Xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên: Nghiên cứu và phát triển hệ thống phù hợp

ACKNOWLEDGMENT

DECLARATION

1. CONTENTS

2. Current Problem and its solution

3. State of the art

3.1. Natural rubber

3.2. Natural rubber processing process

3.3. Natural rubber processing wastewater

3.4. Current treatment technology for natural rubber processing wastewater

3.4.1. Biological aerobic and anaerobic pond

3.4.2. Upflow anaerobic sludge blanket reactor

3.4.3. Anaerobic baffled reactor

3.4.4. Activated sludge process

3.4.5. Swim bed tank

3.4.6. Down flow hanging sponge reactor

3.4.7. Dissolved air floatation

3.4.9. Combination of treatment systems for natural rubber processing wastewater

3.5. Industrial wastewater treatment process

3.5.1. Characteristics of anaerobic wastewater treatment and the degradation pathway of anaerobic digestion

3.5.2. Anaerobic industrial wastewater treatment technology

3.5.3. Characteristics of aerobic wastewater treatment and the degradation

3.5.4. Greenhouse gas emissions from the wastewater treatment system

3.6. Material and methods

3.6.1. Greenhouse gases collection and analysis

3.6.2. Laboratory UASB-DHS system

3.6.2.1. System description and operational conditions

3.6.3. Laboratory scale ABR system

3.6.3.1. Raw natural rubber processing wastewater

3.6.3.2. System description and operational conditions

3.6.4. Pilot UASB-DHS system

3.6.4.1. Potential of hydrogen

3.6.4.3. Oxidation-reduction potential

3.6.4.4. Chemical oxygen demand

3.6.4.5. Biochemical oxygen demand

3.6.4.8. Ammonia, nitrite, and nitrate

3.6.4.9. Volatile fatty acid

3.6.4.10. Biogas production and composition

3.7. Results and Discussions

3.7.1. Characterization of a current wastewater treatment system

3.7.2. Development concept of a laboratory scale UASB-DHS system for natural rubber processing wastewater treatment

3.7.3. Development concept of a laboratory scale ABR experiment

3.7.3.1. Process performance of ABR

3.7.3.2. Determinates profiles inside the ABR

3.7.4. Development concept of a pilot scale UASB-DHS system experiment for treatment of natural rubber processing wastewater

3.7.4.2. Nitrogen removal and greenhouse gas emissions

3.7.4.3. Performance comparison of ABR-UASB-DHS system and existing treatment system

3.7.5. Design for full-scale UASB-DHS system for natural rubber processing wastewater in Vietnam

3.7.5.1. Reactor design for natural rubber processing wastewater

3.7.5.1.1. Pre-treatment process for UASB reactor

3.7.5.2. Calculation of Energy consumption and generation for the operation of the UASB-DHS system

3.7.5.2.1. Energy consumption of UASB-DHS system

3.7.5.2.2. Energy production of UASB-DHS system

4. Recommendation for future study

I. Tổng Quan Về Xử Lý Nước Thải Cao Su Hiện Trạng Giải Pháp

Ngành công nghiệp cao su thiên nhiên đóng vai trò quan trọng ở các nước Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam, quốc gia đứng thứ 3 về sản lượng. Tuy nhiên, quá trình chế biến cao su thiên nhiên lại thải ra một lượng lớn nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Các nhà máy thường sử dụng hệ thống hồ sinh học kỵ khí-hiếu khí kết hợp để xử lý nước thải, nhưng hiệu quả chưa cao, đòi hỏi diện tích lớn, chi phí vận hành cao và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn nước thải cao su ngày càng khắt khe. Cần có những nghiên cứu xử lý nước thải cao su để tìm ra các công nghệ xử lý nước thải cao su thiên nhiên tiên tiến hơn.

1.1. Tầm Quan Trọng của Ngành Cao Su và Vấn Đề Ô Nhiễm Nước Thải Cao Su

Cao su thiên nhiên là nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, quá trình sản xuất tạo ra nước thải chế biến cao su chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ và các chất ô nhiễm khác. Theo tài liệu, Việt Nam thải ra 25 m3 nước thải cho mỗi tấn cao su RSS được sản xuất. Việc xả thải nước thải chưa qua xử lý gây ra ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Vì vậy, cần có các biện pháp xử lý nước thải cao su hiệu quả.

1.2. Hiện Trạng Xử Lý Nước Thải Ngành Cao Su Ưu và Nhược Điểm

Các hệ thống xử lý nước thải cao su hiện tại, như hồ sinh học kỵ khí-hiếu khí, có ưu điểm là chi phí đầu tư ban đầu thấp và dễ vận hành. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi diện tích lớn, thời gian lưu nước dài và hiệu quả xử lý chưa cao, đặc biệt là đối với các chất dinh dưỡng. Ngoài ra, chi phí vận hành (đặc biệt cho sục khí bề mặt) cũng cao. Theo nghiên cứu, các hệ thống này chỉ đạt hiệu suất loại bỏ COD từ 65-90%.

II. Thách Thức Trong Xử Lý Nước Thải Cao Su Thiên Nhiên Cần Giải Quyết

Mặc dù các hệ thống hiện tại có thể giảm COD, nhưng vẫn tồn tại những thách thức. Nước thải sau xử lý vẫn chưa đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải. Sự hiện diện của các hạt cao su trong nước thải có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình sinh học. Ngoài ra, việc phát thải khí nhà kính (GHG) từ các hồ kỵ khí gây ra tác động xấu đến môi trường. Cần phải có các giải pháp để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải, giảm thiểu phát thải GHG và thu hồi năng lượng từ nước thải cao su.

2.1. Ảnh Hưởng của Hạt Cao Su Đến Quá Trình Xử Lý Nước Thải

Các hạt cao su còn sót lại trong nước thải có thể gây cản trở quá trình xử lý sinh học kỵ khí. Chúng có thể làm tắc nghẽn hệ thống, giảm hiệu quả phân hủy chất hữu cơ và ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật. Do đó, cần có hệ thống tiền xử lý để loại bỏ các hạt cao su này trước khi đưa vào các công đoạn xử lý tiếp theo.

2.2. Phát Thải Khí Nhà Kính Từ Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Kỵ Khí

Các hồ kỵ khí thường phát thải một lượng lớn khí metan (CH4), một loại khí nhà kính có tiềm năng làm nóng toàn cầu cao hơn nhiều so với CO2. Việc đo lường và giảm thiểu phát thải GHG từ các hệ thống xử lý nước thải là rất quan trọng để bảo vệ môi trường. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình xử lý để giảm phát thải CH4 và thu hồi biogas để sử dụng làm năng lượng.

2.3. Yêu Cầu Tiêu Chuẩn Nước Thải Cao Su Vượt Qua Thách Thức

Các tiêu chuẩn xả thải nước thải cao su ngày càng khắt khe, đòi hỏi các hệ thống xử lý phải đạt hiệu quả cao hơn. Việc đáp ứng các tiêu chuẩn này là cần thiết để bảo vệ môi trường và đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành cao su. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm và đáp ứng các yêu cầu pháp lý.

III. Xử Lý Nước Thải Cao Su Phương Pháp UASB DHS Giải Pháp Tiềm Năng

Hệ thống UASB-DHS (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Downflow Hanging Sponge) là một giải pháp xử lý nước thải đầy hứa hẹn. UASB có khả năng xử lý hiệu quả chất hữu cơ với OLR cao và thu hồi năng lượng dưới dạng metan. DHS được sử dụng như một bước xử lý hiếu khí sau UASB để loại bỏ chất hữu cơ còn sót lại và các chất dinh dưỡng. Hệ thống này có chi phí vận hành thấp và có thể giúp giảm thiểu phát thải GHG so với các hệ thống truyền thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng của hệ thống UASB-DHS trong xử lý nước thải cao su.

3.1. Ưu Điểm Của Công Nghệ Xử Lý UASB Trong Xử Lý Nước Thải Cao Su

UASB có khả năng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao, chịu được tải lượng hữu cơ cao (OLR), và có khả năng thu hồi năng lượng dưới dạng biogas. UASB cũng có chi phí vận hành thấp so với các hệ thống hiếu khí truyền thống. Tuy nhiên, UASB có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các hạt cao su, do đó cần có tiền xử lý.

3.2. Vai Trò Của DHS Trong Hệ Thống Xử Lý Nước Thải UASB DHS

DHS là một hệ thống xử lý hiếu khí hiệu quả để loại bỏ chất hữu cơ còn sót lại và các chất dinh dưỡng như nitơ sau quá trình xử lý kỵ khí UASB. DHS có cấu trúc đơn giản, chi phí vận hành thấp và có khả năng loại bỏ chất ô nhiễm cao. Nghiên cứu cho thấy UASB-DHS đã được áp dụng thành công trong xử lý nhiều loại nước thải công nghiệp khác nhau.

3.3. Tiềm Năng Giảm Phát Thải GHG Với Hệ Thống Xử Lý Nước Thải UASB DHS

Hệ thống UASB-DHS có tiềm năng giảm phát thải GHG so với các hệ thống xử lý nước thải truyền thống. UASB thu hồi metan, một loại khí nhà kính mạnh, để sử dụng làm năng lượng. DHS cũng có thể giúp giảm phát thải N2O, một loại khí nhà kính khác, thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Việc đánh giá chi tiết về lượng GHG phát thải từ UASB-DHS là rất quan trọng để so sánh với các hệ thống khác.

IV. Nghiên Cứu Phát Triển Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Cao Su ABR UASB DHS

Nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển hệ thống ABR (Anaerobic Baffled Reactor) - UASB-DHS để xử lý nước thải cao su. ABR được sử dụng như một bước tiền xử lý để loại bỏ các hạt cao su và giảm tải lượng hữu cơ trước khi đưa vào UASB. Nghiên cứu đã được thực hiện ở cả quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống ABR-UASB-DHS có khả năng xử lý nước thải cao su hiệu quả và ổn định.

4.1. Vai Trò Của ABR Trong Tiền Xử Lý Nước Thải Cao Su Trước UASB

ABR là một hệ thống kỵ khí có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và có khả năng loại bỏ các chất rắn lơ lửng và giảm tải lượng hữu cơ trong nước thải. ABR có thể giúp bảo vệ UASB khỏi bị tắc nghẽn bởi các hạt cao su và cải thiện hiệu quả xử lý tổng thể của hệ thống. Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả của ABR trong việc loại bỏ các hạt cao su và giảm COD trước khi đưa nước thải vào UASB.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Của Hệ Thống ABR UASB DHS

Nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống ABR-UASB-DHS. Các thông số như COD, BOD, TSS, TN, và phát thải GHG đã được đo lường để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống ABR-UASB-DHS có khả năng loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm và giảm phát thải GHG so với các hệ thống truyền thống.

V. Thiết Kế Vận Hành Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Cao Su UASB DHS Thực Tế

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể thiết kế và vận hành hệ thống UASB-DHS quy mô đầy đủ cho các nhà máy chế biến cao su thiên nhiên tại Việt Nam. Việc thiết kế cần xem xét các yếu tố như lưu lượng nước thải, nồng độ chất ô nhiễm và các tiêu chuẩn xả thải hiện hành. Việc vận hành cần được thực hiện đúng cách để đảm bảo hiệu quả xử lý tối ưu và giảm thiểu chi phí. Cần có các hướng dẫn cụ thể về thiết kế và vận hành hệ thống UASB-DHS cho các nhà máy cao su.

5.1. Tính Toán Thiết Kế Reactor UASB Cho Xử Lý Nước Thải Cao Su

Việc tính toán thiết kế reactor UASB cần dựa trên các thông số như tải lượng hữu cơ, lưu lượng nước thải và tốc độ dòng chảy. Cần xác định thể tích reactor, thời gian lưu nước và các thông số vận hành khác để đảm bảo hiệu quả xử lý tối ưu. Cần có các mô hình toán học để hỗ trợ quá trình thiết kế reactor UASB.

5.2. Tính Toán Năng Lượng Tiêu Thụ Sản Xuất Của Hệ Thống UASB DHS

Cần tính toán năng lượng tiêu thụ cho các hoạt động như bơm, sục khí và vận hành thiết bị. Đồng thời, cần tính toán năng lượng sản xuất từ biogas thu hồi từ UASB. Việc so sánh năng lượng tiêu thụ và sản xuất sẽ giúp đánh giá tính kinh tế của hệ thống UASB-DHS. Mục tiêu là thiết kế hệ thống có khả năng tự cung cấp năng lượng hoặc thậm chí tạo ra năng lượng dư thừa.

VI. Xử Lý Nước Thải Cao Su Thiên Nhiên Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống UASB-DHS, cải thiện hiệu quả loại bỏ nitơ và phốt pho, và giảm thiểu phát thải GHG. Cần nghiên cứu các vật liệu lọc mới cho DHS để tăng cường hiệu quả xử lý. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp xử lý bùn thải cao su một cách bền vững. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như nano và màng lọc cũng có thể mang lại những đột phá trong xử lý nước thải cao su.

6.1. Tối Ưu Hóa Quá Trình Xử Lý Sinh Học Để Giảm Phát Thải GHG

Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số vận hành của UASB và DHS để giảm phát thải CH4 và N2O. Cần nghiên cứu các phương pháp để ức chế quá trình tạo metan và tăng cường quá trình khử nitrat. Việc sử dụng các phụ gia hoặc vi sinh vật đặc biệt cũng có thể giúp giảm phát thải GHG.

6.2. Phát Triển Vật Liệu Lọc Mới Cho DHS Để Tăng Hiệu Quả Xử Lý

Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các vật liệu lọc mới cho DHS có diện tích bề mặt lớn, khả năng bám dính vi sinh vật tốt và khả năng loại bỏ chất ô nhiễm cao. Các vật liệu như than hoạt tính, zeolit và vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng trong DHS. Việc thử nghiệm các vật liệu lọc khác nhau sẽ giúp tìm ra vật liệu phù hợp nhất cho xử lý nước thải cao su.

DEVELOPMENT OF AN APPROPRIATE TREATMENT SYSTEM FOR NATURAL RUBBER PROCESSING WASTEWATER