Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến cao su bằng phương pháp hóa lý – sinh học kết hợp

Luận án với mục tiêu nghiên cứu xây dựng công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên theo hướng thu hồi các chất dinh dưỡng và năng lượng bằng các phương pháp hóa lý – sinh học kết hợp. Mời các bạn cùng tham khảo luận án để nắm chi tiết nội dubng nghiên cứu.

BỘ GIÁO DỤC

VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Dương Văn Nam

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN CAO SU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ – SINH HỌC KẾT HỢP

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 9 52 03 20

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 2019

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ

- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: TS Phan Đỗ Hùng

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Nguyễn Hoài Châu

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Việt Nam là một trong ba nước dẫn đầu thế giới về khai thác

và xuất khẩu cao su thiên nhiên (CSTN) Mỗi năm ngành chế biến CSTN nước ta phát thải trên 25 triệu m3 nước thải Đây là một trong những loại nước thải có mức độ ô nhiễm rất cao bởi các thành phần hữu cơ, nitơ, photpho và tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

Hiện nay, công nghệ xử lý nước thải (XLNT) đang được áp dụng trong ngành chế biến CSTN ở nước ta chủ yếu kết hợp một

số trong các quá trình: tách gạn mủ, tuyển nổi, kỵ khí UASB (đệm bùn kỵ khí dòng hướng lên), mương oxy hóa, bể sục khí, hồ tảo,

hồ sinh học Các hệ thống xử lý này vẫn bộc lộ nhiều hạn chế như: hiệu quả xử lý chưa cao, các chỉ tiêu COD, BOD, N-amoni, tổng nitơ (TN) và TSS trong nước thải sau xử lý ở nhiều nhà máy vẫn cao hơn quy chuẩn cho phép nhiều lần

Mặc dù chế biến CSTN là một trong năm ngành công nghiệp điển hình phát sinh nước thải có tải lượng chất bẩn cao (dệt nhuộm, chế biến mủ cao su, sản xuất giấy, sản xuất cồn rượu và nước rỉ rác), nhưng tại Việt Nam có rất ít nghiên cứu XLNT chế biến CSTN Đến nay, chưa có nghiên cứu nào theo định hướng xử lý nước thải kết hợp thu hồi đồng thời năng lượng và các thành phần dinh dưỡng (N, P) trong nước thải chế biến CSTN nhằm nâng cao hiệu suất xử lý đồng thời các chất hữu cơ, nitơ và photpho; thu hồi năng lượng và các thành phần hữu ích để giảm chi phí xử lý

Từ những lý do trên, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến cao su bằng phương pháp hóa lý – sinh học kết

hợp” được thực hiện nhằm nghiên cứu xây dựng công nghệ

XLNT chế biến CSTN giải quyết đồng thời các vấn đề: (1) Thu hồi năng lượng (khí biogas chứa CH4) làm nhiên liệu; (2) Thu hồi đồng thời nitơ và photpho làm phân bón cho nông nghiệp; (3) Cải tiến thiết bị và kết hợp các phương pháp hóa lý – sinh học nhằm nâng cao tải trọng và hiệu quả xử lý đồng thời các chất hữu cơ và dinh dưỡng N, P trong nước thải chế biến CSTN

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu xây dựng công nghệ XLNT chế biến CSTN theo hướng thu hồi các chất dinh dưỡng và năng lượng bằng các phương pháp hóa lý – sinh học kết hợp

3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

Các nội dung nghiên cứu chính của luận án như sau: 1) Tổng quan về XLNT chế biến CSTN;

2) Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nước thải chế biến CSTN và thu hồi năng lượng (khí biogas chứa CH4) bằng thiết bị đệm bùn hạt mở rộng (EGSB);

3) Nghiên cứu xử lý và thu hồi đồng thời nitơ và photpho trong nước thải chế biến CSTN bằng phương pháp kết tủa Magie Ammoni Photphat (MAP);

4) Nghiên cứu xử lý đồng thời các chất hữu cơ và nitơ trong nước thải chế biến CSTN sau xử lý kỵ khí trên thiết bị phản ứng theo mẻ luân phiên (SBR) cải tiến;

5) Đề xuất công nghệ XLNT chế biến CSTN theo hướng thu hồi các chất dinh dưỡng và năng lượng bằng các phương pháp hóa lý – sinh học kết hợp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương này trình bày các nội dung: Tổng quan ngành công nghiệp chế biến CSTN; Đặc trưng nước thải chế biến CSTN; Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải chế biến CSTN trong và ngoài nước; Một số phương pháp xử lý nước thải liên quan đến

đề tài luận án; Những tồn tại trong XLNT chế biến CSTN ViệtNam; và Định hướng nghiên cứu của đề tài luận án

Tổng quan cho thấy, XLNT chế biến CSTN đã được quan tâm nghiên cứu trên thế giới, Việt Nam và đạt được những kết quả tương đối tốt Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung xử lý các chất hữu cơ trong nước thải mà chưa chú trọng đến việc xử lý nitơ, cũng như thu hồi năng lượng và chất dinh dưỡng

CHƯƠNG 2 XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ VÀ THU HỒI NĂNG LƯỢNG BẰNG THIẾT BỊ EGSB

2.1 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

1) Vật liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu

Nước thải: Nước thải mô phỏng (nước thải đánh đông mủ cao su trong phòng thí nghiệm) được dùng cho giai đoạn khởi động thiết

bị EGSB; nước thải chế biến CSTN thực tế được dùng cho các nghiên cứu tiếp theo

Bùn giống: Bùn phân tán kỵ khí lấy từ bể UASB của Nhà máy Bia Sài Gòn – Mê Linh, thành phố Hà Nội

Thiết bị thí nghiệm: Thiết bị EGSB, thể tích phản ứng 13,5 lít được chia thành vùng phản ứng (I) và vùng lắng (II) như Hình 2.3

1 Tủ điều khiển

2 Thùng chứa nước thải

3 Bơm cấp nước thải

Hình 2.3 Hệ thiết bị thí nghiệm EGSB

2) Phương pháp nghiên cứu

Qui trình thí nghiệm: Nước thải từ thùng chứa (2) được bơm vào đáy thiết bị (6), chảy từ dưới lên qua lớp bùn sinh học Nước thải qua vùng phản ứng (I) chuyển sang vùng lắng (II), sau đó chảy qua ống dẫn vào thùng chứa (7) Khí biogas sinh ra thoát qua đường ống dẫn khí đến thiết bị đo khí

Chế độ thí nghiệm: Thiết bị EGSB được khởi động với nước thải đánh đông mủ cao su (27 ngày) và nước thải chế biến CSTN thực

tế (60 ngày) với OLR tăng dần Sau khi đạt trạng thái ổn định, nghiên cứu ảnh hưởng của OLR đến hiệu suất xử lý COD, hiệu suất sinh khí biogas và tính ổn định của thiết bị được thực hiện với nước thải chế biến CSTN thực tế

2.2 Kết quả và thảo luận

1) Sự phát triển bùn hạt kỵ khí

Quá trình khởi động thiết bị EGSB được thực hiện trong 87 ngày để tạo bùn hạt kỵ khí Sau 27 ngày khởi động, bùn hạt xuất hiện, hạt có kích thước 0,5 – 1,0 mm chiếm 38,5% lượng bùn trong thiết bị Sau 87 ngày, lượng bùn hạt và kích thước bùn hạt trong thiết bị đã tăng lên đáng kể: tại phần phía dưới của tầng bùn, hạt có kích thước 0,5 – 1,0 mm và 1,0 – 2,0 mm lần lượt

chiếm 45,5% và 35,4%; tại phần phía trên của tầng bùn, tỷ lệ này

là 62,6% và 18 % Hình ảnh bùn hạt ở các ngày thứ 27 và 87 được thể hiện ở Hình 2.5

Hình 2.5 Bùn hạt của thiết bị EGSB trong quá trình khởi động

2) Hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn vận hành ổn định

Hiệu suất xử lý COD của thiết bị EGSB trong giai đoạn vận hành ổn định được thể hiện trong Hình 2.8

Hình 2.8 Hiệu suất xử lý COD của thiết bị EGSB trong giai

0 20 40 60 80 100

Thời gian vận hành, ngày

(III) với mức tăng OLR khá lớn (từ 11,3 lên 17,7 kg COD/m3ngày), hiệu suất xử lý COD giảm mạnh, sau đó tăng dần nhưng khá chậm Nồng độ bùn trong trong thiết bị ở giai đoạn này chưa cao, nên ảnh hưởng của OLR là rất rõ ràng Hiệu suất xử lý COD ở các chế độ (I), (II), (IV) và (V) đều trên 80%, còn tại mức OLR 19 ± 0,9 kg COD/m3ngày đạt 82,5 ± 1,3% Mặc dù hiệu suất

xử lý có giảm hơn so với tại mức OLR 7,7 ± 0,3 và 10,8 ± 0,6 kg COD/m3ngày, nhưng đây cũng là mức tương đối cao

3) Hiệu quả sinh khí biogas

Hình 2.13 cho thấy, khi OLR tăng, lượng khí biogas sinh ra cũng tăng và ngược lại Lượng khí biogas sinh ra ở điều kiện tiêu chuẩn tại các chế độ OLR khác nhau từ (I) đến (V) lần lượt là 33,6 ± 1,2 L/ngày; 44,5 ± 1,7 L/ngày; 63,9 ± 5,2 L/ngày; 76,6 ± 4,3 L/ngày; và 44,2 ± 3,6 L/ngày

Hình 2.13 Lượng khí sinh ra trong giai đoạn vận hành ổn định

thiết bị EGSB

Ghi chú: OLR (kg COD/m 3ngày) ở các chế độ: (I) = 7,7 ± 0,3; (II) = 11,3

± 0,3; (III) = 17,7 ± 0,8; (IV) = 19,0 ± 0,9; (V) = 10,8 ± 0,6

Hình 2.15 thể hiện mối quan hệ giữa lượng khí biogas sinh ra

ở điều kiện tiêu chuẩn và lượng COD chuyển hóa Kết quả cho

20 40 60 80 100

Thời gian vận hành, ngày

OLR Lượng khí biogas

thấy, lượng khí biogas sinh ra ở điều kiện tiêu chuẩn tỉ lệ thuận với lượng COD chuyển hóa Hệ số chuyển hóa khí (tỉ lệ giữa lượng khí sinh ra và lượng COD chuyển hóa) trung bình ở điều kiện tiêu chuẩn cho tất cả các chế độ nghiên cứu là 0,37 L/kg COD chuyển hóa.

Hình 2.15 Quan hệ giữa lượng khí sinh ra và lượng COD

chuyển hóa trong thiết bị EGSB

CHƯƠNG 3 XỬ LÝ THU HỒI CHẤT DINH DƯỠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA MAP

3.1 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

1) Vật liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu

Nước thải: Nước thải đầu ra của thiết bị EGSB

Hóa chất: Muối MgCl26H2O và axit photphoric H3PO4 được dùng khi bổ sung nguồn magie và photphat

Thiết bị: Máy khuấy Jar-Test điều chỉnh tốc độ khuấy được dùng

để thực hiện phản ứng kết tủa MAP

2) Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm: Các thí nghiệm được thực hiện ở các giá trị pH và

tỉ lệ mol Mg2+ : N-NH4+ : P-PO43- định trước khác nhau (thay đổi

y = 0.371x R² = 0.9174 0

tỉ lệ mol bằng cách bổ sung dung dịch MgCl2 và H3PO4), sau đó

để lắng và đem lọc kết tủa Phần nước trong được đem phân tích các chỉ tiêu P-PO43-, N-NH4+ và Mg2+ để xác định hiệu suất xử lý Phần kết tủa được rửa sạch, sấy khô, rồi đem xác định khối lượng

và thành phần các nguyên tố Mg, N, P trong kết tủa MAP Phân tích: Kích thước tinh thể MAP được xác định qua ảnh SEM, thành phần các nguyên tố hóa học của MAP được xác định thông qua phân tích phổ EDX

3.2 Kết quả và thảo luận

1) Thu hồi MAP không bổ sung magie

Nước thải chế biến CSTN, ngoài amoni và photphat, có chứa một lượng đáng kể magie Do đó, khi tăng pH nước thải lên giá trị thích hợp có thể tạo kết tủa MAP theo phản ứng (1.3):

Mg2+ + NH4+ + HPO42- + 6H2O  MgNH4PO46H2O↓+ H+(1.3) Kết quả tại Bảng 3.2 cho thấy, hiệu suất loại bỏ P–photpho tăng từ 15,6% ở pH 7,5 đến 44,7% ở pH 9,5 và có xu hướng tăng nhẹ khi tiếp tục tăng pH đến 11,5 Mặt khác, hiệu quả loại bỏ N–amoni tăng từ 3,6% tại pH 7,5 đến giá trị cực đại 13,1% tại pH 9,5 và giảm dần đến 4,1% khi tiếp tục tăng pH đến 11,5

Do MAP tan trong môi trường axit, nên môi trường thích hợp để kết tủa MAP là môi trường kiềm Tuy nhiên, ở môi trường kiềm, Mg2+ cũng phản ứng với PO43- và OH- tạo thành các kết tủa

Mg3(PO4)2 và Mg(OH)2 Do vậy, khi pH càng cao (pH > 10), các kết tủa này hình thành càng nhiều, làm giảm nguồn magie cho phản ứng tạo MAP, dẫn đến hiệu suất loại bỏ N-amoni giảm Đây

là lý do giải thích cho hiện tượng kết tủa MAP chỉ xảy ra tối ưu

ở một khoảng giá trị pH nào đó

Bảng 3.2 Khả năng loại bỏ P, N, Mg ở các pH khác nhau khi

không bổ sung magie

Tỉ lệ mol Mg : PO43- trong nước thải ban đầu là 0,46 : 1,0 (trong MAP là 1,0 : 1,0), như vậy lượng P–photphat được loại bỏ tối đa bởi kết tủa MAP theo lý thuyết là 46% Ở pH 9,5 hiệu suất loại P–photphat đạt được là 44,7%, như vậy là khá cao

Trong nghiên cứu này, pH thích hợp để thu hồi MAP khoảng 9,0 – 10,0, khi đó quá trình tạo MAP rõ ràng, kết tủa dễ lắng và

có thể quan sát được bằng mắt thường, các tinh thể có chiều dài lớn, D = 300 – 383 µm Hiệu suất loại bỏ P–photphat và N-amoni tại pH 9,5 là 44,7 % và 13,1% Ở pH 11, bên cạnh các tinh thể MAP kích thước nhỏ, xuất hiện kết tủa bông nên khó lắng (Hình 3.3)

Phổ EDX (Hình 3.4) và số liệu thành phần hóa học cho thấy:

tỷ lệ (%) khối lượng các nguyên tố P, Mg và O trong MAP tại

pH 9,5 lần lượt là 14,3%; 10,8% và 54,3%, tỷ lệ này gần giống

tỷ lệ trong MAP tinh khiết; tại pH 11, ngoài các nguyên tố chính

là P, Mg và O, trong kết tủa thu được còn có nhiều nguyên tố khác như C, Na, K và Ca Tỷ lệ % khối lượng các nguyên tố P,

Mg và O lần lượt là 7,4%; 6,0% và 44,2%

Hình 3.3 Ảnh SEM của tinh thể MAP

Hình 3.4 Phổ EDX của kết tủa thu được

2) Thu hồi MAP có bổ sung magie

Trong nước thải thí nghiệm, tỷ lệ mol Mg2+ : NH4+ : PO43- là 0,46 : 3,5 : 1,0 trong khi tỷ lệ này trong MAP là 1,0 : 1,0 : 1,0

Do đó, để nâng cao hiệu suất thu hồi P–photphat, cần bổ sung thêm nguồn magie từ bên ngoài

Kết quả ở Bảng 3.5 cho thấy, tại tỷ lệ mol Mg2+ : PO43- là 1,2 : 1,0 hiệu suất loại bỏ P–photphat và N-amoni đạt giá trị tốt nhất, tương ứng 93,3% và 28,4%

70,6 µm

383 µm 328µm

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg : PO4 đến hiệu suất

1,2 : 1 9,4 159 2,5 93,3 28,4 98,1

1,4 : 1 9,2 161 3,4 93,5 27,5 97,8 1,6 : 1 9,1 174 3,6 93,5 21,6 97,9 1,8 : 1 8,6 176 5,8 93,9 20,7 97,0 2,0 : 1 7,9 180 6,9 94,4 18,9 96,8

3) Thu hồi MAP có bổ sung đồng thời magie và photphat

Hiệu quả thu hồi MAP

Nhằm tăng hiệu suất loại bỏ N–amoni và thu hồi MAP cần thiết bổ sung nguồn magie và photphat từ bên ngoài

Kết quả tại Bảng 3.7 cho thấy, hiệu suất loại bỏ N-amoni và khối lượng MAP thu được cao nhất tại tỷ lệ mol Mg2+ : NH4+ :

PO43- là 1,4 : 1,0 : 1,0 Hiệu suất loại bỏ COD tăng từ 27,8% lên 39,6% khi tăng tỷ lệ mol Mg2+ từ 0,6 lên 2,0

Như vậy, tỷ lệ mol Mg2+ : NH4+ : PO43- tối ưu cho việc loại

bỏ đồng thời cả N–amoni và P–photphat là 1,4 : 1,0 : 1,0

Đánh giá sản phẩm MAP thu được

Mẫu MAP thu được tại pH = 9,5; tốc độ khuấy 60 vòng/phút; thời gian phản ứng là 60 phút; tỷ lệ mol Mg2+ : NH4+ : PO43- là 1,4 : 1,0 : 1,0 được đem đi chụp SEM và EDX để đánh giá thành phần chất lượng của sản phẩm thu được

Kết quả cho thấy, kết tủa ở dạng tinh thể rõ ràng, có màu trắng xen lẫn nâu sẫm, trên bề mặt bám nhiều vết bẩn (Hình 3.12),

có thể do các thành phần hữu cơ trong nước thải hoặc các kết tủa khác được hình thành trong quá trình tạo MAP bám vào Thành phần các nguyên tố P, Mg, O theo tỷ lệ % khối lượng lần lượt như sau: 13,6%, 11,4%, 59,4% Tỷ lệ này gần giống tỷ lệ trong MAP tinh khiết (12,6%, 9,9% và 65,3%) Ngoài ra, trong kết tủa còn chứa 11,2% C, còn lại là các chất khác

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg2+ : NH4+ : PO43- đến hiệu

1,4 :1,0 : 1,0 19,6 42,4 15,6 96,0 80,9 97,1

1,6 :1,0 : 1,0 15,2 56,4 22,7 96,9 74,6 96,3 1,8 :1,0 : 1,0 14,3 97,1 28,4 97,1 56,3 95,9 2,0 :1,0 : 1,0 13,8 113,5 40,4 97,2 48,9 94,7

Hình 3.12 Kết tủa MAP thu được (a) và ảnh SEM của MAP

(b) tại tỷ lệ Mg2+ : NH4+ : PO43- 1,4 : 1,0 : 1,0

CHƯƠNG 4 XỬ LÝ ĐỒNG THỜI CHẤT HỮU CƠ VÀ

NITƠ BẰNG THIẾT BỊ SBR CẢI TIẾN

4.1 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

1) Vật liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu

Nước thải: nước thải đầu ra của thiết bị EGSB

Bùn giống: là bùn hoạt tính từ bể lọc sinh học thiếu – hiếu khí của trạm XLNT của Công ty Cổ phần nhựa Hà Nội

Thiết bị: Thiết bị SBR cải tiến có tổng thể tích hữu ích và chiều cao làm việc tương ứng là 15 lít và 1,34 m (Hình 4.1)

1 Thùng chứa nước thải

2 Bơm cấp nước thải

Hình 4.1 Hệ thiết bị SBR cải tiến

2) Phương pháp nghiên cứu

Thiết bị SBR cải tiến R1, R2 được thiết kế có cấu tạo và phương thức vận hành đặc trưng để bao gồm cả hai vùng hiếu khí

và thiếu khí trong cùng một thiết bị Sục khí trong giai đoạn phản ứng ở thiết bị R2 được thực thiện theo phương cách đặc trưng để tạo thành hai giai đoạn phản ứng có nồng độ oxy hòa tan khác nhau trong cùng một mẻ xử lý Các hệ thiết bị SBR cải tiến được vận hành theo chu trình gồm ba giai đoạn (cấp tháo nước đồng thời, phản ứng, lắng) tuần tự nối tiếp nhau như trong Bảng 4.1

9 4 5

I I

Bảng 4.1 Chế độ hoạt động của các thiết bị SBR cải tiến

L/phút

Sục khí 2,0 L/phút R1

10

25

4.2 Kết quả và thảo luận

1) Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu suất xử lý COD

Hình 4.4 Hiệu suất xử lý COD ở các chế độ khác nhau của

các thiết bị SBR cải tiến

Hình 4.5 Quan hệ giữa tải trọng và hiệu suất xử lý COD của

thiết bị SBR cải tiến Kết quả tại Hình 4.4 cho thấy, cả hai hệ thiết bị R1 và R2 gần như đạt được trạng thái ổn định chỉ sau một tuần khởi động Hiệu suất xử lý COD trung bình của cả hai thiết bị ở tất cả các

0 20 40 60 80 100

Thời gian vận hành, ngày

COD vào COD ra R1 COD ra R2 Hiệu xuất xử lý R1 Hiệu xuất xử lý R2

60 70 80 90 100