bằng hệ UASB
Sau thời gian tiến hành thực nghiêm xử lý nước thải mía đường bằng hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm qua 3 giai đoạn với thời gian lưu thủy lực và tải lượng khác nhau chúng tôi thu được các kết quả trung bình như sau:
Bảng 3.4. Đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý thực nghiệm
Thông số Đơn vị Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3
Thể tích làm việc lít 8 8 8
Tải lượng gCOD/lít.ngày 2,47 4,8 7,37
Lưu lượng đầu
vào (ra) lít/ngày 8 16 24
COD đầu vào mg/l 2320 2402 2375
COD đầu ra mg/l 433 345 1000
Hiệu suất xử lý % 81,5 88,9 58,5
pHđầu ra - 6,8 7 6,5
Lưu lượng biogas lít/ngày 5,2 12,2 8,9
CH4 % 54,4 60,7 41,5
Hiệu suất sinh
Biogas lít/gCODchuyển hóa 0,34 0,36 0,28
Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở tải trọng hữu cơ 4,8 gCOD/lít.ngày với thời gian lưu thủy lực 12 giờ hệ UASB đạt hiệu suất xử lý nước thải mía đường cao nhất, với hiệu suất xử lý COD đạt 88,9%, thể tích khí biogas là 12,2 lít/ngày, tỷ lệ khí metan là 60,7% và hiệu suất sinh khí đạt 0,36 lít/gCODchuyển hóa.
Như vậy, các kết quả thu được cũng khá phù hợp với kết quả của các nghiên cứu trước đây khi sử dụng hệ UASB để xử lý nước thải mía đường [Alllison, 1990; Chang, 1999, Mehrdad, 2007]. Tuy nhiên, giá trị COD đầu ra của hệ UASB vẫn còn khá cao, trung bình 283 mg/lít gấp 1,9 lần tiêu chuẩn xả thải theo QCVN
57
40:2011/BTNMT cột B, do đó cần phải xử lý tiếp theo bằng công nghệ xử lý hiếu khí hoặc hồ sinh học tùy nghi.
3.3. Kết quả tiềm năng thu hồi khí metan khí xử lý nước thải mía đường công ty đường Hòa Bình
a) Tính theo lý thuyết
Tính toán tiềm năng thu hồi khí metan từ quá trình tự phân hủy chất hữu cơ là xenlulozơ. Vì nếu không kể đến nước, đường thì xenlulozơ là thành phần chính trong nước thải mía đường.
Áp dụng phản ứng (3) và phương trình (5) ở trên (mục 1.3.3) cho xenlulozơ với công thức hóa học chung là (C6H10O5)n để tính lượng khí metan sinh ra như sau:
(C6H10O5)n + nH2O → 3nCH4 + 3nCO2 (6) Tỷ lệ CH4/COD:
B = (3 x 16) : (16 x 32) = 0,25 (gCH4/gCOD) (7)
Chọn giá trị COD của nước thải mía đường 2580 mg/L [11]. Với lượng mía sản xuất 60000 tấn mía/vụ [5] và là lượng nước thải ra trung bình khi sản xuất 1 tấn mía là 14 m3 [11]. Tổng lượng nước thải của công ty đường Hòa Bình là 840000 m3/vụ.
Ta có giá trị COD trong nước thải là:
COD = 84 x 104 x 2580 x 10-6 = 2167,2 (tấn COD/vụ) Lượng CH4 sinh ra:
mCH4 = 2167,2 x 0,25 = 541,8 (tấn CH4/vụ)
b) Tính theo hệ số thực nghiệm
Từ kết quả quá trình thực nghiệm xử lý nước thải bằng hệ UASB ta có hiệu suất sinh Biogas của quá trình tối ưu là 0,36 lít Biogas/gCODchuyển hóa, trong đó khí CH4 chiếm 60,7%. Vậy ta có hiệu suất sinh khí metan là:
0,36 x 60,7% = 0,21852 (lít CH4/gCODchuyển hóa)
Mặt khác, từ kết quả bảng 3.1 đặc tính nguồn và ô nhiễm nước thải sản xuất mía đường công ty đường Hòa Bình ta có tổng tải lượng COD của nguồn 3 và nguồn 4 phù hợp qua xử lý kỵ khí bằng hệ UASB là:
58
2002 + 564 = 2566 (kgCOD/ngày)
Vậy, tiềm năng thu hồi khí metan từ nước thải mía đường công ty đường Hòa Bình bằng việc tách dòng và xử lý kỵ khí qua hệ UASB là:
VCH4 = 2566 x 0,21852 = 560,7 (m3CH4/ngày)
Theo lý thuyết 1m3 biogas (75% CH4) tương đương với 1,4kWh điện do vậy ước tính tiềm năng năng lượng do thu hồi khí metan của công ty là khoảng:
1000kWh/ngày.
3.4. Đề xuất quy trình công nghệ phù hợp để xử lý nước thải mía đường theo định hướng thu hồi năng lượng
Qua quá trình nghiên cứu thực tế hiện trạng sản xuất đặc tính nước thải, công nghệ xử lý nước thải công ty mía đường Hòa Bình ; cũng như tìm hiểu, nghiên cứu thực nghiệm công nghệ UASB để xử lý nước thải, đặc biệt là xử lý nước thải nghành mía đường. Tôi xin đề xuất giải pháp để xử lý nước thải mía đường như sau:
Hình 3.13. Quy trình công nghệ xử lý nước thải mía đường
59
Song chắn rác: Để hạn chế hiện tượng tắc đường ống do rác thải có kích
thước lớn, tại đầu các đường ống thu gom nước thải có bố trí các song chắn rác bằng kim loại. để loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn. Phần rác thải thu được có thể để sản xuất giấy, phân bón. Nước thải nên được tiếp tục lắng để loại bỏ cát và chất rắn lơ lửng dễ lắng, tránh ảnh hưởng tới máy bơm và các công đoạn xử lý tiếp theo.
Bể lắng đợt 1: Tại bể lắng này, một lượng lớn chất rắn lơ lửng (SS) được loại
bỏ qua quá trình lắng, dầu mỡ và các chất nổi khác cũng được tách ra khỏi nước thải, giảm tải trọng hữu cơ cho các công đoạn xử lý tiếp theo. Bùn lắng được thu định kỳ và chuyển đến sân phơi bùn.
Bể thu – bơm nước thải: Nước thải sau khi qua song chắn rác được gom vào
bể thu và bơm đến các công trình phía sau.
Bể điều hòa: Sự thay đổi về lưu lượng và hàm lượng chất hữu cơ trong nước
thải ở các thời điểm sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật trong hệ UASB. Bể điều hòa có tác dụng làm ổn định lưu lượng và hàm lượng nước thải, tăng hiệu quả xử lý nước thải. Đây là bước rất quan trọng đối với quá trình phân hủy kị khí bởi vi sinh vật kị khí có tốc độ sinh trưởng chậm hơn so với vi sinh vật hiếu khí, độ nhạy cảm cao hơn, và dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường phản ứng, đặc biệt là đối với nhóm vi sinh vật lên men metan. Tiếp theo nước thải trung hòa độ pH bằng dung dịch NaHCO3 để tăng độ pH lên khoảng từ 7-7,5. Các thiết bị đo pH được lắp đặt và kết nối với các bơm định lượng tự động để đảm bảo độ pH ổn định.
Bể UASB: Nước thải được bơm từ bể điều hòa vào bể UASB, nước thải được
nạp từ đáy bể đi qua tầng bùn kỵ khí, quá trình phản ứng xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với hệ vi sinh vật kỵ khí có trong tầng bùn. Các quá trình thủy phân, axit hóa metan hóa chất hữu cơ được diễn ra, sản phẩm tạo thành là khí Biogas (70 - 80% là metan, 20 – 30% là CO2 và các khí khác) và một lượng nhỏ sinh khối. Sau khi xử lý kỵ khí tại bể UASB, khoảng 80 – 90% COD được loại bỏ trong giai đoạn này. Khí Biogas được thu hồi qua tháp khử H2S bằng phoi sắt và sục
60
qua dung dịch NaOH để loại bỏ CO2 sau đó được sử dụng thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch phục vụ đốt lò hơi, phát điện…
Bể aeroten: Nước thải giảm phần lớn tải trọng chất hữu cơ sau khi qua bể
UASB tự chảy vào bể aerotank để xử lý hiếu khí . Tại đây, khí được thổi vào bể bằng các đĩa phân phân phối khí nhằm tăng cường sự xáo trộn với bùn hoạt tính và cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí, đồng thời giữ cho bùn ở trạng thái lơ lửng. Giai đoạn này sẽ xử lý tiếp phần COD, BOD còn lại. Lượng vi sinh vật hiếu khí sẽ được bổ sung bằng cách tuần hoàn bùn từ bể lắng.
Bể lắng đợt 2: Là bể lắng li tâm. Nước thải sau khi được xử lý hiếu khí từ
aerotank được dẫn vào bể lắng. Bùn hoạt tính lắng xuống đáy bể dưới tác dụng của trọng lực, một phần bùn được tuần hoàn lại bể aerotank, phần còn lại sẽ được bơm vào bể nén bùn và đem đi xử lý.
Bể nén bùn đứng: Bùn từ bể lắng đợt 2 được dưa tới bể nén bùn nhằm làm
giảm độ ẩm xuống còn khoảng 60%
Sân phơi bùn: Bùn tươi từ bể lắng đợt I và bùn từ bể nén được dẫn vào sân
phơi bùn để làm ráo nước. Khoảng 20 - 30 ngày xả bùn 1 lần, bùn khô được thu gom bằng gàu hoặc máy, lượng bùn này có thể kết hợp vơi bã bùn sinh ra từ khâu sản xuất đường để làm phân vi sinh. Nước tách từ bể ép bùn và sân phơi bùn được bơm trở lại bể điều hòa để xử lý.
Hồ hiếu khí: Nước thải từ bể lắng 2 tiếp tục chảy qua hồ hiếu khí nơi có
trồng các loại thực vật thủy sinh nhằm ổn định nước thải đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột B trước khi xả ra môi trường tiếp nhận
Tính toán thiết kế sơ bộ hệ thống xử lý nước thải công ty mía đường Hòa Bình.
Từ kết quả đặc tính dòng và ô nhiễm nước thải công ty mía đường Hòa Bình (Bảng 3.1) ta có:
- Dòng thải 1 qua bể tuyển nổi và tái sử dụng - Dòng thải 2 tái sử dụng
61
Kết hợp với các thông số tối ưu của giai đoạn 2 quá trình sử lý thực nghiệm, ta có thiết kế sơ bộ hệ thống xử lý nước thải mía đường công ty đường Hòa Bình như sau.
Bảng 3.5. Thiết kế sơ bộ hệ thống xử lý nước thải công ty mía đường Hòa Bình
STT Tên công trình Kích thước
(m3) Số lượng
Thời gian lưu (giờ) 1 Bể thu 15 1 0,4 2 Bể lắng 1 120 1 2,2 3 Bể điều hòa 310 2 12 4 Bể UASB 320 2 12 5 Bể Aerotank 140 2 6 6 Bể lắng 2 120 1 2,2 7 Bể tuyển nổi 20 1 0,5 8 Bồn biogas 500 2 12 9 Hồ sinh học 1500 2 64
62
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu về dòng nước thải và phương án xử lý nhằm thu metan cho công ty Mía đường Hòa Bình có thể đưa ra một số kết luận sau: - Trong 4 dòng nước thải, nước thải cống xả chung (Q~2000-2200m3/ngày) có
pH tính axit (pH 6,22), giá trị TSS và COD đều vượt hơn 6 lần 40:2011/BTNMT (cột B), hàm lượng N, P tổng đều ở mức vượt TCCP không đáng kể; dòng nước thải rửa thiết bị và từ hệ thống xử lý hấp hấp thụ có mức ô nhiễm COD cao trong khoảng 2200 – 2565mg/L với lưu lượng tương ứng 910 và 220m3/ngày.
- Xử lý nước thải mía đường với hệ UASB đạt hiệu quả cao nhất của với tải trọng 4,8 gCOD/L.ngày và thời gian lưu thủy lực là 12 giờ. Hiệu suất xử lý COD của 3 giai đoạn thực nghiệm đạt 89,9; 81,5 và 58,5% tương ứng với các tải trọng 2,47; 4,8 và 7,37 gCOD/L.ngày.
- Lượng khí biogas sinh ra trung bình cao nhất đạt 12,2 lít/ngày ở tải trọng 4,8 gCOD/lít.ngày, gấp 2,3 và 7,5 lần so với tải trọng tương ứng 2,47 và 7,47 gCOD/lít.ngày. Tỷ lệ % CH4 trong khí biogas trung bình đạt tương ứng 60,7; 54,4 và 41,5%
- Ước tính tiềm năng thu hồi khí metan thông qua việc tách dòng nước thải nhà máy đường Hòa Bình và xử lý bằng hệ UASB có thu hồi khí metan tính theo hệ số thực nghiệm là rất khả quan, lượng khí metan thu được là 560,7m3 khí CH4/ngày, tương đương khoảng 1000kWh điện/ngày. Ước tính theo lý thuyết tiềm năng thu metan đạt 541,8 (tấn CH4/vụ).
Khuyến nghị
- Cần có thêm những nghiên cứu để tối ưu hóa các quá trình sinh học trong hệ UASB nhằm tăng hiệu quả xử lý, tăng chất lượng cũng như thể tích khí biogas sinh ra, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, tận dụng tối đa các dòng thải.
63
- Cần đẩy mạnh nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp tại cơ sở sản suất, hướng đến ứng dụng vào thực tế phương pháp xử lý nước thải tải trọng hữu cơ cao bằng hệ UASB có thu hồi năng lượng nhằm giảm thiểu ô nhiễm, tiết kiệm nhiên liệu.
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn (2012), Số 4157/TB-BNN-VP
Thông báo hội nghị tổng kết sản xuất mía đường niên vụ 2011-2012, Hà Nội.
2. Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn (2013), Số 1216/TB-CB-NS Thông
báo Kết quả Hội nghị Tổng kết sản xuất mía đường niên vụ 2012-2013.
3. Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn (2013), Số 4126/BC-BNN-VP Báo
cáo Trả lời chất vấn Đại biểu Quốc hội Kỳ họp thứ 6 Quốc hội khóa 13.
4. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2004), Dự án tăng cường năng lực thực hiện
cơ chế phát triển sạch tại Việt Nam.
5. Công ty mía đường Hòa Bình (2014), Tài liệu sản xuất và môi trường.
6. Nguyễn Quang Khải, Nguyễn Vũ Thuận (2003), Công nghệ khí sinh học,
Cục Nông Nghiệp, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn,.
7. Đặng Đình Kim (2002), Ứng dụng phương pháp sinh học xử lý chất thải
hữu cơ sinh ra từ một số ngành công nghiệp trên thế giới và khả năng ứng dụng tại Việt Nam, Báo cáo tổng quan.
8. Tôn Thất Lãng (2004), Bùn hạt và những phương pháp đẩy nhanh quá trình
tạo bùn hạt, Đề tài Công nghệ.
9. Tôn Thất Lãng (2005), Mô hình xử lý kỵ khí tốc độ cao và ứng dụng trong
xử lý nước thải
10. Lương Đức Phẩm (2002), Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh
học, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
11. Nguyễn Thị Sơn (2004), Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và thiết bị UASB
xử lý nước thải sản xuất đường mía, Báo cáo tổng kết đề tài,Viện Khoa học
và Công nghệ Môi trường, Đại học Bách Khoa, Hà Nội.
12. Nguyễn Thị Sơn, Nguyễn Thị Thu Hà (2006), Nghiên cứu xử lý nước thải
sản xuất tinh bột sắn thu biogas bằng hệ thống UASB, Đề tài KC 04 – 02,
65
13. Lý Hoàng Anh Thi (2013), Báo cáo ngành mía đường niên vụ 2011 – 2012,
NXB Bộ NN & PTNT, Hà Nội.
14. Trần Văn Tựa (2012), Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiên tiến phù hợp
với điều kiện Việt Nam để xử lý ô nhiễm môi trường kết hợp với tận dụng chất thải của các trang trại chăn nuôi lợn, Đề tài KC.08.04/11-15, Viện
công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam. Tiếng Anh
15. APHA (1992), Standar method for the examination of waste and
wastewater, Victor Graphics, Inc., Baltimore.
16. Alllison P(1999), “Sugar refinery effluent treatment”, World Water and
Environmental Engineering, 22(3), pp. 28.33.
17. S.R.P. Avancini, G.L. Faccin, M.A. Vieira, A.A. Rovaris, R. Podesta, R. Tramonte, N.M.A. de Souza and E.R. Amante (2007), “Cassava starch fermentation wastewater: Characterization and preliminary toxicological
studies”, Food and Chemical Toxicology, Volume 45, Issue 11, pp. 2273 -
2278.
18. Buswell EG & Neave SL (1930), Laboratory studies of sludge digestion,
Illinois Div. of State Wat. Survey 30.
19. Rafael Munoz Candelario, Félix D. Santiago and Mr. Angel Pizarro
Andrade (1974), The treatment of liquid wastes from the cane sugar industry
in Puerto Rico, University of Puerto Rico Mayaguez Campus.
20. Chang, L. J., Yang , P . Y., Whalen, S. A. (1990) “ Management of
sugarcane mill wastewater in Hawaii”, Water Science and Technology
Vol.22, No.9, pp.131-140.
21. Jason Clay (2005), Sugarcane Production and the Environment, WWW-US,
Better Sugar Meeting, June 21.
66
23. X. Colin, J.L. Farinet, O. Rojas, D. Alazard (2007), “Anaerobic treatment of cassava starch extraction wastewater using a horizontal flow filter with
bamboo as support”, Bioresource Technology, 98(8), pp.1602–1607.
24. European Commission (2007), An Energy Policy for Europe, Belgium
25. Euro Observer Report (2008),The state of renewable energies in Europe,
pp. 47-51.
26. Fachverband Biogas (2009), Biogas dezentral erzeugen, regionalprofitieren,
international gewinnen, Jahrestagungdes Fachverbandes Biogas, Hannover, pp. 18.
27. Mehrdad Farhadian, Mehdi Borghei, Valentina V. Umrania (2007), “Treatment of beet sugar wastewater by UAFB bioprocess”, Bioresource Technology, Vol.98, No.16, pp.3080-3083.
28. Gallert C, Winter J (1997), “Mesophilic and thermophilic anaerobic digestion of source sorted organic wastes: effect of ammonia on glucose
degradation and methane production”, Appl Microbiol Biotechnol
48(3):405410.
29. J. S. Gonazalez, A.Rivera, R. Borja, E.Sanchez (1998), “Influence of organic volumetric loading rate, nutrient balance and alkalinity; COD ratio on the anaerobic sludge granulation of an UASB reactor treating sugar cane
molasses”, International Biodeterioration& Biodegradation 41, pp.127-131.
30. V.Nallathambi Gunasella (1997), “Anaerobic digestion of biomass for
methane production: A Review”, Biomass and Bioenergy, Vol. 13, Isues