NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia của mô hình AAO kết hợp với giá thể Biofringe và BioFix ở các tải trọng 3, 4; 5; 6; 7 kgCOD/m3.ngày.. Vì vậy, việc k
GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Sản xuất bia là ngành công nghiệp giá trị hàng tỷ đôla, tạo ra nhiều việc làm và đóng góp vào nguồn thuế quốc gia (Richey, 2012) Một trong những thách thức đối với ngành sản xuất bia hiện nay là tiêu thụ nguồn nước (Simate, 2012) Theo ước tính, để sản xuất được 1 lít bia nhà máy phải thải ra từ 3-10 lít nước thải (Fakoya & van der
Poll, 2013), do đó làm phát sinh một lượng nước thải rất lớn Đặc tính của nước thải nhà máy bia là giàu các hợp chất hữu cơ, nitơ, photpho…(Avinash Kumar Sharda et al,
2013), vì vậy nếu không được xử lý triệt để thì đây sẽ là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Để xử lý nước thải nhà máy bia công nghệ thường được ứng dụng là UASB kết hợp với Aerotank hoặc SBR Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các công nghệ này là hiệu quả loại bỏ nitơ, photpho chưa cao Vì vậy, việc “nâng cao” hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia là một nhu cầu cần thiết nhằm đáp ứng tiêu chuẩn xả thải vào môi trường
Mô hình AAO đã được ứng dụng để loại bỏ nitơ, photpho trong nước thải từ những năm 1979 (Syed R Quasim, 2014), công nghệ này có sự kết hợp của cả 3 quá trình xử lý kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí nên làm tăng hiệu quả loại bỏ nitơ và photpho
(Bo Zhang, 2000) BioFringe và BioFix là 2 loại giá thể tiên tiến gần đây đƣợc NET
Co., Ltd tung ra thị trường với nhiều ưu điểm như diện tích bề mặt lớn, lượng bùn lưu giữ nhiều, tuổi thọ bền bỉ… rất thích hợp cho xử lý kỵ khí và hiếu khí giúp tiết kiệm chi phí đầu tƣ và vận hành Vì vậy, việc kết hợp giữa công nghệ AAO cùng với giá thể BioFringe và Biofix để xử lý nước thải nhà máy bia là cơ sở để tác giả lựa chọn đề tài làm hướng nghiên cứu nhằm mang lại một giải pháp mới cho vấn đề xử lý nước thải nhà máy bia hiện nay.
Mục tiêu nghiên cứu
với giá thể Biofringe và BioFix ở các tải trọng khác nhau
- Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình đối với các chỉ tiêu COD, NH4 +
Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu
và đây là bước đầu nghiên cứu trên mô hình AAO kết hợp giá thể BioFringe và BioFix ở quy mô phòng thí nghiệm
- Đối tượng nghiên cứu cụ thể: nước thải từ nhà máy bia Việt Nam, quận 12, Tp.HCM.
Nội dung nghiên cứu
- Xác định thông số tối ƣu cho việc vận hành mô hình.
Phương pháp nghiên cứu
Tham khảo, tổng hợp số liệu về thành phần tính chất nước thải bia theo các tài liệu trong và ngoài nước Tìm hiểu nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải bia, những nghiên cứu đã được thực hiện trong và ngoài nước
Thu nhập, tìm hiểu các nghiên cứu đã đƣợc thực hiện về xử lý loại bỏ nitơ, photpho trong nước thải cũng như các công trình đã áp dụng trên toàn thế giới để có cơ sở và phương hướng nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam
Các chỉ tiêu lý hoá đƣợc phân tích trong suốt quá trình nghiên cứu bao gồm pH,
COD, NH 4 + , NO 2 - , NO 3 - , TKN, TN, TP, MLSS, SVI
1.5.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình
Mô hình nghiên cứu đƣợc xây dựng bằng nhựa trong suốt, đảm bảo các điều kiện sinh trưởng cũng như hoạt động của vi sinh Nước thải thật được cung cấp để chạy cho mô hình Mẫu phân tích đƣợc lấy từ mô hình sau đó phân tích các chỉ tiêu để nghiên cứu
1.5.4 Phương pháp xử lý số liệu và nhận xét
Từ số liệu thô tính toán hiệu suất xử lý, vẽ đồ thị, đƣa ra những phân tích, nhận xét đánh giá và kết luận.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: kết quả của đề tài đƣợc rút ra từ những thí nghiệm có căn cứ khoa học rõ ràng, xứ lý số liệu thông qua quy hoạch thực nghiệm và các phương pháp thống kê toán học nên đảm bảo tính khoa học của đề tài Ý nghĩa thực tiễn: là cơ sở để lựa chọn công nghệ xử lý nước thải cho các nhà máy bia.
Tính mới của đề tài
Sử dụng nước thải nhà máy bia để nghiên cứu hiệu quả xử lý của mô hình AAO kết hợp với giá thể BioFringe và BioFix đó là tính mới của đề tài.
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY
Tổng quan công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia
Các công đoạn chính trong sản xuất bia đƣợc thể hiện trong Hình 2.1
Hình 2.1: Công nghệ sản xuất bia (Harrinson, 2009)
Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính là malt đại mạch, nước, hublon và nấm men Nhiều loại nguyên liệu thay thế malt trong quá trình nấu là gạo, đường và các loại dẫn xuất từ ngũ cốc, các nguyên liệu phụ khác đƣợc sử dụng trong quá trình lọc và hoàn thiện sản phẩm nhƣ bột trợ lọc, các chất ổn định Tỷ lệ các thành phần nguyên liệu phụ thuộc vào chủng loại bia sẽ đƣợc sản xuất Nhìn chung quá trình sản xuất bia đƣợc chia làm 5 công đoạn nhƣ sau:
- Tạo malt (mạch nha): lúa mì sẽ đƣợc ngâm ở nhiệt độ khoảng 10 - 20 o C trong vòng 48 giờ, sau 1-2 ngày hạt sẽ nảy mầm Hạt sau khi nảy mầm đƣợc sấy khô ở nhiệt độ 50 - 110 o C trong vòng 1 - 2 ngày, đến đây quá trình tạo malt coi nhƣ hoàn thành
- Thủy phân tinh bột: malt và gạo (nguyên liệu) đƣợc đƣa đến bộ phận nghiền nguyên liệu thành các mảnh nhỏ, sau đó được chuyển tới thiết bị hồ hóa và đường hóa bằng cách điều chỉnh hỗn hợp ở các nhiệt độ khác nhau Hệ enzyme thích hợp chuyển hóa các chất dự trữ có trong nguyên liệu thành dạng hòa tan trong dịch (enzyme thủy phân tinh bột tạo thành đường, thủy phân các chất protein thành axít amin), các chất hoà tan khác sau đó được đưa qua lọc hèm để tách đường và các chất hoà tan khỏi bã bia Dịch hèm đƣợc đƣa qua máy lọc nhằm tách bã hèm ra khỏi nước nha
- Quá trình nấu: dịch đường sau khi lọc được nấu với hoa houblon và đun sôi trong 60-90 phút Mục đích của quá trình này là nhằm ổn định thành phần của dịch đường, tạo cho sản phẩm có mùi thơm đặc trưng của hoa hublon, dịch sau khi nấu được đưa qua bồn lắng xoáy nhằm tách cặn trước khi chuyển vào lên men
- Lên men và ổn định: dịch đường sau lắng có nhiệt độ khoảng 90 - 95 o C được hạ nhiệt độ nhanh đến 8 - 10 o C và bổ sung oxy với nồng độ 6 - 8 mgO 2 /lít để chuẩn bị lên men
Chuẩn bị men giống: nấm men đƣợc nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, sau đó đƣợc nhân trong các điều kiện thích hợp để đạt đƣợc mật độ cần thiết cho quá trình lên men
Lên men chính: việc lên men có thể đƣợc thực hiện trong các bể không có bảo ôn và đặt trong nhà lạnh đƣợc kiểm soát nhiệt độ theo chế độ nhiệt độ chung của phòng lên men Thời gian lên men chính thường là 5-7 ngày Nấm men sẽ đƣợc lấy một phần để tái sử dụng cho lên men các bể tiếp theo hoặc đƣợc thải bỏ
Lên men phụ: để hoàn thiện chất lượng bia (tạo hương vị đặc trưng) Thời gian lên men từ 14-21 ngày hoặc hơn tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng loại bia
- Hoàn thiện sản phẩm: sau lên men, bia đƣợc đem lọc để đạt đƣợc độ trong theo yêu cầu nhằm loại bớt polyphenol và protein trong bia, tăng tính ổn định trong quá trình bảo quản Trong quá trình lọc và hoàn thiện sản phẩm người ta sẽ pha loãng bia về nồng độ mong muốn theo tiêu chuẩn sản phẩm bằng những thiết bị chuyên dùng, trong và sau khi lọc bia đƣợc bão hòa thêm CO 2 để đảm bảo tiêu chuẩn bia thành phẩm Tiếp theo đƣợc thanh trùng và đƣợc chiết vào chai, lon, keg để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng và đảm bảo cho việc vận chuyển bia đến nơi tiêu thụ (Sản xuất sạch hơn trong ngành bia - Trung tâm Sản xuất sạch, 2008)
2.1.2 Đặc tính nước thải nhà máy bia Đặc tính của nước thải nhà máy bia là có COD cao do giàu các hợp chất hữu cơ như tinh bột, xenluloza, đường, axít, nitơ, photpho, nhiệt độ từ 25 - 38 o C đôi khi có thể cao hơn, pH dao động từ 2 - 12 phụ thuộc vào thành phần hóa chất sử dụng để làm sạch và khử trùng (xút, acid phosphoric, acid nitric) Nồng độ nitơ và photpho thường phụ thuộc vào quá trình chế biến nguyên liệu và lượng men bia có trong nước thải
(Goldammer,2008) Nước thải bia cũng chứa thành phần lơ lửng tương đối cao khoảng
3000 mg/L Nhìn chung nước thải nhà máy bia thường dễ phân hủy sinh học và không có độc tính do không chứa kim loại nặng (Brewers of Europe, 2002) Tuy nhiên, nếu không được xử lý mà thải trực tiếp vào nguồn nước hoặc hệ thống thoát nước đô thị thì sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng và hao tốn kinh phí của thành phố (G.S Simate, 2015) Đặc tính chung của nước thải của các nhà máy bia được thể hiện trong Bảng 2.1
Bảng 2.1: Đặc tính chung của nước thải nhà máy bia (Rao et al, 2007)
STT Chỉ tiêu Giá trị
2.1.3 Các công nghệ ứng dụng xử lý nước thải nhà máy bia
Hầu hết nước thải ở các nhà máy bia đều được yêu cầu xử lý đến một mức độ thích hợp trước khi xả thải vào môi trường Quá trình xử lý có thể được thực hiện bằng 3 phương pháp: vật lý, hóa học và sinh học hoặc kết hợp cả ba (H Huang, 2009)
Là phương pháp đầu tiên thường để xử lý sơ bộ, bao gồm các công trình ứng dụng quá trình vật lý để loại bỏ chất ô nhiễm ở dạng thô, thay vì chất ô nhiễm ở dạng hòa tan (Simate et al., 2011) Xử lý sơ bộ bao gồm các quá trình điều hòa lưu lượng, sàng lọc và lắng trọng lực Nhìn chung, phương pháp vật lý ít tiêu hao năng lượng nhưng hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm thấp
Các loại hóa chất khác nhau có thể được thêm vào nước thải nhà máy bia để làm thay đổi tính chất hóa học của nước (H Huang, 2009) Xử lý bằng phương pháp hóa học bao gồm việc điều chỉnh pH, keo tụ và tạo bông để loại bỏ tạp chất trong nước thải
Phương pháp hóa học có ưu điểm là có thể ứng dụng một cách nhanh chóng (Mohan, 2008), nhưng nhược điểm của phương pháp này so với phương pháp vật lý là phải bổ sung hóa chất làm tăng chi phí xử lý (Metcalf & Eddy, 1991)
Tổng quan về giá thể
Biofringe là giá thể sử dụng trong công nghệ Swim - bed, đây là công nghệ có sự kết hợp ưu điểm của quá trình sinh trưởng dính bám giá thể cố định và giá thể tầng sôi
Sinh khối dính bám trên giá thể tạo thành 2 vùng: vùng kỵ khí và vùng hiếu khí trong lớp màng sinh khối, 2 vùng này tạo điều kiện cho quá trình nitrate hóa và khử nitrate xảy ra BioFringe đƣợc làm từ các nguyên liệu dệt, các sợi dây treo có nguồn gốc từ polyester, có thể căng mạnh ra và kết nối dễ dàng và không thấm nước Ưu điểm của vật liệu tiếp xúc BioFringe:
- Tăng khả năng bám dính 2 - 5 lần Giảm thể tích bể xử lý
- Giảm sản lượng bùn từ 1/5 - 1/10 Không cần khử nước cho bùn
- Không cần các quá trình tiền xử lý phía trước như keo tụ, tạo bông vì thời gian lưu bùn dài hơn
- Một hệ thống BioFringe vận hành ở nồng độ MLSS ≥ 20000 mg/L nên công suất hệ thống có thể tăng lên Từ đó, kích thước của bùn bóc ra khỏi vật liệu BioFringe lớn hơn so với hệ thống bình thường
- Hệ thống BioFringe có thể vận hành lâu hơn (trên 15 năm) với mức độ bảo dƣỡng thấp
- Ngoài ra, các sợi giá thể acrylic ưa nước có bề mặt xù xì, rỗ, điều này cho phép một lượng lớn bùn bám dính trên nó, nhờ sự chuyển động của dòng nước tạo ra chuyển động “Swimming” làm tăng khả năng tiếp xúc của màng sinh học với cơ chất, giúp quá trình xử lý đạt hiệu quả cao hơn
Hình 2.3: Sợi BioFringe trước và sau khi bùn bám dính
2.3.2 Tổng quan về giá thể BioFix
BioFix là một giá thể tiếp xúc đặc biệt đƣợc dùng trong công nghệ Stick-Bed, BioFix đƣợc làm từ một loại sợi polyester tổng hợp nhƣ một khung và các sợi acrylic thấm nước như một thùng chứa bùn Ưu điểm của vật liệu tiếp xúc BioFix là:
- Diện tích bề mặt gấp 6 lần so với BioFringe
- Thể tích bùn lưu giữ lớn, gấp 10 lần so với BioFringe
- Chất lượng nước đầu ra tốt
- Dòng nước xung quanh ít xuất hiện hơn vì những khe hở rộng và bùn không rơi đồng loạt
- Bùn giữ chặt và ổn định
- Thích hợp cho quá trình xử lý kỵ khí
Hình 2.4: Cấu tạo giá thể BioFix 2.3.3 Các quá trình xử lý trong mô hình ứng dụng giá thể 2.3.3.1 Quá trình loại bỏ chất hữu cơ
- Loại bỏ chất hữu cơ bằng quá trình kỵ khí:
Hình 2.5: quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
- Loại bỏ chất hữu cơ tại bể hiếu khí Trong bể hiếu khí, chuyển hoá chất hữu cơ bằng vi sinh vật đƣợc mô tả bằng 2 phương trình sau:
Oxy hoá tổng hợp tế bào
CHONS + O 2 + chất dinh dƣỡng CO 2 + NH 3 + C 5 H 7 O 2 N + sản phẩm khác
C 5 H 7 O 2 N + 5O 2 5CO 2 + 2 H 2 O + NH 3 + năng lƣợng Quá trình loại bỏ chất hữu cơ xảy ra ở bể này khi pH giao động khoảng từ 6 - 9, tối ƣu nhất vẫn là pH ở mức trung tính DO trong bể hiếu khí luôn lớn hơn 2 mg/L
2.3.3.2 Quá trình chuyển hoá nitơ
Quá trình nitrate hoá xảy ra trong bể kỵ khí chủ yếu là nhờ Nitrosomonas và Nitrobacter Các vi khuẩn này oxy hoá các hợp chất nitơ vô cơ qua phản các ứng sau:
Tổng phản ứng oxy hoá
NH 4 + + 2O 2 NO 3 - + 2H + + 2H 2 O Nguồn carbon đƣợc sử dụng là carbon vô cơ nên quá trình nitrate hoá không phụ thuộc nhiều vào nồng độ BOD trong nước thải
Quá trình khử nitrate diễn ra trong bể thiếu khí với nguồn carbon dễ phân huỷ sinh học Phản ứng diễn ra của quá trình nhƣ sau:
NO 3 - + RBOM N 2 + CO 2 + H 2 O + OH - + tế bào mới
Hình 2.6: Quá trình chuyển hoá nitơ trong nước bởi vi sinh vật
2.3.3.3 Quá trình loại bỏ photpho
Vi sinh vật tích luỹ photpho PAOs được kích thích tăng trưởng trong hệ thống nếu nhƣ chúng chiếm ƣu thế so với các vi sinh vật khác Do PAOs xử lý photpho bằng cách tổng hợp thành chất nội bào, nên quá trình loại bỏ photpho khỏi mô hình phải thông qua sự loại thải bùn
2.3.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng giá thể trong và ngoài nước
Nguyễn Lễ và cộng sự (2010) đã nghiên cứu khả năng loại bỏ COD và nitrate hóa nước thải cao su bằng công nghệ Swim - bed Nước thải được lấy từ nhà máy sản xuất cao su có nồng độ COD dao động từ 2000 - 3000 mg/L, Ammonia từ 150 - 300 mg/L và TKN từ 250-500 mg/L Kết quả cho thấy khả năng loại bỏ COD và nitrate hóa đạt được hiệu quả cao Tại tải trọng thấp hơn 1 kgCOD/m 3 ngày (tương ứng với 0.17 kgTKN/m 3 ngày) thì hiệu quả loại bỏ COD đạt trên 90% và nitrate hóa đạt trên 56%
Tại tải trọng 2 kgCOD/m 3 ngày (tương ứng với 0.26 kgTKN/m 3 ngày) thì hiệu quả loại bỏ COD vẫn đạt trên 90%, nhƣng hiệu quả nitrate hóa chỉ còn 56% Tại tải trọng 3 kgCOD/m 3 ngày (tương ứng với 0.36 kgTKN/m 3 ngày) thì hiệu quả loại bỏ COD chỉ còn 80% và hiệu quả nitrate hóa chỉ còn 24% Nồng độ sinh khối tăng khi tải trọng tăng, nồng độ MLSS đo đƣợc 6750 mg/L tại tải trọng 2 kgCOD/m 3 ngày và 7850 mg/L tại tải trọng 3 kgCOD/m 3 ngày
Lê Quang Huy (2012) đã nghiên cứu khả năng xử lý nước thải giết mổ bằng mô hình kết hợp Swim - bed và Stick - bed Cụm bể xử lý gồm 4 ngăn đƣợc hợp khối với nhau gồm: ngăn kỵ khí, ngăn thiếu khí, ngăn hiếu khí và ngăn lắng với thể tích lần lƣợt là 10 lít, 10 lít, 10 lít và 2.5 lít Bể kỵ khí và bể thiếu khí đƣợc gắn 3 tấm vật liệu BioFix với tổng diện tích là 480 cm 2 , bể hiếu khí đƣợc gắn sợi giá thể BioFringe dài 500 mm và đƣợc xoắn lại Mô hình vận hành ở các tải trọng 3.5 - 6.5 kgCOD/m 3 ngày Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả khử COD, TKN, Ammonia, photpho thấp nhất lần lƣợt là
95.84%; 79.78%; 66.12% và 44.48% với thời gian lưu nước của hệ thống là 8 giờ
Mai Thành Luân (2013) đã nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng mô hình kết hợp Swim - bed và Stick - bed Mô hình đƣợc thiết kế bao gồm 4 bể: bể kỵ khí, bể thiếu khí và bể hiếu khí, mỗi bể có thể tích 10 lít, sau cùng là bể lắng với thể tích 2.5 lít Bể kỵ khí và bể thiếu khí sử dụng công nghệ Stick - bed với BioFix làm giá thể, còn bể hiếu khí sử dụng công nghệ Swim - bed dùng giá thể BioFringe Mô hình đƣợc vận hành ở các tải trọng COD từ 3.5; 4.5; 5.5; 6.5 kgCOD/m 3 ngày Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý COD là trên 95%, SS trên 93% Hiệu suất xử lý photpho của hệ thống chƣa cao chỉ hơn 43%, với nồng độ đầu ra thấp nhất là 7.5 mg/L Khả năng xử lý
Joseph D Rouse và cộng sự (2004) đã ứng dụng công nghệ Swim - bed như một quá trình sinh trưởng bám dính mới để xử lý nước thải tải trọng cao Trong các bể phản ứng, nước thải được bơm vào ngăn sục khí Khí nén được đưa vào tạo sự xáo trộn và oxy hóa nước thải Sợi BioFringe trong bể phản ứng 7.7 lít dài 520 mm và có 94 sợi giá thể, còn trong bể phản ứng 21.6 lít sợi BioFringe dài 1.540 mm và có 245 sợi giá thể
Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý COD của mô hình lên đến 80% ở tải trọng 12 kgCOD/m 3 ngày với thời gian lưu nước là 3 giờ
Doan Thi Thu Ha và cộng sự (2005), đã ứng dụng công nghệ Swim - bed để nghiên cứu sự nitrate hóa Ammonia - chất làm ô nhiễm nước ngầm tại Hà Nội Hai bể phản ứng với khối lƣợng giá thể Biofringe khác nhau (một sợi và hai sợi) đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này Mô hình thực nghiệm chi tiết nhƣ hình sau:
Hình 2.7: Mô hình nghiên cứu của Đoàn Thị Thu Hà và cộng sự (2005)
Nước đầu vào là nguồn nước nhân tạo với thành phần tương tự với nước ngầm bị ô nhiễm ở Hà Nội Nồng độ ammoniavà độ kiềm của nguồn nước đầu vào lần lượt là 30 mgN/L và 230 mgCaCO 3 /L Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý ammonia từ 95 - 100% ở tải trọng thể tích từ 0.24 - 0.48 kgN/m 3 ngày tương ứng với thời gian
Nước thải vào Bể phản ứng BF Ðầu ra Bơm nước thải
Lưu lượng khí lưu nước là 3 giờ và 1.5 giờ, thu được tương ứng với 2 bể phản ứng 1 sợi BioFringe và 2 sợi BioFringe
Tổng quan về công nghệ AAO
Năm 1979, mô hình kết hợp cả 3 quá trình xử lý kỵ khí/thiếu khí/hiếu khí (AAO) đã được ứng dụng để xử lý nitơ và photpho trong nước thải Quá trình này bao gồm 3 ngăn Ngăn thứ nhất chứa hỗn hợp nước thải đầu vào và bùn tuần hoàn trong điều kiện kỵ khí Ngăn thứ 2 thực hiện quá trình khử nitơ từ hỗn hợp nước thải từ ngăn thứ nhất và dòng nội tuần hoàn nitrate từ ngăn thứ 3 Ngăn thứ 3 có chức năng thực hiện quá trình nitrate hóa và loại bỏ photpho trong điều kiện hiếu khí (Syed R Quasim, 2014)
Một phần bùn hoạt tính từ ngăn hiếu khí đƣợc tuần hoàn về ngăn kỵ khí để duy trì nồng độ bùn cho hệ thống và tạo điều kiện để xử lý photpho Tuy nhiên, sự hiện diện của nitrate trong dòng tuần hoàn gây hại cho vùng kỵ khí ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý photpho của vi sinh vật hiếu khí Việc bố trí ngăn kỵ khí đặt trước ngăn thiếu khí giúp tránh đƣợc tình trạng thiếu hụt nguồn carbon cho xử lý nitơ, làm tăng hiệu quả xử lý nitơ và photpho của hệ thống (Weizeng và các công sự, 2010)
Hình 2.8: Mô hình công nghệ AAO 2.4.2 Tình hình nghiên cứu về công nghệ AAO
Bo Zhang và các cộng sự (2000) đã nghiên cứu xử lý nitơ và photpho từ nước thải sinh hoạt bằng mô hình AAO Mô hình xử lý gồm 2 cụm bể AAO bố trí song song, 1 cụm bể thiếu khí/kỵ khí/hiếu khí (A 2 /A 1 /O) và cụm bể còn lại là kỵ khí/thiếu khí/hiếu khí (A 1 /A 2 /O), thể tích của bể là 77.2 L Nước thải được lấy từ nhà máy xử lý nước thải
Shanghai Songjiang có nồng độ COD từ 400 – 800 (mg/L), BOD 5 từ 150 – 450 mg/L, TN từ 45 – 65 mg/L, TP từ 2.5 – 10 mg/L Mô hình được vận hành với thời gian nước 8 giờ, thời gian lưu bùn 12 ngày, tỉ lệ RAS ở A 2 /A 1 /O khí là 2.0 với MLSS là 2117 mg/L và ở bể A 1 /A 2 /O là 0.71 với MLSS là 1760 Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả loại bỏ TN và TP của A 2 /A 1 /O tốt hơn A 1 /A 2 /O tương ứng với nồng độ đầu ra là 8.9 mg/L và 0.67 mg/L; 14.9 mg/L và 1.51 mg/L
S Chakraborty và cộng sự (2005) đã nghiên cứu xử lý nước thải chứa cyanide, phenol, thiocyanate và ammonia bằng mô hình AAO liên tục Mô hình gồm 3 bể: kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí và bể lắng với kích thước lần lượt là 5; 5; 5 ; 1L Nước thải đầu vào của mô hình là nước thải tổng hợp có nồng độ phenol là 1000 mg/L , thiocyanate 400 mg/L, ammonia 600 mg/L và cyanide từ 30-70 mg/L Mô hình đƣợc vận hành từ
40 - 50 ngày trong đó 7 - 10 ngày đầu là giai đoạn thích nghi và 35 - 40 ngày tiếp theo là giai đoạn ổn định và đƣợc chia làm 4 chế độ tải (1 - 4) với 9 thí nghiệm đƣợc thực hiện Kết quả nghiên cứu cho thấy, với thời gian lưu 6 giờ và tỉ lệ nội tuần hoàn là 1 thì hiệu quả loại bỏ COD là 90%, cyanide là 96%, TN là 50%, phenol và thiocyanate là 100% Hiệu quả loại bỏ TN tăng khi tăng tỉ lệ nội tuần hoàn và bể kỵ khí loại bỏ hơn 75% cyanide
Weizeng và các công sự (2010) đã nghiên cứu quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa của nước thải đô thị bằng mô hình AAO Mô hình gồm cụm bể AAO với thể tích là
80L và bể lắng với thể tích 24L Cụm bể AAO đƣợc chia làm 6 ngăn, 4 ngăn đầu đƣợc khuấy trộn cơ học để tạo điều kiện thiếu khí và kỵ khí, 2 ngăn cuối là ngăn hiếu khí
Bùn được lấy từ nhà máy xử lý nước thải Gao bei dian, Bắc Kinh Nước thải đầu vào được lấy từ cống của trường học có nồng độ COD từ 105.4 - 270.6 mg/L, ammonia từ 55.5 - 80.7 mg/L, TN từ 59.6 - 85.6 mg/L Mô hình đƣợc vận hành trong 180 ngày và chia làm 6 pha Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả loại bỏ ammonia của mô hình trên 95%, quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa ở DO thấp 0.3 - 0.5 mg/L bằng với ở nồng độ DO 1.5 - 2.5mg/L khi bổ sung nguồn carbon, và kể cả khi nồng độ DO thấp quá trình “bulking” bùn vẫn không xảy ra khi chỉ số SVI dưới 150 mL/g
Weizeng và các công sự (2010) đã nghiên cứu quá trình loại bỏ photpho và ảnh hưởng của quá trình tích lũy nitrite đến loại bỏ photpho từ nước thải đô thị bằng mô hình AAO Mô hình gồm cụm bể AAO với thể tích là 80L và bể lắng với thể tích 24L
Cụm bể được chia làm 8 ngăn Nước thải đầu vào được lấy từ cống của trường học có nồng độ COD từ 105.4 – 270.6 mg/L, ammonia từ 55.5 đến 80.7 mg/L, TN từ 59.6 đến 85.6 mg/L, PO 4 3- từ 4.3 đến 8.28 mg/L Thời gian lưu bùn từ 15 – 20 ngày MLSS từ 200 – 300 mg/L Mô hình vận hành đƣợc chia làm 7 pha Kết quả nghiên cứu cho thấy trung bình hiệu quả loại bỏ TN khoảng 47% và hiệu quả loại bỏ photpho gần nhƣ bằng 0 khi không có vùng tiền thiếu khí và bổ sung nguồn carbon Ngƣợc lại khi có vùng tiền thiếu khí, hiệu quả loại bỏ TN và TP tăng lên tương ứng là 75% và 98%
Dong Wang và cộng sự (2014) đã nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp hóa chất bằng mô hình AAO Bể kỵ khí có kích thước là 8 cm × 8 cm × 40 cm; bể thiếu khí là 8 cm × 8 cm × 40 cm; bể hiếu khí 24 cm × 8 cm × 40 cm Nước thải công nghiệp đƣợc lấy từ khu công nghiệp Tianjim, Trung Quốc bao gồm nhiều ngành nhƣ dƣợc phẩm, hóa dầu, sản xuất điện, hóa chất Nồng độ nước thải đầu vào có COD từ 190 -
574 mg/L, BOD 5 từ 55 – 243 mg/L, TN từ 23.5 – 28.78, ammonia từ 17.65 – 24.2 mg/L, TP từ 0.9 – 1.2 mg/L Mô hình được vận hành với thời gian lưu là 20, 40, 60 giờ với MLSS là 3 và 6 g/L Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng thời gian lưu và tăng MLSS hiệu quả loại bỏ COD có thể tăng lên đến 72% Kết quả phân tích bằng quang phổ tia X cho thấy Fe (III) đƣợc hấp thụ trên bề mặt bùn hoạt tính và là nguyên nhân làm giảm MLSS và chỉ số SVI
Pengyuan Ding và cộng sự (2016) đã nghiên cứu xử lý nước thải hóa dầu bằng công nghệ AAO Hệ thống xử lý gồm: bể kỵ khí, cụm bể thiếu khí - bể hiếu khí và bể lắng có thể tích lần lượt là 150, 150 và 25 L Nước thải đầu vào lấy từ nhà máy xử lý nước thải hóa dầu tây bắc Trung Quốc và trộn với nước thải đô thị với tỉ lệ 3:1, có nồng độ COD giao động từ 205 - 561 mg/L, BOD5 từ 67 - 218 mg/L, NH 4 + từ 16.9-38.2 mg/L, TN từ 20.5 - 60 mg/L, TP từ 0.44 - 2.57 mg/L Cyanide từ 0.01 - 0.02 mg/L, VPCs từ 10 - 15 mg/L, BCs 13 - 20 mg/L, ban đầu hệ thống được chạy ở thời gian lưu nước 48 giờ, sau 3 tuần giảm xuống còn 20 giờ, tỉ lệ tuần hoàn bùn là 100% Sau 8 tháng vận hành, kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý COD đạt 65 - 90%, ammonia khoảng 95.4%, TN và TP giảm tương ứng 44.7% và 51.7%.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mô hình nghiên cứu
Mô hình nghiên gồm 4 bể chính đƣợc phối hợp với nhau đó là: bể kỵ khí, bể thiếu khí, bể hiếu khí và bể lắng chi tiết cụ thể đƣợc thể hiện trong Hình 3.1 và Hình 3.2
Hình 3.1: Sơ đồ mô hình trong nghiên cứu
Hình 3.2: Kích thước chi tiết bể xử lý
Thể tích các bể kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí và bể lắng trong nghiên cứu này lần lượt là 10; 10; 10 và 2.5 lít Tỉ lệ V kỵ khí : V thiếu khí : V thiếu khí là 1:1:1 được lựa chọn tương tự nhƣ nghiên cứu của S Chakraborty và cộng sự ,2005
- Chi tiết các giá thể BioFix và BioFringe trong mô hình
Cơ sở lựa chọn kích thước gia thể Biofringe và BioFix căn cứ vào nghiên cứu của Lê Quang Huy, 2012 và Mai Thành Luân, 2013 Kích thước giá thể cụ thể nhƣ sau:
Bể hiếu khí đƣợc đặt sợi BioFringe có chiều dài 55 cm và cố định 2 đầu
Bể kỵ khí và bể thiếu khí mỗi bể đƣợc gắn 3 tấm Biofix, mỗi tấm có diện tích khoảng 60 cm 2
Hình 3.3: Cấu tạo thực thế của giá thể; (a) vật liệu BioFringe trong bể hiếu khí; (b) vật liệu BioFix trong bể kỵ khí và bể thiếu khí.
Nước thải
Nước thải được lấy ở bể điều hòa của hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Việt Nam, Quận 12, Tp.HCM.
Bùn nuôi cấy
Bùn kỵ khí đƣợc lấy từ bể UASB và bùn hiếu khí đƣợc lấy từ bể Aeroten của hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Việt Nam, Quận 12, Tp.HCM,
Nội dung thí nghiệm
Khởi động mô hình với tải trọng thấp khoảng 3 kgCOD/m 3 ngày, tương ứng với COD đầu vào là 2400 mg/L, thời gian lưu nước là 19.2 giờ Duy trì lưu lượng nội tuần hoàn (IR) gấp 3 lần lưu lượng đầu vào Khi hiệu suất đạt ổn định, tăng dần tải trọng bằng cách tăng lưu lượng đầu vào để tiến hành khảo sát các chế độ tải tiếp theo tương ứng với tải trọng thấp, tải trọng thực tế và tải trọng cao (so với tải trọng thực tế của nhà máy bia từ 3 - 5 kgCOD/m 3 ngày )
- Chế độ 1: OLR 1 = 4 kgCOD/m 3 ngày, Q = 13.3 lít/ ngày
- Chế độ 2: OLR 2 = 5 kgCOD/m 3 ngày, Q = 17.8 lít/ ngày
- Chế độ 3: OLR 3 = 6 kgCOD/m 3 ngày, Q = 20 lít/ ngày
- Chế độ 4: OLR 4 = 7 kgCOD/m 3 ngày, Q = 25 lít/ ngày Mỗi trường hợp đều được chạy trung bình khoảng 30 ngày, mẫu được lấy kiểm tra trên từng trường hợp Khi chuyển sang tải trọng khác để hệ thống thích nghi với tải trọng mới trong 15 ngày.
Phương pháp lấy mẫu, phân tích
Mẫu được lấy tại bể chứa nước thải, sau bể kỵ khí, bể hiếu khí và tại bể chứa nước sau khi xử lý Mẫu phân tích đƣợc lấy vào các buổi sáng sau khi kiểm tra toàn bộ hệ thống vẫn còn hoạt động bình thường
Bảng 3.1: Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích
Chỉ tiêu Phương pháp Thiết bị/ hoá chất pH pH meter
COD Standar Methods 5220 A-D Định phân
N-NH 4 + Standar Methods Chƣng cất và chuẩn độ
N-NO 2 - Standar Methods Nessler, UV – visible spectrophotometer N-NO 3 - Standar Methods Nessler, UV – visible spectrophotometer
Chƣng cất – định phân marco – Kjedahl
TN TCVN 6638:2000 Bếp đun, máy chƣng cất TP Standar Methods 4500P Nessler, UV – visible spectrophotometer
MLSS Standar Methods 2540-D Lọc chân không, cân phân tích, tủ sấy ở
TSS Standar Methods 2540-D Lọc chân không, cân phân tích, tủ sấy ở
3.5.3 Phương pháp xử lý số liệu
Tính toán nồng độ COD:
Trong đó: a: thể tích FAS dùng cho mẫu trắng, ml b: thể tích FAS dùng cho mẫu phân tích, ml M: nồng độ mol của FAS
V m : thể tích mẫu, ml f: hệ số pha loãng mẫu
Hiệu quả xử lý COD:
COD v : nồng độ COD đầu vào, mg/l
COD r : nồng độ COD đầu ra, mg/l
Tính nồng độ N – NO 2 - , N – NO 3 - : dựa vào phương pháp trắc quang so màu theo Standard method 1998
Hiệu quả loại bỏ nitơ:
Hiệu quả loại bỏ nitơ (%) = 𝑇𝑁 𝑣 −𝑇𝑁 𝑟
TN v : tổng nồng độ nitơ đầu vào, mgN/l
TN r : tổng nồng độ nitơ đầu ra, mgN/l
Tính toán nồng độ TKN:
A: thể tích H 2 SO 4 dùng để chuẩn mẫu, ml B: nồng độ H 2 SO 4 dùng để chuẩn mẫu trắng, ml V: thể tích mẫu ml
Tính toán nồng độ N-NH 4 + :
A: thể tích H 2 SO 4 dùng để chuẩn mẫu, ml B: nồng độ H 2 SO 4 dùng để chuẩn mẫu trắng, ml V: thể tích mẫu ml
Giấy lọc: sấy tại 105 0 C trong vòng 2 giờ, hút ẩm 1 giờ và cân tới 3 số lẻ, ta có m 0
Mẫu: đồng nhất mẫu, lấy thể tích nhất định (V s ), đối với bùn lơ lửng hiếu khí lấy thể tích mẫu là 50ml, lọc qua giấy lọc bằng thiết bị hút chân không, sau đó sấy đến khối lƣợng không đổi ở 105 0 C trong 2 giờ, hút ẩm trong 1 giờ, cân và xác định m 1
Chỉ số bùn đƣợc xác định từ thực nghiệm bằng cách đo thể tích bùn lắng sau thời gian 30 phút, sau đó xác định khối lƣợng của bùn lắng (sấy ở 105 o C) Chỉ số bùn SVI đƣợc tính:
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Giai đoạn thích nghi của mô hình
Giai đoạn thích nghi của mô hình đƣợc tiến hành trong 30 ngày cho đến khi các thông số vận hành đƣợc tối ƣu và hiệu suất xử lý của mô hình ổn định thì chuyển sang giai đoạn khảo sát chính
Bùn và nước thải cho vào mô hình được lấy từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy bia Việt Nam - Quận 12 Bùn kỵ khí đƣợc lấy từ bể UASB có dạng hạt màu xám nhạt Bùn hiếu khí được lấy từ bể Aeroten có màu nâu nhạt Nước thải đầu vào mô hình có đặc tính nhƣ sau:
Bảng 4.1: Đặc tính nước thải đầu vào giai đoạn thích nghi
Thông số vận hành trong giai đoạn thích nghi nhƣ sau:
- Tải trọng (OLR 1 ): 3 kgCOD/m 3 ngày
- Nồng độ COD đầu vào: 2400 mg/L
- Thời gian lưu nước (HRT): 19.2 giờ
- Tỉ lệ nội tuần hoàn nitrate (IR) là 300% Tỉ lệ này căn cứ dựa vào giá trị nồng độ TN đầu vào là 157.7mg/L và giá trị nồng độ TN cho phép theo cột B - QCVN 11:2011/BTNMT là 40 mg/L Vì vậy, để đạt đƣợc tiêu chuẩn xả thải ta
STT Thông số Giá trị Trung bình
6 pH 6.5 - 7.5 cần duy trì IR sao cho hiệu suất loại bỏ nitơ khoảng 75% (3/4) tương ứng với Q hiếu khí : Q đầu vào là 3 : 1
Tiến hành khảo sát mức độ thích nghi của mô hình thông qua việc phân tích các chỉ tiêu COD, NH 4 + , NO 2 - , NO 3 - , TKN, TN, TP, MLSS và chỉ số SVI ở đầu vào, sau bể kỵ khí và đầu ra của mô hình
Kết quả phân tích trong giai đoạn thích nghi
Chỉ số SVI tại bể hiếu khí của mô hình đƣợc đo trong thời gian chạy thích nghi (30 ngày) tương ứng với các ngày lấy mẫu theo thứ tự sau 1, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 và 30 ngày
Bảng 4.2: Chỉ số SVI trong giai đoạn thích nghi
Bùn hoạt tính được lấy từ bể Aeroten của hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Việt Nam nên chỉ số SVI khá tốt (đo tại nhà máy khoảng 104 mL/g) Giai đoạn đầu của quá trình thích nghi, bùn chƣa dính bám trên các giá thể nên chỉ số SVI lúc đầu khá cao (118 đến 120) Sau khoảng 9 ngày khi bùn đã bám dính trên các sợi giá thể Biofringe thì chỉ số SVI có giảm nhẹ Tuy nhiên, nhìn chung chỉ số SVI của hệ thống trong giai đoạn thích nghi là khá tốt cho thấy bùn đang trong trạng thái hoạt động ổn định, lắng tốt
Hình 4.1: Chỉ số SVI của bể hiếu khí trong giai đoạn thích nghi
Khả năng xử lý COD, TN, TP, SS Bảng 4.3: Kết quả phân tích trung bình các chỉ tiêu giai đoạn thích nghi
Sau kỵ khí − − − − 1.287.32 − − Đầu ra 40.19 12.19 12.38 57.65 192.59 4.66 0.05
Hình 4.2: Khả năng xử lý COD của bể kỵ khí và mô hình
COD của nước thải bia được loại bỏ chủ yếu thông qua 2 quá trình: xử lý kỵ khí và xử lý hiếu khí
Khi bắt đầu vận hành, hệ thống chƣa ổn định nên hiệu suất xử lý COD của ngăn kỵ khí còn thấp, COD sau kỵ khí từ 1655 mg/L – 1752 mg/L, hiệu suất xử lý đạt 27% – 31% Sau 9 ngày vận hành, quan sát bể kỵ khí thấy có hiện tƣợng bọt khí thoát ra liên tục chứng tỏ quá trình sinh metan đang diễn ra, lúc này bùn đã bắt đầu thích nghi, hiệu suất xử lý bắt đầu tăng lên và đạt cao nhất là 60% (COD đầu ra khoảng 950 mg/L) ở ngày thứ 27 và 30
Tại ngăn hiếu khí trước khi vận hành, nước thải có COD khoảng 500 mg/L cùng với bùn hoạt tính đƣợc pha loãng đến MLSS khoảng 2000 mg/L, sau đó tiến hành sục khí để tạo điều kiện cho vi sinh thích nghi và phát triển Sau 2 ngày, quan sát thấy bùn bắt đầu bám dính lên giá thể BioFringe Khoảng thời gian đầu vận hành, hiệu suất xử lý của toàn mô hình còn thấp, nồng độ COD đầu ra dao động khoảng 320 mg/L - 466.6
3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Đầu vào COD sau kỵ khí COD đầu ra Bể kỵ khí Mô Hình
COD (mg/L) Hiệu suất xử lý (%) mg/L Nhƣng khi bùn kỵ khí và hiếu khí bắt đầu thích nghi thì hiệu suất của toàn mô hình tăng dần đạt trên 91% Đến ngày cuối cùng thì nồng độ COD đầu ra chỉ còn 60.4 mg/L, hiệu suất đạt hơn 97.4%
Hình 4.3: Hiệu suất xử lý COD, TN, TP, SS của mô hình
Tương tự như COD, hiệu suất xử lý TN, TP và SS cũng có xu hướng tăng dần và cao nhất ở các ngày cuối cùng của giai đoạn thích nghi tương ứng là 57.2%, 96.8% và 95.8%
Với các kết quả thu đƣợc mô hình đã bắt đầu hoạt động ổn định và hiệu suất xử lý tương đối cao Vì vậy, tiếp tục tiến hành khảo sát các chế độ tải tiếp theo
4.2 Giai đoạn khảo sát chính 4.2.1 Khả năng xử lý COD
Sau khi giai đoạn thích nghi ổn định, tiến hành giai đoạn khảo sát chính với 4 chế độ tải: chế độ 1 tải trọng 4 kgCOD/m 3 d (từ ngày thứ 45 đến ngày thứ 72), chế độ 2 tải trọng 5 kgCOD/m 3 d (từ ngày thứ 87 đến ngày thứ 114), chế độ 3 tải trọng 6 kgCOD/m 3 d (từ ngày thứ 129 đến ngày thứ 156), chế độ 4 tải trọng 7 kgCOD/m 3 d (từ
HRT (giờ) = V 24 ngày thứ 171 đến ngày thứ 198), tương ứng với thời gian lưu nước là 18 giờ, 13.4 giờ, 11.4 giờ, 9.6 giờ (thời gian lưu nước tính cho bể kỵ khí tương ứng với lưu lượng đầu vào mô hình, phụ thuộc vào V, Q và OLR), thời gian lưu của bể thiếu khí và hiếu khí tính theo công thức sau:
Bảng 4.4: Trung bình nồng độ và hiệu suất xử lý COD ở các chế độ tải
COD sau kỵ khí (mg/L)
Hiệu suất xử lý bể kỵ khí
Hiệu suất xử lý mô hình
45 54 63 72 93 102 111 132 141 150 171 180 189 198 Đầu vào Sau kỵ khí Bể kỵ khi
COD (mg/L) Hiệu suất xử lý (%)
Chế độ 1 Chế độ 2 Chế độ 3 Chế độ 4
COD đƣợc loại bỏ đầu tiên ở bể kỵ khí, các vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ nhƣ là nguồn thức ăn để tạo thành sinh khối và các sản phẩm nhƣ CH 4 , CO 2 , H 2 S, H 2 O theo phương trình sau:
Chất hữu cơ + vi sinh vật (điều kiện kỵ khí) CH 4 + H 2 O + CO 2 + sinh khối mới Nước thải được đưa vào theo hướng từ dưới lên trên theo dòng chảy, vì vậy chất hữu cơ đƣợc loại bỏ thông qua quá trình phân hủy do vi sinh vật dính bám trên giá thể Biofix và trên bùn lơ lửng
