NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN TRỊ RỦI RO THANH KHOẢN TRONG CÁC NGÂN HÀNG THƯƠNG MẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KINH TẾ

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ô nhiễm môi trường từ nước thải sản xuất cồn đang là vấn đề bức thiết cần giải quyết Thực trạng hiện nay, hầu như không có nhà máy cồn nào đạt tiêu chuẩn thải cho phép do hàm lượng hữu cơ quá cao (50.000 - 100.000 mg/l) chủ yếu là xác nấm men, carbonhydrate, một số chất hữu cơ khoa phân huỷ chất tạo màu, độ đục lớn có màu đen thẩm, mùi đường và mùi chua đặt trưng, nhiệt độ cao và là mối quan tâm của xã hội và các nhà môi trường vì tải lượng ô nhiễm khá cao Do đó việc giảm thiểu nồng độ ô nhiễm đạt tiêu chuẩn là hết sức khó khăn, đòi hỏi phải kết hợp nhiều phương pháp và nhiều ban ngành và chính vì thế mới có sự ra đời của đề tài này

Hiện nay, nhiều công nghệ xử lý nước thải sản xuất cồn đã được áp dụng ở nước ta như: áp dụng phương pháp sinh học kị khí (UASB), phương pháp hoá lý (keo tụ) kết hợp phương pháp sinh học hiếu khí (bùn hoạt tính), hồ sinh học (kị khí, tùy nghi, hiếu khí) Tuy nhiên, thực tế cho thấy các hệ thống hoạt động không hiệu quả và khá phức tạp Vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu một công nghệ xử lý vừa có hiệu quả về mặt kinh tế và phù hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta Mô hình UASB kết hợp lọc sinh học kị khí (USBF) có thể đáp ứng được điều này, đặc biệt công nghệ trên chưa được nghiên cứu trên nước thải sản xuất cồn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xử lý nước thải cồn bằng công nghệ sinh học kị khí, đánh giá khả năng thu hồi năng lượng từ nguồn thải ô nhiễm hữu cơ cao

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

 Tổng quan cơ sở lý thuyết sử dụng USBF để xử lý nước thải sản xuất cồn rượu

 Tổng hợp phân tích, so sánh và đánh giá lập kế hoạch nghiên cứu xử lý

 Xác định giới hạn nghiên cứu và phương án thực nghiệm

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

 Xác định thành phần và đặc tính nước thải sản xuất cồn

 Lập kế hoạch thực nghiệm

1.3.4 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Dựa trên các lý thuyết về xác suất thống kê, xử lý các số liệu nhận được trong quá trình thí nghiệm

1.4 Nội dung nghiên cứu

 Tổng quan về công nghệ sản xuất cồnvà một số công nghệ xử lý đang được áp dụng ở nước ta

 Tổng quan về xử lý kị khí và công nghệ USBF

 Xác định thành phần, tính chất nước thải sản xuất cồn

 Thiết lập và nghiên cứu mô hình USBF

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT CỒN TỪ MẬT RỈ ĐƯỜNG

1.1 TIỀM NĂNG CỦA NGÀNH SẢN XUẤT CỒN TRONG TƯƠNG LAI 1.1.1 Ưu điểm của nhiên liệu ethanol

Giá thành rẻ, tác động tích cực đến môi trường (lượng khí CO2 do xe hơi chạy bằng cồn lỏng thải ra chỉ bằng 1/12 so với xe chạy bằng xăng Tổng hợp các chỉ số

ô nhiễm môi trường cho thấy, mức độ ô nhiễm môi trường của xe chạy bằng cồn chỉ bằng 30% của xe chạy xăng Nếu xe sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cồn xăng thì sẽ giảm được 20-30% lượng khí CO, giảm khoảng 25% lượng khí thải CO2, đồng thời còn giảm bớt được lượng khí thải các chất có hại như chì…)

1.1.2 Ethanol – nguồn nhiên liệu thay thế đầy triển vọng

Nguồn dầu mỏ thế giới đang cạn kiệt dần, cộng với tình hình bất ổn tại các khu vực giàu dầu mỏ như Iran, Irag, Nigeria… khiến nguồn cung không đảm bảo liên tục gây lo ngại cho các nước “khát dầu” phục vụ cho nền kinh tế phát triển Vì thế, tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang được các nước đặt lên hàng đầu Trong số những nhiên liệu thay thế, ethanol nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhất, đáp ứng được những tiêu chuẩn như giá rẻ, dễ sản xuất, thân thiện với môi trường

Ethanol là chất phụ gia để tăng trị số Octane (trị số đo khả năng kích nổ) và giảm khí thải độc hại của xăng trong chính sách năng lượng của các nước khối EU, Mỹ, Australia, Trung Quốc, Nhật Bản… đều chú trọng đến ứng dụng ethanol Mỹ là nước sử dụng nhiều dầu mỏ nhất thế giới Trong những phát biểu gần đây, tổng thống Mỹ Bush kêu gọi dân chúng “cai nghiện” dầu mỏ Oâng đặt vấn đề nghiên cứu tìm nhiên liệu thay thế để bớt lệ thuộc nước ngoài Xăng ở Mỹ được pha ethanol phổ biến là E10 (hỗn hợp gồm 10% ethanol và 90% xăng không chì) và E85

Hình 1.1 Một trụ bơm xăng E85 ở thành phố Lexington-Mỹ

Tuy Mỹ và những nước tiên tiến khác rất chú trọng phát triển nhiên liệu ethanol nhưng Brazil mới là nước dẫn đầu và nếu muốn bắt kịp Brazil trong sản xuất và tiêu thụ ethanol thì Mỹ cần cả thập niên nữa

1.1.3 Ethanol – niềm tự hào của Brazil

Brazil là nước xuất khẩu đường đứng hàng đầu trên thế giới Điều đáng chú ý là song song với việc duy trì vị trí dẫn đầu trên thị trường đường, Brazil đã tận dụng được phần rỉ đường để sản xuất ethanol Chỉ cần mất 3 ngày chế biến là đã có được nhiên liệu ethanol sẵn sàng cho người tiêu dùng Hiện nay, ở đất nước Nam Mỹ này, cứ 100 chiếc xe hơi bán ra thì có tới 80 chiếc là xe “lai”-chạy bằng xăng hay ethanol đều được Hai thứ nhiên liệu này dễ mua và ethanol rẻ hơn 1/3 so với xăng dầu nên rất được thị trường ưa chuộng

Các loại xăng được sử dụng ở đây đều được pha chế 25% ethanol (E25) Brazil hiện có 17 triệu ô tô sử dụng E25 và 3 triệu ô tô sử dụng 100% ethanol

Brazil đặt chỉ tiêu sản xuất 16.6 tỷ lít nhiên liệu ethanol năm 2006 Khoảng 80% sản lượng sẽ được dùng cho thị trường xe hơi trong nước Brazil có thể tiết kiệm được 400 tỷ USD tiền nhập khẩu xăng dầu Hơn thế nữa, Brazil sẽ thu về nguồn

Một trụ bơm xăng E85 ở thànhphố Lexington-Mỹ

đến năm 2012, Brazil sẽ đưa vào hoạt động trên 70 nhà máy chuyên sản xuất ethanol

1.1.4 Triển vọng cho ethanol

Những nhà phân tích cho rằng muốn cạnh tranh với ethanol thì giá dầu phải hạ xuống còn 35USD/thùng Điều này hầu như không thể xảy ra trong tình hình thế giới hiện nay Người ta dự báo nhu cầu nhiên liệu ethanol toàn cầu đến năm 2010 có thể tăng gấp 4 lần, lên khoảng 80 tỷ lít, và chỉ trong 2 đến 3 năm nữa các con tàu khổng lồ chở ethanol sẽ xuôi ngược khắp các đại dương, như hình ảnh tàu chở dầu hiện nay

1.1.5 Chiến lược nhiên liệu sạch cho Việt Nam

Việt Nam được đánh giá là nước có những tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học Về nguồn nguyên liệu cho sản xuất cồn: năm 2003 cả nước có 7.45 triệu ha trồng lúa, thu hoạch được 34.5 triệu tấn thóc, năng suất trung bình 4.63 triệu tấn/ha; có 910000 ha trồng ngô, thu hoạch 2.933 triệu tấn; có 220000 ha trồng khoai, năng suất 7.24 tấn/ha, 2 vụ; có 372000ha trồng sắn (có khả năng tăng diện tích lên 500000 ha), năng suất 14.1 tấn/ha (hiện đang trồng thử giống mới năng suất 40 tấn/ha); có 50 nhà máy chế biến sắn thành tinh bột xuất khẩu, sử dụng

100000 tấn/năm cho sản xuất cồn; có 306400 ha trồng mía, năng suất bình quân 54 tấn/ha, thu hoạch 16.5 triệu tấn mía, hàm lượng đường 12-14%, đến cuối năm 200, cả nước có 43 nhà máy đường, tổng công suất 82450 tấn mía/ngày, 592000 tấn rỉ đường, sản xuất được 200 triệu lít cồn

Theo thông tin từ trung tâm xúc tiến thương mại và đầu tư TPHCM: Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển nhiên liệu sinh học và mục tiêu dự kiến đến năm 2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng khoáng và 5% ethanol) và dầu B5

Theo lộ trình được tiến sĩ Nguyễn Xuân Dinh – Vụ phó Vụ Năng lượng và dầu khí – Bộ Công Thương đưa ra, đến năm 2015 sẽ sử dụng phổ cập toàn quốc xăng E5 và B5, các hệ thống biogas, suất khẩu E100 và B100 Đến năm 2025, nhiên liệu sinh học sẽ cung cấp 10% nhu cầu nhiên liệu lỏng, sử dụng phổ biến nhiên liệu E10 và B10 trên toàn quốc

Đặc biệt theo tiến sĩ Đặng Tùng, Vụ trưởng Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công thương), sang năm 2007, nhiều nhà máy sản suất cồn công nghiệp để sản xuất nhiên liệu đã được dồn dập triển khai ở Việt Nam

Cụ thể, công ty cổ phần Cồn sinh học Việt Nam đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất cồn công nghiệp với công suất 66000m3/ năm tại Đắc Lắc Bên cạnh đó các dự án đầu tư liên doanh liên kết giữa Công ty đường Biiên Hòa với công ty của Singapore kí kết hợp tác tháng 8/2007 đầu tư nhà máy sản xuất cồn sinh học công suất 50000tấn/năm

Mặc dù chưa thật sự phát triển rầm rộ và nhiên liệu sinh học chưa được ứng dụng rộng rãi nhưng việc đầu tư phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam được coi là hướng đi tất yếu

1.2 TÌNH HÌNH CHUNG

1.2.1 Thế giới

Công nghiệp cồn rượu là một ngành xuất hiện từ rất lâu trên thế giới, nó là nguồn nguyên liệu, được ứng dụng trong một số ngành công nghiệp khác Hiện nay, sản lượng cồn rượu hàng năm vẫn tiếp tục gia tăng ở các nước trên thế giới

1.2.2 Việt Nam

Ngành sản xuất cồn rượu theo kiểu công nghiệp ở nước ta xuất hiện từ năm 1898

do người Pháp thiết kế và xây dựng Khi đó, ở nước ta chỉ có một số nhà máy rượu

năm ta có thề sản xuất trên 30 triệu lit cồn Có thể nói, thời gian này hàm lượng

cồn rượu trong cả nước đạt mức cao nhất Vào những năm 1986 – 1987, do đổi mới

cơ chế quản lý nên hàng loạt phân xưởng, nhà máy phải đóng cửa Trong hội thảo

“Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành rượu bia nước giải khát”,

theo đề nghị của các chuyên gia đến năm 2005 nước ta có khả năng sản xuất

khoảng 180 đến 200 triệu lit cồn tinh khiết Trong đó, cồn từ nguồn nguyên liệu

tinh bột chiếm 30 – 40%, còn lại là cồn từ mật rỉ

Bảng 1.1 Tình hình sản xuất cồn của một số doanh nghiệp

STT Tên công ty Sản lượng

(triệu lit)

Cồn thô (triệu lit)

Cồn tinh luyện (triệu lit)

1 Đường Quảng Ngãi 5 5

Trong chiến lược và mục tiêu phát triển ngành rượu Việt Nam của Bộ Công

nghiệp trình Chính phủ duyệt, nhu cầu về sản lượng cồn rượu và mức tiêu thụ bình

quân đầu người từ năm 2000 đến năm 2005 được đưa ra trong bảng 1.2 sau:

Bảng 1.2 Nhu cầu về sản lượng cồn rượu và mức tiêu thụ bình quân đầu người

từ năm 2000 đến năm 2005

1 Mức tiêu thụ bình quân đầu người/năm Lit 8.03 7.69

2 Mức tăng trưởng trung bình/năm % 0.77 0.91

Bảng 1.3 Nhu cầu cồn tinh chế

STT Tên công ty Sản lượng tiêu thụ cồn tinh luyện

(triệu lit)

Tiềm năng của thị trường Việt Nam: theo ước tính thị trường Việt Nam có sức tiêu thụ khoảng 30 triệu lit rượu mỗi năm Đây là một khối lượng tương đối lớn Điều này mang lại cho ngành công nghiệp cồn rượu một cơ hội và cũng là thử thách

Ở các nước và cả ở Việt Nam, cồn được dùng để pha chế rượu và cho các nhu cầu khác nhau như: y tế, nhiên liệu đốt, nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác

1.3 NGUYÊN LIỆU

Mật rỉ đường: là thứ phẩm trong quá trình sản xuất đường (là chất lỏng đặc sánh lại sau khi đã rút đường bằng phương pháp cô và kết tinh, chiếm tỷ lệ 3 – 5% tuỳ thuộc vào chất lượng mía, điều kiện canh tác và điều kiện sản xuất

Thông thường, hàm lượng chất khô trong mật rỉ đường là 70 – 85%, nước chiếm 15 – 30%.Trong đó, đường chiếm khoảng 60%, bao gồm 35 - 40% saccarosa, 20 – 25% đường khử; lượng còn lại là chất phi đường: 30 – 32% là hợp chất hữu cơ và 8 – 10% là chất vô cơ Chất hữu cơ không chứa N gồm có pectin, chất nhầy furfunol, acid Ngoài ra còn có các hợp chất không lên men được như caramen, chất màu

Hợp chất hữu cơ chứa N chủ yếu là ở dạng amin như acid glutamic, alanine

Lượng N trong mật rỉ đường mía chỉ khoảng 0.5 đến 1% Do chứa ít N nên khi lên men mật rỉ đường, chúng ta thường bổ sung nguồn nitrogen ở dạng urê hoặc amoni sulfate

1.4 QUY TRÌNH SẢN XUẤT

của từng loại chất thải đó trong nước thải, từ đó giúp ta đề xuất và tiến hành quá trình nghiên cứu hiệu quả, giải quyết tốt các sự cố xảy ra khi vận hành mô hình Quy trình công nghệ sản xuất cồn từ mật rỉ đường gồm các giai đoạn cơ bản sau:

1.4.1 Chuẩn bị dịch đường lên men (xử lý mật rỉ)

Trong mật rỉ đường có những thành phần và tính chất hóa học gây ảnh hưởng không tốt cho quá trình lên men của nấm men (chất màu, chất keo) Để loại bỏ những chất này, người ta thường sử dụng H2SO4 đậm đặc Vì thế nước thải ra thường có pH rất thấp

Ủ và lên men mật rỉ đường ở điều kiện thích hợp : Rỉ đường được ủ lên men ở nhiệt độ 25 – 27 oC trong các bồn lên men kín Nấm men được sử dụng là nấm men Saccharomyces cerevisea (nguồn cung cấp: Công ty men thực phẩm Mauri –

La Ngà) Ngay sau khi hàm lượng đường trong dung dịch lên men giảm xuống còn 5.5 – 6.0 g/ 100ml thì cho vi khuẩn Butylic granulobacter vào (2 – 3% thể tích dịch) và sau đó giữ nhiệt độ lên men ở 29 – 30oC trong thời gian 2 ngày ở pH = 5 Dịch lên men có chứa 4.8 – 5.8% rượu, được tách sinh khối nấm men và chưng cất

1.4.2 Chưng cất dịch lên men

Nhằm tách cồn và các chất dễ bay hơi ra khỏi dung dịch : người ta thường chưng cất cồn trong những tháp chưng cất làm từ kim loại Tháp được cấu tạo từ nhiều đĩa ngưng tụ khác nhau Sau khi chưng cất đợt 1, ta thu được cồn thô Cồn thô là loại cồn chứa hàm lượng cồn không cao (nồng độ khoảng 40o), ngoài ra còn chứa khá nhiều chất khi chưng cất bị cuốn theo vào cồn Cồn thô không được sử dụng trong công nghệ thực phẩm Cồn thô chỉ được dùng trong sản xuất công nghiệp hoá chất, dệt nhuộm, thuộc da, sơn, y tế

Bảng 1.4 Thành phần tính chất trong cồn thô sản xuất từ mật rỉ

Stt Thành phần Số lượng Stt Thành phần Số lượng

5

6

7

Độ axit (mg/l) Furfurol Rượu metylic

60.6 Không không

1.4.3 Chưng cất loại tạp chất và thu hồi cồn tinh

Sau khi chưng cất lần 2, cồn được tách khỏi dầu cao phân tử, loại bớt nước, khi đó

ta thu được cồn có nồng độ cao khoảng 96o-98o

Hệ thống chưng cất bao gồm:

oTháp chưng cất

oThiết bị ngưng tụ hồi lưu

oThiết bị làm lạnh

Mật rỉ và nước

Lên men

Tháp chưng cất thô

Tháp chưng cất tinh

CO 2 làm sạch hóa lỏng

Cồn tinh 96-98 o

Nước thải Cồn thô 40 – 45 o

Xử lý mật rỉ

Pha loãng mật rỉ

Butylic granulobacter

Saccharomyces cerevisea

1.5 THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI

Nước thải của ngành công nghiệp sản xuất cồn chứa hàm lượng chất hữu cơ rất

cao, chủ yếu là xác nấm men, carbonhydate, một số hợp chất hữu cơ khó phân

hủy, chất tạo màu, andehyde, phenol, melanine, độ đục lớn, có màu vàng đậm,

mùi đường và mùi chua đặc trưng, nhiệt độ cao (75-85oC)

 Khi nước thải mới được lấy ra từ tháp chưng cất thường khá nóng, đậm mùi

đường và có màu đen

 Sau khoảng 2 ngày, nước thải trở nên chua, có màu vàng đậm, có váng nổi

màu trắng trên bề mặt, do khi được lấy ra từ tháp chưng cất nước thải có

cuốn theo ra một ít nấm men vì thế nấm men tiếp tục phân hủy tạo khí CO2

nên có hiện tượng sủi bọt khí li ti

 Sau đó khoảng 1 tuần nước thải trở nên có mùi hăng và hôi nồng rất khó

chịu

Bảng 1.5 Kết quả thành phần và tính chất của nước thải cồn rượu

Chỉ tiêu Khoảng giá trị QCVN 24

Nguồn: PTN Công nghệ Môi trường, Viện Môi Trường & Tài Nguyên 2009

Nhìn chung, nước thải sản xuất cồn là một trong những nguồn thải gây ô

nhiễm nghiêm trọng nhất hiện nay Theo khảo sát thực tế, hầu hết các nhà máy

sản xuất cồn đều không thể xử lý triệt để hàm lượng ô nhiễm hữu cơ Nước đậm

quả này cho thấy hiệu quả xử lý bằng phương pháp sinh học có thể đạt khoảng

Bảng 1.6 Ảnh hưởng của các thành phần ô nhiễm đến nguồn tiếp nhận

Thành

phần Thông số đánh giá Aûnh hưởng

Chất hữu

cơ BOD, COD, TOC Sự khoáng hóa/ổn định chất hữu cơ gây nên thiếu hụt DO tại nguồn tiếp nhận gây ảnh hưởng đến hệ thủy sinh

vật trong nước Nếu thiếu hụt trầm trọng dẫn đến điều kiện yếm khí hình thành sinh ra mùi hôi

Độ kiềm

/ độ acid pH pH nằm ngoài giới hạn chịu đựng của thủy sinh vật Aûnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học

Aûnh hưởng đến độ hoà tan của các kim loại nặng trong đất và thay đổi độ độc của kim loại trong nước

Aûnh hưởng đến mùa màng

Nhiệt độ Aûnh hưởng đến hệ thủy sinh vật trong nước

Kim loại

nặng Cd, Cr, Co, Cu, Ni, Pb,

Zn, Hg

Độc với sinh vật

Chất rắn TSS Giảm độ rỗng của đất, gây thiếu hụt oxy trong đất

Giảm độ truyền quang trong nước, gây ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của các sinh vật tự dưỡng trong nước

Ví dụ về sự ô nhiễm do ngành công nghiệp sản xuất cồn từ mật rỉ đường gây

ra trên thực tế:

Công ty cổ phần mía đường Hiệp Hòa ở thị trấn Hiệp Hòa, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Mặc dù Sở Tài nguyên-môi trường đề nghị đóng cửa nhà máy này tới 4 lần, nhưng đến nay nhà máy vẫn được UBND tỉnh cho phép hoạt động do lo ngại nếu đóng cửa nhà máy này sẽ ảnh hưởng đến GDP chung của tỉnh

Nhà máy đường Hiệp Hòa nằm ngay bên cạnh con sông Vàm Cỏ Đông của tỉnh Long An Mùi mật rỉ đường đặc trưng xộc ra khu dân cư ở cạnh nhà máy rất khó chịu Người dân ở đây đã phải ngửi mùi này cả chục năm nay Những lúc sông cạn sẽ thấy nước thải màu nâu đỏ từ bên trong nhà máy tuôn ra, đục ngầu

Tóm lại, nước thải từ ngành sản xuất cồn đang là một vấn đề quan tâm của xã hội và các nhà môi trường vì tải lượng ô nhiễm hữu cơ là khá lớn

Kết quả phân tích thí nghiệm cho thấy nồng độ các chất ô nhiễm vượt quá tiêu chuẩn rất nhiều lần, do đó việc giảm thiểu nồng độ ô nhiễm là một việc rất khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều phương pháp xử lý sinh học kết hợp với các phương pháp hoá học

CHƯƠNG 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN TỪ MẬT RỈ ĐƯỜNG

Việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 Đặc tính của nước thải: cần xác định thành phần cụ thể các chất ô nhiễm trong nước thải, dạng tồn tại của chúng (lơ lửng, keo, hoà tan…) Khả năng phân huỷ sinh học và độ độc các thành phần hữu cơ, vô cơ trong nước thải

 Mức độ yêu cầu xử lý: chất lượng nước đầu ra thoả mãn yêu cầu hay tiêu chuẩn cụ thể nào đó

 Chi phí xử lý, điều kiện mặt bằng, địa hình tại nơi dự kiến xây dựng hệ thống xử lý

 Chế độ xả và đặc điểm nguồn tiếp nhận; điều kiện thuỷ văn tại khu vực đó

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN

2.1.1 Phương pháp cơ học

Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải, người ta thường dùng các phương pháp

cơ học như: lọc qua song chắn rác hoặc lưới chắn rác, lắng dưới tác dụng của lực ly tâm, trọng lực Việc lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào kích thước hạt, tính chất hoá lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức độ làm sạch cần thiết

2.1.1.1 Lọc qua song chắn rác, lưới chắn rác

Đây là bước xử lý sơ bộ, mục đích của quá trình là khử các tạp chất gây ra sự cố trong quá trình vận hành ở các công trình sau: làm tắc bơm, đường ống dẫn Do đó bước này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và thuận lợi cho cả hệ thống

2.1.1.2 Lắng

Trong xử lý nước thải, quá trình lắng thường được sử dụng để loại tạp chất dạng huyền phù thô ra khỏi nước Để tiến hành quá trình này người ta thường dùng các

gây tắc nghẽn đường ống Ta có thể cho lắng tiếp một thời gin trước khi thải bỏ, phần cặn lắng có thể làm thức ăn cho gia súc

2.1.2 Phương pháp hóa học

2.1.2.1 Trung hòa

Nước thải thường có chứa acid hoặc kiềm do đó có độ pH khác nhau Để đảm bảo hiệu quả cho các công trình sinh học phía sau và tránh hiện tượng ăn mòn ta cần phải đưa pH về 6.5 ÷8.5 trước khi khi thải vào nguồn tiếp nhận hay đến công trình xử lý tiếp theo

2.1.2.2 Khử trùng

Phương pháp này dùng để khử khuẩn trong nước thải Thông thường nước thải sau xử lý bằng phương pháp sinh học có thể chứa đến 106 vi khuẩn trong 1ml nước thải Thông thường người ta dùng các chất có tính oxy hoá cao để khử vi khuẩn

2.1.2.3 Oxy hóa

Phương pháp oxy hoá có tác dụng : khử trùng nước, chuyền một nguyên tố hoà tan sang kết tủa, biến đổi các chất không phân huỷ sinh học thành nhiều chất đơn giản hơn…

Các chất oxy hóa thông dụng : Ozon (O3), Chlorine (Cl2), Hydro peroxide (H2O2), Kali permanganate (KMnO4)

2.1.3 Phương pháp hóa lý

Cơ sở của phương pháp này là dựa trên những phản ứng hoá học diễn ra giữa các chất ô nhiễm và hoá chất thêm vào Những phản ứng diễn ra thường là phản ứng oxy hoá khử, phản ứng trung hoà hay phản ứng phân huỷ Các phương pháp hoá lý thông thường: phương pháp keo tụ, phương pháp tuyển nổi…

có kích thước lớn từ đó lắng dễ dàng hơn Các chất keo tụ thông thường là phèn nhôm, phèn sắt… được kết hợp sử dụng với polymer trợ keo tụ để tăng hiệu quả xử lý cho quá trình Các chất này trung hoà điện tích các hạt keo trong nước, ngăn cản sự chuyển động hỗn loạn của các ion giúp việc liên kết tạo bông thuận lợi Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn lo lửng trong nước thải tuy nhiên chi phí xử lý cao, do đó áp dụng phương pháp này không hiệu quả về mặt kinh tế

2.1.3.2 Tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi dùng để tách các hạt rắn hoặc các hạt lỏng ra khỏi nước thải Trong nhiều trường hợp tuyển nổi còn được sử dụng để tách các tạp chất tan như các chất hoạt động bề mặt Trong xử lý nước thải được dùng để loại bỏ dầu mỡ, cặn lơ lửng, bùn hoạt tính….Phương pháp tuyển nổi có ưu điểm là hoạt động liên tục, phạm vi ứng dụng rộng rãi, chi phí đầu tư và vận hành không lớn Có thể thu cặn với độ ẩm nhỏ, hiệu quả xử lý cao, có thể thu hồi tạp chất

2.1.3.3 Hấp phụ

Phương pháp hấp phụ thường được áp dụng ở giai đoạn xử lý sau cùng để khử triệt để các chất hữu cơ hoà tan sau xử lý sinh học Phương pháp này còn dùng để xử lý cục bộ một lượng nhỏ các chất có độc tính cao và không thể phân huỷ bằng con đường sinh học Ưu điểm của phương pháp là khả năng xử lý cao, có thể thu hồi, tái sử dụng được chất thải Chất hấp phụ có thể là than hoạt tính (phổ biến nhất ), các chất tổng hợp, một số chất thải của sản xuất như : xỉ…

2.1.4 Phương pháp sinh học

Nước thải sản xuất cồn từ mật rỉ đường chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao (tỉ lệ BOD/COD = 0,6) nên dùng phương pháp sinh học để xử lý là hợp lý

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất phân tán nhỏ, chất keo cũng như một số chất vô cơ như : H2S, sulfide, ammonia, … dựa trên hoạt động của vi sinh vật

Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn thức ăn và tạo năng lượng để duy trì hoạt động sống Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học là: khí CO2, nitơ, H2O, ion sulfate, CH4, sinh khối vi sinh vật …

Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí

Quá trình phân huỷ sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh vật nhằm oxy hoá các hợp chất hữu cơ trong điều kiện có oxy

Quá trình xử lý hiếu khí gồm ba giai đoạn:

Oxy hoá các chất hữu cơ:

CxHyOz + O2 → CO2 + H2O + ΔH

Tổng hợp tế bào mới:

CxHyOz + O2 + NH3 → Tế bào vi khuẩn + CO2 + H2O - ΔH

Phân huỷ nội bào:

C5H7O2 + O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + ΔH

Trong 3 loại phản ứng ΔH là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào Các chỉ số

x, y, z tuỳ thuộc vào dạng chất hữu cơ bị oxy hoá

Ngoài ra trong quá trình hiếu khí, NH4+ và H2S cũng bị loại trừ nhờ quá trình ntrate hoá và quá trình sulphate hóa của sinh vật tự dưỡng

NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O + ΔH

H2S + 2O2 = SO42- + 2H+ + ΔH

2.1.4.1 Aerotank

như thế bùn phát triển ở trạng thái lơ lửng và cho hiệu suất phân huỷ các chất hữu

cơ khá cao

Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật có trong nước thải kết cụm và tạo thành các cụm bông bùn có khả năng hấp thụ và phân huỷ các chất hữu cơ khi có mặt oxy hoà tan Các bông này có màu nâu, dễ lắng

Khi ứng dụng quá trình bùn hoạt tính cần chú ý các điểm sau:

 Cần phải cân bằng dinh dưỡng trong nước thải theo tỉ lệ BOD5 :N :P bình thường là 100 :5:1; đối với xử lý kéo dài là 200:5:1

 Chỉ số thể tích bùn SVI : là số ml nước thải đang xử lý lắng được 1g bùn sau

30 phút

 Chỉ số MLSS: là chất rắn tổng hợp trong chất lỏng, rắn, huyền phù, gồm bùn hoạt tính và chất lơ lửng còn lại chưa được vi sinh kết bông

2.1.4.2 Lọc sinh học hiếu khí

Cơ chế hoạt động nhờ quá trình dính bám của một số vi khuẩn hiếu khí lên lớp vật liệu giá thể Do quá trình dính bám tốt nên lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài nên có thể xử lý được nước thải có tải trọng cao Tuy nhiên hệ thống dễ bị tắc do quá trình phát triển nhanh chóng của vi sinh hiếu khí nên thời gian hoạt động dễ bị hạn chế

2.1.4.3 Lọc sinh học nhỏ giọt

Là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích tiếp trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện có thể Nước đến lớp vật liệu chia thành các dòng hoặc các hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở

Gồm các đĩa tròn, phẳng được lắp trên một trục Các đĩa này được đặt ngập một phần trong nước và có tốc độ quay chậm khi làm việc Khi quay màng sinh học bám dính trên bề mặt đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải sau đó tiếp xúc với oxy khi ra khỏi nước Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa được tiếp xúc với chất hữu cơ, vừa tiếp xúc với oxy vì vậy chất hữu cơ được phân huỷ nhanh

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CỒN TỪ MẬT

RỈ ĐƯỜNG TỪNG ĐƯỢC NGHIÊN CỨU

LỌC KỴ KHÍ NƯỚC THẢI BỂ ACID HOÁ UASB HIẾU KHÍ BÙN HOẠT

TÍNH

KEO TỤ

Thuyết minh phương án lựa chọn nghiên cứu:

Nước thải từ tháp chưng cất được đưa vào bể acid hóa, nơi đây sẽ diễn ra giai đoạn acid hóa của quá trình kỵ khí Quá trình này được tiến hành ở pH 5 – 5.5 Sau khi được lên men, nước thải được trung hòa bằng NaOH (hoặc Na2CO3), đưa pH về 6.5 – 7.0, châm dinh dưỡng và bơm lên UASB Từ UASB, nước thải lại tiếp tục được đưa vào bể lọc kỵ khí Tại đây, quá trình phân hủy kỵ khí lại tiếp tục được diễn ra Sau đó, nước thải được đưa qua quá trình sinh học hiếu khí nhằm tận dụng khả năng oxy hóa của vi sinh hiếu khí Nước thải sau xử lý hiếu khí được tuần hòan trở lại UASB với tỷ lệ về lưu lượng là 1 nước thải vào: 3 nước tuần hoàn nhằm mục đích pha loãng Sau quá trình hiếu khí, có thể nồng độ COD và độ màu cũng còn cao, do đó, phải tiếp tục tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý hoá lý của nước thải Phương án được lựa chọn ở đây là keo tụ

CHƯƠNG 3

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP

XỬ LÝ SINH HỌC KỊ KHÍ

3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KỊ KHÍ

Hình 3.1 Các giai đoạn phân hủy kỵ khí

Trong đó, các phản ứng hóa học chính bao gồm:

Cao p.tử  CO2 + H2 + CH3COO- + C2H5COOH + C3H8COOH

CH3COO- + H2O  CH4 +HCO3- + Q

4H2 + HCO3- +H2O  CH4 + H2O + Q

Để thực hiện các quá trình trên 2 nhóm vi khuẩn cần thiết cho phân hủy kị khí thường hiện diện là Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí metan Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể Biogas tùy thuộc loại cơ chất sử dụng và điều kiện nhiệt độ

Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose:

Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác

nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử Chúng có mặt trong các họ: Clostridium,

Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus Chúng biến dưỡng trong điều

kiện yếm khí cho ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí metan

Nhóm vi khuẩn sinh khí metan:

Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định Do đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan Có như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng CO2 đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon

Trong quá trình lên men kỵ khí các loài vi sinh vật gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng Mức độ tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100% (đối với Myobacterium: thời gian lưu trong bể biogas từ 6-20 ngày).Việc thống kê 2 nhóm vi khuẩn trên là cơ sở cho việc lựa chọn các chế phẩm sinh học tham gia xử lý nước thải với mục tiêu tăng tải trọng và thu hồi hiệu quả hàm lượng khí sinh học

Quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ chia làm 4 giai đoạn

3.1.1 Giai đoạn thủy phân

Trong bước này, các chất hữu cơ phức tạp được chuyển hoá thành những hợp chất hoà tan đơn giản có khối lượng phân tử nhỏ Quá trình này có sự tham gia của chất xúc tác sinh học tiết ra bởi vi khuẩn lên men, thường diễn ra chậm và COD trong quá trình này hầu như không thay đổi Proteins bị phân hủy thành amino acids, carbonhydrates được chuyển hoá thành đường hoà tan (monosaccharides và disaccharides) và lipids được chuyển hóa thành acid béo mạch dài và glyderine Quá trình này xảy ra chậm Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất Chất béo thủy phân rất chậm

3.1.2 Giai đoạn axit hóa

Những hợp chất hoà tan tạo ra trong bước thủy phân, được vi khuẩn lên men sử dụng, và sau khi acid hoá tạo thành những hợp chất hữu cơ đơn giản như acid béo bay hơi, alcohol, lactic acid, và những hợp chất vô cơ như khí CO2, hydrogen, ammonia và hydrogen sulphide Các sản phẩm chính trong quá trình này là:

 Acid formic HCOOH

 Acid acetic CH3COOH

 Acid propionic CH3CH2COOH

 Acid iso – butylic CH3CH2CH2COOH

 Acid iso – valeric CH3CH2CH2CH2COOH

Thành phần và tỷ lệ những sản phẩm này phụ thuộc vào cấu tạo và thành phần chất hữu cơ đầu vào Quá trình này cũng được diễn ra nhanh chóng Khi khí H2

được sinh ra (với điều kiện bùn được tích lũy trong hệ thống), nồng độ COD giảm nhẹ, thông thường nhỏ hơn 10% Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống

4

3.1.3 Giai đoạn acetat hóa

Sản phẩm acid hoá bị chuyển hoá thành sản phẩm cuối cùng: acetate, hydrogen, và carbon dioxide Khoảng 70% COD hiện diện trong dòng vào bị chuyển hoá thành acid acetic và phần còn lại là chất nhường điện tử hydrogen Tuỳ thuộc vào trạng thái oxy hoá của chất hữu cơ ban đầu, sự hình thành acetic acid có thể theo sau bởi sự hình thành carbon dioxide hoặc hydrogen Điều này có thể thấy từ những phương trình sau đây :

Khi y<2z :

C x H y O z + 14(4x – y – 2z) H 2 O18 (4x + y – 2z) CH 3 COOH + (2z – y) CO 2 Khi y>2z:

C x H y O z + (x –z) H 2 O x2CH 3 COOH + 12 (y – 2z) H 2

Trong hỗn hợp chất ô nhiễm hữu cơ, cả hai quá trình trên có thể xảy ra đồng thời nhưng thông thường hydrogen hình thành nhiều hơn CO2 Do đó, sự chuyển hoá chất hữu cơ dòng vào thành acetic acid thường theo sau là sự hình thành hydrogen

3.1.4 Giai đoạn metan hóa

Methane hóa là giai đoạn cuối cùng trong toàn bộ quá trình phân hủy, tiếp tục chuyển hoá những thành phần đã được tạo ra trước đó (hydrogen, acid formic, methanol, methylamine, và acid acetic) theo các phương trình sau:

Hydrogen: 4 H 2 + HCO 3 - CH 4 + 3 H 2 O - 136 kJ

Acid formic: 4 HCOO - + H + + H 2 O CH 4 + 3 HCO 3 - - 130 kJ

Methanol: 4 CH 3 OH 3 CH 4 + HCO 3 - + H + + H 2 O - 105 kJ

Phương trình thứ 1 (sinh CH4 từ H2) tạo ra enthalpy lớn hơn so với phương trình thứ

5 (sinh CH4 từ CH3COO-) Do đó, vi khuẩn sinh methane từ hydrogen phát triển mạnh hơn vi khuẩn sinh methane từ acetate

Methane được tạo ra từ acetate (vi khuẩn acetotrophic) hoặc từ sự khử carbon dioxide bởi hydrogen (vi khuẩn hydrogenotrophic) Khí methane được giải phóng khỏi dung dịch, vì thế nồng độ COD giảm đáng kể, từ 70 – 95 % HCO3- trong dung dịch ở trạng thái cân bằng với khí CO2 (phụ thuộc vào pH), do đó khí biogas sinh ra có chứa CH4 và CO2 (thông thường 70 – 90 % CH4 và 10 – 30 % CO2) Những nhóm vi khuẩn khác nhau trong quá trình chuyển hoá chất hữu cơ dòng vào sử dụng hoạt tính đồng hoá và dị hoá Do đó, song song với việc tạo ra những sản phẩm lên men khác nhau, sinh khối mới được hình thành kết hợp với bốn quá trình đã nêu ở trên Để thuận tiện, ba quá trình đầu đôi khi được gộp lại với nhau và gọi là lên men acid, trong khi đó quá trình thứ tư gọi là lên men methane

Hai điểm quan trọng đối với các giai đoạn khác nhau diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ khí là:

1) Khử chất hữu cơ – COD trong giai đoạn lên men acid bị giới hạn vào việc giải phóng khí H2 Chỉ có khoảng 30% chất hữu cơ chuyển hóa thành khí CH4 theo con đường hydrogenotrophic Do đó, điều kiện cần thiết để khử chất hữu cơ hiệu quả trong hệ thống xử lý kỵ khí là hàm lượng Acetotrophic methanogen phát triển đầy đủ

2) Quá trình lên men acid có xu hường gây ra sự giảm pH do việc tạo thành acid béo bay hơi và những chất trung gian có khả năng phân ly tạo ra ion H+ Do

vi khuẩn methane chỉ phát triển tốt ở pH trung tính, sự không ổn định sẽ gia tăng nếu vì lý do nào đó, tốc độ tạo ra khí methane từ acid nhỏ hơn tốc độ tạo acid: việc

kém hiệu quả Sự cố lên men chua có thể tránh được bằng cách duy trì sự cân bằng hợp lý giữa lên men acid và methane, có nghĩa là khả năng phân hủy

methane vả khả năng đệm của hệ thống phải đủ cao

Trong công trình xử lý kị 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 khuẩn

Khi 2 yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kị khí có thể áp dụng tải trọng rất

cao

3.2 CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình kỵ khí là: nhiệt độ, pH, hàm lượng muối, chất dinh dưỡng, và độc chất trong dòng thải đi vào bể phản ứng kỵ khí

3.2.1 Nhiệt độ

Xử lý nước thải trong điều kiện kị khí do quần thể vi sinh vật hoạt động, mỗi nhóm chủng vi sinh vật sẽ sinh trưởng và phát triển tốt ở miền nhiệt độ thích hợp Nhiệt độ tối ưu cho quần thể vi sinh vật sinh metan là khoảng 35-55oC, dưới 10oC các

chủng này hoạt động rất kém

Nhưng việc điều chỉnh nhiệt độ theo ý muốn trong quá trình vận hành hệ thống là điều rất khó khăn, do đó các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình phát triển của vi sinh vật đã chọn 2 mùa đặc trưng là mùa hè và mùa đông, kết quả cho thấy: về mùa đông, nhiệt độ giảm xuống thấp, các vi sinh vật bị ức chế hoạt động vì vậy hiệu quả xử lý thấp hơn nhiều so với mùa hè Như vậy trong hệ thống xử lý nước thải công suất lớn, có thể tận dụng khí CH4 để gia nhiệt nước thải đầu vào, làm tăng nhiệt độ môi trường vào mùa đông, hiệu quả xử lý của hệ thống sẽ tốt hơn

3.2.2 Aûnh hưởng của pH

Giá trị và tính ổn định của pH trong bể phản ứng kỵ khí là cực kỳ quan trọng vì giá trị pH trong môi trường ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động, sinh sản và phát triển của vi sinh vật Đối với từng nhóm, từng loài vi sinh vật có một khoảng

pH tối ưu, hầu hết các quá trình phân hủy kỵ khí hoạt động tốt nhất ở giá trị pH gần trung tính

Trong xử lý kị khí sinh metan có 2 nhóm thực hiện: nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình axit hóa làm cho pH của môi trường giảm đi (khi độ pH xuống thấp thì quá trìng axit hóa chậm lại) Nhóm thứ 2 thực hiện quá trình metan hóa phát triển tốt ở giá trị pH gần trung tính hoặc trung tính Ở giá trị pH thấp hơn 6.3 hay cao hơn 7.8, tốc độ phân hủy của methane giảm xuống Quần thể vi khuẩn lên men acid ít nhạy cảm với giá trị pH thấp hoặc cao Do đó lên men acid chiếm ưu thế hơn lên men methane, chúng có thể gây nên hiện tượng “lên men chua” trong bể phản ứng Ngoài ra khi pH thấp một số protein sẽ bị biến tính Những protein biến tính này

bị phân huỷ rất chập và sinh ra lượng bùn rất nhiều Do đó bùn dễ bị cuốn trôi làm tuổi bùn thấp và ảnh hưởng xấu đến quá trình xử lý

Ảnh hưởng của pH lên quá trình hoạt động của vi khuẩn metan liên quan đến nồng độ VFA sinh ra trong bể phản ứng Lý do là vì khi pH thấp thì hàm lượng acetate tự do tăng lên Chất này rất độc đối với hoạt động của vi khuẩn metan trong bể phân huỷ kỵ khí

Ảnh hưởng của việc “shock – pH” phụ thuộc vào hàm lượng VFA, pH, và thời gian shock 3 yếu tố này càng cao thì càng nguy hiểm

3.2.3 Độ kiềm

Độ kiềm là đơn vị đo lường tính đệm hoặc khả năng trung hoà axit của quá trình

trình phân huỷ Độ kiềm bicacbonat nên duy trì khoảng trên 2500 mg/l để nâng cao tính ổn định của quá trình phân huỷ

Độ kiềm bicacbonat, pH và CO2 có mối tương quan với nhau Khi độ kiềm bicacbonat giảm xuống dưới 500 mg/l, với sự sinh ra CO2 bình thường thì pH đến gần giá trị 6

Một vấn đề quan trọng trong việc kiểm soát pH là VFA được tạo ra trong suốt giai đoạn acid hoá Nếu lượng kiềm sẵn có là đủ phản ứng sau sẽ xảy ra Ví dụ đối với acetat:

CH3COOH + Na+ + HCO3- = CH3COO- + Na+ + CO2 + H2O

Chỉ sau khi phần lớn bicarbonate được sử dụng hết bởi các acid được tạo ra, sự giảm pH sẽ xảy ra Khi độ kiềm bicacbonat bị phá huỷ bởi sự tăng VFA thì việc bổ sung độ kiềm là cần thiết Dựa vào sự ổn định của quá trình phân huỷ kỵ khí và khả năng sản sinh độ kiềm mà có bổ sung độ kiềm hay không

Việc cố gắng bổ sung pH mà không làm tăng độ kiềm không đủ để khôi phục lại hệ thống Để làm tăng độ kiềm và đều khiển pH trong quy mô phòng thí nghiệm thường dùng NaHCO3 để bổ sung hay thay thế cho NaOH Tuy nhiên nồng độ Na+

quá cao có thể là độc tố cho quá trình phân huỷ

Độ kiềm cũng có thể tăng lên nhờ bổ sung vôi Hoặc được sinh ra nhờ quá trình phân huỷ protein thành amonia, sau đó kết hợp với H2CO3 trong dung dịch và tạo thành dạng đệm NH4 HCO3 Nếu có thể thì quá trình phân huỷ xảy ra trong điều kiện độ kiềm tăng và pH ổn định mà không có phải bổ sung từ bên ngoài

3.2.4 Aûnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến quá trình xử lý nước thải

Thời gian kưu thủy lực là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất xử lý của hệ thống Nếu thời gian lưu thủy lực ngắn, hiệu suất xử lý sẽ thấp

3.2.5 Các hợp chất gây ức chế đến quá trình phân hủy kị khí

3.2.5.1 Hợp chất chứa S

Quá trình chuyển hoá của vi khuẩn khử Sulphate cần hydrogen, tuy nhiên hydrogen cũng cần cho quá trình sinh methane Điều này tạo nên sự cạnh tranh giữa vi khuẩn khử Sulphate và vi khuẩn sinh methane Vi khuẩn khử Sulphate tạo

ra nhiều enthalpy hơn so với vi khuẩn sinh methane, điều đó khiến vi khuẩn khử

sulphate phát triển nhanh hơn Phương trình phản ứng:

Sulphate: SO 4 2- + 4 H 2 + H + HS - + 4 H 2 O - 152 kJ Sulphite: HSO 3 - + 3 H 2 HS - + 3 H 2 O - 172 kJ

So với: 4 H 2 + HCO 3 - CH 4 + 3 H 2 O - 136 kJ

Cả HSO3- và H2S đều gây ức chế đối với vi khuẩn sinh methane ở nồng độ tương ứng là 50 mg/l và 3%

3.2.5.2 Hợp chất chứa N

N tồn tại trong nước thải dưới các dạng sau:

 Dạng oxy hoá: NO2- và NO3-

 Dạng khử (N-Kjeldalh): NH4+, protein, amino acid, màng tế bào

Aûnh hưởng của NO2- và NO3-: NO2- và NO3- đều gây ức chế quá trình methane hoá (NO2- gây độc hơn NO3-) vì sự giải phóng oxy sẽ gây độc đối với vi khuẩn sinh methane

Aûnh hưởng của N-Kjeldalh: NH4+ không gây ảnh hưởng đến quá trình khử COD với nồng độ <1,000 mg/l, tuy nhiên với pH > 8: NH4+  NH3+ H+ phản ứng theo chiều từ trái sang phải, và NH3 được xem là độc hơn so với NH4+

3.2.5.3 Oxy

Oxy độc đối với vi khuẩn kỵ khí bắt buộc như vi khẩn methane Tuy nhiên khi bùn

kỵ khí có chứa một lượng lớn vi khuẩn hiếu khí không bắt buộc thì bất cứ lượng oxy nào

vào hệ thống xử lý cũng đều bị tiêu thụ rất nhanh Thực tế, oxyhầu như không bao

giờgây ra sự cố ngoại trừ trường hợp xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ thấp

Bảng 3.1 Các hợp chất gây độc và ức chế quá trình kỵ khí

Chất Nồng độ gây ức chế vừa (mg/l) Nồng độ gây ức chế mạnh (mg/l)

Bảng 3.2 Các hợp chất gây độc và ức chế quá trình kỵ khí (tiếp theo)

Chất Nồng độ gây ức chế vừa

hỗn hợp formaldehyde /

Nguồn: Parkin và Owen (1986)

3.3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KỴ KHÍ BAO GỒM

Hình 3.2 Các công nghệ xử lý kỵ khí

3.3.1 Quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn

Đây là loại bể xáo trộn liên tục, không tuần hoàn bùn Bể thích hợp xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hoà tan dễ phân hủy nồng độ cao hoặc xử ly bùn hữu cơ Thiết bị xáo trộn có thể dùng hệ thống cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hoàn khí biogas ( đòi hỏi có máy nén khí biogas và phân phối khí nén ) Trong quá trình phân hủy lượng sinh khối mới sinh ra và phân bố trong toàn bộ thể tích bể

Công nghệ xử lý kỵ khí

Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng bám dính

Lọc

kỵ khí

Tầng

lơ lửng Vách

ngăn

 Thời gian lưu bùn thông thường từ 12 - 30 ngày

 Tải trọng đặc trưng cho bể này là 0.5 - 0.6 kgVS/m3.ngày

Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp, thời gian lưu nước lớn nên loại bể này thích hợp và có thể chịu đựng được tốt trong trường hợp có độc tố hoặc khi tải trọng tăng đột ngột

3.3.2 Quá trình tiếp xúc kị khí

Quá trình này gồm 2 giai đoạn: Phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn và lắng hoặc tuyển nổi tách riêng phần cặn sinh học và nước thải sau xử lý

Bùn sinh học sau khi tách được tuần hoàn trở lại bể phân hủy kỵ khí Lượng sinh khối có thể kiểm soát được, không phụ thuộc vào lưu lượng nước thải nên thời gian lưu bùn có thể khống chế được và không liên quan đến thời gian lưu nước Khi thiết kế có thể chọn thời gian lưu bùn thích hợp cho phát triển sinh khối, lúc đó có thể tăng tải trọng, giảm thời gian lưu nước, khối tích công trình giảm dần đến chi phí đầu tư kinh tế hơn

 Hàm lượng VSS trong bể tiếp xúc kị khí dao động trong khoảng 4000-6000 mg/l

 Tải trọng chất hữu cơ từ 0.5 đến 10 kg COD/m3 ngày

 Thời gian lưu nước từ 12 giờ đến 5 ngày

Hệ thống lắng trọng lực phụ thuộc vào tính chất bông bùn kị khí Các bọt khí biogas sinh ra trong quá trình phân huỷ kỵ khí thường bám dính vào các hạt bùn làm giảm tính lắng của bùn Để tăng cường khả năng lắng của bùn, trước khi lắng cho hỗn hợp nước và bùn đi qua bộ phận tách khí như thùng quạt gió, khuấy cơ khí hoặc tách khí chân không và có thể thêm chất keo tụ đẩy nhanh quá trình tạo bông

Nước thải được phân bố vào từ đáy bể và đi ngược lên qua lớp bùn sinh học có mật độ vi khuẩn cao Khi tiếp xúc với những hạt bùn kết bông ở thảm bùn, vi khuẩn sẽ xử lý chất hữu cơ và chất rắn sẽ được giữ lại Các hạt bùn sẽ lắng xuống thảm bùn và định kì được xả ra ngoài

Khí thu được trong quá trình này được thu qua phễu tách khí lắp đặt phía trên Cần có tấm hướng dòng để thu khí tập trung vào phễu không qua ngăn lắng Trong bộ phận tách khí, diện tích bề mặt nước phải đủ lớn để các hạt bùn nổi do dính bám vào các bọt khí biogas tách khỏi bọt khí

Dưới điều kiện kị khí về cơ bản là methane và carbon dioxide gây ra một sự xáo trộn bên trong Khí được tạo ra bên trong lớp bùn sẽ có khuynh hướng bám vào các granule Khí tự do cùng với các hạt-khí sẽ nổi lên phía trên của thiết bị Các hạt-khí này nổi lên bề mặt sẽ đụng vào đáy của tấm hướng dòng tách khí và các bọt khí này sẽ tách ra Các hạt bùn đã được tách khí về cơ bản sẽ rơi xuống lại bề mặt lớp bùn Khí tự do sẽ thoát ra nhờ bộ phận thu lắp ở đỉnh thiết bị Nước thải có chứa các chất rắn còn sót lại sẽ đi ngang qua vùng lắng nơi tách bùn còn sót lại Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, tốc độ bề mặt hướng lên của nước thải phải nằm trong khoảng 0.6 - 0.9 m / h

Sau một thời gian hoạt động, trong hệ thống hình thành 3 lớp: phần bùn đặc ở đáy hệ thống, một lớp thảm bùn ở giữa hệ thống gồm những hạt bùn kết bông và phần chứa biogas ở trên cùng

Đặc điểm quan trọng của UASB là xử lý được COD cao hơn những quá trình kỵ khí khác do tạo được bùn đặc Nồng độ chất rắn ở đáy bể có thể lên đến 50 –100 g/l Sự hình thành bùn hạt làm tăng khả năng xử lý của nước thải Quá trình hình thành bùn hạt phụ thuộc nhiều vào bản chất nước thải, pH, dinh dưỡng, vận tốc

Theo giả thuyết này, các vi khuẩn sợi kết dính vào nhau tạo ra các hạt mầm Cơ sở của giả thiết: các vi khuẩn sinh methane (Methanosaete) có thể thích nghi tốt với

cơ chất thấp là các vi khuẩn sợi Những hạt ban đầu (quả cầu spaghetti) do Methanosaete tạo thành đóng vai trò là bề mặt bám dính hoặc những giá thể cho những vi sinh khác trong quá trình phân hủy kỵ khí

Hình 3.3 Sơ đồ mô tả sự tạo bùn hạt theo thuyết spaghetti

I: vi khuẩn hình sợi Methanosaete

II : sự hình thành các bông do kết dính

III: sự hình thành quả cầu spaghetti

IV: các hạt bùn hoàn chỉnh

Bên trong mỗi hạt bùn là hàng tỉ tế bào vi khuẩn và hàng triệu loại vi khuẩn khác nhau Theo định luật Stock, tốc độ lắng của hạt tỷ lệ với lũy thừa bậc hai của kích thước hạt Do có kích thước lớn, bùn hạt lắng rất nhanh Nhờ vậy UASB có thể chịu tải trọng thủy lực rất cao mà không sợ bùn bị cuốn trôi Khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn, các hạt bùn thường không ổn định và rất dễ bị phá vỡ khi có sự thay đổi môi trường

UASB sẽ hoạt động ổn định và có khả năng chịu quá tải cũng như nồng độ chất thải khá cao Một trong những ưu điểm của quá trình này là lượng bùn sinh ra rất nhỏ và năng lượng điện tiêu hao rất thấp

UASB có ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, thời gian lưu nước trong bể ngắn, thu

3.3.4 Lọc kị khí (giá thể cố định dòng chảy ngược)

Bể lọc kỵ khí : cột chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho vi sinh vật kỵ khí sống bám trên bề mặt Nhờ đó, vi sinh vật sẽ bám vào và không bị rửa trôi theo dòng chảy

Vật liệu lọc của bể lọc kị khí rất phong phú và đa dạng, bao gồm các loại cuội, sỏi, than đá, xỉ, ống nhựa, tấm nhựa hình dạng khác nhau Kích thước và chủng loại vật liệu lọc, được xác định dựa vào công suất của công trình, hiệu quả khử COD, tổn thất áp lực nước cho phép, điều kiện nguyên vật liệu tại chỗ Gần đây nhất là tận dụng xơ dừa làm vật liệu lọc

Dòng nước thải được phân bố đều, đi từ dưới lên trên tiếp xúc với vi sinh sống bám trên lớp vật liệu lọc, tại đây diễn ra quá trình phân hủy sinh học Do khả năng bám dính tốt của màng sinh vật nên sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài Vì vậy, thời gian lưu nước nhỏ, có thể vận hành ở tải trọng cao, có khả năng khử được 70÷90% BOD Nước thải trước khi vào bể lọc cần được lắng sơ bộ Sau thời gian vận hành dài, các chất rắn không bám dính gia tăng Điều này chứng tỏ khi hàm lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả xử lý giảm do thời gian lưu nước thực tế trong bể bị rút ngắn lại Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bể bằng cách xả đáy và rữa ngược

3.3.5 Quá trình kị khí bám dính xuôi dòng

Trong quá trình này nước thải chảy từ trên xuống qua lớp giá thể module Giá thể này tạo nên các dòng chảy nhỏ tương đối thẳng theo hướng từ trên xuống Đường kính dòng chảy nhỏ xấp xỉ 4 cm Với cấu trúc này tránh được hiện tượng bít tắc và tích lũy chất rắn không bám dính và thích hợp cho xử lý nước thải có hàm lượng

SS cao