Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ sinh học hybrid (tt)

Hệ sinh học hybrid kỵ khí USBF và hybrid hiếu khí Bio 2 Sludge lần ñầu ñược lựa chọn cho nghiên cứu nhờ tính khả thi về công nghệ, sử dụng hệ vi sinh hỗn hợp với mật ñộ sinh khối dày ñặc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

-*** -

NGUYỄN THỊ THANH PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC HYBRID

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỞNG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

Mã số: 62.85.06.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HCM – Năm 2011

Công trình ñược hoàn thành tại:

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Địa chỉ: 142 Tô Hiến Thành, quận 10, TP Hồ Chí Minh

Điện thoại: (84.8) 3865 1132 – Fax: (84.8) 3865 5670

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC

2 TS NGUYỄN TRUNG VIỆT Phản biện 1: GS.TS ĐẶNG THỊ KIM CHI

Phản biện 2: PGS TS NGÔ KẾ SƯƠNG

Luận án sẽ ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại Viện Môi Trường và Tài Nguyên – Đại học Quốc gia TP HCM vào giờ ngày tháng năm 2011

Có thể tìm hiểu luận án tại:

• Thư viện Viện Môi Trường và Tài Nguyên – Đại học Quốc gia TP HCM

• Thư viện khoa học tổng hợp TP Hồ Chí Minh

1

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tinh bột mì là sản phẩm tồn tại dưới dạng hydrat cacbon tự nhiên với hàng ngàn công dụng khác nhau Ước tính ngành sản xuất tinh bột mì hàng năm thải vào môi trường 500.000 tấn bả thải và 15 triệu m3 nước thải Đây là nguồn thải ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng cao với COD lên ñến 20.000 mg/L, N khoảng 50 – 300 mg/L

Hiện nay, các công nghệ xử lý chưa hiệu quả Do vậy, cần thiết phải xác ñịnh công nghệ xử lý ñảm bảo hiệu quả về môi trường và ñáp ứng về mặt kinh tế, phù hợp với ñiều kiện các cơ sở sản xuất trong nước

Hệ sinh học hybrid kỵ khí USBF và hybrid hiếu khí Bio 2 Sludge lần ñầu ñược lựa chọn cho nghiên cứu nhờ tính khả thi về công nghệ, sử dụng hệ vi sinh hỗn hợp với mật ñộ sinh khối dày ñặc tham gia vào quá trình phân hủy cơ chất, cho phép giảm khối tích công trình, tăng tải trọng xử lý và phân hủy triệt ñể thành phần chất hữu cơ và dinh dưỡng Công nghệ trên còn có khả năng chịu sốc tải tốt, không bị ảnh hưởng ñáng kể bởi tải trọng và chế ñộ hoạt ñộng gián ñoạn do ñặc thù của ngành chế biến tinh bột mì

2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN

• Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ Hybrid

kỵ khí và hybrid hiếu khí

• Đề xuất công nghệ phù hợp cho xử lý nước thải tinh bột mì và ứng dụng triển khai thực tế

3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

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

• Đánh giá hàm lượng CN

trong thành phần nước thải, ñộc tính và

cơ chế chuyển hóa ở ñiều kiện kỵ khí (axit hóa và phân hủy tự nhiên); ngưỡng nguy hại của CN- ñối với hệ USBF

• Xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ hybrid kỵ khí USBF:

- Xác ñịnh tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước, hàm lượng vi sinh và mật ñộ xơ dừa

2

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

- So sánh hiệu quả xử lý của USBF và UASB

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

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

• Nghiên cứu xử lý nước thải trên mô hình kết hợp hybrid kỵ khí

và hiếu khí

• Đề xuất công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì phù hợp và áp dụng triển khai thực tế

4 LUẬN ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

• Xác ñịnh giới hạn nguy hại của CN- ñối với quá trình sinh học kỵ khí

xử lý ñộc tố, áp dụng công nghệ sinh học hybrid kỵ khí kết hợp hybrid hiếu khí, sử dụng hệ vi sinh lơ lửng và bám dính trên cùng một hệ thống nên ưu ñiểm hơn so với các hệ thống sinh học truyền thống

Đối với hệ sinh học hybrid kỵ khí (USBF), tỉ lệ giữa vùng UASB và vùng lọc kỵ khí sẽ ảnh hưởng ñến khả năng chịu sốc tải và hiệu quả

Từ kết quả nghiên cứu, luận án xác ñịnh mô hình ñộng học và các thông số ñộng học cho các hệ sinh học hybrid

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

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

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

• Mở ra hướng áp dụng hệ hybrid USBF và Bio 2 sludge cho

xử lý nước thải trong ñiều kiện gián ñoạn và biến ñộng mạnh

b Ý nghĩa thực tiễn

• Đề xuất quy trình công nghệ, xử lý nước thải ñạt tiêu chuẩn Góp phần BVMT và tạo ñiều kiện ổn ñịnh sản xuất ñối với hoạt ñộng chế biến tinh bột mì

• Đưa ra thiết kế, tính toán kỹ thuật phục vụ xây dựng công trình xử lý nước thải tinh bột mì ở nhiều công suất khác nhau

• Luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học, cán bộ môi trường cũng như các chuyên gia trong lãnh

vực công nghệ xử lý nước thải

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ 1.1 TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

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

mô hộ gia ñình và qui mô công nghiệp, tập trung chủ yếu tại khu vực phía Nam

Đặ c ñiểm và thành phần của nước thải tinh bột mì

Bình quân 4 tấn củ mì tươi sẽ sản xuất ra ñược 1 tấn tinh bột mì khô tương ứng thải vào môi trường 12 – 20 m3 nước thải Trong thực tế

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

Bảng 1.1 Thành phần nước thải tinh bột mì

Song chắn rác → lắng → trung hòa → Hồ

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

2 Hoàng Minh Song chắn rác → lắng bột → trung hòa →

5

STT Nhà máy Quy trình công nghệ

ñiều hòa → UASB → Aeroten → Lắng 2

3 Trường Hưng Song chắn rác → lắng cát → lắng bột →

Lắng ly tâm →Aeroten → Khử trùng

4 Vedan Bình

Thuận

Song chắn rác → lắng → trung hòa → Hồ

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

Song chắn rác → bể chứa → ngăn keo tụ →

Bể phản ứng → bể lắng → ngăn trung hòa

→ ñiều hòa → UASB → Hồ sinh học

8 Bình Định

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

9 Tây Ninh Song chắn rác → lắng → trung hòa → hệ

Nguồn: Khoa Môi Trường, ĐHBK.Tp HCM 2005

Mặc dầu hàng loạt nhà máy sản xuất tinh bột mì ñã xây dựng hệ thống xử lý nước thải nhưng hầu hết các hệ thống ñược thiết kế chưa phù hợp Kết quả là nước sau xử lý không thể ñạt tiêu chuẩn thải

QCVN 24:2009/BTNMT cột B

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID

Hệ sinh học hybrid là mô hình phản ứng sinh học có sự hiện diện kết hợp của các chủng loại vi khuẩn khác nhau bao gồm: vi khuẩn sinh trưởng lơ lửng và vi khuẩn sinh trưởng bám dính phát triển trong ñiều kiện kỵ khí, hiếu khí hoặc kết hợp kỵ khí và hiếu khí Từ ñó tận dụng những ưu ñiểm của một số hệ thống hệ thống hiện có, kết hợp

và sử dụng chúng hiệu quả sao cho chi phí ñầu tư thấp, thu gọn hệ

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

UASB, UASB – septic tank, hybrid septictank – ABR, hybrid axit hóa + UASB

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

hybrid UASB + lọc sinh học, hybrid EGSB kết hợp AF, hybrid sinh

học kỵ khí kết hợp lọc màng

1.2.2 Công nghệ hybrid hiếu khí

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

1.2.3 Công nghệ hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí

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

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

• Chịu biến ñộng về lưu lượng, tải lượng ô nhiễm và chế ñộ vận hành không liên tục

• Quy trình ñơn giản, chi phí thấp.và phát triển công nghệ theo hướng tái sinh năng lượng và tái sử dụng nguồn thải

Với luận ñiểm trên, một số mô hình ñược lựa chọn cho nghiên cứu trong luận án bao gồm: Mô hình axit hóa khử CN-; hai hệ thống sinh

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

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 HỆ SINH HỌC HYBRID USBF

Công nghệ USBF ñược nghiên cứu từ năm 1984, sau ñó tiếp tục phát triển bởi nhiều nhà khoa học ở các quốc gia khác nhau ñể xử lý nước thải của nhiều ngành như nước thải dệt nhuộm, nước thải chế biến cà phê, nước thải sinh hoạt, nước thải nhiễm dầu… Ưu ñiểm chính của công nghệ hybrid USBF là khả năng chịu tải cao, ngăn ngừa trường hợp bị sốc tải

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

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

Động học của quá trình hybrid kỵ khí

Nhiều nghiên cứu trên các dạng mô hình ñộng học ñã chứng minh

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

mô hình toán học ñược sử dụng phổ biến nhất ñể xác ñịnh các hằng

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

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

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

2.2 HỆ SINH HỌC HYBRID BIO 2 SLUDGE

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

1982 ñến nay ñã chứng minh rằng hybrid bio 2 sludge có khả năng

chịu biến ñộng về tải lượng ô nhiễm ñồng thời xử lý chất dinh dưỡng

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

yếu tố cơ bản như pH; nhiệt ñộ, hàm lượng cặn lơ lửng, chế ñộ vận hành: Oxy cung cấp, tuần hoàn bùn… Một số vấn ñề khác cần lưu tâm bao gồm:, tỉ lệ C/N, nồng ñộ các chất gây ñộc

8

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

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

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

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 3.1 MÔ HÌNH AXIT HÓA

Mô hình là các bể nhựa có cánh khuấy, dung tích 20 L Thí nghiệm trên mẫu nước thải có bùn tự hoại và mẫu ñối chứng không bổ sung bùn Các chỉ tiêu phân tích pH, COD, VFA, N-NH4

+

, CN-

Hình 3.1 Mô hình axit hóa (mô hình tĩnh)

3.2 MÔ HÌNH HYBRID SINH HỌC KỊ KHÍ

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

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

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

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

9

3.2.2 Mô hình USBF 2/1

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

Với HRT=2 ngày, mô hình ñược vận hành với các tải trọng: 1; 2; 3 kgCOD/(m3.ngày) tương ứng với COD: 2000mg/L; 4000mg/L; 6000mg/L Sau ñó giảm HRT = 1 ngày, mô hình sẽ vận hành với tải trọng 6 kgCOD/(m3.ngày) tương ứng COD = 6000mg/L và khi HRT

= 12h, tải trọng là 12kgCOD/(m3.ngày)

Ở mỗi tải trọng, tiến hành phân tích các chỉ tiêu COD, pH, N-NH4

+

, ñộ kiềm, VFA, VSS, xác ñịnh ảnh hưởng của ñộc tố CN-

3.3 MÔ HÌNH HYBRID SINH HỌC HIẾU KHÍ

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

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

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

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

theo thời gian So sánh hiệu quả xử lý của 4

mô hình theo thời gian ñể ñề xuất ñược loại vật liệu lọc phù hợp

10

Hình 3.7Mô hình lọc sinh học hiếu khí

3.3.2 Xác ñịnh kết cấu xơ dừa

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

Ba kết cấu xơ dừa ñược nghiên cứu gồm:

• Kết cấu I: ñặt ngẫu nhiên và nén lại ở một mức nhất ñịnh, khối lượng riêng của xơ dừa là 15 kg/m3

• Kết cấu II: kết thành từng tấm và các tấm này ñặt có khoảng cách với nhau, khối lượng riêng của xơ dừa là 7,5 kg/m3

• Kết cấu III: ñặt cố ñịnh và phân bố ñều, các sợi xơ dừa ñược ñể ở dạng sợi tơi không nén, khối lượng riêng của xơ dừa là 3 kg/m3 Vận hành với COD tăng dần 500 mg/L, 1.000 mg/L, 1.500 mg/L, 2.000 mg/L, 2500 mg/L Ứng với mỗi COD, khảo sát sự phân phối nước và khí, màng lọc sinh học, hiệu quả xử lí sinh học Các chỉ tiêu phân tích gồm: COD, MLSS

3.3.3 Mô hình Bio 2 Sludge

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

ñộ ẩm 85% Vận hành với tải trọng: 0,7; 1; 1,5; 2 kg COD/(m3

.ngày) Các chỉ tiêu phân tích: pH, COD, N-NH4

+

, N-tổng, P-tổng, N-NO3

-, N-NO2

-

.ngày) với 3 chế ñộ: không tuần hoàn; hệ

số tuần hoàn α =1 và tuần hoàn α=2

Các chỉ tiêu phân tích bao gồm: pH, COD, N – NH4

-, ñộ kiềm ở 3 vị trí: ñầu vào-, sau kỵ khí-, ñầu ra

Hình 2.1 Cấu tạo mô

Hình 3.13 Cấu tạo mô hình USBF + Bio 2 Sludge

12

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

4.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH AXIT HÓA

Khả năng phân hủy CN- trong mô hình axit hóa cao hơn so với mô hình ñối chứng Khi hàm lượng CN-

nhỏ hơn 12 mg/L, 90-100% CNñược xử lý chỉ sau 5 ngày, khi hàm lượng CN-

khoảng 16 – 35 mg/L thì 70% CN- ñược xử lý sau 5 ngày

Đối với mô hình ñối chứng, pH tăng chậm, CN

tự phân hủy nhưng cần thời gian dài (30% CN- bị phân hủy sau 5 – 7 ngày)

4.2 KẾT QUẢ MÔ HÌNH HYBRID KỊ KHÍ

4.2.1 Mô hình USBF ½ (tỷ lệ vùng UASB/vùng lọc kỵ khí là 1/2) Bảng 4.1 Kết quả khảo sát tốc ñộ sinh khí CH4 ở các tải trọng hữu

Lượng khí CH4 sinh ra tăng dần từ 3,82 lên 4,82 L CH4/ngày khi tăng tải trọng hữu cơ từ 1 lên 12 kg COD/(m3.ngày) Tương ứng, tốc ñộ sinh khí riêng gần như ổn ñịnh, 0,246 – 0,359m3CH4/kgCOD

13

Tải trọng càng cao, N-NH4 sau xử lý càng tăng Tuy nhiên N tổng giảm không ñáng kể, chỉ khoảng 20 – 30% Amonia thay ñổi do quá trình phân hủy N hữu cơ và CN-

thành amonia và một lượng cố ñịnh amonia tham gia vào các phản ứng tổng hợp tế bào theo phản ứng:

4CO2 + HCO3

+ NH4 +

+ H2O
C5H7O2N + 5O2

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

Diễn biến các thông số ô nhiễm theo chiều cao

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

và giảm chậm (khoảng 7,2 – 26,64%) tại vùng lọc sinh học kỵ khí (vị trí 3 – 8) Trong toàn bộ chiều cao cột, ñộ kiềm tăng nhanh ñến 2.100mg CaCO3/L ở vùng UASB, sau ñó tăng nhẹ khoảng 120 mg CaCO3/L ở vùng lọc kỵ khí và hàm lượng amonia sau xử lý: 58,46 – 212,04 mg/L

VFA ban ñầu tăng 5 – 23 ñơn vị tại vùng UASB sau ñó giảm mạnh

28 – 61 ñơn vị tại vùng lọc kỵ khí Có sự tương quan giữa sự biến thiên pH, ñộ kiềm, COD, VFA và amonia theo chiều cao cột

Ả nh hưởng của nồng ñộ CN - ban ñầu