Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải giàu chất hữu cơ trên mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao EGSB (expanded granular sudge beg)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  ĐINH QUANG TRUNG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƢỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ TRÊN MÔ HÌNH THIẾT BỊ XỬ LÝ KỴ KHÍ TỐC ĐỘ CAO EGSB (Expanded Granular Sudge Bed) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS TS NGUYỄN NGỌC LÂN HÀ NỘI - 2013 -1- MỤC LỤC MỤC LỤC…………………………………………………………………… LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan nƣớc công nghiệp giầu chất hữu Việt Nam 11 1.1.1 Ngành sản xuất bia 11 1.1.2 Ngành sản xuất giấy bột giấy 12 1.1.4 Ngành chế biến thủy sản 16 1.1.5 Ngành chế biến tinh bột sắn 17 1.2 Hiện trạng sử dụng hiệu xử lí công nghệ EGSB đƣợc triển khai Thế giới số loại hình công nghệ yếm khí xử lí nƣớc thải giầu chất hữu áp dụng Việt Nam 19 1.2.1 Hiện trạng sử dụng công nghệ EGSB giới 19 1.2.2 Một số loại hình công nghệ yếm khí xử lý nước thải giầu chất hữu áp dụng Việt Nam 24 1.2.3 Phân tích so sánh công nghệ EGSB với công nghệ khác 28 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC DẠNG THIẾT BỊ XỬ LÝ YẾM KHÍ NƢỚC THẢI GIẦU CHẤT HỮU CƠ 31 2.1 Cơ chế tác nhân 32 2.1.1 Cơ chế phân giải yếm khí 32 2.1.2 Tác nhân sinh học 37 2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình xử lí yếm khí 38 2.2.1 Ảnh hưởng pH 38 2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 39 2.2.3 Ảnh hưởng thành phần chất (tỷ lệ C/N) 39 2.2.4 Ảnh hưởng chất kìm hãm 40 2.2.5 Ảnh hưởng thời gian lưu tải lượng dòng vào thiết bị yếm khí 41 -2- 2.2.6 Ảnh hưởng oxy hóa khử (hàm lượng H2) giai đoạn tạo axetic 41 CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG, MÔ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu 43 3.2 Mô hình thiết bị nghiên cứu 43 3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 44 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 50 4.1 Tuyển chon, phân lập dạng vi sinh công nghệ EGSB 50 4.1.1 Nghiên cứu tuyển chọn, phân lập dạng vi sinh vật sử dụng công nghệ EGSB 50 4.1.2 Cơ chế tạo hạt phương pháp đẩy nhanh trình tạo hạt bùn 60 4.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến trình xử lý công nghệ EGSB 66 4.2.1 Ảnh hưởng pH tới hiệu hoạt động thiết bị EGSB 66 4.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tới hoạt động thiết bị EGSB 69 4.2.3 Nghiên cứu phụ thuộc hiệu suất xử lý vào thời gian lưu thủy lực 71 4.2.4 Ảnh hưởng COD dòng vào 72 4.2.5 Ảnh hưởng N-NH3 75 4.2.6 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng hồi lưu bùn 76 4.2.7 Ảnh hưởng dầu mỡ 76 4.2.8 Ảnh hưởng khả chịu sốc thay đổi đột ngột tải lượng hữu 77 KẾT LUẬN 78 -3- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Đôc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc _ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Tất số liệu, kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực, khách quan tài liệu tham khảo trích dẫn danh mục tài liệu tham khảo, sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả Đinh Quang Trung -4- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường BOD: Nhu cầu Oxy sinh học COD: Nhu cầu Oxy hóa học EGSB: Công nghệ xử lí kị khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng GDP: Tổng thu nhập quốc dân HRT: Thời gian lưu thủy lực KHCN: Khoa học công nghệ SS: Hàm lượng chất rắn lơ lửng UASB: Bể có dòng chảy ngược qua lớp bùn yếm khí XN: Xí nghiệp WTO: Tổ chức y tế Thế giới -5- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc trưng nước thải sản xuất bia Bảng 1.2 Tải lượng chất ô nhiễm nước sản xuất bia Bảng 1.3 Các nguồn nước thải từ phận thiết bị khác Bảng 1.4 Ô nhiễm nhà máy giấy bột giấy điển hình Việt Nam Bảng 1.5 Hàm lượng ô nhiễm trung bình nước thải số loại hình chế biến thủy sản Bảng 1.6 Chất lượng nước thải từ ngành chế biến tinh bột sắn Bảng 3.1 Đặc trưng nước thải chế biến tinh bột sắn Bảng 4.2 Đặc trưng biogas thu từ thực nghiệm Bảng 4.1 Vi khuẩn metan hóa điều kiện môi trường -6- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Công nghệ EGSB áp dụng ngành công nghiệp TQ Hình 1.2 Hiệu xử lý Nhà máy bia Unicer Leça Balio, Portugal Hình 1.3 Hiệu xử lý EGSB Nhà máy bia Cesu Alus, Latvia Hình 1.4 Hiệu xử lý EGSB Nhà máy bia Anheuser Busch, Hình 1.5 Mô hình công nghệ EGSB Envirochemie Hình 1.6 Sơ đồ thiết bị yếm khí tiếp xúc Hình 1.7 Sơ đồ thiết bị yếm khí giả lỏng Hình 1.8 Sơ đồ thiết bị yếm khí dạng tháp đệm Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị UASB Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ EGSB Hình 2.1 Quy trình phân giải yếm khí hợp chất hữu Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ EGSB phòng thí nghiệm Hình 4.1 Khuẩn Bifidobacterium Hình 4.2 Khuẩn Methanosarcina Hình 4.3 Khuẩn Lactobacillus Hình 4.4 Khuẩn Clostridium Hình 4.5 Khuẩn Methanobacterium Hình 4.6 Kiến trúc bùn hạt yếm khí Hình 4.7 Trình bày khả tạo hạt tăng lên nhờ nhân trơ (Liu et al 2003) Hình 4.8 Sự thay đổi nồng độ bùn theo thời gian Hình 4.9 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý hiệu thu khí biogas Hình 4.10 pH dòng theo thời gian Hình 4.11 Hiệu xử lý COD theo thời gian Hình 4.12 Hiệu khí hóa Biogas theo thời gian Hình 4.13 Ảnh hưởng thời gian lưu thủy lực đến tải trọng COD hiệu khí Hình 4.14 COD dòng theo tải lượng COD dòng vào Hình 4.15 Hiệu suất xử lý COD theo tải lượng COD dòng vào Hình 4.16 Hệ số khí hóa biogas theo tải lượng COD dòng vào -7- MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, phát triển nhanh chóng trình Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa dẫn đến xuất nhiều khu công nghiệp phạm vi nước với mục tiêu làm thay đổi diện mạo thúc đẩy kinh tế Tuy nhiên, không quan tâm mức, dẫn đến hậu ô nhiễm suy thoái môi trường ngày nghiêm trọng Trong đó, ô nhiễm nước thải đặt yêu cầu cấp thiết với toàn xã hội việc đưa biện pháp xử lý, kiểm soát kịp thời nhằm bảo vệ môi trường phát triển bền vững Nước thải ngành công nghiệp có mức độ ô nhiễm cao, lượng thải lớn phải kể đến như: Nước thải từ ngành chế biến nông sản, thực phẩm (Sản xuất tinh bột, sản xuất cồn, rượu, bia, chế biến thủy hải sản, giết mổ gia súc gia cầm ,), nước thải từ ngành rượu bia, nước giải khát, dệt may Công nghệ xử lý hiệu nước thải giàu chất hữu công nghệ sinh học kị khí mà đặc biệt công nghệ sinh học kị khí Những năm gần số công nghệ xử lí kị khí phát triển ngày hoàn thiện Có thể kể đến thiết bị lọc kị khí (Anaerobic Filter - AF); thiết bị lọc cố định sử dụng màng sinh học có dòng chảy từ xuống (Dow-flow Stationary Fixed Film - DSFF); lọc kị khí với dòng chảy hướng lên (Up-flow Anaerobic Filter - UAF); hệ thống xử lí kị khí tầng sôi (Anaerobic Fluidized Bed Reactor - AFBR); đệm bùn kị khí với dòng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB) gần công nghệ xử lí kị khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng (Expanded Granular Sludge Bed - EGSB) [4,5] Phương pháp EGSB không sử dụng phương thức bám dính vi sinh vật vào vật thể trung gian, mà sử dụng phương thức trì vật thể ngưng kết dạng hạt Các hạt bùn sinh học cấu thành khu hệ vi sinh vật: Thủy phân axit hóa metan hóa quần thể tương hỗ trạng thái lưu động (tầng sôi) Quá trình khởi động tác động lớn đến trình hoạt động ổn định hiệu loại bỏ COD bể phản ứng EGSB [3,6,7] Trên giới việc áp dụng công nghệ EGSB trở lên phổ biến nhiều ưu việt Tuy nhiên, Việt Nam việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lí kỵ khí với lớp bùn hạt mở rộng hạn chế Xuất phát từ lý đó, đề tài: “Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý nước thải giàu -8- chất hữu mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao EGSB (Expanded Granular Sudge Beg)” lựa chọn thực - Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lí nước thải công nghiệp giàu chất hữu mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao dung tích 42 lít phòng thí nghiệm - Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu nước thải giàu chất hữu cơ, cụ thể nước thải từ trình sản xuất tinh bột sắn công đoạn tách bột đen Nước thải lấy từ số hộ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ làng nghề Dương Liễu, huyện Hoài Đức, Hà Nội - Phạm vi nghiên cứu + Thu thập số liệu, thông tin xây dựng tổng quan đặc trưng nước thải số ngành công nghiệp có mức độ ô nhiễm cao, đánh giá trạng sử dụng công nghệ xử lí nước thải công nghiệp giầu chất hữu áp dụng nước Đánh giá, so sánh hiệu xử lí phạm vi áp dụng loại hình công nghệ với công nghệ EGSB + Nghiên cứu đặc tính vi sinh vật sử dụng công nghệ EGSB Phân lập tuyển chọn dạng vi sinh thích hợp Nghiên cứu trình tạo bùn hạt biện pháp đẩy nhanh trinh tạo hạt bùn thiết bị EGSB Chế tạo thử nghiệm mô hình công nghệ EGSB dung tích 42 lít phòng thí nghiệm, xác định thông số thiết kế thiết bị pilot EGSB dung tích 1m3 + Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu công nghệ EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) xử lý nước thải ô nhiễm hữu cao phòng thí nghiệm - Phƣơng pháp nghiên cứu + Phương pháp thu thập tài liệu: Bao gồm thu thập tài liệu nước liên quan đến đề tài; + Phương pháp điều tra lấy mẫu thực tế: Đi thưc tế, khảo sát, vấn số hộ sản xuất, lấy mẫu nước thải cống thải (nước thải hỗn hợp) hộ sản xuất làng nghề chế biến tinh bột sắn Dương Liễu, Hoài Đức, Hà Nội theo -9- TCVN 5999: 1995 (ISO 5667-10: 1992) Tiến hành lấy mẫu đợt tháng đến tháng 4/2013 + Phương pháp thực nghiệm: Phân tích thông số pH, SS, COD, BOD5, tổng Nitơ, tổng Phốt theo phương pháp tương ứng TCVN 6492:2011, TCVN 6625:2000 TCVN 6491:1999 + Phương pháp đánh giá, tổng hợp, xử lý số liệu: Các số liệu sau thu thập, phân tích đánh giá tổng hợp, xử lý tổng kết để viết luận văn -10- 0.4 60 0.3 40 0.2 20 0.1 Hieu xuat xu ly COD, % 80 0.5 Hieu qua hoa, m biogas/ kgCOD 100 0 5.7 Hình 4.9 Bùn hạt hệ thống 6.5 pH 7.5 Hieu xuat xu ly COD, % Hieu qua hoa, m EGSB biogas/ kgCOD Hình 4.9 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý hiệu thu khí biogas Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý COD hiệu khí hóa tiến hành với nước thải dòng vào có hàm lượng COD 4500÷5000 mg/L, thời gian lưu 48 giờ, nhiệt độ ổn định 35÷370C Giá trị pH thay đổi dải 5,7÷7,5 Kết nghiên cứu (hình 3) cho thấy pH dòng vào tăng hiệu suất xử lý COD hiệu khí hóa tăng Ở pH dòng vào 5,7, hiệu suất xử lý COD đạt 78% hiệu khí hóa 0,36 m3/kgCOD chuyển hóa Khi pH tăng hiệu xử lý COD tăng đạt 87%, 91%, 93% pH tương ứng 6,5; 7,0; 7,5; đồng thời hiệu khí hóa tăng từ 0,4 lên 0,45 m3/kgCOD pH tăng từ đến 7,5 4.2.1.2 Hiệu hoạt động thiết bị pH tối ưu Với điều kiện pH dòng vào khoảng 6,5 – 7,0 theo thời gian pH dòng tăng dần, ban đầu pH đạt 6,64; sau 10 ngày bắt đầu dần ổn định khoảng 7,1 – 7,3 Tương ứng với hiệu xử lý COD tăng lên, ổn định khoảng 88 – 91%, hiệu khí hóa ổn định mức 0,40 – 0,42 m3/KgCOD chuyển hóa Điều chứng tỏ với pH dòng vào đạt 6,5 – 7,0, thiết bị hoạt động ổn định, hiệu -67- Hình 4.10 pH dòng theo thời gian Hình 4.11 Hiệu xử lý COD theo thời gian -68- Hình 4.12 Hiệu khí hóa Biogas theo thời gian Nghiên cứu thực với nước thải từ trình sản xuất tinh bột sắn làng nghề Dương Liễu thiết bị xử lý EGSB liên tục 60 ngày Với nước thải dòng vào có hàm lượng COD 4500÷5000 mg/L, thời gian lưu 48 giờ, nhiệt độ ổn định 35÷370C Nước thải dòng vào có pH 6,5 – 7,0 cho hiệu suất xử lý COD cao đạt 87 – 91% Hiệu khí hóa trung bình đạt 0,40-0,42 m3/kg COD chuyển hóa Thực tế cho thấy, nước thải từ sản xuất tinh bột sắn thường có hàm lượng ô nhiễm cao, pH thấp (pH: 4,8÷5,5) Để xử lý hiệu quả, pH cần điều chỉnh lên 6,5 Lượng biogas thu hoàn toàn bù đắp chi phí cho điều chỉnh pH 4.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tới hoạt động thiết bị EGSB Xử lý nước thải phương pháp sinh học nói chung xử lý phương pháp yếm khí nói riêng, yếu tố môi trường đóng vai trò quan trọng Nó định hiệu xử lý phương pháp, trình phân giải yếm khí, nhiệt độ yếu tố quan trọng Thực tế cho thấy vi khuẩn metan hóa (ưa ấm ưa nóng) mẫn cảm với biến động nhiệt độ môi trường Nhiệt độ giảm ÷ 50C hiệu thu biogas giảm tới 10 ÷ 15% Nhiệt độ thấp nhiệt độ tối ưu 100C trình tạo khí giảm tới 85 ÷ 90%, chí không biogas Nhiệt độ định hiệu thu khí CH4 4.2.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến vi khuẩn metan hóa Vi khuẩn lên men CH4 đa dạng, gồm nhóm chính: -69- - Nhóm vi khuẩn ưu ấm (Mesophyl) phát triển nhiệt độ tối ưu topt = 35÷370C: Methanococus, Methanobacterium, Methanoosarcina - Nhóm vi khuẩn ưa nóng (Thermophyl) phát triển nhiệt độ tối ưu topt = 55÷600C: Methanobacillus, Methanospirillum, Methanothrix Bảng 4.1 Vi khuẩn metan hóa điều kiện môi trƣờng Tên vi khuẩn Nhiệt độ Cơ chất bị chuyển hóa (0C) Methanobacterium 37÷40 CO2, H2, Rượu bậc I + II Methanopropionicum 37÷40 Axit propionic Methanoformium 37÷40 H2, CO2, HCOOH Methanosochicum 37÷40 CH3COOH Methanosuboxydan 37÷40 Axit butyric, valeric, caprionic Methanoruminanticum 37÷40 H2, HCOOH Methanococcus mazei 30÷37 CH3COOH, axit butyric Methanosarina methanica 35÷37 Axit axetic, axit butyric 30 CH3COOH, CH3OH, H2, CO2 37÷40 H2, HCOOH Methanosarina barkeri Methanococcus vanirieri 4.2.2.2 Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ Khi tiến hành thực nghiệm, thời gian nghiên cứu hạn hẹp nên yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu xử lý ổn định nhiệt từ 35÷37 0C ngày từ trình vận hành Nhiệt độ yếu tố quan trọng tác động đến trình phân giải yếm khí Dải nhiệt độ cho trình phân giải yếm khí phụ thuộc tác nhân sinh học hay nói khác Với vi khuẩn metan hóa ưa ấm (meosophyl) nhiệt độ tối ưu 35÷370C, vi khuẩn metan hóa ưa nóng (theromophyl) hoạt động tốt nhiệt độ 50 ÷ 520C Biến động nhỏ nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt lực vi sinh vật Nhóm vi khuẩn metan hóa cho hiệu suất cao chủ yếu vi khuẩn ưa ấm, chúng nhạy cảm với biến động nhiệt độ Do vậy, để thu biogas nhiệt độ phải giữ ổn định từ 35÷370C -70- - Nhiệt độ > 370C: Vi khuẩn metan hóa vi khuẩn khác ưa nhiệt hoạt động Quá trình khí hóa mạnh, khí thoát nhiều hàm lượng CH4 thấp trình khử CO2 không xảy Hàm lượng CH4 có biogas giảm tới 30% Vì nhiệt độ môi trường xử lý yếm khí có vai trò quan trọng, định hiệu thu khí metan - Nhiệt độ < 100C Vi khuẩn metan hóa không hoạt động Bảng 4.2 Đặc trƣng biogas thu đƣợc từ thực nghiệm STT Thành phần biogas Tỷ lệ (%) CH4 62 ÷ 65 CO2 28 ÷30 Khí khác (H2, N2, H2S )  5% Nghiên cứu thực với nước thải từ trình sản xuất tinh bột sắn làng nghề Dương Liễu thiết bị xử lý EGSB liên tục tháng Với thời gian nghiên cứu thực nhiệt độ tối ưu cho thu biogas chất lượng cao Nhiệt độ ổn định 35÷370C nhờ thiết bị ổn nhiệt Ở điều kiện nhiệt độ này, vi khuẩn metan hóa ưa ấm có hoạt lực tối ưu Biogas thu có hàm lượng CH4  65% 4.2.3 Nghiên cứu phụ thuộc hiệu suất xử lý vào thời gian lưu thủy lực Thời gian lưu nước thải thiết bị phụ thuộc vào đặc tính nước thải, hoạt lực vi sinh vật điều kiện môi trường Thời gian lưu ngắn không đủ điều kiện cho vi sinh vật yếm khí tiếp xúc chuyển hóa chất ô nhiễm, đặc biệt vi khuẩn metan hóa Do đó, làm giảm hiệu xử lý Thời gian lưu tăng nước thải xử lý triệt để có lợi cho hiệu xử lý thu biogas, tiêu diệt mầm bệnh (vi sinh vật gây bệnh, kí sinh trùng,…) Tuy nhiên, thời gian lưu lớn đòi hỏi thiết bị có dung tích lớn dẫn đến đầu tư xây dựng cao, thời gian thu hồi vốn dài 4.2.3.1 Các bước tiến hành Thí nghiệm tiến hành thời gian lưu: 72, 48, 40 36 giờ, với giá trị tốc độ dòng vào (thời gian lưu thay đổi), xác định hiệu xử lý COD, tải trọng COD, hiệu khí hóa thiết bị EGSB 4.2.3.2 Kết nghiên cứu -71- Để khẳng định thời gian lưu tối ưu nhằm nâng cao hiệu kinh tế trình xử lý, thực nghiệm tiến hành với thời gian lưu 72, 48, 40 36 với 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 He so hoa, m3/kg CODch Tai COD, kg/m3.ngay COD ~ 7000 mg/L, pH ổn định 6,5÷7,0 72 48 40 Thoi gian luu thuy luc, gio Tai COD, kg/m3.ngay 36 He so hoa, m3/kg CODch Hình 4.13 Ảnh hưởng thời gian lưu thủy lực đến tải trọng COD hiệu khí hóa Kết nghiên cứu cho thấy: thời gian lưu 72 giờ, hiệu khử CODTB đạt 92,5%, tải trọng COD đạt < 2kg/m3.ngày Khi giảm thời gian lưu xuống 36 tải trọng COD đạt > 4,5 kgCOD/m3.ngày Đồng thời hệ số khí hóa tăng tương ứng từ 0,35÷0,46 m3/kgCOD chuyển hóa Tuy nhiên, hiệu khử COD giảm từ 92% xuống 86% COD dòng 48 422 mg/L 36 880 mg/L Như vậy, với hệ thống thiết bị thực nghiệm tại, khoảng thời gian lưu 36÷48 cho kết tối ưu: hệ số khí hóa đạt 0,4÷0,46 m3/kgCOD, hiệu suất xử lý COD 86÷90% Như vậy, với nước thải dòng vào có hàm lượng COD 7.000 mg/L, nhiệt độ ổn định 35÷370C, pH dòng vào 6,5 ÷ 7,0 thời gian lưu tối ưu cho hiệu xử lý cao từ 36÷48h Khi hệ số khí hóa đạt 0,4÷0,46 m3/kgCOD, hiệu suất xử lý COD 86÷90% 4.2.4 Ảnh hưởng COD dòng vào Trong xử lý sinh học yếm khí thu biogas, COD dòng vào nước thải chứa chất hữu phân tử lượng lớn như: Tinh bột, protein, pectin, lượng nhỏ zenlulo, lipit Nước thải từ sản xuất tinh bột chứa chủ yếu tinh bột; -72- lượng nhỏ zenlulo (sơ sắn) pectin (từ vỏ lụa), số sản phẩm phân giải yếm khí khác Trong vận hành hệ thống, lượng COD dòng vào cần điều tiết theo lực khí hóa vi sinh vật theo tải trọng COD Lượng COD đưa vào lớn, dẫn đến lượng axit hữu hình thành tích lũy cao Hậu pH giảm (do tải) Hiện tượng lặp lại làm chết vi khuẩn metan hóa, làm giảm hiệu khí hóa hiệu khử COD Trong xử lý yếm khí nước thải sản xuất tinh bột sắn, tùy theo loại hình công nghệ, COD dòng vào biến động từ 4.000 ÷ 15.000 mg/l 4.2.4.1 Các bước tiến hành Nghiên cứu ảnh hưởng COD dòng vào tiến hành pH ổn định 6,5÷7,0, thời gian lưu 48 Với COD dòng vào dao động từ: 2863÷9007 mg/LCOD dòng tăng tương ứng từ 247 lên đến 1200 mg/L, hiệu suất xử lý COD đạt từ 86,7 ÷ 91,7%, hệ số khí hóa biogas đạt từ 0,21 ÷ 0,43 m3/Kg COD chuyển hóa Ở COD dòng vào từ 7000÷8000 mg/L hiệu xử lý COD bắt đầu giảm mức cao từ 88,9 – 89,9%; tương tự hệ số khí hóa bắt đầu giảm từ 0,41 – 0,422; COD dòng cao ~ 700÷900 mg/L, nhiên xử lý đạt tiêu chuẩn thải hệ thống Aeroten Hình 4.14 COD dòng theo tải lượng COD dòng vào -73- Hình 4.15 Hiệu suất xử lý COD theo tải lượng COD dòng vào Hình 4.16 Hệ số khí hóa biogas theo tải lượng COD dòng vào Hệ số khí hóa tăng COD dòng vào tăng, COD dòng vào  8.400mg/l, hiệu khí hóa tăng, hệ số khí hóa đạt 0,42 ÷ 0,45 m3/kgCOD chuyển hóa Khi COD > 9000 mg/l, pH giảm, có tượng tải, hệ số khí hóa 0,34 m3/kgCOD chuyển hóa 4.2.4.2 Kết nghiên cứu Với nước thải dòng vào có hàm lượng COD 2863÷9007 mg/L, thời gian lưu 48 giờ, nhiệt độ ổn định 35÷370C pH dòng vào 6,5 – 7,0 hiệu suất xử lý COD cao 86,7 – 91,7%, hiệu khí hóa trung bình đạt 0,38-0,43 m3/kg COD chuyển hóa -74- Trên sở kết thu được, lựa chọn COD dòng vào tối ưu cho hệ thống hoạt động hiệu từ 7000÷8000 mg/L Tải lượng dòng vào cần nghiên cứu tăng dần để xác định khả tải tối đa hệ thống thiết bị pilot 4.2.5 Ảnh hưởng N-NH3 4.2.5.1 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng N-NH3 Trong nước thải chế biến nông sản, thực phẩm nitơ tồn chủ yếu dạng hữu cấu trúc axit amin, peptit, protein Một lượng nhỏ dạng vô (NH4+, NO3-) Trong phân giải yếm khí hợp chất hữu chứa nitơ NH3, NH4+ sản phẩm trình khử amin theo chế: NH4+ vi sinh vật yếm khí sử dụng nguồn cung cấp Nitơ cho tạo sinh khối Tuy nhiên, nước thải nghiên cứu nước thải từ công đoạn tách bột đen, lấy từ số hộ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ Làng nghề Dương Liễu, huyện Hoài Đức, Hà Nội Đặc trưng nước thải nghiên cứu thể bảng 3.1 Bột sắn loại nông sản nghèo đạm Hạt tinh bột sắn có kích thước lớn nên thời gian lắng ngắn (chỉ cần ÷ giờ) Toàn chất hòa tan, có hợp chất hữu chứa nitơ khuếch tán vào nước 4.2.5.2 Kết nghiên cứu Nước thải tách bột đen có độ ô nhiễm cao biến động lớn COD = 5.000 ÷ 10.000mg/l, BOD5 = 3.100 ÷ 6.500 mg/l Tuy nhiên hàm lượng tổng N nhỏ, biến -75- động từ 60 ÷ 120 mg/l, không ảnh hưởng tới trình hoạt động trình khí hóa công nghệ EGSB Nitơ từ nguyên liệu khuyếch tán vào nước thải chuyển hóa thành NH4+ Trong phân giải yếm khí NH4+ sản phẩm trình khử amin, NH4+ vi sinh vật yếm khí sử dụng nguồn cung cấp Nitơ cho trình tạo sinh khối Nếu hàm lượng NH4+, NO3- cao kìm hãm gián tiếp vi khuẩn metan hóa, môi trường yếm khí số vi khuẩn có khả khử nitrat thành N2, NH3 NH4+ làm cho hàm lượng NH4+ tăng nhanh, gây ức chế trình khí hóa Nước thải sản xuất tinh bột sắn (lấy từ làng nghề Dương Liễu có hàm lượng ΣN nhỏ (60 – 120mg/L) nên không ảnh hưởng tới trình xử lý 4.2.6 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng hồi lưu bùn Nước thải dòng vào với dòng tuần hoàn lên với lưu lượng lít/giờ giúp cho bùn tạo hạt mở rộng vùng bùn tạo thuận lợi cho trình phản ứng Với kết cấu vùng bùn mở rộng cao chiếm tỷ lệ 2/3 thể tích thiết bị vận tốc tuần hoàn 6L/h đảm bảo cho vùng bùn mở rộng, đáp ứng nhu cầu EGSB tức với lớp bùn hạt mở rộng tăng hiệu khí hóa tải trọng COD lại không làm tổn thất bùn theo dòng Khi tiến hành thí nghiệm dòng tuần hoàn trong, bùn Do không cần có dòng hồi lưu bùn, bùn thiết kế tạo vùng bùn hạt mở rộng thiết bị kết cấu thiết bị bùn không bị thất thoát theo dòng nước tuần hoàn dòng 4.2.7 Ảnh hưởng dầu mỡ Đây hợp chất hữu có cấu trúc bền khó không bị phân hủy vi sinh vật yếm khí Nó tạo màng vi sinh vật làm giảm hấp thụ chất vào bên trong, giảm khả tiếp xúc nước thải vi sinh vật, giảm hiệu xử lý thiết bị Ngoài dầu có tỷ trọng nhẹ nước, bám vào hạt bùn làm cho bùn nổi, gây thất thoát bùn hệ thống xử lý yếm khí Trong dầu, mỡ công nghiệp chứa nhiều hydrocacbua vòng thơm Chúng tác động mạnh tới nhóm vi khuẩn metan hóa, đặc biệt Methanothrix Methanobacterium 5-Clo-phenol chất độc -76- nhóm benzen Chúng không bị phân hủy điều kiện yếm khí (do cấu trúc bền) Mức độ tác động chất hữu mạch vòng phụ thuộc cấu trúc chúng Phenol > Clo-phenol > Hydroxy- Phenol, vi khuẩn metan hóa thiết bị yếm khí bị kìm hãm hợp chất vòng thơm theo thứ tự: cresol > phenol > hydroxy phenol > plethalates, đặc biệt hydrocacbua halogen hóa có tác dụng mạnh với vi khuẩn metan hóa Với nồng độ Chloroform > 1mg/l kìm hãm hoàn toàn trình tạo khí Tuy nhiên, số vi khuẩn metan hóa thích nghi dần với số chất độc khác Thậm chí chúng chịu tới mức ≤ 15mg/l Việc phục hồi vi khuẩn metan hóa phụ thuộc hoạt lực, thời gian lưu nhiệt độ môi trường 4.2.8 Ảnh hưởng khả chịu sốc thay đổi đột ngột tải lượng hữu Tải lượng hữu biểu thị qua hai nhân tố nồng độ COD dòng vào thời gian lưu thủy lực (HRT) Trong phân hủy yếm khí có tồn cân trình (thủy phân axit hóa) việc chuyển đổi sản phẩm axit tạo khí metan Khi có tải biến đổi đột ngột tỷ lệ tải thủy lực hữu (sốc tải lượng hữu cơ) có ảnh hưởng tiêu cực đến cân Kết xảy tích tụ axit béo bay đồng thời pH giảm xuống gây ức chế vi khuẩn metan hóa hoạt động Trong trình sốc tải lượng hữu cơ, độ pH nước thải giảm xuống, lượng axit bay gia tăng Lượng khí sinh tăng lên, lượng khí metan giảm Sự thay đổi tỷ lệ CH4/CO2 ức chế vi khuẩn metan hóa giảm độ hòa tan khí CO2 độ pH giảm xuống thấp Bên cạnh đặc tính bùn hạt bị thay đổi, bùn nhẹ bị lên bị rửa trôi theo dòng làm thất thoát bùn -77- KẾT LUẬN Ngày nay, việc áp dụng công nghệ sinh học xử nước thải công nghiệp giàu chất hữu có nhiều triển vọng, đặc biệt xử lý kỵ khí tốc độ cao có nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ khác như: làm tăng tải lượng xử lý hệ thống, giảm diện tích mặt để xây dựng giảm chi phí xây dựng, vận hành hệ thống Với kết đề tài, xin đưa số kết luận sau: Đã thu thập số liệu, thông tin hàm lượng chất hữu có nước thải số ngành công nghiệp, đánh giá trạng sử dụng công nghệ xử lý nước thải công nghiệp giàu chất hữu áp dụng nước Đánh giá, so sánh hiệu xử lý phạm vi áp dụng loại hình công nghệ với công nghệ EGSB Đã nghiên cứu đặc tính vi sinh vật sử dụng công nghệ EGSB Phân lập tuyển chọn dạng vi sinh vật thích hợp Nghiên cứu trình tạo bùn hạt biện pháp đẩy nhanh trình tạo bùn hạt thiết bị EGSB Chế tạo thử nghiệm mô hình công nghệ EGSB dung tích 42 lít phòng thí nghiệm Đã nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu công nghệ xử lý kị khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng EGSB Xác định phạm vi áp dụng công nghệ EGSB có hiệu Qua phân tích, đánh giá theo tiêu kinh tế - kỹ thuật môi trường, đề tài đề xuất lựa chọn phương pháp thích hợp để xử lý nước thải công nghiệp giàu chất hữu công nghệ xử lý kị khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng EGSB Nghiên cứu thực quy mô phòng thí nghiệm với mô hình thiết bị EGSB dung tích 42 lít với đối tượng nghiên cứu nước thải từ trình sản xuất tinh bột sắn Ảnh hưởng pH, tải trọng COD, thời gian lưu,…đến hiệu xử lý BOD5, COD, hiệu suất thu biogas chất lượng khí nghiên cứu Các kết thực nghiệm cho thấy: Với hệ thống EGSB quy mô phòng thí nghiệm, tải trọng COD đạt 4,5 kg COD/m3/ngày, hiệu thu biogas đạt 0,4÷0,45 m3/kg COD chuyển hóa Biogas có hàm lượng CH4 60÷65% -78- TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Liêu Ba, Võ Thị Thứ, La Thị Nga, Trương Bá Hùng, Nguyễn Minh Dương (2003), Báo cáo khoa học: Đặc điểm sinh học số chủng Bacillus Lactobacillus có khả ứng dụng để xử lý môi trường nuôi tôm, cá, Hội nghị Công nghệ toàn quốc Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (1992), Hóa sinh học, NXB Giáo dục Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Anh Đức, Đỗ Hồng Miên, Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (1976), Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học tập II, NXB Khoa học Kỹ thuật Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2002), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học Kỹ thuật Trịnh Xuân Lai (2000), Tính toán thiết kế công trình xử lý nước thải, NXB Xây dựng Tôn Thất Lãng (2001), Ứng dụng hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao (EGSB) xử lý nước thải dệt nhuộm, Tạp chí Khí tượng Thủy văn 11/2001 Tôn Thất Lãng (2003), Sử dụng chất xúc tác để đẩy nhanh trình xử lý kỵ khí nước thải dệt nhuộm, Tạp chí Khí tượng Thủy văn 6/2003 Tôn Thất Lãng (2004), Mô hình xử lý kỵ khí tốc độ cao ứng dụng xử lý nước thải, Tạp chí Khí tượng Thuỷ văn 1/2004 Tôn Thất Lãng (2006), “Nối kết hệ thống EGSB- bùn hoạt tính- lọc để xử lý nước thải dệt nhuộm”,Trường Cán KTTV TP Hồ Chí Minh 10 Tôn Thất Lãng (2006), “Nối kết hệ thống EGSB- bùn hoạt tính- lọc để xử lý nước thải dệt nhuộm”,Trường Cán KTTV TP Hồ Chí Minh 11 Nguyễn Thị Sơn, Trần Lệ Minh (2008), Bài giảng môn học hóa sinh vi sinh công nghệ môi trường, NXB Đại học Bách khoa Hà Nội 12 Tài liệu hướng dẫn sản xuất ngành chế biến tinh bột sắn, CPI 13 Tài liệu hướng dẫn sản xuất ngành Bia, CPI -79- Tiếng Anh 14 Alois S et al (1997), “Production of hemicelllose and cellulose degrading enzymes by various strains of Sclerotium rolfsii”, Applied Biochem Biotech , 63-65, pp 189-201 15 Arshad Ali et al (2009), “Treatment feashibility of NSSC pulping effluent using UASB reactor”, EJEAFChe ISSN: 1579-4377, pp 1086-1088 16 F.Wei (1994), “The guild of water and wastewater analysis method” Environmental Science Published, Beijing 17 Gaojie Li, Zhenjia Zhang (8/2010), Anaerobic Biological Treatment of Alginate Production Wastewaters in a Pilot- Scale Expended Granular Sludge Bed Reactor Under Moderate to Low Temperatures, pp 725-731 18 Haugland R A., Schelemm D J., Lyons R P III, Sferra P R., Chakrabarty A M (1990), “Degradation of the chlorinated phenoxyacetate herbicides 2,4dichlorophenoxyacetic acid and 2,4,5- trichlorophenoxyacetic acid by pure and mixed bacterial cultures”, Appl Environ Microbiol, 56, pp 1357-1362 19 He YanLing (1998), An aerobic biotreatment of wastewater [M], Beijing 20 Jules B.van Lier (2008), "High-rate anaerobic wastewater treatment: diversifying from end-of-the pipe treatment to resource-oriented conversion techniques", Water Science & Technology 21 Kato, M T PhD Thesis (1994), “Landbouwuniversiteit Wageningen”, The Netherlands 22 Kato, M T., Field, J A., Versteeg, P., and Lettinga, G (1994), Biotechnol, Beijing 44,469–479 23 Kaijun Wang, Sheng-Shung Cheng, Yu-You Li, Herbert H P Fang, Applications of Anaerobic Biotechnology in Asia, Hong Kong 24 Kim W, Inge D B, Willy V (2005), “Oxygen-limited autotrophic nitrificationde- nitrification (OLAND) in a rotating biological contactor treating high-salinity wastewater”, Wat Res., 39, pp 4512-4520 25 Leitão R.C (2006), “The effects of operational and environmental variations on anaerobic wastewater treatment systems”, Bioresource Technology 97 Review, pp 1105-1118 -80- 26 Medhat M A Saleh and Usama F Mahmood (4/2003), “UASB application for industrial wastewater treatment”, Seventh International Water Technology Conference Egypt 1-3 April 2003 27 N.Boon, M.Carballa, “Anaerobic digestion in the biorefinery market economy”, L.De Schamphelaire and W.Verstraete 28 Parawira W., Murto M., Zvauya R., Mattiasson B (2006), “Comparative performance of a UASB reactor and an anaerobic packed-bed reactor when treating potato waste leachate”, Renewable Energy 31, pp 893-903 29 Seghezzo L et al (1998), “The anaerobic treatment of sewage in UASB and EGSB reactors”, Bioresourse Technology 65 Review, pp 175-190 30 Seung J Lim (2008), “Comparisons Between the UASB and the EGSB Reactor”, Springer-Verlag 31 State environmental protection administration of China (2004), Water and wastewater monitoring and analytical methods, Beijing: China Environmental Science Press 32 X Ma, L.Ma, X.Zhang (2006), “Pilot Scale Study on Wastewater Treatment by Modifi ed EGSB”, Environmental Science & Technology, Chinese Vol., 29(11), pp 5-8 33 Yong-Hong Liu., Yan-Ling He.,Shu-Cheng Yang and Chun-Jiang An (10/2006), “Studies on the expansion characteristics of the granular bed present in EGSB bioreactors”, Water SA Vol 32, 34 Yoochatchaval, W., Ohashi, A., Harada, H., Yamaguchi, T and Syutsubo, K (2008), “Characteristics of Granular Sludge in an EGSB Reactor for Treating low Strength Wastewater”, International Journal of Environmental Research Vol.2, 35 Zoutberg, G.R and Eker, Z (1999), “Anaerobic Treatment of Potato Processing Wastewater”, Water Sci Technol., 40, 297 -81- ... cũn hn ch Xut phỏt t nhng lý ú, ti: Nghiờn cu cỏc yu t nh hng n hiu qu x lý nc thi giu -8- cht hu c trờn mụ hỡnh thit b x lý k khớ tc cao EGSB (Expanded Granular Sudge Beg) ó c la chn thc hin... ngh EGSB c ỏp dng cỏc ngnh cụng nghip ti TQ Hỡnh 1.2 Hiu qu x lý ti Nh mỏy bia Unicer Leỗa Balio, Portugal Hỡnh 1.3 Hiu qu x lý ca EGSB ti Nh mỏy bia Cesu Alus, Latvia Hỡnh 1.4 Hiu qu x lý ca EGSB. .. cỏc thụng s thit k thit b pilot EGSB dung tớch 1m3 + Nghiờn cu cỏc yu t nh hng n hiu qu ca cụng ngh EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) x lý nc thi ụ nhim hu c cao phũng thớ nghim - Phng phỏp