Đồ án Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải của nhà máy sản xuất cồn rượu đi từ nguyên liệu tinh bột công suất 20 triệu lítnăm

Mở đầu Trong những năm gần đây, do sự đầu tư công nghệ và thiết bị hiện đại, các nhà máy sản xuất cồn, rượu đã không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm nhưng vấn đề làm phát sinh lượng c

Lời cảm ơn

Sau một thời gian nghiên cứu luận văn tốt nghiệp, tôi đã có điều kiên tìm hiểu thực

tế ngμnh sản xuất cồn, được vận dụng những kiến thức đã học áp dụng thực tế cho sản xuất của doanh nghiệp Mặc dù còn gặp nhiều khó khăn nhưng nhờ sự động viên giúp đỡ tân tình của các thầy cô hưỡng dẫn tôi đã hoμn thμnh nhiệm vụ nghiên cứu

Tôi xin chân thμnh cảm ơn các thầy cô giáo khoa CNSH & MT trường ĐH Phương

Đông đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập vμ lμm luận văn nμy

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thμnh tới cô giáo hưỡng dẫn TS Phùng Lan Hương đồng cảm ơn KS Nguyễn Đắc Kiên đã trực tiếp hưỡng dẫn tận tình vμ tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoμn thμnh đồ án tốt nghiệp nμy

Tôi mong rằng trong thời gian tới tôi vẫn nhận được sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo để tôi có cơ hội hoμn thiện hơn về mặt tri thức cũng như chuyên ngμnh của mình

Hμ Nội, tháng 5 năm 2009

Sinh viên

Mở đầu

Trong những năm gần đây, do sự đầu tư công nghệ và thiết bị hiện đại, các nhà máy sản xuất cồn, rượu đã không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm nhưng vấn đề làm phát sinh lượng chất thải lớn, làm ô nhiễm môi trường vẫn

đang là một vấn đề cấp thiết nhưng thực sự vẫn chưa được quan tâm đúng mức trong quá trình quy hoạch và thiết kế ban đầu ở nhiều nhà máy, khiến cho các nhà máy sản xuất cồn rượu phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

So với nhiều ngành công nghiệp chế biến thực phẩm khác, sản xuất cồn rượu là ngành có tải lượng ô nhiễm rất cao, đặc biệt là ô nhiễm do nước thải từ quá trình sản xuất cồn rượu Nước thải của ngành sản xuất cồn rượu luôn chứa một lượng lớn các chất hữu cơ bao gồm các hợp chất của C, P, N, các chất này dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật gây mùi hôi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận

Chính vì tầm quan trọng của công tác bảo vệ môi trường, việc nghiên cứu

xử lý một cách có hiệu quả loại nước thải này là vấn đề cấp thiết mang tính thực

tế được nhiều đơn vị nghiên cứu Xuất phát từ đó tôi đã lựa chọn chuyên đề tốt nghiệp với đề tài: “Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải của nhà máy sản xuất cồn rượu đi từ nguyên liệu tinh bột công suất 20 triệu lít/năm”

Chương I tổng quan về ngμnh sản xuất cồn vμ các chất

ô nhiễm trong nước thải sản xuất cồn

1.1.Tổng quan về ngành sản xuất cồn

1.1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới

Cồn rượu được coi là một sản phẩm quen thuộc và xuất hiện rất sớm trong

đời sống con người tại nhiều quốc gia trên thế giới Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho các nhu cầu khác nhau như: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác

ở vùng nhiệt đới Trung Mỹ (Mỹ, Canada) và nhiều vùng ở Châu á là nơi trồng nhiều loại ngô có năng suất cao thì người ta sử dụng ngô cho sản xuất cồn trong khi đó một số nước Châu Âu có khí hậu và thổ nhưỡng thuận lợi cho việc trồng khoai tây, củ cải đường thì khoai tây và rỉ đường củ cải là nguồn nguyên liệu cho sản xuất cồn, ở phần lớn các nước Châu á một lượng cồn không nhỏ

được sản xuất từ các nông sản giàu tinh bột như gạo, ngô, khoai, sắn ở các nước nhiệt đới có khí hậu và thổ nhưỡng phù hợp với cây mía cồn còn được sản xuất từ đường mía và rỉ đường mía Tùy từng nguyên liệu khác nhau mà mức độ sản xuất cồn cũng khác nhau

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn tại Việt Nam

Hiện nay, ở nước ta có một số doanh nghiệp có công suất sản xuất cồn, rượu lớn nhất nước: đó là công ty Rượu Hà Nội có công suất thiết kế 10 triệu lít/năm và nhà máy rượu Bình Tây có công suất thiết kế 20 triệu lít/năm và nhà máy rượu Đồng Xuân - Phú Thọ, song thực tế hiện nay chỉ còn hai nhà máy sản xuất cồn từ tinh bột đạt tiêu chuẩn thực phẩm là nhà máy rượu Hà Nội và nhà máy rượu Đồng Xuân, sản lượng cồn từ tinh bột từ các cơ sở này hiện khoảng 6 -

8 triệu lít/năm Trong đó nhà máy rượu Hà Nội khoảng 5 triệu lít/năm, nhà máy rượu Bình Tây 4 triệu lít/năm, nhà máy rượu Đồng Xuân 2,5 triệu lít/năm Bên

cạnh các nhà máy lớn, một số nhà máy công suất nhỏ cũng được xây dựng ở nhiều tỉnh thành nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong cả nước

Ngoài ra cả nước còn 26 doanh nghiệp quốc doanh địa phương với công suất thiết kế khoảng 25,8 triệu lít/năm Trong 26 doanh nghiệp này chỉ có ba doanh nghiệp có công suất 1,8 triệu lít/năm trở lên đó là: Công ty Rượu NGK Thăng Long, Công ty Rượu Đồng Xuân, Công ty Đường Rượu Việt Trì

Sản xuất cồn từ tinh bột theo hướng công nghiệp cũng là hướng đi mới trong ngành công nghiệp rượu cồn Trong tình hình mà nước ta có nguồn lương thực dồi dào, từ một nước nhập khẩu lương thực mà nay ta đã trở thành nước xuất khẩu lương thực Nhằm đáp ứng nhu cầu đồ ăn và phục vụ cho công nghiệp giao thông và các ngành khác Từ đó thúc đẩy và tạo điều kiện phát triển cho ngành nông nghiệp trồng trọt

Nói chung cồn của nước ta có chất lượng thấp, hầu hết chưa đạt TCVN -

71 Hiện tại chỉ có một số cơ sở sản xuất cồn đạt loại I theo TCVN -71, ngoài ra các cơ sở sản xuất cồn khác chỉ sản xuất được cồn loại II hoặc thấp hơn ở nước

ta, ngoài tinh bột, cồn còn được sản xuất từ rỉ đường Rỉ đường là sản phẩm phụ khi sản xuất đường, thường chiếm 3,2 - 3,8% lượng đường thành phẩm Cả nước hiện nay có trên 40 nhà máy sản xuất đường, sản lượng khoảng 1 triệu tấn/năm, mỗi năm thu được 320.000 - 380.000 tấn rỉ đường

1.2 Công nghệ sản xuất cồn đi từ nguyên liệu chứa tinh bột

.2.2 Sơ đồ công nghệ

1.2.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

* Nghiền nguyên liệu: gồm có 2 công đoạn là nghiền bột (nghiền nguyên

liệu và hòa bột)

- Nghiền nguyên liệu:

Là quá trình nhằm phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô Hiện nay ở nước ta thường dùng các loại máy nghiền búa, khi nấu ở áp suất thường thì nghiền càng mịn càng tốt

Do nấu ở nhiệt độ và áp suất thường nên đòi hỏi bột phải được nghiền mịn, nếu bột không mịn sẽ ảnh hưởng tới quá trình sản xuất làm giảm hiệu suất thu hồi hàm lượng tinh bột sót cao

* Chưng cất và tinh chế cồn:

Chưng cất là quá trình tách riêng các cấu tử dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Quá trình chưng cất được thực hiện bởi hệ thống các tháp, số lượng các tháp tùy theo công nghệ mà có thể thay đổi khác nhau Nhưng thông thường bao gồm ba tháp là: tháp chưng thô, tháp tách aldehyt và tháp tinh chế Dấm chín được gia nhiệt lên tới 500C trước khi đi vào tháp chưng khô Sản phẩm đỉnh của tháp chưng khô là cồn thô và các chất dễ bay hơi sẽ

được tách ra nhờ thiết bị ngưng tụ Phần ngưng tụ được chuyển vào tháp aldehyt sau đó chuyển sang tháp tinh chế để thu hồi cồn sạch tinh khiết (95% - 96,5%)

1.3 Các chất ô nhiễm trong nước thải cồn

Tùy vào mục đích sử dụng và tùy từng công đoạn sản xuất cồn rượu, nước

thải của nhà máy được chia thành các loại như:

Trong số các loại nước thải trên, dịch hèm đáy tháp chưng thô là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu Nước thải có nhiệt độ cao, pH thấp, chưa tách nấm mem,

có màu trắng đục do còn nhiều tinh bột trong đó Trong nước thải vẫn còn khá cao dịch hèm làm ô nhiễm nhiệt và dễ ăn mòn các công trình thoát nước gây hại tới các loài thủy sinh tại nguồn tiếp nhận Tùy theo nguyên liệu và công nghệ sản xuất mà dịch hèm có độ ô nhiễm khác nhau Hàm lượng COD khoảng 20.000 - 25.000mg/lít có trong dung dịch hèm sản xuất cồn từ tinh bột vượt quá tiêu chuẩn cho phép hàng trăm lần

Đặc trưng của nước thải sản xuất cồn từ tinh bột là có giá trị pH thấp, dao

động từ 3 - 4, COD khá cao từ 20.000 - 25.000 mg/l do trong nước thải có nhiều nấm men và bã tinh bột Tỷ lệ BOD5/COD dao động trong khoảng 0,23% - 0,66%, đây là điều kiện tốt để phân hủy sinh học nước thải Hàm lượng tổng N

và tổng P đều rất cao so với tiêu chuẩn cho phép, vượt hàng trăm lần

1.4 ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm trong nước thải sản xuất cồn đến nguồn tiếp nhận

Muối trung tính làm tăng hàm lượng tổng rắn Lượng thải lớn gây tác hại

đối với đời sống thủy sinh do làm tăng áp suất thẩm thấu, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi của tế bào

Hồ tinh bột biến tính làm tăng BOD, COD của nguồn nước, gây tác hại

đối với đời sống thủy sinh do làm giảm oxy hòa tan trong nguồn nước

Hàm lượng ô nhiễm các chất hữu cơ cao sẽ làm giảm oxy hòa tan trong nước ảnh hưởng tới sự sống của các loài thủy sinh

Chương II Cơ sở lý thuyết của quy trình xử lý nước thải

2.1 Cơ sở lý thuyết của quy trình xử lý nước thải

2.1.3 Quy trình chung xử lý nước thải

• Giai đoạn tiền xử lý: Bằng phương pháp cơ học, hóa học và hóa lý để loại bỏ các laọi rác thải, chất rắn lơ lửng (SS) ra khỏi nguồn nước Ngoài ra, còn có chức năng làm ổn định chất lượng nước thải như: điều chỉnh PH, lưu lượng và các chất gây bẩn có trong nguồn thải

• Giai đoạn xử lý hoàn thiện: Giai đoạn xử lý này nhằm mục đích làm ổn

định chất lượng nước, khử trùng cho nguồn nước trước khi xả ra môi trường Giai

đoạn này thường dùng phương pháp hóa học để xử lý Kết thúc quá trình xử lý, nước đầu ra đảm bảo yêu cầu chất lượng xả thải mà không làm ảnh hưởng tới môi trường

2.2 Một số phương pháp xử lý nước thải

Các loại nước thải đều chứa các loại tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và các hợp chất tan trong nước Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng Để đạt được những mục đích đó chúng ta thường dựa vào đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp

Nguyên tắc chung:

Thường được áp dụng ở giai đoạn đầu của quy trình xử lý, quá trình được xem như bước đệm để loại bỏ các tạp chất vô cơ và hữu cơ không tan hiện diện trong nước nhằm đảm bảo tính an toàn cho các thiết bị và các quá trình xử lý tiếp theo

Nước thải sản xuất cồn rượu có thành phần hết sức phức tạp Trong nước thải không chỉ chứa các thành phần hóa học hòa tan, các loài vi sinh vật mà còn chứa các chất không hòa tan Các chất không hòa tan có thể có kích thước nhỏ và

có thể có kích thước lớn Người ta dựa vào kích thước và tỷ trọng của chúng để

loại chúng ra khỏi môi trường nước, trước khi áp dụng các phương pháp hóa lý hoặc các phương pháp sinh học

Tùy theo kích thước và tính chất đặc trưng của từng loại vật chất mà người

ta đưa ra những phương pháp thích hợp để loại chúng ra khỏi môi trường nước Những phương pháp loại các chất rắn có kích thước lớn và tỷ trọng lớn trong nước gọi chung là phương pháp cơ học

Phương pháp xử lý cơ học có thể loại bỏ 60% các tạp chất không hòa tan

có trong nước thải và giảm 20% BOD Các công trình xử lý cơ học bao gồm:

• Tách chất không hòa tan, những vật chất có kích thước lớn như nhánh cây, gỗ, nhựa, lá cây, giẻ rách, dầu mỡ … ra khỏi nước thải

• Loại bỏ cặn nặng như sỏi, thủy tinh, cát…

• Điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải

• Nâng cao chất lượng và hiệu quả của các bước xử lý tiếp theo

Song chắn rác nhằm chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hay ở dạng sợi: giấy, rau cỏ, rác… được gọi chung là rác Rác được chuyển tới máy nghiền

để nghiền nhỏ sau đó được chuyển tới bể phân hủy cặn (bể mêtan) Đối với các tạp chất < 5 mm thường dùng lưới chắn rác Cấu tạo của thanh chắn rác gồm các thanh kim loại tiết diện hình chữ nhật, hình bầu dục hoặc hình tròn… Song chắn rác đươc chia thành 2 loại di động hoặc cố định, có thể thu gom rác bằng thủ công hay cơ khí Song chắn rác được đặt nghiêng một góc 60 - 900 theo hướng dòng chảy

Sau chắn rác để có thể loại được các tạp chẩt rắn có kích cỡ nhỏ hơn, mịn hơn ta có thể đặt thêm lưới lọc Các vật thải giữ lại trên mặt lưới lọc, phải cào lấy

ra khỏi làm tắc dòng chảy Trước chắn rác có khi còn đặt thêm máy nghiền để nghiền nhỏ các tạp chất

Bế lắng cát dùng để tách các chất bẩn vô cơ có trọng lượng riêng lớn hơn nhiều so với trọng lượng riêng của nước như xỉ than, cát ra khỏi nước thải Thông thường cặn lắng có đường kính khoảng 0,25 mm (tương đương độ lớn thủy lực là 24,5) chiếm 60% tổng số các hạt cặn có trong nước thải

Bể lắng làm nhiệm vụ tách các chất lơ lửng còn lại trong nước thải (sau khi qua bể lắng cát) có tỷ trọng lớn hơn hoặc nhỏ hơn tỷ trọng của nước dưới dạng lắng xuống đáy bể hoặc nổi lên trên mặt nước Thông thường bể lắng thường có 3 loại chủ yếu:

• Bể lắng đứng: là loại bể lắng nước chuyển động theo phương thẳng đứng

• Bể lắng ngang: là loại bể lắng nước chuyển động phương ngang

• Bể lắng ly tâm: là loại bể lắng nước chuyển động từ tâm ra xung quanh Ngoài ra còn một số dạng bể lắng khác như bể lắng nghiêng, bể lắng được thiết kế nhằm tăng cường hiệu quả lắng

Lọc được dùng trong xử lý nước thải để tách các tạp chất phân tán nhỏ

khỏi nước mà bể lắng không lắng được Trong các loại phin lọc thường có loại phin lọc dùng vật liệu lọc dạng tấm và các loại hạt Vật liệu lọc dạng tấm có thể làm bằng lưới thép không gỉ, nhôm, niken, đồng thau và các loại vải khác nhau (thủy tinh, amiăng, bông len, sơi tổng hợp) Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủ bền

và dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc

Vật liệu lọc dạng hạt là cát thạch anh, than gầy, than cốc, sỏi, đá nghiền, thậm chí cả than nâu, than bùn hay than gỗ

Trong xử lý nước thải thường dùng loại thiết bị lọc:

Ngoài ra còn dùng loại lọc ép khung bản, lọc quay chân không, các máy

vi lọc hiện đại Đặc biệt là đã cải tiến các thiết bị lọc dưới đây thuần túy là lọc cơ học thành lọc sinh học, trong đó màng sinh học được phát huy nhiều hơn

Trong quá trình xử lý nước thải cần phải điều hòa lưu lượng dòng chảy Trong quá trình này thực chất là thiết lập hệ thống điều hòa lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho các công trình phía sau hoạt động ổn định Bể điều hòa dòng chảy có thể bố trí trên dòng chảy hay

bố trí ngoài dòng chảy

2.2.1.7 Quá trình tuyển nổi

Tuyển nổi là quá trình tách các chất ở dạng rắn hoặc dạng lỏng, phân tán không tan trong nước thải có khối lượng riêng nhỏ, tỷ trọng nhỏ hơn nước không thể lắng bằng trọng lực hoặc lắng rất chậm… Phương pháp tuyển nổi được thực

hiện bằng cách trộn lẫn các hạt khí nhỏ và mịn vào nước thải, khi đó các hạt khí

sẽ kết hợp dính với các hạt của nước thải và kéo theo những hạt vật chất này theo bọt khí nổi lên bề mặt Khi đó ta có thể dễ dàng loại chúng ra khỏi hệ thống bằng thiết bị vớt bọt

Các phương pháp xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa khử, người

ta sử dụng các phương pháp hóa học để khử các chất hòa tan và trong các hệ thống nước khép kín đôi khi phương pháp này được sử dụng để xử lý sơ bộ trước khi xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là một phương pháp xử lý nướcc thải lần cuối để thải vào nguồn

Các phương pháp xử lý hóa học này đều có sản phẩm là bùn bẩn nên không được thải ra sông ngòi, hồ… Loại bùn bẩn cần được làm khô trong không khí, nếu không sử dụng làm phân bón cần phải được đưa ra bãi rác, hoặc để san nền, lấp chỗ trũng

Việc lựa chọn phương pháp trung hòa là phụ thuộc vào thể tích và nồng độ của nước thải, chế độ của nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của tác nhân hóa học Lượng bùn cặn trong quá trình trung hòa phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như lượng tác nhân sử dụng cho quá trình

Trung hòa bằng cách trộn lẫn chất thải: Phương pháp này được sử dụng khi nước thải của nhà máy là axit còn có nhà máy lân cận gần đó có nước thải kiềm, cả hai loại nước thải này đều không chứa các cấu tử gây ô nhiễm khác

Trung hòa bằng cách cho thêm các tác nhân hóa học: nếu nước thải chứa quá nhiều axit hay kiềm tới mức độ không thể trung hòa bằng cách trộn lẫn chúng với nhau thì phải cho thêm hóa chất Phương pháp này thường để trung hòa axit, việc lựa chọn hóa chất phải căn cứ vào đặc tính của nước thải, nồng độ của nước thải và xem muối tạo thành khi trung hòa ở dạng hòa tan hay lắng cặn

Nước thải axit được phân loại thành các loại sau:

• Nước chứa axit yếu (H2CO3, CH3COOH)

• Nước chứa axit mạnh (HCl, HNO3)

• Nước chứa axit sunfuaric (H2SO4) và axit sunfuaro (H2SO3)

Để trung hòa các axit vô cơ có thể dùng bất cứ loại kiềm nào có chứa hydroxit (OH-) trong dung dịch Hóa chất rẻ nhất là Ca(OH)2 ( ở dạng nhão hay vôi sữa)

Để trung hòa các axit hữu cơ thường dùng vôi tôi (dung dịch 5 - 10%) Cho thêm nước ammoniac sẽ tạo điều kiện cho quá trình sinh hóa sau đó diễn ra tốt, giảm được lượng cặn

Trung hòa nước thải kiềm người ta sử dụng các axit khác nhau hoặc khí mang tính axit Thổi khí thải vaò nước thải chứa kiềm là biện pháp khá kinh tế

để trung hòa khí từ ống khói chứa khoảng 14% CO2, khí CO2 tan trong nước tạo thành H2CO3 (axit cacbonic yếu) Axit này sẽ phản ứng với nước thải chứa kiềm

để trung hòa kiềm dư

ăn mòn và độc hại bằng SO42- và Cl-

2.2.2.2 Phương pháp oxi hóa khử

Để làm sạch nước thải có thể dùng các chất oxy hóa như Clo ở dạng khí và hóa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri, pemanganat kali, bicromat kali, oxy không khí, ozon…

Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất độc hơn và tách ra khỏi nước thải Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa học chỉ được dùng trong những trường hợp khi tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác

Oxy hóa bằng Clo

Clo và các chất có chứa clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng nhất Người ta sử dụng chúng để tách H2S, hydrosunfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol, xyanua ra khỏi nước thải

Khi clo tác dụng với nước thải xảy ra phản ứng:

Cl2 + H2O = HOCl + HCl HOCl = H+ + OCl-Tổng clo, HOCl và OCl- được gọi là Clo tự do hay Clo hoạt tính

Các nguồn cung cấp Clo hoạt tính còn có cả clorat canxi (CaOCl2), hypoclorit, clorat, dioxyt clo, clorat canxi được nhân theo phản ứng:

Ca(OH)2 + Cl2 = CaOCl2 + H2O Lượng clo hoạt tính cần thiết cho một đơn vị thể tích nước thải là: 10 g/m3

đối với nước thải sau xử lý cơ học, 5 g/m3 sau xử lý sinh học hoàn toàn

Phương pháp Ozon hóa

Ozon tác động mạnh mẽ với các chất khoáng và chất hữu cơ, oxy hóa bằng ozon cho phép đồng thời khử màu, khử mùi, tiệt trùng của nước Sau quá trình ozon hóa số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt đến hơn 99%, ozon còn oxy hóa các hợp chất Nito, Photpho

2.2.4 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

2.2.4.1 Nguyên tắc chung

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình nhằm phân hủy các vật chất hữu cơ ở dạng hòa tan, dạng keo và dạng phân tán nhỏ trong nước thải nhờ vào sự hoạt động của các vi sinh vật Quá trình này xảy ra

trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí tương ứng với hai tên gọi thông dụng là: quá trình xử lý sinh học hiếu khí và quá trình xử lý sinh học kỵ khí (yếm khí)

Quá trình dinh dưỡng và hô hấp của vi sinh vật thực chất là quá trình chuyển hóa, hóa sinh các chất gây ô nhiễm trong nước thải nhờ đó nước thải

được làm sạch

Phương pháp này thường được sử dụng để làm sạch nước thải sinh hoạt cũng như nước thải sản xuất khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S, các sunfit, ammoniac, nitơ

Các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo tụ và các chất phân tán nhỏ trong nước thải di chuyển hay khuyếch tán vào bên trong tế bào vi sinh vật Dưới tác dụng của các enzim, các chất hữu cơ sẽ được chuyển hóa

Có 3 giai đoạn của phương pháp sinh học:

• Giai đoạn 1: Giai đoạn khuýếch tán, di chuyển chất hữu cơ từ nước thải tới bề mặt các tế bào vi sinh vật Tốc độ này do quy luật khuyếch tán và trạng thái thủy động của môi trường quyết định

• Giai đoạn 2: Giai đoạn chuyển các chất hữu cơ đó qua màng thấm bằng khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào

• Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật thành năng lượng và tổng hợp tế bào mới Giai đoạn này đóng vai trò quan trọng nhất, quyết định mức độ và hiệu quả xử lý nước thải

dụng để xử lý các loại bùn, cặn (cặn tươi từ bể lắng đợt một, bùn hoạt tính sau khi nén ) trong trạm xử lý nước thải đô thị và một số ngành công nghiệp

Phương pháp này có ưu điểm là lượng bùn sinh ra ít, tiêu tốn ít năng lượng (không cần sục khí) và tạo điều kiện khí Metan có giá trị năng lượng

2.2.4.2.2 Quá trình xử lý sinh học hiếu khí:

được ứng dụng có hiệu quả cao đối với nước thải có hàm lượng BOD5thấp như nước thải sinh hoạt sau khi xử lý cơ học và nước thải của các ngành công nghiệp bị ô nhiễm hữu cơ ở mức độ thấp (BOD5 < 1000 mg/l) Tùy theo cách cung cấp oxy mà quá trình xử lý sinh học hiếu khí được chia làm hai loại:

Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên (oxy được cung cấp từ không khí tự nhiên do quang hợp từ tảo và thực vật nước) với các công trình tương ứng như: cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, hồ sinh học, đất ngập nước…

Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo (oxy được cung cấp bởi các thiết bị sục khí cưỡng bức, thiết bị khuấy trộn cơ giới ) với các quá trình và công trình tương ứng như sau:

• Quá trình vi sinh vật lơ lửng (quá trình bùn hoạt tính):

9 Bể bùn hoạt tính thổi khí (Arotank)

9 Mương oxy hóa

9 Hồ sinh học

• Quá trình vi sinh vật dính bám (quá trình màng vi sinh vật):

9 Bể lọc sinh học nhỏ giọt (Biophin)

9 Bể lọc sinh học cao tải

9 Tháp lọc sinh học

9 Bể lọc sinh học tiếp xúc dạng đĩa quay (RBC)

• Quá trình vi sinh vật kết hợp: bể sinh học hiếu khí tiếp xúc (có cấu tạo

và nguyên lý hoạt động giống như bể Arotank nhưng bên trong bể có trang bị thêm các vật liệu tiếp xúc để làm giá thể cho các vi sinh vật dính bám)

chương III Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước thải sản xuất cồn đi từ nguyên liệu tinh bột với

công suất 20 triệu lít/năm 3.1 Công nghệ chung của quy trình sản xuất cồn đi từ nguyên liệu tinh bột với công suất 20 triệu lít/năm

Trong nguyên liệu gạo có khoảng 70% hàm lượng tinh bột Muốn sản xuất 1lít cồn cần 2,5 kg gạo Vậy với 20 triệu lít cồn sẽ cần 50.000.000 kg gạo

Mỗi năm, nhà máy sản xuất cồn có thời gian vận hành khoảng 300 ngày Lượng gạo mỗi ngày nhà máy cần dùng là:

Khối lượng riêng của tinh bột là 1.300 m3 Với 167.000 kg bột sẽ có:

167.000

1300 Lượng dịch bột trong quá trình nấu khi bột được đem hòa trộn với nước với tỷ lệ 1: 4,5 là:

128 ì 5,5 = 704 m3/ngày đêm

Qua quá trình đường hóa và lên mem có bổ sung ezym và urê , 704m3dịch bột được chuyển hóa thành 704m3 hỗn hợp gồm: 10% cồn 960, 90% nước và bã được gọi là giấm chín

Tại tháp chưng thô: 704m3 giấm chín được thu hồi 10% cồn 960 trên đỉnh tháp, dưới đáy tháp sẽ thải ra 90% bã thải (nước và chất thải rắn)

Tại tháp Aldehyt: 70,4 m3 cồn 960 từ đỉnh tháp chưng thô được pha thêm

280 m3 nước thành cồn 250 chuyển vào tháp Aldehyt Trên đỉnh tháp thu hồi

được 70,4 m3 cồn 960, dưới đáy tháp thải ra 280 m3 (90%) các tạp chất như aldehyt, este

Tại tháp tinh chế: 70,4 m3 cồn 960 từ đỉnh tháp Aldehyt được pha thêm

280 m3 nước thành cồn 250 chuyển vào tháp tinh chế Lượng cồn này được chưng cất lên đỉnh tháp đi ra ngoài Sản phẩm thu được là cồn thực phẩm 960 chứa ít tạp chất., dưới đáy tháp thải ra nước thải được tuần hoàn sử dụng lại

3.3 Tính chất và các nguồn thải từ nhà máy sản xuất cồn đi từ nguyên liệu chứa tinh bột với công suất 20 triệu lít/năm

Nước thải từ sản xuất cồn được chia làm 3 nguồn chính:

• Nước thải từ đáy tháp chưng thô (633,6 m3/ngày đêm): gồm bã rượu và nước thải gọi là dịch hèm, trong bã thải có khoảng 25% chất thải rắn, có các thông số như sau:

Nước thải từ đáy tháp chưng thô có hàm lượng TSS, COD, BOD, và nhiệt

độ rất cao nên trước khi đưa vào xử lý sinh học cần xử lý loại nước thải này bằng phương pháp lọc để làm giảm hàm lượng TSS, và hàm lượng COD, BOD, nhiệt

độ cũng giảm theo Sàng lọc được sử dụng cho loại nước thải này là ưu việt nhất

để tận dụng bã thải làm thức ăn gia súc Do bã thải của loại nước thải này rất nhỏ

và mịn nên cần chọn thiết bị lọc chân không thùng quay để lọc cặn bã nhỏ mà sàng lọc không lọc được Do pH của loại nước thải này thấp nên trước khi đưa vào xử lý sinh học cần đưa qua bể điều hòa và ổn định pH

• Nước thải từ đáy tháp Aldehyt và tháp tinh chế (280 m3/ngày đêm): chủ yếu là aldehyt, este, dầu fusel , có các thông số như sau:

• Nước thải vệ sinh thiết bị (80 m3/ngày đêm): Trong các công đoạn: hòa trộn và ngâm trương nở, nấu nguyên liệu, đường hóa, lên mem, thải ra chủ yếu là nước vệ sinh thiết bị với luư lượng rất lớn Loại nước này chứa nhiều cặn cơ học, tinh bột, chất hữu cơ

Tổng lượng nước thải của nhà máy sản xuất cồn đi từ nguyên liệu tinh bột với công suất 20 triệu lít/năm là:

633,6 + 280 + 80 = 993,6 m3/ngày đêm

Chọn lưu lượng nước thải là 1000 m3/ngày đêm

3.4 Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải sản xuất cồn

Chú thích:

3.5 Thuyết minh quy trình công nghệ

Nước thải từ đáy tháp chưng thô qua sàng lọc, nước và các hạt có thể lọc

được sẽ được giữ lại ở đây Nước thải được đưa qua thiết bị lọc chân không thùng quay, bã thải từ sàng lọc và thiết bị lọc chân không thùng quay sẽ được tận dụng làm thức ăn chăn nuôi gia súc

Nước thải từ đáy tháp chưng thô, đáy tháp Aldehyt và nước thải vệ sinh thiết bị, dụng cụ sẽ được thu gom lại đưa đến bể điều hòa, tại đây nước thải

được ổn định về lưu lượng và nồng độ, điều chỉnh pH về trung tính Nước thải sau khi được điều hòa và ổn định pH xong được bơm sang bể lắng I, hàm lượng TSS giảm đi đáng kể và cặn bùn được đưa vào bể nén bùn Nước thải tiếp tục

được đưa qua bể UASB, tại đây hàm lượng BOD và COD giảm xuống một cách nhanh chóng Khí thoát ra được tận dụng để cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất, Nước thải từ bể UASB sẽ được bơm đến bể Arotank, hàm lượng COD

và BOD cũng giảm xuống, nước thải tiếp tục qua bể lắng II, lượng bùn dư sẽ

được giữ lại, một phần bùn sẽ được tuần hoàn về bể Aerotank, một phần đua qua

bể nén bùn rồi đến máy ép bùn, bùn sau khi đuợc xử lý sẽ được sử dụng làm phân bón Nước thải sau khi qua bể lắng II sẽ được đưa đến bể tiếp xúc, tại đây nước được khử trùng bằng clo và thải ra nguồn tiếp

Ưu điểm

• Hiệu quả xử lý cao, nước sau khi xử lý có thể thải trực tiếp ra ngoài môi trường

• Có thể thu hồi năng lượng ở bể UASB để cung cấp cho quá trình sản xuất

• Bùn được xử lý để làm phân bón

™ Nhược điểm

Chất lỏng KhíBùn

• Có nhiều công trình đơn vị, do đó chi phí đầu t− cao.

• Chiếm một diện tích khá lớn

Chương IV Tính toán hệ thống xử lý nước thảI nhμ máy sản xuất cồn đI từ nguyên liệu tinh bột công suất

Nhiệt độ : 800C

pH : 4 COD : 12.000 mg/l (E = 60%) BOD : 4.000 mg/l (E = 60%) TSS : 300 mg/l (E = 70%) Chọn sàng lọc cố định bàng lưới dạng lõm có kích thước mắt lưới

A= 1000 0 , 9 ( )

60

1

/ 500

/ 67 ,

3 2

3

m m

l ph

h m

ph l

h m L

9 ,

ì

=

ì B L

Năng suất đơn vị của thiết bị phụ thuộc vào các tính chất hóa lý của huyền phù phân ly, vào vật liệu lọc, và các giai đoạn xảy ra trước khi lọc và dao động trong giới hạn rộng Máy lọc chân không dạng thùng quay có hiệu quả nhất khi phân ly huyền phù có nồng độ pha rắn cao hơn 2%

Các thông số đầu vào:

Nhiệt độ : 800C

pH : 4 COD : 12.000 mg/l BOD : 4.000 mg/l TSS : 300 mg/l Các thông số đầu ra:

Nhiệt độ : 350C

pH : 5 COD : 2.400 mg/l (E = 80%) BOD : 800 mg/l (E = 80%) TSS : 160 mg/l (E = 40%) Nước thải trước khi đưa vào sàng lọc chứa 25% chất thải rắn, lượng chất thải rắn có trong nước thải là:

640 ì 25% = 160 (m3/ngày đêm) Với hiệu suất xử lý 70%, lượng chất thải rắn còn lại trong nước thải là:

160 ì 30% = 48 (m3/ngày đêm) Lưu lượng nước thải sau khi qua sàng lọc là:

(640 - 160) + 48 = 528 (m3/ngày đêm) Xác định hằng số lọc K ở độ chân không 600 torr theo quan hệ gần đúng

là hằng số lọc tỷ lệ với Δp:

15 , 1 520

600

K K

Năng suất tính theo đơn vị giây là:

) l/m ( 66 , 0 32

35 ,

s l

=

Bề mặt lọc cần thiết:

) ( 57 , 7 66 , 0

57 ,

phut vong

4.3 Tính toán bể điều hòa

• Thể tích nước thải sau xử lý qua thiết bị lọc chân không thùng quay: 528

m3/ngày đêm

• Thể tích nước thải sau thiết bị trao đổi nhiệt: 280 m3/ngày đêm

• Thể tích nước vệ sinh dụng cụ, thiết bị: 80 m3/ngày đêm

• Tổng thể tích nước thải cần điều hòa: 528 + 280 + 80 = 888 m3/ngày đêm Chọn tổng thể tích nước thải cần điều hòa là 1000 mg/l

Các thông số đầu vào:

Nhiệt độ : 350C

pH : 6 COD : 2.800 mg/l BOD : 1.200 mg/l TSS : 220 mg/l Các thông số đầu ra:

Nhiệt độ: 350C

pH : 7 COD : 2.520 mg/l (E = 10%) BOD : 1.080 mg/l (E = 10%) TSS : 187 mg/l (E = 15%) Lưu lượng nước thải trung bình ngày đêm: Q = 1000 m3/ngày đêm

Lưu lượng trung bình giờ:

h

24

1000 24

Q

3600

1000 3600

3

=

=

=

4.3.1 Tính toán bể điều hòa

Chọn thời gian lưu trong bể điều hòa là 5 giờ

Thể tích bể điều hòa:

) ( 3 , 208 5 66 ,

t Q

Thể tích thực tế của bể điều hòa:

) ( 96 , 249 3 , 208 2 , 1 2

) ( 49 , 62 4

96 ,

m H

W

Chiều cao xây dựng của bể là:

) ( 5 , 4 5 , 0

H H

Trong đó: H bv là chiều cao bảo vệ, chọn H bv= 0,5 m

Chọn chiều rộng của bể điều hòa là Bdh = 8m, chiều dài bể là Ldh =12m Thể tích xây dựng của bể điều hòa là:

=

W L dh ìB dhìH xd = 12mì 8mì 4 , 5m= 432 (m3 )

4.3.2 Tính toán hệ thống cấp khí cho bể điều hòa (bằng khí nén)

Để tránh hiện tượng lắng cặn và ngăn chặn mùi trong bể điều hòa cần cung cấp một lượng khí thường xuyên

Lượng không khí cần thiết:

qkk: là lượng khí cần thiết để xáo trộn, qkk = 0,01 - 0,015 m3/phút,

Chọn qkk = 0,013 m3/phút

W: là thể tích xây dựng của bể điều hòa

Chọn hệ thống cấp khí bằng thép có lỗ đục, có 4 ống đặt dọc theo chiều dài của bể điều hòa, mỗi ống cách nhau 0,8m

Lưu lượng khí trong mỗi ống là:

) / ( 52 , 0 10

2 ,

ph m v

Q q

Trong đó: v ong là vận tốc khí trong ống, v ong = 10 - 15 m/s

52 , 0 4 4

m v

q D

Đường kính các lỗ phân phối khí vào bể điều hòa: dlỗ = 2 - 5mm

32 mm

1000 mm

140 mm

hd: Tæn thÊt ¸p lùc do ma s¸t däc theo chiÒu dµi èng dÉn (m)

hc: Tæn thÊt côc bé cña èng ph©n phèi khÝ

9 , 4 33 , 10 33

, 10

33 , 10

Qkk: Lưu lưîng khÝ cung cÊp (m3/s)

η: HiÖu suÊt cña m¸y b¬m

Nhiệt độ: 350C

pH : 7 COD : 2.016 mg/l (E = 20%) BOD : 860 mg/l (E = 20%) TSS : 102,85 mg/l ≤ 150 mg/l (E = 45%)

1: Bể phản ứng 2: Vùng tạo bông 3: Vùng lắng 4: Vùng chứa bùn

Chọn 2 bể công tác và một bể dự phòng, thể tích mỗi bể là:

) ( 245 , 31 2

49 , 62 2

245 ,

h = 60% ì H1 = 60% ì 3 = 1,8 (m) Chọn 3 bể, 2 bể công tác và một bể dự phòng Kích thước mỗi bể lắng: Dtt

ì Htc = 4,3m ì 4,2m

4.4.2 Hiệu quả của quá trình lắng các chất lơ lửng

Tốc độ lắng của hạt cặn lơ lửng trong bể lắng được tính theo công thức:

Hiệu suất lắng của chất lơ lửng trong nước thải ở bể lắng I phụ thuộc vào tốc độ lắng của hạt cặn lơ lửng trong nước thải (U = 0,55 mm/s) và hàm lượng ban đầu của hạt cặn lơ lửng (Cdv = 187 mg/l) có thể lấy theo bảng sau:

Hiệu suất lắng của Tốc độ lắng của hạt căn lơ lửng , U (mm/s)ứng với

chất lơ lửng (%) hàm lượng ban đầu của chất lơ lửng C (mg/l)

Với Cdv = 187 mg/l và U = 0,55 Chọn hiệu suất lắng E1 = 45%

Hàm lượng chất rắn lơ lửng trôi theo nước ra khỏi bể lắng I được tính theo

công thức:

) / ( 150 ) / ( 85 , 102 ) 45 100 ( 187 ) 100

l mg l

mg E

C

100 100

4.4.3 Kiểm tra lại thời gian lưu nước của bể lắng

Thể tích phần lắng:

) ( 8 , 41 3 ) 86 , 0 3 , 4 ( 4

14 , 3 )

( 4

3 2

2 2

Giả sử hiệu suất xử lý cặn lơ lửng đạt 60% ở tải trọng 35 m3/m2.ngày

Lượng bùn sinh ra mỗi ngày là:

) / ( 2 , 112

1 6 , 0 /

1000 /

1000g

tuoi

Giả sư bùn tươi trong nước thải của nhà máy sản xuất cồn đi từ nguyên liệu tinh bột có hàm lượng cặn 5% (tức là có độ ẩm 95%) Tỷ số VSS : TSS = 0,8

và khối lượng riêng của bùn tươi là 1,053kg/l

Vậy lưu lượng bùn tươi cần phải xử lý là:

) / ( 131 , 2 /

2131 /

053 , 1 05 , 0

/ 2 ,

ngày m

ngày l l

kg

ngày kg

5 Lượng bùn tươi sinh ra mỗi ngày, Mtươi 112,2 kgSS/ngày

6 Lưu lượng bùn tươi cần xử lý, Qtươi 2,131 M3/ngày