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
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
40:2011/BTNMT cột B. Sở dĩ tất cả các chỉ tiêu đều đạt tiêu chuẩn vì nước thải tại
hồ đã được xử lý và pha loãng bằng nước sông lấy từ đập thủy điện Hòa Bình. 3.2. Kết quả khảo sát khả năng xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB
3.2.1. Kết quả giai đoạn khởi động hệ UASB
Trong quá trình khởi động hệ UASB, 2 loại bùn mồi vi sinh đã được sử dụng là bùn lấy từ hệ yếm khí xử lý nước thải chăn nuôi được gọi là bùn chăn nuôi với và bùn lấy từ hệ UASB của nhà máy bia gọi là bùn bia với hàm lượng của hỗn hợp bùn hoạt tính MLVSS khoảng 6300 mg/L. Vi sinh vật trong hệ được nuôi dưỡng và thích nghi bằng việc dùng nước thải nhân tạo pha từ bã mía và bổ sung chất dinh dưỡng với giá trị COD khoảng 2300 mg/L với thời gian lưu thủy lực là 48 giờ, tải trọng hữu cơ 1,15 g/L.ngày.
Quá trình khỏi động hệ bằng bùn gốc kỵ khí là bùn chăn nuôi (gọi tắt là bùn chăn nuôi) được cho hoạt động và theo dõi trong trong 2 tuần, sau đó tiến hành lấy mẫu phân tích trong 14 ngày tiếp theo. Kết quả phân tích hiệu quả xử lý COD rất thấp, trung bình khoảng 40%. pH đầu vào trung bình 7,2; pH đầu ra trung bình 5,1. Và gần như không có khí biogas sinh ra. Điều này chứng tỏ quá trình metan hóa đã không diễn ra, và sự tích tụ axit béo dễ bay hơi đã làm cho pH đầu ra của hệ giảm. Có thể lý giải cho hiện tượng này là vì bùn gốc lấy từ hệ xử lý nước thải chăn nuôi không thu khí biogas nên quá trình yếm khí xảy ra trong điều kiện không nghiêm ngặt, mặt khác nước thải chăn nuôi có hàm lượng amoni lớn dẫn điến ức chế sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn metan. Khởi động hệ UASB với bùn chăn nuôi không thành công và phải khởi động lại hệ từ đầu với nhân kỵ khí mới.
48
Hình 3.2. Biến thiên giữa hiệu suất xử lý COD và pH với bùn chăn nuôi Khởi động lại hệ UASB với bùn gốc kỵ khí lấy từ hệ UASB công ty Bia Hà Nội – Mê Linh (gọi tắt là bùn bia), việc lựa chọn bùn gốc kỵ khí bia là phù hợp với nước thải mía đường vì nước thải nhà máy bia có tải trọng hữu cơ tương đối cao, không có độc tính, hàm lượng nitơ, photpho thấp gần giống với nước thải mía đường. Hệ vi sinh yếm khí được nuôi bằng nước thải nhân tạo pha từ bã mía và bổ sung nguồn dinh dưỡng thích hợp với giá trị COD đầu vào khoảng 2200 mg/L với thời gian lưu nước là 48 giờ, tải trọng hữu cơ là 1,1 g/L.ngày. Vào ngày thứ 14 quan sát hệ bắt đầu thấy hiện tượng hình thành bùn hạt và có bọt khí hình thành, pH đầu ra ở thời điểm này duy trì ở mức 6,4 - 6,8; tiếp tục duy trì chế độ khởi động hệ tạo sinh khối đến ngày thứ 30 khi lượng bùn hạt hình thành nhiều và lượng khí sinh ra nhiều hơn, pH duy trì ở mức 6,8 - 7,2 chứng tỏ quá trình khởi động hệ thành công với bùn bia.
49
Hình 3.3. Ảnh hưởng giữa hiệu suất xử lý COD và pH với gốc kỵ khí bia
Hình 3.4. Bùn hạt và bọt khí hình thành với quá trình khởi động bằng nhân kỵ khí bia
Sau khi khởi động hệ thành công, tiến hành thực nghiệm với các thông số và qui trình thí nghiệm như đã nêu ở bảng 2.2, lấy mẫu phân tích, theo dõi thu thập số liệu và kết quả phân tích.
3.2.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ UASB trong 3 giai đoạn xử lý 3 giai đoạn xử lý
a) Độ kiềm tổng và VFA
Axit béo dễ bay hơi là yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí trong hệ UASB. Qua hình 3.5 thấy rằng, trong suốt quá trình thực nghiệm, hàm lượng VFA dao động trong khoảng 370 – 533 mg/L, trung bình là 459 mg/L, hàm lượng VFA cao nhất ở mức tải trọng hữu cơ 4,93 gCOD/m3.ngày. Độ kiềm tổng của hệ
50
UASB trong khoảng từ 1370 - 2050 mgCaCO3/L nên đã trung hòa bớt được lượng axit yếu sinh ra trong quá trình ait hóa. Do đó pH của hệ UASB luôn dao động trong khoảng 6,6 -7,5. Với khoảng pH như thế này là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật sinh metan hoạt động.
Hình 3.5. Mối liên hệ giữa độ kiềm tổng và VFA trong hệ UASB
b) pH, nhiệt độ
Nhiệt độ và pH cũng là 2 yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ UASB. Nhiệt độ của hệ phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài, nhiệt độ của hệ dao động trong khoảng 29 - 32 0C là điều kiện lý tưởng cho vi khuẩn metan ưa ấm phát triển. pH đầu vào được điều chỉnh ở mức 7,4 - 7,6, một mặt là khoảng pH tối ưu cho vi khuẩn kỵ khí phát triển, mặt khác góp phần tạo cho hệ có tính đệm tốt tránh tình trạng pH giảm đột ngột do quá trình axit hóa trong hệ.
51
3.2.3. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý COD của 3 giai đoạn xử lý đoạn xử lý
a) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu suất xử lý COD
Tải trọng hữu cơ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý COD. Tải trọng COD của các giai đoạn xử lý dao động trong khoảng 2,21 – 7,37 g/L.ngày.
Hình 3.7. Ảnh hưởng của tải trọng COD đến hiệu quả xử lý
Hình 3.7 cho thấy tải trọng COD có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất xử lý COD. Tải trọng COD dao động trong khoảng 2,21 – 7,37 g/L.ngày. Khi tải trọng COD là 4,8 g/L.ngày thì hiệu suất xử lý COD đạt mức trung bình cao nhất 89,9%, với mức tải trọng COD là 7,37 g/L.ngày hiệu suất xử lý COD có mức trung bình thấp nhất 58,5%.
b) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD
Thời gian lưu thủy lực của hệ UASB được giảm qua 3 giai đoạn thí nghiệm, tương ứng 24; 12 và 8 giờ và lưu lượng dòng vào được điều chỉnh tăng dần tương ứng 8; 16 và 24 L/ngày.
52
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến hiệu suất xử lý COD Qua hình 3.8 ta thấy, với thời gian lưu là 12 giờ thì hiệu suất xử lý COD là cao nhất, trung bình đạt 89,9%. Ở thời gian lưu thủy lực là 8 giờ thì hiệu suất xử lý COD trung bình thấp nhất 58,5%.
c) So sánh hiệu suất xử lý COD của các giai đoạn thí nghiệm
Hình 3.9. So sánh hiệu suất xử lý COD của các giai đoạn xử lý
Từ hình 3.9 ta thấy, giai đoạn 3 có hiệu suất xử lý COD thấp nhất 58,5%, đến ngày thứ 8 của giai đoạn này bắt đầu có hiện tượng tan rã bùn hạt và sang ngày thứ 11 bùn hạt tan rã hoàn toàn. Giai đoạn 2 là gia đoạn có hiệu suất xử lý COD cao nhất 89,9% và là giai đoạn xử lý COD tối ưu của toàn bộ quá trình thí nghiệm, với các thông số:
- Giá trị COD đầu vào trung bình: 2402 mg/L. - Tải trọng hữu cơ: 4,8 gCOD/L.ngày.
53 - pH: 7,3 - 7,5.
- Nhiệt độ môi trường bên ngoài : 35 - 390C.
Kết quả về hiệu suất xử lý COD qua các giai đoạn thực nghiệm thu được cũng khá phù hợp với nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất cồn từ rỉ đường bằng hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm của Nguyễn Thị Sơn và Nguyễn Thị Thu Hà (2004): đạt 92,2% với thời gian lưu 3,5 ngày, tải trọng COD 2,99g/L.ngày. Tuy nhiên hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ thu được cao hơn đáng kể một số nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất đường khác như của Xu Cheng và nnk (2010) với UASB do công ty Able Co., Ltd thiết kế để xử lý nước thải sản xuất mía đường (COD: 20.000-150.000 mg/L) ở Quảng Tây, Trung Quốc. Hiệu quả xử lý nước thải với các giá trị pH thấp, COD, sunphat cao và tải trọng hữu cơ lớn (OLR 2- 5gCOD/L.ngày; lớn nhất 18-24 gCOD/L.ngày). Hiệu quả loại COD chỉ đạt 50-55% với thời gian lưu thủy lực 24-48 giờ. Trong nghiên cứu của A.K. Ragen và nnk (2001) sử dụng hệ mô hình UASB khác quy mô phòng thí nghiệm, V 10 lít, COD ban đầu là 1000mg/lít. Sau khi hệ khởi động thành công, tải lượng hữu cơ đạt được 6,7 kgCOD/m3.ngày, hiệu quả xử lý COD đạt 76%.
3.2.4. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh khí của 3 giai đoạn xử lý đoạn xử lý
Thể tích và thành phần khí biogas được theo dõi và đo lường hàng ngày trong suốt quá trình thực nghiệm.
Kết quả được tổng hợp trong bảng dưới đây:
Bảng 3.3. Trung bình thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày và hiệu suất sinh khí mêtan qua các giai đoạn thí nghiệm
Giai đoạn Thể tích hệ UASB (lít) Tải lượng COD (g/lít.ngày) Thể tích biogas (lít/ngày) %CH4 Hiệu suất sinh mêtan (lít/gCODch) Hiệu suất xử lý COD(%) 1 8 2,47 5,2 54,4 0,34 81,5 2 8 4,8 12,2 60,7 0,36 88,9 3 8 7,37 8,9 41,5 0,28 58,5
54
Hiệu suất sinh khí biogas của hệ UASB qua 3 giai đoạn xử lý được thể hiện qua hình 3.10.
Hình 3.10. Hiệu suất sinh khí biogas của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm
Kết quả theo dõi thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm cho thấy khi vận hành hệ UASB ở tải lượng 4,8 gCOD/lít.ngày sinh ra lượng khí nhiều nhất, đạt 12,2 lít/ngày, gấp 2,3 lần so với tải lượng 2,47 g COD/lít.ngày và gấp 1,35 lần so với tải lượng 7,17 gCOD/lít.ngày. So với nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm của A.S.Tanksali (2013) với các điều kiện thí nghiệm gần tương tự: UASB có Vphản ứng 8,4 lít, bùn gốc lấy từ bể tự hoại, tiến hành ở nhiệt độ phòng (26-39oC), tải trọng hữu cơ cao nhất 6g COD/L.ngày, hiệu quả xử lý COD của nghiên cứu này đạt thấp hơn không đáng kể (80-90% so với 96%). Tuy nhiên hiệu suất sinh khí đạt tương đương: 12,2L/ngày và 13,72L/ngày.
55
Hình 3.11. Mối liên hệ giữa thể tích khí biogas và hàm lượng khí metan của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm
Phân tích thành phần khí biogas thu được, cho kết quả hàm lượng khí mêtan ở giai đoạn 2 là cao nhất đạt 60,7%, tiếp đến là giai đoạn 1 với 54,4% và thấp nhất là giai đoạn 3 chỉ đạt 41,5%.
Hình 3.12. Hiệu suất chuyển hóa khí của 3 giai đoạn xử lý thực nghiệm Kết quả từ hình 3.12 cho thấy, hiệu suất chuyển hóa khí giao động trong khoảng 0,25 – 0,41 lít/ gCODchuyển hóa, trung bình đạt 0,33 lít/ gCODchuyển hóa.
Như vậy, các kết quả về hiệu suất sinh biogas và tỷ lệ % CH4 trong biogas