3.2.1. Cơ chế và tác nhân quá trình phân hủy hiếu khí.
3.2.1.1. Cơ chế quá trình phân hủy hiếu khí.
Phân hủy hiếu khí là quá trình các vi sinh vật hiếu khí hoạt động cần có ôxy của không khí để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào trong nước.
Quá trình phân hủy hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng:
H + O H + CO O + O H Cx y z 2 enzym 2 2
Các hợp chất gluxit và hydrocabua bị phân hủy hiếu khí chủ yếu theo nguyên lý này. 2. Tổng hợp xây dựng tế bào: H Δ - O H + CO NO H C O + O H C 5 7 2 2 2 eny m ) NH ( NH 2 z y x 2 4
Đây là phương trình sơ giản tóm tắt quá trình sinh tổng hợp tạo tế bào vi sinh vật.
3. Tự ôxy hóa chất liệu tế bào (tự phân hủy).
H Δ NH + O 2H + CO 5 5O + NO H C5 7 2 2 enzym 2 2 3
Trong 3 loại phản ứng H là năng lượng được sinh ra hay hấp thụ vào. Các chỉ số x,y,z tùy thuộc dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị ôxy hóa. C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật.
Đối với các hợp chất hữu cơ chứa N và S, quá trình chuyển hóa cũng có thể biểu diễn theo kiểu các phương trình trên.
3.2.1.2. Tác nhân quá trình phân hủy hiếu khí.
Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí, yếm khí hoặc tùy tiện. Chúng gồm:
+ Các vi khuẩn hiếu khí: Pseudomonas putida; Aerobacter aerogenes,
Bacillus subtilis, Nitrobacter Vinogratxki , Flavobact và Alcaligenes (môi trường giàu Fe và S).
+ Các vi khuẩn hô hấp tùy tiện: Cellunomonas bizotera, Rhodopseudomonas
palustris, Nitrosomonas spec, Thiothrix, Microthrix và Beggiatoa.
3.2.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lý hiếu khí.
Ảnh hƣởng của hàm lƣơng ôxy hòa tan (DO): Quá trình xử lý hiếu khí chỉ có thể diễn ra nếu có đủ ôxy hòa tan ở trong nước cung cấp cho hoạt động của vi sinh vật và các phản ứng ôxy hóa-khử. Ngoài lượng hòa tan tự nhiên, ôxy cần phải bổ sung trong các công trình xử lý hiếu khí nước thải. Có như vậy mới đảm bảo cho quá trình xử lý đạt hiệu quả. Nhu cầu ôxy sinh học BOD5 và nhu cầu ôxy hóa học COD của các chất hữu cơ khác nhau là không giống nhau được thể hiện thông qua hệ số ôxy hóa của cơ chất: kCOD = 0,68 mgO2/mg COD; kBOD5 = 1 mgO2/mg BOD5; kBOD = 1,2 mgO2/mg BOD; kNH4+ = 4,32 mgO2/mg NH4+ và kN hữu cơ = 4,57 mgO2/mg … [6]
Ảnh hƣởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng tương đối lớn đối với quá trình xử lý hiếu khí. Hầu hết các vi khuẩn tham gia vào quá trình làm sạch là vi khuẩn hoại sinh, hiếu khí và ưa ấm. Các phản ứng hóa sinh xảy ra ở các vi khuẩn được xúc tác bởi các enzym ôxy hóa khử. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý nước thải là 20÷350
C, tối ưu là 25÷300C. [6]
Ảnh hƣởng của tỷ lệ C/N: Nitơ và Photpho là thành phần không thể thiếu được không chỉ trông cấu trúc tế bào vi sinh vật mà còn là thành phần quyết định trong sự hình thành các enzym. Để đảm bảo nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn hoạt động, theo thực nghiệm tỷ lệ C/N thích hợp là 20/1; hay BOD5 : N : P = 100:5:1 [6]
Ảnh hƣởng của pH của môi trƣờng: Các vi khuẩn nói chung thường ưa môi trường trung tính hay kiềm nhẹ. Không ngoài ngoại lệ này vi khuẩn Nitrat hóa hoạt động mạng ở pH = 7,5÷8,6. Khi pH < 7 chúng phát triển chậm lại. Tuy nhiên với bùn hoạt tính hiếu khí hoạt động mạnh, giải pH từ 6,5 ÷ 8,5, giá trị tối ưu là 7,0 ÷ 7,8.
3.2.2. Một số dạng xử lý hiếu khí điển hình. 3.2.2.1. Bể phản ứng sinh học hiếu khí Aeroten. 3.2.2.1. Bể phản ứng sinh học hiếu khí Aeroten.
Hình 3.8. Sơ đồ xử lý nƣớc thải theo bể Aeroten thông thƣờng [7]
Bể phản ứng sinh hoặc hiếu khí (Aeroten) là công trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp người ta chế tạo các Aeroten bằng sắt thép hình khối trụ. Thông dụng nhất hiện nay là các Aeroten hình bể khối chữ nhật. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy trộn nhằm tăng cường lượng ôxy hòa tan và tăng cường quá trình ôxy hóa chất hữu cơ có trong nước. Tùy theo điều kiện cụ thể (khối lượng nước thải, mức độ nhiễm bẩn, vốn…) người ta có thể thiết kế bể hiếu khí có các loại hình và dạng thiết bị cấp khí sẽ khác nhau như bể Aeroten thông thường, bể Aeroten theo bậc, Bể Aeroten có thiết bị khuấy trộn, bể Aeroten ổn định – tiếp xúc …
Trong quá trình xử lý hiếu khí, các vi sinh vật tồn tại dưới dạng bông sinh học, kích thước bông bùn tốt nhất = 50 ÷ 200m, đây là kích thước phù hợp để đạt được chỉ số thể tích lắng tối ưu SVIopt = 80÷150 ml/g. Quá trình làm sạch trong Aeroten phụ thuộc vào lưu lượng, đặc trưng nước thải và quá trình cấp khí. Việc sục khí giúp bảo đảm lượng ôxy hòa tan cho quá trình ôxy hóa và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.
3.2.2.2. Xử lý hiếu khí bằng bể lọc sinh học.
Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp màng bám trên lớp vật liệu lọc. Thường nước thải được tưới từ trên xuống qua lớp vật liệu lọc sỏi đá hoặc các vật liệu tổng hợp.
Hệ thống lọc sinh học là một bể hình trụ gồm phần chứa các vật liệu lọc là chất rắn (như sỏi, cát, vòng sứ, gốm, đá granit…). Hệ thống phân phối nước là giàn quay phun thành chùm tia tưới đều trên bề mặt lọc, nước thải sau xử lý được thu hồi và chảy ra ở đáy thiết bị . Tùy theo tải trọng thủy lực và độ ô nhiễm của nước thải, thiết bị có thể được thông khí tự nhiên hay cưỡng bức.
Sơ đồ nguyên lý bể lọc sinh học được trình bày ở hình 3.9.
Hình 3.9. Sơ đồ hệ thống lọc sinh học [7]
Màng sinh học gồm chủ yếu là vi khuẩn và động vật bậc thấp tạp nhiễm được nạp vào hệ thống cùng với nước thải. Mặc dù lớp màng này rất mỏng song cũng có hai lớp: lớp yếm khí ở sát bề mặt đệm và lớp hiếu khí ở ngoài. Hình 3.10 thể hiện các quá trình trao đổi chất qua màng sinh học.
Hình 3.10. Các quá trình trong bể lọc sinh học [10]
Khi dòng nước thải chảy trùm lên lớp màng sinh học, các chất hữu cơ được vi sinh vật chiết ra còn sản phẩm của quá trình trao đổi chất (CO2) sẽ được thải ra qua màng chất lỏng, ôxy hòa tan được bổ sung bằng hấp thụ từ không khí.
Theo chiều sâu từ bề mặt lớp đệm xuống dưới đáy lớp đệm, nồng độ chất hữu cơ trong nước thải giảm dần. Thường BOD được chiết ra ở phần trên của lớp đệm. Phần sinh khối và vi sinh vật thừa sẽ bị tróc ra, theo nước ra ngoài bể lọc.
Hệ thống lọc sinh học có những đặc điểm sau:
- Xử lý nước thải có độ ô nhiễm thấp (BOD5 < 300 mg/l). - Để có thể xử lý hiệu quả nước cần có quá trình khử Nitrat.
3.2.2.3. Xử lý bằng hồ sinh học.
Quy trình xử lý theo phương pháp hồ sinh học khá đơn giản. Cơ sở khoa học của phương pháp là dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là vi sinh vật và các sinh vật thủy sinh khác. Nước thải sau khi loại bỏ tạp chất và cặn lắng có kích thước lớn được dẫn vào các hồ (ao) ổn định, ở đây quá trình phân hủy sinh học diễn ra, nước thải sau xử lý được đưa vào nguồn nước.
Phương pháp có một số ưu điểm như sau:
- Đây là phương pháp yêu cầu chi phí thấp, dễ thiết kế, vận hành đơn giản, không đòi hỏi cung cấp năng lương (sử dụng năng lượng mặt trời)
- Có khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh nhiễm trong nước. - Có khả năng loại được các chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ tan trong nước.
Tuy nhiên, phương pháp cũng có những nhược điểm như sau: - Thời gian xử lý khá dài.
- Đòi hỏi mặt bằng rộng.
- Trong quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thấp của mùa đông sẽ kéo dài thời gian và hiệu quả làm sạch hoặc mưa sẽ làm tràn ao hồ gây ô nhiễm.
- Hồ sinh học hiếu khí khi quá tải có thể phát sinh mùi xú uế.
3.3. Hiện trạng xử lý nƣớc thải sản xuất tinh bột sắn trên thế giới và ở Việt Nam. 3.3.1. Hiện trạng xử lý nƣớc thải sản xuất tinh bột sắn trên thế giới. 3.3.1. Hiện trạng xử lý nƣớc thải sản xuất tinh bột sắn trên thế giới.
Đối với các nhà máy sản xuất quy mô nhỏ, nước thải nếu được thải ra đúng cách thì sẽ ít ảnh hưởng tới môi trường do lưu lượng nhỏ. Với các nhà máy quy mô lớn thì dễ dàng kiểm soát hơn do số lượng ít lại có đủ nguồn lực về tài chính và kỹ thuật để quản lý nguồn nước thải tốt. Chỉ có các nhà máy quy mô vừa là khó giải quyết hơn cả. Các cơ sở sản xuất tinh bột quy mô vừa và nhỏ bị hạn chế về khả năng xây dựng được một quy trình xử lý chất thải có trọng tâm và với chi phí thấp.
Hầu hết các quốc gia đều thừa nhận sản xuất tinh bột sắn là quá trình gây phát sinh nguồn ô nhiễm cần được kiểm soát chặt chẽ. Theo các cơ sở sản xuất tinh bột, chi phí xây dựng hệ thống xử lý các chất thải đạt đến tiêu chuẩn có thể chiếm tới từ 20÷50% tổng chi phí đầu tư của một nhà máy có quy mô lớn. Ở một số nước,
những chủ thể đăng ký thành lập cơ sở sản xuất sẽ phải tuân theo những quy định nghiêm ngặt.[22]
Tại Brazil, chính phủ đã can thiệp bằng pháp luật và đề xuất công nghệ xử lý chất thải. Các điều luật được thông qua vào năm 1992 yêu cầu xử lý để giảm BOD trong nước thải bằng 80%, hoặc hàm lượng BOD < 5 mg/l [22]. Tuy nhiên, việc triển khai là tương đối chậm. Trong khi đó, chính phủ Thái Lan đã thực thi "các tiêu chuẩn sạch” đối với tất cả các nhà máy.
Chính phủ Colombia đã ý thức được sự cần thiết để phát triển một công nghệ sạch hơn để chiết xuất tinh bột. Các dự án đã được tiến hành cho phát triển công nghệ phù hợp để xử lý nước thải. Tuy nhiên, việc thực thi các điều khoản chặt chẽ trong quản lý chất thải vào năm 1999 đã dẫn tới đời sống của hộ sản xuất quy mô nhỏ bị đe dọa do không tuân thủ được các quy định dẫn đến buộc phải đóng cửa.
Đã có nhiều phương pháp xử lý chất thải đối với sản xuất tinh bột sắn, trong đó phát triển công nghệ xử lý “cuối đường ống” là cần thiết. Việc đầu tư mới, hoặc cải tiến công nghệ hiện có sẽ là cách hiệu quả trong việc cải thiện và giải quyết các vấn đề ô nhiễm.
Một số biện pháp công nghệ hiện đang được áp dụng để xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn.
a. Xử lý nƣớc thải bằng hệ thống hồ sinh học.
Phần lớn nhà máy tinh bột ở Brazil, Ấn độ, Việt Nam và Thái Lan đã xây dựng hệ thống hồ hiếu khí hay yếm khí để xử lý nước thải. Các hệ thống hồ này cho hiệu quả khác nhau song cần diện tích lớn và phụ thuộc lớn vào điều kiện tự nhiên.
Đối với nước thải sản xuất tinh bột sắn có hàm lượng chất hữu cơ cao đến rất cao, cần được xử lý bằng một hệ thống hồ liên hợp: hồ yếm khí (có hoặc không thu biogas), hồ hiếu khí rồi đến hồ tùy tiện.
Hệ thống hồ thường hoạt động ở mức thấp với tải trọng hữu cơ khác nhau 0,2÷0,35 kgBOD/m3/ngày [22]. Do kích thước của các hồ lớn, việc kiểm tra và giám sát quá trình xử lý tương đối khó khăn. Năng lượng cần thiết để vận hành một hệ thống hồ xử lý nước thải là tương đối thấp. Điện chỉ cần thiết để chạy máy bơm, khi điều kiện địa hình cho phép có thể sử dụng chế độ tự chảy.
Ở Thái Lan, hệ thống xử lý phổ biến là hệ thống “không thải” (no- discharge) có thể lên tới 20 hồ. Nước thải thường được thu thập trong một hồ lưu trữ, từ đó được bơm qua một hồ tiền xử lý, sau đó nước thải được bơm qua một loạt các hồ xử lý sinh học. Các hồ đầu tiên, khoảng 2÷3 hồ ở chế độ yếm khí, nơi mà hàm lượng chất hữu cơ được giảm thiểu đáng kể bởi quá trình phân hủy tự nhiên, tiếp theo là các hồ tùy tiện và hiếu khí. Tải lượng hữu cơ khoảng 800÷1.000 kg COD/ha/ngày. [22]
b. Xử lý nƣớc thải sản xuất tinh bột bằng phƣơng pháp yếm – hiếu khí:
Hệ thống xử lý yếm khí thường được sử dụng cho xử lý nước thải giàu chất hữu cơ. Những quá trình này đòi hỏi các bể phản ứng lớn và thời gian lưu dài 20÷25 ngày. Tiến bộ mới trong công nghệ xử lý nước thải và các kiến thức trong kiểm soát quy trình vi sinh vật đã dẫn đến sự phát triển của các quá trình xử lý yếm khí tốc độ cao. Một trong số đó đang được ứng dụng trong xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn. Những quá trình này có thể xử lý một lượng lớn chất hữu cơ với thời gian lưu ngắn, tải trọng lên đến 20÷30 kg COD/m3/ngày. Các bể phản ứng đòi hỏi kích thước tương đối nhỏ, giảm đáng kể đối với diện tích và nhu cầu về vốn đầu tư.
Một đánh giá việc áp dụng các hệ thống bể yếm khí trong xử lý nước thải công nghiệp đã được trình ở hình 3.1.
Hiện công nghệ CIGAR (Covered In Ground Anaerobic Reactor) được ứng dụng rộng rãi trên thế giới đặc biệt ở Thái Lan, Indonesia, Trung Quốc, Malaysia…cho kết quả khả quan. Công nghệ này đã được áp dụng trong xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn. Công nghệ CIGAR, đặc biệt dạng hồ phủ bạt là phương
án hiệu quả và khả thi. Hồ phủ bạt yêu cầu mặt bằng lớn. Công nghệ xử lý gồm một hệ thống hồ: hồ phủ bạt (xử lý yếm khí thu biogas), hồ hiếu khí và hồ tùy tiện. Hồ yếm khí được phủ một lớp màng chất dẻo HDPE. Khí sinh học (biogas) thu được nhờ hệ thống ống thu gom được sử dụng làm nhiên liệu đốt lò hoặc chạy máy phát điện giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành. Một khía cạnh quan trọng nữa là hồ CIGAR là vốn xây dựng thấp và chi phí hoạt động nhỏ so với các hệ thống yếm khí khác, khiến cho công nghệ phù hợp với các nước đang phát triển.
Tuy cần mặt bằng lớn nhưng công nghệ CIGAR được đánh giá khá cao về hiệu quả. Theo đánh giá của “Waste solutions bigtechnology Group - Newzealand”, (2008) về giải pháp xử lý nước thải vùng Đông Nam Á cho thấy: Hồ (bể) CIGAR là hệ thống linh hoạt, đáng tin cậy, thời gian hoạt động lớn, cho hiệu quả xử lý cao và là giải pháp phù hợp đối với các ngành sản xuất có khối lượng nước thải lớn, độ ô nhiễm cao. Đánh giá hiệu quả kinh tế từ các hệ thống xử lý yếm khí (hình 3.11) cho thấy hồ (bể) CIGAR có những ưu thế sau [24]:
- Hồ (bể) CIGAR có chi phí đầu tư thấp hơn khoảng 30÷50% so với các hệ thống xử lý có tải lượng tương đương.
- Hồ (bể) CIGAR có rủi ro đầu tư thấp hơn nhiều so với các hệ thống khác - Hồ (bể) CIGAR cho sản lượng sinh khí sinh học (m3 CH4/kg COD/ngày) và tiềm năng ứng dụng dự án CDM là tốt nhất so với các hệ thống xử lý thu biogas khác.
Hình 3.11. Đánh giá kinh tế đối với dự án xây dựng các hệ thống xử lý