Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thải ngành mía đường theo định hướng thu hồi năng lượng (khí metan)

Các chất hữu cơ có trong nước thải mía đường có thể được tận dụng và thu hồi thông qua quá trình xử lý bằng chuyển hóa sinh học dòng thải hữu cơ và tận dụng sinh khối thải chuyển thành k

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới và Việt Nam 4

1.1.1 Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới 4

1.1.2 Tổng quan về sản xuất mía đường tại Việt Nam 6

1.1.3 Tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất đường 8

1.2 Đặc tính nước thải ngành mía đường 13

1.2.1 Các dòng thải 13

1.2.2 Các thông số đặc trưng của nước thải nhà máy đường 14

1.2.3 Ảnh hưởng của nước thải mía đường 18

1.3 Tổng quan về công nghệ sinh học xử lý nước thải và tiềm năng khai thác năng lượng từ nước thải ngành mía đường 18

1.3.1 Công nghệ xử lý sinh học kỵ khí 19

1.3.2 Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí 26

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học 27

1.3.4 Nghiên cứu và ứng dụng thu hồi khí sinh học trong nước thải công nghiệp trên Thế giới và Việt Nam 30

1.3.5 Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường trên Thế giới và Việt Nam 31

1.3.6 Tiềm năng khai thác năng lượng từ nước thải ngành mía đường 35

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 37

2.2 Phương pháp nghiên cứu 37

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 37

2.2.2 Phương pháp điều tra khả sát thực địa 37

2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 37

2.2.4 Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu 42

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Kết quả khảo sát hoạt động và các dòng nước thải công ty mía đường

Hòa Bình 43

3.1.1 Hoạt động sản xuất 43

3.1.2 Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải 44

3.2 Kết quả khảo sát khả năng xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB 47

3.2.1 Kết quả giai đoạn khởi động hệ UASB 47

3.2.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ UASB trong 3 giai đoạn xử lý 49

3.2.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD của 3 giai đoạn xử lý 51

3.2.4 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh khí của 3 giai đoạn xử lý 53

3.2.5 Đánh giá hiệu quả của quá trình thực nghiệm xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB 56

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 69

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Sản lượng đường của một số quốc gia trên Thế giới 5

Bảng 1.2 Xếp hạng 10 công ty đường lớn nhất Việt Nam theo công suất thiết kế nhà máy niên vụ 2011 - 2012 8

Bảng 1.3 Thành phần của mía và nước mía 9

Bảng 1.4 Đặc tính nước thải ở các công đoạn sản xuất 15

Bảng 1.5 Đặc điểm nước thải một số nhà máy mía đường 16

Bảng 1.6 Các thông số đặc trưng của nước thải ngành mía đường 17

Bảng 1.7 So sánh các kỹ thuật xử lý yếm khí 24

Bảng 2.1 Thành phần mẫu tổng hợp nước thải mía đường 38

Bảng 2.2 Các thông số tiến hành thực nghiệm 41

Bảng 3.1 Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải công ty mía đường Hòa Bình 46

Bảng 3.2 Kết quả phân tích nước thải tại cống chung và hồ sinh học công ty mía đường Hòa Bình 46

Bảng 3.3 Trung bình thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày và hiệu suất sinh khí mêtan qua các giai đoạn thí nghiệm 53

Bảng 3.4 Đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý thực nghiệm 56

Bảng 3.5 Thiết kế sơ bộ hệ thống xử lý nước thải công ty mía đường Hòa Bình 61

Danh mục hình

Hình 1.1 Tỷ lệ xuất khẩu đường của một số quốc gia trên Thế giới 6

Hình 1.2 Giá đường Thế giới giai đoạn 1960 – 2011 6

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất đường và các dòng thải 11

Hình 1.4 Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ 19

Hình 1.5 Sơ đồ hệ UASB 24

Hình 1.6 Hệ kỵ khí khấy trộn liên tục 25

Hình 1.7 Bể CIGAR tại Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Sơn Hải - Quảng Ngãi 26

Hình 1.8 Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí 27

Hình 1.9 Bể bùn hoạt tính công ty Bia Hà nội – Mê Linh 27

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải mía đường điển hình 33

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máyđường Bình Dương 34

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nhà máy đường Long An 34

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ UASB thực nghiệm 39

Hình 2.2 Hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm 40

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ kèm dòng thải công ty mía đường Hòa Bình 44

Hình 3.2 Biến thiên giữa hiệu suất xử lý COD và pH với bùn chăn nuôi 48

Hình 3.3 Ảnh hưởng giữa hiệu suất xử lý COD và pH với gốc kỵ khí bia 49

Hình 3.4 Bùn hạt và bọt khí hình thành với quá trình khởi động bằng nhân kỵ khí bia 49

Hình 3.5 Mối liên hệ giữa độ kiềm tổng và VFA trong hệ UASB 50

Hình 3.6 pH đầu vào và nhiệt độ hoạt động của hệ 50

Hình 3.7 Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý 51

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD 52

Hình 3.9 So sánh hiệu suất xử lý COD của các giai đoạn xử lý 52

Hình 3.10 Hiệu suất sinh khí biogas của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm 54

Hình 3.11 Mối liên hệ giữa thể tích khí biogas và hàm lượng khí metan của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm 55

Hình 3.12 Hiệu suất chuyển hóa khí của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm 55

Hình 3.13 Quy trình công nghệ xử lý nước thải mía đường 58

Danh mục ký hiệu và từ viết tắt

EGSB Bể phân hủy kị khí dạng bùn hạt tăng cường

1

MỞ ĐẦU Với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa và các điều kiện thổ nhưỡng thuận lợi, Việt Nam có nhiều ưu thế trong việc phát triển ngành công nghiệp mía đường

và thực tế, mía đường là một trong những ngành công nghiệp chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế nước ta Hiện nay cả nước có 37 nhà máy đường đang hoạt động, phân bố rộng cả ba miền đất nước Niên vụ mía 2012 - 2013 tổng diện tích trồng mía trên cả nước đạt khoảng 283,2 nghìn hecta Năng suất mía bình quân đạt 62,4 tấn/hecta, tổng sản lượng mía đạt được 18,5 triệu tấn Sản lượng mía ép công nghiệp đạt 16,5 triệu tấn, sản lượng đường đã đạt mức 1.530.000 tấn, tăng hơn 200 nghìn tấn so với niên vụ trước, đáp ứng được nhu cầu trong nước [1, 3].

Trước năm 1990, hầu hết trang thiết bị, máy móc, dây chuyền công nghệ sản xuất trong các nhà máy đường đều cũ, lạc hậu, trình độ sản xuất và chất lượng sản phẩm còn thấp Trong những năm gần đây, do sự đầu tư cải tiến công nghệ và thiết

bị hiện đại, các nhà máy đường đã không ngừng nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, so với thế giới năng suất, chất lượng mía đường của chúng ta còn thấp và chi phí sản xuất mía cao Những vụ ép gần đây, hầu hết các nhà máy đường gặp khó khăn do giá đường thế giới giảm mạnh, và tình trạng nhập lậu đường từ Trung Quốc, Thái Lan đã ảnh hưởng lớn đến sản xuất trong nước [13] Bên cạnh những khó khăn trong sản xuất và kinh doanh, các nhà máy đường còn phải đối mặt với các vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình sản suất Ngành công nghiệp mía đường tiêu thụ nhiều năng lượng hóa thạch (điện, than đá, dầu diezen ), nhu cầu sử dụng nước lớn và thải ra khối lượng rất lớn các chất thải rắn, khí thải và nước thải với mức độ ô nhiễm cao Nước thải ngành công nghiệp mía đường luôn chứa một lượng lớn các chất hữu cơ bao bao gồm cả các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, phốtpho Các chất này dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật, gây mùi hôi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận Phần lớn chất rắn lơ lửng có trong nước thải ngành công nghiệp mía đường ở dạng vô cơ Khi thải ra môi trường tự nhiên sẽ lắng đọng và tạo thành lớp trầm tích ở đáy các thủy vực, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh của thủy vực đó Lớp bùn trầm tích này còn chứa các chất hữu cơ có

2

thể làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước và tạo ra các loại khí nhà kính như CO2,

CH4 Ngoài ra, trong nước thải còn chứa một lượng khá lớn đường thất thoát trong quá trình sản xuất gây ô nhiễm nguồn nước Các chất hữu cơ có trong nước thải mía đường có thể được tận dụng và thu hồi thông qua quá trình xử lý bằng chuyển hóa sinh học dòng thải hữu cơ và tận dụng sinh khối thải chuyển thành khí nhiên liệu sinh học (biogas) cung cấp năng lượng cho các nhu cầu tiêu thụ năng lượng của nhà máy, nước thải sau xử lý các mức có thể tận thu như nguồn dưỡng chất để bón cho cây mía, hoặc xử lý các mức tiếp theo đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN40-2011 cột B trước khi xả trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận Khí sinh học thu được góp phần giảm thiểu ô nhiễm nước, hạn chế khai thác nhiên liệu không tái tạo và giảm phát thải các khí nhà kính, chủ động trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu trong xu thế chung của thế giới hiện nay

Nhiều công nghệ xử lý nước thải công nghiệp có thể áp dụng được trong xử

lý nước thải mía đường như xử lý cơ học bằng lắng lọc, xử lý hóa lý bằng keo tụ, tuyển nổi…và xử lý sinh học yếm, hiếu khí Tuy nhiên do khác nhau về điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế, hiện trạng thiết bị cũng như cơ cấu sản phẩm nên mỗi nhà máy phải lựa chọn cho mình một phương án tối ưu, khả thi để đảm bảo hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý

Mặt khác, trong bối cảnh hiệu ứng nhà kính gia tăng gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu và cuộc khủng hoảng năng lượng kéo dài do sự khan hiếm các nguồn năng lượng hóa thạch gần như không có khả năng tái tạo Việc nghiên cứu khả năng thu hồi năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính càng trở nên bức thiết đóng góp vào việc phát triển bền vững và thân thiện với môi trường của ngành công nghiệp mía đường

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải ngành mía đường đã và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam quan tâm, các nghiên cứu này đã đạt được những kết quả khả quan Tuy nhiên, các nghiên cứu này hoặc là chưa xem xét đến các yếu tố tự nhiên, xã hội và thực tế sản xuất tại Việt Nam hoặc là chưa đánh giá đúng mức đến tiềm năng thu hồi năng lượng (khí metan)

3

Để đóng góp vào hướng nghiên cứu này góp phần tiết kiệm tài nguyên và

bảo vệ môi trường, luận văn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử

lý nước thải ngành mía đường theo định hướng thu hồi năng lượng (khí metan)” Mục tiêu nghiên cứu nhằm đề xuất được công nghệ phù hợp xử lý nước

thải mía đường kết hợp với thu hồi sản phẩm phụ có giá trị góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường hiệu quả kinh tế Với nội dung gồm:

 Tổng quan về sản xuất mía đường, hiện trạng xả thải, công nghệ xử lý và khả năng thu hồi metan

 Điều tra khảo sát thực địa tại Công ty mía đường Hòa Bình (HOASUCO): Khảo sát dây chuyền công nghệ sản xuất, khảo sát các dòng thải liên quan đến nước thải và lấy mẫu nước thải

 Nghiên cứu thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng xử

lý nước thải nhà máy mía đường bằng hệ thống xử lý sinh học yếm khí ngược dòng (UASB) và khả năng thu hồi khí metan

 Đánh giá hiệu quả của giải pháp công nghệ và đề xuất quy trình công nghệ

xử lý nước thải nhà máy mía đường theo hướng thu hồi năng lượng (khí metan)

4

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tổng quan về sản xuất mía đường trên Thế giới

Đường là một trong những mặt hàng nông sản có giá trị, được sản xuất khoảng 80% từ cây mía đường và 20% từ củ cải đường Ba khu vực sản xuất đường

lớn nhất thế giới là Brazil 22%, Ấn Độ 15% và EU 10% [22]

Hiện nay có trên 123 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới trồng mía đường và sản xuất đường từ mía, hàng năm sản xuất được khoảng 160 triệu tấn mía Sản lượng mía thế giới tăng trước tiên do phát triển diện tích Trong thế kỷ 20, nhất

là ở nửa sau thế kỷ, nhiều nước ở Châu Á, Châu Phi, Nam Mỹ phát triển diện tích trồng mía và công nghiệp đường để đáp ứng nhu cầu trong nước và tìm cơ hội xuất khẩu, nhất là sau khủng hoảng thiếu đường năm 1974 Trong 4 thập kỷ cuối thế kỷ

20, mỗi thập kỷ diện tích mía trên thế giới tăng bình quân hơn 2,5 triệu ha [22]

Trong vài niên vụ gần đây các quốc gia đầu ngành đạt được sản lượng đường như liệt kê trong bảng 1.1

cao với tỷ lệ 10%

Xuất khẩu đường thô trên Thế giới đạt 58 triệu tấn niên vụ 2011 - 2012 Dẫn đầu là Brazin (24,6 triệu tấn) và Thái Lan (9 triệu tấn) Tỷ lệ xuất khẩu đường của một số quốc gia trên Thế giới được thể hiện ở hình 1.1 [22]

6

Hình 1.1 Tỷ lệ xuất khẩu đường của một số quốc gia trên Thế giới

Giá đường có những biến động lớn qua các năm được thể hiện qua hình 1.2 [22]

Hình 1.2 Giá đường Thế giới giai đoạn 1960 – 2011 Giá đường Thế giới đạt mức kỷ lục vào năm 1975 (148,88 USD/tấn) Sau đó giảm đáng kể qua các năm Năm 2011 giá đường Thế giới chỉ còn ở mức 46,62 USD/tấn, giảm 102,26 USD/tấn so với năm 1975

1.1.2 Tổng quan về sản xuất mía đường tại Việt Nam

Ngành đường của Việt Nam nhìn chung khá lạc hậu so với Thế giới Trước

1954, toàn bộ miền Bắc không có nhà máy đường nào Sau 1975, ở miền Nam đã phục hồi lại các nhà máy đường Bình Dương, Hiệp Hòa, Phan Rang, Khánh Hội, Biên Hòa; xây dựng mới các nhà máy đường La Ngà, Lam Sơn, Tây Ninh

7

Ngành sản xuất mía đường ở nước ta vẫn đang gặp nhiều khó khăn, yếu thế cạnh tranh trên chính thị trường nội địa do mức chênh lệch giá sản xuất ở nội địa luôn cao hơn so với các nước trên Thế giới cùng với đường nhập lậu từ Trung Quốc, Thái Lan…dẫn đến lượng hàng tồn kho ngày càng gia tăng

Ngành mía đường Việt Nam là ngành sản xuất có tính thời vụ, thường chủ yếu thu hoạch và sản xuất trong thời gian khoảng 5 tháng (tháng 11 đến tháng 4 năm sau), sau đó tồn kho thành phẩm để bán cho các tháng còn lại trong năm Vì vậy nên chi phí tồn trữ hàng hóa này rất cao và giá thành sản phẩm khá cao [13]

Trong bối cảnh chung của nền kinh tế cả nước gặp nhiều khó khăn: tốc độ tăng trưởng GDP thấp, sức tiêu thụ nội địa giảm… ngành mía đường còn gặp thêm khó khăn bởi sự xâm nhập của đường lậu, tuy nhiên niên vụ mía 2012 - 2013 vẫn tiếp tục phát triển với mức tăng trưởng khá Cả nước trồng hơn 298.000 ha mía, tăng hơn 15.000 ha so với vụ trước; năng suất bình quân đạt 63,9 tấn/ha, tăng với niên vụ trước 2,2 tấn/ha; tổng sản lượng mía thu được 19,04 triệu tấn, tăng 1,5 triệu tấn so với cùng kỳ và đã sản xuất được 1,53 triệu tấn đường.Tuy nhiên, so với Thế giới năng suất, chất lượng mía đường chúng ta còn thấp và chi phí sản xuất mía cao

Vì vậy, khi giá đường xuống thấp, cả doanh nghiệp chế biến và người trồng mía đều gặp khó khăn [1,2]

Vụ đường 2012 - 2013, lượng đường tồn kho cuối vụ là gần 400 ngàn tấn, cao hơn vụ trước 150 ngàn tấn Giá bán đường thời điểm cuối năm đã giảm từ 1000 – 2000 đồng/kg so với thời điểm đầu năm[2]

Trong 37 nhà máy sản xuất mía đường của cả nước đa số là thuộc doanh nghiệp nhà nước Các nhà máy lớn như là: nhà máy đường Nghệ An Tatte & Lyle, nhà máy đường Sơn La, nhà máy đường Biên Hòa, nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Bourbon Tây Ninh… có công suất từ khoảng 5000 – 12000 tấn/ngày (Bảng 1.2)

Nguồn [13]

Công nghiệp sản xuất mía đường ở Việt Nam là ngành gây ô nhiễm khá lớn

do công nghệ lạc hậu, thiết bị rò rỉ nhiều nhưng chất thải lại không được xử lý thích hợp Trong số các chất ô nhiễm có bụi khói lò hơi, bùn lọc, nước thải, khí thoát ra

từ các tháp phản ứng sunfit hóa và cacbonat hóa Riêng bã mía được dùng làm nhiên liệu hoặc để sản xuất giấy bìa…, còn mật rỉ được lên men để chế biến cồn

1.1.3 Tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất đường

Nguyên liệu để sản xuất là mía Mía được trồng ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Việc chế biến đường phải thực hiện nhanh, ngay trong mùa thu hoạch để tránh thất thoát sản lượng và chất lượng đường Công nghiệp chế biến đường hoạt động theo mùa vụ do đó lượng chất thải cũng phụ thuộc vào mùa thu hoạch

9

a) Thành phần của mía và nước mía

Thành phần của mía thay đổi theo vùng, dao động trong khoảng sau [50]:

Bảng 1.3 Thành phần của mía và nước mía

 Nước mía có màu do các nguyên nhân sau:

- Từ thân cây mía : màu do chlorophyll, anthocyanin, saccharetin và tanin gây

ra

- Do các phản ứng phân hủy hóa học: Khi cho vào nước mía lượng nước vôi, hoặc dưới tác dụng của nhiệt độ, nước mía bị đổi màu

- Do sự phản ứng của các chất không đường với những chất khác

- Chlorophyll thường có trong cây mía, nó làm cho nước mía có màu xanh lục Trong nước mía, chlorophyll ở trạng thái keo, nó dễ dàng bị loại bỏ bằng phương pháp lọc

- Anthocyanin chỉ có trong loại mía có màu sẫm, ở dạng hòa tan trong nước Khi thêm nước vôi, màu đỏ tía của anthocyanin bị chuyển sang màu xanh lục thẫm Màu này khó bị loại bỏ bằng cách kết tủa với vôi (vì lượng vôi dùng trong công nghệ sản xuất đường không đủ lớn) hay với H2SO4

10

- Saccharetin thường có trong vỏ cây mía Khi thêm vôi, chất này sẽ trở thành màu vàng được trích ly Tuy nhiên loại màu này không gây độc, ở pH < 7,0 màu biến mất

- Tanin hòa tan trong nước mía, có màu xanh, khi phản ứng với muối sắt sẽ biến thành sẫm màu Dưới tác dụng của nhiệt độ tanin bị phân hủy thành catehol, kết hợp với kiềm thành protocatechuic Khi đun trong môi trường axit phân hủy thành các hợp chất giống saccharetin

- Ở nhiệt độ cao hơn 200oC, đường sucrose và hai loại đường khử (glucose và fructose) bị caramel hóa và tạo màu đen Ở nhiệt độ cao hơn 55oC, đường khử đã bị phân hủy thành các hợp chất có màu rất bền

c) Công nghệ sản xuất đường

Năng suất đường thành phẩm của mỗi nhà máy đạt được có sự khác nhau phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu mía đầu vào, trình độ công nghệ thiết bị sản xuất và kinh nghiệm của đội ngũ cán bộ kỹ thuật trong quá trình vận hành Về quy trình công nghệ sản xuất nhìn chung là tương tự như dưới đây [50]

11

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất đường và các dòng thải

Thuyết minh quy trình công nghệ:

1 Chuẩn bị nguyên liệu: Mía được đưa lên băng tải, qua máy khỏa vào máy

băm chặt để tạo thành các mảnh nhỏ và tơi

2 Giai đoạn ép lấy nước mía

12

Mía nguyên liệu được đưa đến hệ thống gồm nhiều máy ép Bã mía sau khi

ra khỏi máy ép thứ nhất (1) được đưa đến máy ép thứ hai (2) Bã sau khi ra khỏi máy ép được tưới nước thẩm thấu nhằm pha loãng lượng nước mía còn chứa trong

bã sau đó bã được đưa đến máy ép thứ ba (3) Bã ra khỏi máy ép thứ ba (3) tiếp tục được tưới nước nóng rồi đưa đến máy ép thứ tư (4) Việc tưới nước thẩm thấu nhằm tăng hiệu suất lấy đường, sau đó qua các máy ép kế tiếp nước đường loãng sẽ được lấy ra và cứ như thế cho tới khi đường được lấy ra ở mức cao nhất

Các chất thải ở giai đoạn này chủ yếu là nước rửa, bọt váng và bã mía gồm hai loại: bã dài làm chất đốt cho lò hơi và bã nhuyễn

Lắng và lọc: nhằm tận dụng lượng đường còn sót lại trong bùn

Chất thải ở giai đoạn này chủ yếu là bùn gồm các chất vô cơ và hữu cơ chứa trong nguyên liệu; nước thải từ khâu lọc và nước cấp cho tháp tạo chân không của máy lọc

4 Cô đặc nước mía

Nước chè qua bình gia nhiệt rồi vào hệ thống năm nồi cô chân không đa hiệu (dòng xuôi chiều) Hơi nước gia nhiệt cho nồi cô thứ nhất được lấy từ hơi thứ của Turbin Hơi từ nồi thứ năm sẽ được ngưng tụ trong tháp baromet Trữ lượng đường của nước chè sẽ tăng, dung dịch này được gọi là siro

Chất thải ở giai đoạn này có từ nước rửa và nước cấp để làm lạnh có chứa nước ngưng tụ từ nồi cô đặc có thể có chứa đường

13

5 Làm sạch mật mía

Là giai đoạn bỏ các tạp chất và khử màu Bằng cách đưa qua gia nhiệt, lắng nổi

để loại bọt và tạp chất rồi sục SO2 lần hai để khử màu, giảm độ nhớt để chuẩn bị nấu

6 Nấu đường trợ tinh

Là giai đoạn siro được cô đặc trong nồi nấu chân không đến trạng thái bão hòa, khi đó các tinh thể đường xuất hiện và tăng dần kích thước, đạt đến yêu cầu tại thùng trợ tinh

7 Ly tâm tách mật

Quá trình ly tâm nhằm tách tinh thể đường ra khỏi mật bằng lực ly tâm Máy ly tâm sinh lực ly tâm làm cho mật văng ra qua lưới ly tâm bên thành máy, còn đường cát hạt to không lọt qua lưới nằm lại Khả năng tách mật phụ thuộc vào loại “đường non” và tính năng máy ly tâm

Nước thải từ giai đoạn này gồm nước thải chứa mật và nước từ tháp ngưng tụ khâu nấu đường

 Nước thải loại 1:

14

Là nước thải từ các nguồn nước làm mát máy, thiết bị trong dây chuyền sản xuất của nhà máy Theo nguồn ô nhiễm, nước thải loại 1 bao gồm nước làm nguội dầu nước làm nguội đường do không tránh khỏi được những rò rỉ nhất định, nước làm nguội máy, thiết bị khi thải ra sẽ bị ô nhiễm dầu mỡ, đường Giá trị BOD5

thường dao động từ 200 đến 400 mg/L Lưu lượng nước thải loại này thường trong khoảng định mức 0,97 - 1,2 m3/tấn mía

 Nước thải loại 2:

Là nước thải từ các cột ngưng tụ tạo chân không của các thiết bị (bốc hơi, nấu đường…) Đây là loại nước thải có mức ô nhiễm rất nhẹ, thường có trị số BOD5

thấp (20 - 25 mg/L), SS thấp (30 - 35 mg/L), COD thấp (50 - 60 mg/L) Lưu lượng của loại nước thải này thường nhỏ, khoảng 0,25 m3/tấn mía

 Nước thải loại 3:

Gồm tất cả các loại nước thải còn lại như nước rửa vệ sinh ở các khu vực trong nhà máy: nước xả đáy nồi hơi, nước thải phòng thí nghiệm, nước rò rỉ đường ống, nước thải lọc vải, vệ sinh máy móc thiết bị…Nước thải loại 3 có độ ô nhiễm rất cao, BOD5 thường trong khoảng 1200 - 1700 mg/L, COD thông thường khoảng

2200 mg/L, pH < 5, SS thường trong khoảng 780 - 900 mg/L, ngoài ra còn có dầu

mỡ, các thành phần gây màu và mùi

Lưu lượng nước thải loại này thường bằng 50% tổng lượng nước thải trong nhà máy trong khoảng 0,99 - 1,3 m3/tấn mía

1.2.2 Các thông số đặc trưng của nước thải nhà máy đường

Do nước thải của ngành công nghiệp mía đường luôn có lưu lượng lớn và thường chứa một lượng lớn các chất hữu cơ và chất rắn vô cơ Các chất này dễ bị lắng đọng và phân hủy bởi các vi sinh vật, gây mùi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận Đường có trong nước thải chủ yếu là đường sucrosa và các loại đường khử như glucose và fructose, trong đó: Fructose, C6H12O6 tan trong nước; Sucrose,

15

C12H22O11 là sản phẩm thủy phân của Fructose và Glucose, tan trong nước Các loại đường này dễ phân hủy trong nước Chúng có khả năng gây cạn kiệt oxy trong nước, tạo ra các loại khí như: H2S, CO2, CH4, làm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ sinh thái thủy sinh

Tính chất và đặc trưng nước thải qua các công đoạn không giống nhau, có khi biến động rất lớn (Bảng 1.4) [11]

Bảng 1.4 Đặc tính nước thải ở các công đoạn sản xuất

(mg/L)

BOD5(mg/L)

TSS (mg/L)

Nước thải từ đáy tháp chưng cất 24500 – 95600 5500 – 22500 - Đặc tính nước thải của từng nhà máy cũng khác nhau chủ yếu do nguyên liệu đầu vào và thiết bị, công nghệ suất sản xuất… khác nhau (Bảng 1.5) [11]

BOD5 (mg/L)

SS (mg/L)

Nts (mg/L)

Pts (mg/L)

17

Bảng 1.6 Các thông số đặc trưng của nước thải ngành mía đường

có tổng chất rắn lơ lửng không đáng kể Tuy nhiên trong điều kiện các thiết bị lạc hậu, bị rò rỉ thì hàm lượng các chất rắn huyền phù trong nước thải có thể tăng cao

Các chất thải của nhà máy đường làm cho nước thải có tính axit Trong trường hợp ngoại lệ, độ pH có thể tăng cao do có trộn lẫn CaCO3 hoặc nước xả rửa cột resin

Ngoài các chất đã nói trên, trong nước thải nhà máy đường còn thất thoát lượng đường khá lớn, gây thiệt hại đáng kể cho nhà máy

Bên cạnh đó nước thải còn có các chất màu anion và cation (chất màu của các axit hữu cơ, muối kim loại tạo thành) do việc xả rửa liên tục các cột tẩy màu resin và các chất không đường dạng hữu cơ (các axit hữu cơ), dạng vô cơ (Na2O, SiO2, P2O5, Ca, Mg và K2O) Dựa vào đặc tính của nước thải, và yêu cầu mức độ xử

lý đặt ra: nước thải phải đạt tiêu chuẩn xả thải loại B (QCVN 40/2011 BTNMT)

18

1.2.3 Ảnh hưởng của nước thải mía đường

Hiện nay, bên cạnh các nhà máy đường đã có hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh thì vẫn còn nhiều nhà máy đường và nhiều cơ sở sản xuất tư nhân có hệ thống

xử lý nước thải chưa hiệu quả, thậm chí là không có hệ thống xử lý nước thải, xả thải trực tiếp ra môi trường Với lưu lượng lớn, hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao, nước thải nhà máy đường đã và đang làm ô nhiễm các nguồn tiếp nhận

Trên thực tế có một số nhà máy mía đường chưa xử lý nước thải đã xả thải trực tiếp ra môi trường gây ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh: Nhà máy mía đường Đắc Nông làm ô nhiễm sông Sê rê pốc khiến cá chết hàng loạt Công ty

Cổ phần mía đường Lam Sơn gây ô nhiễm nặng nề trong nhiều năm: nguồn nước ngầm của các hộ dân xung quanh bị hủy hoại và ô nhiễm trầm trọng vì có váng đục, mùi khét, vào mùa mưa nước thải hôi thối, đen kịt lênh láng ngoài đồng ruộng khiến hàng chục hecta lúa bị chết…Công ty TNHH Mía đường Cồn Long Mỹ Phát không qua xử lý đã thải trực tiếp ra sông Cái Lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước, hàng chục bè cá, ao nuôi cá ở xung quanh bị chết và tro bụi từ nhà máy đã phát tán gây ô nhiễm nghiêm trọng sức khỏe người dân…[49]

Tác động chính nhất từ hoạt động sản xuất mía đường đến môi trường là việc tiêu thụ quá nhiều nước trong khi nguồn tài nguyên này lại đang bị khai thác quá mức, để sản xuất được 1 kg đường thì cần đến 150 - 300 lít nước hay là chỉ để rửa 1 tấn mía thì cần đến 10 m3 nước [21]

1.3 Tổng quan về công nghệ sinh học xử lý nước thải và tiềm năng khai thác năng lượng từ nước thải ngành mía đường

Đối với nước thải có tải trọng chất hữu cơ cao như nước thải mía đường, việc

áp dụng phương pháp xử lý sinh học là rất phù hợp Bản chất của phương pháp này

là sự phân hủy các chất hữu cơ nhờ vào hoạt động của các vi sinh vật Các vi sinh vật sẽ sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng để làm chất dinh dưỡng tổng hợp tế bào mới và tạo năng lượng, qua đó làm giảm hàm lượng các chất ô nhiễm

trong nước thải

19

1.3.1 Công nghệ xử lý sinh học kỵ khí

Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí (anaerobic) tuy chỉ mới xuất hiện vào nửa cuối của thế kỷ 20 nhưng đã trở thành một công nghệ có nhiều ưu điểm hơn công nghệ xử lý sinh học hiếu khí (aerobic) Ở nhiều nước, nó đã trở thành một hệ thống xử lý được áp dụng rộng rãi

a) Cơ chế của quá trình phân hủy kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn có thể tóm tắt trong hình 1.4 [42]

Hình 1.4 Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ

Cơ chế phân hủy kỵ khí có thể biểu diễn theo phương trình tổng quát sau đây

[17]:

Tuy nhiên, trong thực tế quá trình phân hủy kỵ khí thường xảy ra theo 4

giai đoạn

 Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân [17,30]

Dưới tác dụng của các enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp có phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit…được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ như đường, peptit, glyxerin, axít amin, axít béo…

20

 Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axít hữu cơ [17,30]

Các sản phẩm thuỷ phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá, các sản phẩm thuỷ phân sẽ được phân giải yếm khí tiếo tục tạo thành axít hữu cơ phân

tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit axetic,… các rượu, andehyt, axeton và cả một số axít amin Trong giai đoạn này BOD5 và COD giảm không đáng kể nhưng pH của môi trường có thể giảm mạnh

- Sự lên men axit lactic:

- Sự lên men ethanol:

 Giai đoạn 3: Lên men tạo axit axetic

Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic sẽ được từng bước chuyển hoá thành axit axetic:

 Giai đoạn 4: Giai đoạn metan hoá [17]

21

Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý yếm khí, nhất

là khi xử lý yếm khí thu biogas Hiệu quả xử lý sẽ cao khi các sản phẩm trung gian được khí hoá hoàn toàn Dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men metan, các axit hữu cơ bị decacboxyl hoá tạo khí metan Trong xử lý yếm khí, khí metan được tạo thành theo hai cơ chế chủ yếu là khử CO2 và decacboxyl hoá

- Decacboxyl hoá:

CH3COOH → CH4 + CO2 4CH3CH2COOH → 7CH4 + 5CO2 2CH3(CH2)2COOH → 5CH4 + 3CO2 2CH3CH2OH → 3CH4 + CO2

CH3COCH3 → 2CH4 + CO2

Khoảng 70% CH4 được tạo thành do decacboxyl hoá axit hữu cơ và các chất trung tính

- Khử CO2

Khoảng gần 30% CH4 được tạo thành do khử CO2

 So với hệ thống xử lý hiếu khí, nó có nhiều ưu điểm như sau:

- Hệ thống xử lý kỵ khí tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành Trong trường hợp nước thải được xử lý ở nhiệt độ từ 25 - 35oC thì năng lượng yêu cầu trong khoảng từ 0.05 - 0.1 kWh/m3 nước thải (0.18 - 0.36 MJ/m3) Đó là năng lượng cung cấp cho máy bơm để bơm nước thải từ công trình đơn vị này đến công trình đơn vị khác hoặc để bơm tuần hoàn nước thải [35]

- Hệ thống xử lý kỵ khí là một hệ thống sản sinh ra năng lượng, vì trong quá trình phân hủy kỵ khí những hợp chất hữu cơ bị phân hủy sẽ chuyển thành khí metan Mức độ sinh khí metan phụ thuộc vào tốc độ phân hủy COD đầu vào

- Sự hình thành bùn trong quá trình xử lý kỵ khí thì thấp hơn nhiều bùn được tạo

ra trong quá trình hiếu khí, dẫn đến việc giảm chi phí xử lý bùn thải Lượng bùn thải trong quá trình xử lý kỵ khí còn được giảm thấp nếu giảm hàm lượng photphat

22

trong nước thải Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và quá trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí

- Yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử

lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật hiếu khí

- Có khả năng chịu được tải trọng cao: Những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể

xử lý với hiệu suất từ 85 - 90% COD với tải trọng hữu cơ đầu vào khoảng 30 gCOD/L.ngày ở 30oC và 50 gCOD/L.ngày ở nhiệt độ 40oC với nước thải tải trọng chất hữu cơ trung bình Đối với những nước thải có thành phần phức tạp khác (không tan, khó phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ có thể giảm hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí

- Hầu hết tất cả các dạng nước thải công nghiệp, với hàm lượng chất độc hại không quá cao, thì hệ thống xử lý kỵ khí đều có thể sử dụng để xử lý Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng hệ thống kỵ khí có thể hoạt động tốt trong điều kiện nước thải có tải trọng hữu cơ rất thấp (COD < 100 mg/L), ngay ở cả những nhiệt độ rất thấp (psychrophilic) (<4oC) hay ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic), với nhiều loại nước thải khác nhau như: nước thải mía đường, nước thải giấy, nước thải dệt nhuộm, nước thải cao su v.v…

- Một ưu điểm khác của hệ thống kị khí là bùn kỵ khí có thể bảo quản trong một thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần nuôi dưỡng bằng dưỡng chất Hoạt tính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ nhỏ hơn 15oC Do đó, có thể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm thời gian vận hành hệ thống

- Vốn đầu tư để xây dựng hệ thống xử lý kỵ khí không nhiều, diện tích sử dụng cho hệ thống nhỏ, và thời gian sử dụng dài hơn hệ thống hiếu khí là những ưu điểm nổi bậc của hệ thống kỵ khí

- Hệ thống xử lý kỵ khí còn được áp dụng để xử lý bùn (ví dụ như bùn cống rãnh

và phân thú vật): quá trình phân hủy kỵ khí đã áp dụng để ổn định bùn cống rãnh, phân thú vật và thu hồi năng lượng

23

 Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống xử lý kỵ khí còn một số nhược điểm như sau:

- Vi khuẩn tạo khí metan có độ nhạy cao với một số chất hóa học nhất định, ví

dụ những chất hydrocarbon có nguồn gốc halogen, một số hợp chất hữu cơ có Nitơ,

CN- và ion tự do của kim loại nặng Trong một số trường hợp những chất này biểu thị độc tính, hoặc làm cản trở sự sinh trưởng, phát triển của những vi khuẩn tạo khí metan Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những vi khuẩn kỵ khí

có thể thích nghi một số chất hóa học và có thể phân hủy chúng

- Giai đoạn khởi động của hệ thống kỵ khí thường mất nhiều thời gian khoảng

6-12 tuần, bởi vì sự tăng trưởng chậm của vi khuẩn kỵ khí

- Khi xử lý nước thải có hợp chất chứa sunfur, quá trình xử lý kỵ khí thường tạo thành khí H2S với mùi hôi khó chịu

- Bản chất hóa học và vi sinh học của qúa trình phân hủy kỵ khí rất phức tạp Do

đó, còn thiếu những chuyên gia có khả năng thiết kế và vận hành hệ thống một cách

có hiệu quả nên có nhiều hệ thống đã xây dựng nhưng hiệu suất xử lý thấp

b) Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí thông dụng

 Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

Một trong những phát triển nổi bật của công nghệ xử lý kỵ khí là bể UASB được phát minh từ những năm 1970 bởi Lettinga, Đại học Nông nghiệp Wageningen, Hà Lan

Nguyên tắc của kỹ thuật này là dòng nước thải vào chảy ngược từ dưới đáy

bể phản ứng nhằm đảo trộn đều và nâng lớp đệm vi sinh dạng hạt ở đáy bể phản ứng lên ở trạng thái lơ lửng Kỹ thuật này cũng có thể bổ sung thêm dòng tuần hoàn nhằm duy trì đều vận tốc dâng trong bể phản ứng Tải hữu cơ đầu vào cao Kĩ thuật này được coi là bước ngoặt trong công nghệ xử lý yếm khí Điều kiện tiên quyết: sinh khối vi khuẩn dạng hạt phải được hình thành và duy trì suốt thời gian phục vụ của hệ thống

24

Hình 1.5 Sơ đồ hệ UASB

Hệ UASB có ưu điểm là không cần vật liệu mang , giảm mạnh chi phí xây dựng cơ bản, năng suất xử lý tương đối cao và có ưu thế so với các hệ lọc vi sinh ngập nước được thể hiện qua bảng 1.7 [14]

Bảng 1.7 So sánh các kỹ thuật xử lý yếm khí

Hệ xử lý

Thời gian lưu nước (ngày)

Thời gian lưu bùn (ngày)

Mật độ vi sinh (kgVSS/m3)

Tải trọng hữu cơ (kgCOD/m3.ngày)

SS trong nước đầu vào sẽ tích lũy trong lớp bùn, gây khó trong quá trình vận hành

có thể phân hủy sinh học (COD) khoảng 8.000 đến 50.000 mg/L Tuy nhiên, trong thực tế nhiều dòng chất thải lại loãng hơn nhiều Như vậy, tải trọng COD trên mỗi đơn vị thể tích có thể rất thấp với thời gian lưu của hệ thống loại bỏ mất lợi thế chi phí của công nghệ xử lý kỵ khí Tải trọng hữu (OLR) cơ đặc trưng cho thiết bị phân hủy kỵ khí khuấy trộn hoàn toàn là từ 1 - 5 kgCOD/m3.ngày [46]

Hình 1.6 Hệ kỵ khí khấy trộn liên tục

 Bể CIGAR (Bể kỵ khí phủ bạt nhựa trên bề mặt và lót đáy) [26]

Bể CIGAR thực chất là một hồ kỵ khí có thu hồi khí sinh học Hồ được bao phủ toàn bộ bề mặt và lót đáy bằng bạt HPDE (Hight Density Poly Etylen)

Lớp bạt HPDE bao phủ bề mặt tạo ra điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt đồng thời ngăn không cho khí sinh học phát tán ra môi trường Lớp lót đáy HPDE có thể

26

được lắp đặt nếu cần, tùy vào mực nước ngầm của khu xử lý Tuy nhiên, nên lót đáy

để có thể chống rò rỉ nước thải, gây ô nhiễm đất và nước ngầm

Trước khi vào bể CIGAR, nước thải được chảy vào bể lắng nhằm giảm bớt lượng chất rắn lơ lửng, cặn đảm bảo quá trình phân hủy kỵ khí trong bể CIGAR đạt hiệu quả cao nhất Thời gian lưu nước thải trong bể khoảng 30 ngày

Toàn bộ lượng khí sinh học (metan chiếm 55 - 70%) hình thành được thu hồi nhờ hệ thống ống dẫn khí lắp đặt bên trong bể CIGAR

Hình 1.7 Bể CIGAR tại Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Sơn Hải - Quảng Ngãi

1.3.2 Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí

a) Cơ chế của quá trình phân hủy hiếu khí

Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục Quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng các phản

ứng [7,23]:

Oxy hóa các chất hữu cơ:

CxHyOz + O2 → CO2 + H2O + ∆H Tổng hợp tế bào mới:

CxH1yOz + CO2 + NH3 → CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Phân hủy nội bào:

C5H7NO2 + 5 O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 (+/-) ∆H Trong 3 phản ứng ∆H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào

27

Hình 1.8 Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí

b) Công trình xử lý hiếu khí thông dụng

 Bể bùn hoạt tính hiếu khí Aerotank

Bể Aerotank là công trình nhân tạo dùng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, trong đó người ta sục khí để cung cấp oxy và đảo trộn nước thải với bùn hoạt tính Bể bùn hoạt tính hiếu khí có xử lý nước thải có mức độ ô nhiễm

từ thấp đến cao tùy theo yêu cầu xử lý, thiết kế và sơ đồ vận hành

Hình 1.9 Bể bùn hoạt tính công ty Bia Hà nội – Mê Linh

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học

a) Đặc tính nước thải đầu vào xử lý sinh học [17]

Phương pháp xử lý sinh học nước thải có thể dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước Do vậy, điều kiện kiên quyết

- Nước thải đưa vào xử lý sinh học có 2 thông số quan trọng là BOD và COD Tỉ số của 2 thông số này phải là: COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5, mới

có thể đưa vào xử lý hiếu khí Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozo, hemixenlulozo, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học kỵ khí trước rồi mới xử lý hiếu khí

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí

 Các chất dinh dưỡng [17]

Phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí sẽ sản sinh

ra khí metan Tất cả các quá trình sinh học đòi hỏi phải cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng đặc biệt là cacbon và nitơ Việc thiếu các chất dinh dưỡng cần thiết cho

sự phát triển vi sinh vật sẽ hạn chế việc sản xuất khí sinh học Các chất dinh dưỡng được chỉ định bởi tỉ lệ C/N khoảng 20-30/1 Nếu hàm lượng nitơ thiếu hụt thì lượng sinh khối tạo thành sẽ quá thấp không đáp ứng được vận tốc của quá trình chuyển hóa cacbon Ngược lại, với nước thải giàu nitơ thì quá trình khử amin sẽ thành NH4+

ức chế mạnh các vi khuẩn metan hóa

 pH [17]

Trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ khoảng pH tối ưu là 5 - 7, còn trong giai đoạn metan hóa thì pH = 6,8 - 7,2 Chỉ có loài vi khuẩn

29

Methanosarcina có thể chịu đựng được các giá trị pH thấp (pH ≤ 6,5) Với các vi

khuẩn sinh metan khác, quá trình trao đổi chất bị ức chế đáng kể ở pH < 6,7

Thực nghiệm cho thấy pH tối ưu chung cho cả hai quá trình là 6,5 - 7,5 Song trên thực tế người ta có kỹ thuật để lên men ở pH = 7,5 - 7,8 mà vẫn hiệu quả

 Nhiệt độ [17]

Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật Dải

nhiệt độ cho quá trình phân hủy từ 30 - 550C Dưới 100C vi sinh vật sinh metan gần như không hoạt động

Thích nghi với điều kiện nhiệt độ, các vi sinh vật kỵ khí c h ia là m

2 nhó m: n hó m ưa nhiệt (thermophilic) thích nghi ở 50 - 650C và nhóm ưa

ấm(mesophilic) với nhiệt độ 25 - 400C Hầu hết các vi sinh vật lên men metan đều thuộc nhóm ưa ấm, chỉ có rất ít nhóm là ưa nhiệt

2-được coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo metan Sở dĩ có lập luận

này là do nhiều nguyên nhân khác nhau: S

2-làm kết tủa các nguyên tố vi lượng như

Fe, Ni, Co, Mo do đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, đồng thời, các electron giải phóng ra từ quá trình oxy hoá các chất hữu cơ sử dụng cho quá trình sun phát hoá và làm giảm quá trình sinh metan [2]

- Các hợp chất NH4 ở hàm lượng1,5 - 2 mg/L gây ức chế quá trình lên men

kỵ khí [7,17]

- Kim loại nặng: các vi khuẩn metan hóa đặc biệt mẫn cảm với các ion kim loại nặng Sự có mặt của các kim loại nặng ngoài ngưỡng cho phép sẽ ức chế quá

30

trình metan hóa và khí hóa dẫn đến tỉ lệ CO2 tăng, CH4 giảm Mặt khác, do không được decacboxyl hóa tạo CH4 các axit hữu cơ không được khử, chúng tồn đọng trong thiết bị làm giảm pH, ngừng trệ quá trình kỵ khí trong thiết bị phản ứng [17]

1.3.4 Nghiên cứu và ứng dụng thu hồi khí sinh học trong nước thải công nghiệp

trên Thế giới và Việt Nam

Theo thống kê năm 2006 của cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), 88% nhu cầu năng lượng trên thế giới được đáp ứng bởi các nguồn năng lượng không tái tạo, chủ yếu là dầu mỏ, than đá và khí gas tự nhiên Quá trình khai thác, chiết xuất và đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch này gây tác động xấu đến môi trường tự nhiên, hơn nữa chúng lại đang dần trở nên cạn kiệt [33] Sự khan hiếm năng lượng toàn cầu đã khiến gia tăng chú ý đối với công nghệ công nghệ xử sinh học kỵ khí xử lý nước thải công nghiệp có thu hồi khí sinh học như là một quá trình sản xuất năng lượng

Nghiên cứu tại đại học Sardar Patel, Ấn Độ, xử dụng thiết bị bể kỵ khí màng sinh học cố định dòng chảy ngược (Anaerobic Upflow Fixed-film Bioreactor) để tạo

ra khí sinh học Thể tích khí tối đa đạt được là 3,3 L/Lthiết bị.ngày có hàm lượng metan 69%, với thời gian lưu thủy lực là 2 ngày, ở nhiệt độ 40ºC [36]

Một nghiên cứu khác được thực hiện trong vòng 3 tháng ở quy mô pilot với nước thải công nghiệp sữa, cũng sử dụng thiết bị kị khí màng sinh học cố định dòng chảy ngược, cho hiệu suất xử lý COD đạt 85% và BOD đạt 90% ở tải trọng hữu cơ

6 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất sinh metan đạt được 0,32 - 0,34 m3/kgCODphân hủy Lưu lượng khí biogas 770 L/ngày, có thể đáp ứng toàn bộ năng lượng yêu cầu cho bơm

và khuấy trộn [4]

Nước thải nhà máy sản xuất cà phê San Juanillo ở Costa Rica được áp dụng công nghệ xử lý kỵ khí bằng hệ UASB, với tải trọng OCD 4000 kg/ngày, hiệu suất

xử lý COD trung bình đạt 80%, thể tích khí sinh học thu được lớn nhất là 1000

m3/ngày Lượng khí sinh ra được đốt lò hơi tạo nhiệt sấy cà phê [43]

Nghiên cứu của Huỳnh Ngọc Phương Mai (2006) dùng hệ UASB xử lý nước thải tinh bột sắn, tải trọng hữu cơ 42 kgCOD/m3.ngày với hiệu quả xử lý đạt 82-93%, hiệu suất sinh khí 330 L/kgCODchuyển hóa [36]

31

Quan tâm đến việc tận thu khí sinh học từ xử lý nước thải tinh bột sắn có nghiên cứu của Nguyễn Thị Sơn và Nguyễn Thị Thu Hà, thử nghiệm với hệ UASB thể tích 38l, tải trọng COD có thể lên tới 6g/L.ngày, năng suất sinh khí đạt 0,41 - 0,55 L/gCODchuyển hóa, hiệu suất xử lý đạt trên 97%, đặc biệt khi bổ sung một số nguyên tố vi lượng, năng suất sinh khí tăng 20% [12]

Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế xử lý cho thấy công nghệ xử lý sinh học kỵ khí không những có tiềm năng trong xử lý nước thải các ngành công nghiệp giàu chất hữu cơ mà còn giúp thu hồi nguồn khí sinh học hữu ích Tùy thuộc vào giá trị COD đầu vào và loại cơ chất cũng như thiết bị, điều kiện vận hành mà lượng khí sinh học thu hồi được khoảng 400 - 500 m3/tấn CODchuyển hóa Hiệu suất

xử lý COD trong khoảng từ 80-95%

1.3.5 Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường trên Thế

giới và Việt Nam

a) Các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường trên Thế giới

Xử lý nước thải mía đường trên Thế giới được nghiên cứu trong các trường hợp sử dụng các công nghệ khác nhau Nhìn chung, xử lý sinh học yếm khí là biện pháp lý tưởng áp dụng cho xử lý nước thải công nghiệp mía đường vì tải trọng hữu

cơ của nước thải cao

Chang, L J và nkk (1990) đã nghiên cứu về hiện trạng nước thải của công ty Đường Oahu ở Hawaii và đã nghiên cứu xử lý nước thải qui mô phòng thí nghiệm với các phân tích chi phí đối với một số giải pháp công nghệ lựa chọn Trên cơ sở

đó đã đề xuất giải pháp công nghệ phù hợp là kết hợp lắng, UASB và xử lý yếm khí bậc cao (EAFB) Hiệu quả đạt được tách ≥ 99% chất hữu cơ và chất rắn với thời gian lưu 2 ngày Nước thải sau xử lý được tận dụng để lám nước tưới, tuy nhiên trong nghiên cứu này chưa xem xét việc khai thác tận thu năng lượng [20]

Nghiên cứu của Wanbin Zhu và nnk (2010) đã sử dụng phương pháp UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Bed) do công ty Able Co., Ltd thiết kế để xử lý các chất hữu cơ cao trong nước thải công nghệ sản xuát mía đường (COD: 20.000-150.000 mg/L) ở Quảng Tây, Trung Quốc Hiệu quả xử lý nước thải với các giá trị

32

pH thấp, COD, sunphat cao và tải trọng hữu cơ lớn (OLR 2-5 kgCOD/m3.ngày; lớn nhất 18-24 kgCOD/m3.ngày) Hiệu quả tách chất hữu cơ (COD) đạt 50-55% với thời gian lưu thủy lực 24 - 48 giờ Nghiên cứu này cũng chưa xem xét đến việc thu hồi năng lượng [30]

Nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm của A.S.Tanksali (2013) sử dụng hệ UASB thể tích làm việc 8.4 lít, bùn mồi lấy từ bể từ bể tự hoại Nghiên cứu được tiến hành ở nhiệt độ phòng (26-39oC) Tải trọng hữu cơ cao nhất đạt 6kg COD/m3.ngày, hiệu quả xử lý COD đạt 96%, khí biogas thu được 13.72 L/ngày [45]

Một nghiên cứu khác quy mô phòng thí nghiệm của A.K Ragen và nnk (2001) sử dụng hệ pilot thể tích 10 lít, sử dụng nước thải tổng hợp với giá trị COD ban đầu là 1000 mg/L Sau khi hệ khởi động thành công, tải trọng hữu cơ đạt được 6,7 kgCOD/m3.ngày, hiệu quả xử lý COD đạt 76%

b) Các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường tại Việt nam

Trong những năm vừa qua đã có nhiều nghiên cứu về xử lý nước thải mía đường ở Việt Nam Tuy nhiên các nghiên cứu hầu hết chỉ mới tập trung ở khía cạnh hiệu quả xử lý nước thải chứ chưa quan tâm nhiều đến khả năng thu hồi năng lượng (khí metan) từ quá trình vận hành

Nghiên cứu của Nguyễn Thị Sơn, Đại học Bách Khoa Hà Nội (2004) đã nghiên cứu xử lý nước thải của quá trình sản xuất cồn từ rỉ đường bằng hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm đạt hiệu quả xử lý COD đạt 92,2% với thời gian lưu 3,5 ngày, tải trọng COD đạt 2,99 g/L.ngày Nhưng nghiên cứu này chưa xem xét sâu đến vấn đề tận thu năng lượng

Các nhà máy mía đường Việt Nam có công nghệ sản xuất đường tương đối giống nhau Tuy nhiên tùy từng công suất sản xuất, lượng nước thải và đặc tính nước thải của mỗi cơ sở cũng khác nhau nên hệ thống xử lý nước thải cũng khác nhau giữa mỗi cơ sở Hệ thống xử lý của một số nhà máy được đưa ra ở các sơ đồ công nghệ sau (Hình 1.10, 1.11 và 1.12)