bột sắn trên thế giới:
Theo thống kê của IEA năm 2006, 88% nhu cầu năng lượng nhiệt và điện cho kinh tế thế giới được đáp ứng bởi các nguồn năng lượng không tái tạo được, chủ yếu là dầu mỏ và khí ga tự nhiên. Quá trình khai thác, chiết xuất và đốt cháy các nguyên liệu thô này gây ảnh hưởng xấu đến môi trường tự nhiên, thêm nữa chúng lại đang dần trở nên cạn kiệt [28]. Sự thiếu hụt năng lượng toàn cầu đã khiến gia tăng chú ý đối với công nghệ lên men mêtan như là một quá trình sản xuất năng lượng. Ủy ban Nghị viện châu Âu về Công nghiệp, ngoại thương, nghiên cứu và năng lượng kêu gọi tăng cường nỗ lực trong nghiên cứu về công nghệ mới của việc sử dụng khí sinh học như một nhiên liệu sinh học. Nghiên cứu được thực hiện để sử dụng khí sinh học không chỉ để sản xuất năng lượng điện và nhiệt mà còn để đưa vào mạng lưới cung cấp khí đốt tự nhiên. Trong những năm gần đây đã có hàng loạt các nghiên cứu tập trung tối ưu hóa quá trình lên men kị
khí (lên men mêtan) của sinh khối (chất thải nông nghiệp, các loại cây trồng cho nhiên liệu, chất thải bùn đô thị) để sản xuất khí mêtan [24]. Trong Liên minh châu Âu vào năm 2007, sản lượng khí sinh học lên tới hơn 6 triệu tấn. Kể từ đó, hàng năm lượng khí sinh học được sản xuất tăng 20% [29,30]. Sản xuất khí sinh học từ số lượng lớn các chất thải nông nghiệp , chất thải động vật , chất thải đô thị và công nghiệp (nước thải) dường như có tiềm năng là một năng lượng tái tạo thay thế đối với nhiều nước châu Phi nếu nghiên cứu có liên quan và phù hợp được tiến hành để áp dụng công nghệ khí sinh học với các điều kiện địa phương ở các nước châu Phi [39].
Lên men mêtan là một quá trình phân hủy phức tạp với một loạt các phản ứng sinh hóa học diễn ra dưới điều kiện kị khí. Dưới các tác động cộng sinh của các chủng loại vi sinh vật kị khí, các hợp chất hữu cơ cao phân tử được phân hủy thành các thành phần ổn định hóa học đơn giản- sản phẩm chính là mêtan và các- bo-nic [42].
Với những ưu thế trong xử lý như chi phí thấp do tiêu thụ ít năng lượng, không gian và tạo ra ít bùn hơn so với các công nghệ hiếu khí truyền thống, công nghệ lên men mêtan đang được ngày càng được chú ý nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hơn. Kết quả thống kê của Tổ chức Năng lượng quốc tế (IEA) cho thấy trong các ngành công nghiệp sử dụng công nghệ lên men kị khí xử lý nước thải, công nghiệp chế biến thực phẩm chiếm thành phần lớn nhất với 40%. Đối với loại thiết bị sử dụng thì UASB phổ biến nhất, chiếm 60%, theo sau là các thiết bị CSTR và EGSB được sử dụng ở mức 10% [33].
Hình 1.6 Các ngành công nghiệp sử dụng công nghệ kị khí xử lý nước thải và các thiết bị được sử dụng
Các ngành chế biến thực phẩm và đồ uống quan trọng nhất: lò giết mổ, chế biến sữa, cá, tinh luyện đường, sản xuất cà phê, nhà máy bia rượu, sản xuất tinh bột.. [41].
Nước thải nhà máy sản xuất cà phê San Juanillo ở Costa Rica được áp dụng công nghệ xử lý kị khí truyền thống, với công suất 4000 kg COD/ngày, cho hiệu quả xử lý 80% COD, thể tích khí sinh học thu được lớn nhất là 1000 m3/ngày. Lượng khí sinh ra được đốt trong lò để tạo nhiệt sấy cà phê, bên cạnh nhiên liệu truyền thống là củi đốt [27].
Một nhà máy tinh luyện đường thuộc Hiệp hội công nghiệp đường Ai Cập, với dòng thải khoảng 14 000 mg BOD/l, 25 000 mg COD/l, được cung cấp hệ thống xử lý kị khí- hiếu khí hai giai đoạn. Dòng nước thải sau khi được tách cặn, lắng cát, tách dầu mỡ và trung hòa, đưa vào bể mêtan để phân hủy các hợp chất hữu cơ
tạo khí mêtan. Nước thải sau đó được tích trữ trong bể kị khí rồi hiếu khí, tiếp tục được xử lý bậc 3 bằng than hoạt tính, bể tạo bông tách bùn. Cuối cùng phần COD còn lại trong nước thải được oxy hóa bằng tác nhân oxy hóa mạnh (Cl2, hoặc H2O2). Kết quả nước đầu ra giảm COD xuống dưới 40 mg/l [21]. Các phân tích do Banks CJ và cộng sự (1996) [24] tiến hành đối với nước thải công nghiệp sản xuất kem sử dụng bể UASB cho kết quả dòng vào COD tối ưu khoảng 11 đến 23 g/l ở thời gian lưu thủy lực 5 ngày đạt được sự ổn định của hệ thống.
Các nghiên cứu sơ bộ được thực hiện cho thấy nước thải và chất thải ngành sản xuất bánh quy và sô cô la giàu thành phần chất béo và hyđrat-cacbon dễ phân hủy sinh học, có thể áp dụng phân hủy kị khí, khí sinh học thu được có thể được sử dụng cho quá trình sản xuất bánh quy và sô cô la [49].
Công nghệ lên men mêtan còn thể thấy trong ngành công nghiệp sản xuất phô mai. Ở đại học Sardar Patel, Ấn Độ, công nghệ này được nghiên cứu với thiết bị bể kị khí màng sinh học cố định dòng chảy ngược (Anaerobic Upflow Fixed- film Bioreactor) để tạo ra khí mêtan sinh học. Thể tích khí tối đa đạt được là 3,3 l/ l thiết bị/ ngày với hàm lượng mêtan 69%, với thời gian lưu thủy lực là 2 ngày, ở nhiệt độ 40ºC [37].
Một nghiên cứu khác được thực hiện trong vòng 3 tháng ở quy mô pilot với nước thải công nghiệp sữa, cũng sử dụng thiết bị kị khí màng sinh học cố định dòng chảy ngược, cho kết quả loại bỏ COD 85% và BOD 90% ở tải lượng 6kg COD/m3/ngày, năng suất mêtan đạt được 0,32-0,34 m3/kgCODphân hủy. Hệ thống tạo ra khoảng 770 l khí mêtan/ngày, có thể duy trì toàn bộ năng lượng yêu cầu cho bơm và khuấy trộn [34].
Các kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ lên men mêtan không những có tiềm năng trong xử lý nước thải các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm mà còn giúp thu hồi nguồn khí mêtan sinh học hữu ích. Tùy thuộc vào hàm lượng COD đầu vào và loại cơ chất cũng như thiết bị, điều kiện vận hành mà lượng khí mêtan sinh học thu hồi được khoảng 250-300 m3/tấn COD bị phân hủy. Hiệu suất loại bỏ COD thường nằm trong khoảng từ 80-95% ở Bảng 1.3
Bảng 1.3 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lên men mêtan với một số loại nước thải chế biến thực phẩm Loại nước thải Thiết bị/Nhiệt độ (ºC) Thể tích làm việc Tải lượng (kgCOD/m3.ngà y) CODphânhủy (%) Năng suất mêtan (m3/kgCO D) Nguồn
Lò mổ
UASB 450 2,1 80 - (Del Nery và
cộng sự, 2001) Lò mổ AF/- 21 2,3 85 - (Johns, 1995) Pho mát Baffled/3 5 0,01 5 - 94-99 0,31 (Antonopoul ou và cộng sự, 2008) Cà phê UASB/3 5 0,00 5 10 78 0,29 (Dinsdale và cộng sự, 1997) Bia AF/34- 39 5,8 8 96 0,15 (Leal và cộng sự, 1998) Đườn g UASB/3 3-36 0,05 16 >90 0,355 (Nacheva và cộng sự, 2009) Nguồn: [40] Đối với nước thải chế biến tinh bột sắn, các nghiên cứu ứng dụng công nghệ lên men mêtan đã được tiến hành nhiều năm qua ở các quốc gia có sản lượng tinh bột sắn lớn như Thái Lan, Inđônêsia, Brazin… dưới nhiều quy mô, thử nghiệm với các thiết bị, điều kiện khác nhau.
Nghiên cứu phòng thí nghiệm của Walairat và cộng sự thực hiện với các bình huyết thanh 110 ml ở nhiệt độ phòng (30ºC), nước thải tinh bột sắn đầu vào 3g COD/l cho hiệu suất sinh khí 330 ml mêtan/ g COD đầu vào, đạt 85% tính toán lí thuyết, tỉ lệ mêtan đạt 58% [55].
Một nghiên cứu phòng thí nghiệm khác được tiến hành với bình phản ứng dòng liên tục kị khí thể tích sử dụng là 16,2l, nhiệt độ 33±1ºC, thời gian lưu thủy lực thay đổi từ 13; 8,3 và 6 ngày cho kết quả xử lý COD từ 99,2% đến 95,3%, thể tích khí biogas đạt tối đa 0,82 l/gCOD tại tải lượng 1,59 gCOD/l thể tích thiết bị/ngày [47]
Dòng nước thải chế biến tinh bột sắn của một xí nghiệp quy mô nhỏ ở Colombia được nghiên cứu với thiết bị kị khí lọc dòng chảy ngang độn các miếng tre (anaerobic horizontal flow filter packed with bamboo pieces) ở quy mô phòng
thí nghiệm. Trong 6 tháng vận hành, với tải lượng cao nhất là 11,8 gCOD/l.ngày, kết quả thu được cho thấy hiệu suất xử lý COD là 87%, năng suất sinh khí sinh học trung bình 0,36 l/gCODphân hủy, hàm lượng mêtan thu được từ 69-81% [26].
Công nghệ lên men mêtan đã được áp dụng đối với nước thải nhà máy tinh bột sắn công suất 90 tấn/ ngày tại Sumatera, Indonesia. COD đầu vào khoảng 15000 mg/l, lưu lượng nước thải khoảng 1700 m3/ngày. Việc sử dụng thiết bị lên men mêtan khuấy trộn hoàn toàn kết hợp hệ thống hồ kỵ khí, tùy tiện và hiếu khí cho hiệu quả xử lý COD là 86%, thể tích khí sinh học thu hồi được là 12000 m3/ngày, tỉ lệ khí mêtan là 56% [36].
Hầu hết các nhà máy sản xuất tinh bột sắn ở Thái Lan đang xử lý nước thải bằng hệ thống ao mở. Gần đây, lựa chọn hệ thống xử lý không những xử lý nước thải mà còn tạo ra nhiệt lượng có thể sử dụng trong nhà máy đang được quan tâm. Một số nhà máy đã chuyển sang sử dụng còn một số khác đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm. Các hệ thống đang được sử dụng bao gồm UASB, thiết bị màng cố định kị khí (Anaerobic Fixed Film Reactor-AFFR), thiết bị vách ngăn kị khí cải tiến (Modified Anaerobic Baffled Reactor-MABR), mương kị khí (Anaerobic Ditch-AD) và hồ kị khí che phủ (Covered Lagoon-CL). Kết quả nghiên cứu so sánh 5 nhà máy sử dụng các hệ thống xử lý nàycho thấy hiệu quả xử lý COD cao, từ 80-90%, năng suất sinh khí đạt từ 0,4-0,5m3/kg CODphânhủy [51].
Bảng 1.4 So sánh hiệu quả xử lý nước thải của các hệ thống thiết bị kị khí được vận hành ở Thái Lan
Đơn vị UASB AFFR AD MABR CL
CODvào mg/l 23500 16000-
23000
12000 32000 14500
HRT ngày 2 3-4 8 16 9
Tải lượng kg/m3.ngày 10 6-8 1,5 1,92 1,5
Thể tích thiết bị m3 5318 12000 13000 100000 46000 CODphânhủy % 85 80-90 85-90 80 80 Năng suất sinh khí m3/kg CODphânhủy 0,4 0,4-0,5 0,4-0,5 0,4 0,4
Thể tích khí
m3 14960 16000-
20000
8000 60000 22080
• Các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lên men mêtan nước thải tinh bột sắn ở Việt Nam:
Trong vòng hơn hai thập kỉ qua đã có nhiều nghiên cứu về xử lý nước thải tinh bột sắn ở Việt Nam. Tuy nhiên các nghiên cứu hầu hết chỉ mới tập trung ở khía cạnh hiệu quả xử lý nước thải chứ chưa quan tâm nhiều đến khả năng thu hồi khí mêtan sinh học từ quá trình vận hành.
Trước đây các nhà máy sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam chủ yếu sử dụng hệ thống ao hồ sinh học mở để xử lý nước thải. Biện pháp này đơn giản, chi phí thấp, tuy nhiên hiệu quả xử lý không cao, nước thải sau xử lý vẫn còn cách tiêu chuẩn xả thải một khoảng xa, bên cạnh đó là gây mùi hôi thối, khó chịu cho khu vực xung quanh và khiến một lượng khí mêtan, cácboníc thoát vào môi trường [38].
Nghiên cứu của P.G. Hien và cộng sự [32] ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng hệ thống gồm bể lắng sơ cấp, bể UASB, bể hiếu khí tăng cường và hệ thống mương ôxy hóa. Với tải lượng hữu cơ ở bể UASB lên đến 40,35 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất xử lý đạt 90-95%, nước thải đầu ra có thể sử dụng tưới tiêu nông nghiệp hoặc tuần hoàn trong nhà máy [32].
Nghiên cứu ứng dụng bể UASB của Huỳnh Ngọc Phương Mai [38] cũng cho thấy tính khả thi đối với xử lý nước thải tinh bột sắn, tải lượng có thể lên tới 42 kgCOD/m3.ngày với hiệu quả xử lý đạt 82-93%, năng suất sinh khí 330l/kgCODphân hủy.
Quan tâm đến việc tận thu khí sinh học từ xử lý nước thải tinh bột sắn có nghiên cứu của Nguyễn Thị Sơn và Nguyễn Thị Thu Hà [15], thử nghiệm với bể UASB dung tích 38l, tải trọng COD có thể lên tới 6g/l.ngày, năng suất sinh khí đạt 0,41-0,55 l/gCOD, hiệu suất xử lý đạt trên 97%, đặc biệt khi bổ sung một số nguyên tố vi lượng, năng suất sinh khí tăng 20%.
•
• Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi luận văn này sẽ tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn làng nghề Minh Khai, Dương Liễu, Cát Quế, thuộc huyện Hoài Đức, Hà Nội.
• Vị trí địa lý:
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí 3 xã Minh Khai, Dương Liễu, Cát Quế, huyện Hoài Đức, Hà Nội
Ba xã nằm ở phía Tây Bắc huyện Hoài Đức, Hà Nội, theo thứ tự từ Bắc xuống Nam là Minh Khai, Dương Liễu rồi đến Cát Quế. Với tổng cộng hơn 7000
hộ dân và diện tích tự nhiên gần 1000 ha, các xã nằm cách trung tâm Hà Nội khoảng 20 km. Giao thông ở đây chủ yếu là tuyến đê tả ngạn sông Đáy, thông với quốc lộ 32 (Hà Nội-Sơn Tây). Với vị trí là cửa ngõ thủ đô Hà Nội, đặc biệt từ khi Hà Tây sát nhập với Hà Nội, làng nghề CBNSTP có rất nhiều lợi thế về thị trường tiêu thụ sản phẩm cũng như thu hút những chính sách đầu tư của Nhà nước về vốn, công nghệ.
• Địa hình, khí hậu:
Địa hình ở vùng làng nghề này không bằng phẳng, thấp dần từ bờ đê (đê sông Đáy) xuống cánh đồng với hướng chủ đạo là Tây Bắc - Đông Nam, chia thành miền trong đê và ngoài đê, nay được gọi là miền đồng và miền bãi. Dòng chảy kênh mương bắt đầu từ Minh Khai, đi qua Dương Liễu rồi xuống Cát Quế.
Địa hình bằng phẳng là điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các cơ sở cho sản xuất, cư trú.
Được bồi đắp bởi phù sa của lưu vực sông Đáy và sông Nhuệ nên khu vực rất thuận lợi cho trồng lúa và các hoa màu, là các nguyên liệu chính của làng nghề. Song, nền đất này lại dễ thấm nước, làm cho nguồn nước thải của làng nghề dễ thâm nhập vào nguồn nước ngầm hơn, gây khó khăn cho công tác quản lý môi trường làng nghề.
Khí hậu vùng làng nghề mang đặc điểm chung của khí hậu Đồng bằng Bắc Bộ thể hiện tính chất nhiệt đới gió mùa, nắng lắm mưa nhiều. Mùa mưa trùng với thời kì gió Đông Nam kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10. Mùa khô trùng với thời kì gió Đông Bắc kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Nhiệt độ trung bình năm là 24°C. Các tháng có nắng, ít mưa, thuận lợi cho chế biến nông sản là tháng 5, 6, 10, 11, 12.
Biên độ dao động nhiệt giữa tháng nóng nhất và tháng lạnh nhất là 13°- 14°. Tổng lượng nhiệt đạt 8400- 8600°C. Lượng mưa trung bình năm là 1600- 1800mm.
Hai hướng gió chủ đạo là Đông Bắc và Đông Nam, thuận lợi cho chế biến nông sản đặc biệt là công đoạn phơi và làm khô sản phẩm.
Đặc điểm khí hậu này khá thuận lợi cho sản xuất chế biến nông sản và phát triển trồng lúa, cây rau màu cũng như việc phơi sấy sản phẩm.
Do nằm ven sông Đáy nên ở đây rất thuận lợi cho việc tưới tiêu nông nghiệp và điều hòa khí hậu địa phương. Hệ thống ao hồ là nguồn nước cho sinh hoạt và sản xuất. Ngoài ra còn có hệ thống mương kênh trong xã làm nhiệm vụ cấp thoát nước cho nông nghiệp.
• Điều kiện kinh tế-xã hội:
a. Dân số, Lao động và Mức sống
Tính đến cuối năm 2007, dân số trong xã Minh Khai có 1277 hộ với 5376 khẩu; số người trong độ tuổi lao động là 3000 người. Trong đó số người tham gia làm nghề trong độ tuổi lao động khoảng 1000 người; số người ngoài tuổi lao động khoảng 500 người. Toàn xã có gần 700 hộ tham gia vào sản xuất kinh doanh. Về