● Chất rắn thứ cấp: thường sinh ra bởi quá trình xử lý sinh học gọi là xử lý bậc hai hệ thống bùn hoạt tính,lọc nhỏ giọt và những hệ thống bám dính khác sử dụng vi khuẩn để loại bỏ các c
GIỚI THIỆU CHUNG
Nguồn gốc bùn thải
Bùn thải là một sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải ở bất kỳ nhà máy xử lý nước thải kiểu truyền thống nào và trong khi bùn thải xả ra các nguồn tiếp nhận thì công tác xử lý bùn phức tạp hơn nhiều.
Bùn phát sinh từ các trạm xử lý nước đô thị
Một hoặc nhiều mức độ xử lý (sơ cấp, bậc hai, bậc ba) được sử dụng để làm sạch chất thải Mỗi mức độ xử lý cung cấp cả việc làm sạch chất thải tốt hơn và làm tăng một lượng chất thải rắn đô thị:
● Chất rắn sơ cấp: loại bỏ bởi lắng trọng lực ở giai đoạn bắt đầu của quá trình xử lý nước thải Chúng luôn chứa 3-7% tổng chất rắn (%TS), 60-80% chất hữu cơ (cơ bản khô) Chất rắn sơ cấp nhìn chung có tỉ lệ khoảng 2.500 đến 3.000 lít trên mỗi triệu lít nước thải được xử lý
● Chất rắn thứ cấp: thường sinh ra bởi quá trình xử lý sinh học gọi là xử lý bậc hai (hệ thống bùn hoạt tính,lọc nhỏ giọt và những hệ thống bám dính khác sử dụng vi khuẩn để loại bỏ các chất hữu cơ từ nước thải) Chúng luôn chứa từ 0,5-2,0% thành phần hữu cơ của chất rắn thứ cấp nằm trong khoảng từ 50% đến 60% Khoảng 15.000- 20.000 lít chất rắn được sinh ra trên mỗi triệu lít nước thải được xử lý
● Chất rắn bậc cao (bậc ba): thường sinh ra bởi các quá trình như kết tủa hóa học và lọc Lượng chất rắn thay đổi từ 0,2% đến 1,5% với thành phần hữu cơ của chất rắn trong khoảng từ 35% đến 50%/ Khoảng 10.000 lít chất rắn được sinh ra trên mỗi triệu lít nước thải được xử lý
Hình 1 : Sơ đồ xử lý nước thải đô thị
Nguồn: sách Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp, tính toán thiết kế công trình- Lâm
Minh Triết, NXB Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Bùn cống rãnh
Lượng bùn nạo vét từ hệ thống cống rãnh và hệ thống thống thoát nước của thành phố,… Ngoài ra, bùn từ các hoạt động xây dựng, các khu công nghiệp (KCN), cơ sở sản xuất,…
Phân loại bùn thải
● Bùn thải sinh học: Có mùi hôi thối song không độc hại Có thể dùng để sản xuất phân hữu cơ bằng cách cho thêm vôi bột để khử chua; than bùn; cấy vi sinh, dùng chế phẩm EM… để khử mùi sẽ thành phân hữu cơ tổng hợp Trong đó, bùn thải
Lọc cát Lắng sơ cấp
Bể sinh học hiếu khí Lắng thứ cấp
Xử lý bùn thảiTuần hoàn bùn
8 chiếm 70% Giá thành rẻ, chất lượng không thua kém các loại phân hữu cơ bán trên thị trường Hoặc tiến hành ủ kỵ khí, thu khí biogas
● Bùn thải công nghiệp không độc hại: xử lý sơ bộ, có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau
● Bùn thải công nghiệp nguy hại: Có chứa các kim loại nặng như: Cu, Mn, Zn, Ni,
Cd, Pb, Hg, Se, Al, As…bắt buộc phải được xử lý trước khi thải ra môi trường.
Đặc tính của bùn thải
Đặc tính của bùn thải sinh ra từ các nguồn (sơ cấp, thứ cấp, …) cung cấp thông tin cơ bản về tính chất của chúng Có nhiều thông số vật lý, hóa học và sinh học khác quan trọng đối với việc xử lý và quản lý bùn thải
Bùn cống rãnh là một hỗn hợp tạp chất, thành phần biến đổi khác nhau giữa các thành phố, ngay cả ở một thành phố trong cùng một ngày Các thành phần cơ bản, ảnh hưởng đến môi trường cần quan tâm:
Thành phần tính chất
Bảng 1: Thành phần và tính chất hóa học điển hình của bùn và bùn chưa qua xử lý
Bùn sơ cấp chưa qua xử lý
Bùn sơ cấp được phân hủy
Bùn đã qua xử lý
Khoảng Trung bình Khoảng Trung bình Khoảng
Tổng lượng chất rắn khô (TS), % 2.0÷8.0 5.0 6.÷12 10.0 0.83÷1.16
Chất rắn dễ bay hơi
(SiO2,% của TS) 15.0÷20.0 - 10.0÷20.0 - - pH 5.0÷8.0 6.0 6.5÷7.5 7.0 6.5÷8.0 Độ kiềm
(mg/l CaCO3) 500÷1500 600 2,500÷3500 3,000 580÷1100 Acid hữu cơ (mg/l as HAc) 200÷2000 500 100÷600 200 1,100÷1,700
(Btu/lb x 2.3241 = kJ/kg) Nguồn: City and county of san francisco 2030 sewer system master plan, TASK 600
- Nồng độ chất rắn được đo lường và xác định theo mg/l hoặc theo phần trăm (%) chất rắn
- Phần rắn tổng cộng là tỉ lệ trọng lượng /trọng lượng trong khi nồng độ chất rắn(mg/l) theo tỷ lệ trọng lượng/thể tích
- Chất rắn bay hơi tổng cộng (% TVS): được xác định bởi sự bay hơi chất rắn khô ở
550°C÷50°C trong một lò nung với oxi dư Phần còn lại được cho là không bay hơi hoặc như chất rắn cố định(tro) và lượng mất đi là chất rắn bay hơi tổng cộng Cả %
TS và %TVS được sử dụng rộng rãi trong công tác quản lý và xử lý bùn thải như đo lường vật chất khô (hoặc độ ẩm) và vật chất hữu cơ (có thể đốt cháy trong bùn thải)
- Chất rắn lơ lửng tổng cộng (TSS):là phần còn lại không thể lọc được, bị giữ lại sau khi lọc một mẫu bùn thải lỏng và sau đó sấy khô ở 103-105°C để loại bỏ nước
- Việc xác định chất rắn lơ lửng bay hơi giống như chất rắn bay hơi tổng cộng với cách sử dụng phương pháp đốt.Chất rắn tổng cộng là tổng chất rắn hòa tan và lơ lửng
- Nước trong bùn thải luôn được xác định như sau:
● Nước tự do không bám dính vào hạt bùn thải và nó được phân tách bởi lắng trọng lực
● Nước bông được giữ lại bên trong khối và chỉ có thể loại bỏ bởi lực cơ học, lực này luôn tốt hơn trọng lực
● Nước mao dẫn bám chặt vào những hạt riêng lẻ và có thể được phân tách bởi lực cơ học
● Nước nội bào và liên kết hóa học là thành phần của vật chất tế bào và có liên kết sinh học,hóa học với vật chất hữu cơ và vô cơ trong bùn thải
- Thành phần hóa học của chất rắn đô thị thay đổi tùy theo nguồn gốc và phương pháp xử lý
- Bùn chứa các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng vi lượng và nước quan trọng đối với sự phát triển của cây trồng 16 nguyên tố trong số 90 nguyên tố được tìm thấy trong thực vật được biết như là chất tiềm tàng cho sự phát triển của thực vật và hầu hết những nguyên tố này có trong bùn
- Những nguyên tố như C, H, O, N, P, K, S, Ca, Mg, Fe, B, Mn, Cu, Zn, Mb và Cl Những kim loại và chất hữu cơ tổng hợp có thể gây bất lợi và thậm chí độc đối với con người, động vật và thực vật ở một mức độ nhất định và được quy định bởi luật lệ riêng biệt Những nghiên cứu rộng rãi được thực hiện vào những năm 1980 bởi US.EPA và phân tích nồng độ các chất gây ô nhiễm, độ độc và ảnh hưởng bất lợi lên con người và môi trường đưa ra qui định về nồng độ của 10 kim loại nặng (As,
Cd, Cr, Cu, Pb, Mb, Ni, Se và Zn) trong bùn được sử dụng cho đất hoặc thải bỏ theo các điều kiện khác nhau
- Các chất dinh dưỡng có trong bùn được thực vật hấp thụ dưới dạng các ion hòa tan hầu hết qua rễ Các chất khoáng hòa tan trong bùn và trong đất có dưới dạng các cation (H + , Ca 2+ , Mg 2+ , K + , Na + và mức thấp( Fe 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , Al 3+ , Zn 2+ ) và anion (HCO3,CO3 2-, HSO4 -, SO4 2-, Cl - , F - , HPO4 -, H2PO4 -)
6.4 Chất dinh dưỡng đa lượng
- C, H, N, P, K, Ca, Mg và S N, P, K thường bị thiếu và được thêm vào đất thông qua phân bón
- Mặc dù bùn thải chứa tương đối thấp những chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng khi áp dụng vào cho đất, nhưng chúng có thể cung cấp tất cả nitơ cần thiết, phospho cũng như canxi, magie, và nhiều chất dinh dưỡng thiết yếu
Bảng 2: Các chất dinh dưỡng trong bùn thải
Nguyên tố Ký hiệu Ion hoặc phân tử
Mangan Mn Mn 2+ Đồng Cu Cu 2+
Nguồn: City and county of san francisco 2030 sewer system master plan, TASK 600
- Nito: Nito hữu cơ luôn là hình thức chiếm ưu thế của nito trong đất (90%) và trong bùn thải, nó không có giá trị cho đất Bùn thải này phải được phân hủy để được chuyển hóa thành amonium (NH + 4) và cuối cùng bị oxi hóa thành nitrat (NO3 -) để trở thành chất có giá trị sinh học Thành phần Nito của bùn thải sơ cấp trong khoảng 2-4%,trong bùn thải sơ cấp và bùn thải phân hủy sơ cấp và bùn thải phân hủy kỵ khí nó nằm ở mức 2%-6% (cơ bản khô) Nito trong bùn thải luôn được quyết định bởi Nito hữu cơ, nito amonia hòa tan(N-NH3), nito-nitrat(N-NO3) hòa tan và tổng nito Kejldahl
- Phospho: hình thức thông thường nhất của phospho là phospho hữu cơ và những hình thái biến đổi của ortho photpho photpho(H2PO4 -, HPO - 4, PO4 3-) và poli photphat như là: Na3(PO3)6, Na5P3O4, Na4P2O7 Ortho photphat ổn định là hình thức chiếm ưu thế được hấp thu bởi thực vật
- Bùn thải sơ cấp chứa đựng một lượng nhỏ photpho Bùn thải thứ cấp chứa một lượng lớn photpho từ việc loại bỏ bùn từ xử lý nước thải bởi quá trình sinh học
- Lượng photpho trong bùn thải phụ thuộc vào nồng độ photpho trong dòng vào và phương pháp loại photpho từ hệ thống xử lý nước thải.Quá trình sơ cấp truyền thống và quá trình hoạt tính chất thải chỉ loại bỏ 20-30% dòng vào.Bên cạnh đó, bùn thải phát sinh từ những quá trình này chứa đựng một lượng nhỏ phospho (0.1÷2%)
- Kali: Bùn thải luôn chứa một lượng nhỏ kali (0,02-2,5%,cơ bản khô)
- Canxi: Bùn thải chứa một lượng nhỏ canxi nếu chúng là kết quả của những quá trình có sử dụng vôi
- Magie: Bùn thải luôn chứa một lượng nhỏ magie(0,3-2% khối lượng khô)
- Lưu huỳnh: Lưu huỳnh, những thành phần hữu cơ chứa nó, hiện diện trong bùn thải và sunfat (SO4 -) có giá trị sinh học được tạo ra như là kết quả của quá trình xử lý sinh học Bùn thải chứa từ 0,6%-1,5% lưu huỳnh
- Vật chất hữu cơ thụ động hoặc hoạt động,chứa lượng cacbon lớn (xấp xỉ 58% trọng lượng), với một lượng ít hơn của hydro, oxi và những nguyên tố khác như nito, lưu huỳnh phot pho
Đặc tính vi sinh vật học của bùn thải
- Hầu hết những quá trình xử lý nước thải loại bỏ những mầm bệnh từ nước thải và chuyển chúng vào bùn thải Trong khi nước thải được làm sạch, bùn thải sinh ra bởi quá trình xử lý nước chứa một lượng lớn vi sinh vật gây bệnh Bùn thải sơ cấp chứa một lượng lớn bào xác protozoa, trứng giun sán và giun tròn hoạt động (chết) Bùn thải thứ cấp chứa lượng đáng kể vi khuẩn và vi rút Cho ví dụ, Salmonella được loại bỏ hiệu quả từ 90% đến 99% từ nước và tích lũy vào bùn
- Bùn thải chứa những hình thức sống khác nhau Những sinh vật sống cực nhỏ này có cả vai trò có lợi và bất lợi trong cách thức xử lý và sử dụng bùn thải
- Vi sinh vật trong bùn thải có thể được phân loại vào nhóm vi khuẩn, bao gồm khuẩn tia, virut, giun sán (động vật ký sinh), động vật nguyên sinh (protozoa), rotifer và nấm Một số lượng giới hạn vi sinh vật này là mầm bệnh Mục tiêu chính của xử lý bùn thải là giới hạn hoặc giảm thiểu mầm bệnh đến mức độ cho phép Quy định hiện tại không đưa động vật nguyên sinh, rotifer và nấm như đối tượng vi sinh vật vào nhóm mầm bệnh bởi vì thiếu những phương pháp phân tích và vì EPA kết luận rằng những vi sinh vật này không chắc tồn tại trong quá trình xử lý nước thải và bùn thải, do đó chúng không gây ra một tác động bất lợi nào trong sử dụng bùn thải
- Việc ứng dụng bùn thải chưa xử lý vào đất nông nghiệp sẽ dẫn đến sự ô nhiễm bởi vi khuẩn và vi rút làm ảnh hưởng đến mùa màng, nước mặt và nước ngầm Những công trình xử lý nước thải, những nhà máy xử lý và kinh doanh bùn thải, những hoạt động ủ phân compost, bãi chôn lấp bùn thải, những hoạt động áp dụng bùn thải trong đất, nếu không được quản lý thích hợp có khả năng tiềm ẩn những mầm bệnh đi vào không khí và đi kèm với sản phẩm
- Xử lý bùn thải thích hợp, ưu tiên cho việc sử dụng lợi ích của chúng, hoặc thải bỏ là điều vô cùng quan trọng trong việc ngăn ngừa những bệnh tật từ vi sinh vật gây bệnh
Mùi và những đặc tính khác
- Về nguồn gốc, thành phần hóa học bùn thải có nhiều loại khác nhau Đa số những mùi quá mạnh là sản phẩm phụ của sự phân hủy và sự thối rửa vật chất hữu cơ Cho nên việc đo lường để kiểm soát mùi hiệu quả nhất là dựa vào sự ngăn ngừa hoặc quản lý chu kỳ phân hủy của chất rắn
- Chất rắn sơ cấp, là chất rắn không được xử lý từ những nguồn dân cư và công nghiệp, có tiềm năng sinh mùi nhiều nhất Bùn thải thứ cấp là những sản phẩm thứ cấp của hoạt động vi sinh hiếu khí Những vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa vật chất hữu cơ, làm giảm một lượng chất hữu cơ thô
- Sự phân hủy sinh học những vật liệu hữu cơ thô là kết quả của việc sử dụng một số nguyên tố (C,H,N…) bởi vi khuẩn và tạo thành những hình thức mới, đồng thời giải phóng những sản phẩm như cacbondioxit, nước, H2S, amoni, metan và một lượng lớn thành phần hữu cơ khác bị phân hủy Một lượng đáng kể thành phần hữu cơ này là những chất gây ô nhiễm mùi mạnh
- Sự phân loại các chất gây mùi này gặp khó khăn do nồng độ của chúng thấp, sự phức tạp của cấu trúc phân tử, vòng đời trong không khí thường ngắn sự biến đổi về nguồn gốc và điều kiện phát sinh,… Tuy nhiên, hai nhóm lớn có thể được xác định: (1) thành phần hữu cơ chứa lưu huỳnh và (2) những thành phần chứa Nito Mcaptan (công thức thông thường CxHySH) bao gồm một nhóm lớn của những chất ô nhiễm mùi mạnh trong nhóm chứa lưu huỳnh cùng với Sunfit hữu cơ khác nhau (CxHyS) và H2S
- Trong nhóm chứa Nito, những amin phức tạp khác chứa những gốc N, NH2 Với một vài sự ngoại lệ (đáng chú ý nhất là amoni và một số amin), ngưỡng nồng độ gây mùi của chúng là rất thấp (phần nhỏ theo ppm)
- Hai phương pháp kiểm soát mùi chủ yếu là: kiểm soát tại nguồn và loại bỏ mùi
- Kiểm soát tại nguồn có thể bao gồm việc tham vào những hóa chất để ngăn cản sự phát sinh mùi (điều chỉnh pH bằng vôi, phun hóa chất ngăn mùi,…), thông khí, khép
17 kín quá trình và xử lý bằng thiết bị Những công nghệ kiểm soát và giảm thiểu mùi bao gồm: hấp thụ (rửa khí bằng dung dịch nước), phá hủy ở nhiệt độ cao, pha loãng vào khí quyển, che chắn,
- Những đặc tính khác của bùn thải có ảnh hưởng đáng kể lên sự lựa chọn quá trình và thiết bị xử lý bao gồm: mật độ, kích thước hạt, tính chuyên chở được (tính lưu biến học), tính ăn mòn, tính bám dính, hệ số nén, đặc tính ẩm, sự hiện diện của vật chất bên ngoài, vật liệu cát và xơ,…
- Bùn thải dạng lỏng, có tính chất vật lý khá giống với nước, có thể bơm tương đối dễ dàng với việc sử dụng bơm li tâm, bơm màng, bơm pitong hoặc những loại bơm khác
- Bùn thải dạng lỏng (xấp xỉ gần 6 % TS) theo lý thuyết chất lưu của Issac Newton
Sự mất áp suất tương ứng với vận tốc và tính nhớt dưới những điều kiện dòng chảy thành lớp Dòng chảy rối ở vận tốc tới hạn xác định (luôn luôn là 1,2-2 m/s)
- Sự giảm áp suất trong quá trình bơm chất thải rắn dạng lỏng có thể lên đến hơn 25% so với nước Trong chế độ chảy rối, sự mất áp có thể đạt từ hai đến bốn lần so với sự mất áp của nước
- Sự chuyển tiếp từ chế độ dòng chảy tầng sang chế độ dòng chảy rối phụ thuộc vào số Reynolds tỷ lệ với độ nhớt của chất lỏng Chỉ số Reynolds thay đổi theo sự thay đổi chế độ dòng chảy của bùn thải
- Bùn đã nén và tách nước dễ vận chuyển, đo lường, lưu trữ Cần chú ý khi lựa chọn bơm, vận chuyển, sắp xếp và lưu trữ
- Thiết kế hệ thống ống dẫn cũng là một nhân tố quan trọng Ống dẫn bùn thải ít khi có đường kính nhỏ hơn 150 mm Chất rắn thường lắng đọng bên trong đường ống dẫn, làm gia tăng sự mất áp Vì vậy, những biện pháp làm sạch nên được thực hiện đầy đủ
- Những máy móc vận chuyển (chủ yếu là loại đinh ốc và dây đai), gần đây là máy chuyển trục đinh ốc, bơm pitong đơn và đôi được dùng để vận chuyển bùn sinh học đã tách nước Vận chuyển và bơm khép kín có lợi thế đặc biệt trong việc xử lý mùi
- Sự lưu trữ bùn thải thường được yêu cầu để xem xét mức độ thay đổi trong tỷ lệ của sản phẩm bùn thải có tính đến những điều kiện không thuận lợi của quá trình vận hành (ngày cuối cùng, thời gian chất của máy móc,…) Lưu trữ bùn thải cũng quan trọng nhằm cung cấp cho những quá trình xử lý khác nhau như: tách nước, làm khô, đốt, ổn định hóa học,…
Xử lý và đổ bỏ bùn thải
- Việc xử lý bùn thải nhằm đạt được một hay nhiều mục đích sau:
● Giảm thể tích (trọng lượng)
● Giảm sự thu hút mầm bệnh sinh vật truyền bệnh
● Loại bỏ những chất ô nhiễm và mùi
● Phát sinh hoặc tái tạo năng lượng
- Một số phương pháp xử lý bùn thải được trình bày trong bảng 4
Bảng 4 Các phương pháp xử lý và thải bỏ bùn
Phương pháp/ đơn vị xử lý Mục đích
Xử lý sơ bộ bùn ban đầu
Nén bùn(cô đặc bùn)
Nén dây đai trọng lực
Giảm thể tích (trọng lượng) Ổn định bùn
Oxi hóa bằng Clorin Ổn định bằng kiềm
Composting Ổn định bùn Ổn định bùn để dễ tách nước Khử trùng, Ổn định bùn, giảm sinh khối, thu hồi năng lượng Ổn định bùn Phân compost
Tạo điều kiện hóa học
Phá vỡ nước liên kết với hạt bùn Tạo bông bùn
Lưu trữ trong thời gian dài
Khử vi sinh vật gây hại
Tách nước Giảm thể tích
Giảm thể tích Giảm thể tích Giảm thể tích Giảm thể tích Chứa bùn và giảm thể tích bùn
Thiết bị bay hơi hỗn hợp
Giảm trọng lượng và thể tích
Lò đốt một buồng đứng
Giảm thể tích, thu hồi năng lượng Giảm thể tích, thu hồi năng lượng Giảm thể tích
Chôn lấp Ứng dụng vào đất
Cung cấp mùn hữu cơ, NPK cho đất,
- Tùy vào đặc tính bùn và mục đích thải bỏ cuối cùng mà quy trình xử lý khác nhau , được trình bày trong các hình …
21 Hình 2 Sơ đồ quy trình SEWPCP
Nguồn:Egg-shaped Digester Facility Overview,DCWASA
22 Hình 3 Sơ đồ quy trình OSWPCP
Nguồn: City and county of san francisco 2030 sewer system master plan, TASK 600
CÔNG NGHỆ BIOGAS TRONG XỬ LÝ BÙN
Khái niệm và nguyên lí hoạt động
- Bản chất của công nghệ biogas là quá trình phân hủy kỵ khí Phân hủy kỵ khí là quá trình dùng để ổn định bùn, đó là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxi
- Bùn từ bể lắng 1 và bùn sinh học được trộn lại, cho vào bể ủ kín theo từng mẻ hoặc liên tục Sau một khoảng thời gian ủ nhất định, hỗn hợp khí mà thành phần chủ yếu gồm có CO2 và CH4 được hình thành gọi là biogas Phần chất hữu cơ ổn định sẽ được rút ra khỏi bể, giảm đáng kể hàm lượng chất hữu cơ và vi sinh gây bệnh
Bảng 5 Thành phần của khí sinh học (Nguồn: FAO)
Nguyên lý công nghệ
🖎Giai đoạn 1: Sự hóa lỏng hay bẻ gãy các liên kết polimer (hydrolytic bacteria)
- Nhiều chất hữu cơ trong thành phần có chứa các phức chất polymer hữu cơ như là protein, chất béo,cacbohydrat,cenllulose, lignin, một số tồn tại dạng không hòa tan Trong giai đoạn này các polymer hữu cơ bị bẽ gãy các liên kết do các enzym đặc biệt hình thành Do các vi khuẩn thủy phân và hòa tan trong nước,các chất hữu cơ đơn giản hòa tan được hình thành, thích hợp cho các vi khuẩn hình thành acid trong giai đoạn 2
- Tốc độ thủy phân tùy thuộc vào chất dinh dưỡng và nồng độ vi khuẩn, pH và nhiệt độ
🖎Giai đoạn 2: Hình thành acid(acetogenic bacteria)
Các monomer hình thành trong quá trình thủy phân sẽ được chuyển hóa thành acid hữu cơ như acetic, propionic, fomic, lactic, butyric, succinic, các alcol và keton như ethanol, methanol, glycerol, aceton, acetat, CO2 và H2 Acetat là sản phẩm chính Các sản phẩm được tạo thành rất khác nhau tùy loại vi khuẩn và các điều kiện nuôi cấy
- Nhóm vi khuẩn acetic đòi hỏi thế hidro thấp để chuyển hóa các acid béo, do đó cần giám sát nồng độ hydro Dưới áp suất riêng phần của hydro khá cao,sự tạo thành acetat sẽ bị giảm và cơ chất sẽ bị chuyển hóa thành acid propionic,butyric và ethanol hơn là metan Do vậy có một mối quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn acetogenic và vi khuẩn metan Vi khuẩn metan sẽ giúp đạt được thế hydro thấp mà vi khuẩn acetogenic cần
- Ethanol,acid propionic và butyric được chuyển hóa thành acid acetic bởi nhóm vi khuẩn acetogenic theo phương trình sau:
CH3CH2OH + CO2 → CH3COOH + 2H2
CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH+CO2 + 2H2
CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2
Vi khuẩn acetogenic tăng trưởng nhanh hơn nhiều so hơn với vi khuẩn metan với μmax lần lượt là 1 hr -1 và 0,04 hr -1 (Hammer,1986)
🖎Giai đoạn 3: Hình thành metan CH 4
● Nhóm vi khuẩn methanogens chuyển hóa các sản phẩm trong giai đoạn 2 thành CH4
● Vi khuẩn methanogenic phát triển trong điều kiện yếm khí, tốc độ tăng trưởng chậm hơn trong giai đoạn 1 và 2 Loại vi khuẩn này phụ thuộc vào vi khuẩn giai đoạn 1 và 2 để cung cấp chất dinh dưỡng ở dạng thích hợp.Ví dụ,hợp chất N hữu cơ phải được chuyển hóa thành NH3 và thích hợp cho việc sử dụng một cách hữu dụng
● Vi khuẩn metan chia làm 2 nhóm phụ:
Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic , nghĩa là sử dụng hydrogen hóa tự dưỡng: chuyển hóa hydro và CO2 thành metan
Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần hydro thấp cần thiết để chuyển hóa acid bay hơi và alcol thành acid acetic và trung hòa pH trong bùn
Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic , còn gọi là vi khuẩn phân giải acetat, chúng chuyển hóa acetat thành metan và CO2
Acid acetic đóng vai trò rất quan trọng như là chất dinh dưỡng để hình thành metan, khoảng 70% CH 4 sản xuất từ CH 3 COOH
Hình 4 Các giai đoạn trong phân hủy kỵ khí
Các kiểu bể phân hủy
1.3.1 Bể phân hủy chậm (low-rate Digestion)
- Hình thức phân hủy bùn kỵ khí lâu đời nhất và đơn giản nhất Về bản chất nó là một bể hình trụ với đáy nghiêng và một mái vòm hoặc mái bằng Nguồn nhiệt bên ngoài cung cấp cho bể có thể có hoặc không Không cung cấp thiết bị xáo trộn, khí sinh
26 ra đi lên trên bề mặt gây ra sự xáo trộn bên trong bể Quá trình ổn định bùn diễn ra trong bể có sự phân tầng như hình vẽ sau:
Hình 5 Bể phân hủy chậm
- Tầng bùn nổi trên mặt sẽ được rút ra và quay trở lại công trình xử lý bậc hai Lớp bùn cặn ổn định tích lũy xuống đáy cuả bể và được rút ra khỏi bể theo định kỳ Khí metan ra bay lên trên lớp chất lỏng và sẽ được dẫn qua nắp
- Bể này có đặc điểm là thời gian lưu bùn dài từ 30÷60 ngày
1.3.2 Bể phân hủy nhanh (High- rate Digestion)
- Vào những năm 1950, bể phân hủy tải trọng thấp đã được cải tiến thành bể tải trọng cao ở một số điểm như sau: cung cấp nhiệt cho bể, có thiết bị xáo trộn phụ trợ, nén bùn dòng vào, đưa bùn vào bể ổn định Những cải tiến này đã tạo ra một môi trường
27 đông nhất bên trong bể Kết quả là thể tích bể giảm, hiệu quả của quá trình được cải thiện
Hình 6 Bể phân hủy nhanh
1.3.3 Bể phản ứng 2 giai đoạn (Two stage Digestion)
- Gồm một bể phân hủy tải trọng cao nối với một bể thứ hai không được gia nhiệt và không có xáo trộn Bể này có chức năng chính là chứa cặn phân hủy và gạn bỏ chất lỏng lơ lửng nhằm giảm thể tích bể tích bể phản ứng
Hình 7 Bể phân hủy giai đoạn
Các dạng bể phản ứng
- Bể phân hủy bùn kỵ khí có dạng hình trụ, hình chữ nhật, hình trứng Thông thường là bể hình trụ hoặc hình trứng
Hình 8 Thiết kế của tháp phân hủy để phân hủy bùn thải
Nguồn: Biogas from Waste and Renewable Resources,An Introduction,Edited by Dieter Deublein and Angelika Steinhauser, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KgaA
So với bể hình trụ thông thường thì bể hình trứng có nhiều ưu điểm vượt trội, điển hình là:
● Chiếm ít diện tích xây dựng hơn
● Xáo trộn tốt hơn nâng cao hiệu suất của quá trình phân hủy
● Với 2 mặt cong, bể hình trứng dễ dàng loại trừ việc tích lũy cát, sỏi; giảm khâu vệ sinh bể
● Chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn.
Các thông số thiết kế
- Xác định thể tích bể phản ứng là việc xem xét quan trọng đầu tiên trong thiết kế một hệ thống phân hủy kỵ khí
- Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để xác định kích thước của bể, bao gồm tải lượng chất rắn, thời gian lưu bùn, tải lượng thể tích và chất rắn bay hơi phân hủy
- Một số vấn đề khác như là sự xáo trộn, đun nóng, việc thu hồi năng lượng và lượng hóa chất thêm vào, cần được đánh giá trong thiết kế hệ thống phân hủy
1.5.1 Thời gian lưu bùn (SRT)
- SRT là thời gian trung bình sinh khối lưu lại trong bể Bể xáo trộn hoàn toàn, không tuần hoàn bùn thì thời gian lưu bùn là thời gian lưu nước
Bảng 6.Thời gian lưu bùn cho bể tải trọng cao
Nhiệt độ vận hành SRT tiêu chuẩn SRT thiết kế tối thiểu
- Một trong những thông số phổ biến nhất dùng để xác định thể tích bể là tải lượng VSS Đó là lượng VSS đưa vào bể trong 1 ngày tính trên một đơn vị thể tích (kg VSS/ ngày.m 3 ) Tải lượng thiết thiết kế dựa trên tải trọng chịu dựng trong điều kiện bình thường và lúc cao điểm Tải lượng hữu cơ (LV) quá nhỏ sẽ dẫn dến thể tích bể lớn, chi phí vận hành cao
1.5.3 Tỷ lệ chất rắn bay hơi phân hủy (%VS)
- Giả định rằng, cặn phân hủy chủ yếu là chất rắn bay hơi Do vậy, đại lượng đo lường mức độ ổn định bùn là phần trăm chất rắn bay hơi phân hủy (% VS) Bể phân hủy tải trọng cao %VS :50÷ 65%, tỷ lệ chất rắn bay hơi phân hủy tùy thuộc vào đặc tính của bùn và các thông số vận hành của bể
V d SRT , V d :Tỷ lệ VS bị phân hủy (%)
Các thông số vận hành
Dãy nhiệt độ hoạt động đối với mesophilic: 30÷38 0 C (85÷100 0 F), tối ưu 35 0 C; thermophilic: 49÷57 0 C (120÷135 0 F), tối ưu 55 0 C
Giới hạn thông thường: 1000÷5000 mg/l
Trong thực tế, độ kiềm là thước đo độ đệm của môi trường ủ trong khoảng pH trung tính Độ đệm của môi trường là khả năng nhận proton của nó Độ kiềm của một môi trường phụ thuộc vào nồng độ các ion HCO3 -, CO3 2-, OH - Trong 3 thành phần trên HCO - 3 quan trọng vì nó là ion đệm ở khoảng pH trung tính
R-COOH + HCO3 - → RCOO - + H2O + CO2 Độ kiềm bicarbonat do sản phẩm khí CO2 sinh ra:
1.6.4 Nồng độ các acid bay hơi
Nồng độ acid bay hơi trở thành thông số chủ yếu khi bể ủ ở tình trạng thay đổi liên tục Sự dao động của lượng khí sinh ra cho thấy sự thiếu hụt cân bằng giữa sự phát triển và hoạt động của vi khuẩn hình thành acid và vi khuẩn metan Sự thiếu cân bằng trở thành vấn đề cần giải quyết khi nồng độ acid gây ức chế quá trình (mức pH kìm hãm hoạt động của vi khuẩn metan)
Ngưỡng nồng độ acid bay hơi ức chế vi khuẩn metan cao hay thấp tùy thuộc vào độ đệm của môi trường
Nồng độ acid bay hơi tăng dần sau quá trình ủ đạt trạng thái cân bằng thể là dấu hiệu sắp xảy ra những khó khăn, mặc dù nồng độ acid có thể thấp hơn 200 mg/l
1.6.5 Sản lượng khí metan và thành phần biogas
Khả năng sinh khí có vai trò cao nhất trong các thông số thông thường được sử dụng để đánh giá hoạt động của vi khuẩn và giúp định hướng việc vận hành bể ủ Đây là thông số
33 để đánh giá trực tiếp biểu hiện toàn bộ vi khuẩn Cùng với thông số thành phần khí sinh ra, nó là thướt đo hoạt động của vi khuẩn metan
Nhiệt độ là yếu tố cần thiết cho tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật, do đó tốc độ phân hủy và sinh khí tăng theo nhiệt độ
Thông thường, phân hủy tốc độ cao ở nhiệt độ mesophilic, ngưỡng 30-36°C
Nhiệt độ làm việc của bể dao động không quá 0,5°C nhiệt độ so với nhiệt độ thiết kế, bởi vì vi khuẩn metan dễ dàng bị ức chế bởi những thay đổi dù nhỏ của nhiệt độ
Lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho bùn để đạt được nhiệt độ của bể phân hủy cho bởi công thức sau:
Trong đó: o Q1 :Nhiệt lượng yêu cầu (J/d) o Q2 :Nhiệt lượng bị thất thoát qua bề mặt (J/d) o Cp : nhiệt dung riêng của bùn, Cp = 4200(J/kg°C), o T2 :Nhiệt độ làm việc của bể ( 0 C) o T1 :Nhiệt độ của bùn cung cấp ( 0 C) o Ta :Nhiệt độ không khí xung quanh ( 0 C) o A :Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bể (m 2 ) o U :hệ số nhiệt thất thoát (W/m 2 °C)
ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN THẢI CHO NHÀ MÁY BIA34
Giới thiệu về công ty bia Sài Gòn – Hoàng Quỳnh
- Nhà máy bia Sài Gòn - Hoàng Quỳnh thuộc tổng công ty bia Sài Gòn - Bình Tây bắt đầu đi vào hoạt động từ năm 2004
- Địa chỉ: Lô A73/1 Phường 7 KCN Vĩnh Lộc - xã Bình Hưng Hòa, huyện Bình Chánh, TPHCM Tổng diện tích mặt bằng: 21.922 m 2 Diện tích mặt bằng xây dựng: 12.500m 2
- Công suất hiện tại của nhà máy là 1.500.000 m 3 /năm
- Nhà máy bia Sài Gòn Hoàng Quỳnh được trang bị máy móc, thiết bị hiện đại hàng đầu trong nước và Châu Âu; sản xuất bia theo công nghệ của Tổng Công ty cổ phần Bia, Rượu, Nước giải khát Sài Gòn, đội ngũ kỹ sư và công nhân lành nghề, trẻ, năng động, sáng tạo, đầy nhiệt huyết, được đào tạo chuyên môn bài bản và ngày càng trưởng thành, hoàn toàn có thể làm chu kỹ thuật – công nghệ, đội ngũ quản lý có kinh nghiệm
- Nhà máy cung cấp các sản phẩm bia mang thương hiệu của Tổng Công ty cổ phần Bia, Rượu, Nước giải khát Sài Gòn, hiện tại là sản phẩm bia chai loại 355ml, bia lon 333ml, bia chai Sài Gòn Special 330ml và trong tương lại là các sản phẩm khác được ghi trong giấy chứng nhận đăng ký kinh doanh
- Với dây chuyền công nghệ tiên tiến, trang thiết bị hiện đại, nguồn nguyên liệu được nhập từ nước ngoài nên sản phẩm của công ty luôn đạt chất lượng cao và được khách hàng ưa chuộng Hiện nay, thương hiệu Bia Sài Gòn có mặt hầu hết trên thị trường các tỉnh miền Trung, Cao Nguyên, Nam Bộ và trở thành nét văn hóa đặc trưng của thành phố Sài Gòn Đồng thời, cùng với đội ngũ cán bộ trẻ có trình độ chuyên môn cao, đội ngũ công nhân có kỹ thuật lành nghề và các thiết bị hiện đại, công ty không ngừng mở rộng thị trường với phương châm “Uy tín - Chất lượng - Hiệu quả” để đáp ứng nhu cầu của khách hàng và phát triển công ty lớn mạnh hơn
- Các nguồn phát sinh nước thải từ nhà máy bia
Nước làm lạnh, nước ngưng, đây là nguồn nước thải ít hoặc gần như không gây ô nhiễm nên có khả năng tuần hoàn sử dụng
Nước thải từ công đoạn nấu – đường hóa: Đặc tính của nước nước thải này có mức độ ô nhiễm rất cao, chữa bã men, bã hoa, tinh bột…
Nước thải từ công đoạn lên men: Nước vệ sinh các men tank, thùng chứa, đường ống,…có chất bã men, các chất hữu cơ
Nước thải từ công đoạn hoàn tất sản phẩm
Nước rửa sàn các phân xưởng
Hình 11 Quy trình sản xuất bia tại nhà máy Hoàng Quỳnh
Tổng quan về chất thải tại nhà máy bia
Bảng 7: Thông số đầu vào bùn thải nhà máy bia Sài Gòn – Hoàng Quỳnh
( Nguồn: Nghiên cứu sản xuất phân vi sinh cố định đạm từ bùn thải nhà máy bia Việt Nam - Viện Sinh học nhiệt đới, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Q bùn = 5 m 3 /ngày)
CHỈ TIÊU Bùn thải nhà máy bia Sài Gòn – Hoàng Quỳnh
- Hàm lượng chất hữu cơ khá cao (37,53%), hàm lượng đạm tổng số và lân tổng số cao nhưng K tổng số thấp với các giá trị lần lượt là (1,86%N; 7,17 %P2O5; 0,2%
- Thành phần các kim loại nặng (Cd, Pb) có trong bùn thải bia đều dưới ngưỡng cho phép theo quy định của Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn
- Thành phần vi sinh vật gây bệnh (E.coli và Coliform) đều vượt ngưỡng cho phép đối với mẫu gốc từ hệ thống xử lý nước thải nhưng giá trị này sẽ giảm theo thời gian phơi ngoài không khí
- Mật số Salmonella cho kết quả đều ở mức không phát hiện
- Hàm lượng của các nguyên tố vi lượng (Mnts, Znts, Fets, Cuts) đều được đánh giá là hữu dụng đối với sản xuất nông nghiệp
=> Kết luận: Bùn thải từ nhà máy bia có thể ủ làm phân bón và thu hồi năng lượng từ khí Mêtan.
Cơ chế hoạt động thiết bị hoạt động biogas hình trứng
- Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia hiện đang là nguồn tài nguyên tiềm năng cho sản xuất nông nghiệp Việc sử dụng bùn thải bia có nhiều ý nghĩa
38 không những cung cấp nguồn dinh dưỡng đa và vi lượng cho cây trồng mà còn cải tạo tính chất đất
- Mở đầu về bể phân hủy sinh học hình trứng: Những cải tiến gần đây được tích hợp vào thiết kế ban đầu của hệ thống bể phân hủy kỵ khí hình trứng (ESDTM) đã dẫn đến việc đơn giản hóa các hệ thống cơ học, cải thiện hơn nữa lợi ích vòng đời của hệ thống ESD Do đó, những cải tiến này đã cho phép nhiều doanh nghiệp xem xét thiết kế và xây dựng công trình bể phân huỷ Một số lợi ích của bể phân hủy kỵ khí hình trứng là sử dụng nguồn chất thải rắn tại chỗ, tiến độ xây dựng được đẩy nhanh và chi phí vốn thấp hơn
- Hướng tiếp cận của bể phân hủy sinh học kỵ khí hình trứng: Ứng dụng và nối tiếp các ký thuật công nghệ cao của bể sinh học kỵ khí hình trứng trong việc xử lý chất thải rắn hiệu quả, cải thiện chất lượng bùn thải cho các hoạt động ủ phân và tạo ra khí có thể được sử dụng trực tiếp trong chuỗi năng lượng nhà máy Thiết kế và xây dựng cơ sở diễn ra trong khoảng thời gian 15 tháng, điểu này còn tùy thuộc vào yếu tố thời tiết, địa hình, thổ nhưỡng, cũng như diện tích đất của doanh nghiệp
- Thiết kế tổng thể của cơ sở bao gồm hai ESD quản lý trực tiếp tự động hệ thống trộn bơm phản lực và bể chứa khí bùn phân hủy kết hợp Thông tin từ hệ thống kiểm soát cơ sở ESD được truyền đạt trong toàn bộ nhà máy Màn hình đầu ra được truyền đến các trạm điều hành khác trong cơ sở, điều này cho phép giao diện hiệu quả hơn giữa các nhân viên và giảm thời gian của người vận hành để giám sát hoạt động của bể phân hủy
- Hệ thống bơm phản lực cung cấp sự trộn liên tục lượng chất thải bên trong mà không có bộ phận nào liên kết với bể bị dịch chuyển Hệ thống xả bên trong là một phương pháp tiết kiệm chi phí và đáng tin cậy hơn để loại bỏ chất rắn khỏi bể phân hủy so với buồng bên ngoài được sử dụng trong các thiết kế ban đầu Việc sử dụng hệ thống xả bên trong làm giảm nguy cơ cắm các đường xả, giảm thêm khả năng phát thải mùi, tăng tính năng kín khí của hệ thống và giảm chi phí vốn Bể hình trứng thiết kế có hình dạng tối ưu để kiểm soát quá trình với việc trộn chất lỏng
39 hiệu quả để nâng cao hiệu suất Hình dạng cong kép giúp giảm cặn bã, sạn và các vùng chết, giảm nhu cầu sử dụng bể phân hủy để làm sạch
- Ngoài ra sự nghiên cứu của các chất phụ trợ cơ học hoạt tính cao cũng đẩy nhanh quá trình phân hủy bùn Bể sinh học kỵ khí hình trứng được làm bằng bê tông, nhưng vật liệu này ngày càng được thay thế là thép Việc sử dụng thép đã được chứng minh là có lợi thế về chi phí và lợi ích về tiến độ Ví dụ, đóng nhiều bể cùng lúc cũng cho phép tiến độ thi công được đẩy nhanh hơn so với việc đóng và đổ từng tàu bê tông Điều này dẫn đến sự giảm chi phí cho việc xây dựng và lắp đặt bởi chúng đã được sản xuất hàng loạt Ngày nay loại hình xử lý chất thải rắn bằng phân hủy sinh học kỵ khí được biết đến rộng rãi như một giải pháp hiệu quả cho các cơ sở xử lý chất thải lớn
- Sự phát triển của công nghệ bể phân hủy sinh học kỵ khí hình quả trứng đã mang lại lợi ích cho các doanh nghiệp trên thế giới trong việc một quy trình hiệu quả, tiết kiệm chi phí để giảm chất rắn trước khi xử lý chúng từ các cơ sở nước thải
Đề xuất sơ đồ công nghệ
Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
1 Bùn thải từ bể sinh học nhà máy bia được đưa vào bể nén bùn để cô cạn bớt nước và qua máy ép bùn để tách nước
2 Đưa vào bể kỵ khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ
3 Thu hồi khí sinh học CH4 từ quá trình kỵ khí, khí được qua tháp lọc khí để khử mùi, sau đó được đưa vào bồn chứa khí và cuối cùng cung cấp năng lượng cho máy phát điện
4 Phần cặn bùn sau kỵ khí được đưa vào máy tách nước để tách nước phát sinh trong quá trình kỵ khí Sau đó, bổ sung các nguyên tố vi lượng để phân compost đạt chất lượng QCVN 01-189:201
Tính toán lượng bùn sau khi qua sử lý nước thải
- Ước tính để sản xuất ra 1 lít bia thì lượng nước thải thải ra môi trường là (3-10 lít), trong đó lượng chất thải khô sau khi đã được lắng tụ lại (gọi là bùn thải bia) thì lượng bùn thải này chiếm khoảng 10% trong tổng thể nước thải
(Nguồn: Fillaudeau L, Blanpain-Avet P, Daufin G 2006 Water , wastewater and waste management in brewing industries Journal of Cleaner Production 14, 463-471 journal of industrial and engineering chemistry.)
Sản lượng nhà máy bia Sài Gòn – Hoàng Quỳnh: 1.500.000 m 3 /năm
Lượng nước thải cho 1 lít bia thành phẩm: 8 lít
Lượng bùn thải trong 1 lít nước thải: 10%
- Lượng nước thải mỗi ngày:
- Lượng bùn thải sau khi qua hệ thống xử lý nước thải của nhà máy mỗi ngày là:
- Lượng bùn thải sau mỗi mẻ:
Biết rằng thời gian ủ bùn là 23 ngày ( Nguồn: Theo sách CIWEM (1996), bảng 19.5)
TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH
Kiểm tra tỉ lệ C/N của bùn
- Yêu cầu chất lượng nguyên liệu làm phân compost
Tỉ lệ chuẩn nhất : C:N0:1 (QC theo Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn)
- Tính chất của nguyên liệu (Bùn thải bia) sử dụng làm compost có thành phần như sau:
- Từ kết quả này không thể tiến hành ủ compost ngay mà phải tiến hành phối trộn với thành phần khác để đạt kết quả cần thiết có tỷ lệ C: N = 30:1 và độ ẩm 60%
- Để thuận tiện cho việc tính toán, phân này chỉ đề cử phối trộn với một loại vật liệu là vỏ trấu Loại vật liệu này tương đối rẻ khi phải mua, rất dễ kiếm, hiện nay vỏ trấu có rất nhiều, ít tốn chi phí so với các thành phần khác
- Để dễ dàng cho việc tính toán, giả sử chỉ dùng duy nhất 1 vật liệu phối trộn là vỏ trấu
- Tính chất của trấu sử dụng phối trộn:
• Hàm lượng N chiếm 0,8% khối lượng khô
- Tính tỷ lệ thực phẩm thừa phối hợp với trấu để thu được hỗn hợp có C/N = 30
Trong đó: o X1: khối lượng bùn khô o X2: khối lượng khô trấu
=> Khối lượng chất khô hỗn hợp ( Giả sử tổng hỗn hợp sau trộn là 10000 kg)
- Vậy tổng khối lượng hỗn hợp sau khi phối trộn là: mtổng = m1 + m2 = 19084,62+1687,29 = 20771,91 kg
- Thể tích trấu cần phối trộn:
- Ta có Q bùn thải = 3,3 m 3 /ngày
=> m bùn thải=3,3 (m 3 /ngày) x 1080 (kg/m 3 )= 3564 kg/ngày
=> mtrấu = 4,1(m /ngày)×80(kg/m ) 3 3 328kg/ngày
Khu vực lưu trữ vật liệu phối trộn
- Do bùn cần phải phối trộn với trấu nên phải có khu vực để chứa riêng loại nguyên liệu này nhằm đáp ứng lúc nào cũng có sẵn để tiến hành ngay việc phối trộn khi có yêu cầu
- Theo tính toán từ phần trên hàng ngày cần có 328 kg vỏ trấu cung cấp cho việc phối trộn Từ khối lượng này sẽ được làm nền để tính toán diện tích cho kho lưu trữ này
- Để dự trữ và tính an toàn sẽ thiết kế kho với công suất gấp đôi khối lượng vật liệu trên là 700kg /ngày
- Với khối lượng riêng là 80 kg/m 3 Thể tích kho chứa: V = 700 : 80 ≈ 9 m 3
- Tính chất là kho lưu một vật liệu không có tính đăc biệt về chất lượng cần bảo quản nên kho có thể tiếp nhận vật liệu cao tối đa là 2 m
- Vì vậy, diện tích kho là: S kho = 9 : 2 = 4,5 (m 2 )
- Kích thước kho lưu trữ: L x B = 2,25 m x 2 m
Bảng 8: Thông số thiết kế và tính toán kho lưu trữ vật liệu phối trộn
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Khu vực phối trộn vật liêu
- Khu phối trộn được thiết kế nhằm đáp ứng việc phối trộn lượng nguyên liệu đủ cung cấp trong một ngày với khối lượng lớn vừa làm nơi có thê lưu trữ một lượng nguyên liệu sau khi phân loại nhưng chưa được tiến hành đảo trộn và cũng là nơi lưu trữ lại nguyên liệu sau trộn khi chưa tiến hành ủ
- Khối lượng cần đem đi trộn: mtổng = m bùn thải + m trấu = 3564kg + 328kg = 4000 kg
- Chọn thiết bị phối trộn: Máy trộn nguyên liệu 3A 5,5Kw
Hình 12: Máy phối trộn nguyên liệu 3A 5,5KW Ưu điểm:
Phối trộn nguyên liệu đồng đều
Dễ dàng bổ sung thêm nguyên liệu khi máy đang vận hành
Thời gian phối trộn nhanh, lượng thành phẩm lớn, 130 – 150 kg/mẻ/5-10 phút
Bảng 9: Thông số kỹ thuật của máy trộn nguyên liệu 3A 5,5Kw Động cơ (đã qua sử dụng) 5,5 (Kw)
Tốc độ trục chính (Tốc độ sau giảm tốc) 50 (Vòng/phút)
Năng suất (Thời gian mỗi mẻ từ 5 – 10 phút) 130 – 150 (Kg/mẻ)
Kích thước thùng trộn 1485 x 640 x 815 (mm)
Khối lượng trộn cho mỗi mẻ là 130kg
Thời gian phối trộn là 6 phút
Thời gian máy hoạt động mỗi ngày là 4 giờ
- Khối lượng hỗn hợp thiết bị trộn được trong một ngày:
- Số lượng máy cần thiết để phối trộn hoàn toàn lượng hỗn hợp:
=> Chọn hai máy hoạt động luân phiên ( một hoạt động chính, một dự phòng)
- Để đủ diện tích cho 2 máy trộn và thể tích chứa vật liệu ủ phân sau khi đã phối trộn ta chọn chiều dài khu phối trộn L = 4 m và chiều rộng B = 3 m
- Chiều cao khu phối trộn = chiều cao khu chứa trấu Vậy H = 3 m
- Thể tích khu phối trộn:
Bảng 10: Thông số thiết kế và tính toán khu phối trộn
Thông số Giá trị Đơn vị
Thể tích khu phối trộn 36 m 3
Chiều rộng khu chứa trấu 3 m
Chiều dài khu chứa trấu 4 m
Bể kỵ khí hình trứng
- Giả sử hàm lượng trấu không đáng kể cho nên thông số đầu vào bể kỵ khí hình trứng như sau:
- Lượng bùn tổng cộng dẫn đến bể ESD: Qbùn = 76,7 m 3 /mẻ
- Thành phần tổng chất rắn: TS = 4%
- Chất thải rắn bay hơi: VSS = 90%
- Độ ẩm trung bình của bùn đầu vào bể kỵ khí hình trứng là 96%
- Chọn tải trọng bể = 3kg/m 3
- Thể tích hữu ích của bể hình trứng:
Trong đó: o Qbùn :Lượng bùn tổng cộng dẫn đến bể ESD (m 3 /ngày), Qbùn = 76,67 m 3 /mẻ o TS : Tổng chất rắn (%), TS = 4% o VSS :Chất rắn lơ lửng bay hơi (%), VSS = 90% o : Tỷ trọng bùn (kg/m 3 ), 80 kg/m 3 o : Tải trọng bể (kg/m 3 ), = 3kg/m 3
- Thể tích sử dụng 90% bể, khi đó thể tích thực của bể là
Bảng 9 Tra cứu thông số thiết kế bể ESD
(Nguồn: Theo sách CIWEM (1996), bảng 19.5)
49 o : hệ số không thứ nguyên của bể ESD (ξ = 1 – 3), chọn =1 o : nửa góc mở của bể ESD
- Chọn số đơn nguyên: 6 đơn nguyên
- Thể tích mỗi đơn nguyên:
- Chiều cao mỗi đơn nguyên:
- Đường kính mỗi đơn nguyên:
Hình 13: Thông số hình học của bể ESD
- Kích thước thành phần của bể ESD:
Trong đó: o a :bán kính hình cầu kết thúc ở đỉnh và đáy bể ESD (m) o A: bán kính đường cong kinh tuyến nối hai hình cầu (m) o : nửa góc mở của bể ESD, Φ0 = 60 0 Đường kính ống dẫn bùn
- Chọn vận tốc bùn trong ống v = 1 mm/s
- Lưu lượng bùn đầu vào:
- Đường kính ống dẫn bùn:
Chọn đường kính ống dẫn bùn d = 250(mm)
Nguồn: Tiêu chuẩn ISO 4422:1990, đường kính ống Hòa Bình
3.4.1 Chọn máy khuấy trộn trong bể ESD:
- Chọn thiết bị khuấy trộn cơ khí Dradt tubes Theo Halberg, chọn thiết bị khuấy trộn MFS2
- Đường kính cánh khuấy d = 190 mm
- Tốc độ khuấy trộn: N = 1200 vòng/ phút
3.4.2 Tính năng lượng sinh ra mỗi ngày:
- Khối lượng TS đầu vào:
TS vào tấnTS/ngày = 150 kgTS/ngày
- Khối lượng chất rắn bay hơi đầu vào: y
0,8×1 50 kgTS/ngày3,5kgV /ngà S vào vào
- Khối lượng chất rắn cố định đầu vào: y
- Lượng chất rắn cố định (FS) không thay đổi, nhưng lượng chất rắn bay hơi (VS) được loại bỏ một phần trong quá trình xử lý Theo CIWEM (1996), hiệu quả xử lý
VS nằm giữa 40% và 55% Chọn hiệu quả xử lý VS là 50%, thông số đầu ra sẽ là:
(1 0,5) 0,5×123,5kgVS/ngàya,7kgVS/ngày ra vào
30,9kg+61,7kg,6kgTS/ngày ra ra ra
- Theo CIWEM (1996): o Lượng khí sinh ra (m 3 /kgVS) : 0,8 – 1,1 m 3 /kgVS, chọn bằng 0,8 m 3 /kgVS o Nhiệt trị (năng suất tỏa nhiệt) của khí (MJ/m 3 ): 23,3 MJ/m 3 o Nhiệt trị của bùn đầu vào(MJ/kgTS): 15 – 25 MJ/kgTS, chọn 23 MJ/kgTS o Nhiệt trị của bùn đầu ra (MJ/kgTS): 8 – 15 MJ/kgTS, chọn 13 MJ/kgTS
- Chất thải bay hơi đầu ra:
- Tổng chất thải đầu ra:
- Thể tích khí sinh học:
Qsh = 61,7 kgVS/ngày x 0,8m 3 /kgVS I,38m 3 /ngày
- Thể tích khí sinh học hữu ích:
Qsh hữu ích = 49,38m 3 /ngày x 0,7 = 34,5m 3 /ngày
- Nhiệt trị của bùn thô vào bể xử lý:
150kgTS/ngày x 23MJ/ kgTS = 3549MJ/ngày
- Nhiệt trị của khí sinh học:
34,5kgTS/ngày x 23,3MJ/ kgTS = 805,4MJ/ngày
- Nhiệt trị của bùn đầu ra:
92,6kgTS/ngày x 13MJ/ kgTS = 1203MJ/ngày
- Đường kính ống thu khí (Sổ tay quá trình thiết bị tập 2):
Trong đó: o Q : Lưu lượng khí sinh học (m 3 ), Qsh = 74m 3 o : Vận tốc khí trong ống (m/s), lấy v = 1,5 m/s;
Chọn ống dẫn khí có đường kính d = 25mm
Nguồn: F25mm, https://maynenkhivn.com/danh-muc/day-hoi-khi-nen/
Bảng 10: Tóm tắt các thông số thiết kế mỗi đơn nguyên:
Tên thông số Giá trị thiết kế Đơn vị
Bán kính hình cầu kết thúc ở đỉnh và đáy bể 2,1 m
Bán kính đường cong kinh tuyến nối hai hình cầu 3 m
Thiết bị khuấy trộn cơ khí Draft tubes - 1 cái
Tổng lượng chất rắn đầu ra 92,6 kg/ngày
Thể tích khí sinh học hữu ích 34,5 m 3 /ngày Đường kính ống thu khí 25 mm
Bồn chứa khí Biogas
Cấu tạo bồn chứa khí lỏng hay bồn chứa khí hóa lỏng bao gồm: Thân bồn, phần cửa bồn, bộ phận thông hơi và chân bồn
Thân bồn: thường được thiết kế với hình trụ tròn, dạng hình vuông hay hình chữ nhật Thân bồn gồm 2 lớp, bên ngoài là vỏ bồn rồi đến lớp chân không ở giữa và cuối cùng là bồn chứa khí bên trong cùng Phần chân không ở giữa 2 lớp vỏ có chức năng cách nhiệt Hạn chế việc tăng áp của khí gas hóa lỏng ở bên trong xảy ra khi nhiệt độ tăng làm cho gas lỏng giãn nở
Nắp bồn: Có nhiều kiểu tạo hình nắp bồn chứa khí hóa lỏng như nắp mặt sàng dạng phẳng, nắp chỏm cầu hay hình nón
Đáy bồn: tương tự như phần nắp bồn thì cũng có 3 loại đáy bằng, chỏm cầu hay đáy nón
Chân bồn: Táp chống xoáy, dạng chân tròn hoặc chân chữ L
Cầu thang ( nếu có ở thể tích lớn): Cầu thang dạng thẳng đứng hoặc xung quanh bồn
Bồn có hệ thống các đường ống dẫn để nạp khí gas hóa lỏng vào bồn, khi xuất lỏng hay khí ra theo đường sử dụng
Lượng khí sinh học được đưa ra bể chứa khí một ngày: 74m 3 /ngày
Lượng khí sinh học sau khi chứa mỗi ngày sẽ được sử dụng cho máy phát điện chiếm 85% Thể tích bồn chứa khí sinh học:
34,5m 3 : 0,85 = 40,6 m 3 Chọn bồn chứa khí biogas :
● Số lượng hai bồn, một bồn hoạt động, một bồn dự phòng
● Bồn chứa khí LPG (bồn chứa khí hóa lỏng) ASME VIII 2010
● Thể tích mỗi bồn chứa: 50m 3
● Vật liệu bên trong thép không gỉ, vật liệu bên ngoài thép carbon
● Tiêu chuẩn thiết kế: Khoản 3, điều 3, QCVN 10:2012/BCT
Máy tách nước
- Nguyên lý làm việc của máy ép trục vít: Máy được thiết kế dựa trên nguyên lý trục vít tải xoắn vận hành liên tục Khi nước thải được nạp vào, trục vít vừa làm nhiệm vụ vận chuyển vừa xoay và ép nguyên liệu lại với nhau để vắt nước cho đến khi nguyên liệu kết dính thành bã và khô hẳn, trục vít sẽ đẩy bã nguyên liệu này lần lượt chui qua khe vít tải để rơi ra ngoài theo máng hứng được lắp ở đầu miệng ra của máy Phần nước sau khi được ép sẽ chui qua khe lưới và được thu về bởi một phểu côn được lắp đặt bên dưới thân máy
- Đường kính lồng ép: 266 mm
- Tổng điện năng: 1.3kW/h, 380V, 50Hz;
- Mô tơ động cơ trục vít, công suất: 0.75 kW , 380V, 50Hz (Xuất xứ: Transtecno- Đức/ SX tại Trung Quốc)
- Bơm rửa tự động, công suất 200W, 220V (Hiệu: Panasonic)
- Thời gian hoạt động mỗi ngày: 2 giờ
Kho chứa sản phẩm
- Giả sử sau quá trình ủ thể tích sản phẩm thu được giảm đi 30% so với thể tích sau ủ kỵ khí
- Thể tích sau ủ: Vsau ủ = 0,7 x Vủ = 0,7 x 76,7 m 3 S,7 m 3
- Thể tích kho chứa: V kho = V sau ủ x 2= 53,7 m 3 x 2= 108 m 3
Bảng 11: Thông số kho chứa sản phẩm
Nhà điều hành
- Nhà điều hành bao gồm khu vực hành chính, phòng thường trực, phòng nghỉ cho công nhân, nhà vệ sinh, khu chứa hóa chất
- Kích thước nhà điều hành: L x B x H = 30m x 10m x 4m
CHI PHÍ
Chi phí xây dựng và thiết bị
THỂ TÍCH (m 3 ) SL ĐƠN GIÁ GIÁ
CHI PHÍ THIẾT BỊ MÁY PHỐI
Lợi nhuận mỗi mẻ ( 23 ngày)
Máy tạo điện 1m 3 tạo ra 0.6kw điện
- Lượng điện tạo ra (kW) = Qsh hữu ích : 0,6 = 34,5: 0,6 = 57,61 KW
- Tiền điện bán được trong 1 ngày: = 57,61 : 1.700 = 97.942 đ
- Tiền bán phân sau 1 mẻ: = TS ra x 23 x 5000 = 92,6 x 23 x 5000= 10.648.148 đ
Chi phí vận hành mỗi mẻ
- Máy khuấy (5kW -4h) cho 6 bể biogas = 4 x 5 x 23 x 1.700 x 6 = 4.692.000đ
- Chi phí khác ( vận chuyển, đóng bao…) = 10.000.000 đ
Tổng cộng: Chi phí vận hành = 18.190.530 đ
Tổng hợp chi phí
- Chi phí xây dựng – trang thiết bị: 4,356,000,000 đ
- Chi phí quản lý – vận hành: S1 = 18.190.530 đ/mẻ
- Chọn chi phí xây dựng khấu hao 20 năm, chi phí thiết bị khấu hao 5 năm
- Tổng chi phí vận hành trong một năm:
- Tổng chi phí đầu tư trong một năm:
- Tổng vốn đầu tư ( lãi suất ngân hàng i=0,5%)
- Giá thành 1m 3 bùn sau xử lý:
Phương hướng giải quyết
4.5.1 Nếu nhà máy bia thuê doanh nghiệp ở ngoài để xử lý bùn thải:
- Chi phí xử lý bùn thải : 1.000.000 đ/m 3 (Theo thông tư của BTNMT)
- Chi phí nhà máy phải trả cho đơn vị xử lý:
4.5.2 Nếu nhà máy tự xây dựng hệ thống xử lý bùn thải:
- Chi phí tự vận hành mỗi mẻ
KIẾN NGHỊ
Đồ án này chỉ đề cập đến xử lý bùn thải từ nhà máy bia bằng phương pháp sử dụng ủ kỵ khí, còn những chất thải khác phát sinh như xử lý nước thải, hệ thống quy hoạch,… không được tính toán xử lý trong đồ án này Công nghệ sử dụng biogas đã là công nghệ cũ, hiệu suất xử lý cao nhưng hiệu quả môi trường không cao Hiện nay đã có nhiều công nghệ xử lý chất thải rắn mới, hiệu quả cao và ít gây ảnh hưởng đến môi trường hơn Với sự phát triển và thay đổi không ngừng của khoa học công nghệ, các phương pháp xử lý chất thải rắn cũng cần thiết được thay đổi, cải thiện mới để an toàn, thân thiện với môi trường hơn
Tuy nhiên, các công nghệ xử lý chất thải cũng chỉ mang tính chất khắc phục hậu quả, chuyển từ dạng ô nhiễm này sang dạng ô nhiễm khác Thay vào đó, con người nên áp dụng các phương pháp giảm thiểu ô nhiễm, rác thải, phân loại rác thải tại nguồn để tận dụng được tối đa nguồn lợi từ rác thải và hạn chế được các chất ô nhiễm phát thải ra
Từ đó, tùy thuộc vào tính chất, hàm lượng dinh dưỡng, diện tích mặt bằng, khả năng kinh tế của nhà máy bia để chọn ra phương án phù hợp