ICEAS – SBR và ICEAS – MBSBR Intermittent Cycle Extended Aeration System - Moving Bed Sequencing Batch Reactor có giá thể đã được nghiên cứu để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giết
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giết mổ trên quy mô phòng thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng xử lý chất hữu cơ và chất dinh dưỡng N trên mô hình nghiên cứu ICEAS qua các tải trọng khác nhau.
NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo các nội dung sau:
Nội dung 1: Giới thiệu tổng quan về nước thải giết mổ và công nghệ ICEAS
- Giới thiệu tổng quan về nước thải giết mổ và hiện trạng xử lý nước thải giết mổ tại Việt Nam;
- Trình bày nguyên tắc hoạt động, cơ chế xử lý và các dạng cải tiến của công nghệ bùn hoạt tính theo mẻ SBR
- Giới thiệu công nghệ ICEAS – MBSBR;
- Tổng hợp một số nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài
Nội dung 2: Thiết lập mô hình nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm
- Chế tạo mô hình ở quy mô phòng thí nghiệm
- Tổng hợp và thu thập các vật liệu phục vụ nghiên cứu: nước thải, bùn thiếu khí, bùn hiếu khí và giá thể Mutag Biochip TM
- Tiến hành lấy mẫu và phân tích mẫu nước thải, mẫu bùn ban đầu trước khi khởi động mô hình
Nội dung 3: Vận hành mô hình theo các tải trọng khác nhau
- Chạy thích nghi mô hình với tải trọng hữu cơ: 0,5 kgCOD/m 3 /ngày
- Giai đoạn tăng tải trọng: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 và 2,5 kg COD/m 3 ngày với chu kỳ 16; 12,5; 11,5; 9,5 và 9h, pha lắng 0,4h, pha rút nước 0,2h
- Lấy mẫu theo trình tự kế hoạch đề ra và phân tích các chỉ tiêu: pH, COD, NH4 +,
- Nghiên cứu khả năng bám dính và sinh khối vi sinh trên bề mặt giá thể Mutag Biochip TM
Nội dung 4: Trình bày kết quả
- Dựa trên kết quả phân tích, tiến hành tính toán, xử lý số liệu và dựng đồ thị thể hiện kết quả bằng phần mềm Excel;
- Trình bày và thảo luận các kết quả thông qua đồ thị
- So sánh hiệu quả xử lý nước thải của mô hình ICEAS – MBSBR kết hợp với ICEAS – SBR thông thường, từ đó đánh giá tính hiệu quả mô hình cải tiến.
PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Nước thải dùng trong nghiên cứu này là nước thải giết mổ được lấy từ bể điều hòa của trạm xử lý nước thải sau khi qua máy lọc rác của trạm xử lý nước thải Công ty Vissan, số 420 Nơ Trang Long, P 13, Quận Bình Thạnh, Tp.HCM
- Mô hình nghiên cứu được chế tạo bằng mica ở quy mô phòng thí nghiệm
- Giá thể được sử dụng trong mô hình ICEAS - MBSBR là Mutag Biochip TM
- Phạm vi nghiên cứu: Nước thải giết mổ chứa thành phần hữu cơ (BOD5, COD) và dinh dưỡng (N, P) cao.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tổng quan tài liệu
Tiến hành thu thập thông tin, tài liệu, số liệu về đối tượng và phạm vi nghiên cứu trên tất cả các nguồn sách báo, giáo trình, tạp chí khoa học, internet Phân tích, tổng hợp làm cơ sở cho việc định hướng và thực hiện các nội dung nghiên cứu
Thực nghiệm mô hình
Mô hình nghiên cứu được chế bằng nhựa trong suốt, đảm bảo các điều kiện sinh trưởng cũng như hoạt động của vi sinh trong nghiên cứu Nước thải thực cung cấp chạy cho mô hình nghiên cứu Các mẫu phân tích được lấy từ đầu vào và đầu ra của mô hình
Lấy mẫu và phân tích
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước thải được nghiên cứu trong suốt quá trình xử lý: pH, COD, TKN, TN, NH4 +, NO3 -, NO2 -
Bảo quản lạnh là bảo quản ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thường nhưng lớn hơn nhiệt độ đông đặc của nước được duy trì từ khi nước vừa được lấy từ các vị trí lấy mẫu cho đến khi mang đi phân tích, nhằm ngăn chặn hoặc làm giảm sai số kết quả phân tích
Mẫu nước được lấy tại các vị trí: đầu vào, đầu ra của mô hình ICEAS – SBR và đầu ra của mô hình ICEAS – MBSBR Các chỉ tiêu được phân tích theo các phương pháp trong QCVN kết hợp với Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, Eaton DA và AWWA)
Số liệu được trình bày trong luận văn là giá trị trung bình từ ba lần thí nghiệm Độ lệch chuẩn của các thông số khảo sát được tính toán bằng phần mềm Excel Độ tin cậy của các số liệu thực nghiệm nằm ở mức 95 - 98%
Phương pháp kế thừa, tham khảo kết quả xử lý của công ty trên thực tế và các đề tài liên quan đã thực hiện
Trong quá trình thực hiện đề tài tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn về vấn đề có liên quan.
Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu là cơ sở lý thuyết cho quá trình kết hợp công nghệ ICEAS với giá thể di động để xử lý COD, NH4 +, TN trong nước thải giết mổ, là cơ sở cho các quá trình nghiên cứu kết hợp tiếp theo nhằm mục tiêu nâng cao hiệu quả xử lý COD, NH4 +, TN
Kết quả nghiên cứu của đề tài được ứng dụng trong xử lý nước thải ngành giết mổ đang gặp bài toán cần giải quyết hiện nay là xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng với công nghệ kết hợp và giá thành hợp lý Ngoài ra mô hình sử dụng giá thể di động để khi vận hành linh hoạt nâng cao tải trọng, độ ổn định cao khi xử lý
Tính mới của đề tài
Công nghệ SBR truyển thống đã được áp dụng nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam Với nghiên cứu này, mô hình tạo môi trường khử Nitrat tốt hơn bằng sự kết hợp sục khí, khuấy trộn ngắt quảng và dùng giá thể di động để xử lý Nitơ và các chất hữu cơ tốt hơn Khi sinh khối bám trên giá thể ngày càng tăng thì hiệu quả xử lý càng cao, lúc này mô hình sẽ rút ngắn thời gian xử lý.
TỔNG QUAN
QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỦA CÔNG TY VISSAN
Hình 1-1 Sơ đồ quy trình giết mổ lợn
Dẫn đi, tắm sạch Làm ngất bằng điện
Nhúng nước nóng, cạo lông
Lấy nội tạng Tách lòng
Xẻ thịt, tách hai nữa Kiểm tra và đóng dấu Nhận lợn, cừu đưa vào chuồng
1.2.2 Quy trình giết mổ trâu, bò
Hình 1-2 Sơ đồ quy trình giết mổ trâu, bò
Về nguyên tắc và phương pháp giết mổ trâu, bò cũng tương tự như giết mổ lợn Tuy nhiên, có một số khác biệt như sau: Trong giết mổ lợn người ta thực hiện nhúng nước cạo lông, công đoạn này không thực hiện trong giết mổ trâu bò, thay vào đó người ta tiến hành lột hết da của đại gia súc
Nhận động vật đưa vào chuồng
Làm ngất bằng điện Giết, lấy tiết
Xẻ nửa Cắt bỏ cơ quan sinh dục
1.2.3 Quy trình sản xuất đồ hộp, xúc xích, thịt nguội
− Sản xuất xúc xích tiệt trùng công suất thiết kế: 8.000 tấn/năm
− Sản xuất thịt nguội công suất thiết kế: 5.000 tấn/năm
− Sản xuất đồ hộp công suất thiết kế: 110 lon/phút
Hình 1-3 Quy trình sản xuất đồ hộp, xúc xích, thịt nguội
1.2.4 Nguồn thải và các nguyên nhân chính
Bảng 1-3 Các hoạt động phát sinh nguồn thải
Hoạt động Nguồn chất thải tạo ra Bản chất chất thải Các nguyên nhân có thể tạo ra chất thải
Chuồng trại Trại nhốt bò
Chất thải rắn Nước thải
Do gia súc thải ra (phân) Thức ăn thừa
Vệ sinh các ngăn chuồng
Rửa gia súc trước khi thu gom Thiết bị thu gom huyết chưa phù hợp
Chất lỏng từ ruột, bao tử khi mổ ra Huyết tron khi làm sạch
Cạo lông sót Nhúng nóng Nước thải Bể nhúng nóng liên tục thừa
Nguyên liệuXay thôXay nhuyễn Định hìnhNấu hấpXắc látThanh trùngMàng co, đóng thùngLưu kho
Hoạt động Nguồn chất thải tạo ra Bản chất chất thải Các nguyên nhân có thể tạo ra chất thải
Nhiệt độ Không kiểm soát nhiệt
Không sử dụng hóa chất làm rụng lông
Cạo lông heo Không thu gom lông Ống xả nước của máy cạo lông chưa phù hợp
Dây chuyền heo Dây chuyền bò Chất thải rắn
Thải cỏ, thải phân chưa thích hợp Không thu gom cỏ chưa tiêu hóa Công đoạn rửa không hiệu quả Không có dụng cụ hứng phân thải Nguồn: Công ty TNHH Một thành viên Việt Nam Kỹ Nghệ Súc Sản (VISSAN), 2016
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SBR
1.3.1 Công nghệ xử lý theo mẻ SBR
Công nghệ SBR được phát minh bởi Ardern và Locket vào năm 1914 (Ardern E and Lockett W.T., 1914) Ban đầu, SBR được phát triển dựa trên hệ thống xử lý bùn hoạt tính có 2 chế độ làm đầy và rút nước Thông thường, chu trình vận hành của SBR được chia thành 5 pha: Làm đầy, phản ứng, lắng, xả nước và nghỉ SBR có điểm khác cơ bản với bể bùn hoạt tính thông thường là quá trình sục khí và quá trình lắng được diễn ra đồng thời trong 1 bể (đồng nghĩa với việc không sử dụng bể lắng 2)
Pha làm đầy: Trong pha này, nước thải được bơm và chảy tràn vào hệ thống, nước thải vào sẽ mang theo một hàm lượng thức ăn cho các vi khuẩn trong bùn hoạt tính, tạo ra một môi trường cho phản ứng sinh hóa xảy ra Pha làm đầy có thể được vận hành ở 3 chế độ khác nhau: làm đầy tĩnh, làm đầy khuấy trộn, làm đầy sục khí
Làm đầy tĩnh: Nước thải đưa vào bể ở trạng thái tĩnh (không có quá trình khuấy trộn và sục khí) Trạng thái này thường áp dụng trong công trình không cần quá trình nitrat hóa và quá trình phản nitrat và những công trình lưu lượng nước thải thấp để tiết kiệm năng lượng, chi phí vận hành, bảo dưỡng…
Làm đầy có khuấy trộn thì giúp điều hòa nồng độ, ổn định thành phần nước thải, đồng thời xảy ra các quá trình oxy hóa cơ chất trong điều kiện thiếu khí, tăng hiệu quả xử lí nitơ trong nước thải
Làm đầy có thổi khí nhằm duy trì vùng hiếu khí trong bể Tạo điều kiện cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển mạnh mẻ, trong bể xảy ra quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, loại bỏ một phần BOD, COD trong nước thải Tạo điều kiện cho quá trình nitrat hóa xảy ra
Pha phản ứng: Sau khi cho nước vào bể, hệ thống bơm nước thải vào sẽ ngừng hoạt động, thay vào đó hệ thống sục khí và khuấy trộn sẽ được hoạt động luân phiên để tiến hành quá trình nitrit hóa, nitrat hóa và phân giải các hợp chất hữu cơ Thời gian, thứ tự của 2 quá trình sục khí và khuấy trộn sẽ phụ thuộc vào nồng độ các chất cần xử lý Trong pha này, không có nước thải vào trong bể vì vậy thề tích nước thải và tải trọng hữu cơ không được bổ sung, quá trình sục khí được duy trì, các vi sinh vật hiếu khí sẽ oxy hóa các hợp chất hữu cơ để sinh trưởng và phát triển và loại bỏ các hợp chất hữu cơ Pha này xảy ra quá trình nitrat hóa, ammoniac có trong nước thải sẽ được chuyển hóa thành nitrit và nitrat
Pha lắng: Các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình lắng diễn ra trong môi tường tĩnh hoàn toàn, thời gian lắng thường nhỏ hơn 2 giờ Trong pha này, các bông bùn đã được hình thành sẽ được lắng xuống đáy bể, đồng thời xảy ra quá trình phản nitrat, nitrat và nitrit được tạo ra ở pha trên sẽ bị khử thành nitơ
Pha xả nước: Nước đã lắng sẽ được hệ thống thu nước tháo ra đến công trình tiếp theo, đồng thời trong quá trình này bùn cũng được tháo ra
Pha nghỉ: Thời gian chờ nạp mẻ tiếp theo (Thông thường, pha này thường bị bỏ qua)
Hình 1-4 Sơ đồ các pha của bể SBR
Nitrat hóa lần lượt bao gồm 2 bước nitrat hóa ammonium và nitrat hóa nitrit nhờ vào 2 chủng vi khuẩn tự dưỡng: Vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) Trong bước nitrat hóa ammonium, Nitrosomonas là loại được tìm thấy nhiều nhất trong nhóm AOB và các loại khác, bao gồm Nitrosococcus và Nitrosospira (Gerardi, 2002), Trong bước kế tiếp là Nitrit hóa, Nitrobacter là loại được tìm thấy nhiều nhất trong nhóm NOB và các loại khác, bao gồm Nitrospina, Nitrococcus và Nitrospira
(Gerardi, 2002) Quá trình thông thường được chỉ ra trong các phản ứng năng lượng như sau:
Vi sinh vật sinh trưởng và duy trì bởi năng lượng nhận được từ các phản ứng này Phản ứng toàn bộ về năng lượng được mô tả ở phản ứng (2.3):
Hơn nữa, hợp chất C5H7O2N đại diện cho các tế bào vi khuẩn và việc hình thành tế bào vi khuẩn được mô tả ở phản ứng (1-04) (George Tchobanoglous, 1991):
NH O HCO C H NO NO H O H CO
Lượng hóa chất yêu cầu cho quá trình này có thể được tính toán dựa vào phản ứng 1-04 Xấp xỉ cần khoảng 4,2mg O2 để oxy hóa 1mg NH3-N oxy hóa thành 1mg
NO3-N Trong quá trình loại bỏ nitơ truyền thống, một lượng độ kiềm lớn được tiêu thụ (8,63mg HCO3 - hoặc 7,1mg CaCO3 trên 1mg NH4-N bị oxy hóa) (Gerardi, 2002)
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa:
Oxy hòa tan (DO): Nồng độ DO = 4 - 7 mg/l, tốc độ nitrat hóa diễn ra tốt, nếu
DO là 1,0 mg/l thì tốc độ này chỉ bằng 90% tốc độ ở nồng độ DO cao hơn pH: Tốc độ nitrat hóa cực đại khi pH nằm trong khoảng 7,2 - 9,0 và giảm tuyến tính khi pH < 7,2
Nồng độ amoni: Quá trình oxy hóa amoni bị ức chế khi nồng độ amoni trong khoảng 5-20mg/l
Khử Nitrat là quá trình chuyển Nitrat thành Nitơ tự do thông qua nitrit và các chất trung gian khác dưới điều kiện thiếu khí Việc chuyển hóa này có thể đạt được do một vài loại vi khuẩn như Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, Micrococcus, Proteus, v.v…(Tchobanoglous, 1991) Quá trình này đòi hỏi nguồn cacbon (ví dụ methanol, etanol, acetate, glucose) cho sự phát triển của vi khuẩn do chúng là vi khuẩn dị dưỡng
Do đó, giá thành xử lý sẽ tăng cao, nhất là khi nước thải có hàm lượng nitơ cao và nguồn cacbon hữu cơ có trong nước thải thấp (ví dụ 1g N-NO3 sẽ cần tiêu tốn 2,47g methanol) Việc giảm Nitrat này bao gồm 2 bước chính: Nitrat chuyển thành Nitrit và Nitrit chuyển thành một số sản phản trung gian trước khi được khử thành khí Nitơ
Phương trình của quá trình khử nitrat sử dụng nguồn cacbon là methanol diễn ra như sau: (Tchobanoglous, 1991)
Bước 1: Phản ứng năng lượng sử dụng methanol làm chất nhận electron
6 NO3 -+ CH3OH 6 NO2 - + 2 CO2 + 4 H2O (2.6)
Bước 2: Phản ứng tổng hợp sinh khối
Phản ứng năng lượng sử dụng methanol, nitơ amoni làm chất nhận electron:
NO3 - + 2.5 CH3OH + 0.5 NH4 + + 0.5 H2CO3
Giống như quá trình nitrat hóa, có một vài yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat Sự hiện diện của oxy tự do sẽ cản trở sự hoạt động hệ thống enzim cần cho quá trình khử nitrat Thông thường thì giá trị pH tăng lên trong suốt quá trình khử nitrat thành khí nitơ do tạo ra độ kiềm pH thích hợp cho quá trình này dao động từ 7 đến 8 tùy thuộc vào vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat Tốc độ loại bỏ nitrat và tốc độ sinh trưởng của vi sinh cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, và nhiệt độ thích hợp là từ 35 -
50 0 C Hơn nữa, vi sinh vật rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ (Tchobanoglous, 1991)
Nguyên lý của các quá trình chuyển hóa Nitơ bao gồm: Nitrat hóa, khử Nitrat truyền thống và các quá trình mới được thể hiện như hình 2.4
Hình 1-5 Chu trình chuyển hóa Nitơ
1.3.4 Tổng quan về quá trình xử lý photpho
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ICEAS
Do SBR có dòng đầu vào gián đoạn, nên có những điểm bất lợi sau (USEPA, 1992):
Cần ít nhất 2 bể hoạt động hoặc cần bể điều hòa
Khi thiết kế 2 bể mà cần phải ngừng 1 bể để bảo dưỡng, rất khó để bể còn lại hoạt động độc lập
Dòng đầu vào và tải trọng thay đổi liên tục trong ngày nên có thể diễn ra tình trạng quá tải hoặc thấp tải trong bể
Hệ thống kiểm soát bể dựa vào chiều cao mực nước trong bể và do mực nước trong bể thay đổi nhiều, nên ảnh hưởng đến thời gian phản ứng thực tế
Nguồn carbon đầu vào bị ngắt quãng, ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý
Vì vậy, để khắc phục những điểm yếu trên, người ta đã tìm ra công nghệ SBR với dòng nước thải vào liên tục ra đời Đặt tên: ICEAS (Intermittent Cycle Extended Aeration System)
Quá trình ICEAS là quá trình cải tiến của quá trình SBR, được bắt đầu nghiên cứu ở Úc vào những năm 80 (Ouyang., 1995) Hiện tại, công nghệ ICEAS được phát triển bới công ty SANITAIRE và đã có gần 1000 bể ICEAS được lắp đặt trên toàn thế giới (SANITAIRE, 2015) Quá trình ICEAS cho phép quá trình nạp nước đầu vào trong suốt toàn bộ các pha (kể cả pha lắng và pha rút nước) Và như vậy, ICEAS làm giảm số lượng pha từ 5 xuống 3 Ngoài ra, nếu hệ thống cần có quá trình khử nitrate thì nên thêm quá trình thiếu khí
Hình 1-7 Cấu tạo bể ICEAS
Thông thường, bể SBR có thể kéo dài thời gian làm đầy khi cho phép việc vừa làm đầy vừa sục khí (pha làm đầy kiểu sục khí) Tuy nhiên, SBR thông thường không cho phép vừa làm đầy vừa lắng hoặc vừa làm đầy vừa rút nước Và ICEAS giải quyết vấn đề trên bằng cách thêm 1 vách ngăn trong bể phản ứng ICEAS gồm có 3 pha chính:
Hình 1-8 Pha phản ứng của bể ICEAS
Pha phản ứng: Tương tự như SBR, pha phản ứng sẽ diễn ra quá trình khuấy trộn và sục khí đồng nước nước thải chảy liên tục vào ngăn tiền phản ứng Trong bể lúc này sẽ xảy ra các quá trình hiếu khí, thiếu khí kết hợp, yếm khí
Hình 1-9 Pha lắng của bể ICEAS
Pha lắng: Ngưng sục khí hoàn toàn, các bông bùn sẽ được lắng xuống đáy bể (nước thải đầu vào vẫn chảy vào ngăn tiền phản ứng)
Hình 1-10 Pha rút nước của bể ICEAS
Pha rút nước: Rút nước ra khỏi hệ thống (nước thải vẫn chảy vào ngăn tiền phản ứng) Bùn dư sẽ được bơm ra định kì trong giai đoạn này
Một số thông số thiết kế và vận hành bể ICEAS:
− Thông số thiết kế cơ bản: (Phuoc N.V., 2014)
− Tỷ lệ F/M: 0.05 đến 0.12 lb BOD/lb MLSS/ngày
− SVI (sau lắng 30 phút): 150 đến 200
− Thời gian lưu nước (HRT): 0.35 – 0.6 ngày
− Thời gian lưu bùn (SRT): 25 ngày
Bảng 1-4 Một số thông số vận hành bể ICEAS
Thông số Đơn vị Giá trị
DO pha phản ứng mg/l 1 3
DO để nitrate hóa xảy ra mg/l >1
DO để khử nitrate hóa xảy ra mg/l