3.1.2.1 Đường
− Đường trong cà phê là do nhớt hoặc phần ngồi của quả cà phê
− Trong quá trình lên men, đường bị phân hủy thành rượu và khí S02. Sau đĩ, rượu chuyển thành axit axetic làm cho pH của nước giảm.
3.1.2.2 Nhớt
− Nhớt là thành phần chất nhầy bao quanh hạt cà phê
− Thành phần chủ yếu của nhớt là protein, đường và pectin. Phần nhớt rất khĩ bị phân hủy, nĩ thường kết tủa thành một lớp đen trên bề mặt. Lớp chất rắn này cĩ thể làm tắt nghẽn đường ống và giảm lượng oxy trong nước.
3.1.2.3 Các chất hữu cơ
− Hàm lượng các chất hữu cơ trong nước thải cà phê rất cao (cĩ thể lên đến 20g/l)
− Các chất hữu cơ cĩ nguồn gốc từ vỏ và thịt cà phê.
3.1.2.4 Hương liệu tư nhiên
− Đây là chất tạo màu đỏ cho cà phê
− Các hương liệu này khơng làm hại đến mơi trường. Tuy nhiên, chúng làm cho nước thải cà phê cĩ màu xanh đậm hoặc đen, ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải và cảnh quan mơi trường.
Bảng 3.1: Thành phần và tính chất nước thải chế biến cà phê hạt tươi tại Brazil
STT Thơng số Đơn vị Giá trị
1. pH - 5,1 – 5,6 2. BOD5 (20oC) mg/l 1.578 – 3.242 3. COD mg/l 3.429 – 5.524 4. Chất rắn lơ lửng mg/l 700 – 890 5. Phospho tổng mg/l 5,5 – 6,5 6. Nitơ tổng mg/l 185 – 247
(Nguồn: Departamento de Engenharia Agricola/ Universidade Federal de Vicosa, Brazil, 2007)
3.2 Các phương pháp xử lý nước thải
− Tùy theo tính chất của nguồn nước thải (lưu lượng, nồng độ, quy mơ) ta cĩ thể áp dụng cơng nghệ xử lý khác nhau. Hiện tại cĩ các phương pháp xử lý nước thải cơ bản như sau: phương pháp hĩa học, phương pháp sinh học, xử lý bậc cao.
− Một trạm xử lý nước thải cần áp dụng kết hợp một hoặc nhiều phương pháp khác nhau.
3.2.1 Phương pháp xử lý cơ học3.2.1.1 Song chắn rác3.2.1.1 Song chắn rác3.2.1.1 Song chắn rác 3.2.1.1 Song chắn rác
− Tùy theo kích thước khe hở, song chắn rác được phân thành loại thơ, trung bình và mịn
+ Song chắn rác cĩ khoảng cách giữa các thanh từ 60 – 100mm
+ Song chắn rác mịn cĩ khoảng cách giữa các thanh từ 10 – 25mm
3.2.1.2 Lắng
a. Lắng cát
− Bể lắng cát được thiết kế để tách các tạp chất vơ cơ khơng tan cĩ kích thước từ 0,2 – 2,0 mm ra khỏi nước thải, nhằm đảm bảo an tồn cho bơm, tránh bị bào mịn, tắt nghẽn đường ống. Bể lắng cát cĩ thể phân thành 2 loại: Bể lắng cát ngang và bể lắng đứng. Ngồi ra, để tăng hiệu quả lắng cát, bể lắng cát cĩ thổi khí cũng được ứng dụng rộng rãi.
b. Lắng bùn hoạt tính
− Bể lắng cĩ nhiệm vụ lắng các hạt cặn lơ lửng cĩ sẵn trong nước (bể lắng đợt 1) hoặc cặn được tạo ra từ quá trình keo tụ tạo bơng. Theo chiều dịng chảy, bể lắng được phân thành bể lắng ngang và bể lắng đứng.
− Bể lắng ngang: dịng nước chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc khơng lớn hơn 0,01m/s và thời gian lưu nước t = 1,5 – 2,5h. Bể lắng ngang thường được sử dụng khi lưu lượng thấp hơn bể lắng đứng 10 - 20%.
c. Lọc
− Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất cĩ kích thước nhỏ khơng thể loại bỏ bằng phương pháp lắng.
− Cĩ nhiều loại bể lọc khác nhau để lọc nước. Cĩ thể phân loại theo nhiều cách khác nhau:
+ Theo đặc tính: lọc, gián đoạn, lọc liên tục.
+ Theo dạng của quá trình: làm đặc, làm trong.
+ Theo áp suất trong quá trình lọc: lọc chân khơng (áp suất 0,085Mpa), lọc áp lực (0,3 – 1,5 Mpa) hay lọc dưới áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng,...
+ Thiết bị lọc với lớp hạt cĩ thể phân thành thiết bị lọc chậm, thiết bị lọc nhanh, thiết bị lọc hở, thiết bị lọc kín (lọc áp lực). Chiều cao lớp vật liệu lọc trong thiết bị lọc hở dao động khoảng 1 – 2m và thiết bị lọc kín 0,5 – 1m.
d. Xyclon thủy lực
− Khi chất lỏng chuyển động quay trịn trong các xyclon thủy lực, lực ly tâm tác dụng lên các hạt rắn làm văng chúng ra thành.
− Ưu điểm của Xyclon thủy lực là cấu tạo đơn giản, tiện lợi, dễ vận hành, cĩ năng suất cao và chi phí thấp. Xyclon thủy lực áp suất được dùng để lắng các tạp chất rắn, xyclon thủy lực áp suất thấp (hở) thường được dùng để tách các tạp chất lắng và nổi.
3.2 2. Phương pháp xử lý hĩa học - hĩa lý3.2.2.1 Trung hịa3.2.2.1 Trung hịa3.2.2.1 Trung hịa 3.2.2.1 Trung hịa
− Nước chứa các axit hoặc kiềm cần được trung hịa đưa về pH trung tính (6,5 – 8,5) trước khi sử dụng cho các cơng trình kế tiếp. Trung hịa nước cĩ thể thực hiện bằng nhiều cách:
+ Bổ sung các tác nhân hĩa học
+ Lọc nước axit qua vật liệu cĩ tác dụng trung hịa.
+ Hấp thụ khí axit bằng nước kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng mưa axit.
− Việc lựa chọn phương pháp trung hịa là tùy thuộc vào thể tích và nồng độ của nước và chi phí hĩa chất sử dụng.
3.2.2.2 Keo tụ - tạo bơng
− Trong nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn và phân tán, kích thước của hạt thường dao động khoảng 0,1 - 10µ. Các hạt này lơ lửng trong nước, do vậy tương đối khĩ lắng và loại bỏ. Vì kích thước nhỏ, tỉ số diện tích bề mặt và thể tích rất lớn nên hiện tượng hĩa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước cĩ khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này cĩ thể dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ va chạm. Sự va chạm xảy ra do chuyển động Brown và cĩ tác động của sự xáo trộn. Những chất keo tụ thường dùng là các muối sắt và muối nhơm:
+ Muối nhơm: Al2(SO4)3, Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, Kal(SO4)2. 12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O
+ Muối sắt: FeCl3, Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, Fe2(SO4)3.7H2O
+ Chất trợ keo tụ: để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bơng người ta thường sử dụng các chất trợ keo tụ (Fluccutant). Việc sử dụng các chất keo tụ cho phép giảm liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian quá trình keo tụ và tăng tốc độ lắng của các bơng keo.
+ Các chất trợ keo tụ nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là: tinh bột, dextrin (C6H10O6)n, các ete, cellulose, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O).
+ Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n. Tùy thuộc vào các nhĩm ion khi phân ly mà các chất trợ đơng tụ cĩ điện tích âm hoặc dương như polyacrylic axit (CH2CHCOO)n hoặc polydiallydimetyl –amin.
− Liều lượng keo tụ tối ưu sử dụng trong thực tế được xác định bằng thí nghiệm Jartest.
3.2.2.3 Tuyển nổi
− Phương pháp tuyển nổi thường dùng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán khơng tan, tự lắng kém khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp, quá trình này cịn được dùng để tách các chất hoạt động bề mặt. Trong xử lý nước thải, quá trình tuyển nổi thường được dùng để khử các chất lơ lửng, làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là cĩ thể khử hồn tồn các hạt nhỏ, nhẹ, lắng chậm trong thời gian ngắn.
− Quá trình tuyển nổi được thực hiện theo các phương pháp sau:
+ Tuyển nổi bằng khí phân tán (Disperasd Air Flotation): trong trường hợp này, thổi khí trực tiếp vào bể tuyển nổi để tạo thành bọt khí cĩ kích thước từ (0,1– 1mm) gây xáo trộn hỗn hợp khí – nước chứa cặn. Cặn tiếp xúc với bọt khí, kết dính và nổi lên bề mặt.
+ Tuyển nổi chân khơng (Vacum Flotation): trong trường hợp này, bảo hịa khơng khí ở áp suất khí quyển. Sau đĩ, thốt khí ra khỏi nước ở áp suất chân khơng. Hệ thống này sử dụng ít trong thực tế vì khĩ vận hành và chi phí cao.
+ Tuyển nổi bằng khí hịa tan (DissolvedAir Flotation): sục khơng khí vào nước ở áp suất cao (2 – 4atm), sau đĩ giảm áp giải phĩng khơng khí. Khơng khí thốt ra sẽ tạo thành bọt khí cĩ kích thước từ 20 -100µm.
3.2.2.4 Oxy hĩa khử
− Để làm sạch nước thải cĩ thể sử dụng các tác nhân oxi hĩa như Clo ở dạng khí và hĩa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và nitrit, permanganat kali, bicromat kali, peroxy hydro (H202), oxi của khơng khí, ozone, pyroluzit (MnO). Quá trình oxy hĩa sẽ chuyển các chất độc hại trong nước thải thành các chất
3.2.2.5 Hấp thụ
− Phương pháp hấp thụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hịa tan khơng xử lý được bằng các phướng pháp khác. Tùy theo bản chất, quá trình hấp thụ được chia thành: hấp phụ hĩa học, hấp phụ lý học.
− Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ phụ thuộc vào:
+ Diện tích bề mặt chất hấp phụ (m2/g)
+ Nồng độ của chất hấp phụ
+ Vận tốc tương đối giữa hai pha
+ Cơ chế hình thành liên kết: hĩa học hoặc lý học
3.2.3 Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học cĩ ưu điểm là rẻ tiền và cĩ khả năng tận dùng các sản phẩm phụ làm phân bĩn (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí methane). Một cách tổng quát.
3.2.3.1 Sinh học kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh học phức tạp, tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hĩa trong điều kiện kỵ khí cĩ thể biểu diễn như sau:
Chất hữu cơ (CxHyOzN) → CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + tế bào mới
− Tùy theo trạng thái của bùn, cĩ thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:
+ Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lững như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dịng nước đi lên từ dưới (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB).
+ Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process).
a. Quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process):
Một số loại nước thải cĩ hàm lượng chất hữu cơ cao cĩ thể xử lý rất hiệu quả bằng quá trình tiếp xúc kỵ khí. Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hồn. Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hồn tồn. Sau khi phân hủy, hỗn hợp được đưa sang bể lắng hoặc bể tuyển nổi để tách riêng bùn và nước. Bùn được tuần hồn trở lại bể kỵ khí. Lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm:
− UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Đây là một trong những quá trình ky khí được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới do 2 đặc điểm chính sau:
+ Cả 3 quá trình: phân hủy – lắng bùn – tách khí được lắp trong cùng một cơng trình.
+ Tạo thành các loại bùn hạt cĩ mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
− Bên cạnh đĩ, quá trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB cịn cĩ những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
+ Ít tiêu tốn năng lượng vận hành
+ Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn;
+ Bùn sinh ra dễ tách nước;
+ Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung sinh dưỡng;
Do tại Việt Nam chưa cĩ loại bùn hạt nên quá trình vận hành được thực hiện với tải trọng ban đầu khoảng 3kg COD/m3.ngày đêm. Mỗi khi đạt đến trạng thái ổn định, tải trọng này sẽ được tăng lên gấp đơi cho đến khi đạt tải trọng 15 - 20kg COD/m3.ngày đêm. Thời gian này kéo dài khoảng 3 - 4 tháng. Sau đĩ, bể sẽ hoạt động ổn định và cĩ khả năng chịu quá tải, cũng như nồng độ chất thải khá cao
Lượng bùn sinh ra rất nhỏ nên khơng cần thiết phải đặt vấn đề xử lý bùn. Quá trình xử lý này chỉ tiêu tốn lượng nhỏ năng lượng dùng để bơm nước.
Khí metan thu nước cĩ thể sử dụng cho việc đun nấu và cung cấp nhiệt.
b. Quá trình lọc ky khí (Anaerobic Filter Process)
Bể lọc kỵ khí là bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ trong nước thải. Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên, tiếp xúc với lớp vật liệu tiếp xúc và khơng bị rửa trơi theo nước sau khi xử lý nên thời gian lưu của tế bào vi sinh vật (thời gian lưu bùn) rất cao (khoảng 100 ngày).
3.2.3.2 Sinh học hiếu khí
− Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn sau:
+ Oxi hĩa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 → CO2 + H2O + ∆H
+ Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOZ + NH3 + O2 → Tế bào vi khuẩn + CO2 + H2O + C5H7NO2 + ∆H
+ Phân hủy nội bào:
C5H7NO2 + 5CO2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + ∆H
Các phương pháp xử lý bằng phương pháp hiếu khí cĩ thể xảy ra ở điểu kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các cơng trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình oxi hĩa nên quá trình xử lý cĩ tốc độ và hiệu suất cao hơn rất
Enzyme
Enzyme
nhiều. Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo cĩ thể chia thành:
+ Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử chất hữu cơ như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thống, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí. Trong số những quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là phổ biến nhất.
+ Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng Nitrate hĩa với màng cố định.
a. Bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng lơ lửng
Trong quá trình bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxi một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.
Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cần phải hiểu rõ vai trị quan trọng của quần thể vi sinh vật.
Yêu cầu chung khi vận hành bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưa vào hệ thống cần cĩ hàm lượng SS khơng vượt quá 150mg/l, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ khơng quá 25mg/l, pH =6.5 – 8.5, nhiệt độ 6oC < t < 37oC. Một số sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính sinh trưởng lơ lửng được trình bày trong hình sau:
b. Bể hoạt động gián đoạn SBR (Sequencing Batch Raector)
Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cặn. Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt
− Bể bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám (Attached Growth Activated Sludge Reactor:
Nguyên lý hoạt động của hệ thống này tương tự như trường hợp vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lững, chỉ khác là vi sinh vật dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong bể.
− Bể lọc sinh học nhỏ giọt (Trickling Filter):
Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đĩ các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp vật liệu lọc. Bể lọc hiện đại bao gồm một lớp vật liệu dễ thấm nước, nước thải đi qua lớp vật liệu này sẽ thấm hoặc nhỏ giọt trên đĩ.
− Đĩa sinh học (Rotating Biological Contactor):
Đĩa sinh học gồm hàng loạt đĩa trịn, phẳng, bằng polystyren hoặc polyvinyl clorua (PVC) lắp trên một trục. Các đĩa được đặt ngập trong nước và quay chậm. Trong quá trình vận hành, vi sinh vật sinh trưởng, phát triển trên bề mặt đĩa hình