nghiên cứu xử lý nước thải giấy bằng công nghệ kỵ khí uasb kết hợp swim bed với giá thể biofringe quy mô phòng thí nghiệm

nậng cao khả năng xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải giấy bằng công nghệ kỵ khí UASB kết hợp Swim-bed với giá thể Biofringe quy mô phòng

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

6 PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 2

7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT GIẤY 3

1.1.1.Nguồn gốc nước thải sản xuất giấy 3

1.1.2.Thành phần ô nhiễm 5

1.1.3.Công nghệ xử lý nước thải giấy của một số công ty 7

1.2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ 10

1.2.1.Khái niệm cơ bản về quá trình kỵ khí 10

1.2.2.Các giai đoạn trong quá trình phân hủy kỵ khí 10

1.2.3.Các nhóm vi sinh vật tham gia quá trình xử lý kỵ khí 13

1.2.4.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kỵ khí 15

1.3 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ 16

1.3.1.UASB (upflow anaerobic sludge blanket) 16

1.3.2.Lọc kỵ khí (AF – anaerobic filter) 17

1.3.3.Tiếp xúc kỵ khí (AC – anaerobic contract) 17

1.3.4.Kỵ khí đệm giản nở FBR (fluidized bed reactor), EBR (Expanded bed reactor) 18

1.4 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ UASB KẾT HỢP SWIMBED SỬ

DỤNG GIÁ THỂ BIOFRINGE 19

1.4.1.Công nghệ Swim-bed 19

1.4.2.Công nghệ kỵ khí UASB kết hợp công nghệ Swim-bed với giá thể Biofringe

………19

1.4.3.Một số nghiên cứu về công nghệ kỵ khí UASB và công nghệ Swim-bed sử dụng giá thể Biofringe 20

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 SƠ ĐỒ VẬN HÀNH THÍ NGHIỆM 22

2.2 VẬT LIỆU 23

2.3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 25

2.3.1.Mô hình tổng thể 25

2.3.2.Mô hình thực tế 26

2.4 THIẾT BỊ SỬ DỤNG 28

2.5 VẬN HÀNH MÔ HÌNH 28

2.6 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 30

2.7 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 31

2.7.1.Phương pháp tính toán 31

2.7.2.Phương pháp phân tích số liệu 33

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 pH 34

3.2 HIỆU QUẢ XỬ LÝ COD 35

3.3 HIỆU QUẢ XỬ LÝ BOD5 40

3.4 SỰ PHÁT TRIỂN VÀ ỔN ĐỊNH CỦA BÙN 43

3.4.1.Bùn lơ lửng 43

3.4.2.Bùn sinh trưởng bám dính trên giá thể 45

3.4.3.Nhận Xét 47

3.5 KHẢ NĂNG SINH KHÍ 49

3.6 KHẢ NĂNG XỬ LÝ TSS 52

3.7 ĐÁNH GIÁ TẢI TRỌNG TỐI ƯU VÀ SO SÁNH 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 59

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

hoạt tính

bùn hoạt tính

ngược

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tính chất nước thải của một số nhà máy giấy 6

Bảng 1.2 Thành phần và tính chất nước thải công ty TNHH Giấy AFC 8

Bảng 1.3 Chức năng của một số loại vi khuẩn 14

Bảng 1.4 So sánh phân hủy kỵ khí ở khoảng nhiệt độ ưu ấm và hiếu nhiệt 15

Bảng 1.5 Số liệu kỹ thuật từ kết quả vận hành bể UASB 17

Bảng 2.1 Thành phần và tính chất nước thải công ty TNHH Giấy AFC 23

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của giá thể 23

Bảng 2.3 Các thiết bị sử dụng cho mô hình 28

Bảng 2.4 Thông số vận hành mô hình ở các tải trọng 28

Bảng 2.7 Các thông số và phương pháp phân tích 31

Bảng 3.1 Kết quả xử lý số liệu COD 39

Bảng 3.2 So sánh hiệu suất xử lý COD nước thải giấy của 2 công nghệ 40

Bảng 3.3 Kết quả xử lý số liệu BOD5 42

Bảng 3.4 Số liệu tính toán hàm lượng TS 46

Bảng 3.5 So sánh mật độ bùn tập trung ở giá thể và bùn hạt 47

Bảng 3.6 Kết quả xử lý số liệu đo sản lượng khí sinh ra 51

Bảng 3.7 Kết quả xử lý số liệu TSS 53

Bảng 3.8 Tải trọng tối ưu của các chỉ tiêu 54

Bảng 3.9 So sánh ưu điểm cơ bản với một số công nghệ 55

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.2 Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải công ty giấy Roemond Hà Lan. 7

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thốngxử lý nước thải Công ty giấy Eerbeck.B.V. 7

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải Công ty TNHH Giấy A.F.C. 9

Hình 1.5 Sơ đồ chuyển hóa vật chất trong điều kiện kỵ khí. 12

Hình 2.5 Sơ đồ vận hành và thí nghiệm 22

Hình 2.3 Cấu trúc của giá thể Biofinge. 24

Hình 2.4 Bùn hạt kỵ khí…………24

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ tổng thể của mô hình. 25

Hình 2.2 Cụm mô hình thực tế. 27

Hình 3.1 Kết quả đo pH. 34

Hình 3.2 Diễn biến hiệu quả xử lý COD. 35

Hình 3.3 Bọt nổi trong bể tuần hoàn 36

Hình 3.4 lớp màu trắng xuất hiện phía trên tầng bùn hạt 36

Hình 3.5 Nước trong bể tuần hoàn ở ngày thí nghiệm thứ 2 của tải 6kg. 37

Hình 3.6 Màu sắc khác nhau của nước đầu ra ở 2 ngày liên tiếp và 2 tải trọng liên tiếp (chai nắp trắng là tải 6kg, chai nắp cam là tải 8kg). 37

Hình 3.7 Lớp váng cặn nổi trên mặt bể tuần hoàn 38

Hình 3.9 Hiệu quả xử lý BOD qua từng tải trọng. 40

Hình 3.10 Sự tăng trưởng bùn lơ lửng ở các tầng bùn. 43

Hình 3.11 Bùn trào ra khỏi bể chính và nổi ở bề tuần hoàn. 44

Hình 3.12 Hàm lượng MLVSS ở tầng bùn 3 và tỷ lệ MLVSS/MLSS. 44

Hình 3.13 Các tầng bùn lơ lửng qua từng tải trọng. 45

Hình 3.14 Lượng bùn sinh trưởng bám dính trên giá thể qua từng tải trọng. 46

Hình 3.15 Những sợi giá thể trước khi đưa vào bể và được lấy ra sau mỗi tải trọng. 48

Hình 3.16 Diễn biến quá trình sinh khí và lượng COD được loại bỏ sau 1 ngày. 49

Hình 3.17 Sản lượng khí sinh học sinh ra khi 1gCOD được xử lý. 50

Hình 3.19 Khả năng xử lý TSS qua từng tải trọng 52

nậng cao khả năng xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu

xử lý nước thải giấy bằng công nghệ kỵ khí UASB kết hợp Swim-bed với giá thể Biofringe quy mô phòng thí nghiệm” để thực hiện đồ án tốt nghiệp của mình cũng như

xem xét khả năng xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao như thế nào và có khắc phục được những khuyết điểm của những công nghệ truyền thống hay không

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu thực nghiệm mô hình ứng dụng công nghệ kỵ khí UASB kết hợp Swim-bed với giá thể Biofringe nhằm xác định hiệu quả xử lý và tải trọng tối ưu của mô hình trong xử lý nước thải giấy

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Tìm hiểu những thông số đặc trưng cho nước thải giấy

 Lắp đặt mô hình tại xưởng cấp thoát nước của trường với cấu tạo bao gồm: 1 bể UASB, 1 hệ thống đo khí, 1 bể trung gian, 1 thùng chứa nước thải đầu vào, 1 bơm định lượng để cấp nước thải vào bể, 1 bơm định lượng để tuần hoàn nước và 1 thùng chứa nước thải đầu ra

 Vận hành thích nghi: Quá trình này diễn ra trong vòng khoảng 20 ngày, tới khi mà lớp màng vi sinh vật hình thành đã bám trên giá thể

 Vận hành mô hình xử lý nước thải:

Sau 20 ngày chạy với tải trọng thích nghi 3 kgCOD/m3.ngày, ta tiếp tục vận hành với các tải 6, 8, 10, 12, 15 kgCOD/m3.ngày

 Đánh giá mức độ xử lý thông qua 5 tải trọng và tìm ra tải trọng tối ưu

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Nước thải sử dụng trong đề tài là nước thải được lấy trực tiếp từ bể chứa sau tuyển nổi của hệ thống xử lý nước thải công ty giấy A.F.C có địa chỉ tại C6/4C Ấp 3, xã Vĩnh Lộc B, huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh

Nước thải gốc được đưa trực tiếp vào mô hình sau khi đã đo COD và canh chỉnh lưu lượng Các muối dinh dưỡng được thêm vào tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển và được điều chỉnh để duy trì tỷ lệ COD:N:P=500:5:1

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Phương pháp tổng quan tài liệu

 Phương pháp thực nghiệm mô hình

 Phương pháp thí nghiệm

 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu

6 PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cấp thoát nước - khoa môi trường

 Giá thể được thực hiện trong quá trình nghiên cứu là Biofringe

 Đánh giá khả năng xử lý TSS, COD, BOD5, khả năng sinh khí của mô hình với tải thích nghi là 3 kgCOD/m3.ngày và các tải trọng hoạt động 6; 8; 10; 12 và 15

 Quá trình thí nghiệm xác định các chỉ tiêu được tiến hành tại phòng thí nghiệm môi trường

7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

 Tính mới của đề tài

Hiện nay các công nghệ xử lý nước thải giấy còn nhiều hạn chế, hiệu quả xử lý chưa cao Công nghệ Swim-bed cũng còn khá mới mẻ ở Việt Nam, các nghiên cứu về công nghệ này vẫn còn rất nhiều hạn chế và chưa được áp dụng phổ biến trong thực tế Công nghệ kỵ khí UASB kết hợp Swim-bed với giá thể Biofringe cho phép tập trung nồng độ sinh khối cao trên giá thể, ổn định được tầng bùn và

dễ dàng kiểm soát tầng bùn Vì vậy công nghệ này sẽ rất thích hợp để xử lý nước thải có nồng độ hữu cơ cao như nước thải giấy

 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đánh giá được phần nào hiệu quả của công nghệ

kỵ khí UASB kết hợp Swim-bed với giá thể Biofringe Đây cũng là hướng đi mới cho các công trình nghiên cứu những công nghệ kết hợp

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT GIẤY

1.1.1 Nguồn gốc nước thải sản xuất giấy

1.1.1.1 Quy trình sản xuất giấy

Nguyên liệu: Sản xuất giấy sử dụng ba nguồn sợi chính là gỗ, các loại thực vật phi

gỗ và giấy tái sinh Ngoài ra còn có thêm các thành phần phụ gia được thêm vào để tạo thêm một số đặc tính cho giấy

Gỗ là nguyên liệu phổ biến nhất được sử dụng để làm giấy, được chia thành hai loại

là gỗ mềm và gỗ cứng Việc sử dụng gỗ làm giấy giữa các vùng trên thế giới cũng có sự khác biệt lớn Trong tổng hàm lượng rừng trên thế giới thì nước Nga chiếm hơn một nữa lượng rừng gỗ mềm, phần lớn rừng lá rộng thì tồn tại ở vùng nhiệt đới, đặt biệt ở châu Phi và châu Mỹ la tinh

Nguyên liệu sợi phi gỗ là nguồn sợi thô quan trọng đối với nhiều cơ sở sản xuất bột

giấy đặt biệt là ở châu Á Tre nứa, mía, đay,… là loại cây sinh trưởng tự nhiên tại các vùng nhiệt đới, là nguyên liệu có sợi dài được sử dụng nhiều ở các nước Ấn Độ, Băngladesh và Việt Nam Tại Trung Quốc hiện nay sợi phi gỗ đang chiếm phần lớn nguồn nguyên liệu thô của ngành sản xuất bột giấy và giấy

Các loại sợi tái sinh hiện nay là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất cho ngành giấy

ở các nước đang phát triển Giấy loại (giấy phế thải) được thu gom, mua bán để sử dụng cho các mục đích như làm nhiên liệu, vật liệu làm bao bì đóng gói…Ngoài ra việc thu hồi tái sử dụng giấy loại mang lại những lợi ích tích cực về mặt môi trường

Các chất phụ gia gồm có: chất trợ bảo lưu (phèn nhôm Al2(SO4)3, nhựa thông, tinh bột, các polyme tan trong nước hay dùng là polyacrylamid …) có tác dụng làm tăng liên kết cho sợi giấy Chất độn (cao lanh, đá vôi,…) lấp vào chỗ trống giữa những xơ sợi làm trơn mịn bề mặt, cải thiện độ trắng, độ bóng của giấy

Quy trình sản xuất giấy từ giấy đã qua sử dụng

- Tuyển lựa của quy trình tái chế giấy: Để tái chế giấy được thành công thì giấy thu hồi phải sạch, nên cần phải giữ cho giấy nguyên liệu không lẫn tạp chất và chất bẩn, như thức ăn thừa, nhựa, kim loại, và nhiều thứ khác…

- Thu gom và chuyên chở: Giấy thải được thu gom và đóng thành từng bánh, nén chặt và được chở tới nhà máy giấy tái chế

- Lưu kho của quy trình tái chế: các bánh giấy thu hồi sẽ được lưu trong kho bãi cho tới khi được dùng đến Những chủng loại giấy khác nhau – như giấy báo và giấy thùng cacton cũ – sẽ được chứa trong những kho riêng, vì các nhà máy giấy

sử dụng những loại giấy thu hồi khác nhau để sản xuất ra các loại giấy tái chế khác nhau

- Tái tạo bột giấy: Giấy được băng chuyền đưa tới một bể chứa lớn gọi là bể đánh bột, có chứa nước và hóa chất Bể đánh bột sẽ cắt giấy thu hồi thành những mảnh nhỏ Việc đun nóng hỗn hợp sẽ khiến giấy mau chóng bị cắt nát thành những sợi cellulose (loại vật liệu cấu thành thực vật) gọi là xơ sợi Giấy cũ đươc thu hồi sẽ

bị đánh tơi, trở thành một hỗn hợp quánh dẻo gọi là bột Bột được đẩy tới những

chiếc sàng có những lỗ và rãnh đủ hình dạng và kích thước; ở đó những mẫu tạp chất nhỏ như nylon hay băng keo sẽ bị giữ lại, quá trình này được gọi là sàng Sau đó bột được tẩy mực, nghiền, tẩy màu và làm trắng

- Xeo giấy và thành phẩm: Bột được đem trộn với nước và hóa chất để đạt tới hỗn hợp 99,5% nước sẽ được phun liên tục lên một giàn lưới chuyển động rất nhanh qua máy xeo Các xơ sợi tái chế sẽ mau chóng quánh lại, tạo thành một tờ giấy ướt sũng nước Tờ giấy này sẽ di chuyển thật nhanh qua một loạt những trục ép giúp vắt nước ra được nhiều hơn Tờ giấy ướt khi nãy sẽ được cho qua một loạt những trục lăn bằng kim loại đã được sấy nóng làm tờ giấy khô đi Nếu muốn tráng phủ gì đó lên giấy thì hỗn hợp tráng phủ sẽ được đưa vào cuối chu trình hoặc trong một quy trình khác sau khi giấy đã được xeo xong Việc tráng phủ là nhằm mục đích để cho tờ giấy có bề mặt bóng mịn, dễ in Tờ giấy thành phẩm

sẽ được cuộn vào một trục lăn thật lớn và rời khỏi máy xeo

Hình 1.1 Quy trình sản xuất giấy từ giấy đã qua sử dụng

Nguồn: Tổng cục môi trường, 2011

Bột nhập, bột thô, giấy vụn

1.1.1.2 Nguồn gốc nước thải

Từ quy trình sản xuất, ta có thể tìm ra nguồn gốc của nước thải trong quá trình sản xuất bao gồm:

- Nước thải của quá trình nấu và rửa sau nấu để tái tạo bột giấy

- Nước thải từ công đoạn tẩy giấy

- Nước thải từ quá trình xeo giấy

- Dòng thải từ các khâu rửa thiết bị, rửa sàn

- Nước ngưng của quá trình cô đặc trong hệ thống xử lý thu hồi hóa chất từ dịch

đen

1.1.2 Thành phần ô nhiễm

Thành phần dịch chiết từ gỗ: gỗ chứa 60 - 80% hydrat cacbon gồm xenlulô và hêmixenlulô, 20 - 40% hợp chất gồm lignin và các chất nhựa và chất mang màu Thông thường gỗ cứng chứa khoảng 20%, gỗ mềm chứa 25 - 30% lignin, đây là thành phần chủ yếu gây khó khăn cho quá trình sản xuất bột giấy Trong quá trình sản xuất bột hoá, các chất trích ly có trong gỗ sẽ tan trong dịch đen Các tác chất độc hại hiện diện trong nước thải sau giai đoạn sản xuất bột giấy là: Lignin là chất có độ trùng hợp cao ở dạng

vô định, thành phần chủ yếu là các đơn vị phenylpropan nối kết với nhau thành khối không gian ba chiều Lignin dễ dị oxy hoá, hoà tan trong kiềm trong dung dịch muối sunfit hay muối của axit H2SO4 như Ca(HSO3)2 khi đun nóng Các dẫn xuất từ hợp chất lignin, axit nhựa, axit béo chưa bão hoà, diterpin rượu… Một phần xenlulô và hemixenlulô bị thất thoát, chúng không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu

cơ và bị thuỷ phân trong dung dịch kiềm hay axit loãng khi đun sôi

Nước thải rửa nguyên liệu bao gồm chất hữu cơ hòa tan, đất đá, thuốc bảo vệ thực vật, vỏ cây…

Nước thải của quá trình nấu và rửa sau nấu chứa phần lớn các chất hữu cơ hòa tan, các chất nấu và một phần xơ sợi Nước thải có màu tối nên thường được gọi là dịch đen Dịch đen có nồng độ chất khô khoảng 25% đến 35%, tỉ lệ giữa chất hữu cơ và vô cơ 70:30 Thành phần hữu cơ chủ yếu trong dịch đen là lignin hòa tan và dịch kiềm Ngoài

ra, là những sản phẩm phân hủy hydratcacbon, axit hữu cơ Thành phần hữu cơ bao gồm những chất nấu, một phần nhỏ là NaOH, Na2S, Na2SO4, Na2CO3, còn phần nhiều là kiềm natrisunfat liên kết với các chất hữu cơ trong kiềm

Nước thải từ công đoạn tẩy của các nhà máy sản xuất bột giấy bằng phương pháp hóa học và bán hóa chứa các chất hữu cơ, lignin hòa tan và hợp chất tạo thành những chất đó với chất tẩy ở dạng độc hại Dòng này có độ màu, giá trị BOD5 và COD cao Nước thải từ quá trình nghiền bột và xeo giấy chủ yếu chứa xơ sợi mịn, bột giấy ở dạng lơ lửng và các chất phụ gia như nhựa thông, phẩm màu, cao lanh

Dòng thải từ các khâu rửa thiết bị, rửa sàn, dòng chảy tràn có hàm lượng các chất lơ lửng và các chất rơi vãi

Nước ngưng của quá trình cô đặc trong hệ thống xử lý thu hồi hóa chất từ dịch đen Mức ô nhiễm của nước ngưng phụ thuộc vào loại gỗ, công nghệ sản xuất

Nước thải sinh hoạt

Nước thải từ nhà máy sản xuất giấy thường có những đặc trưng cơ bản sau:

[1] Nguồn: Phòng lab, nhà máy giấy An Bình

[2] Nguồn: Phòng lab, công ty giấy Hưng Thịnh.

[3] Nguồn: Phòng lab, nhà máy giấy NewToyo-KCN VSIP I

1.1.3 Công nghệ xử lý nước thải giấy của một số công ty

Hình 1.2 Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải công ty giấy Roemond Hà Lan.

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải Công ty giấy Eerbeck.B.V

Nước thải vào

Bổ sung chất

dinh dưỡng

Bể chứa (bể axit hóa)

Bể UASB

Bể chứa bùn

Bể hiếu khí bùn hoạt tính

Két khí (bể axit

sau xữ

lý

Sục khí

Bùn tuần hoàn (100%)

NT3 NT2

Bể bùn hoạt tính

Lắng thứ cấp

Bơm ra sông Lắng thứ cấp

1.1.4 Nước thải Công ty TNHH Giấy A.F.C

Nguồn gốc: nước thải phát sinh từ công đoạn sản xuất của nhà máy giấy, trong

đó nguồn ô nhiễm chủ yếu chính là từ công đoạn xeo giấy Ngoài ra, trong nước thải sản xuất giấy có một lượng bột giấy đáng kể nên cần tách bỏ trước khi đưa qua hệ thống xử lý chính trong quy trình công nghệ Công suất hiện tại của hệ thống là 200m3/ngày

Bảng 1.2 Thành phần và tính chất nước thải công ty TNHH Giấy AFC

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải Công ty TNHH Giấy A.F.C

Khử trùng bằng chlorin

Bể điều hòa

1.2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ

1.2.1 Khái niệm cơ bản về quá trình kỵ khí

Phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường không có oxi,

ở điều kiện nhiệt độ từ 35 – 650C Sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí là khí Biogas, chủ yếu là CO2 và khí CH4

- Tiêu thụ ít chât dinh dưỡng

- Có thể giữ sinh khối vài tháng mà không cần cung cấp dòng nước thải

- Tạo ra khí biogas chứa 60 – 75% hàm lượng CH4 là khí đốt có năng lượng cao Nhược điểm:

- Vi sinh vật kỵ khí nhạy cảm và bị ức chế với nhiều chất độc hại

- Thời gian khởi đông quá trình chậm khi không đủ bùn cung cấp ban đầu

- Có thể phát sinh mùi hôi khó chịu

- Có thể tạo ra nước thải sau xử lý khó chịu về mặc cảm quan

- Không xử lý được nitơ, photpho và sinh vật gây

1.2.2 Các giai đoạn trong quá trình phân hủy kỵ khí

Theo Lê Văn Cát, quá trình phân hủy kỵ khí sẽ diễn ra theo 4 giai đoạn

Giai đoạn thủy phân: các chất hữu cơ phức tạp, như cacbonhydrates, protein và

lipids, được phân hủy thành các chất đơn giản, như monosaccharides, amino acids, alcohols và fatty acids, với sự thamm gia của loại enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân Quá trình thủy phân có thể xảy ra với tốc độ chậm, đặc biệt điều kiện nhiệt

độ thấp hơn 20oC

Giai đoạn axit hóa: Sản phầm từ quá trình thủy phân được vận chuyền vào sâu bên

trong tế bào vi sinh vật Các amono aicds, monosaccharides và fatty acids sẽ bị chuyển hóa thành các volatile acids như propionic, butyric và H2, CO2, H2S, NH3

Giai đoạn acetat hóa: Các sản phẩm hình thành từ quá trình axit hóa sẽ được chuyển

hóa thành axetate, H2 và CO2 Với 70% COD của nguồn được chuyển hóa thành axit axetic và 30% còn lại của COD với tư cách là chất điện tử được chuyển hóa thành nguyên

tố hydro Trạng thái hóa trị của chất hữu cơ phân hủy sẽ quyết định sản phẩm hình thành

là khí CO2 hoặc H2

Khi y< 2z

Khi y > 2z

Hai quá trình trên thường xảy ra đồng thời nhưng do nguyên tố O thường chiếm số lượng điện tử trung bình của một nguyên tử carbon trong hợp chất hữu cơ có thể cho thường lớn hơn 4 Vì vậy, sản phầm của quá trình axetat hóa thường là axit axetic và khí hydro

Cụ thể:

Giai đoạn metan hóa: metan hóa thường là giai đoạn chậm nhất của quá trình xử lý kỵ

khí Metan được hình thành do phản ứng của axit axetic hoặc do khử khí carbonic với hydro được thực hiện bởi hai loại vi sinh acetorophic và hydrogenotrophic

Loại acetotrophic thường đóng vai trò quyết định tốc độ của quá trình, vì loại hydrogenotrophic có tốc độ phát triển nhanh hơn

Từ cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí cho thấy:

- Thành phần chuyển hóa COD thành hydro trong quá trình axit hóa và tạo khí metan chỉ có 30% thông qua nhóm vi sinh hydrotrophic Để đạt hiệu quả xử lý COD cao phải tạo điều kiện phát triển thuận lợi cho vi sinh acetogenotrophic

- Trong giai đoạn axit hóa hình thành nhiều axit dễ bay hơi và các hợp chất trung gian có tính axit, pH môi trường sẽ giảm Chủng vi sinh tạo metan phát triển mạnh trong môi trường trung tính, vì vậy khí lượng acid sinh ra dư thừa so với lượng tiêu thụ cho phản ứng tạo metan thì nồng độ VFA cao, pH giảm và vi khuẩn metan hóa hoạt động kém hơn

PROTEINS HYDROCARBON LIPIDS

ACID AMIN / ĐƯỜNG

ACID BÉO

ACETATE / H 2

CH 4 /CO 2

Vi khuẩn lipolytic, proteolytic và cellulytic

Vi khuẩn lên men

Vi khuẩn tạo khí

H 2

Vi khuẩn methane hóa

1.2.3 Các nhóm vi sinh vật tham gia quá trình xử lý kỵ khí

Nhóm vi khuẩn thủy phân - Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số vi sinh vật)

Nhóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp( Protein, Cellulose, Lignin, Lipids ) thành những đơn phân tử hòa tan như Acid amin, Glucose, Acid béo, Glycerol Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn thứ hai trực tiếp sử dụng ngay Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzym ngoại bào như Cellulose, Protease, Lipase Tuy nhiên quá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm và có thể giới hạn khả năng phân hủy kỵ khí của một số chất thải nguồn gốc cellulose, có chứa lignin

Nhóm vi khuẩn lên men acid - Fermentative bacteria

Acetate là sản phẩm chính của quá trình lên men carbonhydrat Các sản phẩm được tạo thành rất khác nhau tùy theo loại vi khuẩn và các điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa)

Nhóm vi khuẩn acetic - Acetogenic bacteria

Nhóm này gồm các vi khuẩn như Syntrobacter và Syntrophomonas wolfei có chức năng chuyển hóa acid béo, alcol thành acetate, CO2 và H2

Nhóm vi khuẩn metan – Methanogens

Nhóm ví khuẩn metan bao gồm cả gram âm và gram dương với các hình dạng rất khác nhau Vi khuẩn metan tăng trưởng chậm trong nước thải và thời gian thế hệ của chúng thay đổi từ 3 ngày ở 35oC và lên đến 50 ngày ở 10oC

 Vi khuẩn metan được chia thành 2 nhóm phụ:

 Nhóm vi khuẩn metan hydrogennotrophic sử dụng hydrogen hóa tự dưỡng, chuyển hóa hydro và CO2 thành mê tan Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa acid bay hơi và alcol thành acetate

 Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic, còn gọi là vi khuẩn phân giải acetate, chúng chuyển acetate thành metan và CO2

Bảng 1.3 Chức năng của một số loại vi khuẩn

succinogenes

Phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp(

Protein, Cellulose, Lignin, Lipids ) thành những đơn phân tử hòa tan như Acid amin, Glucose, Acid béo, Glycerol

Chuyển hóa axit béo, alcol thành acetate, CO2, H2 trong giai đoạn acetat hóa

Thuộc nhóm vi khuẩn metan acetotrophic có chức năng phân giải acetat chuyển acetat thành metan và CO2

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kỵ khí

1.2.4.1 Tính chất của chất nến

Hàm lượng tổng chất rắn (TS) quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không

đủ pha loãng các chất trung gian khiến cho hiệu quả sinh khí giảm Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền, như chất dễ phân hủy và chất khó phân hủy chiếm nhiều hay ít

1.2.4.2 Các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng

Các chất đa lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật kỵ khí gồm N và P là chủ yếu Các chất vi lượng như: Ba, Ca, Mg, Na, Co, Ni, Fe, H2S và một số nguyên tố dạng vết gồm Se, Tu, Mo,… cần có mặt trong enzym Các nguyên tố

vi lượng có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinh vật

1.2.4.3 Nhiệt độ

Quá trình phân hủy kỵ khí có diễn ra ở vùng nhiệt độ khá rộng và mỗi vùng lại thích

mesophilic, ở vùng chịu nhiệt 55oC có vi khuẩn thermophilic, ở vùng nhiệt độ < 100C thì vi khuẩn tạo metan hầu như không hoạt động Có thế thấy, vi khuần metan đặc biệt

có thề hoạt động tốt ở nhiết độ ưu ấm 35oC và hiếu nhiệt 550C

Bảng 1.4 So sánh phân hủy kỵ khí ở khoảng nhiệt độ ưu ấm và hiếu nhiệt

• Tốc độ phân hủy chậm hơn do đó thể

tích bể phân hủy lớn hơn

• Bùn sau xử lý có độ ẩm cao hơn

• Khả năng tiêu diệt vi khuẩn thấp

• Khả năng tích tụ axit do phân hủy ít

xảy ra

• Khoảng nhiệt độ dao động là 2,80C

• Chỉ đòi hỏi gia nhiệt ở vùng lạnh

• Tốc độ phân hủy nhanh hơn do đó thể tích bể nhỏ hơn

• Bùn sau xử lý có độ ẩm thấp hơn

• Khả năng tiêu diệt vi khuẩn tốt

• Tốc độ phân hủy nhanh nên khả năng tích tụ axit làm pH giảm, do đó đòi hỏi

1.2.4.4 pH

Đối với nước thải mới nạp vào thì nhóm vi sinh vật axit hóa thích nghi hơn nhóm vi khuẩn metan hóa, nên pH có thể giảm mạnh (pH < 6) sẽ làm cho khí metan giảm đi Khoảng pH tối ưu từ 6,5 – 8,5

1.2.4.5 Các chất gây độc

Vi sinh vật kỵ khí có thể bị ảnh hưởng bởi các chất có mặt trong nước thải, đặc biệt

là khí O2 Các chất như SO2, H2S gây độc cho vi khuẩn kỵ khí; còn NH4+ gây ức chế cho quá trình kỵ khí và S2- được coi là chất gây ức chế cho quá trình metan hóa Cả kim loại nặng và kim loại nhẹ đều là chất dinh dưỡng nếu ở nồng độ vừa đủ và sẽ là chất độc nếu nồng độ của chúng vượt quá ngưỡng cho phép

Nguyên tố đa lượng N là thành phần dinh dưỡng quan trọng, nhưng khí nước thải đầu vào có nhiều nitơ sẽ tạo ra lượng lớn NH4+ và NH3; trong đó, NH4+ là chất dinh dưỡng cho vi sinh vật sử dụng, cho dù nồng độ lên đến 9000 mg/l, còn NH3 lại là chất gây ức chế và gây độc cho quá trình phân hủy ở nồng độ khoảng 100 mg/l; theo Ye Chen (2007) thì nguyên nhân là do NH3 có khả năng xuyên qua màng vi sinh một cách thụ động gây mất cân bẳng proton và thiếu hụt Kali Trong điều kiện nhiệt độ từ 25 – 350C,

đó vẫn thấp hơn 100 mg/l khi pH = 7; còn khí nồng độ tổng lên đến 2000 mg/l thì nồng

độ NH3 có thể ở mức gây độc khi pH = 7,5 – 8

1.3 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ

1.3.1 UASB (upflow anaerobic sludge blanket)

UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là công trình xử lý sinh học kỵ khí được

sử dụng rộng rãi nhất trong xử lý nước thải bia UASB được thiết kế cho nước thải có nồng độ COD đầu vào được giới hạn ở mức thấp nhất là 100mg/l; nếu SS>3000mg/l thì không thích hợp để xử lý bằng công nghệ UASB Cấu tạo của bể UASB thông thường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha Thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc nước thải được đưa vào từ phía dưới của thiết bị phản ứng, chảy ngược lên qua lớp bùn kỵ khí Bên trên lớp bùn là vùng đệm, giữ vi sinh vật, tại vùng đệm xảy ra quá trình thủy phân chất hữu cơ và quá trình lên men các sản phẩm thủy phân thành các axit dễ bay hơi, axeton, rượu.v.v Biogas được tạo thành sẽ tạo ra hỗn hợp khí – lỏng – rắn (bùn) khiến cho bùn trở thành những hạt lơ lửng Do vận tốc dòng chảy ngược và do một số bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên trên mặt hỗn hợp phía trên bể, khi đó các bọt khí bị vỡ và hạt bùn được tách ra lại lắng xuống dưới nằm lại trong thiết bị, nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo

Ưu điểm của công nghệ UASB

- Không tốn nhiều năng lượng

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

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

- Loại bỏ chất hữu cơ với lượng lớn, hiệu quả Xử lý BOD trong khoảng 600 ÷

15000 mg/l đạt từ 80-95%

- Có thể xử lý một số chất khó phân hủy

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

Nhược điểm của công nghệ UASB

- Giai đoạn khởi động kéo dài

- Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước đầu vào biến động

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

- Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại

- Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động

- Cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao, giảm diện tích công trình

Bảng 1.5 Số liệu kỹ thuật từ kết quả vận hành bể UASB

Nguồn nước thải

Hàm lượng COD đầu vào (mg/l)

Thời gian lưu nước trong bể Giờ

Tải trọng COD (kgCOD/m 3 ngày)

Hiệu quả khử COD (%)

Nước thải sinh hoạt

Nhà máy rượu, men rượu

Chế biến bột khoai tây

1.3.2 Lọc kỵ khí (AF – anaerobic filter)

Công nghệ lọc kỵ khí AF thường được dùng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu

cơ rất cao Nước thải được đưa vào bể lọc kỵ khí sẽ được phân phối đều theo diện tích đáy bể, nước đi từ dưới lên và qua lớp vật liệu lọc; từ đó, các chất hữu cơ sẽ được giữ lại tại lớp lọc và trên bề mặt lớp lọc hình thành các lớp màng vi sinh vật Vật liệu lọc có thể là dạng tấm, vật liệu hạt,…

1.3.3 Tiếp xúc kỵ khí (AC – anaerobic contract)

Công trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hoàn Cơ chế hoạt động của bể là nước thải chưa xử lý được khuấy trộn với dòng tuần hoàn và sau đó được phân hủy trong bể phản ứng kín, không có oxi Sau phản ứng thì hỗn hợp bùn nước đi vào bể lắng để loại bỏ bùn trong dòng ra

Công nghệ AC sẽ duy trì SRT mong muốn, bằng cách điều chỉnh tốc độ bùn thải bỏ SRT thường từ 10 – 20 ngày Nồng độ chất rắn lơ lửng trong bể có thể từ 4 – 6 gVSS/l

và cao từ 25 – 30 gVSS/l, phụ thuộc vào khả năng lắng của bùn

1.3.4 Kỵ khí đệm giản nở FBR (fluidized bed reactor), EBR (Expanded bed reactor)

Các vi sinh vật dính bám trên các chất mang (thường là các hạt lơ lửng với đường kính 0.2 – 0.5 mm) sẽ được xáo trộn đều khắp nhờ tốc độ dòng nước thải chảy ngược thích hợp, làm dãn nở lớp giá thể Trong hệ thống bể phản ứng kỵ khí có đệm dãn nở, tốc độ dòng chảy ngược đủ lớn đển ngăn sự gắn kết sinh khối của các hạt mang này, do thể tích đệm được tăng lên khoảng 15 – 30% so với thể tích thực của nó

Khác với các bể kỵ khí chỉ dùng vi sinh trong bùn, bể FBR/EBR chủ yếu là dùng giá thể để làm chất mang cho vi sinh phát triển Dòng tuần hoàn nước thải đầu ra dùng để tạo vận tốc đi lên lớn, giúp cho sự dãn nở của lớp đệm và sinh khối dính bám trên chất mang được giữ lơ lững; bể EBR vận hành với vận tốc dòng lên khoảng 2 m/h và lớp dệm dãn nở 20%, còn bể FBR vận hành với vận tốc dòng lên khoảng 20 m/h và lớp vạt liệu điệm dãn nở khoảng 100% thể tích Do vận tốc dòng lên lớn nên sinh khối lơ lững

sẽ dễ dàng trôi ra ngoài

Các vật liệu đệm khác được sử dụng trong bể FBR bao gồm cát, diatomit, nhựa trao đổi ion và than hoạt tính Bể FBR kỵ khí thích hợp cho các nước thải có chứa COD hòa tan cao vì khả năng lưu giữ bùn thấp và biofilm ở dạng màng mỏng Để duy trì bùn thải

bỏ, do biofilm bong tróc đến mức tối thiểu, bằng cách kiểm soát biofilm có trong bể phản ứng Khi sinh khối tích lũy trong lớp đệm tăng thì chùng có khả năng di chuyển đến đỉnh của bể phản ứng, do sự giảm tỷ trọng Để xử lý trường hợp này, các chất mang nổi lên sẽ được mang đi phân tách sinh khối và rồi được đưa trở lại bể

Bể FBR phải được khởi động một cách cẩn thận, chọn tốc độ dòng nước cao hơn ở lần đầu tiên cho vi khuẩn dính bám lên lớp đệm dễ dàng hơn dưới điều kiện xáo trộn cao, thời gian khởi động phải mất 3 – 6 tháng

 Ưu điểm của công nghệ FBR/EBR

- Hàm lượng sinh khối cao và thời gian lưu bùn SRT dài - Thể tích bể phản ứng nhỏ do tải trọng hữu cơ cao

- Đầu ra đạt chất lượng cao, thường tốt hơn các quá trình kỵ khí tải trọng cao

- Vận hành không phụ thuộc vào sự phát triển của bùn lắng

- Điều kiện khuấy trộn tốt

 Nhược điểm của công nghệ FBR/EBR

- Thời gian khởi động lâu

- Đòi hỏi năng lượng cao cho lớp đệm giản nở

- Không phù hợp đối với các loại nước thải có chất rắn lơ lững cao

- Thiết bị tương đối phức tạp hơn các quá trình tải trọng cao khác - Đòi hỏi kiểm soát quá trình nhiều - Chi phí chất mang cao

1.4 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ UASB KẾT HỢP SWIMBED SỬ DỤNG GIÁ THỂ BIOFRINGE

1.4.1 Công nghệ Swim-bed

Là một công nghệ mới đang được nghiên cứu và ứng dụng trong những năm gần đây trên thế giới, đặc biệt là ở Nhật Bản Công nghệ này là sự kết hợp các điều kiện thuận lợi của quá trình bùn hoạt tính truyền thống và bể lọc sinh học Sử dụng giá thể sinh học

là Biofringe (BF), giá thể được thiết kế có bề mặt hiệu dụng lớn để lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt của giá thể, tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật khi những giá thể này lơ lửng trong nước và tiếp xúc với chất dinh dưỡng, từ đó giúp chuyển hóa các chất ô nhiễm có trong nước thải Giá thể BF được làm từ sợi acrylic thấm nước tốt, diện tích bề mặt lớn Các sợi này được dệt thành từ các sợi nhỏ, sau đó kết lại theo dạng xương cá làm tăng khả năng co giãn và chịu lực Cấu trúc xương cá của BF chia làm 2 loại: Sợi dọc (Warp thread) được làm bằng các sợi Polyester; sợi ngang (Weft thread) làm bằng acrylic rất ưa nước do đó bùn có thể dễ dàng và nhanh chóng được dính bám vào

Hình 1.6 Cấu trúc của giá thể Biofringe

sử dụng giá thể Biofringe, nhận thấy được khả năng giữ bùn ổn định, và tốc độ sinh trưởng bám dính nhanh của giá thể Biofringe, điều này có thể khắc phục được một số nhược điểm, từ công nghệ kỵ khí UASB truyền thống và công nghệ kỵ khí FBR Công nghệ kỵ khí UASB kết hợp Swim-bed với giá thể Biofringe là sự kết hợp những tính chất đặc trưng của những công nghệ phổ biến như: dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (UASB); phân tầng sinh khối (tương tự FBR); khi sinh khối phát triễn đủ nhiều cùng với mật độ giá thể nhiều sẽ tạo nên cơ chế lọc sinh học kỵ khí khi nước thải đi ngang qua tầng giá thể; sử dụng vận tốc nước dâng hợp lý làm những sợi giá thể Biofringe chuyển động lơ lửng (tương tự như sử dụng thổi khí ở công nghệ hiếu khí và sử dụng cánh khuấy ở công nghệ thiếu khí-Swim-bed) Đề tài này được đưa ra để nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ, khả năng sinh khí, cùng với khả năng sinh trưởng và ổn định của mật độ sinh khối khi kết hợp sử dụng giá thể Biofringe vào công nghệ kỵ khí UASB

1.4.3 Một số nghiên cứu về công nghệ kỵ khí UASB và công nghệ Swim-bed sử dụng giá thể Biofringe

Công nghệ Swim-bed

Nguyễn Lễ, 2010 đã nghiên cứu công nghệ Swim-bed để khử COD và Nitrate hóa nước thải cao su Kết quả cho thấy khả năng loại bỏ COD và nitrate hóa đạt được hiệu

quả loại bỏ COD đạt trên 90% và nitrate hóa đạt trên 56% Tại tải trọng 2

đạt trên 90%, nhưng hiệu quả nitrate hóa vẫn ko thay đổi Nồng độ sinh khối tăng khi tải trọng tăng, nồng độ MLSS đo được 6750 mg/L tại tải trọng 2 kgCOD/m3.ngày [4]

Sen Qiao, Yuki 2008 nghiên cứu về quá trình nitrate hóa bán phần của bể swim-bed

có bùn kỵ khí thô (SB) và bể swim-bed và có bùn hoạt tính (SBAS), đồng thời so sánh đặc tính bùn của từng bể Khả năng chuyển đổi ammonium thành nitrate của từng bể

chứng minh tiềm năng ứng dụng tốt quá trình annamox để loại bỏ nitơcủa bể SB Bùn trong bể SB có tính chất tốt hơn so với SBAS [11]

Taichi Yamamoto, 2006 nghiên cứu về khả năng xử lý nitrat hóa bán phần của bể phản ứng Swim-bed sử dụng Bio-fringe làm giá thể dính bám vi sinh vật trong quá trình

xử lý kỵ khí nước thải chăn nuôi heo Thành phần nitrat hóa bán phần là tương đối ổn

chỉ có một phần nhỏ nitrat được sinh ra trong toàn bộ thời gian hoạt động và tỉ lệ

Công nghệ UASB nghiên cứu nước thải giấy

Xingrong Li, 29/5/2017 công bố nghiên cứu về ảnh hưởng của mức độ ô nhiễm của nước thải giấy và axit béo dễ bay hơi đến quá trình sinh khí của bể UASB Kết quả là, nồng độ ô nhiễm càng tăng cao thì càng có lợi cho việc sinh khí tuy nhiên nếu như nồng

độ ô nhiễm tăng quá cao thì sẽ làm cho pH giảm mạnh, sự cân bằng của vi khuẩn ban

đầu sẽ bị phá hủy Lượng axit béo dễ bay hơi được sản sinh ra bởi vi khuẩn axit sẽ tăng lên, pH giảm, dẫn tới làm suy yếu hoặc ức chế vi khuẩn methanogen[13]

Anna Karlsson, Xu-Bin Truong, Jenny Gustavsson, Bo Svensson, Fredrik Nilsson and Jorgen Ejlertsson, 2011 Nghiên cứu đề tài tiềm năng và hạn chế về sản xuất khí sinh học từ các nhà máy giấy Thụy Điển[14]

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

và khả năng sinh khí

Nước thải gốc

Giai đoạn 1

Thích nghi và tạo màng biofilm trên giá thể, vận hành 20 ngày

MLSS = 15600 mg/l

Phân tích các chỉ tiêu đầu vào (pH, COD, BOD, TSS)

Phân tích các chỉ tiêu đầu ra (pH, COD, BOD, TSS) và đo khí

sinh ra

2.2 VẬT LIỆU

Nước thải đầu vào là nước thải gốc được lấy trực tiếp từ nhà máy giấy AFC và vận chuyển về phòng thí nghiệm cấp thoát nước trường đại học tài nguyên và môi trường bằng can 30L Nước thải được lấy sau bể tuyển nổi và được châm thêm dinh dưỡng với

tỷ lệ COD:N:P là 500:5:1 trước khi bơm vào bể

Bảng 2.1 Thành phần và tính chất nước thải công ty TNHH Giấy AFC

Nguồn: Công ty TNHH Giấy A.F.C, 2017

Giá thể Biofringe sản suất bởi công ty NET-Nhật Bản được đưa vào bể với thông số như sau:

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của giá thể

Hình 2.3 Cấu trúc của giá thể Biofinge

Bùn kỵ khí được bổ sung cho mô hình là bùn hạt, màu đen được lấy từ bể UASB nhà máy bia SAPPORO-Long An, được đưa vào bể với thể tích là 3L (khoảng 30% thể tích bể)

Hình 2.4 Bùn hạt kỵ khí

2.3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU

2.3.1 Mô hình tổng thể

Để tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh đến quá trình xử lý nước thải giấy với nồng độ COD, BOD5 cao và khả năng sinh khí và kiểm soát bùn Mô hình đề suất như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ tổng thể của mô hình

Ống nước đầu ra cách đáy 805 mm

Giá thể được treo dọc vào bể với chiều dài 380 mm và cách đáy bể là 95 mm

Phía trên là những tấm hướng dòng được thiết kế phù hợp nhất cho việc thu khí sinh

ra

Bên ngoài được bịt kín để che ánh sáng bằng vật liệu aluminium (hợp kim nhôm nhựa), có thiết kế 3 cánh cửa và bóng đèn để quan sát các tầng bùn khi cần thiết

Hệ thống đo khí

Được thiết kế theo nguyên lý thay đổi từ trường do nam châm tạo ra bao gồm:

Bể mica với số đo: Cao 120 mm, rộng 85 mm, dài 200 mm

Thanh mica hình dạng bập bênh

Ống dẫn khí từ bể chính ( đặt bên dưới bập bênh , khi khí thoát ra đủ lượng nhất định

sẽ làm bập bênh di chuyển )

Thanh nam châm ( được gắn bên trên bập bênh )

Cục thu từ ( dán bên ngoài bể nơi dễ dàng thu được sự thay đổi từ trường nhất) Máy countdown điện tử ( được kết nối với cục thu từ , mỗi lần thanh nam châm di chuyển ngang qua cục thu từ thì countdown sẽ nhảy 1 số, ứng với mỗi số là 21 ml khí đã được đo trước đó)

tầng bùn và giá thể đến hệ thống tấm hướng dòng và ngăn thu khí, khí sinh ra từ bùn

sẽ tách khỏi dòng và đến ngăn thu khí, còn nước thải đã qua xử lý thí chảy qua bể tuần hoàn Tại bể tuần hoàn sẽ có một ống lắng, nước thải đã xử lý sau khi vào bể tuần hoàn thông qua ống lắng thì một phần sẽ được đưa vào bể chính để đáp ứng được yêu cầu vận tốc nước dâng, một phần sẽ chảy ra thùng nước đầu ra

Hình 2.2 Cụm mô hình thực tế

2.4 THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Để mô hình vận hành theo các yêu cầu nghiên cứu, mô hình cần được trang bị một

số thiết bị như bảng sau:

Bảng 2.3 Các thiết bị sử dụng cho mô hình

Nồng độ đầu vào (mgCOD/L)

Thời gian lưu nước (giờ)

Mô hình được vận hành bắt đầu từ tải trọng thích nghi là 3 kgCOD/m3.ngày, nước thải cho vào bể là nước thải thô không pha loãng Sau thời gian vận hành đến khi hiệu suất xử lý ổn định ít nhất 5 ngày thì tiến hành tăng dần lên các tải 6, 8, 10, 12, 15

Vận hành thích nghi: Quá trình này diễn ra trong vòng khoảng 20 ngày, khi mà lớp màng

vi sinh vật hình thành đã bám trên giá thể Công việc cụ thể như sau:

Bước 1: Đổ bùn vào bể với thể tích khoảng 30% bể

Bước 2: Cho nước vào đầy bể chính và bể tuần hoàn

Bước 3: Tiến hành bơm nước thải đầu vào

Bước 4: Bật bơm tuần hoàn , tính toán và canh chỉnh bơm tuần hoàn để vận tốc nước dâng đạt khoảng 1 m/h

Vận hành mô hình xử lý nước thải:

các tải 6, 8, 10, 12, 15 kgCOD/m3.ngày

Chỉ tiến hành tăng tải sau khi ít nhất 5 ngày lấy mẫu liên tiếp có hiệu quả xử lý ổn định Đánh giá mức độ xử lý thông qua 5 tải trọng và tìm ra tải trọng tối ưu

Vì đặc tính nước thải giấy không có nhiều N, P nên lưu ý việc bổ sung chất dinh dưỡng

N, P cho nước thải đầu vào, đảm bảo tỉ lệ dinh dưỡng COD:N:P=500:5:1 tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí phát triển

Thí nghiệm được tiến hành hàng ngày, số liệu thu thập được lưu trữ và xử lý trên phần mềm excel

Kiểm soát các yếu tố đánh giá bùn TS,SS và VSS nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho sự phát triển của bùn

Các chỉ tiêu COD, pH và lượng khí sinh ra được theo dõi hàng ngày để khắc phục kịp thời khi có sự cố

Quá trình bổ sung Nito, photpho cho nước thải đầu vào

Với đặc trưng của nước thải nghành giấy, chứa rất ít hàm lượng nito, photpho nên trong quá trình nghiên cứu có tiến hành bổ sung thêm nito, photpho cho nước thải dòng vào

để đảm bảo cung cấp đủ hàm lượng chất dinh dưỡng cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển Bên cạnh đó, nghiên cứu còn theo dõi thông số nito, photpho ở dòng ra để đảm bảo kiểm soát hàm lượng cung cấp như vậy là đủ cho vi sinh vật

Để xác định được lượng KH2PO4 và (NH2)2CO cần cung cấp, ta dựa trên nồng độ COD đầu vào, với tương quan COD:N:P=500:5:1 và hàm lượng nito, photpho có sẵn trong nước thải

Bảng 2.5 Kết quả tính toán lượng nito bổ sung

Nồng độ

COD(mg/L)

Hàm lượng nito đầu vào (mg/L)

Hàm lượng nito cần bổ sung(mg/L)

Hàm lượng nito đầu ra(mg/L)

Hàm lượng (NH2)2CO cần dùng(mg/L)

Hàm lượng photpho cần bổ sung(mg/L)

Hàm lượng photpho đầu ra(mg/L)

Hàm lượng KH2PO4 cần dùng(mg/L)

Bảng 2.7 Các thông số và phương pháp phân tích Chỉ

Tài liệu sử dụng

HANNA HI 6100805

Standard method 2012

method 2012

Standard method 2012

Định phân thể tích bằng dung dịch Na2S2O8

Standard method 2012

2.7 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

Q - Lưu lượng đầu vào (hoặc đầu ra), m3/ngày

C - Nồng độ COD đầu vào (hoặc đầu ra), mgCOD/L

V - Thể tích bể phản ứng, m3

 Thời gian lưu nước (HRT) được tính toán theo công thức sau:

𝑄, ℎ Trong đó:

V - Thể tích bể phản ứng, m3

 Hàm lượng COD được tính toán theo công thức:

Trong đó:

V2 – thể tích FAS chuẩn độ mẫu nước cất có đun, mL

V1 – thể tích FAS chuẩn độ mẫu nước phân tích, mL

CN – Nồng độ đương lượng của FAS

𝐶𝑁 =𝑉𝐾2𝐶𝑟2𝑂1×0,1

𝑉𝑜𝑑Vod – thể tích FAS chuẩn độ mẫu nước cất không đun, mL

Vm – thể tích dung dịch mẫu, mL

 Hàm lượng BOD5 được tính toán theo công thức:

BOD5 (mg/l) = [(DOo – DO5) – S.Vs].k Trong đó:

DO0 - DO ban đầu đo trước khi ủ mg/l

DO5 - DO sau khi ủ 5 ngày mg/l

S - Lượng oxy tiêu thụ của mẫu cấy vi sinh vật

Vs - Thể tích vi sinh vật cấy vào mẫu