NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ H2S BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Các chất khí gây ô nhiễm sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây, các vi sinh vật sẽ phân hủy chúng để tạo nên năng lượng và các sản phẩm phụ là CO2 và H2O theo phương trình sau: Chất h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Sinh viên thực hiện : TRẦN THỊ THANH HƯƠNG Ngành : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Niên khóa : 2008 - 2012

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 05 Năm 2012

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ H 2 S BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 31 Tháng 05 Năm 2012

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  ii 

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KLTN

KHOA : MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

NGÀNH : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HỌ VÀ TÊN SV : TRẦN THỊ THANH HƯƠNG MSSV: 08127054 KHOÁ HỌC : KHÓA 34 (2008 – 2012)

1 Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ H2S BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC”

2 Nội dung KLTN:

- Xác định hiệu quả xử lý của hệ thống biofilter đối với khí H2S trong khí biogas

- Xác định điều kiện làm việc tối ưu của hệ thống

- Đánh giá khả năng loại bỏ tạp H2S so với công nghệ hiện tại

3 Thời gian thực hiện: Bắt đầu : 01/2012 Kết thúc: 05/2012

4 Họ tên Giáo viên hướng dẫn : Th.S Phạm Trung Kiên

Nội dung và yêu cầu KLTN đã được thông qua Khoa và Bộ môn

Ngày tháng năm 2010 Ngày tháng năm 2012

Ban chủ nhiệm Khoa Giáo Viên Hướng Dẫn

SVTH: Trần Thị Thanh Hương ii 

LỜI CẢM ƠN

Luận Văn “Nghiên Cứu hiệu quả xử lý H2S bằng phương pháp sinh học” được hoàn thành bên cạnh sự cố gắng và nỗ lực của bản thân còn có sự giúp đỡ của thầy cô, gia đình, và bạn bè Vì vậy, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

 Các thầy cô khoa Môi trường và Tài nguyên đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức giúp em vững vàng hòan thành luận văn này

 Thầy Phạm Trung Kiên đã tận tình hướng dẫn, giúp em hoàn thành tốt đề tài

 Nhà máy bia Việt Nam, đặc biệt là anh Lưu Hùng Thanh và anh Trần Bình Giang đã tạo điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ trong thời gian em thực hiện đề tài tại nhà máy

 Trung tâm công nghệ và quản lý môi trường và tài nguyên đã hộ trợ em về mặt thiết bị cũng như phương pháp phân tích phục vụ cho khóa luận

 Con xin chân thành cảm ơn ba mẹ và gia đình luôn là chỗ dựa vững chãi, ủng

hộ con trong suốt quá trình học tập

 Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè luôn động viên, ủng hộ trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

TP.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 05 năm 2012

Sinh Viên thực hiện

Trần Thị Thanh Hương

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  iii 

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Đề tài “Nghiên Cứu Hiệu Quả Xử Lý H2S Bằng Phương Pháp Sinh Học ” được tiến hành tại công ty nhà máy bia Việt Nam VBL – nhà máy bia Tiger , Phường Tân Thới Hiệp, Q.12, TPHCM Thời gian từ 09/01/2012 đến 30/05/2012

Các thí nghiệm được tiến hành trên 3 thí nghiệm: đối chứng – vi sinh 1 – vi sinh

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  iv 

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii 

TÓM TẮT KHÓA LUẬN iii 

MỤC LỤC iv 

DANH MỤC BẢNG vi 

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 

1.1  Đặt vấn đề 1 

1.1.1  Tính cấp thiết của đề tài 1 

1.1.2  Mục tiêu của đề tài: 1 

1.1.3  Đối tượng nghiên cứu: 1 

1.1.4  Phạm vi nghiên cứu: 2 

1.1.5  Ý nghĩa thực tiễn: 2 

1.1.6  Phạm vi ứng dụng: 2 

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3 

2.1 Khí Biogas: 3 

2.2 Sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh nhờ vi khuẩn: 3 

2.2.1 Sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh do vi khuẩn tự dưỡng hóa năng: 3 

2.2.2 Sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh do vi khuẩn tự dưỡng quang năng: 4 

2.3 Công nghệ lọc sinh học – biofilter: 5 

2.4 Các nghiên cứu đi trước: 8 

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 

3.1 Mô hình thí nghiệm: 15 

3.2 Vật liệu: 16 

3.3 Giới hạn của đề tài: 18 

3.4 Trình tự thí nghiệm: 18 

3.4.1 Nuôi cấy vi sinh: 18 

3.4.2 Chạy thích nghi: 18 

3.4.3 Vận hành: 19 

3.4.4 Cơ sở thí nghiệm: 19 

3.4.5 Bố trí thí nghiệm: 21 

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  v 

3.4 Phương pháp thu và phân tích mẫu: 23 

3.4.1 Chỉ tiêu H 2 S: 23 

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 

4.1 Kết quả chạy thí nghiệm đối chứng: 24 

4.2 Kết quả chạy thí nghiệm vi sinh: 26 

4.3 Kết quả đối chiếu hai thí nghiệm: 27 

4.3.1 Ở vận tốc v = 2m/s ( từ TN III.1.1 – TN III.1.5) 28 

4.3.2.  Ở vận tốc v = 3m/s ( từ TN II.2.1 – TN II.2.5 ) 29 

4.3.3 Ở vận tốc v = 4m/s ( từ TN III.3.1- TN III.3.5 ) 31 

4.3.4.  Kết luận chung: 32 

4.4 Ảnh hưởng của pH và lưu lượng nước tưới: 33 

4.4.1 Thí nghiệm vi sinh 1: 34 

4.4.2 Thí nghiệm vi sinh 2: 35 

4.4.3.  Đối chiếu kết quả: 35 

4.5 Nhận xét chung: 39 

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 41 

5.1 Kết quả nghiên cứu: 41 

5.2 Kết luận: 41 

5.3 Kiến nghị: 42 

PHỤ LỤC 43 

Phụ lục 1: Hình ảnh 43 

Phụ lục 2: Phương pháp phân tích nồng độ H 2 S 47 

Phụ lục 2: Phương pháp phân tích nồng độ H 2 S 47 

Phụ lục 3: Bảng thống kê các thí nghiệm 50 

Phụ lục 4: Tính toán diện tích tiếp xúc của giá thể và lượng vi sinh 56 

Phụ lục 5: Định luật hấp thụ ánh sáng 57 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 

 

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  vi 

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1Examples of energy sources for representative chemotrophs (Prescott et al

2003) 8

Bảng 2 2 Research conducted on hydrogen sulfide removal using bioscrubbers/biofilters or biotrickling filters 9

Bảng 2 3 Comparison of H 2 S removal capacities of various biofilters 12

Bảng 2 4 Maximum elimination capacities (ecmax) for H2S, mm, dmds and dms obtained by non-linear regression in biofilter inoculated with t thioparus at 120 (s) of residence time 13

Bảng 3 1 Thống kê vật liệu làm mô hình 15

Bảng 3 2 Thống kê hóa chất sử dụng 16

Bảng 3 3 Thống kê dụng cụ thí nghiệm 16

Bảng 4 1 Kết quả hiệu suất xử lý của thí nghiệm đối chứng 22

Bảng 4 2 Sự thay đổi pH trước và sau thí nghiệm 23

Bảng 4 3 Kết quả hiệu suất xử lý của thí nghiệm vi sinh 24

Bảng 4 4 Kết quả thí nghiệm vi sinh 1 32

Bảng 4 5 Kết quả thí nghiệm vi sinh 2 33

Biểu đồ 4 1 Hiệu suất xử lý H2S của thí nghiệm đối chứng ở các tỉ lệ 23

Biểu đồ 4 2 Hiệu suất xử lý H2S đạt được ở vận tốc v= 2m/s 26

Biểu đồ 4 3 Hiệu suất xử lý H2S đạt được ở vận tốc v=3m/s 27

Biểu đồ 4 4 Hiệu suất xử lý H2S đạt được ở vận tốc v = 4m/s 29

Biểu đồ 4 5 Hiệu suất xử lý H2S của thí nghiệm vi sinh ở các tỉ lệ 30

Biểu đồ 4 6 Hiệu suất xử lý H2S giữa các thí nghiệm ở vận tốc v=2m/s 34

Biểu đồ 4 7 Hiệu suất xử lý H2S giữa các thí nghiệm ở vận tốc v=3m/s 35

Biểu đồ 4 8 Hiệu suất xử lý H2S giữa các thí nghiệm ở vận tốc v=4m/s 36

 

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  vii 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Qb/Qk hay QB/QK - Tỉ lệ lưu lượng giữa khí biogas và khí thường

Vb/Vk - Tỉ lệ thể tích khí biogas và khí thường

SVTH: Trần Thị Thanh Hương 1 

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Đihydro sunfua (H2S) là loại khí chủ yếu tỏa ra trong quá trình luyện cốc từ than

đá, quá trình lọc dầu, quá trình sản xuất khí công nghiệp Đihydro sunfua còn là một

trong những thành phần của khí đốt thiên nhiên trong đó có khí biogas Biogas chứa

chủ yếu methane (50-70%) và CO2 (25-50%) và các tạp chất khác như H2S CH4 được mệnh danh là nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao 1m3 CH4 khi cháy tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7kwh điện Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H2S và CO2 H2S sau khi cháy sẽ tạo ra SOx

gây ăn mòn các chi tiết kim loại của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí

Sự hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, chúng ta cần khử hai chất

H2S và CO2 mà trong nghiên cứu này quan tâm chủ yếu đến loại bỏ H2S

Khí H2S có mùi đặc trưng là mùi trứng ung gây khó chịu và gây tác hại cho sức khỏe con người cũng như cây trồng vật nuôi ở một nồng độ nhất định

Việc loại bỏ H2S trong thực tế thường được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ: hấp phụ bằng carbon, hóa chất, oxy hóa, Trong đó, quá trình Claus là một trong những quá trình phổ biến nhất được sử dụng để loại bỏ H2S với sự tái điều chế lưu huỳnh trên quy mô công nghiệp Quá trình loại bỏ H2S bằng phương pháp hóa học đòi hỏi chi phí cao ( hóa chất, năng lượng, chi phí xử lý hóa chất, ) Vì thế, phương pháp

xử lý sinh học nhằm loại bỏ H2S được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng như một công nghệ thay thế cho phương pháp xử lý hóa học

1.1.2 Mục tiêu của đề tài:

- Xác định hiệu quả xử lý của hệ thống biofilter đối với khí H2S trong khí biogas

- Xác định điều kiện làm việc tối ưu của hệ thống

- Đánh giá khả năng loại bỏ tạp H2S so với công nghệ hiện tại

1.1.3 Đối tượng nghiên cứu:

- Nguồn khí thải: khí biogas từ bể xử lý kị khí của nhà máy bia Tiger

- Điều kiện khí hậu Việt Nam

- Địa điểm: khu vực xử lý nước thải của nhà máy bia Việt Nam – bia Tiger

- Tiết kiệm chi phí và năng lượng

- Có thể ứng dụng để khử mùi (mùi từ bãi rác, sản xuất phân compost,…) khử khí độc hại thải ra môi trường

 Chất thải sau chăn nuôi (các trang trại chăn nuôi, hộ gia đình chăn nuôi nhỏ…)

- Chất thải của các lò mổ

Hiện nay, ngoài những chất thải trên thì người ta còn ứng dụng hệ thống biogas trong nhiều trường hợp như:

 Chất thải nhà máy bột mì

- Xử lí rác thải ở các bãi tập trung, chôn lấp rác

 Chất thải nông nghiệp

- Thu hồi khi trên các dòng nước bị ô nhiễm

 Thành phần – tính chất:

Biogas là một hỗn hợp khí bao gồm methane (khoảng 65%), CO2 (khoảng 30%) và một ít NH3, H2S và các chất khí khác Năng lượng của Biogas chủ yếu là từ khí methane Methane có nhiệt trị là 1012 BTU/ft3 (hoặc 9.005 Kcal/m3) ở 15.5oC và 1 atm Nhiệt trị của Biogas khoảng 500 - 700 BTU/ft3 (4.450 - 6.230 Kcal/m3),do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu đốt

Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas

2.2 Sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh nhờ vi khuẩn:

2.2.1 Sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh do vi khuẩn tự dưỡng hóa năng:

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  4 

Trong nhóm vi khẩun tự dưỡng hóa năng có một số loài có khả năng oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh vô cơ như thiosulphate, khí hydro sulfua và lưu huỳnh nguyên chất thành dạng SO42- theo các phương trình sau:

2H2S + O2 2 H2O + 2 S + Q

2 S + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4 + Q

5 Na2S2O3 + H2O + 4 O2 5 Na2SO4 + 2 S2 + H2SO4 + Q

Na2S4O6 + O2 3 Na2SO4 + 5 H2SO4 + Q

Năng lượng sinh ra trong quá trình oxi hóa trên được vi sinh sử dụng để đồng hóa

CO2 tạo thành đường Đồng thời một số ít hợp chất dạng S cũng được đồng hóa tạo thành S hữu cơ của tế bào vi khuẩn Các loài vi khuẩn có khả năng oxi hóa các hợp

chất lưu huỳnh theo phương thức trên là Thiobacillus thioparus và Thiobacillus

thioxidans Cả hai loài này đều sống ở pH thấp, thường là pH = 3, đôi khi ở pH = 1.5

hai loài này vẫn có thể phát triển được

Ngoài 2 loài vi khuẩn trên còn có 2 loài vi huẩn khác có khả năng oxi hóa các hợp

chất lưu huỳnh vô cơ, đó là Thiobacillus denitrificans và Begiatra minima

Thiobacillus denitrificans có khả năng vừa khử nitrat vừa oxy hóa lưu huỳnh theo phương trình sau:

5 S + 6 KNO3 + 2CaCO3 2 K2SO4 + CaSO4 + 2 CO2 + 3 N2 + Q

Vi khuẩn Begiatra minima có thể oxi hóa H2S hoặc S Trong điều kiện thiếu H2S các hạt S sẽ được oxi hóa đến khi S dự trữ hết thì vi khuẩn chết hoặc ở trạng thái tiềm sinh

2.2.2 Sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh do vi khuẩn tự dưỡng quang năng:

Một số nhóm vi khuẩn tự dưỡng quang năng có khả năng oxy hóa H2S tạo thành

SO42- H2S đóng vai trò cho điện tử trong quá trình quang hợp của vi khuẩn Các vi khẩun thuộc họ Thiodaceae thường oxi hóa H2S theo phương trình sau:

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  5 

Ở nhóm vi khẩun trên, S được hình thành không tích lũy trong cơ thể mà ở ngoài môi trường

2.3 Công nghệ lọc sinh học – biofilter:

Lọc sinh học là một biện pháp xử lý ô nhiễm tương đối mới Đây là một phương pháp hấp dẫn để xử lý các chất khí có mùi hôi và các hợp chất hữu cơ bay hơi có nồng

độ thấp

Hình dạng phổ biến của một hệ thống lọc sinh học giống như một cái hộp lớn, một vài hệ thống có thể lớn bằng sân bóng rổ, một vài hệ thống có thể nhỏ độ một yard khối (0,76 m3) Nguyên tắc chính của hệ thống xử lý là tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với các chất ô nhiễm trong khí thải Hệ thống lọc khí thải này là nơi chứa các nguyên liệu lọc và nơi sinh sản cho các vi sinh vật Trong hệ thống này, các vi sinh vật

sẽ tạo thành một màng sinh học (biofilm), đây là một màng mỏng và ẩm bao quanh các nguyên liệu lọc

Trong quá trình lọc, khí thải được bơm chậm xuyên qua hệ thống lọc, các chất ô nhiễm trong khí thải sẽ bị các nguyên liệu lọc hấp thụ Các chất khí gây ô nhiễm sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây, các vi sinh vật sẽ phân hủy chúng để tạo nên năng lượng và các sản phẩm phụ là CO2 và H2O theo phương trình sau:

Chất hữu cơ gây ô nhiễm + O2 CO2 + H2O + nhiệt + sinh khối

Việc xử lý mùi hôi đã được tiến hành từ những năm 1950 và lúc đó người ta thường sử dụng hệ thống lọc qua đất, hay bể lọc sinh học nhỏ giọt Các chất khí có mùi hôi thường là hydrogen sulphite hay mercaptant và các hợp chất sulfur khác Việc

xử lý các chất hữu cơ bay hơi mới được áp dụng gần đây và trở nên phổ biến trong thập kỷ vừa qua và hiện nay còn đang được tiến hành nghiên cứu sâu thêm Ví dụ, hiện nay một số nghiên cứu đã chứng minh được là các hệ thống lọc sinh học có thể dùng

để xử lý các hợp chất hữu cơ có nhân thơm và các hợp chất béo, cồn, aldehydes, acid hữu cơ, acrylate, acid carbolic, amines và ammoniac

Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân hủy các chất khí có mùi hôi và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong khí thải Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa các vi sinh vật và hấp thụ hơi nước, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc Nguyên liệu lọc được thiết kế sau cho có khả năng hấp thụ nước lớn,

độ bền cao, và ít làm suy giảm áp lực luồng khí đi ngang qua nó

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  6 

Nguyên liệu lọc

Lớp nguyên liệu lọc ẩm tạo nên điều kiện lý học và hóa học thuận lợi cho việc chuyển đổi các chất ô nhiễm từ pha khí sang pha lỏng và quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm này bởi màng sinh học Cơ chế của quá trình lọc sinh học bao gồm quá trình hấp phụ, hấp thụ và phân hủy bởi các vi sinh vật Các vi sinh vật trong màng sinh học liên tục hấp thụ và biến dưỡng các chất ô nhiễm, biến chúng thành các sản phẩm cuối cùng là nước, CO2 và các loại muối

Nguyên liệu lọc điển hình là hỗn hợp của các chất nền ủ phân compost, đất, cây thạch nam (heather), plastic và các phụ phẩm gỗ Các nguyên liệu lọc nhằm cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp thụ và hấp phụ các chất ô nhiễm Ngoài ra nó còn làm nhiệm vụ cung cấp chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật Một vài loại nguyên liệu lọc không đáp ứng được về nhu cầu dưỡng chất cho vi sinh vật, do đó chúng ta phải hiệu chỉnh bằng cách cho thêm vào các hợp chất đạm và phospho

- Các điểm cần quan tâm khi quyết định chọn nguyên liệu lọc:

 Khả năng giữ ẩm để tạo lớp màng sinh học

 Có diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ và phát triển của

vi sinh vật

 Có chứa các dưỡng chất để cung cấp cho các vi sinh vật

 Tạo lực cản không khí thấp (giảm mức độ sụt áp và năng lượng cần sử dụng cho máy bơm)

 Các tính chất lý học khác như độ ổn định lý học và dễ dàng thao tác

 Ưu và khuyết điểm của hệ thống lọc sinh học

 Ưu điểm:

- Ưu điểm chính là giá thành thấp, giá vận hành thấp, ít sử dụng hóa chất

- Thiết kế linh động, do đó có thể thích nghi với mọi loại hình công nghiệp và diện tích của xí nghiệp

- Hệ thống lọc sinh học linh động trong việc xử lý mùi hôi, các hợp chất hữu

cơ bay hơi và các chất độc Hiệu suất xử lý thường lớn hơn 90% đối với các khí thải có nồng độ các chất ô nhiễm < 1000 ppm

- Nhiều loại nguyên liệu lọc, vi sinh vật và điều kiện vận hành khác nhau có thể áp dụng để đáp ứng nhu cầu xử lý

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  7 

 Khuyết điểm:

- Hệ thống lọc sinh học không thể xử lý được các chất ô nhiễm có khả năng hấp phụ thấp và tốc độ phân hủy sinh học chậm ví dụ như các hợp chất hữu

cơ bay hơi có chứa chlor

- Các nguồn ô nhiễm có nồng độ hóa chất cao cần các hệ thống lớn và diện tích lớn để lắp đặt hệ thống lọc sinh học

- Nguồn gây ô nhiễm có mức độ phóng thích chất ô nhiễm biến động cao sẽ gây ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật cũng như hiệu suất xử lý của chúng

- Thời gian để cho các vi sinh vật thích nghi với môi trường và tạo thành các màng sinh học (biofilm) có thể kéo dài hàng tuần đến hàng tháng, đặc biệt là đối với việc xử lý các chất hữu cơ bay hơi

Việc sử dụng hệ thống lọc sinh học xử lý các chất hữu cơ bay hơi đã được áp dụng trong các ngành công nghiệp sau:

- Công nghệ hóa chất và hóa dầu

- Các nhà máy sản xuất gelatin và keo dán

- Công nghệ chế biến thịt và nông sản

- Công nghệ sản xuất thuốc lá, ca cao, đường

- Công nghệ sản xuất gia vị, mùi nhân tạo

Selvi B Anit & Robert J Artuz

Biên dịch: Lê Hoàng Việt

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  8 

2.4 Các nghiên cứu đi trước:

2.4.1 Loại bỏ hydrogen sulfide từ dòng khí bằng việc sử dụng các quá trình sinh học: (Removal of hydrogen sulfide from gas streams using biological processes - A review

Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm các nhà khoa học thuộc trung tâm công nghệ môi trường của Canada: M Syed, G Soreanu*, P Falletta and M Béland, thực hiện năm 2006 tập trung vào khả năng loại bỏ H 2 S của hai loài vi sinh Phototrophic và Chemotrophic

Phototrophic và Chemotrophic là 2 loài vi sinh phù hợp có khả năng oxi hóa

hydrogen sulfide Phototrophic C Limicola là một loài vi khuẩn lý tưởng cho các quá

trình phân hủy sinh học nhờ khả năng phát triển trong điều kiện kỵ khí, bằng cách sử dụng chất nền vô cơ, ánh sáng, sản phẩm nhoại bào (nguyên tố lưu huỳnh từ H2S) Tuy nhiên, ánh sáng là một trong những hạn chế quan trọng cho quá trình này

Một số chemotrophs cũng phù hợp để phân hủy sinh học H2S những vi khuẩn này phát triển và sản xuất vật liệu tế bào mới bằng cách sử dụng nguồn carbon vô cơ (CO2)

và năng lượng từ quá trình oxi hóa các hợp chất vô cơ như H2S Phân hủy sinh học

H2S bởi Chemotrophs xảy ra trong điều kiện hiếu khí, với oxi là chất nhận điện tử ;

hoặc trong điều kiện kỵ khí với chất nhận điện tử thay thế khác (như Nitrate) tùy thuộc vào loại vi khuẩn Các nguồn năng lượng đại diện được trình bày trong bảng:

Bảng 2.1: Examples of energy sources for representative chemotrophs (Prescott et al 2003)

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  9 

Sự chuyển hóa của các loài như Thiobacillus, Thermothrix, Thiothrix, Beggiato đã

được nghiên cứu chuyên sâu về quá trình oxi hóa vô cơ (hydrogen sulfide, thiosulfat) hoặc hữu cơ (methanethiol, dimethylsulfide, dimethyldisulfide) các hợp chất lưu huỳnh Những vi sinh này phát triển trong môi trường đất, thủy sản, hệ thống bùn hoạt tính, v.v…ở điều kiện hiếu khí, thiếu khí hoặc kị khí

Thiobacillus sp được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về quá trình biến đổi

sinh học H2S và các hợp chất lưu huỳnh (Oyarzún et al 2003; Cha et al 1999; Chung

và cộng sự năm 1996; Sublette và Sylvester 1987) Những vi khẩun này có khả năng phát triển ở nhiều môi trường khắc nghiệt khác nhau như tình trạng thiếu oxi, pH thấp,…

 Bioscrubbers: Loại bỏ H2S sử dụng bioscrubbers liên quan đến một quá trình hai giai đoạn, trước hết là sự hấp thụ của H2S vào chất lỏng, tiếp theo quá trình oxy hóa sinh học của H2S trong chất lỏng hỗn hợp chất lỏng từ quá trình bùn hoạt tính vẫn được bổ sung dinh dưỡng và được thu hồi từ tháp rửa khí Trong Tháp rửa, H2S trong khí gas được hấp thụ vào hỗn hợp lỏng, sau đó bị oxi hóa thành sulfate bằng vi khuẩn oxi hóa lưu huỳnh sau khi trở lại bể hiếu khí

 Biofilter: Lọc sinh học là một hệ phản ứng gồm 3 giai đoạn (khí, lỏng, rắn)

được thực hiện trong một bể lọc có độ rỗng cao, đủ dinh dưỡng, độ ẩm được duy trì, đảm bảo cho vi sinh có thể phát triển tốt, khí ô nhiễm được cấp liên tục vào bể lọc Các loại vật liệu lọc được nghiên cứu và đưa ra trong bảng dưới đây

Bảng 2.2 Research conducted on hydrogen sulfide removal using

bioscrubbers/biofilters or biotrickling filters

Quá

trình Vật liệu lọc

Thể tích VLL

Nồng độ khí

ô nhiễm

Lưu lượng/

thời gian lưu

Loại vi sinh

Hiệu quả xử

; 550m3 (bể sục khí)

Khí Biogas từ

hệ thống xử

lý nước thải, 300-2000ppm

…)

>99% (H2S)

1.7m3/h – 38s

Giống bản địa (trong bùn)

 6.6 ppm DMDs;

 balance air

 100% (H2S)

90- 35% (DMS)

30- <30% (DMD)

Lọc nhỏ

giọt

Polypropylen

e, Vòng sứ

10L

 170ppm

H2S;

 2.2g/m3 toluene;

 không khí cân bằng

1m3/h – 36s

Vi khuẩn phân tách toluene

và oxi hóa H2S

100%

H2S; 75% toluene

T

thioparus;

Vi khuẩn nitrat hóa

75-99% (H2S); 35-92% (NH3)

Lọc sinh

học Than bùn 1L

355-1400ppm

H2S; balance air

30 L/h T

thioparus

65-100% (H2S)

Lọc sinh

học Than bùn 1L

Khí Biogas từ

bể xử lý nước thải kị khí (5000ppm

H2S)

10-350 m3/h

Thiobacteria (Thiobacillus sp.)

>90%

H2S

Cholorobium limicola là vi khuẩn được mong muốn sử dụng do đặc điểm phát triển

của nó: chỉ sử dụng chất nền vô cơ, có hiệu quả chuyển đổi từ sulfide thành lưu huỳnh nguyên tố và các sản phẩm ngoại bào từ nguyên tố lưu huỳnh Hệ phản ứng có màng

cố định mang lại hiệu quả vượt trội nhất Nếu ánh sáng được kiểm soát đúng cách, sản phẩm của quá trình oxi hóa chủ yếu là lưu huỳnh, không độc hại và không ăn mòn; ánh sáng cung cấp là một trong những yếu tố quan trọng cũng là vấn đề khó khăn cho quá trình này Sự phát triển và sử dụng đèn LED tiết kiệm năng lượng, sử dụng thích hợp ánh sáng mặt trời và bộ phản xạ để giảm thiểu việc sử dụng năng lượng điện đang

là nhu cầu nghiên cứu hiện tại

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  11 

Chủng vi khuẩn Chemotrophic yêu cầu phải được kiểm soát nồng đô oxi cẩn thận

để hạn chế việc hình thành sulfate Vi khuẩn Thiopacillus sp có khả năng phát triển

trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như thiếu oxi, pH thấp,… được sử dụng rộng rãi cho việc chuyển đổi H2S và các hợp chất lưu huỳnh khác bằng quá trình sinh học Phương pháp lọc sinh học cũng được chứng minh có hiệu quả cho việc loại bỏ H2S

từ các nhà máy xử lý nước thải Nó cũng có hiệu quả trong việc loại bỏ các hợp chất

dễ bay hơi khác trong khí biogas Quá trình này là quá trình hiếu khí và sản phẩm của quá trình oxi hóa chủ yếu là sulfat Lọc sinh học cũng phù hợp để xử lý khí từ ngành chăn nuôi - hỗn hợp khí có chứa H2S và NH3

2.4.2 Loại bỏ hydrogen sulfide bằng vi khuẩn kháng sulfat Acidithiobacillus thiooxidans AZ11(Removal of Hydrogen Sulfide by Sulfate-Resistant Acidithiobacillus thiooxidans AZ11)

Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm các nhà khoa học người Hàn Quốc: Eun Young Lee, Nae Yoon Lee, Kyung-Suk Cho, and Hee Wook Ryu, vào năm 2006; nghiên cứu tập trung vào chủng vi khuẩn Acidithiobacillus thiooxidans AZ11

Nghiên cứu được tiến hành dựa vào ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ đầu vào, vận tốc lọc lên một số chủng vi khuẩn có hiệu quả xử lý H2S, chịu đựng được nồng độ sulfate cao và độ pH thấp Tiến hành kiểm tra trên 3 chủng vi khuẩn

Thiooxidans Acidithiobacillus (A thiooxidans AZ11 (KCTC8929P), A thiooxi-dans

MET (KCTC8928P) and A thiooxidans TAS (KCTC8930P)) và xác định chủng AZ11

có khả năng chịu nồng độ sulfate cao nhất (74g/l sulfate), có thể phát triển ở pH = 0.2 Trong điều kiện này, tỉ lệ oxi hóa lưu huỳnh cụ thể là 2.9 gS/gDCW (trọng lượng tế

bào khô).ngày Tỉ lệ oxi hóa lưu huỳnh tối đa của chủng A thiooxidans AZ11 là 21.2

gS/gDCW.ngày Quan sát thấy trong môi trường nuôi cấy có 4.2 gSO42-/L và pH =1.5 (để kiểm tra ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên quá trình lọc sinh học, A thiooxidans AZ11 được nuôi cấy vào một bộ lọc sinh học gốm xốp (porous ceramic biofilter))

Mô hình nghiên cứu bao gồm: cột Pirex (dk: 46mm, cao: 300mm); vật liệu lọc là gốm xốp, Sara net Gốm sứ được thực hiện bằng cách sử dụng các thành phần tương hợp sinh học như tro, diatomite Các hạt gốm được nghiền và sàng lọc giữ lại những hạt có kích thước từ 3 – 5 mm; cột lọc được duy trì độ ẩm từ 80 – 90%

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  12 

Hiệu quả loại bỏ H2S của A.thiooxidans AZ11 bằng lọc sinh học dùng vật liệu gốm

xốp đã được khảo sát ở mức nồng độ đầu vào từ 200 – 2200 ppmv Tải đầu vào H2S

được tính toán từ 47 – 650 gS/m3/h Ở giá trị < 670 gS/m3/h, không phát hiện H2S ở

đầu ra; nồng đô >670 gS/m3/h phát hiện một lượng nhỏ (0.1ppmv) H2S Điều này cho

thấy rằng phương pháp lọc sinh học dùng chủng AZ11 hoàn toàn có khả năng loại bỏ

H2S lên tới ngưỡng này

Ứng dụng công nghiệp của hệ thống lọc sinh học đòi hỏi việc sử dụng các vi sinh

vật có khả năng tối ưu hóa có hiệu quả làm giảm khí hôi trong một thời gian dài Kết

quả nghiên cứu cho thấy rằng một hệ thống học sinh học với vật liệu gốm cố định có

chủng vi khuẩn A.thiooxidans AZ11 có khả năng loại bỏ 99.9% H2S

So sánh kết quả của nghiên cứu này so với những nghiên cứu khác cho thấy hiệu

quả xử lý H2S của vi khuẩn A thiooxidans AZ11 cao gấp 2-34 lần so với những báo

cáo nghiên cứu về lọc sinh học trước đây (bảng 3), và gốm xốp là vật liệu lọc mang lại

hiệu quả tốt hơn cả cho phương pháp lọc sinh học loại bỏ H2S

Bảng 2.3 Comparison of H2S removal capacities of various biofilters

(gS/m 3 /h )

Nghiên cứu khác

Dung nham xốp A (porous

lava A) A thiooxidans AZ11 396 - 428 18

Dung nham xốp C (porous

lava C) A thiooxidans AZ11 342 - 428 18

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  13 

2.4.3 Quá trình oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh dễ bay hơi bằng bộ lọc biotrickling

có bổ sung Thiobacillus thioparus (Oxidation of volatile reduced sulphur compounds

in biotrickling filter inoculated with Thiobacillus thioparus)

Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học Chile: Manuel Cáceres, Marjorie Morales, Ricardo San Martín, Homero Urrutia, Germán Aroca, năm 2007

Mô hình thí nghiệm gồm: cột lọc PVC (cao:40cm, đk:6.5cm) thể tích hữu ích khoảng 1.3L, được lấp đầy vòng polyethylene 1.02kg/L, 2.3m2/L, thể tích rỗng là 77% Cột có 2 cổng lấy mẫu trên và dưới tương ứng dòng khí vào – ra, và ba cổng lấy mẫu

có khoảng cách bằng nhau trên thân cột lọc Vi sinh sau khi nuôi cấy được phun đều vào cột lọc, duy trì độ pH = 6.8 và nồng độ sulfate dưới 10g/L Tải trọng khác nhau được cấp đến bộ lọc riêng biệt, tất cả các thí nghiệm đều tiến hành ở mức thời gian lưu

là 120s; đo khả năng loại bỏ cho mỗi hợp chất Khả năng loại bỏ (EC) của lưu huỳnh

và tải lưu huỳnh (Ls) được tính toán theo:

EC =

Ls =

Để ước tính khả năng loại bỏ tối đa của mỗi hợp chất, sử dụng phương pháp hồi quy phi tuyến tính Trong cùng một thời gian lưu (120s), hiệu quả xử lý cao hơn cả đối với H2S và thấp đối với DMS (Dimethylsulfide) Các giá trị thu được bằng cách hồi quy phi tuyến tính được trình bày trong bảng sau:

Bảng 2.4 maximum elimination capacities (ec max ) for H 2 S, mm, dmds and dms obtained by non-linear regression in biofilter inoculated with t thioparus at 120 (s) of

residence time

Gas (gS/m Ls 3 /h)

EC max (gS/m 3 /h) R

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  14 

Nhận xét:

Hầu hết các nghiên cứu đều được tiến hành trong điều kiện chuẩn hóa các yếu tố:

- Lưu lượng và chất lượng khí ổn định

- Hàm lượng (nồng độ) H 2 S được kiểm soát

- Chủng vi sinh đặc thù

Điều này trên thực tế rất khó thực hiện vì không có thiết bị chuyên dụng, chính vì thế, mặc dù hiệu quả nghiên cứu cho thấy là rất cao nhưng khả năng ứng dụng vào thực tiễn là rất thấp

Từ đó, đề tài này được thực hiện lấy đối tượng là nguồn khí biogas trực tiếp từ quá trính xử lý kị khí nước thải nhằm bước đầu xác định hiệu quả loại bỏ H2S của mô hình lọc sinh học dựa trên những điều kiện mà đề tài có khả năng đáp ứng

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  16 

lọc Tỉ lệ hòa trộn giữa khí biogas và không khí sẽ được điều chỉnh ở nhiều tỉ lệ khác nhau

- Sau khi hòa trộn ở tỉ lệ định sẵn, luồng khí sẽ được dẫn vào cột lọc

- Cột lọc bằng nhựa PVC, tiết diện tròn (θ = 114mm) Chiều cao lớp vật liệu lọc trong cột là 1m, vật liệu lọc (giá thể) là phoi bào gỗ có bổ sung vi sinh, được làm ẩm bằng vòi phun nước (nước được cấp tuần hoàn lại sau khi điều chỉnh pH, tính chất thích hợp tại ngăn điều chỉnh) Luồng khí được dẫn vào cột lọc và di chuyển từ dưới lên, thoát ra qua ống trên

- Thu khí phân tích tại các vị trí như thể hiện trong bản vẽ

3.2 Vật liệu:

 Vật liệu làm mô hình:

Bảng 3.1 Thống kê vật liệu làm mô hình

1 Cột lọc 1c Ống nhựa θ114, có giá thể (gỗ)

3 Máy thổi khí 2c Loại máy dùng cho hồ cá

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  18 

3.3 Giới hạn của đề tài:

Đề tài được tiến hành trong điều kiện có hạn:

- Nguồn khí cung cấp vào chạy mô hình là không ổn định về cả lưu lượng và chất lượng dẫn đến việc kiểm soát các điều kiện trên lý thuyết gặp khó khăn và không chính xác

- Không kiểm soát, cố định được nồng độ khí H2S vào cột lọc dẫn đến những sai số trong tính toán từ phép quy đổi số liệu

- Chất lượng của thiết bị làm mô hình cũng như dụng cụ thu mẫu khí không đảm bảo tốt cũng dẫn đến nhiều sai số

- Hạn chế về mặt thời gian khiến cho đề tài không thể thực hiện: lặp lại các thí nghiệm nhiều lần để đưa ra kết quả thống kê tin cậy nhất; kiểm soát những thông số liên quan khác (ổn định vi sinh, áp suất, ảnh hưởng của các thành phần khác trong khí gas, giá thể,…)

- Hạn chế về mặt tài chính nên không thể đầu tư thiết bị, dụng cụ cũng như hóa chất chất lượng tốt để đề tài ít sai số nhất

- Kết quả của nghiên cứu là kết quả thu được từ điều kiện tiến hành thí nghiệm mà

đề tài đưa ra và từ sự kiểm soát các thông số đã nêu ở mục 1.1.4 (phạm vi nghiên cứu)

Vì vậy, kết quả này có thể thay đổi nếu tiến hành nghiên cứu ở điều kiện khác và các thông số khác được theo dõi

3.4 Trình tự thí nghiệm:

3.4.1 Nuôi cấy vi sinh:

- Dụng cụ: xô nhựa 20L, máy sục khí (Q=16l/p), dụng cụ đo pH

- Vi sinh: bùn từ bể Aerotank bao gồm các chủng vi sinh hiếu khí

- Dinh dưỡng: nước thải đầu ra từ bể UASB sau khi pha loãng 2 lần

- Giá thể: phôi bào gỗ với tổng diện tích tiếp xúc  3m2 (tính toán: phụ lục)

- Mô tả: vi sinh được nuôi trong môi trường nước, cung cấp dinh dưỡng và oxi, pH được điều chỉnh ở mức thích hợp (5-8) Đến khi màng vi sinh xuất hiện, tiếp tục sục khí biogas để tạo điều kiện thích nghi cho vi sinh

- Thời gian: 2 tháng

3.4.2 Chạy thích nghi:

- Thời gian: 1tuần

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  19 

- Mô tả: vi sinh nuôi trong môi trường nước được bơm lên tưới ẩm lớp vật liệu lọc (đã có một lượng vi sinh dính bám) Không khí tiếp tục được đưa vào cột lọc để cung cấp oxi cho vi sinh Khí gas được đưa vào ở lưu lượng thấp (< 4 l/p) để tạo môi trường thích nghi

- Lượng vi sinh trong cột lọc: thể hiện dựa trên lượng bùn được giữ lại trên giá thể sau khi đưa vào cột lọc (60% lượng bùn ban đầu được giữ lại)

 Thông số mô hình:

- Chiều cao lớp vật liệu lọc: 1m

- Đường kính cột lọc: 100 mm  tiết diện : w = 0.008m2

- Thời gian lưu khí dự kiến: 60s

 Hàm lượng H 2 S trong khí Biogas dao động trong khoảng 0-3%

 Sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh do vi khuẩn tự dưỡng hóa năng:

Oxy hạn chế: H2S + 0.5O2 S0↓ + H2O + Q (1)

Oxy dư thừa: H2S + 2O2 SO42- + 2H+ + Q (2)

Xét trên 1m3 khí, theo phương trình (2) ta xác định lượng oxi cần cung cấp:

Tỉ lệ H2S/O2 = 0.5

VK

VK

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  20 

Trong đó: H2S  3% Biogas  0.03m3/m3Biogas

O2  21% không khí  0.21m3/m3 không khí

 để xử lý H2S trong 1m3 Biogas cần: không khí

 Tỉ lệ Qb/Qk = Vb/Vk = 3.5 (xét cùng 1 lượng thời gian)

 Vận tốc lọc trong cột :

- V = 2 ÷ 3 m/s (dựa vào vận tốc lọc của thiết bị hấp phụ - Trần Ngọc Chấn,

“ ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – tập 3”)

- V=3.2 m/s (với w = 1.54m2; Q = 100m3/h; t = 180s - Biological treatment of waste gases – GENOCOV)

- V = 4.5 m/s (với đường kính cột lọc d = 5cm; Q = 0.45m3/h; t = 71s – Biofiltration of Methanol anh Toluene from waste gas – Pakamas Chetpattananondh, Y.Nitipavachon, C Bunyakan – 2005)

 tiến hành thí nghiệm trên vận tốc lọc dao động từ 2 – 4 m/s (v = 2; 3; 4 l/s)

 Với v = 2 (m/s)  Q =

60

2 008

t: thời gian lưu khí ( t = 60s )

 Dựa vào tỉ lệ tính toán Q B /Q K = 3.5, tiến hành các thí nghiệm ở các mức tỉ lệ :

QB/QK = 5.5; 4.5; 3.5; 2.5; 1.5 với Q = QB + QK

II Thí nghiệm có vi sinh 1: ( Qth 10 (l/phút); pH không điều chỉnh )

II.1 Thí nghiệm với v = 2m/s  Q = 0.33 l/s

III Thí nghiệm có vi sinh 2: ( Qth  18(l/phút); pH ổn định ở mức 6.5 - 7.5 )

III.1 Thí nghiệm với v = 2m/s  Q = 0.33 l/s

SVTH: Trần Thị Thanh Hương  24 

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Kết quả chạy thí nghiệm đối chứng:

Bảng 4.1:Kết quả hiệu suất xử lý của thí nghiệm đối chứng ( từ TN 1.1.1 – TN I.3.5)

Vận tốc lọc

(m/s) Tỉ lệ Qb/Qk Qb (l/s) Qk (l/s)

Nồng độ (µg/l) Hsuat đối

chứng (%) vào ra

4m/s

5.5 0.57 0.1 3759.73 3326.4 11.53 4.5 0.55 0.12 3514.4 3273.1 6.87 3.5 0.52 0.15 3299.73 3022.9 8.39