Đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình kị khí kết hợp với giá thể PEG gel beads” được nghiên cứu trong đề tài này nhằm khắc phục một vài nhược điểm và nâng cao hiệu q
TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN VÀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỊ KHÍ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Tổng quan về công nghệ chế biến thủy sản
Hình 2.1 Quy trình sản xuất cá tra, cá basa fillet đông lạnh
Tiếp nhận nguyên liệu Cắt hầu – ngâm rửa 1
Rửa 2 Lạng da Chỉnh hình Kiểm sơ bộ Soi ký sinh trùng
Rửa 3 Pha – xử lý phụ gia Phân màu – phân cỡ
Chờ đông Cấp đông Tách khuôn
Cấp đông – mạ băng – tái đông
Bao gói Bao sản phẩm
2.1.2 Thuyết minh quy trình sản xuất cá tra, basa fillet đông lạnh Tiếp nhận nguyên liệu (TNNL): Trọng lƣợng từ 0.5 kg đến 3.5 kg
Nguyên liệu trước khi thu mua đã được bộ phận thu mua kiểm soát các chỉ tiêu kháng sinh, dƣ lƣợng các chất độc hại, giấy cam kết về việc kiểm soát chất lƣợng cá trong quá trình nuôi không sử dụng kháng sinh cấm, kháng sinh hạn chế/ thức ăn đƣợc kiểm soát, nguyên liệu đƣợc thu mua và vận chuyển về nhà máy bằng ghe đục
Tại khâu TNNL, QC công đoạn TNNL kiểm tra một lần nữa các yêu cầu nhƣ: cá sống, giấy kiểm tra các chỉ tiêu kháng sinh (KS) cấm (CAP, AOZ, MG/LMG,), đối với thị trường Mỹ phải kiểm đạt chỉ tiêu ENRO/CIPRO, Flumequine đối với lô nguyên liệu đang tiếp nhận, tờ khai xuất xứ nguyên liệu của nhà cung cấp, kháng sinh hạn chế (ENRO, CIPRO, Tetracylin, Oxiytetracylin, Clotetracylin), thức ăn được kiểm soát và đã ngưng sử dụng kháng sinh ít nhất 30 ngày trước khi thu hoạch Thông báo của Nafiqad về dƣ lƣợng thuốc trừ sâu và kim loại nặng ở vùng khai thác nguyên liệu trước khi đưa vào sản xuất Sau đó được tiến hành kiểm tra cảm quan trước khi nguyên liệu được tiếp nhận đưa vào sản xuất tại nhà máy
Cá sau khi đƣợc tiếp nhận, chuyển đến công đoạn cắt hầu qua máng nạp liệu Sau đó công nhân khâu cắt hầu sẽ dùng dao chuyên dụng cắt vào phần yết hầu cá, mục đích làm cho cá chết, loại hết máu trong cơ thể cá và làm cho thịt cá sau fillet đƣợc trắng có giá trị cảm quan cao
Rửa 1: Nhiệt độ (T 0 ) nước rửa từ 20-25 o C, thời gian ngâm 7-10 phút
Sau khi cắt hầu, cá đƣợc chuyển sang công đoạn rửa 1 để rửa sạch máu, nhớt và các tạp chất bám trên bề mặt cá Cá đƣợc rửa bằng máy rửa tự động Thời gian ngâm cá từ 7-10 phút
Cá sau khi qua máy rửa 1 sẽ đƣợc băng tải chuyển đến khâu fillet, công đoạn fillet với mục đích tách phần thịt cá ra khỏi phần đầu, xương cá và nội tạng
Rửa 2: nhiệt độ (T 0 ) nước rửa: ≤ 10 0 C, thời gian (T) rửa: < 1 phút
Cá sau khi qua khâu fillet đƣợc chuyển đến công đọan rửa 2 Bán thành phẩm đƣợc rửa bằng thiết bị rửa tự động
Công đoạn rửa 2 nhằm làm sạch máu và nhớt đồng thời làm giảm bớt lƣợng vi sinh vật bám trên bề mặt miếng fillet
Sau khi rửa 2, bán thành phẩm (BTP) đƣợc đƣa qua máy lạng da nhằm để loại hết da, tạo điều kiện thuận lợi cho công đoạn sửa cá
Chỉnh hình (sửa cá): T 0 BTP ≤ 15 0 C
Sau công đoạn lạng da tiến hành chỉnh hình nhằm cắt bỏ thịt đỏ, mỡ, xương, da làm tăng giá trị cảm quan, đồng thời làm giảm bớt vi sinh vật trên miếng cá, giúp miếng cá có hình dạng nhất định
Tuy nhiên việc loại bỏ được mỡ eo, mỡ lưng, xương dè, da đầu, đốm hồng, đuôi đỏ ra khỏi miếng fillet và tránh không đƣợc rách đuôi, rách đầu, phạm thịt quá nhiều
Mỗi rổ cá sau khi chỉnh hình xong sẽ đƣợc chuyển lên công đoạn kiểm sơ bộ Tại đây người công nhân kiểm sơ bộ kiểm tra lại từng miếng cá fillet xem đã sạch hết mỡ lƣng, mỡ eo, da đầu trắng, da đầu đen, miếng cá có bị sần hay không Nếu đạt yêu cầu thì rổ cá đƣợc cân để xác định năng suất cho từng công nhân chỉnh hình
Sau đó BTP đƣợc chuyển qua công đoạn soi ký sinh trùng
Soi kí sinh trùng: T 0 BTP ≤ 15 0 C
Sau khi kiểm sơ bộ xong, BTP đƣợc chuyển sang công đoạn soi kí sinh trùng (KST) Công nhân công đoạn soi KST sẽ đặt từng miếng cá fillet lên bàn soi, quan sát bằng mắt và loại bỏ những miếng fillet có KST, đốm đen, đốm đỏ
Bán thành phẩm sau khi soi ký sinh trùng đƣợc chuyển sang công đoạn rửa 3 BTP đƣợc đƣa vào máy rửa để loại bỏ các tạp chất, làm trôi phần mỡ váng và vụn mỡ còn bám trên miếng cá
Nhiệt độ nước phải đạt ≤ 10 0 C Sau khi rửa xong BTP được chuyển qua công đoạn xử lý Thời gian rửa không quá 1 phút cho 1 lần rửa
Pha – xử lý phụ gia: T 0 BTP 15 0 C, thời gian quay mỗi mẻ 20 ÷ 30 phút, T 0 dung dịch xử lý (3-7 0 C)
Bán thành phẩm sau khi rửa xong, để ráo và cho vào máy quay chuyên dùng để quay phụ gia cho miếng cá bóng đẹp đảm bảo chất lƣợng của miếng cá trong quá trình cấp đông và bảo quản
Phân cỡ phân màu: T 0 BTP ≤ 15 0 C
BTP sau khi xử lý đƣợc chuyển qua công đoạn phân cỡ, phân màu, nhằm đáp ứng yêu cầu của hợp đồng Tại công đoạn này BTP đƣợc phân cỡ thành các size (60-
120, 120-170, 170-220, 220-Up) và các loại màu cơ bản (trắng, trắng hồng, hồng, hồng nhạt, vàng, vàng nhạt) Tùy theo yêu cầu của khách hàng mà phân thành từng loại khác nhau
Cân: Theo yêu cầu đơn đặt hàng, đúng theo loại, cỡ
Công đoạn cân để xác định khối lƣợng cho mỗi block tùy theo yêu cầu của từng khách hàng Sau khi cân xong chuyển BTP qua công đoạn xếp khuôn
Sau khi cân xong BTP đƣợc xếp lên khuôn để phục vụ công tác chờ đông, cấp đông Định dạng block làm tăng vẻ mỹ quan cho sản phẩm Nếu có mạ băng có thể được châm nước đã làm lạnh có nhiệt độ ≤ 4 0 C nhằm tăng thời hạn bảo quản sản phẩm (nhƣng không vƣợt quá 20%)
Chờ đông: T 0 kho/ bồn chờ đông :-1 0 C÷ 4 0 C, nhiệt độ BTP chờ đông ≤ 10 0 C, thời gian (T) chờ đông ≤ 4 giờ
Nguồn gốc phát sinh và đặc tính nước thải thủy sản
Ngành công nghiệp thủy sản gồm nhiều nhà máy nhỏ tọa lạc tại các khu công nghiệp và vùng trung tâm đông dân số
Quy trình thủy sản tạo ra một lượng nước thải có chứa hàm lượng lớn các chất hòa tan, các chất dạng keo và dạng hạt Mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào từng quy trình
Mức độ ô nhiễm nhỏ (rửa), ô nhiễm nhẹ (cá fillet), ô nhiễm nặng (bể lưu giữ có nhiều dung dịch máu) và vũng nước lầy từ quy trình cá
Hình 2.2 Bể chứa nước thải cá chưa xử lý Nước thải từ quy trình thủy sản chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ hòa tan và chất hữu cơ lơ lửng Điều này thể hiện qua thông số BOD và COD Dầu mỡ động thực vật cũng thể hiện với hàm lượng lớn Thông thường, SS và thành phần dinh dưỡng nhƣ là ni tơ và phốt pho rất cao đồng thời cùng với sự hiện diện của mùi khó chịu
Ngoài ra hàm lƣợng natri clorua cao từ các bể chứa, các quy trình sản xuất và các dung dịch muối
Những loại chính đƣợc tìm thấy trong quy trình cá là máu, sản phẩm dƣ thừa, các cơ quan nội tạng, vây cá, đầu cá, da bì và thịt dƣ thừa Những quy trình chính trong sản xuất nhƣ là tiếp nhận, vận chuyển nguyên liệu từ tàu thuyền, phân loại, cân, giai đoạn chuẩn bị (mổ, tróc vảy, cắt miếng, vứt bỏ ruột và bì) Thành phần hữu cơ có trong nước thải được tạo ra từ các quy trình này
Nước thải ngành công nghiệp thủy sản có thể phân thành 2 loại: nước thải với lưu lượng lớn nồng độ chất ô nhiễm thấp và nước thải lưu lượng nhỏ với nồng độ ô nhiễm cao (Miroslav Colic và cộng sự)
Trong ngành công nghiệp thủy sản, vấn đề môi trường chính liên quan đến việc sử dụng một lượng lớn nước đầu vào cho quy trình, bao gồm nước rửa nguyên liệu đầu vào và sản phẩm, lau chùi máy móc, thiết bị, nước rửa sàn nhà Nói chung, khoảng 90 – 95% lượng nước tiêu thụ bị biến thành nước thải ô nhiễm cao (Nguyễn Phước
Dân và cộng sự, 2002) Quy trình thủy sản đông lạnh tiêu thụ lượng nước rất lớn, khoảng từ 70 đến 120 m 3 / tấn sản phẩm, tương đương với 32 – 60 m 3 / tấn nguyên liệu cá đầu vào Nước thải trong quy trình cá nói chung có tải trọng hữu cơ và dinh dưỡng cao Chất thải này được thải bỏ một cách phổ biến ra các bờ biển Nước thải thủy sản còn chứa một hàm lƣợng muối rất cao (Na + , Cl - , SO 4 2- ) gây ra từ nguyên liệu đầu vào và nước muối được sử dụng trong các quy trình khác nhau Hàm lượng muối cao làm giảm khả năng phân hủy sinh học trong các công trình xử lý Ở thành phố Hồ Chí Minh, ngành công nghiệp thủy sản là một trong những ngành công nghiệp chính gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng Hàm lượng BOD5 trung bình thay đổi từ 1200 đến 1800 mg/l, COD từ 1600 đến 2300 mg/l Hơn nữa, trong nước thải chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) cũng rất cao từ 150 đến 200 mg/L, hàm lƣợng ni tơ thay đổi từ 20 đến 110 mg/l Tải trọng ô nhiễm từ nền công nghiệp thủy sản và các ngành công nghiệp khác ở khu vực sông Đồng Nai chỉ ra trong bảng (2.1) Bảng này chỉ ra quy trình thủy sản gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam
Bảng 2.1 So sánh tải trọng ô nhiễm từ quy trình thủy sản và công nghiệp khác trong khu vực sông Đồng Nai (DOSTE – HCMC và CEFINIA, 1998)
Tải lƣợng ô nhiễm (kg/ngày)
Bảng 2.2 Thành phần nước thải từ các phân xưởng chế biến thuỷ sản
STT Chỉ tiêu Đơn vị
Sò Cá Cá fillet Mực
Nguồn: Nguyễn Trọng Lực, Luận văn cao học, Đại học Bách khoa Tp.HCM (2008)
Quy trình thủy sản đóng góp tải trọng ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng và nồng độ muối cao trong nước thải Quy trình cá còn chứa hàm lượng dầu và mỡ Điều này dẫn tới sự khó khăn trong việc xử lý bằng phương pháp sinh học (Mendez và cộng sự., 1992) Lượng nước tiêu thụ từ 18 đến 74 m 3 / tấn quy trình cá (Battistoni và Fava, 1994)
Tại Kota Pantai Muncar, Indonesia (Guntur Priambodo và cộng sự., 2011) là một thành phố biển nổi tiếng về thương mại cá, ngành công nghiệp chế biến cá đã phát triển từ những năm 1970 Đây cũng là ngành công nghiệp chính cho sự phát triển của thành phố Lượng nước thải phát sinh từ công nghiệp chế biển, sản xuất cá là
14300 m 3 /ngày Thành phần nước thải chứa hàm lượng các chất dinh dưỡng (N,P) và các chất hữu cơ Đặc tính chung của nước thải quy trình cá chứa 250 g trọng lượng khô (DW)/kg trọng lượng tươi, 141 gC/kgDW, 60 gTN/kgDW, 1g TP/kgDW, và các chất vô cơ khác (K, Ca, Mg, Fe và các kim loại nặng khác) nhỏ hơn 1g/tấn DW
Bảng 2.3 Đặc tính nước thải ở khu vực Kali Moro
STT Thông số Đơn vị Kết quả
Bảng 2.4 Đặc tính nước thải từ dầu và cá fillet ở khu vực Kali Mati
STT Thông số Đơn vị Kết quả
Bảng 2.5 Đặc tính nước thải cá ở khu vực Kali Tratas
STT Thông số Đơn vị Kết quả
Các công nghệ ứng dụng xử lý nước thải thủy sản
Do đặc tính nước thải ngành chế biến thủy sản chứa lượng chất hữu cơ lớn, tỉ số BOD/COD dao động khoảng từ 0.5 đến 0.7 (Lâm Minh Triết, 2006; Nguyễn Văn
Phước, 2005) nên biện pháp xử lý thường được áp dụng là sử dụng các công trình xử lý sinh học
Trong nước thải còn chứa lượng cặn khá lớn, các mảnh vụn nguyên liệu có đặc tính cơ học tương đối bền vì thế trước khi đưa vào hệ thống xử lý sinh học, nước thải cần đƣợc xử lý bằng các công trình xử lý cơ học để loại bỏ cặn này (Trịnh Xuân
Do lưu lượng và chất lượng nước thải chế biến thủy sản thay đổi rất lớn theo thời gian, do đó trong công nghệ thường phải sử dụng bể điều hòa có dung tích đủ lớn để ổn định nước thải dòng vào trươc khi qua các công trình xử lý sinh học tiếp theo
Nước thải sau khi xử lý sinh học vẫn còn một số vi sinh vật gây bệnh, do đó phải qua giai đoạn khử trùng trước khi xả ra ngoài môi trường
Với những tính chất và đặc tính của nước thải thủy sản đã nêu trên, một số công nghệ xử lý nước thải đã được áp dụng như sơ đồ dưới đây
Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ 1 xử lý nước thải thuỷ sản (Lâm Minh Triết, 2006)
Thiết bị ép bùn Bùn hoàn lưu
Nước tuần hoàn Tuyển nổi
Bể sinh học hiếu khí
Thuyết minh sơ đồ công nghệ Bể lắng cát:
Nước thải từ các phân xưởng sản xuất tập trung về hệ thống xử lý theo hệ thống cống riêng và được đưa qua công đoạn xử lý sơ bộ Đầu tiên, nước thải đi vào bể lắng cát để tách các chất rắn có tỉ trọng tương đối lớn như cát, bùn… sau đó, nước thải đi qua lược rác thô để tách các chất rắn có kích thước lớn như: bao nilon, giấy
Sau khi qua bể lắng cát, nước thải được thu qua bể thu gom bằng bơm Bể này có nhiệm vụ thu gom nước để bơm nước qua bể tách dầu mỡ
Tại đây, dùng thiết bị tách các thành phần chất rắn nhẹ hơn nước và có kích thước lớn Các chất thải rắn này đƣợc tập trung vào các thùng chứa và theo định kỳ sẽ được đem đi tái sử dụng hay chôn lấp Phần nước trong được cho qua bể điều hoà
Nước thải được đưa sang bể điều hoà để điều hòa lưu lượng và các thành phần (BOD, COD, SS…) của nước thải Do tải lượng các chất hữu cơ trong nước thải thủy sản khá cao, nước thải chủ yếu tập trung vào ban ngày nên bể điều hoà cần có một dung tích khá lớn để lưu giữ nước thải trong thời gian dài Nhờ oxy cung cấp từ các máy thổi khí, nước thải được khuấy trộn giúp các chất rắn lơ lửng không lắng lại trong bể, tránh hiện tƣợng lên men yếm khí xảy ra, đồng thời cũng làm giảm một phần nồng độ BOD, COD trong nước thải
Nước thải được đưa sang bể tuyển nổi để tách những phần tử mỡ li ti còn lại trong nước thải trước khi đưa vào hệ thống xử lý vi sinh
Trong bình áp lực của bể tuyển nổi nước được bão hòa khí ở áp suất 3 – 4 atm, khi đưa vào thiết bị tuyển nổi ở áp suất khí quyển, khí quá bão hòa sẽ tách ra khỏi nước và tạo thành các vi bọt khí có kích thước 20 – 30 m Các vi bọt này sẽ bám dính với các bông cặn đã hình thành trước đó làm giảm khối lượng riêng của chúng và kéo chúng lên trên bề mặt của thiết bị tuyển nổi Tại đây, chúng đƣợc một thiết bị vớt cặn thu gom để đƣa ra ngoài Một số cặn có tỷ trọng lớn, không nổi lên mặt nước mà lắng xuống đáy bể cũng sẽ được một thiết bị gạt bùn đưa về bể nén bùn
Cặn và bùn từ bể tuyển nổi theo trọng lực chảy vào bể nén bùn Phần nước trong đƣợc tiếp tục đƣa sang xử lý sinh học trong bể sinh học hiếu khí
Bể lọc sinh học hiếu khí:
Trong công đoạn xử lý sinh học tại bể sinh học hiếu khí, các chất bẩn hữu cơ tiếp tục được xử lý bằng quá trình vi sinh vật tăng trưởng lơ lửng Vi sinh vật phát triển ở dạng lơ lửng và huyền phù, chúng sử dụng các chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải như một nguồn năng lượng để sống và phát triển Từ bể sinh học hiếu khí, nước thải chảy vào bể lắng
Từ bể sinh học, nước thải chảy vào bể lắng, ở đây diễn ra quá trình tách bùn hoạt tính và nước thải đã xử lý Nước sau lắng được tiếp tục đưa sang bể khử trùng
Nước thải được khử trùng bằng chlorine để tiêu diệt các vi khuẩn trong nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường trước khi thải ra nguồn tiếp nhận
Bùn tách ra từ bể lắng một phần được hoàn lưu về bể sinh học để duy trì nồng độ bùn trong bể tại mức cố định, lƣợng bùn dƣ đƣợc bơm về bể chứa bùn Tại đây, phần bùn dư sẽ được lắng trọng lực xuống phía đáy bể, phần nước bên trên sẽ được bơm về bể thu gom
Tổng quan về quá trình sinh học kị khí xử lý nước thải thủy sản
Quá trình phân hủy sinh học kị khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy và hình thành sản phẩm cuối là khí biogas
2.4.2 Cơ chế quá trình phân hủy sinh học kị khí
Hình 2.5 Cơ chế phân hủy kị khí chất hữu cơ (Zehnder và cộng sự, 1982)
Chất hữu cơ ( Organic pollution)
Vi sinh vật kị khí (anaerobic microorganisms)
Chất hữu cơ (organic polymers)
CH 4 + CO 2 Vi sinh vật lên men
Giai đoạn thủy phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ
Trong điều kiện kị khí, các vi sinh vật phân hủy, bẽ gãy các chất hữu cơ cao phân tử (proteins, polysacsarides, lipid,…), các chất hòa tan và các chất không hòa tan thành các chất đơn giản, dễ hòa tan ( đường, amino acids, acids béo,…) vào trong tế bào và đƣợc chuyển hóa Các enzyme ngoại bào đóng vai trò quan trọng cho giai đoạn này
Năng lƣợng đƣợc tiêu thụ trong phản ứng thủy phân, năng lƣợng này lấy từ quá trình dị hóa do tạo thành các chất hữu cơ đơn giản từ quá trình thủy phân
2.4.2.2 Giai đoạn acetic hóa và hình thành axit
Sản phẩm cuối của giai đoạn thủy phân sẽ đƣợc lên men thành các acid hữu cơ, các chất hữu cơ trọng lƣợng phân tử thấp khác, khí H2, CO 2 Vi khuẩn sản xuất ra axit axetic và khí hydro là vi khuẩn acetogen Acid acetic là sản phẩm chính của giai đoạn này Sự hình thành axit có pH tối ưu từ 5 – 6 Thông thường vận hành quy trình kị khí tại pH gần 7 vẫn đƣợc ƣa thích để phù hợp với vi khuẩn sinh methane
Hình thành khí methane (CH 4 ), là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy kị khí Axit axetic sẽ bị vi khuẩn acetoclastic hoặc acetophilic phân hủy thành khí CH 4 và khí CO 2 theo phản ứng sau:
Dựa vào thuyết nhiệt động lực và các dữ liệu thực nghiệm, Zeikus (1975) đề xuất phản ứng sau cho sự hình thành khí CH4 từ axit axetic:
Ngoài ra, hydrogennophilic methanenogens cũng đóng góp 28% tổng lƣợng khí sinh ra theo phản ứng sau:
Khi áp suất riêng phần của khí H 2 dưới 10 -4 atm là điều kiện tốt cho hệ thống kị khí Ở những mức khí H 2 nhƣ vậy sẽ giúp sự hình thành axetic axit nhiều hơn từ các chất hữu cơ ban đầu và trung gian (Harper và Pohland, 1987) pH tối ƣu cho sự hình thành khí methane là 7 và hiệu suất tạo thành khí methane giảm đáng kể khi pH nằm ngoài khoảng 6 – 8
2.4.3 Vi sinh vật quá trình phân hủy sinh học kị khí
Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ đƣợc tiến hành bởi một nhóm vi khuẩn Quá trình này có thể bị hạn chế nếu một số nhóm vi khuẩn bị ức chế
Các loại vi khuẩn lên men: Nhóm vi khuẩn này chịu trách nhiệm cho giai đoạn đầu của phân hủy kị khí ( thủy phân và acid hóa)
Các loài vi sinh vật kị khí là Streptococcaceae và Enterobacteriaceae, phổ biến là Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium và Lactobacillus
Vi khuẩn sinh khí hydro: nhóm vi khuẩn này chuyển hóa propionate và các chất hữu cơ khác và các hợp chất hữu cơ mạch vòng thành acetate và CO 2
Kết hợp của vi sinh vật acetogenic và vi khuẩn methane tiêu thụ khí H 2 giúp giảm nồng độ khí H 2 dưới ngưỡng ức chế Vì thế vi khuẩn phân hủy propionate không bị ảnh hưởng bởi khí H 2 tự do
Homoacetogenes: gần đây đã đƣợc quan tâm nhiều trong quá trình kị khí do hình thành sản phẩm cuối là acetate, là nguồn sinh khí methane
Methanogens: là nhóm các vi sinh vật duy nhất thuộc nhóm Archaebacteria Hai loài methanogens chuyển hóa acetate thành methane:
- Methanosaeta (methanothrix): hình que - Methanosarcina (M mazei): hình cầu
CH 3 CH 2 COO - CH 3 COO - + CO 2 + H 2
2.4.4 Các yếu tố môi trường 2.4.4.1 Nhiệt độ
Có hai dãy nhiệt độ tối ƣu trong vận hành để sản xuất khí metan: 30 – 40 0 C (các vi sinh vật ƣa ấm) và 50 – 60 0 C (các vi sinh vật ƣa nhiệt)
2.4.4.2 pH pH cho quá trình phân hủy kị khí là 6 đến 8 (Zehnder và cộng sự, 1982) Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho rằng pH tốt nhất cho quá trình là 6.5 đến 7.5
Khi pH thấp làm giảm hoạt tính của vi khuẩn methane cũng nhƣ là tích lũy VFAs và khí H 2
2.4.4.3 Độ kiềm Độ kiềm sinh ra trong quá trình xử lý có khả năng đệm chống lại sự giảm pH Khi pH bắt đầu giảm do tích lũy VFAs, độ kiềm có mặt trong hệ thống trung hòa acid và ngăn cản sự giảm pH Nếu độ kiềm không thể đệm cho hệ thống cần bổ sung từ bên ngoài
2.4.4.4 Amonia và sulfide Ở nồng độ cao, ammonia kìm chế hoạt động của vi sinh vật kị khí Sulfate là chất nhận điện tử dưới điều kiện kị khí và hình thành sulfide Sulfide kìm hãm hoạt động của vi khuẩn methane
Bể UASB không thích hợp với nước thải có nồng độ ammonia lớn hơn 2000 mg/l hoặc hàm lƣợng sunphate vƣợt quá 500 mg/l (tỉ số COD/SO4 2-
0.5
Nồng độ Cl - đầu vào ở nghiên cứu 1 là 1180.1 ± 267.4 và nghiên cứu 2 là 1098.5 ± 243.0 Độ mặn của nước thải [Cl - ] < 18205 mg/l , do đó nồng độ muối cũng không tác động xấu đến bể phản ứng kị khí Độ kiềm nước thải đầu vào của nghiên cứu 1 dao động trong khoảng 594.6 ± 84.6 và nghiên cứu 2 dao động trong khoảng 756.4 ± 132.0 Độ kiềm của nước thải có tính đệm tốt cho nước thải, nhằm không cho pH nước thải giảm xuống khi xảy ra giai đoạn axit hóa và hình thành axit, vì vậy hoạt động sống của vi khuẩn metan đƣợc thuận lợi và quá trình khử COD đạt hiệu quả cao hơn
Vì vậy, quá trình chạy mô hình với hai nghiên cứu luôn đƣợc ổn định và duy trì cho đến khi kết thúc nghiên cứu mà không có tác động xấu đến hệ vi sinh vật kị khí trong bể phản ứng
4.3.1 Kết quả nghiên cứu xử lý COD ở các tải trọng khác nhau
Bảng 4.6 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý COD nghiên cứu 1
Bảng 4.7 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý COD nghiên cứu 2
Hình 4.9 Biến thiên COD đầu vào, đầu ra của nghiên cứu 1
Hình 4.10 Sự thay đổi COD đầu vào, đầu ra của nghiên cứu 2 Ở hình (4.9) cho thấy sau khoảng 55 ngày vận hành tải trọng hữu cơ tăng dần từ 1 kg COD/m 3 /ngày đến 4 kg COD/m 3 /ngày (HRT từ 24h đến 6h) hiệu suất xử lý đạt mức 88% đến 92% và đƣợc dùy trì khá ổn định với nồng độ COD đầu vào khoảng 1045 ± 55 mg/l và nồng độ COD đầu ra khoảng 107 ± 20 Điều này đạt đƣợc là nhờ
Thời gian, ngày COD đầu vào COD đầu ra Hiệu suất
COD đầu vào COD đầu ra Hiệu suất
1kgCOD/m 3 /d 2kgCOD/m 3 /d 3kgCOD/m 3 /d 4kgCOD/m 3 /d 6kgCOD/m 3 /d
1kgCOD/m 3 /d 2kgCOD/m 3 /d 4kgCOD/m 3 /d 6kgCOD/m 3 /d 8kgCOD/m 3 /d bùn trong bể có tính lắng cao và ít trôi ra khỏi bể phản ứng Thời gian lưu bùn cao và bùn đƣợc làm giàu Tiếp tục tăng tải trọng hữu cơ lên 6 kg COD/m 3 /ngày (HRT
= 4h) thì hiệu suất xử lý COD bắt đầu giảm dần xuống 88.13% và đạt mức thấp nhất là 77.84% với COD đầu vào 1066 ± 27mg/l và COD đầu ra 210 ± 15mg/l Điều này là do lúc này lượng khí gas sinh ra nhiều hơn, vận tốc dòng nước vào cũng tăng lên làm cho bùn bị xáo trộn mạnh và dễ dàng trôi ra khỏi hệ thống, nên khả năng làm giàu bùn trở nên khó khăn Tỷ số F/M sẽ lớn nên lƣợng vi khuẩn trong bể không đủ để xử lý hiệu quả chất hữu cơ, dẫn đến sốc tải trong suốt thời kỳ thực nghiệm với tải trọng 6 kg COD/m 3 /ngày Nhƣ vậy với việc tăng tải trọng hữu cơ lên 6 kg
COD/m 3 /ngày thì rất khó để đạt đƣợc hiệu xuất xử lý COD cao Do đó có thể nói rằng đối với nghiên cứu này để xây dựng một công trình sinh học kị khí xử lý chất hữu cơ thì việc chọn mức tải trọng hữu cơ 4 kg COD/m 3 /ngày đƣợc xem là tối ƣu
Tương tự, hình (4.10) biểu thị sự thay đổi của COD đầu vào và đầu ra theo thời gian Vận hành liên tục mô hình trong khoảng 80 ngày, cùng với sự gia tăng tải trọng hữu cơ từ 1 đến 6 kg COD/m 3 /ngày (HRT từ 24h đến 4h), hiệu suất xử lý COD đạt từ 89.04% đến 95.18%, với nồng độ COD đầu vào khoảng 998 ± 174 mg/l và COD đầu ra khoảng 79 ± 18 mg/l, hiệu suất này đƣợc duy trì liên tục và đạt mức trung bình khoảng 92% theo COD Điều này đạt đƣợc là nhờ bùn tự do và bùn hạt PEG gel beads trong bể có tính lắng cao và ít trôi ra khỏi bể phản ứng Thời gian lưu bùn cao và bùn được làm giàu Tiếp tục tăng tải trọng hữu cơ lên 8 kg COD/m 3 /ngày (HRT = 4h), hiệu quả xử lý COD giảm xuống rõ rệt Hiệu quả thấp nhất đạt đƣợc là 66.29% ở nồng độ COD đầu vào là 1426 mg/l, COD đầu ra là 472 mg/l và hiệu quả xử lý COD cao nhất đạt đƣợc là 75.23% ở nồng độ COD đầu vào là 1106 và COD đầu ra là 274 mg/l Điều này là do lúc này lƣợng khí gas sinh ra nhiều hơn, vận tốc dòng nước vào cũng tăng lên làm cho bùn và hạt PEG gel beads bị xáo trộn mạnh và lƣợng bùn tự do dễ dàng trôi ra khỏi hệ thống cũng nhiều hơn, nên khả năng lưu giữ và làm giàu bùn trở nên khó khăn Tỷ số F/M sẽ lớn nên lƣợng vi khuẩn trong bể không đủ để xử lý hiệu quả chất hữu cơ, dẫn đến sốc tải trong suốt thời kỳ thực nghiệm với tải trọng 8 kg COD/m 3 /ngày Nhƣ vậy việc xác định mức tải trọng hữu cơ 6 kg COD/m 3 / ngày đƣợc xem là tối ƣu cho nghiên cứu này để ứng dụng và triển khai một công trình xử lý nước thải thực tế là hoàn toàn phù hợp
Qua 2 nghiên cứu ta thấy rằng, khi có bổ sung một hàm lƣợng hạt PEG gel beads vào mô hình thực nghiệm bước đầu nhận thấy khả năng xử lý được chất hữu cơ ở mức tải trọng cao hơn Điều này là do lƣợng bùn tự do ở nghiên cứu có hạt PEG gel beads ít trôi ra hơn khi cùng chạy với tải trọng 6 kg COD/m 3 /ngày
Khi lượng khí biogas sinh ra càng nhiều, vận tốc dòng nước trong bể kị khí càng lớn, lƣợng bùn tự do càng dễ xáo trộn thì hạt PEG gel beads càng dễ nổi và càng có điều kiện tiếp xúc với nước thải Ở mức tải trọng hữu cơ 6 kg COD/m 3 /ngày đêm hội tụ đầy đủ các yếu tố trên nên đây đƣợc xem là mức tải tối ƣu
Khi mức tải trọng hữu cơ tăng lên 8 kg COD/m 3 /ngày thì lƣợng bùn tự do bắt đầu trôi ra càng nhiều, nên không thể tạo ra các đều kiện tối ƣu cho hạt PEG nổi lên và xáo trộn, khí CH 4 sinh ra bắt đầu giảm trên một đơn vị COD đầu vào do đó hiệu suất xử lý COD cũng giảm dần ở mức rất thấp
Nhận thấy rằng, khi có sự kết hợp giữa bùn tự do và bùn hạt PEG gel beads, mức tải trọng theo COD có thể chịu đựng đƣợc trong nghiên cứu 2 lớn hơn trong nghiên cứu 1 là 2 kg COD/m 3 /ngày
4.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý BOD ở các tải trọng khác nhau
Bảng 4.8 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý BOD5 nghiên cứu 1
Bảng 4.9 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý BOD 5 nghiên cứu 2
Hình 4.11 Biến thiên BOD 5 đầu vào, đầu ra của nghiên cứu 1
Hình 4.12 Biến thiên BOD 5 đầu vào, đầu ra của nghiên cứu 2
Hình (4.11) chỉ ra rằng đối với nghiên cứu 1, khi tải trọng hữu cơ tăng từ 1 đến 4 kg COD/m 3 /ngày, thời gian lưu nước giảm từ 24 giờ xuống còn 6 giờ, hiệu quả xử lý
BOD 5 khoảng 91.67% đến 93.5%, với BOD đầu vào khoảng 793 ± 23 mg/l và BOD đầu ra khoảng 59 ± 6 mg/l Hiệu quả xử lý BOD5 cao nhất khi tải trọng hữu cơ là 3 kg COD/m 3 /ngày tương ứng với thời gian lưu nước là 8 giờ, hiệu quả khử BOD 5 thấp nhất tại OLR = 4 kg COD/m 3 /ngày ứng với thời gian lưu nước là 6 giờ Tuy
BOD5 đầu vào BOD5 đầu ra Hiệu suất
BOD5 đầu vào BOD5 đầu ra Hiệu suất