Thơng số Đơn vị Giá trị
pH - 5,2 - 6,5 Màu sắc - Vàng đỏ TSS mg/L 760 - 800 VSS mg/L 173 - 2190 Nts mg/L 15 - 40 Pts mg/L 1,3 - 2,5 COD mg/L 1000 - 4340 BOD5 mg/L 350 - 2750
Như đã đề cập ở trên, phần lớn chất rắn lơ lửng trong nước thải mía đường là chất vơ cơ. Nước rửa mía cây chủ yếu chứa các hợp chất vô cơ. Trong điều kiện cơng nghệ bình thường, nước làm nguội, rửa than và nước thải từ các quy trình khác có tổng chất rắn lơ lửng khơng đáng kể. Tuy nhiên trong điều kiện các thiết bị lạc hậu, bị rị rỉ thì hàm lượng các chất rắn huyền phù trong nước thải có thể tăng cao.
Các chất thải của nhà máy đường làm cho nước thải có tính axit. Trong trường hợp ngoại lệ, độ pH có thể tăng cao do có trộn lẫn CaCO3 hoặc nước xả rửa cột resin.
Ngoài các chất đã nói trên, trong nước thải nhà máy đường cịn thất thốt lượng đường khá lớn, gây thiệt hại đáng kể cho nhà máy.
Bên cạnh đó nước thải cịn có các chất màu anion và cation (chất màu của các axit hữu cơ, muối kim loại tạo thành) do việc xả rửa liên tục các cột tẩy màu resin và các chất không đường dạng hữu cơ (các axit hữu cơ), dạng vô cơ (Na2O, SiO2, P2O5, Ca, Mg và K2O). Dựa vào đặc tính của nước thải, và yêu cầu mức độ xử lý đặt ra: nước thải phải đạt tiêu chuẩn xả thải loại B (QCVN 40/2011 BTNMT).
1.2.3. Ảnh hưởng của nước thải mía đường
Hiện nay, bên cạnh các nhà máy đường đã có hệ thống xử lý nước thải hồn chỉnh thì vẫn cịn nhiều nhà máy đường và nhiều cơ sở sản xuất tư nhân có hệ thống xử lý nước thải chưa hiệu quả, thậm chí là khơng có hệ thống xử lý nước thải, xả thải trực tiếp ra môi trường. Với lưu lượng lớn, hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao, nước thải nhà máy đường đã và đang làm ô nhiễm các nguồn tiếp nhận.
Trên thực tế có một số nhà máy mía đường chưa xử lý nước thải đã xả thải trực tiếp ra môi trường gây ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh: Nhà máy mía đường Đắc Nơng làm ơ nhiễm sông Sê rê pốc khiến cá chết hàng loạt. Cơng ty Cổ phần mía đường Lam Sơn gây ô nhiễm nặng nề trong nhiều năm: nguồn nước ngầm của các hộ dân xung quanh bị hủy hoại và ơ nhiễm trầm trọng vì có váng đục, mùi khét, vào mùa mưa nước thải hơi thối, đen kịt lênh láng ngồi đồng ruộng khiến hàng chục hecta lúa bị chết…Cơng ty TNHH Mía đường Cồn Long Mỹ Phát không qua xử lý đã thải trực tiếp ra sông Cái Lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước, hàng chục bè cá, ao nuôi cá ở xung quanh bị chết và tro bụi từ nhà máy đã phát tán gây ô nhiễm nghiêm trọng sức khỏe người dân…[49].
Tác động chính nhất từ hoạt động sản xuất mía đường đến mơi trường là việc tiêu thụ quá nhiều nước trong khi nguồn tài nguyên này lại đang bị khai thác quá mức, để sản xuất được 1 kg đường thì cần đến 150 - 300 lít nước hay là chỉ để rửa 1
tấn mía thì cần đến 10 m3 nước...[21].
1.3. Tổng quan về công nghệ sinh học xử lý nước thải và tiềm năng khai thác năng lượng từ nước thải ngành mía đường năng lượng từ nước thải ngành mía đường
Đối với nước thải có tải trọng chất hữu cơ cao như nước thải mía đường, việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học là rất phù hợp. Bản chất của phương pháp này là sự phân hủy các chất hữu cơ nhờ vào hoạt động của các vi sinh vật. Các vi sinh vật sẽ sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng để làm chất dinh dưỡng tổng hợp tế bào mới và tạo năng lượng, qua đó làm giảm hàm lượng các chất ơ nhiễm
1.3.1. Cơng nghệ xử lý sinh học kỵ khí
Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí (anaerobic) tuy chỉ mới xuất hiện vào nửa cuối của thế kỷ 20 nhưng đã trở thành một công nghệ có nhiều ưu điểm hơn cơng nghệ xử lý sinh học hiếu khí (aerobic). Ở nhiều nước, nó đã trở thành một hệ thống xử lý được áp dụng rộng rãi.
a) Cơ chế của q trình phân hủy kỵ khí
Q trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn có thể tóm tắt trong hình 1.4 [42].
Hình 1.4. Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ
Cơ chế phân hủy kỵ khí có thể biểu diễn theo phương trình tổng quát sau đây
[17]:
Tuy nhiên, trong thực tế q trình phân hủy kỵ khí thường xảy ra theo 4
giai đoạn
Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân [17,30]
Dưới tác dụng của các enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp có phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit…được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ như đường, peptit, glyxerin, axít amin, axít béo…
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axít hữu cơ [17,30]
Các sản phẩm thuỷ phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá, các sản phẩm thuỷ phân sẽ được phân giải yếm khí tiếo tục tạo thành axít hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit axetic,… các rượu, andehyt, axeton và cả một số axít amin. Trong giai đoạn này BOD5 và COD giảm không đáng kể nhưng pH của mơi trường có thể giảm mạnh.
- Sự lên men axit lactic:
- Sự lên men ethanol:
Giai đoạn 3: Lên men tạo axit axetic
Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic sẽ được từng bước chuyển hoá thành axit axetic:
Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong tồn bộ q 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 được khí hố hồn toàn. Dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men metan, các axit hữu cơ bị decacboxyl hố tạo khí metan. Trong xử lý yếm khí, khí metan được tạo thành theo hai cơ chế chủ yếu là khử CO2 và decacboxyl hoá.
- Decacboxyl hoá: CH3COOH → CH4 + CO2 4CH3CH2COOH → 7CH4 + 5CO2 2CH3(CH2)2COOH → 5CH4 + 3CO2 2CH3CH2OH → 3CH4 + CO2 CH3COCH3 → 2CH4 + CO2
Khoảng 70% CH4 được tạo thành do decacboxyl hoá axit hữu cơ và các chất trung tính.
- Khử CO2
Khoảng gần 30% CH4 được tạo thành do khử CO2.
So với hệ thống xử lý hiếu khí, nó có nhiều ưu điểm như sau:
- Hệ thống xử lý kỵ khí tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành.
Trong trường hợp nước thải được xử lý ở nhiệt độ từ 25 - 35oC thì năng lượng yêu
cầu trong khoảng từ 0.05 - 0.1 kWh/m3 nước thải (0.18 - 0.36 MJ/m3). Đó là năng
lượng cung cấp cho máy bơm để bơm nước thải từ cơng trình đơn vị này đến cơng trình đơn vị khác hoặc để bơm tuần hoàn nước thải [35].
- Hệ thống xử lý kỵ khí là một hệ thống sản sinh ra năng lượng, vì trong quá trình phân hủy kỵ khí những hợp chất hữu cơ bị phân hủy sẽ chuyển thành khí metan. Mức độ sinh khí metan phụ thuộc vào tốc độ phân hủy COD đầu vào.
- Sự hình thành bùn trong q trình xử lý kỵ khí thì thấp hơn nhiều bùn được tạo ra trong q trình hiếu khí, dẫn đến việc giảm chi phí xử lý bùn thải. Lượng bùn thải trong quá trình xử lý kỵ khí cịn được giảm thấp nếu giảm hàm lượng photphat
trong nước thải. Lượng bùn kỵ khí này dễ ổn định hơn và q trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí.
- Yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật hiếu khí.
- Có khả năng chịu được tải trọng cao: Những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể xử lý với hiệu suất từ 85 - 90% COD với tải trọng hữu cơ đầu vào khoảng 30
gCOD/L.ngày ở 30oC và 50 gCOD/L.ngày ở nhiệt độ 40oC với nước thải tải trọng
chất hữu cơ trung bình. Đối với những nước thải có thành phần phức tạp khác (khơng tan, khó phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ có thể giảm hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí.
- Hầu hết tất cả các dạng nước thải công nghiệp, với hàm lượng chất độc hại khơng q cao, thì hệ thống xử lý kỵ khí đều có thể sử dụng để xử lý. Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng hệ thống kỵ khí có thể hoạt động tốt trong điều kiện nước thải có tải trọng hữu cơ rất thấp (COD < 100 mg/L), ngay ở cả những nhiệt độ
rất thấp (psychrophilic) (<4oC) hay ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic), với
nhiều loại nước thải khác nhau như: nước thải mía đường, nước thải giấy, nước thải dệt nhuộm, nước thải cao su v.v…
- Một ưu điểm khác của hệ thống kị khí là bùn kỵ khí có thể bảo quản trong một thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần ni dưỡng bằng dưỡng chất. Hoạt tính của
bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ ở nhiệt độ nhỏ hơn 15oC. Do đó, có thể sử
dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm thời gian vận hành hệ thống.
- Vốn đầu tư để xây dựng hệ thống xử lý kỵ khí khơng nhiều, diện tích sử dụng cho hệ thống nhỏ, và thời gian sử dụng dài hơn hệ thống hiếu khí là những ưu điểm nổi bậc của hệ thống kỵ khí.
- Hệ thống xử lý kỵ khí cịn được áp dụng để xử lý bùn (ví dụ như bùn cống rãnh và phân thú vật): quá trình phân hủy kỵ khí đã áp dụng để ổn định bùn cống rãnh, phân thú vật và thu hồi năng lượng.
Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống xử lý kỵ khí cịn một số nhược điểm như sau:
- Vi khuẩn tạo khí metan có độ nhạy cao với một số chất hóa học nhất định, ví dụ những chất hydrocarbon có nguồn gốc halogen, một số hợp chất hữu cơ có Nitơ,
CN- và ion tự do của kim loại nặng. Trong một số trường hợp những chất này biểu
thị độc tính, hoặc làm cản trở sự sinh trưởng, phát triển của những vi khuẩn tạo khí metan. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những vi khuẩn kỵ khí có thể thích nghi một số chất hóa học và có thể phân hủy chúng.
- Giai đoạn khởi động của hệ thống kỵ khí thường mất nhiều thời gian khoảng 6- 12 tuần, bởi vì sự tăng trưởng chậm của vi khuẩn kỵ khí.
- Khi xử lý nước thải có hợp chất chứa sunfur, q trình xử lý kỵ khí thường tạo thành khí H2S với mùi hơi khó chịu
- Bản chất hóa học và vi sinh học của qúa trình phân hủy kỵ khí rất phức tạp. Do đó, cịn thiếu những chun gia có khả năng thiết kế và vận hành hệ thống một cách có hiệu quả nên có nhiều hệ thống đã xây dựng nhưng hiệu suất xử lý thấp.
b) Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí thơng dụng
Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Một trong những phát triển nổi bật của công nghệ xử lý kỵ khí là bể UASB được phát minh từ những năm 1970 bởi Lettinga, Đại học Nông nghiệp Wageningen, Hà Lan.
Nguyên tắc của kỹ thuật này là dòng nước thải vào chảy ngược từ dưới đáy bể phản ứng nhằm đảo trộn đều và nâng lớp đệm vi sinh dạng hạt ở đáy bể phản ứng lên ở trạng thái lơ lửng. Kỹ thuật này cũng có thể bổ sung thêm dịng tuần hồn nhằm duy trì đều vận tốc dâng trong bể phản ứng. Tải hữu cơ đầu vào cao. Kĩ thuật này được coi là bước ngoặt trong công nghệ xử lý yếm khí. Điều kiện tiên quyết: sinh khối vi khuẩn dạng hạt phải được hình thành và duy trì suốt thời gian phục vụ của hệ thống.
Hình 1.5. Sơ đồ hệ UASB
Hệ UASB có ưu điểm là khơng cần vật liệu mang , giảm mạnh chi phí xây dựng cơ bản, năng suất xử lý tương đối cao và có ưu thế so với các hệ lọc vi sinh ngập nước được thể hiện qua bảng 1.7 [14].