Ở phần trước chúng ta đã xem qua Chương 1 của bộ tài liệu xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí, hôm nay chúng tôi xin giới thiệu đén các bạn Chương 2: nghiên cứu và ứng dụng của bể UASB. Xem Chương 1 tại đây: https://maybomnuoc99.com/xu-ly-nuoc-thai-bang-phuong-phap-sinh-hoc-ky-khi-be-uasb/
Chương 2. NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỂ UASB
1 Các nghiên cứu
1.1 Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột khoai mì bằng mô hình UASB
Năm 2005, Với mục tiêu đánh giá khả năng xử lý chất hữu cơ trong trường hợp xử lý nước thải sản xuất tinh bột khoai mì bằng mô hình UASB. Bên cạnh đó cũng đánh giá hiệu quả xử lý khi tăng dần tải trọng hữu cơ, khả năng chịu sốc tải trọng và ảnh hưởng của nồng độ chất dinh dưỡng và vi lượng lên hiệu quả xử lý nhóm nghiên cứu H.N.P.Mai – L.N.Thái – T.T.T.Trang – N.T.Việt – (Khoa Công Nghệ & Quản Lý Môi Trường – Đại Học Văn Lang) G.Lettinga (Khoa Công Nghệ Môi Trường – Đại Học Wageningen – Hà Lan) đã thực hiện đề tài xử lý nước thải sản xuất tinh bột khoai mì bằng UASB và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Đề tài được thực hiện với 2 mô hình là mô hình dạng mẻ và mô hình dạng liên tục.
Đầu tiên mô hình dạng mẻ được dùng để xác định hoạt tính methane của bùn (specific methanogenic activity of sludge). Mô hình được sử dụng là chai serum có dung tích tổng cộng là 1.250 ml và dung tích sử dụng là 1.000 ml (Việt, 1999). Mô hình được bắt đầu với 1.000 ml dung dịch có hàm lượng VFA tương đương COD xấp xỉ 2.600 mg/L, dung dịch này có bổ sung dinh dưỡng và vi lượng đảm bảo cho sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật. Vi sinh vật sử dụng trong thí nghiệm với hàm lượng là 3g VSS/L. Sau đó chai serum được đậy kín bằng nắp cao su để bảo đảm điều kiện kị khí. Một ống nhựa được nối từ chai serum đến chai chứa dung dịch NaOH 10%, mục đích để loại khí CO2 và khí H2S. Khí methane được xác định từ thể tích hoặc khối lượng của NaOH thu được.
Mô hình thứ 2 là mô hình liên tục dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ lên hiệu quả xử lý. Đây là loại mô hình kị khí có dòng chảy ngược có tên gọi là UASB. Mô hình được chế tạo từ thủy tinh hữu cơ có dung tích là 2,10 L với đường kính trong là 50 mm, chiều cao 1.000 mm. Nước thải được bơm vào mô hình bằng bơm định lượng OBL (Watson Marlow 501U/R) đi từ dưới lên trên. Đáy của thiết bị có cấu tạo hình chóp để phân phối đều nước thải trên toàn bộ mặt cắt. Dọc theo chiều cao bể có bố trí các van lấy mẫu. Phía trên cùng của mô hình là phần tách khí, để tách rời các pha khí-rắn- lỏng. Ở đây, bùn sau khi tách khí sẽ lắng xuống đáy của bể phản ứng, nước sẽ đi theo ống dẫn qua máng thu rồi đi ra ngoài thùng chứa, phần khí sinh ra sẽ đi theo một ống dẫn qua bình đựng dung dịch NaOH 10% để loại bỏ CO2 và H2S sau đó sẽ dẫn tiếp đến đồng hồ đo khí.
Nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm với thời gian lưu nước được chọn là 12 giờ và tải trọng chất hữu cơ ban đầu được chọn là 3 kgCOD/m3.ngđ. Như vậy nước thải sẽ được pha loãng với nước máy để có nồng độ COD khoảng 1.500 mg/L. Sau khi điều chỉnh pH đến thích hợp từ 6,8 – 7,0, bổ sung chất dinh dưỡng và vi lượng, nước thải được máy bơm chìm nước thải bơm liên tục vào mô hình.Thí nghiệm sẽ tiếp tục cho đến khi hiệu quả xử lý chất hữu cơ tại tải trọng đó đạt giá trị ổn định hoặc hiệu quả đạt xấp xỉ 80-90%, thì tiếp tục tăng tải trọng lên cao hơn bằng cách tăng nồng độ COD đầu vào Các tải trọng được tăng lần lượt trong nghiên cứu này là: 3 – 6 – 10 – 15 – 20 – 30 – 40 – 60 – 100 kgCOD/m3.ngđ.
Nước thải tách tinh bột từ quá trình chế biến tinh bột khoai mì có nồng độ chất hữu cơ cao, chủ yếu là các hợp chất có khả năng phân hủy sinh học nên đây là nguồn có khả năng gây ô nhiễm nặng cho môi trường xung quanh nếu không được xử lý.
Nước thải sản xuất tinh bột khoai mì được thải ra chủ yếu từ giai đoạn rửa củ và tách tinh bột. Tuy nhiên nước thải xả ra từ giai đoạn rửa củ có pH từ 5,0-5,6, hàm lượng SS (chất rắn lơ lửng) cao, dao động từ 220 đến 3.389 mg/L, ngoài ra hàm lượng chất hữu cơ tương đối thấp, COD dao động từ 324 đến 519 mg/L. Dựa vào tính chất của nước thải và đưa ra phương pháp xử lý dùng sinh học kị khí (UASB) để làm giảm nồng độ chất hữu cơ là hoàn toàn hợp lý.
1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ muối đến hiệu quả xử lý nước thải từ quy trình sản xuất nước tương bằng công nghệ UASB
Năm 2006, Lê Thị Tuyết Mai, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ muối đến hiệu quả xử lý nước thải từ quy trình sản xuất nước tương bằng công nghệ UASB.
Nghiên cứu được thực hiện trong 4 tháng và chia thành 2 phần. Phần thứ nhất là nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sản xuất nước tương bằng phương pháp UASB trên môi trường thử nghiệm thông qua việc khảo sát khả năng khử COD trong nước thải ở ba nồng độ là 1000-1500-2000 mg/l và không kiểm soát nồng độ muối. Phần thứ hai là nghiên cứu nồng độ muối đến quá trình xử lý nước thải của cột UASB với nồng độ COD là 2000mg/l. Nồng độ muối đầu vào được kiểm soát lần lượt là 0,5%, 0,7%, 0,9%.
Phần thứ nhất được chia thành 3 giai đoạn nhỏ tương ứng với 3 nồng độ COD đầu vào là 1000-1500-2000 mg/l. Ở giai đoạn 1, với nồng độ COD đầu vào là 1000mg/l, do vi sinh vật chưa đủ thời gian thích nghi nên kết quả xử lý cho thấy hiệu quả xử lý không cao.
Sau thời gian thích nghi, hiệu quả xử lý được cải thiện hơn. Ở giai đoạn 2, khi bắt đầu có sự thay đổi nồng độ COD đầu vào thì hiệu quả xử lý giảm. Sau giai đoạn thích nghi, dần đi vào ổn định, thì hiệu quả xử lý cũng tăng dần. Ở giai đoạn 3, hiệu quả xử lý giảm dần do nồng độ muối tương đối cao (1,18%) , khả năng tải của bể UASB bị giảm rõ rệt và được đánh giá là gần như xử lý không hiệu quả.
Phần thứ hai của nghiên cứu, độ muối được kiểm soát để đánh giá khả năng xử lý bể UASB với nồng độ COD đầu vào là 2000 mg/l. Ở nồng độ muối 0,5% và 0,7%, cũng với nồng độ COD là 2000mg/l nhưng hiệu quả xử lý của bể UASB khá cao. Nhưng ở nồng độ muối 0,9%, thì hiệu quả xử lý giảm xuống, do nồng độ muối vượt qua ngưỡng muối sinh lý làm ức chế vi sinh trong bể.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, nồng độ muối có ảnh hưởng đến khả năng xử lý của bể UASB. Nếu nồng độ muối thấp hơn ngưỡng muối sinh lý (0,85%) thì việc xử lý nước thải từ quá trình sản xuất nước tương bằng bể UASB thì hiệu suất xứ lý tương đối cao, khoảng 70-84%. Ngược lại nếu nồng độ muối lớn thì sẽ gây chết vi sinh vật, từ đó làm giảm khả năng xử lý.
Quy trình công nghệ xử lý nước thải khu công nghiệp Sóng Thần 2
1.3 Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường trong điều kiện Việt Nam
Năm 2010, Với mục tiêu làm rõ khả năng ứng dụng bể UASB trong xử lý nước thải công nghiệp đường trong điều kiện Việt Nam và xác định các thông số kỹ thuật cần thiết cho việc tính toán thiết kế và vận hành bể thì nhóm nguyên cứu PGS.TS Lều Thọ Bách, KS. Phạm Văn Định, Đại học Xây dựng, ThS. Lê Hạnh Chi,Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã thực hiện nguyên cứu xử lý nước thải công nghiệp đường bằng công nghệ sinh học kị khí UASB.
Mô hình áp dụng trong nguyên cứu của bể UASB có hình trụ tròn, cấu tạo bởi hai lớp vỏ nhựa thuỷ tinh (acrylic glass). Kích thước phần trong của bể gồm: chiều cao 1,18m, dung tích 12,5l, trong đó khoang phân huỷ 7,5 l (R=10cm, h= 100cm ), khoang lắng 5,0 l (R= 20cm, h=18cm). Phần ngoài liên kết với hệ thống cấp và tuần hoàn nước nóng đảm bảo ổn định nhiệt độ bên trong bể theo yêu cầu nghiên cứu. Nước thải được bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4oC và được bơm vào từ đáy bể UASB. Để nghiên cứu về sự phân bố nồng độ chất bẩn và sự thay đổi các đặc tính của bùn trong bể, dọc theo chiều cao bể có bố trí các vòi lấy mẫu (SP-1~SP-5). Tại khoang lắng có bố trí thiết bị (TB) tách các pha Khí-Rắn-Lỏng hình phễu đảm bảo thu hồi toàn bộ lượng khí sinh học sinh ra trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, đồng thời các hạt bùn sẽ quay trở lại khoang phân huỷ nhờ tác dụng của trọng lực. Nước sau xử lý thoát ra qua cửa xả bố trí phía trên của bể. Bùn gốc dùng trong nghiên cứu là loại bùn hạt lấy từ bể UASB đang vận hành xử lý nước thải công nghiệp bia với các đặc tính: MLSS 78,5 g/L, VSS 69,4 g/L, cỡ hạt 1~3mm.Thành phần của hỗn hợp nước thải nhân tạolà loại nước thải có nồng độ BOD và COD cao, ở mức độ 10 – 50 g/L, tỷ lệ BOD/COD khoảng 0,75 – 0,9. Trong loại nước thải này, thành phần gây ô nhiễm chủ yếu là cacbon hữu cơ dưới dạng sucrose (C12H22O11), glucose (C6H12O6)…
Nghiên cứu cho thấy hỗn hợp nước thải đường nhân tạo có nồng độ cacbon hữu cơ (TOC) cao, vận hành liên tục với thời gian 440 ngày trong điều kiện ổn định nhiệt độ tại 370C. Hiệu quả xử lý của bể UASB đạt 80~98% tương ứng với giới hạn về tải lượng hữu cơ là 16 g-TOC/l.ngđ. Lượng chất hữu cơ phân hủy tính theo TOC được chuyển hóa thành: khí sinh học với thành phần CO2 ~ 46%, CH4 ~ 49% và sinh khối ~ 5%.
1.4 Nghiên cứu xử lí nước thải giết mổ lợn và gia xúc với hàm lượng dầu mỡ cao
Năm 2006, Nước thải chứa hàm lượng dầu mở cao là vấn đề đau đầu cho các nhà môi trường hiện nay, từ đó Trung tâm Công nghệ sinh học, Khoa sinh lí , Đại học liên bang Rio Grande do Sul; Viện nghiên cứu thủy lực, Đại học liên bang Rio Grande do Sul; Viện công nghệ sinh học, Đại học liên bang Caxias do Sul đã cùng nhau nghiên cứu đề tài a full-scale uasb reactor for treatment of pig and cattle slaughterhouse wastewater with a high oil and grease content có thể dịch là Hệ thống UASB xử lí nước thải giết mổ lợn và gia xúc với hàm lượng dầu mở cao).
Trong số các kỹ thuật ứng dụng công nghệ sinh học trong công tác giảm thiểu ô nhiễm môi trường, kỹ thuật xử lí sinh học kị khí là một phương pháp có nhiều ưu điểm nhờ tính kinh tế trong cả giai đoạn đầu tư và vận hành thiết bị, đồng thời lại là phương pháp có khả năng thu hồi năng lượng từ sinh khối so với các kỹ thuật khác. Mặc dầu vậy đối với chất thải chứa hàm lượng dầu mở cao việc ứng dụng kỹ thuật phân hủy kị khí lại không hề đơn giản và dễ dàng bởi vì các vi sinh vật sinh trưởng kị khí rất nhạy cảm với điều kiện môi trường chứa nhiều chất béo cũng như với chính các sản phẩn trung gian của quá trình phân hủy chúng. Tại Brazil vào nhứng năm 2005, ngành chăn nuôi gia súc gia cầm phát triển mạnh đòi hỏi các nhà khoa học phải cố gắng nghiên cứu mọi cách để sử dụng chất thải của một ngành nghề này làm nguyên liệu cho một ngành khác để tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và thu hồi năng lượng một cách hiệu quả nhất đó chính là sử dụng chính chất thải từ các bể mổ lợn và gia súc để sản xuất Biogas. Trong đó có một nghiên cứu điểm hình “ Sử dụng hệ thống UASB để xử lí nước thải giết mổ lợn và gia suc với hàm lượng dầu mở cao tại nhà máy PRENDA S/A và bể mổ GENOTOX ” – 9/5/2015 của các nhà kha học mang tên LAS Miranda; RAP Henriques ; LO Monteggia đến từ Đại học liên bang Rio Grande do Sul, và các nhà khoa học từ viện công nghệ sinh học Đại học liên bang Caxias do Sul tại Brazin.
Nghiên cứu của họ được tiến hành như sau: Nước thải thô được lấy mẫu từ thứ 2 đến thứ 6. Bắt đầu từ 2 giờ sáng mỗi ngày, mỗi lần lấy mẫu trong ngày cách nhau 4 tiếng và kết thúc vào 6 giờ chiều. Các mẫu sau đó được trộn lẫn vào nhau để tạo thành một mẫu lớn với thể tích 1 lít. Nhiệt độ mẫu trung bình 28◦C độ màu 1800-3000mg/L Pt-Co, độ đục 780-1200 NTU, Hàm lượng dầu mở 413-645 m/Lít , COD 2030-3350 mg/L. Sau đó nước thải thô được đi đến quá trình tiền xử lí được đi qua sàn lọc để loại bỏ cặn lắng sau đó được đưa đến bể thể tích 900m3. Cặn rắn từ quá trình lọc sẽ trở thành phân bón cho Nông nghiệp. Tiếp đến nước thải được đi qua bể hóa lí để triệt tiêu một hàm lượng dầu mở bằng phương pháp tạo bông – keo tụ rồi cho chảy tới bể cân bằng. Tại đây nước thải được cân bằng ở nhiệt độ 25◦C, pH = 6,7 – 7,2 duy trì bằng cách thêm NaOH 40% . Cuối cùng , nước thải cân bằng được đưa vào hệ thống UASB với công suất 800m3 ( đường kính trong 9,4m; chiều cao 11,6m. Thời gian lưu trử 16-27 giờ).
Kết quả sau 660 ngày họ thu được Tỉ lệ giữa COD/ hàm lượng dầu mở = 10%. Tỉ lệ loại bỏ dầu mở và COD lần lượt đạt 92% và 70% . Hàm lượng COD trung bình ≤ 360mg/Lít. Việc sử lí nước thải có hàm lượng dầu mở đạt hiệu quả cao nhờ quá trình tiền xử lí bằng phương pháp hóa lí trước khi cho vào hệ thống UASB . Tránh hiện tượng Ức chế vi khuẩn do LCFA, chủ yếu là vi khuẩn tạo khí metan và vi khuẩn aceta và hấp thụ quá mức LCFA vào các hạt bùn, gây ra hiện tượng tạo màn lipid xung quanh các hạt sinh khối làm giảm khả năng xử lí của vi sinh vật kị khí trong hệ thống .
1.5 Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm giàu protein và chất béo bằng bể phản ứng kị khí tuần hoàn ngược UASB
Năm 2013, Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm giàu protein và chất béo bằng bể phản ứng kị khí tuần hoàn ngược UASB đa giai đoạn ưa nhiệt bởi một nhóm nhà khoa học thuộc bộ phận kỹ thuật môi trường của trường kỹ thuật Nagaoka, tại Nhật Bản.
Đây là một thí nghiệm được tiến hành trong thời gian 600 ngày. Thí nghiệm được thực hiện tại nhà máy sản xuất bánh đậu từ hạt đỗ tương. Nhằm tìm hiểu và kiểm tra hiệu quả xử lý của bể phản ứng UASB nhiều ngăn đối với nước thải của quá trình sản xuất thực phẩm có nồng độ lipid và protein cao.
Bể phản ứng UASB được hoạt động ở nhiệt độ 550C trong thời gian 600 ngày, được chia làm 4 giai đoạn.Giai đoạn 1: từ ngày 1 đến ngày 75; Giai đoạn 2: từ ngày 76 đến ngày 165; Giai đoạn 3: từ ngày 166 đến ngày 400; Giai đoạn 4: từ ngày 401 đến ngày 600.
Kết quả cho thấy trong giai đoạn thứ nhất, tải trọng COD đầu vào tương đối thấp (từ 2 đến 12kg COD/m3/ngày) nhưng hiệu quả xử lý vẫn chưa đạt yêu cầu. Vì vậy nước đầu ra của bể phản ứng UASB được pha loãng với nước thải trực tiếp từ nhà máy và hoàn lưu trở lại thành nguyên liệu đầu vào của bể phản ứng. Trong suốt giai đoạn thứ nhất, bùn được nuôi dưỡng đây là quá trình khởi động của bể phản ứng UASB nhiều bậc.
Trong giai đoạn thứ hai, thay vì dùng nước đầu ra của bể phản ứng MS-UASB để pha loãng, nước được dùng để pha loãng nước thải. Kết quả, tải trọng COD đã có thể tăng đến 25kg COD/m3/ngày với hiệu suất xử lý COD lên ngày đến 90%.
Đến giai đoạn thứ ba, nước đầu ra của bể MS-UASB lại tiếp tục được hòan lưu trở lại bồn khuấy trộn, giống như giai đoạn thứ nhất. Hiệu quả xử lý COD giảm đi trầm trọng, từ 80% đến 37%. Nguyên nhân là do sự hình thành lớp váng mỏng trong bồn khuấy trộn và lớp bùn, gây cảng trở sự tiếp xúc giữa lớp bùn và nước thải. Sự có mặt của ion Mg2+ và ion Ca2+ trong nước thải kết hợp với protein và lipid còn lại trong nước đầu ra của bể phản ứng UASB-MS là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này.
Để khắc phục tình trạng hình thành lớp váng mỏng, người ta đã ngừng việc hoàn lưu nước đầu ra từ bể phản ứng UASB-MS trở lại bồn khuấy trộn, thay vào đó nước thải được pha loãng với nước. Kết quả đạt được là quy trình đã đi vào ổn định, tải trọng COD tăng lên 50kg COD/m3/ngày với hiệu suất xử lý COD lên đến 90% đối với dòng nước thải được lọc và 60-70% đối với nước thải không lọc, thời gian lưu nước được chấp nhận là 3,4 giờ và nồng độ COD là 7000 mg/l.
Từ nghiên cứu này, có thể dễ dàng nhận thấy rằng việc dùng nước đầu ra từ bể phản ứng UASB-MS để pha loãng nước thải và hoàn lưu trở lại bể phản ứng là không hiệu quả. Dùng nước để pha loãng nhằm đạt được nồng độ hàm lượng hữu cơ thích hợp trong nước thải cho bể phản ứng UASB-MS hoạt động là phương pháp tối ưu.
1.6 Nghiên cứu sản xuất biogas từ nước thải sắn
Vào ngày 12/06/2018, các nhà khoa học Achiraya Jiraprasertwong, Kiatchai Maitriwong, Sumaeth Chavadej Trong số các kỹ thuật ứng dụng công nghệ sinh học trong công tác giảm thiểu ô nhiễm môi trường, kỹ thuật xử lí sinh học kị khí là một phương pháp có nhiều ưu điểm nhờ tính kinh tế trong cả giai đoạn đầu tư và vận hành thiết bị, đồng thời lại là phương pháp có khả năng thu hồi năng lượng từ sinh khối so với các kỹ thuật khác. nghiên cứu về đề tài sản xuất biogas từ nước thải sắn từ công ty TNHH Công nghiệp Bột sắn Banpong, Ratchaburi Thailand bằng bể kị khí 3 tầng UASB.
Trong nghiên cứu này, nước thải sắn được lấy từ Công ty TNHH Công nghiệp Bột sắn Banpong, Ratchaburi, Thái Lan và có giá trị COD trong khoảng 18.000-20.000 mg/L và COD: nitơ: phốt pho (COD: N: P) tỷ lệ 100: 2,02: 0,54, chỉ ra rằng nước thải sắn có đủ chất dinh dưỡng. Nước thải sắn được sàng lọc để loại bỏ các hạt rắn lớn và giữ ở 4°C cho đến khi sử dụng.
Bùn vi khuẩn lấy từ các đơn vị UASB xử lý nước thải ethanol của công ty Sapthip tại Lopburi, Thái Lan đã được sử dụng làm bùn hạt và được thêm vào mỗi bể phản ứng sinh học để có nồng độ vi sinh ban đầu là 22.000 mg/L.
Thiết lập thử nghiệm cho hệ thống UASB ba tầng là tất cả ba bể phản ứng sinh học được chế tạo từ thủy tinh borosilicate với một lớp ở ngoài như chiếc áo khoác nước và được bọc bằng tấm cao su để ức chế hoạt tính quang hợp của vi khuẩn và tảo. Khối lượng giữ chất lỏng là 4, 10 và 24 L cho các bể phản ứng sinh học đầu tiên, thứ hai và thứ ba tương ứng, và mỗi bể phản ứng sinh học có một khoảng trống khoảng 1, 1,5, và 5L tương ứng. Nước thải sắn được đưa vào hệ thống UASB ba tầng với lưu lượng không đổi bằng máy bơm nhu động, với tốc độ được thiết lập để đạt được tốc độ tải COD mong muốn. Nước thải của bể phản ứng sinh học đầu tiên được đưa đến bể phản ứng sinh học thứ hai bằng cách sử dụng một bơm nhu động với một đầu dò mức và tương tự nước thải bể phản ứng sinh học thứ hai được đưa vào bể phản ứng sinh học thứ ba. Hệ thống được vận hành ở nhiệt độ (37 ± 1°C) bằng cách sử dụng một bồn nước nóng tuần hoàn để chảy qua áo nước của ba bể phản ứng sinh học. Độ pH của bể phản ứng sinh học đầu tiên được duy trì ở mức 5,5 bởi bộ điều khiển pH với đầu dò pH tại bể chứa nước thải sinh học đầu tiên và bơm định lượng hóa chất để bơm dung dịch NaOH 4% vào nước thải cuối cùng. Để giảm thiểu mức tiêu thụ NaOH điều chỉnh pH của bể phản ứng sinh học đầu tiên, nước thải cuối cùng được tái chế cho cả hai bể phản ứng sinh học đầu tiên và thứ hai ở cùng một nguồn cấp: lưu lượng nước thải cuối cùng tỷ lệ 1:1.
Đối với bất kỳ tốc độ tải COD liên tục nào, hệ thống được vận hành để đạt trạng thái ổn định trước khi lấy mẫu khí thải và sản xuất của cả ba bể phản ứng sinh học để phân tích và đo lường. Trạng thái ổn định là hợp lý khi cả giá trị COD nước thải và tốc độ sản xuất khí của mỗi bể phản ứng sinh học không thay đổi theo thời gian. Đối với mỗi tốc độ tải COD, hệ thống được vận hành trong khoảng 4 tuần để đạt được trạng thái ổn định.
Sau khi hệ thống UASB ba tầng đạt được trạng thái ổn định cho bất kỳ tốc độ tải COD nào, các mẫu nước thải từ tất cả các bể phản ứng sinh học được phân tích COD, pH, kiềm, tổng nồng độ VFA, thành phần VFA, hàm lượng nitơ, hàm lượng photpho và nồng độ vi chất dinh dưỡng (Fe, Ni, Mn, Co, Zn, Cu và Mo). Tổng tỷ lệ sản xuất khí của mỗi bể phản ứng sinh học được xác định bằng phương pháp dịch chuyển nước. Thành phần khí được sản xuất theo H2, CH4 và CO2 của mỗi đơn vị UASB được phân tích bằng máy sắc ký khí được kết nối với hai cột tuần tự của cột thép không gỉ và cột đóng gói phân tử. Nhiệt độ cột, kim phun và đầu dò được giữ ở mức 60, 150 và 200°C tương ứng ở 3 bể.
Các giá trị COD của mẫu nước thải được định lượng bằng phép đo oxy hóa và độ hấp thụ dicromat, như được mô tả trong Phương pháp chuẩn và phép đo độ hấp thụ được thực hiện bằng máy quang phổ (HACH, DR 3800). Số lượng và thành phần của VFA trong nước thải được phân tích bằng phép sắc ký lỏng hiệu suất cao với cột BIORAD HPX-87H và máy dò chỉ số khúc xạ với dung dịch 5mM H2SO 4 làm thiết bị di động pha ở 60°C và tốc độ dòng chảy là 0,6 mL/phút. Tất cả các mẫu được ly tâm và lọc qua bộ lọc 0,22 μm trước khi phân tích.
Sau khi hoạt động hoàn toàn trong bất kỳ tốc độ tải COD nào, toàn bộ chất lỏng trong mỗi bể phản ứng sinh học được thoát ra và trộn đều trước khi lấy mẫu để phân tích MLVSS được sử dụng để thể hiện nồng độ vi sinh vật. Việc đo lượng bùn thải được thực hiện dưới dạng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) của nước thải của cả ba bể phản ứng sinh học. Cả phân tích MLVSS và VSS đều tuân theo các phương pháp chuẩn.
Hàm lượng nitơ tổng được đo bằng phương pháp phân hủy persulfate, trong khi hàm lượng phospho tổng được đo bằng phương pháp molybdovanadate với phân hủy axit persulfat (Công ty HACH) sử dụng máy quang phổ (HACH, DR 3800). Tổng độ kiềm của bất kỳ nước thải hoặc mẫu thức ăn nào được xác định bằng cách chuẩn độ với H2SO 4 và tổng hàm lượng chất rắn (TS) được phân tích theo Phương pháp chuẩn. Nồng độ vi chất dinh dưỡng (Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Cu và Mo) và Na nồng độ trong nước thải và mẫu thức ăn được đo bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử bằng cách sử dụng dụng cụ Varian, SpectrAA 300.
Trong nghiên cứu này, một hệ thống UASB ba giai đoạn mới đã được phát triển và thử nghiệm với nước thải sắn cho sản xuất H 2 và CH 4 riêng biệt với trọng tâm sản xuất CH 4 tối đa . Hệ thống UASB ba giai đoạn nghiên cứu cho thấy tốc độ tải COD tối ưu rất cao là 15 kg / m 3 d cho tốc độ sản xuất khí tối đa với năng suất cao nhất cao hơn so với các quy trình kị khí đơn và hai giai đoạn khác. Tái chế của nước thải cuối cùng đã được tìm thấy để có thể duy trì các giá trị pH thích hợp của cả hai bể phản ứng sinh học đầu tiên và thứ hai với việc giảm thiểu việc sử dụng NaOH để điều chỉnh pH trong bể phản ứng sinh học đầu tiên. Hoạt tính sản xuất CH 4 cao với tỷ lệ sản xuất H 2 rất thấp kết quả từ bùn methanogenic tái chế từ bể phản ứng sinh học thứ ba đến bể phản ứng sinh học đầu tiên.
2 Các ứng dụng
2.1 Ứng dụng bể UASB trong xử lý nước nhà máy bia Sài Gòn
Nhà máy bia Sài Gòn – Hoàng Quỳnh thuộc tổng công ty bia Sài Gòn – Bình Tây bắt đầu đi vào hoạt động từ năm 2004.
Địa chỉ: Lô A73/I đường 7 KCN Vĩnh Lộc – xã Bình Hưng Hòa, huyện Bình Chánh, TPHCM.
Công suất hiện tại của nhà máy là 80.000.000 l/năm với 2 dây chuyền chiết chai công suất 13500 chai/h và 1 dây chuyền chiết lon công suất 11300 lon/h. Nhà máy bia Hoàng Quỳnh không sản xuất bia hơi.
Vấn đề môi trường lớn nhất trong nhà máy bia là lượng nước thải rất lớn chứa nhiều chất hữu cơ (tinh bột, xenluloza, các loại đường, axít, các hợp chất phốt pho, nitơ…), pH cao, nhiệt độ cao. Thành phần nước thải nhà máy bia vượt rất nhiều lần mức cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam, cần phải qua xử lý.
Lượng nước thải phụ thuộc vào lượng nước sử dụng trong sản xuất.
Tại Việt Nam, để sản xuất 1.000 lít bia, sẽ thải ra khoảng 2 kg chất rắn lơ lửng, 10 kg BOD5, pH dao động trong khoảng 5,8 – 8. Cá biệt, tại một số địa phương, hàm lượng chất ô nhiễm ở mức cao: BOD5 1700- 2700mg/l; COD 3500-4000mg/l, SS 250-350mg/l, PO43- 20-40mg/l, N- NH3 12-15mg/l. Ngoài ra, trong bã bia còn chứa một lượng lớn chất hữu cơ, khi lẫn vào nước thải sẽ gây ra ô nhiễm ở mức độ cao.
Nước thải nhà máy bia bao gồm:Nước thải vệ sinh các thiết bị; Nước thải từ công đoạn rửa chai, thanh trùng bia chai; Nước thải từ phòng thí nghiệm; Nước thải vệ sinh nhà xưởng; Nước thải sinh hoạt của công nhân nhà máy.
Đặc tính của nước thải bia:
Đặc tính nước thải của các nhà máy bia là giàu các hợp chất hữu cơ như tinh bột, xenluloza, các loại đường, axít, các hợp chất phốt pho, nitơ… Các chất này sẽ được oxi hoá bởi vi sinh vật, tạo ra sản phẩm cuối là CO2, H2O, NH3 và sản phẩm trung gian là rượu, aldehit, axit,.. Đây là nguồn gây ô nhiễm cao nếu thải trực tiếp ra môi trường.
Xử lý nước thải bia bằng phương pháp xử lý sinh học được áp dụng rọng rãi. Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình phát triển, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối chúng được tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxi hoá sinh hoá.
Thuyết minh dây chuyền công nghệ:
Nước thải sinh hoạt và nước thải từ các công đoạn sản xuất được tập trung về ngăn tách rác 3 lớp. Trong ngăn tách rác bố trí 3 tầng song chắn rác để loại bỏ các cặn, rác kích thước lớn. Rác giữ lại ở song chắn rác được thu gom thủ công và đem đi xử lý chung với rác sinh hoạt.
Sau đó nước thải được dẫn về bể gom nước thải và được bơm lên bể điều hòa và cân bằng pH. Sau đó, điều chỉnh pH nước thải phù hợp vào bể UASB. Bể UASB có chức năng phân hủy kị khí phần lớn chất hữu cơ trong nước thải (90%). Bủn cặn trong bể UASB được tập trung trong bể chứa bùn yếm khí. Nước thải sau khi phân hủy kị khí trong bể UASB được lắng tại bể lắng UASB. Nước từ bể lắng UASB qua bể trung gian rồi qua 3 bể Aerotank để xử lý hiếu khí triệt để chất hữu cơ trong nước thải. Cuối củng, nước thải qua bể khử trùng và ra ngoài. Bùn lắng tử bể lắng UASB và aerotank được xử lý bằng bể nén bùn và phân hủy bùn hiếu khí.
2.2 Ứng dụng bể UASB trong nhà máy chế biến thịt thực hiện tại Ba Lan
Năm 2011, Ứng dụng bể UASB trong nhà máy chế biến thịt được thực hiện tại nước Ba Lan. Đượ c th ực hiện bởi việ n k ỹ thu ật mô i trư ờn g và sin h viê n Đ ạ i học côn g n gh ệ C zes to ch owa Ba L an.
Ngành công nghệ thịt tạo ra một hàm lượng nước thải đặc trưng bởi một chất hữu cơ cao. Các hàm lượng chất rắn lơ lửng và chất dinh dưỡng cao . Các quá trình kị khí thu được và loại bỏ mức độ đáng kể các chất hữu cơ từ nước thải thô vì thế ứng dụng này được đề xuất.
Phương pháp thực hiện:
Nươc thải công nghiệp thịt thô và nước thải từ bể UASB được lấy mẫu định kì cho giá trị pH,độ kiềm, COD, BOD5, TOC, NH3, các axit béo dễ bay hơn (VFA) chiết xuất ether và phân tích clorua.
Xác định COD trên máy quang phổ HACH-DR4000, xác định nồng độ oxi hóa sinh hóa trong 5 ngày, độ kiềm và clorua được đo bằng phương pháp chuẩn, đo pH bằng đồng hồ Cole Parmer, NH3 vag VFA được xác định bằng phương pháp chưng cất, hàm lượng lipit (ether chiết xuất) được xác định bằng phương pháp chiết trực tiếp.
Kết quả:
Thời giam lưu nước là 6 ngày . Hiệu xuất loại bỏ COD và BOD lần lượt là 85% và 82%.
Rút ngắn thời gian lưu nước từ 6 ngày xuống 4 ngày COD tăng 0,27kg/m3 COD đến 0,4kg/m3.
Giảm xuống còn 3 ngày làm tăng COD đến 0,55kg/m3. Giảm xuống 2 ngày kết quả càng tồi tệ hơn.
Giá trị của NH3 nên được tăng dù các nghiên cứu đã báo cáo việc loại bỏ nó. Giải thích cho điều này có thể là sự hiện hiện của vi khuẩn màu tím không có lưu huỳnh phát triển trong bể. Đây là những vi sinh vật giảm giảm nito trong điều kiện yếm khí.
Các thông số được theo dõi trong quá trình lên men sản xuất biogas hàng ngày
Lượng biogas tỉ lệ nghịch với lời gian lưu nước, thời gian lưu nước trong 2 ngày thì lượng biogas sản xuất ra là lớn nhất, thời gian lưu nước 6 ngày làm giảm sự sản xuất biogas.
Kết luận:
Hiệu quả loại bỏ BOD và COD tối đa là 6 ngày.
Việc loại bỏ ô nhiễm hữu cơ giảm khi thời gian lưu nước rút ngắn. Sản xuất biogas giảm khi thời gian lưu nước tăng.
Biogas sinh ra trong quá trình lên men metan của nước thải từ nhà máy thịt đươc đặc trưng bởi hàm lượng khí metan cao.
Tuy nhiên nước đầu ra chất lượng vẫn kém do đó phải cần xử lý thêm bằng RO hoặc các công nghệ khác.
2.3 Ứng dụng bể UASB trong xử lý nước nhà máy đường Phụng Hiệp
Năm 2013, nhà máy đường Phụng Hiệp đã xem xét , thi thành mô hình xử lý nước thải sản xuất đường .
Nhà máy Đường Phụng Hiệp, là một đơn vị thành viên của Công ty Cổ phần Mía đường Cần Thơ, có diện tích mặt bằng tổng thể 101.942 m2. Thiết bị dây chuyền công nghệ Nhà máy do nước Cộng hòa Ấn Độ cung cấp, có công suất thiết kế 1.250 tấn mía/ngày.
Mặc dù Nhà máy góp phần không nhỏ vào sự phát triển kinh tế – xã hội của tỉnh Cần Thơ nhưng trong quá trình hoạt động, Nhà máy đã thải ra tổng lượng bã mía phát sinh là 780 tấn/ngày, trong đó lượng bã mía sử dụng đốt lò hơi là 650 tấn/ngày, 130 tấn/ngày còn lại cung cấp cho Công ty TNHH Honkawa Vina để chế biến thức ăn gia súc; Bã bùn: 135 tấn/ngày; Tro thải (Phát sinh từ lò hơi) khoảng 5,04 tấn/ngày; Tổng lượng nước thải là 256,4 m3/ngày; Chất thải nguy hại: 1.430,4 kg/năm.
Dòng thải sau khi qua song chắn rác (SCR) ở đầu mỗi cống thu chảy qua bể lắng cát được đặt âm sâu dưới đất, ở đây sẽ giữ lại cát và các chất rắn lơ lửng có kích thước lớn. Phần rác thải thu được có thể dùng để sản xuất giấy, phân bón… Nước thải sau khi lắng cát được bơm qua bể điều hòa, trước khi qua bể điều hòa, nước thải được bơm qua trống lọc, lưu lượng nước thải đầu ra sẽ được điều hòa ổn định. Nước thải được thổi khí để làm thoáng sơ bộ và phân bố chất bẩn đồng đều khắp bể. Sau đó tiếp tục bơm nước thải qua bể lắng 1 để loại bỏ một phần BOD5, COD và SS. Tiếp tục, nước thải tự chảy qua bể kị khí kiểu đệm bùn chảy ngược UASB để xử lý sơ bộ nhờ áp lực thủy tĩnh, vì nước thải mía đường có đặc trưng là COD đầu vào rất lớn (khoảng 2.000 – 3.000 mg/l). Sau khi xử lý yếm khí, đầu ra bể UASB là khí sinh học được thu giữ lại làm biogas.
Phần nước sau khi qua bể UASB đã được giảm tải lượng chất hữu cơ tự chảy qua aerotank để xử lý hiếu khí. Tại đây xảy ra quá trình xử lý sinh học, khí được thổi vào bể bằng các đĩa phân phối khí nhằm tăng cường sự xáo trộn chất bẩn và ôxy trong không khí đồng thời giữ cho bùn ở trạng thái lơ lửng. Sau thời gian lưu, nước từ aerotank tự chảy qua bể lắng 2 để lắng bùn. Tiếp theo, nước trong từ máng thu nước aerotank tự chảy qua bể lắng II, qua bể khử trùng bằng Clorine với dư lượng là 0,5 mg/l, sau đó thải ra nguồn tiếp nhận. Bùn từ bể lắng được đưa vào bể chứa bùn sau khi ổn định bùn được bơm tuần hoàn 1 phần vào bể aerotank, phần còn lại bơm qua bể nén bùn trọng lực và bơm qua máy ép bùn băng tải, bùn sau khi ra khỏi máy ép bùn băng tải tạo thành banh bùn được lấy đi bón ruộng, trồng cây, chế biến phân vi sinh. Chất lượng nước thải đầu ra phải đạt QCVN 40:2011/BTNMT-Cột A.
Đối với nước thải sau xử lý sẽ được sử dụng vào mục đích cung cấp cho lò hơi, giải nhiệt và tưới cây, góp phần hạn chế khai thác tài nguyên nước, tiết kiệm nguồn tài nguyên, hạn chế tác động xấu đến môi trường. Đối với khí sinh học (khí biogas) được thu hồi, tái sử dụng vào mục đích khác như: đun nấu, nhiên liệu để đốt lò hơi hoặc dùng cho việc chạy máy phát điện. Đây là nguồn năng lượng được tái tạo để sử dụng vào hoạt động sản xuất làm giảm chi phí, tăng lợi nhuận, BVMT và hướng đến phát triển bền vững.
