Hình 3.4. Bùn hạt và bọt khí hình thành với q trình khởi động bằng nhân kỵ khí bia
Sau khi khởi động hệ thành công, tiến hành thực nghiệm với các thơng số và qui trình thí nghiệm như đã nêu ở bảng 2.2, lấy mẫu phân tích, theo dõi thu thập số liệu và kết quả phân tích.
3.2.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ UASB trong 3 giai đoạn xử lý 3 giai đoạn xử lý
a) Độ kiềm tổng và VFA
Axit béo dễ bay hơi là yếu tố ảnh hưởng đến q trình phân hủy kị khí trong hệ UASB. Qua hình 3.5 thấy rằng, trong suốt quá trình thực nghiệm, hàm lượng VFA dao động trong khoảng 370 – 533 mg/L, trung bình là 459 mg/L, hàm lượng
UASB trong khoảng từ 1370 - 2050 mgCaCO3/L nên đã trung hòa bớt được lượng axit yếu sinh ra trong quá trình ait hóa. Do đó pH của hệ UASB ln dao động trong khoảng 6,6 -7,5. Với khoảng pH như thế này là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật sinh metan hoạt động.
Hình 3.5. Mối liên hệ giữa độ kiềm tổng và VFA trong hệ UASB
b) pH, nhiệt độ
Nhiệt độ và pH cũng là 2 yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ UASB. Nhiệt độ của hệ phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài, nhiệt độ của
hệ dao động trong khoảng 29 - 32 0C là điều kiện lý tưởng cho vi khuẩn metan ưa
ấm phát triển. pH đầu vào được điều chỉnh ở mức 7,4 - 7,6, một mặt là khoảng pH tối ưu cho vi khuẩn kỵ khí phát triển, mặt khác góp phần tạo cho hệ có tính đệm tốt tránh tình trạng pH giảm đột ngột do q trình axit hóa trong hệ.
3.2.3. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD của 3 giai đoạn xử lý đoạn xử lý
a) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD
Tải trọng hữu cơ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý COD. Tải trọng COD của các giai đoạn xử lý dao động trong khoảng 2,21 – 7,37 g/L.ngày.
Hình 3.7. Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý
Hình 3.7 cho thấy tải trọng COD có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý COD. Tải trọng COD dao động trong khoảng 2,21 – 7,37 g/L.ngày. Khi tải trọng COD là 4,8 g/L.ngày thì hiệu suất xử lý COD đạt mức trung bình cao nhất 89,9%, với mức tải trọng COD là 7,37 g/L.ngày hiệu suất xử lý COD có mức trung bình thấp nhất 58,5%.
b) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD
Thời gian lưu thủy lực của hệ UASB được giảm qua 3 giai đoạn thí nghiệm, tương ứng 24; 12 và 8 giờ và lưu lượng dòng vào được điều chỉnh tăng dần tương ứng 8; 16 và 24 L/ngày.
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD Qua hình 3.8 ta thấy, với thời gian lưu là 12 giờ thì hiệu suất xử lý COD là Qua hình 3.8 ta thấy, với thời gian lưu là 12 giờ thì hiệu suất xử lý COD là cao nhất, trung bình đạt 89,9%. Ở thời gian lưu thủy lực là 8 giờ thì hiệu suất xử lý COD trung bình thấp nhất 58,5%.
c) So sánh hiệu suất xử lý COD của các giai đoạn thí nghiệm
Hình 3.9. So sánh hiệu suất xử lý COD của các giai đoạn xử lý
Từ hình 3.9 ta thấy, giai đoạn 3 có hiệu suất xử lý COD thấp nhất 58,5%, đến ngày thứ 8 của giai đoạn này bắt đầu có hiện tượng tan rã bùn hạt và sang ngày thứ 11 bùn hạt tan rã hoàn toàn. Giai đoạn 2 là gia đoạn có hiệu suất xử lý COD cao nhất 89,9% và là giai đoạn xử lý COD tối ưu của tồn bộ q trình thí nghiệm, với các thơng số:
- Giá trị COD đầu vào trung bình: 2402 mg/L.
- pH: 7,3 - 7,5.
- Nhiệt độ mơi trường bên ngồi : 35 - 390C.
Kết quả về hiệu suất xử lý COD qua các giai đoạn thực nghiệm thu được cũng khá phù hợp với nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất cồn từ rỉ đường bằng hệ UASB quy mơ phịng thí nghiệm của Nguyễn Thị Sơn và Nguyễn Thị Thu Hà (2004): đạt 92,2% với thời gian lưu 3,5 ngày, tải trọng COD 2,99g/L.ngày. Tuy nhiên hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ thu được cao hơn đáng kể một số nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất đường khác như của Xu Cheng và nnk (2010) với UASB do công ty Able Co., Ltd thiết kế để xử lý nước thải sản xuất mía đường (COD: 20.000-150.000 mg/L) ở Quảng Tây, Trung Quốc. Hiệu quả xử lý nước thải với các giá trị pH thấp, COD, sunphat cao và tải trọng hữu cơ lớn (OLR 2- 5gCOD/L.ngày; lớn nhất 18-24 gCOD/L.ngày). Hiệu quả loại COD chỉ đạt 50-55% với thời gian lưu thủy lực 24-48 giờ. Trong nghiên cứu của A.K. Ragen và nnk (2001) sử dụng hệ mơ hình UASB khác quy mơ phịng thí nghiệm, V 10 lít, COD ban đầu là 1000mg/lít. Sau khi hệ khởi động thành công, tải lượng hữu cơ đạt được
6,7 kgCOD/m3.ngày, hiệu quả xử lý COD đạt 76%.
3.2.4. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh khí của 3 giai đoạn xử lý đoạn xử lý
Thể tích và thành phần khí biogas được theo dõi và đo lường hàng ngày trong suốt quá trình thực nghiệm.
Kết quả được tổng hợp trong bảng dưới đây:
Bảng 3.3. Trung bình thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày và hiệu suất sinh khí mêtan qua các giai đoạn thí nghiệm
Giai đoạn Thể tích hệ UASB (lít) Tải lượng COD (g/lít.ngày) Thể tích biogas (lít/ngày) %CH4 Hiệu suất sinh mêtan (lít/gCODch) Hiệu suất xử lý COD(%) 1 8 2,47 5,2 54,4 0,34 81,5 2 8 4,8 12,2 60,7 0,36 88,9 3 8 7,37 8,9 41,5 0,28 58,5
Hiệu suất sinh khí biogas của hệ UASB qua 3 giai đoạn xử lý được thể hiện qua hình 3.10.
Hình 3.10. Hiệu suất sinh khí biogas của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm
Kết quả theo dõi thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm cho thấy khi vận hành hệ UASB ở tải lượng 4,8 gCOD/lít.ngày sinh ra lượng khí nhiều nhất, đạt 12,2 lít/ngày, gấp 2,3 lần so với tải lượng 2,47 g COD/lít.ngày và gấp 1,35 lần so với tải lượng 7,17 gCOD/lít.ngày. So với nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm của A.S.Tanksali (2013) với các điều kiện thí nghiệm gần tương tự: UASB có Vphản ứng 8,4 lít, bùn gốc lấy từ bể tự
hoại, tiến hành ở nhiệt độ phòng (26-39oC), tải trọng hữu cơ cao nhất 6g
COD/L.ngày, hiệu quả xử lý COD của nghiên cứu này đạt thấp hơn không đáng kể (80-90% so với 96%). Tuy nhiên hiệu suất sinh khí đạt tương đương: 12,2L/ngày và 13,72L/ngày.
Hình 3.11. Mối liên hệ giữa thể tích khí biogas và hàm lượng khí metan của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm
Phân tích thành phần khí biogas thu được, cho kết quả hàm lượng khí mêtan ở giai đoạn 2 là cao nhất đạt 60,7%, tiếp đến là giai đoạn 1 với 54,4% và thấp nhất là giai đoạn 3 chỉ đạt 41,5%.
Hình 3.12. Hiệu suất chuyển hóa khí của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm Kết quả từ hình 3.12 cho thấy, hiệu suất chuyển hóa khí giao động trong Kết quả từ hình 3.12 cho thấy, hiệu suất chuyển hóa khí giao động trong khoảng 0,25 – 0,41 lít/ gCODchuyển hóa, trung bình đạt 0,33 lít/ gCODchuyển hóa.
Như vậy, các kết quả về hiệu suất sinh biogas và tỷ lệ % CH4 trong biogas thu được cũng khá tương đồng với kết quả của các nghiên cứu trước đây về xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB [11,40,45].
3.2.5. Đánh giá hiệu quả của q trình thực nghiệm xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB
Sau thời gian tiến hành thực nghiêm xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB quy mơ phịng thí nghiệm qua 3 giai đoạn với thời gian lưu thủy lực và tải lượng khác nhau chúng tôi thu được các kết quả trung bình như sau:
Bảng 3.4. Đánh giá hiệu quả của q trình xử lý thực nghiệm
Thơng số Đơn vị Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3
Thể tích làm việc lít 8 8 8
Tải lượng gCOD/lít.ngày 2,47 4,8 7,37
Lưu lượng đầu
vào (ra) lít/ngày 8 16 24
COD đầu vào mg/l 2320 2402 2375
COD đầu ra mg/l 433 345 1000
Hiệu suất xử lý % 81,5 88,9 58,5
pHđầu ra - 6,8 7 6,5
Lưu lượng biogas lít/ngày 5,2 12,2 8,9
CH4 % 54,4 60,7 41,5
Hiệu suất sinh
Biogas lít/gCODchuyển hóa 0,34 0,36 0,28
Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở tải trọng hữu cơ 4,8 gCOD/lít.ngày với thời gian lưu thủy lực 12 giờ hệ UASB đạt hiệu suất xử lý nước thải mía đường cao nhất, với hiệu suất xử lý COD đạt 88,9%, thể tích khí biogas là 12,2 lít/ngày, tỷ lệ khí metan là 60,7% và hiệu suất sinh khí đạt 0,36 lít/gCODchuyển hóa.
Như vậy, các kết quả thu được cũng khá phù hợp với kết quả của các nghiên cứu trước đây khi sử dụng hệ UASB để xử lý nước thải mía đường [Alllison, 1990; Chang, 1999, Mehrdad, 2007]. Tuy nhiên, giá trị COD đầu ra của hệ UASB vẫn cịn khá cao, trung bình 283 mg/lít gấp 1,9 lần tiêu chuẩn xả thải theo QCVN
40:2011/BTNMT cột B, do đó cần phải xử lý tiếp theo bằng cơng nghệ xử lý hiếu khí hoặc hồ sinh học tùy nghi.
3.3. Kết quả tiềm năng thu hồi khí metan khí xử lý nước thải mía đường cơng ty đường Hịa Bình
a) Tính theo lý thuyết
Tính tốn tiềm năng thu hồi khí metan từ q trình tự phân hủy chất hữu cơ là xenlulozơ. Vì nếu khơng kể đến nước, đường thì xenlulozơ là thành phần chính trong nước thải mía đường.
Áp dụng phản ứng (3) và phương trình (5) ở trên (mục 1.3.3) cho xenlulozơ với cơng thức hóa học chung là (C6H10O5)n để tính lượng khí metan sinh ra như sau:
(C6H10O5)n + nH2O → 3nCH4 + 3nCO2 (6) Tỷ lệ CH4/COD:
B = (3 x 16) : (16 x 32) = 0,25 (gCH4/gCOD) (7)
Chọn giá trị COD của nước thải mía đường 2580 mg/L [11]. Với lượng mía sản xuất 60000 tấn mía/vụ [5] và là lượng nước thải ra trung bình khi sản xuất 1 tấn
mía là 14 m3 [11]. Tổng lượng nước thải của công ty đường Hịa Bình là 840000
m3/vụ.
Ta có giá trị COD trong nước thải là:
COD = 84 x 104 x 2580 x 10-6 = 2167,2 (tấn COD/vụ)
Lượng CH4 sinh ra:
mCH4 = 2167,2 x 0,25 = 541,8 (tấn CH4/vụ)
b) Tính theo hệ số thực nghiệm
Từ kết quả quá trình thực nghiệm xử lý nước thải bằng hệ UASB ta có hiệu suất sinh Biogas của q trình tối ưu là 0,36 lít Biogas/gCODchuyển hóa, trong đó khí
CH4 chiếm 60,7%. Vậy ta có hiệu suất sinh khí metan là:
0,36 x 60,7% = 0,21852 (lít CH4/gCODchuyển hóa)
Mặt khác, từ kết quả bảng 3.1 đặc tính nguồn và ơ nhiễm nước thải sản xuất mía đường cơng ty đường Hịa Bình ta có tổng tải lượng COD của nguồn 3 và nguồn 4 phù hợp qua xử lý kỵ khí bằng hệ UASB là:
2002 + 564 = 2566 (kgCOD/ngày)
Vậy, tiềm năng thu hồi khí metan từ nước thải mía đường cơng ty đường Hịa Bình bằng việc tách dịng và xử lý kỵ khí qua hệ UASB là:
VCH4 = 2566 x 0,21852 = 560,7 (m3CH4/ngày)
Theo lý thuyết 1m3 biogas (75% CH4) tương đương với 1,4kWh điện do vậy
ước tính tiềm năng năng lượng do thu hồi khí metan của cơng ty là khoảng: 1000kWh/ngày.
3.4. Đề xuất quy trình cơng nghệ phù hợp để xử lý nước thải mía đường theo
định hướng thu hồi năng lượng
Qua quá trình nghiên cứu thực tế hiện trạng sản xuất đặc tính nước thải, cơng nghệ xử lý nước thải cơng ty mía đường Hịa Bình ; cũng như tìm hiểu, nghiên cứu thực nghiệm công nghệ UASB để xử lý nước thải, đặc biệt là xử lý nước thải nghành mía đường. Tơi xin đề xuất giải pháp để xử lý nước thải mía đường như sau:
Hình 3.13. Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải mía đường
Song chắn rác: Để hạn chế hiện tượng tắc đường ống do rác thải có kích
thước lớn, tại đầu các đường ống thu gom nước thải có bố trí các song chắn rác bằng kim loại. để loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn. Phần rác thải thu được có thể để sản xuất giấy, phân bón. Nước thải nên được tiếp tục lắng để loại bỏ cát và chất rắn lơ lửng dễ lắng, tránh ảnh hưởng tới máy bơm và các công đoạn xử lý tiếp theo.
Bể lắng đợt 1: Tại bể lắng này, một lượng lớn chất rắn lơ lửng (SS) được loại
bỏ qua quá trình lắng, dầu mỡ và các chất nổi khác cũng được tách ra khỏi nước thải, giảm tải trọng hữu cơ cho các công đoạn xử lý tiếp theo. Bùn lắng được thu định kỳ và chuyển đến sân phơi bùn.
Bể thu – bơm nước thải: Nước thải sau khi qua song chắn rác được gom vào
bể thu và bơm đến các cơng trình phía sau.
Bể điều hòa: Sự thay đổi về lưu lượng và hàm lượng chất hữu cơ trong nước
thải ở các thời điểm sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật trong hệ UASB. Bể điều hịa có tác dụng làm ổn định lưu lượng và hàm lượng nước thải, tăng hiệu quả xử lý nước thải. Đây là bước rất quan trọng đối với quá trình phân hủy kị khí bởi vi sinh vật kị khí có tốc độ sinh trưởng chậm hơn so với vi sinh vật hiếu khí, độ nhạy cảm cao hơn, và dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường phản ứng, đặc biệt là đối với nhóm vi sinh vật lên men metan. Tiếp theo nước thải
trung hòa độ pH bằng dung dịch NaHCO3 để tăng độ pH lên khoảng từ 7-7,5. Các
thiết bị đo pH được lắp đặt và kết nối với các bơm định lượng tự động để đảm bảo độ pH ổn định.
Bể UASB: Nước thải được bơm từ bể điều hòa vào bể UASB, nước thải được
nạp từ đáy bể đi qua tầng bùn kỵ khí, q trình phản ứng xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với hệ vi sinh vật kỵ khí có trong tầng bùn. Các q trình thủy phân, axit hóa metan hóa chất hữu cơ được diễn ra, sản phẩm tạo thành là khí Biogas (70 - 80% là metan, 20 – 30% là CO2 và các khí khác) và một lượng nhỏ sinh khối. Sau khi xử lý kỵ khí tại bể UASB, khoảng 80 – 90% COD được loại bỏ trong giai đoạn này. Khí Biogas được thu hồi qua tháp khử H2S bằng phoi sắt và sục
qua dung dịch NaOH để loại bỏ CO2 sau đó được sử dụng thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch phục vụ đốt lò hơi, phát điện…
Bể aeroten: Nước thải giảm phần lớn tải trọng chất hữu cơ sau khi qua bể
UASB tự chảy vào bể aerotank để xử lý hiếu khí . Tại đây, khí được thổi vào bể bằng các đĩa phân phân phối khí nhằm tăng cường sự xáo trộn với bùn hoạt tính và cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí, đồng thời giữ cho bùn ở trạng thái lơ lửng. Giai đoạn này sẽ xử lý tiếp phần COD, BOD còn lại. Lượng vi sinh vật hiếu khí sẽ được bổ sung bằng cách tuần hồn bùn từ bể lắng.
Bể lắng đợt 2: Là bể lắng li tâm. Nước thải sau khi được xử lý hiếu khí từ
aerotank được dẫn vào bể lắng. Bùn hoạt tính lắng xuống đáy bể dưới tác dụng của trọng lực, một phần bùn được tuần hoàn lại bể aerotank, phần còn lại sẽ được bơm vào bể nén bùn và đem đi xử lý.
Bể nén bùn đứng: Bùn từ bể lắng đợt 2 được dưa tới bể nén bùn nhằm làm
giảm độ ẩm xuống còn khoảng 60%
Sân phơi bùn: Bùn tươi từ bể lắng đợt I và bùn từ bể nén được dẫn vào sân
phơi bùn để làm ráo nước. Khoảng 20 - 30 ngày xả bùn 1 lần, bùn khô được thu