Nghiên cứu công nghệ và mô hình hoá quá trình xử lý nước thải Công ty TNHH Hải Long

pháp xử lý nước thải bằng sinh học 14 Bảng I. 4: Các phương pháp xử lý nước thải bằng điện hoá 15 Bảng I. 5: Các sản phẩm của công ty TNHH Hải Long 23 Bảng I. 6: Nguyên liệu và hoá chất sử dụng của Công ty TNHH Hải Long 26 Bảng I. 7: Kết quả phân tích mẫu nước thải của công ty TNHH Hải Long 28 Bảng II. 1: Pha dãy chuẩn phân tích COD 32 Bảng III. 1: Xác định khoảng thực nghiệm lắng đông keo tụ 47 Bảng III. 2: Mã hoá các yếu tố ảnh hưởng 48 Bảng III. 3: Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết quả thí nghiệm 49 Bảng III. 4: Tính giá trị phương sai dư 50 Bảng III. 5: So sánh giữa giá thành và hiệu suất tách 53 Bảng III. 6: Ma trận thứ nguyên 57 Bảng III. 7: Ma trận các đại lượng điều khiển hệ. 62 Bảng III. 8: Ma trận chuẩn số 63 Bảng III. 9: Ma trận các hệ số của hệ phương trình Logarit 63 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình I. 1: Cấu trúc của hạt mixen âm 16 Hình I. 2: Cấu trúc hạt mixen dương 18 Hình I. 3: Cấu trúc của màng sinh học khi phát triển đầy đủ 21 Hình I. 4: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất agar 24 Hình I. 5: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất bia hơi 25 Hình I. 6: Sơ đồ dòng công đoạn rửa chai 26 Hình III. 1: Sơ đồ thí nghiệm lọc sinh học 54 Hình IV. 1: Sơ đồ công nghệ 66 CÁC CHỮ VIẾT TẮT DO: ôxi hoà tan COD: nhu cầu ôxi phân huỷ các chất hữu cơ bằng hoá học BOD: nhu cầu ôxi phân huỷ các chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học TSS: tổng chất rắn lơ lửng N.tổng: Nitrơ tổng số P.tổng: phospho tổng số HDT: thời gian lưu thuỷ lực Công ty: Công ty TNHH Hải Long NLTS: nông, lâm, thuỷ sản VSV: Vi sinh vật L: Mật độ tưới của tháp Mhc: Hàm lượng chất hữu cơ (COD) Tl: Nhiệt độ nước thải rl: Khối lượng riêng nước thải K: Lưu lượng không khí Tk: Nhiệt độ không khí Hàm lượng ôxy trong khí rk: khối lượng riêng của không khí d: Đường kính hạt đệm h: Chiều cao hạt đệm D: Đường kính tháp H: Chiều cao lớp đệm A: Bề mặt riêng của đệm V0: Thể tích riêng của đệm Td: Thời gian lưu thuỷ lực  MỞ ĐẦU Một trong các nguồn gây ô nhiễm môi trường lớn và phổ biến ở nước ta đó là nước thải chứa nhiều chất hữu cơ. Chúng được sinh ra từ các hoạt động khác nhau của con người: từ sinh hoạt, chăn nuôi, sản xuất công nghiệp chế biến thực phẩm, giấy, dệt nhuộm và chôn lấp rác thải tập trung . Đặc điểm của loại nước thải này là có hợp chất hữu cơ, nitơ và phốt pho vi sinh vật là tác nhân gây mùi thối, gây hiện tượng phú dưỡng cho các ao hồ, sông, giảm hàm lượng ôxy hòa tan trong nước gây ngạt cho động, thực vật dưới nước, làm ảnh hưởng tới sức khoẻ con người. Chính vì vậy, việc nghiên cứu xử lý nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các nguồn thải giàu chất hữu cơ luôn là vấn đề cần được quan tâm. Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu xử lý nước thải loại hình này đã thu được kết quả khả quan có tính thực tiễn. Tuy vậy, khi đặt vấn đề áp dụng một công nghệ xử lý môi trường hoàn hảo cho một đối tượng cụ thể nào đó rất cần có một giai đoạn nghiên cứu nghiêm túc mối quan hệ giữa lý thuyết và thực tiễn nhằm giải quyết triệt để bài toán chi phí và lợi ích. Hướng nghiên cứu của bản luận văn này là lựa chọn phương án công nghệ, mô hình hoá quy trình thiết bị xử lý môi trường nước thải cho một cơ sở công nghiệp cụ thể. Ở Hải Phòng, Công ty TNHH Hải Long là một đơn vị hoạt động sản xuất kinh doanh trong ngành chế biến nông, lâm, thuỷ sản. Sản phẩm của Công ty rất đa dạng như bia hơi, agar,... với sản lượng khoảng 15.000 lít bia hơi, 4 tấn agar thành phẩm trên một tháng. Chất thải của Công ty chủ yếu là chất thải rắn hữu cơ; Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ và chất dinh dưỡng hoà tan cũng như một lượng lớn chất rắn lơ lửng, chất mang mầu với độ pH thay đổi,... Công ty hiện không có hệ thống thu tách và xử lý nước thải. Việc nghiên cứu thiết kế một hệ thống công nghệ xử lý nước thải phù hợp với điều kiện hạ tầng và nguồn tài chính của Công ty là cần thiết. Với mục đích trên luận văn giải quyết vấn đề “Nghiên cứu công nghệ và mô hình hoá quá trình xử lý nước thải Công ty TNHH Hải Long” tập trung vào phương pháp hoá lý và hoá sinh kết hợp làm đề tài nghiên cứu của Luận văn này. Đề tài được thực hiện với các nội dung sau: Liệt kê đánh giá sơ bộ bức tranh công nghệ xử lý môi trường hiện nay. Khảo sát công nghệ sản xuất, các nguồn thải và mức độ gây ô nhiễm của Công ty TNHH Hải Long. Xây dựng phương pháp nghiên cứu và hướng công nghệ xử lý. Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải cấp 1 bằng phương pháp đông keo tụ, dựa trên sự biến thiên của thông số COD. Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải cấp 2 bằng phương pháp hoá sinh, dựa trên sự biến thiên của thông số COD. Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng: Phương pháp kế thừa: Một phần của Luận văn này được kế thừa từ những kết quả đã có để xây dựng nghiên cứu mới phù hợp. Phương pháp tổng hợp và phân tích thống kê: Dựa trên các số liệu đã có và khảo sát thực địa. Phương pháp mô hình thống kê: Nghiên cứu xử lý trong phòng thí nghiệm trên các thiết bị. Phương pháp mô hình vật lý: dựa trên lý thuyết nhóm và các kết quả nghiên cứu trên mô hình. Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp thêm cơ sở khoa học cho lĩnh vực xử lý môi trường nói chung và đặc biệt là áp dụng cho loại nước thải giàu chất hữu cơ. Ngoài ra sự thành công đó còn khẳng định thêm khả năng ứng dụng của phương pháp hoá lý - hoá sinh kết hợp trong xử lý môi trường. Về mặt thực tiễn sự thành công của đề tài còn đề xuất cho Công ty TNHH Hải Long một phương án công nghệ xử lý nước thải cụ thể, chi tiết nhiều tính ưu việt, giúp cho Công ty giải quyết được vấn đề ô nhiễm của mình trong điều kiện kinh phí cho phép. Chương I - TỔNG QUAN I.1 - Ngành chế biến nông lâm thuỷ sản và những vấn đề về môi trường I.1.1- Sự phát triển của ngành chế biến nông, lâm, thuỷ sản ở nước ta Trong thời kỳ quá độ tiến lên Chủ nghĩa xã hội, nước ta tập trung phát triển theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước trên nền tảng vững chắc của kinh tế nông nghiệp hiện đại. Việc xây dựng một nền nông nghiệp hiện đại phải dựa vào sự hỗ trợ của các ngành công nghiệp trong đó có ngành công nghiệp chế biến. Công nghiệp chế biến nông, lâm, thuỷ sản (sau đây viết tắt là NLTS), phát triển mạnh theo hướng đầu tư công nghệ hiện đại, sản xuất ra các sản phẩm đủ khả năng cạnh tranh trên thị trường trong nước và nước ngoài; chú trọng các mặt hàng chế biến như thuỷ sản, lương thực, ca phê, thịt, sữa, đường mật, nước giải khát, dầu thực vật, nước hoa quả, bột giấy,... Ngành công nghiệp chế biến NLTS là động lực thúc đẩy ngành nông, lâm, ngư, nghiệp lạc hậu của nước ta phát triển theo hướng hàng hoá với các vùng chuyên canh, thâm canh hiệu quả. Ngoài ra ngành này còn đóng vai trò phát huy nội lực, mang lại nguồn ngoại tệ mạnh nhờ các mặt hàng xuất khẩu đa dạng. Xuất khẩu nông, lâm, thuỷ sản năm 2000 đạt 4,3 tỷ USD, gấp hơn 1,7 lần năm 1995, bình quân hàng năm chiếm khoảng 30% kim ngạch xuất khẩu cả nước; đã tạo được 3 mặt hàng xuất khẩu chủ lực là gạo (đứng thứ 2 thế giới), cà phê (đứng thứ 3) và thuỷ sản (chiếm 34% trị giá kim ngạch xuất khẩu toàn ngành). Với vai trò to lớn như vậy, nghành công nghiệp chế biến NLTS cần được quan tâm phát triển đúng theo vị trí của nó. Chúng ta cần quan tâm nghiên cứu nâng cấp công nghệ, phát triển sản phẩm để ngành công nghiệp này xứng đáng trở thành một trong những ngành công nghiệp nền tảng. I.1.2- Những vấn đề môi trường gặp phải Bên cạnh những mặt tích cực to lớn, ngành công nghiệp Chế biến NLTS cũng để lại cho môi trường nhiều loại chất thải ở các thể rắn, lỏng, khí. Khí thải Ô nhiễm khí thải xuất phát từ hệ thống nồi hơi chủ yếu là bụi, CO, SO2, NO2; thải lượng tỉ lệ thuận với lượng nhiên liệu tiêu thụ. Thông thường lượng nhiên liệu tiêu thụ trên một tấn sản phẩm không lớn vì vậy thải lượng ô nhiễm không khí của ngành là thấp. Chỉ cần có biện pháp xử lý đơn giản như sử dụng xiclon ướt là có thể xử lý đạt tiêu chuẩn thải. Nước thải Các chất ô nhiễm theo nước thải chủ yếu là cặn lơ lửng, hợp chất hữu cơ hoà tan hoặc tồn tại dạng keo, chất dinh dưỡng, vi sinh vật, mầu sắc, dầu mỡ với nồng độ cao (COD từ 1500-2000). Nguồn phát thải đa dạng, xuất hiện hầu hết tại các công đoạn sản xuất. Vì vậy, thải lượng ô nhiễm trong nước thải rất cao, khi thải ra môi trường gây nhiều ảnh hưởng đến thuỷ vực tiếp nhận như gây tắc nghẽn dòng chảy, phì dưỡng, huỷ hoại hệ sinh thái dưới nước. Do đó cần phải có các nghiên cứu xử lý phù hợp cho từng đối tượng cụ thể. Chất thải rắn Chất thải rắn có thành phần chủ yếu là rác thải hữu cơ như phế liệu, chất cặn bã, các loại vỏ hộp cartôn ngoài ra còn các loại vỏ hộp bằng kim loại, xỉ than,… Nhìn chung đây là các loại chất thải không có nhiều nguy cơ ảnh hưởng đến môi trường, có thể xử lý đơn giản như tái sử dụng, làm thức ăn gia súc, phân bón hữu cơ, chôn lấp,… Tóm lại, nguồn thải của ngành công nghiệp này là đáng chú ý nhất là nước thải với tải lượng chất ô nhiễm cao, nguy cơ ô nhiễm tiềm ẩn lớn, cần được nghiên cứu xử lý một cách triệt để tạo điều kiện cho ngành phát triển sạch, phát triển bền vững, muốn vậy cần có sự hiểu biết sâu sắc về các công nghệ xử lý môi trường. I.2- Tổng quan về các công nghệ xử lý nước thải Hiện nay, trên thế giới có nhiều công nghệ xử lý nước thải và đặc biệt là nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu thành công và không ngừng được hoàn thiện. Nguyên tắc chung của các công nghệ này được chia thành các loại cơ bản sau: I.2.1- Xử lý nước thải bằng phương pháp thuỷ lực Trong phương pháp này, các lực vật lý như trọng trường, ly tâm, được áp dụng để tách các chất không hoà tan ra khỏi nước thải. Phương pháp xử lý lý học thường đơn giản, rẻ tiền và có hiệu quả cao khi xử lý chất lơ lửng. Các công trình xử lý thuỷ lực được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải là: (1) song lưới chắn rác; (2) thiết bị nghiền rác; (3) bể điều hoà; (4) khuấy trộn; (5) lắng; (6) lắng cao tốc; (7) tuyển nổi; (8) lọc. Việc ứng dụng các công trình cơ học trong xử lý nước thải được tóm tắt trong bảng I.1. Bảng I. 1: Các phương pháp xử lý nước thải bằng thuỷ lực Stt Thiết bị Tác dụng 1 Lưới chắn rác Tách các chất rắn thô và có thể lắng 2 Bể điều hoà Điều hoà lưu lượng và tải trọng BOD và SS 3 Khuấy trộn Khuấy trộn hoá chất và chất khí với nước thải và giữ cặn ở trạng thái lơ lửng 4 Tạo bông Giúp cho việc tập hợp của các cặn nhỏ thành các hạt cặn lớn hơn để có thể tách ra bằng lắng trọng lực 5 Lắng Tách các cặn lắng và nén bùn 6 Tuyển nổi Tách các hạt cặn lơ lửng nhỏ và các hạt cặn có tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của nước hoặc sử dụng để nén bùn sinh học 7 Lọc Tách các hạt cặn lơ lửng còn lại sau xử lý sinh học hoặc hoá học 8 Màng lọc Tương tự như quá trình lọc, tách tảo từ nước thải sau hồ ổn định 9 Vận chuyển khí Bổ sung và tách khí 10 Bay hơi và bay khí Bay hơi các hợp chất hữu cơ từ nước thải I.2.2- Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học - hoá lý Phương pháp hoá học sử dụng các phản ứng hoá học để xử lý nước thải. Các thiết bị xử lý hoá học thường kết hợp với các thiết bị xử lý thuỷ lực. Mặc dù có hiệu quả cao nhưng phương pháp xử lý hoá học thường đắt tiền và đặc biệt có thể tạo thành các sản phẩm phụ độc hại, khó kiểm soát. Việc ứng dụng các phương pháp xử lý hoá học được tóm tắt trong bảng I.2. Bảng I. 2: Các phương pháp xử lý nước thải bằng hoá học Stt Phương pháp Tác dụng 1 Kết tủa Tách phospho và nâng cao hiệu quả của việc tách cặn lơ lửng ở bể lắng bậc 1 2 Keo tụ Tách các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, phospho,… 3 Hấp phụ Tách các chất hoà tan, các chất hữu cơ khó tách bằng các phương pháp thông thường 4 Khử trùng bằng các chất ô xi hoá mạnh diệt các vi sinh vật gây bệnh 5 Tạo bông Giúp cho việc tập hợp của các cặn nhỏ thành các hạt cặn lớn hơn để có thể tách ra bằng lắng trọng lực 6 Lắng Tách các cặn lắng và nén bùn 7 Tuyển nổi Tách các hạt cặn lơ lửng nhỏ và các hạt cặn có tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của nước hoặc sử dụng để nén bùn sinh học I.2.3- Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Phương pháp xử lý sinh học là phương pháp ứng dụng các quá trình tự nhiên để xử lý chất thải, do đó đã khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp khác như không sử dụng hoá chất trong quá trình xử lý, không tạo sản phẩm phụ độc hại, tiêu tốn ít năng lượng, có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí metan). Tuy nhiên phương pháp sinh học chỉ đạt hiệu quả cao khi chất thải có hàm lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học cao, có tỉ lệ BOD5/COD ³ 0,5 và chất thải phải không chứa chất độc đối với vi sinh vật. Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là để xử lý các chất hữu cơ hoà tan trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, sunfit, amoniac, nitơ, phốt pho,... dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ sinh học thường là các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô cơ (NH4+, PO43-) và tế bào mới. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình ôxi hoá sinh hoá. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hoà tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải phải di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn chính sau đây: Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuyếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào. Chuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân chia thành 2 loại: Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có ôxi có 2 dạng cơ bản là sử dụng dòng chảy ngang và sử dụng dòng chảy ngược từ dưới lên Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp ôxi liên tục cưỡng bức hoặc thông gió tự nhiên. Bảng I. 3: Các phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học Stt Phương pháp Tác dụng 1 Bể phân huỷ hiếu khí sử dụng bùn hoạt tính – Aerotank Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí và sục khí cưỡng bức 2 Bể lọc sinh học Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật kỵ và hiếu khí nhờ vật liệu mang vi sinh vật 3 Bể phân huỷ kỵ khí dòng ngược – UASB. Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ VSV kỵ khí với dòng nước vào chảy ngược từ dưới lên. 4 Hồ sinh học Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ VSV tự nhiên 5 Mương kỵ khí Phân huỷ các chất hữu cơ nhờ VSV tự nhiên I.2.4- Xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá Phương pháp xử lý môi trường bằng điện hoá là sử dụng quá trình điện phân để xử lý nước thải. Đó là phương pháp sử dụng phản ứng điện cực như tách kim loại, hoà tan kim loại, ôxi hoá các chất có trong nước thải bằng dòng điện, ... Mỗi đối tượng nước thải cần có phương pháp xử lý riêng biệt, các phương pháp đó được tổng hợp trong bảng I.4: Bảng I. 4: Các phương pháp xử lý nước thải bằng điện hoá Stt Phương pháp Tác dụng 1 Tách thu hồi kim loại Xử lý nước thải có hoà tan các kim loại quý, kim loại nặng độc hại 2 Điện keo tụ với điện cực anot hoà tan Xử lý nước thải có nhiều chất lơ lửng phân tán dạng keo, và các chất hữu cơ hoà tan. 3 Điện tuyển nổi bằng thoát ly khí ở điện cực Xử lý nước thải có nhiều chất lơ lửng khó keo tụ bằng các phương pháp khác. 4 Ôxy hoá điện hoá Xử lý nước thải có chất hữu cơ hoà tan và các hợp chất mang mầu có nguồn gốc hữu cơ. I.2- Các công nghệ xử lý nước thải giàu chất hữu cơ. Nước thải giàu chất hữu cơ đồng thời cũng chứa nhiều các chất ô nhiễm khác như các dạng tồn tại của nitrơ, phốt pho, S2-, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng và chất mang mầu. Việc xử lý ô nhiễm thông thường tập trung theo các hướng sau: I.2.1- Hướng áp dụng phương pháp hoá lý - lắng đông keo tụ Khi áp dụng hoá lý vào xử lý môi trường nước thải giàu chất hữu cơ chủ yếu vào mục đích loại bỏ chất rắt lơ lửng đồng thời giảm chỉ số COD, BOD, chất dinh dưỡng và các chất khác có khả năng kết tủa được. Các thiết bị xử lý nước thải bằng phương pháp hoá lý phổ biến là: Các dạng bể lắng, Các dạng bể tuyển nổi, Hiệu suất của các công trình xử lý bằng phương pháp hoá lý thường đạt 80 - 95% chất rắn lơ lửng, 50 –55 % COD, 20-30% BOD,... Với các nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao thường nước ra sau quá trình hoá lý không được xử lý triệt để. Nên phương pháp hoá lý chỉ dùng trong công đoạn xử lý cấp 1. Bản chất của phương pháp hoá lý trong xử lý nước thải chính là đưa dạng tồn tại bền của chất ô nhiễm trong nước về dạng không bền từ đó dễ dàng loại bỏ, thông thường chúng tồn tại ở dạng lơ lửng hoặc hoà tan. I.2.1.1- Sự tồn tại của hệ keo Các chất rắn trong nước tồn tại ở dạng huyền phù và dạng keo. Đối với dạng huyền phù khi thay đổi chế độ thuỷ lực của dòng thải như sử dụng các dạng bể lắng trọng lực với kỹ thuật giảm đột ngột vận tốc dòng, đổi hướng dòng, sử dụng vách ngăn là có thể loại bỏ. Còn chất rắn tồn tại dạng keo lại tồn tại rất bền với các kỹ thuật trên không thể xử lý được. Cấu trúc của các hạt keo rất phức tạp gồm nhiều lớp điện tích bao quanh và một hạt nhân keo tích điện, cấu trúc này gọi là hạt mixen. Nhân dung dịch bề mặt trượt Hình I. 1: Cấu trúc của hạt mixen âm Kích thước của hạt mixen rất lớn và có bề mặt tích điện với điện thế z vì vậy các hạt mixen cùng dấu luôn luôn đẩy lẫn nhau tạo thành trạng thái bền của dung dịch. Thế z càng lớn thì hệ keo càng bền. Đối với hạt keo có nhân là chất hữu tự nhiên cơ thường là keo âm do trong công thức phân tử có chứa nhiều nhóm -OH, -CHO, -COOH. I.2.1.2- Quá trình đông keo tụ. Quá trình lắng đông keo tụ chính là quá trình giảm thế z dựa vào sự hoạt động của các chất đông tụ, đó là các chất khi tan trong nước có khả năng thuỷ phân tạo kết tủa hiđroxit hình thành các hạt keo dương, các hạt keo dương này tương tác tĩnh điện với các hạt keo âm có sẵn trong nước thải, phá trạng thái bền của hệ tạo thành các hạt có kích thước, trọng lượng lớn hơn và dễ dàng lắng xuống. Để tăng hiệu suất và rút ngắn thời gian làm việc của hệ thống lắng người ta bổ sung thêm chất trợ lắng có cấu trúc là các cao phân tử với các nhóm chức khác nhau. Chất keo tụ thông thường là muối của nhôm và sắt hoặc các dạng tồn tại khác của chúng. Hoạt động của các chất keo tụ này theo nguyên tắc sau: Khi cho chất đông tụ vào nước chúng phân ly thành các ion dương có hoá trị lớn +3, +2 các ion này một mặt hấp phụ lên bề mặt hạt keo làm giảm thế z mặt khác chúng thuỷ phân tạo thành các hiđroxit không tan tích điện dương Me(OH)nm+, các mầm hiđroxit này hấp phụ các ion tích điện trái dấu trong dung dịch tạo thành các hạt mixen dương theo cơ chế sau: Ví dụ với Me3+: Me3+ + H2O D Me(OH)2+¯ + H+ Me(OH)2+ + H2O D Me(OH)2+¯ + H+ Me(OH)2+ + H2O D Me(OH)3 ¯ + H+ (Me(OH)nm+)x dung dịch Hình I. 2: Cấu trúc hạt mixen dương Thông thường chất đông tụ được sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, sữa vôi, hoặc các dạng tồn tại khác của chúng. Ngoài ra, người ta cũng có thể sử dụng các loại bột ôxít kim loại khác cũng với mục đích tạo mầm hình thành hạt keo dương như silíc ôxít. Mỗi loại hoá chất dùng cho đông keo tụ hoạt động trong một vùng pH tối ưu khác nhau. Với phèn nhôm khoảng pH thích hợp là 5,5 - 7,5 tại khoảng pH này lượng ion nhôm tồn tại dạng Al(OH)3 đến 80-90%. Hàm lượng phèn nhôm thưởng được sử dụng trong khoảng 30 – 120 ppm tính cho hàm lượng muối nhôm khan tuỳ thuộc vào hàm lượng chất lơ lửng của từng loại chất thải. Với phèn sắt II khoảng pH ở 5 - 7,5, phèn sắt (III) khoảng pH ở 8 đến 10. I.2.1.3- Chất trợ đông tụ: Các chất này khi cho vào nước làm tăng nhanh khả năng liên kết giữa các hạt bông tạo thành các mảng bông to hơn đủ khả năng lắng và hấp phụ các chất khác trong nước. Trên thị trường các chất trợ đông tụ phổ biến là các loại santangum, polyacryamid - PAA, polyacryamid biến tính - ACCOFLOC v.v…. Có thể chia các chất này thành 3 loại theo nhóm phân ly là loại cation, anion, nonion. Các chất đông keo tụ sử dụng trong đông keo tụ nước thải thường được sử dụng với hàm lượng từ 1-15ppm tuỳ theo từng loại nước thải. I.2.2- Hướng áp dụng sinh học Mục đích của việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học là nhằm loại bỏ chất hữu cơ đặc biệt là chất hữu cơ hoà tan cũng như các dạng tồn tại của nitrơ và phốt pho. Nguyên tắc làm việc của phương pháp này là lợi dụng quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong nước sẽ sử dụng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng khác làm thức ăn và tách chất ô nhiễm ra khỏi nước thải dưới dạng bùn sinh học (xác vi sinh vật). Hiệu suất xử lý của phương pháp sinh học thường đạt 80 – 85% COD, 90 – 95% BOD, 15 – 50% nitrơ,... Vì vậy, quá trình sinh học được áp dụng để xử lý thứ cấp, xử lý triệt để ô nhiễm nước thải. Tuy nhiên, phương pháp sinh học đã bộc lộ một số nhược điểm như: Không xử lý được các hợp chất mang mầu trong nước thải. Thời gian xử lý kéo dài nên đòi hỏi phải có diện tích lớn. Tiêu tốn nhiều năng lượng vì phải thường xuyên đảm bảo ổn định điều kiện làm việc của vi sinh vật như cung cấp đủ ôxi, ổn định nhiệt độ, độ pH, chế độ thuỷ lực. Phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học quan trọng nhất là quá trình hình thành và phát triển của vi sinh vật (VSV). Thông thường VSV ở hàm lượng cao có tính co cụm thành các dạng tập hợp, tồn tại lơ lửng trong nước hoặc bám trên bề mặt của vật liệu mang (còn gọi là vật liệu đệm). Ở dạng tồn tại lơ lửng thường được sử dụng trong kỹ thuật bể sục khí aerotank, bể kị khí dòng ngược UASB sử dụng bùn hoạt tính. Ở dạng bám trên vật liệu đệm thường được sử dụng trong kỹ thuật lọc sinh học nhỏ giọt hoặc lọc sinh học với vật liệu đệm ngập trong nước (còn gọi là lọc sinh học cao tải). Tập hợp VSV lơ lửng thường không bền và có tuổi thọ ngắn, hình thành, tan rồi lại hình thành tập hợp mới rất nhanh không có tính chất đặc trưng. Ngược lại với tập hợp VSV trên bề mặt vật liệu đệm có quá trình hình thành và phát triển rất phức tạp và có tuổi thọ lớn hơn. Kỹ thuật sử dụng vật liệu mang để tạo màng VSV thường là đi kèm thông khí tự nhiên hoặc cưỡng bức. Ban đầu hình thành các cá thể VSV đơn lẻ tại các vùng lõm của bề mặt đệm tại đây ảnh hưởng của dòng lỏng và dòng khí rất ít tạo điều kiện cho VSV hiếu khí phát triển sinh khối. Lớp sinh khối ban đầu này phát triển ngày càng mạnh nhờ chất dinh dưỡng có trong nước thải và ôxi của không khí (đây là quá trình tiếp xúc 3 pha rắn- lỏng- khí). Khối VSV trong quá trình phát triển sinh ra lớp màng nhầy bao bọc. Lớp màng này có vai trò chống lại tác động của dòng chảy vì vậy chúng có tác dụng bảo vệ rất tốt, ngoài ra lớp màng nhầy này còn có tác dụng hấp phụ các chất dinh dưỡng và ôxi nuôi VSV. Nhờ được bảo vệ chắc chắn tập hợp VSV này phát triển ngày càng mạnh và lan rộng khắp bề mặt đệm gọi là màng sinh học. Khi lớp màng phát triển đầy đủ nó sẽ có một cấu trúc hoàn chỉnh đi từ ngoài vào gồm: lớp màng nhầy, lớp VSV hiếu khí, lớp VSV kị khí (do ôxi không thể khuếch tán sâu vào trong). (xem hình I.3) Lớp màng nhầy Bề mặt Lớp VSV Lớp VSV chất mang yếm khí Hiếu khí Chất hữu cơ O2 trong môi trường Lớp sinh học Màng chất lỏng môi trường Hình I. 3: Cấu trúc của màng sinh học khi phát triển đầy đủ Khi màng sinh học phát triển đầy đủ, quá trình phân huỷ ở vùng kỵ khí xảy ra mạnh làm giảm khả năng bám dính của màng lên bề mặt vật liệu mang. Quá trình này kéo dài sẽ làm bong màng khỏi vật liệu và chu kỳ hình thành lớp màng mới lại bắt đầu. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của màng: - Độ pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến quá trình ức chế hay kích thích sự phát triển của màng sinh học. Độ pH ảnh hưởng quyết định đến năng suất làm việc của màng thậm chí còn làm thay đổi chủng loại VSV tạo màng hoặc huỷ hoại màng. - Cấu trúc, bản chất của vật liệu được sử dụng làm đệm có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành và phát triển của màng. Sự bám dính của màng sinh học lên vật liệu đệm chủ yếu nhờ lực liên kết tĩnh điện giữa các nhóm phân cực của thành tế bào VSV và các nhóm phân cực hoặc ion của bề mặt vật liệu hoặc lỗ mao quản tự nhiên, bên cạnh đó còn có lực Van-dec-van, trọng lực, tính thấm ướt trong dung môi nước của vật liệu. Thông thường độ rỗng xốp, độ nhám, độ phân cực của vật liệu có ảnh hưởng quyết định đến thời gian hình thành, độ dầy, độ rộng và tuổi thọ của màng. Ngoài ra các yếu tố khác cũng tác động đến quá trình tạo màng như sức mài mòn của dòng chảy, nhiệt độ, tỉ lệ dinh dưỡng (C, N, P), chế độ cấp dưỡng khí,... I.3- Công ty TNHH Hải Long và các vấn đề cần được giải quyết Để phát triển công nghệ xử lý nước thải của ngành chế biến NLTS, luận văn đã lựa chọn nước thải của Công ty TNHH Hải long (gọi tắt là Công ty) làm đối tượng nghiên cứu. Đây là một trong các công ty điển hình vể sản xuất chế biến rong câu, sản xuất bia với quy mô khá lớn tại Hải Phòng. Nước thải của Công ty được coi là đối tượng khó trong xử lý. Dưới đây là một vài nét sơ lược về hoạt động sản xuất và chất thải của Công ty. I.3.1- Các hoạt động sản xuất của Công ty Công ty TNHH Hải Long hoạt động trong ngành sản xuất bia và chế biến nông lâm thuỷ sản. Nằm cạnh bờ sông Lạch Tray (hạ lưu của hệ thống sông Thái bình), địa chỉ của Công ty: 109 đường Trường Chinh, Kiến An, TP. Hải Phòng. Ngày đầu khởi nghiệp, Công ty sản xuất bia hơi và các loại bánh từ bột gạo, từ năm 2001 Công ty bắt đầu sản xuất agar từ nguyên liệu rong câu chỉ vàng và rong sụn. Hiện nay, công ty có xưởng sản xuất agar, xưởng sản xuất bia, xưởng sản xuất thử nghiệm thạch rong câu, xưởng sản xuất bánh rế. Vì vậy, sản phẩm của Công ty khá phong phú. Bảng I. 5: Các sản phẩm của công ty TNHH Hải Long Stt Tên gọi Đơn vị Số lượng 1 Agar Kg/ tháng 4.000 2 Bia Lít/ tháng 15.000 3 Bánh rế Cái/ tháng 30.000 “Nguồn: Báo cáo quan trắc nước thải công nghiệp – Công ty TNHH Hải Long– Trung tâm Quan trắc môi trường Hải Phòng [9]” Mỗi sản phẩm của công ty có một dây truyền công nghệ sản xuất riêng. Ở đây luận văn chỉ đề cập đến các dây chuyền công nghệ sản xuât ra các sản phẩm chính. 1- Xưởng sản xuất agar Công suất: trung bình 50 tấn/năm pH ³ 10 TSS, chất hữu cơ pH £ 6 Chất hữu cơ Rong câu Ngâm xút Giặt, rửa Thủy phân Lọc Ép khô, sấy Agar Xút Nước sạch Nước Axit citric Kiểm tra Nước thải Bã thải Công nghệ: thuỷ phân bằng axit citric. Đầu vào Sơ đồ dòng Chất thải Hình I. 4: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất agar 2- Xưởng xản suất bia Công suất: 180.000 lit/năm Nấu - đường hoá Nấu hoa Nên men chính, phụ Lọc dịch đường Tách bã Lọc bia Nước thải Nén CO2 Làm lạnh Bão hoà CO2 Chiết chai Hơi nước Nước sạch Chai sạch Nguyên liệu Đầu vào Sơ đồ dòng Chất thải Hình I. 5: Sơ đồ dòng công nghệ sản xuất bia hơi Chai đã sử dụng Rửa chai Khử trùng Chai sạch Nước thải Nước sạch Từ hai sơ đồ công nghệ cho thấy nguyên liệu chính của Công ty là rong câu, nước, malt đại mạch, hoa hublong, gạo, đường, nấm men,… ngoài ra, còn sử dụng các hoá chất như xút, axít citric, javen. Hình I. 6: Sơ đồ dòng công đoạn rửa chai Bảng I. 6: Nguyên liệu và hoá chất sử dụng của Công ty TNHH Hải Long Stt Tên gọi Đơn vị Số lượng/tháng 1 Rong câu Tấn 45 2 Malt Tấn 4,3 3 Gạo Tấn 2,0 4 Hoa Hublon Kg 15 5 Đường Kg 300 6 Xút Tấn 4,5 7 Javel Tấn 4,0 8 Axit citric Kg 250 I.3.2- Các vấn đề về chất thải của Công ty Các nguyên phụ liệu đi vào sản phẩm phần còn lại tồn tại ở dạng chất thải rắn và chất hoà tan cùng với hoá chất dư vào nước thải. I.3.2.1- Chất thải rắn Chất thải rắn hàng tháng của Công ty bao gồm khoảng 20.000 kg bã rong câu, 1.000 kg bã bia, bã hoa bia và một lượng lớn xỉ than. Lượng chất thải rắn này được Công ty thuê Công ty Môi trường đô thị Hải Phòng thu gom, vận chuyển và xử lý chôn lấp tại bãi rác tập trung của Thành phố Hải Phòng. I.3.2.2- Nước thải Nước thải của Công ty phát sinh từ hai nguồn với các đặc tính khác nhau: Nước thải từ xưởng sản xuất bia hơi: đây là nguồn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ với thành phần chính là tinh bột đã nấu chín, đường gluco, chất đạm hữu cơ, phốt pho hữu cơ và một lượng lớn vi khuẩn, nấm men. Nước thải này thuộc loại dễ phân huỷ ngoài ra trong nước thải còn chứa một lượng lớn chất rắn lơ lửng có nguồn gốc hữu cơ như bã bia, bột nguyên liệu,… Tuy nhiên với sản lượng bia thấp lượng nước thải sinh ra cũng không nhiều nước tính trong ngày sản xuất cao điểm lượng nước thải khoảng 30 – 40m3/ngày. Nước thải từ xưởng sản xuất agar: đây là nguồn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ hoà tan có thành phần chính là tinh bột, sắc tố của rong câu (có mầu xanh đen), đạm hữu cơ, phốt pho hữu cơ, chất rắn lơ lửng có nguồn gốc chất hữu cơ như bã rong câu và chất vô cơ như bùn đất, phù sa lẫn trong nguyên liệu. Ngoài ra, trong nước thải còn có một lượng lớn xút dư từ công đoạn tẩy trắng nguyên liệu. Xưởng sản xuất này mang lại nguồn lợi chính cho Công ty với sản lượng vào khoảng 4 tấn/tháng nên lượng nước thải sinh ra vào loại lớn đạt 700m3/ngày. Cả hai loại nước thải này được chảy chung vào một hệ thống cống trước khi thải ra môi trường. Bảng I. 7: Kết quả phân tích mẫu nước thải của công ty TNHH Hải Long Stt Ngày Mầu BOD5 (mg/l) COD (mg/l) TSS (mg/l) N.T (mg/l) Phc (mg/l) P.T (mg/l) 1 12/01/2005 263 454,7 992 361,3 123,5 4,56 15,9 2 13/01/2005 271 591,2 1650 747,3 190,7 7,03 21,0 3 14/01/2005 250 560,5 1773 1443,3 213,0 9,00 24,5 TCVN 5945-1995 cột B 50 100 100 60 4 6 Bảng I.7 cho thấy nước thải của Công ty có hàm lượng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng cao, so với tiêu chuẩn cho phép TCVN 5945-1995 hầu hết các chỉ tiêu đề vượt từ 5 đến 15 lần. Điều đó khẳng định nước thải của Công ty gây ô nhiễm nghiêm trọng và cần được xử lý đảm bảo đạt dưới tiêu chuẩn cho phép trước khi thải ra môi trường Tóm lại: Chất thải rắn là chất hữu cơ và xỉ than lượng chất thải này cơ bản không phải chất thải nguy hại dễ xử lý. Nước thải có hàm lượng hữu cơ, chất dinh dưỡng, mầu sắc và lưu lượng lớn cần được nghiên cứu xử lý đạt tiêu chuẩn thải. Đề tài luận văn là xử lý nước thải của Công ty và tập trung vào giải quyết các vấn đề sau: Xử lý triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ, chất dinh dưỡng N, P, K ở nồng độ cao. Tiết kiệm diện tích, chi phí đầu tư ._.