Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt cũng như các mối lo ngại về môi trường (đặc biệt là hiệu ứng nhà kính) do các loại động cơ sử dụng các nhiên liệu từ các nguồn năng lượng này gây nên, vấn đề thu hồi năng lượng từ chất thải ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như được phổ biến rộng rãi trên các phương tiện thông tin đại chúng.
Tính toán tiềm năng thu hồi năng lượng (khí metan)
Nếu không xử lý nước thải mía đường, trong điều kiện tự nhiên, với sự có mặt của các vi sinh vật và các tác nhân môi trường (nhiệt độ, ánh sáng…) sẽ xảy ra quá trình tự phân hủy các chất hữu cơ. Giả sử toàn bộ chất hữu cơ trong nước thải được phân hủy.
Sau đây là phương trình tổng quát mô tả quá trình phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ theo APHA [15]:
CnHaOb + (n + a4 − 2b )O2 → nCO2 + 2a H2O (1)
Theo phương trình (1), tỷ lệ COD/CnHaOb được xác định theo phương trình sau:
COD/CnHaOb =
(n + 4a − b2 ) x 32
12n + a + 16b (gCOD/g CnHaOb) (2)
Mặt khác, theo Buswell & Neave, khi biết công thức hóa học của một chất hữu cơ xác định và toàn bộ chất hữu cơ đều phân hủy tạo khí sinh học thì tiềm năng tạo khí metan theo lý thuyết được biểu diễn bằng phương trình sau [18]:
36
Ở đây, nước chỉ đóng vai trò là môi trường.
Tiềm năng sinh khí metan CH4 được tính theo phương trình Buswell như sau:
B =
(n2 + a8 − b4 ) x 16
12n + a + 16b (gCH4/g CnHaOb) (4)
Lập tỷ lệ phương trình (2) và phương trình (4), ta được công thức tính tỷ lệ tiềm năng sinh CH4/COD như sau:
B = (n2 + 8a − b4 ) x 16 (n + a 4 − b 2 ) x 32 (gCH4/gCOD) (5)
37
CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Công ty cổ phần mía đường Hòa Bình tọa lạc tại phường Hữu Nghị, TP Hòa Bình, tỉnh Hòa Bình tiền thân là nhà máy mía đường Hòa Bình, được thành lập từ năm 1995 và chính thức đi vào hoạt động từ năm 1997. Tổng diện tích đất sử dụng và sản xuất của công ty là 5 ha.
Luận văn tiến hành nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải nhà máy mía đường Hòa Bình (HOASUCO), Tỉnh Hòa Bình bằng cách sử dụng mẫu tổng hợp có thành phần tương tự như nước thải mía đường, hệ xử lý là hệ bùn hoạt tính yếm khí ngược dòng (UASB) quy mô phòng thí nghiệm với Vphản ứng = 8 L.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu
Tiến hành thu thập, tham khảo các số liệu, dữ liệu, thông tin có sẵn liên quan đến nội dung của đề tài nghiên cứu.
- Số liệu, thông tin về vị trí địa lý, tình hình sản xuất và môi trường của nhà máy đường Hòa Bình.
- Tham khảo các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài.
2.2.2. Phương pháp điều tra khả sát thực địa
Đã tiến hành khảo sát tại cơ sở vào tháng 4 năm 2014 và thực hiện các nội dung:
- Làm việc với lãnh đạo và cán bộ phụ trách môi trường của nhà máy. - Thăm quan dây chuyền sản xuất, hệ thống xử lý môi trường của nhà máy. - Tiến hành lấy mẫu nước thải tại 5 điểm trong hồ sinh học của nhà máy. Phương pháp lấy mẫu theo TCVN 5999: 1995.
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm a) Chuẩn bị mẫu nước thải tổng hợp a) Chuẩn bị mẫu nước thải tổng hợp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vì khó khăn trong công tác lấy mẫu nước thải của nhà máy và do quá trình làm thí nghiệm thực hiện không đúng với thời gian vụ sản xuất đường nên mẫu
38
nước thải sử dụng trong quá trình thực nghiệm là mẫu tự chuẩn bị có thành phần tương tự như nước thải mía đường.
Tiến hành pha mẫu giả bằng cách lấy 0,2 kg bã mía ngâm vào 10,5 L nước máy trong 30 phút sau đó vắt bỏ bã và lọc bỏ bớt cặn lơ lửng bằng lọc rây có kích thước lỗ 2 mm thu được 10 L nước sau đó tiến hành bổ sung thức ăn cho mèo whishkas với lượng 2 g/L thu được mẫu giả có thành phần tương tự như thành phần đặc trưng của nước thải mía đường như sau:
Bảng 2.1. Thành phần mẫu tổng hợp nước thải mía đường
Thông số Đơn vị Giá trị
pH - 7,2 - 7,5 TSS mg/L 1134 - 1258 Nts mg/L 59 - 63 Pts mg/L 19 - 23 COD mg/L 2136 - 2636 BOD mg/L 1174 - 1321
Tỷ lệ dinh dưỡng COD:N:P trong khoảng 100:4:2 chứng tỏ rằng tỷ chất dinh dưỡng cung cấp đủ cho vi sinh vật kỵ khí phát triển khi so sánh với tỷ lệ dinh dưỡng COD:N:P tối thiểu trong hệ UASB là 350:5:1 [18].
b) Hóa chất dụng cụ và phương pháp phân tích
- Bổ sung chất dinh dưỡng N và P sử dụng sản phẩm thức ăn cho mèo
Whiskas.
- Hóa chất điều chỉnh pH sử dụng NaHCO3. Việc bổ sung NaHCO3 mặc dù hơi đắt nhưng nó là hóa chất an toàn cho quá trình kị khí vì tăng tính đệm cho hệ kị khí. Còn sử dụng Ca(OH)2 tuy rẻ nhưng trong quá trình phản ứng với khí CO2 sinh ra sẽ tạo kết tủa CaCO3, làm mất cân bằng giữa pha khí CO2 trong hệ, có thể tạo áp suất chân không. Nếu áp suất chân không không được phá thì toàn bộ lượng khí
39
- Hóa chất phân tích các chỉ tiêu sử dụng loại tinh khiết.
- Các dụng cụ dùng trong phân tích sử dụng các thiết bị, dụng cụ phân tích COD, pH, Nts, Pts, TSS, VFA, độ kiềm...
- Các chỉ tiêu COD, tổng Nitơ, tổng photpho, chất rắn lơ lửng, chất rắn lơ lửng dễ bay hơi, độ kiềm tổng, VFA... được phân tích dựa trên các phương pháp
trong “Standard methods of examination for water and wastewater”; pH đo bằng
máy đo nhanh điện cực thủy tinh.
c) Quy trình thí nghiệm
Sơ đồ khối và hệ UASB thực nghiệm xử lý nước thải mía đường được chỉ ra ở hình 2.1 và 2.2.
40
Hình 2.2. Hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm
Tiến hành thực nghiệm xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trường - Đại học Khoa học Tự nhiên Hà nội. Hệ UASB thí nghiệm được chế tạo bằng vật liệu nhựa acrylic trong suốt dày 5 mm, đường kính trong 140 mm, chiều cao 800 mm, thể tích hoạt động 8 lít. Ở phía dưới có van tiếp liệu và van xả bùn, phía trên là van lấy mẫu, van nước ra hình chữ U để tránh thoát khí ra bên ngoài và van khí biogas ra. Bơm nước thải và bơm hồi lưu là bơm nhu động, có điều chỉnh lưu lượng dòng vào. Tại thùng chứa nước thải có lắp cánh khuấy để đảm bảo cho các thành phần nước thải luôn được khấy trộn đều. Thiết bị thu khí và đo khí được lắp đặt phía trên của hệ. Thiết bị lắng có dạng đáy nón đảm bảo cho quá trình lắng đạt hiệu quả, mục đích để thu hồi và hồi lưu lượng bùn bị rửa trôi do dòng chảy ngược. Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ môi trường bên ngoài (không gia nhiệt cho hệ UASB) và thiết kế van hồi lưu và điều chỉnh tốc độ bơm đảm bảo tốc độ dòng dâng trong khoảng từ 0,6 - 0,9 m/h.
41 Quy trình vận hành hệ UASB:
Khảo sát quá trình khởi động của hệ.
Vận hành với nước thải tự chế có thành phần tương tự nước thải mía đường, theo dõi đánh giá các thông số ảnh tới hiệu quả xử lý COD và quá trình sinh khí của hệ, với các thông số trong bảng 2.2:
Bảng 2.2. Các thông số tiến hành thực nghiệm
Giai đoạn Thời gian (ngày) Thời gian lưu (giờ) Vphản ứng pHvào CODvào (mg/L) Tải trọng hữu cơ (g/L.ngày) Tốc độ dòng dâng (m/giờ) T0 môi trường (0C) 1 15 24 8 7,3 – 7,5 2320 2,3 – 2,3 0,6 33 - 38 2 15 12 8 7,3 – 7,5 2402 4,6 – 4,8 1 33 - 37 3 10 8 8 7,4 – 7,5 2375 6,9 – 7,2 1,2 33 - 36
Các thông số đánh giá hiệu quả xử lý.
- Thời gian lưu thủy lực (HRT): Là thời gian nước thải được lưu lại trong hệ xử lý, được tính theo biểu thức: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
HRT = VQ (ngày)
Trong đó: HRT: Thời gian lưu thủy lực (ngày) V: Thể tích hoạt động của hệ xử lý (L) Q: Lưu lượng nước thải (L/ngày) - Hiệu suất chuyển hóa COD:
H = CODCODv - CODr
v (%)
Trong đó: CODv: Giá trị COD của dòng vào hệ xử lý (mg/L). CODr: Giá trị COD của dòng ra khỏi hệ xử lý (mg/L).
- Tải trọng hữu cơ (OLR): Tải trọng hữu cơ được tính theo lượng COD đưa vào hệ xử lý tính trên một đơn vị thể tích hoạt động trong một đơn vị thời gian.
42
OLR = Q x CODV v = CODHRTv (g/L.ngày)
- Lượng COD chuyển hóa: Là lượng COD được phân hủy trong 1 ngày.
mCODch = (CODv - CODr).Q
1000 (g/ngày)
- Hiệu suất sinh khí: Là tỷ số giữa thể tích khí sinh học thu được và tổng lượng COD chuyển hóa, được xác định theo biểu thức sau:
Hbiogas = mVbiogas
CODch (L/gCODch)
Trong đó: Vbiogas: Lượng biogas thu được (L/ngày). MCODch: tồng COD chuyển hóa được (g/ngày).
- Tốc độ xử lý COD: Là lượng COD được xử lý trong một đơn vị thể tích thiết bị trong một đơn vị thời gian:
rv = (CODv - CODr)
HRT x 1000 (gCOD/L.ngày)
2.2.4. Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu
Các số liệu sau khi được thu thập, theo dõi, phân tích... được đánh giá tổng hợp và xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel.
43
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả khảo sát hoạt động và các dòng nước thải công ty mía đường Hòa Bình Bình
3.1.1. Hoạt động sản xuất
Hoạt động sản xuất đường có tính mùa vụ, bắt đầu từ tháng 12 năm trước đến hết tháng 3 năm sau. Các sản phẩm sản xuất là: Đường kính trắng với công suất thiết kế 93.000 tấn mía/năm tương ứng 9500 tấn đường/năm và năm 2013 đạt được sản lượng đường là 5.034 tấn; Rỉ mật với sản lượng 4.000 tấn/năm và phân vi sinh với sản lượng 3.500 tấn/năm.
Tiêu thụ nguyên liệu, năng lượng và phát sinh chất thải của công ty như sau: Mía nguyên liệu từ 50.000 đến 60.000 tấn/năm; nước sạch sử dụng từ 1 triệu đến 1,2 triệu m3/năm; hóa chất sử dụng vôi với khối lượng 1600 kg/ngày, lưu huỳnh sử dụng là 520 kg/ngày và axit photphoric là 150 kg/ngày. Nước thải khoảng 2000 m3/ngày; lượng bã mía trong khoảng 170 – 190 tấn/ngày. Năng lượng tiêu thụ dùng hết bã mía để đốt lò hơi (170 – 190 tấn/ngày).
Quy trình công nghệ sản xuất kèm dòng thải của công ty mía đường Hòa Bình với công suất ép 700 tấn mía/ngày.
44
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ kèm dòng thải công ty mía đường Hòa Bình
3.1.2. Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dòng nước thải 1
Dòng nước này không gây ô nhiễm phát sinh từ các khâu làm lạnh trong các thiết bị trợ tinh; thiết bị ngưng tụ của nồi cô đặc và nấu đường; nước từ bơm chân không. Nước thải bị nhiễm dầu, nhớt và bột mía sinh ra từ ô làm lạnh trục máy cán ép. Dòng nước thải này có lưu lượng khoảng Q1 = 680 m3/ngày. Dòng nước này có giá trị COD thấp khoảng 60 mg/L, nhưng nhiệt độ của nước khá cao t = 540C. Có thể xử sơ bộ bằng phương pháp hóa lý như tuyển nổi, lắng lọc để tái sử dụng hoặc xả thẳng vào hồ sinh học. Tải trọng COD của dòng 1 là:
LCOD 1 = Q1 x 60 = 60 680 = 40,8 kgCOD/ngày.
45
Dòng nước thải này ô nhiễm nhẹ phát sinh từ các quá trình ngưng tụ hơi. Sau khi cấp nhiệt tại các thiết bị gia nhiệt, cô đặc, nấu đường, làm nguội máy làm nguội nước đường, nước thải sinh hoạt của công nhân, phân xưởng ép, phòng thí nghiệm, làm lạnh lò đốt lưu huỳnh, vôi sữa…Dòng này có lưu lượng khoảng Q = 175 m3/ngày. Dòng thải này được đánh giá ô nhiễm nhẹ nhưng nhiều nghiên cứu cho thấy đây cũng là dòng ô nhiễm với COD = 200 mg/L và BOD5 = 93 mg/L vượt tiêu chuẩn QCVN 40: 2011 cột B gấp 2 lần. Tải trọng ô nhiễm là:
LCOD 2 = Q2 x C = 200 175 = 35 kgCOD/ngày.
Đối với dòng nước thải loại này có thể tái sử dụng hoặc cho chảy trực tiếp vào hồ sinh học bởi vì nước thải loại này ô nhiễm nhẹ không ảnh hưởng đến quá trình sinh học. Các công trình sinh học có thể xử lý tốt dòng nước thải loại này.
Dòng nước thải 3
Là dòng nước thải ô nhiễm nặng phát sinh từ quá trình lọc chân không, lắng (bọt và nước bùn), rửa nồi nấu đường, rửa nồi của quá trình cô đặc, rửa máy ly tâm, rò rỉ mật rỉ. Nước thải rửa lọc tuy có lưu lượng nhỏ nhưng giá trị BOD5 và các chất lơ lửng cao. Dòng này có lưu lượng Q3 = 910 m3/ngày. Đây là dòng ô nhiễm nặng, hàm lượng chất hữu cơ cao và pH thấp sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình sinh học của các công trình xử lý sau này, theo kết quả phân tích COD = 2200 mg/L và BOD5 = 1450 mg/L vượt chỉ tiêu chuẩn rất nhiều lần và có tải lượng ô nhiễm là:
LCOD 3 = Q3 C = 910 2200 = 2002 kgCOD/ngày.
Dòng nước thải 4
Nước thải phát sinh từ hệ thống xử lý khí thải, dòng này có lưu lượng là Q4 = 220 m3/ngày. Ô nhiễm chính của dòng này là có giá trị COD và chất rắn lơ lửng rất lớn. Nước thải sau khi qua bể lắng tro có hàm lượng các chất ô nhiễm khá cao là: SS = 4325 mg/L; COD = 2565 mg/L và dòng này có nhiệt độ khá cao t = 580C. Tải trọng ô nhiễm là:
LCOD 4 = Q4 C = 220 2565 = 564 kgCOD/ngày.
Đối với dòng nước thải 3 và 4 cần phải xử lý cục bộ trước khi nhập chung vào hệ thống xử lý sinh học hiếu khí. Bởi vì dòng nước thải loại này có COD và
46
BOD5 cao, rất thích hợp cho quá trình xử lý kỵ khí bằng hệ UASB có kết hợp thu hồi khí metan làm năng lượng.
Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải công ty đường Hòa Bình được tổng hợp ở bảng 3.1:
Bảng 3.1. Đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải công ty mía đường Hòa Bình
Dòng thải Lưu lượng (m3/ngày) Giá trị COD (mg/L) Tải trọng COD (kgCOD/ngày) Phương pháp xử lý đề xuất
1 680 60 40,8 Tuyển nổi + Tái sử
dụng
2 175 200 35 Tái sử dụng
3 910 2200 2002 UASB + aerotank
4 220 2565 564 UASB + aerotank
Kết quả phân tích mẫu nước thải công ty đường Hòa Bình [9]
Kết quả phân tích mẫu nước thải tại cống chung và hồ sinh học của công ty đường Hòa Bình được chỉ ra ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. Kết quả phân tích nước thải tại cống chung và hồ sinh học công ty mía đường Hòa Bình
Thông số Đơn vị Nước thải tại cống chung
Nước thải tại hồ sinh học QCVN 40:2011/BTNMT cột B pH - 6,22 7,7 5,5 - 9 TSS mg/L 622 80 100 Nts mg/L 10,8 7,6 40 Pts mg/L 0,796 4 6 COD mg/L 861 46 150
Từ bảng 3.2 nhận thấy, nước thải tại cống chung có hàm lượng chất rắn lơ lửng và giá trị COD cao hơn 6 lần so với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia; tổng nitơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
47
chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước thải công nghiệp. Các kết quả không
quá cao vì nước thải đã được pha loãng bởi nước thải ở các công đoạn ít ô nhiễm
như làm mát, rửa sàn... Các kết quả thu được cũng khá phù hợp với kết quả của các
nghiên cứu trước đây về đặc tính nước thải công nghiệp mía đường. Các chỉ tiêu chất lượng nước tại hồ sinh học công ty đường Hòa Bình đều đạt QCVN