Tài liệu Hoàn thiện thiết bị, công nghệ sản xuất các modul sinh học xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm

  • Số trang: 253 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 96 |
  • Lượt tải: 0
nguyetha

Đã đăng 8489 tài liệu

Mô tả:

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ CÔNG THƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC 04/06-10 BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ DỰ ÁN Tên dự án: “HOÀN THIỆN THIẾT BN, CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC MODUL SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM” MÃ SỐ KC 04.DA01/06-10 Tên cơ quan chủ trì dự án: Viện Công nghiệp thực phm Chủ nhiệm dự án: PGS.TS. Lê Đức Mạnh Hà Nội - năm 2009 PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1.NƯỚC THẢI VÀ CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 1.1.1. Định nghĩa và phân loại nước thải Theo nguồn gốc phát thải, nước thải được chia thành những loại sau: Nước thải sinh hoạt: Là nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí. Nước thải công nghiệp: Là nước thải từ các xí nghiệp sản xuất công nghiệp, thủ công nghiệp, giao thông vận tải. Nước thải loại này phụ thuộc vào các quy trình công nghệ của từng loại sản phNm. Nước thải tự nhiên: Nước mưa được xem như nước thải tự nhiên ở các thành phố hiện đại, chúng được thu gom theo một hệ thống thoát riêng. Nước thải đô thị: Là một thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố, đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên. 1.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá nước thải 1.1.2.1. Các chỉ tiêu lý hóa Độ pH: pH là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải. Chỉ số này cho thấy cần thiết phải trung hòa hay không và tính lượng hóa chất cần thiết trong quá trình đông keo tụ, khử khuNn. Hàm lượng các chất rắn: Các chất rắn trong nước gồm có các chất vô cơ như muối hòa tan hoặc không tan, các chất hữu cơ như xác các vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, động thực vật phù du, các chất hữu cơ tổng hợp như phân bón, các chất thải công nghiệp. 5 Độ cứng: Độ cứng của nước thường không được coi là ô nhiễm vì không gây hại cho sức khỏe con người. Nhưng độ cứng lại gây nên ảnh hưởng lớn đến công nghệ như cáu cặn lò hơi, các thiết bị có gia nhiệt nước. Màu: Nước thải thường có màu nâu đen hoặc đỏ nâu. Màu của nước có thể là màu thực (do các chất hòa tan hoặc dạng hạt keo) hoặc màu biểu kiến do các chất lơ lửng trong nước tạo nên. Độ đục: Độ đục của nước do các hạt lơ lửng, các chất hữu cơ phân hủy hoặc do giới thủy sinh gây ra. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước, ảnh hưởng khả năng quang hợp của các vi sinh vật tự dưỡng trong nước. Nước càng bNn, độ đục càng cao. Oxi hòa tan (Dissolved oxygen - DO): Mức oxi hòa tan trong nước và nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, vào hoạt động của giới thủy sinh, hóa học và vật lý của nước. Nhu cầu oxi sinh hóa (BOD): BOD là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi sinh vật (chủ yếu là vi khuNn) hoại sinh, hiếu khí hay còn gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Nhu cầu oxi hóa học ( COD): COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ có trong mẫu nước thành CO2 và nước. Để xác định COD, người ta thường sử dụng một chất oxi hóa mạnh trong môi trường axít. Chỉ số Nitơ (N): Cần xác định Nitơ tổng số, hoặc các dạng N-NH3, NNO2, N-NO3 hoặc orthphosphat…để chọn phương án làm sạch các ion này hoặc cân đối dinh dưỡng trong kỹ thuật bùn hoạt tính. Hàm lượng phospho (P): Phospho tồn tại ở trong nước với các dạng HPO4-2, PO4-3, các polyphosphate như Na3(PO3)6 và phospho hữu cơ. 1.1.2.2. Chỉ tiêu sinh học 6 Một trong những chỉ tiêu sinh học quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nước thải là sự có mặt của các vi sinh vật gây bệnh hoặc vi sinh vật chỉ thị. Mỗi loại nước thải có một khu hệ vi sinh vật đặc trưng [54]. Ngoài các vi sinh vật gây bệnh cho người, trong nước thải còn chứa các vi sinh vật gây bệnh cho động vật và thực vật. Chúng không những gây bệnh cho động vật thủy sinh mà còn gây bệnh cho cả gia súc và động vật hoang dại. 1.1.3. Xử lý nước thải Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bNn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và những hợp chất tan trong nước. Thông thường có các phương pháp xử lý nước thải như sau [23, 24,126]: • Xử lý bằng phương pháp cơ học • Xử lý bằng phương pháp hóa lý và hóa học • Xử lý bằng phương pháp sinh học 1.2. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC Tùy theo kích cỡ, các hạt huyền phù được chia thành hạt chất rắn lơ lửng có thể lắng được, hạt chất rắn keo được khử bằng đông tụ. Các loại tạp chất trên dùng các phương pháp xử lý cơ học là thích hợp (trừ hạt dạng chất rắn keo). 1.2.1. Song chắn rác Nhằm giữ lại các vật thô, như giẻ, giấy, rác, vỏ hộp, mNu đất đá, gỗ... ở trước song chắn. 1.2.2. Lưới lọc Sau chắn rác, để có thể loại bỏ các tạp chất rắn có kích cỡ nhỏ hơn, mịn hơn ta có thể đặt thêm lưới lọc. Các vật thải được giữ lại trên mặt lọc, phải cào lấy ra để khỏi làm tắc dòng chảy. 1.2.3. Lắng cát 7 Nước qua bể lắng (qua bẫy) dưới tác dụng của trọng lực, cát nặng sẽ lắng xuống đáy và kéo theo một phần chất đông tụ. Cát lắng ở bẫy cát thường ít chất hữu cơ. 1.2.4. Các loại bể lắng Nguyên lý làm việc của các loại bể này đều dựa trên cơ sở trọng lực để lắng các loại hạt lơ lửng, các loại bùn (kể cả bùn hoạt tính). Bể lắng thường được bố trí theo dòng chảy, có kiểu hình nằm ngang hoặc hình thẳng đứng. Bể lắng ngang trong xử lý nước thải công nghiệp có thể là một bậc hoặc nhiều bậc. 1.2.5. Tách dầu mỡ Nước thải của một số xí nghiệp ăn uống, chế biến bơ sữa, các lò mổ, xí nghiệp ép dầu,... thường có lẫn dầu mỡ. Các chất này thường nhẹ hơn nước và nổi lên trên mặt nước. Có thể dùng các loại gạt đơn giản bằng các tấm sợi quét trên mặt nước hoặc các thiết bị tách dầu mỡ. 1.2.6. Lọc cơ học Trong xử lý nước thải bằng biện pháp cơ học: chắn rác, lắng cát, loại bỏ dầu, mỡ nổi, lọc như đã đề cập ở trên, người ta còn dùng xiclon thủy lực để tách tạp chất khó lắng hoặc nén cặn, máy ly tâm. Các biện pháp trên đây kèm theo các trang thiết bị thích ứng đều tùy thuộc vào từng loại nước thải, yêu cầu xử lý, điều kiện kinh tế của cơ sở. 1.3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ VÀ HÓA HỌC Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng hóa học, các quá trình hóa lý diễn ra giữa chất bNn với hóa chất cho thêm vào. 1.3.1. Trung hòa Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau. Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về vùng 6.6-7.6. Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hòa dịch nước thải. 8 1.3.2. Keo tụ Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước lớn ≥ 10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được. Ta có thể làm tăng kích cỡ các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được. 1.3.3. Hấp phụ Phương pháp hấp phụ được dùng để loại hết các chất bNn hòa tan vào nước mà phương pháp xử lý sinh học cùng các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi, vị và mầu rất khó chịu. Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất, như xỉ tro, xỉ mạt sắt, v.v..... 1.3.4. Tuyển nổi Thực chất đây là quá trình tách bọt hoặc làm đặc bọt. Quá trình này được thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trong nước thải. Các bọt khí dính các hạt lơ lửng lắng kém và nổi lên mặt nước. Khi nổi lên các bọt khí tập hợp thành bông hạt đủ lớn, rồi tạo thành một lớp bọt chứa nhiều các hạt bNn. Tuyển nổi bọt nhằm tách các chất lơ lửng không tan và một số chất keo hoặc chất hòa tan ra khỏi pha lỏng. 1.3.5. Phương pháp clo hoá (Breakpoint chlorization) Phương pháp này dựa trên tính oxy hoá mạnh của phân tử clo. Clo có vai trò khử NH4+ để tạo thành nitơ phân tử. Mặt khác, quá trình khử NH4+ còn sinh ra một lượng axit đáng kể, nên thực tiễn xử lý cần phải tiêu tốn một lượng CaCO3 để trung hoà (trung bình khoảng 10,7 mgCl/mng-NH4+). Hiện các nhà máy nước vẫn sử dụng phương pháp này để xử lý NH4+ khi muốn kết hợp với khâu khử trùng. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là chi phí vận hành lớn, tạo các sản phNm phụ có hại cho sức khoẻ cộng đồng. 1.3.6. Phương pháp làm thoáng (Air stripping) 9 Phương pháp dựa trên sự cân bằng của ion NH4+ với bazơ liên hợp của nó là NH3 với pKa = 9,5. Ưu điểm của phương pháp là đơn giản trong vận hành, chi phí thấp. Quá trình loại bỏ được NH4+ ra khỏi nước không sinh ra các sản phNm ô nhiễm. Tuy nhiên phương pháp có nhiều nhược điểm như hiệu quả loại bỏ NH4+ ra khỏi nước phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ. 1.3.7. Trao đổi ion Phương pháp này được dùng để loại ra khỏi nước các ion kim loại, như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn... Các hợp chất chứa asen, phospho, xianua và cả các chất phóng xạ. 1.3.8. Khử khu n Khử khuNn hay sát khuNn có thể dùng hóa chất hoặc các tác nhân vật lý, như ozon, tia tử ngoại...Hóa chất sử dụng để khử khuNn phải đảm bảo có tính độc đối với vi sinh vật trong một thời gian nhất định, sau đó phải được phân hủy hoặc bay hơi, không còn dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào các mục đích sử dụng khác. Các chất khử khuNn hay dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước Javel, vôi clorua, các hipoclorit, cloramin B... Đây là các hợp chất của clo, đảm bảo là những chất khử khuNn đáp ứng được các yêu cầu trên, đồng thời cũng là các chất oxi hóa. 1.4. XỬ LÝ NƯỚC THẢI THEO PHƯƠNG PHÁP HIẾU KHÍ 1.4.1. Quá trình phân huỷ hiếu khí Xảy ra do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động, cần có oxi của không khí để phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bNn vào trong nước [1,9 ,24]. Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuNn hiếu khí, kị khí hoặc kị khí tuỳ tiện. Ta thấy có các giống vi khuNn như: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Achromobacter, Spirochaeta, Clostridium và 2 giống nhiễm từ phân Euterobacterium, Streptococcus. Trong số này, giống 10 Pseudomonas thường gặp ở hầu hết các loại nước thải; sau đó là Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium. Pseudomonas là trực khuNn gram (-) có thể đồng hoá được các chất hữu cơ kể cả các hợp chất hữu cơ tổng hợp như Polyvinyl alcohol – PVA. 1.4.2. Bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuNn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở trong nước. Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 đến 150µm. Những bông này gồm các vi sinh vật sống và cặn rắn (chiếm khoảng 30 40%). Những vi sinh vật sống ở đây chủ yếu là vi khuNn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuNn, động vật nguyên sinh, dòi, giun... 1.4.3. Màng sinh học Màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Màng này dày từ 1– 3mm. Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ vàng xám đến màu nâu tối. Khi nước thải chảy qua lọc màng sinh học, do hoạt động sống của quần thể vi sinh vật, các chất hữu cơ dễ phân giải được vi sinh vật sử dụng trước với vận tốc nhanh, đồng thời số lượng của quần thể tương ứng này phát triển nhanh. Các chất hữu cơ khó phân giải sẽ được sử dụng sau với vận tốc cũng chậm hơn và quần thể vi sinh vật đồng hóa chúng phát triển muộn màng hơn. Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuNn hiếu khí, vi khuNn tùy tiện và kị khí. Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuNn Bacillus. Lớp trung gian là các vi khuNn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là kị khí, thấy có vi khuNn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio. Phần dưới cùng của màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các 11 lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính. 1.4.4. Bể phản ứng sinh học hiếu khí - aeroten Bể phản ứng sinh học hiếu khí - aeroten là công trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, hoặc bằng thép hình khối trụ. Thông dụng nhất hiện nay là bể aeroten hình khối chữ nhật. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hòa tan và tăng cường quá trình oxi hóa chất bNn hữu cơ có trong nước. Nước thải sau khi đã xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào aeroten. Các chất lơ lửng là nơi vi khuNn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển thành các hạt cặn bông. Các hạt này dần dần to và lơ lửng trong nước. Các hạt bông cặn có màu nâu sẫm này (chính là bùn hoạt tính) chứa các chất hữu cơ hấp phụ từ nước thải làm nơi cư trú cho các vi khuNn và các sinh vật bậc thấp khác sinh sống và phát triển. 1.4.5. Lọc sinh học (Biofilter) Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bNn hữu cơ có trong nước. Các màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuNn) hiếu khí, kị khí và kị khí tùy tiện. Các vi khuNn hiếu khí được tập trung ở lớp ngoài của màng sinh học. Chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng dính bám). 1.4.6. Đĩa quay sinh học RBC (Rotating Biological Contactors) Đĩa quay sinh học gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng được làm bằng PVC (polyvinylclorit) hoặc PS (polystyren), lắp trên một trục. Các đĩa này được đặt ngập một phần vào nước và quay chậm khi làm việc. Đây là thiết bị xử lí nước thải bằng kỹ thuật màng sinh học dựa trên sự sinh trưởng gắn kết của vi sinh vật trên bề mặt của các vật liệu đĩa. Đĩa quay sinh học được áp dụng đầu tiên ở CHLB Đức năm 1960. Ở Mỹ và Canada, 70% hệ thống RBC được sử 12 dụng để loại BOD, 25% để loại BOD và nitrat, 5% để loại nitrat. Hệ đĩa quay gồm những đĩa tròn polystyren hoặc polyvinyl clorit đặt gần sát nhau nhúng chìm khoảng 40% trong nước thải hoặc quay với vận tốc chậm. Tương tự như bể lọc sinh học, một lớp màng sinh học được hình thành và bám chắc vào vật liệu đĩa quay. Khi quay, màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxi khi ra khỏi nước thải. Đĩa quay được nhờ môtơ hoặc sức gió. Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với không khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ được phân hủy nhanh. 1.5. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KN KHÍ 1.5.1. Quá trình phân hủy kị khí Phân hủy kị khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không cần có oxi [1, 24, 97,126]. Sự biến đổi các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí diễn ra theo 3 giai đoạn: - Giai đoạn 1 (giai đoạn thủy phân): Các hợp chất hữu cơ có trọng lượng phân tử lớn bị phân hủy do các enzym thủy phân để tạo ra năng lượng và nguồn cacbon để xây dựng tế bào. - Giai đoạn 2 (giai đoạn lên men axit): các hợp chất hữu cơ của giai đoạn 1 được biến đổi do hoạt động của vi khuNn để tạo thành các hợp chất trung gian có phân tử lượng thấp. - Giai đoạn 3 (giai đoạn lên men metan): các hợp chất trung gian dược biến đổi thành các sản phNm cuối là CH4 và CO2 nhờ hoạt động của các vi khuNn. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí sinh ra sản phNm cuối cùng là hỗn hợp khí trong đó, CH4 (metan) chiếm tới 60 – 75%. Vì vậy, quá trình này còn được gọi là lên men metan. Trong quá trình phân hủy, một nhóm vi sinh vật kị khí thủy giải các chất hữu cơ và lipit thành monosaccharit, aminoaxit và các chất liên quan (sơ đồ 4. 1). Trong giai đoạn này, các enzim do các vi sinh vật tiết ra phân hủy các 13 chất hữu cơ - hydratcacbon phức tạp thành các đường đơn giản; protein thành albumoz, pepton, peptit, axit amin; chất béo (lipit) thành glyxerin và các axit béo. Các hợp chất hữu cơ hoà tan bị phân huỷ gần như hoàn toàn: axit béo tự do được phân huỷ tới 80- 90%, axit béo là loại este được phân huỷ 65 - 68%. Riêng lignin là hợp chất hữu cơ khó phân giải nhất, nó tạo ra mùn. Một nhóm vi sinh vật kị khí lên men các sản phNm này thành các axit hữu cơ (quan trọng nhất là axit acetic). Nhóm vi khuNn này không lên men metan nhưng lên men axit (vi khuNn kị khí tùy tiện và kị khí bắt buộc). Thuộc nhóm này gồm có Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus và Escherichia coli. Các nhóm sinh lý khác gồm các vi sinh vật sinh ra enzym thủy giải protein, lipit, urê và xenluloza. Nhóm vi sinh vật thứ ba là nhóm vi khuNn lên men metan, quan trọng nhất là nhóm sử dụng H2 và axit acetic (tạo ra do nhóm vi sinh vật lên men axit) thành CH4 và CO2. Các vi khuNn này là những vi khuNn lên men metan thuộc nhóm kị khí bắt buộc. Các loài này có thể thấy trong bao tử của các động vật nhai lại và đáy bùn ở các ao hồ. Thuộc nhóm này gồm có các giống vi khuNn hình que (Methanobacterium, Methanobacillus) và các giống vi khuNn hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina). Sản phNm cuối cùng của quá trình phân hủy kị khí là hỗn hợp các chất khí CO2 và CH4. Ngoài ra, còn một số khí khác như: H2, N2, H2S và một ít muối khoáng. Vi khuNn metan chỉ sử dụng một phần cơ chất để tạo thành metan. Các vi khuNn len men metan sử dụng các nguồn cơ chất sau: CO2 và H2, format, acetat, metanol, metylamin, cacbon monoxit. 1.5.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng Trong các quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ, xử lí nước thải bằng phương pháp kị khí sinh trưởng lơ lửng được dùng phổ biến [126]. Đó là quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn và được thực hiện trong công trình 14 thường được gọi là bể metan (methantank). Ngoài ra hai quá trình tiếp xúc kị khí, quá trình với lớp bùn hoạt tính có dòng hướng lên v.v... cũng đang được ứng dụng rộng rãi. Phân hủy kị khí với sinh trưởng lơ lửng là một trong những quy trình xử lí bùn cặn lâu đời nhất. Xử lí bằng phương pháp “tiếp xúc kị khí” bể lên men có thiết bị trộn và bể lắng riêng: Trong quá trình tiếp xúc kị khí, nước thải được trộn với bùn hồi lưu, quá trình phân hủy diễn ra trong điều kiện yếm khí [126]. Sau khi phân hủy, hỗn hợp được đưa sang bể lọc rồi xử lý tiếp tục hoặc thải ra môi trường. Bùn kị khí được tái tạo để đưa vào bể xử lý tiếp tục. Do tốc độ sinh trưởng của vi khuNn kị khí thấp nên lượng bùn dư thấp. Phương pháp này áp dụng đối với nước thải có mức độ ô nhiễm cao các chất thải hòa tan. Bể phản ứng có thể làm bằng bêtông, bằng thép hay chất dẻo, có chống ăn mòn ở phía trong, có cách nhiệt để duy trì nhiệt độ mong muốn ở khu vực giữa. Khuấy trộn bằng cách bơm khí vào bình chứa làm bằng vật liệu không gỉ. Bể lắng coi như một thiết bị cô đặc, vì bùn tách ra có nồng độ cao và từ đây cho bùn hồi lưu trở lại bể phản ứng. Tỉ lệ bùn tuần hoàn khoảng 50–100%. Xử lí nước thải ở lớp bùn kị khí với dòng chảy ngược (UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket) Nước thải được đưa vào ở đáy bể phản ứng [126]. Dòng chất thải đi từ dưới lên qua lớp bùn là các hạt có hoạt tính sinh học. Quá trình xử lý nước thải diễn ra khi nước thải tiếp xúc với với các hạt. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kị khí (chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ, giúp cho việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Một số bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên trên mặt hỗn hợp phía trên bể. Khi va phải lớp lưới chắn phía trên, các bọt khí bị vỡ và hạt bụi được tách ra lại lắng xuống dưới. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, vận tốc dòng hướng lên phải giữ ở khoảng 0,6 - 0,9 m/h. Khí metan được tạo ra ở 15 giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí - lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này, bùn tiếp xúc được nhiều với chất hữu cơ có trong nước thải và quá trình phân hủy xảy ra tích cực. Trên cơ sở phương pháp UASB, người ta đã cải tiến thành phương pháp UAFB. Khác với UASB, UAFB sử dụng các giá thể nhân tạo dạng hạt hoặc dạng bản có bề mặt tiếp xúc lớn để vi khuNn kị khí bám dính với mật độ cao. Nhờ đó, mà hiệu quả xử lý nước thải cao hơn nhiều so với phương pháp UASB thông thường. Bể phản ứng có thể làm bằng bê tông, thép không gỉ được cách nhiệt với bên ngoài. Trong bể phản ứng với dòng nước dâng lên qua nền bùn rồi tiếp tục vào bể lắng đặt cùng với bể phản ứng. Bùn trong bể metan là sinh khối vi sinh vật kị khí và tùy tiện đóng vai trò phân hủy và chuyển hóa các chất hữu cơ. Bùn hoạt tính này hình thành hai vùng rõ rệt: khoảng 1/4 chiều cao từ đáy bể lên là lớp bùn do các hạt keo tụ, nồng độ khoảng 5-7%; trên lớp này là lớp bùn lơ lửng với nồng độ 1.0003.000mg/l, gồm các bông cặn chuyển động giữa lớp bùn đáy và bùn tuần hoàn từ ngăn lắng rơi xuống. Bùn hoạt tính trong bể phản ứng có nồng độ cao cho phép bể làm việc với tải trọng lớn. Để đảm bảo bể làm việc với nồng độ cao, người ta phải cấy giống vi sinh vật của pha axit và pha sinh metan. Lấy các giống vi sinh vật tự nhiên sống trên phân trâu, bò tươi để cấy với nồng độ thích hợp. Bể phải vận hành với chế độ thủy lực ≤ 1/2 công suất thiết kế, sau 2-3 tháng mới đạt được nồng độ bùn cần thiết. Nếu không cấy giống tự nhiên, bể hoạt động 3-4 tháng mới đạt được nồng độ bùn cần thiết. 1.5.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí với sinh trưởng gắn kết Đây là phương pháp xử lí kị khí nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám với vi khuNn kị khí trên các giá mang [126]. Hai quá trình phổ biến của phương pháp này là lọc kị khí và lọc với lớp vật liệu trương nở, được dùng để xử lí nước thải chứa các chất cacbon hữu cơ. Quá trình xử lí với sinh trưởng gắn kết cũng được dùng để khử nitrat. 16 Lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ (ANAFIZ): Phương pháp lọc kị khí: cột lọc kị khí với các môi trường rắn có mang vi sinh vật để xử lý nước thải giàu các hợp chất cacbon hữu cơ [126]. Dòng nước thải được bơm từ dưới lên qua cột tiếp xúc với môi trường có các vi khuNn kị khí. Do các vi khuNn không bị rửa trôi theo dòng nước nên thời gian lưu của nước ngắn hơn nên phương pháp này có thể dùng để xử lý nước thải ở nhiệt độ thường. Trong phương pháp này lớp vi sinh vật phát triển thành màng mỏng trên vật liệu làm giá mang bằng chất dẻo, có dòng nước đNy chảy qua. Vật liệu có thể là chất dẻo ở dạng tấm dạng hạt như hạt polyspiren có đường kính 3 - 5mm, chiều dày lớp vật liệu là 2m. Xử lí nước thải bằng lọc kị kí với vật liệu giả lỏng trương nở (ANAFLUX): Theo phương pháp này, vi sinh vật được cố định trên lớp vật liệu hạt được giãn nở bởi dòng nước dâng lên sao cho sự tiếp xúc của màng sinh học với các chất hữu cơ trong 1 đơn vị thể tích là lớn nhất [126]. Hãng Degremont đã chế ra một loại vật liệu hạt Biolite đặc biệt với các đặc tính: có cấu tạo lỗ nên diện tích riêng là khá lớn, khối lượng riêng nhỏ và chịu được va đập. Lọc gồm cột phản ứng có thể làm bằng thép hoặc chất dẻo, cần chống ăn mòn bên trong và cách nhiệt. ANAFLUX thích hợp với nước thải có COD ≥ 2,5g/l, nghĩa là các loại nước thải của các xí nghiệp thực phNm (rượu, bia, tinh bột, sữa...), công nghiệp giấy, công nghiệp dệt và hóa dược... đều có thể áp dụng phương pháp này để làm sạch. 1.5.4. Hồ kị khí Hồ kị khí cũng như ao hồ sinh học khác (ao hồ hiếu khí, ao hồ tùy tiện) đã được loài người sử dụng để làm sạch nước từ rất lâu [126]. Ở trong hồ kị khí, vi sinh vật kị khí phân hủy các chất hữu cơ thành các sản phNm cuối ở dạng khí, chủ yếu là CH4, CO2 và các sản phNm trung gian sinh mùi như H2S, axit hữu cơ... Đặc điểm nước thải có thể xử lí bằng hồ kị khí là: hàm lượng các 17 chất hữu cơ có trong nước cao, như protein, dầu mỡ, không chứa các chất có độc tính với vi sinh vật, đủ các chất dinh dưỡng và nhiệt độ nước tương đối cao (trên 20oC). Phương pháp này thích hợp cho nước thải các lò mổ, chế biến thịt gia súc, gia cầm với BOD tới 1400mg/l, chất béo tới 500mg/l và pH trung tính. Tùy thuộc vào lượng BOD trong nước thải, có thể xây hồ kị khí kết hợp với hồ tùy tiện và hồ hiếu khí. Như vậy ta có một chuỗi hồ và mỗi hồ có thể giảm một lượng BOD đáng kể. Cuối cùng, nếu cần có thể xây hồ xử lí cấp 3 kết hợp với thả bèo, nuôi cá hoặc cho rong tảo phát triển để khử sạch nitơ và phospho còn thừa dư ở trong nước. 1.5.5. So sánh các phương pháp xử lý hiếu khí và kị khí: + Năng lượng: - Phương pháp hiếu khí cần phải thông khí tốn nhiều năng lượng. - Phương pháp kị khí không cần cấp năng lượng, ngược lại còn tạo ra năng lượng là khí metan. + Nguồn nước thải: - Phương pháp kị khí thích hợp cho các loại nước thải ô nhiễn nặng, nhưng nồng độ các ion kim loại cần phải thấp. - Phương pháp hiếu khí chỉ thích hợp với các loại nước thải ô nhiễm trung bình hoặc nhẹ. + Hiệu quả xử lý: - Phương pháp hiếu khí loại bỏ BOD được nhiều hơn trong thời gian ngắn hơn, có thể loại bỏ N cũng như P. Hiệu suất khử BOD cao nhất có thể đạt 99%. - Phương pháp kị khí khử BOD kém hơn, tối đa được 85%, thời gian dài hơn. Nước ra từ các công trình xử lý kị khí nên tiếp tục xử lý hiếu khí. + Khả năng bị ức chế: Các vi sinh vật trong quá trình kị khí rất nhạy cảm đối với các chất có tác dụng ức chế + Mùi hôi thối: 18 - Phương pháp kị khí sinh ra nhiều khí có mùi hôi thối: H2S, indol, mercaptan, scatol... - Phương pháp hiếu khí ít mùi hôi thối hơn. + Tạo bùn: - Phương pháp kị khí tạo được 80 – 300 g bùn/ 1kg BOD. - Phương pháp hiếu khí tạo được 500 – 700 g bùn/1 kg BOD. + Khả năng tách chất rắn: Phương pháp kị khí khó lắng cặn, còn nhiều chất lơ lửng. 1.6. XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.6.1. Xu hướng trên thế giới Ở các nước công nghiệp phát triển như Nhật, Đức, Mỹ... công nghệ xử lý nước thải đã tiến những bước dài. Với mỗi loại hình nước thải nhất định, người ta đã đưa ra phương pháp xử lý thích hợp: xử lý lý học, hoá học và sinh học. Trong xử lý sinh học có 2 phương pháp phổ biến: xử lý hiếu khí và xử lý kị khí. Phương pháp xử lý hiếu khí có ưu điểm là thời gian ngắn, hiệu suất xử lý cao nhưng phí vận hành lớn do tiêu tốn nhiều điện năng và không thể xử lý nước thải có mức độ ô nhiễm cao, chi phí đầu tư lớn, tạo ra nhiều bùn, cần nhiều diện tích, hoạt động của hệ thống hiếu khí thường nhạy cảm với sự thay đổi về tải trọng ô nhiễm và lưu lượng nước thải. Phương pháp xử lý kị khí đã được biết đến từ rất lâu, nhưng chỉ từ khi xuất hiện phương pháp xử lý UASB thì phương pháp xử lý kị khí mới được chú ý và tập trung nghiên cứu. Từ phương pháp UASB, người ta đã nghiên cứu cải tiến là có chất mang nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và vận hành hệ thống được dễ dàng, đã có các phương pháp cải tiến như: fixed bed, UAFB ... Nguồn chất mang cố định có thể sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, rẻ tiền và dễ sản xuất. Người ta sử dụng các giá thể nhân tạo dạng hạt hoặc dạng bản có bề mặt tiếp xúc lớn để vi sinh vật kị khí bám dính. 19 Hiện nay ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là các nước công nghiệp phát triển như: Mỹ, Đức, Anh, Pháp và Nhật đã tập trung nghiên cứu và đưa ra được nhiều công nghệ xử lý đạt hiệu quả cao. ở Mỹ, người ta sử dụng các sợi nilon để làm chất mang; ở Nhật người ta sử dụng PU, PS và các nguyên liệu xenluloza khác. Những năm đầu thế kỷ 20, hiệu suất xử lý nước thải bằng phương pháp UASB đạt được khoảng 70%, nhưng đến nay các nhà khoa học của trường Đại học Tổng hợp Nagaoka - Nhật Bản đã nghiên cứu xử lý nước thải bằng phương pháp UASB với hiệu suất xử lý đạt đến 90 - 92%. Hiện nay, các nước công nghiệp phát triển đã và đang sử dụng công nghệ sinh học, công nghệ di truyền để xác định, cải tạo hệ vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải nói chung và xử lý bằng phương pháp kị khí nói riêng. Sự kết hợp giữa sinh học cơ sở và sinh học phân tử đã tạo nền tảng cho việc phát triển và hoàn thiện các mô hình xử lý nước thải kị khí. 1.8.2. Thực trạng ở Việt Nam Trong hơn mười năm đổi mới, nền kinh tế đất nước chúng ta đã có bước phát triển vượt bậc, giá trị sản xuất công nghiệp liên tục tăng ở mức cao trong nhiều năm. Bên cạnh những phấn đấu nổi bật đó thì cũng nảy sinh những vấn đề mới, cần phải tiếp tục và khNn trương giải quyết. Một trong những vấn đề đó là môi trường bị ô nhiễm, ở nhiều nơi ô nhiều môi trường đã lên đến mức báo động, đặc biệt là các khu công nghiệp mới. Năm 1993, Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam đã thông qua Luật Bảo vệ Môi trường; năm 1994 Chính phủ có văn bản số 175/CP hướng dẫn thi hành Luật Bảo vệ môi trường. Do đó, một số đô thị và khu công nhiệp lớn ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai... đã có chương trình quản lý chất thải riêng nhưng mang tính chất tổng thể. Trong 10 năm nay, công tác bảo vệ môi trường ngày càng được chú ý hơn thể hiện ở các chủ trương, chính sách của Đảng và Nhà nước, việc hoàn thiện các cơ quan quản lý môi trường các cấp đến đầu tư và giáo dục ý thức 20 bảo vệ môi trường cho nhân dân đã ngày càng được quan tâm hơn. Rất nhiều nhà khoa học của nhiều Viện nghiên cứu và các trường đại học trong cả nước đã và đang tiến hành nghiên cứu công nghệ xử lý các chất thải nói chung và xử lý nước thải nói riêng. Theo đó nhiều cơ sở đã tiến hành xử lý nước thải. Hiện nay nhiều công ty liên doanh với nước ngoài có vốn đầu tư lớn như: CocaCola, bia Tiger, bia Halida, bột ngọt Vedan, nhà máy sản xuất vỏ lon Crown; đặc biệt gần đây mới được xây dựng là nhà máy sữa Hà Nội được trang bị hệ thống xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học bùn hoạt tính hiếu khí. Ngoài ra còn nhiều nhà máy xí nghiệp khác đã và đang có hệ thống xử lý nước thải đi vào hoạt động ngay từ những ngày đầu sản xuất. Tại một số vùng trọng điểm chính quyền các cấp cũng đã tiến hành xử lý nước thải, ở Quảng Ninh ngày 28/12/1998 một hệ thống nước thải đã dùng bùn hoạt tính công suất 2500 m3/ngày đã bắt đầu hoạt động. Ngoài ra xử lý nước thải bằng hồ sinh vật cũng được áp dụng ở nhiều hộ gia đình ở nông thôn đó là mô hình VACB (vườn, ao, chuồng, biogas) theo đó nước thải chăn nuôi được cung cấp cho hồ nuôi cá, trồng rau. Mô hình này thích hợp với điều kiện Việt Nam vì nó vừa mang lại hiệu quả kinh tế, vừa mang ý nghĩa môi trường. Đối với nước thải công nghiệp, Lâm Minh Triết và các cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng hồ sinh vật xử lý nước thải dầu mỏ, nhà máy giết mổ gia súc, xí nghiệp cồn rượu đã đạt kết quả cao. Ở Việt Nam hiện nay, xử lý nước thải bằng phương sinh học thường đi theo 2 hướng: xử lý hiếu khí và xử lý kị khí liên tục hoặc từng mẻ, đã triển khai ở nhiều nhà máy, đơn vị sản xuất khác nhau. Mỗi công nghệ có điểm mạnh, điểm yếu, nói chung các công nghệ này đều chưa hoàn chỉnh, đều trong tình trạng vừa nghiên cứu vừa triển khai ứng dụng. 21 Xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí cũng đã và đang được ứng dụng ở Việt Nam theo hướng sản xuất bioga, gắn liền với mô hình VACB (vườn, ao, chuồng, Biogaz...). Một số nơi cũng đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp UASB, nhưng phương pháp xử lý kị khí sử dụng chất mang cố định vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và chưa có ứng dụng trong thực tế giải quyết vấn đề nước thải ô nhiễm hữu cơ cao ở Việt Nam. Việc nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và nâng cao hiệu suất xử lý nước thải theo phương pháp kị khí sử dụng chất mang cố định là việc hết sức cần thiết, giảm thiểu được ô nhiễm do các hợp chất cacbon, tiết kiệm chi phí đầu tư, phát triển nội lực là hướng đi đúng đắn được Đảng và nhà nước khuyến khích đầu tư và phát triển, nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững của nền kinh tế trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. 22 VIỆN CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM __________________ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Hà Nội, ngày 17 tháng 6 năm 2010 BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN DỰ ÁN I. THÔNG TIN CHUNG 1. Tên dự án: Nghiên cứu hệ thống sinh học hoạt lực cao, điều khiển tự động trong quá trình xử lý kị khí đối với nước thải bị ô nhiễm chất hữu cơ Mã số đề tài, dự án: KC.04.DA01/06-10 Thuộc: Chương trình KC.04/06-10 2. Chủ nhiệm dự án: Họ và tên: PGS.TS. Lê Đức Mạnh Ngày, tháng, năm sinh: 1960 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị: Phó Giáo sư, Tiến sỹ Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên chính Chức vụ: Viện trưởng Điện thoại: Tổ chức: 043.8584481 Nhà riêng: 043.8532637 Mobile: 0979941168 Fax: 0438584554 E-mail: manh@firi.ac.vn Tên tổ chức đang công tác: Viện Công nghiệp thực phNm Địa chỉ tổ chức: 301 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: 92 Tô Vĩnh Diện, Khương Trung, Hà Nội 3. Tổ chức chủ trì dự án: Tên tổ chức chủ trì dự án: Viện Công nghiệp thực phNm Điện thoại: 043.8584481 Fax: 043.8584554 E-mail: manh@firi.ac.vn; thangcx@gmail.com Website: www.firi.ac.vn; www.firi.vn 1
- Xem thêm -