tổng của bể UASB tăng lên 96,5 ± 2,6%, với tỷ lệ thu hồi khí metan là84,9 ± 13,4% đối với nước thải xử lý cao su tự nhiên trong Việt Nam Bước xửlýhiếu khí là quátrình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, amomnia, mùi và sắt bởi một số vi khuẩn hiếu khí trong điềukiện oxy có sẵn Các vi khuẩn hoặc floc hấp thụ các hợp chất hữu cơ và phânhủythành nước vàcarbon dioxide để lấy năng lượng cho việc sinh sản của chínhmình
Bảng 1.4 Ứng dụng của bể UASB trong xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên
Reactor type Volume Seed sludge Organic removal rate COD removal
Single Vietnam 8.55
Digested pig manure sludge 28.5 79.8-87.9% Nguyen (1999)
Single Vietnam 17
Anaerobic digester trating casava wastewater 2.65 96.5 ± 2.6 Thanh et al., (2015)
Two stage Thailand 24.8
Concentrated latex mill 1.41 82 JawjitandLiengcharernest(2010)
Two stage Thailand 997 + 597
Anaerobic pond
in the rubber factory 0.8 96.57 ± 1.3 Tanikawa et al., (2016)
Trang 81.4 Tổng quan về khí nhà kính phát thải từ hệ thống xử lý nướcthải
Khí nhà kính (greenhouse gas - GHG) là một loại khí hấp thụ và phát ra năng lượng bức
xạ trong phạm vi hồng ngoại nhiệt Các GHG chính trong khí quyển Trái đất là hơi nước, carbondioxide, metan, oxit nitơ và ozone Tiềm năng nóng lên toàn cầu (global warming potential -GWP) là so sánh lượng nhiệt bị giữ lại bởi một khối khí nhất định so với lượng nhiệt tương tự bịgiữ lại bởi khí carbon dioxide Nhà máy xử lý nước thải cũng thải ra khí GHG đáng kể vào khíquyển Khoảng 3,4% GHG phát ra từ quá trình xả và xử lý chất thải
Chương 2 VẬT LIỆU VÀ P ƯƠNG P P NG ÊN CỨU
2.1 Khảo sát thựcđịa
Hệ thống xử lý nước thải tại một nhà máy sản xuất cao su tự nhiên tại tỉnh Bình Dương,Việt Nam đã được khảo sát Khí nhà kính từ đầm hiếu khí được thu bằng cách sử dụng buồng thuđược làm từ ống polyvinyl clorua và được phân tích bằng GC-TCD và GC-ECD
2.2 Hệ thống UASB-DHS quy mô phòng thínghiệm
Nước thải thô được lấy từ quá trình đông tụ trong một nhà máy cao su tự nhiên sản xuấtSVR tại tỉnh Thanh Hóa, Việt Nam Hệ thống xử lý quy mô phòng thí nghiệm được vận hành tạiTrường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Việt Nam
2.3 Hệ thống ABR quy mô phòng thínghiệm
Bể yếm khí có vách ngăn (Anaerobic Baffled Reactor-ABR) được tạo thành từ các ốngPVC (đường kính: 110 mm, chiều cao: 1000 mm) có 10 ngăn và thể tích làm việc 68 L
2.4 Hệ thống UASB-D S quy mô nhàxưởng
Hệ thống xử lý nước thải cao su tự nhiên quy mô thí điểm lắp đặt tại Viện nghiên cứu cao
su Việt Nam, Bình Dương, Việt Nam Hệ thống này bao gồm ABR (76,5 m3), bể đầu vào (5 m3),
hệ thống UASB (3 m3), bể lắng (ST; 1 m3) và hệ thống Downflow Hanging Sponge (DHS) (2
m3) với đầu ra nước thải được tuầnhoàn
2.5 Phântích
Các phương pháp đo pH, DO, ORP, COD, BOD, SS, TN, ammonia, nitrite, nitrate, axitbéo dễ bay hơi, sản xuất và thành phần khí sinh học đã được mô tả
Trang 9Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Đặc tính của các hệ thống xử lý nước thải hiệntại
Tác giả đã khảo sát hệ thống bao gồm bể có vách ngăn, bể sục khí và hồ tùy nghi được sửdụng để xử lý nước thải cao su tự nhiên tại tỉnh Bình Dương, Việt Nam Chất lượng nước thải ởmột số điểm lấy mẫu được nêu trong Bảng 3.1 Bể hiếu khí không hoạt động tốt do chi phí điệnnăng cho hệ thống bơm sục khí Chất lượng nước thải của nhà máy này phần lớn vượt quá tiêuchuẩn nước thải Nhà máy xử lý nước thải được biết đến là một trong những nguồn phát thảiGHG lớn Tuy nhiên, phát thải GHG từ nhà máy xử lý nước thải xử lý cao su tự nhiên khôngđược báo cáo Do đó, chúng tôi đã đo lượng GHG phát thải từ bể kỵ khí xử lý cao su tự nhiên tạitỉnh Bình Dương, Việt Nam Hình 3.2 cho thấy thành phần của khí sinh học được thu thập từ cácngăn 28, 33 và 56 bằng phương pháp thay thế nước trong cuộc khảo sát vào tháng 10 (Hình 2.1)
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống bể có vách năng kỵ khí dạng mở
Khí thải từ bể kỵ khí loại mở bao gồm 57,7% -60,8% metan, 14,5% -31,5% carbondioxide, 10,8% -24,7% nitơ và oxit nitơ 329-423 ppm Khí oxit nitơ thải từ hệ thống xử lý nướcthải xử lý cao su tự nhiên đã được quan sát trước tiên Con đường loại nitơ dự đoán là ammonia
đã bị oxy hóa thành nitrat và nitrite ở bề mặt của bểkỵkhí kiểu mở; sau đó, nitrat và nitrite đượctiêu thụ ở bước khử nitrat Cuối cùng, 18,1% ammonia đã được loại bỏ trong bể kỵ khí loại mở,
và hệ số phát thải oxit nitơ trở thành 0,0263kg-NO2-N•kg-N-1.Hệ số phát thải này cao hơn nhiều
so với 0,005kg-NO2-N•kg-N-1, đây là hệ số phát thải trực tiếp từ các nhà máy xử lý nước thảiđược áp dụng bởi IPCC (2006) và tương tự như hệ số phát thải cho sinh học toàn diện nhà máy
xử lý nước thải loại bỏ chất dinh dưỡng Tốc độ phát thải (thông lượng) từ 1 m3nước thải RSS đã
xử lý đối với metan, oxit nitơ và tổng GHG được tính bằng 0,054 t- CO2eq•m-3,
Trang 100,099t-CO2eq•m-3và 0,153 t-CO2eq•m-3, tương ứng Các tỷ lệ phát thải này cao hơn tốc độ phát thải từ
hệ thống xử lý nước thải hiếu khí trong các nhà máy xử lý cụcmùn
Bảng 3.1 Chất lượng nước tại mỗi điểm lấy mẫu ở nhà máy chế biến cao su tại Việt Nam
.
Hình 3.2 Thành phần khí sinh học ở ngăn 28, 33, 56
Trang 11Hình 3.6 Thành phần GHG thải ra từ phần đầu, giữa và cuối của bể kị khí.
Hình 2.2 Hệ thống lấy mẫu khí dùng trong nghiên cứu này
3.2 Phát triển mô hình hệ thống UASB-DHS quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải chế biến cao su tựnhiên
Nghiên cứu trước đây đã báo cáo bể UASB vận hành kém với nước thải chế biến cao su
tự nhiên do tích tụ lượng lớn cao su tự nhiên bể UASB Do đó, việc phát triển quy trình loại bỏ(thu hồi) cao su tự nhiên là rất cần thiết để áp dụng thành công bể UASB Bể có vách ngăn có thểđược thu hồi chất rắn bằng thiết kế độc đáo của nó và được coi là quá trình tiền xử lý hiệu quả
Trang 12đối với nước thải quá trình cao su tự nhiên Do đó, chúng tôi đã thiết kế quy trình xử lý nước thảicho nước thải xử lý cao su tự nhiên bao gồm bẫy cao su (BR), bể UASB và lọc nhỏ giọt (DHS)(Hình 2.4).
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống kết hợp bẫy cao su (baffled reactor-BR), upflow anaerobic sludgeblanket (UASB), và lọc nhỏ giọt (downflow hanging sponge-DHS) (1) bồn nước thải đầuvào, (2) bơm, (3) bồn nước thải sau tiền xử lý, (4) bơm, (5–8) điểm lấy mẫu, (9) UASBcolumn, (10) bộ phận tách khí-rắn (11) khuấy, (12) khử sulfur, (13) đo khí, và (14) bộ
Hệ thống vận hành tốt trong giai đoạn 1 khởi động (ngày 1-45) và được vận hành trong
126 ngày Dòng vào và dòng ra có pH lần lượt là 5,8 ± 0,7 và 5,3 ± 0,3 và hệ thống gồm bể cóvách ngăn (BR) - UASB - DHS được vận hành mà không cần điều chỉnh pH Nhìn chung, hiệusuất loại bỏ COD tổng đạt 98,6 ± 1,2% và loại bỏ TSS đạt 98 ± 1,4% với HRT là 42,2 h Hình3.8 cho thấy sự cân bằng khối lượng COD của dòng vào, BR và bể UASB trong giai đoạn 2 BR
đã loại bỏ 42,3 ± 34,5% TSS và 72,4 ± 38,2% VSS trong giai đoạn 2 Tương tự, COD rắn đãđược loại bỏ và thay vào đó nồng độ acetate và propionate tăng Do đó, BR hoạt động như một
bể bẫy cho các hạt cao su còn dư và bể axit hóa Bể UASB cũng đạt hiệu suất loại bỏ COD cao là92,7 ± 2,3% với OLR là 12,2 ± 6,2 kg-COD • m-1• ngày-1 Tỷ lệ thu hồi khí mêtan, được tính từCOD tổng đã loại bỏ, là 93,3 ± 19,3% cho giai đoạn 2 Hiệu quả loại bỏ COD cao và tốc độ thuhồi khí metan cao được cho là do BR loại được chất rắn hữu cơ và axit hóa hiệu quả nước thải
Hệ thống BR-UASB-DHS có thể giảm HRT; do đó, yêu cầu về mặt bằng của hệ thống nhỏ hơn
so với hệ thống xử lý hiện đang sửdụng
Trang 13Time course (days)
Hình 3.8 COD tổng và COD hòa tan trong thời gian vận hành hệ thống
3.3 Phát triển mô hình hệ thống ABR quy mô phòng thínghiệm
Nồng độ COD của dòng vào và dòng ra của hệ thống ABR lần lượt là 3,420 ± 660 mg•L
-1và 1.500 ± 620 mg•L-1 Hiệu suất loại bỏ COD cao nhất là 92,3 ± 6,3% trong nghiên cứu nàyđược quan sát thấy trong giai đoạn 2 khi hoạt động dưới OLR là 1,4 ± 0,3 kg-COD • m-3• ngày-1
Trang 14Hiệu quả loại bỏ này cao hơn so với nghiên cứu trước đây áp dụng ABR cho nước thải này.Kiểm tra chất lượng nước tại các khoang của ABR cho thấy nồng độ VFA cũng giảm dần dọctheo dòng chảy trong hệ thống Bể UASB là hệ thống hứa hẹn nhất cho loại nước thải này; một
số bể UASB quy mô phòng thí nghiệm đạt được hiệu quả loại bỏ hữu cơ cao cùng với tốc độ thuhồi khí metan cao Tuy nhiên, bể UASB ở quy mô pilot chỉ vận hành ở điều kiện OLR thấp dodòng vào chứa các hạt cao su dư hoặc có hàm lượng sunfat cao Nhóm nghiên cứu của chúng tôi
đã chỉ ra bể UASB quy mô pilot xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên có chứa sunfat cao loạiđược 95,7 ± 1,3% COD tổng với OLR là 0,8 kg-COD • m-3• ngày-1ở Thái Lan Ngoài ra, bểUASBquymôpilot xửlýnướcthảicaosutựnhiênthải ratừquytrìnhsả nxuấtRSSđãloại