thiết kế, nguyên lý vận hành , hiệu quả của hệ thống xử lý chất thải nông nghiệp

HỒ CHÍ MINHBỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔN HỌC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN THIẾT KẾ, NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH VÀ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG XỬ LÝ CHẤT THẢI SẢN XUẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG SINH HỌC

BÀI TIỂU LUẬN THIẾT KẾ, NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH

VÀ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG XỬ LÝ CHẤT THẢI SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

GVHD: PGS TS Dương Nguyên Khang SVTH : Nhóm 5 – DH11SM

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 5 năm 2014

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Việt Nam được biết đến là một nước nông nghiệp và nông nghiệp đóng góp mộtphần không nhỏ vào nền kinh tế của nước ta Hiện nông nghiệp đóng góp khoảng 20%GDP và 1/5 kim ngạch xuất khẩu của quốc gia Đặc biệt, trong năm 2013 đã có nhiều mặthàng xuất khẩu đã vươn lên vị trí số 1, số 2 thế giới như cà phê, điều, lúa gạo, tiêu…Trong đó, cà phê là điểm sáng lớn nhất khi đem về nguồn ngoại tệ khoảng 3,5 tỷ USD,còn lúa gạo đã thiết lập kỷ lục về khối lượng xuất khẩu với mức khoảng 7,7 triệu tấn gạo.Chúng ta hiện xếp vị trí thứ 2 về xuất khẩu gạo, sau Ấn Độ; xuất khẩu hồ tiêu của ViệtNam đang giữ vững vị trí số 1 về sản lượng và số lượng xuất khẩu trên thế giới, có vai tròquan trọng trong việc điều tiết lưu thông, bình ổn giá cả và thị trường Nông nghiệp manglại nguồn lợi không nhỏ về kinh tế của cả nước, tuy nhiên những phụ phẩm thải ra trongquá trình sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu, bã mía… cũng gây ảnh hưởng khôngnhỏ tới môi trường, ảnh hưởng tới sự phát triển bền vững

Chính vì vậy mà chúng ta cần phải nghiên cứu ra những hệ thống với những quytrình xử lí từ đơn giản tới phức tạp, từ vật lí tới sinh học để xử lí những chất thải trongsản xuất nông nghiệp Đó cũng chính là chủ đề của nhóm chúng em

1.2 Mục tiêu chung

Tìm hiểu được các quy trình có trong hệ thống xử lí chất thải nông nghiệp

1.3 Mục tiêu cụ thể

- Biết được các quy trình xử lí vật lí, hóa học, sinh học, các mô hình kết hợp

- Hiểu được các thiết kế và vận hành

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chất thải trong nông nghiệp có nhiều dạng: rắn, lỏng hoặc khí Tùy từng loại mà

Tuy là có nhiều bãi chôn lấp nhưng khi thiết kế bất kì bãi chôn lấp nào cũng phảiđảm bảo có 3 khu vực:

 Khu chôn lấp

Hình 1 Mặt cắt ngang điển hình qua ô chôn lấp

Khu xử lí nước

Hình 2 Sơ đồ bố trí ống thu gom nước rác

2.1.1.2 Vận hành hệ thống

Trải những lớp rác dầy 40- 80 cm lên mặt đất, đầm nén nó (để thu nhỏ khối lượng)

và tiếp tục trải những lớp khác lên Khi lớp rác dầy 2- 2,2 m thì phủ một lớp đất dầy

10-60 cm lên trên rồi lại đầm nén Cứ như thế với độ cao 15m Một lớp hoàn chỉnh như vậygọi là ô rác Thông thường một con đập bằng đất được làm để rác đổ xuống tì vào và để

dễ dàng đầm nén rác sau đó.Nếu bãi vận hành liên tục thì cứ sau 24 tiếng vận hành lạicần phủ đất

Chống thấm cho các ô chôn lấp

- Ô chôn lấp cần được đặt ở những nơi có lớp đất đá tự nhiên đồng nhất, với hệ sốthấm ≤ 1.10-7cm/s, và có chiều dày tối thiểu 6m.Phải tạo độ dốc của đáy tối thiểu 2% đểnước rác tự chảy về các rãnh thu gom nước thải

- Thành ô chôn lấp cũng phải có tính chống thấm như đáy của nó Nếu thành ô chônlấp không đạt yêu cầu, cần phải xây thành nhân tạo, bằng vật liệu có hệ số thấm ≤ 1.10-7cm/s, với chiều rộng tối thiểu 1m

2.1.1.3 Hiệu quả của hệ thống

Phương pháp này chi phí rẻ nhất, bình quân ở các khu vực Đông Nam Á là 1-2USD/tấn, phù hợp với các nước đang phát triển Tuy nhiên yêu cầu diện tích lớn, khó quyhoạch địa điểm, chi phí đầu tư và quản lý cao, phải xử lí ô nhiễm về khí thải, nước rỉ ráctrong thời gian dài

2.1.2 Phương pháp nhiệt

Các chất thải rắn trong nông nghiệp hiện nay rất nhiều Chúng thường được vứthoặc đốt tràn lan, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh Vì thế cần xâydựng hệ thống đốt để thu lại nguồn nhiệt, nguồn năng lượng đáng kể trong nông nghiệp,

có thể phục vụ cho sinh hoạt, cung cấp điện năng…

2.1.2.3 Hiệu quả của hệ thống

Trước đây, các nhà máy thiêu đốt thường được thiết kế đơn giản để đốt chất thải,nhưng các nhà máy thiêu đốt mới nhất hiện nay đã thu hồi được nguồn năng lượng dướidạng hơi nước, nước nóng hoặc điện năng

Đặc biệt là chất thải rắn đô thị có chứa nguồn năng lượng bằng nửa năng lượngcủa than cấp cao Các công nghệ đốt một khối lượng lớn chất thải đang tiếp tục được

Tuy nhiên giá thành để xây dựng hệ thống này rất tốn kém và cần nhiều đầu tư.

2.1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá

Các phương pháp điện hoá cho phép thu hồi từ nước thải các sản phẩm có giá trịbằng các sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản và có thể tự động hoá Không cần sử dụngtác nhân hoá học, nhược điểm là tiêu hao điện năng

2.2.1 Phương pháp keo tụ tạo bông

2.2.1.1 Keo tụ và các hóa chất dung trong keo tụ

Trong nước tồn tại nhiều chất lơ lửng khác nhau Các chất này có thể dùngphương pháp xử lý khác nhau tùy vào kích thước của chúng:

- d > 10-4 mm : dùng phương pháp lắng lọc

- d < 10-4 mm : phải kết hợp phương pháp cơ học cùng phương pháp hoá học Tức làcho vào các chất tạo khả năng dính kết kéo các hạt lơ lửng lắng theo => gọi là phươngpháp keo tụ trong xử lý nước Để thực hiện quá trình này người ta cho vàonước các chấtphản ứng thích hợp : Al2(SO4)3; FeSO4; hoặc FeCl3

Phèn nhôm: cho vào nước chúng phân ly thành Al3+ thủy phân

Al(OH)3

Al3+ + 3H2O == Al(OH)3 + 3H+

Độ pH của nước ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thuỷ phân:

• pH > 4.5 : không xảy ra quá trình thuỷ phân.

• pH = 5.5 – 7.5 : đạt tốt nhất

• pH > 7.5 : hiệu quả keo tụ không tốt

Nhiệt độ của nước thích hợp vào khoảng 20-40oC, tốt nhất 35-40oC

Ngoài ra các yếu tố ảnh hưởng khác như : thành phần Ion, chất hữu cơ, liều lượng…

Phèn sắt gồm sắt (II) và sắt (III):

Phèn Fe (II) : khi cho phèn sắt (II) vào nước thì Fe(II) sẽ bị thuỷ phân thànhFe(OH)2

- Fe2+ + 2H2O == Fe(OH)2 + 2H+

- Trong nước có O2 tạo thành Fe(OH)3

- pH thích hợp là 8 – 9 => có kết hợp với vôi thì keo tụ tốt hơn

-Phèn FeSO4 kỹ thuật chứa 47-53% FeSO4

Các công trình chuẩn bị dung dịch phèn (định liều lượng phèn) bao gồm:

- Thùng hoà trộn, thùng tiêu thụ, thiết bị định liều lượng chất phản ứng

- Các công trình trộn đều dung dịch chất phản ứng với nguồn: ống trộn, bể trộn

- Các công trình tạo điều kiện cho phản ứng tạo bông lắng xảy ra hoàn toàn: ngăn phảnứng bể phản ứng

Một số sơ đồ bố trí các công trình chuẩn bị phèn

• Bể tiêu thụ

 Nhiệm vụ pha loãng

 Nồng độ phèn 4 –10%

 Dùng không khí nén hoặc máy khuấy, cường độ sục 3 –5 l/s.m2

 Đáy có độ nghiêng i = 0.005 về phía ống xã

 Định liều lượng không đổi: dùng công suất không đổi

 Định liều lượng theo sự thay đổi tính chất nước xử lý

− Theo chế độ chảy của phèn:

 Định liều lượng tự chảy

 Định liều lượng có áp: phèn vào ống nước có áp lực

- Các loại thiết bị

2.2.1.3 Vận hành hệ thống

Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kíchthước lớn hơn 10-2 mm, còn có hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được Ta có thểlàm tăng kích thước các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào cáctập hợp hạt để có thể lắng được Muốn vậy, trước hết cần trung hòa điện tích của chúng,

kế tiếp là liên kết chúng với nhau Quá trình trung hòa điện tích các hạt được gọi là quátrình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ

Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương Các hạt có nguồngốc silic và các hợp chất hữu cơ mag điện tích âm, các hạt hidroxit sắt vàhidroxit nhôm mang điện tích dương Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạtmang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các tổ hợp các phần tử, nguyên tử haycác ion tự do Các tổ hợp này chính là các hạt bông keo

2.2.1.4 Hiệu quả của hệ thống

Phương pháp này có khả năng ứng dụng cao do dễ làm, rẻ tiền và hệ thống rất đơngiản

2.2.2 Phương pháp trung hòa

2.2.2.1 Trung hoà bằng cách cho thêm hoá chất vào nước thải

Phương pháp này dùng để trung hoà nước thải có chứa axit Người ta phân biệt baloại nước thải có chứa axit như sau :

- Nước thải chứa axit yếu (H2CO3, CH3COOH)

- Nước thải chứa axit mạnh (HCl, HNO3), các muối canxi của chúng dễ tan trongnước

- Nước thải chứa axit mạnh (H2SO4, H2CO3) các muối canxi của chúng khó tan trongnước

2.2.2.2 Trung hoà nước thải chứa axit bằng cách lọc qua lớp vật liệu lọc trung hoà

Đối với nước thải chứa HCl, HNO3 và cả nước thải H2SO4 với hàm lượng dưới 5mg/l và không chứa muối kim loại nặng có thể dùng phương pháp lọc qua lớp vật liệu lọc

là đá vôi magiezit, đá hoa cươn, đôlômit

2.2.3 Phương pháp tuyển nổi

2.2.3.1 Thiết kế

2.2.3.1.1 Tuyển nổi phân tán không khí bằng thiết bị cơ học

Các trạm tuyển nổi vói phân tán không khí bằng thiết bị cơ học (tuabin hướngtrục) được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khai khoáng cũng như trong lĩnh vực xử lýnước thải Các thiết bị kiểu này cho phép tạo bọt khí khá nhỏ

2.2.3.1.2 Tuyển nổi phân tán không khí bằng máy bơm khí nén (qua các vòi phun, qua các tấm xốp)

Tuyển nổi phân tán không khí qua các vòi phun : Thường được sử dụng để xử lýnước thải chứa các tạp chất tan dễ ăn mòn vật liệu chế tạo các thiết bị cơ giới(bơm,tuabin) với các chi tiết chuyển động

Tuyển nổi phân tán không khí qua tấm xốp, chụp xốp Ưu điểm của phương phápnày so với các biện pháp tuyển nổi khác là cấu tạo các ngăn tuyển nổi giống như cấu tạocủa aeroten, ít tốn điện năng, không cần thiết bị cơ giới phức tạp, rất có lợi khi xử lý nướcthải có tính xâm thực cao Biện pháp tuyển nổi này có khuyết điểm là các lỗ của các tấmxốp, chụp xốp chống bị tắt làm tăng tổn thất áp lực, khó chọn vật liệu xốp đáp ứng yêucầu về kích thước các bọt khí

2.2.3.1.3 Tuyển nổi với tách không khí từ nước (tuyển nổi chân không ; tuyển nổi không áp; tuyển nổi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí nước)

Biện pháp này được sử dụng rộng rãi với nước thải chứa chất bẩn kích thướt nhỏ

vì nó cho phép tạo bọt khí rất nhỏ Thực chất của biện pháp này là tạo ra một dung dịch(nước thải) bão hoà không khí Sau đó không khí tự tách ra khỏi dung dịch ở dạng các bọtkhí cực nhỏ Khí các bọt khí này nổi lên bề mặt sẽ kéo theo các chất bẩn

Tuyển nổi với tách không khí từ nước phân biệt thành : tuyển nổi chân không,tuyển nổi không áp, tuyển nồi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí - nước

2.2.3.1.4 Tuyển nổi điện, tuyển nổi sinh học và hoá học

Tuyển nổi điện

Khi dòng điện một chiều đi qua nước thải, ở một trong các điện cực (catot)sẽ tạo

ra khí hydro Kết quả nước thải được bão hoà bởi các bọt khí và khi nổi lên kéo theo cácchất bẩn không tan tạo thành váng bọt bề mặt Ngoài ra nếu trong nước thải chứa các chấtbẩn khác là các chất điện phân thì khi dòng điện đi qua sẽ làm thay đổi thành phần hoáhọc và tính chất của nước, trạng thái các chất không tan do có các quá trình điện ly, phâncực, điện chuyển và oxy hoá khử xãy ra

Cường độ của các quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố :

- Thành phần hoá học nước thải

- Vật liệu các điện cực (tan hoặc không tan)

- Các thông số của dòng điện : điện thế, cường độ, điện trở suất

Tuyển nổi sinh học và hoá học

Dùng để cô đặc từ bể lắng dợt 1 Cặn từ bể lắng đợt 1 được tập trung vào một bểđặc biệt vào được đun nóng tới nhiệt độ 35 – 55oC trong vài ngày Do sinh vật phát triểnlàm lên men chất bẩn tạo bọt khí nổi lên, kéo theo cặn cùng nổi lên bề mặt, sau đó gạt vớtlớp bọt Kết quả cặn giảm được độ ẩm tới 80 %

2.2.4 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp này được dùng để loại bỏ hết các chất bẩn hoà tan vào nước màphương pháp xử lý sinh học và các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượngrất nhỏ Thông thường đây là các hợp chất hoà tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi

vị và màu khó chịu

Các chất hấp thụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoặc silicagel, keo nhôm,một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất như xỉ mạ sắt,… Trong số này, thanhoạt tính được dùng phổ biến nhất Các chất hữu cơ kim loại nặng và các chất màu dễ bịthan hấp thụ Lượng chất hấp thụ này tuỳ thuộc vào khả năng hấp thụ của từng chất vàhàm lượng chất bẩn trong nước thải Các chất hữu cơ có thể bị hấp thụ: phenol,allcyllbenzen, sunfonicacid, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm.

Sử dụng phương pháp hấp thụ có thể hấp thụ đến 58 – 95% các chất hữu cơ vàmàu.Ngoài ra, để loại kim loại năng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại người ta còn dùngthan bùn để hấp thụ và nuôi bèo tẩy trên mặt hồ

2.2.4.2 Vận hành hệ thống

Hấp phụ chất bẩn hoà tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của những chất đó

từ nước vào bề mặt chất hấp phụ dưới tác dụng của trường lực bề mặt Trường lực bề mặtgồm có hai dạng :

• Hyđrat hoá các phân tử chất ta, tức là tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất rắn hoà tanvới những phân tử nước

• Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các phân tử trên bề mặt chấtrắn

Khi xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ thì đầu tiên sẽ loại được các phân

tử của các chất không phân ly thành ion rồi sau đó mới loại được các chất phân ly.Khảnăng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ Nhiệt độ thấpquá trình hấp phụ xãy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì có thể diễn ra quá trình khứ hấpphụ.Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phụ hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khicần thiết

Những chất hấp phụ có thể là: than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năngtrao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đôlômit, cao lanh, tro và cácdung dịch hấp phụ lỏng Bông cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) và bùnhoạt tính từ bể aeroten cũng có khả năng hấp phụ

Trong lĩnh vực này, vi sinh vật môi trường đang là phương pháp tiếp cận nghiêncứu tốt nhất của thế giới, tập trung vào việc phân lập vi sinh vật từ tự nhiên hay tạo ra cácchủng giống vi sinh vật mới, có khả năng nuôi dưỡng, tạo thành các chế phẩm sinh họcnhằm giải quyết triệt để vấn đề chất ô nhiễm trong nước thải, rác thải mà công nghệ sinhhọc trước đây chưa làm được như kỹ thuật sinh học kỵ khí, hiếu khí

2.3.1 Hệ thống xử lý bằng phương pháp hiếu khí (Aerobic methods)

2.3.1.1 Thiết kế hệ thống

2.3.1.2 Vận hành hệ thống

Tác nhân tham gia vào hệ thống xử lý này bao gồm các vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm

và một số vi sinh bậc thấp Các dụng cụ thường là bể thông khí sinh học (Aeroten) hoặccác đĩa lọc sinh học

Quá trình xử lý diễn ra như sau :

• Bùn hoạt tính (vi sinh vật ở trạng thái huyền phù) có trong nước thải từ các đầm nuôi tômđược đưa vào hệ thống xử lý

• Tiến hành sục khí làm cho nước được bão hòa ôxy và bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng

Có thể áp dụng các thiết bị sục khí như :

Sục khí bằng sục đầu khuếch tán

Sục khí và chất lỏng bằng khuấy cơ học

Sục khí bằng kết hợp giữa khuấy nước bằng cánh quạt tuabin và hệ thống khuếch tán

• Ðĩa lọc sinh học: gồm một loạt các đĩa tròn lắp trên cùng một trục cách nhau một khoảngnhỏ Khi trục quay, một phần đĩa ngập trong hồ/bể chứa nước thải, phần còn lại tiếp xúcvới không khí Các vi khuẩn bám trên đĩa lọc phân huỷ các chất hữu cơ có trong nướcthải

2.3.1.3 Hiệu quả của hệ thống

Ưu điểm của hệ thống là thời gian xử lý diễn ra nhanh hơn, các chất ô nhiễm đượcphân hủy triệt để, có thể xử lý được một khối lượng lớn nước thải với nồng độ chất ônhiễm cao, không cần sử dụng nhiều diện tích đất, kiểm soát vấn đề mùi một cách dễdàng Tuy nhiên, chi phí xây dựng, lắp đặt thiết bị và vận hành cao

2.3.2 Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí (Anaerobic methods) hay còn gọi là

bể metan

2.3.2.1 Thiết kế hệ thống

Hình.Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí 2.3.2.2 Vận hành hệ thống

Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí cũng như vận hành bể hiếu khí nhưng sửdụng các vi sinh vật kị khí và không cung cấp oxi

2.3.2.3 Hiệu quả của hệ thống

Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí (Anaerobic methods)có thể giải phóngnitơ, giảm gây ô nhiễm NO3-(nitơrat) cho nước mặt và nước ngầm

2.3.4 Xử lí bằng thực vật thủy sinh

Xử lý nước thải nông nghiệp bằng thủy sinh thực vật không phải là một phươngpháp mới, chúng cho phép xử lí nước thải một cách hiệu quả, không ảnh hưởng tới môi