giàu protein và chất béo bằng bể phản ứng kị khí dòng ngược UASB đa giai đoạn ưa nhiệt
Đây là một thí nghiệm tiến hành trong thời gian 600 ngày, được thực hiện bởi một nhóm nhà khoa học thuộc bộ phận kỹ thuật môi trường của trường kỹ thuật Nagaoka, tại Nhật Bản. Thí nghiệm được thực hiện tại nhà máy sản xuất bánh đậu từ hạt đỗ tương.
Thí nghiệm nhằm khám phá và kiểm tra hiệu quả xử lý của lò phản ứng UASB nhiều ngăn đối với nước thải của quá trình sản xuất thực phẩm có nồng độ lipid và protein cao.
Lò phản ứng UASB được hoạt động ở nhiệt độ 55 oC trong thời gian 600 ngày và được chia thành 4 giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất từ ngày 1 cho đến ngày thứ 75, giai đoạn thứ hai từ ngày thứ 76 đến ngày thứ 165, giai đoạn thứ ba bắt đầu từ ngày 169 đến ngày thứ 400, giai đoạn thứ tư là thời gian sau ngày thứ 400 (từ ngày thứ 401 đến ngày thứ 600).
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 35 --- Nước thải từ quy trình sản xuất bánh đậu sẽ được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho lò phản ứng UASB trong nghiên cứu này. Thành phần đặc trưng của nước thải được trình bày trong Bảng 3.
Thành phần Đơn vị Hàm lượng pH 5.4 Nhiệt độ oC 57 Tổng số 21.520 COD mg/l Hoà tan 14.240 Tổng số 10.300 BOD5 mg/l Hoà tan 6.730 Tỷ lệ C/N 8.9 SS mg/l 5.010 VSS mg/l 4.85 Tổng số 7.150 Protein mgCOD/l Hoà tan 3.280 Tổng số 6.670 Carbonhydrate mgCOD/l Hoà tan 6.610 Tổng số 6.440 Lipid mgCOD/l Hoà tan 2.940 Tổng số 890 Nitơ tổng mg/l Hoà tan 450 Khoáng mg/l K: 451, Ca: 436, Mg: 267, P: 37
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 36 --- Kết quả đạt được sau 600 ngày thí nghiệm như sau:
Trong giai đoạn thứ nhất, mặc dù, tải trọng COD đầu vào tương đối thấp (từ 2 đến 12 kgCOD/m3/ngày) nhưng hiệu quả xử lý vẫn không đạt yêu cầu. Chính vì vậy, nước đầu ra của lò phản ứng UASB được pha loãng với nước thải trực tiếp từ nhà máy và hoàn lưu trở lại thành nguyên liệu đầu vào của lò phản ứng.Trong suốt giai đoạn thứ nhất, bùn được nuôi dưỡng đây là quá trình khởi động của lò phản ứng UASB nhiều bậc (UASB – MS: Multi – Staged UASB)
Trong giai đoạn thứ hai, thay vì dùng nước đầu ra của lò phản ứng MS- UASB để pha loãng, nước được dùng để pha loãng nước thải. Kết quả, tải trọng COD đã có thể tăng đến 25 kg COD/m3/ngày với hiệu suất xử lý COD lên ngày đến 90%.
Đến giai đoạn thứ ba, nước đầu ra của lò phản ứng UASB – MS lại tiếp tục được hoàn lưu trở lại bồn khuấy trộn, giống như giai đoạn thứ nhất. Hiệu quả xử lý COD giảm đi trầm trọng, từ 80% đến 37%. Nguyên nhân là do sự hình thành lớp váng mỏng trong bồn khuấy trộn và lớp bùn, gây cản trở sự tiếp xúc giữa lớp bùn và nước thải. Sự có mặt của ion Mg2+ và ion Ca2+ trong nước thải kết hợp với lượng protein và lipid còn lại trong nước đầu ra của lò phản ứng UASB – MS là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này.
Để khắc phục tình trạng hình thành lớp váng mỏng, người ta đã ngừng việc hoàn lưu nước đầu ra từ lò phản ứng UASB – MS trở lại bồn khuấy trộn, thay vào đó, nước thải được pha loãng với nước. Kết quả đạt được là quy trình đã đi vào ổn định, tải trọng COD tăng lên 50 kg COD/m3/ngày với hiệu suất xử lý COD lên đến 90% đối với dòng nước thải được lọc và 60 – 70% đối với dòng nước thải không lọc, thời gian lưu nước được chấp nhận là 3,4 giờ và nồng độ COD là 7000 mg/l.
Như vậy, từ nghiên cứu này, có thể dễ dàng nhận thấy rằng việc dùng nước đầu ra từ lò phản ứng UASB – MS để pha loãng nước thải và hoàn lưu trở lại lò
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 37 --- phản ứng là không hiệu quả. Dùng nước để pha loãng nhằm đạt được nồng độ hàm lượng hữu cơ thích hợp trong nước thải cho lò phản ứng UASB – MS hoạt động là biện pháp tối ưu.
4.1.1.2. Xử lý nước thải từ quy trình chế biến tinh bột sắn bằng công nghệ UASB bằng công nghệ UASB
Thí nghiệm nhằm nghiên cứu khả năng xử lý nước thải từ quy trình sản xuất tinh bột sắn bằng công nghệ UASB, được thực hiện bởi giáo sư Ajit P.Annchhatre thuộc hội giáo sư kỹ thuật môi trường của Viện công nghệ Châu Á tại Thái Lan và kỹ sư Prasanna L.Amatya.
Quy trình chiết tinh bột bao gồm các giai đoạn như xử lý sơ bộ củ sắn (rửa, cắt bỏ chỗ hư hỏng…), cắt nhỏ, chiết tinh bột, sấy khô. Từ đó thải ra một lượng lớn nước thải.
Trong nghiên cứu này, nước thải được lấy từ một nhà máy sản xuất tinh bột sắn tại một tỉnh trung tâm của Thái Lan làm nguyên liệu đầu vào cho cột UASB. Tính chất đặc trưng của nước thải được thể hiện trong Bảng 4.
STT Thông số Đơn vị Hàm lượng Hàm lượng sau lọc
1 COD mg/l 13.500 – 25.000 12.500 – 24.550
2 TSS mg/l 2.200 – 4.000 540 – 1.280
3 TDS mg/l 6.000 – 8.000 5.500 – 7.800
4 pH 3.8 – 4.5 3.8 – 4.5
5 Độ đục NTU 280 32
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 38 --- Quy trình xử lý bao gồm: bể chứa nước thải, ống dẫn, bơm tuần hoàn, cột UASB với thể tích làm việc là 21,5 lít, cao 2,5 m và thiết bị thu gas. Bùn được sử dụng là bùn lấy từ bể xử lý nước thải kị khí. Đặc tính của hạt bùn được thể hiện trong Bảng 5.
Ngày Chiều cao lớp bùn (cm) VSS (mg/l) TSS (mg/l) VSS/TSS SMA (kgCH4–COD/kgVSS.ngày) 0 Bùn hạt 30.054 69.791 0.43 0.06 2 220 15.005 34.895 0.43 0.60 38 85 13.332 17.915 0.74 0.58 84 90 17.599 24.328 0.72 0.77 115 106 21.292 25.198 0.84 0.66
Bảng 5. Đặc tính của hạt bùn sử dụng trong cột UASB
Nước thải sau khi lắng để loại bỏ bớt chất rắn lơ lửng được pha loãng với nước và trung hoà bằng NaOH để điều chỉnh pH lên 7.0, tỷ lệ COD : N : P cũng được điều chỉnh bằng urea và KH2PO4 theo tỷ lệ 300 : 5 : 1. Sau đó, lượng nước thải này được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho cột UASB trong suốt giai đoạn khởi động (từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 43). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau giai đoạn khởi động, cột UASB đi vào hoạt động ổn định (từ ngày thứ 44 đến ngày thứ 115). Nước thải sau lắng được nạp trực tiếp vào cột UASB với tỷ lệ COD : N : P được duy trì theo tỷ lệ 600 : 5 : 1, pH = 7.0.
Trong giai đoạn khởi động, hoạt tính của bùn ban đầu rất thấp nên cột UASB hoạt động với nồng độ COD đầu vào khoảng 3.000 mg/l, vận tốc nước đi lên duy trì ở 0.4 m/h, tuy nhiên hiệu quả khử COD rất thấp khoảng 15 – 50%. Sau ngày
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 39 --- thứ 24, vận tốc nước đi lên được giảm xuống 0.24 m/h. Lượng biogas sinh ra thấp khoảng 30 l/ngày. Sau ngày thứ 25 hiệu quả xử lý tăng dần, nồng độ COD cũng được nâng lên khoảng 6.000 – 9.000 mg/l. Kết thúc giai đoạn khởi động, lượng biogas sinh ra đạt trên 100 l/ngày, hiệu quả khử COD lên đến 80% .
Sau ngày thứ 43, nước thải được nạp vào cột với nồng độ COD khoảng từ 12.000 – 24.000 mg/l. Kết quả được đánh giá là thành công với hiệu quả xử lý đạt gần 95%. Lượng biogas thu được trung bình từ 100 – 140 l/ngày, thỉnh thoảng đạt tới 170 l/ngày. Lượng CH4 chiếm khoảng 60 – 67% trong tổng lượng biogas thu được.
Với nghiên cứu này, nước thải được trãi qua giai đoạn lắng nhằm loại bỏ SS trước khi đưa vào xử lý chính thức và hiệu quả xử lý đạt được rất cao (95%). Chứng tỏ rằng việc loại bỏ SS trong nước thải đầu vào sẽ nâng cao hiệu quả xử lý
của cột UASB.
4.1.1.3. Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn thu Biogas bằng hệ thống UASB Biogas bằng hệ thống UASB
Đây là một nghiên cứu khác tại Việt Nam, cũng nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả khử COD trong quá trình xử lý nước thải của quá trình sản xuất tinh bột từ sắn củ bằng công nghệ UASB.
Nghiên cứu này do PGS.TS Nguyễn Thị Sơn và kỹ sư Nguyễn Thị Thu Hà thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Môi Trường, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội thực hiện năm 2004.
Thiết bị UASB pilot được chế tạo bằng thuỷ tinh hữu cơ có dung tích 38 lít, cấu tạo gồm 4 khoang: khoang nạp nhiên liệu, khoang chứa bùn, khoang khí hoá và chụp thu biogas.
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 40 --- Nước thải dùng cho nghiên cứu lấy tại cơ sở sản xuất tinh bột sắn quy mô lớn tại Dương Liễu – Hoài Đức – Hà Tây. Nước thải có COD = 9.400 – 12.394 mg/l; BOD = 4.212 – 7.200 mg/l; pH = 3.8 – 4.8.
Các yếu tố được khảo sát là pH và thời gian lưu (Hydrraulic Retention Times – HRT). Kết quả nghiên cứu được thể hiện trong các bảng sau:
Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả xử lý
pH vào pH ra COD vào (mg/l) COD ra (mg/l) Tổng Biogas (l/ngày) Hiệu quả xử lý (%) 4.2 6.9 10.826 912 35 91.57 5.5 7.2 10.650 659 42 93.80 6.0 7.4 10.359 425 45 95.90
Bảng 6: Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả xử lý
Kết quả nghiên cứu ở Bảng 6 cho thấy với thời gian lưu là 84 giờ, hiệu quả khử COD và hiệu quả khí hoá đều tăng khi pH được điều chỉnh từ 4,2 (không điều chỉnh) lên 5,5 và 6. Ở pH = 4,2 hiệu quả xử lý chỉ đạt 91,57%, trong khi ở pH = 6,0 hiệu quả đạt tới 95,27%. Như vậy, có thể thấy hiệu quả xử lý tăng lên rõ rệt khi điều chỉnh pH dòng vào lên 6,0.
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH --- 41 --- HRT (giờ) Lưu lượng (l/ngày) pH vào pH ra COD vào (mg/l) COD ra (mg/l) Tổng Biogas (l/ngày) Hiệu quả xử lý (%) 84 10 6.0 7.4 10.359 425 45 95.90 72 12 5.7 7.4 11.200 313 75 97.22 55 15 5.8 7.3 11.121 342 78 96.92 48 17.5 5.9 7.1 11.307 490 80 96.0 42 20 5.9 7.1 11.549 652 91.6 94.4
Bảng 7. Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý
Bảng 7. thể hiện thí nghiệm được tiến hành ở lưu lượng dòng vào 10; 12; 15; 17,5 và 20 l/ngày ứng với thời gian lưu là 84; 72; 55; 48 và 42 giờ, pH được điều chỉnh ở 5,7 – 5,9. Kết quả cho thấy, khi giảm thời gian lưu từ 84 giờ xuống 48 giờ hiệu quả xử lý biến động không lớn (1,22%). Thời gian lưu 72 giờ cho hiệu quả xử lý cao nhất, nhưng khi tiếp tục rút ngắn thời gian lưu, COD dòng ra tăng dần (490 đến 652 mg/l), pH giảm nhẹ xuống đến 7,1. Điều đó chứng tỏ thời gian lưu dần tiến tới giới hạn.
Kết quả trên khẳng định pH là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của cột UASB. pH tiến về trung tính sẽ là điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh đồng thời nâng cao hiệu quả xử lý.
Cùng với pH, thời gian lưu cũng đóng một vai trò to lớn đến khả năng xử lý của cột UASB. Thời gian lưu quá dài sẽ dẫn đến việc lãng phí thời gian. Thời gian lưu quá ngắn, vi sinh chưa kịp phân huỷ tối đa lượng chất hữu cơ có trong nước thải. Cả hai trường hợp đều tác động không tốt đến hiệu quả xử lý. Việc lựa chọn một thời gian lưu phù hợp với loại nước thải sẽ đem lại một kết quả tối ưu cho công tác xử lý.
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 42 --- 4.1.2. Lựa chọn các thông số
Từ những tham khảo trên cùng với những kiến thức cơ bản về phương pháp xử lý nước thải ứng dụng công nghệ UASB, ta có thể lựa các thông số cho quá trình hoạt động của cột UASB như sau:
Kích thước cột UASB: Cột hình trụ, chiều cao 1000 mm, đường kính 116 mm, thể tích làm việc 10 lít
Lưu lượng: 10 l/ngày
Thể tích bùn: Lượng bùn cho vào cột UASB sẽ chiếm 40% thể tích cột. Lượng bùn thấp hơn 40% sẽ không đáp ứng đủ nhu cầu xử lý. Lượng bùn cao hơn 40% thể tích cột, hiện tượng trào bùn có thể xảy ra gây giảm hiệu quả xử lý và bất lợi trong công tác vận hành.
RHT: Thời gian lưu được chọn là 24 giờ Vận tốc dâng nước: 0,042 m/h (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
pH: 5,50 – 6,50