ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Duy Hiển NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG KHÍ METAN
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Nguyễn Duy Hiển
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ
XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG (KHÍ METAN)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2014
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Nguyễn Duy Hiển
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ
XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG (KHÍ METAN)
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 60440301
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ HÀ
TS LÊ THỊ HOÀNG OANH
Hà Nội - 2014
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn luận văn của tôi, PGS.TS Nguyễn Thị Hà và TS Lê Thị Hoàng Oanh - Giảng viên Khoa Môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện, động viên và hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, đã trang bị cho tôi những kiến thức khoa học quý báu trong suốt quá trình học tập và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận văn
Tôi cũng xin cảm ơn công ty cổ phần mía đường Hòa Bình, chi cục Môi trường tỉnh Hòa Bình đã nhiệt tình cộng tác và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu tại nhà máy và địa phương
Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bè bạn đã động viên, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này
Hà Nội, 15 tháng 12 năm 2014 Học viên
Nguyễn Duy Hiển
Trang 4MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 1.1 Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới và Việt Nam Error! Bookmark not defined
1.1.1 Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới Error! Bookmark not defined
1.1.2 Tổng quan về sản xuất mía đường tại Việt Nam Error! Bookmark not defined
1.1.3 Tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất đường Error! Bookmark not defined
1.2 Đặc tính nước thải ngành mía đường Error! Bookmark not defined
1.2.1 Các dòng thải Error! Bookmark not defined
1.2.2 Các thông số đặc trưng của nước thải nhà máy đường Error! Bookmark not defined
1.2.3 Ảnh hưởng của nước thải mía đường Error! Bookmark not defined
1.3 Tổng quan về công nghệ sinh học xử lý nước thải và tiềm năng khai thác năng lượng từ nước thải ngành mía đường Error! Bookmark not defined
1.3.1 Công nghệ xử lý sinh học kỵ khí Error! Bookmark not defined
1.3.2 Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí Error! Bookmark not defined
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học Error! Bookmark not defined
1.3.4 Nghiên cứu và ứng dụng thu hồi khí sinh học trong nước thải công nghiệp trên Thế giới và Việt Nam
Error! Bookmark not defined
1.3.5 Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường trên Thế giới và Việt Nam Error!
Bookmark not defined
1.3.6 Tiềm năng khai thác năng lượng từ nước thải ngành mía đường Error! Bookmark not
defined
CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED
2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2 Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined
2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu Error! Bookmark not defined
2.2.2 Phương pháp điều tra khả sát thực địa Error! Bookmark not defined
2.2.3 Phương pháp thực nghiệm Error! Bookmark not defined
2.2.4 Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu Error! Bookmark not defined
Trang 5CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 3.1 Kết quả khảo sát hoạt động và các dòng nước thải công ty mía đường Hòa Bình Error! Bookmark not defined
3.1.1 Hoạt động sản xuất Error! Bookmark not defined
3.1.2 Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải Error! Bookmark not defined
3.2 Kết quả khảo sát khả năng xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB
Error! Bookmark not defined
3.2.1 Kết quả giai đoạn khởi động hệ UASB Error! Bookmark not defined
3.2.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ UASB trong 3 giai đoạn xử lý Error!
Bookmark not defined
3.2.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD của 3 giai đoạn xử lý Error!
Bookmark not defined
3.2.4 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh khí của 3 giai đoạn xử lý Error!
Bookmark not defined
3.2.5 Đánh giá hiệu quả của quá trình thực nghiệm xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB Error!
Bookmark not defined
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED
TÀI LIỆU THAM KHẢO 9
PHỤ LỤC 69
Trang 6Danh mục bảng
Bảng 1.1 Sản lượng đường của một số quốc gia trên Thế giới Error! Bookmark not defined
Bảng 1.2 Xếp hạng 10 công ty đường lớn nhất Việt Nam theo công suất thiết kế nhà máy niên vụ 2011 - 2012 Error!
Bookmark not defined
Bảng 1.3 Thành phần của mía và nước mía Error! Bookmark not defined
Bảng 1.4 Đặc tính nước thải ở các công đoạn sản xuất Error! Bookmark not defined
Bảng 1.5 Đặc điểm nước thải một số nhà máy mía đường Error! Bookmark not defined
Bảng 1.6 Các thông số đặc trưng của nước thải ngành mía đường Error! Bookmark not defined
Bảng 1.7 So sánh các kỹ thuật xử lý yếm khí Error! Bookmark not defined
Bảng 2.1 Thành phần mẫu tổng hợp nước thải mía đường Error! Bookmark not defined
Bảng 2.2 Các thông số tiến hành thực nghiệm Error! Bookmark not defined
Bảng 3.1 Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải công ty mía đường Hòa Bình Error! Bookmark not defined
Bảng 3.2 Kết quả phân tích nước thải tại cống chung và hồ sinh học công ty mía đường Hòa Bình Error! Bookmark
not defined
Bảng 3.3 Trung bình thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày và hiệu suất sinh khí mêtan qua các giai đoạn thí nghiệm
Error! Bookmark not defined
Bảng 3.4 Đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý thực nghiệm Error! Bookmark not defined
Bảng 3.5 Thiết kế sơ bộ hệ thống xử lý nước thải công ty mía đường Hòa Bình Error! Bookmark not
defined
Trang 7Danh mục hình
Hình 1.1 Tỷ lệ xuất khẩu đường của một số quốc gia trên Thế giới Error! Bookmark not defined
Hình 1.2 Giá đường Thế giới giai đoạn 1960 – 2011 Error! Bookmark not defined
Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất đường và các dòng thải Error! Bookmark not defined
Hình 1.4 Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ Error! Bookmark not defined
Hình 1.5 Sơ đồ hệ UASB Error! Bookmark not defined
Hình 1.6 Hệ kỵ khí khấy trộn liên tục Error! Bookmark not defined
Hình 1.7 Bể CIGAR tại Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Sơn Hải - Quảng Ngãi Error! Bookmark not defined
Hình 1.8 Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí Error! Bookmark not defined
Hình 1.9 Bể bùn hoạt tính công ty Bia Hà nội – Mê Linh Error! Bookmark not defined
Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải mía đường điển hình Error! Bookmark not defined
Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máyđường Bình Dương Error! Bookmark not defined
Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nhà máy đường Long An Error! Bookmark not defined
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ UASB thực nghiệm Error! Bookmark not defined
Hình 2.2 Hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm Error! Bookmark not defined
Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ kèm dòng thải công ty mía đường Hòa Bình Error! Bookmark not defined
Hình 3.2 Biến thiên giữa hiệu suất xử lý COD và pH với bùn chăn nuôi Error! Bookmark not defined
Hình 3.3 Ảnh hưởng giữa hiệu suất xử lý COD và pH với gốc kỵ khí bia Error! Bookmark not defined
Hình 3.4 Bùn hạt và bọt khí hình thành với quá trình khởi động bằng nhân kỵ khí bia Error! Bookmark not defined
Hình 3.5 Mối liên hệ giữa độ kiềm tổng và VFA trong hệ UASB Error! Bookmark not defined
Hình 3.6 pH đầu vào và nhiệt độ hoạt động của hệ Error! Bookmark not defined
Hình 3.7 Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý Error! Bookmark not defined
Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD Error! Bookmark not defined
Hình 3.9 So sánh hiệu suất xử lý COD của các giai đoạn xử lý Error! Bookmark not defined
Hình 3.10 Hiệu suất sinh khí biogas của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm Error! Bookmark not defined
Hình 3.11 Mối liên hệ giữa thể tích khí biogas và hàm lượng khí metan của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm Error!
Bookmark not defined
Hình 3.12 Hiệu suất chuyển hóa khí của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm Error! Bookmark not defined
Hình 3.13 Quy trình công nghệ xử lý nước thải mía đường Error! Bookmark not defined
Trang 8Danh mục ký hiệu và từ viết tắt
BIOGAS Khí sinh học
CSTR Hệ khuấy trộn liên tục
EGSB Bể phân hủy kị khí dạng bùn hạt tăng cường
SS Chất rắn lơ lửng trong nước
TCCP Tiêu chuẩn cho phép
UASB Hệ thống bùn yếm khí dòng chảy ngược VSS Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi
VFA Axit béo dễ bay hơi
WWF Quỹ động vật hoang dã Thế giới
Trang 91 MỞ ĐẦU
Với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa và các điều kiện thổ nhưỡng thuận lợi, Việt Nam có nhiều ưu thế trong việc phát triển ngành công nghiệp mía đường và thực tế, mía đường là một trong những ngành công nghiệp chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh
tế nước ta Hiện nay cả nước có 37 nhà máy đường đang hoạt động, phân bố rộng cả ba miền đất nước Niên vụ mía 2012 - 2013 tổng diện tích trồng mía trên cả nước đạt khoảng 283,2 nghìn hecta Năng suất mía bình quân đạt 62,4 tấn/hecta, tổng sản lượng mía đạt được 18,5 triệu tấn Sản lượng mía ép công nghiệp đạt 16,5 triệu tấn, sản lượng đường đã đạt mức 1.530.000 tấn, tăng hơn 200 nghìn tấn so với niên vụ trước, đáp ứng được nhu cầu trong nước [1, 3].
Trước năm 1990, hầu hết trang thiết bị, máy móc, dây chuyền công nghệ sản xuất trong các nhà máy đường đều cũ, lạc hậu, trình độ sản xuất và chất lượng sản phẩm còn thấp Trong những năm gần đây, do sự đầu tư cải tiến công nghệ và thiết bị hiện đại, các nhà máy đường đã không ngừng nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Tuy nhiên,
so với thế giới năng suất, chất lượng mía đường của chúng ta còn thấp và chi phí sản xuất mía cao Những vụ ép gần đây, hầu hết các nhà máy đường gặp khó khăn do giá đường thế giới giảm mạnh, và tình trạng nhập lậu đường từ Trung Quốc, Thái Lan đã ảnh hưởng lớn đến sản xuất trong nước [13]
Bên cạnh những khó khăn trong sản xuất và kinh doanh, các nhà máy đường còn phải đối mặt với các vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình sản suất Ngành công nghiệp mía đường tiêu thụ nhiều năng lượng hóa thạch (điện, than đá, dầu diezen ), nhu cầu sử dụng nước lớn và thải ra khối lượng rất lớn các chất thải rắn, khí thải và nước thải với mức độ ô nhiễm cao Nước thải ngành công nghiệp mía đường luôn chứa một lượng lớn các chất hữu cơ bao bao gồm cả các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, phốtpho Các chất này dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật, gây mùi hôi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận Phần lớn chất rắn lơ lửng có trong nước thải ngành công nghiệp mía đường ở dạng
vô cơ Khi thải ra môi trường tự nhiên sẽ lắng đọng và tạo thành lớp trầm tích ở đáy các thủy vực, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh của thủy vực đó Lớp bùn trầm tích này còn chứa các chất hữu cơ có thể làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước và tạo ra các
Trang 10loại khí nhà kính như CO2, CH4 Ngoài ra, trong nước thải còn chứa một lượng khá lớn đường thất thoát trong quá trình sản xuất gây ô nhiễm nguồn nước Các chất hữu cơ có trong nước thải mía đường có thể được tận dụng và thu hồi thông qua quá trình xử lý bằng chuyển hóa sinh học dòng thải hữu cơ và tận dụng sinh khối thải chuyển thành khí nhiên liệu sinh học (biogas) cung cấp năng lượng cho các nhu cầu tiêu thụ năng lượng của nhà máy, nước thải sau xử lý các mức có thể tận thu như nguồn dưỡng chất để bón cho cây mía, hoặc xử lý các mức tiếp theo đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN40-2011 cột B trước khi xả trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận Khí sinh học thu được góp phần giảm thiểu ô nhiễm nước, hạn chế khai thác nhiên liệu không tái tạo và giảm phát thải các khí nhà kính, chủ động trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu trong xu thế chung của thế giới hiện nay
Nhiều công nghệ xử lý nước thải công nghiệp có thể áp dụng được trong xử lý nước thải mía đường như xử lý cơ học bằng lắng lọc, xử lý hóa lý bằng keo tụ, tuyển nổi…và xử lý sinh học yếm, hiếu khí Tuy nhiên do khác nhau về điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế, hiện trạng thiết bị cũng như cơ cấu sản phẩm nên mỗi nhà máy phải lựa chọn cho mình một phương án tối ưu, khả thi để đảm bảo hiệu quả kinh tế của quá trình
xử lý
Mặt khác, trong bối cảnh hiệu ứng nhà kính gia tăng gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu và cuộc khủng hoảng năng lượng kéo dài do sự khan hiếm các nguồn năng lượng hóa thạch gần như không có khả năng tái tạo Việc nghiên cứu khả năng thu hồi năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính càng trở nên bức thiết đóng góp vào việc phát triển bền vững và thân thiện với môi trường của ngành công nghiệp mía đường
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải ngành mía đường đã và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam quan tâm, các nghiên cứu này đã đạt được những kết quả khả quan Tuy nhiên, các nghiên cứu này hoặc là chưa xem xét đến các yếu tố tự nhiên, xã hội và thực tế sản xuất tại Việt Nam hoặc là chưa đánh giá đúng mức đến tiềm năng thu hồi năng lượng (khí metan)
Để đóng góp vào hướng nghiên cứu này góp phần tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ
môi trường, luận văn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thải
Trang 11ngành mía đường theo định hướng thu hồi năng lượng (khí metan)” Mục tiêu nghiên
cứu nhằm đề xuất được công nghệ phù hợp xử lý nước thải mía đường kết hợp với thu hồi sản phẩm phụ có giá trị góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường hiệu quả kinh tế Với nội dung gồm:
Tổng quan về sản xuất mía đường, hiện trạng xả thải, công nghệ xử lý và khả năng thu hồi metan
Điều tra khảo sát thực địa tại Công ty mía đường Hòa Bình (HOASUCO): Khảo sát dây chuyền công nghệ sản xuất, khảo sát các dòng thải liên quan đến nước thải
và lấy mẫu nước thải
Nghiên cứu thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng xử lý nước thải nhà máy mía đường bằng hệ thống xử lý sinh học yếm khí ngược dòng (UASB) và khả năng thu hồi khí metan
Đánh giá hiệu quả của giải pháp công nghệ và đề xuất quy trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy mía đường theo hướng thu hồi năng lượng (khí metan)
Tiếng Việt
1 Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn (2012), Số 4157/TB-BNN-VP Thông báo
hội nghị tổng kết sản xuất mía đường niên vụ 2011-2012, Hà Nội
2 Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn (2013), Số 1216/TB-CB-NS Thông báo
Kết quả Hội nghị Tổng kết sản xuất mía đường niên vụ 2012-2013
3 Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn (2013), Số 4126/BC-BNN-VP Báo cáo
Trả lời chất vấn Đại biểu Quốc hội Kỳ họp thứ 6 Quốc hội khóa 13
4 Bộ Tài nguyên và Môi trường (2004), Dự án tăng cường năng lực thực hiện cơ
chế phát triển sạch tại Việt Nam
5 Công ty mía đường Hòa Bình (2014), Tài liệu sản xuất và môi trường
6 Nguyễn Quang Khải, Nguyễn Vũ Thuận (2003), Công nghệ khí sinh học, Cục
Nông Nghiệp, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn,