ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN -*** - NGUYỄN THỊ THANH PHƯỢNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC HYBRID Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỞNG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI Mã số: 62.85.06.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HCM – Năm 2011 Cơng trình hồn thành tại: VIỆN MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Địa chỉ: 142 Tơ Hiến Thành, quận 10, TP Hồ Chí Minh Điện thoại: (84.8) 3865 1132 – Fax: (84.8) 3865 5670 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC TS NGUYỄN TRUNG VIỆT Phản biện 1: GS.TS ĐẶNG THỊ KIM CHI Phản biện 2: PGS TS NGƠ KẾ SƯƠNG Luận án bảo vệ trước Hội ñồng chấm luận án cấp nhà nước họp Viện Môi Trường Tài Nguyên – Đại học Quốc gia TP HCM vào ngày tháng năm 2011 Có thể tìm hiểu luận án tại: • Thư viện Viện Môi Trường Tài Nguyên – Đại học Quốc • gia TP HCM Thư viện khoa học tổng hợp TP Hồ Chí Minh MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tinh bột mì sản phẩm tồn dạng hydrat cacbon tự nhiên với hàng ngàn cơng dụng khác Ước tính ngành sản xuất tinh bột mì hàng năm thải vào mơi trường 500.000 bả thải 15 triệu m3 nước thải Đây nguồn thải ô nhiễm hữu dinh dưỡng cao với COD lên ñến 20.000 mg/L, N khoảng 50 – 300 mg/L Hiện nay, công nghệ xử lý chưa hiệu Do vậy, cần thiết phải xác ñịnh công nghệ xử lý ñảm bảo hiệu mơi trường đáp ứng mặt kinh tế, phù hợp với ñiều kiện sở sản xuất nước Hệ sinh học hybrid kỵ khí USBF hybrid hiếu khí Bio Sludge lần đầu lựa chọn cho nghiên cứu nhờ tính khả thi cơng nghệ, sử dụng hệ vi sinh hỗn hợp với mật ñộ sinh khối dày đặc tham gia vào q trình phân hủy chất, cho phép giảm khối tích cơng trình, tăng tải trọng xử lý phân hủy triệt ñể thành phần chất hữu dinh dưỡng Công nghệ có khả chịu sốc tải tốt, khơng bị ảnh hưởng ñáng kể tải trọng chế ñộ hoạt ñộng gián ñoạn ñặc thù ngành chế biến tinh bột mì MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN • Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì cơng nghệ Hybrid kỵ khí hybrid hiếu khí • Đề xuất cơng nghệ phù hợp cho xử lý nước thải tinh bột mì ứng dụng triển khai thực tế NỘI DUNG ĐỀ TÀI Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì cơng nghệ sinh học hybrid bao gồm nội dung sau: • Đánh giá hàm lượng CN- thành phần nước thải, độc tính chế chuyển hóa điều kiện kỵ khí (axit hóa phân hủy tự nhiên); ngưỡng nguy hại CN- hệ USBF • Xử lý nước thải tinh bột mì cơng nghệ hybrid kỵ khí USBF: - Xác định tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước, hàm lượng vi sinh mật ñộ xơ dừa - Tỉ lệ vùng UASB/AnF, Lượng khí sinh học phát sinh - So sánh hiệu xử lý USBF UASB - Mơ hình động học thơng số động học • Xử lý nước thải tinh bột mì sau kỵ khí cơng nghệ hybrid hiếu khí Bio sludge (aeroten + AF): - Loại vật liệu phù hợp: Xơ dừa; than ñá; bio ball 15; ống ruột gà PVC; Bố trí cấu trúc lớp vật liệu lọc - Chế ñộ vận hành: Tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước - Mơ hình động học thơng số động học tương ứng • Nghiên cứu xử lý nước thải mơ hình kết hợp hybrid kỵ khí hiếu khí • Đề xuất công nghệ xử lý nước thải tinh bột mì phù hợp áp dụng triển khai thực tế LUẬN ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI • Xác ñịnh giới hạn nguy hại CN- ñối với trình sinh học kỵ khí • Xác định tỉ lệ phù hợp vùng UASB vùng lọc kỵ khí • Xác định thơng số động học phù hợp tải trọng vận hành tối ưu phục vụ thiết kế cộng trình xử lý thực tiễn • Xác định tính ưu việt hàm lượng xơ dừa cần thiết hệ hybrid hiếu khí • Đề xuất quy trình xử lý nước thải phù hợp theo cơng nghệ sinh học hybrid với chi phí đầu tư vận hành thấp PHƯƠNG PHÁP LUẬN Các công nghệ xử lý nước thải hữu xử lý phần hàm lượng ô nhiễm Nghiên cứu trọng giải pháp cơng nghệ liên quan đến q trình khử, chuyển hố CN- cho cơng đoạn ban đầu Sau xử lý ñộc tố, áp dụng công nghệ sinh học hybrid kỵ khí kết hợp hybrid hiếu khí, sử dụng hệ vi sinh lơ lửng bám dính hệ thống nên ưu ñiểm so với hệ thống sinh học truyền thống Đối với hệ sinh học hybrid kỵ khí (USBF), tỉ lệ vùng UASB vùng lọc kỵ khí ảnh hưởng đến khả chịu sốc tải hiệu phân hủy chất Do đó, nội dung luận án khảo sát tỉ lệ phù hợp vùng UASB lọc sinh học Luận án tập trung vào việc lựa chọn vật liệu tiếp xúc, cách bố trí vận hành hệ thống Trong đó, trọng đến vật liệu lọc rẻ tiền, có sẵn thị trường độ bền cho phép mà xơ dừa, than hoạt tính, nhựa tái sinh vật liệu ñang ñược ứng dụng Từ kết nghiên cứu, luận án xác ñịnh mơ hình động học thơng số động học cho hệ sinh học hybrid Từ kết khảo sát hệ hybrid riêng biệt, luận án nghiên cứu kết hợp hai hệ hybrid USBF bio sludge, vận hành theo chế độ tuần hồn nước sau sinh học hiếu khí vùng kỵ khí nhằm xử lý hiệu hàm lượng hữu dinh dưỡng Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN a Ý nghĩa khoa học • Hệ thống hóa q trình hybrid theo cơng nghệ kỵ khí, hiếu khí, kết hợp kỵ khí hiếu khí; khử N • Xác định mơ hình thơng số động học phù hợp mơ tả q trình sinh học cho mơ hình USBF bio sludge • Đóng góp lý thuyết công nghệ hybrid kết hợp USBF bio sludge • Xác ñịnh hệ số sinh khối ñối với USBF, Bio sludge số sinh khí methane hệ hybrid USBF • Mở hướng áp dụng hệ hybrid USBF Bio sludge cho xử lý nước thải ñiều kiện gián ñoạn biến ñộng mạnh b Ý nghĩa thực tiễn • Đề xuất quy trình cơng nghệ, xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn Góp phần BVMT tạo ñiều kiện ổn ñịnh sản xuất hoạt động chế biến tinh bột mì • Đưa thiết kế, tính tốn kỹ thuật phục vụ xây dựng cơng trình xử lý nước thải tinh bột mì nhiều cơng suất khác • Luận án tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học, cán môi trường chuyên gia lãnh vực công nghệ xử lý nước thải CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ VÀ CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ 1.1 TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ VÀ CƠNG NGHỆ XỬ LÝ Tinh bột mì thực phẩm cho 500 triệu người Thế giới Ở Việt Nam, số lượng sở sản xuất tinh bột mì bao gồm qui mơ hộ gia đình qui mô công nghiệp, tập trung chủ yếu khu vực phía Nam Đặc điểm thành phần nước thải tinh bột mì Bình quân củ mì tươi sản xuất ñược tinh bột mì khơ tương ứng thải vào mơi trường 12 – 20 m3 nước thải Trong thực tế có chênh lệch lưu lượng nước thải quy mô lớn nhỏ Thành phần tính chất nước thải tinh bột mì ñược trình bày bảng sau: Bảng 1.1 Thành phần nước thải tinh bột mì STT Thơng số pH TDS SS Đơn vị mg/L mg/L Tây Ninh Bình Định Đồng Nai 3,6 1.819 1.413 20.340 4,00 – 4,16 5,60 1.758 – 2.120 1.587 1.477 – 2.585 1.197 14.323 – COD mg/L 13.068 17.764 8.858 – 15.188 BOD5 mg/L 7.381 11.005 CN mg/L 5,8 3,4 - 16 2.5 - 96 Bảng Một số quy trình cơng nghệ xử lý nước thải tinh bột mì nước STT Nhà máy Quy trình cơng nghệ Song chắn rác → lắng → trung hòa → Hồ kỵ khí 1,2,3 → Hồ tùy nghi 1,2 → Hồ hiếu Tân Châu khí Hồng Minh Song chắn rác → lắng bột → trung hòa → STT Nhà máy Quy trình cơng nghệ điều hòa → UASB → Aeroten → Lắng Song chắn rác → lắng cát → lắng bột → Trường Hưng Lắng ly tâm →Aeroten → Khử trùng Song chắn rác → lắng → trung hòa → Hồ Vedan Bình kỵ khí 1,2,3 → Hồ tùy nghi 4,6 → Hồ hiếu Thuận khí Lọc cát → tách cặn → Hồ kỵ khí 1,2,3,4,5 Phước Long → Hồ tự nhiên → hồ hồn thiện Cty Nơng sản Song chắn rác → lắng → trung hòa → Hệ Ninh Thuận thống hồ sinh học Song chắn rác → bể chứa → ngăn keo tụ → Vedan Phước Bể phản ứng → bể lắng → ngăn trung hòa Long → ñiều hòa → UASB → Hồ sinh học Song chắn rác → lắng bột → trung hòa → Bình Định UASB → Hồ sinh học có tham gia thực vật nước Song chắn rác → lắng → trung hòa → hệ Tây Ninh thống hồ sinh học (15,8 ha) Hộ gia đình Lắng bột → Điều hòa → Axit hóa → lọc kỵ Hồi Hảo, 10 khí → lọc hiếu khí Hồi Nhơn Nguồn: Khoa Mơi Trường, ĐHBK.Tp HCM 2005 Mặc dầu hàng loạt nhà máy sản xuất tinh bột mì xây dựng hệ thống xử lý nước thải hầu hết hệ thống ñược thiết kế chưa phù hợp Kết nước sau xử lý khơng thể đạt tiêu chuẩn thải QCVN 24:2009/BTNMT cột B 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID Hệ sinh học hybrid mơ hình phản ứng sinh học có diện kết hợp chủng loại vi khuẩn khác bao gồm: vi khuẩn sinh trưởng lơ lửng vi khuẩn sinh trưởng bám dính phát triển điều kiện kỵ khí, hiếu khí kết hợp kỵ khí hiếu khí Từ tận dụng ưu ñiểm số hệ thống hệ thống có, kết hợp sử dụng chúng hiệu cho chi phí đầu tư thấp, thu gọn hệ thống, vận hành ñơn giản, tăng hiệu xử lý, chịu sốc tải tốt ngăn ngừa suy giảm hệ vi sinh vật diện Có thể phân biệt hệ hybrid thành dạng bản: hybrid kỵ khí, hiếu khí hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí 1.2.1 Cơng nghệ hybrid kỵ khí Một số hệ hybrid kỵ khí sinh trưởng lơ lửng gồm: Hệ hybrid ABR UASB, UASB – septic tank, hybrid septictank – ABR, hybrid axit hóa + UASB Một số hệ hybrid kỵ khí sinh trưởng lơ lửng bám dính gồm: Hệ hybrid UASB + lọc sinh học, hybrid EGSB kết hợp AF, hybrid sinh học kỵ khí kết hợp lọc màng 1.2.2 Cơng nghệ hybrid hiếu khí Một số cơng nghệ hybrid hiếu khí: Lọc sinh học hoạt tính (activated biofilter), lọc nhỏ giọt/tiếp xúc chất rắn, hybrid bùn hoạt tính + lọc sinh học, hybrid bùn hoạt tính + RBC, hybrid bùn hoạt tính + chất mang, hybrid bùn hoạt tính kết hợp lọc màng hybrid lọc nhỏ giọt/bùn hoạt tính 1.2.3 Cơng nghệ hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí Một số cơng nghệ hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí gồm: hệ hybrid UANF + UAF, mơ hình kết hợp kỵ khí hiếu khí dạng ống, bể phản ứng sinh khối cố định kỵ khí - hiếu khí kết hợp hình trụ trònRAAIB, hệ thống sinh học kỵ khí hiếu khí đồng thời- SAA, bể phản ứng sinh học dạng vách ngăn, bể phản ứng sinh học kết hợp UA AFB, bể MBR kết hợp kỵ - hiếu khí, mơ hình FFR 1.3 LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ Bản chất giải pháp cơng nghệ đáp ứng số u cầu bao gồm: • Xử lý CN-: Đảm bảo khơng ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống sinh học; Loại bỏ triệt ñể chất hữu cơ, ñảm bảo nước sau xử lý ñạt quy chuẩn thải cho phép Xử lý hiệu N, P • Chịu biến ñộng lưu lượng, tải lượng ô nhiễm chế độ vận hành khơng liên tục • Quy trình đơn giản, chi phí thấp.và phát triển cơng nghệ theo hướng tái sinh lượng tái sử dụng nguồn thải Với luận điểm trên, số mơ hình lựa chọn cho nghiên cứu luận án bao gồm: Mô hình axit hóa khử CN-; hai hệ thống sinh học hybrid: kỵ khí (USBF: kết hợp UASB + AnF) hiếu khí (Bio sludge – kết hợp bùn hoạt tính lọc hiếu khí) Mơ hình USBF lựa chọn tỉ lệ vùng hoạt ñộng, tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước, thành phần khí sinh học Xác ñịnh hiệu xử lý thông số ñộng học Mơ hình Bio sludge (bùn hoạt tính kết hợp lọc sinh học): Lựa chọn loại vật liệu, chế độ vận hành, tải trọng hữu cơ, mơ hình động học thông số thiết kế Sau cùng, kết hợp mơ hình USBF Bio sludge CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 HỆ SINH HỌC HYBRID USBF Cơng nghệ USBF nghiên cứu từ năm 1984, sau ñó tiếp tục phát triển nhiều nhà khoa học quốc gia khác ñể xử lý nước thải nhiều ngành nước thải dệt nhuộm, nước thải chế biến cà phê, nước thải sinh hoạt, nước thải nhiễm dầu… Ưu điểm cơng nghệ hybrid USBF khả chịu tải cao, ngăn ngừa trường hợp bị sốc tải Các yếu tố ảnh hưởng ñến q trình hybrid kỵ khí: Thời gian lưu bùn, pH, SS, tải trọng hữu cơ, thời gian lưu nước, sunfat độc tính Động học q trình hybrid kỵ khí Nhiều nghiên cứu dạng mơ hình động học chứng minh mơ hình Stover Kincannon động học bậc hai Grau mơ hình tốn học ñược sử dụng phổ biến ñể xác ñịnh số động học hệ sinh học có vi sinh tăng trưởng bám dính Luận án định hướng áp dụng mơ hình bậc Stover Kincannon cho xử lý nước thải tinh bột mì mơ hình hybrid kỵ khí USBF Mơ hình cho hệ số tương quan cao mơ hình lựa chọn 2.2 HỆ SINH HỌC HYBRID BIO SLUDGE Các nghiên cứu ñược thực mơ hình bio slugde từ năm 1982 ñến ñã chứng minh hybrid bio sludge có khả chịu biến động tải lượng ô nhiễm ñồng thời xử lý chất dinh dưỡng Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình sinh học hiếu khí: Ngồi yếu tố pH; nhiệt ñộ, hàm lượng cặn lơ lửng, chế ñộ vận hành: Oxy cung cấp, tuần hồn bùn… Một số vấn đề khác cần lưu tâm bao gồm:, tỉ lệ C/N, nồng ñộ chất gây ñộc Động học mô hình hybrid bio sludge: Định hướng luận án áp dụng mơ hình kết hợp Monod, Stover Kincannon mơ hình bậc cho xử lý nước thải tinh bột mì mơ hình hybrid Bio sludge CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 3.1 MƠ HÌNH AXIT HĨA Mơ hình bể nhựa có cánh khuấy, dung tích 20 L Thí nghiệm mẫu nước thải có bùn tự hoại mẫu đối chứng khơng bổ sung bùn Các tiêu phân tích pH, COD, VFA, N-NH4+, CN- Hình 3.1 Mơ hình axit hóa (mơ hình tĩnh) 3.2 MƠ HÌNH HYBRID SINH HỌC KỊ KHÍ 3.2.1 Mơ hình USBF (tỉ lệ UASB/AF = 1/2) Mơ hình gồm vùng: Phía UASB cao 400mm, chiếm thể tích 5L, phía phần lọc kỵ khí có chiều cao làm việc 800mm, chiếm thể tích 10L Khối lượng xơ dừa mơ hình 250g Hình 3.2 Mơ hình USBF (tỉ lệ UASB/AnF = 1/2) Hình 3.11 Mơ hình Bio sludge 3.3.4 Mơ hình USBF kết hợp Bio Sludge Kết nối USBF bio sludge, vận hành nước thải nguyên thủy Tải trọng kg COD/(m3.ngày) với chế độ: khơng tuần hồn; hệ số tuần hoàn α =1 tuần hoàn α=2 Các tiêu phân tích bao gồm: pH, COD, N – NH4+, N – NO2-, N – NO3-, ñộ kiềm vị trí: đầu vào, sau kỵ khí, đầu Hình 2.1 Cấu tạo mơ Hình 3.13 Cấu tạo mơ hình USBF + Bio Sludge 11 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 KẾT QUẢ MƠ HÌNH AXIT HĨA Khả phân hủy CN- mơ hình axit hóa cao so với mơ hình đối chứng Khi hàm lượng CN- nhỏ 12 mg/L, 90-100% CNñược xử lý sau ngày, hàm lượng CN- khoảng 16 – 35 mg/L 70% CN- xử lý sau ngày Đối với mơ hình đối chứng, pH tăng chậm, CN- tự phân hủy cần thời gian dài (30% CN- bị phân hủy sau – ngày) 4.2 KẾT QUẢ MƠ HÌNH HYBRID KỊ KHÍ 4.2.1 Mơ hình USBF ½ (tỷ lệ vùng UASB/vùng lọc kỵ khí 1/2) Bảng 4.1 Kết khảo sát tốc ñộ sinh khí CH4 tải trọng hữu khác Tải trọng hữu Tải trọng hữu E COD, bị loại bỏ m3CH4/kgCOD kgCOD/m3.ngày % kgCOD/m /ngày 93,35 ± 0.96 93,35 ± 1,91 1,91 93,34 ± 1.96 93,34 ± 1,20 1,20 93,3 ± 2.91 93,3 ± 1,91 1,91 90 ± 5.4 90 ± 2,29 2,29 67,65 ± 12 67,65 ± 5,58 5,58 Khi vận hành, tải trọng kg COD/(m3.ngày), 2kg COD/(m3.ngày), kg COD/(m3.ngày) kg COD/(m3.ngày), hiệu xử lý COD ổn ñịnh cao, ñạt 85,7 – 95,7% Tuy nhiên, tăng tải trọng lên 12 kg COD/(m3.ngày), hiệu xử lý chất hữu giảm 57,5 – 72,1% Lượng khí CH4 sinh tăng dần từ 3,82 lên 4,82 L CH4/ngày tăng tải trọng hữu từ lên 12 kg COD/(m3.ngày) Tương ứng, tốc độ sinh khí riêng gần ổn định, 0,246 – 0,359 m3CH4/kgCOD 12 Tải trọng cao, N-NH4+ sau xử lý tăng Tuy nhiên N tổng giảm khơng đáng kể, khoảng 20 – 30% Amonia thay ñổi trình phân hủy N hữu CN- thành amonia lượng cố ñịnh amonia tham gia vào phản ứng tổng hợp tế bào theo phản ứng: 4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7O2N + 5O2 Hình 4.8 Sự biến thiên độ kiềm, VFA, tỉ lệ VFA/độ kiềm lượng khí sinh học phát sinh mơ hình USBF 1/2 theo thời gian Diễn biến thông số ô nhiễm theo chiều cao COD giảm nhanh (khoảng 70% - 90%) vùng UASB (Vị trí – 3) giảm chậm (khoảng 7,2 – 26,64%) vùng lọc sinh học kỵ khí (vị trí – 8) Trong tồn chiều cao cột, độ kiềm tăng nhanh ñến 2.100mg CaCO3/L vùng UASB, sau ñó tăng nhẹ khoảng 120 mg CaCO3/L vùng lọc kỵ khí hàm lượng amonia sau xử lý: 58,46 – 212,04 mg/L VFA ban ñầu tăng – 23 ñơn vị vùng UASB sau ñó giảm mạnh 28 – 61 đơn vị vùng lọc kỵ khí Có tương quan biến thiên pH, ñộ kiềm, COD, VFA amonia theo chiều cao cột Ảnh hưởng nồng ñộ CN-ban ñầu 13 Kết khảo sát hiệu xử lý CN- mơ hình USBF trình bày đồ thị hình 4.11 Hình 4.11 Sự biến thiên CN- mơ hình hybrid USBF Với CN- vào: 25 mg/L; 50 mg/L 75 mg/L, hiệu xử lý CN- dao ñộng từ 48 – 92,7% Ở tải trọng hữu 3kgCOD/(m3.ngày), hệ thống USBF hoạt ñộng hiệu nồng ñộ CN- ≤ 50mg/L CN- có ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động hệ sinh học kỵ khí hàm lượng lên đến 75 mg/L, đó, hiệu quả xử lý COD giảm đáng kể, đạt khoảng 72,7% 4.2.2 Mơ hình USBF 2/1 (tỷ lệ vùng UASB/vùng lọc kỵ khí 2/1) mơ hình UASB Kết nghiên cứu mơ hình cho kết tương mơ hình USBF tỉ lệ 1/2 song hiệu xử lý thấp Kết so sánh hiệu xử lý COD biến ñổi ñộ kiềm mơ hình thống kê bảng 4.2 Bảng 4.2 So sánh hiệu xử lý COD biến đổi độ kiềm mơ hình Tải trọng E (COD)% USBF USBF UASB (1/2) (2/1) 90,58989-93,5 95,2 92,7 USBF (1/2) 228 490 Độ kiềm USBF (2/1) 337500 91,494,5 5521070 580950 91,894,6 89,791,6 UASB 203329 226644 14 E (COD)% USBF USBF UASB (1/2) (2/1) Tải trọng 90-95,7 90-92,8 89,491,4 85,7-93 78,6 – 92 84-90 12 57,5 – 72,1 55,6-67 5065,1 USBF (1/2) Độ kiềm USBF (2/1) 20062646 9802466 7402620 9981348 7901510 9001523 UASB 10581642 7791291 6791118 Kết so sánh cho thấy: hệ hybrid USBF (tỉ lệ 1/2) xử lý COD cao so với hai mơ hình lại, với tải trọng vận hành phù hợp – kg COD/(m3.ngày) Động học mơ hình USBF Kết ứng dụng mơ hình bậc hai Bảng 4.3 Các thơng số động học cho mơ hình USBF, ứng dụng mơ hình bậc Thơng số UASB AF USBF a 0,1286 0,4032 0,1685 b 0,9493 1,1999 0,9513 k2(S) R2 1,999 0,9354 0,126 0,7253 1,717 0.9963 Kết ứng dụng mơ hình Stover Kicannon Bảng 4.4 Các thơng số động học cho mơ hình USBF, ứng dụng mơ hình Stover Kincannon Mơ hình UASB AF USBF Umax (g/L) 250 6,57 67,57 KB (g/L) 313 9,559 68,63 R 0,9821 0,914 0,999 Nhận xét: Hệ số tương quan mơ hình Stover Kincannon lớn so với hệ số tương quan mơ hình bậc 15 Bảng 4.5.Thơng số động học cho mơ hình USBF UASB AF USBF Y 1,8679 0,6081 0,5146 Kd 0,4233 0,0414 0,0279 R 0,8962 0,7031 0,9038 Phương trình động học có dạng:  θ S = S 1 −  1.0157θ + 0.0148S    4.3 KẾT QUẢ MƠ HÌNH HYBRID HIẾU KHÍ 4.3.1 Mơ hình xác định loại vật liệu tối ưu Kết nghiên cứu ñược trình bày H.4.27 Hình 4.24 So sánh hiệu xử lý COD- TKN-P tổng theo tải trọng Hiệu xử lý COD ñạt giá trị cực ñại tải trọng kgCOD/(m3.ngày) cho tất mơ hình đạt cao mơ hình xơ dừa (98%), mơ hình nhựa Bio ball (97,3%), cuối mơ hình nhựa PE mơ hình than ñá (97%) Khi tăng tải trọng lên 1,5 kgCOD/(m3.ngày), hiệu xử lý COD giảm dần Hiệu xử lý TKN mơ hình xơ dừa tải trọng khoảng 90% Ba mơ hình lại, hiệu xử lý giảm khoảng 60 - 85% Mơ hình xơ dừa xử lý P hiệu với hiệu suất đạt giá trị 6081,5%; mơ hình lại xử lý 28 – 60% Tron g mơ hình xơ dừa, đường cong tốc độ phân hủy dốc, thẳng ñứng, ñặc biệt ñầu với tốc độ phân hủy ñạt giá trị 2,5 kg COD/(m3.h) Rõ ràng việc lựa chon loại vật liệu phù hợp 16 cho phép giảm thời gian lưu nước, ñồng nghĩa với việc giảm thể tích bể, tiết kiệm chi phí xây dựng gia tăng hiệu xử lý 4.3.2 Mơ hình xác ñịnh kết cấu xơ dừa Thời gian ñầu, mơ hình hình thành lớp màng vi sinh mỏng Thời gian ñể tạo ñược lớp màng vi sinh dày mơ hình tương ứng tuần, tuần tuần Tải trọng cao hàm lượng vi sinh tăng, hàm lượng MLSS cao mơ hình ứng với lượng xơ dừa kg/m3 16000 14000 MLSS (mg/L) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0.5 1.0 1.5 2.04 2.5 Tải trọng (kg COD/m3.ngày) MH1 MH2 MH3 Hình 4.28 Đồ thị biến thiên sinh khối theo tải trọng mơ hình Khảo sát hiệu xử lý sinh học Các mơ hình đạt hiệu xử lí tối ưu tải trọng 1kgCOD/m3.ngày, mơ hình I: 94,7 %, mơ hình II: 94,2 %, mơ hình III: 97,0% Khi tải trọng tăng hiệu xử lý giảm dần 4.3.3 Mơ hình Bio Sludge E% 100 E (%) 100 98 95 96 90 94 85 92 80 0.3 0.7 1.5 Tải trọng kgCOD/m3.ngày E không lọc E lọc 90 0.3 0.7 1.5 Tải trọng kgCOD/m3.ngày Hình 4.31 Hiệu xử lý COD; N – tổng theo tải trọng hữu Hiệu xử lý COD ñạt giá trị cao (96%) tải trọng 1kgCOD/m3.ngày cho trường hợp lọc Hiệu xử lý COD lọc cao (0,9 – 4,6%) so với trường hợp COD không lọc Ở tải trọng 17 hữu 0,7; 1,5 kgCOD/(m3.ngày), hiệu suất xử lý COD cao, xấp xỉ 94% Tương ứng, hiệu xử lý TKN, P – tổng cao 67,5% 69,7% Tuy nhiên, chất lượng nước sau xử lý với N – tổng > 30 mg/L, P – tổng > mg/L cao quy chuẩn thải cho phép (QCVN 24: 2009/BTNMT) Do vậy, nên kết hợp bổ sung công nghệ xử lý dinh dưỡng nhằm xử lý triệt ñể thành phần N P Hàm lượng sinh khối mơ hình Vi sinh vật hệ hybrid bio sludge thích nghi tăng trưởng, với tỷ lệ MLVSS/MLSS = 0,66 –0,7 (ban ñầu 0,642) Tốc ñộ sử dụng chất vi sinh vật mơ hình hybrid trung bình khoảng 0.25 kg COD/kgVSS tải trọng kgCOD/m3.ngày kg C OD/kg ML S S ng ay 0.35 MLVSS(mg/l) 8000 7000 0.3 6000 0.25 5000 4000 0.2 3000 0.15 2000 0.1 1000 0.05 0.3 SK lơ lửng 0.5 SK bám dính 1.5 Tai kgCOD/m3.ngay SK hybrid 0 0.5 1.5 2.5 T kg C OD/m 3.ng ay Hình 4.32, 4.33 Sự biến thiên MLVSS tốc ñộ tiêu thụ COD ñơn vị sinh khối theo tải trọng Sinh khối hệ hybrid cao Ở tải trọng kgCOD/(m3.ngày), hàm lượng sinh khối vùng bùn hoạt tính, lọc sinh học tồn hệ thống 1.000 – 5.550 mg/L; 5.100 – 7.000 mg/L 2.100 – 6.000 mg/L Như vậy, với mật ñộ sinh khối cao, chủng vi sinh vật đa dạng kết hợp kỵ khí hiếu khí tạo điều kiện thuận lợi cho phân hủy triệt để hàm lượng hữu Động học mơ hình Bio Sludge Kết mơ hình Stover Kincannon: Umax = 20 g/L ngày số bão hòa KB 22,58 g/L ngày với R2 = 0,999 Kết mô hình Monod: k = 1,412 (1/ngày); Ks = 308,54 (g/l); R2 = 0,9771 Cân vật chất: Thơng số động học: Y= 0,3263 mgVSS/mgCOD, kd = 0,0267 ngày-1, R2 = 0,958 18 4.4 KẾT QUẢ MƠ HÌNH USBF KẾT HỢP BIO SLUDGE i Kết vận hành tải trọng 6kgCOD/m3/ngày, hệ số tuần hoàn α=2 pH 8.5 7.5 6.5 pH vào pH sau kị khí 10 Thời gian (ngày) p H sau hiếu khí Độ kiềm(mg/l) 3000 2500 2000 1500 1000 500 10 Thời gian (ngày) Độ kiềm vào Độ kiềm kị khí Độ kiềm hiếu khí Hình 4.43 Sự biến thiên pH; COD, độ kiềm; N theo thời gian Nghiên cứu xác định thí nghiệm 3: tuần hoàn 200% (α=2) cho hiệu xử lý cao Nước sau xử lý có COD giảm 92,1-96,4%; N – NH4+ giảm 80%; N – NO2-, N – NO3- giảm sau xử lý kỵ khí sau tăng lên sau xử lý hiếu khí Trong đó, hàm lượng N – NO2- sau hiếu khí dao động khoảng 4,57-5,39 mg/L N – NO3- sau hiếu khí khoảng 14,25-17,02 mg/L Tổng nitơ sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải mơi trường Trong mơ hình Bio sludge diễn q trình xử lý ñồng thời COD amoni Theo thực nghiệm, khả phát triển loại vi sinh tự dưỡng hiếu khí thấp nhiều so với loại dị dưỡng hiếu khí (hiệu suất sinh khối vi sinh tự dưỡng 0,16 vi sinh dị 19 dưỡng 0,6) Do vậy, với tỉ lệ tuần hoàn 2, hệ thống xử lý hiệu N hàm lượng hữu ñược xử lý triệt ñể CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ 5.1 ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ Hình 5.1 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải tinh bột mì qui mơ vừa nhỏ Thuyết minh qui trình cơng nghệ Nước thải sau cơng đoạn ngâm, tách bột xả thẳng xuống bể lắng (bể ñào, ñầm nén chống thấm), với loạt hồ lắng nối tiếp Tại ñây, sau thời gian lắng 24 – 48 giờ, phần lớn bột mịn lắng ñược thu hồi, tận dụng làm thức ăn gia súc, phần nước bề mặt bơm bể trung hòa Tại bể trung hòa, nước vào hòa trộn với nước tuần hồn sau hồ sinh học (pH 7,5) với tỉ lệ tuần hoàn 2:1 Tại ñây, tảo vi sinh vật tham gia trình quang hợp phân hủy chất, hấp thu CO2, tiêu thụ NO3- , giải phóng oxi hình thành HCO3- làm tăng pH Kế tiếp, để trì pH trung tính (pH = 7); nước sau điều hòa bổ sung lượng nhỏ NaOH trước bơm vào bể USBF Bể USBF cấu tạo gồm phần: vùng kỵ khí lơ lửng (đáy bể, chiếm 25%), vùng kỵ khí bám dính (lọc sinh học chiếm 50%) Vật liệu lọc xơ dừa dạng sợi tơi, thời gian lưu nước trì bể USBF ngày Lượng bùn ban ñầu ñược cho vào bùn tự hoại có tỉ lệ VS/TS 20 = 0,5 – 0,6 Nước thải sau xử lý qua USBF tự chảy vào bể lọc sinh học Bio Sludge Đây bể hybrid hiếu khí bao gồm vi sinh lơ lửng bám dính phát triển hệ thống Vật liệu lọc chiếm 1/3 thể tích bể Thời gian lưu nước: – ngày Hiệu suất xử lý COD, N, P ñạt ñến 75 – 95% Nước sau xử lý cho phép đạt tiêu chuẩn (quy chuẩn nước thải cơng nghiệp) Tuy nhiên, để đảm bảo tính an tồn hệ thống, nước thải cuối ñược xử lý hồ sinh học nhằm xử lý triệt ñể hàm lượng chất hữu thành phần dinh dưỡng (N, P) 5.2 KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỰC TẾ Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải tinh bột mì đề xuất, ñã ñược triển khai áp dụng ñể xử lý nước thải hộ sản xuất tinh bột mì thuộc Huyện Hòa Thành, Tỉnh Tây Ninh Bảng 5.1 Kết phân tích nước thải sau giai đoạn xử lý điển hình Lần lấy Đầu Hiếu Hồ sinh Điều hòa Kỵ khí mẫu vào khí học N tổng (mg/L) 48,3 40,8 41,5 33,04 28,3 32,4 31,7 28,6 24,6 20,3 49,3 41,6 38,9 29,8 25,5 48,8 40,8 39,3 25,8 19,1 P tổng(mg/L) 4,2 4,3 4,1 3,2 1,6 3,9 2,2 2,1 1,07 0,67 5,6 4,3 4,1 2,8 1,05 4,2 4,38 4,2 2,01 0,9 COD(mg/L) 6614 6115 536 90 61 6928 6216 385 97 59 6135 6248 483 76 73 6768 6232 224 82 62 21 Bảng 5.2 Kết phân tích nước thải sau xử lý TT Chỉ tiêu Đơn vị Kết phân tích M1 M2 M3 Hộ Nguyễn Thanh Tân QCVN 24: 2009/BTNMT (cột B) pH - 7,36 7,40 7,28 5,5 – 9,0 COD mg/L 92 82 59 80 BOD5 SS Tổng N Tổng P CN- mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L 40 52 22,9 0,67 0,14 37 46 20,7 0,46 0,11 21 28 20,2 0,52 0,09 50 100 30 0,1 Kết phân tích cho thấy, hầu hết tiêu sau hệ thống Hybrid ñều ñạt QCVN 24: 2009/BTNMT (cột B) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận án ñã nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột mì cơng nghệ sinh học hybrid kỵ khí USBF sinh học hybrid hiếu khí Bio sludge ñiều kiện PTN ứng dụng thực tế quy mô nhỏ công suất 100 m3/ngày Kết nghiên cứu chứng minh tính hiệu công nghệ kết hợp so với công nghệ vận hành riêng lẻ, với nhiều ưu ñiểm bật Số liệu nghiên cứu xác định: Cơng đoạn khử CN- ban đầu mơ hình axit hóa xử lý 70% CN- nồng ñộ CN- < 50 mg/L; 30% CN- với nồng ñộ CNban ñầu khoảng 50 – 75 mg/L Mơ hình hybrid kỵ khí USBF khơng bị ảnh hưởng độc tính CNnếu nồng độ CN- đầu vào thấp 50 mg/L, tương ứng hiệu khử COD CN- 96,3% 92,7% Khi tăng nồng ñộ CN- ñầu vào lên 75 mg/l, hệ vi sinh hoạt ñộng kém, dẫn ñến hiệu xử lý COD CN- giảm 72,7% 48 % Kết nghiên cứu ñã xác ñịnh tỷ lệ vùng UASB/AnF = 1/2 phù hợp, tương ứng hiệu xử lý COD tồn mơ hình USBF 95,7% Trong đó, vùng UASB xử lý 60-90% COD, vùng lọc kỵ khí 3,13-21,6% COD tải trọng phù hợp 3- kg COD/m3/ngày 22 Các giá trị pH; VFA, ñộ kiềm, N dạng thay ñổi theo tải trọng chiều cao cột Sự biến ñộng thơng số theo quy luật tương thích lẫn nhau, ñiển hình pH tăng ñộ kiềm tăng kèm theo NH3 tăng, riêng VFA tăng giai ñoạn ñầu (axit hóa) sau ñó giảm giai ñoạn sau (metan hóa) Amonia ln tăng mơ hình USBF q trình chuyển hóa protein, N hữu CN- thành amonia Lượng khí sinh học mơ hình USBF thu hồi cao dao ñộng từ 0,25 – 0,36 m3CH4/kg COD phân hủy Trong thành phần khí sinh học, khoảng 65 – 71% metan Tải trọng vận hành tối ưu cho mơ hình USBF dao động từ – kg COD/(m3.ngày), tương ứng thời gian lưu nước – ngày Các thơng số động học cho mơ hình USBF, tối ưu theo mơ hình Stover Kincannon (Umax) 67.57 g/L ngày KB 68.63 g/L ngày Mơ hình hybrid hiếu khí Bio sludge xử lý COD, N ñạt 98%; 90%, cao so với mơ hình bùn hoạt tính lọc sinh học riêng lẻ nhờ mật độ vi sinh vật dày ñặc tốn nhiều chủng vi sinh: kỵ khí, tùy nghi hiếu khí hệ thống So sánh loại vật liệu lọc thơng thường xơ dừa thể tính ưu việt đặc tính kỹ thuật tính kinh tế Với mật độ xơ dừa thấp: kg /m3 thể tích bể; hiệu xử lý COD; N; P ñạt 98%; 90%; 60 – 81,5%; cao so với loại vật liệu lọc ñược khảo sát Xơ dừa bố trí cố định, phân bố mỏng, rời rạc không bị tắt nghẽn tạo môi trường thuận lợi cho màng sinh học phát triển tốt Kết nghiên cứu xác ñịnh khối lượng xơ dừa cho phép (3kg/m3) nhỏ lần so với nghiên cứu trước (25kg/m3) Mơ hình sinh học hybrid có ưu ñiểm hàm lượng sinh khối lớn khả tiếp xúc chất tốt nên khả phân hủy hàm lượng hữu cao so với hệ thống sinh học riêng biệt (bùn hoạt tính lọc sinh học) Vi sinh vật hệ hybrid bio sludge thích nghi tăng trưởng với tỷ lệ MLVSS/MLSS = 0,66 – 0,7 Sinh khối hệ hybrid cao Trong vùng bùn hoạt tính, hàm lượng sinh khối dao ñộng từ 1.000 – 5.550 mg/L; vùng lọc sinh học 5.100 – 7.000 mg/L; toàn hệ thống 2.100 – 6.000 mg/L Ở tải trọng hữu 0,7; 1,5 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất xử lý COD cao, xấp xỉ 94% Tương ứng, hiệu xử lý TKN, P – tổng cao 67,5% 69,7% Tải trọng phù hợp cho mô hình sinh học Bio sludge kg COD/m3.ngày Mơ hình Stover Kincannon xác định Umax 20 g/L/ngày KB 22,58 g/L/ngày So sánh kết hai mơ hình Monod Stover Kincannon xác định hệ số 23 tương quan R2 mơ hình Stover Kincannon (R2 = 0,999) cao mơ hình Monod (R2 = 0,9771) Hệ hybrid kỵ khí kết hợp hiếu khí, hệ số tuần hồn α= (nước sau xử lý tuần hồn bể sinh học kỵ khí) cho phép xử lý nước thải ñạt tiêu chuẩn nước thải loại B Đề tài triển khai cơng nghệ hybrid kết hợp kỵ khí, hiếu khí hồ sinh học cho hộ sản xuất tinh bột mì có cơng suất 25-100 m3/ngày Kết thực tế ñã chứng minh, hệ sinh học kết hợp hybrid kỵ khí hiếu khí xử lý hiệu COD (trên 97%), N (trên 90%) P (trên 75%) Nước sau xử lý ñạt giá trị quy ñịnh theo QCVN 24:2009/BTNMT, cột B KIẾN NGHỊ • Nghiên cứu chuyên sâu chế chuyển hóa sản phẩm trung gian thành phần vi khuẩn diện mơ hình USBF Bio Sludge • Phát triển mơ hình động học phù hợp cho hệ sinh học hybrid xử lý N, P số loại nước thải ô nhiễm hữu dinh dưỡng cao • Phát triển mơ hình hybrid kỵ khí kết hợp MBR, bùn hạt số loại nước thải ô nhiễm hữu cao với mục tiêu gia tăng tải trọng vận hành thu hồi khí sinh học DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Các cơng trình nghiên cứu khoa học Nghiên cứu, ñề xuất giải pháp áp dụng công nghệ sản xuất cho hộ sản xuất tinh bột sắn xã Hoài Hảo, Huyện Hồi Nhơn, đề tài cấp tỉnh, nghiệm thu (2008) Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì cơng nghệ hybrid, đề xuất phương án xử lý thích hợp cho sở sản xuất quy mơ cơng nghiệp hộ gia đình Đề tài cấp bộ, ñã nghiệm thu (2009) Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì cơng nghệ Hybrid, ñề xuất phương án xử lý thích hợp cho sở sản xuất quy mô công nghiệp hộ gia đình, đề tài cấp trường, Đại Học Bách Khoa TP.HCM, ñã nghiệm thu (2007) Giải ba hội thi sáng tạo khoa học kỹ thuật tỉnh Bình Dương năm 2005 (Xử lý nước thải tinh bột mì quy mơ hộ gia đình) 24 Bài báo cơng bố Nguyễn Thị Thanh Phượng, Nguyễn Văn Phước, Thiệu Cẩm Anh, 2010 Nghiên cứu ñánh giá hiệu xử lý nước thài tinh bột mì cơng nghệ lọc sinh học hiếu khí loại vật liệu lọc khác Tạp chí phát triển khoa học cơng nghệ ĐHQG TP.HCM Tập 13, số M2, trang 54-66 2010 Nguyễn Thị Thanh Phượng, Nguyễn Văn Phước, Lê Thị Thu, 2009 Xử lý nước thải tinh bột mì cơng nghệ hybrid (lọc sinh học – aerotank) Tạp chí phát triển khoa học công nghệ ĐHQG TP.HCM.2009 Tập 12, số 2, trang 29 – 38 Nguyen Van Phuoc, Nguyen Thi Thanh Phuong, 2006 Tapioca processing wastewater in handicraft scale of Binh Dinh province Aser Symposium – nd, Meisei University – Japan 2006 Nguyen Thi Thanh Phuong, Nguyen Van Phuoc, Truong Thi Bich Hong, 2009 Aerobic granular sludge process in sequencing batch airlift reactor International Conference on chemistry, biology and environment, CBEE Singapore 2009 Nguyen Van Phuoc, Nguyen Thi Thanh Phuong, Vo Thi Thu Giang, 2008 Application USBF System And USBFF Systems For Tapioca Wastewater Treatment 1st VNU - HCM International Conference for Environment and Natural Resources ICENR 2008 Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Thị Thanh Phượng, 2005 Ứng dụng công nghệ Lai Hợp (hybrid) xử lý nước thải Hội thảo quốc gia “Phát triển bền vững thành phố xanh lưu vực sông” 2005 Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Thị Thanh Phượng, Đặng Vũ Bích Hạnh, Lê Ngọc Tân, 2005 Kết triển khai công nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột khoai mì Hội thảo “Các giải pháp bảo vệ môi trường công nghiệp ñô thị Việt Nam”, Bộ Giáo dục Đào tạo Trang 238-245 2005 Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Thị Thanh Phượng, 2006 Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột mì cơng nghệ sinh học SNAP Kỷ yếu hội nghị công nghệ lần – Phân ban Môi trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên.2006 25 ... cơng nghệ Hybrid kỵ khí hybrid hiếu khí • Đề xuất công nghệ phù hợp cho xử lý nước thải tinh bột mì ứng dụng triển khai thực tế NỘI DUNG ĐỀ TÀI Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì cơng nghệ sinh. .. thải CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ VÀ CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ 1.1 TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ VÀ CƠNG NGHỆ XỬ LÝ Tinh bột mì thực phẩm cho 500 triệu người Thế... với hệ hybrid hiếu khí • Đề xuất quy trình xử lý nước thải phù hợp theo công nghệ sinh học hybrid với chi phí đầu tư vận hành thấp PHƯƠNG PHÁP LUẬN Các công nghệ xử lý nước thải hữu xử lý phần