Đề tài nghiên cứu xử lý nước thải sau công đoạn tách mủ từ nhà máy chế biến mủ cao su bằng phương pháp sinh học

- 1 - LỜI NÓI ĐẦU MỞ ĐẦU Theo ước tính hằng năm thì ngành chế biến mủ cao su thải ra khoảng 5 triệu m 3 nước thải. Lượng nước thải này nếu chưa được xử lý triệt để sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước. Ngoài ra vấn đề mùi hôi phát sinh do các chất hữu cơ bị phân hủy kỵ khí tạo thành sẽ ảnh hưởng đến môi trường không khí xung quanh. Do vậy, việc nghiên cứu nhằm tìm ra công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su đạt hiệu quả cao, chi phí thấp là hết sứ c cần thiết. Từ thực tế đó tôi tiến hành thực hiện Đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải sau công đọan tách mủ - từ nhà máy chế biến mủ cao su bằng phương pháp sinh học”. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Tình hình nghiên cứu trong nước Nguyễn Trung Việt thực hiện từ năm 1990 đến 1995 tại Việt Nam và Hà Lan, cho thấy: hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao đặc biệ t là quá trình hệ thống bùn kỵ khí dòng chảy ngược (UASB) là phương án thích hợp để xử lý nước thải cao su, là một giải pháp lý tưởng để làm giảm vấn đề ô nhiễm môi trường của ngành chế biến cao su ở miền nam Việt Nam. Quá trình phân hủy kị khí trong bể UASB chuyển hoá hợp chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học thành acetate, propionate và methane lớn hơn 95%, hiệu suất của quá trình chuyển hóa phụ thuộc vào nồng độ COD. Ở pH: 7,0-7,4 và tải trọng 0,2g COD/gVSS/ngày, protein phân huỷ hoàn toàn hơn ở pH: 4,8; sự phân huỷ protein xảy ra không hoàn toàn do sự có mặt của các protein bền vững như hevein trong nước thải cao su. Trong quá trình phân huỷ protein, có thể làm giảm pH xuống 5 do việc tạo thành axít béo bay hơi (VFA) trong điều kiện nghèo dinh dưỡng. - 2 - Giá trị pH nhỏ hơn 6,0 ảnh hưởng đến tốc độ phân huỷ kỵ khí, tuy nhiên kết quả theo dõi thí nghiệm ở pH 5,0 vi khuẩn methanogens vẫn có thể tăng dần lên và hồi phục lại ở điều kiện tốt, bằng cách chuyển acetate thành methane và bicarbonate làm tăng khả năng đệm của hệ thống kỵ khí. Bể UASB có thể hoạt động ổn định với tải trọng COD lên đến 15-20 kg COD/m 3 /ngày, thời gian lưu nước trong khoảng 2-6h, vận tốc đi lên là 0,4 m/h. Hiệu quả xử lý có thể đạt 79,8-87,9%, tương ứng với tải trọng thuỷ lực 7,3-9,1 m 3 /m 3 , chiều cao lớp bùn trong thiết bị UASB cuối giai đoạn thí nghiệm là 12-15 cm. Bùn có đủ khả năng đệm để điều chỉnh giá trị pH đầu vào, sự phục hồi bùn do pH thấp cần khoảng 2-3 ngày sau khi sử dụng nước thải có pH 6,0-6,2. Vấn đề pH có thể giải quyết bằng cách tuần hoàn dòng thải và điều chỉnh pH dòng vào. Nguyễn Ngọc Bích năm 2003, đã tiến nghiên cứu nhằm xây dựng công nghệ x ử lý nước thải thích hợp cho ngành cao su Việt Nam với công nghệ: Bể điều hoà →Bể gạn mủ→Bể kỵ khí xơ dừa→Bể tảo cao tải → Bể lục bình→xả thải Xơ dừa ở dạng sợi được kết thành bàn chải dùng làm giá thể cho vi sinh phát triển, nhằm làm tăng nồng độ vi sinh trong bể kỵ khí do đó nâng cao hiệu xuất xử lý nước thải, tảo và lục bình xử lý chất dinh dưỡng và khử mùi. Đối với quá trình kỵ khí kết quả đạt được như sau: Bảng 2.8: Hiệu quả xử lý của quá trình kỵ khí Thông số Đầu vào (mg/l) Sau bể kỵ khí xơ dừa (mg/l) Hiệu xuất xử lý (%) pH 5,2 7,1 - COD 6131 360 94,13 BOD 4006 200 95,00 TKN 237 191 19,40 N-NH 3 103 172 - TSS 382 60 84,29 - 3 - pH sau bể kỵ khí đạt trung tính trong thời gian lưu nước ngắn, hiệu xuất xử lý chất hữu cơ cao, 94% đối với COD và 95% đối với BOD với thời gian lưu nước khoảng 2 ngày. Tuy nhiên hiệu quả xử lý tổng nitơ rất thấp (19,4%), hàm lượng N- NH 3 tăng lên đáng kể và TSS đầu ra thấp. Bảng 2.9: Hiệu quả xử lý của giai đoạn quang hợp Thông số Sau bể kỵ khí xơ dừa (mg/l) Sau bể tảo cao tải (mg/l) Sau bể lục bình (mg/l) Hiệu xuất xử lý (%) pH 7,1 9,15 7,21 - COD 360 265 65 81,94 BOD 200 61 29 85,50 TKN 191 49,34 9,43 95,06 N-NH 3 172 1,68 1,83 98,94 TSS 60 324 37 38,33 Hiệu quả xử lý chất hữu cơ sau bể tảo cao tải rất thấp, 11% đối với COD và 69,5% với BOD. Do sự tồn tại của tế bào tảo sau xử lý, TSS trong nước sau bể tảo cao nhưng hiệu quả xử lý N-NH 3 rất cao, gần 99%. Trong khi đó, bể lục bình có hiệu quả xử lý chất hữu cơ và TSS cao: 81,94% đối với COD; 85,5% với BOD và TSS sau cùng đạt 37 mg/l. Hàm lượng amoni và VFA lần lượt là 34 mg/l, 229 mg/l là rất thấp so với các biện pháp xử lý khác. H 2 S trong nước của bể cao tảo cao tải là 2,69 mg/l, hiệu suất oxy hoá chỉ đạt 45%, trong không khí xung quanh hệ thống xử lý: không phát hiện được. Kết quả này cho thấy hiệu quả xử lý mùi rất tốt của hệ thống xử lý. Nguyễn Thanh Bình năm 2008 đã nghiên cứu công nghệ lọc mủ bằng xơ dừa, tác giả kết luật: Với thời gian lưu nước 16 giờ, bể gạn mủ xơ dừ a loại bỏ được 64,89% lượng mủ còn sót lại trong nước thải nhà máy chế biến cao su, cao hơn 3,22 lần so với hiệu quả loại bỏ mủ dư của các bẫy cao su hiện đang được ứng dụng (hiệu quả loại bỏ mủ dư trong nước thải chế biến cao su của các bẫy cao su hiện thời là 20,17%). - 4 - Đồng thời tác giả cũng tiến hành xác định hiệu quả xử lý sơ bộ các chỉ tiêu ô nhiễm của nước thải cao su của bể gạn mủ xơ dừa: Với thời gian lưu nước là 24 giờ loại bỏ được 56,25% COD và BOD đạt 59,60%. Tác giả kết luận: Giá thể xơ dừa sử dụng trong bể gạn mủ là một hướng mới để nâng cao hiệu quả loại b ỏ mủ có trong nước thải chế biến cao su. Các công nghệ xử lý đang được áp dụng Ngành cao su Việt Nam chủ yếu áp dụng các công nghệ xử lý nước thải: Bể sục khí, hồ ổn định, bể tuyển nổi, bể khị khí UASB, bể thổi khí, bể luân phiên, bể lọc sinh học. Bảng 2.10: Một số công nghệ đang được áp dụng tại Việt Nam STT Nhà máy Công nghệ 1 Lộc Ninh Bể gạn mủ + Tuyển nổi + UASB + luân phiên 2 Suối Rạt Gạn mủ + kỵ khí + sục khí + tuỳ nghi + luân phiên 3 Phước Bình Gạn mủ + kỵ khí + sục khí + lắng 4 Thuận Phú Gạn mủ + kỵ khí + tuỳ nghi + lắng 5 Bố Lá Tuyển nổi + gạn mủ + kỵ khí + tuỳ nghi + lắng 6 Cua Pari Gạn mủ + điều hoà + kỵ khí + tuỳ nghi + lắng 7 Long Hoà Gạn mủ + sục khí + lắng 8 Dầu Tiếng Gạn mủ + sục khí + lắng 9 Bến Súc Gạn mủ + tuyển nổi + sục khí + tuỳ nghi + lắng 10 Phú Bình Lắng cát + kỵ khí + tuỳ nghi + lắng 11 Tân Viên Gạn mủ + tuyển nổi + UASB + sục khí + lắng + ổn định 12 Vên Vên Gạn mủ + kỵ khí tiếp xúc + sục khí + lắng 13 Bến Củi Gạn mủ + kỵ khí + tuỳ nghi + lắng 14 Long Thành Gạn mủ + UASB+ sục khí + lắng 15 Hàng Gòn Gạn mủ + kỵ khí + tuỳ nghi + lắng 16 Cẩm Mỹ Gạn mủ + điều hoà + sục khí + lắ ng 17 Hoà Bình Gạn mủ + điều hoà + tuyển nổi + thổi khí + lọc sinh học 1 - 5 - + lắng 1 + lọc sinh học 2 + lắng 2 18 Xà Bang Gạn mủ+tuyển nổi+sục khí + lắng + lọc sinh học + hồ chứa 19 30/4 Gạn mủ + kỵ khí + sục khí + lắng 20 Xuân Lập Gạn mủ + tuyển nổi + mương oxy hoá + lắng 21 Lộc Hiệp Gạn mủ + điều hoà + UASB + sục khí + lắng 22 Quảng Trị Gạn mủ + tuyển nổi + sục khí + tuỳ nghi + lắng So với tiêu chuẩn xả thải, các công nghệ đã được áp dụng đều không đạt, thậm chí cao hơn rất nhiều đặc biệt COD, BOD và N-NH 3 . Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1985, khi nghiên cứu sự oxy hoá nước thải cao su trong quá trình xử lý bằng hệ thống đĩa quay, Mohd, Zin và Krim và Ehmad Ibrahim Viện nghiên cứu cao su Malaysia đạt được một số kết quả: Hệ thống đĩa quay có khả năng xử lý tốt cả chất hữu cơ và N-NH 3 , làm giảm 85% COD (1300-1500mg/l) và 90% BOD với dòng thải cuối cùng có COD 220-240 mg/l và BOD 80-100 mg/l ở tải trọng 2,8 kgCOD/m 3 /ngày. Ở tải trọng thấp hơn: 0,6 kgCOD/m 3 /ngày, hiệu quả xử lý N-NH 3 khoảng 85%, N-NH 3 trong dòng thải cuối khoảng 20 mg/l, mức COD tương ứng ít hơn 40 mg/l. Nitrite hình thành trong hệ thống xử lý ở thời gian lưu ngắn (2 ngày), trong khi thời gian lưu dài hơn (hơn 4 ngày) thúc đẩy sự tạo thành nitrate. Ở thời gian lưu trong khoảng 2 và 4 ngày, nồng độ của nitrite và nitrate trong hệ thống thấp. Trong một nghiên cứu khác, khi tiến hành nghiên cứu xử lý dòng thải từ nhà máy cao su dạng khối ở quy mô pilot với công nghệ bể kỵ khí kết hợp h ồ ổn định. Ibrahim cùng với C.R John; C.D. Ponnlah; H, Lee: Việc xử lý dòng nước thải thô bằng sử dụng hệ thống kỵ khí/ hồ ổn định loại bỏ khoảng 95% BOD, 85% COD, 70% chất rắn bay hơi, 40% N-NH 3 , 50% N tổng, và 99,5% vi khuẩn chỉ thị. Độ sâu hoạt động của bể kỵ khí có thể thay đổi từ 1,8 m đến 2,9 m hoặc hơn, thể tích bể phải đảm bảo thời gian lưu nước ít nhất là 10 ngày. - 6 - Hệ thống bùn hoạt tính thổi khí chìm (SAAS) và mương oxy hoá cũng đã được nghiên cứu bời Ahmad Ibrahim and CK John. Nhóm tác giả áp dụng công nghệ để xứ lý nước thải từ nhà máy cô đặc latex bằng: Hệ thống này có khả năng cho hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao nhưng không có khả năng với nitơ trong nước thải nhà máy cô đặc latex. Trong mương oxy hoá hầu hết các chất hữu cơ chuyển thành CO 2 , trong khi ở hệ thống SAAS sự chuyển hoá chất hữu cơ chủ yếu thành sinh khối. Mương oxy hoá có tải trọng chất hữu cơ 0,083 kg BOD/m 3 /ngày, với tải trọng bùn hoạt tính khoảng 0,556 kg BOD/m 3 /ngày. Hệ thống SAAS tăng luợng bùn cao khoảng 1,88 kg/m 3 /ngày, cao hơn khoảng 10 lần bùn trong hệ thống mương oxy hoá. W.M.G. Seneviratme, Viện nghiên cứu cao su Sri Lanka, khi nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải của một số nhà máy với công nghệ xử lý kỵ khí/hiếu khí kết hợp với xơ dừa được tráng nhựa làm giá thể, cho kết quả như sau: Bể điều hoà có vai trò quan trọng để đạt được đặc tính nước thải phù hợp, là thức ăn trong bể phân h ủy kỵ khí, điều này cũng sẽ làm giảm đến mức tối thiểu khả năng sốc tải rất cao của dòng nước thải vào. Bể kỵ khí kết hợp với lớp xơ dừa tráng nhựa được xắp xếp và đóng cuộn, theo cách này dòng nước tiếp xúc thường xuyên hơn và được tiêu huỷ với tốc độ nhanh hơn khi dòng thải đi qua lớp xơ dừa đạt so le làm giá đỡ cho vi sinh bám dính. Với thời gian lưu nước 3 ngày hiệu quả xử lý COD đạt được trong khoảng 70- 90%, hiệu quả xử lý COD trong bể hiếu khí khoảng 50-80%. Tuy nhiên, cũng có thời điểm hiệu quả xử lý giảm xuống gần 20%. Tác giả nhận định: thời gian lưu 3 ngày trong phân hỷ kỵ khí có thể đạt được hiệu quả xử lý cần thiết thích hợp cho việc xả thải. Để xử lý nit ơ và mùi hôi phát ra từ giai đoạn kỵ khí, xử lý hiếu khí là cần thiết. Nghiên cứu công nghệ UASB/ bể ổn định/mương oxy hóa để xử lý nước thải cao su latex. Xiong Daiqun, Jiang Jusheng và Wang Qunhui, cho một số kết quả sau: Nhóm tác giả đã nhận định: Công nghệ UASB-bể ổn định-mương oxy hoá phù hợp để xử lý dòng nước thải nhà máy cao su có chất thải hữu cơ có nồng độ cao, và có - 7 - diện tích ít (trong khu dân cư). Nước thải có nồng độ N-NH 3 130 mg/l cần quá trình hiếu khí, và thời gian lưu bùn nên ≥ 7 ngày, nếu không hiệu quả xứ lý khó đạt 80%. Trong khi nuôi dưỡng và chạy thích nghi bùn hoạt tính, nồng độ đầu vào, DO, pH và chất dinh dưỡng nên được hiệu chỉnh. Bùn đóng bánh có thể được sử dụng là phân cho cây, do đó lợi ích kinh tế có thể tăng đáng kể. Theo Madhu G; Georfe K.E; Joseph Francis D (năm 2000) tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải cô đặc latex cao su thiên nhiên trộn với nước thải sinh hoạt bằng bể ổn định. Kết quả cho thấy, phương pháp hồ ổn định có hiệu quả tốt, hiệu quả xử lý BOD là 69-93% và COD là 56-90%. Lượng tảo trong bể thay đổi từ 30×10 4 đến 167×10 4 /ml, có nhiều loại phát triển tốt trong hỗn hợp nước thải, loài Microcystis aeruginosa, Chorella vulgaris, Eugleena acus và Scenedesmus quadricauda chiếm ưu thế. Từ năm 2001 đến năm 2002 Naruthep Boonreongkaow và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải của công nghiệp latex cô đặc ở 7 tỉnh miền nam Thái Lan. Công nghệ xử lý được áp dụng rộng rãi là: hệ thống bể bẫy cao su, kỵ khí , tuỳ nghi, hiếu khí và đầm(phá) hiếu khí. Hệ thống này không thể đạt được tiêu chuẩn nước thải công nghiệp về BOD, COD, SS và TKN. Có 39 nhà máy cô đặc latex ở miền nam Thái Lan sử dụng hệ thống xử lý: bẫy cao su kết hợp với xử lý sinh học và có 36% và 11% nhà máy sử dụng đầm phá hiếu khí và bùn hoạt tính cho xử lý nước thải. Khi bổ xung thêm hệ thống bể ổn định, hiệu quả xử lý BOD, COD, SS, TKN trong khoảng 93-99%, 90-99%, 70-88% và 69-99%. Các tác giả này kết luận hệ thống xử lý hiếu có khả năng ng ăn chặn mùi do đó sẽ áp dụng rộng hơn trong tương lại. Mục tiêu nghiên cứu  Đánh giá tính chất nước thải ở nhà máy chế biến mủ cao su Linh Hương.  Thử nghiệm sử dụng các phương pháp sinh học trong việc xử lý nước thải nhà máy chế biến mủ cao su. - 8 -  Thử nghiệm mô hình xử lý nước thải từ nhà máy chế biến mủ cao su Linh Hương bằng phương pháp sinh học Đối tượng nghiên cứu: Nước thải từ nhà máy chế biến mủ cao su Linh Hương Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện với quy mô phòng thí nghiệm. Thông số theo dõi đo đạc : COD, pH, tổng nitơ, photpho. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tổng hợp tài liệu. Phương pháp thực nghiệm. Phương pháp phân tích đánh giá. Phương pháp chuyên gia. Những đóng góp của đề tài Đánh giá chất lượng nước thải từ nhà máy chế biến mủ cao su Linh Hương Áp dụng chế phẩm sinh học trong việc xử lý nước thải cao su Xác định pH tối ưu cho quá trình xử lý nước thải cao su hiệu quả Những vấn đề mà đề tài chưa thực hiện được: - Chưa hoàn thiện được mô hình - Chưa thử nghiệm được các phương pháp sinh học khác - 9 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về mủ cao su 1.1.1 Mủ cao su Mủ cao su là hỗn hợp cấu tử cao su nằm lơ lửng trong dung dịch gọi là nhũ thanh hoặc serium. Hạt cao su hình cầu, có đường kính d< 0.5 µm chuyển động hỗn loạn trong dung dịch. Thông thường 1g mủ cao su có khoảng 7,4.10 12 hạt cao su, bao quanh các hạt này là các protein giữ cho latex ở trạng thái ổn định. Thành phần hóa học của latex: Phân tử cơ bản của cao su là isoprene- polymer có khối lượng phân tử là 10 5 - 10 7 . Nó được tổng hợp từ cây bằng một quá trình phức tạp cacbohydrat. Cấu trúc hóa học của cao su tự nhiên. CH2C = CHCH2 – CH2C = CHCH2 = CH2C = CHCH2 CH 3 CH 3 CH 3 Mủ từ cây cao su Hevea brasiliensis là một huyền phù thể keo, chứa khoảng 35% cao su, là một hydrocacbon-polyizopren. Mạch đại phân tử của cao su thiên nhiên được hình thành từ các mắt xích izopren đồng phân cis liên kết với nhau ở vị trí 1,4. - 10 - Ngoài ra trong cao su thiên nhiên còn có khoảng 2% mắt xích liên kết với nhau ở vị trí 3,4. Kích thước hạt cao su nằm trong khoảng 0,02-0,2μm, với nhiều hình dạng khác nhau như: hình cầu, hình quả lê… Nước chiếm khoảng 60% trong mủ cao su và khoảng 5% còn lại là những thành phần khác của mủ, gồm: khoảng 0,7% là chất khoáng và khoảng 4,3% là chất hữu cơ. Các hydrocacbon có mặt trong mủ cao su dưới dạng các hạt nhỏ được bao phủ bởi một lớp các phospholipid và protein, chúng có vai trò quan trọng giúp latex ổn định. Protein có công thức: NH 3 + – R – COO - , điểm đẳng điện của protein trong latex tương đương pH = 4,7. Do đó, trong môi trường có pH ≥ 4,7 các hạt cao su có điện tích âm: NH 3 + – R – COO - + OH - ↔ NH 2 – R – COO - + H 2 O Trong môi trường axit có pH ≤ 4,7 các hạt cao su mang địên tích dương: NH 3 + – R – COO - + OH - ↔ NH 3 + – R – COO + H 2 O Latex khi mới cạo mủ có pH trung tính, vì vậy các hạt cao su có điện tích âm, chính những điện tích âm này tạo ra lực đẩy giữa các hạt cao su với nhau làm cho latex ở trạng thái ổn định. Mặt khác, protein có ái lực mạnh với nước, làm cho các hạt cao su được hyrat hoá, điều này góp phần làm tăng tính ổn định của latex. Quá trình biến đổi trong mủ cao su bao gồm các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Sự hình thành tính axít do các vi sinh vật có sẵn trong latex (vi sinh vật này xuấ t hiện và xâm nhập vào latex ngay sau khi chảy ra khỏi cây) tương tác với các thành phần phi cao su trong latex, ở giai đoạn này latex có tính axit. Giai đoạn 2: Sự giải phóng các ion âm axít do sự thuỷ phân các dạng lipids có sẵn trong latex. Những ion âm này được hấp thụ lên bề mặt của những hạt cao su thay chỗ của màng protein và tương tác với các ion kim loại Mg và Ca có sẵn trong latex để hình thành lên các xà phòng kim loại không tan, kéo các hạt cao su lại với