Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường bằng công nghệ sinh học kỵ khí UASB

Mass balance calculations revealed that 46% and 49% of TOC rem oved was converted to CO 2 and CH 4 respectively, while the rest was converted to biom ass with an average observed slu[r]

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP ĐƯỜNG

BẰNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ UASB

PGS.TS Lều Thọ Bách, KS Phạm Văn Định Đại học Xây dựng

ThS Lê Hạnh Chi

Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tóm tắt: Bài báo đề cập đến số kết nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường quy m phịng thí nghiệm cơng nghệ xử lý sinh học kỵ khí (Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua lớp bùn kỵ khí - Up flow Anaerobic Sludge Blanket) Mơ hình thí nghiệm bể UASB (dung tích 12,5l) thiết lập để xử lý hỗn hợp nước thải đường nhân tạo có nồng độ cacbon hữu cơ cao (TOC) Mơ hình vận hành liên tục với thời gian 440 ngày điều kiện ổn định nhiệt độ 370C Hiệu xử lý bể UASB đạt 80~98% tương ứng với giới hạn tải lượng hữu 16 g-TOC/l.ngđ Lượng chất hữu phân hủy tính theo TOC chuyển hóa thành: khí sinh học với thành phần CO2 - 46% , CH4 - 49% sinh khối - 5% Hệ số tăng sinh khối bùn

được tính 0.094 g-VSS/g-TOC Để đạt hiệu xử lý cao, bể UASB cần vận hành điều kiện: i) Tỷ lệ chất dinh dưỡng nước thải C: N: P = 350: 10: 2; ii) pH 6.8~7.2; iii) Nồng độ axit béo (VFAs) nhỏ 1000mg/l; iv) Thời gian lưu nước lớn 12

Từ khóa: UASB, Nước thải cơng nghiệp đường, COD, TOC, VFAs

Summary: This article refers to the research on sugars industrial wastewater treatm ent using UASB reactor (Up flow Anaerobic Sludge Blanket) in laboratory An UASB reactor with 12.5l of volum e has been established for high strength sugary wastewater treatm ent The UASB reactor operated at 37oC for 440 days The UASB reactor achieved 80~98% TOC reduction at VLRs up to 16 g-TOC/l.d Mass balance calculations revealed that 46% and 49% of TOC rem oved was converted to CO2 and CH4 respectively, while the rest was converted to biom ass with an average observed sludge yield of 0.094 g-VSS/g-TOC For results of effective TOC rem oval efficiencies, the following parameters must be m aintained at i) C: N: P = 350: 10: 2; ii) pH: 6.8~7.2; iii) VFAs less than 1000mg/l; and iv) HRT greater than 12 hrs

Keywords: Waste water from processing, sugar industrial I MỞĐẦU*

Sản xuất mía - đường ngành cơng nghiệp có từ lâu Việt Nam Đểđáp ứng nhu cầu tiêu dùng nước xuất sản phẩm, ngành cơng nghiệp đường Việt Nam có bước phát triển lớn qui mô sản xuất Tuy nhiên, hầu hết sở sản xuất đường Việt Nam chưa có trạm xử lý nước thải có hoạt động với hiệu thấp Nước thải từ loại hình cơng

Người phản biện: PGS.TS Phạm Thị Ngọc Lan Ngày nhận bài: 10/5/2013 - Ngày thông qua phản biện: 01/8/2013 - Ngày duyệt đăng: 25/9/2013

nghiệp có nồng độ chất hữu COD, BOD cao nguồn gây ô nhiễm đáng kể tới thuỷ vực sông hồ Việt Nam

Ở Việt Nam phương pháp xử lý nước thải bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua lớp bùn kỵ khí) đề cập đến với ưu điểm: hiệu xử lý cao, lượng bùn dư thấp ổn định tốt, nhu cầu

năng lượng ngược lại tận dụng lượng khí sinh học sinh q trình xử

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

NaCl sol

SP-1 SP-2 SP-3 SP

Nước sau XL

Ng

ă

n

TB tách pha

Khí Rắ Lỏ

Đư

ờ

ng

d

ẫ

n kh

í

Đư

ờ

ng n

ướ

c t

u

ầ

n hoà

n

TB cấp nước nóng

Bơm tuần hồn

Bơm đầu vào Nước vào TB thu

khí

TB

khu

ấ

y

N

g

ă

n bùn h

ạ

t

Hình Mơ hình nghiên cứuLNT bể UASB

kiện Việt Nam Tuy nhiên, để áp dụng vào thực tế tồn nhiều vấn đề cần nghiên cứu cụ thể Bài báo giới thiệu kết

nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường công nghệ sinh học kỵ khí UASB, nhằm làm rõ khả ứng dụng bể UASB xử

lý nước thải công nghiệp đường điều kiện Việt Nam, đồng thời xác định thông số kỹ thuật cần thiết cho việc tính tốn thiết kế

và vận hành bể

II BỐ TRÍ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM

2.1 Mơ hình thực nghiệm

Mơ hình thực nghiệm áp dụng nghiên cứu mơ theo Hình-1 Bể UASB có hình trụ tròn, cấu tạo hai lớp vỏ nhựa thuỷ tinh (acrylic glass) Kích thước phần bể gồm: chiều cao 1,18m, dung tích 12,5l, khoang phân huỷ 7,5l (10cm, h= 100cm), khoang lắng 5,0 l ( 20cm, h= 18cm) Phần liên kết với hệ thống cấp tuần hồn nước nóng đảm bảo ổn định nhiệt độ

bên bể theo yêu cầu nghiên cứu Nước thải bảo quản tủ lạnh nhiệt độ

4oC bơm vào từ đáy bể UASB Để

nghiên cứu phân bố nồng độ chất bẩn thay đổi đặc tính bùn bể, dọc theo chiều cao bể có bố trí vịi lấy mẫu (SP-1~SP-5) Tại khoang lắng có bố trí thiết bị

(TB) tách pha Khí-Rắn-Lỏng hình phễu

đảm bảo thu hồi tồn lượng khí sinh học sinh q trình phân huỷ chất hữu cơ, đồng thời hạt bùn quay trở lại khoang phân huỷ nhờ tác dụng trọng lực Nước sau xử lý thoát qua cửa xả bố trí phía bể

2.2 Bùn gốc hỗn hợp nước thải dùng trong nghiên cứu

(1) Bùn gốc: Bùn gốc dùng nghiên cứu loại bùn hạt lấy từ bể UASB vận hành xử lý nước thải cơng nghiệp bia với đặc tính: MLSS 78,5 g/L, VSS 69,4 g/L, cỡ hạt 1~3mm

(2) Thành phần hỗn hợp nước thải nhân tạo: Nước thải cơng nghiệp đường loại nước thải có nồng độ BOD COD cao,

mức độ 10  50 g/L, tỷ lệ BOD/COD khoảng 0,75  0,9 Trong loại nước thải này, thành phần gây ô nhiễm chủ yếu bon hữu

dưới dạng sucrose (C12H22O11), glucose (C6H12O6) [2]

Trong nghiên cứu này, để khống chếđược nồng

độ bon hữu nước thải giai

đoạn vận hành theo yêu cầu nghiên cứu, nước thải sử dụng loại nước pha chế nhân tạo từ chất dinh dưỡng gồm: Các bon dạng sucrose C12H22O11, Nitơ- NH4Cl, Phốt pho- KH2PO4, với nồng độ theo tỷ lệ C: N: P tương

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ nghiệp giàu hữu khác [2,3] áp dụng

trong giai đoạn nghiên cứu đầu NaHCO3 thêm vào với nồng độ thích ứng để giữđộ pH bểở mức trung tính khơng vượt 8000 mg/L nhằm hạn chếảnh hưởng ion Na+ (tồn với nồng độ cao) tới trình phân huỷ chất hữu [1]

2.3 C hếđộ vận hành m hình nghiên cứu Nghiên cứu mơ hình thí nghiệm

khởi động từ tháng năm 2010 vận hành liên tục thời gian 440 ngày Tại giai đoạn nghiên cứu, mơ hình vận hành với chếđộ ổn định thời gian lưu nước (HRT), tỷ lệ dinh dưỡng C:N:P nhiệt độ Nồng độ TOC điều chỉnh tăng dần kết quan trắc cho thấy mơ hình đạt hiệu suất xử lý ổn định (ổn định lượng khí sinh học phát sinh hiệu suất khử TOC)

Bảng1 Chếđộ vận hành mô hình (tháng 6/2010)

Giai đoạn

Thời gian vận hành (ngày)

Nồng độ TOC đầu vào

(mg/L)

HRT (h)

Tỷ lệ phân hủy chất hữu cơ

(gTOC/L.ngđ) C: N: P

Nhiệt độ (oC)

1 ~ 80 500 ~ 6000 36 0.33 ~ 350: 5: 37

2 81~161 1000 ~ 16000 36 0.65 ~ 10.6 350: 10: 37

3 162~206 1000~ 4000 24 ~ 350: 10: 37

4 207~211 6000 18 350: 10: 37

5 212~259 4000 ~ 8000 12 ~ 16 350: 10: 37

6 260~307 1000 ~ 6000 ~ 24 350: 10: 37

7 308~352 1500 ~ 4000 ~ 24 350: 10: 37

8 353~440 2000 ~ 4000 12 ~ 350: 10: 37

2.4 C ác tiêu quan trắc phương pháp phân tích

Các tiêu quan trắc, chu kỳ lấy mẫu phương pháp phân tích áp dụng theo phương pháp chuẩn [4]như nêu trongBảng- 2

Bảng Chỉ tiêu quan trắc phương pháp phân tích

Chỉ tiêu Chu kỳ Phương pháp phân tích Thiết bị / Tiêu chuẩn

pH lần/ ngày Điện cực thuỷ tinh Tiêu chuẩn PTNT (Nhật) TOC lần/ tuần Nung, phân tích tia tử ngoại SIMADZU TOC-5050A

Axit bay (VFAs) lần/ tuần Chưng cất Standard methods 19th

SS lần/ tuần Lọc- sấy 105oC Tiêu chuẩn PTNT (Nhật) MLSS, VSS (＊)

lần/ tháng Ly tâm, sấy 105oC; nung 550oC Tiêu chuẩn PTNT (Nhật)

Thành phần khơng khí lần/ tháng Sắc ký khô SHIMADZU GC14B

(*) MLSS- (Mixed liquior suspended solid) - Nồng độ bùn (chất khô) VSS- (Volatile suspended solid) - Nồng độ chất bay (vi khuẩn)

III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1Xác định thông số vận hành tối ưu Kết nghiên cứu thay đổi hiệu xử lý TOC, nồng độ axit béo dễ bay độ pH nước sau xử lý q trình vận hành bể

(440 ngày) mơ tả Hình- 2

(1)Tỷ lệ chất dinh dưỡng C , N, P nước thải:

Trong giai đoạn vận hành 1, với thời gian lưu nước (HRT) 36 h, hàm lượng chất dinh

dưỡng nước thải pha theo tỷ lệ C: N: P = 350: 5: 1, nồng độ TOC tăng từ 500

đến 6000 mg/l Kết trên Hình- 2(a) cho thấy hiệu xử lý TOC thấp, trung bình

mức 60% Ngun nhân thiếu

lượng nitơ phốt so với bon tỷ

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 2000 4000 6000 8000

0 92 172 242 342 440

Thêi gian vËn hµnh (ngµy)

N ồng độ V F A s ( m g/l ) pH

VF As pH

0 4000 8000 12000 16000 20000

0 92 172 242 342 440

N ồng độ T O C (m g / l ) 20 40 60 80 100 H iệ u X L ( % )

Đầu vào Đầu Hiệu qu ả XL

GĐ

(a)

(b) đạt 80~98% Như tỷ lệ C: N: P = 350: 10:

2 thích hợp với phát triển vi sinh bvằậng pht có ích cho q trình xương pháp UASB lý nước thải đường

(2) Nồng độ axit béo dễ bay (VFAs) độ pH nước sau xử lý: Sự thay đổi nồng độ VFAs độ pH nước thải sau xử lý suốt trình vận hành mơ tả Hình 2(b) Kết cho thấy gia tăng nồng độ

VFAs nước thải làm cho độ pH hiệu xử lý TOC giảm Như vậy,

tồn VFAs nồng độ cao ức chế

quá trình phát triển lồi vi sinh vật kỵ khí có ích, gây ảnh hưởng xấu tới hiệu xử lý nước thải Từ kết nêu Hình- (b) cho thấy để đạt hiệu xử lý nước thải cao, việc trì thơng số nồng độ VFAs, độ pH nước thải sau xử lý giới hạn: Nồng

độ VFAs nhỏ 1000mg/l, pH khoảng 6,8 ~7,2 hữu ích

(3) Tải lượng hữu thời gian lưu nước: Tại giai đoạn vận hành từ đến 7, HRT điều chỉnh bước từ 36 h

đến h TừHình- 3 nhận thấy với

Hình 4. Quan hệ hiệu xử lý HRT

y = 1.56x

0 50 100 150 200 250

0 30 60 90 120

L−ỵng TOC đầu vào (gTOC/d)

L ợng bi o-ga s ph ¸t s in h ( l /d )

Hình Quan hệ lượng TOC đầu vào

và khí phát sinh

4 50 60 70 80 90 10

0 10 12 14 16

Nồng độ TOC (g/l)

H iƯu q u ¶ X L ( % )

H R T 36 H R T 12 H R T H R T

Hình Sự thay đổi

theo thời gian về:

(a) Hiệu xử lý;

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ giới hạn tải lượng hữu 16 g-TOC/L.ngđ

(tương đương với 42,72 g-COD/L.ngđ), hiệu xử lý đạt 80% Giới hạn có giá trị

cao mặt thực tế, chứng tỏ việc áp dụng phương pháp UASB xử lý nước thải

đường có hiệu cao

Hình- 4 mơ tả kết nghiên cứu hiệu xử

lý ứng với trường hợp khác nồng

độ TOC nước thải thời gian lưu nước (HRT) Đối với trường hợp nước thải có nồng

độ TOC cao, để đạt hiệu xử lý 80%, cần vận hành với HRT tối thiểu 12 h Dựa vào kết nêu Hình- có thể lựa chọn thời gian lưu nước phù hợp với nồng độ

TOC nước thải mức độ cần xử lý việc tính tốn thiết kế bể UASB

3.2 Sản lượng khí hệ số tăng sinh khối Kết nghiên cứu mối quan hệ lượng TOC nước thải cấp vào bể lượng khí sinh học phát sinh mơ tả Hình- 5 Từ độ dốc đường hồi qui tuyến tính xác định sản lượng khí với hàm giá trị 1,56 l/g-TOC

Hệ số tăng sinh khối bùn xác định dựa số liệu tổng lượng TOC bị phân huỷ, lượng khí CO2 CH4 khí phát sinh Hình- mơ tả kết nghiên cứu mối quan hệ tốc độ xử lý TOC tốc độ

chuyển hố thành thành phần CO2, CH4 khí phát sinh Từ độ dốc đường hồi qui xác định 46% lượng TOC bị phân huỷ chuyển hố thành CO2, tương tự 49% thành CH4 cịn lại 5% chuyển hoá

thành bùn g sinh khối (C5H7O2N) tính 0,53 g-TOC nên hệ số tăng sinh khối bùn

được tính 0,094 g-VSS/g-TOC

(0,05/0,53) 4 KẾT LUẬN

Từ kết thu thời gian nghiên cứu trình xử lý hỗn hợp nước thải đường bể UASB, rút kết luận sau: (1) Trong xử lý nước thải công nghiệp

đường, phương pháp xử lý sinh học kỵ khí bể UASB phương pháp khả thi thích hợp với điều kiện Việt Nam Với tải lượng hữu 0,3~16 g-TOC/L.ngđ bể UASB có khả

năng xử lý với hiệu 80~98%, lượng khí sinh học sinh với sản lượng 1,56 l/g-TOC, lượng bùn phát sinh với tỷ lệ tăng sinh khối 0,094 g-VSS/g-TOC

(2) Để thu hiệu xử lý cao, cần đảm bảo điều kiện vận hành sau:

- C : N : P = 350 : 10 : 2;

- Thời gian lưu nước tối thiểu (HRT): 12 h; - Tải lượng hữu cơ: 16 g-TOC/l.ngđ; - pH: 6,8 ~ 7,2;

- Nồng độ axit béo dễ bay (VFAs): 1000 mg/l

Kết nghiên cứu cung cấp thêm sở

khoa học cho khả ứng dụng bể UASB xử lý nước thải công nghiệp đường theo

điều kiện Việt Nam, đồng thời xác định thông số kỹ thuật cần thiết cho việc tính tốn thiết kế vận hành bể

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] R.F.HICKEY, W.M WU, M.C VEIGA AND JONES: Start-up, operation, monitoring and control of high-rate anaerobic treatment systems, Wat.Sci.Tech.V.24, No.8, pp 207-255, 1991

[2] W M W iegant and G Lettinga: Therrmophilic Anaerobic Digestion of Sugars in Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors, Biotechnology and Bioengineering, Vol 27, 1603-1607, 1985

[3] TIN SANG KWONG AND HERBERT H.P FANG, Member, ASCE: Anaerobic degradation of cornstarch in wastewater in two upflow reactors, Journal of Environmental Engineering, Journal of Environmental Engineering, Vol 122, No.1, pp 9-15, January 1996