Nghiên cứu và áp dụng công nghệ màng MBR (membrane bioreactor) để xử lý nước thải từ quá trình chế biến cồn từ tinh bột gạo đã qua xử lý kị khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƢỜNG ĐẶNG PHƢỚC ÂN NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CỒN TỪ TINH BỘT GẠO ĐÃ QUA XỬ LÝ KỊ KHÍ Chun ngành : Cơng nghệ mơi trƣờng LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƢỜNG ĐẶNG PHƢỚC ÂN NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CỒN TỪ TINH BỘT GẠO ĐÃ QUA XỬ LÝ KỊ KHÍ Chun ngành : Cơng nghệ mơi trƣờng LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2010 I CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học : TIẾN SĨ TRẦN ỨNG LONG Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2010 II TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA MÔI TRƢỜNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 22 tháng 12 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Đặng Phƣớc Ân Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 19/12/1985 Nơi sinh : Tp Hồ Chí Minh Chun ngành : Cơng nghệ Môi trƣờng MSHV : 02508593 1-TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CỒN ĐÃ QUA XỬ LÝ KỊ KHÍ 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Theo dõi, thu thập số liệu tính chất nƣớc thải sau xử lý kị khí Nhà máy rƣợu Bình Tây để lựa chọn thành phần tính chất nƣớc thải đầu vào cho mơ hình nghiên cứu - Lập mơ hình nghiên cứu, kế hoạch lấy mẫu, phân tích thơng số nƣớc thải đầu vào đầu mơ hình - Đánh giá hiệu xử lý mơ hình tính chất nƣớc thải đầu vào đề - Đánh giá thời gian hoạt động, hiệu rửa màng phƣơng pháp vật lý 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22/12/2009 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/6/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TIẾN SỸ TRẦN ỨNG LONG Nội dung đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) III LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Trần Ứng Long hết lòng hƣớng dẫn giúp đỡ cho tơi hồn thành luận văn cao học Xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp thuộc Trung tâm Công nghệ Môi trƣờng ECO cán bộ, nhân viên Nhà máy chế biến rƣợu Bình Tây, Khu cơng nghiệp Tân Đơng Hiệp B, huyện Dĩ An, tỉnh Bình Dƣơng quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình nghiên cứu thực luận văn Xin cảm ơn thầy cô giáo anh chị học viên cao học khóa 2008 Khoa Mơi trƣờng, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ có ý kiến đóng góp trình thực nghiên cứu Cuối cùng, xin chia sẻ niềm vinh dự gia đình, bạn bè xa gần động viên giúp đỡ suốt thời gian qua ĐẶNG PHƢỚC ÂN IV TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn gồm nội dung sau : Nghiên cứu đánh giá hiệu xử lý hệ thống màng MBR nƣớc thải sau xử lý kị khí Nhà máy chế biến cồn từ tinh bột gạo có nồng độ COD khoảng 5000 mg/l yếu tố tác động: thời gian lƣu nƣớc hàm lƣợng bùn sinh học bể phản ứng Từ đó, tìm giá trị tối ƣu yếu tố thời gian lƣu nƣớc hàm lƣợng bùn sinh học khoảng nghiên cứu tƣơng ứng là: – 12 3000 – 9000 mg/l Nghiên cứu khả bẩn màng màng MBR hiệu phƣơng pháp rửa vật lý màng hoạt động liên tục hàm lƣợng bùn khác Dựa kết thu đƣợc, đề xuất chu kỳ rửa ngƣợc màng thời gian rửa hợp lý cho hệ thống MBR V MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .III LỜI CẢM ƠN IV TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN V DANH MỤC BẢNG BIỂU XIII DANH MỤC HÌNH XIV DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT XVII CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 MỞ ĐẦU: 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .1 1.3 PHƢƠNG PHÁP LUẬN 1.3.1 Tính cấp thiết đề tài 1.3.2 Tính đề tài 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Ý NGHĨA CỦA LUẬN VĂN: 1.4.1 Về mặt kỹ thuật 1.4.2 Về mặt kinh tế - xã hội CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ NGÀNH CHẾ BIẾN CỒN 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỒN: 2.2 CẤU TẠO, TÍNH CHẤT CỦA CỒN: .3 2.3 TỔNG QUAN NGÀNH CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT CỒN 2.3.1 Giới thiệu chung 2.3.1.1 Khái quát trình lên men rƣợu 2.3.1.2.Cơ chế trình lên men 2.3.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất Cồn 2.3.2.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất Cồn từ rỉ đƣờng Sơ đồ khối Thuyết minh quy trình cơng nghệ 2.3.2.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất Cồn từ Tinh bột (Sắn, gạo) Quá trình chƣng cất Quá trình xay nghiền VI Sự hóa đƣờng tinh bột 10 Quá trình lên men 10 Quá trình chƣng cất 10 2.3.3 Quy trình xử lý nƣớc thải từ trình sản xuất cồn Việt Nam giới 13 2.3.3.1 Nƣớc thải trình sản xuất cồn từ tinh bột sắn gạo Việt Nam 13 Thành phần tính chất nƣớc thải đầu vào 13 Sơ đồ công nghệ xử lý 15 Mô tả công nghệ xử lý 16 2.3.3.2 Nƣớc thải trình sản xuất cồn từ rỉ đƣờng giới (trích nghiên cứu Quản lý nƣớc thải Nhà máy sản xuất Rƣợu từ rỉ đƣờng có thu hồi sinh khối, Tapas Nandy, Sunita Shastry S N Kaul, viện nghiên cứu môi trƣờng quốc gia Ấn Độ, 2001) 17 Thành phần tính chất nƣớc thải đầu vào 18 Sơ đồ khối công nghệ xử lý 19 Mô tả công nghệ: 20 2.3.3.3 Công nghệ xử lý nƣớc thải tiêu biểu từ trình sản xuất Nhà máy rƣợu 20 CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI .23 3.1 Khái niệm lọc màng 23 3.2 Lịch sử phát triển màng 23 3.3 Những rào cản công nghệ MBR 25 3.4 Phân loại màng .26 3.4.1 Phân loại dựa vào kích thƣớc lỗ rỗng 26 3.4.2 Dựa vào trình hoạt động màng 27 3.4.2.1 Quá trình lọc: 27 3.4.2.2 Quá trình thấm: 29 3.4.2.3 Quá trình tách: 29 3.5 Cấu trúc màng 30 3.6 Vật liệu màng 31 3.6.1 Hydrophilic polymer( polymer ƣa nƣớc): 32 3.6.2 Hydrophobic polymer (polymer kị nƣớc): 33 3.7 Hình thể (configuration) loại màng MBR: 34 VII 3.7.1 Hình dạng vật lý màng: 34 3.7.1.1 Dạng màng phẳng (plate membrane): 36 3.7.1.2 Dạng ống (tubular membrane ): 36 3.7.1.3 Dạng sợi rỗng (hollow – fiber membrane): 37 3.7.1.4 Màng vòng xoắn (spiral membrane): 38 3.7.2 Chế độ hoạt động màng: 39 3.8 Những thành phần bể MBR đặt ngập: 40 3.8.1 Thông số vật lý 42 Kích thƣớc lỗ 42 Độ rỗng/Phân bố kích thƣớc lỗ/Độ nhám 43 Cấu hình màng 43 3.8.2 Thông số hóa học: 43 3.8.3 Tính chất lƣu chất đầu vào đặc điểm sinh khối: 44 3.8.3.1 Tính chất lƣu chất đầu vào nồng độ: 44 3.8.3.2 Những chất bẩn màng sinh khối: 44 3.8.3.3 Những thông số sinh khối: 45 Nồng độ MLSS: 45 Độ nhớt: 47 Nhiệt độ: 47 Ôxy hòa tan 48 Sự tạo bọt 48 3.8.3.4 Những đặc điểm bùn: 49 Kích thƣớc: 49 Tính kị nƣớc điện tích bề mặt 49 3.8.3.5 Những chất polymer ngoại bào – Extracellular Polymeric Subtance (EPS): 49 EPS đƣợc trích ly (extracted EPS) SMP: 49 Protein thành phần polymer ngoại bào cacbonhydrate: 50 Những sản phẩm sinh học hòa tan – SMP: 50 3.9 XỬ LÝ SINH HỌC 50 3.9.1 Vai trò xử lý sinh học: 50 3.9.2 Quá trình sinh trƣởng lơ lửng: 51 VIII 3.9.3 Vai trò vi sinh vật xử lý nƣớc thải: 51 3.9.4 Loại bỏ chất dinh dƣỡng 52 3.9.4.1 Quá trình nitrat hóa khử nitrat hóa 52 Nitrat hóa 52 Khử nitrat hóa 52 3.10 SỰ ĐÓNG CẶN: 55 3.10.1 Cơ chế bẩn màng hệ thống MBR: 55 Giai đoạn 1: Bẩn màng có điều kiện 56 Giai đoạn 2: Bẩn màng chậm dần 56 Giai đoạn 3: Bƣớc nhảy TMP (transmembrance pressure – áp suất qua màng) 57 3.10.2 Kiểm soát bẩn màng cải thiện hệ thống MBR: 57 3.10.2.1 Áp dụng biện pháp tiền xử lý thích hợp nƣớc đầu vào 57 3.10.2.2 Thực quy trình làm hóa học vật lý 58 Làm vật lý: 58 Làm hóa học 58 3.10.2.3 Giảm dòng thấm 59 3.10.2.4 Tăng cƣờng thổi khí 60 3.10.2.5 Điều chỉnh hóa học hóa sinh hỗn hợp bùn hoạt tính nƣớc thải 60 CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NƢỚC THẢI NHÀ MÁY CHẾ BIẾN CỒN TỪ TINH BỘT .61 4.1 Phƣơng pháp tham khảo, tổng hợp tài liệu 61 4.2 Phƣơng pháp phân tích (xem chi tiết Phụ lục) 61 4.3 Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm tối ƣu hóa 61 4.4 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm mơ hình .62 4.5 Định hƣớng nghiên cứu 62 4.5.1 Xác định hiệu xử lý Bể phản ứng sinh học màng MBR nƣớc thải sau xử lý kị khí: COD, SS, Nitơ, Photpho 62 4.5.2 Xác định chu kỳ rửa ngƣợc màng phƣơng pháp vật lý 62 4.6 Mơ hình 62 4.6.1 Xây dựng mơ hình bể MBR 62 + MÀNG MBR 62 + BƠM NƢỚC THẢI VÀO VÀ RA 63 IX PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC HIỆN LUẬN ÁN Màng MBR bắt đầu xây dựng mơ hình thí nghiệm Ống thu nƣớc phía mơ hình MBR 99 Ống thu nƣớc phía dƣới mơ hình MBR Đĩa thổi khí đƣợc lắp đặt bên bể phản ứng mơ hình 100 Van xả bùn dƣ mơ hình MBR Ống cố xả tràn mơ hình MBR 101 Màng MBR đƣợc lắp ráp thành dạng module Mơ hình hoạt động 102 Bể MBR sau tắt máy thổi khí 103 Màng MBR sau kết thúc giai đoạn nuôi cấy ban đầu Lớp bùn kị khí đóng màng MBR sau hoạt động tháng 104 Hình ảnh bó sợi màng MBR Bể MBR hoạt động 105 106 Xác định sơ hàm lƣợng bùn thông qua Chỉ số thể tích bùn SV 107 Nƣớc thải sau xử lý với hàm lƣợng bùn MLSS = 9000 mg/l thời gian lƣu nƣớc t = 24 Bùn lắng ngừng thổi khí bể MBR 108 Các bơng bùn đọng lại bó sợi màng MBR Thiết bị đo pH đƣợc sử dụng trình nghiên cứu 109 Quá trình chƣng cất để phân tích Nitơ Tủ sấy để phân tích Chất rắn lơ lửng 110 Một số dụng cụ làm thí nghiệm Từ trái sang phải: Máy quang phổ, Bình hút ẩm, Cân phân tích, Bơm hút chân khơng PHỤ LỤC 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM BỔ SUNG Hàm lƣợng bùn trƣớc thực thí nghiệm MLSS=1230 mg/l 111 Thí nghiệm 01 STT Thơng số Thí nghiệm 02 Đơn vị Vào Ra Vào Ra – 7,73 7,80 7,47 7,78 pH COD mg/l 1193 364 1957 570 SS mg/l 442 15,02 495 17,74 Tổng N mg/l 85,25 29,46 77,32 32,31 Tổng P mg/l 19,44 4,37 6,81 5,14 Hàm lƣợng bùn trƣớc thực thí nghiệm MLSS=2870 mg/l Thí nghiệm 01 STT Thơng số Thí nghiệm 02 Đơn vị Vào Ra Vào Ra – 7,41 7,73 7,32 7,83 pH COD mg/l 4260 1984 3582 1766 SS mg/l 498 11,25 391 10,46 Tổng N mg/l 105,85 24,84 84,39 27,11 Tổng P mg/l 12,38 4,29 16,81 6,35 Hàm lƣợng bùn trƣớc thực thí nghiệm MLSS=6135 mg/l Thí nghiệm 01 STT Thơng số pH Thí nghiệm 02 Đơn vị – Vào Ra Vào Ra 7,41 7,73 7,32 7,83 112 COD mg/l 4260 1984 3582 1766 SS mg/l 498 11,25 391 10,46 Tổng N mg/l 105,85 24,84 84,39 27,11 Tổng P mg/l 12,38 4,29 16,81 6,35 Hàm lƣợng bùn trƣớc thực thí nghiệm MLSS=9330 mg/l Thí nghiệm 01 STT Thơng số Thí nghiệm 02 Đơn vị Vào Ra Vào Ra – 7,41 7,73 7,32 7,83 pH COD mg/l 4260 1984 3582 1766 SS mg/l 498 11,25 391 10,46 Tổng N mg/l 105,85 24,84 84,39 27,11 Tổng P mg/l 12,38 4,29 16,81 6,35 113 ... ĐẶNG PHƢỚC ÂN NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CỒN TỪ TINH BỘT GẠO ĐÃ QUA XỬ LÝ KỊ KHÍ Chun ngành : Cơng nghệ mơi trƣờng... ngành : Cơng nghệ Mơi trƣờng MSHV : 02508593 1-TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG MBR (MEMBRANE BIOREACTOR) ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CỒN ĐÃ QUA XỬ LÝ KỊ KHÍ 2- NHIỆM... hiệu xử lý cao loại nƣớc thải 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đánh giá hiệu xử lý Bể phản ứng sinh học màng – MBR (Membrane Bioreactor) nƣớc thải từ trình chế biến cồn từ gạo (đã qua xử lý kị khí) Nghiên