nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ sinh học hybrid

Hệ sinh học hybrid kỵ khí USBF và hybrid hiếu khí Bio 2 Sludge lầnđầu được lựa chọn cho nghiên cứu nhờ tính khả thi về công nghệ, sửdụng hệ vi sinh hỗn hợp với mật độ sinh khối dày đặc t

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tinh bột mì là sản phẩm tồn tại dưới dạng hydrat cacbon hữu cơ tựnhiên với hàng ngàn công dụng khác nhau Ước tính ngành sản xuấttinh bột mì hàng năm thải vào môi trường 500.000 tấn bả thải và 15

cao với COD lên đến 20.000 mg/L, N khoảng 50 – 300 mg/L

Hiện nay, các công nghệ xử lý chưa hiệu quả Do vậy, cần thiết phảixác định công nghệ xử lý đảm bảo hiệu quả về môi trường và đápứng về mặt kinh tế, phù hợp với điều kiện các cơ sở sản xuất trongnước

Hệ sinh học hybrid kỵ khí USBF và hybrid hiếu khí Bio 2 Sludge lầnđầu được lựa chọn cho nghiên cứu nhờ tính khả thi về công nghệ, sửdụng hệ vi sinh hỗn hợp với mật độ sinh khối dày đặc tham gia vàoquá trình phân hủy cơ chất, cho phép giảm khối tích công trình, tăngtải trọng xử lý và phân hủy triệt để thành phần chất hữu cơ và dinhdưỡng Công nghệ trên còn có khả năng chịu sốc tải tốt, không bị ảnhhưởng đáng kể bởi tải trọng và chế độ hoạt động gián đoạn do đặcthù của ngành chế biến tinh bột mì

2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN

kỵ khí và hybrid hiếu khí

ứng dụng triển khai thực tế

3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ sinh họchybrid bao gồm các nội dung chính sau:

cơ chế chuyển hóa ở điều kiện kỵ khí (axit hóa và phân hủy tự

USBF:

- Xác định tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước, hàm lượng visinh và mật độ xơ dừa.

- Tỉ lệ vùng UASB/AnF, Lượng khí sinh học phát sinh

- So sánh hiệu quả xử lý của USBF và UASB

- Mô hình động học và các thông số động học

hiếu khí Bio 2 sludge (aeroten + AF):

- Loại vật liệu phù hợp: Xơ dừa; than đá; bio ball 15; ống ruột gàPVC; Bố trí cấu trúc lớp vật liệu lọc

- Chế độ vận hành: Tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước

- Mô hình động học và các thông số động học tương ứng

và hiếu khí

dụng triển khai thực tế

4 LUẬN ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

học hybrid với chi phí đầu tư và vận hành thấp

5 PHƯƠNG PHÁP LUẬN

Các công nghệ xử lý nước thải hiện hữu chỉ xử lý một phần hàmlượng ô nhiễm Nghiên cứu chú trọng các giải pháp công nghệ liên

xử lý độc tố, áp dụng công nghệ sinh học hybrid kỵ khí kết hợphybrid hiếu khí, sử dụng hệ vi sinh lơ lửng và bám dính trên cùngmột hệ thống nên ưu điểm hơn so với các hệ thống sinh học truyềnthống

Đối với hệ sinh học hybrid kỵ khí (USBF), tỉ lệ giữa vùng UASB vàvùng lọc kỵ khí sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu sốc tải và hiệu quảphân hủy cơ chất Do đó, nội dung luận án sẽ khảo sát tỉ lệ phù hợpgiữa vùng UASB và lọc sinh học.

Luận án còn tập trung vào việc lựa chọn vật liệu tiếp xúc, cách bố trí

và vận hành hệ thống Trong đó, chú trọng đến các vật liệu lọc rẻtiền, có sẵn trên thị trường và độ bền cho phép mà xơ dừa, than hoạttính, nhựa tái sinh là những vật liệu đang được ứng dụng hiện nay

Từ kết quả nghiên cứu, luận án xác định mô hình động học và cácthông số động học cho các hệ sinh học hybrid

Từ kết quả khảo sát trên từng hệ hybrid riêng biệt, luận án nghiêncứu kết hợp hai hệ hybrid USBF và bio 2 sludge, vận hành theo chế

độ tuần hoàn nước sau sinh học hiếu khí về vùng kỵ khí nhằm xử lýhiệu quả hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

a Ý nghĩa khoa học

hiếu khí, kết hợp kỵ khí và hiếu khí; khử N

đúng quá trình sinh học cho mô hình USBF và bio 2 sludge

bio 2 sludge

hằng số sinh khí methane của hệ hybrid USBF

xử lý nước thải trong điều kiện gián đoạn và biến động mạnh

b Ý nghĩa thực tiễn

Góp phần BVMT và tạo điều kiện ổn định sản xuất đối vớihoạt động chế biến tinh bột mì

trình xử lý nước thải tinh bột mì ở nhiều công suất khácnhau

 Luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên caohọc, cán bộ môi trường cũng như các chuyên gia trong lãnhvực công nghệ xử lý nước thải.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ

1.1 TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

Tinh bột mì là thực phẩm cho hơn 500 triệu người trên Thế giới ỞViệt Nam, số lượng các cơ sở sản xuất tinh bột mì bao gồm cả qui

mô hộ gia đình và qui mô công nghiệp, tập trung chủ yếu tại khu vựcphía Nam

Đặc điểm và thành phần của nước thải tinh bột mì

Bình quân 4 tấn củ mì tươi sẽ sản xuất ra được 1 tấn tinh bột mì khô

sự chênh lệch lưu lượng nước thải giữa quy mô lớn và nhỏ Thànhphần tính chất nước thải tinh bột mì được trình bày ở bảng sau:

Bảng 1.1 Thành phần nước thải tinh bột mì

Đồng Nai

T Nhà máy Quy trình công nghệ

T Nhà máy Quy trình công nghệ

kỵ khí 1,2,3 → Hồ tùy nghi 1,2 → Hồhiếu khí

Song chắn rác → lắng → trung hòa → Hồ

kỵ khí 1,2,3 → Hồ tùy nghi 4,6 → Hồhiếu khí 6

→ Hồ tự nhiên → hồ hoàn thiện

Long

Song chắn rác → bể chứa → ngăn keo tụ

→ Bể phản ứng → bể lắng → ngăn trunghòa → điều hòa → UASB → Hồ sinh học

Song chắn rác → lắng bột → trung hòa →UASB → Hồ sinh học có sự tham gia thựcvật nước

thống các hồ sinh học (15,8 ha)10

Nguồn: Khoa Môi Trường, ĐHBK.Tp HCM 2005

Mặc dầu hàng loạt nhà máy sản xuất tinh bột mì đã xây dựng hệthống xử lý nước thải nhưng hầu hết các hệ thống được thiết kế chưaphù hợp Kết quả là nước sau xử lý không thể đạt tiêu chuẩn thảiQCVN 24:2009/BTNMT cột B

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID

Hệ sinh học hybrid là mô hình phản ứng sinh học có sự hiện diện kếthợp của các chủng loại vi khuẩn khác nhau bao gồm: vi khuẩn sinh

trưởng lơ lửng và vi khuẩn sinh trưởng bám dính phát triển trongđiều kiện kỵ khí, hiếu khí hoặc kết hợp kỵ khí và hiếu khí Từ đó tậndụng những ưu điểm của một số hệ thống hệ thống hiện có, kết hợp

và sử dụng chúng hiệu quả sao cho chi phí đầu tư thấp, thu gọn hệthống, vận hành đơn giản, tăng hiệu quả xử lý, chịu sốc tải tốt vàngăn ngừa sự suy giảm của hệ vi sinh vật hiện diện

Có thể phân biệt hệ hybrid thành 3 dạng cơ bản: hybrid kỵ khí, hiếukhí và hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí

1.2.1 Công nghệ hybrid kỵ khí

Một số hệ hybrid kỵ khí sinh trưởng lơ lửng gồm: Hệ hybrid ABR và

UASB, UASB – septic tank, hybrid septictank – ABR, hybrid axithóa + UASB

Một số hệ hybrid kỵ khí sinh trưởng lơ lửng và bám dính gồm: Hệ

hybrid UASB + lọc sinh học, hybrid EGSB kết hợp AF, hybrid sinhhọc kỵ khí kết hợp lọc màng

1.2.2 Công nghệ hybrid hiếu khí

Một số công nghệ hybrid hiếu khí: Lọc sinh học hoạt tính (activatedbiofilter), lọc nhỏ giọt/tiếp xúc chất rắn, hybrid bùn hoạt tính + lọcsinh học, hybrid bùn hoạt tính + RBC, hybrid bùn hoạt tính + chấtmang, hybrid bùn hoạt tính kết hợp lọc màng và hybrid lọc nhỏgiọt/bùn hoạt tính

1.2.3 Công nghệ hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí

Một số công nghệ hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí gồm: hệ hybridUANF + UAF, mô hình kết hợp kỵ khí và hiếu khí dạng ống, bể phảnứng sinh khối cố định kỵ khí - hiếu khí kết hợp hình trụ tròn-RAAIB, hệ thống sinh học kỵ khí và hiếu khí đồng thời- SAA, bểphản ứng sinh học dạng vách ngăn, bể phản ứng sinh học kết hợpgiữa UA và AFB, bể MBR kết hợp kỵ - hiếu khí, mô hình FFR

1.3 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ

Bản chất của các giải pháp công nghệ đáp ứng một số yêu cầu chínhbao gồm:

thống sinh học; Loại bỏ triệt để chất hữu cơ, đảm bảo nước sau

xử lý đạt quy chuẩn thải cho phép Xử lý hiệu quả N, P

hành không liên tục

 Quy trình đơn giản, chi phí thấp.và phát triển công nghệ theohướng tái sinh năng lượng và tái sử dụng nguồn thải.

Với luận điểm trên, một số mô hình được lựa chọn cho nghiên cứu

học hybrid: kỵ khí (USBF: kết hợp UASB + AnF) và hiếu khí (Bio 2sludge – kết hợp bùn hoạt tính và lọc hiếu khí)

Mô hình USBF lựa chọn tỉ lệ vùng hoạt động, tải trọng hữu cơ, thờigian lưu nước, thành phần khí sinh học Xác định hiệu quả xử lý vàcác thông số động học

Mô hình Bio 2 sludge (bùn hoạt tính kết hợp lọc sinh học): Lựa chọnloại vật liệu, chế độ vận hành, tải trọng hữu cơ, mô hình động học vàcác thông số thiết kế Sau cùng, kết hợp mô hình USBF và Bio 2sludge

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 HỆ SINH HỌC HYBRID USBF

Công nghệ USBF được nghiên cứu từ năm 1984, sau đó tiếp tục pháttriển bởi nhiều nhà khoa học ở các quốc gia khác nhau để xử lý nướcthải của nhiều ngành như nước thải dệt nhuộm, nước thải chế biến càphê, nước thải sinh hoạt, nước thải nhiễm dầu… Ưu điểm chính củacông nghệ hybrid USBF là khả năng chịu tải cao, ngăn ngừa trườnghợp bị sốc tải

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hybrid kỵ khí: Thời gian lưu

bùn, pH, SS, tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước, sunfat và độc tính

Động học của quá trình hybrid kỵ khí

Nhiều nghiên cứu trên các dạng mô hình động học đã chứng minh

mô hình Stover Kincannon và động học bậc hai của Grau là những

mô hình toán học được sử dụng phổ biến nhất để xác định các hằng

số động học hệ sinh học có vi sinh tăng trưởng bám dính

Luận án định hướng áp dụng mô hình bậc 2 và Stover Kincannon cho

xử lý nước thải tinh bột mì trên mô hình hybrid kỵ khí USBF Môhình cho hệ số tương quan cao nhất là mô hình được lựa chọn

2.2 HỆ SINH HỌC HYBRID BIO 2 SLUDGE

Các nghiên cứu được thực hiện trên mô hình bio 2 slugde từ năm

1982 đến nay đã chứng minh rằng hybrid bio 2 sludge có khả năng

chịu biến động về tải lượng ô nhiễm đồng thời xử lý chất dinh

dưỡng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh học hiếu khí: Ngoài các

yếu tố cơ bản như pH; nhiệt độ, hàm lượng cặn lơ lửng, chế độ vậnhành: Oxy cung cấp, tuần hoàn bùn… Một số vấn đề khác cần lưutâm bao gồm:, tỉ lệ C/N, nồng độ các chất gây độc

Động học mô hình hybrid bio 2 sludge: Định hướng của luận án là

áp dụng mô hình kết hợp Monod, Stover Kincannon và mô hình bậc

2 cho xử lý nước thải tinh bột mì trên mô hình hybrid Bio 2 sludge

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ NỘI DUNG THỰC NGHIỆM

3.1 MÔ HÌNH AXIT HÓA

Mô hình là các bể nhựa có cánh khuấy, dung tích 20 L Thí nghiệmtrên mẫu nước thải có bùn tự hoại và mẫu đối chứng không bổ sung

Hình 3.1 Mô hình axit hóa (mô hình tĩnh)

3.2 MÔ HÌNH HYBRID SINH HỌC KỊ KHÍ

3.2.1 Mô hình USBF (tỉ lệ UASB/AF = 1/2)

Mô hình gồm 2 vùng: Phía dưới là UASB cao 400mm, chiếm thể tích

là 5L, phía trên là phần lọc kỵ khí có chiều cao làm việc 800mm,chiếm thể tích là 10L Khối lượng xơ dừa trong mô hình 250g

3.2.2 Mô hình USBF 2/1

Mô hình gồm 2 vùng: Vùng UASB (bố trí dưới đáy) cao 800mm,đường kính: 125 mm, chiếm thể tích là 10L, vùng lọc kỵ khí (bố tríphía trên) cao 400mm, chiếm thể tích là 5L, khối lượng xơ dừa trong

Với HRT=2 ngày, mô hình được vận hành với các tải trọng: 1; 2; 3

6000mg/L Sau đó giảm HRT = 1 ngày, mô hình sẽ vận hành với tải

độ kiềm, VFA

Ảnh hưởng của CN

-Hình 3.2 Mô hình USBF (tỉ lệ UASB/AnF = 1/2)

3.3 MÔ HÌNH HYBRID SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.3.1 Xác định vật liệu lọc tối ưu: Nghiên cứu trên bốn loại vật liệu

bao gồm: Xơ dừa, than, ống nhựa PVC, Bio Ball BB15

Kích thước 4 mô hình: D x H (0,16 m x 0,35 m); chiều cao vật liệulọc: 200mm, thể tích làm việc: 3L Mầm bùn ban đầu cóMLVSS/MLSS = 0,6; Với hàm lượng MLVSS = 4.600 mg/L Lưulượng cấp khí là 5L/phút

Vận hành với COD ban đầu 500 mg/L sau đó tăng dần 1.000 mg/L;1.500 mg/L và 2000 mg/L Các thông số khảo sát: COD, TKN, N-

mô hình theo thời gian để đề xuất được loại vật liệu lọc phù hợp

Hình 3.7Mô hình lọc sinh học hiếu khí

3.3.2 Xác định kết cấu xơ dừa

Thực hiện trong 3 thùng nhựa (20 L), kích thước Dxh=20cmx50cm,thể tích làm việc 15L, MLVSS = 4.600 mg/L Khí cấp: 12 L/phút

Ba kết cấu xơ dừa được nghiên cứu gồm:

Vận hành với COD tăng dần 500 mg/L, 1.000 mg/L, 1.500 mg/L,2.000 mg/L, 2500 mg/L Ứng với mỗi COD, khảo sát sự phân phối

nước và khí, màng lọc sinh học, hiệu quả xử lí sinh học Các chỉ tiêuphân tích gồm: COD, MLSS.

3.3.3 Mô hình Bio 2 Sludge

Mô hình 9 lít; gồm: ngăn lắng (2,16L), Aeroten (4,74L); lọc sinh học(2,1L) Xơ dừa khối lượng 34g Bùn ban đầu có tỉ lệ VSS/SS = 0,54;

Hình 3.11 Mô hình Bio 2 sludge 3.3.4 Mô hình USBF kết hợp Bio 2 Sludge

Kết nối USBF và bio 2 sludge, vận hành trên nước thải nguyên thủy

số tuần hoàn α =1 và tuần hoàn α=2

Hình 2.1 Cấu tạo mô

Hình 3.13 Cấu tạo mô hình USBF + Bio 2 Sludge

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

4.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH AXIT HÓA

4.2 KẾT QUẢ MÔ HÌNH HYBRID KỊ KHÍ

4.2.1 Mô hình USBF ½ (tỷ lệ vùng UASB/vùng lọc kỵ khí là 1/2) Bảng 4 1 Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý COD và tốc độ sinh khí

Tải trọng hữu

cơ kgCOD/

m 3 ngày

E COD,

%

Tải trọng hữu

cơ bị loại bỏ kgCOD/m 3 ngà y

Khi vận hành, ở các tải trọng 1 kg COD/(m3.ngày), 2kg

quả xử lý COD ổn định và rất cao, đạt 90 – 97% Tuy nhiên, khi tăng

còn 58 – 72%

giảm không đáng kể, chỉ khoảng 20 – 30% Amonia thay đổi do quá

amonia tham gia vào các phản ứng tổng hợp tế bào theo phản ứng:

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Tải trọng kgCOD/m3.ngày

VFA/Độ kiềm

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

CH4 (m3)

VFA/Độ kiềm Methane

Hình 4.8Sự biến thiên độ kiềm, VFA, tỉ lệ VFA/độ kiềm và lượngkhí sinh học phát sinh trong mô hình USBF 1/2 theo thời gian

Diễn biến các thông số ô nhiễm theo chiều cao

COD giảm nhanh (khoảng 70% - 90%) tại vùng UASB (Vị trí 1 – 3)

và giảm chậm (khoảng 7,2 – 26,64%) tại vùng lọc sinh học kỵ khí (vịtrí 3 – 8) Trong toàn bộ chiều cao cột, độ kiềm tăng nhanh đến

212,04 mg/L

VFA ban đầu tăng 5 – 23 đơn vị tại vùng UASB sau đó giảm mạnh

28 – 61 đơn vị tại vùng lọc kỵ khí Có sự tương quan giữa sự biếnthiên pH, độ kiềm, COD, VFA và amonia theo chiều cao cột

Ảnh hưởng của nồng độ CN - ban đầu

bày ở đồ thị hình 4.11

Hình 4.11 Sự biến thiên CN- trong mô hình hybrid USBF

ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động của hệ sinh học kỵ khí nếu hàmlượng lên đến 75 mg/L, khi đó, hiệu quả quả xử lý COD giảm đáng

Bảng 4.2 So sánh hiệu quả xử lý COD và sự biến đổi độ kiềm trong 3 mô

USBF (1/2)

USBF (2/1) UASB

90,5-95,2

93,5

92,7

89228 490

-500

337-329

91,4-94,5

94,6

91,8-91,6

89,7-1070

552-950

580-644

90-92,8

91,4

89,4-2646

2006-1348

998-1642

2466

980-1510

790-1291

72,1

67

55,6-65,1

50-2620

740-1523

900-1118Kết quả so sánh cho thấy: hệ hybrid USBF (tỉ lệ 1/2) có thể xử lýCOD cao hơn so với hai mô hình còn lại, với tải trọng vận hành phù

Động học mô hình USBF

Kết quả ứng dụng mô hình bậc hai

Bảng 4.3 Các thông số động học cho mô hình USBF, ứng

Kết quả ứng dụng mô hình Stover Kicannon

Bảng 4.4 Các thông số động học cho mô hình USBF, ứng dụng mô

U max (g/L) 250 6,57 67,57

Nhận xét: Hệ số tương quan trong mô hình Stover Kincannon lớn

hơn so với hệ số tương quan trong mô hình bậc 2

Bảng 4.5.Thông số động học cho mô hình USBF

4.3 KẾT QUẢ MÔ HÌNH HYBRID HIẾU KHÍ

4.3.1 Mô hình xác định loại vật liệu tối ưu

Kết quả nghiên cứu được trình bày ở H.4.27

Hình 4.27 So sánh hiệu quả xử lý COD- TKN-P tổng theo tải trọng

Hiệu quả xử lý COD đạt giá trị cực đại ở tải trọng 1

hình xơ dừa (98%), kế tiếp là mô hình nhựa Bio ball (97,3%), cuối

0148 0 0157 1

1

S S

S





cùng là 2 mô hình nhựa PE và mô hình than đá (97%) Khi tăng tải

Hiệu quả xử lý TKN trên mô hình xơ dừa ở các tải trọng khoảng90% Ba mô hình còn lại, hiệu quả xử lý giảm còn khoảng 60 - 85%

Mô hình xơ dừa cũng xử lý P hiệu quả với hiệu suất đạt giá trị 81,5%; trong khi các mô hình còn lại chỉ xử lý 28 – 60% Tron g môhình xơ dừa, đường cong tốc độ phân hủy dốc, thẳng đứng, đặc biệttrong 4 giờ đầu với tốc độ phân hủy trong giờ đầu tiên có thể đạt giá

cho phép giảm thời gian lưu nước, đồng nghĩa với việc giảm thể tích

bể, tiết kiệm chi phí xây dựng và gia tăng hiệu quả xử lý

4.3.2 Mô hình xác định kết cấu xơ dừa

Thời gian đầu, trên 3 mô hình đều hình thành một lớp màng vi sinhmỏng Thời gian để tạo được lớp màng vi sinh dày ở 3 mô hìnhtương ứng là 2 tuần, 3 tuần và 5 tuần Tải trọng càng cao hàm lượng

vi sinh càng tăng, hàm lượng MLSS cao nhất tại mô hình 3 ứng với

Hình 4.31 Đồ thị biến thiên sinh khối theo tải trọng ở các mô hình

Khảo sát hiệu quả xử lý sinh học

Các mô hình đều đạt hiệu quả xử lí tối ưu ở tải trọng 1.0 kgCOD/

Khi tải trọng tăng hiệu quả xử lý giảm dần

4.3.3 Mô hình Bio 2 Sludge

17

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

90 92 94 96 98 100