XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Trang 1

XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Nguyễn Văn Phước – Khoa Môi Trường

ĐH Bách Khoa TP.HCM

I GIỚI THIỆU CHUNG

Ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề nan giải Hằng năm 1,6 tỉ tấn hoá chất độc hại được thải trực tiếp vào môi trường không khí từ hoạt động của các loại hình công nghiệp như: Sơn, nhựa, cao su, keo dán, chất phủ bề mặt, các sản phẩm chế biến dầu mỏ, dược phẩm, mỹ phẩm, dệt nhuộm

Các loại hoá chất mạch vòng như toluen,xylene, benzen, methyl benzen, phenol đã và đang gây tác hại nghiêm trọng đến môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Bên cạnh một số phương pháp xử lý khí thải thông thường như: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất, ngưng tụ, đốt, oxy hoá (có hoặc không xúc tác) Phương pháp sinh học bao gồm lọc sinh học, tháp rửa, lọc sinh học nhỏ giọt, màng sinh học đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi cho xử lý khí

ô nhiễm Các phương pháp trên hoạt động ổn định, hiệu quả xử lý cao , chi phí đầu tư và vận hành thấp

Nguồn gốc hình thành các hợp chất hữu cơ : tồn tại trong các hạt bụi

rắn hay lỏng

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) hiện diện trong thành phần của các loại dung môi, sơn, keo dán sàn, các sản phẩm tẩy rửa, đánh bóng, khử mùi phòng và thảm … Chúng bao gồm từ các hợp chất hữu cơ đơn giản như mêtan đến hydrocacbua thơm, alcoho, aldehyt, keton, este, hợp chất hữu cơ của halogen cũng như hợp chất hữu cơ có chứa liên kết lưu huỳnh hoặc nitơ …

Trang 2

Đặc trưng của khí hữu cơ là có mùi gây nên cảm giác khó chịu và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người (nhiễm độc qua đường hô hấp)

Aûnh hưởng đến sức khỏe con người:

Gây nhức đầu, buồn nôn, chóng mặt, chảy máu não, chảy máu phế quản, phù phổi,… vật vã Ngủ sâu, khi tỉnh lại có thể bị mất trí nhơ Ù Thường gặp ở những người có môi trường làm việc phải thường xuyên tiếp xúc với các khí hữu cơ

Tuỳ vào liều lượng, nồng độ å mà biểu hiện nhiễm độc thể hiện ở những mức độ khác nhau Những biểu hiện thường gặp :viêm da, đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi, tim đập nhanh, gây tổn thương mắt, giảm thị giác, giảm độ nhạy về thần kinh, rối loạn các chức năng hô hấp, suy giảm thần kinh trung ương, gây nhiễm độc gan, rối loạn huyết học; Gây rối loạn chức năng tiêu hoá: kém ăn, nôn, xáo trộn, tổn hại đến dạ dày,…

-Một số chất có khả năng gây ung thư :benzen, styrene butadience gây ung thư máu; ung thư da, ung thư tinh hoàn … và mức độ nhiễm bệnh theo thời gian tiếp xúc

Ung Thư Máu

Trang 3

Tổn Hại Tế Bào Phổi

Ung thư da

Trang 4

II PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Cơ chế: sử dụng vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong thành phần khí thải thành CO2, H2O và các sản phẩm ít nguy hại

4 quá trình sinh học thường được áp dụng bao gồm:

- Lọc sinh học

- Tháp tưới sinh học

- Lọc nhỏ giọt

- Màng sinh học

2.1 Lọc sinh học (Biofilter)

Biofilter, sử dụng vật liệu lọc như than, đất, xi( có khả năng xử lý đến 99% khí ô nhiễm Thiết bị trên được áp dụng rộng rãi cho xử lý mùi sinh

ra từ các nông trại chăn nuôi, chế biến thực phẩm, phân bón hữu cơ và các khí ô nhiễm từ các nhà máy công nghiệp: in, dệt nhuộm,

Phương pháp trên rẻ tiền hơn các phương pháp hóa học khác như hấp thụ, hấp phụ ,

Ưu điểm:

- Thể tích nhỏ nhất

- Ít năng lượng nhất

- Xử lý một lượng lớn các chất ô nhiễm hữu cơ bay hơi

Khuyết điểm:

- Cần thời gian cho VSV phát triển

- Khó kiểm tra khả năng phân hủy sinh học

Trang 5

Hình 1: Mô hình lọc sinh học

1980 lọc sinh học được áp dụng cho xử lý VOC, khí độc ở Tây Đức và Hà Lan, sau đó là Mỹ, mehico, Pháp, ý Các hệ thống trên xử lý rượu, phenol, keton, dầu khoáng

Các yếu tố ảnh hưởng đếnhoạt động của hệ thống xử lý: pH, nhiệt độ, nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng ẩm , độ ẩm tương đối của không khí

Xử lý khí thải từ công nghiệp chế biến gỗ, sản xuất giấy

Lọc sinh học thuận lợi cho xử lý khí thải trong chế biến gỗ do: sử dụng ngay gỗ làm vật liệu tiếp xúc Chất ô nhiễm từ pha khí chuyển trực tiếp vào lớp màng vi sinh vật sau đó bị phân hủy Các chất khí ô nhiễm hoà tan kém trong nước

Hình 2: Mô hình lọc sinh học

Trang 6

Aùp dụng hệ thống lọc sinh học cho xử lý khí thải ít ô nhiễm

Hình 3: Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải Cyclic trong công nghiệp chế biến gô”

Kết quả nghiên cứu xử lý khí cyclic trong mô hình lọc sinh học cho thấy: sau 271 ngày vận hành, hiệu quả xử lý đạt 80% - 90%, với thời gian lưu : 40 giây; nồng độ cyclic trung bình:25 ppmv

Trong giai đoạn vận hành, thường xuyên tưới nước , đảm bảo độ ẩm lớn hơn 15%

Xử lý ethanol bằng phương pháp lọc sinh học (richard auria)

Bể phản ứng chứa các lớp vật liệu lọc: than, đá, vật liệu nhân tạo Không khí ô nhiễm sẽ đi qua lớp vật liệu trên Tại đây các vi sinh vật tham gia phân hủy các chất ô nhiễm chuyển thành CO2 và nước

Trang 7

Bể lọc sinh học có, đường kính trong 14 cm; không khí khô đi qua hệ thống tạo ẩm, ethanol cũng đi qua hệ thống tương tự sau đó nhập 2 dòng lại Vật liệu lọc là than bùn (50% thể tích) Trong quá trình vận hành cần bổ sung các chất dinh dưỡng, vi lượng cho hệ thống

Ở giai đoạn start up, ethanol hấp thụ trên bề mặt ẩm Bị phân hủy thành acetaldehyde, acid acetic, ethyl acetate sau đó sẽ chuyển hoá thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O

Kết quả nghiên cứu cho thấy: 1 g ethanol sinh 0,35 g CO2 Hiệu quả xử lý: 39 g/m3/h

2.2 Tháp tưới sinh học (Bioscrussber)

Nguyên tắc: Các chất ô nhiễm trong không khí sẽ bị hoà tan, hấp thụ vào nước, sau đó chuyển hoá thành các sản phẩm không độc hại

Ưu điểm:

Dễ điều khiển pH, nhiệt độ, dinh dưỡng, oxy

Khuyết điểm:

Chi phí về năng lượng, lắp đặt, bảo trì, vận hành cao hơn so với biofilter

Trang 8

Hình 4: Mô hình tháp tưới sinh học

2.3 Trickling Biofilter

Bắt nguồn từ biofilter và bioscrussber VSV phát triển trên bề mặt vật liệutiếp xúc tham gia vào quá trình phân hủy cơ chất

Ưu điểm:

- Bể phản ứng độc lập

- Dễ kiểm soát pH và dinh dưỡng

- Ít nhu cầu năng lượng hơn bioscrussber

Khuyết điểm:

- Tiêu tốn nhiều năng lượng hơn biofilter

- Nghẹt màng (vi khuẩn kị khí phát triển)

- Phụ ï thuộc trọng lực

Trang 9

Hình 5: Mô hình lọc sinh học nhỏ giọt

Mô hình lọc sinh học nhỏ giọt ứng dụng phổ biến cho xử lý mùi, khí thải hữu cơ (toluen, phenol, Chlorobenzenes và o-Dichlorobenzenes ), H2S và một số hợp chất lưu huỳnh, N-NH3, mercaptane , Điển hình như:

Xử lý 95% H2S ; 40-50% mercaptan, từ khí cống rảnh sau thời gian lưu nước 5 giây

Xử lý toluen bằng vi khuẩn pseudomonas trong mô hình lọc sinh học nhỏ giọt sử dũng môi trường dinh dưỡng nhân tạo bao gồm: glucose, dinh dưỡng, vi lượng

Trong mô hình trên, các vi khuẩn tham gia phân hủy các hợp chất mạch vòng, giảm số vòng thơm

pH xử lý: 4,5 – 7, thời gian tiếp xúc: 1 phút Hàm lượng toluen: 400 ppm

- Với tốc độ dòng khí: 12.5 l/phút Hiệu quả khử toluen đạt 75-8y(

- Tốc độ dòng khí: 2,94 l/phút Hiệu quả khử toluen đạt 94%

Trang 10

- Aùp suất ngập lụt: 3,3 kPa/m

- Thời gian thích nghi: 11-15 ngày

Sơ đồ hệ thống trình bày ở hình 6:

Hình 6: Sơ đồ hệ thống xử lý toluen

Mô hình gồm:

Cột PVC, d=10,3 cm; cao: 147,6 cm; vòng raschig (yên ngựa) , có diện tích bề mặt riêng 291 m2/m3

Hệ thống lên men (bằng thủy tinh): 6,8 lít

Xử lý VOC, H2S

Các thông số vận hành như sau:

Thơng số Giá trị

Chiều cao của lớp vật liệu 3 – 6 ft

Diện tích tiếp xúc 10 – 32,000

Trang 11

Lưu lượng dịng khí vào,

CFM

600 – 600,000 Thể tích vật liệu, % 90 – 95%

Thời gian lưu khí 2 – 60 , s

Độ giảm áp khi qua giá thể 0.36 - 2, inch H2O

pH của pha lỏng tuần hồn

+ Xử lý VOC

+ Xử lý H2S

7 1-2 Nồng độ VOC, grains ft3

( grains = 0.0648 gram)

4.57x10-3 - 45.7 Khả năng xử lý,% 60 – 99.9

Mô hình phân lập 2 loài vi khuẩn đặc trưng là: - Pseudomonas sp và

Alcaligenes sp

 Phương pháp thí nghiệm

- Dịng khí được sục vào bình chứa CB & DCB và mang hơi CB & o-DCB đi qua cột lọc

- Nồng độ và lưu lượng khí được xác định bằng các thiết bị chuyên biệt

- Đồng thời dịng nước tuần hồn được phun đều trên bề mặt giá thể pH được tự động điều chỉnh trước khi tuần hồn trở lại

Trang 12

Hình 7: Hình ảnh nghiên cứu thực nghiệm

 VSV tiêu thụ CB cĩ khả năng chịu được sự thay đổi pH và nồng độ muối trong dịng tuần hồn lớn hơn so với o-DCB

 CNaCl (nước tuần hồn)=200 mM làm giảm HQXL chi cịn 20-40% HQXLmax

 CNaCl (nước tuần hồn)=500 mM HQXL = 0

 Thay nước tuần hồn khi nồng độ NaCl quá cao

2.4 Quá trình màng sinh học

Tương tác giữa khí ô nhiễm và các dung dịch lỏng chứa các chất dinh dưỡng Các chất ô nhiễm sẽ khuyếch tán và bị phân hủy sinh học

Khử dimethyl sunfate từ khí thải bằng màng lọc sinh học

Màng lọc sinh học bao gồm:màng polydimethylxiloxane, kích thước 17

um Vi khuẩn chính tham gia phản ứng: methylotrophic; pH tối ưu = 6 Hàm lượng sunfate <8g/l Hiệu quả xử lý khí ô nhiễm: (C =38 mg

Me2S /m3) là 99% sau 24 s; 90% sau 12 s và 85% sau 8 s tải trọng tối ưu: 4,82 kg me2S/m3.ngày (cao hơn so với biofilter và biotrickling filter quy ước)

Trang 13

• Thể tích dung dịch tuần hoàn: 400 ml

• Hàm lượng bùn (VSV) : 0,41 g VS/l

• Hoatï tính phân hủy: 0,24 g Me2S/g VS.ngày

• PH tối ưu 6-7: E% - 90%

• pH: 8,5 và 3: E%: 60%

• pH: 2,4; E%: 20%

Kết quả nghiên cứu cho thấy:

• 8 g S-SO4/l, hiệu quả xử lý 85 -90%

• 15 g S-SO4/l, hiệu quả xử lý giảm 50% và 22 g S-SO4/l hệ thống hầu như ngưng hoạt động Mô hình không phù hợp khí có sự tích lũy muối và acid

Hình 8: Mô hình màng sinh học Các thông số vận hành được trình bày ở bảng 2:

Bảng 2: Kết quả xử lý dimethyl sulfate trên mô hình màng lọc sinh học