luận văn thạc sĩ nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thải ngành mía đường theo định hướng thu hồi năng lượng khí metan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Duy Hiển NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG (KHÍ METAN) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Duy Hiển NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG (KHÍ METAN) Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ HÀ TS LÊ THỊ HOÀNG OANH Hà Nội - 2014 z LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn luận văn tôi, PGS.TS Nguyễn Thị Hà TS Lê Thị Hoàng Oanh - Giảng viên Khoa Môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện, động viên hướng dẫn tơi tận tình, chu đáo suốt trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Đồng thời xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cán phịng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, trang bị cho kiến thức khoa học quý báu suốt trình học tập tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn công ty cổ phần mía đường Hịa Bình, chi cục Mơi trường tỉnh Hịa Bình nhiệt tình cộng tác giúp đỡ tơi q trình thực nghiên cứu nhà máy địa phương Cuối cùng, xin tỏ lịng biết ơn tới gia đình, bè bạn động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành tốt luận văn Hà Nội, 15 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Duy Hiển z MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sản xuất mía đường Thế giới Việt Nam 1.1.1 Tổng quan sản xuất mía đường Thế giới 1.1.2 Tổng quan sản xuất mía đường Việt Nam 1.1.3 Tổng quan quy trình cơng nghệ sản xuất đường 1.2 Đặc tính nước thải ngành mía đường 13 1.2.1 Các dòng thải 13 1.2.2 Các thông số đặc trưng nước thải nhà máy đường 14 1.2.3 Ảnh hưởng nước thải mía đường 18 1.3 Tổng quan công nghệ sinh học xử lý nước thải tiềm khai thác lượng từ nước thải ngành mía đường 18 1.3.1 Công nghệ xử lý sinh học kỵ khí 19 1.3.2 Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí 26 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình phân hủy sinh học 27 1.3.4 Nghiên cứu ứng dụng thu hồi khí sinh học nước thải công nghiệp Thế giới Việt Nam 30 1.3.5 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường Thế giới Việt Nam 31 1.3.6 Tiềm khai thác lượng từ nước thải ngành mía đường 35 CHƯƠNG - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 37 2.2 Phương pháp nghiên cứu 37 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 37 2.2.2 Phương pháp điều tra khả sát thực địa 37 2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 37 2.2.4 Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu 42 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Kết khảo sát hoạt động dịng nước thải cơng ty mía đường Hịa Bình 43 z 3.1.1 Hoạt động sản xuất 43 3.1.2 Đặc tính dịng nhiễm nước thải 44 3.2 Kết khảo sát khả xử lý nước thải mía đường hệ UASB 47 3.2.1 Kết giai đoạn khởi động hệ UASB 47 3.2.2 Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động hệ UASB giai đoạn xử lý 49 3.2.3 Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD giai đoạn xử lý 51 3.2.4 Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh khí giai đoạn xử lý 53 3.2.5 Đánh giá hiệu trình thực nghiệm xử lý nước thải mía đường hệ UASB 56 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 69 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan Danh mục bảng Bảng 1.1 Sản lượng đường số quốc gia Thế giới Bảng 1.2 Xếp hạng 10 công ty đường lớn Việt Nam theo công suất thiết kế nhà máy niên vụ 2011 - 2012 Bảng 1.3 Thành phần mía nước mía Bảng 1.4 Đặc tính nước thải công đoạn sản xuất 15 Bảng 1.5 Đặc điểm nước thải số nhà máy mía đường 16 Bảng 1.6 Các thơng số đặc trưng nước thải ngành mía đường 17 Bảng 1.7 So sánh kỹ thuật xử lý yếm khí 24 Bảng 2.1 Thành phần mẫu tổng hợp nước thải mía đường 38 Bảng 2.2 Các thông số tiến hành thực nghiệm 41 Bảng 3.1 Đặc tính dịng nhiễm nước thải cơng ty mía đường Hịa Bình 46 Bảng 3.2 Kết phân tích nước thải cống chung hồ sinh học cơng ty mía đường Hịa Bình 46 Bảng 3.3 Trung bình thể tích khí biogas sinh hàng ngày hiệu suất sinh khí mêtan qua giai đoạn thí nghiệm 53 Bảng 3.4 Đánh giá hiệu trình xử lý thực nghiệm 56 Bảng 3.5 Thiết kế sơ hệ thống xử lý nước thải công ty mía đường Hịa Bình 61 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan Danh mục hình Hình 1.1 Tỷ lệ xuất đường số quốc gia Thế giới Hình 1.2 Giá đường Thế giới giai đoạn 1960 – 2011 Hình 1.3 Sơ đồ cơng nghệ sản xuất đường dòng thải 11 Hình 1.4 Quy trình phân hủy kỵ khí hợp chất hữu 19 Hình 1.5 Sơ đồ hệ UASB 24 Hình 1.6 Hệ kỵ khí khấy trộn liên tục 25 Hình 1.7 Bể CIGAR Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Sơn Hải - Quảng Ngãi 26 Hình 1.8 Mối quan hệ cộng sinh tảo vi sinh vật hồ hiếu khí 27 Hình 1.9 Bể bùn hoạt tính cơng ty Bia Hà nội – Mê Linh 27 Hình 1.10 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải mía đường điển hình 33 Hình 1.11 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải nhà máyđường Bình Dương 34 Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nhà máy đường Long An 34 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ UASB thực nghiệm 39 Hình 2.2 Hệ UASB quy mơ phịng thí nghiệm 40 Hình 3.1 Sơ đồ cơng nghệ kèm dịng thải cơng ty mía đường Hịa Bình 44 Hình 3.2 Biến thiên hiệu suất xử lý COD pH với bùn chăn nuôi 48 Hình 3.3 Ảnh hưởng hiệu suất xử lý COD pH với gốc kỵ khí bia 49 Hình 3.4 Bùn hạt bọt khí hình thành với q trình khởi động nhân kỵ khí bia 49 Hình 3.5 Mối liên hệ độ kiềm tổng VFA hệ UASB 50 Hình 3.6 pH đầu vào nhiệt độ hoạt động hệ 50 Hình 3.7 Ảnh hưởng tải trọng COD đến hiệu xử lý 51 Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD 52 Hình 3.9 So sánh hiệu suất xử lý COD giai đoạn xử lý 52 Hình 3.10 Hiệu suất sinh khí biogas giai đoạn xử lý thực nghiệm 54 Hình 3.11 Mối liên hệ thể tích khí biogas hàm lượng khí metan giai đoạn xử lý thực nghiệm 55 Hình 3.12 Hiệu suất chuyển hóa khí giai đoạn xử lý thực nghiệm 55 Hình 3.13 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải mía đường 58 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan Danh mục ký hiệu từ viết tắt AF Lọc sinh học kị khí BOD Nhu cầu oxy sinh hóa BIOGAS Khí sinh học CSTR Hệ khuấy trộn liên tục COD Nhu cầu oxy hóa học DO Oxy hịa tan EGSB Bể phân hủy kị khí dạng bùn hạt tăng cường EU Liên minh Châu Âu NM Nhà máy NNK Nhóm nghiên cứu QCVN Quy chuẩn Việt Nam SS Chất rắn lơ lửng nước TS Tổng chất rắn TCCP Tiêu chuẩn cho phép UASB Hệ thống bùn yếm khí dịng chảy ngược VSS Chất rắn lơ lửng dễ bay VSV Vi sinh vật VFA Axit béo dễ bay WWF Quỹ động vật hoang dã Thế giới YK Yếm khí z luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan MỞ ĐẦU Với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa điều kiện thổ nhưỡng thuận lợi, Việt Nam có nhiều ưu việc phát triển ngành cơng nghiệp mía đường thực tế, mía đường ngành cơng nghiệp chiếm vị trí quan trọng kinh tế nước ta Hiện nước có 37 nhà máy đường hoạt động, phân bố rộng ba miền đất nước Niên vụ mía 2012 - 2013 tổng diện tích trồng mía nước đạt khoảng 283,2 nghìn hecta Năng suất mía bình qn đạt 62,4 tấn/hecta, tổng sản lượng mía đạt 18,5 triệu Sản lượng mía ép công nghiệp đạt 16,5 triệu tấn, sản lượng đường đạt mức 1.530.000 tấn, tăng 200 nghìn so với niên vụ trước, đáp ứng nhu cầu nước [1, 3] Trước năm 1990, hầu hết trang thiết bị, máy móc, dây chuyền cơng nghệ sản xuất nhà máy đường cũ, lạc hậu, trình độ sản xuất chất lượng sản phẩm thấp Trong năm gần đây, đầu tư cải tiến công nghệ thiết bị đại, nhà máy đường không ngừng nâng cao suất chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, so với giới suất, chất lượng mía đường cịn thấp chi phí sản xuất mía cao Những vụ ép gần đây, hầu hết nhà máy đường gặp khó khăn giá đường giới giảm mạnh, tình trạng nhập lậu đường từ Trung Quốc, Thái Lan ảnh hưởng lớn đến sản xuất nước [13] Bên cạnh khó khăn sản xuất kinh doanh, nhà máy đường phải đối mặt với vấn đề mơi trường phát sinh q trình sản suất Ngành cơng nghiệp mía đường tiêu thụ nhiều lượng hóa thạch (điện, than đá, dầu diezen ), nhu cầu sử dụng nước lớn thải khối lượng lớn chất thải rắn, khí thải nước thải với mức độ ô nhiễm cao Nước thải ngành cơng nghiệp mía đường ln chứa lượng lớn chất hữu bao bao gồm hợp chất hữu chứa nitơ, phốtpho Các chất dễ bị phân hủy vi sinh vật, gây mùi hôi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận Phần lớn chất rắn lơ lửng có nước thải ngành cơng nghiệp mía đường dạng vơ Khi thải môi trường tự nhiên lắng đọng tạo thành lớp trầm tích đáy thủy vực, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh thủy vực Lớp bùn trầm tích cịn chứa chất hữu có z luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan thể làm giảm lượng oxy hòa tan nước tạo loại khí nhà kính CO2, CH4 Ngồi ra, nước thải chứa lượng lớn đường thất q trình sản xuất gây nhiễm nguồn nước Các chất hữu có nước thải mía đường tận dụng thu hồi thơng qua q trình xử lý chuyển hóa sinh học dòng thải hữu tận dụng sinh khối thải chuyển thành khí nhiên liệu sinh học (biogas) cung cấp lượng cho nhu cầu tiêu thụ lượng nhà máy, nước thải sau xử lý mức tận thu nguồn dưỡng chất để bón cho mía, xử lý mức đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN40-2011 cột B trước xả trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận Khí sinh học thu góp phần giảm thiểu nhiễm nước, hạn chế khai thác nhiên liệu không tái tạo giảm phát thải khí nhà kính, chủ động việc ứng phó với biến đổi khí hậu xu chung giới Nhiều cơng nghệ xử lý nước thải cơng nghiệp áp dụng xử lý nước thải mía đường xử lý học lắng lọc, xử lý hóa lý keo tụ, tuyển nổi…và xử lý sinh học yếm, hiếu khí Tuy nhiên khác điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế, trạng thiết bị cấu sản phẩm nên nhà máy phải lựa chọn cho phương án tối ưu, khả thi để đảm bảo hiệu kinh tế trình xử lý Mặt khác, bối cảnh hiệu ứng nhà kính gia tăng gây nên tượng nóng lên tồn cầu khủng hoảng lượng kéo dài khan nguồn lượng hóa thạch gần khơng có khả tái tạo Việc nghiên cứu khả thu hồi lượng giảm phát thải khí nhà kính trở nên thiết đóng góp vào việc phát triển bền vững thân thiện với môi trường ngành công nghiệp mía đường Nghiên cứu cơng nghệ xử lý nước thải ngành mía đường nhiều nhà khoa học giới Việt Nam quan tâm, nghiên cứu đạt kết khả quan Tuy nhiên, nghiên cứu chưa xem xét đến yếu tố tự nhiên, xã hội thực tế sản xuất Việt Nam chưa đánh giá mức đến tiềm thu hồi lượng (khí metan) z luan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metanluan.van.thac.si.nghien.cuu.de.xuat.cong.nghe.xu.ly.nuoc.thai.nganh.mia.duong.theo.dinh.huong.thu.hoi.nang.luong.khi.metan