Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí

HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC ---o0o--- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ BẰNG QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

-o0o -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ BẰNG QUÁ TRÌNH

LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MÃ SỐ NGÀNH : 111

GVHD: KS TRẦN THỊ TƯỜNG VÂN SVTH: NGUYỄN THỊ NHƯ QUỲNH

NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC KTCN TPHCM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

-o0o -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHOA : MÔI TRƯỜNG VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC BỘ MÔN : CÔNG NGHỆ SINH HỌC HỌ VÀ TÊN : NGUYỄN THỊ NHƯ QUỲNH MSSV: 105111051 NGÀNH : CÔNG NGHỆ SINH HỌC LỚP : 05DSH 1 Đầu đề Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí 2 Nhiệm vụ Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí để: - Xác định hiệu quả xử lý tại các tải trọng khác nhau, từ đó xác định được tải trọng tối ưu - Xác định các thông số động học của quá trình 3 Ngày giao Đồ án tốt nghiệp : 1-4-2009 4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 30-6-2009 5 Họ, tên người hướng dẫn KS Trần Thị Tường Vân: hướng dẫn toàn bộ Nội dung và yêu cầu ĐATN đã được thông qua bộ môn Ngày tháng năm 2009 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt (chấm sơ bộ)

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ Đồ án tốt nghiệp:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Điểm số bằng số - Điểm số bằng chữ -

Tp.HCM, Ngày thánh năm 2009

(GV hướng dẫn ký và ghi rõ họ tên)

Lời cảm ơn đầu tiên xin gửi đến tất cả quý thầy, cô trong Khoa Môi Trường – Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ đã chỉ dạy, truyền đạt cho em nhiều kiến thức bổ ích trong công việc và cuộc sống, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em học tập suốt hơn bốn năm qua

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN THỊ TƯỜNG VÂN đã tận tình hướng dẫn, quan tâm và chỉ dạy cho em trong suốt quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.s LÂM VĨNH SƠN người đã giao Đồ án tốt nghiệp và chỉ bảo em rất nhiều trong quá trình học tập

Em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm đã tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp

Xin cảm ơn cô chú trong hộ gia đình sản xuất tinh bộ khoai mì đã tạo điều kiện cho em trong việc lấy mẫu

Và cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn lớp 05DSH khóa 2005 đã cùng tôi đồng hành trong suốt quãng đời sinh viên, động viên và giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian học tập chung

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp này sẽ không tránh khỏi những sai sót,

em rất cảm ơn những nhận xét, đóng góp ý kiến của các thầy, cô để đề tài của em

sẽ được hoàn thiện với chất lượng tốt hơn

TP HCM, tháng 6 năm 2009 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THỊ NHƯ QUỲNH

Lời cảm ơn

Mục lục I Danh mục các chữ viết tắt IV Danh mục các bảng biểu V Danh mục các hình vẽ, đồ thị VI Chương I: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ 5

2.1 Tổng quan về ngành chế biến tinh bột khoai mì 6

2.1.1 Nguồn gốc lịch sử khoai mì 6

2.1.2 Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì 7

2.1.2.1 Nguyên liệu 7

2.1.2.2 Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì 10

2.1.2.3 Sản phẩm tinh bột khoai mì 15

2.2 Giới thiệu về nước thải ngành chế biến tinh bột mì 16

2.3 Một số công nghệ xử lý nước thải tinh bột khoai mì 18

2.3.1 Nhà máy tinh bột khoai mì Phước Long 18

2.3.2.Nhà máy tinh bột Tây Ninh 20

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ 22

3.1 Tổng quan về quá trình xử lý sinh học hiếu khí 23

3.1.1 Giới thiệu .23

3.1.2 Phân loại 23

3.1.3 Các bể sinh học hiếu khí 23

3.1.3.1 Quá trình xử lý hiếu khí sinh trưởng lơ lửng 23

3.2 Tổng quan về quá trình lọc sinh học 25

3.2.1 Định nghĩa 25

3.2.2 Phân loại 25

3.2.3 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật 26

3.2.3.1 Cấu tạo màng vi sinh vật 26

3.2.3.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước 27

3.2.3.3 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật 29

3.3 Vi Sinh Vật trong hệ thống xử lý nước thải 30

3.3.1 Khái niệm .30

3.3.2 Sinh thái, sinh lý, phân loại vi sinh vật 31

3.3.2.1 Sinh thái, sinh lý vi sinh vật 31

3.3.2.2 Phân loại vi sinh vật 34

3.3.2.3 Hình thi, cấu tạo của vi sinh vật 35

3.3.2.4 Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải 44

3.3.3 Sự tăng trưởng của tế bào vi sinh vật 45

3.3.4 Vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thải 46

3.3.4.1 Vi sinh vật lên men kỵ khí 46

3.3.4.2 Vi sinh vật lên men hiếu khí 47

3.4 Động học của quá trình lọc sinh học hiếu khí 52

3.4.1 Động học phản ứng trong màng vi sinh vật 52

3.4.2 Phương trình động học thực nghiệm của Eckenfelder 53

Chương 4: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TIẾN HÀNH 56

4.1 Mô hình nghiên cứu 57

4.1.1 Cấu tạo mô hình 57

4.1.2 Nguyên tắc hoạt động 57

4.2 Vận hành mô hình nghiên cứu 57

4.2.1 Giai đoạn chuẩn bị 57

4.2.3 Giai đoạn xử lý 59

4.3 Cách xác định các thông số động học 60

Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 63

5.1 Giai đoạn thích nghi 64

5.2 Giai đoạn xử lý 65

5.2.1 Tải trọng 0.7 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 24h .65

5.2.2 Tải trọng 1.4 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 12h .67

5.2.3 Tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 8h .69

5.2.4.Tải trọng 2.8 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 6h .71

5.2.5 Tải trọng 4.2 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 4h .73

5.2.6 Kết luận 75

5.3 Tính toán các thông số động học 76

5.3.1 Tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 8h (lưu lượng 42 lít/ngày) 76

5.3.2 Tải trọng 2.8 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 6h (lưu lượng 56 lít/ngày) 76

5.3.3.Tải trọng 4.2 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 4h (lưu lượng 84 lít/ngày) .77

5.3.4 Tính toán thông số n và K 78

5.4 Bàn luận kết quả thí nghiệm 79

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

6.1 Kết luận 82

6.2 Kiến nghị 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD : Biochemical oxygen Demand Nhu cầu ôxy sinh hóa COD : Chemical Ôxygen Demand Nhu cầu ôxy hóa học

DO : Dissolved Oxygen Nồng độ ôxy hòa tan

SS : Suspended Solid Chất rắn lơ lửng F/M : Food – Microganism Ratio .Tỉ lệ thức ăn cho vi sinh vật RBC : Rotating Biological Contactors Bể lọc sinh học tiếp xúc quay SBR : Sequence Batch Reactors .Bể Aerotank hoạt động theo mẽ UASB : Upflow Anaerobic Slude Blanket Bể phản ứng kị khí FBR : Fluidized Bed Reactor Bể lọc sinh học dính bám MLSS : Mixed Liquor Suspended Solid Chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng, mg/l TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam PPCC Phòng cháy chữa cháy HRT .Thời gian lưu nước XLNT Xử lý nước thải

Bảng 1.1: Các thông số và phương pháp phân tích 3

Bảng 2.1: Tình hình phát triển mì ở các tỉnh 7

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của khoai mì 8

Bảng 2.3: Thành phần nước thải tinh bột khoai mì tại nhà máy tinh bột Tapioca Tân Châu – Tây Ninh 16

Bảng 3.1: Chức năng của một số vi khuẩn trong bùn hoạt tính 50

Bảng 4.1: Thành phần nước thải tinh bột mì 58

Bảng 4.2: Các thông số hoạt động mô hình ứng với từng tải trọng 59

Bảng 5.1: Kết quả giai đoạn chạy thích nghi 64

Bảng 5.2: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 0.7Kg COD/m3.ng.đ.với thời gian lưu nước 24 .65

Bảng 5.3: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 1.4Kg COD/m3.ng.đ.với thời gian lưu nước 12h 67

Bảng 5.4: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 2.1Kg COD/m3.ng.đ.với thời gian lưu nước 8h 69

Bảng 5.5: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 2.8Kg COD/m3.ng.đ.với thời gian lưu nước 6h 71

Bảng 5.6: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 4.3Kg COD/m3.ng.đ.với thời gian lưu nước 4h 73

Bảng 5.7: Hiệu quả xử lý COD ở cc tải trọng khác nhau 75

Bảng 5.8: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H trong mô hình ở lưu lượng 14 lít 76

Bảng 5.9: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H trong mô hình ở lưu lượng 28 lít/ ngày 76

Bảng 5.10: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H trong mô hình ở lưu lượng 42 lít/ngày 77

Hình 2.1: Qui trình công nghệ chế biến tinh bột khoai mì 12

Hình 2.2: Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì kiểu Thái Lan 13

Hình 2.3: Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì thủ công của một số hộ gia đình ở Thủ Đức 14

Hình 2.4: Qui trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy sản xuất tinh bột Phước Long 18

Hình 2.5: Qui trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy sản xuất tinh bột Tây Ninh 20

Hình 3.1: Phân loại các quá trình xử lý 23

Hình 3.2: Cấu tạo màng vi sinh vật 26

Hình 3.3: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh 30

Hình 3.4: Sự sinh sôi của các vi sinh vật 32

Hình 3.5: Vết tích một số loài vi khuẩn 34

Hình 3.6: Một số vi sinh vật trong xử lý nước thải 37

Hình 3.7: Nấm mốc 39

Hình 3.8: Một số hình dạng của virus 40

Hình 3.9: Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải 42

Hình 5.1: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian ở giai đoạn thích nghi64 Hình 5.2: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 24h 66

Hình 5.3: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 24h 66

Hình 5.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 24h 66

Hình 5.5: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 12h 67

Hình 5.6: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 12h 68

Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 12h 68

Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 8h 69

Hình 5.9: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 8h 70

Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 8h 70

Hình 5.12: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 6h 72

Hình 5.13: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 6h 72

Hình 5.14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 4h 73

Hình 5.15: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 4h 74

Hình 5.16: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 4h 74

Hình 5.17: Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý COD ở các tải trọng khác nhau 75

Hình 5.18: Đồ thị ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 0.622 m3/m2.ngày76 Hình 5.19: Đồ thị ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 1.244 m3/m2.ngày77 Hình 5.20: Đồ thị ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 1.8 m3/m2.ngày 78

Hình 5.21: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ln(s) và ln(QL) 79

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam là một đất nước nông nghiệp và đang không ngừng công nghiệp hóa theo xu thế của toàn cầu Chính vì lẽ đó mà cả những sản phẩm nông nghiệp cũng được đưa vào ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp chế biến

Khoai mì là một cây nông nghiệp đã được công nghiệp hóa rất thành công Ở nước ta, khoai mì được trồng từ Nam ra Bắc Cùng với việc trồng, từ lâu nhân dân ta

đã chế biến thành lương thực cho người, gia súc (sắn lát) hoặc chế biến thành những món ăn dân dã như làm bánh, nấu chè…Nhiều ngành công nghiệp và chế biến thực phẩm có sử dụng tinh bột khoai mì cũng rất phát triển dẫn đến nhu cầu tinh bột khoai

mì tăng nhanh chóng

Việc sản xuất tinh bột khoai mì này đã tạo ra một lượng nước thải rất lớn ảnh hưởng đến môi trường mà chúng ta không thể xem thường được Nguồn nước thải trên có pH thấp, chứa hàm lượng cặn cao, khó phân hủy, bốc mùi chua nồng ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Nguồn nước thải này thường không được xử lý triệt để, có nơi còn không xử lý mà xả trực tiếp ra môi trường hoặc ra cống thoát nước thải sinh hoạt Nó gây ảnh hưởng đến đời sống sản xuất và sinh hoạt của người dân

Chính vì những lý do đó mà việc xây dựng hệ thống xử lý cho loại nước thải này

là rất cần thiết Nước thải tinh bột khoai mì có hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao nên xử lý bằng phương pháp sinh học là một sự lựa chọn phù hợp Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí” được thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý nước thải ngành sản xuất tinh bột khoai mì bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí và qua đó đề xuất tải trọng

xử lý tối ưu cho loại nước thải này

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải tinh bột khoai

mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí để:

- Xác định hiệu quả xử lý tại các tải trọng khác nhau, từ đó xác định được tải trọng tối ưu

- Xác định các thông số động học của quá trình

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm các phần như sau:

- Tổng quan về nước thải tinh bột khoai mì

- Tìm hiểu về các phương pháp xử lý nước thải tinh bột khoai mì hiện nay

- Tổng quan về quá trình lọc sinh học hiếu khí

- Xây dựng mô hình và vận hành mô hình thí nghiệm với nhiều tải trọng khác nhau

- Xử lý số liệu thực nghiệm và đưa ra kết luận về tải trọng tối ưu và thông số động học của quá trình

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện dựa trên các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp thu thập tài liệu: dữ liệu được thu thập từ các kết quả nghiên cứu, các tài liệu và các trang web có liên quan

- Phương pháp khảo sát thực địa: tiến hành khảo sát về tính chất, thành phần nước thải

- Phương pháp xây dựng mô hình: vận hành mô hình mô phỏng ở quy mô phòng thí nghiệm để xử lý nước thải

- Phương pháp phân tích: các thông số đo và phương pháp phân tích tương ứng được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1.1: Các thông số và phương pháp phân tích

STT Thông số Phương pháp phân tích

1 pH pH kế

2 COD Phương pháp đun kín (K2Cr2O7)

3 SS Phương pháp khối lượng

4 Nitơ tổng Phương pháp chưng cất Kjeldahl

5 Photpho tổng Phương pháp so màu

1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: nước thải ngành chế biến tinh bột khoai mì

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu quá trình lọc sinh học hiếu khí trên mô hình ở qui mô phòng thí nghiệm

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

TINH BỘT KHOAI MÌ

2.1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ NƯỚC THẢI NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT MÌ 2.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ

2.1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ

2.1.1 Nguồn gốc lịch sử khoai mì:

Phân loại khoai mì

- Giới (regnum): Plantae

- Ngành (divisio): Magliophyta

- Lớp (class): Magnoliopsida

- Bộ (ordo): Malpighiales

- Họ (familia): Euphorbiaceae

- Phân họ (subfamilia): Crotonoideae

- Tông (tribus): Manihoteae

- Chi (genus): Manihot

- Loài (species): M esculenta

Cây mì có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La tinh (Crantz, 1976) và được trồng cách đây khoảng 5.000 năm (CIAT, 1993) Trung tâm phát sinh cây mì được giả thiết tại vùng đông bắc của nước Brasil thuộc lưu vực sông Amazon, nơi có nhiều chủng loại mì trồng và hoang dại (De Candolle 1886; Rogers, 1965) Trung tâm phân hóa phụ có thể tại Mexico và vùng ven biển phía bắc của Nam Mỹ Bằng chứng về nguồn gốc mì trồng là những di tích khảo cổ ở Venezuela niên đại 2.700 năm trước Công nguyên, di vật thể hiện củ mì ở cùng ven biển Peru khoảng 2000 năm trước Công nguyên, những lò nướng bánh khoai mì trong phức hệ Malabo ở phía Bắc Colombia niên đại khoảng 1.200 năm trước Công nguyên, những hạt tinh bột trong phân hóa thạch được phát hiện tại Mexico có tuổi từ năm 900 đến năm 200 trước Công nguyên (Rogers 1963, 1965)

Cây mì được người Bồ Đào Nha đưa đến Congo của châu Phi vào thế kỷ 16 Tài liệu nói tới cây mì ở vùng này là của Barre và Thevet viết năm 1558 Ở châu Á, mì được

du nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ 17 (P.G Rajendran et al, 1995) và Sri Lanka đầu thế kỷ 18 (W.M.S.M Bandara và M.Sikurajapathy, 1992) Sau đó, mì được trồng ở Trung Quốc, Myanma và các nước châu Á khác ở cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19 (Fang Baiping 1992 U Thun Than 1992) Cây mì đựơc du nhập vào Việt Nam

khoảng giữa thế kỉ 18, (Phạm Văn Biên, Hoàng Kim,1991) Hiện chưa có tài liệu chắc chắn về nơi trồng và năm trồng đầu tiên

Ở nước ta cây mì được trồng khắp nơi từ Nam ra Bắc, nhiều nhất là ở vùng trung

du miền núi Hiện nay mì là một trong những loại cây hoa màu quan trọng trong cơ cấu lương thực ở nước ta

Bảng 2.1: Tình hình phát triển cây mì qua các năm ở nước ta

Năm Diện tích (ha) Sản lượng (tấn)

2.1.2.1 Nguyên liệu:

Khoai mì tươi: Củ mì thường vuột hai đầu Kích thước củ tuỳ thuộc tính chất đất

và điều kiện trồng mà dao động trong khoảng 0.1 – 1.1 m chiều dài và 2 – 8 cm đường kính

- Vỏ gỗ: Chiếm 0.5-3% khối lượng củ, có màu trắng, vàng hoặc nâu Vỏ gỗ cấu

tạo từ cellulose và hemicellulose, hầu như không có tinh bột Nó có tác dụng bảo vệ

củ khỏi bị ảnh hưởng cơ học và hóa học của ngoại cảnh

- Vỏ cùi (vỏ thịt): dày hơn vỏ gỗ nhiều, chiếm khoảng 20% trọng lượng củ Cấu

tạo gồm lớp tế bào thành dày, thành tế bào cấu tạo từ cenluloza, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, hợp chất chứa Nitơ và dịch bào (mủ) – trong dịch bào có tannin, sắc

tố, độc tố, các enzyme… Vì vỏ cùi có nhiều tinh bột (5 – 8%) nên trong chế biến nếu tách đi thì tổn thất, không tách thì khó khăn trong chế biến vì nhiều chất trong thành phần mủ ảnh hưởng đến màu sắc tinh bột.

- Thịt mì: là thành phần chủ yếu của củ mì, thành phần bao gồm cellulose và

pentosan ở vỏ tế bào, hạt tinh bột và nguyên sinh chất bên trong tế bào, gluxit hoà tan và nhiều chất vi lượng khác Những tế bào ở lớp ngoài thịt mì chứa nhiều tinh bột, càng sâu vào trong hàm lượng tinh bột giảm dần Ngoài lớp tế bào nhu mô còn

có chứa các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cenluloza nên cứng như gỗ – gọi là xơ Loại tế bào này nhiều ở đầu cuống, mì lưu niên và những củ biến dạng trong quá trình phát triển Mì lưu 2 năm thì có một lớp xơ, mì lưu 3 năm có hai lớp xơ Theo lượng lớp xơ mà biết mì lưu bao nhiêu năm

- Lõi: ở trung tâm, dọc suốt từ cuống tới chuôi củ, chiếm 0.3-1% khối lượng

toàn củ Càng sát cuống, lõi càng lớn và nhỏ dần về phía chuôi củ Lõi cấu tạo chủ yếu từ cellulose vào hemicellulose Mì có lõi lớn và nhiều xơ thì hiệu suất và năng suất của máy xát giảm vì xơ cứng, phần thì xơ kẹt vào răng máy hạn chế khả năng phá vỡ tế bào giải phóng tinh bột Mặt khác, xơ nhiều thì răng máy xát chóng mòn Ngoài ra còn có các bộ phận khác: cuống, rễ… các phần này cấu tạo chủ yếu là cellulose cho nên mì cuống dài và nhiều rễ thì tỉ lệ tinh bột thấp và chế biến khó khăn

Thành phần hóa học của củ mì dao động trong khoảng khá rộng tùy thuộc vào loại giống, điều kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của khoai mì

Hàm lượng tinh bột của củ mì cũng phụ thuộc nhiều yếu tố như các yếu tố ảnh hưởng đến các thành phần nói chung, trong đó mức độ già có ý nghĩa rất lớn Đối với giống mì một năm thì vụ chế biến có thể bắt đầu từ tháng 9 và kết thúc từ tháng 4 năm sau, nhưng đào vào tháng 12 và tháng 1 thì hàm lượng tinh bột cao nhất Tháng

9, tháng 10 củ ít tinh bột, hàm lượng nước cao, lượng chất hoà tan nhiều, như vậy nếu chế biến mì non không những tỷ lệ thành phẩm thấp mà còn khó bảo quản tươi Sang tháng 2, tháng 3 lượng tinh bột trong củ lại giảm vì một phần phân huỷ thành đường để nuôi mầm non trong khi cây chưa có khả năng quang hợp

Đường trong củ mì chủ yếu là glucoza và một lượng mantoza, sacaroza Củ mì càng già thì hàm lượng đường càng giảm Trong chế biến đường hoà tan trong nước thải ra theo nước dịch

Ngoài ra, trong củ mì còn có độc tố, tannin, sắc tố và hệ enzyme phức tạp Những chất này gây khó khăn cho chế biến và nếu qui trình không thích hợp sẽ cho sản phẩm có chất lượng kém

Có nhiều loại khác nhau về màu sắc, thân cây, lá, vỏ, thịt củ… Tuy nhiên trong công nghệ sản xuất tinh bột người ta phân thành hai loại: mì đắng và mì ngọt Hai loại này khác nhau về hàm lượng tinh bột và lượng độc tố Nhiều tinh bột thì hiệu quả kinh tế trong sản xuất cao và nhiều độc tố thì quy trình công nghệ phức tạp

- Mì đắng còn gọi là sắn dù Cây thấp (không cao quá 1.2 m), ít bị đổ khi gió to Năng suất cao, củ mập, nhiều tinh bột, nhiều mủ và hàm lượng axit xianhydric cao

Ăn tươi dễ bị ngộ độc, chủ yếu để sản xuất tinh bột và mì lát Đặc điểm của cây sắn

dù là đốt ngắn, thân cây khi con màu xanh nhạt Cuống lá chỗ nối tiếp thân và cây màu đỏ thẫm, kế đó màu trắng nhạt rồi lại hồng dần Màu vỏ gỗ củ nâu sẫm, vỏ cùi

và thịt sắn điều trắng

- Mì ngọt: có hàm lượng tinh bột thấp, ít độc tố, ăn tươi không ngộ độc, dễ chế biến Mì ngọt bao gồm tất cả các loại mà hàm lượng axit xianhydric thấp như: mì vàng, mì đỏ, mì trắng…

+ Mì vàng hay còn gọi là sắn nghệ Khi non thân cây màu xanh thẫm, cuống

lá màu đỏ, có sọc nhạt, vỏ gỗ của củ màu nâu, vỏ cùi màu trắng, thịt củ màu vàng nhạt, khi luột màu vàng rõ rệt hơn

+ Mì đỏ thân cây cao, khi non màu xanh thẫm, cuống và gân lá màu đỏ thẫm

Củ dài to, vỏ gỗ màu nâu đậm, vỏ cùi dày, màu hơi đỏ, thịt mì trắng

+ Mì trắng thân cây cao, khi non màu xanh nhạt, cuống lá đỏ Củ ngắn mà mập, vỏ gỗ màu sám nhạt, thịt và vỏ cùi màu trắng

2.1.2.2 Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì

Khoai mì là một trong những loại hoa màu có hàm lượng tinh bột trong củ tương đối cao (62-65% lượng chất khô) Mục đích chủ yếu của công nghệ là lấy tinh bột đến mức tối đa có thể bằng cách phá vỡ cấu trúc thực vật, giải phóng tinh bột, do tinh bột không hoà tan trong nước, kích thước hạt nhỏ, tỷ trọng hạt tinh bột chênh lệch nhiều so với nước nên phương pháp chủ yếu trong sản xuất là nghiền, rây, rửa và lắng hoặc ly tâm Do đó có thể rút ra những kết luận về công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì như sau:

- Phương pháp sử dụng trong sản xuất chủ yếu là cơ học, thiết bị đơn giản, vận hành bảo quản và sửa chữa dễ dàng

- Quy trình sản xuất sử dụng nước là trong những tác nhân chính của công nghệ tách tinh bột Chi phí vận hành và nguyên liệu thấp, các nguyên liệu phụ rẻ tiền và có khả năng đáp ứng dễ dàng đo đó hiệu quả kinh tế cao

- Hiệu suất thu hồi sản phẩm cao , từ 80-90%

Quá trình sản xuất tinh bột khoai mì về cơ bản gồm các khâu sau:

- Chuẩn bị nguyên liệu: công đoạn này bao gồm thao tác rửa, cắt khúc, loại bỏ

phần rễ, lớp vỏ gỗ và đất cát bám trước khi đưa vào nghiền Nguyên liệu được đưa vào thùng rửa bằng tay hay bằng băng chuyền Tại thùng rửa củ, đất cát và phần vỏ

gỗ được chà xát bằng lô cuốn có gắn các sợi kim loại trên bề mặt kết hợp với nước rửa được bơm vào liên tục Kết thúc công đoạn này, củ được tách ra khỏi lớp vỏ gỗ Các tạp chất theo nước thải ra ngoài và được thu gom ở lưới chắn rác

- Nghiền nguyên liệu và tách bã: nguyên liệu sau khi rửa và cắt khúc qua máy

mài chuyển thành dạng bột nhão, sau đó vào máy rây tách bã Ở máy rây, nước sạch cũng được bơm vào liên tục với mục đích rửa sạch lớp bột bám trên bã Nước dịch sữa bột sau khi qua máy rây được đưa về thùng chứa và trộn với dung dịch H2SO3 để

tẩy trắng bột

- Tách tinh bột

+ Từ thùng chứa sữa bột được bơm vào máy bơm ly tâm hoặc, sau đó lại được trộn với dung dịch tẩy H2SO3 và bơm vào máy ly tâm tách dịch lần 2 Máy ly tâm hoạt động liên tục, tinh bột được tháo ra liên tục Nước sau khi qua ly tâm tách dịch

ra ngoài

+ Lượng nước sạch được phun vào trong khi ly tâm dưới dạng tia nước áp lực cao để rửa bột Bể lắng cũng được dùng lắng bột nhưng hiệu suất kém hơn chỉ phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ Qua giai đoạn ly tâm tách dịch đồng thời rửa sạch tinh bột, sản phẩm sau khi qua ly tâm có độ trắng đạt yêu cầu Hiệu suất thu hồi bột đạt xấp xỉ 90% Tinh bột ướt có độ ẩm khoảng 40% sau đó được ly tâm một lần nữa để tách bớt nước sau đó được sấy khô, làm nguội, đóng bao

Khoai mì

TINH BỘT

Rữa sơ bộ

Cắt khúc Lóc vỏ

Rữa ướt Nước

Các loại đất

Khoai mì

Sàng, tách vỏ

Tinh bột ướt Nghiền, tách bã

Tẩy chua, tẩy trắng

Đóng gói

Sấy khô

Làm nguội

Ly tâm Quậy, pha loãng

Rữa, cắt khúc Nước

Nước, dịch thải

Nhiệt thừa Hóa chất

Nước, vỏ gỗ, cát

Nước thải, vụn mì

Bã, nước thải Nước

Nước

Hình 2.2: Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì kiểu Thái Lan

Khoai mì

Sàng, tách vỏ

Tinh bột ướt Nghiền, tách bả

Lắng 2

Hoàn thiện tại công ty khác

Vô bao Lắng 1

Rữa, cắt khúc Nước

Nước, vỏ gỗ, cát

Nước thải, vụn mì

Bã, nước thải Nước

Nước

Hình 2.3: Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì thủ công của

một số hộ gia đình ở Thủ Đức

Nước

2.1.2.3 Sản phẩm tinh bột khoai mì

a) Giới thiệu về tinh bột khoai mì

Trong thiên nhiên, tinh bột có rất nhiều và tồn tại dưới dạng hydrat - carbon hữu

cơ tự nhiên Nó có trong rễ, nhánh và hạt của cây xanh Là một loại thức ăn nuôi dưỡng, tinh bột cung cấp năng lượng cho cây xanh trong lúc chúng ngủ yên hoặc nảy mầm Tinh bột cũng là một nguồn năng lượng quan trọng nhất đối với động vật và con người Chính vì thế, nó có vai trò quyết định trong đời sống chúng ta Các thống

kê ngày nay cho thấy tinh bột có hơn bốn ngàn ứng dụng

Các loại tinh bột chính có mặt trên thị trường hiện nay gồm có: tinh bột khoai mì, tinh bột khoai tây, bột bắp và bột mì So sánh những loại tinh bột này, ta thấy rằng thành phần và tính chất của tinh bột khoai mì gần với tinh bột khoai tây hơn và tốt hơn bột bắp và bột mì Tuy nhiên, về mặt giá thành, tinh bột khoai tây cao hơn nhiều

so với tinh bột khoai mì Với các ưu thế hấp dẫn về mặt tính chất và giá thành, nhu cầu dùng tinh bột khoai mì dường như đang tăng lên ở mọi nơi trên thế giới Ðồng thời, một định hướng chung cho việc giữ gìn sức khỏe đã góp phần tạo ra sự quan tâm và ưa chuộng những loại thực phẩm không chứa GMO

b) Những ứng dụng của tinh bột khoai mì trong tinh bột thực phẩm và ngành công nghiệp khác:

Chất độn: làm tăng độ đặc trong súp và trái đóng hộp, kem và dược phẩm

Chất kết nối: làm quánh các sản phẩm, giúp thực phẩm không bị khô khi nấu, như xúc xích, thịt hộp

Chất ổn định: sử dụng khả năng giữ nước cao, như trong kem, bột nở, ngành dệt –

hồ chì để giảm đứt trên khung dệt (tinh bột biến đổi) Tinh bột dùng cho giai đoạn in làm đặc chất nhuộm và giữ màu Tinh bột dùng cho giai đoạn thành phẩm sẽ tăng độ cứng và trọng lượng (tinh bột thường hoặc tinh bột oxi hóa)

Chất làm đặc: sử dụng đặc tính bột nhão, như trong súp, thức ăn cho trẻ em, nước chấm, nước dùng

Làm giấy:

- Tăng cường độ chắc, tăng sức chống nếp gấp

- Làm tăng bề mặt và độ bền, dùng cho giấy gợn sóng, giấy ép và giấy bìa cứng

- Chất kết nối trong công nghiệp

- Giấy cứng làm trần nhà

- Giấy thạch cao

Thức ăn (thủy sản, gia súc)

Những công dụng khác trong công nghiệp

- Sản xuất bao plastic tự hoại

- Sản xuất vỏ xe…

2.2 GIỚI THIỆU VỀ NƯỚC THẢI NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT MÌ

Nước thải là lượng nước được sử dụng trong sản xuất và được thải bỏ sau đó Quy trình sản xuất khoai mì có nhu cầu sử dụng lượng nước rất lớn (15 – 20 m3/tấn sản phẩm) Nước thải tinh bột khoai mì thường không được xử lý hoặc xử lý qua loa rồi thải ra môi trường Do vậy, các chất hữu cơ còn lại từ khoai mì trong nước thải sẽ phân hủy yếm khí tạo chiều chất độc gây hại cho môi trường và gây mùi hôi thối khó chịu, gây ô nhiễm nguồn nước Dân cư xung quanh các cơ sở chế biến tinh bột

mì này thường phàn nàn về vấn đề này

Theo số liệu tại nhà máy tinh bột Tapioca Tân Châu – Tây Ninh, lượng nước sử dụng cho một ngày sản suất khoảng 1200 – 1600 m3 và lượng nước thải ra cũng chiếm tương đương vào khoảng 95% lượng nước sử dụng Lượng nước thải mang theo một phần tinh bột không thu hồi hết trong sản xuất, các protein, các chất béo, các chất khoáng… trong dịch bào của củ và cả thành phần SO32-, SO42- từ công đoạn tẩy trắng sản phẩm Lưu lượng thải lớn và có nồng độ chất hữu cơ rất cao (16 – 20 kgCOD/m3 nước thải) là một nguồn gây ô nhiểm lớn cho môi trường, đất và không khí xung quanh nhà máy và cần được xử lý thích hợp

Bảng 2.3: Thành phần nước thải tinh bột khoai mì tại nhà máy tinh bột Tapioca Tân Châu – Tây Ninh

STT Chỉ tiêu Đơn vị Khoảng nồng độ Nồng độ trung bình

mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L

99

Ta thấy với thành phần nước thải như trên thì nước thải tinh bột mì có mức ô nhiễm hữu cơ cao với tỉ lệ BOD5/COD đạt khoảng 0.61 Do vậy, xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng phương pháp sinh học là rất khả thi

2.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI

MÌ

2.3.1 Nhà máy tinh bột khoai mì Phước Long

Thuyết minh qui trình:

- Nước sau sản xuất đi qua song chắn rác để loại bỏ các chất thải rắn của khâu gọt vỏ, băm nghiền, cắt khúc, sau đó được đưa vào bể lắng sơ bộ nhằm mục đích lắng bớt cặn có kích thước lớn, và một phần tinh bột không thể thu hồi trong sản xuất

Hình 2.4: Qui trình công nghệ xử lý nước thải của

nhà máy sản xuất tinh bột Phước Long

(đây là nguyên nhân làm cho nước thải có COD cao) Nước thải luôn có pH rất thấp, cyanua cao và lưu lượng không đều nên được cho vào bể điều hoà và được trung hoà bằng NaOH, khử cyanua bằng chlor

- COD của nước khá cao nên phải xử lý bằng bể kỵ khí UASB, các bể kỵ khí chỉ giảm COD đến một mức độ nào đó nếu muốn có hiệu suất cao hơn thường phải lưu thời gian rất lâu điều này làm tăng thể tích xử lý của công trình bởi vậy nước trong bể UASB chỉ được lưu ở một thời gian thích hợp rồi đi qua bể hiếu khí

- Ở bể sục khí nước được trộn với sinh khối và sinh khối dùng chất dinh dưỡng trong nước để phát triển, nước được lưu trong bể sục khí một thời gian rồi chảy qua

bể lắng để lắng sinh khối sau đó chảy vào nguồn tiếp nhận

- Bùn một phần được hoàn lưu lại bể sục khí, một phần đi vào máy ép bùn nhằm tách bớt nước (nước được tuần hoàn trở lại bể sục khí, bùn được thải vào sân phơi bùn)

Đầu ra của hệ thống có các chỉ tiêu cơ bản sau đây:

- pH: 7.85

- COD: 84 mg/l

- N-NH3: 82.4 mg/l

- Cyanua: 4.2 mg/l

Các nhược điểm của công nghệ trên:

- Khử cyanua bằng chlor cho hiệu quả không cao, tốn rất nhiều hoá chất do chlor là chất oxy hoá mạnh nên có thể tác dụng với rất nhiều chất trong nước thải ví

dụ với NH3 tạo thành các chloramin Mặt khác dư lượng của chlor và chloramin là các chất khử trùng trong nước nên khi vào bể sinh học UASB chắc chắn có rất nhiều

vi sinh vật bị chết, làm giảm hoạt tính của bùn, giảm hiệu suất công trình Dư lượng cyanua là tác nhân ức chế hoạt động của vi sinh vật, mặc dù vậy sau khi qua bể UASB lượng cyanua cũng giảm đi đáng kể do được phân huỷ thành NH3

- NH3 trong nước thải sau bể UASB rất cao (>200 mg/L) nhưng bể sục khí chỉ dùng N-NH3 làm chất dinh dưỡng và chuyển hoá thành NO3- như vậy N-NH3 trong nước thải vẫn còn rất lớn, muốn khử N-NH3 tốt cần phải lưu ở thời gian lâu hoặc cần cho qua thêm công trình khử N-NH3 vật lý

2.3.2.Nhà máy tinh bột Tây Ninh

Bể kỵ khí 1

Bể kỵ khí 2

Bể trung hòa

Song chắn rác Nước chưa xử lý

Hình 2.5: Qui trình công nghệ xử lý nước thải của nhà máy

sản xuất tinh bột Tây Ninh

Thuyết minh qui trình:

Nước sau sản xuất đi qua song chắn rác để loại bỏ các chất thải rắn của khâu gọt vỏ, băm nghiền, cắt khúc, sau đó được đưa vào bể lắng sơ bộ nhằm mục đích lắng bớt cặn có kích thước lớn, và một phần tinh bột không thể thu hồi trong sản xuất Sau đó nước được trung hoà và đi vào bể kỵ khí 4 bậc và bể tuỳ nghi 2 bậc rồi được thải ra ngoài

Các nhược điểm của công nghệ trên:

- Số liệu các chỉ tiêu đầu ra không được biết rõ nhưng có thể chắc chắn rằng nước không thể đạt tiêu chuẩn thải vào nguồn loại B, TCVN 5945-1995 ở các chỉ tiêu COD, N-NH3 vì các lý do: các bể kỵ khí thực chất là các bể tự hoại hiệu quả xử

lý không cao, nâng pH chỉ làm cho vi khuẩn metan hoạt động vậy vi khuẩn acid sẽ bị

ức chế hiệu quả quá trình acid hoá giảm, hiệu qủa khử cyanua giảm điều đó dẫn đến phải dùng nhiều bể kỵ khí làm tốn diện tích

- Các bể tuỳ nghi thường khó giảm COD xuống dưới 100 mg/l và N-NH3 chỉ giảm chút ít ở vùng hiếu khí và cuối cùng không có công trình khử N-NH3 để N-NH3 còn gần như trọn vẹn với COD đầu vào khoảng 10000mg/l thì N-NH3 thường lớn hơn >100 mg/l

Chương 3

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC

3.3 VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

3.4 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.1.1 Giới thiệu

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh vật để oxy hoá

các chất hữu cơ trong điều kiện có sự tồn tại của oxy

b Bể xử lý sinh học từng mẻ:

Hệ thống bùn hoạt tính “làm đầy và tháo bỏ” Quá trình thổi khí và quá trình lắng được thực hiện trong cùng bể phản ứng do đó có thể bỏ qua bể lắng II Thông thường các quá trình đều diễn ra trong cùng một bể Quá trình hoạt động gồm 5 giai đoạn:

- Pha làm đầy: Có thể vận hành với 3 chế độ: làm đầy tĩnh, làm đầy hoà trộn

và làm đầy sục khí nhằm tạo môi trường khác nhau cho các mục đích khác nhau Thời gian pha làm đầy có thể chiếm từ 25-30%

Đĩa quay sinh học

Sinh trưởng

lơ lửng

Sinh trưởng bám dính

Hồ sinh học hiếu khí

Xử lý sinh học hiếu khí

Aerotank Hiếu khí

tiếp xúc

Xử lý sinh học theo mẻ

Lọc hiếu khí

Lọc sinh học nhỏ giọt

- Pha phản ứng (sục khí): Ngừng đưa nước thải vào Tiến hành sục khí Hoàn thành các phản ứng sinh hoá có thể được bắt đầu từ pha làm đầy Thời gian phản ứng chiếm khoảng 30 % chu kỳ hoạt động

- Pha lắng: điều kiện tĩnh hoàn toàn được thực hiện (không cho nước thải vào, không rút nước ra, các thiết bị khác đều tắt) nhằm tạo điều kiện cho quá trình lắng Thời gian chiếm khoảng từ 5-30% chu kỳ hoạt động

- Pha tháo nước sạch

- Pha chờ: áp dụng trong hệ thống có nhiều bể phản ứng, có thể bỏ qua trong một số thiết kế

Thời gian hoạt động có thể tính sao cho phù hợp với từng loại nước thải khác nhau và mục tiêu xử lý Nồng độ bùn trong bể thường khoảng từ 1500-2500 mg/l

3.1.3.2 Quá trình sinh trưởng dính bám

a Bể lọc hiếu khí:

Hoạt động nhờ quá trình dính bám của vi khuẩn hiếu khí lên lớp vật liệu làm giá thể Do quá trình dính bám tốt, lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài nên có thể xử lý ở tải trọng cao Tuy nhiên hệ thống dễ bị tắc do quá trình phát triển nhanh chóng của vi sinh, chính vì vậy, thời gian hoạt động có thể bị hạn chế Để khắc phục tình trạng này ta có thể bố trí lớp vật liệu lọc cho phù hợp

b Tháp lọc sinh học nhỏ giọt:

Tháp lọc sinh học nhỏ giọt có kết cấu giống như tháp lọc sinh học Tháp lọc sinh học được xây dựng với hệ thống quạt gió cưỡng bức từ dưới lên, nước thải được phân phối từ phía trên, chảy qua lớp màng vi sinh bám trên các giá thể và xuống bể thu ở phía dưới Tuy nhiên, đối với tháp lọc sinh học nhỏ giọt vận tốc của nước thải

đi qua giá thể nhỏ hơn nhiều, cấu trúc của giá thể cũng được thay đổi sao cho có thể lưu nước được trên giá thể lâu hơn

c) Đĩa quay sinh học:

Bao gồm các đĩa tròn polystyren hoặc polyvinyl chloride đặt gần sát nhau Đĩa nhúng chìm một phần trong nước thải và quay ở tốc độ chậm, màng vi sinh hình thành và bám trên trên bề mặt đĩa Khi đĩa quay, mang sinh khối trên đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxy Đĩa quay tạo điều kiện chuyển hóa oxy và luôn giữ sinh khối trong điều kiện hiếu khí

3.2.TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC

3.2.1 Định nghĩa

Quá trình màng sinh học là một trong các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và bám dính lên trên bề mặt các vật liệu rắn để tiếp xúc thường liên tục hay gián đoạn với nước thải Phương pháp dùng vi sinh vật cố định để xử lý nước thải được phân làm 3 phương pháp: là phương pháp vận chuyển kết gắn, phương pháp bẫy và phương pháp liên kết chéo trong đó quá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương pháp vận chuyển kết gắn Tuy nhiên, quá trình xử lý sinh học sử dụng sinh khối cố định với hai phương pháp còn lại có thể được xem như quá trình xử lý bằng màng sinh học bởi vì chúng có cùng cơ chế làm sạch và đặc tính xử lý Trong phần này, chỉ thảo luận trong phạm vi hẹp về quá trình xử lý bằng màng sinh học hiếu khí

3.2.2 Phân loại

Dựa vào nguyên tắc hoạt động, quá trình lọc sinh học được chia thành 3 loại:

- Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): phương pháp này dựa trên nguyên tắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước Phương pháp này còn được chia thành nhiều loại dựa trên cách hoạt động của giá thể:nền cố định (fixed bed), nền mở rộng (expanded bed) và nền giả lỏng (fluidized bed)

- Thiết bị sinh học tiếp xúc quay (rotating contactor) Đĩa quay sinh học sử dụng một lượng lớn các đĩa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nước thải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặt của đĩa

- Thiết bị lọc nhỏ giọt (trickling filter): ở phương pháp này dòng nước được chảy từ trên xuống qua tầng vật liệu lọc Lọc sinh học nhỏ giọt gồm một bể tròn hay chữ nhật có chứa lớp vật liệu lọc (đá, ống nhựa, nhựa miếng…), nước thải được tưới liên tục hay gián đoạn từ một ống phân phối thích hợp đặt bên trên bể Khi nước thải chảy vào liên tục và đi qua lớp vật liệu lọc, lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với nước thải và phát triển trên vật liệu lọc nên nước thải được làm sạch

Quá trình lọc sinh học cũng được phân loại vào quá trình hiếu khí và kỵ khí Khi

áp dụng lọc sinh học ngập nước vào quá trình xử lý hiếu khí, oxy được cung cấp thông qua máy thổi khí Quá trình lọc sinh học ngập nước với bể ổn định đôi khi được gọi là quá trình oxy hóa tiếp xúc, quá trình lọc tiếp xúc, hiếu khí tiếp xúc hay

quá trình lọc sinh học tiếp xúc Tuy nhiên, ngay trong quá trình xử lý hiếu khí, không chỉ có vi sinh vật hiếu khí mà vi sinh vật kỵ khí cũng cùng tồn tại

3.2.3 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật

3.2.3.1 Cấu tạo màng vi sinh vật

Từ khi phương pháp màng vi sinh vật được chú ý tới là một trong các biện pháp sinh học để xử lý nước thải, đã có rất nhiều những nghiên cứu về cấu trúc của màng

vi sinh vật Theo thời gian và sự phát triển của các công cụ nghiên cứu, cấu trúc của màng vi sinh vật ngày càng được sáng tỏ và là cơ sở để mô hình hóa những quá trình sinh học xảy ra bên trong màng

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của các polymer ngoại bào này là polysaccharide, protein

Màng vi sinh vật có cấu trúc phức tạp cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu trúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật hình 3.2, bao gồm:

Hình 3.2:Cấu tạo màng vi sinh vật

- Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều loại kích thước và hình dạng khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật Lớp màng vi

sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm Lớp màng vi sinh được chia thành hai lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt

- Hầu hết các mô hình toán về hệ thống màng vi sinh vật không quan tâm đúng tới vai trò của lớp màng bề mặt, và hầu như chỉ chú ý tới lớp màng nền

- Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm

tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại

tế bào; tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từ chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối bởi

sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ Chất lỏng có thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theo mọi hướng trong đó Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hóa)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý

- Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia thành hai lớp (chỉ đúng trong trường hợp quá trình màng vi sinh vật hiếu khí): lớp màng kỵ khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài (hình 3.1) Trong màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí; bởi vì chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hòa tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở thành lớp hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớp màng kỵ khí

3.2.3.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng

Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên Sản phẩm cuối của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả bởi công thức chung như sau:

Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều Chẳng hạn, nếu một trong những cơ chất bị hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học sẽ không tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ vị trí đó

Các nguyên tố vết như nitơ, photphat, và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng Tương tự, chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạn trong màng hiếu khí Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếp xúc với màng thấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan sẽ trở thành yếu tố giới hạn Do đó, ngay

cả trong trường hợp màng hiếu khí, lớp màng ở bên trong vị trí tiêu thụ hết oxy trở thành thiếu khí (anoxic) hoặc kỵ khí (anaerobic) Lớp màng kỵ khí không đóng vai

trò trực tiếp trong việc làm sạch nước thải Tuy nhiên, trong lớp màng kỵ khí có thể diễn ra các quá trình hóa lỏng, lên men acid chất hữu cơ dạng hạt rắn, oxy hóa chất hữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate, hoặc khử nitrat, nitrit tạo ra từ lớp màng hiếu khí Vì vậy, sự đồng tồn tại của hoạt động hiếu khí và kỵ khí trong lớp màng vi sinh vật là một yếu tố rất quan trọng trong quá trình màng vi sinh vật

3.2.3.3 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn:

- Giai đoạn thứ nhất, có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

- Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả Trong giai đoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng không đổi trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì

sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối

và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối

- Giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy