Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hybrid (lọc sinh học aerotank) trong xử lý nước thải thủy sản tại đà nẵng

Mục tiêu cụ thể - Khả năng bám dính của các loại vật liệu được sử dụng; - Đánh giá hiệu quả xử lý COD, N-NH3 của công nghệ hybrid; - Xác định thời gian lưu, tải trọng vận hành tối ưu củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN LỢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HYBRID (LỌC SINH HỌC – AEROTANK) TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN VĂN QUANG

Phản biện 1: GS.TS ĐẶNG KIM CHI

Phản biện 2: PGS.TS TRẦN CÁT

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 25 tháng 5 năm 2013

* Có thể tìm hiểu luận văn tại :

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

là điểm nóng về môi trường của thành phố

Nghiên cứu khả năng xử lý nước từ hoạt động chế biến thủy sản bằng công nghệ hybrid (lai hợp giữa phương pháp lọc sinh học và Aerotank) nhằm tận dụng ưu điểm của công nghệ sinh

trưởng lơ lửng và sinh trưởng bám dính trong cùng một hệ thống bể hiếu khí để nâng cao hiệu quả xử lý, tăng khả năng chịu sốc tải, nâng cao khả năng xử lý nitơ và photpho của công trình;

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu khả năng kết hợp của nhiều công nghệ xử lý trong cùng một bể xử lý;

Nghiên cứu xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình hybrid làm cơ

sở cho việc đưa ra các đề xuất công nghệ xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thủy sản;

2.2 Mục tiêu cụ thể

- Khả năng bám dính của các loại vật liệu được sử dụng;

- Đánh giá hiệu quả xử lý COD, N-NH3 của công nghệ hybrid;

- Xác định thời gian lưu, tải trọng vận hành tối ưu của công nghệ;

- Xác định khả năng chịu sốc tải của mô hình;

- Xác định lượng bùn phát sinh của công nghệ hybrid;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nước thải của Công ty TNHH chế biến Thực phẩm D & N

4.2 Phương pháp thực nghiệm trên mô hình;

4.3 Phương pháp phân tích thực nghiệm tại phòng thí nghiệm: 4.4 Xử lý số liệu

a) Tính toán lượng bùn dư lấy ra hằng ngày trong các mô hình thực nghiệm:

V = (C30) V b 1000; Trong đó:

E: Hiệu quả xử lý của mô hình (%);

C0: Nồng độ chất thải đầu vào (COD, hoặc N-NH3);

Cr: Nồng độ chất thải sau xử lý (đầu ra) (COD, hoặc N-NH3);

c) Thời gian lưu thủy lực: HRT (Hydraulic retention time)

H

d) Thời gian lưu bùn (với các hệ có hồi lưu hay thể bám):

Trong đó:

Tr: Tải trọng vận hành của hệ thống (kg/m3.ngàyđêm);

Q: Lưu lượng nước thải nạp vào hệ thống (m3/ngàyđêm);

C: Nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào (mg/lit);

V: Thể tích bể xử lý; (m3)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đánh giá thêm khả năng kết hợp của nhiều công nghệ xử lý trong cùng một công trình nhằm nâng cao hiệu quả xử lý, giảm diện tích xây dựng

Là cơ sở thiết thực cho phép các doanh nghiệp, nhà máy chế biến thủy sản làm căn cứ lựa chọn công nghệ xử lý cho phù hợp với tình hình hoạt động sản xuất của mình trong quá trình đầu tư mới hay nâng cấp hệ thống xử lý nước thải, chủ động trong công tác xử lý nước thải thay vì phải phụ thuộc vào trạm xử lý nước thải tập trung như hiện nay

6 Cấu trúc luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH CHẾ BIẾN THỦY SẢN VÀ NHỮNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG

1.1.1 Khái quát về ngành chế biến thủy sản

1.1.2 Một số quy trình trong hoạt động chế biến thủy sản

1.1.3 Thành phần và tính chất của nước thải từ hoạt động chế biến thủy hải sản

a) Thành phần nước thải từ công nghiệp chế biến thủy

Nước thải từ các nhà máy chế biến thuỷ sản có các chỉ số ô nhiễm cao hơn so với tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại B dùng cho nuôi trồng thuỷ hải sản (QCVN 11:2009/BTNMT) như BOD5 vượt

từ 10 – 30 lần, COD từ 9 - 19 lần Nitơ tổng có nơi cao hơn đến 9 lần

b) Lưu lượng phát thải nước thải từ ngành công nghiệp chế biến thủy sản

Cá da trơn: 5-7 m3/tấn sản phẩm; tôm đông lạnh: 4-6 m3/tấn sản phẩm; surimi: 20-25 m3/tấn sản phẩm; thuỷ sản đông lạnh hỗn hợp: 4-6 m3/tấn sản phẩm

1.1.4 Ảnh hưởng của nước thải từ hoạt động chế biến thủy sản 1.2 PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

TỪ NGÀNH CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN THỦY SẢN

1.3.3 Quá trình xử lý sinh học kỵ khí – Bể UASB

1.3.4 Phương pháp loại bỏ nitơ

1.4 TỔNG QUAN VỀ HYBRID VÀ HỆ HYBRID LỌC SINH HỌC – AEROTANK

Đa số các hệ thống hybrid được hoạt động theo công nghệ:

- Kết hợp sinh trưởng lơ lửng và sinh trưởng bám dính trên cùng một hệ thống xử lý kị khí hoặc hiếu khí

- Kết hợp sinh học và hấp phụ, sử dụng các chất mang có diện tích bề mặt riêng lớn

- Kết hợp sinh học và các phương pháp công nghệ bậc cao như màng lọc, thẩm thấu ngược

- Kết hợp sinh học kị khí, thiếu khí và hiếu khí trong cùng một hệ thống xử lý

1.4.1 Công nghệ kỵ khí hai giai đoạn (acid hóa + lọc kỵ khí) 1.4.2 UASB + lọc kỵ khí

- Công nghệ lọc yếm khí kết hợp hồ sinh học;

- Công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng hay kết hợp

bằng biện pháp keo tụ, tạo bông rồi đấu nối vào hệ thống xử lý nước thải tập trung của KCN;

Theo đánh giá chung, hầu hết các công trình xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thủy sản trên địa bàn thành phố hiện nay hoạt động vẫn chưa đạt hiệu quả;

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Giới thiệu sơ bộ về Công ty TNHH chế biến Thực phẩm

- Đánh giá khả năng bám dính của bùn trên các loại vật liệu lọc;

- Đánh giá và so sánh hiệu quả xử lý COD, N-NH4+ giữa hai công nghệ: công nghệ Aeratank truyền thống và công nghệ hybrid;

Nội dung các thí nghiệm được thực hiện:

Thí nghiệm 1: Xác định tính chất của các loại nước thải khác nhau trong hoạt động chế biến thủy sản của Công ty TNHH chế biến Thực phẩm D & N;

Thí nghiệm 2: Sơ bộ xác định khả năng bám dính của các loại vật liệu lọc khác nhau;

Thí nghiệm 3: Xác định thời gian lưu tối ưu;

Thí nghiệm 4: Xác định hiệu quả xử lý khi thay đổi thời gian lưu

từ 6h, 8h, 10h, 12h, 14h;

Thí nghiệm 5: Xác định tải trọng tối ưu của mô hình;

Thí nghiệm 6: Xác định hiệu quả xử lý với thời gian lưu 24h, COD đầu vào có nồng độ 2.000mg/l;

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm;

2.3.1 Xác định tính chất của các loại nước thải

Với mỗi loại nước thải được lấy mẫu 03 lần tại các thời điểm khác nhau trong ngày

2.3.2 Xác định khả năng bám dính của các loại vật liệu lọc;

Hình 2.1 - Mô hình, các thiết bị được sử dụng để thí nghiệm khả

năng bám dính Nghiên cứu thực hiện trên 4 loại vật liệu lọc bao gồm:

+ Nhựa PVC đen (Black MBBR filter media)

Diện tích bề mặt riêng > 800m2/m3, khối lượng riêng 155kg/m3, màu trắng, thể tích chiếm chỗ: 180ml vật liệu/1 lít thể tích vật liệu; Hạt vật liệu nổi trên mặt nước;

Nguồn gốc: Việt Nam

+ Nhựa PE trắng (PE 04)

Có diện tích bề mặt riêng > 800m2/m3, khối lượng riêng 155kg/m3, màu trắng, thể tích chiếm chỗ: 180ml vật liệu/1 lít thể tích vật liệu; Hạt vật liệu nổi trên mặt nước;

Nguồn gốc: Việt Nam

+ Vật liệu xốp (tấm xốp cắt nhỏ)

Chưa xác định được diện tích bề mặt riêng, độ xốp cao, hút nước tốt, có thể tích chiếm chỗ: 250ml/1 lít thể tích vật liệu, chìm trong nước, có sức cản lớn khó cho dòng nước chảy qua;

Nguồn gốc: Khoa Môi trường

+ Vật liệu xốp nổi

Độ xốp lớn, nổi trên mặt nước, kích thước hạt vật liệu 0,7cm x 0,7cm x 0,5cm; Diện tích chiếm chỗ: 450ml/1 lít thể tích vật liệu

Nguồn gốc: Công ty Metawater

2.3.3 Xác định thông số vận hành, đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ;

Hình 2.2 - Sơ đồ bố trí mô hình Hybrid và Aerotank đối chứng

2.3.4 Vận hành mô hình thực nghiệm;

2.3.5 Mô tả tóm tắt ý nghĩa, thời gian và các bước tiến hành thực nghiệm;

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI

Bảng 3.1 - Tính chất nước thải từ hoạt động chế biến thủy sản

3.2 KẾT QUẢ CỦA THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BÁM DÍNH

Hình 3.2–Biểu đồ lượng bùn bám dính trên vật liệu các ngày TN

Nhận xét:

Lượng bùn bám dính trên vật liệu lọc có xu hướng tăng theo thời gian thực nghiệm, giai đoạn đầu do chưa có bùn bám dính nên lượng bùn bám dính tăng nhanh (từ ngày 1 đến ngày 4), nhưng càng về sau bắt đầu có dấu hiệu chậm lại Từ ngày thứ 5 đến ngày thứ 8 lượng bùn bám dính không có dấu hiệu gia tăng;

Các loại vật liệu đêm thực nghiệm đều có khả năng bám dính bùn tốt (từ 0,57 ÷ 0,63 lít bùn/lít vật liệu lọc) Trong các loại vật liệu đem thực nghiệm thì vật liệu xốp có lượng bùn bám dính lớn nhất; các loại vật liệu còn lại: PVC đen, VL nổi, PE trắng có mức độ bám dính chênh lệch không đáng kể;

3.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THỜI GIAN LƯU NƯỚC TỐI ƯU

Hình 3.3 - COD đầu ra của mô hình Hybrid dùng vật liệu PE trắng và

mô hình Aerotank đối chứng theo thời gian lưu nước

Hình 3.4 – So sánh hiệu quả xử lý theo COD của các mô hình theo

thời gian lưu nước

Hình 3.5 – So sánh chất lượng N-NH3 trong nước đầu ra giữa Hybrid

và mô hình đối chứng

Hình 3.6 – So sánh hiệu quả xử lý theo N – NH3 của các mô hình

Nhận xét:

Khi tăng thời gian lưu nước từ 0h đến 24h, hiệu quả xử lý theo COD của cả hai mô hình đều tăng lên từ 0% lên đến khoảng 90% (đối với mô hình Aerotank) và 95,5% (đối với mô hình Hybrid) Trong thời gian từ 1 đến 4h đầu tiên (HRT ≤ 0,21 ngày), hiệu quả

xử lý COD của mô hình Aerotank cao hơn mô hình Hybrid.Sau các giờ tiếp theo (từ 8 đến 24h) hiệu quả xử lý của mô hình Hybrid cao hơn hiệu quả xử lý của mô hình Aerotank

Với thời gian lưu nước lớn hơn 5h, hiệu quả xử lý của mô hình Hybrid cao hơn mô hình Aerotank khoảng từ 1,6 ÷ 10% theo COD

và từ 0,5÷7,6% theo N-NH3;

Khi thời gian lưu nước < 8h (HRT ≤ 0,33 ngày), tốc độ gia tăng

về hiệu quả xử lý COD, N-NH3 trong cả hai mô hình khá nhanh Sau thời gian lưu nước 8h (HRT ≥ 0,33 ngày), tốc độ gia tăng về hiệu quả

xử lý COD, N-NH3 trong cả hai mô hình bắt đầu chậm lại Do vậy, chọn thời gian lưu nước tối ưu là 8h đế tiến hành các thực nghiệm tiếp theo

3.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM THAY ĐỔI THỜI GIAN LƯU NƯỚC QUANH GIÁ TRỊ THỜI GIAN LƯU TỐI ƯU

Hình 3.7 - Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý theo COD của Mô hình hybrid dùng vật liệu PE trắng và mô hình đối chứng

Hình 3.8 - So sánh hiệu quả xử lý theo COD giữa các mô hình thực

nghiệm

Hình 3.9 - So sánh hiệu quả xử lý theo N-NH3 giữa mô hình Aerotank và Mô hình hybrid dùng vật liệu lọc là PE trắng

Hình 3.10 - So sánh hiệu quả xử lý theo N-NH3 giữa mô hình Aerotank và mô hình Hybrid với 03 loại vật liệu lọc khác nhau

Nhận xét:

Mô hình Hybrid cho hiệu quả xử lý COD, N-NH3 cao hơn mô hình Aerotank thông thường Hiệu quả xử lý của mô hình Hybrid cao hơn từ 1 đến 9,5% đối với COD, và từ 4 – 11% đối với N-NH3; Thời gian lưu càng lâu (tải trọng hữu cơ) càng thấp thì hiệu quả

xử lý càng cao Hiệu quả xử lý COD cao nhất là 91,14 và hiệu quả

xử lý N-NH3 cao nhất là 96,85 (đối với mô hình hybrid dùng vật liệu PVC đen tại thời gian lưu 14h);

So sánh giữa 03 loại vật liệu được sử dụng thì vật liệu PVC đen cho hiệu quả cao hơn, hai loại vật liệu còn lại là PE trắng và vật liệu nổi có hiệu quả xử lý tương đương nhau

3.5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG VẬN HÀNH TỐI ƯU;

Hình 3.11 – Hiệu quả xử lý theo COD của mô hình hybrid và mô

hình đối chứng với thời gian lưu nước 8h

Hình 3.22 – So sánh hiệu quả xử lý theo COD của các mô hình với

thời gian lưu nước 8h

Hình 3.33 – Nồng độ N-NH3 của mô hình Hybrid (PE trắng) và mô

hình Aerotank

Hình 3.44 – So sánh hiệu quả xử lý theo N-NH3 của các mô hình

Nhận xét:

Mô hình Hybrid cho hiệu quả xử lý COD, N-NH3 cao hơn mô hình Aerotank thông thường Hiệu quả xử lý của mô hình Hybrid cao hơn từ 1 đến 7,6% đối với COD, và từ 1 – 12% đối với N-NH3;

Khi nồng độ COD đầu vào ≤ 600 mg/l (tương đương tải trọng ORL ≤ 1,8 kg/m3.ngàyđêm) thì chất lượng nước đầu ra của cả hai mô hình đều đạt QCVN 11:2008/BTNMT; Tại COD đầu vào = 800 mg/l chất lượng nước đầu ra của mô hình Hybrid đạt QCVN 11:2008/BTNMT Chất lượng nước đầu ra của mô hình Aerotank vượt quy chuẩn cho phép;

Nồng độ chất lượng nước đầu vào càng cao (tải trọng hữu cơ càng lớn) thì hiệu quả xử lý theo COD càng giảm Khi thay đổi nồng độ nước đầu vào từ 600mg/l (ORL = 1,8 kg/m3.ngàyđêm) lên đến COD đầu vào là 1000 mg/l (ORL = 3 kg/m3.ngàyđêm) thì hiệu quả xử lý theo COD giảm từ 90,40% xuống còn 87,40% đối với mô hình Aerotank và giảm từ 92,45% xuống còn 89,75% đối với mô hình Hybrid;

+ Nhận xét về lượng bùn phát sinh và chất lượng bùn của hai mô hình

Hình 3.55 – Biểu đồ lượng bùn phát sinh theo thời gian của thực

- Bùn lấy ra từ mô hình Hybrid dễ xảy ra quá trình phân hủy kỵ khí hơn so với bùn lấy ra từ mô hình Aerotank;

3.6 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Ở THỜI GIAN LƯU NƯỚC 24H, NỒNG ĐỘ NƯỚC ĐẦU VÀO CÓ COD KHOẢNG 2000 MG/L;

Hình 3.78 – Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý theo COD của mô hình

Hybrid và mô hình đối chứng

Hình 3.89 – So sánh hiệu quả xử lý theo N-NH3 của mô hình Hybrid

và mô hình Aerotank

Nhận xét:

- COD đầu ra của mô hình hybrid đạt QCVN 11:2008/BTNMT COD đầu ra của mô hình Aerotank thì ở hai ngày đầu lớn hơn 80mg/l, từ ngày thứ ba trở đi đạt QCVN 11:2008/BTNMT;

- Khả năng thích ứng với những thay đổi của chất lượng nước đầu vào ở mô hình Hybrid cao hơn mô hình Aerotank;

- N-NH3 đầu ra của mô hình Hybrid đạt QCVN 11:2008/BTNMT, N-NH3 của mô hình Aerotank cao hơn QCVN 11:2008/BTNMT;

- Hiệu quả xử lý của mô hình Hybrid theo COD đạt trên 96% và theo N-NH3 đạt giá trị từ 88% đến 93% cao hơn hiệu quả xử lý của

mô hình Aerotank;

3.7 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ HYBRID CHO CÁC CƠ SỞ CHẾ BIẾN THỦY SẢN;

3.7.1 Phương án chung

- Giai đoạn tiền xử lý (Xử lý bậc 1):

- Giai đoạn xử lý bậc 2:

3.7.2 Phương án đề xuất đối với Công ty D&N

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Đề tài đã thực hiện khảo sát đánh giá chất lượng nước thải phát sinh từ các hoạt động chế biến thủy sản tại Công ty TNHH Thực phẩm D&N, đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của công nghiệp chế biến thủy sản bằng công nghệ lai hợp giữa lọc sinh học và Aerotank, đồng thời so sánh hiệu quả xử lý của công nghệ lai hợp với công nghệ Aerotank truyền thống Các thực nghiệm được tiến hành với các mức tải trọng khác nhau, thời gian lưu nước khác nhau: 6h, 8h, 10h, 12h, 14h Từ kết quả thực nghiệm thu được, có thể rút ra các kết luận sau:

1 Trong các thực nghiệm so sánh giữa hai mô hình Aerotank và

mô hình Hybrid chất lượng nước đầu ra của mô hình Hybrid luôn tốt hơn mô hình Aerotank cả về COD và N-NH3;

2 Thời gian lưu tối ưu của mô hình là 8h, nồng độ chạy tối ưu là 800mg/l, tương đương tải trọng 2,4 kgCOD/m3.ngàyđêm);

3 Với thời gian lưu nước 8 giờ, nồng độ COD đầu vào khoảng 800mg/l (tương đương tải trọng là 2,4 kg/m3.ngàyđêm) thì hiệu quả

xử lý của mô hình hybrid cao hơn mô hình Aerotank từ 1,1% đến 2,3% theo COD và cao hơn từ 1,1% đến 4,97% theo N-NH3; Tại tải

trọng này, chất lượng nước đầu ra của mô hình Hybrid đạt giá trị cho phép theo QCVN 11:2008/BTNMT, nhưng chất lượng nước đầu ra của mô hình Aerotank không đạt yêu cầu theo QCVN 11:2008/BTNMT;

4 Với thời gian lưu nước là 24 giờ, nồng độ nước đầu vào là 2.000mg/lít thì chất lượng nước thải đầu ra của mô hình Hybrid đạt các yêu cầu về QCVN 11:2008/BTNMT;

5 Khi thay đổi nồng độ COD của nước thải đầu vào một cách đột ngột (từ 1000mg/l lên 2000mg/l), khả năng thích nghi của mô hình Hybrid cao hơn khả năng thích nghi của mô hình Aerotank;

6 Lượng bùn sinh ra trong mô hình sử dụng công nghệ Hybrid luôn thấp hơn lượng bùn sinh ra trong mô hình sử dụng công nghệ Aerotank truyền thống Lượng bùn từ công nghệ hybrid chỉ bằng 0,3

÷ 0,8 lượng bùn sinh ra từ công nghệ Aerotank;

7 Công nghệ lai hợp là cơ sở để các nhà máy chế biến thủy sản lựa chọn khi muốn nâng cao hiệu quả xử lý của các công trình xử lý nước thải mà không muốn thay đổi kết cấu bể hiện tại;

Kiến nghị

Do hạn chế về thời gian và nội dung nghiên cứu nên đề tài chỉ mới dừng lại trong phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm, để có thêm những số liệu và cơ sở thực tiễn cần tiếp tục nghiên cứu ở những bước tiếp theo nhằm hoàn thiện đề tài trước khi

áp dụng thực tế, cụ thể:

1 Thực nghiệm xác định: chiều cao bể, chiều cao vật liệu lọc tối

ưu, tỉ lệ thể tích vật liệu/tổng thể tích bể phản ứng ở mức tối ưu, tính toán lợi ích về mặt kinh tế của công nghệ hybrid và công nghệ aerotank truyền thống, Tiến hành nghiên cứu xác định thời gian rửa