Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí Biogas và ứng dụng

Hiện nay, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường rất nghiêm trọng là chất thải hữu cơ sinh ra từ các hoạt động của con người: sản xuất và chế biến nông lâm sản và đặc biệt là nước thải của ngành chăn nuôi,nước thải tinh bột sắn, sản xuất bia, … nhưng việc xử lý các chất hữu cơ còn nhiều hạn chế, khi dân số ngày một gia tăng, kéo theo nhu cầu sản xuất ngày càng lớn lên lượng nước thải ra ngày càng nhiều, đòi hỏi cần thiết phải có hệ thống xử lý nước thải ở nhiều nơi nhằm duy trì cân bằng sinh thái, tạo điều kiên phát triển bền vững, an toàn với môi trường.

NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

- -KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG

Danh mục hình

3

Danh mục bảng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Hiện trạng ô nhiễm nước thải giàu chất hữu cơ hiện nay

Hiện nay, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường rất nghiêm trọng làchất thải hữu cơ sinh ra từ các hoạt động của con người: sản xuất và chế biến nông lâm sản

và đặc biệt là nước thải của ngành chăn nuôi,nước thải tinh bột sắn, sản xuất bia, … nhưngviệc xử lý các chất hữu cơ còn nhiều hạn chế, khi dân số ngày một gia tăng, kéo theo nhu cầusản xuất ngày càng lớn lên lượng nước thải ra ngày càng nhiều, đòi hỏi cần thiết phải có hệthống xử lý nước thải ở nhiều nơi nhằm duy trì cân bằng sinh thái, tạo điều kiên phát triểnbền vững, an toàn với môi trường

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm nước thải tinh bột sắn:

- Những năm gần đây nước thải từ các nhà máy tinh bột sắn chưa qua xử lý thải ra môi trường xung quanh.

Hình 1.1 : Một số cơ sở sản xuất tinh bột sắn chưa qua xử lý thải ra môi trường

nước thải nghành chăn nuôi:

5

Chăn nuôi ngày một phát triển, xử lý chất thải chăn nuôi đang là một vấn đề khá bức xúc.( Theo thống kê của Bô nông nghiệp vào 1-2014, tổng lượng gia súc nuôi trên Việt Nam là

9897 con) -> Tạo ra lượng chất thải rất lớn -> Đòi hỏi phải có công nghệ xử lý bền vững ->Đảm bảo môi trường trong sạch -> Đồng thời trong quá trình xử lý sẽ tạo ra nguồn năng

lượng mới

Hình 1.2: ô nhiễm nước thải từ nghành chăn nuôi

Gia súc, gia cầm Lượng phân ( kg/ ngày) Lượng nước tiểu (kg/ ngày)

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm nước thải nghành thủy sản

Hình 1.3 : Ô nhiễm nguồn nước từ việc

nuôi thủy sản

Hình 1.4 Ô nhiễm nguồn nước từ việc chế biến

thủy sản

Ngành nuôi trồng thủy sản thời gian qua đã

có những bước phát triển vượt bậc về diện tích và

sản lượng nuôi trồng với quy mô lớn Cụ thể, năm

2013, sản lượng thủy sản của cả đạt hơn 2,2 triệu

tấn, trong đó cá nuôi là 1,7 triệu tấn và tôm là gần

7

400 nghìn tấn , với mức tăng trưởng hằng năm là 17,8% Cùng với đó là sự phát triển củacác cơ sở chế biến thủy sản, với tổng số các cơ sở chế biến xuất khẩu trong vùng là 206 cơsở, tổng công suất chế biến khoảng gần một triệu tấn/năm; giá trị xuất khẩu của toàn vùngđạt khoảng bốn tỷ USD/năm.

Tuy nhiên, thực tế thời gian qua cho thấy, các hoạt động nuôi trồng thủy sản và chếbiến thủy sản đã phát sinh các sinh các vấn đề ô nhiễm nguồn nước, với các nguồn thải chínhnhư: Bùn thải trong quá trình nuôi trồng thủy sản (nuôi tôm công nghiệp, nuôi tôm thâmcanh, nuôi cá tra công nghiệp ) chứa các nguồn thức ăn dư thừa thối rữa bị phân hủy, cácloại hóa chất và thuốc kháng sinh, các loại khoáng chất Diatomit, Dolomit, lưu huỳnh đọng,các chất độc hại có trong đất phèn

Nguồn nước thải trong ngành chế biến thủy sản, chủ yếu được thải ra từ nước rửanguyên liệu, sơ chế nguyên liệu, chế biến sản phẩm, các nguồn nước vệ sinh nhà xưởng sảnxuất, nước rửa máy móc, dụng cụ trong các phân xưởng chế biến

1.1.4 Hiện trạng ô nhiễm nước thải từ nghành công nghiệp giấy

Hình 1.5 Nước thải từ nghành công nghiệp giấy

Theo thống kê, cả nước có gần 500 doanh nghiệp sản xuất giấy, trong đó chỉ cókhoảng 10% doanh nghiệp đạt tiêu chuẩn môi trường cho phép, còn hầu hết các nhà máy đềukhông có hệ thống xử lý nước thải hoặc có nhưng chưa đạt yêu cầu, vì thế tình trạng gây ônhiễm môi trường do sản xuất giấy cũng đang là vấn đề được nhiều người quan tâm

So với nhiều ngành công nghiệp sản xuất khác, ngành giấy có mức độ ô nhiễm cao

và dễ gây tác động đến con người và môi trường xung quanh do ô nhiễm từ nguồn nước thải

xử lý không đạt yêu cầu

Công nghệ sản xuất giấy ở Việt Nam còn rất lạc hậu Để sản xuất ra một tấn giấythành phẩm, các nhà máy phải sử dụng từ 30-100 m3 nước, trong khi các nhà máy giấy hiệnđại của thế giới chỉ sử dụng 7-15 m3/tấn giấy Sự lạc hậu này không chỉ gây lãng phí nguồnnước ngọt, tăng chi phí xử lý nước thải mà còn đưa ra sông, rạch lượng nước thải khổng lồ

 Hiện nay, xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ có nhiều biện pháp, nhưng chủyếu xử lý bằng biện pháp sinh học được coi là giải pháp thân thiện với môi trường vàđược ứng dụng nhiều trên thế giới

 Một trong những tiến bộ kỹ thuật được áp dụng khá phổ biến là sử dụng hầm kị khíbiogas

 Khi áp dụng phương pháp này dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy cácchất hữu cơ trong nước thải mang lại hiệu quả cao, chi phí hơp lý không gây ô nhiễmmôi trường xung quanh đồng thời tạo ra một nguồn năng lượng mới, năng lượng sạchgóp phần quan trọng trong việc bảo đảm an ninh năng lượng

1.1.5 Ô nhiễm nước thải từ nhà máy sản xuất bia

Bia là loại nước uống được tạo ra khá lâu đời và là loại nước uống được ưa chuộngtrên thế giới Ở Việt Nam bia có cách đây trên 100 năm và hiện nay do nhu cầu của thịtrường ngành sản xuất bia có sự phát triển mạnh mẽ Vì thế, trong những năm gần đây cácnhà máy bia được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều

Mặt khác, chính sách của nhà nước khuyến khích xây dựng ngành sản xuất bia như

một ngành kinh tế mạnh giúp tăng nguồn thu ngân sách nhà nước Bên cạnh sự tăng trưởngcủa ngành bia thì vấn đề nước thải là một trong những vấn đề nan giải cần có cách giải quyết

9

Ô nhiễm hữu cơ rất cao trong nước thải sản xuất rượu bia, các chất hữu cơ phân hủyrất nhanh nên nước thải có màu đen và gây ô nhiễm nghiêm trọng cộng với các chất hỗ trợquá trình sản xuất như: CaCO3, CaSO4, H3PO4, NaOH, Na2CO3…

Những chất này có thành phần hóa học rất nguy hại nếu được thải ra vùng thủy cụcbên cạnh mà không được xử lý tốt

 Nguồn gốc nước thải:

- Nước thải có hàm lượng hữu cơ thấp: Nước rửa chai công đoạn cuối; Nước làm mátmáy và vệ sinh nhà máy; Nước thải sinh hoạt của công nhân

- Nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao: Nước thải từ công đoạn nấu; Công đoạn lênmen và lọc bia; Nước rửa chai ban đầu; công đoạn chiết chai.; Nước thải vệ sinh cácthiết bị

Hình 1.6: Ô nhiễm nước thải giàu chất hữu cơ của

nghành sản xuất bia

1.2.Thành phần ô nhiễm của nước thải giàu chất hữu cơ

Bảng 1.2: Các thành phần có trong nước thải giàu chất hữu cơ

1.3 Các ảnh hưởng của nước thải giàu chất hữu cơ đến con người

Các nghiên cứu khoa học cũng cho thấy, khi sử dụng nước nhiễm chất hữu cơ để ănuống, con người có thể mắc bệnh ung thư trong đó thường gặp là ung thư da Ngoài ra, nướcthải nhiễm chất hữu cơ còn gây nhiễm độc hệ thống tuần hoàn khi uống phải nguồn nước cóhàm lượng asen 0,1mg/l

Vì vậy, cần phải xử lý nước nhiễm asen trước khi dùng cho sinh hoạt và ăn uống

Người nhiễm chì lâu ngày có thể mắc bệnh thận, thần kinh, nhiễm Amoni, Nitrat,Nitrit gây mắc bệnh xanh da, thiếu máu, có thể gây ung thư Metyl tert-butyl ete (MTBE) làchất phụ gia phổ biến trong khai thác dầu lửa có khả năng gây ung thư rất cao

Nhiễm Natri (Na) gây bệnh cao huyết áp, bệnh tim mạch, lưu huỳnh gây bệnh vềđường tiêu hoá, Kali, Cadimi gây bệnh thoái hoá cột sống, đau lưng

Hợp chất hữu cơ, thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng, diệt cỏ, thuốc kích thích tăngtrưởng, thuốc bảo quản thực phẩm, phốt pho gây ngộ độc, viêm gan, nôn mửa Tiếp xúc lâudài sẽ gây ung thư nghiêm trọng các cơ quan nội tạng

Chất tẩy trắng Xenon peroxide, sodium percarbonate gây viêm đường hô hấp, oxalatekết hợp với calcium tạo ra calcium oxalate gây đau thận, sỏi mật Vi khuẩn, ký sinh trùng cácloại là nguyên nhân gây các bệnh đường tiêu hóa, nhiễm giun, sán Kim loại nặng các loại:Titan, Sắt, chì, cadimi, asen, thuỷ ngân, kẽm gây đau thần kinh, thận, hệ bài tiết, viêm xương,thiếu máu.

1.4 Các ảnh hưởng của nước thải giàu chất hữu cơ đến môi trường

Hợp chất hữu cơ có khả năng sinh hủy BOD khi tồn tại trong nước với nộng độ lớn lànguồn cơ chất cho các loài vi sinh vật phát triển gây nên hiện tưỡng phú dưỡng hóa

Hình 1.7: P trong nước gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa

Với các loài sinh vật hiếu khí,trong quá trình phát triển và

hoạt động chúng tiêu thụmột lượng oxy hòa

tan khálớn, với mật độ cao

đụcnước,khi chết chúnglắng xuống bùn đáy

Trong điều kiện thiếu oxy các loài vi sinh vật yếm khí khi phát triển tạo ra nhiều dạnghợp chất gây mùi hôi đầu độc môi trường nước và không khí xung quanh

1.5 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Tổng quan nghiên cứu trong nước

Tạp chí khoa học trên ĐH Huế, tập 73 số 4, năm 2013” Đánh giá nước thải giàu chấthữu cơ bằng hầm biogas do Th,S Nguyễn Thị Hồng và Phạm khắc Liệu thực hiện.

Kết quả: Bài báo trình bày kết quả đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giàu chất hữu cơcủa hầm biogas Số liệu phân tích mẫu nước thải đầu vào cho thấy, việc xử lý nước thải giàuchất hữu cơ đã làm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm đạt theo QCVN 24.2009

Trên tạp chí khoa học của sở khoa học và công nghệ tỉnh Trà Vinh với đề tài “ Xâydựng mô hình tổng hợp ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ tại nông hộ (chăn nuôi heo -sản xuất khí Biogas - phân hữu cơ sinh học ”

Kết quả:

• Sản xuất khí biogas dùng cho đời sống và sinh hoạt của một số hộ dân trong xãnông thôn mới Hiếu Trung, huyện Tiểu Cần, tỉnh Trà Vinh

• Sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ nguồn phân gia súc và phế phẩm biogas

• Sản xuất rau an toàn tận dụng nguồn phân hữu cơ sinh học từ các mô hình

Trên kỷ yếu hội nghị khoa học môi trường và công nghệ sinh học 2011, Lâm VĩnhSơn và Nguyễn Trần Lan Phương ( ĐH Kỹ thuật công nghệ TP.HCM ) thực hiện với đề tài “Nghiên cứu và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas có bổsung thêm bã mía

Kết quả: cho thất được hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng mô hình biogas,dựa tre6b công nghệ sinh học kỵ khí, các thông số đánh giá mức độ ô nhiệm nguồn nước sau

xử lý đạt theo QCVN 24.2009

1.5.2 Tổng quan nghiên cứu ngoài nước:

Cộng đồng châu âu kêu gọi các nước trong khối thực hiện mục tiêu sử dụng 5,75%nhiên liệu sinh học (bao gồm biogas, ethanol, biodiesel) vào năm 2010

Thụy Điển là quốc gia đầu tiên ở châu âu triển khai dự án thí điểm “thành phốbiogas” Hiện, nước này có khoảng 4.000 phương tiện công cộng chạy bằng biogas Tại đây,

13

cứ 10 trạm bơm nhiên liệu thông thường sẽ có một trạm biogas Chính phủ Thuỵ Điển đã đề

ra các chính sách thuế để đảm bảo giá biogas rẻ hơn 30% so với xăng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Phương pháp vật lí:

2.1.1 Song chắn rác và lưới lọc rác

Song chắn rác dùng để giữ lại các chất thải rắn có kích thước lớn trong nước thải đểđảm bảo cho bơm, van và các đường ống không bị nghẽn bởi rác Kích thước tối thiểu củarác được giữ lại tùy thuộc vào khoảng cách giữa các thanh kim loại của song chắn rác Đểtránh ứ đọng rác và gây tổn thất áp

lực cho dòng chảy người ta thường

làm sạch song chắn rác bằng cách

cào rác thủ công hoặc cơ giới

Song chắn rác với cào rác thủ

công chỉ dùng ở những trạm xử lý

quy mô nhỏ với lượng rác nhỏ hơn

0.1 m3/ ngày

Hình 2.1: Song chắn với cào rác thủ công

Khi rác tích lũy ở song chắn, mỗi ngày vài lần người ta cào rác lên tấm vỉ kim loại cóđục lỗ thoát nước để làm ráo nước sau đó đưa vào các thùng kín để chuyển đi xử lý ở các khu

xử lý chất thải rắn

Song chắn rác với cào rác cơ giới hoạt động liên tục; cào được gắn xích nối với động

cơ điện qua bộ phận truyền động, gồm:

2.1.1.1 Song chắn rác truyền động bằng motor kéo xích:

+ Loại này có nhiều bàn cào rác di chuyển liên tục và có 3 kiểu di chuyển của bàn cào:

15

- Bàn cào rác di chuyển và cào rác ở mặt trước song chắn rác và sau đó đi ra mặt sausong chắn rác và vòng trở về mặt trước.

- Toàn bộ quá trình di chuyển và cào rác của bàn cào rác diễn ra mặt trước songchắn rác

- Toàn bộ quá trình di chuyển và cào rác của bàn cào rác diễn ra mặt sau song chắnrác

Cả ba loại này có ưu điểm chung là tần suất cào rác cao, nhược điểm chung là bộ phậntruyền động nằm dưới nước gây khó khăn trong cho việc bảo trì

Hình 2.2: Sơ đồ song chắn rác cào rác bằng motor kéo xích (loại b) (Davis, 2010)

2.1.1.2 Song chắn rác truyền động bằng pít-tông thủy lực:

Loại này có các ưu điểm như bộ phận truyền động nằm trên mực nước dễ dàng choviệc bảo trì, chi phí vận hành và bảo trì thấp, có thể sử dụng cho những loại nước thải córác lớn và cứng

Hình 2.3: Song chắn rác truyền động bằng pit-tông thủy lực (Davis, 2010)

2.1.2 Bể điều lưu ( Flow equalization tank)

Khu vực dân cư (nước thải sinh hoạt) và khu vực sản xuất (nước thải công nghiệp),nước thải được thải ra với lưu lượng biến đổi theo giờ, thời vụ sản xuất, mùa (mưa nắng).Trong khi đó các hệ thống sinh hoạt phải được cung cấp nước thải đều đặn về thể tích cũngnhư về các chất cần xử lý 24/24 giờ Do đó sự hiện diện của một bể điều lưu (còn gọi là bểđiều hòa theo tiêu chuẩn Việt Nam) là hết sức cần thiết

Bể điều lưu có chức năng điều hòa lưu lượng nước thải và các chất cần xử lý để đảmbảo hiệu quả cho các quy trình xử lý sinh học về sau, nó chứa nước thải và các chất cần xử lý

ở các giờ cao điểm, phân phối lại trong các giờ không hoặc ít sử dụng để cung cấp ở một lưulượng nhất định 24/24 giờ cho các thống xử lý sinh học phía sau

Hình 2.4: Bể điều lưu (Nguồn: Lê Hoàng Việt – Giáo trình kỹ thuật xử lí nước thải- NXB ĐH Cần Thơ)

17

Bể lắng cát Bể điều

lưu

Lắng sơcấp

Xử lý thứcấp

Bể điều lưu làm tăng hiệu quả của hệ thống sinh học do nó hạn chế hiện tượng

“shock” của hệ thống do hoạt động qúa tải hoặc dưới tải về lưu lượng cũng như hàm lươngcác chất hữu cơ, giảm được diện tích, chi phí xây dựng các bể xử lý đi sau nó ( do tính toánchính xác theo lưu lượng ổn định) Hơn nữa các chất ức chế quá trình xử lý sinh học sẽ đượcpha loãng hoặc trung hòa ở mức độ thích hợp cho các hoạt động của vi sinh vât

2.1.3 Bể lọc nước thải bằng các hạt lọc

Bể lọc loại này được dùng để loại bỏ các chất rắn lơ lững (và cả BOD) của nước thảisau khi qua xử lý sinh học và hóa học Bể lọc cũng được dùng để loại bỏ các dạng photphokết tủa trong quá trình xử lý hóa học Một quy trình lọc hoàn chỉnh gồm 2 pha: lọc nước thải

và làm sạch các hạt lọc Loại hạt lọc thường dùng là cát, sỏi, than…

2.1.3.1 Quy trình lọc bán liên tục:

Giai đoạn lọc được hoàn thành bằng cách cho nước thải đi qua một nền chứa cácnguyên liệu lọc, trong giai đoạn này có thể sử dụng hoặc không sử dụng các hóa chất để trợgiúp thêm cho quy trình

Các cơ chế loại bỏ các chất lơ lửng trong nước thải diễn ra trong cột lọc bao gồm việccác chất rắn bị giữ lại ở các lỗ rỗng; lắng cặn; tạo bông cặn và hấp phụ Ở giai đoạn lọc cácchất rắn trong cột lọc đã bị tích tụ ở mức không chấp nhận được hay độ giảm áp của cột lọc

đã đạt đến mức tới hạn Thông thường giai đoạn này thì ta ngừng giai đoạn lọc và tiến hànhđổi chiều dòng chảy trong cột lọc

2.1.3.2 Quy trình lọc liên tục:

Giai đoạn lọc và rửa cột lọc được tiến hành đồng thời Lưu ý là trong suốt quá trìnhvận hành sẽ không diễn ra hiện tượng giảm áp

Hình 2.5: Các loại bể lọc nước thải bằng các hạt lọc (Nguồn: Lê Hoàng Việt – Giáo trình kỹ thuật xử lí nước thải- NXB ĐH Cần Thơ)

2.1.4 Bể lắng

Bể lắng dùng để loại bỏ các chất rắn có khả năng lắng ( tỉ trọng lớn hơn tỉ trọng củanước) và các chất nổi ( tỉ trọng nhẹ hơn tỉ trọng của nước) Trong hệ thống xử lý nước thải bểlắng sơ cấp dùng để giữ lại các chất hữu cơ và các chất vô cơ không tan trong nước trước khicho nước thải vào các bể xử lý sinh học Bể lắng được thiết kế theo nguyên lý khi một chấtlỏng chứa các chất lơ lửng được đưa vào một bể có điều kiện tương đối tĩnh, các chất rắn có

tỉ trọng nặng hơn chất lỏng sẽ có khuynh hướng lắng xuống, trong khi các chất rắn có tỉ trọngnhẹ hơn chất lỏng có khuynh hướng nổi lên

19

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo bể lắng Lamellar

2.1.5: Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp vật lý

2.1.5.1 Ưu điểm:

- Hiệu quả xử lý chất rắn cao

- Không cần sử dụng hóa chất khi xử lý

- Dể xây dựng ít tốn kém

- Lượng ra hữu cơ thu được có thể ủ phân compost

2.1.5.2 Nhược điểm:

- Chỉ hiểu quả với chất rắn hông tan

- Tốn chi phí bảo trì thiết bị

- Chi phí nhân công cao

- Cần phải thường xuyên cào rác để tránh cản trở dòng chảy

2.2 Phương pháp sinh học 2.2.1 Phương pháp sinh học hiếu khí

2.2.1.1 Hiệu xuất chuyển hóa

Hình 2.7: Hiệu suất chuyển hóa của quá trình hiếu khí

(Nguồn – TS.Nguyễn Thị Liên Thương – Bài giảng Biogas)

2.2.1.2 Các loại bể sinh học hiếu khí

2.2.1.2.1 Bể bùn hoạt tính

Là một công trình làm sạch sinh học điển hình nhất và có tính "năng động" nhất Nó

có thể cho phép điều chỉnh nước ra với bất kỳ nồng độ chất bẩn hữu cơ mà ta mong muốn

-từ nồng độ cao đến nồng độ thấp, theo một nguyên lý đơn giản làm thoáng, sục khí vào nướcthải với sự có mặt của vi khuẩn Việc sục khí được thực hiện cho tới khi vi khuẩn phân hủycác chất bẩn hữu cơ - nguồn dinh dưỡng cho những vi sinh vật

Quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính được phát triển ở các nước từ đầu thế kỷ 20, đếnnay đã có nhiều thay đổi cơ bản và hoàn chỉnh, phát triển theo chiều hướng nghiên cứu, thiết

Hình 2.8:

Bể bùn hoạt tính

21

Không có công trình xử lý sinh hóa nào nhiều ưu điểm cũng như nhiều nhược điểmhơn so với bể bùn hoạt tính.

2.2.1.2.1.1 Ưu điểm:

- Chiếm ít diện tích vì không cần bể lắng trong

- Không yêu cầu kỹ thuật cao

- Thích hợp với nhiều loại nước thải

- Đơn giản, dễ dàng cho việc bao che công trình

- Dễ dàng trong vận hành, có khả năng tự động hóa

- Hiệu quả xử lý BOD đạt đến 95%

2.2.1.2.1.2 Nhược điểm:

- Tiêu tốn năng lượng cho việc thông khí nhân tạo

- Phải có hệ thống sục khí liên tục

- Không có khả năng thu hồi năng lượng

- Đòi hỏi chi phí đầu tư để xử lí bùn

2.2.1.2.2 Hồ sinh học

Là một khối nước nằm trong nội địa có kích thước từ nhỏ, trung bình đến lớn, bề mặtcủa hồ tiếp xúc với không khí Hồ là một trong những hình thức lâu đời nhất để xử lý nướcthải bằng phương pháp sinh học Hồ sinh học dùng để xử lý những nguồn thải thứ cấp với cơchế phân hủy các chất hữu cơ xảy ra một cách tự nhiên Các hồ sinh học có thể là các hồ đơnhoặc thường được kết hợp với các phương pháp xử lý khác

Hình 2.9: Hồ Sinh học

2.2.1.2.2.1 Ưu điểm:

- Thân thiện với môi trường

- Vốn đầu tư ít, chi phí hoạt động rẻ tiền

- Quản lí đơn giản và hiệu quả cũng khá cao

- Không yêu cầu kỹ thuật cao

- Giảm thiểu được các vi sinh vật gây bệnh

2.2.1.2.2.2 Nhược điểm:

- Thời gian xử lí khá dài

- Đòi hỏi phải có mặt bằng rộng

- Quá trình xử lí phụ thuộc nhiều và điều kiện thời tiết

2.2.1.2.3 Bể lọc sinh học

- Chiếm ít diện tích vì không cần bể lắng trong

- Đơn giản, dễ dàng cho việc bao che công trình

- Dễ dàng trong vận hành, có khả năng tự động hóa

2.2.1.2.3.2 Nhược điểm:

23

- Dễ bị tắc nghẽn

- Rất nhạy cảm với nhiệt độ

- Bùn dư không ổn định

- Tiêu tốn năng lượng cho việc thông khí nhân tạo

- Khí phun lên tạo nên dòng chuyển động xoáy, làm giảm khả năng giữ huyền phù

2.2.2 Phương pháp sinh học kỵ khí

2.2.2.1 Phương pháp biogas

2.2.2.1.1 Khái niệm về Biogas

Là nguồn năng lượng tái sinh chứa methane và khí carbonic được sinh ra từ sự phânhuỷ kỵ khí hay sự lên men của chất hữu cơ của chất thải gia súc, từ các ngành công nghiệpnhư giấy, tinh bột, trong điều kiện thiếu không khí

2.2.2.1.2 Quá trình lên men khí metan:

HỢP CHẤT HỮU CƠ PHỨC TẠP(hydrocacbon, protein, lipit)

CÁC CHẤT HỮU CƠ ĐƠN GIẢN(đường, peptit, các acid amin)

H2, CO2ACETAT

CÁC ACID (propionic, butiric, acetic,

lactic)

Hình 2.11: Sơ đồ lên men khí mêtan

+ Quá trình lên men metan chia làm 3 giai đoạn:

Hình 2.12: Các giai đoạn trong quá trình lên men

2.2.2.1.3 Nhóm vi khuẩn tham gia vào các giai đoạn:

25

Sinh Khối

Vi khuẩn

H2 , CO2 Acid acetic

Sinh Khối

Vi Khuẩn CH4, CO2

Vi khuẩn acetogenic

V i

k h u ẩ n

s i n h

k h í m e t a n Giai đoạn II Giai đoạn III

+ Giai đoạn I: Gồm các vi khuẩn closdium bipiclobacterium, bacillus gram âm không sinh

bào tử, staphy loccus

- Ở giai đoạn này xảy ra quá trình thủy phân và lên men các chất hữu cơ cao phân tử như chất

béo, protein, carbohydrat, cellulose, gignin Một vài loại của các chất này ở dạng không hòatan Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi enzyme ngoại bào ( sảnsinh bởi các vi khuẩn) Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử nhỏ, hòatan được làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn 2

+ Giai đoạn II:

Bảng 2.1: Các vi khuẩn hoạt động trong giai đoạn II

- Ở giai đoạn này, đây là giai đoạn sinh acid và khí hydro.

Các chất hữu cơ đơn giản sản xuất ở giai đoạn I sẽ được nhóm vi khuẩn Acedogenicchuyển hóa thành acid acetic ( kể cả các muối của nó), H2 và CO2 Tỉ lệ của các sản phẩmnày phụ thuộc vào hệ sinh vật trong hầm ủ và các điều kiện môi trường

- Giai đoạn III: Giai đoạn sinh khí Mê-tan

Các sản phẩm của giai đoạn II sẽ được chuyển đổi thành CH4 và các sản phẩm khácbởi nhóm vi khuẩn Mê- tan Vi khuẩn Mê-tan là vi khuẩn yếm khí bắt buộc, có tốc độ sinh

Vi Khuẩn Sản phẩm (acid) tạo được

A.formic, A.aceticA.lactic, A.sucinic, EtanolA.formic, A.acetic, A.lactic, A.sucinic,Etanol

A.formic, A.acetic,A.sucinic

trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn I và giai đoạn II Các vi khuẩn này sử dụng acidacetic là nguyên liệu chính với từ 70% khí mê-tan được sinh ra từ nó Phần khí mê-tan còn lạiđược sản xuất từ CO2 và H2, một ít được sinh ra từ acid fomic…

B

ản g

2.2: Các vi khuẩn hoạt động trong giai đoạn III

2.2.2.1.4 Hiệu suất chuyển hóa kị khí

Kị khí (cần ít oxi)

H2,CO2, A.formicA.acetic

Acid(butyric,valeric, capropionic)

CO2, H2, A.acetic, Metanol

H2, A.formic

H2, A.formicAcid( acetic, butyric )Acid( acetic, butyric )

Hình 2.13: Hiệu suất của quá trình lên men kị khí

(Nguồn – TS.Nguyễn Thị Liên Thương – Bài giảng Biogas)

2.2.2.1.4.1 Ưu điểm

- Kết cấu dưới mặt đất, nhiệt độ ổn định

- Xử lí được các nguồn thải giàu chất hữu cơ

- Dễ sử dụng

- Khí metan thu được làm nhiên liệu đốt để nấu hoặc phát điện

2.2.2.1.4.2 Nhược điểm

- Nước thải đầu ra không đảm bảo

- Đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên

- Xây hầm phải có kỹ thuật cao, chịu được áp lực lớn của khí bên trong

- Sinh mùi hôi khó chịu

2.2.2.2 Bể UASB ( Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

2.2.2.2.1 Khái quát về UASB:

UASB là viết tắt của cụm từ Upflow Anaerobic Sludge Blanket, tạm dịch là bể xử lýsinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí UASB được thiết kế cho nước thải có nồng

độ ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp Nồng độ COD đầu vào được giớihạn ở mức thấp nhất là 100 mg/l; nếu SS > 3000mg/l thì không thích hợp để xử lý bằngUASB

UASB là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từdưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp (v < 1m/h) Cấu tạo của bể UASB thông thườngbao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha

Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trìnhphân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng visinh này Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, tại đây

thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ theománg lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo.

2.2.2.2.2 Điều kiện áp dụng UASB:

Bùn nuôi cấy ban đầu: nồng độ tối thiểu là 10 kg VSS/m3 Lượng bùn cho vào khôngnên nhiều hơn 60% thể tích bể

Hàm lượng chất hữu cơ: COD 50.000mg/l thì cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoànnước thải đầu ra

Chất dinh dưỡng: nồng độ nguyên tố N, P, S tối thiểu có thể tính theo biểu thức sau:(COD/Y) : N :P : S = (50/Y) : 5: 1 :1

Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào loại nước thải Nước thải dễ acid hóa Y= 0,03, khóacid hóa Y= 0,15

Hàm lượng cặn lơ lửng: nước thải có hàm lượng SS lớn không thích hợp cho mô hìnhnày SS > 3.000 mg/l khó phân

hủy sinh học sẽ lưu lại trong bể

sẽ ngăn cản quá trình phân hủy

nước thải

Nước thải chứa độc tố:

UASB không thích hợp với loại

2.000 mg/l hoặc hàm lượng

sulphate > 500 mg/l Khi nồng

độ muối cao cũng gây ảnh hưởng

xấu đến vi khuẩn methane Khi

nồng độ muối nằm trong khoảng

5.000 – 15.000 mg/l thì có thể

xem là độc tố

Hình 2.14: Bể UASB

29

Hiệu suất của bể UASB bị phụ thuộc vào các yếu tố như: nhiệt độ, pH, các chất độchại trong nước thải,…

2.2.2.2.2.1 Ưu điểm nổi bật:

- Không tốn nhiều năng lượng;

- Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp;

- Tạo ra lượng bùn có hoạt tính cao nhưng lượng bùn sản sinh không nhiều, giảm chi phí xửlý;

- Loại bỏ chất hữu cơ với lượng lớn, hiệu quả Xử lý BOD trong khoảng 600 ÷ 15000 mg/lđạt từ 80-95%;

- Có thể xử lý một số chất khó phân hủy;

- Có thể thu hồi nguồn khí sinh học sinh ra từ hệ thống;

2.2.2.2.2.2 Nhược điểm:

- Cần diện tích và không gian lớn để xử lý chất thải;

- Quá trình tạo bùn hạt tốn nhiều thời gian và khó kiểm soát

2.2.2.2.2.3 Phạm vi áp dụng:

Ứng dụng cho hầu hết tất cả các loại nước thải có nồng độ COD từ mức trung bìnhđến cao: thủy sản fillet, chả cá Surimi, thực phẩm đóng hộp, dệt nhuộm, sản xuất bánh tráng,sản xuất tinh bột,…

2.2.3 So sánh phương pháp hiếu khí và phương pháp kị khí

Các điểm khác biệt chủ yếu giữa hệ vi sinh vật yếm khí và hiếu khí được Gerardi(2003) tổng kết trong bảng sau:

CO2 + H2O

Hiếu khí Tế bào mới

CH4 + CO2 Yếm khí Tế bào mới

Bảng 2.3: So sánh sự khác biệt giữa VSV hiếu khí và kị khí ( Gerardi 2003)

Srinivas (2008) đã so sánh việc sử dụng năng lượng của các chất hữu cơ để chuyểnhóa thành các sản phẩm và tổng hợp nên tế bào mới của các vi sinh vật yếm khí và hiếu khí

Qua đó chúng ta thấy vi sinh vật yếm khí sử dụng ít năng lượng để tổng hợp tế bàomới, chúng dùng năng lượng đó để chuyển hóa thành CH4 Chính vì vậy quá trình phân hủyyếm khí tạo nên ít tế bào vi khuẩn mới hơn quá trình phân hủy hiếu khí

Nếu tính theo cân bằng COD thì vi khuẩn yếm khí sử dụng khoảng 90% COD để tạothành khí mê-tan, chỉ có 10% được sử dụng để tạo ra các tế bào mới Trong khi đó các vikhuẩn hiếu khí sử dụng khoảng 50% COD đầu vào để tổng hợp tế bào vi khuẩn mới, 50%còn lại dùng để tạo ra nhiệt năng

31

Đặc điểm Hiếu khí Yếm khí

Các vi khuẩn quan trọng Vi khuẩn hiếu khí bắt

buộc kể cả vi sinh vậtni-trat hóa, vi khuẩnyếm khí tùy nghi

Vi khuẩn yếm khí bắtbuộc kể cả vi khuẩn sinhmê-tan, vi khuẩn yếm khítùy nghi

Chất mang điện tử cuối cùng Oxy phân tử tự do Các hợp chất hữu cơ, H2,

động vật có tiêm mao,metazoa

Ít, nguyên sinh động vật

có tiêm mao

A B

C D

E C

A

B

Hình 2.15: Chuyển hóa năng lượng của quy trình yếm khí và hiếu khí (Srinivas, 2008)

Hình 2.16: Hiệu quả sử dụng năng lượng của quá trình phân hủy yếm khí và hiếu khí

( Gray, 2004)

Trong đó: (A) Thất thoát dạng nhiệt

Nhu cầu dưỡng chất Nhiều hơn Ít hơn

Nhạy cảm với độc chất Ít nhạy cảm hơn Nhạy cảm hơn

Sản phẩm quy trình Ít mùi hôi, ăn mòn và có

độ ổn định cao Có mùi hôi, ăn mòn và có độ ổn định thấp hơn

pH của hệ thống Khoảng hoạt động rộng

hơn

Khoảng hoạt động hẹp hơn

Bảng 2.4: Quy trình hiếu khí và yếm khí ( tổng hợp từ Srinivas, 2008)

33

2.3 Phương pháp hóa học

2.3.1 Phương pháp trung hòa

Nước thải chứa các axit hoặc kiềm vô cơ trước khi thải vào hệ thống nước hoặc tái sửdụng trong các quá trình công nghệ cần được trung hòa Nước được coi là trung tính khi cópH= 6,5- 8,5

Quá trình trung hòa có thể được tiến hành bằng nhiều biện pháp khác nhau như: hòatrộn nước thải mang tính axit và kiềm với nhau; thêm tác chất; lọc nước axit qua vật liệutrung hòa; hấp thụ các khí axit bằng nước kiềm hoạc hấp thụ amoniac bằng nước axit Việclựa chọn phương pháp trung hòa phụ thuộc và thể tích và nồng độ nước thải

2.3.1.1 Trung hòa bằng cách pha trộn

2.3.1.1.1 Nguyên lí hoạt động

Phương pháp này được sử dụng khi trên khu công nghiệp có nước thải của một số nhàmáy xí nghiệp chứa axit và nước thải của một số nhà máy xí nghiệp khác chứa kiềm Nếulượng nước thải chứa kiềm và chứa axit không đử đề trung hòa lẫn nhau thì cần bổ sung thêmhóa chất chứa kiềm hoặc axit tùy theo lượng thừa thiếu của chúng để xác định

2.3.1.1.2 Sơ đồ công nghệ

Hình 2.17: Sơ đồ xử lí nước thải bằng phương pháp trung hòa

2.3.1.2 Trung hòa bằng cách cho thêm tác chất

Để trung hòa nước mang tính axit, ta có thể dùng: NaOH, KOH, Na2CO3, NH4OH,CaCO3, xi măng Tuy nhiên tác chất rẽ nhất là sữa vôi với nồng độ Ca(OH)2 5- 10% Đôi khi

để trung hòa, người ta sử dụng các chất thải khác nhau

2.3.1.3 Trung hòa bằng lọc nước axit qua vật liệu trung hòa

Trong trường hợp này để trung hòa nước axit, người ta chọn lọc nước qua lớp magezit(MgCO3), đolomit (CaCO3, MGCO3), CaCO3 Người ta sử dụng thiết bị lọc đứng có lớp hạtCaCO3, hoặc đolomit kích thước 30 – 80 mm, với chiều cao lớp lọc 0,85 – 1,2 m, vận tốckhông được lớn hơn 5 m/s và thời gian tiếp xúc không nhỏ hơn 10 phút Vận tốc trong thiết

bị nằm ngang là 1 – 3 m/s

2.3.1.4 Trung hòa bằng axit

Để trung hòa nước thải có tính kiềm, thời gian gần đây người ta bắt đầu sử dụng khíthải chứa CO2, SO2, NO2, N2O3,… Việc ứng dụng phương pháp này cho phép vừa trung hòanước thải vừa làm sạch khí khỏi các chất độc hại

35

Ứng dụng khí CO2 có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng SO2 hoặc HCl như:

+ Giảm giá thành quá trình trung hòa

+ Độ hòa tan CO2 kém nên giảm được nguy hiểm của sự oxi hóa quá độ

+ Hình thành cacbonat được ứng dụng nhiều hơn so với các sunphat và clorua

+ Tác dụng ăn mòn và độc hại của ion CO32- ít hơn các ion SO42- và Cl

-2.3.2 Phương pháp Oxi hóa khử

Để làm sạch nước, người ta sử dụng các chất oxi hóa sau: Cl2 khí và lỏng, ClO2,Ca(OCl)2, Ca(ClO3)2 và NaClO3, KMnO4, K2CrO7, H2O2, O2, O3, piroluzit MnO2

Trong quá trình oxi hóa, các chất ô nhiễm độc hại chứa trong nước thải sẽ chuyểnthành độc chất ít độc hơn và được loại ra khỏi mước Quá trình này tiêu tốn một lượng lớncác tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa hóa học chỉ được dùng trong những trườnghợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương phápkhác

Hoạt động của các chất oxy hóa được xác định bằng đại lượng thế oxy hóa Trong cácchất được biết trong tự nhiên, flour là chất oxy hóa mạnh nhất, nhưng cũng chính vì vậy mà

nó không được ứng dụng trong thực tế

Bảng 2.5: Thế ô-xi hóa của các chất

2.3.2.1 Oxy hóa bằng Clo

Clo và các chất có chứa Clo hoạt tính là những chất oxy hóa thông dụng nhất Người

ta sử dụng chúng để tách H2S, hydrosunfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol, xyanua rakhỏi nước thải

Khi cho Clo tác dụng với nước, xảy ra các phản ứng sau:

Cl2 + H2O = HOCl + HCl

HOCl H++OCl

-Tổng Clo, HOCl và OCl- được gọi là clo tự do hay clo hoạt tính

Quá trình tách xyanua ra khỏi nước được tiến hành ở môi trường kiềm (pH = 9).Xyanua có thể bị oxy hóa tới nito và CO2 theo phương trình sau:

2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + H2O

Còn hypoclorit canxi được điều chế bằng clo hóa hydtoxyt canxi ở nhiệt độ 25 – 30oC:

2Ca(OH)2 + 2Cl2 = Ca(ClO)2 + CaCl2 + 2H2O

Trong đó natriclorat (NaClO3) là chất oxy hóa mạnh nên phân tách thành ClO2 Dioxytclo là khí độc có màu vàng xanh, có mùi mạnh hơn clo

2.3.2.2 Oxy hóa bằng oxi trong không khí

2.3.2.2.1 Nguyên lí hoạt động

Oxy trong không khí được sử dụng để tách sắt ra khỏi nước theo phản ứng sau:

4 Fe2+ + O2 + 2H2O 4 Fe3+ + 4OH

-Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+

37

Quá trình oxy hóa được tiên hành bằng sự thông gió qua nước trong các tháp phunmưa.

Oxy của không khí còn được sử dụng để oxy hóa sunfua trong nước thải cùa các nhàmáy giấy, chế biến dầu mỏ Quá trình oxy hóa hydrosunfua thành sufua lưu huỳnh diễn raqua các giai đoạn thay đổi hóa trị của lưu huỳnh từ -2 đến +6

2.3.2.2.2 Sơ đồ công nghệ

1-Thùng chứa nước thải; 2-Bơm; 3- thiết bị trao đổi nhiệt; 4- Tháp oxy hóa;

5- Bộ phận phân phối không khí; 6- Thiết bị tách không khí; 7- Thiết bị làm sạch

Hình 2.18 : Sơ đồ nguyên lí công nghệ oxy hóa sunfua (Trần Văn Nhân- giáo trình công nghệ xử lí nước thải)

2.3.2.3 Ozon hóa

2.3.2.3.1 Nguyên lý hoạt động

Oxy hóa bằng ozon cho phép đồng thời khử tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, khử các vị

lạ và mùi đối với nước

Tác động của ozon trong quá trình oxy hóa có thể diễn ra theo ba hướng:

+ Oxy hóa trực tiếp với sự tham gia của một nguyên tử oxy

+ Kết hợp toàn bộ phân tử ozon với chất bị oxy hóa thành ozonua

+ Tăng cường xúc tác của tác động oxy hóa trong không khí bị ozon hóa

2.3.2.3.2 Sơ đồ công nghệ

39

1-Thiết bị khuấy trộn; 2- Bơm; 3- Thiết bị phản ứng(có thể loại a hay sục khí qua đĩa b);

4- Thùng chứa; 5- Thiết bị ion hóa không khí; 6- Thiết bị lọc sạch khí thải

Hình 2.19 : Sơ đồ thiết bị lọc sạch nước thải bằng ozon theo một bậc

(Trần Văn Nhân- giáo trình công nghệ xử lí nước thải)

2.3.2.4 Làm sạch bằng khử

Phương pháp làm sạch nước thải bằng quá trình khử được ứng dụng trong các trườnghợp khi nước thải chứa các chất dễ bị khử Phương pháp này được dùng rộng rãi để tách cáchợp chất thủy ngân, crom, asen, ra khỏi nước thải

Trong xử lý nước thải chứa hợp chất thủy ngân ở dạng vô cơ, người ta khử thành thủyngân kim loại và tách ra khỏi nước bằng quá trìn lắng, lọc hoặc tuyển nổi Còn các hợp chấtthủy ngân hữu cơ thì trước tiên chúng bị oxy hóa để phá vỡ hợp chất, sau đó khử cation Hgthành Hg kim loại

Khử Cr ra khỏi nước thải bằng quá trình khử với chất khử NaHSO3 xảy ra theo phảnứng sau:

4H2CrO4 + 6NaHSO3 + 3H2SO4 2Cr(SO4)3 + 3Na2SO4 + 10H2OPhản ứng xảy ra nhanh trong khoảng pH = 34 và có dư H2SO4

Để lắng Cr3+ người ta dùng tác nhân kiềm Ca(OH)2, NaOH và pH tối ưu cho quátrình lắng trong 8 đến 9,5 theo phản ứng sau:

Cr3+ + 3OH- = Cr(OH)3

Một chất khử có hiệu quả nữa là FeSO4, nó có thể được sử dụng trong cả môi trườngaxit cũng như môi trường kiềm:

- Trong môi trường axit:

2CrO3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + 6H2O