nghiên cứu sơ bộ quy trình xử lý nước thải tinh bột mì bằng phương pháp lọc sinh học kỵ khí và định danh vi khuẩn kỵ khí có trong hệ thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ – BÁN CÔNG TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU SƠ BỘ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC KỴ KHÍ VÀ ĐỊNH DANH VI KHUẨN KỴ K

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ – BÁN CÔNG TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU SƠ BỘ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC KỴ KHÍ VÀ ĐỊNH DANH VI KHUẨN KỴ KHÍ CÓ TRONG HỆ THỐNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: VI SINH MÔI TRƯỜNG

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: GV NGUYỄN VĂN PHƯỚC SINH VIÊN THỰC HIỆN: TRẦN PHI CƯỜNG

KHÓA HỌC: 2000 - 2004

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 MỤC ĐÍCH NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

3.1 Phương pháp phân tích 3

3.2 Phương pháp điều tra tổng hợp 3

3.3 Phương pháp nghiên cứu trên mô hình 4

3.4 Phương pháp xử lý số liệu 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 5

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOAI MÌ 5

1.1 Cấu tạo khoai mì 6

1.2 Phân loại khoai mì 7

1.3 Thành phần hóa học 7

2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ 9

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ 12

1 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ 12

1.1 Phương pháp cơ học 12

1.2 Phương pháp hóa học 13

1.2.1 Phương pháp trung hòa 13

1.2.2 Phương pháp oxy hóa 13

1.3 Phương pháp hóa lý 14

1.3.1 Keo tụ, tạo bông 14

1.6 Phương pháp sinh học 15

1.6.1 Xử lý sinh học trong môi trường hiếu khí 17

1.6.2 Xử lý sinh học trong môi trường kỵ khí 17

1.6.3 Cánh đồng tưới 19

1.6.4 Xả nước thải vào ao, hồ, sông, suối 19

1.6.5 Hồ sinh học 19

1.6.5.1 Hồ hiếu khí 19

1.6.5.2 Hồ tùy tiện 20

1.6.5.3 Hồ kỵ khí 20

1.6.5.4 Hồ xử lý bổ sung 21

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC KỴ KHÍ 25

1 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 25

2 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 26

2.1 Khử CN- 26

2.2 Khử COD 27

2.3 Mô hình xử lý nước thải tinh bột mì 28

2.4 Mô hình lọc sinh học kỵ khí thực nghiệm 29

2.4.1 Mục đích nghiên cứu 29

2.4.2 Đối tượng nghiên cứu 29

2.4.3 Mô hình nghiên cứu 29

2.4.4 Trình tự thí nghiệm 30

2.4.5 Vai trò của từng công đoạn xử lý trong hệ thống 30

2.4.5.3 Giai đoạn lọc kỵ khí 30

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32

1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ TRÊN MÔ HÌNH ĐỘNG 32

1.1 Nhận xét về sự thay đổi pH 42

1.2 Nhận xét về hiệu suất khử COD 43

1.3 Nhận xét về quá trình khử Nitơ 45

1.4 Nhận xét về hiệu suất khử CN- 45

2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỊNH DANH VI KHUẨN KỴ KHÍ TRONG HỆ THỐNG TRÊN MÔ HÌNH ĐỘNG 46

2.1 Những vi sinh vật có trong nước thải nguyên thủy ban đầu 46

2.2 Những vi sinh vật có trong giai đoạn lọc sinh học kỵ khí 47

2.3 Nhận xét 51

2.3.1 Vi sinh vật có trong nước thải nguyên thủy 51

2.3.2 Vi khuẩn kỵ khí có trong giai đoạn lọc kỵ khí 51

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

1 KẾT LUẬN 53

2 KIẾN NGHỊ 54

PHỤ LỤC 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Trước hết con xin cám ơn Cha Mẹ đã sinh ra con, dạy dỗ con nên người, chỉ cho con biết những điều hay lẽ phải trong cuộc sống Tất cả những gì mà con có được ngày hôm nay đều là của Cha Mẹ ban cho con, Cha Mẹ luôn luôn bên cạnh con, động viên con trong những lúc khó khăn nhất

Em xin cám ơn quý Thầy Cô, người đã cho em những kiến thức quý báu trong những năm tháng học trong giảng đường Trường Đại Học Mở- Bán Công Thành Phố Hồ Chí Minh Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy Nguyễn Văn Phước và Cô Nguyễn Thị Thanh Phượng đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cho em, để em có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Cám ơn các bạn trong phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ mình trong thời gian mình làm luận văn

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 15/10/2004

Bảng 2.1 Thành phần hoá học của khoai mì 8

Bảng 4.1 Kết quả phân tích nước thải tinh bột mì tại Thủ Đức 25

Bảng 5.1 Sự thay đổi pH cao nhất và thấp nhất 43

Bảng 5.2 Hiệu suất xử lý COD cao nhất và thấp nhất 44

Hình 2.1 Quy trình tổng quát sản xuất tinh bột mì ở Việt Nam 10

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột mì của NM Hoàng Minh 11

Hình 3.1 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở NM Hoàng Minh 22

Hình 3.2 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở Tân Châu 23

Hình 3.3 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở NM Phước Long 24

Hình 4.1 Mô hình hệ thống xử lý nước thải tinh bột mì 28

Hình 4.2 Mô hình lọc sinh học thực nghiệm 31

Hình 5.1 Sự thay đổi pH theo từng công đoạn xử lý (COD = 2000 mg/l) 36

Hình 5.2 Sự thay đổi pH theo từng công đoạn xử lý (COD = 4000 mg/l) 36

Hình 5.3 Sự thay đổi pH theo từng công đoạn xử lý (COD = 6000 mg/l) 37

Hình 5.4 Sự thay đổi COD theo từng công đoạn xử lý (COD = 2000 mg.l) 37

Hình 5.5 Hiệu suất xử lý COD (COD = 2000 mg/l) 38

Hình 5.6 Sự thay đổi COD theo từng công đoạn xử lý (COD = 4000 mg.l) 38

Hình 5.7 Hiệu suất xử lý COD (COD = 4000 mg/l) 39

Hình 5.8 Sự thay đổi COD theo từng công đoạn xử lý (COD = 6000 mg.l) 39

Hình 5.9 Hiệu suất xử lý COD (COD = 6000 mg/l) 40

Hình 5.10 Sự thay đổi N-NH3 sau quá trình xử lý (COD = 2000 mg/l) 40

Hình 5.11 Sự thay đổi N-NH3 sau quá trình xử lý (COD = 4000 mg/l) 41

Hình 5.12 Sự thay đổi N-NH3 sau quá trình xử lý (COD = 6000 mg/l) 41

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp thực phẩm đang là một vấn đề lớn và rất thời sự ở Việt Nam nói chung và ở Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng Nước thải từ các cơ sở sản xuất tinh bột mì là nguồn gây ô nhiễm cần phải được giải quyết hiện nay tại Quận Thủ Đức, bởi nồng độ ô nhiễm gây ra bởi các cơ sở sản xuất này khá cao: hàm lượng chất hữu cơ COD khoảng 12.000 mg/l, hàm lượng cặn (SS) lên đến 3.000 mg/l, pH thấp, N tổng 450 mg/l và đặc biệt là hàm lượng CN- khoảng 75 mg/l… Vì các cơ sở sản xuất nằm sát nhà hoặc ngay tại nhà của người dân nên nước thải hoàn toàn chưa có biện pháp xử lý thích hợp gây ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng Sự ô nhiễm môi trường không chỉ ảnh hưởng đến diều kiện sinh hoạt, sức khỏe của người dân mà còn ảnh hưởng đến các hoạt động sản xuất khác như trồng trọt, chăn nuôi…

Dựa vào các đặc tính và thành phần của nước thải tinh bột mì là có khả năng phân hủy sinh học cao nên em chọn phương pháp lọc sinh học kỵ khí làm mô hình dùng để xử lý nước thải tinh bột mì Đầu ra của nước thải tinh bột mì mặc dù chưa đạt tiêu chuẩn thải vào môi trường nhưng đã giảm đáng kể nồng độ chất ô nhiễm (COD giảm từ 60% – 80%), tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý tiếp theo bằng các phương pháp xử lý khác

Việc nghiên cứu được tiến hành trong thời gian khá ngắn, khối lượng kiến thức tích lũy được chưa nhiều và chưa đủ sâu nên kết quả đạt được còn hạn chế Em kính mong quý Thầy, Cô giúp em sữa chửa những vấn đề còn thiếu sót trong luận văn này để em có được những kiến thức bổ ích và cần thiết trước khi ra trường

Em xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô

Chương 1

MỤC ĐÍCH NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu xử lý nước thải từ các cơ sở sản xuất tinh bột mì nhằm:

• Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì bằng phương pháp lọc sinh học kỵ khí

• Định danh các loài vi khuẩn chiếm ưu thế trong môi trường kỵ khí

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

• Tổng quan về các công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì đã và đang được ứng dụng ở Việt Nam

• Xác định thành phần nước thải tinh bột mì thải ra từ các cơ sở sản xuất tinh bột mì tại Thủ Đức Từ đó nhận xét về khả năng áp dụng phương pháp sinh học để xử lý nước thải tinh bột mì cũng như các trở ngại có thể gặp phải trong quá trình nghiên cứu thực tế

• Dùng mô hình lọc sinh học kỵ khí nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì, xem xét khả năng và hiệu quả xử lý của mô hình lọc sinh học kỵ khí:

- Tăng tải trọng xử lý bằng cách tăng nồng độ nước thải cần xử lý trong khi vẫn cố định tải trọng thủy lực

- Đo đạc các chỉ tiêu nước thải đầu vào và nước thải sau khi xử lý bằng phương pháp lọc sinh học kỵ khí ở mỗi tải trọng xử lý khác nhau (COD, pH, N-NH3).

- Phân tích các số liệu từ các kết quả đo được

- Đánh giá tính khả thi của mô hình nghiên cứu

- Nghiên cứu các loài vi sinh vật xuất hiện trong gia đoạn lọc sinh học kỵ khí và ảnh hưởng của các thành phần có trong nước thải tinh bột mì đến quá trình sinh trưởng và phát triển của các loài vi sinh vật kỵ khí

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Phương pháp phân tích

Các chỉ tiêu của nước thải tinh bột mì được phân tích theo Standard Method for

the Examination of Wastewater

Việc phân tích các chỉ tiêu nước thải tinh bột mì nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình lọc sinh học kỵ khí (các chỉ tiêu COD, pH, N-NH3 của nước thải tinh bột mì trước và sau khi xử lý được phân tích hằng ngày), hằng ngày cũng phải nghiên cứu các loài vi khuẩn ưu thế xuất hiện trong hệ thống lọc kỵ khí

3.2 Phương pháp điều tra tổng hợp

Nghiên cứu về các mô hình xử lý nước thải tinh bột mì của các Tỉnh và Thành Phố khác ở Việt Nam Tìm hiểu các công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì được ứng dụng thành công, các nghiên cứu về nước thải tinh bột mì đã được thực hiện để từ đó kế thừa và tìm ra giải pháp xử lý thích hợp nhất

Tổng hợp các kết quả điều tra và phân tích về thành phần nước thải tinh bột mì, từ đó đề ra giải pháp xử lý và tiến hành nghiên cứu trên mô hình lọc sinh học kỵ khí

3.3 Phương pháp nghiên cứu trên mô hình

Sử dụng mô hình lọc sinh học kỵ khí để nghiên cứu khả năng xử lý nước thải tinh bột mì bằng phương pháp sinh học kỵ khí dòng chảy ngược Thay đổi tải trọng hữu cơ bằng cách thay đổi nồng độ nước thải đầu vào trong khi vẫn cố định tải trọng thủy lực hay còn gọi là thời gian lưu nước Hằng ngày đo đạc các số liệu về COD, pH, N-NH3 đầu vào và nước thải sau khi xử lý, sau đó số liệu sẽ được phân tích để tìm ra kết quả về hiệu quả xử lý của hệ thống

3.4 Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu đo được về các chỉ tiêu của nước thải được xử lý như sau:

• Được tổng hợp và tính toán để tìm ra tải trọng hữu cơ cũng như hiệu suất khử COD của quá trình lọc sinh học kỵ khí đang tiến hành

• Nhận xét các kết quả sau khi xử lý số liệu về hiệu quả khử COD và sự thay đổi pH để quyết định có tăng tải trọng xử lý hay không hoặc đưa ra những giải pháp xử lý thích hợp cho hệ thống xử lý

• Sử dụng đồ thị để thể hiện các số liệu thu được trong suốt quá trình xử lý, phân tích quá trình xử lý nước thải ở hệ thống lọc sinh học kỵ khí

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOAI MÌ

Khoai mì có tên khoa học là Manigot Esculent a Krantz là loại cây phát triển ở

vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Khoai mì có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazon ở Nam Mỹ Sau đó, phát triển dần đến Châu Phi và Đông Nam Á Khoai mì có chứa hàm lượng tinh bột cao được sử dụng dưới dạng tươi hay khô, dạng cục hay dạng mịn Khoai mì đã có mặt ở nhiều nước trên thế giới và trở thành cây lương thực quan trọng cho con người và gia súc Tuy nhiên, khi dùng khoai mì làm lương thực phải bổ sung protein và chất béo mới đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng Khoai mì còn là nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp như: chế biến thực phẩm, sản xuất bia, công nghiệp hóa chất, sản xuất keo dán, công nghiệp giấy, gỗ, dược phẩm Hiện nay, khoai mì được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: tiêu thụ tại gia đình (56,9%) ; chế biến thực phẩm (35,6%); xuất khẩu (7,4%), phần còn lại là nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác Ở nước ta, khoai mì chủ yếu được tách lấy tinh bột làm nguyên liệu chế biến các loại thực phẩm khác như: bánh kẹo, mạch nha, bột ngọt hay các dạng thực phẩm dưới dạng tinh bột qua chế biến như: bún, miến, bánh tráng …

Chương 2

TỔNG QUAN

1.1 Cấu tạo của khoai mì

Khoai mì được trồng phổ biến ở các vùng nhiệt đới (80 quốc gia) chúng được trồng riêng lẻ hay xen kẻ với các loại cây lương thực, cây công nghiệp khác như: bắp, lúa, đậu, cao su, rau … Đây là loại cây lương thực đứng thứ 3 trên thế giới sau cây mía và lúa Khoai mì có hàm lượng Carbonhydrat cao hơn 40% so với gạo, 25%

so với ngô

Củ khoai mì thường có dạng hình trụ, vuốt 2 đầu Kích thước củ tùy thuộc vào thành phần dinh dưỡng của đất và điều kiện trồng, dài 0,1 – 1 m, đường kính 2 – 10

cm Cấu tạo gồm có 4 phần chính: lớp vỏ gỗ, vỏ cùi, phần thịt củ và phần lõi

Vỏ gỗ: gồm những tế bào xếp sít nhau, thành phần chủ yếu là cellulose và

hemicellulose, không có tinh bột, giữ vai trò bảo vệ củ khỏi tác động bên ngoài Vỏ gỗ mỏng, chiếm 0,5 – 5% trọng lượng củ Khi chế biến, phần vỏ gỗ thường kết dính với các thành phần khác như: đất, cát, sạn và các chất hữu cơ khác Vỏ cùi dày hơn vỏ gỗ chiếm 5 – 20% trọng lượng củ Gồm các tế bào thành dày, thành tế bào chủ yếu là cellulose, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, các chất chứa nitrogen và dịch bào Trong dịch bào có Tanin, sắc tố, độc tố và các enzyme… Vỏ cùi có nhiều tinh bột ( 5 – 8%) nên khi chế biến nếu tách bỏ chúng đi sẽ tổn thất một phần tinh bột trong củ, nếu không tách thì nhiều chất dịch bào làm ảnh hưởng đến màu sắc của tinh bột

Thịt củ khoai mì: là thành phần chủ yếu trong củ, gồm các tế bào nhu mô thành

mỏng là chính, thành phần chủ yếu là cellulose, pentosan Bên trong tế bào là các hạt tinh bột, nguyên sinh chất, glucide hòa tan và nhiều nguyên tố vi lượng khác Những tế bào bên ngoài thịt củ chứa nhiều tinh bột, càng vào phía trong hàm lượng

tinh bột càng giảm Ngoài các tế bào nhu mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cellulose nên cứng như gỗ gọi là xơ

Lõi củ khoai mì: ở trung tâm dọc suốt từ cuốn tới chuôi củ Ở cuốn lỏi to nhất

rồi nhỏ dần tới chuôi, chiếm 0,3 – 1% trọng lượng củ Thành phần lõi là cellulose và hemicellulose

1.2 Phân loại khoai mì

Có nhiều cách phân loại khác nhau, nhưng chủ yếu khoai mì được phân ra làm 2 loại: khoai mì đắng và khoai mì ngọt Việc phân loại này phụ thuộc vào thành phần Cyanohydrin có trong củ mì:

• Khoai mì đắng (Mannihot palmata Muell hay Manihot aipr Pohl): Hàm lượng

HCN hơn 50 mg/kg củ Khoai mì đắng có thành phần tinh bột cao, sử dụng phổ biến làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa

dược, công nghiệp giấy và nhiều ngành công nghiệp khác

• Khoai mì ngọt (Manihot aipi hay Manihot utilissima Pohl): Hàm lượng HCN

nhỏ hơn 50 mg/kg củ Khoai mì ngọt chủ yếu được dùng làm thực phẩm tươi vì vị

ngọt và dễ tạo thành bột nhão, dễ nghiền nát hay đánh nhiễn

1.3 Thành phần hóa học

Thành phần hóa học của khoai mì thay đổi tùy thuộc vào giống trồng, tính chất và độ dinh dưỡng của đất, điều kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch Đường trong khoai mì chủ yếu là glucose và một ít maltosec, sacharose Khoai

mì càng già thì hàm lượng đường càng giảm, hàm lượng đạm trong khoai mì khá thấp

Ngoài thành phần dinh dưỡng trong khoai mì còn có độc tố tanin, sắc tố và cả hệ enzyme phức tạp

THÀNH

PHẦN

NGUỒN Theo Đoàn

Dự và các cộng sự;

1983

Theo http://www.Starch.dk.isi/st

archxh/

tmstarch.htm

Theo Recent Process

in research and extension.1998

Cyanua là nguyên tố gây độc tính cao đối với con người và thủy sinh vật CN- tự

do tồn tại dưới dạng HCN hay CN- là độc tính hơn cả và dạng CN- độc tính nhất

trong nước là HCN CN- ngăn cản quá trình chuyển hóa các ion vào da, túi mật, thận, ảnh hưởng đến quá trình phân hóa tế bào trong hệ thần kinh

Ở hàm lượng cao CN- gây ảnh hưởng đến tim mạch, ảnh hưởng đến mạch máu não Triệu chứng ban đầu của nhiễm độc CN- thường là co giật, cuối cùng dẫn đến vỡ mạch máu não CN- gây độc tính cho cá, động vật hoang dã, vật nuôi Đối với cá, CN- độc hại ở liều lượng trung bình: 4 – 5 mg/l

2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ

Tinh bột khoai mì là thực phẩm cho hơn 500 triệu người trên thế giới (theo Cock,

1985; Jackson & Jackson, 1990) Tinh bột khoai mì cung cấp 37% calories trong

thực phẩm của Châu Phi, 11% ở Mỹ Latinh và 60% ở các nước Châu Á (Lancaster

et al, 1982)

Tinh bột khoai mì được các nước trên thế giới sản xuất nhiều để tiêu thụ và xuất khẩu Brazil sản xuất khoảng 25 triệu tấn/năm Nigeria, Indonesia và Thái Lan

củng sản xuất một lượng lớn chủ yếu để xuất khẩu (CAIJ, 1993) Châu Phi sản xuất

khoảng 85,2 triệu tấn năm 1997, Châu Á 48,6 triệu tấn và 32,4 triệu tấn do Mỹ

Latinh và Caribbean sản xuất (FAO, 1998)

Ở Việt Nam, do không đủ điều kiện để xây dựng các nhà máy chế biến nên ngành công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì trong nước còn bị hạn chế Các cơ sở sản xuất phân bố theo quy mô hộ gia đình, sản xuất trung bình và sản xuất lớn Nguồn nguyên liệu để sản xuất tinh bột khoai mì có hai loại: từ củ mì tươi và mì lát khô

Ở Việt Nam tinh bột khoai mì được sản xuất theo quy trình chủ yếu sau:

Củ mì tươi

Lột vỏ, cắt khúc, rửa

Mài, nghiền

Rây, sàn

Rửa tinh bột, phân

ly, lắng cặn

Tinh bột ướt

Nước

Nước

Vỏ

Nước thải bỏ

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột mì của NM Hoàng Minh

1 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ

Theo quy định môi trường, nước thải sản xuất buộc phải xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi tái sử dụng hoặc thải ra môi trường Hiện nay, để xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn cho phép, đặc biệt là nước thải có nồng độ ô nhiễm cao, công nghệ xử lý thường kết hợp nhiều phương pháp như: phương pháp cơ học, hóa lý, sinh học… và việc lựa chọn các phương pháp xử lý phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Đặc tính của nước thải

• Chi phí xử lý và đầu tư ban đầu

• Điều kiện mặt bằng

• Đặc điểm nguồn tiếp nhận

• Trình độ vận hành

1.1 Phương pháp cơ học

Quá trình xử lý cơ học hay còn gọi là quá trình tiền xử lý (pre – treatment) thường được áp dụng ở giai đoạn đầu của qui trình xử lý Quá trình này được xem là bước đệm để loại các tạp chất vô cơ và hữu cơ không tan hiện diện trong nước nhằm đảm bảo tính an toàn cho các thiết bị và các quá trình xử lý tiếp theo Tùy vào kích thước, tính chất hóa lý, hàm lượng cặn lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức

CHƯƠNG 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI

TINH BỘT MÌ

độ làm sạch cần thiết mà ta sử dụng một trong các quá trình sau: lọc qua song chắn rác hoặc lưới chắn rác, lắng dưới tác dụng của lực ly tâm, trọng trường và lọc

1.2 Phương pháp hóa học

1.2.1 Phương pháp trung hòa

Nhằm trung hòa nước thải có pH quá cao hoặc quá thấp, tạo điều kiện cho các quá trình xử lý hóa lý và sinh học:

H+ + OH- → H2O Mặc dù quá trình rất đơn giản về mặt nguyên lý, nhưng vẫn có thể gây ra một số vấn đề trong thực tế như: giải phóng các chất ô nhiễm dễ bay hơi, sinh nhiệt, làm sét rỉ thiết bị máy móc, …

Vôi (Ca(OH)2) thường được sử dụng rộng rãi như một bazơ để xử lý nước thải có tính axit cao, trong khi đó thì axit sulfuric (H2SO4) là hóa chất tương đối rẻ tiền dùng để xử lý các loại nước thải có tính bazơ Ngoài ra, trung hòa còn có thể tiến hành bằng nhiều cách khác nhau như: cho nước thải mang tính acid chảy qua lớp vật liệu trung hòa, hấp thụ các khí acid bằng nước kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng nước acid

1.2.2 Phương pháp oxy hóa

Phương pháp oxy hóa có tác dụng:

• Loại bỏ các kim loại nặng như: Cu, Pb, Zn, Cr, Ni, As … và một số chất độc như Cyanua

Các chất oxy hóa thông dụng:

1.3 Phương pháp hóa lý

1.3.1 Keo tụ, tạo bông

Quá trình keo tụ tạo bông được áp dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo có kích thước rất nhỏ (10-7 – 10-8 cm) tồn tại ở trạng thái lơ lửng không thể tự lắng được Để loại bỏ các hạt cặn trên, ta cho vào nước cần xử lý các chất có khả năng dính kết với các hạt cặn lơ lửng trong nước, tạo thành các bông cặn có trọng lượng đáng kể, dễ dàng lắng nhanh dưới tác dụng của trọng lực Hóa chất keo tụ thường sử dụng là: phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt loại FeSO4, Fe2(SO4)3, hoặc loại FeCl3 Các loại phèn này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan

Khi tiến hành quá trình keo tụ, tạo bông cần chú ý các yếu tố sau:

• pH của nước thải

• Bản chất của hệ keo

• Sự có mặt của các ion khác trong nước

• Thành phần các chất hữu cơ có trong nước

• Nhiệt độ

• Chế độ khuấy trộn

Phương pháp keo tụ cũng đã được áp dụng cho xử lý nước thải tinh bột mì tuy nhiên chi phí xử lý khá cao, điều kiện vận hành nghiêm ngặt (phụ thuộc pH keo tụ và liều lượng hóa chất) nên khó được áp dụng phổ biến

1.3.2 Tuyển nổi

Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ vào pha lỏng Các bọt khí này sẽ kết dính với các hạt cặn Khi khối lượng riêng của tập hợp bọt khí và cặn nhỏ hơn khối lượng riêng của nước cặn sẽ theo bọt khí nổi lên bề mặt

1.4 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ thường được áp dụng ở giai đoạn xử lý sau cùng để khử triệt để các chất hữu cơ hòa tan sau xử lý sinh học Phương pháp này còn được dùng để xử lý cục bộ một lượng nhỏ các chất có độc tính cao và không thể phân hủy bằng con đường sinh học Ưu điểm của phương pháp này là khả năng xử cao, có thể thu hồi và tái sử dụng được chất thải Chất hấp phụ có thể là than hoạt tính (phổ biến nhất), các chất tổng hợp, một số chất của sản xuất như: xỉ tro, mạc sắt, khoáng chất như đất sét, silicagen, keo nhôm

1.5 Phương pháp điện hóa

Người ta sử dụng các quá trình oxy hóa cực anot và khử của catot, đông tụ điện… để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải

1.6 Phương pháp sinh học

Vào thế kỉ 19 của nước Anh, bệnh do nước truyền như dịch tả còn lan tràn và đã có một vài vụ dịch ở Luân Đôn với hàng ngàn nạn nhân Sự gia tăng nhận thức của con người về vai trò của vi sinh vật trong bệnh tật đã làm tăng đòi hỏi xử lý nước

thải Điều này dẫn đến một loạt các đạo luật khuyến khích việc xây dựng nhà máy xử lý nước thải

Thực hành xử lý nước thải bắt đầu ở thế kỷ 20 Vào cuối thế kỷ trước Ủy Ban Hoàng Gia Anh về xử lý nước thải đã đề nước thải sau xử lý có nồng độ 30 mg/l chất rắn lơ lửng, 20 mg/l nhu cầu oxy sinh hóa (BOD)

Hiện nay có khoảng 15.000 đơn vị xử lý nước thải ở Hoa Kỳ, 80% trong số đó là các nhà máy nhỏ (nhỏ hơn 1 triệu gallon nước thải mỗi ngày < 1 MGD) Những nhà máy này xử lý khoảng 37 tỷ gallon nước thải mỗi ngày Khoảng 75% những đơn vị này có xử lý nước thải bậc hai hay bậc cao hơn Những nhà máy này được xây dựng để xử lý cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp Chất thải không hoặc có

ít độc tính có chủ yếu từ nước thải công nghiệp thực phẩm và nước thải sinh hoạt, trong khi chất thải độc chủ yếu từ các quá trình xử lý than (phenolic, ammonia, cyannide), công nghiệp dầu khí (dầu mỏ, hóa dầu, chất hoạt động bề mặt), thuốc trừ sâu, hóa dược và điện phân Bởi vì nhiều nhà máy không thể đáp ứng yêu cầu về tiêu chuẩn như quy định, nên giai đoạn tiền xử lý tại các nhà máy công nghiệp là cần thiết trước khi đưa nước thải nhập chung vào nhà máy xử lý nước thải của đô thị

Chất ô nhiễm chính tìm thấy trong nước thải là chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học, hợp chất hữu cơ bay hơi, chất hữu cơ trơ, kim loại độc, chất rắn lơ lửng, chất dinh dưỡng (nitơ và phospho), vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng Những nghiên cứu hiện nay đang chú ý vào đường đi của những độc chất sau khi qua nhà máy xử lý nước thải

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất phân tán nhỏ, chất keo cũng như một số chất vô cơ như: H2S, sulfide, ammonia,… dựa trên hoạt động của vi sinh vật

Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và khoáng chất làm nguồn thức ăn và tạo năng lượng để duy trì hoạt động sống Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học là: khí CO2, nitơ, ion sulfate, CH4, sinh khối vi sinh vật

1.6.1 Xử lý sinh học trong môi trường hiếu khí

Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm có 3 giai đoạn sau:

• Oxy hóa các chất hữu cơ:

CxHyOz CO2 + H2O + ΔH

• Tổng hợp tế bào mới:

CxHyOz + O2 + NH3 Tế bào vi khuẩn (C5H7NO2) + CO2 + H2O - ΔH

• Phân hủy nội bào:

C5H7O2 + O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ΔH

1.6.2 Xử lý sinh học trong môi trường kỵ khí

Sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí hoạt động trong điều kiện không có oxy Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp, phân hủy các chất hữu cơ và tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian Phương trình các phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát thì quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra theo 4 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử

• Giai đoạn 2: Acid hóa

Enzyme Enzyme Enzyme

Enzyme Enzyme

Vi sinh vật

• Giai đoạn 3: Acetate hóa

• Giai đoạn 4: Methane hóa

Các chất hữu cơ có chứa nhiều hợp chất cao phân tử như: protein, chất béo, cellulose, lignin, … trong giai đoạn thủy phân sẽ bị cắt mạch tạo thành các phân tử đơn giản hơn, dễ thủy phân hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acid, cacbohydrate thành đường đơn và chất béo thành các acid béo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acid acetic, H2 và CO2 Vi khuẩn methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như: (CO2 + H2), formate, acetate, methanol, methylamine và CO Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

1.6.3 Cánh đồng tưới

Dẫn nước thải theo hệ thống mương đất trên cánh đồng tưới, dùng bơm và ống phân phối nước thải lên mặt đất Một phần nước bốc hơi, phần còn lại thấm vào đất để tạo độ ẩm và cung cấp một phần chất dinh dưỡng cho thực vật sinh trưởng Phương pháp này chỉ được dùng hạn chế ở những nơi có lưu lượng nước thải hạn chế, vùng khô cằn xa dân cư, độ bốc hơi cao và đất luôn thiếu độ ẩm

1.6.4 Xả nước thải vào ao, hồ, sông, suối

Nước thải được xả vào những nơi chứa nước có sẵn trong tự nhiên để pha loãng chúng và tận dụng khả năng tự làm sạch của các nguồn nước

1.6.5 Hồ sinh học

Xử lý nước thải trong các ao, hồ sinh học là phương pháp xử lý đơn giản nhất và được áp dụng từ thời xa xưa Phương pháp này không yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu

tư ít, chi phí hoạt động rẻ, vận hành đơn giản và cho hiệu quả khá cao Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi thời gian xử lý tương đối dài, diện tích mặt bằng rộng và phụ thuộc vào thời tiết và nhiệt độ Cơ sở khoa học của phương pháp là dựa trên khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là các vi sinh vật và thủy sinh vật Hệ hồ sinh học có thể được phân loại như sau: hồ hiếu khí, hồ tùy tiện, hồ kỵ khí và hồ xử lý bổ sung

Xử lý nước thải bằng hồ sinh học là một biện pháp rất phổ biến vì các nhà máy và các cơ sở sản xuất tinh bột mì thường nằm ở khu vực ngoại thành, thôn quê có diện tích mặt bằng rộng lớn

1.6.5.1 Hồ hiếu khí

Có diện tích rộng, chiều sâu cạn Chất hữu cơ trong nước thải được xử lý chủ yếu nhờ sự cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn sống ở dạng lơ lửng Oxy cung cấp cho vi

khuẩn nhờ sự khuyếch tán từ không khí qua bề mặt và quá trình quang hợp của tảo Chất dinh dưỡngvà CO2 sinh ra trong quá trình phân hủy chất hữu cơ được tảo sử dụng Hồ hiếu khí có 2 dạng: (1) có mục đích tối ưu sản lượng tảo, hồ này có chiều sâu cạn 0,15 – 0,45 m; (2) tối ưu lượng oxy cung cấp cho vi khuẩn, chiều sâu của hồ này khoảng 1,5 m Để đạt hiệu quả tốt hơn có thể cung cấp oxy bằng cách thổi khí nhân tạo vào hồ Tải của hồ này khoảng 250 – 300 kg/ha.ngày Thời gian lưu nước trong hồ tương đối dài, hiệu quả làm sạch tối đa khoảng 80 – 90% BOD, màu nước thải đầu ra có thể chuyển dần sang màu xanh của tảo

1.6.5.2 Hồ tùy tiện

Trong hồ tùy tiện tồn tại 3 khu vực: (1) khu vực bề mặt, nơi đó chủ yếu vi khuẩn và tảo sống cộng sinh; (2) khu vực đáy, là khu vực tích lũy cặn lắng và cặn này bị phân hủy nhờ vào vi khuẩn kỵ khí; (3) khu vực trung gian, ở khu vực này chất hữu

cơ trong nước thải chịu sự phân hủy của vi khuẩn tùy tiện Trong hồ thường hình thành 2 tầng cách nhiệt, tầng nước ở phía trên có nhiệt độ cao hơn tầng dưới Tầng trên có tảo phát triển, tiêu thụ CO2 và làm cho pH của nước thải chuyển sang kiềm Tảo phát triển mạnh thành lớp dày rồi chết làm cho nước thiếu oxy hòa tan gây ảnh hưởng đến vi sinh vật hiếu khí, còn các vi sinh vật tùy nghi và kỵ khí hoạt động mạnh Có thể sử dụng máy khuấy để tạo diều kiện hiếu khí trên bề mặt khi vận hành với tải trọng cao Tải trọng thích hợp dao động trong khoảng 70 – 140 kg BOD5/ha.ngày

1.6.5.3 Hồ kỵ khí

Thường được áp dụng cho xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao và cặn lơ lửng lớn, đồng thời có thể kết hợp để phân hủy bùn lắng Hồ không cần vai trò quang hợp của tảo, các hồ này có chiều sâu lớn (có thể lên đến 9 m) Tải trọng thiết

kế xử lý tối đa khoảng 220 – 560 kg BOD5/ha.ngày Khả năng xử lý chất hữu cơ của hồ thường phụ thuộc vào thời tiết (mùa hè: 65 – 80%, mùa đông: 45 – 65%) Cấu tạo của hồ thường có 2 ngăn, ngăn làm việc và ngăn dự trữ khi vét bùn cặn

1.6.5.4 Hồ xử lý bổ sung

Có thể áp dụng sau quá trình xử lý sinh học (aeroten, bể sinh học hoặc sau hồ sinh học hiếu khí, tùy tiện, …) để đạt lượng nước ra cao hơn, đồng thời thực hiện các quá trình nitrate hóa Do thiếu chất dinh dưỡng, vi sinh còn lại trong hồ này sống ở giai đoạn hô hấp nội bào và ammonia chuyển hóa sinh học thành nitrate Thời gian lưu nước trong hồ này khoảng 18 – 20 ngày Tải trọng thích hợp 67- 200 kg BDO5/ha.ngày

Bể trung

2 MỘT SỐ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG VIỆT NAM

Song chắn rác

Nước thải trích ly, lọc

Nước thải rửa

Bể điều hòa

Hình 3.1 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở NM Hoàng Minh

Sân phơi bùn

Nước thải

Song chắn rác

Bể lắng cặn sơ bộ

Bể trung hòa

Bể kỵ khí 1

Bể kỵ khí 2

Bể kỵ khí 3

Bể kỵ khí 4

Bể tùy tiện 1

Bể tùy tiện 2

Nước đã xử lý

Hình 3.2 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở Tân Châu

Nước đã xử lý

Hình 3.3 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì ở NM Phước Long

1 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Phương án xử lý nước thải được xác định dựa trên thành phần và tính chất nước thải tinh bột mì

Sau đây là kết quả phân tích nước thải tinh bột mì tại Thủ Đức:

Hàm lượng CN- trong nước thải tinh bột mì trung bình khoảng 5 – 25mg/l nhưng trong một số trường hợp đặc biệt hàm lượng CN- có thể lên đến 75mg/l

2 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

Do nước thải có thành phần các chất như trên nên công nghệ xử lý phải bảo đảm khử được CN- và chất hữu cơ

2.1 Khử CN-

Trên thế giới một số công trình nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì đã áp

dụng kết hợp quá trình xử lý kỵ khí hai giai đoạn (theo nghiên cứu của F.M da

Silva, C.R.G Tavares 1998) trong đó giai đoạn acid hóa sử dụng mô hình bùn kỵ khí

có khuấy trộn liên tục kết hợp với mô hình UASB, lọc sinh học với thời gian lưu nước khoảng 4 ngày cho hiệu quả xử lý COD đạt khoảng 85% và đáng quan tâm hơn cả là giai đoạn acid hóa không chỉ chuyển hóa các protein, glucose,… thành acid mà còn có tác dụng khử CN- Cơ chế khử CN- trong điều kiện kỵ khí được trình bày như sau:

Trong thành phần nước thải, CN- tồn tại dưới dạng linamarin Dưới tác dụng của enzym trong môi trường acid linamarin bị phân hủy thành glucose, aceton và acid cyanhydric theo phản ứng: