MỞ ĐẦU Thời kỳ công nghiệp hóa – hiện đại hóa kéo theo sự phát triển mạnh mẽ của các ngành nghề đã và đang giúp tình hình kinh tế đất nước cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên, để có được sự phát triển bền vững thì nhiệm vụ bảo vệ môi trường là không thể thiếu. Một trong những vấn đề môi trường đáng quan tâm hiện nay đó là nước thải, đặc biệt là nước thải giàu hữu cơ. Vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải giàu hữu cơ được quan tâm bởi tải lượng phát thải lớn và vấn đề cạn kiệt oxy trong nước khiến không chỉ làm chết các sinh vật, mất cân bằng sinh thái, mất cảnh quan mà còn tạo ra mùi hôi thối khó chịu.
Với đặc thù là một đất nước nông nghiệp, Việt Nam có rất nhiều ngành nghề phát sinh nước thải giàu hữu cơ như sản xuất mía đường, tinh bột sắn, tinh bột dong riềng, bún, bánh đa, bia, thịt hộp, chế biến thủy hải sản,… Trong số các phương pháp xử lý nước thải giàu hữu cơ, phổ biến nhất là phương pháp sinh học yếm khí. Trong bối cảnh các nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt, phương pháp xử lý yếm khí đang được ưu tiên hơn nhờ khả năng sinh khí metan (CH4) tạo năng lượng. Ở nhiệt độ 35oC, 1 g COD được xử lý bằng phương pháp yếm khí có thể sinh ra 0,4 lít CH4 [23], khi đốt hoàn toàn 1 m3 khí CH4 cho ra khoảng 5. Công nghệ xử lý yếm khí có từ giữa thế kỷ 20, nhưng hiệu suất xử lý còn thấp, thời gian xử lý dài.
Cho tới năm 1970, hệ UASB ra đời được xem là bước ngoặt thành công của công nghệ xử lý yếm khí với khả năng chịu tải lớn, hiệu suất xử lý cao trong thời gian ngắn [19]. Cho đến nay công nghệ xử lý nước thải giàu hữu cơ đã và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam quan tâm, nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau. Trong đó cũng có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố kim loại có trong nước thải đến hoạt động của hệ UASB. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ tập trung vào ảnh hưởng của các kim loại đến sự hình thành hạt bùn hoặc hiệu suất xử lý nước thông qua chỉ tiêu COD, mà chưa xem xét đến chất lượng khí 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com biogas sinh ra.
Khí biogas có chất lượng tốt khi % CH4 lớn, còn CO2 và H2S nhỏ. Nhược điểm lớn nhất khiến cản trở việc sử dụng khí biogas gây ra bởi H2S có mùi hôi thối, ảnh hưởng đến mắt và hô hấp và ăn mòn vật liệu. Trong các loại nước thải giàu hữu cơ, ion Ca2+ và Mg2+ là một trong những kim loại phổ biến nhất, thường xuất hiện với ở nồng độ đa lượng do phát sinh từ các hoạt động sản xuất hoặc điều chỉnh pH (tẩy màu, trung hòa, rửa thiết bị, rò rỉ, nước sử dụng có độ cứng cao,…). Bên cạnh đó, Cu2+ cũng là ion xuất hiện phổ biến, dù chỉ xuất hiện ở nồng độ thấp nhưng với tính chất là một kim loại nặng có khả năng tích tụ, dễ gây ảnh hưởng đến vi sinh vật trong bùn.
Do vậy, việc đánh giá ảnh hưởng của các kim loại phổ biến trong nước thải giàu hữu cơ này là cần thiết. Để đóng góp vào hướng nghiên cứu về công nghệ xử lý yếm khí - UASB góp phần tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường, luận văn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số kim loại đến hiệu suất xử lý nước thải giàu hữu cơ bằng hệ yếm khí cao tải” nhằm đánh giá chính xác ảnh hưởng của các kim loại phổ biến trong nước thải (Ca2+, Mg2+, Cu2+) đến chất lượng nước và khí biogas sinh ra trong hệ UASB. Nội dung nghiên cứu bao gồm: 1. Đánh giá khả năng chịu tải của hệ UASB quy mô phòng thí nghiệm; 2.
Đánh giá ảnh hưởng của Ca2+ đến hiệu suất xử lý COD, sản lượng và chất lượng khí sinh ra; 3. Đánh giá ảnh hưởng của Cu2+ đến hiệu suất xử lý COD, sản lượng và chất lượng khí sinh ra; 4. Đánh giá ảnh hưởng của Mg2+ đến hiệu suất xử lý COD, sản lượng và chất lượng khí sinh ra. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1.
Tổng quan về nƣớc thải giàu hữu cơ 1. Nguồn thải và đặc điểm của nước thải giàu hữu cơ Nước thải giàu hữu cơ được thấy ở nhiều ngành nghề khác nhau như: mía đường, bia, tinh bột sắn, tinh bột dong riềng, sữa, thịt hộp, chế biến thủy hải sản,. Nhiều cơ sở sản xuất có quy mô nhỏ, phân bố không tập trung, hầu hết trang thiết bị, máy móc, dây chuyền công nghệ sản xuất trong các nhà máy đều cũ, lạc hậu, trình độ sản xuất còn thấp, dẫn tới lượng phát thải lớn và phân tán. Mức độ ô nhiễm có sự khác nhau giữa các ngành nghề phát thải.
Nhìn chung, giá trị COD trong nước thải giàu hữu của các ngành thường khoảng 2000 mg/L (cao gấp 13 lần QCVN 40:2011/BTNMT cột B), có khi lên tới hơn 100 lần như nước thải tinh bột sắn, được thể hiện tại Bảng 1. Đặc điểm nước thải giàu hữu cơ của một số ngành sản xuất Tinh Rượu Mì ăn Sữa Chế Chế biển Thông Đơn Mía bột sắn Bia [5] liền biến thịt thủy sản số vị đường [4] [38] [10] [6] [38] [41] [2] 1000 - 13000- 1050 - 2400- 1000- COD mg/L 990 -2200 2300 2200 4340 17800 2100 9600 1655 350 - 7400- 1500- BOD5 mg/L 550-1400 900 1150 1430 900 2750 11000 7400 Tổng N mg/L 15 - 40 170 30 14 70 38 - 40 Tổng P mg/L >70 30 22-25 10,8 5 27 16 10 1200 - SS mg/L 300-800 500-600 408 625 501 - 1028 2600 4,0 - pH 5,5-7,4 6-8 4,6 5,3 9,3 5,3-8,9 6,2-7 5,6 Lượng m3/d 58.808 thải 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ghi chú: Dấu “ – “ không có thông tin Chế biến thủy hải sản, tinh bột sắn, mía đường, bia là một trong những ngành phát sinh lượng nước thải lớn nhất tại Việt Nam (52. Nguồn thải chủ yếu từ các hoạt động rửa nguyên liệu, rửa thiết bị - máy móc, rò rỉ sản phẩm… Chi tiết về nguồn phát sinh và lưu lượng nước thải của một số ngành được trình bày ở các phần dưới đây. Ngành sản xuất tinh bột sắn Lượng nước thải phát sinh tại các nhà máy sản xuất tinh bột sắn Việt Nam từ 20 – 30 m3/Tấn sản phẩm.
Trong khi đó, năng lực sản xuất tinh bột sắn của Việt Nam đạt 800.000 tấn/năm [6], vì vậy, ước tính nước thải phát sinh hằng năm của ngành khoảng 16 triệu – 36 triệu m3/năm, tức khoảng 43.630 m3/ngày, COD trung bình trên 10. Quy trình sản xuất tinh bột sắn và chất thải được thể hiện tại Bảng 2. Quy trình sản xuất và chất thải ngành tinh bột sắn [6] STT Công đoạn sản xuất Chất thải Nguyên liệu tươi 1 Rửa và làm sạch Vỏ, đất cát, nước thải 2 Băm và mài củ Đầu củ, xơ rắn 3 Ly tâm tách bã Nước thải, bã thải rắn 4 Thu hồi tinh bột thô Nước thải 5 Thu hồi tinh bột tinh Nước thải 6 Hoàn thiện Nhiệt thải (làm tơi, sấy khô, đóng gói) Vật liệu bao gói hỏng Nguồn nước thải hữu cơ được thấy ở các công đoạn: - Bóc vỏ, mài củ, ép bã: chứa một hàm lượng lớn xyanua, alcaloid, antoxian, protein, xenluloza, pectin, đường và tinh bột. Đây là nguồn chính gây ô nhiễm nước thải, thường dao động trong khoảng 20 - 25m3/ tấn nguyên liệu, có COD ở mức rất cao (>10.
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Lắng trích ly: chứa tinh bột, xenluloza, protein thực vật, lignin và xyanua, do đó có COD rất cao (>10.000 mg/L), pH thấp. - Rửa máy móc, thiết bị, vệ sinh nhà xưởng: có chứa dầu máy, SS, BOD, COD ở mức trung bình 200 – 400 mg/L. - Nước thải sinh hoạt (bao gồm nước thải từ nhà bếp, nhà tắm, nhà vệ sinh) chứa các chất cặn bã, SS, BOD, COD, các chất dinh dưỡng (N, P) và vi sinh vật… COD khoảng 200 mg/L. Ngành sản xuất mía đường Sản lượng đường cả nước năm 2013 đạt 1,53 triệu tấn [14], trong khi đó, lượng nước thải ra trung bình khi sản xuất 1 tấn sản phẩm là 14 m3, do vậy, lượng nước thải phát sinh từ ngành mía đường trên cả nước lên tới 58.684 m3/ngày, COD trung bình 2400 mg/L [9].
Quy trình sản xuất mía đường và chất thải được thể hiện tại Bảng 3. Quy trình sản xuất và chất thải ngành mía đường [4] STT Công đoạn Chất thải 1 Mía cây 2 Ép mía Bã mía, nước rửa 3 Trung hòa Nước ngưng 4 Lắng Cặn 5 Lọc Bã bùn 6 Cô đặc Nước làm mát 7 Nấu đường, kết tinh Nước làm mát 8 Ly tâm Rỉ đường 9 Sấy Nước ngưng 10 Đường thành phẩm Nguồn ô nhiễm phát sinh trong ngành sản xuất mía đường có thể chia thành các dòng sau [7]: 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Dòng nước thải 1: không hoặc ít ô nhiễm, phát sinh từ các khâu làm lạnh trong các thiết bị trợ tinh, thiết bị ngưng tụ của nồi cô đặc và nấu đường, nước từ bơm chân không. Nước thải bị nhiễm dầu, nhớt và bột mía sinh ra từ ô làm lạnh trục máy cán ép: COD khoảng 60 mg/L, nhiệt độ 54oC. - Dòng nước thải 2: mức ô nhiễm nhẹ, phát sinh từ các quá trình ngưng hơi từ các thiết bị gia nhiệt, cô đặc, nấu đường, làm nguội máy làm nguội nước đường và nước thải sinh hoạt, phân xưởng ép, phòng thí nghiệm, làm lạnh lò đốt lưu huỳnh, sữa vôi: COD khoảng 200 mg/L.
- Dòng nước thải 3: mức ô nhiễm nặng, phát sinh từ quá trình lọc chân không, lắng (bọt và nước ép bùn), nước rửa (nồi nấu đường, thiết bị cô đặc và máy ly tâm), rò rỉ mật rỉ: COD khoảng 2200 mg/L. - Dòng nước thải 4: ô nhiễm nặng, phát sinh từ hệ thống xử lý khí thải. COD khoảng 2565 mg/L. Ngành chế biến thủy hải sản Tổng sản lượng thủy sản năm 2014 cả nước đạt 6,3 triệu tấn [11], trong khi đó, mức tiêu thụ nước tại các nhà máy chế biến thủy hải sản dao động trong khoảng từ 4,3 – 93,8 m3/tấn nguyên liệu hoặc 25 – 267 m3/tấn thành phẩm, mức tiêu thụ tối ưu trung bình khoảng 30m3/tấn thành phẩm [13].
Vì vậy, ước tính mỗi ngày trên cả nước, ngành chế biến thủy hải sản phát thải 517.808 m3/ngày, COD trung bình 1300 mg/L. Mặc dù COD không lớn như các loại nước thải giàu hữu cơ khác, nhưng chế biến thủy hải sản lại là ngành phát sinh lượng nước thải lớn nhất trong các ngành.