ngoài nƣớc
1.3.3.1.Tình hình áp dụng trên thế giới
Trên thế giới số công trình xử lý nước thải áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí bao gồm cả UAF, FBABR và đặc biệt là UASB tăng lên rất nhanh từ cuối những năm 1980. Một thống kê so sánh về mức độ áp dụng thực tế của các loại hình thiết bị kỵ khí được trình bày như sau.
45
Bảng 1.11. Tình hình áp dụng công nghệ kỵ khí xử lý nước thải quy mô công nghiệp [1]
Nƣớc thải UASB UAF
Chưng cất rượu + +
Sản xuất đường từ củ cải đường +
Sản xuất rượu bia +
Hóa chất + +
Sản xuất axit citric +
Chế biến mứt kẹo +
Nước thải sinh hoạt + +
Sản xuất enzyme + Chế biến thủy sản + Sản xuất keo + Nước rỉ rác + + Chế biến thịt + Sản xuất phomat + +
Axit hữu cơ + +
Nhà máy giấy +
Sản xuất dược phẩm +
Sản xuất pectin +
Sản xuất phân bón +
Chế biến khoai tây + +
Lò mổ gia súc, gia cầm +
Nước giải khát + +
Sản xuất tinh bột + +
Phân hủy bùn nhiệt độ cao +
Chế biến đồ hộp rau quả +
46
1.3.3.2.Tình hình áp dụng ở Việt Nam
Trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp
Ở Việt Nam từ giai đoạn 1995 đến nay đã có rât nhiều nhà máy sản xuất áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí để xử lý nước thải như:
Bia Heineken, Hà Nội (UASB);
Sản xuất tinh bột mì, sắn, mì chính Vedan (UASB); Cao su Linh Lộc, Long Thành (UASB, UAF); …
Nói chung các bể UASB và UAF tại các nhà máy sản xuất thực phẩm và cao su đều đạt hiệu suất phân hủy hữu cơ cao từ 80 – 90%. Đối với nước thải lên men hiệu suất phân hủy hữu cơ chưa cao chỉ đạt khoảng 50%.
Tình hình áp dụng trong công nghệ kỵ khí với nước rỉ rác
Do chỉ số BOD và COD của nước rỉ rác có cường độ ô nhiễm rất cao và dao động trong một phạm vi lớn và có nguồn gốc tự nhiên nên viêc áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí cho việc xử lý nước rỉ rác là một điều tất yếu. Có rất nhiều các phương pháp khác nhau đã được áp dụng để nghiên cứu khả năng xử lý nước rỉ rác tươi như :
SMBR (Submersible Membrane Bioreactor);
SBR (Sequencing bioreactor);
Hồ sinh học;
Và các kỹ thuật kết hợp…
Tuy nhiên các kỹ thuật sinh học hiếu khí và các phương án khác nhau đều khó có thể áp dụng với tư cách là khâu loại bỏ hữu cơ chủ chốt vì chúng đòi hỏi
47
nhiều năng lượng cho quá trình cấp khí và mặt bằng rộng lớn. Các giải pháp công nghệ kỵ khí hiện đại được phát triển và hoàn thiện trong thập niên 80, 90 có lợi thế vì chúng cho phép vận hành hệ thống với một tải trọng hữu cơ lớn hơn nhiều lần và không đòi hỏi cấp khí.
Ở Việt Nam cho đến thời điểm hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu được thực thi và công bố về khả năng áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí được áp dụng cho việc xử lý nước rỉ rác như (Nguyễn Hồng Khánh, 1999), (Trần Minh Chí, 2000). Đã có nhiều các công trình xử lý nước rỉ rác công nghệ UASB và hồ sinh học kết hợp hóa lý được lắp đặt, nhưng đại đa số sau khi hoạt động một thời gian đều gặp những vấn đề trục trặc kỹ thuật lớn.
Tại bãi chôn lấp Gò Cát TP HCM, hệ thống xử lý nước rỉ rác do VERMEER (Hà Lan) thực hiện năm 2002 bao gồm công đoạn: UASB, AS, lọc áp lực và UF. Sau khi đi vào hoạt động, trong khoảng 1 tháng đầu, hệ thống cho kết quả rất tốt nhưng sau đó bắt đầu gặp trục trặc rất nhanh. Hiệu quả của bể UASB giảm sút nghiêm trọng dẫn tới các công đoạn xử lý sau cũng bị ảnh hưởng nặng nề và buộc phải dừng vận hành [3].
Tiếp đến hệ thống xử lý nước rỉ rác do CENTEMA thực hiện sau đó tại Gò Cát bao gồm: bể pha loãng, UASB, SRB hiếu khí, keo tụ, lắng và hồ sinh học có ưu điểm là hồ sinh học rất lớn nhưng bể UASB lại hoạt động với hiệu quả không cao.
Năm 2003 công trình của ECO thiết kế vận hành xử lý nước rỉ rác với nhiều công đoạn được xây dựng để xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải nhưng bể UASB đầu ra vẫn có hàm lượng COD tương đối cao 3000 mg/l.
Một hệ thống tương tự của CENTEMA cũng được xây dựng ở bãi chôn lấp Phước Hiệp, thay hồ sinh học bằng rừng trạm ngập nước để cho khâu hậu xử lý sinh học nhưng tới nay vẫn chưa có công bố đưa vào hoạt động.
Trạm xử lý nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn – Hà Nội được Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo và Tư vấn môi trường, Viện cơ học, Trung tâm Khoa học tự
48
nhiên và Công nghệ quốc gia kết hợp với Công ty Tư vấn cấp thoát nước số 2 nghiên cứu thiết kế xây dựng năm 2000. Sau khoảng 2 tháng vận hành trạm xử lý hoạt động hiệu quả thấp (bể UASB gặp vấn đề tê liệt rất nhanh) và sau khi đã có những điều chỉnh vẫn không hiệu quả nên dừng hoạt động để chờ hoàn thiện công nghệ.
Sau đó đã có một hệ thống sử dụng hồ sinh học được xây dựng (2006) để xử lý giải quyết lượng nước rỉ rác tồn đọng khá lớn của khu xử lý :
Nước rỉ rác Hồ sinh học Trạm bơm Hệ thống keo tụ Hệ thống hiếu khí/thiếu khí Hồ ổn định Xả ra ngoài.
Nhìn chung cho tới nay chỉ còn một số công trình đang hoạt động hoặc hoạt động với hiệu quả không cao và đều có một số điểm chung.
Hiệu suất phân hủy hữu cơ của hầu hết các công trình còn khá thấp sau cả hai giai đoạn kỵ khí và hiếu khí. Các số liệu chi tiết về công nghệ và hiệu quả của từng giai đoạn chưa được công bố.
Tuy nhiên hạn chế về mặt thông tin và đầu tư cho các hoạt động chương trình nghiên cứu chuyên sâu đóng một vai trò rất quan trọng. Công nghệ sinh học kỵ khí trong lĩnh vực xử lý nước thải nói chung và trong nước rỉ rác nói riêng với những ưu điểm đã được nêu trên và sự thích hợp của điều kiện khí hậu nhiệt đới của nước ta, xứng đáng được chú ý đầu tư nghiên cứu để có thể triển khai một cách hiệu quả [7].
49
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Đối tượng nước thải sử dụng cho nghiên cứu là nước rỉ rác từ bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ, nằm tại xã Kiêu Kỵ, huyện Gia Lâm, Hà Nội. Đây là bãi chôn lấp lớn thứ hai sau Khu liên hợp xử lý chất thải Nam Sơn của thành phố Hà Nội.Nước rỉ rác này đã được lưu trong thời gian 4 năm với nồng độ các chất ô nhiễm còn rất cao;
- Công nghệ bể UASB phản ứng sinh học kỵ khí thu biogas được lựa chọn là đối tượng nghiên cứu của đề tài.
Nước rỉ rác Kiêu Kỵ được lấy về chứa trong các thùng chứa tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển công nghệ môi trường – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sử dụng cho cả quá trình nghiên cứu. Tính chất của nước rỉ rác phụ thuộc rất nhiều vào thời gian lưu trữ, do vậy, trước mỗi đợt xử lý, cần lấy mẫu phân tích lại các thông số đầu vào.
Bảng 2.1. Kết quả một số thông số chính trong nước rỉ rác Kiêu Kỵ thô
TT Thông số Đơn vị Kết quả QCVN 25:2009/ BTNMT, cột B 1 BOD5 (20ºC) mg/l 1005 50 2 COD mg/l 3222 300 3 NH4+ mg/l 812 25 4 Tổng Photpho mg/l 26,6 - 5 pH - 8,2 -
50
Các thông số của nước rỉ rác trong bảng 2.1 cho thấy giá trị COD và TN rất cao, đặc biệt nồng độ amoni cao gấp 30 lần tiêu chuẩn cho phép. Tỷ lệ BOD5/COD bằng 0,31 cho thấy xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ không đạt tiêu chuẩn cho phép. Do vậy, cần có các bước xử lý hóa lý trước khi đưa vào hệ thống sinh học.
2.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp phân tích tổng hợp
Quá trình thực hiện đề tài cần thiết phải có sự tham khảo các tài liệu nghiên cứu trước đó để có cơ sở khoa học và giới hạn phạm vi nghiên cứu. Vì vậy, luận văn này đã tham khảo các tài liệu liên quan đến nước rỉ rác, công nghệ UASB, công nghệ bùn hoạt tính của nhiều tác giả trong và ngoài nước. Từ đó, phân tích và các thông tin hữu hiệu để sử dụng cho luận văn.
Phƣơng pháp chuyên gia
Tham vấn ý kiến của thầy cô hướng dẫn, thầy cô trong viện và các chuyên gia trong ngành môi trường và xử lý nước thải.
Phƣơng pháp kế thừa
Kế thừa các kết quả nghiên cứu và kinh nghiệm của các tác giả, các chuyên gia trong nước và ngoài nước.
Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực được tiến hành với mô hình hệ thống UASB quy mô phòng thí nghiệm. Các thông số ô nhiễm được phân tích tại phòng thí nghiệm theo các TCVN và tiêu chuẩn của phòng thí nghiệm (HDTN).
2.1.1. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của pH tới hiệu quả loại COD của bể UASB; - Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu nước (HRT) tới hiệu quả xử lý COD của bể UASB;
- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tải trọng COD đối với hiệu suất của bể UASB;
- Nghiên cứu chạy thử nghiệm với nước rỉ rác ở các nồng độ khác nhau qua đó đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ nước rỉ rác với hiệu quả xử lý COD của bể UASB.
51
2.2. Quy trình thực nghiệm
2.2.1. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ nghiên cứu và phƣơng pháp phân tích
* Hóa chất
Hóa chất xử lý hóa lý nước rỉ rác:
NaOH 20N, H3PO4 85%, MgCl2.6H2O (500g/l) để kết tủa MAP. Đồng thời, NaOH 20N sử dụng để kết tủa hóa học các ion kim loại nặng.
Chất keo tụ PAC (100 g/l), chất trợ keo PAA (10 mg/ml) để tiến hành keo tụ. NaOH 20N và H2SO4 98% để điều chỉnh pH.
Hóa chất phân tích các chỉ tiêu và cách pha hóa chất được chỉ rõ trong từng tiêu chuẩn phân tích.
* Thiết bị
Thiết bị vận hành hệ thống gồm có: hệ thống UASB, bơm nước thải, bơm tuần hoàn, túi thu khí, máy điều nhiệt, máy đo pH.
* Dụng cụ
Dụng cụ thí nghiệm: thùng đựng nước thải (220 l; 60 l), thùng nuôi bùn (20 l)
Dụng cụ phòng thí nghiệm: cốc thủy tinh 50 ml; 100 ml; 500 ml và 1.000 ml; bình tam giác 100 ml; bình định mức 25 ml; 50 ml và 100 ml; phễu thủy tinh; pipet 1 ml; 2 ml; 5 ml; 10 ml; 20 và 50 ml; buret 25 ml; cốc nhựa 100 ml; đũa thủy tinh.
* Phương pháp phân tích
COD: TCVN 6491:1999 Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxy hóa hóa học
BOD: TCVN 6001-1: 2008 Xác định nhu cầu oxy sinh hóa sau n ngày (BODn)
NH4+: HDTN 02:: Xác định Amoniac (NH4+) phương pháp lên màu trực tiếp với thuốc thử Nessler
NO3-: TCVN 6268:1997: Xác định NO3- bằng phương pháp cột khử Cadimi
NO2-: HDTN 05: Xác định NO2-
bằng phương pháp so màu
TKN: TCVN 5987: 1995 Chất lượng nước- Xác định nitơ Kendan (Kjeldahl)- Phương pháp sau khi vô cơ hóa với Selen
TP: TCVN 6202: 2008 Xác định tổng photpho- Phương pháp trắc phổ dùng amoni molipdat
52
pH: TCVN 6492: 2011 Chất lượng nước- Xác định pH
SS, MLSS: TCVN 6625: 2000 Chất lượng nước- Xác định chất rắn lơ lửng bằng cách lọc qua cái lọc sợi thủy tinh
Ghi chú: Tài liệu mã số HDTN nguồn Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2.2.2. Các bƣớc nghiên cứu
Thích nghi hệ bùn kỵ khí phục vụ nghiên cứu: Bùn kỵ khí được lấy từ nhà máy bia Hà Nội – KCN Mê Linh đem về nuôi bằng nguồn nước rỉ rác giả đã pha chế. Và từ đó tiến hành một số thí nghiệm với hệ thống mô hình thực nghiệm để khảo sát đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng tới bể UASB như pH, HRT, tải lượng COD.
Kết tuả amoni: Nước rỉ rác được lắng, gạn và tiến hành kết tủa amoni bằng phương pháp MAP (Magnesium – ammonium – phosphate). Công đoạn này được thực hiện để giảm nồng độ amoni cho công đoạn xử lý sinh học, bởi vì amoni có mặt ở nồng độ cao là một tác nhân gây ức chế sự phát triển của các vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học; hơn nữa khi tỷ lệ C/N trong nước rỉ rác thấp hoặc rất thấp sẽ gây khó khăn rất lớn cho quá trình xử lý sinh học dẫn tới nhiều công nghệ xử lý sinh học trở lên không hiệu quả hoặc gặp thất bại. Các chất tham gia kết tủa amoni hiệu quả nhất trong nước rỉ rác là MgCl2.6H2O và Na2HPO4. Tỷ lệ các chất dùng để kết tủa amoni là MgCl2.6H2O : NH4: Na2HPO4 = 1,1:1:1.
Công đoạn keo tụ: Công đoạn này được tiến hành như một công đoạn tiền xử lý cho đầu vào công đoạn xử lý sinh học. Loại và hàm lượng chất keo tụ và trợ keo tụ là PAC (2 - 2,5 g/l) và P (5mg/l). Keo tụ nhằm tách thành phần cặn không tan, đồng thời giảm bớt COD do nhôm hydroxit hình thành có khả năng hấp phụ một phần các thành phần trên.
Xử lý sinh học: Nước rỉ rác sau công đoạn keo tụ và kết tủa amoni được lắng, gạn và đưa vào xử lý sinh học trong bể phản ứng UASB. Đây là công đoạn xử lý chính và được tiến hành nghiên cứu theo các nội dung:
53
(1) Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của pH tới hiệu suất hoạt động của bể UASB chứa hệ bùn kỵ khí xử lý nước rỉ rác;
(2) Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của HRT đối với hiệu quả xử lý của bể UASB;
(3) Nghiên cứu đánh giá tải lượng COD tới hoạt động của bể UASB;
(4) Thử nghiệm chạy hệ thống với nguồn nước rỉ rác chưa qua tiền xử lý qua đó đánh giá về công nghệ có thể áp dụng.
54
2.2.3. Xử lý hóa lý trƣớc UASB
55
Nước rỉ rác Kiêu Kỵ có pH=8,2. Do đó, sử dụng dung dịch NaOH để điều chỉnh pH lên đến 11, do cân bằng sau sẽ chuyển dịch về phía tạo ra khí NH3 khi môi trường pH≥ 9,5:
NH4+ + OH- ↔ NH3 (↑) + H2O
Tiến hành sục khí đuổi NH3 ra khỏi nước thải trong 2 giờ. Sau quá trình đuổi khí, rút sục khí, tạo điều kiện cho quá trình kết tủa và lắng hydroxit kim loại xảy ra. Với các kim loại nặng đặc trưng của nước rỉ rác là Cu2+, Ni2+, Pb2+, Hg2+,… thì pH>9 rất thích hợp cho phản ứng kết tủa tạo hydroxit.
Sau khi kết tủa hydoxit lắng, rút phần nước trong ra, điều chỉnh pH xuống 8,5-9 bằng dung dịch H2SO4. Tiến hành hòa trộn hóa chất (dung dịch MgCl2.6H2O và H3PO4) vào nước thải và khuấy nhanh.Thời gian xảy ra phản ứng tạo kết tủa MAP rất nhanh (5-8 phút). Lượng hóa chất sử dụng được tính theo phương trình hóa học sau tùy thuộc vào nồng độ NH4+ đầu vào phân tích được:
Mg2+ + NH4+ + HPO42- + 6H2O → MgNH4PO4.6H2O (↓)
Trong quá trình phản ứng này, pH của nước rác giảm, cần đo pH và điều chỉnh bằng dung dịch NaOH. Để lắng kết tủa MAP trong thời gian 2 giờ rồi tiến hành rút nước trong, thu MAP. Phân bón MAP có thể được sử dụng để tưới cho cây trồng hoặc tận dụng cho quá trình xử lý nước thải bằng wetland.
Nước rác sau quá trình kết tủa MAP được tiến hành keo tụ dung PAC và chất trợ tạo bông là PAA. Tiến hành keo tụ theo các bước sau:
Khuấy trộn nước thải ở tốc độ cao, bổ sung chất keo tụ PAC, thời gian khuấy nhanh là 30 giây.
Tiếp theo là khuấy chậm trong 3 phút.
Bổ sung PAA và khuấy nhanh trong 30 giây, rồi khuấy chậm trong thời gian 5 phút.
Để các bông keo lắng, rút nước trong, kiểm tra pH và nồng độ các chất ô