Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất đường Nông Cống – Thanh Hóa, công suất 1500 tấn mía/ngày

MỤC LỤC MỞ ĐẦU Đường là một chất dinh dưỡng quan trọng cho sự sống và phát triển của cơ thể con người và là một thực phẩm được ưa dùng trong sinh hoạt hàng ngày. Do nhu cầu tiêu thụ đường ngày càng tăng nên các nhà máy đường đã được xây dựng với mọi quy mô trên toàn thế giới và công nghiệp đường ngày càng phát triển. Công nghiệp đường đã đóng góp nhiều trong phát triển kinh tế, mang lại thu nhập cao, kim ngạch xuất khẩu lớn, tạo nhiều việc làm cho nhân dân cụ thể như ở Thái Lan, Braxin, Úc, ... [11]. Tại Việt Nam, sản xuất đường giúp tăng thu nhập quốc dân, đáp ứng nhu cầu trong nước thay thế cho hàng nhập khẩu và góp phần chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng công nghiệp hoá hiện đại hoá của chính phủ Việt Nam. Khi sản lượng ổn định hàng năm là 1 triệu tấn đường thì sẽ đóng góp khoảng 800 tỷ đồng từ các sản phẩm đường, sau đường cho ngân sách nhà nước. Tính từ 1995 đến năm 2000, sản phẩm đường Việt Nam tăng gần 3 lần, mức tiêu thụ bình quân hàng năm tăng 12,5% [11]. Bên cạnh đó, hoạt động của các cơ sở sản xuất đường phát sinh nhiều vấn đề về môi trường trong đó có vấn đề về nước thải. Nước thải từ cơ sở sản xuất đường chứa những chất có thể gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận nghiêm trọng (bảng II.9). Cụ thể ở nhà máy đường Nông Cống – Thanh Hoá, nước thải sau khi phân luồng xong và cần xử lý là 700 m3/ngày [8, trang 84]. Nước thải từ các nhà máy đường làm ô nhiễm môi trường trầm trọng. Theo số liệu thống kê của 13 nhà máy đường ở vùng Kanchanaburi của Thái Lan cho thấy nước thải với hàm lượng BOD5 xấp xỉ 3000 mg/l đã gây ra sự giảm độ oxy hoà tan của các con sông tiếp nhận nguồn thải, ảnh hưởng tới đời sống của cá và các động vật thuỷ sinh khác [12]. Qua các biểu hiện của việc cá chết hàng loạt, phá huỷ sự sinh sản của tôm và âu trùng đã được ghi nhận trước khi có hệ thống xử lý nước thải người ta có thể thấy sự ảnh hưởng về mặt sinh thái của nước thải đến các nguồn tiếp nhận [12]. Ở các nước phát triển vấn đề môi trường được quan tâm sớm hơn so với các nước chậm phát triển và các nước đang phát triển nên các nhà máy đường tại các nước phát triển hầu hết là có hệ thống xử lý nước thải để giảm thiểu tối đa tác động đến môi trường. Tại Việt Nam mặc dù các vấn đề môi trường dần dần được quan tâm hơn nhưng do điều kiện kinh tế còn khó khăn và các vấn đề môi trường này chưa được quan tâm đúng mức ngay từ khi bắt đầu xây dựng nhà máy nên đa số các nhà máy đường ở Việt Nam là không có hệ thống xử lý nước thải, một số nhà máy có hệ thống xử lý nhưng hệ thống không hoạt động hoặc hoạt động không hiệu quả. Nhà máy đường Nông Cống – Thanh Hoá là một trong những nhà máy đường đã có hệ thống xử lý nước thải nhưng hệ thống hoạt động không hiệu quả. Chính vì vậy, đồ án “ Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất đường Nông Cống – Thanh Hoá, công suất 1500 tấn mía/ngày “ được thực hiện nhằm mục đích lựa chọn công nghệ và thiết kế hệ thống xử lý nước thải của nhà máy sản xuất đường Nông Cống để đáp ứng yêu cầu trong công tác bảo vệ môi trường. Đồ án này gồm 4 phần như sau: Phần I : Tổng quan về công nghiệp sản xuất đường và các vấn đề môi trường liên quan. Phần II : Giới thiệu về nhà máy sản xuất đường Nông Cống – Thanh Hoá Phần III : Lựa chọn công nghệ và thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy sản xuất đường Nông Cống – Thanh Hoá Phần IV : Kết luận CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT ĐƯỜNG, NHỮNG VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG LIÊN QUAN VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ I.1. Sơ lược về sản xuất và tiêu thụ đường I.1.1. Sơ lược về sản xuất và tiêu thụ đường trên thế giới Đường là thực phẩm được ưa sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày. Trên thế giới công nghiệp sản xuất đường ngày càng phát triển, có rất nhiều nước đã sản xuất đường từ những nguyên liệu như cây mía, củ cải đường, ... Sau đây là bảng tóm tắt sản lượng, lượng tiêu thụ và lượng đường xuất khẩu của một số nước trên thế giới. Bảng I.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ và sản lượng xuất khẩu của một số nước trên thế giới. [17] Tên nước và các niên vụ sản xuất Số lượng nhà máy đường Sản lượng đường (x103tấn) Lượng đường tiêu thụ (x103tấn) Lượng đường xuất khẩu (x103tấn) Mexico* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 60 5342,1 5236,4 5149,4 5304,2 5212,1 4989,9 184,2 318,0 380,7 Guatemala* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 16 2006,0 1882,0 1912,0 535,0 529,0 510,8 1665,3 823,0 1373,1 Colombia* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 11 2699,0 2568,8 268,4 1487,6 1391,2 1358,8 1204,0 1246,2 1139,1 Cuba* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 86 2520,0 2222,0 3705,6 719,4 651,2 691,0 1896,0 1799,9 3035,5 Argentina* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 25 1924,0 1713,9 1637,3 1595,8 1485,1 1511,6 218,0 262,0 148,1 Netherlands** 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 5 1167,0 1112,0 1036,0 728,1 723,4 728,1 412,9 247,1 231,1 France** 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 32 4613,0 5104,0 3962,0 2738,4 2400,6 2348,8 2557,9 3058,0 2571,0 Brazil* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 216 26402,7 24086,4 21595,9 10099,0 9815,9 9491,0 15595,4 14004,6 12094,2 South Africa* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 14 2388,0 2562,9 2350,5 1615,3 1610,1 1591,8 1024,8 1088,4 1352,4 Germany** 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 27 4083,1 4397,4 4064,9 3261,5 3293,5 3249,2 1125,9 1264,7 1380,7 Turkey** 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 30 1883,0 2345,0 1796,0 1854,3 1895,7 1845,3 189,0 118,5 442,7 India* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 507 15472,4 21882,6 20164,1 20009,8 19620,7 18724,5 533,2 2157,8 1226,1 Pakistan* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 80 4339,9 3997,9 3494,4 3783,7 3683,5 3630,1 215,0 107,0 - Thailand* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 47 7280,7 7662,9 6505,7 2196,8 2058,9 2007,2 5275,2 4214,4 4697,3 Australia* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 30 5028,5 5450,5 4791,5 1190,0 1185,4 1217,2 3657,5 4112,9 3652,9 Philippines* 07/03 – 06/04 07/02 – 06/03 07/01 – 06/02 34 2325,7 2203,8 1981,6 2161,9 2036,8 1990,0 226,1 124,0 89,2 Ghi chú trong bảng I.1: * : Các nước sản xuất đường từ nguyên liệu cây mía ** : Các nước sản xuất đường từ nguyên liệu củ cải đường Có những nước mặc dù có sản xuất đường trong nước nhưng vẫn có nhập khẩu sản phẩm đường từ nước khác chẳng hạn như Đức vào trong niên vụ 2003-2004 dù sản lượng xuất khẩu lên tới 1.125.900 tấn nhưng vẫn nhập khẩu đường từ nước khác là 400.700 tấn [17]. I.1.2. Sơ lược về sản xuất và tiêu thụ đường ở Việt Nam Ở Việt Nam nguyên liệu chính để sản xuất đường là cây mía. Từ lâu nay, Việt Nam đã sản xuất mía theo kiểu thủ công. Đến đầu thế kỷ thứ 20 sản xuất đường theo hình thức quy mô công nghiệp bắt đầu ra đời do người Pháp mang công nghệ sang Việt Nam để áp dụng. Bảng I.2 cho thấy lượng mía ép và sản lượng đường sản xuất tại Việt Nam và trong Bảng I.3 cho thấy bình quân nhu cầu đường của Việt Nam: Bảng I.2. Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ hàng năm (Đơn vị tính: 1.000 tấn) [12] STT Nội dụng\vụ 94/95 95/96 96/97 97/98 98/99 99/00 00/01 1 Tổng lượng mía ép 6.000 8.570 9.150 9.520 11.080 13.943 13.204 Lượng mía ép công nghiệp 1.350 2.200 2.560 3.860 6.660 8.583 7.204 Lượng mía ép thủ công 4.650 6.370 6.590 5.660 4.420 5.360 6.000 2 Đường sản xuất 342 501 542 605 777 1.014 946 Đường công nghiệp 110 183 213 322 556 746 646 Đường thủ công 232 318 329 283 221 268 300 3 Đường nhập khẩu 145 50 72 95 42,5 - - 4 Lượng đường tiêu thụ trong nước 487 551 614 680 719 874 - Bảng I.3. Bình quân nhu cầu đường của Việt Nam [12] Năm Bình quân nhu cầu (kg/người/năm) Tổng nhu cầu (tấn/năm) 1994 6 400.000 1995 6,5 440.000 1996 7 480.000 1997 - 530.000 - 550.000 2000 - 750.000 Công nghiệp sản xuất đường Việt Nam có xu hướng phát triển mạnh và đóng góp cho việc xây dựng nên kinh tế đáng kể. Theo báo cáo quý II mặt hàng mía đường của Bộ Nông nghiệp và phất triển nông thôn năm 2003, diện tích mía cả nước trong niên vụ 2002/03 đạt 315.000 ha, tăng 1.6% so với diện tích trồng mía niên vụ 2001/02. Năng suất mía bình quân cả nước tăng nhẹ so với niên vụ trước, đạt xấp xỉ 50 tấn/ha. Nhờ vậy, sản lượng mía cả nước tăng lên 15,7 triệu tấn, cao hơn khoảng 500 nghìn tấn so với sản lượng mía niên vụ 2001/02. Tính chung, tổng sản lượng đường cả nước ước đạt 1,2 triệu tấn, cao hơn 100 nghìn tấn so với ước tính trước đây1 chủ yếu là do đường công nghiệp tăng mạnh. Kết thúc vụ 2002/03, cả 44 nhà máy đã đi vào hoạt động với tổng công suất thiết kế lên tới 82.950 tấn mía/ngày. Các nhà máy đã ép được 11,54 triệu tấn mía, đạt 93% công suất thiết kế. Đây là niên vụ có hệ số tận dụng công suất thiết kế cao nhất cho đến nay, tăng đáng kể so với mức 70% của hai niên vụ trước. Sản lượng đường công nghiệp cả nước tính đến hết tháng 6 là 1.056.188 tấn, lần đầu tiên vượt ngưỡng 1 triệu tấn và tăng 37% so với niên vụ 2001/02 [3]. I.2. Các vấn đề môi trường của ngành đường Sản xuất đường thải ra chất thai cả nước thải, chất thải rắn và khí thải. Nhưng do đề tài đề cập chủ yếu là nước thải nên bản đồ án này chỉ nêu những vấn đề môi trường liên quan tới môi trường nước là chính. I.2.1. Ô nhiễm môi trường nước do nước thải nhà máy đường Nước thải từ nhà máy đường chứa một lượng đáng kể các chất rắn lơ lửng, là nguyên nhân chủ yếu gây ra tắc cống rãnh và gây ô nhiễm do các thành phần hữu cơ lắng cặn phân huỷ chậm. Nước thải từ quá trình rửa thiết bị hay trao đổi nhiệt có thê có tính axit hay tính kiềm. Dòng thải này cũng có nồng độ muối cao và có tính độc đối với các sinh vật thuỷ sinh khi thải ra nguồn tiếp nhận [12]. Trong nước thải có chứa một lượng đường sót và các hydrocacbon. Đây là nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm các dòng thải về mùi (chủ yếu là phân huỷ ra H2S), gây ra màu đen của nước thải, .v.v. Bảng I.4 . Đặc tính nước thải chung của nhà máy đường [12] Các thông số Giá trị pH 4,6 – 7,1 Tổng số 870 – 3500 Lơ lửng 220 – 800 Bay hơi 400 – 2000 BOD5 (mg/l) 300 – 2000 COD (mg/l) 600 – 4380 Tổng Nitơ (mg/l) 10 – 40 Nói chung, nước thải của một nhà máy đường có thể phân thành 3 nguồn nhu sau: Nước thải sản xuất từ dây chuyền công nghệ Nước sinh hoạt dân dụng Nước mưa trên mặt bằng nhà máy Trong ba loại nước thải đã nêu trên, nước thải bị ô nhiễm nhất là nước thải sản xuất nên đòi hòi phải có một qui trình công nghiệ xử lý trước khi thải ra nguồn tiếp nhận bên ngoài nhà máy. Nước bề mặt và nước mưa chả theo đường thoát nước riêng không đưa vào hệ thống cống thải. Trong bảng I.5 cho thấy lượng nước thải từ một số công đoạn khác nhau của nhà máy đường. Bảng I.5 Lượng nước thải từ một số công đoạn trong nhà máy đường [12] Nguồn nước thải Lượng trung bình (lít/ngày/tấn đường) Phân xưởng ép 730 Nước nóng và rửa sân 230 Rửa vải lọc (nếu dùng vải lọc) 360 Nước ngưng tụ 1640 Nước thải nhà máy đường nói chung khá ô nhiễm, Bảng I.6 chỉ ra một số thông số ô nhiễm trong nước thải của một số công đoạn trong nhà máy đường bao gồm cả nước ngưng tụ. Bảng I.6 Đặc tính nước thải của một số phân xưởng trong nhà máy đường [12] Nguồn nước thải Các thông số pH Tổng chất rắn Chất rắn lơ lửng BOD5 Phân xưởng ép 6,7 1760 910 210 Rửa vải lọc 9,5 6970 4000 1765 Nước nóng 7,2 5130 120 5150 Nguyên nhân chủ yếu gây ra mức độ ô nhiễm cao của các dòng thải một phần là do hao hụt, mất mát trong quá trình sản xuất. Có thể đưa ra một số nguyên nhân chính như sau: Do đường rơi vãi, đường mất mát do quá trình xảy ra trong tháp phun nước ngưng tụ Hoá chất tẩy rửa và hoá chất thất thoát như acid clohydric, soda, vôi, ... Nước nhiễm bẩn tràn từ các vòi phun, hầm chứa. Dầu mỡ rơi vãi từ phân xưởng ép Tạp chất xơ và các chất hoà tan khac có trong dòng thải I.2.2. Những giải pháp không chế ô nhiễm môi trường trong công nghệ sản xuất đường I.2.2.1. Những cách tiếp cận chung: Sản xuất đường nói riêng và các ngành công nghiệp nói chung, đều thải ra một lượng chất thải khá lớn. Công nghiệp sản xuất đường sử dụng và thải ra một lượng nước thải rất lớn. Do các hiệu quả của các việc thải những chất thải ra môi trường ngày càng nhiều, nay việc giảm phát thải chất thải nói riêng và các vấn đề môi trường càng được quan tâm và chú ý giải quyết nhằm mục đích giảm thiểu các tác động có hại tới môi trường. Hiện nay xu hướng khống chế sự ô nhiễm môi trường là kết hợp sử dụng các biện pháp công nghệ có tính tới yếu tố bảo vệ môi trường tuân theo các nguyên lý của sản xuất sạch hơn như: tuần hoàn và tái sử dụng chất thải, tối ưu hoá trong việc sử dụng nguyên liệu và năng lượng, .v.v. Biện pháp ‘xử lý chất thải cuối đường ống’ cũng là một trong các hướng đang được sử dụng rộng rãi, nhất là đối với các nước đang phát triển. Những phương hướng xử lý đang được áp dụng trên thế giới hiện này là những phướng sau: Nâng cao chất lượng nguyên liệu, áp dụng công nghệ tiên tiến nhằm làm tối ưu hoá quá trình sản xuất, tăng hiệu suất quá trình đồng thời làm giảm lượng chất thải. Tái sử dụng các phế liệu hoặc có cơ sở tận dụng chất thải của các nhà máy đường để sản xuất các sản phẩm khác. Ứng dụng các phương pháp xử lý chất thải tiên tiến nhằm làm giảm tối đa lượng phát thải và đảm bảo các tiêu chuẩn về môi trường. I.2.2.2. Các cách tiếp cận trong công nghệ sản xuất mía đường: a. Cải thiện chất lượng mía nguyên liệu: Chất lượng mía có ảnh hưởng quan trọng không những tới năng suất, chất lượng đường mà còn liên quan tới lượng các tạp chất có trong mía, tức là lượng chất thải của nhà máy đường sau này. Để có mía chất lượng cao, người ta chú trọng tới rất nhiều khâu: chọn giống mía thích hợp, ché độ canh tác phù hợp, điều kiện đất đai, nhiệt độ, lượng mưa, số giờ nắng trong năm, .v.v. Đó cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mía. Ngoài ra, khi thu hoạch mía còn phải chú ý tới phương thức vận chuyển sao cho mía trành bị hao hụt đường trứoc khi đem ép. b. Nâng cao hiệu quả của sản xuất: Việc lựa chọn công nghệ trong quá trình sản xuất đóng vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng sản phẩm và lượng chất thải. Ví dụ như phương pháp vôi dùng cho sản xuất đường thô, quy trình đơn giản nhưng hiệu suất thu hồi đường thấp. Phương pháp sunfit hoá và cácbonat hoá cho sản phẩm đường trắng, hiệu suất thu hồi đường cao nhưng quy trình và thiết bị phức tạp. Phương pháp làm sạch theo phương pháp sunfit đạt tới 25% và phương pháp cácbonát hoá đạt tới 40% [12]. c. Xử lý chất thải: Trong lĩnh vực xử lý chất thải, người ta quan tâm nhiều đến vấn đề xử lý nước thải trong công nghiệp sản xuất mía đường. Phương hướng xử lý nước thải đã được nghiên cứu và triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực xử lý là: Hà Lan, Pháp, Bỉ, Nhật Bản, .v.v. và các nhà máy xử lý đã được triển khai xây dựng ở nhiều nơi như ở Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ, Ai Cập, Braxin, .v.v. Để xử lý cơ bản như: cơ học, hoá học, hoá lý, sinh học. Công nghệ xử lý nước thải được quan tam hiện nay là xử lý sinh học do thành phần nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao và dễ phân huỷ. I.3. Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý nước thải nhà máy đường Theo nhiều tài liệu về công nghệ xử lý nước thải, với những đặc trưng của nước thải sản xuất đường mía phương pháp xử lý nước thải thường được sử dụng nhiều nhất là xử lý phương pháp sinh học. Phương pháp sinh học xử lý nước thải là phương pháp sử dụng các chủng vi sinh vật để loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi nước thải. Dựa trên quá trình hô hấp của các vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý, có thể chia phương pháp xử lý này thành hai loại như sau: Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí (sử dụng vi sinh vật hô hấp hiếu khí hoặc hô hấp tuỳ tiện). Phương pháp xử lý sinh học yếm khí (sử dụng vi sinh vật hô hấp yếm khí hoặc hô hấp tuỳ tiện). I.3.1. Nguyên lý chung của quá trình oxy hoá sinh hoá Quá trình oxy hoá sinh hoá thực hiện được khi các chất hữu cơ hoà tan, các chất keo va phân tán nho trong nước thải được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật. Quá trình xử lý nước thải hoặc còn gọi là quá trình thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp thụ các chất bẩn đó bao gồm ba giai đoạn sau: Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử. Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào. Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng. 3 giai đoạn này quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải. Phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxy hoá sinh hoá ở điều khiện hiếu khí có dạng như sau: (1) (2) CxHyOzN : là các chất hữu cơ trong nước thải C5H7NO2 : là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật. ∆H : là năng lượng Phản ứng (1) là phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, còn phản ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào. Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải. Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì khi không đủ chất dinh dưỡng, quá trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hoá chất liệu tế bào (tự oxy hoá): Tổng lượng oxy tiêu tốn cho bốn phản ứng trên gần gấp hai lần lượng oxy tiêu tốn của hai phản ứng đầu. Từ các phản ứng này có thể thấy rõ sự chuyển hoá hoá học là nguồn năng lượng cần thiết cho các vi sinh vật. I.3.2. Cơ sở lý thuyết quá trình phân huỷ yếm khí Phương pháp này được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng BOD và hàm lượng cặn lơ lửng lớn (BOD > 1800 mg/l , SS ≥ 300 – 400 mg/l), dựa vào các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ của vi sinh vật hô hấp yếm khí hoặc tuỳ tiện. Xử lý yếm khí nước thải có nhiều ưu điểm như sau: Có thể xử lý được nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm rất cao và có khả năng phân huỷ được các chất hữu cơ có phân tử lượng lớn, phức tạp mà phương pháp hiếu khí không xử lý được. Lượng bùn dư sinh ra ít. Giá thành rẻ. Sản phẩm của quá trình xử lý này là khí sinh học (Biogas) thành phần chủ yếu là CH4 và CO2 có thể dung làm nhiên liệu. Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm đó cũng có các nhược điểm: Thời gian lưu của nước thải trong thiết bị lâu, nên chi phí ban đầu cho xây dựng cơ bản khá cao. Thời gian ổn định công nghệ dài. Hiệu quả xử lý chỉ đạt 80 đến 90%. Quy trình vận hành tương đối phức tạp. Nếu thiết bị hở khí thoát ra gây ô nhiễm môi trường không khí. I.3.2.1. Cơ chế phân huỷ yếm khí : Về cơ bản có thể chia quá trình phân huỷ yếm khí các chất ô nhiễm hữu cơ thành 3 giai đoạn chính: 1. Giai đoạn thủy phân Trong công đoạn này các thành phần chất hữu cơ không tan hoặc tan ít (có phân tử lượng lớn như protein, lipit, polysacarit, pectin ... ) được chuyển hoá thành các sản phẩm có phân tử lượng nhỏ hơn và phần lớn đều tan. Các chất hữu cơ này sẽ được sử dụng làm cơ chất trong các hoạt động của VSV trong các công đoạn sau. 2. Giai đoạn lên men các axit hữu cơ Các hợp chất hữu cơ đơn giản sản phẩm của quá trình thuỷ phân, các chất béo, polysacarit, protein ... sẽ được lên men thành các ãit hữu cơ như: acetic, lactic, propionic, butyric, ... và các chất khí như: H2 , H2S, NH3 và một lượng nhỏ CH4. Thành phần và tính chất của các sản phẩm phụ thuộc nhiều vào bản chất, thành phần của các chất ô nhiễm có trong nước thải, phụ thuộc vào khu hệ VSV cũng như vào điều kiện môi trường của quá trình hoạt động (pH, nhiệt độ, ... ). Cơ chế của quá trình tạo axits trong phân huỷ yếm khí được chia làm hai dạng chính. Theo Gunnerson và Stucke (1986): Chuyển hoá trực tiếp cơ chất đến axit acetic: + Lên men tạo axit acetic: (Glucoza) + Phân cắt axit béo phân tử lượng lớn bằng phản ứng oxy hoá khử kèm thuỷ phân: Lên men các axit hữu cơ và các chất trung tính khác như etanol, propanol, aceton, ... Trong quá trình lên men các axit hữu cơ, các axit amin sẽ được khử amin bằng quá trình khử hoặc thuỷ phân để tạo NH3 và NH4-, một phần sẽ được VSV sử dụng để tạo sinh khối, phần còn lại thường tồn tại dưới dạng NH4- có thể gây ức chế quá trình phân giải yếm khí. 3. Giai đoạn tạo khí CH4 Các sản phẩm hữu cơ thu được từ giai đoạn lên men sẽ được khí hoá nhờ các vi khuẩn methan hoá được gọi chung là vi khuân Methanogens. Các vi sinh vật này có đặc tính chung là chỉ hoạt động trong môi trường yếm khí nghiêm ngặt. Tốc độ sinh trưởng và phát triển của chúng chậm hơn nhiều so với tốc độ sinh trưởng của các vi sinh vật khác. Khí methan được hình thành chủ yếu theo hai cơ chế: Decacboxyl hoá và khử CO2. Phương trình tổng quát quá trình phân huỷ yếm khí tạo CH4 được biểu diễn thông qua biểu thức: Nhưng trong thực tế cơ chất không được chuyển hoá trực tiếp đến CH4 và CO2 mà phải qua giai đoạn axit hoá. Tạo khí Methan bằng decacboxyl hoá: Không chỉ axit acetic được decacboxyl hoá tạo Methan mà cả các axit bay hơi khác cuãng như các chất trung tính đều có thể được decacboxyl. Từ acetat CH3-COOH CH4 + CO2 + E Từ propionat 4CH3-CH2-CÔH 7CH4 + 5CO2 + E Từ Butyrat 2CH3-(CH2)2-COOH 5CH4 + 3CO2 + E Từ Etanol CH3-CH2OH 3CH4 + 3CO2 + E Từ Aceton CH3-CO-CH3 2CH4 + CO2 + E 70% khí Methan được hình thành theo cơ chế này Tạo khí Methan bằng khử CO2 : có thể theo các cơ chế sau: Khử CO2 bằng H2 theo cơ chế: CO2 + 4H3 CH4 + 2H2O Khử CO2 bằng phản ứng oxy hoá khử: 8NADH+ 8NAD CO2 CH4 + 2H2O 30% khí Methan được hình thành theo cơ chế này. Các vi sinh vật trong phân huỷ yếm khí thường dùng để phân huỷ yếm khí tạo khí Methan là nhưng vi sinh vật sau: (Bảng I.7 ) Bảng I.7. Vi sinh vật phân huỷ yếm khí tạo khí Methan Giai đoạn thuỷ phân Giai đoạn axit hoá Giai đoạn Methan hoá Bacillus Clostridium Lactobacillen Pseudomonas Bacteroides Enderobacterie Syntrophotacter Wolonii Syntrophomonas Wolfei Syntrophus Methanobacterium (que dài) Methanobrevibacter(que ngắn) Methanococcus (dạng hình cầu) Methanópỉillum (dạng sợi) Methanosarcina (dạng hình cầu) Methanobacillú Methanobacthrix I.3.2.2. Các dạng xử lý yếm khí thường được sử dụng 1). Hồ yếm khí: Hồ yếm khí sử dụng các vi sinh vật hô hấp yếm khí hoặc tuỳ tiện để làm sạch nước thải. Hồ được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp có độ ô nhiễm lớn (BOD5 > 180mg/l) [19]. Tuy nhiên hiệu xất xử lý của hồ không lớn lắm (khoảng 70%). Trong các hồ yếm khí thông thường, để đạt yêu cầu về dòng ra của nước thải, thời gian lưu thường phải lớn từ 20 đến 80 ngày do các điều kiện bên ngoài tác động đến như nhiệt độ, pH, tải trọng BOD5, ... khó đạt tối ưu. Khi thiết kế một hồ yếm khí cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Hồ cần có độ sâu lớn (>2,5m) để giữ nhiệt vào mùa đông và đảm bảo yêu cầu yếm khí cao. - Hồ phải quy hoạch xa khu dân cư (1500-2000m) để không gây ảnh hưởng đến nước mặt và nước ngầm trong khu vực. - Cửa tiếp nhận nước thải vào hồ nên đặt chìm ở vị trí thích hợp để đảm bảo phân bố đều nước thải vào hồ. - Dung tích hồ phụ thuộc vào hàm lượng các chất ô nhiễm, thời gian lưu của nước và nhiệt độ xử lý. 2). Các dạng thiết bị xử lý yếm khí a). Thiết bị yếm khí tiếp xúc Thiết bị gồm hai bộ phận: thiết bị lên men yếm khí và thiết bị lắng. Thiét bị lên men được trang bị môtơ khuấy vận hành liên tục. Nước thải sau xử lý được đưa qua thiết bị lắng để tách bùn và bùn lại được tuan hoàn trở lại thiết bị yếm khí. Thiết bị có nhược điếm là dung tích thiết bị lớn, cần thiết có thiết bị lắng và nhu câu năng lượng cao. b). Bể UASB (Upflow Anearobic Sludge Blanket) Nước thải được đưa vào bể từ dưới lên. Ở đáy bể có một lớp đệm có chứa các vi sinh vật, chúng thuỷ phân các chất hữu cơ phân tử lượng lớn. Quá trình thuỷ phân và lên men axit hữu cơ xảy ra ở vùng đệm này. Sự lên men tạo khí sinh học xảy ra ở lớp nước phía trên. Phía trên của bể có kết cấu để tách 3 pha: rắng-lỏng-khí. - Khí thoát ra ở phễu thu khí - Bùn được lắng lại nhờ vách ngăn bùn - Nước sau xử lý chảy tràn sau khi được tách pha rắn (bùn) Do khí biogas thu được là hỗn hoẹp khí dễ cháy nên khi thiết kế xây dựng phải cách xa khu dân cư và các công trình quan trọng ít nhất 40m về cuối hướng gió[18]. Nhìn chung, bể UASB có kết cấu đơn giản, hoạt động ổn định và không tốn năng lượng. Tuy nhiên với nước thải có tải trọng BOD cao (>15g/l) thời gian lưu sẽ lớn[19]. I.3.3. Cơ sở lý thuyết quá trình hiếu khí Phương pháp xử lý hiếu khí sử dụng các vi sinh vật hô hấp hiếu khí hoặc tuỳ tiện để phân giải các hợp chất hữu cơ có trong nước thải. Phương pháp này chỉ áp dụng cho nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp (BOD ≤ 1000 mg/l). I.3.3.1. Cơ chế quá trình, tác nhân và các yếu tố ảnh hưởng a). Cơ chế quá trình: Quá trình oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, dưới tác dụng của các enzyme nội bào các chất hữu cơ được chuyển hoá phục vụ cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Cơ chế của quá trình oxy hoá các chất hữu cơ bao gồm các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Giai đoạn khuếch tán, các chất ô nhiễm trong nước thải di chuyển tới bề mặt tế bào vi sinh vật do sự khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử. Tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào quá trình tải khuếch tán và trạng thái thuỷ động của môi trường. Giai đoạn 2: Do có sự chênh lệch nồng độ của các chất trong và ngoài tế bào, nên các chất ô nhiễm trên bề mặt tế bào vi sinh vật sẽ di chuyển qua màng bán thấm nhờ quá trình khuếch tán của các chất. Giai đoạn này có thể có một số chất không khuyếch tán qua màng tế bào được do kích thước phân tử lớn hoặc tồn tại dưới dạng dễ tan, có phân tử lượng nhỏ hơn dễ khuếch tán hơn có thể đi vào tế bào vi sinh vật được. Giai đoạn 3: Giai đoạn này xảy ra quá trình chuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật đồng thời sản sinh ra năng lượng phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Các giai đoạn trên có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá trong tế bào vi sinh vật đóng vai trò quyết định đến mức độ và hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí. Dưới tác dụng của vi sinh vật hô hấp hiếu khí hoặc tuỳ tiện, các chất ô nhiễm sẽ được chuyển hoá: Các quá trình bao gồm: - Phản ứng oxy hoá các hợp chất không chứa Nitơ: - Phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ chứa Nitơ: - Các phản ứng tổng hợp nên tế bào: Phản ứng tự oxy hoá Quá trình tự oxy hoá luôn đi kèm theo sự tạo thành tế bào (sinh khối). Sự chuyển hoá hoá học là nguồn cung cấp năng lượng cho các vi sinh vật sinh trưởng và phát triển. Trong các phản ứng trên: CxHyOzN : là công thức tổng quát của các chất hữu cơ trong nước thải C5H7NO2 : là công thức biểu thị thành phần hoá học chính của tế bào vi sinh vật trong giai đoạn hô hấp nội bào. ∆H : là năng lượng giải phóng hoặc thu vào. Khi vi sinh vật tự oxy hoá sẽ dẫn đến sự giảm số lượng tế bào vi sinh vật có trong môi trường. Đồ thị I.8 biểu diễn sự phụ thuộc này: Thời gian, t A Hàm lượng sinh khối (mg/l) B C D E BOD5 Đường cong biến thiên nồng độ của sinh khối Hình I.8 Quy luật sinh trưởng của vi sinh vật b). Tác nhân sinh học Tác nhân sinh học của phương pháp xử lý sinh học hiếu khí có nhiều chủng loại trong đó chủ yếu là vi khuẩn và một số nguyên sinh động vật. Vi khuẩn hô hấp hiếu khí: Aerobacter, Bacillus, Pseudomonas, Citrobacter,… Vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện: Cellulomonas biazoteza, Nitrosomonas spec… Vi khuẩn dạng sợi: Thiothrix, Microthrix, Aphoerotolus, … Nguyên sinh động vật chủ yếu là trùng roi: Ciliate và trùng tơ: Flagellatre. c). Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý hiếu khí - Tác nhân sinh học: các vi sinh vật, tuỳ thuộc vào từng loại nước thải, BOD đầu vào mà vi sinh vật có các chủng loại khác nhau, chủ yếu là các loại vi sinh vật hô hấp hiếu khí, hô hấp tuỳ tiện và các nghuyên sinh động vật. Vi sinh vật tồn tại va phát triển dưới dạng huyền phù. Kích thước lý tưởng của bong bùn 50 – 200 µm (kích thướcquá lớn các vi sinh vật khó tiếp xúc với chất hữu cơ và chuyển hoá chúng, kích thước bong bùn quá nhỏ gây khó lắng). Chế độ cấp khí đảm bảo lượng DO, thành phần dinh dưỡng đảm bảo lượng N, P. Khống chế bong bùn không để các vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh quá. Chỉ số SVI lý tưởng là 80 – 150 ml/g. - pH môi trường: khoảng pH tối ưu: 6,5 – 8,5. Hệ thông Aeroten pHopt = 7,5. pH không chỉ ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của vi sinh vật mà nó còn tác động đến quá trình trao đổi chất. - Nhiệt độ: Tốc độ phản ứng sinh học cực đại tại nhiệt độ tối ưu (khoảng 309C), khi nhiệt độ tăng làm tăng hoạt lực xúc tác của các enzyme nhưng độ hoà tan Oxy giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh học được xác định qua biểu thức sau: ҐT = Ґ20θ(T-20) Trong đó: ҐT và Ґ20 là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T và tại 200C. θ là hệ số nhiệt độ (θ = 1,04), T: nhiệt độ nước thải. - MLSS: nồng độ sinh khối Cần duy trì để đảm bảo quá trình trao đổi chất ổn định (300 – 3000 mg/l) Cao tải : MLSS : 1500 – 3000 mg/l. Aeroten : MLSS : 500 – 1500 mg/l. Thấp tải : MLSS : 300 – 500 mg/l. - F/M (Food/Microorganisms). ( g BOD/g MLSS ) Trong đó: Q : tổng lượng nước thải Sv , Sr : BOD dòng vào và dòng ra V : thể tích bể Aeroten X : hàm lượng sinh khối F/M phụ thuộc vào khả năng oxy hoá của bùn F/M > 1 : BOD tăng, khả năng oxy hoá sinh khối giảm, lượng bùn dư tăng lên và chỉ số SVI không ổn định. F/M ≤ 1 : quá trình oxy hoá BOD tương ứng với quá trình oxy hoá sinh khối, quá trình oxy hoá sinh khối tăng, lượng bùn dư ít và chỉ số SVI ổn định. Trong vận hành hệ thống Aeroten mong muốn duy trì tỷ lệ F/M ≤ 1. - Nguồn dinh dưỡng N, P: Dinh dưỡng làm tăng tốc độ oxy hoá và duy trì tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật. Thiếu dinh dưỡng là nguyên nhân làm thay đổi tương tác trong bể Aeroten, khi đó các vi sinh vật dạng sợi phát triển làm tăng kích thứoc bong bùn (> 200 µm) - hiện tượng phông lên của bùn. Bùn xốp dễ bị cuốn theo nước ra khỏi hệ thống (chỉ số SVI tăng). Thông thường tỷ lệ C:N:P = 100:5:1. Bên cạnh đó phốtpho vừa là nguồn dinh dưỡng vừa có tác dụng đệm ổn định pH nước thải. - Lượng oxy hoá tan (DO) Lượng oxy cung cấp cho quá trình oxy hoá dưới dạng oxy hoà tan bằng các máy sục khí lien tục. Để đảm bảo tốc độ oxy hoá độ hoà tan oxy (DO) cân đạt mức tối thiểu 4 mg/l. Nhu cầu oxy phụ thuộc vào bản chất của nước thải cần xử lý và tải trọng của hệ thống. Thiếu oxy cũng là nguyên nhân làm cho bùn phồng lên do các vi khuẩn dạng sợi phát trine, làm tăng chỉ._.