Nghiên cứu công nghệ xử lý amoni trong nước thải của công ty TNHH một thành viên phân đạm và hoá chất hà bắc bằng phương pháp vi sinh

NGUYỄN HỮU DƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỮU DƯƠNG Q TRÌNH-THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI CỦA CÔNG TY TNHH MỘT THÀNH VIÊN PHÂN ĐẠM VÀ HOÁ CHẤT HÀ BẮC BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC KHOÁ 2008-2010 HÀ NỘI – 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỮU DƯƠNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI CỦA CÔNG TY TNHH MỘT THÀNH VIÊN PHÂN ĐẠM VÀ HOÁ CHẤT HÀ BẮC BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH CHUN NGÀNH: Q TRÌNH-THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ THỊ PHƯƠNG ANH HÀ NỘI – 2010 Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới TS Vũ Thị Phương Anh-người giúp đỡ tơi tận tình q trình thực Luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Bộ mơn Q trình-Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm-Trường ĐHBK Hà Nội giúp đỡ trình học tập trình thực Luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn tới: Trung tâm mơi trường, Trung tâm phân tích, Trung tâm nguyên phụ liệu-Viện Nghiên cứu Da-Giầy Khoa Công nghệ hóa học-Trường ĐHKHTN-ĐH Quốc gia HN Cơng ty TNHH thành viên phân đạm hóa chất Hà Bắc Đã nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện để thực nội dung nghiên cứu Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2010 Tác giả Luận văn Nguyễn Hữu Dương LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Hữu Dương Sinh ngày: 11 tháng 10 năm 1984 Khoa: Cơng nghệ Hóa học Chun ngành: Q trình-Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm Khóa: 2008-2010 Tơi xin cam đoan: Đây cơng trình nghiên cứu thực hướng dẫn TS Vũ Thị Phương Anh-Bộ mơn Q trình-Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Luận văn Nguyễn Hữu Dương MỤC LỤC TRANG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia giới nước 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia giới 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu xử lý amonia nước 1.2 Cơ sở lý thuyết đề tài 12 1.2.1 Phương pháp Sharon 12 1.2.1.1 Nguyên tắc phương pháp 12 1.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình nitrit hố theo phương pháp Sharon 13 1.2.2 Phương pháp Anammox 19 1.2.2.1 Nguyên tắc phương pháp 19 1.2.2.2 Các điều kiện ảnh hưởng 24 1.2.3 Phương pháp kết hợp Sharon/anammox 27 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 29 2.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm xử lý nước thải chứa amoni phương pháp kết hợp Sharon/Anammox 29 2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm xử lý nước thải chứa amoni phương pháp kết hợp Sharon/Anammox 29 2.1.2 Vật liệu nghiên cứu 29 2.1.3 Vận hành hệ thống: 31 2.2 Phương pháp phân tích 32 2.2.1 Xác định hàm lượng amoni phương pháp so màu với thuốc thử Nessler 32 2.2.2 Xác định hàm lượng Nitrit nước phương pháp so màu với thuốc thử Griss 35 2.2.3 Xác định hàm lượng nitrat nước phương pháp so màu với thuốc thử phenoldisunfonic 38 2.3 Xây dựng mơ hình vật lý mơ tả q trình xử lý nước thải chứa amoni phương pháp kết hợp Sharon/Anammox 41 2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng lên trình Sharon/Anammox 41 2.3.2 Xác định chuẩn số đơn giản 42 2.3.3 Thống kê đại lượng lại lập ma trận thứ nguyên 43 2.3.4 Xây dựng giải phương trình thứ nguyên 44 2.3.5 Thống kê chuẩn số lập mô hình vật lý 45 2.3.6 Xác định tham số mơ hình vật lý 46 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Giai đoạn vận hành thích nghi 47 3.2 Kết nghiên cứu giai đoạn vận hành ổn định 49 3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng khí đến hiệu suất chuyển hố amoni 49 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ amoni đầu vào tới hiệu suất chuyển hóa 51 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian lưu tới hiệu suất chuyển hóa amoni 53 3.3 Xác định thông số mơ hình vật lý 56 3.4 Kiểm tra tính tương hợp mơ hình vật lý 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 72 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT GIẢI THÍCH TẮT Anammox – Anaerobic ammonium : Oxi hóa amoni kỵ khí oxidation BOD- Biological oxygen demand : Nhu cầu oxi sinh học CANON – Completely Autotrophic : Q trình loại bỏ nitơ hồn tồn tự Nitrogen Removal Over Nitrite dưỡng qua đường nitrit hóa COD – Chemical oxygen demand : Nhu cầu oxi hóa học DO – Dissolved oxygen : Oxi hòa tan HRT – Hydraulic retention time : Thời gian lưu thủy lực OLAND – Oxygen-Limited : Q trình nitrit hóa-khử nitrit hóa Autotrophic Nitrification- tự dưỡng điều kiện giới hạn Denitrification oxi RBC – Rotating biological contactor : Đĩa quay sinh học SBR – Sequencing batch reactor : Thiết bị phản ứng dạng mẻ gián đoạn SHARON – Single reactor system for : Quá trình loại bỏ amoni qua High activity Ammonia Removal Over đường nitrit hóa hệ thống thiết bị đơn Nitrite SNAP – Single-stage Nitrogen removal : Quá trình loại bỏ nitơ using Anammox and Partial nitritation thiết bị phản ứng phản ứng anammox nitrit hóa bán phần SRT – Sludge retention time : Thời gian lưu giữ bùn UASB – Upflow anaerobic sludge : Thiết bị phản ứng kỵ khí ngược bioreactor i DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh trình xử lý amoni Bảng 1.2: Ảnh hưởng pH, nhiệt độ nồng độ NH tự HNO q trình nitrit hố 19 Bảng 2.1: Kết xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng amoni 34 Bảng 2.2: Kết xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng nitrit 34 Bảng 2.3: Kết xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng nitrat 40 Bảng 2.4: Ma trận thứ nguyên 44 Bảng 2.5: Ma trận nghiệm 45 Bảng 3.1: Sự thay đổi nồng độ amoni sau thiết bị Nitrit hóa Anammox 47 giai đoạn vận hành thích nghi 47 Bảng 3.2: Ảnh hưởng lưu lượng khí đến hiệu suất chuyển hóa amoni 49 Bảng 3.3: Ảnh hưởng nồng độ amoni đầu vào tới hiệu suất chuyển hóa 51 Bảng 3.4: Ảnh hưởng thời gian lưu tới hiệu suất chuyển hóa amoni 53 (L=35lit/h, K=35lit/h, τ1 =13h, τ2 =26h) 53 Bảng 3.5: Ảnh hưởng thời gian lưu tới hiệu suất chuyển hóa amoni 54 (L=75lit/h, K=40lit/phút, τ1 =6,25h, τ2 =12,5h ) 54 Bảng 3.6: Sự phụ thuộc hiệu suất chuyển hóa amoni theo thời gian lưu 55 Bảng 3.7: Các kết thực nghiệm để xác định tham số mơ hình vật lý 57 Bảng 3.8: Giá trị chuẩn số 58 Bảng 3.9 So sánh hiệu suất loại bỏ nitơ theo thực nghiệm theo mô hình phụ thuộc vào nồng độ amoni đầu vào 60 Bảng 3.10 So sánh hiệu suất loại bỏ nitơ theo thực nghiệm theo mô hình lưu lượng L=35lit/h 61 Bảng 3.11 So sánh hiệu suất loại bỏ nitơ theo thực nghiệm theo mơ hình phụ thuộc vào lưu lượng khí 62 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mơ hình thiết bị phản ứng Sharon 12 Hình 1.2: Sơ đồ q trình chuyển hố amoni theo phương pháp Sharon 12 Hình 1.3: Sự phụ thuộc thời gian lưu tối thiểu vào nhiệt độ 15 Hình 1.4: Cơ chế sinh hóa phản ứng oxy hố amoni kỵ khí 22 Hình 1.5: Hai đường chuyển hoá nitrat vi khuẩn anammox 23 Hình 1.6: Sơ đồ phương pháp kết hợp Sharon/anammox 27 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm xử lý amoni 50 lit/h 29 Hình 2.2: Đồ thị quan hệ mật độ quang hàm lượng amoni 34 Hình 2.3: Đồ thị quan hệ mật độ quang hàm lượng nitrit 37 Hình 2.4: Đồ thị quan hệ mật độ quang hàm lượng nitrat 40 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn q trình chuyển hóa amoni theo thời gian giai đoạn vận hành thích nghi 48 Hình 3.2: Đồ thị quan hệ hiệu suất chuyển hóa amoni lưu lượng khí 48 Hình 3.3: Đồ thị quan hệ hiệu suất chuyển hoá amoni nồng độ amoni 52 Hình 3.4: Đồ thị quan hệ hiệu suất loại nitơ nồng độ amoni đầu vào 60 Hình 3.5: Hiệu suất loại nitơ lưu lượng L=35lit/h 61 Hình 3.6: Đồ thị quan hệ hiệu suất loại nitơ lưu lượng khí 62 iii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Amoni thành phần hay gặp nước thải Khi thải kg nitơ dạng hợp chất hoá học vào môi trường nước sinh 20 kg COD [2] Nước thải công nghiệp số ngành đặc trưng chế biến thuỷ sản, hải sản, nước thải sản xuất phân bón, hố chất, chăn ni heo, gia súc… chứa hàm lượng N cao (từ vài chục đến vài trăm mg/l) Khi thải loại nước vào nguồn tiếp nhận thường xẩy tượng phú dưỡng hố, gây độc mơi trường nước, giảm nồng độ oxi nước [2] Trước ảnh hưởng amoni tới môi trường sống người, Bộ Tài nguyên Môi trường, Bộ y tế, tổ chức khoa học, môi trường quốc tế nhà khoa học nước đề xuất, tổ chức thực nhiều đề tài, chương trình khoa học cấp nghiên cứu cơng nghệ vi sinh xử lý amoni có nước thải, đất nước cấp cho sinh hoạt Tuy nhiên, kết nghiên cứu không đưa mơ hình vật lý mơ tả mối quan hệ yếu tố ảnh hưởng đầu vào tới hiệu suất loại nitơ nhằm cho phép tính tốn chuyển quy mơ cơng nghệ Vì lý trên, việc xây dựng mơ hình vật lý mơ tả ảnh hưởng yếu tố công nghệ lên hiệu suất loại nitơ, đồng thời cho ta biết muốn thay đổi theo hướng có lợi tính tốn cơng nghệ cần phải tác động vào yếu tố để đạt kết cao quan trọng Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đặt vấn đề nghiên cứu sau: - Xây dựng hệ thống thí nghiệm xử lý amoni nước thải Công ty TNHH Một thành viên Phân đạm Hóa chất Hà Bắc phương pháp kết hợp Sharon/Anammox lý nước thải nuôi heo", Hội nghị Khoa học Công nghệ 2007, 141-146, 11 Lê Công Nhất Phương Cộng tác viên (2007), "Ứng dụng phương pháp ơxy có hạn kỵ khí để xử lý ammoium nước thải ni heo", Hội nghị Khoa học Công nghệ 2007, 109-114, 12 Lê Công Nhất Phương Trần Hiếu Nhuệ (2008), "Nghiên cứu làm giàu định danh nhóm vi khuẩn anammox", Tạp chí Xây dựng, 38-41, 13 Lê Cơng Nhất Phương Cộng tác viên (2007), "Nghiên cứu làm giàu nhóm vi khuẩn anammox từ bùn hoạt tính kỵ khí hệ thống xử lý nước rỉ rác", Hội nghị Khoa học Công nghệ 2007, 134-139, 14 Nguyễn Minh Tuyển, Phạm Văn Thiêm (2005), Kỹ thuật hệ thống công nghệ hoá học, tập (1), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 15 Novozyms Biologicals, inc, "Chế phẩm chứa hỗn hợp vi khuẩn cộng sinh", Đơn đăng ký sáng chế, (số 1-2007-00990) 16 Viện Công nghệ Sinh học (2003), "Phương pháp khử nitơ liên kết nước ăn uống", Đơn đăng ký sáng chế, (số 2-2003-00008) B Tài liệu tiếng Anh 17 Adrianus van Haandel and Jeroen van der Lubbe (2007), Handbook Biological Wastewater Treatment 18 Albert Magrí, Francina Sole-Mauri, Jecús Colprim, Xavier Flotats (2007), Model based evaluation of partial nitritation in a SHARON reactor, Unversitat de Girona 19 Albert Magrí, Luiís Corominas, Helio López, "A model for the simulation of the sharon process: pH as a key factor" 20 Ana Dapena-Mora (2004), "Enrichment of Anammox biomass from municipal activated sludge: experimental and modelling results", Journal of Chemical Technology and Biotechnology, (79), 1421–1428, 21 Atkins Water & Wastewater (2007), "Overview of novel nitrogen removal 68 processes for treatment of ammonium-rich side streams", 5th CIWEM North Western & North Wales Wastewater Treatment Conference 22 Beata Szatkowska (2007), Performance and control of biofilm systems with partial nitritation and Anammox for supernatant treatment, KTH Land and Water Resources Engineering 23 E.I.P Volcke, M.C.M van Loosdrecht and P.A Vanrolleghem (2006), "Controlling the Nitrit:ammonium ratio in a SHARON reactor in view of its coupling with an Anammox process", Water Science & Technology, Vol 53 (No 4–5), pp 45–54, IWA 24 Eveline I.P Volcke, Chris Hellinga, Sammy Van Den Broeck, Mark C.M van Loosdrecht, Peter A Vanrolleghem (2002), "Modelling the sharon process in view of coupling with anammox" 25 G J Notenboom,High rate treatment with the Sharon process of wastewater from solid waste digestion, Grontmij Water & Waste Management, Consulting Engineers 26 Grontmij Nederland BV (2007), SHARON N-removal over Nitrit for treatment of nitrogen-rich wastewaters 27 Grzegorz Cema (2009), Comparative study on different anammox systems, KTH Land and Water Resources Engineering 28 Heijnen, Joseph Johannes, Van Loosdrecht, Marinus Cornelis Maria (1996), Biological treatment of wastewater, Patent application No 97202539,9, 29 J Dosta, I Fern´andez (2008), "Short- and long-term effects of temperature on the Anammox process", Journal of Hazardous Materials, (154) 688–693, 30 J.W Mulder, J.O.J Duin, J Goverde, W.G Poiesz, H.M van Veldhuizen, R van 69 Kempen, P Roeleveld (2006), Full-Scale Experience with the Sharon Process through the eyes of the operator, Water Environment Foundation 31 Jingjing Yang (2009), Optimization of CANON process and start up process, KTH Land and Water Resources Engineering 32 Joan Mata Álvarez (2007), Operation and model description of advanced biological nitrogen removal treatments of highly ammonium loaded wastewaters, University of barcelona 33 Kenji Furukawa, "Method for treating ammonia-containing wastewater", Patent Application, (No US 2007/0218537) 34 Klimiuk E., Kulikowska D (2006), "The Influence of Hydraulic Retention Time and Sludge Age on the Kinetics of Nitrogen Removal from Leachate in SBR", Polish J Environ Stud., Vol 15 (No 2), 283289, 35 Konrad Rüdiger Egli (2003), On the use of anammox in treating ammonium-rich wastewater, Swiss Federal Institute of technology zurich 36 Md Tauhid-Ur-Rahman (2005), Application of Multivariate Data Analysis for Assessment of Partial Nitritation/ANAMMOX Process, KTH Land and Water Resources Engineering 37 Mosquera-Corral A., Gonza´lez F., Campos J.L., Me´ndez R (2005), "Partial nitrification in a Sharon reactor in the presence of salts and organic carbon compounds", Process Biochemistry, (40), 3109-3118, 38 Nutchanat Chamchoi (2007), Cultivation and application of anammox organisms for high nitrogen wastewater treatment, Sirindhorn International Institute of Technology Thammasat University 39 Romeo E Capuno, Jr (2007), Mathematical Modeling for Nitrogen Removal via a Nitritation: Anaerobic Ammonium Oxidation-Coupled Biofilm in a Hollow Fiber Membrane Bioreactor and a Rotating 70 Biological Contactor, Blacksburg, Virginia 40 Sen Qiao (2007), Application of novel acrylic resin biomass carrier for partial nitritation-anammox processes, Kumamoto University, Japan 41 Than Khin, Ajit P Annachhatre (2004), "Novel microbial nitrogen removal processes", Biotechnology Advances, (22), 519-532, 42 Tran Thi Hien Hoa (2006), Studies on nitrogen removal by the anammox process using various biomass carriers with different reactor configurations, Graduate School of Science and Technology-Kumamoto University 43 Van Hulle SWH (2005), Construction, start-up and operation of a continuously earated laboratory-scale Sharon reactor in view of coupling with an Annammox reactor, Water SA, Vol 31 (No.3) 71 PHỤ LỤC ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA AMONI CỦA CÔNG TY TNHH MỘT THÀNH VIÊN PHÂN ĐẠM VÀ HĨA CHẤT HÀ BẮC Ở QUY MƠ 500LIT/H Luận văn tiến hành xây dựng hệ thống xử lý nước thải chứa amoni với lưu lượng 500lit/h sở hệ thống xử lý thí nghiệm 50lit/h mơ hình vật lý (3.4) thiết lập Các thông số lựa chọn để tính tốn sau: - Lưu lượng nước thải: L=500lit/h - Chọn tỉ số - K = 70 L CNH + R NI = 0,40 − 0,50 CNH + V NI − CNO− R NI CNH + = 1,0 − 1,2 R NI - Chọn τ =6h - Hiệu suất loại bỏ nitơ cần đạt 80% Tính thể tích thiết bị sharon (nitrit hóa): Thể tích nước thải lưu thiết bị nitrit hóa 6h là: VNi = τ1.L = 6.500 = 3.000 (lít) Do đó, Luận văn chọn thiết bị hình trụ có V=850lit, H=1.470mm, D=910mm bán sẵn thị trường Tổng thể tích chứa thiết bị là: 850x4=3.400lít Các thiết bị mắc nối tiếp để dùng cho q trình nitrit hố 72 Tính thể tích thiết bị anammox Thời gian lưu thiết bị anammox tính theo phương trình (3.4): τ2 0,418 π η × τ10,418 = C + C − L.τ K 101,315.( 31 )−0,253.( )0,225 ( NH R NI )0,102 ( NO2 R NI )0,753 D1 L CNH + CNH + 4V NI R NI Thay số ta được: τ2 0,418 80 × 60,418 = 3,5914 0.5 × −0,253 101,315 × ( ) (70)0,225 (0.45)0,102 (1.17)0,753 0.91 Từ tính τ2 =21,3(h) Lượng nước thải lưu thiết bị anammox là: V anammox = 500x32,8 = 10.650(lit) Do đó, Luận văn lựa chọn hệ thiết bị phản ứng anammox gồm hai bể Inox, bể tích 5.000 lít để lắp đặt 73 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG XỬ LÝ AMONI Ở QUY MÔ PILOT 500LIT/H Nước Nước sau xử lý Khí trơ Khơng khí B2 BE2 B1 BE1 BE3 B3 BE4 BE5 BE1: Bể chứa nước xử lý BE2: Bể pha vi lượng BE3: Bể pha loãng BE4-7: Bể Sharon TK1, TK2: Máy thổi khí BE6 BE7 BE8 B4 BE9 BE8: Bể khử oxi BE9-10: Bể anammox B1, B2: Bơm nước thải vi lượng B3, B4: Bơm cấp vào bể nitrit hoá anammox BE1 CHƯƠNG TRÌNH GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH Program GAUS; const Maxsize = 50; Type m1= array[ maxsize, maxsize+1]of real; m2= array[1 maxsize ]of real; Var nF,i,j,k,n : integer; t, t1: boolean; OK : char; c: real; A: m1; X, Q, L, KK, NH4v, NH4r, NO2r, tt1, tt2, hs, piL, piKK, piNH4v, piNH4r, piNO2r, pit2, pihs: m2; { } Procedure GAUSS(var A:m1;var N: integer; var X:m2); { Giai he pt tuyen tinh bang PP khu dan nghiem cua Gauss } { A[i,j] - ma tran he so mo rong { X[i] - ma tran he so ve trai va nghiem { N - so nghiem const maxSize = 50; var i,j,k : integer; t,t1 : boolean; } } } 67 OK: char; c: real; Begin i:= 1; t1:= true; while t1 and (i