4. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.4.1. Công nghệ xử lý nƣớc thải chế biến cao su
Nƣớc thải chế biến mủ cao su chứa nồng độ chất ô nhiễm rất lớn, đòi hỏi công nghệ xử lý qua nhiều bậc. Việc áp dụng các công nghệ xử lý ở các nƣớc đều dựa trên đặc điểm, tính chất nƣớc thải, hiệu quả kinh tế, nhu cầu đất đai và năng lƣợng, kỹ thuật vận hành… Từ những năm cuối thập kỷ 70 và đầu 80, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ xử lý nƣớc thải vào thực tế sản xuất. Kết quả công nghệ xử lý bằng hồ sinh học qua nhiều bậc đƣợc hoặc sử dụng công nghệ kết hợp hóa lí với sinh học để xử lí nƣớc thải coi là phù hợp và đƣợc áp dụng tại nhiều nhà máy chế biến cao su, cụ thể nhƣ:
- Hệ thống hồ kị khí - Hồ tùy nghi. - Hệ thống hồ kị khí - Hồ làm thoáng. - Hệ thống hồ làm thoáng.
- Hệ thống mƣơng oxy hóa. - Hệ thống yếm khí UASB
- Hệ thống bùn hoạt tính (màng biofilm) kết hợp với tháp khử nitơ - Hệ thống kết hợp xử lý UASB và anoxic - aerotank
a. Hệ thống hồ kị khí - Hồ tùy nghi
Công nghệ này đƣợc áp dụng xử lý loại nƣớc thải có nồng độ BOD khoảng 3.000 mg/l thích hợp cho nhà máy sản xuất cao su tờ. Phản ứng phân hủy các chất hữu cơ trong hồ kị khí xảy ra qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1 (giai đoạn axit hóa): Vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành axit và các chất hữu cơ mạch ngắn.
- Giai đoạn 2: Các sản phẩm là các chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản tiếp tục đƣợc các vi khuẩn metan phân hủy thành cacbon dioxit và metan.
Các hồ kị khí thƣờng có độ sâu từ 3,5m đến 5m, tùy thuộc vào các điều kiện đất đai và chiều sâu của mạch nƣớc ngầm. Tải trọng hữu cơ tối đa là 0,15 kg
BOD/m3/ngày, thể tích trung bình của hồ khoảng 15.000 m3. Thời gian lƣu nƣớc trong hồ từ 13 đến 15 ngày. Hiệu quả xử lý BOD đạt 80%. Lớp váng tạo trên mặt không ảnh hƣởng nhiều đến các hoạt động phân hủy xảy ra trong hồ.
Sau hồ kỵ khí, nƣớc thải có nồng độ BOD khoảng 600 - 800mg/l, hàm lƣợng nitơ cao, đƣợc tiếp tục dẫn đến hồ tùy nghi, tại đây cơ chế xử lý chất thải diễn ra bao gồm cả hai quá trình hiếu khí và kỵ khí. Hồ có chiều sâu từ 1m đến 2m, thích hợp cho việc phát triển của tảo và các quá trình phân hủy của sinh vật tùy nghi. Nitơ trong nƣớc thải khi đó đƣợc tảo, thực vật hấp thu tạo thành protein. Vào ban ngày hoặc khi nhiều nắng, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh liệt. Khi quang hợp tảo hấp thụ khí CO2 hoặc bicarbonat (HCO3-) trong nƣớc và nhả ra khí oxy, pH của nƣớc tăng nhanh, vào thời điểm cuối buổi chiều, pH của hồ có thể đạt trên 10. Nồng độ oxy tan trong nƣớc thƣờng ở mức siêu bão hòa, có thể đạt tới 20mg/l. Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân hủy chất hữu cơ để tạo ra năng lƣợng, ngƣợc với quá trình quang hợp) xảy ra. Trong khi hô hấp, tảo thải ra khí CO2, tác nhân làm giảm pH của nƣớc. Vào ban đêm hoặc ngày ít nắng, quá trình hô hấp chiếm ƣu thế có thể gây thiếu oxy trong nƣớc và làm giảm pH.
Nhƣ vậy có thể thấy ban ngày, quá trình phân hủy các chất hữu cơ xảy ra ở phần trên mặt hồ là hiếu khí, phần dƣới đáy là kị khí. Ban đêm, quá trình phân hủy các chất hữu cơ chính xảy ra trong hồ là kỵ khí. Trong hồ vi khuẩn và rong, tảo sống cộng sinh với nhau. Vi khuẩn sử dụng oxy để thực hiện quá trình phân hủy chất hữu cơ tạo thành khí CO2. Tảo sử dụng CO2 thực hiện quá trình quang hợp tạo oxy. Trong các loài tảo thì chlorella chiếm ƣu thế. Tải trọng hữu cơ tối ƣu đối với hồ tùy nghi là 0,03 kg BOD/m3/ngày. Thời gian lƣu nƣớc từ 20 đến 25 ngày. Thể tích trung bình của hồ khoảng 1.000m3
. Hiệu quả xử lý BOD của hồ đạt 45%. Nồng độ oxy hòa tan trong nƣớc quyết định hiệu xuất xử lý của hồ. Đối với hồ tùy nghi ngƣời ta phải vớt thƣờng xuyên lớp váng trên bề mặt để cho ánh sáng mặt trời thâm nhập vào lớp nƣớc nhiều nhất, tạo điều kiện cho tảo phát triển làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong nƣớc.
Tóm lại hệ thống hồ kị khí - hồ tùy nghi có khả năng làm giảm khoảng 98% nồng độ BOD trong nƣớc thải cao su. Ƣu điểm của hệ thống này là có khả năng chịu đƣợc khi nồng độ chất hữu cơ tăng đột ngột. Không tốn chi phí bảo dƣỡng. Nhƣợc điểm là đòi hỏi phải có diện tích rộng. Phát sinh khí mêtan, H2S, mùi hôi,... ảnh hƣởng tới môi trƣờng xung quanh.
b. Hệ thống hồ kị khí - hồ làm thoáng
Công nghệ xử lý theo hệ thống này thƣờng đƣợc áp dụng với loại nƣớc thải có nồng độ BOD khoảng 2.000 mg/l, thích hợp cho nhà máy chế biến mủ nƣớc. Về cơ bản hoạt động của hệ thống này tƣơng tự nhƣ hồ kị khí - hồ tùy nghi, nhƣng ƣu việt hơn là hồ tùy nghi đƣợc thay thế bằng hồ làm thoáng. Oxy đƣợc cung cấp vào hệ thống bằng các phƣơng tiện cơ giới nhƣ thiết bị làm thoáng bề mặt. Sự tăng cƣờng oxy, nâng cao hiệu quả xử lý dẫn đến rút ngắn thời gian lƣu trong hồ. Kết quả là kích thƣớc hồ làm thoáng nhỏ hơn hồ tùy nghi. Thời gian lƣu nƣớc lý tƣởng cho hồ làm thoáng là 4 ngày. Sau hồ làm thoáng thƣờng bố trí thêm các hồ lắng, nhằm tạo điều kiện cho chất rắn lắng tụ và quá trình tạo sinh khối. Thời gian lƣu nƣớc trong hồ lắng khoảng 3 ngày. Ƣu điểm của hệ thống là hiệu quả xử lý BOD rất cao từ 95% đến 98%, cần ít diện tích đất xử lý so với hệ thống hồ kị khí - hồ tùy nghi. Nhƣợc điểm là chi phí vận hành lớn hơn so với hệ thống hồ kị khí - hồ tùy nghi do sử dụng thiết bị làm thoáng tiêu tốn năng lƣợng.
c. Hệ thống hồ làm thoáng
Hệ thống này thích hợp cho xử lý nƣớc thải có nồng độ COD nhỏ hơn 1.000 mg/l. Đặc điểm của hồ có độ sâu khoảng 3 m. Tỷ lệ chiều dài/chiều rộng tối thiểu là 2:1. Thời gian lƣu nƣớc trong hồ là 4 ngày. Hồ đƣợc cung cấp oxy nhờ các thiết bị làm thoáng bề mặt. Chất thải hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật có mặt trong bùn. Bùn chứa hệ vi sinh vật phức tạp bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm, động vật nguyên sinh, vi tảo... Vai trò cơ bản của các vi sinh vật là làm sạch nƣớc. Quá trình sinh học
diễn ra trong môi trƣờng hiếu khí là chất hữu cơ hòa tan trong nƣớc thải đƣợc các loại vi sinh vật oxy hóa tổng hợp tế bào mới và tạo thành NO3
- .
Nƣớc thải sau hồ làm thoáng có nồng độ chắt rắn lơ lửng lớn khoảng 900mg/l. Do đó đƣợc tiếp tục xử lý ở hồ hoàn thiện. Thời gian lƣu nƣớc trong hồ là 3 ngày. Thể tích hồ khoảng 3500 m3
. Hiệu quả xử lý loại BOD khoảng 50%, SS 80%. Chất lƣợng nƣớc thải sau khi xử lý đạt cao hơn hệ thống hồ làm thoáng ở trên.
d. Hệ thống mƣơng oxy hóa
Công nghệ này thƣờng áp dụng cho nƣớc thải có nồng độ BOD khoảng 1.500mg/l. Đặc điểm của hệ thống mƣơng oxy hóa là có quá trình làm thoáng kéo dài và cƣờng độ cao hơn so với bể làm thoáng thông thƣờng. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý làm thoáng mở rộng, sử dụng các thiết bị làm thoáng đặt nằm ngang. Nƣớc thải lƣu thông trong hồ hình bầu dục ở tốc độ 30 cm/s. Thiết bị làm thoáng cung cấp oxy để thực hiện quá trình phân hủy hiếu khí. Trong một số trƣờng hợp ngƣời ta sục khí nén trực tiếp vào nƣớc thải thay thiết bị làm thoáng. Nguyên tắc xử lý là phản ứng phân hủy hiếu khí đƣợc thực hiện bởi các vi sinh vật chứa trong bùn hoạt tính. Quá trình phân hủy đƣợc thực hiện giống nhƣ hồ làm thoáng. Sự khác biệt là bùn hoạt tính có số lƣợng và mật độ lớn hơn, nồng độ MLSS lên đến 4.000 mg/l. Tỷ lệ F/M dao động trong khoảng 0,05 đến 0,1. Các chất hữu cơ đƣợc phân hủy nhanh và cho hiệu suất xử lý cao, chỉ trong một vài giờ tải lƣợng ô nhiễm hữu cơ có thể giảm xuống từ 60% đến 80%. Quá trình vận hành có sự tuần hoàn bùn để duy trì ổn định nồng độ MLSS. Hiệu quả quá trình xử lý BOD đạt đến 90% - 96%. Bùn thu đƣợc sẽ đƣợc ép hết nƣớc và sử dụng làm phân bón. Ƣu điểm của hệ thống là làm việc ổn định. Khi vận hành ít mùi hôi. Kích thƣớc công trình xử lý nhỏ thích hợp đối với nhà máy gần khu dân cƣ, những nơi có sự hạn chế về đất đai. Nhƣợc điểm là khả năng chịu sự biến đổi đột ngột tải trọng kém và tiêu tốn nhiều năng lƣợng. Chi phí vận hành và bảo trì lớn.
e. Hệ thống UASB
Bể UASB là một bể xử lý với lớp bùn dƣới đáy, có hệ thống tách và thu khí, nƣớc ra ở phía trên. Khi nƣớc thải đƣợc phân phối từ phía dƣới lên sẽ đi qua lớp bùn, các vi sinh vật kỵ khí có mật độ cao trong bùn sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong nƣớc thải. Bên trong bể UASB có các tấm chắn có khả năng tách bùn bị lôi kéo theo nƣớc đầu ra. Về đặc điểm, cả ba quá trình phân hủy - lắng bùn - tách khí đƣợc lắp đặt trong cùng một công trình. Sau khi hoạt động ổn định trong bể UASB hình thành loại bùn hạt có mật độ vi sinh rất cao, hoạt tính mạnh và tốc độ lắng vƣợt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Cơ chế phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm các giai đoạn chủ yếu sau [16]
- Giai đoạn 1 - Giai đoạn thuỷ phân: Dƣới tác dụng của các enzim hyđrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp có phân tử lƣợng lớn nhƣ protein, gluxit, lipit,…. đƣợc phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lƣợng nhỏ nhƣ đƣờng, peptit, glyxerin, axit amin, axit béo…. Trong giai đoạn thuỷ phân, phần lớn các hợp chất gluxit đƣợc phân huỷ nhanh, các hợp chất protein đƣợc phân huỷ chậm hơn, các hợp chất hữu cơ phân tử lƣợng lớn nhƣ xenlulo thƣờng đƣợc phân huỷ chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp.
- Giai đoạn 2 - giai đoạn lên men axit hữu cơ: Các sản phẩm thuỷ phân sẽ đƣợc các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá, các sản phẩm thuỷ phân sẽ đƣợc phân giải yếm khí tiếp tục tạo thành axit hữu cơ phân tử lƣợng nhỏ nhƣ axit propionic, axit butyric, axetic, … các rƣợu, anđehit, axeton và cả một số axit amin. Đặc biệt trong giai đoạn này các axit amin hình thành trong thuỷ phân protein cũng sẽ đƣợc khử amin, một phần các amin (- NH2) đƣợc vi sinh vật sử dụng cho sinh trƣởng và phát triển, phần còn lại trong nƣớc thải đƣợc chuyển hoá thành amon NH4
+
. Thành phần của các sản phẩm lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi
trƣờng. Trong giai đoạn này BOD5 và COD giảm không đáng kể nhƣng pH của môi trƣờng có thể giảm mạnh.
- Giai đoạn 3 - Giai đoạn lên men tạo axit axetic: Các sản phẩm lên men phân tử lƣợng lớn nhƣ axit béo, axit lactic sẽ đƣợc từng bƣớc chuyển hoá đến axit axetic:
3CH3-CHOH-COOH 2CH3-CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + 2H2O axit lactic axit propionic axit axetic
Các axit béo phân tử lƣợng lớn đƣợc cắt từng bƣớc tại nguyên tử C_ : Rn- CH2- CH2- COOH Rn-1- COOH + CH3-COOH axit béo axit béo mạch ngắn hơn axit axetic
Mùi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do các sản phẩm trao đổi chất đƣợc hình thành đặc biệt từ quá trình phân giải Protein và các axit amin: H2S, Inđol, scatol và mercaptan. Trong phân giải yếm khí, dƣới tác dụng của các ezim bùn thƣờng có màu đen. Quá trình khí hoá dễ làm cho bùn nổi thành màng do khí thoát ra kéo thoe sinh khối. - Giai đoạn 4 - Giai đoạn metan hoá: Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý yếm khí, nhất là khi xử lý yếm khí thu biogas. Hiệu quả xử lý sẽ cao khi các sản phẩm trung gian đƣợc khí hoá hoàn toàn.
Dƣới tác dụng của các vi khuẩn lên men metan, các axit hữu cơ bị decacboxyl hoá tạo khí metan. Trong xử lý yếm khí khí metan đƣợc tạo thành tlợn 2 cơ chế chủ yếu là khử CO2 và decacboxyl hoá.
+ Decacboxyl hoá: Khoảng 70% CH4 đƣợc tạo thành do decacboxyl hoá axit hữu cơ và các chất trung tính
CH3-COOH CH4 + CO2 4 CH3- CH2- COOH 7CH4 + 5CO2 2CH3-(CH2)2-COOH 5CH4 + 3CO2 2CH3- CH2OH 3CH4 + CO2 CH3-CO- CH3 2CH4 + CO2 + Khử CO : Khoảng 30% CH đƣợc tạo thành do khử CO 2H2O 2H2O H2O
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
CO2 CH4 + 2H2O
Trong giai đoạn này, các sản phẩm chậm hoặc khó phân giải nhƣ xenluloza, axit béo phân tử lƣợng lớn tiếp tục bị phân huỷ và tạo ra rất nhiều khí CO2 và CH4, pH của môi trƣờng tăng và chuyển sang kiềm nhẹ. Các ion amin của môi trƣờng tác dụng với CO2 tạo ra muối cacbonat làm cho môi trƣờng có tính đệm [16].
f. Hệ thống bùn hoạt tính (màng biofilm) kết hợp với tháp khử nitơ
Đây là công nghệ cải tiến thích hợp cho các đơn vị chế biến mủ cao su có diện tích xử lý hạn hẹp. Để áp dụng có hiệu quả công nghệ này, nƣớc thải trƣớc tiên đƣợc tách tối đa lƣợng cao su còn lại trong nƣớc thải bằng các biện pháp nhƣ: lắng, gạn mủ, tuyển nổi. Theo công nghệ này, nƣớc thải chế biến mủ cao su đƣợc thu vào bể gạt mủ, tại đây chất thải sẽ bị xử lý nhờ quá trình trọng lực, các loại mủ sẽ nổi lên và đƣợc vớt thủ công ra ngoài. Sau đó, nƣớc thải đƣợc đƣa sang bể điều hòa sau khi qua song chắn rác tinh nhằm giữ lại các hạt cặn có kích thƣớc nhỏ hơn.
Bể điều hòa có nhiệm vụ điều hòa lƣu lƣợng cũng nhƣ nồng độ các chất bẩn có trong nƣớc thải cho các công trình xử lý phía sau. Nƣớc thải trong bể điều hòa có thể đƣợc trộn đều bằng khí hoặc khuấy trộn cơ khí, đồng thời phân hủy ít lƣợng chất bẩn (từ 5 - 10% COD). Từ bể điều hòa 2, nƣớc thải đƣợc bơm lên bể keo tụ, tại bể keo tụ, phèn sẽ đƣợc bơm định lƣợng vào nhằm tạo phản ứng, xảy ra quá trình keo tụ, liên kết các hạt chất bẩn thành dạng huyền phù, tiếp theo đƣợc bơm định lƣợng vào bể tạo bông, hóa chất polymer đƣợc châm vào, các bông cặn hình thành sẽ liên kết với nhau thành khối lớn hơn nhờ hóa chất này. Sau bể tạo bông, nƣớc thải chảy vào bể tuyển nổi, nƣớc thải tại đây đƣợc trộn chung với khí từ dƣới lên tạo thành hỗn hợp, nƣớc nổi từ dƣới lên, tách cách bông cặn từ quá trình tạo bông, giảm lƣợng chất hữu cơ, tạo hiệu quà cho các quá trình sau.
Sau tuyển nổi, nƣớc thải chảy vào bể trung gian rồi đƣợc bơm định lƣợng vào tháp khử Nitơ nhằm giảm bớt lƣợng Nitơ. Từ tháp khử Nitơ, nƣớc thải sẽ đƣợc dẫn qua trình xử lý sinh học tiếp theo là bể Biochip MBBR. Tại đây có các giá thể động với diện tích bề mặt rất lớn do đó làm tăng nồng độ bùn trong bể. Hỗn hợp bùn nƣớc và giá