Tiểu luận xử lý chất thải trong công nghệ thực phẩm đề tài trình bày, phân tích và đưa ra ví dụ về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA TIỂU LUẬN XỬ LÝ CHẤT THẢI TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đề tài Trình bày, phân tích và đưa ra ví dụ về xử lý nước thải bằng phương pháp[.]

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

-TIỂU LUẬN

XỬ LÝ CHẤT THẢI TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Đề tài: Trình bày, phân tích và đưa ra ví dụ về xử lý nước thải bằng phương

pháp sinh học yếm khí

GVHD : Phạm Thị Thanh Yên

Mã lớp : 20212CT6191001

Mã học phần : CT6191.1Nhóm thực hiện : Nhóm 3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Sơ lược về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 5

1.2 Một số phương pháp cơ bản xử lý nước thải sinh hoạt hiện nay 5

CHƯƠNG 2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ .6

2.1 Khái quát 6

2.2 Quá trình phân hủy trong bể kị khí 7

2.3 Yếu tố ảnh hưởng 9

2.4 Ưu điểm & nhược điểm của phương pháp kị khí 9

2.5 Điều kiện quan trọng để xử lý kị khí hiệu quả 10

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH KỊ KHÍ 11

3.1 Phương pháp tự nhiên 11

3.2 Phương pháp nhân tạo 11

CHƯƠNG 4 VÍ DỤ 18

KẾT LUẬN 19

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ đã giúpcho nền kinh tế phát triển với nhiều nhà máy công nghiệp lớn thì cũng gây ra nhiều ảnh hưởng có hại đến môi trường Các khu công nghiệp này đã và đang là những nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường sống của chúng ta với những rác thảicông nghiệp, nước thải, bụi khói lò, tiếng ồn,…ở trong rác thải, nước thải công nghiệp

có chứa những hợp chất hữu cơ khó phân hủy và có khả năng tích lũy sinh học làm ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng đến đời sống và sức khỏe con người

Có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải, nhưng do tích chất và thành phần của nước thải khác nhau cần lựa chọn phương pháp xử lý cho phù hợp Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý được đưa ra như phương pháp cơ học, hóa lý, hóa học, sinh học… Trong đó phương pháp sinh học là phương pháp đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, không để lại nhiều ảnh hưởng tới môi trường, phù hợp và dễ áp dụng ngoài thực tế Trong một phạm vi nhất định, phương pháp này không cần dùng đến hóa chất mà dùng chính hệ vi sinh vật có sẵn trong nước thải để phân hủy các chất bẩn

Do đó, “Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học”

là việc làm cần thiết, đáp ứng được yêu cầu thực tiễn

Trong bài tiểu luận này, nhóm em xin giới thiệu tới cô và các bạn về một

phương pháp xử lý nước thải sinh học hiệu quả Đó là phương pháp xử lý nước thải công nghiệp sinh học yếm khí

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Cấu tạo bể bị khí 4

Hình 2 Quá trình phân hủy kị khí 6

Hình 3 Quá trình phân hủy kỵ khí 8

Hình 4 Bể UASB 12

Hình 5 Quá trình hoạt động bể UASB 13

Hình 6 Hầm biogas 16

Hình 7 Bể tự hoại 3 ngăn 17

Hình 8 Bể tự hoại 18

Hình 9 Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Sơ lược về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (hay còn gọi là xử lý nước thải bằng vi sinh) là quy trình xử lý nước thải lợi dụng sự hoạt động sống và sinh trưởng của vi sinh để đồng hóa các chất hữu cơ có trong nước thải, biến các chất hữu cơ thànhkhí và vỏ tế bào của vi sinh để loại ra khỏi nước [1]

Vi sinh vật có trong nước thải sẽ liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ bằng cáchduy nhất là tổng hợp thành tế bào mới Vi sinh vật có thể hấp thụ lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào Khi hấp thụ xong, nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì khả năng hấp thụ sẽ về 0 Một phần chất hữu cơ thấp thụ được dành cho việc kiến tạo tế bào Một phần chất hữu cơ được oxy hóa để tạo năng lượng cung cấp cho việc tổng hợp

Cơ chế xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (xử lý nước bằng vi sinh) là

vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng Sản phẩm của các quá trình phân hủy này là khí CO2, H2O, N2, ion sulfite

Mục đích của xử lý nước thải bằng vi sinh là khử các chất hữu cơ COD, BOD,

…với nồng độ cao ở trong nước về nồng độ cho phép, ở mức không gây hại tới môi trường

Ưu điểm của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (xử lý nước bằng vi sinh)

 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (xử lý nước bằng vi sinh) với chi phí đầu tư ít

 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (xử lý nước bằng vi sinh) dễ vận hành

 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (xử lý nước bằng vi sinh) là

phương pháp xử lý thân thiện với môi trường

 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (xử lý nước bằng vi sinh) hiệu suất

xử lý cao

1.2 Một số phương pháp cơ bản xử lý nước thải sinh hoạt hiện nay

Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:

– Phương pháp kị khí: sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiệnkhông có oxy

– Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điềukiện cần cung cấp oxy liên tục

CHƯƠNG 2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

KỊ KHÍ2.1 Khái quát

Xử lý kị khí là quá trình sinh học thực hiện trong điều kiện yếm khí (không có oxy) để

ổn định chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành các sản phẩm cuối cùng như CH4, các chất vô cơ như CO2, NH3 [2]

Chất hữu cơ + chất dinh dưỡng CH4+ ¿CO2+ NH3+sinh khối

 Nguyên tắc

Hình 1 Cấu tạo bể bị khí

Phương pháp xử lý kị khí dùng để loại bỏ các chất hữu cơ trong phần cặn của nước thải bằng vi sinh vật tùy nghi và vi sinh kị khí

Các phương pháp kỵ khí thường dùng để xử lý nước thải công nghiệp & chất thải

từ trang trại chăn nuôi

Các giai đoạn kị khí bao gồm sự chuyển hóa các chất hữu cơ phức tạp thành chất

hữu cơ đơn giản (axit hữu cơ) – vai trò của vi khuẩn có cấu trúc axit Sau đó, sử dụng axit hữu cơ (vi khuẩn methane, rất nhạy với các điều kiện môi trường) tạo thành CH4,

CO2

Để hoạt động kị khí hiệu quả cần chú ý: vi khuẩn, cơ chất, tải trọng, sự tiếp xúc

(khuấy trộn), môi trường

 Vi khuẩn: vi khuẩn kị khí

 Cơ chất: chất rắn bay hơi

 Môi trường: kị khí (không oxy), nhiệt độ (kiểm soát hoạt động của vi khuẩn, vi khuẩn nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ), pH 6,8-7,2, độc tố

 Nhiệt độ: không nên thay đổi > 1°C/ ngày

Cân bằng hệ xử lý: tải trọng hữu cơ, độ kiềm, axit bay hơi, nhiệt độ, khuấy trộn Các loại nước thải công nghiệp thích hợp sử dụng phương pháp kị khí như:

sản xuất bia rượu, đường, tinh bột (lúa mạch, khoai tây, lúa mì, khoai mì), thực phẩm, bánh mì, giấy, sữa, giết mổ gia sức, nhà máy hóa dầu

Các kiểu bể phân hủy kị khí:

- Bể phản ứng tốc độ thấp:

 Ao hồ kị khí

 Bể tự hoại septic tank

 Imhoff tank

 Standard rate anaerobic digester (phân hủy kị khí tốc độ chuẩn)

 Các yếu tố quan trọng: kiểu bùn, nhiệt độ, khuấy trộn, SRT (điều kiện môi trường khác không yêu cầu)

- Bể phản ứng tốc độ cao:

 Quá trình tiếp xúc kị khí (Anaerobic contact process)

 Lọc kị khí (Anaerobic filter)

 UASB (Upflow anaerobic sludge balnket)

 Lò phản ứng tầng sôi (Fluidized bed reactor)

 UASB/AF (hybrid reactor)

 ASBR (Anaerobic sequencing batch reactor): bể phản ứng kị khí dạng

mẻ hàng loạt

 Có khả năng duy trì nồng độ cao sinh khối hoạt tính trong bể phản ứng

2.2 Quá trình phân hủy trong bể kị khí

Quá trình phân hủy kị khí các hợp chất hữu cơ phức tạp được thực hiện bởi hàng loạt

vi khuẩn và cổ khuẩn trong đó có sự tương tác qua lại giữa chúng và sẽ có sự ngưng trệ nếu gặp phải yếu tố cản trở hay bất lợi

 Cơ chế và đặc điểm phản ứng

Quá trình phân hủy kỵ khí chất bẩn: Là quá trình diễn ra hàng loạt các phản ứng sinh hóa phức tạp và có thể hợp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy các chất thải hữu cơ như sau:

Hình 2 Quá trình phân hủy kị khí

(1) Quá trình thủy phân:

- Muốn hấp thụ được các chất hữu cơ có trong nước thải, vi sinh vật phải thực hiện các công đoạn chuyển hoá các chất này Việc đầu tiên là phải thuỷ phân các chất cóphân tử lượng cao thành các polymer có phân tử lượng thấp và monomer Vì chỉ khi đó các chất này mới có khả năng được hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật Để thực hiện quá trình thuỷ phân, các vi sinh vật này phải có hệ enzyme các loại như proteinase, lipase, cellulase … Sau thuỷ phân, các sản phẩm đố sẽ được tạo thành như các amino acid, đường, rượu, các acid béo mạch dài …

- Quá trình thuỷ phân xảy ra khá chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố của môi trường như nhiệt độ, pH, cấu trúc của các chất hữu cơ cần phân giải

(2) Quá trình acid hóa:

Các sản phẩm của quá trình thuỷ phân sẽ được tiếp tục phân giải dưới tác động của các vi sinh vật lên men acid béo dễ bay hơi như acid acetic, acid formic, acid propionic Ngoài ra còn có một số dạng như rượu methanol, ethanol, aceton, NH3,

CO2, H2 …

(3) Quá trình acetate hóa:

- Các acid là sản phẩm của quá trình trên lại được tiếp tục thuỷ phân để tạo lượng acid acetic cao hơn Sản phẩm của quá trình này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của H2 trong môi trường Áp suất riêng phần của H2 được giữ < 10-3 atm để vi sinh vật có thể thực hiện biến đổi H2 thành CH4 theo phản ứng sau:

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

- Thực tế cho thấy khi áp suất riêng phần của H2 lớn thì sản phẩm của quá trình này chứa nhiều acid béo trung gian như acid propionic (C3) acid butyric (C4) … Do vậy, làm chậm quá trình tạo methane

(4) Quá trình methane hóa:

- Đó là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy các sản phẩm hữu cơ đơn giản của những giai đoạn trước để tạo thành CH4 và CO2 nhờ các vi khuẩn lên men methane Chúng có hai nhóm sau:

 Nhóm biến đổi acetate: Nhóm này có tốc độ phát triển chậm và đây là nguyên nhânđòi hỏi công trình xử lý kỵ khí phải có thời gian lưu các chất thải ở công trình lâu

 Nhóm biến đổi hydrogen: Nhóm này có tốc độ phát triển nhanh hơn nhiều, do đó

có khả năng giữ áp suất riêng phần của H2 thấp, tạo điều kiện tốt cho quá trình biếnđổi acetate từ các acid béo

- Trong 3 giai đoạn đầu thì lượng COD hầu như không giảm, COD chủ yếu chỉ giảmtrong giai đoạn metan hóa

- Trong xử lý kỵ khí cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng:

 Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt

 Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi sinh vật

Hình 3 Quá trình phân hủy kỵ khí

a Ảnh hưởng của nhiệt độ, pH, độ kiềm

- Hợp chất hữu cơ thủy phân thành chất hữu cơ đơn giản ở pH = 4,0-7,8

- Giai đoạn sinh CH4 với pH < 6

- Anaerobic vận hành với tải trọng COD kg/VSS kg.d = 0,3-0,5

b Chất dinh dưỡng và kim loại vết

- Quá trình xử lý sinh học, yếu tố dinh dưỡng vô cơ và kim loại vết được yêu cầu cho sự trao đổi của hệ vi snh vật Quá trình kị khí cũng yêu cầu N, P ở mức độ thấp

- Vi khuẩn kị khí chứa 10,5 % N, 1,5% P trong VSS (chất rắn lơ lửng bay hơi) nên lượng nito bổ sung đầu vào có thể đạt được và xác định dựa vào tỷ lệ kg COD/kg VSS

- Nhu cầu photpho được tính theo tỷ lệ trong vi sinh vật, ví dụ N:P = 7:1 Nếu tải trọng bể phản ứng với COD bằng 0,5 kg COD/kg VSS.d thì COD:N:P =

100:0,6:0,8 Như vậy, so với quá trình hiếu khí thì nhu cầu N và P thấp hơn

- Kim loại vết có vai trò cho quá trình tạo bông vi khuẩn kị khí, sản sinh enzym

2.4 Ưu điểm & nhược điểm của phương pháp kị khí

a Ưu điểm

- Ít có nhu cầu năng lượng (trong khi quá trình hiếu khí cần 0,5-0,75 kWh cho việc loại bỏ 1 kg COD)

- Thu năng lượng từ sinh khí CH4 (thu 1,16 kWh năng lượng từ việc lên men 1 kgCOD)

- Sinh khối ít (quá trình kị khí chỉ tạo 20% lượng bùn so với hiếu khí Xử lý 1 kg BOD bằng hiếu khí tạo ra 0,5 kg (CO2 và H2O) và 0,5 kg sinh khối mới Trong khi, phân hủy sinh học 1 kg COD kị khí sinh ra >0,9 kg CH4 và 0,1 kg sinh khốimới

- Nhu cầu dinh dưỡng (N, P) thấp (tỷ lệ tổng hợp sinh khối thấp hơn và nhu cầu dinh dưỡng thấp, chỉ bằng 20% so với hiếu khí)

- Áp dụng xử lý nước thải có tải trọng cao ( tải trọng hữu cơ cao gấp 5-10 lần so với hiếu khí)

- Tiết kiệm không gian (tỷ lệ tải trọng cao hơn yêu cầu bể phản ứng nhỏ hơn)

- Có khả năng phân hủy, chuyển hóa các dung môi độc hại như: chloroform, trichloroethylene, trichloroethane thành các chất dễ phân hủy

- Nhu cầu chất dinh dưỡng, kim loại vết cụ thể: vi sinh vật kị khí, đặc biệt

methanogens cần các yếu tố vi lượng như: Fe, Ni, Co để sinh trưởng tối ưu

- Nhiều yếu tố nhạy cảm dẫn đến sự thay đổi các điều kiện môi trường: vi sinh vật kị khí, đặc biệt methanogens có khuynh hướng thay đổi trong điều kiện nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử

- Xử lý nước thải giàu sulfate: nước thải giàu sulfate không nhwuxng giảm sản lượng CH4 mà nó còn ức chế methanogens (vi khuẩn sinh CH4) do sản sinh H2S

- Xử lý nước thải giàu nito và protein: quá trình kị khí có mặt protein sinh amine

và làm kéo dài (làm chậm) sự phân hủy sinh học kị khí Tương tự, nito cũng không thay đổi trong quá trình kị khí)

2.5 Điều kiện quan trọng để xử lý kị khí hiệu quả

- Tránh phơi nhiễm/tiếp xúc oxy/không khí quá mức

- Tránh sự có mặt các hợp chất độc tố, chất cản trở ở dòng nước thải đầu vào

- Duy trì pH ở mức 6,8 – 7,2

- Axit béo bay hơi thấp

- Duy trì khoảng nhiệt độ trung bình (ưa ấm) 30-38 °C

- Đủ chất dinh dưỡng (N, P) và kim loại vết, nhất là Fe, Ni, Co,…Tỷ lệ COD:N:P

= 350:7:1 (hệ thống tải trọng cao) và 1000:7:1 (tải trọng thấp)

- SRT/HRT >> 1 (sử dụng cho bể kị khí tốc độ cao)

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH KỊ KHÍ3.1 Phương pháp tự nhiên

Ao hồ kị khí là loại ao sâu, ít có hoặc không có điều kiện hiếu khí, được sửdụng để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và hàm lượng cặn cao Các vi sinh vật

kị khí hoạt động sống không cần oxi của không khí

Các vi sinh vật kị khí sử dụng oxi trong các hợp chất như nitrat, sulfat…để oxi hóa các chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các loại rượu và khí metan, H2S, CO2…và nước

Ao hồ kị khí thường dùng để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy Loại ao hồ này có thể tiếp nhận loại nước thải (kể cả nước thải công nghiệp) có độ nhiễm bẩn lớn,tải BOD cao và không cần vai trò quang hợp của tảo Nước thải lưu ở hồ kị khí thườngsinh ra mùi hôi thối khó chịu Vì vậy không nên bố trí các loại ao hồ này gần khu dân

cư và xí nghiệp chế biến thực phẩm

Để duy trì điều kiện khí và giữ ấm nước trong hồ trong những ngày mùa đông nhiệt độ thấp, chiều sâu hồ khá lớn (từ 2-6m, thông thường lấy ở khoảng 2,5-3,5m)

Hồ kị khí có thể khử BOD trong mùa hè lên tới 65-80%, và mùa đông có thể khử 65%

45-Cấu tạo của hồ thường có 2 ngăn: 1 ngăn làm việc và 1 ngăn dự phòng khi vét bùn cặn Cửa dẫn nước vào ao hồ được đặt chìm đảm bảo cho việc phân bố cặn đồng đều trong hồ Cửa xả nước ra khỏi hồ theo kiểu thu nước bề mặt và có tấm ngăn bùn không cho ra cùng với nước

3.2 Phương pháp nhân tạo

3.2.1 Hệ thống UASB

- Hệ thống UASB ( Up-flow Anaerobic Slugle Blanked) được phát triển từ hệ thống

xử lý kị khí đối với các loại nước thải có nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ cao Trong những năm gần đây, UASB đã được nghiên cứu chuyên sâu và triển khai áp dụng rộng rãi trên thế giới do có những ưu điểm sau:

 Tải trọng phân hủy hữu cơ cao, mặt bằng yêu cầu cho hệ thống xử lý nhỏ

 Nhu cầu tiêu thụ năng lượng thấp do không cần phải cung cấp oxy

 Có khả năng thu hồi năng lượng

 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí thực chất là quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng vi sinh vật kị khí tạo thành chất không độc hay dễ xử lý với môi trường

- Bể UASB kết hợp 3 quá trình phân hủy – lắng bùn – tách khí trong cùng một hệ thống

- Tạo thành các loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí

- Nhờ vào quá trình hoạt động của các vi sinh vật kị khí nhằm biến đổi các chất đơn giản hơn và sinh ra khí sinh học