CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH SẢN XUẤT MÍA ĐƯỜNG
2.4. Phương pháp xử lý sinh học
Các chất hữu cơ ở dạng keo, huyền phù và dung dịch là nguồn thức ăn của vi sinh vật. Trong quá trình hoạt động sống, vi sinh vật oxy hóa hoặc khử các hợp chất hữu cơ này, kết quả là làm sạch nước thải khỏi các chất bẩn hữu cơ.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí: q trình xử lý nước thải được dựa trên sự oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải nhờ oxy tự do hòa tan. Nếu oxy được cấp bằng thiết bị hoặc nhờ cấu tạo cơng trình, thì đó là q trình sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo. Ngược lại, nếu oxy được vận chuyển và hòa tan trong nước nhờ các yếu tố tự nhiên thì đó là q trình xử lý sinh học hiếu khi trong điều kiện tự nhiên.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí: q trình xử lý được dựa trên cơ sở phân hủy các chất hữu cơ giữ lại trong cơng trình nhờ sự lên men kỵ khí. Đối với các hệ thống thốt nước quy mơ vừa và nhỏ, người ta thường dùng các cơng trình kết hợp với việc tách cặn lắng với phân hủy yếm khí các chất hữu cơ trong pha rắn và pha lỏng.
2.4.1. Bể bùn kỵ khí dịng chảy ngược - UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor)
Bể UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy cơng nghiệp thực phẩm.
26
Hình 2. 4: Cấu tạo bể UASB
Bể chia làm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men.
Trong bể diễn ra 2 quá trình: Lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại. Khí metan được tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí - lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này, bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ có trong nước thải và q trình phân hủy xảy ra tích cực. Nhờ các vi sinh
27 vật có trong bùn hoạt tính mà các chất bẩn trong nước thải, đi từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể, các vi sinh vât liên kết nhau và hình thành các hạt bùn đủ lớn đủ nặng để khơng bị cuốn trơi ra khỏi bể. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu CH2 và CO2) sẽ tạo ra dịng tuần hồn cục bộ, giúp cho việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Các bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên tạo thành hỗn hợp phía trên bề mặt. Khi va phải lớp lưới chắn phí trên, các bọt khí vỡ ra và tạo thành các hạt bùn được tách ra khỏi hỗn hợp lại lắng xuống dưới. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, vận tốc dòng nước hướng lên phải giữ ở khoảng 0,6 - 0,9 m/h.
Bùn được xả ra khỏi bể UASB từ 3 - 5 năm/lần nếu nước thải đưa vào đã qua bể lắng I, hoặc 3 - 6 tháng/lần nếu nước thải đưa vào xử lý trực tiếp. Bể được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao.
Ưu điểm: Chi phí đầu tư, vận hành thấp, lượng hóa chất cần bổ xung ít, khơng địi hỏi cấp khí, do đó ít tiêu hao năng lượng, có thể thu hồi, tái xử dụng năng lượng từ biogas, lượng bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao, giảm diện tích cơng trình.
Khuyết điểm:
+ Giai đoạn khởi động kéo dài.
+ Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động. + Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại.
+ Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động. 2.4.2. Q trình sinh học hiếu khí
Nguyên tắc của công nghệ này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải có đầy đủ oxy hịa tan ở nhiệt độ, pH ... thích hợp. Q trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể miêu tả bằng sơ đồ sau:
28 Trong điều kiện hiếu khí NH4+
và H2S cũng bị phân hủy nhờ q trình nitrat hóa, sunfat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng:
NH4+ + 2O2→ NO3 -
+ 2H+H2O + ∆H; H2S + 2O2 → SO42- + 2H+ + ∆H
Hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí gồm các q trình dinh dưỡng: vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các nguyên tố khoáng vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản.
Quá trình phân hủy: vi sinh vật oxi hóa các chất hữu cơ hịa tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác.
So với cơng nghệ kỵ khí thì cơng nghệ hiếu khí có các ưu điểm là những hiểu biết về quá trình xử lý đầy đủ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn. Công nghệ hiếu khí khơng gây ơ nhiễm thứ cấp như phương pháp hóa học, hóa lý.
Q trình sinh học hiếu khí: Thực chất q trình phân hủy chất bẩn hữu cơ bằng công nghệ sinh học hiếu khí là q trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là CO2, H2O, NO3-
, và SO4 2-. Cũng như xử lý kỵ khí, khi xử lý các chất bẩn phức tạp như protein, tinh bột, chất béo... Sẽ bị thủy phân bởi các men ngoại bào cho các chất đơn giản là axit amin, các axit béo, các axit hữu cơ, các đường đơn... Các chất đơn giản này sẽ thấm qua màng tế bào và bị phân hủy tiếp tục hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi q trình hơ hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.
Cơ chế xử lý hiếu khí gồm 3 giai đoạn.
- Giai đoạn 1: Oxy hóa tồn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào
CxHyOZN + (x+y/4+z/3+¾)O2 → xCO2 + [(y-3)/2]H2O +NH3 - Giai đoạn 2: (q trình đồng hóa) - tổng hợp để xây dựng tế bào
29 - Giai đoạn 3:(q trình dị hóa) - hơ hấp nội bào
C5H7NO2 + 5O2 → xCO2 + H2O NH3 + O2→ O2 +HNO2 → HNO3
Khi khơng có đủ cơ chất, q trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxy hóa chất liệu tế bào. Các yếu tố ảnh hưởng liên quan q trình phân hủy sinh học Q trình hiếu khí chịu ảnh hưởng nồng độ bùn hoạt tính tức phụ thuộc vào chỉ số bùn. Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào cơng trình xử lý càng lớn hoặc ngược lại. Nồng độ oxy cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này. Khi tiến hành quá trình cần phải cung cấp đầy đủ lượng oxy vào liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II ≥ 2(mg/l) khác với q trình xử lý kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua Aerotank có BOD tồn phần phải ≤ 1000 (mg/l) cịn trong bể lọc sinh học thì BOD tồn phần của nước thải ≤ 500 (mg/l).
Ngồi ra trong nước thải cũng cần có đủ các nguyên tố vi lượng như K, Na, Mg, Ca, Mn, Fe, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl... thường có đủ trong nước thải. Tùy theo hàm lượng cơ chất trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ dinh dưỡng cần thiết là khác nhau.
Thông thường cần duy trì nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp: BODtồn phần:N:P = 100:5:1 hay COD:N:P = 150:5:1. Nếu thời gian xử lý là 20 ngày thì giữ ở tỷ lệ: BOD tồn phần: N: P = 200:5:1. Bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ muối các kim loại nặng. Khi đó hoạt tính sinh học của bùn giảm, bùn sẽ bị trương phịng khó lắng do sự phát triển mãnh liệt của vi khuẩn dạng sợi. Vì vậy nồng độ các chất độc và các kim loại nặng phải nằm trong giời hạn cho phép, pH và nhiệt độ môi trường là các yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xử lý sinh học nước thải. Mỗi loại men khác nhau sẽ có một pH tối ưu khác nhau. Cùng một loại men nhưng thu được từ các nguồn khác nhau sẽ có pH tối ưu khác nhau. Giá trị pH tối ưu cho đa số vi sinh vật từ 6,5 - 8,5, pH 9 sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào, vi sinh vật sẽ chết. Mỗi loại gen khác nhau sẽ có nhiệt độ tối thích khác nhau. Nhiệt độ này khơng phải hằng số mà
30 phụ thuộc vào cơ chất, pH, nồng độ men, chủng men. Nước thải có nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật tối ưu từ 25 - 37 oC hoặc từ 20 - 80 oC, tối ưu từ 25 oC - 35 oC. Men từ thực vật có nhiệt độ thích hợp từ 50 - 60 oC, men từ động vật từ 40 - 50 oC.
Ngồi ra, q trình xử lý hiếu khí cịn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượng chất lơ lững chảy vào bể xử lý cũng như các loại vi sinh vật và cấu trúc các chất bẩn hữu cơ.
2.4.3. Bể Aerotank
Bể Aerotank Aerotank được phân loại theo nhiều cách: chế độ thủy động lực dòng chảy vào, chế độ làm việc của bùn hoạt tính, cấu tạo bể Aerotank.
Hình 2. 5: Cấu tạo bể Aerotank
Nguyên lý làm việc của bể aerotank: Ngun lý 1: Q trình oxy hóa chất hữu cơ.
31 Ở q trình này, bùn hoạt tính sẽ sinh sơi, phát triển khá nhanh chóng. Tốc độ oxy hóa sẽ tỷ lệ thuận với lượng oxy tiêu thụ. Đồng nghĩa với việc, lượng dinh dưỡng đến từ chất thải khá cao. Tương đương với sự phát triển của vi sinh cũng cao.
Có thể diễn giải bằng phương trình hóa học sau:
CxHwOz + NH3 + O2 – Enizyme => CO2 + H2O + C5H7NO2 + H
Nguyên lý 2: Quá trình tổng hợp tế bào mới.
Đến giai đoạn này, thì những vi sinh trong bể Aerotank đã phát triển ổn định hơn. Và lượng oxy tiêu thụ không quá lớn. Tại đây, chất thải hữu cơ được xử lý nhanh chóng, và hiệu quả nhất. Bùn hoạt tính cũng đạt đến mức cao nhất.
CxHwOz + NH3 + O2 – Enizyme => CO2 + H2O + C5H7NO2 + H
Nguyên lý 3: Quá trình phân hủy nội bào.
Đến thời điểm này, mức độ tiêu thụ oxy lại tăng lên khá cao. Và theo nguyên lý vận hành của bể Aerotank. Thì đây là lúc Nitrat hóa các muối Amoni. Nhưng sau khi kết thúc, thì lượng Oxy lại hạ xuống.
C5H7NO2 + 5O2 – Enizyme => 5CO2 + 2H2O + NH3 + H
32
Ưu điểm:
Loại bỏ được các chất thải hữu cơ do nhà máy thải ra. Giúp giảm thiểu được mùi khó chịu của chất thải đó. Điều đó có nghĩa là có lợi cho mơi trường rồi đó.
Ổn định lượng bùn, loại bỏ đến 97% chất rắn lơ lửng có trong bể
Nhược điểm:
Đối với những nhân viên trực tiếp vận hành bể. Phải được đào tạo bài bản về mặt chun mơn.
Bể cịn có tên gọi khác là hiếu khí. Nên sẽ gây tổn thất năng lượng để cung cấp cho khí. Loại bể này cũng khơng loại bỏ được chất dinh dưỡng.
Bể SBR
Hình 2. 7: Quy trình hoạt động bể SBR
Bể SBR là bể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo quy trình phản ứng từng mẻ liên tục. Quy trình này tuần hồn với chu kỳ thời gian sinh trưởng gián đoạn mà khả năng thích ứng với một sự đa dạng của q trình bùn hoạt tính – như là
33 khuấy trộn hồn chỉnh theo lối thơng thường, tháo lưu lượng, tiếp xúc ổn định và các chu trình sục khí kéo dài. Mỗi bể SBR một chu kỳ tuần hồn bao gồm "LÀM ĐẦY", "SỤC KHÍ", "LẮNG", "CHẮT", và "NGHỈ". Bởi thao tác vận hành như trường hợp gián đoạn này, cũng có nhiều khả năng khử nitrit và phốtpho. Phản ứng bể SBR không phụ thuộc đơn vị xử lý khác và chúng hoạt động liên tục trong chu trình đem lại nhiều lợi ích kinh tế.
Chu trình SBR thơng thường, không gây vướng cho các bọt khí mịn ra khỏi màng đĩa phân phối được dùng cung cấp nhu cầu oxy từ máy thổi khí cho sự sinh trưởng của vi khuẩn. Tốc độ quay chậm của quạt gió và của thiết bị trộn chìm được xem như cách thay đổi luân phiên khác của thiết bị thổi khí cho quy trình SBR. Quy trình thay đổi luân phiên trong bể SBR không làm mất khả năng khử BOD trong khoảng 90 – 92%.
Ví dụ, phân huỷ yếm khí, q trình tiếp xúc yếm khí, lọc yếm khí, lọc tiếp xúc, lọc sinh học nhỏ giọt, tiếp xúc sinh học dạng đĩa, bể bùn hoạt tính cổ truyền và hồ sinh học hiếu khí chỉ có thể khử được BOD khoảng 50 – 80%. Vì vậy, việc thay đổi luân phiên được theo sau giai đoạn khác như hệ thống truyền khí hay hệ thống oxy hồ tan. Hệ thống SBR yêu cầu vận hành theo chu kỳ để điều khiển quá trình xử lý.
Hoạt động chu kỳ kiểm sốt tồn bộ các giai đoạn của quy trình xử lý bao gồm: thời gian nước vào, thời gian sục khí, thời gian lắng và thời gian tháo nước. Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học.
Bể SBR hoạt động theo 5 pha:
Pha làm đầy ( fill ): thời gian bơm nước vào kéo dài từ 1-3 giờ. Dòng nước thải được đưa vào bể trong suốt thời gian diễn ra pha làm đầy. Trong bể phản ứng hoạt động theo mẻ nối tiếp nhau, tuỳ theo mục tiêu xử lý, hàm lượng BOD đầu vào, quá trình làm đầy có thể thay đổi linh hoạt: làm đầy –tĩnh, làm đầy – hịa trộn, làm đầy – sục khí.
34 Pha phản ứng, thổi khí ( React ): Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thống bề mặt để cấp oxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp. Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, thường khoảng 2 giờ. Trong pha phản ứng, q trình nitrat hóa có thể thực hiện, chuyển Nitơ từ dạng N-NH3 sangN-NO22-và nhanh chóng chuyển sang dạng N-NO3-
.
Pha lắng (settle): Lắng trong nước. Quá trình diễn ra trong môi trườngtĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100%. Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ.
Pha rút nước ( draw): Khoảng 0.5 giờ.
Pha chờ : Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành.
Các ưu điểm của quy trình SBR: - Kết cấu đơn giản và bền hơn.
- Hoạt động dễ dàng và giảm đòi hỏi sức người. - Thết kế chắc chắn.
- Có thể lắp đặt từng phần và dễ dàng mở rộng thêm. - Hiệu quả xử lý chất ô nhiễm cao.
- Cạnh tranh giá cài đặt và vận hành. - Khả năng khử được Nitơ va Photpho cao. - Ổn định và linh hoạt bởi thay đổi tải trọng.
35
2.5. Tổng quan về công ty xử lý mía đường TNHH Bourbon Gia Lai.
2.5.1. Vị trí địa lý.
Cơng ty TNHH mía đường Bourbon Gia Lai thành lập năm 1995 do tập đoàn BOURBON của Pháp liên doanh với Nhà Nước đầu tư.
Địa chỉ: 561 Trần Hưng Đạo, huyện Ayunpa, tỉnh Gia Lai.
Vị trí: Cơng ty tọa lạc trên quốc lộ 25 nối liền 2 tỉnh Gia Lai và tỉnh Phú Yên. Công ty nằm phái Đông Nam tỉnh Gia Lai, huyện Ayunpa, tỉnh Gia Lai. Huyện Ayunpa phía Tây Nam giáp huyện Chư Sê; phía Bắc giáp huyện An Khê; phía Đơng giáp tỉnh Phú Yên.
2.5.2. Quy mơ, diện tích cơng ty.
Tổng diện tích cơng ty: S = 100 000 m2
Diện tích hệ thống xử lý nước thải: S = 35 000 m2
Diện tích nhà xưởng sản xuất, phịng thí nghiệm, nhà kho: S = 13 000 m2 Diện tích vườn thực nghiệm: 47 000 m2
2.5.3. Đặc tính ngun liệu và sản phẩm của cơng ty. Đặc tính nguyên liệu.
Ngun liệu để sản xuất của cơng ty: Mía