Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mbbr (moving bed biofilm reactor) để xử lý nước thải sản xuất bia

Quá trình sản xuất có thể phát sinh ra lượng nước thải ngà càng tăng trong khi việc tăng công suất hoạt động của hệ thống xử l nước thải hiện hữu gặp phải nhiều kh khăn N n đề tài “ Nghi

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG

NGUYỄN HOÀNG NHƯ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MBBR (MOVING BED BIOFILM REACTOR)

ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Trần Ứng Long

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Bùi Xuân Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Như Sang

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH,

ngày 26 tháng 01 năm 2013

- -oOo -

Tp HCM, ngày 01 tháng 05 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm

Reactor) để xử lý nước thải sản xuất bia

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Lập mô hình nghiên cứu, kế hoạch lấy mẫu, phân tích các thông số nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình MBBR đối với nước thải từ bể cân bằng và đầu

ra của bể UASB Nhà máy bia Sabmiller

 Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình đối với tính chất nước thải đầu vào đã đề

ra

 Đề xuất phương án áp dụng công nghệ

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/05/2012

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/12/2012

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Ứng Long

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Thực hiện luận văn cao học thật sự là một thách thức lớn trong quá trình học tập

và công tác thông qua đ gi p em học được nhiều điều cả tr n l thu ết lẫn thực tiễn cuộc sống Để c được những trải nghiệm nà em in gửi lời cảm ơn ch n thành đến thầ Trần Ứng Long đã tạo điều kiện và ch dạ em trong suốt khoảng thời gian công tác và nghi n cứu Với l ng iết ơn em in k nh ch c Thầ luôn kh e mạnh

Xin gửi lời cảm ơn ch n thành đến Ban giám đốc Công ty TNHH Sabmiller Việt Nam, anh Mai Nghi Thuấn, anh Dương Công Chung đã h trợ tôi thực hiện mô hình thí nghiệm và phân tích các ch tiêu trong suốt quá trình thực nghiệm Ch c mọi người c nhiều sức kh e, hạnh phúc và thành công trong công việc

Ch n thành cảm ơn gia đình ạn đã luôn động vi n gi p tôi c thể vượt qua tất cả kh khăn cho tới hôm na Ch c mọi người luôn ình an hạnh ph c

TP.HCM, n 1 t n 12 năm 2012

Ngu ễn Ho ng Như

Hiện nay, công nghiệp sản xuất ia nước giải khát ở Việt Nam đang phát triển mạnh để phục vụ nhu cầu ngà càng tăng của xã hội Quá trình sản xuất có thể phát sinh ra lượng nước thải ngà càng tăng trong khi việc tăng công suất hoạt động của hệ thống xử l nước thải hiện hữu gặp phải nhiều kh khăn N n đề tài “ Nghi n cứu ứng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) để xử l nước thải sản xuất ia” đưa ra th m lựa chọn cho việc nâng cấp hệ thống xử l nước thải hiện hữu trở nên đơn giản Mô hình sử dụng hai loại giá thể lơ lửng trong điều kiện hiếu khí tuần tự là K3 và K1 Các mức tải trọng OLR áp dụng là: 1 KgCOD/m3.ngày, COD dòng vào

<400 mg/l, TN <60 mg/l, TP <13 mg/l thời gian lưu nước 8h (nước thải sau bể UASB); 1.5, 3, 4.5 KgCOD/m3.ngày, COD dòng vào <2200mg/l, TN <80 mg/l, TP

<21 mg/l và thời gian lưu nước tương ứng là 32 16 10h (nước thải tại bể cân bằng)

Kết quả cho thấy ở mức tải trọng 1 và 1.5 KgCOD/m3.ngày, cả hai loại giá thể đều thể hiện ưu điểm tốt, dòng ra COD <43 mg/l, TN <14 mg/l, TP <4 mg/l đáp ứng được QCVN 24:2009/BTNMT, loại A Ở các mức tải trọng cao hơn TN <14 mg/l đạt loại A theo tiêu chuẩn trên, TP <5mg/l đạt loại B theo thiêu chuẩn tr n COD đạt hiệu quả xử l trung ình đến 92%

development Manufacturing process can generate increasing amount of wastewater while increasing the operational capacity of the existing wastewater treatment system encountered many difficulties This research was studied on application of Moving Bed Biofilm Reactor for brewing beer wastewater treatment, given more options for upgrading existing wastewater treatment system This experiment used two types of media: K3 and K1, in difference organic loading rates: 1 KgCOD/m3.day, average characteristics of wastewater: COD lower than 400 mg/l, TN lower than 60 mg/l and

TP lower than 13 mg/l, hydraulic retention time is 8h (outlet wastewater of UASB tank); 1.5, 3, 4.5 KgCOD/m3.day, average characteristics of wastewater: COD lower than 2200 mg/l, TN lower than 80 mg/l and TP lower than 21 mg/l, hydraulic retention times are 32, 16, 10h (wastewater at equalization tank)

The experimental result showed that in OLR 1 and 1.5 KgCOD/m3.day, effluent: COD lower than 43 mg/l, TN lower than 14 mg/l, TP lower than 4 mg/l and meet QCVN 24:2009/BTNMT, level A; the remaining OLR, effluent: TN lower 14 mg/l meet level A, TP lower 5 mg/l meet level B and average efficiency of COD is 92%

MỤC LỤC

TÓM TẮT V MỤC LỤC VI

D N MỤC BẢN IX

D N MỤC N X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XII

C ƯƠN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶTVẤNĐỀ 2

1.2 MUCTIÊUNGHIÊNCƯU 3

1.3 ĐÔITƯƠNGVA PHAMVINGHIÊNCƯU 3

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.3.2 Phạm vi nghi n cứu 3

1.4 P ƯƠN PHAPNGHIÊNCƯU 4

1.4.1 Phương pháp hồi cứu 4

1.4.2 Phương pháp th nghiệm và ph n t ch 4

1.4.3 Phương pháp nghi n cứu mô hình 4

1.4.4 Phương pháp ử l số liệu 4

1.4.5 T nh mới của đề tài và nghĩa thực tiễn 4

C ƯƠN 2 T N QU N 5

2.1 TÔNGQUANVÊ NƯƠCTHẢISẢNXUẤTBIA 6

2.1.1 Quá trình sản xuất bia 6

2.1.2 Thành phần ô nhiễm 6

2.1.3 Công nghệ xử l nước thải sản xuất bia 9

2.1.4 Tổng quan HTXLNT nhà máy bia Sabmiller 10

2.2 T NGQUANCÁCP ƯƠN PHÁPXỬLÝSINHHỌC 15

2.2.1 Phương pháp sinh học 15

2.2.2 Phương pháp sinh học loại b nitrogen 18

2.3 TÔNGQUANVÊ CÔNGNGHỆMBBR 24

2.3.1 Giới thiệu về công nghệ MBBR 24

2.3.2 Giá thể di động 25

2.3.3 Lớp màng biofilm 27

2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR 29

2.3.5 Ứng dụng công nghệ MBBR 30

2.4 NHỮNGTHUẬNLỢIVÀHẠNCHẾCỦACÔNGNGHỆMBBR 35

2.4.1 Thuận lợi 35

2.4.2 Hạn chế 36

2.5 HTXLNTNHÀMÁYBIAĐÃÁPDỤNGCÔNGNGHỆMBBR 36

C ƯƠN 3 P ƯƠN P P T ỰC N ỆM 40

3.1 ĐỐITƯỢNGNGHIÊNCỨU 41

3.1.1 Nước thải 41

3.1.2 Giá thể 41

3.2 MÔHÌNHNGHIÊNCỨU 42

3.2.1 Thiết kế mô hình 42

3.2.2 K ch thước trong mô hình 45

3.2.3 Các chi tiết thiết bị trong mô hình 46

3.3 NỘIDUNGNGHIÊNCỨU 47

3.3.1 Thí nghiệm thích nghi trên giá thể K3 48

3.3.2 Thí nghiệm 1; 2; 3; 4; 5 49

3.3.3 Thí nghiệm thích nghi, thí nghiệm 6; 7; 8; 9 50

3.4 QUYTRÌNHLẤYMẪUVÀP ƯƠN PHÁPPHÂNTÍCH 51

3.4.1 Quy trình lấy mẫu 51

3.4.1 Phương pháp ph n t ch 52

C ƯƠN 4KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54

4.1 KẾTQUẢVẬNHÀNHỞGIAIĐOẠNTHÍCHNGHI 55

4.1.1 Sự phát triển của lớp màng vi sinh trên giá thể K3 55

4.1.2 Sự phát triển của lớp màng vi sinh trên giá thể K1 58

4.2 KẾTQUẢTRÊNMÔHÌNHMBBRVỚIGIÁTHỂK3 61

4.2.1 So sánh hiệu quả xử l COD TN TP và hàm lượng AGB trên mô hình có tuần hoàn và không tuần hoàn nước ở tải trọng OLR=1.5 KgCOD/m3.ngày 61

4.2.2 Diễn biến ch tiêu pH 64

4.2.3 Diễn biến ch tiêu DO 65

4.2.4 Hiệu quả xử lý COD 66

4.2.5 Hiệu quả xử lý TN, TP 67

4.2.6 Diễn biến AGB của màng vi sinh 68

4.3 KẾTQUẢTRÊNMÔHÌNHMBBRVỚIGIÁTHỂK1 69

4.2.1 Diễn biến của ch tiêu pH 70

4.2.2 Diễn biến của ch tiêu DO 70

4.2.3 Hiệu quả xử lý COD 71

4.2.4 Hiệu quả xử lý TN, TP 72

4.2.5 Diễn biến AGB của màng vi sinh 73

4.4 ÁPDỤNGCÔNGNGHỆMBBRVỚINƯỚCTHẢISAUXỬLÝKỲKHÍ

75

4.4.1 Đánh giá kết quả phân tích với nước thải lấy từ đầu ra của bể UASB 75

4.4.2 Đề xuất phương án tham khảo để nâng cấp HTXLNT Nhà máy bia Sabmiller 81

KẾT LUẬN V K ẾN N 83

T L ỆU T M K ẢO 84

LÝ L CH TRÍCH NGANG 86

P ẦN P Ụ LỤC 87

PHU LUC1:KẾTQUẢPHÂNTÍCH 87

PHU LUC2:MỘTSỐHÌNHẢNHTRONGQUÁTRÌNHNGHIÊNCỨU 99

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Ngưỡng giá trị chung của nước thải trong công đoạn sản xuất bia 7

Bảng 2 2 Đặc t nh nước thải một số nhà máy sản xuất bia 8

Bảng 2 3 Thông số nước thải đầu vào thiết kế HTXLNT Nhà máy bia Sabmiller 12

Bảng 2.4 Một số giống vi khuẩn và chức năng của chúng 16

Bảng 2.5 Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitrogen trong nước 20

Bảng 2.6 Thông số các loại giá thể Anox Kaldnes 25

Bảng 2.7 Hiệu quả xử l đặc trưng của hệ MBBR 33

Bảng 2.8 So sánh thông số thiết kế của MBBR với các công nghệ khác 35

Bảng 3.1 Các thông số nước thải đầu vào của mô hình 41

Bảng 3.2 Thông số các loại giá thể sử dụng trong mô hình 41

Bảng 3 3 Các thông số vận hành trong giai đoạn thích nghi 48

Bảng 3 4 Các thông số vận hành ở thí nghiệm 1 và 2 49

Bảng 3 5 Các thông số vận hành ở thí nghiệm 3, 4, 5 50

Bảng 3 6 Thời gian thực nghiệm mô hình trên giá thể K1 51

Bảng 3 7 Diễn giải các vị trí lấy mẫu 52

Bảng 3 8 Phương pháp ph n t ch các ch tiêu 52

Bảng 4 1 Kết quả phân tích tại OLR=0.6KgCOD/m3.ngày trên giá thể K3 55

Bảng 4.2 Kết quả phân tích tại OLR=0.6KgCOD/m3.ngày trên giá thể K1 58

Bảng 4 3 So sánh kết quả vận hành mô hình MBBR trên hai loại giá thể 74

Bảng 4 4 T m tắt các giá trị sau thí nghiệm 80

Bảng 4 5 So sánh một số ch tiêu thiết kế HTXLNT Sabmiller với nước thải hiện tại 81

DANH MỤC HÌNH

ình 2 1 Công nghệ sản xuất bia và các dòng thải 7

ình 2 2 Sơ đồ công nghệ xử l nước thải sản xuất ia điển hình 10

ình 2 3 Sơ đồ công nghệ xử l nước thải nhà máy bia Sabmiller 13

ình 2 4 T LNT nhà má ia Sa miller 14

Hình 2.5 Sự chuyển hóa nitrogen trong quá trình chuyển hóa sinh học 19

Hình 2.6 Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR 25

Hình 2.7 Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix-O 26

Hình 2.8 Sự phát triển của lớp màng biofilm ở n ngoài t hơn n trong 27

Hình 2.9 Mặt cắt lớp màng vi sinh trên giá thể K1 28

Hình 2.10 Nồng độ của chất nền theo chiều sâu lớp màng 28

Hình 2.11 Quy trình công nghệ tách sinh khối trong nước sau khi qua MBBR 30

Hình 2.12 Hệ MBBR khử chất hữu cơ và nitrogen 32

Hình 2.13 Công nghệ MBBR xử lý hữu cơ 32

Hình 2.14 Công nghệ MBBR để xử lý hữu cơ và phosphorus 33

Hình 2.15 AnoxKaldnesTM – bể MBBR độc lập 34

Hình 2.16 HybasTM – quy trình kết hợp 34

Hình 2.17 LagoonGuardTM – quy trình hồ sinh học 34

Hình 2.18 BasTM – quy trình kết hợp 35

ình 2 19 Sơ đồ công nghệ HTXLNT Nhà máy bia Sapporo 37

Hình 2.20 Giá thể K3 trong giai đoạn hình thành màng của Nhà máy bia Sapporo 38

Hình 2.21 HTXLNT Nhà máy bia Sapporo 39

Hình 3.1 Các loại giá thể sử dụng trên mô hình MBBR 42

ình 3 2 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 43

ình 3 3 Sơ đồ công nghệ mô hình MBBR 44

Hình 3.4 Mô hình MBBR thực tế 44

ình 3 5 K ch thước bể MBBR1-2 và bể lắng 45

ình 3 6 Các thiết bị chính trong mô hình MBBR 46

ình 3 7 Các phụ kiện trong mô hình 46

ình 3 8 T m tắt các nội dung th nghiệm 47

ình 3 9 Men vi sinh sử dụng nuôi cấy màng vi sinh 49

ình 3 10 Các vị trí lấy mẫu 51

ình 4 1 Bọt trắng nổi trên bề mặt bể phản ứng trong giai đoạn thích nghi 55

ình 4 2 Diễn biến p và DO trong giai đoạn thích nghi 56

ình 4 3 Màng vi sinh hình thành tr n giá thể K3 ngày thứ 3 và 20 57

ình 4 4 Diễn biến AGB của màng vi sinh và hiệu quả xử l COD trong giai đoạn thích nghi 58

ình 4 5 Bọt trắng xuất hiện trên bề mặt bể MBBR trong quá trình làm đầy bể 59

ình 4 6 Diễn biến p và DO trong giai đoạn thích nghi trên giá thể K1 60

ình 4 7 Diễn biến AGB của màng vi sinh và hiệu quả xử l COD trong giai đoạn thích nghi 60

ình 4 8 Màng vi sinh hình thành tr n giá thể K1 ngày thứ 7 và ngày thứ 20 61

ình 4 9 Diễn biến pH và DO ở tải trọng OLR=1.5KgCOD/m3 ngày trên giá thể K3 62

ình 4 10 Diễn biến COD và AGB ở tải trọng OLR=1.5KgCOD/m3.ngày trên giá thể K3 63

ình 4 11 Diễn biến TN và TP ở tải trọng OLR=1.5KgCOD/m3 ngày trên giá thể K3 63

ình 4 12 Diễn biến pH thí nghiệm trên giá thể K3 64

ình 4 13 Diễn biến DO thí nghiệm trên giá thể K3 66

ình 4 14 iệu quả xử lý COD thí nghiệm trên giá thể K3 66

ình 4 15 iệu quả xử lý TN, TP thí nghiệm trên giá thể K3 67

ình 4 16 Diễn biến AGB của màng vi sinh trên giá thể K3 68

ình 4 17 Màng vi sinh hình thành trên giá thể K3 ngày thứ 78 và 95 69

ình 4 18 Diễn biến pH thí nghiệm trên giá thể K1 70

ình 4 19 Diễn biến DO thí nghiệm trên giá thể K3 71

ình 4 20 iệu quả xử lý COD thí nghiệm trên giá thể K1 71

ình 4 21 iệu quả xử lý TN, TP trên giá thể K1 72

ình 4 22 Diễn biến AGB của màng vi sinh trên giá thể K1 73

ình 4 23 Màng vi sinh hình thành tr n giá thể K1 ngày thứ 56 và 77 74

ình 4 24 Diễn biến pH và DO ở thí nghiệm 5 76

ình 4 25 Diễn biến AGB và hiệu quả xử lý COD ở thí nghiệm 5 76

ình 4 26 Màng vi sinh ám d nh tr n giá thể ở hai bể MBBR trong thí nghiệm 5 77

ình 4 27 iệu quả xử lý TN, TP ở thí nghiệm 5 77

ình 4 28 Diễn biến pH và DO ở thí nghiệm 9 78

ình 4 29 Diễn biến AGB và hiệu quả xử lý COD ở thí nghiệm 9 78

ình 4 30 Màng vi sinh ám d nh tr n giá thể ở hai bể MBBR trong thí nghiệm 9 79

ình 4 31 iệu quả xử lý TN, TP ở thí nghiệm 9 79

ình 4 32 Sơ đồ công nghệ đề xuất áp dụng MBBR cho nhà máy bia Sabmiller 82

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AGB màng vi sinh phát triển bám dính (Attached Growth Biofilm)

BOD5 Nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày (Biochemical Oxygen Demand 5 days) COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

DO Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

F/M T số cơ chất/vi sinh ( ood/Microorganism)

HRT Thời gian lưu nước thủy lực (Hydraulic Retention Time)

MBBR Xử lý sinh học với giá thể lơ lửng (Moving Bed Biofilm Reactor) MLSS àm lượng chất rắn lơ lửng ( Mixed Liquor Suspended Solids)

MLVSS àm lượng chất rắn lơ lửng a hơi (Mi ed Liquor Volatile Suspended

Solid) OLR Tải trọng chất hữu cơ (Organic loading rate)

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

SRT Thời gian lưu ùn (Sludge retention time)

TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid)

SV Thể tích lắng của bùn (Sludge Volume)

SVI Ch số thể tích bùn (Sludge Volumn Index)

TKN Tổng nitơ Kjeldahl (Total Kjeldahl nitrogen)

TN Tổng nitơ (Total Nitrogen)

TP Tổng Phốtpho (Total Phosphorus)

VFA Acid béo bay hơi (Volatile at cid)

SALR Tải trọng bề mặt (Surface Area Loading Rate)

SARR Tải trọng bề mặt xử lý (Surface Area Removal Rate)

UASB Bể xử lý sinh học kỳ khí dòng chả ngược (Up-ward flow Anaerobic

Sludge Blanket) KCN Khu công nghiệp

CHƯ NG 1

MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Bia được được con người biết đến từ rất lâu, nhiều chứng cứ cho thấy nó có từ hơn 5000 năm trước Công nguyên Ngành công nghiệp bia bắt đầu ở Việt Nam cách

đ tr n 100 năm Hiện nay, nhu cầu sống của xã hội ngà càng tăng cao: nhu cầu giải

tr vui chơi thưởng thức những điều thú vị mới, và bia là một trong những đồ uống được ưa chuộng nhiều nhất để sử dụng trong các hoạt động này do đ ch trong thời gian ngắn, ngành sản xuất ia đã c những ước phát triển mạnh mẽ Các nhà máy bia được đầu tư và dựng rất nhiều Ngoài việc sản xuất ia các nhà má nà cũng thải

ra một lượng lớn nước thải mang đặc trưng của ngành Nước thải do sản xuất rượu bia thải ra thường c đặc tính chung là ô nhiễm hữu cơ rất cao nước thải thường có màu

ám đen và khi thải vào các thủy vực đ n nhận thường gây ô nhiễm nghiêm trọng do

sự phân hủy của các chất hữu cơ diễn ra rất nhanh Th m vào đ là các hoá chất sử dụng trong quá trình sản xuất như CaCO3, CaSO4, H3PO4, NaOH, Na2CO3…Những chất này cùng với các chất hữu cơ trong nước thải có khả năng đe dọa nghiêm trọng tới thủy vực đ n nhận nếu không được xử lý hợp lý

Khu vực phía Nam hiện na đang c nhiều thương hiệu bia nổi tiếng với quy

mô sản xuất lớn như nhà má ia Sài n nhà má ia Việt Nam, nhà máy bia

Sa miller nhà má ia Sapporo… Các nhà má ia nà đã đầu tư rất kỹ lưỡng ngay từ đầu cho công tác xử l nước thải để giảm thiểu ô nhiễm khi xả thải ra nguồn tiếp nhận Tuy nhiên, công suất của nhà máy có thể nâng lên trong một giai đoạn nhất định hoặc theo thời gian sẽ mở rộng quy mô sản xuất và điều cần thiết khi này là phải có biện pháp vận hành, cải tạo để HTXLNT có thể đáp ứng tốt yêu cầu vận hành mới

Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí truyền thống dựa trên hoạt động của vi sinh vật lơ lửng (quá trình bùn hoạt tính) có hiệu quả đối với chất hữu cơ và dinh dưỡng nhưng vẫn còn một số vấn đề đi k m như khả năng lắng của bùn, cần khối tích phản ứng và lắng lớn, tiêu tốn năng lượng dòng tuần hoàn [12]

Trong khi đ quá trình màng sinh học với giá thể di động (MBBR) đã được phát triển ở Nauy từ thập ni n 80 MBBR đạt được hiệu quả xử lý sinh học cao cơ ản dựa trên sự kết hợp lợi điểm của quá trình bùn hoạt tính và quá trình màng sinh học

Từ những tính chung của các vấn đề n u tr n gi p tôi ác định tính cần thiết khi

lựa chọn đề tài: n c u ng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) để xử lý nước thải sản xuất bia”

1.2 MỤC TI U NGHI N CỨU

Nghi n cứu đánh giá hiệu quả ử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng của mô hình MBBR hiếu khí bằng giá thể K3 và K1 ở các tải trọng 1 kg COD/m3ngà đ m; 1.5 kg COD/m3ngà đ m; 3 kg COD/m3ngà đ m và 4 5 kg COD/m3ngà đ m

Đề xuất phương án áp dụng vào HTXLNT của nhà máy bia Sabmiller khi cần tăng công suất hoạt động

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHI N CỨU

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Thu thập thông tin và tổng quan các tài liệu li n quan đến các phương pháp ử lý nước thải sản xuất bia hiện nay

Thu thập thông tin và tổng quan các tài liệu liên quan đến hiệu quả xử l nước thải sản xuất bia của phương pháp MBBR

Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm về công nghệ xử l nước thải sản xuất bia bằng phương pháp ử lý MBBR, gồm có:

 Thiết lập mô hình xử l và phương pháp vận hành mô hình

 Sử dụng giá thể K3 cho mục đ ch nghi n cứu

 Sử dụng giá thể K1 cho mục đ ch nghi n cứu

 Vận hành mô hình thực nghiệm với tải trọng khác nhau

 Lấy mẫu, phân tích các ch tiêu ô nhiễm của mô hình nghiên cứu theo các vị trí nghiên cứu nhất định

 Đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp MBBR vào HTXLNT của nhà máy bia Sabmiller

1.3.2 Phạm vi nghi n cứu

Thực nghiệm được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm (bench-scale

experiments) đặt tại nhà hóa chất Nhà máy bia Sabmiller, KCN Mỹ Phước II, huyện

Bến Cát, t nh Bình Dương

 Sử dụng mô hình thí nghiệm bao gồm:

 Mô hình hiếu khí với giá thể K3

 Mô hình hiếu khí với giá thể K1

 Đánh giá hiệu quả xử lý COD và chất dinh dưỡng với các tải trọng hữu cơ lần lượt là: 1, 1.5, 3, 4.5 kg COD/m3.ngày

Nước thử nghiệm: nước thải sản xuất bia được lấy từ bể cân bằng và sau bể UASB của HTXLNT Nhà máy bia Sabmiller

Nghiên cứu được tiến hành trong khoảng thời gian từ 01/05/2012 – 15/12/2012

1.4 PHƯ NG PHÁP NGHI N CỨU

1.4.1 Phư ng ph p hồi cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài, các thông tin, tài liệu, số liệu về đối tượng nghiên cứu trên tất cả các nguồn như: sách áo giáo trình tạp ch internet… sẽ được thu thập và sưu tầm Những tài liệu, số liệu này sẽ được lựa chọn, phân tích, tổng hợp làm cơ sở cho việc định hướng và thực hiện nghiên cứu

1.4.2 Phư ng ph p th nghiệm v ph n t ch

Toàn bộ kỹ thuật lấy mẫu và phân tích các ch ti u môi trường được tiến hành theo đ ng các qu định của tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế (theo Standard Methods)

1.4.3 Phư ng ph p nghi n cứu mô h nh

Khảo sát hiệu quả xử lý COD và chất dinh dưỡng trên mô hình MBBR hiếu khí

1.4.4 Phư ng ph p ử lý số liệu

Sử dụng các phương pháp qu hoạch thực nghiệm để phân tích và tối ưu hoá quá trình thí nghiệm Đồng thời xử lý số liệu kết quả thí nghiệm bằng phần mềm Excel

1.4.5 T nh mới của đề t i v ý nghĩa thực tiễn

Ở Việt Nam hiện nay, nghiên cứu về hệ thống MBBR để xử l nước thải của các ngành sản xuất đặc trưng như nước thải sản xuất bia ch ở ước đầu và đang hạn chế về số lượng Chính vì vậy việc lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài là hoàn toàn mới và hợp lý

Kết quả nghiên cứu là cơ sở an đầu để ứng dụng cho một hệ thống MBBR mới hoặc cải tạo, nâng cấp hệ thống cũ

CHƯ NG 2 TỔNG QUAN

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA

2.1.1 Quá trình sản xuất bia [2]

Các nhà máy bia trên thế giới ngà na đều dùng nguyên liệu là th c malt (đại mạch nảy mầm) khoảng 70% và các loại bột như gạo, ngô, mạch (không phải malt) khoảng 30%, ngoài ra còn dùng hoa hublon, các loại bột trợ lọc như diatomit entonit…

2.1.1.1 Quy trình chung

Quy trình sản xuất bia bao gồm các công đoạn như sau:

 Nấu – đường hóa: nấu bột và trộn với malt, cho thủy phân dịch bột thành đường, lọc b bã các loại bột, bã hoa hublo Nước thải của công đoạn này giàu các chất h drocac on enlulozơ pentozơ trong v trấu, các mảnh hạt và bột, các cục v n… cùng với các xác hoa, một ít tannin, các chất đắng, chất màu

 Công đoạn lên men chính và lên men phụ: nước thải của công đoạn này rất giàu xác men – chủ yếu là protein, các chất khoáng, vitamin cùng với bia cặn

 iai đoạn thành phẩm: lọc, bão hòa CO2, chiết lock đ ng chai hấp chai Nước thải ở đ chứa bột trợ lọc lẫn xác men, lẫn bia chả tràn ra ngoài…

 Nước rửa chai và téc chứa

 Nước rửa sàn, phòng lên men, phòng trữ

 Nước thải từ nồi hơi

 Nước thải sinh hoạt

 Nước thải từ hệ thống làm lạnh có chứa hàm lượng chloride cao (tới 50mg/l), carbonate thấp

n Công nghệ sản xuất bia và các dòng thải

N i chung nước thải trong các công đoạn sản xuất chứa nhiều các chất hữu cơ

Lên men chính, phụ

Lọc bia Bão hòa CO2

Chiết chai, lon

Bã malt

Nước thải

Bã malt

ản N ưỡng giá trị chung của nước thải tron côn đoạn sản xuất bia

men, ch số này sẽ cao hơn rất nhiều)

Tải trọng BOD5 500 Kg/ngày (với xí nghiệp có công suất

16 triệu l t/năm khoảng 80,000 l/ngày)

Các chất hữu cơ (các hợp chất hydrocacbon, protein, acid hữu cơ cùng các chất tẩy rửa) có nồng độ cao, nồng độ các chất rắn, thô, hoặc kết lắng thấp

Nước rửa chai cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong công nghệ sản xuất bia Về nguyên lý, chai có thể đ ng ia được rửa qua các ước: rửa với nước nóng, rửa bằng dung dịch kiềm loãng nóng (1 – 3% NaOH), tiếp đ là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngoài chai và cuối cùng là phun kiềm nóng rửa bên trong và bên ngoài chai sau đ là rửa sạch bằng nước n ng và nước lạnh Do đ d ng thải của quá trình rửa chai c độ pH cao và làm cho dòng thải chung c độ pH kiềm tính

Trong sản xuất ia nước thải ít tha đổi từ nhà máy này sang nhà máy khác, sự khác nhau có thể ch là áp dụng phương pháp l n men nổi ha men chìm Nhưng sự khác nhau cơ ản là vấn đề sử dụng nước cho quá trình rửa chai, lon, máy móc thiết bị, sàn nhà… Điều đ dẫn đến tải lượng nước thải và hàm lượng các chất ô nhiễm của nhà máy bia rất khác nhau Ở các nhà máy bia có biện pháp tuần hoàn nước và công nghệ rửa tiết kiệm nước thì lượng nước thải thấp Định mức nước cấp: 4 – 8 m3/1000 lít bia, lượng nước thải: 2.5 – 6 m3/1000 lít bia

Với các biện pháp sử dụng nước hiệu quả nhất thì định mức nước thải của nhà máy bia không thể thấp hơn 2 – 3 m3/1000 lít bia sản phẩm

ản 2.2 Đặc tín nước thải một số nhà máy sản xuất bia [2]

TN mg/l 48 – 348

Tải lượng nước thải m3/1000 lít bia 4 – 8

Trọng trọng ô nhiễm KgBOD5/1000 lít bia 3 – 6

Lưu lượng dòng thải và đặc tính dòng thải trong công nghệ sản xuất bia còn biến đổi theo chu kỳ và mùa sản xuất

Do đặc t nh nước thải của công nghệ sản xuất bia có chứa hàm lượng hữu cơ cao ở trạng thái hòa tan và trạng thái lơ lửng trong đ chủ yếu là hydrocacbon, protein

và các acid hữu cơ là các chất có khả năng ph n hủy sinh học T lệ BOD5/COD nằm trong khoảng từ 0.5 – 0.7 nên thích hợp với phương pháp ử lý sinh học Tuy nhiên,

trong những trường hợp thiếu các chất dinh dưỡng như nitrogen phosphorus cho quá

trình phát triển của vi sinh vật, cần phải bổ sung kịp thời

Nước thải trước khi đưa vào ử lý sinh học cần phải qua sàng, lọc để tách các tạp chất thô như giấy nhãn, nút bấc và các loại hạt rắn khác Đối với dòng thải rửa chai

có giá trị pH cao cần được trung hòa bằng khí CO2 của quá trình lên men hay bằng khí thải của nồi hơi

2.1.3 Công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia

2.1.3.1 Xử lý sơ bộ nước thải

Nước thải rửa chai lọ và téc cần qua một sàn tuyển để loại b mảnh thủy tinh vỡ

và nhãn giấ Nước thải sản xuất h n hợp cần cho các bể tách dầu trước khi xử lý sinh học

Nước thải sản xuất và nước thải vệ sinh tập trung vào một hệ thống được xử lý bằng bể sục một giai đoạn: nước làm lạnh và nước mưa thải vào nơi tiếp nhận không cần xử lý

Quy trình công nghệ xử l nước thải của các nhà máy bia thường chọn phương pháp sinh học hiếu khí với kỹ thuật bùn hoạt tính

2.1.3.2 Xử lý sinh học

Trong HTXLNT công nghiệp ia thường dùng các phương pháp sinh học sau:

 Phương pháp ùn hoạt tính (Aerotank) với tải lượng bùn F/M = 0.05 – 0.1 KgBOD5/Kgbùn/ngày và SV tới 270 ml/l Do hàm lượng hữu cơ dạng hydrocacbon cao, nếu thiếu chất dinh dưỡng như nitrogen phosphorus thì quá trình dễ sinh ra vi sinh dạng sợi và bùn khó lắng Càng hạn chế bã men trong nước thải, vận hành thiết bị với tải trọng bùn không cao sẽ hạn chế được quá trình tạo bùn dạng sợi

H n 2.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia điển hình [2]

 Phương pháp màng sinh học hiếu khí: với các thiết bị dạng tháp, trong có lớp đệm bằng các hạt nhân tạo (nhựa, g …) loại nà thường có tải trọng thể tích từ

1 – 1.6 KgBOD5/m3.ngày và tải lượng bùn F/M = 0.4 – 0.64 Kg/m3.ngày

 Hồ sinh học hiếu khí: có thể gồm một hoặc nhiều hồ nối tiếp hay song song được sục khí, vận hành với tải lượng thể tích tối đa từ 0.025 – 0.03 KgBOD5/m3 ngà và sau đ c ể lắng với thời gian lưu là 1 ngà Đá hồ phải chống thấm và đ i h i diện tích lớn (100m2/1000 lít bia sản phẩm.ngày)

 Phương pháp kị khí sử dụng để xử l nước thải c lượng chất hữu cơ ô nhiễm cao (COD > 2000 mg/l) Do phương pháp ếm khí c ưu điểm lượng bùn sinh

ra ít, tiêu tốn t năng lượng (không cần sục khí) và tạo ra khí methane có giá trị năng lượng nên nhiều nhà má ia trong và ngoài nước đã sử dụng phương pháp nà để xử l nước thải

 Hoặc do yêu cầu của dòng thải ra nước thải bia cần được xử lý kỳ kh trước để làm giảm tải trọng ô nhiễm trước khi đưa vào ử lý hiếu khí, kết hợp giữa phương pháp ử lý hiếu khí và kỳ khí

2.1.4 Tổng quan HTXLNT nhà máy bia Sabmiller [3, 5]

 Công ty TNHH Sabmiller Việt Nam

 Địa ch : Lô A, KCN Mỹ Phước 2, huyện Bến Cát, t nh Bình Dương

4 Các côn đoạn sản xuất bia

Bùn hồi lưu

Loại dầu, lắng

Bể lắng Chắn rác

Bể nén bùn

Bùn dư

Nước lắng bùn

Ép bùn Làm phân

compost

Khử trùng

Nước thải đầu ra

a Nguyên vật liệu

Đại mạch và gạo được vận chuyển bằng container và được kiểm tra chất lượng trước khi nhập vào các bồn chứa Hệ thống nhập tự động sẽ chuyển đại mạch và gạo vào trong các silo bồn chứa Trong quá trình nhập liệu, những chất bẩn như đá rơm rạ… sẽ bị loại b bằng hệ thống sàn ray trong khi nhập vào silo bồn chứa bao gồm 2 silo chứa đại mạch (300 tấn/silo) và 1 silo chứa gạo (50 tấn)

Các nguyên liệu khác phù hợp với tiêu chuẩn thực phẩm (houlon, hóa chất, bột lọc…) cũng được qua khâu kiểm nghiệm trước khi đưa vào sản xuất

b Nấu dịch đường

Đại mạch và gạo ở tỷ lệ nhất định được nghiền nát và hòa với nước cho vào nồi nấu H n hợp nà được gia nhiệt để tr ch l đường và chất đạm c trong đại mạch và gạo H n hợp sau đ được đem lọc để tách dịch đường Bã hèm chuyển vào bồn chứa

để dùng cho thức ăn gia s c Dịch đường được làm trong và làm lạnh chuyển vào bồn lên men sẵn sàng cho giai đoạn lên men Toàn bộ quá trình này hoàn toàn tự động và được điều khiển bằng hệ thống máy tính

c Lên men

Trong quá trình chuyển dịch đường lạnh vào bồn lên men, men và không khí được thêm vào và quá trình lên men bắt đầu Men sẽ chuyển h a đường có trong dịch đường thành cồn, khí carbonic và hương thơm đặc trưng cho ia Quá trình lên men được thực hiện trong khoảng thời gian qu định bao gồm 02 giai đoạn ch nh: giai đoạn lên men chính ở nhiệt độ từ 12 – 150C và giai đoạn tồn trữ ở nhiệt độ 0 – (-10C) Men được thu hồi ở cuối quá trình l n men và được sử dụng lại cho những mẻ sau Khí carbonic thoát ra trong quá trình l n men được thu hồi và dùng cho các quá trình lọc và chiết bia

d Lọc

Bia sau khi l n men được dẫn qua hệ thống lọc có chứa bột trợ lọc và bột ổn định lọc để tách men còn sót lại trong quá trình lên men và những cặn khác Bia trong được phối trộn với nước ngậm kh car onic để đạt được độ đường, cồn theo như sản phẩm mong muốn Bia tươi được giữ trong các bồn chứa sẵn sàng để chiết vào chai

e Đ ng gói tự động

Chai thu hồi về từ thị trường được rửa bằng xút nóng và làm sạch bằng nước nhiều lần trong máy rửa chai tự động Chai sau khi rửa được KCS kiểm tra định kỳ độ sạch và độ pH của nước đọng lại trong chai Đồng thời máy kiểm tra tự động sẽ kiểm tra từng chai đi vào trong má chiết bia Tất cả các chai còn nhãn, vật lạ trong chai, xút

dư chai mẻ, chai lạ… sẽ bị loại ra

Bia tươi dẫn từ các bồn chứa được chết vào chai Hệ thống đ ng nắp tự động sẽ

đ ng k n nắp chai nga sau khi ia được chiết Tốc độ chiết chai là 30,000 chai/giờ

Chai ia được dán nhãn, in mã sản xuất và gắp tự động vào trong két nhựa Két nhựa được chất tự động lên pallet và chuyển qua kho thành phẩm chờ phân phối

2.1.4.2 Đặc trưn các n uồn nước thải:

(bao gồm nước thải sinh hoạt v nước thải sản xuất)

Nước thải sinh hoạt: đáp ứng cho số lượng 100 nhân viên của công ty với định mức khoảng 8m3/ngày

Nước thải sản xuất:

 Nước làm lạnh nước ngưng: được sử dụng tuần hoàn theo chu trình khép

k n n n lượng nước thải nà không đáng kể và hầu như không ô nhiễm Do

đ c thể thải trực tiếp đến nguồn tiếp nhận

 Nước thải vệ sinh các thiết bị như ồn nấu, bồn lọc, bồn l n men đường ống chứa bã hèm, tinh bột ã hoa ia ã men…

 Nước thải công đoạn rửa chai: trước ti n chai được rửa bằng dung dịch kiềm loãng nóng (1 – 3% NaO ) để rửa sạch chất bẩn và nhãn chai sau đ được rửa lại bằng nước sạch và thanh trùng Do đ nước thải từ quá trình rửa chai

c p cao và cũng chứa các chất ô nhiễm hữu cơ (do ia và các chất khác trong quá trình lưu thông v chai gây ra)

 Lưu lượng nước thải trong quá trình sản xuất bia khoảng 12 8 l t nước thải/1 lít bia thành phẩm

ản .3 Thông số nước thải đầu vào thiết kế HTXLNT Nhà máy bia Sabmiller

n .3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia Sabmiller

Nước thải từ các công đoạn sản xuất của nhà má được thu gom về hệ thống xử

l Trước khi vào bể gom nước thải được dẫn qua thiết bị lược rác thô để loại b chất rắn c k ch thước lớn hơn 20mm ra kh i dòng thải

Bùn

dư

Thiết bị đốt khí

Từ bể tập trung nước thải được 2 ơm chìm ơm l n thiết bị lược rác tinh với công suất cực đại là 168 m3/h để loại b cặn rắn c k ch thước lớn hơn 0 5mm Sau đ nước sẽ tự chảy qua bể cân bằng Bể cân bằng có nhiệm vụ điều h a lưu lượng và các thành phần BOD COD… của nước thải Bể cẩn bằng được bố trí hệ thống khuấy chìm nhằm tạo sự xáo trộn tránh hiện tượng lắng cặn và phân hủy kỳ khí trong hệ bể này, đồng thời tạo môi trường đồng nhất cho dòng thải trước khi qua các ước xử lý tiếp theo Tại đ 1 má ơm trục ngang công suất 84 m3/h sẽ chuyển nước thải từ bể cân bằng lên các bể xử lý sinh học yếm khí UASB

Trong bể Aerotank, quá trình xử lý sinh học hiếu khí diễn ra nhờ vào lượng oxy

h a tan trong nước, một lượng oxy thích hợp được cung cấp cho bùn hoạt t nh để phân hủy các chất hữu cơ

Từ bể erotank nước thải chảy vào bể lắng, tại đ diễn ra quá trình tách bùn hoạt t nh và nước thải đã ử lý Từ bể lắng nước thải chảy vào bể chứa nước sau xử

lý, tại đ một phần nước được dẫn sang hồ cá (nếu có) phần còn lại được dẫn sang bể tiếp c và được khử trùng bằng dung dịch chlorine Nước thải sau khử trùng được xả vào hệ thống thoát nước của KCN Mỹ Phước 2

Côn đoạn xử lý bùn:

n .4 HTXLNT nhà máy bia Sabmiller

Bùn hoạt t nh dưới đá ể lắng được thu gom vào hố trung tâm bởi thiết bị gạt bùn Một phần bùn hoạt t nh được ơm tuần hoàn trở về bể erotank để duy trì chức năng sinh học và giữ nồng độ bùn trong bể này ở mức cố định Lượng ùn dư sẽ được ơm vào bể nén bùn từ nồng độ 1%DS l n 2 5%DS sau đ được ơm vào thiết bị keo tụ bùn, trộn đều với pol mer sau đ toàn ộ h n hợp đi vào thiết bị ép ùn ăng tải Bánh ùn sau khi ép được đổ vào thiết bị thu bùn thô và chuyển đi chôn lấp hoặc bón cây

Nước dư từ bể nén ùn và má ép ùn được thu gom và chảy về trạm ơm nước thải để tiếp tục xử lý

Khí biogas sinh ra từ bể U SB được thu gom và đốt bằng thiết bị đốt tự động đặt trên bể UASB, khi hệ thống hoạt động ổn định lượng khí này có thể được thu hồi

để phục vụ cho việc vận hành l hơi

Nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 24:2009/BTNMT loại A

2.2 TỔNG QUAN CÁC PHƯ NG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC

Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử l nước thải sinh hoạt là

sử dụng hiệu quả sống và hoạt động của các vi sinh vật c ch để phân hủy các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải

Ưu điểm : rẻ tiền, sản phẩm phụ của quá trình có thể tận dụng làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí methane)

2.2.1.1 Xử lý sinh học s n trưởn lơ lửng

Quá trình bùn hoạt t nh là quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, chúng sống tập trung kết dính lại với nhau thành hạt bùn hoặc những bông bùn với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%), những bông bùn hay hạt bùn này còn được gọi là bùn hoạt t nh c k ch thước khoảng từ 50 đến 200µm, màu vàng nâu và dễ lắng Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là phần chất rắn của rong rêu, tảo Những sinh vật sống trong ùn thường là vi khuẩn đơn ào hoặc đa ào nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn các động vật nguyên sinh và hạ đẳng d i giun đôi khi là các ấu trùng sâu bọ vai tr cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn, có thể chia làm 8 nhóm:

1 Pseudomonas

2 Achrobacter

3 Enterobacteriaceae

4 Athrobacter bacillus

5 Alkaligenes- Achromobacter

6 Cytophaga- Flavobacterium

7 Pseudomonas- Vibrio aeromonas

8 H n hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micrococus

Trong nước thải các tế bào của loài Zooglea có thể sinh ra bao nhầy xung quanh

tế bào có tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khó lắng và các chất g mùi…

và phát triển các hạt bông cặn Các hạt bông cặn này khi kuấy trộn và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt rắn lơ lửng nh , tế bào vi sinh vật ngu n sinh động vật và các chất độc Trong bùn hoạt t nh luôn c động vật ngu n sinh mà đại diện là

Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác Quan

hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn là quan hệ “mồi – th ” thuộc cân bằng động chất hữu cơ – vi khuẩn – động vật nguyên sinh Khi bùn lắng xuống, hoạt tính bùn giảm gọi là “ ùn già” oạt tính của bùn có thể được hoạt hóa trở lại bằng cách cung cấp đầ đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ Phần lớn các vi sinh vật c đều khả năng xâm chiếm, bám dính trên bề mặt vật rắn khi c cơ chất, muối khoáng và oxy tạo nên màng sinh học dạng nhầ c màu tha đổi theo thành phần nước thải từ vàng ám đến nâu tối Trên màng sinh học có chứa hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, nấm men,

và một số đông vật nguyên sinh khác Tuy nhiên, khác với hệ quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính thành phần loài và số lượng các loài trong màng sinh học là tương đối đồng nhất công thức bùn hoạt t nh thường dùng trong các tính toán là C5H7O2N

Một số giống vi khuẩn chính có trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng khi

tham gia xử l nước thải được trình bày trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Một số giống vi khuẩn và chức năn của chúng [2]

1 Pseudomonas Phân hủy hydratcacbon, protein, các chất hữu

cơ… và khử nitrate

2 Arthrobacter Phân hủy hydratcacbon

3 Bacillus Phân hủ h dratcac on protein…

4 Cytophaga Phân hủy các polymer

5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysaccarit), chất keo tụ

6 Acinetobacter T ch lũ pol phosphate khử nitrate

7 Nitrosomonas Nitrie hóa

STT Vi khuẩn Chức năng

8 Nitrobacter Nitrate hóa

9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân hủy các chất hữu cơ

10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrate

11 Flavobacterium Phân hủy protein

12 Nitrococcus denitrificans Khử nitrate (khử nitrate thành N2)

Bể phản ứng màng sinh học cho nhiều ưu điểm hơn các hệ thống sinh trưởng lơ lửng tru ền thống Một đặc t nh quan trọng của các hệ thống màng sinh học là c khả năng chịu đựng điều kiện sốc tải Những vật liệu giá thể với khả năng hấp phụ hoặc trao đổi ion cho phép n trở thành chất đệm nếu nồng độ của chất độc hại vượt quá khả năng chịu đựng của các vi sinh vật ơn nữa quá trình sinh trưởng ám d nh c thể ử

l nước thải c nồng độ ô nhiễm thấp Thông thường đối với hệ thống ùn hoạt t nh nếu giá trị BOD của nước thải thấp hơn 50 – 60 mg/l n sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của ùn Tu nhi n với các quá trình sinh trưởng ám d nh thì giá trị BOD5 của nước thải c thể giảm uống thấp từ 20 – 30 mg/l đến 5 – 10 mg/l Ngoài

ra quá trình sinh trưởng ám d nh c n dễ dàng quản l và c thể cắt giảm chi ph

ơn nữa trong quá trình ùn hoạt t nh tru ền thống MLVSS thường c thể du trì từ 1 500 – 3 000 mg/l trong ể hiếu kh và ùn được giữ ở trạng thái lơ lửng hoàn toàn Do đ nếu tải trọng hoặc hoặc nồng độ chất hữu cơ được nạp vào quá cao n sẽ

là ngu n nh n làm vi sinh vật chết và sinh khối khối ị trôi ra ngoài hoặc làm giảm hiệu quả lắng dẫn đến chất lượng nước đầu ra giảm Ngược lại quá trình sinh trưởng

ám d nh c thể du trì nồng độ sinh khối cao do các vi sinh vật được ám tr n ề mặt của vật liệu h trợ àm lượng MLVSS tối đa c thể đạt đến nồng độ 22 000 mg/l đến

150 000 mg/l gấp 7 – 20 lần so với quá trình ùn hoạt t nh tru ền thống

Quá trình sinh trưởng ám d nh c thể được chia thành hai nh m cơ ản sau:

a Quá trình sinh trưởn b m dín k ôn n ập nước

Lọc sinh học nh giọt với lớp vật liệu đệm bằng đá sử dụng t năng lượng, quy trình đơn giản thông thường được sử dụng để xử lý thứ cấp từ trước những năm 1900 Khái niệm về một bộ lọc sinh học nh giọt được hình thành từ việc sử dụng các bộ lọc tiếp xúc tại Anh vào cuối những năm 1890 Trong những năm 1950 giá thể bằng nhựa bắt đầu thay thế cho giá thể bằng đá tại Hoa Kỳ Việc sử dụng giá thể nhựa cho phép

xử lý tải trọng hữu cơ cao hơn tăng chiều cao của các bể lọc nên cải thiện được diện tích bể, hiệu quả của quá trình, và làm giảm tắc nghẽn

Trong thập ni n 1960 đĩa qua sinh học (RBC) được ứng dụng thực tế RBC gồm hàng loạt những đĩa tr n phẳng làm bằng polystyre hoặc polyvinylclorua lắp trên một trục bằng thép c đường kính tới 3 5m Các đĩa được đặt ngập một phần trong nước thải (thường chiếm 30 – 40% đường kính của đĩa) và oa tr n với vận tốc rất chậm, khoảng 1 – 3 vòng/phút Trong quá trình vận hành, các vi sinh vật sẽ sinh trưởng gắn kết trên bề mặt giá thể là và hình thành lớp màng sinh học trên bề mặt ướt của đĩa Khi đĩa qua lần lượt làm cho lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với không kh để hấp thụ oxy

b Qu trìn sin trưởn b m dín n ập nước

Các quá trình sinh trưởng bám dính ngập trong nước bắt đầu vào những năm

1970 và được mở rộng vào những năm 1980 như một lớp mới của quá trình sinh trưởng bám dính hiếu khí Trong hệ thống nước thải có thể được đưa vào từ dưới lên hoặc từ trên xuống trong bể phản ứng giá thể cố định và bể phản ứng tầng sôi Ưu điểm đặc biệt của hệ thống là ch cần diện tích nh ch bằng một phần năm tới một phần ba diện tích cần cho bể xử lý bùn hoạt tính

2.2.2 Phư ng ph p sinh học loại bỏ nitrogen

Nitrogen trong nước thải đô thị hiện diện ờ nhiều dạng khác nhau như nitrogen hữu cơ (protein và ure) và N-NH3 Việc loại b nitrogen có thể đạt được bởi 2 quá

trình cơ ản gồm quá trình đồng hóa và quá trình nitrate hóa - khử nitrate hóa Vi sinh vật đồng hóa N-NH3 để chuyển thành sinh khối

Đối với quá trình nitrate hóa - khử nitrate, nitrogen sẽ được loại b bởi 2 quá trình đ Trong giai đoạn đầu tiên, nitrate hóa là tiến trình sinh học trong đ N-NH3 sẽ được chuyển hóa thành nitrite và cuối cùng là nitrate, tất cả diễn ra trong quá trình hiếu khí Quá trình nitrate hóa diễn ra do các vi sinh vật tự dưỡng Quá trình loại b nitơ gồm 2 phản ứng, một là oxi hóa N-NH3 thành nitrie bởi vi khuẩn Nitrosomonas và từ

nitrie sang nitrate bởi vi khuẩn Nitro acter Trong giai đoạn thứ 2, nitrate chuyển hóa thành khí N2, quá trình khử nitrate hóa diễn ra trong điều kiện thiếu khí

Sự chuyển hóa nitrogen trong quá trình sinh học được mô tả trong hình 2.5

Hầu hết việc xử l nước thải sinh hoạt sử dụng quá trình sinh học đ là phương pháp

có hiệu quả và tiết kiệm trong việc loại b chất ô nhiễm hữu cơ

Hình 2.5 Sự chuyển hóa nitrogen trong quá trình chuyển hóa sinh học [8]

2.2.2.1 Quá trình khử Ammonia bằn p ươn p áp s n ọc

Quá trình ử l sinh học được ứng dụng trong việc khử ammonia và nitrate trong nước thải được ứng dụng một cách rộng rãi với nhiều qu trình công nghệ ử l ngà càng trở n n phổ iến từ đầu ti n là công nghệ SBR mương o h a đến những công nghệ gần đ như N MMO (Mulder 1995) C NON (Schmidt 2003) và SHARON (Hellinga, 1998)

Quá trình thông thường nitrogen trong nước thải được loại nhờ sự chu ển

h a của vi khuẩn đối với các hợp chất của nitrogen như N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- … thành nitrogen tự do nhờ quá trình nitrate hoá và khử nitrate (nitrification/denitrification)

Tổng kết các quá trình chu ển hoá nitơ trong nước thải ằng phương pháp sinh

Vi khuẩn

1b C5H7O2N + 5O2

4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O

Ammonification (hiếu khí)

Vi khuẩn

2 NH4+ + OH- NH3 + H2O Cân bằng

ammonia/ammonia

Không (quá trình vật lý)

5 NO2- + 0,5O2 NO3- Nitratation

Nitrobacter

N agilis Nitrospira Nitrococácus Nitrosocystics

STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật

6 C + 2NO3- 2NO2- + CO2 Denitratation

Denitrifying heterotrophic bacteria

6 + 7

5C + 2H2O + 4NO32N2 + 4HCO3- + CO2

-Denitrification

Heterotrophs: Pseudomonas Bacillus Alcaligenes Paracocácus

Ammonia- oxidizing bacteria

9a NH4+ + NO2- N2 + 2H2O Anammox (không tổng

hợp tế bào) Planctomycetales

9b

NH4+ + 1,32NO2- + 0,066HCO3- 1,02N2 + 0,26NO3- + 0,066CH2O0, 5N0, 15

+2,03H2O

Anammox (có tổng hợp tế bào) Planctomycetales

4 + 7

4NH4+ + 6O2 + 3C + 4HCO3- 2N2 + 7CO2 +

10H2O

Modified nitrogen removal

Bacteria

4 + 5 +

6

4NH4+ + 8O2 + 5C + 4HCO3- 2N2 + 9CO2 +

Khử nitơ tru ền thống (Traditional nitrogen

STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật

4 + 9 NH3 + 0,85O2 0,11NO3

- + 0,44N2 + 0,14H+ + 1,43H2O CANON

Nitrifying bacteria Planctomycetales

10

NH4+ + 0,75O20,5N2 + H+ + 1,5H2O

Các phản ng làm giảm pH của nước thải:

 Oxy hóa amonia:

NO3- + Cacbon hữu cơ  CO2 + N2 + H2O + OH

- Trùng ngưng photphate đơn tồn tại trong nước thải:

C2H4O2 + 0,16NH4+ + 1,2O2 + 0,2 PO43- 0,16C5H7O2N + 1,2CO2 + 0,2 (HPO3) +

+0,44 OH- + 1,44H2O

2.2.2.2 Quá trình Nitrate hoá

Quá trình nitrate hoá là quá trình o hoá hợp chất chứa nitơ đầu ti n là ammonia được chu ển thành nitrite sau đ nitrite được o h a thành nitrate Quá trình nitrate hoá diễn ra theo 2 ước li n quan đến 2 chủng loại vi sinh vật tự dưỡng

Bước 2 : Nitrite được chuyển thành nitrate bởi loài Nitrobacter

NO2- +0,5 O2 NO3- (2.2) Phương trình phản ứng (2 1) và (2 2) tạo ra năng lượng Theo Painter (1970) năng lượng tạo ra từ quá trình o hoá ammonia khoảng 66-84 kcal/mole ammonia và

từ o hoá nitrite khoảng 17 5 kcal/mole nitrite Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng

năng lượng nà cho sự sinh trưởng của tế ào và du trì sự sống Tổng hợp 2 phản ứng (2 1) và (2 2) được viết lại như sau:

NH4+ + 2 O2 NO3- + 2 H+ + H2O (2.3)

Từ phương trình (2 3) lượng O2 ti u thụ 4,57gO2/gN-NH4+ ị o h a trong đ

3 43g/g sử dụng cho tạo nitrite và 1 14g/g sử dụng cho tạo nitrate 2 đương lượng ion

H+ tạo ra khi o hoá 1 mole ammonia ion + trở lại phản ứng với 2 đương lượng ion icar onate trong nước thải Kết quả là 7 14 g độ kiềm CaCO3 ị ti u thụ/g N-NH4+ ị oxy hoá

2.2.2.3 Quá trình khử nitrate

Khử nitrate ước thứ hai theo sau quá trình nitrate hoá là quá trình khử nitrogen thành kh nitơ nitrous o ide (N2O) hoặc nitrite o ide (NO) được thực hiện trong môi trường thiếu kh (ano ic) và đ i h i một chất cho electron là chất hữu cơ hoặc vô cơ

ai con đường khử nitrate c thể ả ra trong hệ thống sinh học đ là:

 Đồng hóa: Con đường đồng hóa liên quan đến khử nitrate thành ammonia

sử dụng cho tổng hợp tế ào Nơi ảy ra khi ammonia không có sẵn độc lập với sự ức chế của oxy

 Dị hoá (hay khử nitrate) : Khử nitrate bằng con đường dị h a li n quan đến

sự khử nitrate thành oxide nitrite, oxide nitrous và khí nitơ

NO3- NO2- NO(g)  N2O (g)  N2(g)

Một số loài vi khuẩn khử nitrate được iết như: Bacillus, Pseudomonas,

Methanomonas, Paracocácus, Spirillum, v Thiobacillus, Achromobacterium, Denitrobacillus, Micrococus, Xanthomonas (Painter 1970) ầu hết vi khuẩn khử

nitrate là dị dưỡng nghĩa là ch ng lấ car on cho quá trình tổng hợp tế ào từ các hợp chất hữu cơ B n cạnh đ vẫn c một số loài tự dưỡng ch ng nhận car on cho tổng

hợp tế ào từ các hợp chất vơ cơ V dụ loài Thiobacillus denitrificans oxy hoá nguyên

tố S tạo năng lượng và nhận nguồn car on tổng hợp tế ào từ CO2 tan trong nước ha HCO3-

Quá trình khử nitrate đ i h i phải cung cấp nguồn car on Điều nà c thể thực hiện ằng một trong a cách sau đ :

 Cấp nguồn carbon từ bên ngoài như methanol hoặc acetate

 Sử dụng BOD của ch nh nước thải làm nguồn carbon, thực hiện bằng cách: tuần hoàn lại phần lớn nước sau khi đã nitrate hoá đến vùng thiếu khí ở vị trí đầu công trình hoặc dẫn một phần nước thải thô đầu vào ha đầu ra sau xử lí

sơ ộ vào vùng chứa nitrate

 Sử dụng nguồn carbon của chính tế bào do quá trình hô hấp nội sinh

Độ kiềm sinh ra được t nh từ c n ằng phản ứng sau

2.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MBBR

2.3.1 Giới thiệu về công nghệ MBBR

MBBR có thể được thiết kế cho các hệ thống mới để loại b BOD/COD hoặc loại b nitrogen/phosphorus từ các d ng nước thải Hiện tại các nhà máy áp dụng công nghệ bùn hoạt tính có thể được nâng cấp để có thể khử nitrogen và phosphorus hoặc BOD/COD ở lưu lượng lớn Các vi khuẩn phát triển dần tiêu hóa các chất hữu cơ h a tan, từng ước trưởng thành trong môi trường đ

MBBR là một dạng của quá trình xử l nước thải bằng bùn hoạt tính bởi lớp màng sinh học (biofilm) Trong quá trình MBBR, lớp màng biofilm phát triển trên giá thể lơ lửng trong lớp chất l ng của bể phản ứng Những giá thể này chuyển động được trong chất l ng là nhờ hệ thống sục khí cung cấp o cho nước thải

Công nghệ MBBR là công nghệ kết hợp giữa các điều kiện thuận lợi của quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí và bể lọc sinh học Bể MBBR hoạt động giống như quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí trong toàn bộ thể tích bể Đ là quá trình ử lý bằng lớp màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá mang mà những giá mang này lại di chuyển tự do trong bể phản ứng và giá thể được giữ bên trong bể phản ứng bằng lưới chặn được đặt ở cửa ra của bể Bể MBBR không cần quá trình tuần hoàn bùn giống như các phương pháp ử lý bằng màng biofilm khác Bể MBBR gồm 2 loại: bể hiếu khí và bể thiếu khí

Hình 2.6 Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR

Trong bể hiếu khí sự chuyển động của các giá thể được tạo thành do sự khuếch tán của những bọt kh c k ch thước trung ình được cấp từ máy thổi Trong khi đ ở

bể thiếu kh thì quá trình nà được tạo ra bởi sự xáo trộn của các giá thể trong bể bằng cánh khuấy Hầu hết các bể MBBR được thiết kế ở dạng hiếu khí có lớp lưới chắn ở cửa ra ngà na người ta thường thiết kế lớp lưới chắn có dạng hình trụ đặt thẳng đứng hay nằm ngang

2.3.2 Giá thể di động

Bảng 2.6 Thông số các loại giá thể Anox Kaldnes

STT Loại giá thể Chất liệu K ch thước

(DxL)

Diện tích bề mặt riêng (m 2 /m 3 )

reactor

Hình 2.7 Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix-O

Nhân tố quan trọng của quá trình xử lý này là các giá thể động có lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt Những giá thể nà được thiết kế sao cho diện tích bề mặt hiệu dụng lớn để lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt của giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật khi những giá thể nà lơ lửng trong nước

Kaldnes Miljϕteknologi S đã phát triển những giá thể động có hình dạng và

k ch thước khác nhau Tùy thuộc vào đặc tính quá trình tiền xử lý, tiêu chuẩn xả thải

và thể tích thiết kế bể thì m i loại giá thể có hiệu quả xử lý khác nhau Hiện tại trên thị trường thì có 5 loại giá thể khác nhau: K1, K2, K3, Natrix và Biofin Chip M Thông số

các loại giá thể được trình bày ở bảng 2.6

Tất cả các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn so với tỷ trọng của nước, tuy nhiên m i loại giá thể có tỷ trọng khác nhau Điều kiện quan trọng nhất của quá trình xử lý này là mật độ giá thể trong bể để giá thể có thể chuyển động lơ lửng ở trong bể thì mật độ giá thể tối đa trong ể MBBR nh hơn 67% Trong m i quá trình xử lý bằng màng sinh học thì sự khuếch tán của chất dinh dưỡng (chất ô nhiễm) ở trong và ngoài lớp màng là nhân tố đ ng vai tr quan trọng trong quá trình xử lý, vì vậy chiều dày hiệu quả của lớp màng cũng là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý

Những nghiên cứu khác nhau đã chứng minh rằng nồng độ sinh khối trên một đơn vị thể tích của bể là 3 – 4 kg SS/m3, giống như quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính

lơ lửng Vì vậy, tải trọng thể tích của bể lớn do sinh khối hình thành trên lớp màng biofilm cao

Hình 2.8 Sự phát triển của lớp màng biofilm ở bên n o i ít ơn bên tron

Hiện tượng bào mòn các giá thể động xảy ra khi các giá thể chuyển động trong

bể lớn, các giá thể va chạm vào nhau, làm cho lớp màng hình thành trong giá thể dễ bong tróc và giảm hiệu quả của quá trình xử lý

2.3.3 Lớp màng biofilm

Lớp màng biofilm là quần thể các vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể Chủng loại vi sinh vật trong màng iofilm tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt t nh lơ lửng Hầu hết các vi sinh vật trên màng biofilm thuộc loại dị dưỡng (chúng

sử dụng cacbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế Các vi sinh vật tùy tiện có thể sử dụng oxy hòa tan trong h n hợp nước thải, nếu oxy hòa tan không có sẵn thì những vi sinh vật này sử dụng Nitrite/Nitrate như là chất nhận điện tử Tại bề mặt của màng biofilm và lớp chất l ng ứ động để phân lập lớp màng biofilm với chất l ng được xáo trộn trong bể phản ứng Chất dinh dưỡng và oxy khuếch tán qua lớp chất l ng ứ động từ h n hợp chất l ng xáo trộn trong bể MBBR tới lớp màng biofilm Trong khi chất dinh dưỡng và oxy khuếch tán thông qua lớp ứ đọng tới lớp màng biofilm, sự phân hủy sinh học sản xuất ra những sản phẩm khuếch tán từ lớp màng biofilm tới h n hợp chất l ng được xáo trộn trong bể MBBR Quá trình khuếch tán vào và ra lớp màng biofilm vẫn tiếp tục xảy ra Khi các vi sinh vật phát triển, sinh khối phát triển và ngà càng dà đặc Bề dày của sinh khối ảnh hưởng đến hiệu quả hòa tàn oxy và chất bề mặt trong bể phản ứng đến các quần thể vi sinh vật

Biofilm

Protozo

a Khe khoảng trống cho phép

d ng nước thải di chuyển