Nghiên cứu phát triển kĩ thuật yếm khí cao tải xử lý nước thải giàu hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Kim Loan ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KĨ THUẬT YẾM KHÍ CAO TẢI XỬ LÝ NƢỚC THẢI GIÀU HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Kim Loan ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KĨ THUẬT YẾM KHÍ CAO TẢI XỬ LÝ NƢỚC THẢI GIÀU HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành Mã số : Hóa môi trƣờng : 60440120 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Lê Văn Chiều HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện luận văn tốt nghiệp nỗ lực thân, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội quan tâm tận tình truyền đạt những kiến thức cho thời gian học tập trường Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Văn Chiều, thầy hướng dẫn trực tiếp luận văn Thầy tận tình hướng dẫn, định hướng tạo điều kiện cho suốt thời gian thực luận văn thạc sỹ Trân trọng cảm ơn anh chị trung tâm CETASD (Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường Phát triển bền vững) tạo điều kiện, giúp đỡ hoàn thành luận văn phần đề tài KC 08-04/11-15 cấp Nhà nước, Bộ Khoa học Công nghệ tài trợ Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn chân thành tới gia đình người quan tâm, động viên đồng thời chỗ dựa tinh thần lớn giúp hoàn thành tốt công trình luận văn vừa qua Hà nội, tháng 10 năm 2014 Học viên Phạm Thị Kim Loan MỤC L ỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Nước thải chăn nuôi Error! Bookmark not defined 1.1.1 Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn Error! Bookmark not defined 1.1.2 Hiện trạng chất thải chăn nuôi Việt Nam số phương pháp xử lí nước thải chăn nuôi Error! Bookmark not defined 1.2 Tổng quan kĩ thuật xử lý yếm khí Error! Bookmark not defined 1.2.1 Lịch sử phát triển kĩ thuật xử lý yếm khí Error! Bookmark not defined 1.2.2 Ưu, nhược điểm kĩ thuật vi sinh yếm khí so với kĩ thuật vi sinh hiếu khí Error! Bookmark not defined 1.2.3 Các trình vi sinh điều kiện yếm khí Error! Bookmark not defined 1.3 Kĩ thuật tuần hoàn nội (Internal Circulation – IC) Error! Bookmark not defined 1.4 Kĩ thuật yếm khí đảo chiề u (Anaerobic Baffled Reactor - ABR) Error! Bookmark not defined CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2.1 Mục tiêu nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2.2 Nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3.1 Thiết bị nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3.2 Thiết bị phân tích, dụng cụ hóa chất Error! Bookmark not defined 2.3.3 Qui trình thí nghiệm Error! Bookmark not defined 2.3.4 Các phương pháp phân tich Error! Bookmark not defined ́ 2.3.5 Các công thức tính toán Error! Bookmark not defined CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Đặc điểm nƣớc thải nuôi lợn Error! Bookmark not defined 3.2 Khảo sát hiệu suất xử lí thành phần hữu chế độ giảm dần thời gian lƣu nƣớc Error! Bookmark not defined 3.2.1 Diễn biến thành phần hữu hiệu suất xử lí thành phần hữu hệ IC Error! Bookmark not defined 3.2.2 Diễn biế n thành phần hữu hiệu suất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined 3.3 So sánh khả xử lí thành phần hữu hai thiết bị IC ABR Error! Bookmark not defined 3.4 Mối quan hệ tải lƣợng hữu vào với hiệu suất xử lí suất xử lí thành phần hữu Error! Bookmark not defined 3.4.1 Quan hệ tải lượng hữu vào hiệu suất xử lí thành phần hữu hệ IC Error! Bookmark not defined 3.4.2 Quan hệ tải lượng hữu vào hiệu suất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined 3.4.3 Quan hệ tải lượng hữu vào suất xử lí thành phần hữu hệ IC Error! Bookmark not defined 3.4.4 Quan hệ tải lượng hữu vào suất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined 3.5 Khảo sát ảnh hƣởng tốc độ nƣớc dâng đến hiệu suất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined 3.6 Diễn biến T-N, N-NH  theo thời gian Error! Bookmark not defined 3.6.1 Diễn biến T-N, N- NH  hệ IC theo thời gian Error! Bookmark not defined 3.6.2 Diễn biến T-N, N-NH  hệ ABR theo thời gian Error! Bookmark not defined 3.7 Diễn biến T-P, PO 3 theo thời gian Error! Bookmark not defined 3.7.1 Diễn biến T-P, PO43- IC theo thời gian Error! Bookmark not defined 3.7.2 Diễn biến T-P, PO43- ABR theo thời gian Error! Bookmark not defined 3.8 Khả loại bỏ cặn nƣớc thải Error! Bookmark not defined 3.8.1 Khả loại bỏ cặn nước thải hệ IC Error! Bookmark not defined 3.8.2 Khả loại bỏ cặn nước thải hệ ABR Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính nước thải sau xử lý hầm Biogas Error! Bookmark not defined Bảng 2.1 Các thông số kĩ thuật hệ IC Error! Bookmark not defined Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật hệ ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Các đặc trưng nước thải thô Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Các thông số vận hành thí nghiệm hệ IC Error! Bookmark not defined Bảng 3.3 Kết thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lí thành phần hữu hệ IC Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 Các thông số vận hành thí nghiệm hệ ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.5 Kết thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.6 Tóm tắt kết thí nghiệm so sánh khả xử lí thành phần hữu IC ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.7 Tóm tắt kết thí nghiệm quan hệ tải lượng suất xử lí thành phần hữu hệ IC Error! Bookmark not defined Bảng 3.8 Kết mối quan hệ tải lượng hữu suất xử lí thành phần hữu hệ IC Error! Bookmark not defined Bảng 3.9 Tóm tắt kết thí nghiệm quan hệ tải lượng hữu suất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.10 Kết mối quan hệ tải lượng hữu suất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.11 Thông số vâ ̣n hành thí nghiệm và kế t quả so sánh chế độ n ước dâng ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.12 Các giá trị T-N, N-NH  hệ IC Error! Bookmark not defined Bảng 3.13 Các giá trị T-N, N-NH  hệ ABR Error! Bookmark not defined Bảng 3.14 Các giá trị T-P, PO 3 hệ IC Error! Bookmark not defined Bảng 3.15 Các giá trị T-P, PO 3 hệ ABR Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ phát triển công nghệ yếm khí Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Cấu hình bể xử lý ABR Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Mô hình hệ IC Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Hình ảnh hệ IC phòng thí nghiệm Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Bộ phân phối bùn Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Bộ tách ba pha khí/lỏng/rắn Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Mô hình hệ ABR Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Hình ảnh hệ ABR phòng thí nghiệm Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Bơm nước đầu vào Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Bồn thu nước đầu Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Diễn biến giá trị COD tổng hiệu suất xử lí thành phần hữu tổng hệ IC thay đổi thời gian lưu nước Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Diễn biến giá trị COD hòa tan hiệu suất xử lí thành phần hữu hòa tan hệ IC thay đổi thời gian lưu nước Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Diễn biến giá trị COD tổng hiệu suất xử lí thành phần hữu tổng hệ ABR thay đổi thời gian lưu nước Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Diễn biến giá trị COD hòa tan hiệu suất xử lí thành phần hữu hòa tan hệ ABR thay đổi thời gian lưu nước Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Diễn biến hiệu suất xử lí thành phần hữu tổng IC ABR thay đổi thời gian lưu nước Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Diễn biến hiệu suất xử lí thành phần hữu hòa tan IC ABR thay đổi thời gian lưu nước Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Mối quan hệ tải lượng hữu tổng vào hiệu suất xử lí thành phần hữu tổng hệ IC Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Mối quan hệ tải lượng hữu hòa tan vào hiệu suất xử lí thành phần hữu hòa tan hệ IC Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Mối quan hệ tải lượng hữu tổng vào hiệu suất xử lí thành phần hữu tổng hệ ABR Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Mối quan hệ tải lượng hữu hòa tan vào hiệu suất xử lí thành phần hữu hòa tan hệ ABR Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Quan hệ tải lượng hữu vào suất xử lí thành phần hữu ̣ IC Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Quan hệ tải lượng hữu vào xuất xử lí thành phần hữu hệ ABR Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Quan hệ tải lượng hữu tổng vào suất xử lí thành phần hữu tổng ABR thay đổi tốc độ nước dâng Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Quan hệ tải lượng hữu hòa tan vào suất xử lí thành phần hữu hòa tan ABR thay đổi tốc độ nước dâng Error! Bookmark not defined Hình 3.15 So sánh hiệu suất xử lí thành phần hữu tổng ABR thay đổi tốc độ nước dâng Error! Bookmark not defined Hình 3.16 So sánh hiệu suất xử lí thành phần hữu hòa tan ABR thay đổi tốc độ nước dâng Error! Bookmark not defined Hình 3.17 Diễn biến T-N hệ IC theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.18 Diễn biến N-NH4+ hệ IC theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.19 Diễn biến T-N hệ ABR theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.20 Diễn biến N-NH  hệ ABR theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.21 Diễn biến T-P hệ IC theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.22 Diễn biến PO43- hệ IC theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.23 Diễn biến T-P hệ ABR theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.24 Diễn biến PO43- hệ ABR theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.25 Diễn biến TSS khả xử lí TSS hệ IC Error! Bookmark not defined Hình 3.26 Diễn biến TSS khả xử lí TSS hệ ABR Error! Bookmark not defined DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Anh Ký hiệu Tiếng Việt ABR Anaerobic Baffled Reactor Kĩ thuật yếm khí đảo chiều COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học CODt,v COD tổng vào CODt,r COD tổng CODht,v COD hòa tan vào CODht,r COD hòa tan Thời gian lưu nước HRT EGSB Expanded Granular Sludge Bed Đệm vi sinh dạng hạt giãn nở Lưu lượng nước Q T-N Tổng Nitơ T-P Tổng Phốt Tổng chất rắn Internal Circulation Kĩ thuật tuần hoàn nội Kĩ thuật dòng chảy qua lớp bùn yếm Blanket IC Total Suspended Solids Upflow Anaerobic Sludge TSS khí UASB dâng Tốc độ nước dâng MỞ ĐẦU Chăn nuôi hai lĩnh vực quan trọng nông nghiệp (chăn nuôi, trồng trọt), đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho tiêu dùng hàng ngày người dân xã hội mà nguồn thu nhập quan trọng hàng triệu người dân Đặc biệt nông nghiệp lại có ý nghĩa quan trọng nước ta có tới 70% dân cư sống dựa vào nông nghiệp [3] Trong nông nghiệp chăn nuôi, đặc biệt chăn nuôi lợn coi mạnh ngành nông nghiệp với gia tăng dân số, gia tăng nhu cầu lương thực, thực phẩm, ngành chăn nuôi đầu tư phát triển mạnh Trước đây, có chăn nuôi nhỏ lẻ hộ gia đình Hiện nay, bối cảnh thức ăn chăn nuôi, vật tư chăn nuôi tăng, với sức cạnh tranh, vấn đề kiểm soát dịch bệnh nên việc chăn nuôi hộ gia đình có xu hướng giảm chăn nuôi gia trại, trang trại tăng nhanh tạo khả cạnh tranh thị trường Theo kết điều tra 1/10/2013 Tổng cục Thống kê, nước có 26,3 triệu lợn 99,1%; đàn lợn nái có 3,9 triệu 98% so với kỳ năm trước Sản lượng thịt xuất chuồng đạt 3,3 triệu tăng 2,1% so với kỳ năm trước Tuy nhiên, bên cạnh đóng góp tích cực cho phát triển kinh tế - xã hội, việc phát triển chăn nuôi lợn để lại tác động tiêu cực đến môi trường: làm ô nhiễm môi trường đất, chất lượng nước không khí xung quanh khu vực nuôi lợn Nguyên nhân ảnh hưởng chất thải chăn nuôi lợn: phân, nước tiểu nước rửa chuồng trại Sản lượng thịt lợn cung cấp thị trường ngày tăng tỷ lệ thuận với lượng chất thải môi trường Theo báo cáo tổng kết Viện chăn nuôi [2], hầu hết hộ chăn nuôi để nước thải chảy tự môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt vào ngày oi Nồng độ khí H2S NH3 cao mức cho phép khoảng 30-40 lần, tổng số vi sinh vật bào tử nấm cao mức cho phép nhiều lần, nước thải chăn nuôi có chứa COD, TN, TP cao nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép [1] Vì vậy, chất thải chăn nuôi thiết phải xử lí trước xả thải môi trường Việc áp dụng công nghệ xử lý phù hợp hiệu nước thải giàu hữu nói chung nước thải chăn nuôi lợn nói riêng quan trọng nhu cầu thiết Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải giàu hữu này, phương pháp sinh học cho biện pháp xử lí hiệu quả, thân thiện với môi trường Một số biện pháp xử lí sinh học như: xử lý chất thải lỏng biogas, lọc sinh học, kĩ thuật dòng chảy qua lớp bùn yếm khí (UASB) biến thể công nghệ EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt giãn nở), IC (Internal Circulation – kĩ thuật tuần hoàn nội)… Trong công nghệ trội kỹ thuật IC với ưu điểm : Chấp nhận tải lượng ô nhiễm cao, hiệu suất xử lí tốt, cấu tạo đơn giản, lượng tiêu hao thấp, lượng bùn sinh nhỏ, chất lượng nước tốt (TSS thấp) Chính kĩ thuật IC ngày nghiên cứu để hoàn thiện áp dụng vào nhà máy xử lý nước thải thế giới và nước Tuy nhiên kỹ thuật IC có nhược điểm có chiều cao cột phản ứng lớn nên khó khăn cho việc chế ta ̣o vận hành Để khắc phục nhược điểm trên, dạng cải tiến kĩ thuật tuần hoàn nội theo kiểu vách ngăn đảo chiều gọi tắt ABR (ABR-Anaerobic Baffled Reactor) đời với thiết kế chia nhỏ cột IC thành nhiều cột phản ứng có chiều cao thấp mắc nối tiếp với nên giảm thiểu khó khăn trình xây dựng mà đảm bảo tải xử lý cao Vì luận văn đề tài “Nghiên cứu phát triển kĩ thuật yếm khí cao tải xử lí nƣớc thải giàu hữu cơ” đươ ̣c đưa với mục tiêu đánh giá khả xử lí thành phần hữu có nước thải chăn nuôi lợn hai công nghệ xử lí yếm khí kĩ thuật tuần hoàn nội (IC) dạng cải tiến kĩ thuật yếm khí theo kiểu vách ngăn đảo chiều (ABR) Trên sở xác định mối quan hệ tải lượng suất xử lí để phục vụ cho thiết kế thực tế sau TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT Bùi Xuân An (2007), Nguy tác động đến môi trường trạng quản lý chất thải chăn nuôi vùng Đông Nam Bộ, Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh Antoine Pouilieute, Bùi Bá Bổng, Cao Đức Phát (2010), Báo cáo chăn nuôi Việt Nam triển vọng 2010”, ấn phẩm tổ chức PRISE Pháp Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn (2011), Báo cáo kết thực 12 tháng năm 2011 ngành Nông nghiệp phát triển nông thôn, Trung tâm tin học thống kê TÀI LIỆU TIẾNG ANH Angelidaki, I., Ellegaard, L., Sorensen, A.H., Schmidt, J.E (2002) Anaerobic processes In: Angelidaki I, editor Environmental biotechnology Institute of Environment and Resources Technical University of Denmark (DTU) Barber, W.P.; Stucky, D.C (1999) The use of the anaerobic baffled reactor (ABR) for wastewater treatment: a review Wat Res Vol 33, No 7, 1559-1578 Björnsson, L., Murto, M., Jantsch, T.G., Mattiasson, B (2001) Evaluation of new methods for the monitoring of alkalinity, dissolved hydrogen and the microbial community in anaerobic digestion Water Research, 35 (12), 2833-2840 Feng, H.J.; Hu, L.F.; Shan, D.; Fang, C.R.; Shen, D.S (2008) Effects of Temperature and Hydraulic Residence Time (HRT) on Treatment of Dilute Wastewater in Carrier Anaerobic Baffled Reactor Biomed Environ Eng Sci 21,460-466 Frankin R.J (2001) Full-scale experiences with anaerobic treatment of industrial wastewater Wat Sci Tech 44, 1–6 Garcia-Heras, J.L (2003) Reactor sizing, process kinetics and modelling of anaerobic digestion of complex wastes Ed Mata-Alvarez, Biomethanaization of the organic fraction of municipal solid wastes, IWA, UK, pp 21-58 10 Jim A Field and Reyes Sierra, University of Arizona, High Rate Anaerobic Wastewater Treatment, www.uasb.org 11 Klass, D.L (1984) Methane from anaerobic fermentation Science, 223 (4640), 1021-1028 12 Kotsyurbenko, O.R (2005) Trophic interactions in the methanogenic microbial community of low-temperature terrestrial ecosystems FEMS Microbial Ecology, 53, 3-13 13 Krishna, G.V.T.G.; Kumar, P.; Kumar, P (2008) Treatment of low strength complex wastewater using an anaerobic baffled reactor (ABR) Bioresource Technology 99, 8193–8200 14 Krishna, G.V.T.G.; Kumar, P.; Kumar, P (2009) Treatment of low-strength soluble wastewater using an anaerobic baffled reactor (ABR) J Environ Manag 90, 166-176 15 Lettinga, G., van Velsen, A.F.M., Homba, S.W., de Zeeuw, W., Klapwijk, A (1980) Use of the upflow sludge blanket reactor concept for biological wastewater treatment especially for anaerobic treatment Biotechnol Bioeng 22, 699 – 734 16 McCarty, P.L (1982) in: D.E Hughes, D.A Stafford, B.F Weatley, W Beader, G Lettinga, E.J Nuns, W Verstraete and R.L Wentworth, eds Anaerobic Digestion Elsevier Biomedical, Amsterdam, pp.3-22 17 Parawira, W., Murto, M., Read, J.S., Mattiasson, B (2005) Profile of hydrolases and biogas production during two-stage mesophilic anaerobic digestion of solid potato waste Process Biochemistry, 40 (9), 2945-2952 18 Petersen, S.P., Ahring, B.K (1991) Acetate oxidation in thermophilic anaerobic sewage sluge digester: the importance of non-aceticlastic methanogenesis of acetate FEMS Microbial Ecology, 86, 149-158 19 Sallis, P.J.; Uyanik, S (2003) Granule development in a split-feed anaerobic baffled reactor Bioresource Technology 89, 255–265 20 Schink, B (1997) Energetics of syntrophic cooperation in methanogenic degradation Microbiology and Molecular Biology Reviews, 61 (2), 262-280 21 Uyanik S (2003) A Novel Anaerobic Reactor: Split fed anaerobic baffled reactor (SFABR) Turkish J Eng Env Sci 27, 339 – 345 22 Uyanik S (2003) Granule development in anaerobic baffled reactors Turkish J Eng.Env Sci 27, 131 - 144 23 Vavilin, V.A., Rytov, S.V., Lokshina, L.Y (1996) A description of hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic matter Bioresource Technology, 56 (2-3), 229-237 24 Vellinga, S.H.J.(1986) Anaerobic purification equipment for waste water US Patent No 4,609,460