Nghiên cứu công nghệ USBF ứng dụng để xử lý nước thải chế biến biến thực phẩm giàu n, p

Xuất phát từ những tìm hiểu thực trạng nghiên cứu trong nước về công nghệ xử lý nước thải giàu dinh dưỡng nitơ, photpho nói chung và công nghệ lọc sinh học dòng ngược Upflow Sludge Blan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HỮU NAM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ USBF ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ

BIẾN THỰC PHẨM GIÀU N,P

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HỮU NAM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ USBF ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN

THỰC PHẨM GIÀU N,P

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội – Năm 2014

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A2/O Araerobic/anoxic/oxic (kỵ khí/thiếu khí/hiếu khí)

APHAA Phương pháp phân tích theo tiêu chuẩn của Hiệp hội sức khỏe Cộng

đồng Mỹ

BOD5 Nhu cầu oxy sinh hóa trong 5 ngày

F/M Tỷ số thức ăn/ sinh khối (Food/Microogranism)

(kgBOD/kgMLSS.ngày) HRT Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time) (giờ)

MLSS Hàm lượng sinh khối (Mixed liquid volatile suspended solid) (mg/l)

OLR Tốc độ tải lượng hữu cơ (Organic loading rate) (kgCOD/m3.ngày)

SBR Bể phản ứng hoạt động gián đoạn (Sequencing Batch Reactor)

SHARON Single reactor system for Hing-rate Ammonium Removal Over Nitrite

RBC Lọc sinh học (Rotating Biological Contactor)

USBF Lọc sinh học dòng ngược (Upflow Sludge Blanket Filtration)

VIP Virginia Initiative Plant in Norfolk

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Thành phần nước thải từ phân xưởng chế biến thuỷ sản 16

Bảng 1 2 Đặc trưng thành phần nước thải giết mổ động vật tại lò mổ Oberding - CHLB Đức 17

Bảng 1 3 Đặc trưng dịch hèm của một số cơ sở sản xuất cồn 17

Bảng 1 4 Đặc tính nước thải chưa xử lý một số cơ sở sản xuất bia 18

Bảng 1 5 Kêt quả phân tích nước thải cơ sở giết mổ Mễ Trì 21

Bảng 1 6 Kết quả vận hành một vài nhà máy với thiết bị USBF 47

Bảng 2 1 Tính chất đặc trưng của nước thải tại cơ sở giết mổ lợn 51

Bảng 2 2 Các phương pháp phân tích mẫu nước 53

Bảng 3 1 Chỉ tiêu nước thải đầu vào nghiên cứu tính toán thiết kế mô hình phòng thí nghiệm 61

Bảng 3 2 Các hằng số động học của vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng 62

Bảng 3 3 Bảng giá trị chuyển đổi các thông số động học theo nhiệt độ 63

Bảng 3 4 Đặc trưng chất lượng nước thải đầu vào trong quá trình nghiên cứu 74 Bảng 3 5 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian lưu nước thải 76

Bảng 3 6 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian lưu nước thải 77

Bảng 3 7 Hiệu quả xử lý BOD5 với thời gian lưu là 19 giờ 78

Bảng 3 8 Hiệu quả xử lý chất hữu cơ (BOD5) 79

Bảng 3 9 Kết quả nghiên hiệu quả xử lý nitơ 81

Bảng 3 10 Kết quả nghiên cứu hiệu quả xử lý nitơ 82

Bảng 3 11 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tổng Photpho dòng vào 84

Bảng 3 12 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tổng Photpho dòng vào 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Công nghệ giết mổ lợn tại Cơ sở Mễ Trì 20

Hình 1 2 Các giai đoạn hoạt động trong bể SBR 22

Hình 1 3 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho trong mương oxy hóa 25

Hình 1 4 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình A2/O 26

Hình 1 5 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình Bardenpho 5 giai đoạn 26

Hình 1 6 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình UCT 27

Hình 1 7 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình VIP 28

Hình 1 8 Sơ đồ Sharon – Anammox 30

Hình 1 9 Sơ đồ quá trình xử lý N-NH4+ 31

Hình 1 10 Sơ đồ nguyên lý của mô hình công nghệ USBF 33

Hình 1 11 Bể USBF bằng thép không gỉ ở Strathmore, Alberta, Anh 35

Hình 1 12 Cơ chế loại bỏ Phốt pho bằng biện pháp sinh học 40

Hình 1 13 Hình dáng không gian thường sử dụng cho thiết bị USBF 43

Hình 1 14 Giản đồ không gian lớp bùn lơ lửng của công nghệ USBF 43

Hình 1 15 Hình ảnh thiết bị USBF trong nhà máy xử lý nước thải Pinzolo (Ý) sau khi nâng cấp thành dạng COMBI USBF 48

Hình 2 1 Hình ảnh thiết bị USBF quy mô phòng thí nghiệm công suất 50lít/ngày 53

Hình 2 2 Phương pháp nghiên cứu trên mô hình 50 lít/ngày 55

Hình 2 3 Sơ đồ bổ sung ché phẩm vi sinh vào mô hình thiết bị 56

Hình 3 1 Sơ đồ mô hình USBF trong phòng thí nghiệm 59

Hình 3 2 Sơ đồ cấu tạo phân vùng ngăn USBF 71

Hình 3 3 Kết quả nghiên đầu ra tương ứng với HRT là 9; 11; 15; 17 và 19 giờ 76

Hình 3 4 Kết quả nghiên đầu ra tương ứng với HRT là 9; 11; 15; 17 và 19 giờ 77

Hình 3 5 Hiệu quả xử lý chất hữu cơ (BOD5) 80

Hình 3 6 Biểu đồ thể hiện tổng nitơ của dòng nước thải vào ra mô hình 82

Hình 3 7 Biểu đồ thể hiện TN dòng nước thải vào ra mô hình 83

Hình 3 8 Biểu đồ thể hiện photpho dòng nước thải vào và ra mô hình 84

Hình 3 9 Biểu đồ thể hiện tổng photpho dòng nước thải vào ra mô hình 85

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4

MỤC LỤC 6

LỜI CẢM ƠN 9

LỜI CAM ĐOAN 10

MỞ ĐẦU 11

♦ Đặt vấn đề 11

♦ Mục tiêu đề tài 12

♦ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

• Đối tượng nghiên cứu 13

• Phạm vi nghiên cứu 13

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 14

1.1 Tổng quan về nước thải của một số ngành công nghiệp chế biến thực phẩm 14

1.2 Đặc trưng nước thải của một số ngành công nghiệp chế biến thực phẩm 15

1.2.1.Đặc trưng nước thải ngành chế biến thuỷ hải sản 15

1.2.2.Đặc trưng nước thải ngành giết mổ gia súc, gia cầm 16

1.2.3.Đặc trưng nước thải ngành sản xuất rượu - bia 17

1.2.4.Đặc trưng nước thải ngành sản xuất đường 18

1.3.Khái quát chung về cơ sở giết mổ Mễ Trì 19

1.3.1.Công nghệ giết mổ 19

1.3.2.Hiện trạng môi trường nước thải 20

1.4 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải giàu nitơ, photpho 22

1.4.1.Các công nghệ xử lý đang áp dụng trên thế giới 22

1.5 Tổng quan về công nghệ lọc sinh học dòng ngược USBF 33

1.5.1.Sự hình thành và phát triển công nghệ Lọc sinh học dòng ngược (USBF) 33 1.5.2.Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của công nghệ USBF 35

1.5.3.Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của công nghệ USBF 43

1.5.4 Thực trạng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ USBF trên thế giới và tại Việt Nam 46

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 51

2.1 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 51

2.1.1.Đối tượng nghiên cứu 51

2.1.2.Thiết bị nghiên cứu 51

a Thiết bị USBF quy mô phòng thí nghiệm công suất 50 lít/ngày 51

2.1.3.Phương pháp nghiên cứu 53

2.1.3.1.Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường 53

2.1.3.2.Phương pháp nghiên cứu trên mô hình 50 lít/ngày 54

2.2 Nội dung nghiên cứu 56

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59

3.1.Tính toán, thiết kế mô hình 50 lít/ngày 59

3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm thiết bị USBF quy mô 50 lít/ngày trong phòng thí nghiệm 59

3.2.2 Tính toán các hạng mục của mô hình USBF công suất 50 lít/ngày trong phòng thí nghiệm 60

3.2.Kết quả nghiên cứu trên mô hình 50 lít/ngày trong phòng thí nghiệm 73

3.2.2.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu nước thải (HRT) 75

3.2.3.Khảo sát hiệu quả xử lý chất hữu cơ 78

3.2.4.Khảo sát hiệu quả xử lý Nitơ 81

3.2.5.Khảo sát hiệu quả xử lý phốt pho 84

CHƯƠNG III: KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC I 90

MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU 90

PHỤ LỤC II 95

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHẾ PHẨM BIO USBF 95

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Xuân

Hiển, người đã luôn quan tâm, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình

hoàn thành luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô trong Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện để em có thể thực hiện luận văn này

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp tại Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp (IMI) đã luôn bên cạnh ủng hộ, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Hữu Nam, học viên cao học lớp Kỹ thuật Môi trường khóa

2012-2014, đã thực hiện đề tài “ Nghiên cứu công nghệ USBF ứng dụng để xử lý nước thải chế biến thực phẩm giàu N,P” dưới sự thống nhất của PGS.TS Đặng

Xuân Hiển Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu và thảo luận trong luận văn này là đúng sự thật và không sao chép ở bất kỳ tài liệu nào khác

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2014

Học viên

Nguyễn Hữu Nam

có thể phân thành 2 nhóm là: Nước thải giàu các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, photpho và nước thải có hàm lượng nitơ, photpho không cao Xem xét từ nguồn nguyên liệu sử dụng trong chế biến, có thể thấy rằng các loại nước thải giàu nitơ, photpho thường gặp ở các ngành: chế biến thủy hải sản, chế biến từ thịt gia súc, gia cầm,…Dạng nước thải này hiện đang được quan tâm, vì ngoài hàm lượng hữu cơ cao (tính theo BOD) chúng còn chứa một lượng không nhỏ nitơ, photpho cần được xử lý

Công nghệ để xử lý nitơ, photpho trong nước thải thường phức tạp, gồm nhiều công đoạn xử lý hơn các loại nước thải thông thường

Xuất phát từ những tìm hiểu thực trạng nghiên cứu trong nước về công nghệ xử lý nước thải giàu dinh dưỡng (nitơ, photpho) nói chung và công nghệ

lọc sinh học dòng ngược (Upflow Sludge Blanket Filtration - USBF) nói riêng,

tác giả nhận thấy, ở Việt Nam, công nghệ USBF chưa được nghiên cứu đầy đủ

để có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất, vì thế công nghệ này cũng chưa được

sử dụng phổ biến Thực tế cho thấy, đã có một vài khách sạn, khu nghỉ dưỡng sử

dụng công nghệ USBF, phần lớn đều là thiết bị nhập ngoại với giá thành cao và không hoàn toàn phù hợp với điều kiện ở nước ta Trong khi đó, trên thế giới, công nghệ này đã có hơn 30 năm phát triển với hàng nghìn công trình đã và đang được áp dụng tại nhiều quốc gia trong lĩnh vực xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải ô nhiễm có hàm lượng các chất dinh

dưỡng (nitơ, photpho) cao Công nghệ USBF là một công nghệ khá mới so với

nhiều công nghệ xử lý sinh học khác với chỉ hơn 30 năm phát triển nhưng được đánh giá có xu hướng phát triển nhanh thay thế các công nghệ kinh điển cũ, nhờ những ưu điểm như chi phí đầu tư thấp, chi phí vận hành, bảo trì thấp, hiệu suất

xử lý cao, lượng bùn thải bỏ ít, hạn chế mùi, linh động và có thể thiết kế theo đơn nguyên

Hơn nữa, tại Việt Nam, ngoài việc bắt buộc tất cả các cơ sở sản xuất có hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải theo Luật Môi trường, việc nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải có hiệu quả cao và mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp là một đòi hỏi thực tế hiện nay Điều này không chỉ đem lại những cải thiện về bảo vệ môi trường sinh thái mà còn giúp các doanh nghiệp tiết kiệm được nhiều chi phí sản xuất

Do vậy, tác giả đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ USBF ứng

dụng để xử lý nước thải chế biến thực phẩm giàu N, P” Nghiên cứu này nhằm

tìm một giải pháp công nghệ tối ưu trong xử lý nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm và một số ngành sản xuất công nghiệp khác, phục vụ mục tiêu bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

♦ Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu như sau:

- Nghiên cứu, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giết mổ (BOD5, TN, TP) bằng công nghệ USBF trên mô hình thiết bị USBF quy mô phòng thí nghiệm có công suất 50 lít/ngày Đồng thời, so sánh hiệu quả xử lý với

mô hình USBF bổ sung chế phẩm BIO USBF với mô hình USBF thông thường

♦ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu

- Nước thải giết mổ tại cơ sở giết mổ trên địa bàn Hà Nội

- Mô hình xử lý nước thải bằng công nghệ USBF

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Đưa ra phương pháp luận về phương pháp và tiến trình nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Nội dung chính của chương này đi sâu vào đánh giá và phân tích các kết quả thực nghiệm được thực hiện trên 2 mô hình USBF công suất 50 lít/ngày với việc bổ sung và không bổ sung chế phẩm vi sinh vật đặc chủng BIO USBF

Chương 4: Kết luận

Đưa ra các kết quả đạt được của quá trình nghiên cứu so với mục tiêu nghiên cứu ban đầu đề ra

Công nghiệp chế biến thực phẩm bao gồm một số ngành như:

- Chế biến thịt, thuỷ hải sản

- Chế biến thực phẩm ăn nhanh

Bên cạnh những đóng góp to lớn về mặt kinh tế, xã hội trong tiến trình phát triển chung của đất nước thì ngành công nghiệp chế biến thực phẩm cũng giống như đa số các ngành công nghiệp khác đang góp phần gây bức xúc trong

xã hội về vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước Mặc dù nhiều nhà máy và cơ sở sản xuất đã chú ý tới việc bảo vệ môi trường, đã xây dựng các trạm xử lý nước thải, nhưng hoạt động không đúng quy cách hoặc không hiệu quả

Công nghiệp chế biến thực phẩm là ngành sử dụng chủ yếu nguyên liệu có nguồn gốc động thực vật Vì vậy nước thải của ngành này thường có độ ô nhiễm cao, giàu chất hữu cơ dễ chuyển hóa sinh học Đây cũng là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước mặt và nước ngầm tại khu vực sản xuất nếu không được xử lý đến đạt tiêu chuẩn thải

1.2 Đặc trưng nước thải của một số ngành công nghiệp chế biến thực phẩm

1.2.1 Đặc trưng nước thải ngành chế biến thuỷ hải sản

Nhu cầu sử dụng nước của các cơ sở chế biến thủy sản trung bình chung

từ 30÷80m3/tấn sản phẩm Phần nhiều các cơ sở sản xuất ở Việt Nam có lưu lượng sử dụng nước từ 45÷65 m3/tấn sản phẩm Lượng nước thải sản xuất theo năng lực chế biến như hiện nay của các đơn vị chế biến thủy sản đông lạnh có quy mô vừa 3÷7 tấn/ngày phổ biến ở mức 300÷500 m3/ngày

Nước thải chế biến thủy sản thường chứa nhiều các thành phần hữu cơ tồn tại chủ yếu ở dạng keo, phân tán mịn, tạp chất lơ lửng tạo nên độ màu, độ đục cho dòng thải Do quá trình phân hủy sinh học xảy ra nhanh nên nước thải thường có mùi khó chịu, độc hại Thành phần không tan và dễ lắng chủ yếu là các mảnh vụn xương thịt, vây vẩy từ quá trình chế biến và ngoài ra còn có các tạp chất vô cơ như cát, sạn… Đối với những nhóm sản phẩm đông lạnh, sản phẩm ăn liền và đồ hộp, trong nước thải thường chứa các loại hóa chất khử trùng, chất tẩy rửa từ vệ sinh nhà xưởng, thiết bị… Ngoài ra, còn có thể chứa một lượng nhỏ các loại hóa chất phụ gia thực phẩm thải ra từ khâu xử lý nguyên liệu, phối chế tinh chế sản phẩm

Lưu lượng và thành phần nước thải sản xuất thuỷ hải sản rất khác nhau giữa các nhà máy, cơ sở sản xuất tuỳ thuộc vào nguồn nguyên liệu sử dụng, thành phần chất sử dụng trong chế biến và công nghệ sản xuất, quy mô sản xuất,… Ví dụ thành phần nước thải từ các phân xưởng chế biến thủy sản như

trong bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1 1 Thành phần nước thải từ phân xưởng chế biến thuỷ sản [9]

Chế biến ghẹ

1.2.2 Đặc trưng nước thải ngành giết mổ gia súc, gia cầm

Ngành giết mổ là một ngành đòi hỏi sử dụng nước rất nhiều, hầu như các

công đoạn xử lý nguyên liệu đều có nhu cầu dùng nước như: khâu rửa sơ bộ

nguyên liệu, khâu làm rã nước đá đông lạnh, xử lý nguyên liệu, chế biến (hấp,

luộc )

Nước thải từ các lò mổ chứa một lượng lớn các thành phần hữu cơ và nitơ,

cũng như phần còn lại của các chất tẩy rửa Ở những nơi giết mổ cả trâu bò, lợn,

gia cầm thì lượng nước thải nhiều hơn và tỷ lệ chất gây ô nhiễm/tấn thịt giết mổ

cao hơn những nơi chỉ giết mổ lợn, gia cầm Nồng độ cao các chất gây ô nhiễm

trong nước thải thường có nguồn gốc từ khâu xử lý nội tạng

Đặc thù của nước thải giết mổ rất giàu chất hữu cơ (nitơ, photpho, protein,

lipit, các axít amin, amon, peptit, các axít hữu cơ) Ngoài ra còn có thể có

xương, thịt vụn, mỡ thừa, lông, móng, vi sinh vật, Nồng độ các chất ô nhiễm

hữu cơ BOD5 có thể đạt 7.000 mg/l và COD tới 9.400 mg/l [9] Các hợp chất

hữu cơ này làm tăng độ phì của nước đồng thời dễ bị phân hủy bởi các vi sinh

vật, gây mùi hôi thối và làm ô nhiễm nguồn nước Bảng 1.2 là ví dụ về đặc trưng

thành phần ô nhiễm trong nước thải giết mổ động vật của lò mổ Oberding (gần Munschen, CHLB Đức) Đặc thù ở đây là nhà máy này sản xuất tới 380 tấn sản phẩm mỗi tuần với công nghệ tách thịt mỡ theo phương pháp "khô" nên lượng

nước thải thấp, tỷ lệ nước thải trên sản phẩm chỉ khoảng 0,8 m3/tấn, do vậy nồng

độ các chất ô nhiễm trong nước thải cũng sẽ cao hơn

Bảng 1 2 Đặc trưng thành phần nước thải giết mổ động vật tại lò mổ Oberding

1.2.3 Đặc trưng nước thải ngành sản xuất rượu - bia

Trong sản xuất cồn: định mức nước thải cho sản xuất 1000 lit cồn là 17÷20

m3 Trong sản xuất rượu vang hoặc rượu mùi pha chế có nhu cầu nước không lớn Nước được sử dụng chủ yếu cho rửa chai 65÷70% và vệ sinh dụng cụ chứa đựng, rửa nhà sàn (30÷35%) Định mức nước thải cho 1.000 lit rượu biến động

từ 3÷5 m3 Trong sản xuất cồn, rượu vấn đề môi trường đáng quan tâm nhất là nước thải Đặc biệt là dịch hèm sau tháp chưng thô có độ màu rất đậm, rất khó

xử lý

Bảng 1 3 Đặc trưng dịch hèm của một số cơ sở sản xuất cồn [3]

TT Chỉ tiêu Đơn vị Việt Trì CTĐ

Cty Rượu

Hà Nội

Cty Rượu Đồng Xuân

Cột B-QCVN 40:2011/BTNMT

Bảng 1 4 Đặc tính nước thải chưa xử lý một số cơ sở sản xuất bia [3]

TT Thông số Đơn vị

CT liên doanh bia Sài Gòn - Phú Yên

CT bia

Hà Nội

LH thực phẩm Hà Tây

CT bia Hải Phòng

NM bia Viger

1.2.4 Đặc trưng nước thải ngành sản xuất đường

Nhu cầu về nước cho sản xuất đường là rất lớn Tuỳ theo công nghệ mà nhu

cầu nước ở mỗi công đoạn khác nhau sẽ khác nhau Tuy nhiên có thể phân làm 3 nhóm nước chính: nước lắng trong, nước lọc trong và nước công nghệ Nước thải của các nhà máy đường có độ ô nhiễm cao đến rất cao là một nguồn gây ô nhiễm rất nghiêm trọng cho môi trường xung quanh

Theo khảo sát kiểm toán của Cục bảo vệ môi trường [3] thì chất lượng của nước thải nhà máy đường trong các công đoạn khác nhau có những đặc trưng rất khác nhau như sau:

- Nước làm mát trục ép của công đoạn ép có nồng độ COD biến đổi từ 277

Do dây chuyền sản xuất đơn giản, thủ công nhiều, nên cơ sở phát sinh ra nhiều nước thải, có lẫn nhiều tạp chất (lông, phân) do quá trình tách bỏ ở các công đoạn không triệt để

Dưới đây là sơ đồ công nghệ giết mổ tại Cơ sở giết mổ Mễ Trì:

Hình 1 1 Công nghệ giết mổ lợn tại Cơ sở Mễ Trì

1.3.2 Hiện trạng môi trường nước thải

Cơ sở giết mổ nằm ngay trong khu dân cư, chất thải của hoạt động giết mổ gây ô nhiễm và nguy cơ lây nhiễm cao Toàn bộ khu giết mổ và làm lòng nằm ngay bên cạnh chuồng nuôi nhốt lợn Mình lợn vừa phanh được đặt nằm trên máu, lông và phân Những con lợn được cắt thủ, bổ đôi sau đó chuyển đến các chợ đầu mối bằng phương tiện vận chuyển không đúng quy định, không đảm bảo

Đưa sản phẩm đến nơi tiêu thụ

Bảng 1 5 Kêt quả phân tích nước thải cơ sở giết mổ Mễ Trì

* Kết luận

Như vậy, dựa trên cơ sở các thông tin, tài liệu thu thập về đặc tính nước thải của một số ngành công nghiệp chế biến thực phẩm như trên, có thể thấy hiện nay hầu hết các ngành đều phát sinh lượng lớn nước thải với lưu lượng và tải lượng ô nhiễm cao Đồng thời, qua những số liệu đã thu thập được, có thể thấy

rằng một số ngành gây phát sinh nước thải giàu dinh dưỡng (nitơ, photpho) điển

hình như:

- Nước thải ngành chế biến thủy hải sản

- Nước thải ngành giết mổ gia súc, gia cầm

- Nước thải chế biến thịt các loại

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về đặc tính nước thải của một số lĩnh vực sản xuất trong ngành chế biến thực phẩm kết hợp với mục tiêu của đề tài nghiên cứu và thực tế điều kiện nghiên cứu, tác giả đã lựa chọn đối tượng nước thải

trong chế biến thực phẩm giàu nitơ, photpho là nước thải của ngành giết mổ gia súc gia cầm, cụ thể là nước thải của thải của cơ sở giết mổ lợn tại Mễ Trì

1.4 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải giàu nitơ, photpho

1.4.1 Các công nghệ xử lý đang áp dụng trên thế giới

Hiện nay, nhiều công trình xử lý nước thải giàu dinh dưỡng (nitơ, photpho)

đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam, gồm các phương pháp hóa học, sinh học, vật lý… Một số công nghệ được sử

dụng thông dụng trên thế giới bao gồm: Công nghệ A2/O (kỵ khí - thiếu khí - hiếu khí), quy trình Bardenpho (5 bước), Quy trình UCT (University of Cape Town), quá trình VIP (Virginia Initiative Plant - in Norfork, Virginia), bể Aeroten hoạt động theo mẻ dạng SBR (Sequencing Batch Reactor), mương oxy

hóa, công nghệ kỵ khí, lọc sinh học dòng ngược USBF [2, 6, 12, 15, 16]

1.4.1.1 Bể Aeroten hoạt động gián đoạn theo mẻ (dạng SBR) [2, 12, 15]

Công nghệ SBR đã được ứng dụng rộng rãi tại Mỹ và Canada, xử lý từng

mẻ liên tục theo chu kỳ, phù hợp với các xí nghiệp sản xuất hóa chất, dệt nhuộm, giấy, mỹ phẩm, thực phẩm… có quy mô vừa và nhỏ

Hình 1 2 Các giai đoạn hoạt động trong bể SBR

Bể phản ứng theo mẻ là dạng công trình xử lý nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính, nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một hệ thống Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm nước thải, phản ứng, lắng, hút nước thải ra

 Các giai đoạn trong bể SBR

Đưa nước vào bể (Filling): nước được đưa vào bể bằng cách làm đầy tĩnh,

làm đầy khuấy trộn, làm đầy sục khí hóa và phân hủy chất hữu cơ

Giai đoạn phản ứng (Reaction): sục khí để tiến hành quá trình nitrat hóa Giai đoạn lắng (Settling): các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình

lắng diễn ra trong môi trường tĩnh hoàn toàn, thời gian lắng thường không lớn hơn 2 giờ

Giai đoạn xả nước (Discharge): nước sau khi lắng sẽ được hệ thống thu

nước tháo ra đến giai đoạn khử tiếp theo, đồng thời trong quá trình này bùn lắng cũng được tháo ra

Trong bước một, khi cho nước thải vào bể, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước Sau đó hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí

ở bước hai với thời gian thổi khí đúng như thời gian yêu cầu Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được oxy hóa trong giai đoạn này Bước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh Sau đó, nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể Bước cuối cùng là xả lượng bùn

dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải lên trạm xử lý nước thải liên tục

Công trình hoạt động gián đoạn, có chu kỳ Các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng bùn diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử lý nước thải cao Giá trị BOD5 của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 20mg/l, hàm lượng cặn lơ lửng từ 3-25mg/l và N-NH3 khoảng từ 0,3-12mg/l

Hệ thống aroten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử được nitơ & photpho sinh hóa do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và

kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp oxy

 Ưu/nhược điểm:

Ưu điểm:

- Không cần bể lắng 1, lắng 2, bể Aerotank, bể điều hòa

- Chế độ hoạt động linh động có thể thay đổi theo đầu vào

- Có thể loại bỏ được nitơ, photpho do điều chỉnh được quá trình trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp oxy

- Giảm chi phí do giảm nhiều thiết bị so với quy trình cổ điển

Nhược điểm:

- Kiểm soát quá trình rất khó, đòi hỏi hệ thống quan trắc hiện đại

- Do có nhiều phương tiện điều khiển hiện đại nên việc bảo trì bảo dưỡng trở nên rất khó khăn

- Có khả năng nước đầu ra ở giai đoạn xả ra cuốn theo các bùn khó lắng, váng nổi

- Do đặc điểm là không rút bùn ra nên hệ thống thổi khí dễ bị tắc

1.4.1.2 Mương oxy hóa [2, 12, 15]

Có cấu tạo hình ôvan, chiều sâu lớp nước từ 1,0÷1,5m, vận tốc nước trong mương 0,1÷0,4 m/s Để đảm bảo lưu thông bùn, nước, cung cấp oxy người ta thường lắp đặt hệ thống khuấy trộn dạng guồng quay trục ngang

Tại khu vực hai đầu mương khi dòng chảy đổi chiều, vận tốc nước ở phía trong nhỏ hơn phía ngoài làm cho bùn lắng lại sẽ giảm hiệu quả xử lý, do đó phải xây dựng tường hướng dòng ở hai đầu mương để tăng tốc độ dòng phía trong Mương oxy hóa tuần hoàn hoạt động theo nguyên lý thổi khí bùn hoạt tính kéo dài, lượng oxy cần cung cấp 1,5-1,8 kgO2/kgBOD5 để đảm bảo quá trình khử nitrat Hàm lượng bùn hoạt tính 2.000-6.000mg/l Thời gian lưu nước 24-36 giờ, thời gian lưu bùn 15-33 ngày, hệ số tuần hoàn bùn 0,75-1,5 Quá trình cấp khí đảm bảo cho việc loại bỏ các chất hữu cơ (BOD) và ổn định bùn nhờ hô hấp nội bào Vì vậy bùn hoạt tính dư ít gây hôi thối và khối lượng giảm đáng kể

Các chất hữu cơ trong công trình hầu như được oxy hóa hoàn toàn, hiệu quả khử BOD đạt 85÷95% Trong vùng hiếu khí diễn ra quá trình oxy hóa hiếu

khí các chất hữu cơ và nitrat hóa Trong vùng thiếu khí (hàm lượng oxy hòa tan

thường dưới 0,5mg/l) diễn ra quá trình hô hấp kỵ khí và khử nitrat

Hình 1 3 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho trong mương oxy hóa

Trong mương oxy hóa có các vùng hiếu khí và thiếu khí, vùng hiếu khí (DO>2mg/l) diễn ra quá trình oxy hóa chất hữu cơ và nitrat hóa, vùng thiếu khí (DO<0,5mg/l) diễn ra quá trình hô hấp kỵ khí và khử nitrat Hiệu quả xử lý BOD đạt 85÷90%, hiệu quả xử lý nitơ đạt 40÷80%

 Ưu nhược điểm

Ưu điểm: Hoạt động ổn định, ít gây mùi hôi, kích thước nhỏ hơn hệ thống

thiếu khí (anoxic) vi sinh vật lấy oxy từ nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) lượng nitrat

và nitrit được bổ sung bởi hỗn hợp nước thải tuần hoàn từ sau ngăn hiếu khí (aerobic) Hàm lượng photpho tập trung trong nước thải nhỏ hơn 2mg/l là có thể chấp nhận được với nước thải không có công đoạn lọc và nhỏ hơn 1,5mg/l với nước thải sau lọc

Hình 1 4 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình A2/O

1.4.1.4 Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn) [2, 15]

Từ bể Bardenpho 4 giai đoạn để xử lý nitơ, bổ sung thêm một giai đoạn để kết hợp khử cả nitơ và photpho Thêm giai đoạn thứ 5 là quá trình yếm khí

(anaeobic) để khử photpho lên đầu tiên của quy trình kết hợp khử nitơ và

photpho Sự sắp xếp các giai đoạn và tuần hoàn hỗn hợp nước thải sau các vùng cũng khác nhau và khác quy trình xử lý A2/O Hệ thống 5 bước cung cấp các vùng thiếu khí, kỵ khí, hiếu khí để khử cả nitơ, photpho và hợp chất hữu cơ

Vùng thiếu khí (giai đoạn 2) để khử nitrat và được bổ sung nitrat từ bể aerobic (giai đoạn 3) Bể aerobic cuối cùng tách khí N2 ra khỏi nước và giảm hàm lượng photpho xuống tối đa Thời gian xử lý kéo dài hơn quy trình A2/O Tổng thời gian lưu nước là 10 ÷ 40 ngày, tăng sinh khối của vi sinh vật

Hình 1 5 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình Bardenpho 5 giai

đoạn

1.4.1.5 Quy trình UCT [2, 15]

Được thiết lập tại trường đại học Cape Town, giống quy trình A2/O nhưng

có 2 sự khác biệt Thứ nhất, bùn hoạt tính được tuần hoàn đến ngăn thiếu khí thay vì ngăn kỵ khí Thứ hai, xuất hiện vòng tuần hoàn từ ngăn thiếu khí đến ngăn kỵ khí Bùn hoạt tính đến ngăn thiếu khí, hàm lượng nitrat trong ngăn kỵ khí sẽ bị loại bỏ, theo đó tách được photpho trong bể kỵ khí Bản chất của vòng tuần hoàn giữa các ngăn là cung cấp hợp chất hữu cơ đến ngăn kỵ khí Hợp chất

từ ngăn thiếu khí bao gồm các hợp chất hữu cơ hòa tan nhưng hàm lượng nitrat rất ít, tạo điều kiện tốt nhất để lên men kỵ khí trong ngăn kỵ khí

Hình 1 6 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình UCT

1.4.1.6 Quy trình VIP [2, 15]

Quy trình VIP (Virginia Initiative Plant in Norfolk) giống quy trình A2/O

và UCT ngoại trừ cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải giữa các bể Bùn hoạt tính

cùng với nước thải sau bể anaerobic (đã khử nitrat) được đưa lại bể anoxic

Nước thải từ bể anoxic quay trở lại đầu vào của anaerobic Trên cơ sở những dữ liệu kiểm tra được, xuất hiện một số hợp chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, đảm bảo sự ổn định trong hoạt động của bể kỵ khí, làm giảm nhanh chóng hàm lượng oxy theo yêu cầu

Hình 1 7 Sơ đồ công nghệ xử lý nitơ, photpho theo quy trình VIP

1.4.1.7 Xử lý Nitơ trong nước thải bằng quá trình oxi hóa kỵ khíAnammox [2,15]

Từ những năm 1980 và 1990, ngoài phương pháp xử lý sinh học kết hợp hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa có thể loại bỏ được amoni ra khỏi nguồn thải, tồn tại một loại vi khuẩn có khả năng oxy hóa amoni thành dạng khí

N2 sử dụng nitrit được hình thành từ quá trình xử lý thay thế cho việc phải sử dụng oxy cấp từ nguồn bên ngoài vào Các nhà khoa học Hà Lan và Đức đã

nghiên cứu và phát hiện ra loài vi khuẩn này thuộc chủng Planctomyce-tales gồm hai dạng chính là Brocadia anammoxidans và Kuene-nia stuttgartiensis Đến nay, đã có 3 chi vi khuẩn anammox được phát hiện gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua Về mặt phân loại, các vi khuẩn anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetales

Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn kỵ khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương pháp mẻ liên tục (SBR) Kết quả cho thấy vi khuẩn thuộc vào phân

nhánh planctomycete sâu và vi khuẩn đã được đặt tên là Candidatus Brocadia anammoxidans Brocadia lấy từ tên của nơi đặt trạm xử lý pilot đã phát hiện ra

vi khuẩn Gist-brocades

Những năm 2000, 2001 và 2002 trên cơ sở nghiên cứu, các vi khuẩn

anammox phát hiện được ở hệ thống xử lý RBC ở Sttugrt (Đức), sau là Thuỵ Sĩ

và Bỉ được xác định là mới (độ tương tự dưới 90% so với B anammoxidans) và được đặt tên là Candidatus Kuenenia sttugartiensis (Schmid và cs,2000); (Egli

Một trong các vấn đề là các vi khuẩn anammox sinh trưởng rất chậm (thời

gian nhân đôi hơn 10 ngày), nên việc nuôi cấy, phân lập gặp nhiều khó khăn

Tuy nhiên, nhờ vào kỹ thuật phân tử, việc phát hiện trực tiếp mẫu sống (in situ)

và định danh các vi khuẩn anammox đã được thực hiện thuận lợi

Hệ số tỷ lượng phản ứng anammox tính đến sự tăng trưởng sinh khối:

Sự tạo thành lượng nhỏ nitrat từ nitrit được giả thiết là để sinh ra các đương lượng khử khi đồng hóa CO2

 Công nghệ xử lý nitơ trên cơ sở anammox

Về nguyên tắc, để áp dụng phản ứng anammox trong nước thải phải chứa

NH4+ và NO2- với tỷ lệ mol 1:1,32 như ở phản ứng (*)

Trên thực tế, nước thải chứa chủ yếu NH4+ nên:

Hoặc phải bổ sung NO2

-Hoặc phải chuyển hóa ~ 50% NH4+ thành NO2- để phần NO2- tạo ra phản ứng với NH + còn lại

NH4+ + NO2- N2 + 2H2O

NH 4+ + 1.32NO 2- + 0.066HCO 3- 1.02N 2 + 0.26NO 3- + 0.066CH 2 O 0.5 N 0.15 + 2.03H 2 O (*)

Như vậy, các công nghệ xử lý nitơ mới sẽ bao gồm nitrit hóa bán phần theo sau là anammox

Hướng thứ hai là nguyên lý cho các ứng dụng thực tế của anammox

Công nghệ khử nitơ mới gồm nitrit hóa bán phần (partial nitritation) theo

sau là anammox:

Nitrit hóa bán phần: 2NH4+ + 1,5O2 NH4+ + NO2- + 2H+ + H2O

Có thể đạt được nitrit hóa bán phần bằng cách kiểm soát điều kiện phản

ứng để ức chế vi khuẩn nitrobacter và khuyến khích vi khuẩn nitrosomonas:

một quá trình xử lý hai giai đoạn Nitrat hóa và anammox trong 1 thiết bị, ví dụ các quá trình: CANON; OLAND; SNAP

Hình 1 8 Sơ đồ Sharon – Anammox

Quá trình xử lý amoni trong nước thải được thể hiện qua sơ đồ sau:

Nitrit hóa bán phần

NH 4+ + NO 2-

anammox

N 2 2NH 4+

Hình 1 9 Sơ đồ quá trình xử lý N-NH4+

 Quá trình loại bỏ amoni thông thường:

Quá trình Nitrat hóa: 2 NH4+ + 4 O2  2 NO3- + 4 H+ + 2 H2O

Quá trình khử Nitrat: 2 NO3- + 8g COD + 2 H+ N2 + 3g Bùn

2 NH 4 + + 4O 2 +8 COD  N 2 + 2 H + +3g Bùn

 Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox):

Quá trình Nitrit hóa bán phần: 2NH4+ + 1.5O2= NH4+ + NO2- + H2O + 2H+

Quá trình Anammox: NH4+ + NO2-= N2 + 2H2O

2NH 4 + + 1.5O 2 = N 2 + 3H 2 O + 2H +

 Quá trình SHARON - Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite (Hellinga và cs , 1998; Van Loosdrecht và Jetten, 1998) nitrit hoá hoàn toàn

Quá trình Nitrit hóa: 2 NH4+ + 4 O2  2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O

Quá trình khử Nitrit: 2 NO2- + 4.8g COD + 2 H+  N2 + 1.8g Bùn

NO2-N

- Rất ít bùn sinh ra;

 So sánh quá trình SHARON với các quá trình xử lý nitơ truyền thống:

- Quá trình diễn ra nhanh hơn do đó giảm thời gian lưu;

- Giảm 25% lượng ôxy cung cấp so với quá trình loại bỏ amoni thông thường;

- Giảm 40% lượng cacbon hữu cơ yêu cầu;

- Lượng bùn sinh ra chỉ bằng 40% so với phương pháp xử lý thông thường

kỹ thuật xử lý kỵ khí ít được để ý, cho đến khi kỹ thuật xử lý UASB (chảy ngược qua lớp bùn kỵ khí), được áp dụng thực tiễn Một số công nghệ kỵ khí được áp dụng nhiều: UASB, bể lọc dạng lưu thể, ABR (phản ứng qua nhiều ngăn yếm khí), EGSB (lớp bùn hạt dãn nở) để xử lý nước thải công nghiệp có độ ô nhiễm

cao Tuy nhiên, biện pháp kỵ khí chỉ có hiệu quả loại bỏ được chất hữu cơ, hầu như không loại bỏ được hợp chất dinh dưỡng khi sử dụng đơn độc Mặt khác, chất lượng nước thải sau xử lý không đáp ứng được tiêu chuẩn thải (chứa nhiều

hợp chất có mùi hôi) vì vậy chúng được coi là một bước tiền xử lý (bậc sơ cấp)

trong một hệ thống xử lý tổng thể

1.4.1.9 Công nghệ lọc sinh học dòng ngược USBF [13]

Công nghệ lọc sinh học dòng ngược USBF là công nghệ cải tiến quy trình

xử lý bằng bùn hoạt tính, có sự kết hợp liên hoàn ba phân vùng thiếu khí (Anoxic Selector), vùng hiếu khí (Aerobic Selector) và vùng lắng - lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Đây chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh

điển, thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp và tốn ít diện tích xây dựng

Hình 1 10 Sơ đồ nguyên lý của mô hình công nghệ USBF

1.5 Tổng quan về công nghệ lọc sinh học dòng ngược USBF[13]

1.5.1 Sự hình thành và phát triển công nghệ Lọc sinh học dòng ngược

(USBF)

Công nghệ lọc sinh học dòng ngược USBF lần đầu tiên được giới thiệu tại

Mỹ vào cuối những năm 1970 của thế kỷ XX, với thiết kế dựa trên mô hình học

xử lý BOD, nitrat hóa (nitrification), và khử nitrat hóa (denitrification) của

Lawrence và McCarty, Inc Nó dựa vào nguyên lý của lọc lớp đệm giả lỏng ở dạng lớp giả lỏng bộ phận Vào đầu những năm 1970, công nghệ USBF đã được phát triển với những thay đổi tiếp theo Cải tiến này mở rộng ứng dụng của công nghệ USBF trong xử lý sinh học nước thải và đến cuối thế kỷ 18 nó được phát triển rộng hơn thành dạng như hiện nay và ứng dụng trong một số nhà máy xử lý nước thải

Sau đó được áp dụng ở châu Âu từ những năm 1998 trở lại đây Hiện nay, trên thế giới mô hình của Lawrence và McCarty được áp dụng kết hợp trên nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi nước

Tiềm năng cải tiến nguyên lý mới trong công nghệ xử lý nước đạt cao bằng

sự bắt đầu thời kỳ hoàng kim của dạng COMBI USBF của tập đoàn EcoFluid Systems Inc, trong đó giới thiệu kích thước mới đối với sự xử lý sinh học nước

thải Điểm cải tiến của công nghệ COMBI USBF là không giới hạn công suất trong thiết kế những thiết bị xử lý mới

Công nghệ USBF đã được cấp bằng sáng chế và thương mại hóa ở Bắc Mỹ

vào những năm 1990 bởi công ty EcoFluid Systems Inc (Vancouver, B.C) Các

dạng quá trình xử lý USBF khác nhau của công ty đã và đang được sử dụng trên toàn thế giới trong 25 năm gần đây

Công nghệ USBF là hệ thống xử lý nước thải hàng đầu trong một số công nghệ ở bang California, và nó cũng nhận được Giải thưởng Frost và Sullivan cho Công nghệ tốt hàng đầu [18]

Công nghệ USBF là mô hình cải tiến từ quá trình bùn hoạt tính truyền thống và có tích hợp thêm ngăn thiếu khí và ngăn lắng dòng chảy ngược Ngăn thiếu khí cung cấp điều kiện cần thiết cho sự khử nitrat hóa và xử lý phospho bằng quá trình hấp thụ [18] Tại ngăn thiếu khí, BOD dòng vào có vai trò như nguồn cacbon cung cấp cho quá trình chuyển hóa nitrat thành nitơ phân tử, cơ chế của quá trình xử lý phospho ở công nghệ này tương tự như công nghệ A/O

và Phostrip Tuy nhiên, tổng lượng photpho được xử lý sinh học phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ BOD/P trong nước thải dòng vào [13, 15, 18]

Điều này khẳng định rằng hệ thống dựa vào công nghệ USBF có thể đạt chất lượng dòng ra cao và ổn định [10,14], đưa ra khái niệm mới trong giải quyết vấn đề xử lý nước thải Kích thước nhỏ và tính chắc chắn của các thiết bị USBF cùng với sự vận hành đơn giản, kiểm soát đạt tin cậy cao là cơ sở cho thiết bị xử

lý nước thải quy mô nhỏ, tới cấp hộ gia đình Ở công nghệ USBF, tất cả các quá trình công nghệ đều được kết hợp trong một modun thiết bị đơn chiếc, do vậy nhu cầu năng lượng, bảo dưỡng và chi phí sẽ ít hơn [13, 18]

Hình 1 11 Bể USBF bằng thép không gỉ ở Strathmore, Alberta, Anh [18]

Trong những năm gần đây, những cải tiến công nghệ quan trọng được thực hiện trong lĩnh vực xử lý nước thải, nhằm mục đích giảm đồng thời hợp chất nitơ

và photpho Một vài cải tiến này, như công nghệ Bardenpho cải tiến và A2/O

có thể xử lý dinh dưỡng đạt mức cho phép, những cần diện tích lớn hơn và chi phí bảo dưỡng nhiều hơn nên phương pháp đó ít được sử dụng Nhưng công nghệ USBF đã thay đổi những điều đó và ngày càng được phát triển ở nhiều nước trên toàn thế giới Ứng dụng kỹ thuật USBF có thể áp dụng trong dải phạm

vi rộng từ nước ngầm đến nước bề mặt sử dụng trong công cộng, xử lý nước thải

đô thị, công nghiệp và nông nghiệp

1.5.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của công nghệ USBF

1.5.2.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ USBF [13, 18]

a Nguyên lý hoạt động chung của công nghệ USBF

Công nghệ lọc sinh học dòng ngược USBF là công nghệ cải tiến quy trình

xử lý bằng bùn hoạt tính cổ điển kết hợp với quá trình thiếu khí (vùng anoxic) và vùng lắng - lọc bùn lơ lửng dòng ngược (vùng lắng - lọc ngược) trong một công

trình xử lý sinh học

Mô hình được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ cacbon, quá trình

nitrat/khử nitrat và loại bỏ dinh dưỡng (nitơ, photpho) Nước thải trước khi xử lý

bằng mô hình được qua song chắn rác rồi đưa vào bể điều hòa, sau đó dòng thải được bơm vào ngăn thiếu khí trộn lẫn với dòng bùn tuần hoàn từ ngăn lắng, ngăn này có vai trò là ngăn thiếu khí thực hiện hai cơ chế động học và trao đổi chất để thực hiện quá trình loại bỏ cacbon, khử nitrat và chuyển hóa photpho Sau đó nước thải tự chảy từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí qua khe hở dưới đáy Tại ngăn này, oxy được cấp nhờ hệ thống cấp khí Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn lắng và di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Đây chính là giai đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống

do kết hợp quá trình lọc và xử lý sinh học nhờ bông bùn hoạt tính Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy tràn vào máng thu nước đầu ra và tự động chảy ra ngoài

b Các quy trình phản ứng xảy ra trong thiết bị USBF

Công nghệ USBF được áp dụng để xử lý chất hữu cơ dạng hydratcacbon (BOD) và các chất hữu cơ chứa nitơ, photpho bằng các quá trình khử nitơ, oxy hóa, nitrat hóa, khử nitrat và chuyển hóa phospho

Quá trình khử cácbon là một trong các quá trình chính được thiết kế cho mô hình USBF Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải vì nó ảnh hưởng đến các quá trình khác Các vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất cần thiết cung cấp cho sự sinh trưởng và phát triển, sinh sản tế bào mới Trong mô hình USBF, quá trình khử cacbon diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn lắng - lọc USBF

Trong tất cả các phương pháp được sử dụng để loại bỏ nitơ, kết hợp hai quá trình nitrat và khử nitrat là phương pháp có hiệu suất cao, ổn định và giảm giá thành xử lý do đơn giản hệ thống, tiết kiệm diện tích cho việc thiết lập hệ thống Trong công nghệ USBF, hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat được kết hợp trong một hệ thống nhưng diễn ra ở ba ngăn của thiết bị

Phospho có trong nước thải tồn tại ở dạng các hợp chất vô cơ và hữu cơ

Các vi sinh vật sử dụng phospho dưới dạng orthophosphate, polyphosphate để duy trì hoạt động, dự trữ và vận chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới Trong công nghệ USBF, việc kết hợp 3 quá trình thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học cùng với dòng tuần hoàn bùn hoạt tính tạo nên dòng liên tục Quá trình khử phospho được kết hợp với quá trình khử cacbon, quá trình nitrat và khử nitrat Việc kết hợp các quá trình cũng như các quá trình hỗ trợ của các vi sinh vật được luân phiên trong các điều kiện thiếu khí và hiếu khí, từ đó thúc đẩy các quá trình

xử lý diễn ra vượt trội hơn mức bình thường

Dựa trên cấu tạo của hệ thống USBF có thể cho dòng ra có BOD5 < 5 mg/l, TSS <10 mg/l mà không qua công đoạn lọc, TN< 1,0 mg/l và TP <0,5 ÷ 2,0mg/l Quá trình khử nitơ và photpho trong thiết bị USBF xảy ra lần lượt như sau:

 Tại ngăn thiếu khí của thiết bị USBF

Tại ngăn đầu tiên của thiết bị, hỗn hợp nước thải cần xử lý và bùn hoạt tính

(tuần hoàn từ đáy của ngăn lắng lọc dòng ngược USBF) chảy vào ngăn thiếu

khí, dòng chảy được khuấy trộn để đảm bảo dòng thải được đảo trộn hoàn toàn

và giữ cho chất rắn ở trạng thái lơ lửng Tuần hoàn một phần bùn hoạt tính để cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể cả N-NO3- (hồi lưu nguồn nitrat) cho quá trình xử lý thiếu khí Nitrat được tuần hoàn trở lại vùng thiếu khí

và được khử liên tục tối đa Vùng thiếu khí này khử nitơ của tất cả nitrat có mặt

và được bổ xung thêm, tạo sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử Đồng thời dòng tuần hoàn bùn sẽ mang theo các vi sinh vật, nguồn cacbon tham gia vào quá trình Đây cũng là một trong những ưu điểm của mô hình này do sự liên kết giữa các quá trình thực hiện các chức năng khác nhau trong cùng một hệ thống đơn giản

Quá trình chuyển hóa nitơ:

N-NO3→ N-NO2 →NO → N2O→ N2

Ít O 2 – thiếu khí

Cacbon hữu cơ

Trong phản ứng này, BOD đầu vào được xem như nguồn cacbon hay

nguồn năng lượng để khử nitrat, nitrit (và các hợp chất nitơ có hóa trị dương) thành khí nitơ (hóa trị không) Giai đoạn biến đổi từ N-NO3- đến N2 là giai đoạn cần ít oxy do ở đây các vi khuẩn nitrat hoạt động cần ít oxy Ngoài ra, trong bùn tuần hoàn khi có một số tế bào vi sinh vật bị chết và tự phân, các chất dinh dưỡng của tế bào được hòa tan dùng làm thức ăn cho vi khuẩn khử nitrat và vi sinh vật nói chung Khử nitrat cũng có thể do chuyển hóa nội sinh của sinh khối

vi sinh vật được tạo ra

Quá trình xử lý photpho đồng thời cũng được xử lý tại ngăn thiếu khí,

tương tự như các quá trình xử lý theo phương pháp AA/O (anaerobic anoxic/oxic) và Phosphotrip Trong qui trình USBF, sự lên men của BOD hòa

tan xảy ra trong vùng thiếu khí, sản phẩm của quá trình lên men cấu thành thành

phần đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ photpho (vi sinh vật bio-P)

Các vi khuẩn sẽ tác động chuyển các hợp chất photpho dạng hữu cơ trong nước thải thành photpho dạng hòa tan Tổng lượng photpho được xử lý sinh học phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ BOD/P của dòng nước thải vào Dòng chứa photpho hòa tan từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn hấp thụ và tích lũy vào sinh khối

Như vậy, ngăn thiếu khí có vai trò loại bỏ cacbon, khử nitơ và chuyển photpho dạng hữu cơ thành photpho hòa tan

 Tại ngăn hiếu khí của thiết bị USBF

Nước thải từ ngăn thiếu khí chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn USBF Tại ngăn này có bố trí hệ thống phân phối khí cung cấp oxy cho quá trình trao đổi chất của vi sinh vật

Trong quá trình này, amon oxy hóa thành nitrit và sau đó thành nitrat bởi vi

khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong từng vùng sục khí riêng biệt Vi khuẩn

sử dụng nguồn Carbon vô cơ (chủ yếu HCO 3 - và CO 2) cùng với các chất dinh

dưỡng (nitơ, photpho, vi lượng…) để xây dựng tế bào Nguồn nitơ được vi khuẩn

sử dụng để tạo sinh khối là amoni Quá trình chuyển hóa hợp chất nitơ: