Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải giàu chất hữu cơ trên mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao EGSB expanded granular sudge beg

Hiện trạng sử dụng và hiệu quả xử lí của công nghệ EGSB đang được triển khai trên Thế giới và một số loại hình công nghệ yếm khí xử lí nước thải giầu chất hữu cơ đang áp dụng ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

ĐINH QUANG TRUNG

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ

XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ TRÊN MÔ HÌNH THIẾT

BỊ XỬ LÝ KỴ KHÍ TỐC ĐỘ CAO EGSB (Expanded Granular Sudge Bed)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học

PGS TS NGUYỄN NGỌC LÂN

HÀ NỘI - 2013

MỤC LỤC

MỤC LỤC……… 2

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 8

1.1 Tổng quan về nước công nghiệp giầu chất hữu cơ của tại Việt Nam 11

1.1.1 Ngành sản xuất bia 11

1.1.2 Ngành sản xuất giấy và bột giấy 12

1.1.4 Ngành chế biến thủy sản 16

1.1.5 Ngành chế biến tinh bột sắn 17

1.2 Hiện trạng sử dụng và hiệu quả xử lí của công nghệ EGSB đang được triển khai trên Thế giới và một số loại hình công nghệ yếm khí xử lí nước thải giầu chất hữu cơ đang áp dụng ở Việt Nam 19

1.2.1 Hiện trạng sử dụng công nghệ EGSB trên thế giới 19

1.2.2 Một số loại hình công nghệ yếm khí xử lý nước thải giầu chất hữu cơ đang áp dụng tại Việt Nam 24

1.2.3 Phân tích so sánh công nghệ EGSB với các công nghệ khác 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC DẠNG THIẾT BỊ XỬ LÝ YẾM KHÍ NƯỚC THẢI GIẦU CHẤT HỮU CƠ 31

2.1 Cơ chế và tác nhân 32

2.1.1 Cơ chế phân giải yếm khí 32

2.1.2 Tác nhân sinh học 37

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lí yếm khí 38

2.2.1 Ảnh hưởng của pH 38

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 39

2.2.3 Ảnh hưởng của thành phần cơ chất (tỷ lệ C/N) 39

2.2.4 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm 40

2.2.5 Ảnh hưởng của thời gian lưu và tải lượng dòng vào thiết bị yếm khí 41

2.2.6 Ảnh hưởng của thế oxy hóa khử (hàm lượng H 2 ) trong giai đoạn tạo axetic 41

CHƯƠNG 3 ĐỐI TƯỢNG, MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

3.1 Đối tượng nghiên cứu 43

3.2 Mô hình thiết bị nghiên cứu 43

3.3 Phương pháp nghiên cứu 44

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 50

4.1 Tuyển chon, phân lập dạng vi sinh trong công nghệ EGSB 50

4.1.1 Nghiên cứu tuyển chọn, phân lập dạng vi sinh vật sử dụng trong công nghệ EGSB 50

4.1.2 Cơ chế tạo hạt và phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo hạt của bùn 60

4.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý trong công nghệ EGSB 66

4.2.1 Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả hoạt động của thiết bị EGSB 66

4.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt động của thiết bị EGSB 69

4.2.3 Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất xử lý vào thời gian lưu thủy lực 71

4.2.4 Ảnh hưởng của COD dòng vào 72

4.2.5 Ảnh hưởng của N-NH 3 75

4.2.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng hồi lưu bùn 76

4.2.7 Ảnh hưởng của dầu mỡ 76

4.2.8 Ảnh hưởng của khả năng chịu sốc do thay đổi đột ngột tải lượng hữu cơ 77

KẾT LUẬN 78

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Đôc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc _

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Tất cả các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, khách quan và những tài liệu được tham khảo đều được trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2013

Tác giả

Đinh Quang Trung

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTNMT: Bộ Tài nguyên và Môi trường

BOD: Nhu cầu Oxy sinh học

COD: Nhu cầu Oxy hóa học

EGSB: Công nghệ xử lí kị khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng GDP: Tổng thu nhập quốc dân

HRT: Thời gian lưu thủy lực

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc trưng nước thải sản xuất bia

Bảng 1.2 Tải lượng các chất ô nhiễm trong nước sản xuất bia

Bảng 1.3 Các nguồn nước thải từ các bộ phận và thiết bị khác nhau

Bảng 1.4 Ô nhiễm của nhà máy giấy và bột giấy điển hình tại Việt Nam

Bảng 1.5 Hàm lượng ô nhiễm trung bình của nước thải tại một số loại hình chế biến thủy sản

Bảng 1.6 Chất lượng nước thải từ ngành chế biến tinh bột sắn

Bảng 3.1 Đặc trưng nước thải chế biến tinh bột sắn

Bảng 4.2 Đặc trưng biogas thu được từ thực nghiệm

Bảng 4.1 Vi khuẩn metan hóa và điều kiện môi trường

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Công nghệ EGSB được áp dụng các ngành công nghiệp tại TQ

Hình 1.2 Hiệu quả xử lý tại Nhà máy bia Unicer ở Leça do Balio, Portugal

Hình 1.3 Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Cesu Alus, Latvia

Hình 1.4 Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Anheuser Busch,

Hình 1.5 Mô hình công nghệ EGSB của Envirochemie

Hình 1.6 Sơ đồ thiết bị yếm khí tiếp xúc

Hình 1.7 Sơ đồ thiết bị yếm khí giả lỏng

Hình 1.8 Sơ đồ thiết bị yếm khí dạng tháp đệm

Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị UASB

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ EGSB

Hình 2.1 Quy trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ EGSB trong phòng thí nghiệm

Hình 4.6 Kiến trúc bùn trong duy nhất của hạt yếm khí

Hình 4.7 Trình bày khả năng tạo hạt tăng lên nhờ nhân trơ (Liu et al 2003)

Hình 4.8 Sự thay đổi nồng độ bùn theo thời gian

Hình 4.9 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý và hiệu quả thu khí biogas

Hình 4.10 pH dòng ra theo thời gian

Hình 4.11 Hiệu quả xử lý COD theo thời gian

Hình 4.12 Hiệu quả khí hóa Biogas theo thời gian

Hình 4.13 Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến tải trọng COD và hiệu quả khí Hình 4.14 COD dòng ra theo tải lượng COD dòng vào

Hình 4.15 Hiệu suất xử lý COD theo tải lượng COD dòng vào

Hình 4.16 Hệ số khí hóa biogas theo tải lượng COD dòng vào

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của quá trình Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa đã dẫn đến xuất hiện nhiều các khu công nghiệp trên phạm vi cả nước với mục tiêu làm thay đổi diện mạo và thúc đẩy nền kinh tế Tuy nhiên, do không được quan tâm đúng mức, dẫn đến hậu quả ô nhiễm và suy thoái môi trường ngày càng nghiêm trọng Trong đó, ô nhiễm nước thải đã và đang đặt ra những yêu cầu cấp thiết với toàn xã hội trong việc đưa ra biện pháp xử lý, kiểm soát kịp thời nhằm bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

Nước thải của các ngành công nghiệp có mức độ ô nhiễm cao, lượng thải lớn phải kể đến như: Nước thải từ ngành chế biến nông sản, thực phẩm (Sản xuất tinh bột, sản xuất cồn, rượu, bia, chế biến thủy hải sản, giết mổ gia súc gia cầm ,), nước thải từ ngành rượu bia, nước giải khát, dệt may Công nghệ xử lý hiệu quả nước thải giàu chất hữu cơ nhất hiện nay là công nghệ sinh học kị khí mà đặc biệt là công nghệ sinh học kị khí

Những năm gần đây một số công nghệ xử lí kị khí đã được phát triển và đang ngày càng hoàn thiện Có thể kể đến như thiết bị lọc kị khí (Anaerobic Filter - AF); thiết bị lọc cố định sử dụng màng sinh học có dòng chảy từ trên xuống (Dow-flow Stationary Fixed Film - DSFF); lọc kị khí với dòng chảy hướng lên (Up-flow Anaerobic Filter - UAF); hệ thống xử lí kị khí tầng sôi (Anaerobic Fluidized Bed Reactor - AFBR); đệm bùn kị khí với dòng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB) và gần đây nhất là công nghệ xử lí kị khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng (Expanded Granular Sludge Bed - EGSB) [4,5] Phương pháp EGSB không sử dụng phương thức bám dính vi sinh vật vào vật thể trung gian, mà sử dụng phương thức duy trì vật thể ngưng kết dạng hạt Các hạt bùn sinh học được cấu thành bởi khu hệ vi sinh vật: Thủy phân axit hóa và metan hóa trong quần thể tương hỗ ở trạng thái lưu động (tầng sôi) Quá trình khởi động tác động rất lớn đến quá trình hoạt động ổn định và hiệu quả loại bỏ COD của bể phản ứng EGSB [3,6,7] Trên thế giới việc áp dụng công nghệ EGSB đã trở lên phổ biến vì nhiều ưu việt của nó Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lí kỵ khí với lớp bùn hạt mở rộng vẫn còn hạn chế Xuất phát từ những lý

do đó, đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải giàu

chất hữu cơ trên mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao EGSB (Expanded Granular Sudge Beg)” đã được lựa chọn thực hiện

- Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí nước thải công nghiệp giàu chất hữu cơ trên mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao dung tích 42 lít trong phòng thí nghiệm

- Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là nước thải giàu chất hữu cơ, cụ thể là nước thải từ quá trình sản xuất tinh bột sắn trong công đoạn tách bột đen Nước thải được lấy từ một

số hộ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ tại làng nghề Dương Liễu, huyện Hoài Đức,

Hà Nội

- Phạm vi nghiên cứu

+ Thu thập số liệu, thông tin xây dựng tổng quan về đặc trưng nước thải của một số ngành công nghiệp có mức độ ô nhiễm cao, đánh giá hiện trạng sử dụng các công nghệ xử lí nước thải công nghiệp giầu chất hữu cơ đang được áp dụng trong và ngoài nước Đánh giá, so sánh hiệu quả xử lí và phạm vi áp dụng của các loại hình công nghệ này với công nghệ EGSB

+ Nghiên cứu đặc tính vi sinh vật sử dụng trong công nghệ EGSB Phân lập và tuyển chọn dạng vi sinh thích hợp Nghiên cứu quá trình tạo bùn hạt và các biện pháp đẩy nhanh quá trinh tạo hạt bùn trong thiết bị EGSB Chế tạo thử nghiệm trên

mô hình công nghệ EGSB dung tích 42 lít trong phòng thí nghiệm, xác định các thông số thiết kế thiết bị pilot EGSB dung tích 1m3

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của công nghệ EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) trong xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ cao phòng thí nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp thu thập tài liệu: Bao gồm thu thập các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài;

+ Phương pháp điều tra và lấy mẫu thực tế: Đi thưc tế, khảo sát, phỏng vấn một số hộ sản xuất, lấy mẫu nước thải tại cống thải (nước thải hỗn hợp) của các hộ sản xuất tại làng nghề chế biến tinh bột sắn Dương Liễu, Hoài Đức, Hà Nội theo

TCVN 5999: 1995 (ISO 5667-10: 1992) Tiến hành lấy mẫu 4 đợt trong tháng 2 đến tháng 4/2013

+ Phương pháp thực nghiệm: Phân tích thông số pH, SS, COD, BOD5, tổng Nitơ, tổng Phốt pho theo các phương pháp tương ứng TCVN 6492:2011, TCVN 6625:2000 và TCVN 6491:1999

+ Phương pháp đánh giá, tổng hợp, xử lý số liệu: Các số liệu sau khi thu thập, phân tích được đánh giá tổng hợp, xử lý và tổng kết để viết luận văn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI GIẦU CHẤT HỮU CƠ VÀ

CÁC LOẠI HÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÍ HIỆN NAY 1.1 Tổng quan về nước công nghiệp giầu chất hữu cơ của tại Việt Nam

Trong thời gian qua, sản xuất công nghiệp của nước ta luôn duy trì được tốc độ tăng trưởng cao, đạt được những thành tựu quan trọng, đóng góp tích cực vào công cuộc phát triển kinh tế, xã hội của đất nước Song song với quá trình tăng trưởng và phát triển là vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nước thải từ các ngành sản xuất Các ngành công nghiệp có mức phát thải lớn, hàm lượng ô nhiễm cao phải kể đến như: sản xuất tinh bột sắn, sản xuất rượu, bia, nước giải khát; sản xuất giấy; chế biến thủy hải sản; chế biến thực phẩm; giết mổ gia súc gia cầm

1.1.1 Ngành sản xuất bia

Ngành công nghiệp sản xuất bia Việt Nam có lịch sử hơn 100 năm Trong quá trình hình thành và phát triển, ngành sản xuất bia luôn đạt được mức tăng trưởng cao, góp phần quan trọng vào quá trình hội nhập và phát triển kinh tế xã hội của đất nước Cùng với quá trình phát triển nhanh chóng là vấn đề ô nhiễm môi trường Trong ngành sản xuất Bia, nước thải là vấn đề chủ yếu Nhu cầu sử dụng nước của ngành sản xuất Bia rất lớn Định mức nước thải trong sản xuất bia phụ thuộc vào sản phẩm tạo thành: Định mức nước thải trong sản xuất bia hơi 8-10 m3

/1000 lít; trong sản xuất bia lon: 10-12 m3/1000 lít và trong sản xuất bia chai 25-30 m3/1000 lít Nước thải nhà máy bia phát sinh từ các nguồn gồm: Nước vệ sinh các thiết bị; rửa chai, thanh trùng chai bia; Nước thải từ phòng thí nghiệm; Nước thải vệ sinh nhà xưởng; Nước thải sinh hoạt của công nhân nhà máy

Đặc trưng chất lượng nước thải của các nhà máy bia của nước ta được thể hiện trong bảng 1.1 và bảng 1.2

Bảng 2.1 Đặc trưng nước thải sản xuất bia Các chất ô

nhiễm

Đơn vị tính

Mức hiện tại ở Việt Nam (nước thải chưa xử lý)

Tiêu chuẩn nước thải sau xử lý

Nguồn: Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn ngành Bia

Ghi chú: * Các thông số quy định trong quy chuẩn, chưa xét đến hệ số liên

quan đến dung tích nguồn tiếp nhận và hệ số theo lưu lượng nguồn thải A - Thải vào nguồn tiếp nhận dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt B - Thải vào nguồn tiếp nhận không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

Bảng 1.2 Tải lượng các chất ô nhiễm trong nước sản xuất bia

Nguồn: Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn ngành Bia

Thành phần nước thải nhà máy bia giàu các chất hữu cơ hòa tan và trạng thái

lơ lửng, trong đó chủ yếu là các hidratcacbon, protein và các axit hữu cơ, là các chất

có khả năng phân hủy sinh học Tỷ lệ BOD5 và COD khoảng từ 0,5 đến 0,7 nên thích hợp với phương pháp xử lý sinh học

1.1.2 Ngành sản xuất giấy và bột giấy

Theo thống kê của Hiệp hội giấy Việt Nam, ngành giấy đạt tốc độ tăng trưởng cao và liên tục trong những năm vừa qua Tốc độ tăng trưởng cao, cùng với gia tăng

sản phẩm giấy nhập khẩu, đã giúp định mức tiêu thụ giấy trên đầu người của Việt Nam ngày càng gia tăng Tuy nhiên, những năm gần đây ngành sản xuất giấy của nước ta gặp rất nhiều khó khăn, thách thức Bên cạnh những khó khăn về chủ động nguồn, cạnh tranh với các sản phẩm ngoại nhập ngành giấy Việt Nam đang đối mặt với các thách thức về quy mô, trình độ công nghệ và các vấn đề về ô nhiễm môi trường

Nước thải với nồng độ chất ô nhiễm rất cao là những vấn đề nan giải của ngành sản xuất giấy Các nhà máy giấy và bột giấy phát sinh một lượng lớn nước thải và nếu không được xử lý thì sẽ ảnh hưởng lớn tới chất lượng nguồn tiếp nhận Bảng 1.3 cho thấy các nguồn nước thải khác nhau trong một nhà máy giấy và bột giấy

Bảng 1.3 Các nguồn nước thải từ các bộ phận và thiết bị khác nhau

1 Sản xuất bột giấy

 Hơi ngưng khi phóng bột

 Dịch đen bị rò rỉ hoặc bị tràn

 Nước làm mát ở các thiết bị nghiền đĩa

 Rửa bột giấy chưa tẩy trắng

 Phần tách loại có chứa nhiều sơ, sạn và cát

Stt Bộ phận Các nguồn điển hình

4 Khu vực phụ trợ

 Nước xả đáy

 Nước ngưng tụ chưa được thu hồi

 Nước thải hoàn nguyên từ tháp làm mềm

 Nước làm mát máy nén khí

5 Thu hồi hóa chất

 Nước ngưng tụ từ máy hóa hơi

 Dịch loãng từ thiết bị rửa cặn

 Dịch loãng từ thiết bị rửa bùn

Nguồn: Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch ngành sản xuất giấy và bột giấy

Nước thải từ ngành sản xuất giấy và bột giấy có hàm lượng chất hữu cơ cao Tải trọng BOD5 giao động trong khoảng 90- 330 kg/tấn sản phẩm, COD giao động trong khoảng 270 - 1200 kg/tấn sản phẩm

1.1.3 Ngành dệt nhuộm

Bên cạnh những đóng góp đáng kể trong công cuộc phát triển kinh tế, xã hội của đất nước, ô nhiễm môi trường đang là vẫn đề bức xúc của ngành dệt nhuộm Ngành dệt nhuộm gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng một mặt do lượng chất rắn hoà tan rất lớn Mặt khác, khối lượng nước thải cũng khá cao, trung bình khối lượng thải của mỗi nhà máy từ: 1000 - 3000 m3/ngày Với lưu lượng lớn, nước thải tích

luỹ, tồn đọng gia tăng mức độ ô nhiễm Hơn nữa, chất lượng nước thường không ổn định, pH thay đổi theo công nghệ và sản phẩm đã gây khó khăn lớn cho việc xử lý

và tác động không nhỏ tới môi trường, đặc biệt là môi trường nước thải Một số kim loại nặng có trong phẩm nhuộm, các hoá chất phụ trợ cũng rất nguy hại, là độc tố tiêu diệt thuỷ sinh vật và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người

Nước thải của ngành dệt nhuộm có những đặc tính đáng lưu ý sau:

- Ô nhiễm hữu cơ: Ô nhiễm hữu cơ được đặc trưng chủ yếu bởi chỉ số COD

và BOD Đáng lưu ý là trong công nghiệp dệt nhuộm: Nếu nguyên liệu là sợi tổng hợp hoặc tỷ lệ sợi tổng hợp càng cao thì khâu xử lý hoàn tất phải sử dụng nhiều các chất tổng hợp hữu cơ, đây là nhóm hóa chất và thuốc nhuộm rất khó phân huỷ sinh hóa và khá bền trong môi trường Thí dụ nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính (Cibarcon Blue P-3R) in hoa có thể có BOD gần như 0, nhưng COD đạt tới trên dưới 900 mg/L Tỷ lệ BOD/COD một mặt thể hiện đặc trưng ô nhiễm hữu cơ của nước thải dệt nhuộm, đồng thời thể hiện tính khả thi của công nghệ vi sinh trong quá trình xử lý sau này

- Độ pH: Đặc trưng thứ hai của nước thải dệt nhuộm là pH biến động lớn

theo công nghệ và sản phẩm Nhìn chung phần lớn, nước thải dệt nhuộm có tính kiềm pH có thể lên tới 9 - 11

- Ô nhiễm kim loại nặng: Đặc trưng thứ ba của nước thải dệt nhuộm là ô

nhiễm kim loại nặng chủ yếu do sử dụng hoá chất tẩy và thuốc nhuộm dưới dạng các hợp chất kim loại Một trong những nguồn ô nhiễm kim loại là pigment, mà phổ biến các pigment có gốc là các hợp chất cơ kim dạng halogen hoá (thí dụ: clorua phtaloxiamin đồng)

- Hàm lƣợng các chất rắn hòa tan (TDS): Độ dẫn điện cao hay tổng chất

rắn hoà tan cao (TDS) cũng là đặc trưng nước thải dệt nhuộm do sử dụng hàm lượng muối hòa tan khá lớn, thí dụ Na2SO4, NaCl

- Độ màu: Một đặc trưng nữa của nước thải dệt nhuộm, nhất là nhuộm và in

là độ màu cao Ô nhiễm màu phụ thuộc vào độ gắn màu giữa thuốc nhuộm và sợi dệt Mức độ không gắn màu phụ thuộc vào mức độ gắn màu giữa thuốc nhuộm và sợi dệt Mức độ không gắn màu (%) thay đổi tuỳ theo thuốc nhuộm: lớn là hoạt tính (5-50%) và trực tiếp (5-30%), nhỏ nhất là loại bazơ (2-3%) Như vậy nếu càng sử

dụng nhiều thuốc nhuộm hoạt tính thì nước thải càng bị ô nhiễm màu Ô nhiễm màu của nước thải còn phụ thuộc vào thiết bị và trình độ vận hành công nghệ của từng

cơ sở sản xuất [ ]

1.1.4 Ngành chế biến thủy sản

Chế biến thuỷ sản là ngành kinh tế đóng góp GDP lớn của cả nước Những năm gần đây, cùng với sự phát triển chung của cả nước, ngành thuỷ sản không ngừng lớn mạnh cả về chất và lượng xét trên khía cạnh kinh tế đồng thời thu hút nhiều lao động góp phần giải quyết được nhu cầu bức thiết của xã hội đó là việc làm

Nguồn nước thải trong các xí nghiệp chế biến thuỷ sản phát sinh từ các nguồn chủ yếu sau:

- Nước thải từ quá trình rửa trong quá trình sơ chế nguyên liệu như: Đánh vẩy

cá, mổ cá, fillet cá, loại bỏ đầu cá, bóc vỏ, bỏ đầu tôm, bỏ da và mai mực, Nước thải trong quá trình này có độ ô nhiễm nặng, độ màu lớn, độ đục lớn vì nó chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao từ máu cá, tôm, mực của mực, đồng thời còn có độ nhớt cao do colagen từ vây và da của các chất nhờn từ các loại thuỷ sản này

- Nước thải trong quá trình giã đông nguyên liệu, nước thải này có độ ô nhiễm thấp do quá trình tan của nước đá làm lạnh nguyên liệu trong quá trình đánh bắt

- Nước thải từ quá trình rửa và vệ sinh các thùng chứa sản phẩm tươi, các sản phẩm cần bảo quản lạnh, nước vệ sinh các bàn sơ chế, dụng cụ sơ chế nguồn nước thải này chứa hàm lượng chất hữu cơ trung bình nhưng lại chứa cả các chất hoá học, các chất tẩy rửa, và các chất khử trùng, xút,

- Nước thải ô nhiễm nhiệt từ quá trình chế biến đồ hộp sản phẩm, các quá trình làm dầu các sản phẩm ăn liền Nguồn nước thải này thường không có độ ô nhiễm cao như nước gia công nguyên liệu, nhưng có chứa dầu, mỡ, một lượng nhỏ chất hữu cơ và có nhiệt độ cao hơn các nguồn nước thải khác

Hàm lượng ô nhiễm nước thải trung bình của một số loại hình chế biến thủy sản được thể hiện trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Hàm lượng ô nhiễm trung bình của nước thải tại một số loại

Nước thải ngành chế biến thủy sản chứa phần lớn là các chất hữu cơ có nguồn gốc từ động vật và có thành phần chủ yếu là protein và các chất béo

Trong nước thải chứa chủ yếu: keo, protein, chất béo hàm lượng cặn hữu cơ lớn Các thành phần này khi xả vào nguồn nước sẽ làm giảm sự tiếp xúc của nước thải với không khí từ đó làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước Hàm lượng chất rắn lơ lửng và hữu cơ cao làm cho nước đục, có màu và mùi khó chịu

1.1.5 Ngành chế biến tinh bột sắn

Việt Nam là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ 3 trên thế giới, sau Indonesia và Thái Lan Năm 2006, diện tích đất trồng sắn đạt 475.000 ha, sản lượng tinh bột sắn đạt 7.714.000 tấn Thị trường xuất khẩu chính của Việt Nam là Trung Quốc, Đài Loan Cùng với diện tích sắn được mở rộng, sản lượng cũng như năng suất tinh bột sắn được sản xuất cũng tăng lên theo thời gian

Lượng nước thải sinh ra từ trong quá trình chế biến tinh bột sắn là rất lớn, trung bình 10 -30 m3/tấn sản phẩm

Nước sản xuất được sử dụng nhiều nhất ở công đoạn rửa và ly tâm tách bã Lượng nước thải ra môi trường thường chiếm 80 - 90% nước sử dụng Nước thải sinh ra từ dây chuyền sản xuất tinh bột sắn có các thông số đặc trưng như: pH thấp, hàm lượng chất hữu cơ cao, nhu cầu oxy sinh học (BOD), nhu cầu oxy hoá học (COD), các chất dinh dưỡng chứa N, P, K, độ mầu với nồng độ rất cao, vượt nhiều lần so với tiêu chuẩn môi trường Nước thải được sinh ra từ các công đoạn sản xuất chính sau đây:

- Bóc vỏ, mài củ, ép bã: Chứa một hàm lượng lớn cyanua, alcaloid, antoxian, protein, xenluloza, pectin, đường và tinh bột Đây là nguồn chính gây ô nhiễm nước thải, thường dao động trong khoảng 20 - 25m3/tấn nguyên liệu, có chứa SS, BOD, COD ở mức rất cao

- Lắng trích ly: Chứa tinh bột, xenluloza, protein thực vật, lignin và cyanua, do

đó có SS, BOD, COD rất cao, pH thấp

- Rửa máy móc, thiết bị, vệ sinh nhà xưởng: Có chứa dầu máy, SS, BOD

- Nước thải sinh hoạt (bao gồm nước thải từ nhà bếp, nhà tắm, nhà vệ sinh) chứa các chất cặn bã, SS, BOD, COD, các chất dinh dưỡng (N, P) và vi sinh vật…

- Nước mưa chảy tràn qua khu vực nhà máy cuốn theo các chất cặn bã, rác, bụi

Kết quả phân tích nước thải tại một số doanh nghiệp sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam được trình bày trong bảng 1.6 Bảng này cho thấy khoảng cách dao động

về các chỉ tiêu nước thải cao hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép Thành phần nước thải phụ thuộc vào quy mô sản xuất, trình độ công nghệ và hệ thống thiết bị xử

lý nước thải, quy trình vận hành và quan trắc môi trường Tuy nhiên, nước thải sản xuất tinh bột sắn ở các quy mô khác nhau đều hầu như chưa đạt được tiêu chuẩn nước thải công nghiệp của Việt Nam

Bảng 1.6 Chất lượng nước thải từ ngành chế biến tinh bột sắn

Stt Thông số Đơn vị Quy mô vừa và nhỏ Quy mô lớn

Với tỷ lệ BOD/COD như bảng trên, nước thải ngành sản xuất tinh bột sắn rất phù hợp để xử lý bằng phương pháp sinh học để ứng được tiêu chuẩn trước khi thải

ra môi trường

1.2 Hiện trạng sử dụng và hiệu quả xử lí của công nghệ EGSB đang được triển khai trên Thế giới và một số loại hình công nghệ yếm khí xử lí nước thải giầu chất hữu cơ đang áp dụng ở Việt Nam

1.2.1 Hiện trạng sử dụng công nghệ EGSB trên thế giới

Trên thế giới hiện có khoảng 3500 thiết bị xử lý kỵ khí (Châu Âu 1174, Đông Nam Á 894, Bắc Mỹ 874, Nam Mỹ 330, Trung Đông và Châu Phi 63), trong đó: UASB (1000), EGSB (600), AF (90), DF (70), Kỵ khí kết hợp (370) [13] Tại Trung Quốc: Công nghệ EGSB được áp dụng sử dụng tại 141 nhà máy khu công nghiệp Trong đó áp dụng xử lý nước thải các nhà máy giàu chất hữu cơ như:

+ Nước thải của nhà máy sản xuất tinh bột và đường từ tinh bột chiếm 45%; + Nước thải nhà máy sản xuất giấy chiếm 21%;

+ Nước thải nhà máy bia chiếm 13%;

+ Nước thải nhà máy sản xuất cồn rượu chiếm 8%;

Hình 1.1 Công nghệ EGSB được áp dụng các ngành công nghiệp tại TQ

Nổi bật trong lĩnh vực cung cấp công nghệ và thiết bị EGSB trong xử lý nước thải tại Châu Âu, Châu Á là tập đoàn Veolia Water Solution & Technologies, Các công ty như: Paques, Biothane, Biotim, Enviroasia, ADI, Waterleau, Kuria, Degremont, Envirochemie, GWE, Grontmij

- Tập đoàn Veolia Water Solution & Technologies: Từ năm 1973 đến nay Tập

đoàn Veolia đã triển khai hơn 2.000 hệ thống xử lý kỵ khí tại 30 quốc gia trên thế giới Cũng theo thống kê của tập đoàn này, trước năm 1998, các thiết bị, công nghệ triển khai thì UASB chiếm 55%, EGSB chiếm 16%, Fixed Beb chiếm 5%, Fluidised Bed chiếm 1% Tuy nhiên từ năm 1998 đến 2001, ba năm liền hệ thống EGSB chiếm 49% > UASB (34%) Và cho đến nay EGSB vẫn được tập đoàn này triển khai lắp đặt nhiều hơn hệ thống UASB đối với các hệ thống xử lý nước thải công suất lớn, có thu hồi biogas, trong các ngành sản xuất đường, ngành hóa chất, thực phẩm, bột giấy và giấy, bia - rượu,

- Công ty Biothane: Công nghệ EGSB của Biothane có thể loại bỏ COD với hiệu quả cao và các chi phí vận hành thấp Hệ thống xử lý nước thải của nhà máy bao gồm ba giai đoạn: Bể điều hòa (keo tụ, chất rắn loại bỏ và làm mát), xử lý kỵ khí (loại bỏ phần lớn chất ô nhiễm hữu cơ trong COD), xử lý hiếu khí là công đoạn

xử lý cuối cùng Các thông số thiết kế công nghệ của Biothane như sau:

Hình 1.3 Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Cesu Alus, Latvia

Hình 1.4 Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Anheuser Busch,

Merrimack, Mỹ [ ]

- Công ty Envirochemie (Đức): Đặc điểm phân biệt của công nghệ kỵ khí là

quá trình axit hóa và lên men của các hợp chất giàu hữu cơ thành khí methan và

CO2 Mô hình công nghệ EGSB do Envirochemie được trình bày tại hình dưới

Hình 1.5 Mô hình công nghệ EGSB của Envirochemie

Thông số kỹ thuật của công nghệ như sau:

Thông số đầu vào:

Công suất: 1150 m3/ngày

COD: 17.000 mg/l

Tỷ lệ COD/BOD < 2

Thông số dòng ra:

COD: < 560 mg/l BOD5: < 280 mg/l

- Tập đoàn Globalwaterengineering(GWE)[15] chuyên xử lý nước thải công nghiệp, tái sử dụng nước, sản xuất khí sinh học với hơn 30 năm kinh nghiệm thực

tế trong áp dụng phương pháp sinh học (kỵ khí và hiếu khí) xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ trung bình và cao Đối với xử lý nước thải kỵ khí, GWE là một trong những tập đoàn có có uy tín trên thế giới Tập đoàn GWE đã thành công trong

xử lý nước thải kỵ khí thu hồi khí sinh học ở các ngành công nghiệp thực phẩm và

đồ uống, công nghiệp bột giấy & giấy và ngành công nghiệp hóa chất (có hàm lượng các chất ô nhiễm hữu cơ và thuận lợi có thể được xử lý bằng phương pháp

kỵ khí) Tuy nhiên, thành phần nước thải khác nhau và phạm vi thay đổi của nồng

độ COD có thể yêu cầu sử dụng của các loại thiết bị phản ứng kỵ khí khác

nhau, phù hợp với tình hình cụ thể

- Công ty PP-EKO ở Ba Lan có nhiều kinh nghiệm trong xử lý nước thải (đặc

biệt nước thải công nghiệp) Công ty đã áp dụng công nghệ tiên tiến bao cho các quá trình tiền xử lý, xử lý kỵ khí và hiếu khí, các quá xử lý hóa lý PP-EKO cung cấp một loạt các công nghệ kỵ khí xử lý nước thải và xử lý bùn: Trong đó có công nghệ Anubix-TTM (EGSB) Anubix -T™ công nghệ phát triển từ công nghệ

UASB, công nghệ này được đảm bảo hoạt động ổn định nhờ hệ thống tự động điều chỉnh tuần hoàn bên ngoài Hệ thống phân phối dòng vào, tách bùn đáy và ngăn ngừa sự hình thành các kênh thoát khí sinh học được thiết kế hoàn chỉnh giúp cho

hệ thống hoạt động linh hoạt và khả năng chịu biến động dòng vào Cũng nhờ vậy, nguy cơ thất thoát bùn hạt giảm đáng kể so với các giải pháp khác

Anubix -T™ có kết cấu dạng tháp có chiều cao từ 13-16 m Nguyên lý vận hành nước thải được dẫn qua hệ thống phân phối ở đáy thiết bị chảy và dâng lên theo nguyên tắc chảy tràn với tốc độ ổn định Mỗi bể phản ứng Anubix -T™ có

1 thiết bị tách 2 pha nằm ở phía dưới của bể Nước thải đi qua lớp bùn hạt kỵ khí vùng giữa thiết bị, quá trình thủy phân, lên men axit và khí hóa xảy ra Nước thải đã được xử lý và bùn hỗn hợp qua thiết bị tách pha (khí, rắn, lỏng) được thiết kế

ở phần trên của thiết bị phản ứng Bộ phận tách bùn có kết cấu đặc biệt

để ngăn chặn sự tổn thất của bùn kể cả những hạt bùn nhỏ nhất (dạng keo), nhất là những hạt chứa vi khuẩn metan hóa Bùn kỵ khí sau lắng rơi trở lại vùng bùn hạt lơ lửng Theo thời gian chúng kết tụ, hình thành các hạt bùn mới Nước thải sau xử lý thoát ra khỏi thiết bị phản ứng thông qua máng thu Khí sinh học được thu gom để

sử dụng hoặc đốt

Ưu điểm của Anubix -T™ (EGSB):

- Tải trọng xử lý cao 15-35 kgCOD/m3/ngày;

- Diện tích xây dựng nhỏ;

- Làm việc với bùn hạt sinh khối cao;

- Hiệu quả xử lý cao và quá trình vận hành ổn định;

- Kết cấu thiết bị hợp lý giúp hạn chế thất thoát bùn;

- Hiệu quả tạo khí sinh học cao và ổn định

1.2.2 Một số loại hình công nghệ yếm khí xử lý nước thải giầu chất hữu cơ đang

áp dụng tại Việt Nam

1.2.2.1 Thiết bị yếm khí tiếp xúc

a) Cấu tạo

Gồm hai thiết bị riêng biệt đó là thiết bị lên men yếm khí và thiết bị lắng Sau

bể yếm khí, nước thải được xử lý và đi vào bể lắng để tách bùn Bùn được tuần hoàn lại thiết bị lên men, còn nước trong ra ngoài theo van chảy tràn

1 Thiết bị lên men

2 Thiết bị lắng

3 Bơm tuần hoàn bùn

Hình 1.6 Sơ đồ thiết bị yếm khí tiếp xúc

b) Ưu nhược điểm

- Ưu điểm:

+ Thiết bị vận hành đơn giản

+ Thiết bị lắng bùn là nơi lưu giữ vi sinh vật trong trường hợp thiết bị vận hành không ổn định

- Nhược điểm:

+ Dung tích thiết bị lớn, cần có thiết bị lắng

+ Nhu cầu năng lượng cao do có sử dụng motơ khuấy và bơm tuần hoàn bùn

1.2.2.2 Thiết bị yếm khí giả lỏng

a) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Vi sinh vật được cố định lên các hạt chất mang (thủy tinh xốp, nhựa nhân tạo,…) Nước thải vào từ phần dưới của thiết bị, chảy ngược lên qua lớp các hật chất mang và chảy tràn ra ngoài Bơm tuần hoàn được trang bị nhằm tạo ra trạng thái chuyển động giả lỏng hoặc tầng sôi Vận tốc bơm được khống chế sao cho các hạt chất mang bị hạn chế do kết cấu đặc biệt phần trên của thiết bị

Hình 1.7 Sơ đồ thiết bị yếm khí giả lỏng b) Ưu nhược điểm

- Ưu điểm:

Bề mặt tiếp xúc pha rất lớn (1000 ÷ 2000 m2/m3), khoảng 90% số tế bào vi khuẩn được cố định lên chất mang, do đó mật độ vi sinh trong thiết bị cao Tuy

nhiên, nếu không chuyển động tuần hoàn mạnh, có thể gây ảnh hưởng tới màng vi sinh vật trên hạt chất mang Một ưu điểm khác là thiết bị yếm khí giả lỏng ít bị tắc

từ đất xét xốp, chất dẻo Các vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu đệm, tạo thành màng và phát triển trong không gian rỗng, tạo thành các bông Nhờ đó giữ cho nồng độ vi sinh vật trong thiết bị cao và khá ổn định

Hình 1.8 Sơ đồ thiết bị yếm khí dạng tháp đệm b) Nguyên tắc hoạt động

Nước thải vào từ đáy tháp qua lớp vật liệu đệm, các chất ô nhiễm phân hủy yếm khí tại đó Nước thải sau xử lý chảy tràn ra ngoài ở phần trên thiết bị

c) Ưu nhược điểm

- Ưu điểm:

+ Thiết bị vận hành khá đơn giản và tốn ít năng lượng

+ Hiệu quả xử lý cao, thích hợp với xử lý nước thải có COD cao

vi sinh vật dễ bị tróc ra khỏi vật liệu đệm)

+ Khi nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng cao sẽ tích lũy và gây tắc cục bộ trong lớp đệm

+ Chi phí đầu tư cho thiết bị cao

1.2.2.4 Thiết bị UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

a) Sơ đồ thiết bị

Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị UASB b) Nguyên tắc hoạt động

Nước thải đi vào từ đáy thiết bị qua lớp đệm có chứa vi sinh vật và cặn lắng

Sự chuyển động của dòng vào và sự thoát khí sinh học, làm các hạt bùn sinh học ở trạng thái lơ lửng phía trên lớp đệm Quá trình thủy phân và lên men axit hữu cơ xảy ra ở vùng đệm Sự lên men tạo khí sinh học xảy ra ở lớp nước trên Phía trên thiết bị có kết cấu để tách pha: rắn – lỏng – khí

- Khí thu ở chóp thu khí

- Bùn lắng lại nhờ vách ngăn

- Nước thải sau xử lý được tách pha khí, rắn và chảy tràn ra.Thiết bị UASB nhìn chung có kết cấu đơn giản, hoạt động ổn định và không tốn năng lượng (yêu cầu năng lượng vận hành ít) Tuy nhiên, thiết bị UASB có nhược điểm là: Khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn, trạng thái lớp bùn kị khí thường không ổn định khi điều kiện môi trường thay đổi Khi khởi động lại, các hạt bùn dễ bị nổi lên

và trôi theo ra ngoài nên giảm hiệu quả lắng cặn

1.2.3 Phân tích so sánh công nghệ EGSB với các công nghệ khác

Hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng EGSB thực chất là một dạng biến thể của UASB kết hợp với AFBR, được phát triển từ năm 1983 cũng bởi chính Giáo sư, tiến sỹ Gatze Lettinga - Đại học Wageningen Hà Lan Ra đời sau nên EGSB có mức độ cải tiến đem lại hiệu quả rõ rệt và dần chiếm thị phần của UASB trong lĩnh vực xử lý nước thải tại Châu Âu Ra đời trước nên UASB vẫn là công nghệ chiếm ưu thế hơn trong sử dụng, nhưng EGSB hiện nay phổ biến hơn do những lợi ích kinh tế đem lại

Phương pháp EGSB không sử dụng phương thức bám dính vi sinh vật vào vật thể trung gian, mà sử dụng phương thức duy trì vật thể ngưng kết dạng hạt cấu tạo chính bởi nhóm các vi sinh vật lên men mê-tan ở trạng thái lưu động (tầng sôi) Ngoài ra, nhờ việc nâng cao chức năng phân ly khí phát sinh trong thiết bị, lượng bùn hạt được duy trì tăng lên, có thể xử lý với tải lượng cao (trên 30 kg COD/m3/ngày) Thiết bị EGSB có kết cấu dạng tháp, chiều cao từ 12- 18m, dòng nước thải đi qua bộ phận phân phối ở đáy thiết bị Nước thải vào bể phản ứng theo chiều từ dưới lên, qua một lớp bùn hạt mở rộng, chứa những vi sinh vật kỵ khí thực hiện thủy phân và phân giải axit sinh ra metan và CO2 từ các chất hữu cơ có trong nước thải Dòng nước dâng lên với tốc độ dòng chảy hợp lý ổn định và được xả ra ngoài sau bộ phận phân ly 3 pha (khí, rắn, lỏng) ở phía trên

So với công nghệ UASB, EGSB thể hiện những ưu điểm:

- Giảm chi phí vận hành: Do có thể tăng lượng tuần hoàn của nước xử lý giảm đáng kể lượng kiềm điều chỉnh pH khi cần thiết

- Tải trọng xử lý cao hơn: do nồng độ vi khuẩn cao và bùn hạt ở trạng thái triển khai ra khắp bể phản ứng nên khả năng tiếp xúc cao, đem lại hiệu suất xử lý lớn hơn

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ EGSB

Do hoạt tính của vi khuẩn metan hóa trong thiết bị phản ứng ổn định nên khi

có biến động lượng tải trong nước thải dòng vào thì quá trình xử lý vẫn ổn định và khả năng chống chịu tốt hơn

Ngoài ra hệ thống còn mang những ưu điểm khác như:

- Do hiệu quả xử lý cao, tải lượng lớn hơn thiết bị nhỏ gọn, giảm được chi phí thiết bị và mặt bằng lắp đặt;

- Đây là hệ thống sản sinh năng lượng xanh, do thu hồi và có thể tái sử dụng biogas nhờ vậy có thể giảm gánh nặng đối với môi trường Không gây mùi và tiếng ồn;

- Bùn thải tạo ra ít, so với thiết bị xử lý vi sinh ưa khí, lượng bùn thứ phát sinh chỉ bằng 1/10, tiết kiệm được chi phí xử lý bùn;

- Xử lý sơ bộ đơn giản Giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng Do trong bể lên men không có các thiết bị phụ thêm như vật liệu trám, nên không xảy ra sự cố do tắc, việc quản lý duy trì dễ dàng;

- Có thể đáp ứng được vận hành gián đoạn, vận hành theo mùa: Khi ngừng

vận hành trong một thời gian dài thì hoạt tính của khuẩn yếm khí vẫn được duy trì

Do đó không cần bảo dưỡng trong thời gian ngừng vận hành;

Nổi bật trong lĩnh vực cung cấp các thiết bị EGSB trong xử lý nước thải tại Châu Âu là tập đoàn Veolia Water Solution & Technologies Từ năm 1973 đến nay Tập đoàn Veolia đã triển khai hơn 2.000 hệ thống xử lý kỵ khí tại 30 quốc gia trên thế giới Cũng theo thống kê của tập đoàn này, trước năm 1998, các thiết bị, công nghệ triển khai thì UASB chiếm 55%, EGSB chiếm 16%, Fixed Beb chiếm 5%, Fluidised Bed chiếm 1% Tuy nhiên từ năm 1998 đến 2001, ba năm liền hệ thống EGSB chiếm 49% > UASB (34%) Và cho đến nay EGSB vẫn được tập đoàn này triển khai lắp đặt nhiều hơn hệ thống UASB đối với các hệ thống xử lý nước thải công suất lớn, có thu hồi biogas, trong các ngành sản xuất đường, ngành hóa chất, thực phẩm, bia, rượu, bột giấy và giấy,

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC DẠNG THIẾT BỊ XỬ LÝ YẾM

KHÍ NƯỚC THẢI GIẦU CHẤT HỮU CƠ

Xử lí sinh học nước thải thực chất là điều khiển và sử dụng các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm dưới dạng các hợp chất hữu

cơ và một số chất vô cơ hòa tan hoặc phân tán nhỏ có thể chuyển hóa sinh học được Trong xử lí sinh học, vi sinh vật sử dụng các chất ô nhiễm có trong nước thải như nguồn dinh dưỡng để khai thác năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển, quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm có trong nước thải thực chất là quá trình oxy hóa khử sinh học trong vi sinh vật là tác nhân quyết định

Nước thải chế biến nông sản, thực phẩm có đặc tính chung là giầu chất hữu

cơ, thành phần chủ yếu là các hợp chất gluxit (đường, tinh bột, dextrin và một lượng nhỏ các chất hòa tan khác như axit hữu cơ, các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ nên có thể xử lí bằng phương pháp sinh học

Nước thải chế biến tinh bột sắn là một trong những loại nước thải đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu xử lí sinh học có hiệu quả

- Giầu chất hữu cơ (chủ yếu là tinh bột và dextrin), BOD5/COD ≥ 0,5

- Không chứa chất độc đối với vi sinh vật

- Nước thải sản xuất tinh bột sắn có độ pH dễ dàng điều chỉnh được;

Nước thải sản xuất tinh bột có độ ô nhiễm hữu cơ cao đến rất cao, là nguồn nguyên liệu rất đáng quan tâm trong xử lí yếm khí thu biogas

Xử lí sinh học yếm khí bằng công nghệ EGSB là quá trình chuyển hóa hiệu quả các loại nước thải có hàm lượng hữu cơ và cặn hữu cơ cao (BOD5> 1800mg/l,

SS > 400 mg/l) So sánh với công nghệ UASB, công nghệ EGSB có thể cho hiệu quả vượt trội [1]

Trong quá trình phân hủy yếm khí, phần lớn các chất hữu cơ được chuyển hóa thành khí sinh học (biogas), chỉ một phần nhỏ 1 ÷ 5% được sử dụng cho quá trình tổng hợp sinh khối

Phương pháp yếm khí xử lí nước thải thu biogas có nhiều ưu điểm:

- Nhu cầu năng lượng thấp hơn nhiều so với phương pháp hiếu khí

- Lượng bùn tạo ra ít nên không cần đầu tư cho xử lí bùn

- Thu biogas với hàm lượng CH4 cao dùng làm nhiên liệu (biogas với thành

phần chủ yếu là CH4, CO2 là sản phẩm phân giải hoàn toàn các hợp chất hữu cơ chứa cacbon)

- Có thể xử lí nước thải với hàm lượng chất ô nhiễm cao, phức tạp mà phương pháp hiếu khí không xử lí được

Tuy nhiên xử lí yếm khí cũng có những nhược điểm sau:

- Thời gian lưu của nước thải lớn, do đó cho phí đầu tư cho xây dựng cơ bản cao

- Thời gian ổn định công nghệ dài (từ 3 đến 6 tháng)

- Quá trình vận hành tương đối phức tạp

- Chưa xử lí được triệt để, hiệu quả xử lí thường chỉ đạt 85 ÷ 90%

- Bùn có mùi đặc trưng khi hệ thống không được quản lý tốt

2.1 Cơ chế và tác nhân

2.1.1 Cơ chế phân giải yếm khí

Quá trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn có thể tóm tắt trong sơ đồ sau:

Hình 2.1 Quy trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ

4 8

z y x CO z y

- Trong thực tế quá trình phân giải yếm khí thường xảy ra theo 4 giai đoạn:

a) Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân

Dưới tác dụng của các Enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp có phân tử lượng lớn như Protein, Gluxit, Lipit, được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ như đường, Peptit, Glyxerin, axít amin, axít béo, Trong giai đoạn thủy phân, phần lớn các hợp chất Gluxit được

phân hủy nhanh, các hợp chất Protein được phân hủy chậm hơn, các hợp chất hữu

cơ có phân tử lượng lớn như: Xenlulo thường được phân hủy chậm và không triệt

để do cấu trúc phức tạp

Protein    Proteaza

Peptit  Peptidaza 

Axít amin Tinh bột   Amylaza Đường (Glucoza, maltoza,dextrin giới hạn)

b)Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axít hữu cơ

Các sản phẩm thủy phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa, các sản phẩm thủy phân sẽ được phân giải yếm khí tiếp tục thành axít hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axít propionic, axít butyric và axít axetic, các rượu, andehyt, axeton

và cả một số axít amin Đặc biệt trong giai đoạn này các axít amin hình thành trong thủy phân protein cũng sẽ được khử amin, một phần Nitơ từ các gốc amin (-NH2) được vi sinh vật sử dụng cho sinh trưởng và phát triển, phần còn lại được chuyển hóa thành NH3 và (NH4+) Thành phần các sản phẩm lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường

Trong giai đoạn này BOD5 và COD giảm không đáng kể nhưng pH của môi trường có thể giảm mạnh

Sự lên men của một số axít hữu cơ tiêu biểu (axít lactic, axít butyric, axít propionic) và các chất trung tính như etanol, axeton, butanol,

+ Sự lên men axít lactic

- Lên men axít lactic theo kiểu điển hình

+ Sự lên men axít butyric: (cơ chế đơn giản)

+ Lên men axít propionic: (Cơ chế đơn giản)

2CH3COCOOHCH3CH2COOH + CH3COOH + CO2

+ Sự lên men etanol:

Sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào pH của môi trường, lên men etanol thông thường sản phẩm là etanol, phải duy trì pH = 4,5 ÷ 5,0

NADH 2 NAD

c) Lên men tạo axít axetic

Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic sẽ từng bước chuyển hóa thành axit axetic:

3CH3CHOHCOOH  2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + 2H2O

Các axit có phân tử lượng lớn được cắt từng bước tại nguyên tử Cβ:

RnCH2CH2COOH Rn-1COOH + CH3COOH

Mùi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do các sản phẩm trao đổi được hình thành đặc biệt từ quá trình phân giải Protein và các axít amin: H2S, Indol, statol và mercaptan Trong phân giải yếm khí, dưới tác dụng của các enzym, bùn thường có màu đen Quá trình khí hóa dễ làm cho bùn nổi thành màng do khí thoát ra kéo theo sinh khối

d) Giai đoạn metan hóa

Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lí yếm khí, nhất là khi xử lí yếm khí thu biogas Hiệu quả xử lí sẽ cao khi các sản phẩm trung gian được khí hóa hoàn toàn

Dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men metan, các axit hữu cơ bị decacboxyl hóa tạo khí metan Trong xử lí yếm khí, khí metan được tạo thành theo hai cơ chế chủ yếu là khử CO2 và decacboxyl hóa

+ Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính nhờ vi khuẩn metan hóa

CH3COOH   CH4 + CO2

4CH3CH2COOH    2H2O

7CH4 + 5CO22CH3(CH2)2COOH    2H2O

5CH4 + 3CO22CH3CH2OH   3CH4 + CO2

CH3COCH3   H2O

2CH4 + CO2

Axit béo mạch ngắn hơn

Axit axetic

Khoảng 70% CH4 được tạo thành do decacboxyl hóa axit hữu cơ và các chất trung tính

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

CO2 CH4 + 2H2O

Khoảng 30% CH4 được tạo thành do khử CO2

Trong giai đoạn này, các sản phẩm chậm hoặc khó phân giải như xenluloza, axit béo phân tử lượng lớn tiếp tục bị phân hủy và tạo thành rất nhiều khí CO2 và

CH4, pH của môi trường tăng và chuyển sang kiềm nhẹ Các ion amin của môi trường tác dụng với CO2 tạo ra muối cacbonat làm cho môi trường có tính đệm

2.1.2 Tác nhân sinh học

a) Tác nhân sinh học của giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ

Các chủng Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Bacterioides, Pseudomonas

và Enterobacter chiếm đa số Phần lớn các vi khuẩn thủy phân và lên men axit hữu

cơ ít nhạy cảm với pH môi trường Chúng tồn tại được trong giải pH rộng từ 3 ÷ 7 tuy nhiên pH tối ưu 5 ÷ 7

Nước thải sản xuất tinh bột sắn giầu tinh bột nên tác nhân chủ yếu là: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococus, Corynebacterium, Lactobacillus, Actynomyces, Bifidobacterium, Clostridium

Trong giai đoạn lên men axit hữu cơ, tác nhân sinh học gồm:

- Vi sinh vật hô hấp yếm khí: Bacterioides (pH = 5,2 ÷ 7,5), Clostridium

(pH=5,8) đóng vai trò rất quan trọng trong giai đoạn này

- Vi sinh vật hô hấp tùy tiện: Bacillus, Pseudomonas Do sự có mặt của một số

loài vi sinh vật hô hấp tùy tiện nên chúng đã sử dụng hết phần oxy hòa tan có trong nước thải, điều này rất cần thiết cho các vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt sau này

b) Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men axit axetic (Axetogen)

Vi khuẩn tạo axit axetic (Vi khuẩn Axetogene) thường phát triển trong môi trường cùng với vi khuẩn metan hóa Vi khuẩn Axetogene tạo ra H2 trong quá trình lên men, nhưng nó lại bị chính sản phẩm này gây ức chế Vì vậy, trong môi trường

có các vi khuẩn metan hóa, khí H2 hoặc H+ sẽ được sử dụng để khử CO2 Một số

chủng vi khuẩn Axetogene có hiệu quả metan hóa cao: Syntrophobacter wolonii,

NADH 2 NAD

Syntrophobacter wolfei và Syntrophobacter Buswellii, nhiệt độ tối ưu topt = 33 ÷

400C, pH = 6 ÷ 8

Nhóm vi khuẩn khử sunfat: Selemonas, Clostridium, Riminoccocus, Desulfovibrio trong môi trường hỗn hợp với vi khuẩn metan hóa, tạo sản phẩm chủ

yếu là axit axetic

Nhóm vi khuẩn homonacetogene tạo axit axetic từ CO2 và H2, nhóm vi khuẩn này có ý nghĩa đặc biệt vì chúng cạnh tranh với vi khuẩn metan trong việc sử dụng

H2

2CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2O

c) Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men metan

Vi khuẩn lên men CH4 rất đa dạng, gồm 2 nhóm chính:

- Nhóm vi khuẩn metan ưu ấm (Mesophyl) phát triển ở nhiệt độ tối ưu topt = 35÷370C: Methanococus, Methanobacterium, Methanoosarcina

- Nhóm vi khuẩn metan ưa nóng (Thermophyl) phát triển ở nhiệt độ tối ưu topt

= 55÷600C: Methanobacillus, Methanospirillum, Methanothrix

Vi khuẩn metan hóa là những vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt, chúng rất mẫn cảm với sự có mặt của O2 vìvậy yêu cầu thiết bị lên men phải tuyệt đối kín Các vi khuẩn metan ưu axit nhẹ hoặc kiềm và rất nhạy cảm với sự thay đổi pH pH tối ưu cho quá trình lên men CH4 là 6,8 ÷ 7,5 Khi pH < 6,4 thì hiệu quả chuyển hóa CH4giảm 30% và nếu pH < 4,24 trong 3 đến 4 ngày thì vi khuẩn metan sẽ chết

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lí yếm khí

Xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học nói chung và xử lí bằng phương pháp yếm khí nói riêng, yếu tố môi trường đóng một vai trò quan trọng Nó quyết định hiệu quả xử lí của phương pháp, trong quá trình phân giải yếm khí, một số yếu

tố môi trường ảnh hưởng như: nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N của nguyên liệu, hàm lượng

và bản chất của chất ô nhiễm, thời gian lưu,…

2.2.1 Ảnh hưởng của pH

Quá trình phân giải yếm khí thực chất được thực hiện nhờ một hệ enzim mà hoạt lực của nó phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của môi trường Các nhóm vi sinh vật khác nhau sẽ có pH tối ưu khác nhau

- Các vi khuẩn thực hiện quá trình thủy phân và lên men axit hữu cơ phân lớn

ưa axit, chúng có thể tồn tại ở dải pH khá rộng từ 3 ÷ 7, pH tối ưu khoảng từ 5÷7, tuy nhiên hoạt lực của chúng sẽ giảm đi khi pH <4,5 Trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ, pH môi trường hầu như ít ảnh hưởng

- Các vi khuẩn metan ưa axit nhẹ hoặc kiềm do đó trong giai đoạn metan hóa

pH môi trường có ảnh hưởng lớn, pH tối ưu cho quá trình lên men biogas từ 6,5 đến 7,5 Khi pH < 6,5 hoạt lực của vi khuẩn metan hóa giảm đi rõ rệt, pH < 6,4 làm giảm 30% hiệu quả chuyển hóa CH4, còn khi pH <4,24 trong vòng 3÷4 ngày sẽ làm

vi khuẩn metan chết Tuy nhiên vi khuẩn metan có thể tồn tại được 60 ngày ở pH

=5

- Nếu pH vượt ngoài phạm vi 6,5÷8,0 thì tốc độ phân hủy các hợp chất hữu cơ

sẽ giảm và các sản phẩm trung gian cũng thay đổi theo chiều hướng không có lợi Khi pH < 6,5 thì sẽ gây kìm hãm quá trình khí hóa các axit béo, khi pH >8,0 thì gây

sự tăng ức chế của ion NH4+ với vi sinh vật

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình phân giải yếm khí Dải nhiệt độ cho quá trình phân giải yếm khí phụ thuộc tác nhân sinh

học hay nói khác đi Với các vi khuẩn metan hóa ưa ấm (Meosophyl) nhiệt độ tối ưu

ở 35÷370C, các vi khuẩn metan hóa ưa nóng (Theromophyl) hoạt động tốt ở nhiệt

độ 50 ÷ 520

C

Biến động nhỏ của nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hoạt lực của vi sinh vật Nhóm vi khuẩn metan hóa cho hiệu suất cao chủ yếu là vi khuẩn ưa ấm, chúng rất nhạy cảm với biến động của nhiệt độ Do vậy, để thu biogas thì nhiệt độ luôn phải giữ ổn định từ 35÷370

C

- Nhiệt độ > 370C: Vi khuẩn metan hóa và các vi khuẩn khác ưa nhiệt hoạt động Quá trình khí hóa mạnh, khí thoát ra nhiều nhưng hàm lượng CH4 thấp do quá trình khử CO2 không xảy ra Hàm lượng CH4 có trong biogas có thể giảm tới 30%

Vì vậy nhiệt độ môi trường trong xử lí yếm khí có vai trò rất quan trọng, nó quyết định hiệu quả thu khí metan

- Nhiệt độ < 100C Vi khuẩn metan hóa hầu như không hoạt động

2.2.3 Ảnh hưởng của thành phần cơ chất (tỷ lệ C/N)

Cacbon và Nitơ là nguồn nguyên liệu chủ yếu của vi khuẩn sinh khí CH4, tỷ lệ C/N có ý nghĩa quyết định đối với quá trình xử lí yếm khí, tỷ lệ C/N tối ưu là 30/1 Khi C/N > 30/1: thiếu N sẽ làm hạn chế phát triển sinh khối, C phân hủy chậm

và không hoàn toàn

Khi C/N < 30/1: thừa N, vi khuẩn sẽ phân giải và chuyển thành NH4+ và NH3quá cao sẽ kìm hãm quá trình phân giải yếm khí, đặc biệt là đối với các vi khuẩn metan hóa khi nồng độ NH3 ≥ 0,15 mg/l sẽ ức chế rất mạnh sự tạo thành CH4

2.2.4 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm

a) Các ion kim loại và kim loại nặng

Các ion kim loại ảnh hưởng đến các vi khuẩn metan hóa, trong đó tác động mạnh nhất là Mangan, sau đó là canxi, natri,…

b) Các hợp chất chứa Nitơ

Trong nước thải Nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng axit hữu cơ (axit amin, peptit, protein) và có thể tồn tại ở dạng nitơ vô cơ (NH4+, NO3-) Trong phân giải yếm khí

NH4+ là sản phẩm của quá trình khử amin

NH4+ được các vi sinh vật yếm khí sử dụng như là nguồn cung cấp Nitơ, nhưng nếu hàm lượng NH4+, NO3- quá cao sẽ kìm hãm trao đổi chất của vi khuẩn

NO3- có thể kìm hãm gián tiếp vi khuẩn metan hóa, do trong môi trường yếm khí một số vi khuẩn có khả năng khử nitrat thành N2, NH3 và NH4+ làm cho hàm lượng

NH4+ tăng nhanh gây ức chế mạnh đến quá trình khí hóa

c) Các hợp chất chứa lưu huỳnh

Lưu huỳnh là một nguyên tố cần thiết cho quá trình tạo sinh khối tổng hợp Protein của vi sinh vật, nhưng ở nồng độ cao, nó lại có tác dụng kìm hãm đối với vi sinh vật

Lưu huỳnh có trong nước thải là do quá trình sản xuất có sử dụng một số hóa chất như H2SO4, Na2SO3,… trong điều kiện yếm khí SO42- bị khử thành H2S

Quá trình khử sulfat nói chung không ảnh hưởng nhiều đối với vi khuẩn thủy phân và axit hóa, nhưng ngược lại nó ảnh hưởng đến vi khuẩn metan hóa do H2S ức chế vi khuẩn metan, đồng thời vi khuẩn sulfat cạnh tranh với vi khuẩn metan trong việc sử dụng H2