Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xử lý khí thải gây mùi hôi bằng phương pháp sinh học

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu xử lý khí thải gây mùi hôi bằng phương pháp sinh học NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài tiến hành khảo sát khả năng xử lý dòng khí có mùi hôi từ mô hình chứa rác thải bằ

GIỚI THIỆU

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế và xã hội, vấn đề ô nhiễm không khí đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng và khó khắc phục hơn Nguyên nhân của tình trạng này chủ yếu là do hoạt động của con người gây ra bên cạnh một số hoạt động tự nhiên khác có tác động tiêu cực tới môi trường Ô nhiễm không khí không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các đô thị phát triển và các khu công nghiệp mà đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội Ô nhiễm không khí được xem là một trong những tác nhân hàng đầu có nguy cơ tác động nghiêm trọng đối với sức khỏe con người Và một trong số chất gây ô nhiễm không khí đó chính là các khí gây mùi khó chịu phát sinh trong quá trình sinh hoạt và sản xuất của con người

Các hợp chất gây mùi thường là các khí ít khi gây độc hại cho con người do thường có nồng độ thấp nhưng lại rất dễ gây khó chịu cho con người khi phải hít thở những mùi hôi thối

Do những đặc trưng này mà việc nghiên cứu xử lý các khí gây mùi nói chung ở Việt Nam còn rất hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu xử lý khí gây mùi bằng các phương pháp và công nghệ mới đem lại hiệu quả cao và thân thiện với môi trường đang rất cần thiết Và với sự phát triển của công nghệ sinh học trong việc xử lý các chất thải gây ô nhiễm môi trường đã và đang trở thành xu hướng tích cực được hướng đến bởi vì nó thân thiện với môi trường và không sinh ra các phụ phẩm gây độc hại Do đó, nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử các khí gây mùi có nguồn gốc từ rác thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học và lọc sinh học nhỏ giọt với vật liệu đệm là phân bò, phân compost và giá thể di động K3.

MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu xử lý các khí gây mùi có nguồn gốc từ rác thải sinh hoạt (H2S và NH3) bằng phương pháp sinh học trên hai mô hình lọc sinh học và một mô hình lọc sinh học nhỏ giọt sử dụng chủng loại vi sinh thu thập từ các giá thể khác nhau

Nghiên cứu này bao gồm các nội dung như sau:

 Khảo sát quá trình xừ lý khí thải gây mùi qua các hệ thống lọc sinh học và lọc sinh học nhỏ giọt,

 Khảo sát quá trình chuyển hóa amonia thành nitrite và nitrate và cân bằng nitơ trong mô hình lọc sinh học nhỏ giọt,

 Khảo sát quá trình chuyển hóa hydro sulfide thành sulfur dioxide và ion sulfate

PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Các đối tượng chính của nghiên cứu:

 Hai loại khí thải có chứa các hợp chất gây mùi có nguồn gốc từ rác thải sinh hoạt, bao gồmNH3 và H2S

 Giá thể vi sinh: giá thể di động K3, giá thể phân compost và giá thể phân bò

Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô thí nghiệm trên mô hình pilot Thí nghiệm gồm có 3 mô hình dạng tháp Khí đầu vào và đầu ra được lấy mẫu để phân tích nồng độ và khảo sát khả năng xử lý theo thời gian và các yếu tố ảnh hưởng.

NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Thí nghiệm được thực hiện tại phòng 708 tòa nhà H2, PhòngThí Nghiệm Phân Tích Môi Trường - Khoa Môi Trường và Tài Nguyên - Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM (cơ sở 2), Phường Đông Hòa – Thị xã Dĩ An – Tỉnh Bình Dương

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ MÙI HÔI

Ô nhiễm mùi được đặc biệt quan tâm do đặc tính của mùi hôi có ảnh hưởng đến sức khỏe con người và khả năng phát tán trên diện rộng của nó Các ảnh hưởng cấp tính đến sức khỏe do ô nhiễm mùi như cay mắt, nhức đầu, dị ứng da, vấn đề về giấc ngủ và nghỉ ngơi đã được báo cáo Mặt khác, ô nhiễm mùi có thể phát tán trên diện rộng ở mức độ địa phương hoặc khu vực [1] Ô nhiễm mùi có thể do một hợp chất bay hơi riêng lẻ hay, chiếm phần lớn, là một hỗn hợp của nhiều hợp chất Mặc dù chất ô nhiễm mùi thông thường có nồng độ rất thấp, nhưng mũi người rất nhạy cảm Ngưỡng mùi đối với chất thải thông thường mà mũi người có thể xác định được là 0,00001 ppm, và con người có khả năng phân biệt đến hơn 5 triệu mùi khác nhau Mặt khác, các tiêu chuẩn và hướng dẫn để đánh giá ô nhiễm mùi hiện nay còn thiếu và chưa thống nhất Do vậy, việc xác định nguồn gốc phát sinh mùi và đo đạc đánh giá nồng độ mùi là rất khó khăn

Mùi có thể phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất khác nhau, phụ thuộc vào quy mô phát triển, công nghệ sản xuất và đặc tính nguồn thải với các thông số như thành phần mùi, nồng độ mùi, nhiệt độ, lượng khí thải… có thể thay đổi trong phạm vi rộng Trong sản xuất công nghiệp, mùi có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau bao gồm:

- Mùi từ nguyên liệu sản xuất của các ngành chế biến thủy hải sản, cao su, bột tôm, hóa chất… có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo Các nguyên liệu bản thân đã có mùi đặc trưng hoặc phát sinh mùi do sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong quá trình vận chuyển, lưu trữ

- Mùi từ quá trình sản xuất công nghiệp Trong quá trình sản xuất, mùi hóa chất, phụ phẩm hoặc mùi hữu cơ phát sinh trong công đoạn sấy, chưng cất

- Mùi sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải do bay hơi và lên men sinh học tại khu vực các bể: thu gom, điều hòa, tách dầu mỡ, lắng, xử lý kỵ khí, xử lý hiếu khí và xử lý bùn

Thành phần khí ô nhiễm gây mùi thường chứa nhóm các chất gây mùi có khả năng dễ định lượng dưới dạng vô cơ như ammoniac, hydrosulfua… hay nhóm các chất hữu cơ như thuốc bảo vệ thực vật, dung môi hữu cơ (metan, butan, benzen, xylen, xiclohexanon, toluen ) hoặc nhóm các chất rất khó định lượng, bay hơi ở điều kiện nhiệt độ thường như VOCs (gồm nhiều chất hữu cơ bay hơi mà điển hình là nhóm các chất thuộc ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm (mùi gia vị), mỹ phẩm…

4 Cho đến hiện nay, công nghệ xử lý mùi vẫn còn là vấn đề tồn tại ở nước ta Việc lựa chọn quy trình công nghệ xử lý mùi phải đáp ứng được yêu cầu về tính năng kỹ thuật và chi phí xử lý Do vậy, việc nghiên cứu áp dụng một quy trình xử lý thân thiện với môi trường và có hiệu quả cao về mặt kinh tế và kỹ thuật là cần thiết.

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM MÙI

Ô nhiễm mùi có thể kiểm soát bằng các phương pháp như sản xuất sạch hơn, pha loãng khí thải, ngưng tụ, oxi hoá các chất có mùi bằng các chất ôxi hoá mạnh, sử dụng các loại chất hấp phụ, hấp thụ hoặc thiêu huỷ các hợp chất có mùi Một số công nghệ khống chế ô nhiễm mùi cũng đã được áp dụng tại Việt Nam

Biện pháp sản xuất sạch hơn đã được áp dụng nhằm hạn chế sự ô nhiễm mùi Biện pháp này đã được sử dụng thực tế tại một vài cơ sở sản xuất công nghiệp ở TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Hải Phòng, Việt Trì, Đồng Nai… thông qua thực hiện các dự án sản xuất sạch hơn được các tổ chức quốc tế tài trợ Hiện nay, tại trung tâm Công nghệ Môi trường (ENTEC) đã phối hợp với Sở khoa học công nghệ và Môi trường ở tỉnh Bình Phước đã nghiên cứu áp dụng những giải pháp sản xuất sạch hơn nhằm hạn chế sự ô nhiễm do mùi hôi tại một cơ sở sản xuất mủ cao su và một cơ sở chế biến tinh bột khoai mì

Khí thải được pha loãng nồng độ để giảm mùi Biện pháp pha loãng khí thải bằng phương pháp nâng cao chiều ống khói thải, tăng tốc độ thải khí hoặc tăng sự nâng bổng cột khói hoặc dùng cách thông gió nhà xưởng nhằm hạn chế sự tạo thành chất ô nhiễm mùi hôi đã và đang được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam

Các loại chất phụ gia được sử dụng để kiểm soát quá trình sinh ra mùi Ở Việt Nam có một số cơ sở chăn nuôi sử dụng chất phụ gia (chất kháng mùi) vào thức ăn gia súc, gia cầm để hạn chế sự phát sinh mùi của chúng Hợp chất EM cũng đã được sử dụng để xử lý mùi hôi từ bãi rác hoặc ở trại chăn nuôi

Phương án giảm sự khó chịu về một loại mùi bằng cách sử dụng một loại mùi khác dễ chịu hơn (hay sử dụng chất che mùi) thường được sử dụng rất nhiều trong sinh hoạt (ví dụ: Sử dụng nước hoa để che mùi hôi sinh ra từ cơ thể, sử dụng sáp thơm ở nhà vệ sinh có mùi hôi…) Tuy nhiên, phương pháp che mùi vẫn ít được sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất công nghiệp tại Việt Nam Cũng cần phải hiểu rõ rằng việc lựa chọn mùi thơm thích hợp để che mùi hôi là một biện pháp khoa học phức tạp Nếu lựa chọn chất che mùi sai thì mức độ ô nhiễm của mùi sẽ càng nghiêm trọng thêm

Thiêu huỷ bằng nhiệt độ cao cũng được sử dụng để phân hủy các chất gây ô nhiễm mùi Phương pháp này đã và đang được áp dụng tại một số cơ sở dịch vụ và sản xuất tại Việt Nam Ở Nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu (KOSVIDA) ở Bình Dương, khí thải có mùi hôi được đưa vào buồng đốt của lò hơi để phân huỷ (co-incineration) Tại một số các cơ sở chế biến hạt

5 điều, khí thải từ các chảo dầu cũng được đưa vào buồng đốt nhằm phân huỷ và giảm thiểu mùi hôi Các lò đốt rác y tế của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ môi trường cùng Trung tâm Công nghệ môi trường (ENTEC) thiết kế và chế tạo đã sử dụng thêm buồng đốt thứ cấp nhằm thiêu huỷ các chất gây mùi hôi

Hấp phụ các chất gây mùi cũng được ứng dụng tại một số nơi ở Việt Nam Hệ thống xử lý khí thải có mùi hôi tại xí nghiệp chế biến bột cá Kiên Giang là do Viện Kỹ thuật nhiệt đới và Bảo vệ môi trường thiết kế và chế tạo đã sử dụng phân rác làm chất hấp phụ Trong hệ thống xử lý khí thải ô nhiễm mùi hôi tại Xí nghiệp chế biến bột cá Phú Yên do Viện Môi trường và Tài nguyên thiết kế và chế tạo đã sử dụng than hoạt tính như một chất hấp phụ

Các hợp chất gây mùi cũng có thể hấp thụ được bằng những dung dịch hoá chất có khả năng ôxi hoá mạnh và trải qua 3 giai đoạn: (1) hấp thụ bằng dung dịch kiềm (tách các chất axít có mùi ví dụ H2S), (2) hấp thụ bằng dung dịch axít (tách các chất kiềm có mùi ví dụ

NH3), và ôxi hoá bằng dung dịch hypoclorit natri (để phân huỷ các hợp chất gây mùi) Công nghệ này hiện tại cũng đã được áp dụng tại một số nhà máy xử lý nước thải của Việt Nam theo công nghệ nước ngoài (như ở nhà máy xử lý nước thải Thủ Dầu Một)

Phương pháp oxi hoá cũng được sử dụng để xử lý các hợp chất gây mùi Hiện nay tại một số Nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu người ta đã sử dụng H2O2 để hạn chế quá trình bốc mùi hôi từ nước thải Và trong khoảng thời gian gần đây, Trung tâm Công nghệ Môi trường (ENTEC) đã cùng với Công ty DX nghiên cứu và triển khai công nghệ xử lý mùi hôi bằng ôzôn cho hàng loạt các cơ sở sản xuất (thuốc trừ sâu, nấu xương và mỡ bò, pha chế dược liệu, thuốc lá) Phương pháp này hiện tại rất có triển vọng áp dụng rộng trong thực tế

Phương pháp làm lạnh cũng được dùng để khống chế ô nhiễm mùi hôi bằng cách ngưng tụ chất gây mùi, hạn chế sự bay hơi của chúng, đồng thời hạn chế phân huỷ Thực tế hiện nay,

Tp Hồ Chí Minh đang xây dựng các buồng làm lạnh để chứa tạm rác thải y tế trong thời gian chờ chuyên chở chúng đến lò đốt tập trung Và tại một số cơ sở sản xuất sơn, keo, hoá chất hữu cơ hoặc tinh dầu cũng đã áp dụng công nghệ làm lạnh này để thu hồi dung môi hữu cơ cũng như việc kết hợp giảm phát thải các chất hữu cơ gây mùi vào môi trường.

TỔNG QUAN VỀ H 2 S

Có hai nguồn phát sinh khí H2S Trong đó, nguồn gốc tự nhiên của H2S là từ một số nước suối, trong khí núi lửa, khí thoát ra từ các chất protein bị thối rữa và sinh ra từ bùn ao, đầm thiếu oxy Nguồn gốc công nghiệp của H2S là từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn các nguyên liệu (than, đá…) chứa nhiều lưu huỳnh H2S cũng là chất ô nhiễm thứ cấp từ quá trình xử lý nước thải (nhà máy nước thải tập trung, nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu…) [2]

H2S là một chất khí rất độc, không màu, có mùi thối khó chịu (mùi trứng thối), nặng hơn không khí (d = 34/29 = 1,17) Cấu trúc phân tử của H2S tương tự cấu trúc phân tử của nước,

H2S bị phân cực, khả năng tạo thành liên kết hydro của H2S yếu hơn nước H2S ít tan trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ

Hình 2.1 Cấu trúc phân tử khí H 2 S

H2S có tính axit yếu, khi tan trong nước tạo thành dung dịch axit yếu gọi là axit sunfuhidric (H2S) Tính axit của H2S yếu hơn cả axit cacbonic H2CO3, và khi tác dụng với dung dịch kiềm tạo hai muối

1 < T < 2: Hỗn hợp muối axit (NaHS) và trung hòa (Na2S)

H2S có tính khử mạnh do S 2- có thể tăng số oxy hóa lên các mức S 0 , S +4 , S +6 Trục biểu diễn số oxy hóa của S trong các hợp chất được biểu diễn như hình sau:

Hình 2.2 Trục biểu diễn số oxy hóa của lưu huỳnh

Số oxy hóa của lưu huỳnh trong H2S là thấp nhất so với hợp chất khác của lưu huỳnh Do vậy trong tất cả phản ứng oxy hóa-khử, số oxy hóa này chỉ có thể tăng lên các mức oxy hóa dương cao hơn nên H2S có tính khử mạnh,

Dung dịch axit sunfuhiđric tiếp xúc với không khí, nó dần trở nên vẩn đục màu vàng, do oxy của không khí đã oxy hóa H2S thành lưu huỳnh:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S (2.4) Ở nhiệt độ cao, khí H2S cháy trong không khí với ngọn lửa màu xanh nhạt, H2S bị oxy hóa thành lưu huỳnh:

Nếu không cung cấp đủ không khí ở nhiệt độ không cao thì H2S bị oxy thành lưu huỳnh:

Clo có thể oxy hóa H2S thành H2SO4:

2.3.3 Tác hại Đối với con người (Bảng 2.1), khí H2S có mùi trứng thối gây khó chịu Khi hít phải có thể ngạt thở, ở nồng độ cao làm thở gấp và ngừng thở dẫn đến tử vong do chúng có khả năng cạnh tranh oxy rất mạnh H2S cũng có khả năng gây viêm màng kết Sunfua được tạo thành xâm nhập hệ tuần hoàn tác động đến các vùng cảm giác mạch, vùng sinh phản xạ của các thần kinh động mạch cảnh [1]

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của H 2 S theo nồng độ (ppm) đến sức khỏe con người

Nồng độ (ppm) Biểu hiện

10 Có thể nhận biết được bởi mùi trứng thối Ảnh hưởng tối thiểu trong 8 giờ

8 Đối với môi trường, H2S làm tổn thương lá cây, làm rụng lá, giảm khả năng sinh trưởng

H2S là một khí gây độc, có mùi đặc trưng của lưu huỳnh được tạo thành trong điều kiện kỵ khí gây ảnh hưởng hô hấp (gây ngạt) và quá trình phát triển của thủy sản, phát sinh mầm bệnh và lây lan nhan Trong môi trường nóng ẩm, H2S có thể bị oxy hóa rồi kết hợp với nước thành axit sunfuric gây tác hại như SO2.

TỔNG QUAN VỀ NH 3

NH3 được thải ra rất nhiều từ các hoạt động nông nghiệp, chăn nuôi gia súc Trong công nghiệp, NH3 thường được sử dụng làm tác nhân khử NOx bởi các quá trình khử xúc tác chọn lọc, theo phản ứng sau: NH3 + NO + ẳO2 → N2 + H2O Phản ứng này chỉ hiệu quả khi sử dụng dư amoniac, vì vậy tạo ra nguy cơ rò rỉ NH3 rất lớn Ngoài ra NH3 còn bị rò rỉ từ nhiều nguồn sản xuất công nghiệp như soda, acid nitric, công nghiệp luyện kim… [31]

2.4.2 Tính chất Ở điều kiện tiêu chuẩn, NH3 là một chất khí độc, có mùi khai, tan nhiều trong nước (ở điều kiện thường 1 lít nước hòa tan được 800 lít amoniac) do hình thành liên kết hiđro với phân tử nước NH3 có độ phân cực lớn do phân tử NH3 có cặp electron tự do và liên kết N–H bị phân cực Do đó NH3 là chất dễ hoá lỏng NH3 là dung môi hoà tan tốt: NH3 hoà tan các dung môi hữu cơ dễ hơn nước do có hằng số điện môi nhỏ hơn nước Kim loại kiềm và các kim loại Ca,

Sr, Ba có thể hòa tan trong NH3 lỏng tạo dung dịch xanh thẫm

NH3 có tính bazo yếu Khi tan trong nước, một phần nhỏ các phân tử amoniac kết hợp với ion H + của nước, tạo thành ion amoniac (NH 4 + ) và ion hiđroxit (OH − ):

70 – 150 Mất khứu giác sau 3 – 15 phút, kích thích mắt, cổ họng và phổi

Mất khứu giác, đau đầu, khó thở, ho, đau mắt, cổ họng, phổi Cần đưa ngay tới nơi có không khí trong lành

400 – 700 Ho, suy sụp, bất tỉnh, có thể tử vong

700 – 1000 Nguy hiểm đến tính mạng

Trên 1000 Bất tỉnh ngay lập tức, tử vong trong vài phút

9 Ion OH − làm cho dung dịch có tính bazơ, tuy nhiên so với dung dịch kềm mạnh (ví dụ NaOH) cùng nồng độ, thì nồng độ ion OH − do NH3 tạo thành nhỏ hơn nhiều Trong dung dịch, amoniac là một bazơ yếu: ở 25 , hằng số phân li bazơ Kb = 1.8× 10 −5 Dung dịch amoniac làm cho phenolphtalein từ không màu chuyển sang màu hồng, quỳ tím chuyển sang màu xanh

Khi xâm nhập vào người (Bảng 2.2), NH3 tác dụng với nước trong cơ thể tạo thành amoni hydroxit Hóa chất này có tính ăn mòn và làm tổn thương tế bào Các mô tổn thương lại bị thoát dịch sẽ làm biến đổi amoniac thành amoni hydroxit tiếp tục gây phỏng da, mắt, đường hô hấp, tiêu hóa Chất này còn phá hủy các nhung mao và niêm mạc đường hô hấp là những cơ quan bảo vệ cơ thể chống lại sự nhiễm trùng Các tổn thương ở đường hô hấp có thể dẫn tới bệnh phổi mạn tính Con người nếu tiếp xúc với nồng độ cao amoniac trong không khí sẽ gây bỏng niêm mạc mũi, cổ họng và đường hô hấp Điều này có thể phá hủy đường thở dẫn đến suy hô hấp Nếu con người hít nồng độ thấp hơn có thể gây ho và kích ứng mũi họng, kích ứng mắt gây chảy nước mắt Nếu tiếp xúc với amoniac đậm đặc, da, mắt, họng, phổi có thể bị bỏng rất nặng Những vết bỏng có thể gây mù vĩnh viễn, bệnh phổi, hoặc tử vong Vô tình ăn hoặc uống amoniac đậm đặc có thể bỏng ở miệng, cổ họng và dạ dày, đau dạ dày nghiêm trọng, nôn Tuy nhiên, không có bằng chứng cho thấy amoniac gây ung thư Không có bằng chứng cho thấy việc tiếp xúc với nồng độ amoniac tìm thấy trong môi trường gây ra dị tật bẩm sinh hoặc các hiệu ứng phát triển khác [32]

Bảng 2.2 Tác hại của khí NH 3 đến con người

Nồng độ/Thời gian Tác hại

5.000 - 10.000 ppm Viêm phế quản hóa chất, tích tụ chất dịch trong phổi, bỏng hóa chất của da và có khả năng gây tử vong nhanh chóng

700 - 1700 ppm Ho, co thắt phế quản, đau ngực cùng với kích ứng mắt nghiêm trọng và chảy nước mắt

Kích ứng đường hô hấp, chảy nước mắt

134 ppm trong 5 Kích ứng mắt, kích ứng mũi, ngứa họng, rát ngực

140 ppm trong 2 giờ Kích ứng nặng, cần phải rời khỏi khu vực tiếp xúc

100 ppm trong 2 giờ Khó chịu ở mắt và kích thích họng

Thay đổi ở mắt và kích thích họng

Biểu hiện khi ngộ độc ammoniac: ngộ độc xảy ra nếu hít, nuốt hoặc chạm vào các sản phẩm có chứa một lượng rất lớn các amoniac, các triệu chứng diễn ra như sau (Bảng 2.3)

- Hô hấp: ho, đau ngực (nặng), đau thắt ngực, khó thở, thở nhanh, thở khò khè

- Mắt, miệng, họng: chảy nước mắt và đốt mắt, mù mắt, đau họng nặng, đau miệng, môi sức

- Tim mạch: nhanh, mạch yếu, sốc

- Thần kinh: lẫn lộn, đi lại khó khăn, chóng mặt, thiếu sự phối hợp, bồn chồn, ngẩn ngơ

- Da: môi xanh lợt màu, bỏng nặng nếu tiếp xúc lâu

- Dạ dày và đường tiêu hóa: đau dạ dày nghiệm trọng, nôn [32]

Bảng 2.3 Tác hại khi tiếp xúc với ammoniac trong 1 vài phút

Các triệu chứng Hậu quả Ít hơn 5000 Đau nhói ở mắt, miệng, đau khi nuốt, khàn giọng, ho

Sưng đỏ niêm mạc mắt, môi, miệng, phù nề họng

Phục hồi mà không có biến chứng ở phổi

Các triệu chứng trên trầm trọng hơn Đau thắt ngực, khó nuốt, ho có đờm lẫn máu, tăng nhịp tim và hô hấp, sưng mí mắt, rát màng nhầy

Tử vong do tắc nghẽn đường hô hấp

Tương tự như các triệu chứng trên Tử vong

11 Sốc, bồn chồn, căng thẳng, tím tái, khó thở

Ammoniac cũng là gây ảnh hưởng nhiều đến môi trường như gây acid hóa đất nông nghiệp từ ô nhiễm NH3 và gây ăn mòn nhanh chóng các thiết bị công nghiệp.

CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Xử lý khí thải bằng phương pháp sinh học hiện nay là một phương pháp mới mang lại nhiều hiệu quả Các phương pháp sinh học bao gồm lọc sinh học, tháp rửa sinh học, màng sinh học, lọc sinh học nhỏ giọt đã được áp dụng với quy mô rộng rãi cho việc xử lý khí thải ô nhiễm Với cơ chế sử dụng vi sinh vật phân hủy các chất hữu có trong thành phần khí thải thành CO2 và H2O, phương pháp này tiết kiệm được chi phí, tận dụng nguồn nguyên liệu có sẵn để xử lý khí thải, dễ dàng vận chuyển và sử dụng hơn là các phương pháp khác [36] Ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý khí thải đã được bắt đầu từ những năm 1923 dùng cho khí thải NH3 Năm 1934, các bằng sáng chế đầu tiên về các phương pháp xử lý khí thải có ứng dụng công nghệ sinh học đã được biết đến Đến đầu những năm 1950 ứng dụng công nghệ sinh học với quy mô lớn bắt đầu Năm 1980 lọc sinh học được áp dụng cho xử lý VOCs, khí độc ở Tây Đức và Hà Lan, sau đó là Mỹ, Mexico, Pháp, Ý Các hệ thống trên đã được áp dụng để xử lý rượu, phenol, keton, dầu khoáng [35]

Lọc sinh học bao gồm sự loại bỏ và oxy hoá những hợp chất khí bị nhiễm bẩn nhờ vi sinh vật Lọc sinh học có thể xử lý những phân tử khí hữu cơ – những hợp chất hữu cơ bay hơi (Volatile Organic Compounds – VOCs) hoặc các hợp chất cacbon hay những hợp chất khí độc vô cơ – NH3 hay H2S [38] Mô hình lọc sinh học được thể hiện trong Hình 2.3 Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân huỷ các chất khí có mùi hôi, các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong không khí Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa các vi sinh vật và hấp thụ hơi nước, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc Trong hệ thống này, các vi sinh vật sẽ tạo thành một màng sinh học, đây là một màng mỏng và ẩm bao quanh các nguyên liệu lọc Nguyên liệu lọc được thiết kế sao cho có khả năng hấp thụ nước lớn nhất, độ bền cao, và ít làm suy giảm áp lực luồng khí đi qua ngang nó Trong quá trình lọc sinh học, các chất khí gây ô nhiễm được làm ẩm và sau đó được đưa vào một buồng phía bên dưới nguyên liệu lọc Khi chất khí đi ngang qua lớp nguyên liệu lọc, các chất ô nhiễm bị hấp thụ và phân huỷ Khí thải sau khi đã lọc sạch được thải vào khí quyển bên trên hệ thống lọc [38]

Hình 2.3 Sơ đồ tháp lọc sinh học xử lý khí thải [38]

Các yếu tố khi chọn vật liệu lọc [39]:

 Vật liệu phải có khả năng giữ ẩm để tạo lớp màng sinh học

 Vật liệu lọc có diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ và phát triển của vi sinh vật

 Tạo lực cản không khí thấp bằng cách giảm mức độ sụt áp và tăng năng lượng cần sử dụng cho máy bơm

 Chọn vật liệu có các tính chất vật lý ổn định

 Vật liệu phải có tỷ diện lớn, tính thấm lớn cũng như phải cung cấp một nguồn dinh dưỡng tốt cho sinh trưởng của vi sinh vật Vật liệu ấy có thể là vật liệu tự nhiên hay tổng hợp Các vật liệu tự nhiên bao gồm: đất, compost, than bùn, mùn cưa Sỏi và đá có thể được dùng nhưng do tỷ số bề mặt/khối lượng là nhỏ nên tốc độ phản ứng theo khối lượng là thấp Các vật liệu tổng hợp bao gồm: các hạt gốm, các hạt polyetylen, các hạt đất khuê tảo

Một số thông số thiết kế mô hình lọc sinh học [39]:

 Diện tích: thông số được quan tâm hàng đầu trong việc thiết kế hệ thống lọc sinh học Để xử lý lưu lượng khí khoảng 50 ft 3 /phút, hệ thống lọc sinh học có thể cần diện tích

25 ft 2 Đối với những lưu lượng lớn hơn chúng ta cần những diện tích lớn hơn

 Thành phần hóa học và nồng độ dòng thải: phân tích thành phần và hàm lượng của các chất khí thải để xác định xem biện pháp lọc sinh học có thích hợp hay không

 Hệ thống sẽ hoạt động tốt khi các hợp chất ô nhiễm có nồng độ thấp (nhỏ hơn 1000ppmC) Một số hợp chất phân hủy sinh học rất chậm (như các hợp chất clo) do đó cần đòi hỏi hệ thống xử lý có kích thước lớn

 Thời gian lưu khí: là khoảng thời gian vi sinh vật tiếp xúc với dòng khí thải, thời gian lưu khí càng lớn thì hiệu suất xử lý càng cao Tuy nhiên trong quá trình thiết kế chúng ta cần phải giảm thiểu thời gian lưu khí để hệ thống có thể hoạt động với lưu lượng lớn hơn Thông thường thời gian lưu khí các hệ thống lọc sinh học nằm trong khoảng từ 30 giây đến 1 phút Công thức tính thời gian lưu khí như sau:

Trong đó: A – tổng thể tích các lỗ rỗng của lớp vật liệu lọc

 Độ ẩm: độ ẩm của dòng khí thải rất quan trọng vì cung cấp ẩm các màng sinh học hoạt động Do đó, luồng khí thải thường được dẫn qua một hệ thống làm ẩm trước khi bơm vào hệ thống lọc sinh học để đảm bảo ẩm độ của luồng khí thải đi vào hệ thống lọc sinh học phải lớn hơn 95% Khả năng gây trở lực cho nguồn khí phụ thuộc vào độ ẩm, độ rỗng của lớp nguyên liệu lọc Độ ẩm tăng, độ rỗng lớp nguyên liệu giảm là nguyên nhân gây ra trở lực cho nguồn khí Đối với hệ thống điển hình mức độ giảm áp nằm trong khoảng 1-10hPa

 Nhiệt độ: được kiểm soát để điều khiển các phản ứng sinh hóa Nói chung, nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng cho tới khi đạt mức tối đa ở nhiệt độ tối ưu mà quá giới hạn thì tốc độ phản ứng giảm Mỗi vi sinh vật có một khoảng nhiệt độ sinh trưởng tối ưu Đa số vi sinh vật trong các hệ thống lọc sinh học thuộc nhóm ưa ẩm, vi sinh vật có thể sinh trưởng trong phạm vi từ 15 – 45 o C và có khoảng nhiệt tối ưu từ 25 – 35 o C

 Lượng oxy cung cấp: phần lớn các quá trình phân hủy là hiếu khí, nên lượng oxy cung cấp là vô cùng quan trọng trong một quá trình lọc sinh học Trên thực tế, oxy không được sử dụng trực tiếp ở dạng khí, nhưng vi sinh vật sử dụng oxy có mặt ở dạng hòa tan trong màng sinh học

 pH: đối với các hợp chất hữu cơ bay hơi thì việc xử lý nên được duy trì trong điểu kiện môi trường có pH ở mức 7 – 8,5 Khi chuyển hóa sinh học các hợp chất này thì sinh ra các sản phẩm phụ có tính axit, dẫn đến sự giảm tương ứng với pH môi trường lọc Tuy nhiên, các vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh thích ứng tốt với các điều kiện axit Biện pháp chủ yếu để giảm mức độ axit của môi trường lọc là đưa vôi vào tầng lọc nhằm trung hòa các ion H + trong dung dịch bẳng các ion OH − Ngoài biện pháp bón

14 vôi thì rửa tầng lọc định kỳ bằng nước cất hoặc dung dịch natri cacbonat cũng có tác dụng tốt trong việc loại bỏ các ion H + và kéo dài tuổi thọ tầng lọc

 Tổn thất áp lực: lực cản không khí đi ngang qua lớp vật liệu lọc nên được hạn chế tối đa Nếu trở lực lớn dẫn đến tốn thêm năng lượng cho máy thổi và cuối cùng hậu quả làm tăng giá thành xử lý

 Bảo trì: khi bắt đầu đưa vào hoạt động, hệ thống cần được bảo trì 1lần/tuần Sau khi hệ thống đã hoạt động ổn định và đã giải quyết tất cả các vấn đề xảy ra Tần số bảo trì có thể giảm xuống 1 lần/nửa tháng hoặc hàng tháng Ưu điểm của lọc sinh học:

 Giá thành và giá vận hành thấp, ít sử dụng hoá chất

 Thiết kế linh động, do đó có thể thích nghi với mọi loại hình công nghiệp và diện tích của xí nghiệp

 Hệ thống lọc sinh học linh động trong việc xử lý mùi hôi, các hợp chất hữu cơ bay hơi và các chất độc Hiệu suất thường lớn hơn 90% đối với các khí thải có nồng độ ô nhiễm < 1000ppm

 Nhiều loại nguyên liệu lọc, vi sinh vật và điều kiện vận hành khác nhau có thể áp dụng để đáp ứng nhu cầu xử lý

Nhược điểm của lọc sinh học:

 Hệ thống lọc sinh học không thể xử lý được các chất ô nhiễm có khả năng hấp phụ thấp và tốc độ phân huỷ sinh học chậm

 Các nguồn ô nhiễm có nồng độ hoá chất cao cần các hệ thống xử lý lớn và diện tích để lắp đặt hệ thống sinh học

 Nguồn gây ô nhiễm có mức độ phóng thích chất ô nhiễm biến động cao sẽ gây ảnh hưởng đến vi sinh vật cũng như hiệu suất xử lý chúng

TÌNH HÌNH XỬ LÝ CÁC CHẤT GÂY MÙI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

 Ngoài nước Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí, các phương pháp xử lý bằng sinh học đã được sử dụng trên thế giới từ năm 1920 và xuất hiện ở Hoa Kì lần đầu tiên trong những năm 1950 Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn chưa đủ phổ biến để thay thế hoàn toàn các phương pháp truyền thống khác Hiện nay đã có một vài nơi trên thế giới áp dụng các công nghệ mới để xử lý H2S có nguồn gốc và nồng độ khác nhau [10]

Công trình xử lý khí H2S có nồng độ cao bằng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt được thực hiện tại tỉnh Chiết Giang (Trung Quốc) Trong công nghệ này vật liệu đệm được sử dụng là bọt xốp polyurethane (PU) Các thí nghiệm được thực hiện ở các thời gian lưu (EBRTs) khác nhau, tải đầu vào H2S, tỷ số lưu lượng lỏng/khí và nồng độ sulfat trong nước tuần hoàn để kiểm tra tác động của chúng đối với hiệu suất của BTF Hoạt động của hệ thống này được theo dõi liên tục trong 56 ngày Sau khi khởi động trong 8 ngày, hiệu quả xử lý H2S vẫn ở mức từ 90% đến 100% với nồng độ đầu vào dao động từ 238 đến 590 mg/m 3 Hiệu quả xử lý

H2S luôn lớn hơn 90%, ngay cả ở EBRT ngắn khoảng 9 giây và tải lượng H2S đầu vào cao hơn 187 g/m 3 h 1 Kết quả cũng chỉ ra rằng việc loại bỏ H2S diễn ra chủ yếu ở phần đầu của cột

18 giá thể Hiệu suất của BTF có thể được duy trì ở mức cao và ổn định khi L/G dưới 0,005 và nồng độ sulfat xuống đến 28 g/l Kết quả dẫn đến kết luận rằng BTF là sự lựa chọn tối ưu để xử H2S có nồng độ cao [11]

Mô hình lọc sinh học đã được áp dụng để xử lý các thành phần ô nhiễm và tạp chất trong biogas Vào ban ngày, các chủng vi khuẩn phototrophic sử dụng ánh sáng mặt trời làm năng lượng để xử lý hydrogen sulfide Ngược lại các khí biogas được xử lý vào ban đêm bởi các chủng T denitrificans Đối với hệ thống xử lý khí bằng phương pháp sinh học dạng này, cả hydrogen sulfide và siloxane đều được loại bỏ [4]

H2S là một chất gây ô nhiễm không mong muốn và không có phương pháp nào được áp dụng rộng rãi, vì thế quy trình xử lý khí H2S bằng phương pháp sinh học đang là một tiềm năng Một số vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S, đặc biệt là các vi khuẩn của chi Thiobacillus đã cho thấy kết quả khả quan và có thể phát triển Ví dụ như để loại bỏ SO, từ khí lò trong các quá trình nhiều giai đoạn, phương pháp sinh học ít được sử dụng rộng rãi, nhưng một khi đã được nghiên cứu và phát triển, nó có thể cung cấp phương pháp tối ưu để xử lý khí H2S trong một số trường hợp [9]

Một nghiên cứu khác đã được thực hiện bằng cách phân lập chủng Thiobacillus thiqmus CHl l từ nước thải chăn nuôi heo, sau đó cố định với Ca-alginate để sản xuất vật liệu đóng gói dạng viên cho hệ thống lọc sinh học xử lý khí H2S Sau đó đánh giá hiệu quả xử lý cùng với việc khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành như: thời gian lưu giữ, nhiệt độ, và nồng độ khí đầu vào, về hiệu quả và công suất thải Theo đó, với thời gian lưu 28 giây thì H2S ở tải trọng cao được xử lý tối ưu tương ứng với hiệu quả loại H2S lớn hơn 98%, pH trong nghiên cứu này giảm không đáng kể Tốc độ chuyển hóa tối ưu được ghi nhận là 25 g/m 3 h dựa trên mối tương quan tuyến tính giữa tải đầu vào và khả năng xử lý Bài báo kết luận rằng Thiobacillus thioparus CHl 1 được cố định bằng Ca-alginate là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát phát thải hydrogen sulfide [12]

Một nghiên cứu xử lý khí H2S bằng phương pháp sinh học ở Đại học California cho thấy với thời gian tiếp xúc từ 15 – 45 giây, chiều cao vật liệu từ 1 - 1,5 m tương ứng với vận tốc không khí từ 80 đến 360 m/h, nồng độ H2S thấp thì sự khuếch tán H2S trong màng sinh học và độ dày màng sinh học là các yếu tố chính được xem xét trong quá trình vận hành mô hình thì công suất loại bỏ tối đa được biễu diễn là một hàm của vận tốc không khí [13] Ở trường Đại học Cornell, nghiên cứu xử lý khí H2S bằng phân bò đã được thực hiện Trong nghiên cứu này lưu huỳnh được loại bỏ khỏi dòng khí và tích luỹ trong phân bò nhưng không khẳng định rằng việc loại bỏ lưu huỳnh là do các hiện tượng sinh học, hóa học, hay vật

19 lý Thực tế là tỷ lệ loại bỏ đáng kể đã đạt được với điều kiện độ ẩm, nhiệt độ và pH phải được kiểm soát Điều kiện vận hành tối ưu của mô hình là 30 – 40 o C, độ ẩm trên 50% và thời gian lưu 1,6 giây [10]

Nghiên cứu của Cox và Deshusses (2001) ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng hai mô hình lọc sinh học bằng polypropylene, được bổ sung sinh khối từ mô hình lọc phân hủy toluen hoạt động ở pH 7,0 và 4,5 để xử lý H2S và toluene trong một dòng khí thì cho hiệu quả xử lý cao đối với H2S nồng độ đầu vào khoảng 50 ppm Tuy nhiên, hiệu quả xử lý đã giảm xuống còn 70-80% khi nồng độ đầu vào tăng lên 170 ppm sử dụng Thiobacillus trong một mô hình LSHNG Đối với nồng độ H2S đầu vào 30 ppm, hiệu quả xử lý lên đến 98% Methyl mercaptan, sulfonyl carbonyl, và carbon disulfide có hiệu quả loại bỏ lần lượt là 67, 44, và 35% ở các nồng độ đầu vào tương ứng là 67, 193 và 70 ppbv [14]

Sercu và cộng sự (2005) đã nghiên cứu việc loại bỏ H2S hiếu khí bằng mô hình LSH chứa

1 lít polyetylen với Acidithiobacillus thiooxydans ATCC-19377 Nồng độ H2S đầu vào giao động từ 400 - 2000 ppm và lưu lượng khí thay đổi từ 0,03 - 0,12 m 3 /h Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống không bị ảnh hưởng bởi việc thay đổi điều kiện vận hành và đạt hiệu quả loại bỏ tối đa là 100% Trong thí nghiệm, độ pH của dung dịch dinh dưỡng giảm xuống còn 2 – 3, nhưng điều này không ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình [15]

Soreanu và cộng sự (2005) đã phát triển một hệ thống xử lý vi mô trong phòng thí nghiệm để loại bỏ H2S khỏi khí thải sinh học dưới điều kiện hiếu khí Trong thí nghiệm này, quả cầu bằng polypropylene chứa bùn thải hiếu khí được sử dụng làm vật liệu đệm Sodium sulfite được bổ sung trong dung dịch dinh dưỡng như một tác nhân khử Nitrat được sử dụng như chất nhận electron khi không có oxy Hiệu quả loại bỏ lớn hơn 85% đạt được với nồng độ đầu vào H2S là 500 ppm và lưu lượng khí là 0.05 m 3 /h [16]

Tại Việt Nam, Viện Công nghệ sinh học - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam đã lựa chọn được chủng vi khuẩn, đồng thời nhóm tác giả cũng đã triển khai cố định chủng vi sinh vật này lên vật liệu đệm có thể khai thác tại Việt Nam có cấu tạo từ xenlulo/polyurethane Nghiên cứu này đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số quá trình đến hoạt tính sinh học (sinh khối/mật độ tế bào vi sinh vật) và hiệu quả xử lý H2S của hệ thống [17] Trong nghiên cứu này, giống vi sinh vật được pha vào dung dịch khoáng (dung dịch được tạo ra bởi nước và dưỡng chất nuôi vi sinh vật) Dung dịch này được bơm tuần hoàn lên tháp đã lắp đặt vật liệu đệm Vi sinh vật bám lên bề mặt vật liệu đệm và sinh khối Các khoáng chất được bổ sung định kỳ để tạo môi trường sống cho vi sinh vật tạo thành sinh khối Hệ thống điều chỉnh pH tự động được hoạt động để ổn định nồng độ pH trong bể dung dịch tuần hoàn Theo thời gian, mật độ vi

20 sinh vật bám trên vật liệu đệm phủ kín bề mặt vật liệu đệm Lúc này quá trình cấy vi sinh vật lên vật liệu đệm kết thúc và chuyển sang chế độ xử lý khí H2S [17] Trong quá trình này, hệ thống bơm tuần hoàn vẫn hoạt động giống quá trình cấy vi sinh vật lên vật liệu đệm Tuy nhiên trong quá trình này chất lưu huỳnh (S) không được bổ sung vào dung dịch tuần hoàn Thay vào đó lượng lưu huỳnh này được cấp vào bởi chính mẫu khí tạo ra do bộ tạo mẫu Khí nén và H2S chứa trong bình áp suất cao lần lượt qua van điều chỉnh áp suất, van điều chỉnh lưu lượng, đồng hồ đo lưu lượng, bộ lọc bụi, buồng hòa trộn và đi vào tháp lọc [17] Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý H2S hiệu quả cao đến 98,9% nếu khống chế môi trường tốt và chứng minh được ứng dụng lọc sinh học kiểu nhỏ giọt để xử lý H2S là rất hiệu quả, thân thiện với môi trường và hứa hẹn đạt hiệu quả tốt khi áp dụng xử lý H2S trong công nghiệp

2.6.2 Tình hình xử lý NH 3

Martin Ramirez và cộng sự đã tạo một mô hình lọc sinh học nhỏ giọt sử dụng Nitrosomonas europaea cố định trên polyurethane xốp để xử lý khí amoniac Kết quả thí nghiệm cho thấy thông số ảnh hưởng lớn nhất đến chức năng của hệ thống là độ pH (pH tối ưu ở 7.5) và nồng độ nitrit trong môi trường tuần hoàn (tối ưu ở nồng độ < 100 mM) Các thông số này nếu được kiểm soát chặt chẽ sẽ cho phép hiệu quả xử lý NH3 lên đến 100% ứng với tải trọng 270 gNm -3 h -1 và thời gian lưu EBRT là 11 giây Hệ thống này có thể được coi là một giải pháp khả thi để xử lý khí thải có chứa nồng độ amoniac cao và polyurethane xốp đã được chứng minh là một vật liệu mang tốt cho sự phát triển của N europaea trong khi có sức cản dòng khí nhỏ [45]

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

NGUYÊN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

3.1.1 Mẫu khí thải nghiên cứu

Khí thải gây mùi được tạo ra bằng cách ủ các loại rác thải sinh hoạt có nguồn gốc dễ phân hủy sinh học trong bồn kín để tạo được dòng khí thải có lưu lượng và nồng độ ổn định có thể kiểm soát được và được đưa vào mô hình để chạy thử nghiệm

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong thùng chứa rác đã tạo thành một lượng lớn khí sinh vật như carbonic CO2, methane CH4, ammonia NH3, hydrogen sulfide H2S, chất hữu cơ bay hơi, mercaptan… Thông thường, thành phần các khí sinh ra được thể hiện qua Bảng 3.1 Tuy nhiên, chỉ có khí NH3 và H2S được đo trong nghiên cứu này do giới hạn về mặt thiết bị phân tích

Bảng 3.1 Tỷ lệ thành phần các khí chủ yếu sinh ra từ thùng chứa rác

Thành phần % (Thể tích khô)

Mercaptans, hợp chất chứa lưu huỳnh …

Rác thải sinh hoạt được thu gom từ chợ Nông sản Thủ Đức định kỳ mỗi tuần 2 lần đem về trữ trong tủ lạnh và được lấy ra cân và nạp vào bồn chứa phân hủy hằng ngày với liều lượng nhất định để giữ cho dòng khí được ổn định Bình ủ được thiết kế có lỗ thoát nước rỉ rác dưới đáy và có lỗ để lấy không khí sạch cấp vào mô hình để cung cấp khí oxy cho các chủng vi

22 sinh vật hiếu khí sinh sống làm tăng khả năng phân hủy chất thải và sản sinh dòng khí thải ổn định Toàn bộ dòng khí thải sinh ra từ bình ủ được dẫn vào hệ thống thí nghiệm, tại đây dòng khí sẽ được chia làm 3 dòng đều nhau bằng hệ thống chia khí và dẫn vào 3 mô hình Dòng khí thải được khảo sát khả năng xử lý theo 2 thành phần là H2S và NH3

3.1.2 Vi sinh sử dụng trong nghiên cứu

Các hệ vi sinh khác nhau được khảo sát trong nghiên cứu bao gồm:

 Hệ vi sinh lấy từ bể sinh học hiếu khí dùng cho mô hình lọc sinh học nhỏ giọt (LSHNG),

 Hệ vi sinh có sẵn trong phân bò cho mô hình lọc sinh học (LSH) thứ 1,

 Hệ vi sinh có sẵn trong compost cho mô hình LSH thứ 2

Vi sinh sử dụng trong mô hình LSHNG được lấy từ bể sinh học hiếu khí trạm xử lý nước thải – bãi rác Phước Hiệp – Củ Chi – Tp HCM Đây là nhà máy xử lý chất thải rắn và nước thải từ quá trình ủ rác nên có chứa vi sinh vật có thể phù hợp cho đề tài nghiên cứu Sau đó, vi sinh được nuôi cấy trong điều kiện thích nghi dần bằng các dung dịch dinh dưỡng cho đến khi đạt được mật độ sinh khối lớn đủ để sử dụng trong nghiên cứu

Dung dịch dinh dưỡng được chuẩn bị bằng cách pha các loại hóa chất chứa các thành phần đa lượng và vi lượng để đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh gồm: K2HPO4, NaCl, FeCl3.6H2O, MgSO4, CaCl2, Na2B4O7, NH4Cl, CuSO4.5H2O, MnSO4….có nguồn gốc xuất xứ từ Trung Quốc với độ tinh khiết > 99% vào nước cất để pha thành dung dịch dinh dưỡng Sau đó dung dịch dinh dưỡng được châm định kỳ mỗi tuần 3 ngày vào bể nuôi cấy vi sinh Bên cạnh đó, dung dịch NaHCO3 5% cũng được bổ sung để ổn định pH và duy trì cơ chất cho vi sinh phát triển

Phân bò và compost được sử dụng trực tiếp làm giá thể vi sinh cho mô hình LSH, vừa cung cấp hệ vi sinh cho quá trình xử lý (được mô tả trong Mục 3.2.2 và 3.2.3)

Nước cất sử dụng trong toàn bộ quá trình phân tích cũng như lập đường chuẩn được lấy từ hệ thống nước cất hai lần không chứa các inon nitrie, nitrat, sulfat, amonia… gây cản trở cho quá trình làm nghiên cứu.

GIÁ THỂ NGHIÊN CỨU

Mô hình LSHNG sử dụng giá thể vi sinh di động K3 làm môi trường sống cho vi sinh vật Giá thể vi sinh di động moving bed biofilm reactor (MBBR) K3 có hình dạng tròn, phía trong có cấu tạo giống tổ ong, bề mặt có nhiều nếp nhăn gấp để làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt MBBR là quá trình xử lý nhân tạo trong đó dùng một loại đệm bằng nhựa làm giá thể

23 cho vi sinh dính bám vào để sinh trưởng và phát triển, là sự kết hợp hài hòa hai trong một của bể sinh học hiếu khí aerotank truyền thống và lọc sinh học dính bám

Hình 3.1 Giá thể di động K3

Theo như phân tích của Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3 (QUATEST 3) thì hàm lượng hữu cơ của phân bò chiếm tỷ lệ rất cao 68,6%, hàm lượng nitơ cũng khá cao Điều này cho thấy phân bò khô chứa độ mùn rất cao và có nhiều thức ăn cho vi sinh vật trong quá trình tạo ra hàm lượng acid amin, acid fulvic Trong phân bò tươi còn có nhiều hạt cỏ dại, kén nhộng côn trùng, bào tử của nấm, xạ khuẩn, vi khuẩn và tuyến trùng gây bệnh Mặt khác, trong phân tươi tỷ lệ C/N cao là điều kiện thuận lợi cho các loài vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ ở các giai đoạn đầu Để tiêu diệt hạt cỏ dại và mầm mống côn trùng và cũng như vừa thúc đẩy quá trình phân huỷ chất hữu cơ, đẩy nhanh quá trình khoáng hoá thì phân cần phải được đem đi ủ Ủ phân làm cho trọng lượng phân chuồng có thể giảm xuống, nhưng chất lượng phân chuồng tăng lên Sản phẩm cuối cùng của quá trình ủ phân là loại phân hữu cơ được gọi là phân ủ, trong đó có mùn, một phần chất hữu cơ chưa phân huỷ, muối khoáng, các sản phẩm trung gian của quá trình phân huỷ, một số enzym, chất kích thích và nhiều loài vi sinh vật hoại sinh Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta với ẩm độ cao, nắng nhiều, nhiệt độ tương đối cao, quá trình phân huỷ các chất hữu cơ diễn ra tương đối nhanh Sử dụng phân chuồng bán phân giải là tốt nhất bởi vì ủ lâu phân ủ sẽ mất nhiều đạm Chất lượng và khối lượng phân ủ thay đổi nhiều tuỳ thuộc vào thời gian và phương pháp ủ phân Thời gian và phương pháp ủ phân ảnh hưởng đến thành phần và hoạt động của tập đoàn vi sinh vật phân huỷ và chuyển hoá chất hữu cơ thành mùn, qua đó mà ảnh hưởng đến chất lượng và khối lượng phân ủ Để đảm bảo cho các quá trình hoạt động của vi sinh vật được tiến hành thuận lợi, nơi ủ phân phải

24 có nền không thấm nước, cao ráo, tránh ứ đọng nước mưa Đống phân ủ phải có mái che mưa và để tránh mất đạm

Mô hình LSH nghiên cứu đã sử dụng phân bò làm vật liệu xử lý khí Để đảm bảo an toàn dòng khí sau khi được xử lý không phát tán vi sinh gây bệnh và nấm mốc ra môi trường bên ngoài, nhóm nghiên cứu đã chọn mua loại phân bò đã qua xử lý của Công Ty TNHH- ĐT- SX- PT- TM- DV Tiến Phát Trong quá trình chạy mô hình, độ ẩm luôn được kiểm tra và duy trì ở 60% nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh phát triển

Hình 3.2 Phân bò sau khi được ủ

3.2.3 Phân compost Đây là loại vật liệu nhồi được dùng phổ biến nhất hiện nay Có rất nhiều loại compost đã được dùng làm vật liệu nhồi, đó là các compost bắt nguồn từ rác sinh hoạt, từ bùn của nước thải, từ phân chuồng với các tính chất khác nhau Chẳng hạn có những loại compost nghèo dinh dưỡng hoặc nghèo vi sinh vật (mật độ quần thể thấp) Nói chung quần thể vi sinh vật trong compost là phong phú, và việc bổ sung vi sinh vật là không cần thiết Tuy nhiên, nếu bổ sung thì việc khởi động hệ thống có thể diễn ra nhanh hơn Các compost của đống ủ phân trộn đang hoạt động (chưa hoại) chứa nhiều nitơ dễ sử dụng hơn so với các compost của đống ủ đã xong (đã hoại), và nhiệt độ ở đó có thể lên đến trên 60 o C Độ ẩm của vật liệu nhồi bằng compost nên được duy trì ở mức 50 – 60% theo trọng lượng tươi Độ ẩm cao thì làm giảm độ xốp cũng như làm giảm dòng khí đi qua lọc, và có thể dẫn đến những điều kiện kỵ khí cục bộ Độ ẩm thấp thì làm giảm hoạt tính vi sinh vật và tạo nên các kẽ nứt Các compost ẩm hoặc ướt

25 thì dần dần kết cứng lại, khi ấy người ta phải bổ sung vật liệu làm xốp để duy trì độ xốp và kết cấu của vật liệu nhồi cũng như ngăn cản sự tụt áp suất Các vật liệu làm xốp được dùng bao gồm: vật liệu gốm xốp, đá trân châu, vỏ bào gỗ, vỏ cây, và các hạt nhựa xốp Chúng thường được trộn với compost theo tỷ lệ khoảng 1:1 theo khối lượng Để cho compost khỏi bị khô đi trong khi hệ thống hoạt động thì không khí ô nhiễm đưa vào để xử lý qua lọc sinh học chứa compost phải được làm bão hòa hơi nước Trong nhiều trường hợp thì không khí ô nhiễm cần phải được làm ẩm Vật liệu compost cũng có thể bị khô đi bởi nhiệt sinh ra do sự phân hủy sinh học trong quá trình lọc, hoặc do bị phơi dưới ánh sáng mặt trời Khi ấy, phải cần đến một phương pháp bổ sung nước hoặc kiểm soát độ ẩm

Mô hình LSH sử dụng phân compost làm vật liệu đệm cũng được xây dựng để xử lý song song với giá thể phân bò Phân compost sau khi mua được đưa vào mô hình Bước đầu phân được đưa vào mô hình chạy thích nghi với nồng độ thấp sau đó mới tiến hành chạy với nồng độ yêu cầu Trong quá trình chạy mô hình cung cấp nước để duy trì độ ẩm trên 50% Phân compost sử dụng là loại thương mại (phân bón hữu cơ Agrimartin) với thành phần định lượng gồm có hữu cơ (sấy khô): 72% (hữu cơ: 65%), Nts: 3.5%, P2O5hh: 2.5%, K2Ohh: 2.5%

MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU

3.3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm của nhóm nghiên cứu

Mô hình lọc sinh học được thiết kế dựa các thông số chiều cao lớp phân đã được công bố trên thế giới của Zicari và các cộng sự [10] Lưu lượng khí đầu vào cũng được chọn ở 4 lít/phút như trong công bố này và sau đó thay đổi để so sánh khả năng xử lý Mô hình thí nghiệm (Hình 3.4) bao gồm ba tháp lọc sinh học làm từ mica Đầu tiên là mô hình LSHNG chứa giá thể di động K3 có vi sinh bám dính, kế đến là mô hình LSH chứa giá thể phân bò và sau cùng là mô hình LSH chứa giá thể phân compost

Khí thải được bơm từ bình ủ khí được kiểm soát bằng lưu lượng kế để theo dõi lưu lượng và được đưa vào ba mô hình bằng hệ thống chia khí Dòng khí này sẽ được đo nồng độ NH3 và H2S đầu vào trước khi đưa vào ba mô hình Khí sau khi đi qua các mô hình được bơm hút

27 lấy ra và sục vào các impinger chứa các dung dịch hấp thu để phân tích từng loại mẫu khí riêng biệt Đối với mô hình LSHNG sẽ có sự tuần hoàn nước thải Nước thải được pha với mật rỉ đường và nhỏ giọt từ trên xuống với mục đích là để cung cấp dinh dưỡng cho lớp màng vi sinh bám trên giá thể di động K3 Với hai mô hình LSH còn lại chứa giá thể phân bò và phân compost sẽ được cung cấp nước trong quá trình vận hành để đảm bảo duy trì độ ẩm trên 50%

1 Bộ lọc không khí, 2 Bồn chứa rác tạo khí thải, 3 Bơm khí, 4 Lưu lượng kế, 5 Vị trí lấy mẫu đầu vào,

6 Vị trí lấy mẫu đầu ra, 7 Bơm tuần hoàn, 8 Thùng chứa nước thải

Hình 3.4 Sơ đồ mô hình thí nghiệm

3.3.2 Các thông số thiết kế của 3 tháp

Thông số mô hình lọc sinh học nhỏ giọt được trình bày trong Bảng 3.2 Tổng thể tích lỗ rỗng của giá thể đo được là: 925 ml/1000 ml

Bảng 3.2 Thông số thiết kế của mô hình lọc sinh học nhỏ giọt

Thông số Giá trị Đơn vị

Thể tích lớp giá thể Vb1 7,8 lít

Lưu lượng khí đầu vào Af1 4,5 L/phút

Thời gian lưu khí EBRT1 104 giây

Vận tốc khí đầu vào 0,36 m/phút

Lưu lượng lỏng đầu vào 0,24 L/phút

Vận tốc lỏng đầu vào 0,0105 m/phút Đối với mô hình lọc sinh học dùng giá thể phân bò, thời gian lưu khí được tính bằng tổng thể tích các lớp phân trên lưu lượng khí đầu vào Bảng 3.3 mô tả các thông số của mô hình

Bảng 3.3 Thông số thiết kế của mô hình lọc sinh học dùng giá thể phân bò

Thông số Giá trị Đơn vị

Chiều cao lớp phân 1 145 mm

Chiều cao lớp phân 2 130 mm

Thể tích lớp phân 1 1,755 lít

Thể tích lớp phân 2 1,573 lít

Tổng thể tích lớp phân Vb2 3,3 lít

Lưu lượng khí đầu vào Af2 4,5 L/phút

Thời gian lưu khí EBRT2 44 giây

Mô hình lọc sinh học dùng giá thể phân compost cũng được tính như đối với phân bò Bảng 3.6 liệt kê các thông số của mô hình

Bảng 3.4 Thông số thiết kế của mô hình lọc sinh học dùng phân compost

Thông số Giá trị Đơn vị

Chiều cao lớp phân 170 mm

Tổng thể tích lớp phân Vb3 3,8 lít

Lưu lượng khí đầu vào Af3 4,5 L/phút

Thời gian lưu khí EBRT3 51 giây

Sau khi chạy thích nghi trong khoảng thời gian 1,5 tháng, cột lọc sinh học được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ khí thải trong dòng khí đầu vào, lưu lượng dòng khí…đến hiệu quả loại bỏ và khả năng chuyển hóa

Dòng khí chứa mùi hôi được dẫn từ bình ủ rác thải qua hệ thống chia khí đi vào cột lọc sinh học nhỏ giọt và hai cột lọc sinh học dùng hai loại giá thể khác nhau

Trong quá trình di chuyển của dòng khí thải tiếp xúc và bị hấp thu vào lớp màng vi sinh vật bám trên bề mặt lớp vật liệu đệm Sau khi vận hành mô hình 60 phút thì tiến hành lấy mẫu tại đầu vào, đầu ra và dung dịch tuần hoàn để phân tích Mô hình được vận hành liên tục không ngừng nghỉ

Dung dịch tuần hoàn (DDTH) trong cột LSHNG được thu vào thùng chứa và được tuần hoàn trở lại mô hình bằng bơm nhu động tuần hoàn bơm phun từ trên xuống với lưu lượng

150 mL/phút trong suốt thời gian vận hành cột LSHNG Dung dịch tuần hoàn được thay mới

THÔNG SỐ KHẢO SÁT

3.4.1 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ VÀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ CỦA 3 MÔ HÌNH

Các mô hình xử lý khí thải bằng phương pháp sinh học chỉ đạt hiệu quả xử lý cao khi mà tốc độ dòng khí thấp hay thời gian lưu cao, đây là thông số quan trọng trong thiết kế và vận hành thiết bị Thí nghiệm được tiến hành đánh giá hiệu quả xử lý trên ba mô hình, bên cạnh đó còn khảo sát khả năng ảnh hưởng đến hiệu quả xử bằng cách giảm lưu lượng khí đầu vào

30 và thiết lập cân bằng vật chất thông qua việc lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu nitrite, nitrate, ammonia, sulfate tích lũy trong DDTH

Một cách rõ hơn, mô hình lọc sinh học đã được thiết kế, vận hành và đánh giá thông qua các thông số và thuật ngữ sau:

 “Thời gian lưu trên lớp đệm rỗng” (Empty bed residence time – EBRT, s) là tổng thời gian một số đơn vị không khí sẽ mất đi khi di chuyển qua phần đệm rỗng Nói chung, điều này được thể hiện như sau:

Trong đó: Vb là thể tích của đệm (m 3 hoặc ft 3 ) và Af là lưu lượng dòng khí (m 3 /h hoặc cfm) EBRT luôn luôn lớn hơn so với thời gian lưu thực sự của không khí đi qua hệ thống Điều này là do môi trường chất rắn chiếm một số lượng đáng kể diện tích trên đệm EBRT không nên được sử dụng như một thước đo thực sự của thời gian xử lý vì bản chất rất khác nhau của vật liệu rắn

 “Thời gian lưu trên vật liệu đệm thực” (True bed residence time – TBRT, s) có thể được thể hiện như sau:

Trong đó: Mp là độ xốp trung bình Trung bình độ xốp có thể từ 20% đến 80% tùy thuộc vào không gian bên trong vật liệu (intra-particle) và không gian giữa các hạt khác nhau (inter-particle)

 Độ xốp có thể được định nghĩa là:

Vs là thể tích của một không gian nhất định (m 3 ) và Vss là thể tích của lớp đệm rắn (m 3 ) Độ xốp của vật liệu đệm có thể được xác định thông qua một thí nghiệm đơn giản trong một diện tích xi lanh hoặc thông qua phương pháp tinh vi hơn như BET và sử dụng các dòng chảy khí trơ thông qua thí nghiệm

 Tải trọng thể tích: Khi đánh giá khả năng xử lý của thiết bị, chỉ tiêu thường được sử dụng nhất là tải trọng thể tích (Volumetric mass loading – VL, g.m -3 h -1 ) Tải trọng thể tích được định nghĩa là:

NH3-Nig là nito ammonia trong dòng khí đầu vào (g/Nm 3 ), Vf là thể tích khí (m 3 ) Thông thường khoảng VL là 10 – 160 g.m -3 h -1

 “Hiệu suất xử lý” (Removal efficiency – Re, %) được thể hiện bởi tỷ lệ phần trăn giữa nồng độ đầu vào và nồng độ chất được loại bỏ bởi hệ thống “Re” được định nghĩa là:

Trong đó: NH3-Nog là nito ammonia trong dòng khí đầu ra (mg/Nm 3 )

 “Khả năng xử lý” (Elimination capacity – EC, g.m -3 h -1 ) được sử dụng để thể hiện tính hiệu quả tổng thể của thiết bị biofilter và thường được biển diễn như là:

 “Cân bằng nguyên tố”: Để làm căn cứ cho cơ chế xử lý ammoniac trong mô hình lọc sinh học nhỏ giọt, cân bằng khối lượng nitơ đã được thiết lập như sau cho NH3 (và tương tự đối với H2S):

- NH3-Nig là nito ammonia trong dòng khí đầu vào

- NH3-Nog là nito ammonia trong dòng khí đầu ra

- NH3-Nwl là nito ammonia trong dung dịch tuần hoàn

- NO2-Nwl là nito nitrite trong dung dịch tuần hoàn

- NO3-Nwl là nito nitrate trong dung dịch tuần hoàn

- Nsinh khối là đại diện cho các phần nhỏ của nito tích tụ trong sinh khối

32 Nito đã được tiêu thụ trong việc tổng hợp sinh khối được tính toán dựa trên tải lượng và sự loại bỏ COD và sự tăng trưởng sinh khối được giả sử là 8% trong sinh khối Lưu ý nồng độ của sunfur hydroxylamine < 0,1 mg/L, vì vậy nó đã được bỏ qua trong phân tích cân bằng nito.

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU

Các thông số cơ bản như: giá trị trung bình, phương sai, tỷ lệ phần trăm, hệ số biến động, hệ số tương quan…được tính toán theo phương pháp thống kê dưới sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel 2013, Origin graph 8.5.

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

H2S được phân tích theo TCN 676 – 2006 – cơ sở lý thuyết của phương pháp này dựa trên phản ứng của H2S với Cadimium hydroxyt tạo thành Cadimi sulfua Cadimi sulfua (kết tủa màu vàng) phản ứng với N, N-dimetyl-p-phenylendiamin sulfua và chlorua sắt (III) tạo thành sản phẩm có màu xanh metylen được xác định bằng phổ khả kiến ở bước sóng 670 nm

(CH3)2NC6H3C6H3N(CH3)2Cl + NH4Cl + 6FeCl2 + 6HCl

Giới hạn xác định của phương pháp 0,1 ppm

Mẫu sau khi thu xong nếu phân tích ngay thì rút trực tiếp, hoặc nếu để lâu thì cho vào ống nghiệm có nắp đậy và khi cần phân tích mẫu thì phải lắc đều ống nghiệm, do H2S có khả năng bay hơi khỏi dung dịch hấp thu

Theo phương pháp Indophenol, NH3 trong mẫu khí thải sẽ được cho tác dụng với Phenol trong môi trường đệm có mặt xúc tác Formandehyde tạo thành phúc màu xanh và được đo hấp thu quang phổ ở bước sóng λ= 630 nm

SO2 trong dòng khí được hấp thu bằng dung dịch potassium tetrachloromercurate K2HgCl4 để hình thành phức dichlorosulfonatomercurate (II) ([HgCl2SO3] 2- ) Sau đó cho tác dụng với

33 pararoaniline trong dung dịch acid clohydric và formaldehyde để hình thành phức màu tím pararoaniline methylsulfonic acid Độ hấp thu của dung dịch đo tại bước sóng λ T8 nm

SO2 + [HgCl4] 2- + H2O = [HgCl2SO3] 2- + 2H + + 2Cl - [HgCl2SO3] 2- + HCHO + 2H + = HO-CH2-SO3H + HgCl2 HO-CH2-SO3H + C19H18N3Cl + HCl = axit Pararosanilin Metylsulfonic (màu tím)

Khoảng đo: 0,01 - 0,6 mg/m 3 Lấy mẫu khoảng 30 - 50 lít không khí Tuân theo định luật Ber-Lamber với nồng độ khoảng 0,25 mg/10ml dung dịch hấp thu.

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU LỎNG

3.7.1 Phương pháp phân tích sunfate trong mẫu nước

Nồng độ sunfate trong dung dịch tuần hoàn được xác định theo 4500 SO4 2- Standard Methods với nguyên tắc ion sunfate phản ứng với BaCl2 tạo kết tủa trắng có độ hấp thu cực đại tại 420 nm

3.7.2 Phương pháp phân tích nitrate trong mẫu nước

Nồng độ nitrate trong dung dịch tuần hoàn được xác định theo 4500 NO3 - Standard Methods với nguyên tắc ion nitrate phản ứng với HCl 1N có độ hấp thu cực đại 220 nm

3.7.3 Phương pháp phân tích nitrite trong mẫu nước

Nồng độ nitrite trong dung dịch tuần hoàn được xác định theo 4500 NO2 - Standard Methods với nguyên tắc nitrite tạo phức màu đỏ tím tại pH: 2,0 – 2,5 bằng phản ứng ghép cặp với sulanilamide và N-(1-naphthyl)-ethylendiamine dihydrochloride (NED dihidrochloride) Phức màu hấp thu cực đại tại bước sóng 540 nm Phương pháp này được áp dụng để xác định hàm lượng từ 10 – 1000 𝜇g NO2 -N/L