Nghiên cứu ô nhiễm & công nghệ lên men mêtan nước thải tinh bột sắn tại Hoài Đức

Luận văn thạc sĩ phân tích hiện trạng ô nhiễm nước thải tinh bột sắn và ứng dụng công nghệ lên men mêtan để xử lý tại làng nghề Hoài Đức, Hà Nội.

• Tác giả: Nguyễn Thị Tường Chi
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Kim Chi
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm và công nghệ lên men mêtan nước thải chế biến tinh bột sắn của một số làng nghề thuộc huyện Hoài Đức, Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Hiện Trạng Ô Nhiễm Nước Thải Tinh Bột Sắn

Nước thải từ chế biến tinh bột sắn là một trong những nguồn ô nhiễm hữu cơ cao nhất trong các làng nghề Việt Nam. Các cụm làng nghề chế biến tinh bột sắn ở huyện Hoài Đức, Hà Nội và các địa phương khác phát sinh lượng nước thải khổng lồ chứa nồng độ COD, BOD vượt tiêu chuẩn cho phép hàng chục lần. Nước thải này không chỉ gây ô nhiễm nguồn nước mặt mà còn đe dọa sự an toàn của tài nguyên nước ngầm. Các chất ô nhiễm chính bao gồm tinh bột, protein, lipid và các chất hữu cơ khác tạo điều kiện cho sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh. Vấn đề môi trường này đòi hỏi các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và bền vững.

1.1. Đặc Điểm Thành Phần Nước Thải

Nước thải sản xuất tinh bột sắn chứa nồng độ COD từ 10,000-25,000 mg/L, BOD từ 5,000-15,000 mg/L, vượt xa tiêu chuẩn cho phép. Hàm lượng chất hữu cơ cao làm cho quá trình xử lý truyền thống trở nên phức tạp và tốn kém. Thành phần này cung cấp nguồn cơ chất lý tưởng cho các quá trình sinh học, đặc biệt là lên men kỵ khí.

1.2. Tác Động Đến Môi Trường

Nước thải không được xử lý gây ô nhiễm nghiêm trọng hệ thống sông suối, làm giảm hàm lượng oxy hòa tan, tạo môi trường thiếu khí gây chết cá và mất cân bằng sinh thái. Nước thải tinh bột sắn còn làm tăng nồng độ nitrogen và phosphorus gây phú dưỡng hóa nguồn nước.

II. Nguyên Lý Công Nghệ Lên Men Mêtan Xử Lý Nước Thải

Công nghệ lên men mêtan hay còn gọi là quá trình phân hủy kỵ khí là phương pháp xử lý nước thải dựa trên hoạt động của các vi khuẩn trong môi trường không khí. Quá trình này không chỉ loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ mà còn sản xuất sinh khí (biogas) có chứa methane (CH₄) có giá trị năng lượng cao. Các vi khuẩn kỵ khí chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các hợp chất đơn giản hơn, cuối cùng là khí methane và carbon dioxide. Đây là giải pháp vừa bảo vệ môi trường vừa tạo ra năng lượng tái tạo, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.

2.1. Cơ Chế Quá Trình Phân Hủy Kỵ Khí

Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra qua bốn giai đoạn: thủy phân, axit hóa, ăcetogenesis và methanogenesis. Các vi khuẩn kỵ khí tác động lên chất hữu cơ phức tạp như cellulose, starch chuyển thành axit hữu cơ, rồi cuối cùng là khí methane và CO₂, với hiệu suất cao.

2.2. Lợi Ích Của Công Nghệ Mêtan

Xử lý nước thải tinh bột sắn bằng lên men mêtan giảm nồng độ COD 80-90%, đồng thời sản xuất biogas làm năng lượng. Quy trình này yêu cầu chi phí vận hành thấp, không cần thêm khí nén như xử lý hiếu khí, và có khả năng xử lý tải hữu cơ cao, lý tưởng cho nước thải công nghiệp thực phẩm.

III. Ứng Dụng Công Nghệ Lên Men Mêtan Tại Các Làng Nghề

Các nghiên cứu thực tế tại cụm làng nghề Minh Khai, Dương Liễu và Cát Quế, huyện Hoài Đức đã chứng minh hiệu quả của công nghệ lên men mêtan trong xử lý nước thải tinh bột sắn quy mô nhỏ và vừa. Mô hình thiết bị kỵ khí được xây dựng tại Cát Quế hoạt động ổn định, đạt hiệu suất xử lý cao. Nghiên cứu tập trung vào lựa chọn chế độ khởi động thiết bị phù hợp, điều chỉnh pH, độ kiềm và sản lượng biogas từ các chủng vi khuẩn khác nhau. Kết quả cho thấy việc sử dụng mầm bùn kị khí từ nhà máy bia hay phân bò sữa đều mang lại hiệu quả tốt, phù hợp với điều kiện địa phương.

3.1. Mô Hình Xử Lý Tại Cát Quế

Thiết bị lên men kỵ khí tại Cát Quế được thiết kế với công suất vừa, xử lý nước thải từ hộ sản xuất tinh bột sắn. Quá trình khởi động sử dụng các chủng vi khuẩn phù hợp, đạt hiệu suất xử lý COD 80-85%, sản xuất biogas có hàm lượng methane 50-65%, có thể dùng làm nhiên liệu.

3.2. Chế Độ Vận Hành Tối Ưu

Nghiên cứu chỉ ra rằng pH nước thải cần duy trì 6.8-7.2, độ kiềm tổng 3,000-5,000 mg/L CaCO₃ để vi khuẩn mêtan hoạt động hiệu quả. Thay đổi thải tải hữu cơ và thời gian lưu ứng nhật giúp tối ưu hóa sản lượng biogas và hiệu quả xử lý.

IV. Giải Pháp Ứng Dụng và Phát Triển Bền Vững

Để mở rộng ứng dụng công nghệ lên men mêtan xử lý nước thải tinh bột sắn, cần có sự phối hợp giữa nhà nước, doanh nghiệp và cộng đồng địa phương. Các hộ sản xuất cần được hỗ trợ trong xây dựng hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường. Đồng thời, cần phát triển các mô hình xử lý tập trung cho cụm làng nghề để tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả. Năng lượng từ biogas có thể được khai thác để cung cấp điện cho các hộ sản xuất, giảm chi phí năng lượng. Đây là giải pháp bền vững, giúp bảo vệ môi trường và tạo lợi ích kinh tế cho cộng đồng.

4.1. Hỗ Trợ Hộ Sản Xuất Nhỏ Lẻ

Cần phát triển mô hình xử lý nước thải quy mô nhỏ, giá thành thấp, dễ vận hành để phù hợp với điều kiện hộ sản xuất tinh bột sắn. Cung cấp tài chính, kỹ thuật và đào tạo để hộ dân nắm rõ công nghệ lên men mêtan, đảm bảo hiệu quả xử lý dài hạn.

4.2. Khai Thác Năng Lượng Biogas

Khí biogas từ xử lý nước thải tinh bột sắn là nguồn năng lượng tái tạo giá trị. Cần đầu tư công nghệ hóa lỏng, nén gas để lưu trữ và sử dụng hiệu quả, có thể bán cho các hộ khác, tạo thêm doanh thu và góp phần phát triển năng lượng sạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Làng nghề ở nƣớc ta đã ra đời từ rất lâu và cho đến nay làng nghề ngày càng phát triển góp phần đáng kể vào phát triển kinh tế xã hội của đất nƣớc. Sự phát triển của làng nghề đã góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế nông nghiệp nông thôn, giải quyết công ăn việc làm lúc nông nhàn, tăng thu nhập, nâng cao đời sống vật chất cho ngƣời dân địa phƣơng. Theo “Báo cáo thực hiện chính sách, pháp luật về môi trƣờng tại các khu kinh tế, làng nghề” của Sở Công thƣơng, tại Hà Nội các làng nghề đã giải quyết việc làm cho gần 630.000 lao động bao gồm cả lao động địa phƣơng và lao động du nhập. Tính đến nay, Hà Nội có 1.350 làng nghề và làng có nghề, trong đó 281 làng nghề đã đƣợc UBND thành phố công nhận theo tiêu chí mới.

Năm 2012, giá trị sản xuất của làng nghề đạt khoảng 10.582 tỷ đồng, chiếm 8,3% tổng giá trị sản xuất công nghiệp - tiểu thủ công nghiệp của thành phố. Ba xã Minh Khai, Dƣơng Liễu, Cát Quế thuộc huyện Hoài Đức, Hà Nội là ba làng nghề nằm trong trọng điểm chế biến nông sản thực phẩm của Hà Nội. Trong những năm vừa qua, quy mô và sản lƣợng sản xuất của các làng nghề không ngừng tăng, tạo ra khối lƣợng sản phẩm và lƣợng doanh thu lớn tạo công ăn việc làm cho hàng nghìn lao động địa phƣơng, không những tạo công ăn việc làm cho lao động địa phƣơng mà còn cho lao động từ các tỉnh nhƣ Phú Thọ, Vĩnh Phúc…; đời sống nhân dân không ngừng đƣợc cải thiện, bộ mặt nông thôn ngày một đổi mới. Ở xã Minh Khai, số hộ giàu, hộ khá có thu nhập hàng trăm triệu đồng 1 năm chiếm đến 50%, hộ nghèo (theo tiêu chí mới) còn 46 hộ chiếm 4,71% tổng số hộ, không có hộ đói.

Tuy nhiên, do đặc trƣng loại hình sản xuất chính là chế biến tinh bột sắn, miến, bún, với hàng trăm nghìn tấn chất thải rắn và đặc biệt là hàng triệu mét khối nƣớc thải lớn, ba làng nghề đang là “thủ phạm” chính cho vấn đề ô nhiễm môi trƣờng của huyện Hoài Đức, gây nên các bức xúc không chỉ đối các dân cƣ trong vùng mà cả trong toàn huyện Hoài Đức. Ngành sản xuất tinh bột sắn là một trong những ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều nƣớc và năng lƣợng. Vì vậy, hàng năm lƣợng nƣớc xả thải ra môi trƣờng của ngành này khá lớn, nƣớc thải chứa nhiều các chất hữu cơ nhƣ tinh bột, protein, Nguyễn Thị Tường Chi – K19 1 Đề tài: Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm và công nghệ lên men mêtan xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn của một số làng nghề thuộc huyện Hoài Đức, Hà Nội xenluloza, pectin, đƣờng,.gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng nếu không có biện pháp xử lý hiệu quả. Tuy nhiên trong thành phần nƣớc thải tổng hợp có chứa hàm lƣợng lớn các chất dinh dƣỡng N, P và các chất hữu cơ có thể đƣợc tận dụng và thu hồi thông qua quá trình xử lý bằng chuyển hóa sinh học nguồn thải hữu cơ và tận dụng sinh khối thải chuyển thành khí nhiên liệu biogas cung cấp năng lƣợng cho nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng của các hộ gia đình, nƣớc thải sau xử lý các mức có thể tận thu nhƣ nguồn dƣỡng chất để bón ruộng, hoặc xử lý các mức tiếp theo đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN40-2011 khi xả trực tiếp vào nguồn nƣớc tiếp nhận.

Khí sinh học thu đƣợc góp phần giảm thiểu ô nhiễm nƣớc, hạn chế khai thác nhiên liệu không tái tạo, và giảm phát thải các khí, chủ động trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu trong xu thế chung của thế giới hiện nay. Ở Việt nam bƣớc đầu đã có một số nghiên cứu khả quan về xử lý nƣớc thải ngành tinh bột sắn theo xu thế trên nhƣng nhìn chung mới là bƣớc đầu và chƣa đạt hiệu quả cao. Vì vậy, học viên đã chọn đề tài : “Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm và công nghệ lên men mêtan nƣớc thải chế biến tinh bột sắn của một số làng nghề thuộc huyện Hoài Đức, Hà Nội” với nội dung gồm: - Đánh giá mức độ ô nhiễm nƣớc thải làng nghề Minh Khai, Dƣơng Liễu, Cát Quế. - Nghiên cứu một số thông số ảnh hƣởng đến quá trình sinh khí trong bể mêtan, bƣớc đầu tính toán kiểm tra các thông số thiết kế, vận hành.

- Bƣớc đầu đề xuất mô hình ứng dụng công nghệ mêtan vào xử lí nƣớc thải làng nghề. Nguyễn Thị Tường Chi – K19 2 Luận văn: Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm và công nghệ lên men mêtan nước thải chế biến tinh bột Chƣơng 1 – TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về làng nghề và hiện trạng môi trƣờng làng nghề 1.1 Khái niệm làng nghề Từ xa xƣa, ngƣời nông dân Việt Nam đã biết sử dụng thời gian nông nhàn để sản xuất những sản phẩm thủ công, phi nông nghiệp phục vụ cho nhu cầu đời sống nhƣ: các công cụ lao động nông nghiệp, giấy, lụa, vải, thực phẩm qua chế biến… Các nghề này đƣợc lƣu truyền và mở rộng qua nhiều thế hệ, dẫn đến nhiều hộ dân có thể cùng sản xuất một loại sản phẩm. Bên cạnh những ngƣời chuyên làm nghề, đa phần lao động vừa sản xuất nông nghiệp, vừa làm nghề, hoặc làm thuê (nghề phụ). Nhƣng do nhu cầu trao đổi hàng hóa, các nghề mang tính chất chuyên môn sâu hơn, đƣợc cải tiến kỹ thuật hơn và thƣờng đƣợc giới hạn trong quy mô nhỏ (làng), dần dần tách hẳn nông nghiệp để chuyển hẳn sang nghề thủ công.

Nhƣ vậy, làng nghề đã xuất hiện. Có thể hiểu làng nghề “là làng nông thôn Việt Nam có ngành nghề tiểu thủ công nghiệp, phi nông nghiệp chiếm ƣu thế về số lao động và thu nhập so với nghề nông”[6].2 Phân loại làng nghề Làng nghề với những hoạt động và phát triển đã có những tác động tích cực và tiêu cực đến nền kinh tế, đời sống xã hội và môi trƣờng với những nét đặc thù rất đa dạng. Vấn đề phát triển và môi trƣờng của các làng nghề hiện nay đang có nhiều bất cập và đang đƣợc chú ý nghiên cứu. Muốn có đƣợc những kết quả nghiên cứu xác thực, đúng đắn và có thể quản lý tốt các làng nghề thì cần có sự nhìn nhận theo nhiều khía cạnh, nhiều góc độ khác nhau đối với làng nghề.

Bởi vậy, hệ thống phân loại các làng nghề dựa trên các số liệu thông tin điều tra, khảo sát là cơ sở khoa học cho nghiên cứu, quản lý hoạt động sản xuất cũng nhƣ việc quản lý, bảo vệ môi trƣờng làng nghề. Cách phân loại làng nghề phổ biến nhất là phân theo loại hình sản xuất, loại hình sản phẩm. Theo cách này có thể phân thành 6 nhóm ngành sản xuất gồm: + Ƣơm tơ, dệt vải và may đồ da. Nguyễn Thị Tường Chi – K19 3 Luận văn: Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm và công nghệ lên men mêtan nước thải chế biến tinh bột + Chế biến lƣơng thực thực phẩm, dƣợc liệu.

+ Tái chế phế liệu (giấy, nhựa, kim loại…). + Thủ công mỹ nghệ, thêu ren. + Vật liệu xây dựng, khai thác và chế tác đá. + Nghề khác (mộc gia dụng, cơ khí nhỏ, đóng thuyền, quạt giấy, đan vó, lƣới.

Ngoài ra còn có thể phân loại theo quy mô sản xuất (lớn, nhỏ, trung bình); phân loại theo nguồn thải và mức độ ô nhiễm; theo lịch sử phát triển; theo mức độ sử dụng nguyên liệu, theo thị trƣờng tiêu thụ sản phẩm hoặc theo tiềm năng tồn tại và phát triển… 1.3 Hiện trạng môi trường làng nghề Vấn đề môi trƣờng mà các làng nghề đang phải đối mặt không chỉ giới hạn ở trong phạm vi các làng nghề mà còn ảnh hƣởng đến ngƣời dân ở vùng lân cận. Theo Báo cáo môi trƣờng quốc gia năm 2008 với chủ đề "Môi trƣờng làng nghề Việt Nam", hiện nay “hầu hết các làng nghề ở Việt Nam đều bị ô nhiễm môi trƣờng (trừ các làng nghề không sản xuất hoặc dùng các nguyên liệu không gây ô nhiễm nhƣ thêu, may. Chất lƣợng môi trƣờng tại hầu hết các làng nghề đều không đạt tiêu chuẩn khiến ngƣời lao động phải tiếp xúc với các nguy cơ gây hại cho sức khỏe, trong đó 95% là từ bụi; 85,9% từ nhiệt và 59,6% từ hóa chất. Kết quả khảo sát 52 làng nghề cho thấy, 46% làng nghề có môi trƣờng bị ô nhiễm nặng ở cả 3 dạng; 27% ô nhiễm vừa và 27% ô nhiễm nhẹ”[5].

Tình trạng ô nhiễm môi trƣờng ở các làng nghề xảy ra ở mấy loại phổ biến sau đây: - Ô nhiễm nƣớc: ở Việt Nam, các làng nghề chƣa có hệ thống xử lý nƣớc thải công nghiệp, nƣớc thải đƣợc đổ trực tiếp ra hệ thống kênh rạch chung hoặc ra sông. Nguyên nhân gây ô nhiễm nƣớc chủ yếu là quá trình xử lý công nghiệp nhƣ: chế biến lƣơng thực thực phẩm, mây tre, dệt, in, nung nấu kim loại, tẩy giấy và nhuộm… Thƣờng thì nƣớc thải ra bị nhiễm màu nặng và gây ra hiện tƣợng đổi màu đối với dòng sông nhận nƣớc thải, có mùi rất khó chịu. Hơn nữa là sự vƣợt quá TCCP đối với các hàm lƣợng BOD, COD, SS, và coliform, các kim loại nặng… ở Nguyễn Thị Tường Chi – K19 4 Luận văn: Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm và công nghệ lên men mêtan nước thải chế biến tinh bột cả nƣớc mặt và nƣớc ngầm, làm chết các sinh vật thủy sinh và chứa các mầm bệnh nguy hại cho con ngƣời. - Ô nhiễm không khí gây bụi, ồn và nóng do sử dụng than và củi chủ yếu trong sản xuất vật liệu xây dựng và sản xuất gốm sứ.

- Ô nhiễm chất thải rắn do tái chế nguyên liệu (giấy, nhựa, kim loại…) hoặc do bã thải của các loại thực phẩm (sắn, dong), các loại rác thải thông thƣờng: nhựa, túi nilon, giấy, hộp, vỏ lon, kim loại và các loại rác thải khác thƣờng đƣợc đổ ra bất k dòng nƣớc hoặc khu đất trống nào. Làm cho nƣớc ngầm và đất bị ô nhiễm các chất hóa học độc hại, ảnh hƣởng tới sức khỏe của con ngƣời. Trong Báo Nhân dân ngày 23/6/2005, GS. Đặng Kim Chi đã cảnh báo "100% mẫu nƣớc thải ở các làng nghề đƣợc khảo sát có thông số vƣợt tiêu chuẩn cho phép.

Môi trƣờng không khí bị ô nhiễm có tính cục bộ tại nơi trực tiếp sản xuất, nhất là ô nhiễm bụi vƣợt tiêu chuẩn cho phép (TCCP) và ô nhiễm do sử dụng nhiên liệu than củi. Tỉ lệ ngƣời dân làng nghề mắc bệnh cao hơn các làng thuần nông, thƣờng gặp ở các bệnh về đƣờng hô hấp, đau mắt, bệnh đƣờng ruột, bệnh ngoài da.