Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn theo hướng tiếp cận cơ chế phát triển sạch (CDM)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.79 MB, 100 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------►◙◄-------
Đỗ Thị Hải Vân
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN THEO HƯỚNG
TIẾP CẬN CƠ CHẾ PHÁT TRIỂN SẠCH (CDM)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------►◙◄-------
Đỗ Thị Hải Vân
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN THEO HƯỚNG
TIẾP CẬN CƠ CHẾ PHÁT TRIỂN SẠCH (CDM)
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 608502
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ HÀ
Hà Nội - 2012
LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Thị Hà – giảng viên
khoa Môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội – đã luôn
quan tâm giúp đỡ và hướng dẫn em tận tình, chu đáo trong suốt quá trình làm luận
văn tốt nghiệp.
Em xin cảm ơn các thành viên thực hiên đề tài QMT11-01 đã giúp đỡ và hỗ
trợ rất nhiều cho em trong quá trình hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời tri ân tới các thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là các
thầy cô khoa Môi trường đã dìu dắt và truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích
trong những năm học tập tại trường.
Cuối cùng, em xin dành lời cảm ơn cho gia đình, người thân, bạn bè đã tin
tưởng, động viên, khích lệ em hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2012
Học viên
Đỗ Thị Hải Vân
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................... 3
1.1 Ngành chế biến tinh bột sắn......................................................................................... 3
1.1.1 Quy trình chế biến tinh bột sắn ................................................................................. 3
1.1.2. Nước thải ngành chế biến tinh bột sắn...................................................................... 5
1.2. Xử lý nước thải ngành chế biến tinh bột sắn bằng phương pháp sinh học .................... 7
1.2.1. Cơ chế của quá trình phân hủy hiếu khí ................................................................... 7
1.2.2. Cơ chế của quá trình phân hủy kỵ khí ...................................................................... 9
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học .......................................... 14
1.3. Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn....................................... 17
1.3.1. Các nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn trên thế giới ......................... 17
1.3.2. Các nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam .......................... 18
1.4. Cơ chế phát triển sạch (CDM) .................................................................................. 19
1.4.1. Giới thiệu chung về CDM ..................................................................................... 19
1.4.2. Hoat động CDM ở trên thế giới ............................................................................. 21
1.4.3. Các dự án CDM trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường ở Việt Nam.................. 26
Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................... 34
2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 34
2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 35
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu................................................................................. 35
2.2.2. Phương pháp điều tra và khảo sát thực tế ............................................................... 35
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm ..................................................................................... 36
2.2.4. Tính toán lượng phát thải KNK khi không thu gom và xử lý nước thải................... 40
2.2.5. Tính toán giảm phát thải KNK khi có thu gom và xử lý nước thải theo phương pháp
luận do IPCC hướng dẫn ................................................................................................. 41
2.2.6. Phương pháp phân tích hiệu quả kinh tế khi áp dụng CDM .................................... 46
2.2.7. Phương pháp tổng hợp, xử lý số liệu ...................................................................... 46
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………………………………..46
3.1. Kết quả khảo sát hiện trạng sản xuất tinh bột sắn và nước thải tại làng nghề Dương
Liễu, Hà Nội.................................................................................................................... 47
3.1.1. Kết quả khảo sát hiện trạng sản xuất tinh bột sắn tại làng nghề Dương Liễu, Hà Nội
........................................................................................................................................ 47
3.1.2. Kết quả khảo sát đặc trưng nước thải sản xuất tinh bột sắn tại làng nghề Dương Liễu,
Hà Nội ............................................................................................................................ 48
3.2. Kết quả xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn có tận thu metan bằng hệ thống UASB
thực nghiệm .................................................................................................................... 51
3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tải lượng COD đến hiệu quả xử lý ....................... 51
3.2.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý .......................... 52
3.2.3. Kết quả khảo sát hiệu suất chuyển hóa khí ............................................................. 53
3.3. Kết quả đánh giá hiệu quả giảm phát thải KNK với các phương án xử lý nước thải lựa
chọn ................................................................................................................................ 54
3.3.1. Kết quả tính toán lượng phát thải KNK khi không thu gom và xử lý nước thải ...... 54
3.3.2. Kết quả đánh giá hiệu quả giảm phát thải KNK khi xử lý nước thải sản xuất tinh bột
sắn................................................................................................................................... 55
3.3.3 Kết quả tính toán hiệu quả kinh tế từ bán chứng chỉ CER và khi thay thế một phần
lượng than sử dụng cho quá trình sản xuất tinh bột sắn bằng khí sinh học thu hồi ............ 66
3.4. Đề xuất giải pháp phù hợp để xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn giảm phát thải khí
nhà kính .......................................................................................................................... 68
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .................................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 75
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 83
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG
Danh mục hình
Hình 1.1. Quy trình chế biến tinh bột sắn .......................................................................... 3
Hình 1.2. Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí ........................ 8
Hình 1.3. Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ ............................................... 9
Hình 1.4. Bể UASB......................................................................................................... 12
Hình 1.5. Bể CIGAR ...................................................................................................... 13
Hình 1.6. Một số hoạt động phát thải KNK do con người gây ra...................................... 21
Hình 1.7. Sơ đồ tổ chức thực hiện CDM tại Việt Nam ..................................................... 27
Hình 1.8. Lượng CER của Việt Nam so với thế giới ........................................................ 32
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí xã Dương Liễu, huyện Hoài Đức, Hà Nội ...................................... 34
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ UASB......................................................... 37
Hình 2.3. Tính toán lượng giảm phát thải KNK .............................................................. 42
Hình 3.1. Quy trình sản xuất tinh bột sắn tại làng nghề Dương Liễu ............................... 47
Hình 3.2. Ảnh hưởng của tải lượng COD đến tốc độ xử lý.............................................. 51
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý................................................ 52
Hình 3.4. Hiệu suất chuyển hóa khí ................................................................................ 53
Hình 3.5. Mối quan hệ giữa lượng khí tạo thành và lượng COD chuyển hóa.................... 53
Hình 3.6. Kết quả xác định đường biên phát thải của hoạt động giải pháp CN KSH......... 55
Hình 3.7. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải ...................................................................... 69
Danh mục bảng
Bảng 1.1. Chất lượng nước thải từ sản xuất tinh bột sắn .........................................6
Bảng 1.2. Nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết .................................................15
Bảng 1.3. Một số dự án CDM tiêu biểu của các quốc gia ......................................23
Bảng 1.4 . Một số dự án CDM tiêu biểu của Việt Nam .........................................29
Bảng 2.1. Mô tả phương pháp luận AMS-I.C và AMS.III.H ..................................42
Bảng 3.1. Tổng sản lượng, nước thải và bã thải từ sản xuất tinh bột sắn ................49
Bảng 3.2. Kết quả phân tích nước thải sản xuất tinh bột sắn tại làng nghề Dương
Liễu, Hà Nội..........................................................................................................49
Bảng 3.3. Kết quả xác định đường biên phát thải giả thuyết .................................57
Bảng 3.4. Kết quả tính toán lượng phát thải đường cơ sở (BE) ..............................62
Bảng 3.5. Kết quả tính toán lượng phát thải của hoạt động giải pháp CN KSH (PE)
..............................................................................................................................65
Bảng 3.6. Hiệu quả kinh tế khi tham gia CDM (tính theo giả định).......................67
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
BE
Lượng phát thải đường cơ sở
BOD
Nhu cầu oxy sinh hóa
CDM
Cơ chế phát triển sạch
CER
Chứng chỉ giảm phát thải
CN KSH
Công nghệ khí sinh học
COD
Nhu cầu oxy hóa học
CPA
Các hoạt động dự án áp dụng Cơ chế phát triển sạch
CT KSH
Công trình Khí sinh học
DNA
Cơ quan thẩm quyền quốc gia
EB
Ban quản lý
ER
Giảm phát thải
€
Euro
GWP
Tiềm năng ấm lên toàn cầu
IET
Buôn bán phát thải toàn cầu
IPCC
Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu
JI
Cơ chế đồng thực hiện
KNK
Khí nhà kính
KP
Nghị định thư Kyoto
KSH
Khí sinh học
PDD
Văn kiện thiết kế dự án
PE
Lượng phát thải khi có hoạt động CN KSH
SSC
Phương pháp CDM quy mô nhỏ
tCO2e
tấn cacbon đioxit tương đương
UASB
Thiết bị đệm bùn yếm khí dòng chảy ngược
UBND
Ủy ban nhân dân
UNFCCC
Công ước khung của Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu
Luận văn thạc sĩ
MỞ ĐẦU
Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa với mục tiêu phấn đấu đến
năm 2020, về cơ bản Việt Nam sẽ trở thành một nước công nghiệp và tất yếu là sự
đô thị hóa ở các thành phố lớn. Theo dự báo, đến năm 2020 tỷ lệ đô thị hóa của
nước ta sẽ đạt 45% tương ứng với quy mô dân số là khoảng 46 triệu người [79].
Tuy nhiên kèm theo đó là vấn đề môi trường ngày càng trở nên bức xúc và cần phải
được giải quyết.
Từ thực tế của ngành sản xuất tinh bột sắn là một trong những ngành công
nghiệp tiêu thụ nhiều nước và năng lượng. Hàng năm lượng nước xả thải ra môi
trường của ngành khá lớn (15 m3/tấn sắn tươi) [48]; nước thải chứa nhiều các chất
hữu cơ, chất độc cyanua có độc tính cao... gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng
nếu không có biện pháp xử lý hiệu quả.
Với đặc trưng của nước thải chế biến tinh bột sắn có hàm lượng chất hữu cơ
cao khi phân hủy có thể tạo thành khí metan, CO2 là những khí có thể gây hiệu ứng
nhà kính, nên xu hướng trên thế giới ngày nay, không chỉ tập trung vào khía cạnh
xử lý nước thải mà còn xem xét, kết hợp việc xử lý nước thải với việc tận thu, giảm
phát thải khí nhà kính theo hướng tiếp cận cơ chế phát triển sạch – CDM.
Ở Việt nam bước đầu đã có một số nghiên cứu khả quan về xử lý nước thải
ngành tinh bột sắn theo xu thế trên nhưng nhìn chung mới là bước đầu và chưa đạt
hiệu quả cao. Trong khi đó, ngành công nghiệp sản xuất tinh bột sắn ở nước ta lại
rất phát triển, đã đóng góp một phần không nhỏ vào tốc độ tăng trưởng kinh tế. Vì
vậy, việc xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn theo xu hướng trên là hoàn toàn có
triển vọng để mở rộng và áp dụng phổ biến trong tương lai.
Tuy nhiên, vẫn cần phải có những nghiên cứu cụ thể hơn và phù hợp với điều
kiện hiện nay của nước ta. Đặc biệt là vận dụng các phương pháp luận do Ủy ban
Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) hướng dẫn để tính toán giảm phát thải
khí nhà kính trong xử lý nước thải ngành tinh bột sắn.
Đỗ Thị Hải Vân
1
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, trong luận văn này đã tiến hành thực hiện
đề tài : “Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn theo hướng tiếp cận Cơ
chế phát triển sạch (CDM)” với mục tiêu: xử lý ô nhiễm môi trường (nước thải chế
biến tinh bột sắn) kết hợp thu khí giảm phát thải khí nhà kính nhằm bảo vệ môi
trường và tăng hiệu quả kinh tế.
Nội dung nghiên cứu của luận văn:
- Nghiên cứu hệ thống xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn tại cơ sở sản
xuất tinh bột sắn làng nghề Dương Liễu, Hà Nội đảm bảo đạt quy chuẩn xả thải theo
QCVN 40/2011 BTNMT, mức B
- Tính toán giảm phát thải khí nhà kính khi thu hồi và tận dụng khí metan
hình thành từ quá trình phân hủy yếm khí của hệ thống xử lý nước thải
- Ước tính hiệu quả kinh tế từ bán chứng chỉ giảm phát thát (CER) và khi
thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch (than) bằng khí sinh học thu hồi.
.
Đỗ Thị Hải Vân
2
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Ngành chế biến tinh bột sắn
1.1.1 Quy trình chế biến tinh bột sắn
Quy trình chế biến tinh bột sắn được thể hiện trong Hình 1.1
Quá trình chế biến tinh bột sắn cần sử dụng một lượng lớn nước chủ yếu cho
quá trình rửa và lọc. Lượng nước thải ra trung bình 15 m3 khi sản xuất 1 tấn sắn
tươi. Sau khi lọc bột sắn được sấy khô bằng không khí nóng để giảm lượng nước từ
35 - 40% xuống 11 - 13%. Quá trình này đòi hỏi nhiều năng lượng. Thông thường
nhu cầu năng lượng điện và năng lượng nhiệt cho 1 kg sản phẩm là 0,320 – 0,939
MJ và 1,141 - 2,749 MJ tương đương 25% và 75% tổng năng lượng [48].
Sắn củ tươi
Nước
Nước thải
Bóc vỏ, rửa sạch
Vỏ sắn
Nghiền
Nước
Nhiệt
lượng
Lọc thô
Bã thải rắn
Lắng lần 1
Lắng lần 2
Thu tinh bột
Thu bột đen
Phơi sấy khô
Hơi nước
Nước
thải
Sản phẩm
Hình 1.1. Quy trình chế biến tinh bột sắn [24, 45]
Đỗ Thị Hải Vân
3
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
+ Rửa - bóc vỏ: là công đoạn làm sạch nguyên liệu, đồng thời loại bỏ lớp vỏ
Quá trình rửa nguyên liệu được thực hiện nhờ thiết bị rửa hình trống quay hoặc máy
rửa có guồng. Máy rửa hình trống quay, gồm một buồng hình trụ mở, được bọc
bằng mắt lưới thô, quay với tốc độ 10 ÷ 15 vòng/phút. Thiết bị làm việc gián đoạn
theo mẻ, nguyên liệu được cho vào lồng. Khi lồng quay nước được tưới vào trong
suốt quá trình nhờ bộ phận phân phối nước. Khi lồng quay các củ sắn chuyển động
trong lồng va chạm vào nhau và va chạm vào thành lồng, do đó đất cát cà vỏ được
tách ra [27, 45, 78].
Sau khi bóc vỏ, củ sắn thường được ngâm trong máng nước để loại bỏ các
chất hoà tan trong nguyên liệu như: độc tố, sắc tố, tanin,…
+ Nghiền: Sau khi ngâm, sắn được đưa vào thiết bị nghiền thành bột nhão,
phá vỡ tế bào củ và giải phóng tinh bột. Bột nhão sau nghiền gồm tinh bột, xơ và
các chất hoà tan như đường, chất khoáng, protein, enzym và các vitamin [27, 45,
78].
+ Lọc thô: là công đoạn quan trọng, phải sử dụng nhiều nước có thể lọc thủ
công hoặc dùng máy lọc.
- Lọc thủ công dùng lưới lọc, bột nhão được trộn đều trong nước, được chà
và lọc trên khung lọc, dịch bột lọc chảy qua lưới lọc vào bể còn bã sắn ở trên được
lọc lần 2 để tận thu tinh bột.
- Máy lọc: là một thùng quay trong đó có đặt lưới lọc, làm việc gián đoạn
theo mẻ. Nước và bột nhão được cấp vào thùng, khi thùng quay bột nhão được đảo
đều trong nước nhờ cánh khuấy, sữa bột chảy xuống dưới qua khung lưới lọc trước
khi vào bể lắng. Lưới lọc ngoài thùng quay giữ lại các hạt bột có kích thước lớn,
phần bột này sẽ được đưa trở lại thiết bị lọc. còn phần xơ bã được xả ra ngoài qua
cửa xả bã [27, 45, 78].
+ Lắng : Tinh bột có đặc điểm dễ lắng và dễ tách, sau 8 ÷ 15h có thể lắng
hoàn toàn. Khi bột đã lắng, từ từ tháo nước tránh gây sáo trộn tạp chất (bột đen) trên
bề mặt lớp bột. Lớp bột đen sẽ được loại bỏ để đảm bảo chất lượng của bột thành
phẩm.
Đỗ Thị Hải Vân
4
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Để thu được tinh bột có chất lượng cao, tinh bột sắn thô được tinh chế một
lần nữa theo quy tình sau: Bột thô có độ ẩm từ 55 ÷ 60% cho vào bể, bơm nước vào
với tỉ lệ bột và nước là 1/6. Dùng máy khuấy cho đồng nhất, để bột lắng lại sau 8 ÷
15h tháo nước trong và hớt lớp bột đen nổi lên trên. Có thể rửa 3 đến 4 lần để loại
bỏ hết tạp chất, sau khi rửa xong dùng tro thấm nước và đem bột ra phơi hoặc sấy
khô [27, 45, 78].
1.1.2. Nước thải ngành chế biến tinh bột sắn
Lượng nước thải sinh ra từ trong quá trình chế biến tinh bột sắn là rất lớn,
trung bình 10 -30 m3/tấn sản phẩm [48].
Căn cứ vào qui trình chế biến bột sắn, có thể chia nước thải thành 2 dòng:
- Dòng thải 1: là nước thải ra sau khi phun vào guồng rửa sắn củ để loại bỏ
các chất bẩn và vỏ ngoài củ sắn. Loại nước thải này có lưu lượng thấp (khoảng 2m3
nước thải /tấn sắn củ), chủ yếu chứa các chất có thể sa lắng nhanh (vỏ sắn, đất,
cát…). Do vậy với nước thải loại này có thể cho qua song chắn, để lắng rồi quay
vòng nước ở giai đoạn rửa. Phần bị giữ ở song chắn (vỏ sắn) sau khi phơi khô được
làm nhiên liệu chất đốt tại các gia đình sản xuất.
- Dòng thải 2: là nước thải ra trong quá trình lọc sắn, loại nước thải này có
lưu lượng lớn (10m3 nước thải/tấn sắn củ), có hàm lượng chất hữu cơ cao, hàm
lượng rắn lơ lửng cao, pH thấp, hàm lượng xianua cao, mùi chua, màu trắng đục.
Nước thải chế biến tinh bột sắn bao gồm các thành phần hữu cơ như tinh bột,
protein, xenluloza, pectin, đường có trong nguyên liệu củ sắn tươi là nguyên nhân
gây ô nhiễm cao cho các dòng nước thải của nhà máy sản xuất tinh bột sắn [1, 18].
Nước thải sinh ra từ dây chuyền sản xuất tinh bột sắn có các thông số đặc
trưng: pH thấp, hàm lượng chất hữu cơ và vô cơ cao, thể hiện qua hàm lượng chất
rắn lơ lửng (SS), các chất dinh dưỡng chứa N, P, các chỉ số về nhu cầu oxy sinh học
(BOD5), nhu cầu oxy hoá học (COD), …với nồng độ rất cao [17, 18]. Nồng độ ô
nhiễm của nước thải tinh bột sắn thể hiện cụ thể ở Bảng 1.1.
Đỗ Thị Hải Vân
5
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Bảng 1.1. Chất lượng nước thải từ sản xuất tinh bột sắn [48]
QCVN
TT
Thông số
Đơn vị
Giá trị
40:2011, mức
B
-
3.5 -5.0
5,5-9
COD
mg/l
7000 – 40000
150
3
BOD5
mg/l
6000 – 23000
50
4
TSS
mg/l
4000 – 8000
100
5
∑N
mg/l
42 - 262
40
6
∑P
mg/l
11 - 46
6
7
CN-
mg/l
10 - 40
0,1
1
pH
2
Số liệu ở bảng 1.1, cho thấy khoảng cách dao động về các chỉ tiêu nước thải
cao hơn nhiều lần so với QCVN 40 :2011/ BTNMT cột B. Cụ thể, COD cao hơn
200 lần; BOD cao hơn gần 500 lần; tổng nitơ và tổng photpho cao hơn 7 lần…so
với QCVN 40:2011/BTNMT.
Khi tính riêng cho 52 nhà máy qui mô lớn, ước tính lượng nước thải sinh ra
hàng ngày khi vào mùa vụ khoảng 140000 m3/ngày với tải lượng SS khoảng 1000
tấn/ngày; BOD khoảng 3.000 tấn/ngày; COD khoảng 5000 tấn/ngày; CN- khoảng 5
tấn/ngày [48].
Nếu lấy nước thải sinh hoạt làm cơ sở để so sánh mức độ ô nhiễm của nước
thải chế biến tinh bột sắn thì tải lượng ô nhiễm hữu cơ của ngành chế biến tinh bột
sắn sinh ra cũng gấp 4 lần tải lượng hữu cơ của tổng lượng nước thải sinh hoạt trên
toàn quốc. Với lượng nước thải sinh hoạt sinh ra hàng ngày trên cả nước là khoảng
2.010.000 m3/ngày, chiếm 64% trong tổng lượng các loại nước thải [2].
Các chất ô nhiễm trong nước thải tinh bột sắn gây ra nhiều tác động tiêu cực:
● BOD liên quan tới việc xác định mức độ ô nhiễm của nước cấp, nước thải
công nghiệp và nước thải sinh hoạt. Khi xảy ra hiện tượng phân hủy yếm khí với
Đỗ Thị Hải Vân
6
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
hàm lượng BOD quá cao sẽ gây thối nguồn nước và làm chết hệ thủy sinh, gây ô
nhiễm không khí xung quanh và phát tán trên phạm vi rộng theo chiều gió.
● COD cho biết mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ và vô cơ chứa trong nước
thải công nghiệp.
● Chất rắn lơ lửng (SS) cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực tới tài
nguyên thủy sinh đồng thời gây mất cảm quan, bồi lắng lòng hồ, sông, suối…
● Axit HCN là độc tố có trong vỏ sắn. Khi chưa được đào lên, trong củ sắn
không có HCN tự do mà ở dạng glucozit gọi là phazeolutanin có công thức hóa học
là C10H17NO6. Sau khi sắn được đào lên, dưới tác dụng của enzym xianoaza hoặc
trong môi trường axit thì phazeolutamin phân hủy tạo thành glucoza, axeton và axit
xianuahydric. Axit này gây độc toàn thân cho người. Xianua ở dạng lỏng trong
dung dịch là chất linh hoạt. Khi vào cơ thể, nó kết hợp với enzym xitochorom làm
men này ức chế khẳ năng cấp oxy cho hồng cầu. Do đó, các cơ quan của cơ thể bị
thiếu oxy. Nồng độ HCN thấp có thể gây chóng mặt, miệng đắng, buồn nôn. Nồng
độ HCN cao gây cảm giác bồng bềnh, khó thở, hoa mắt, da hồng, co giật, mê man,
bất tỉnh, đồng tử giãn, đau nhói vùng tim, tim ngừng đập và tử vong.
Do đó,nếu nước thải không được xử lý triệt để, không đạt tiêu chuẩn môi
trường thì sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng cho nguồn nước, đất và không khí.
1.2. Xử lý nước thải ngành chế biến tinh bột sắn bằng phương pháp sinh học
Bản chất của phương pháp này là phân hủy các chất hữu cơ nhờ vào vi sinh
vật. Nghĩa là các vi sinh vật sẽ sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng để
làm chất dinh dưỡng xây dựng tế bào và tạo năng lượng, qua đó làm giảm hàm
lượng các chất ô nhiễm trong nước thải.
1.2.1. Cơ chế của quá trình phân hủy hiếu khí [13]
+ Cơ chế: Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung
cấp oxy liên tục. Quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng các
phản ứng:
Oxy hóa các chất hữu cơ:
CxH1yOz + O2 → CO2 + H2O + ∆H
Đỗ Thị Hải Vân
7
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Tổng hợp tế bào mới:
CxH1yOz + CO2 + NH3 → CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H
Phân hủy nội bào:
C5H7NO2 + 5 O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 (+/-) ∆H
Trong 3 phản ứng ∆H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào.
+ Công trình xử lý hiếu khí thông dụng: Hồ hiếu khí
Hồ hiếu khí oxy hoá các chất hợp chất nhờ VSV hiếu khí và tảo (hình 1.2).
Có 2 loại: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
- Hồ làm thoáng tự nhiên: cấp oxy chủ yếu do khuyếch tán không khí qua
mặt nước và quang hợp của các thực vật. Diện tích hồ lớn, chiều sâu của hồ từ 30 –
50 cm. Tải trọng BOD từ 250 – 300 kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày.
- Hồ làm thoáng nhân tạo: cấp oxy bằng khí nén và máy khuấy. Tuy nhiên,
hồ hoạt động như hồ tùy nghi. Chiều sâu từ 2 – 4,5 m, tải trọng BOD
400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước từ 1 – 3 ngày.
Hình 1.2. Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí [13]
Đỗ Thị Hải Vân
8
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
1.2.2. Cơ chế của quá trình phân hủy kỵ khí
+ Cơ chế: Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình
phức tạp gồm nhiêu giai đoạn có thể tóm tắt trong hình 1.3.
Các chất hữu cơ phân tử lượng lớn
(gluxit, protein, lipit, hydrocacbua,…)
Giai đoạn
thuỷ phân
Các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ
(đường, axit amin, axit béo,…)
Lên men axit hữu cơ và các chất
trung tính
Giai đoạn lên
men axit hữu
cơ
Axit propionic, axit butyric,
rượu, andehyt,
axeton,…
Các chất khí
Axit axetic
CO2, H2
Decacboxyl hoá
Khử CO2
Giai đoạn
axetic hoá
Giai đoạn
lên men
CH4
NH3, H2S
8H+
CH4
CO2
Hình 1.3. Quy trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ [46, 51]
Cơ chế phân hủy kỵ khí có thể biểu diễn theo phương trình tổng quát sau đây [49]:
CxHyOz + (x -
Đỗ Thị Hải Vân
y z
- ) H2O
4 2
Vi sinh vật
9
(
x
y z
x
y
z
- + )CO2 + ( +
- ) CH4
2 8 4
2
8 4
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Tuy nhiên, trong thực tế quá trình phân hủy kỵ khí thường xảy ra theo 4 giai
đoạn
Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân [15, 28]
Dưới tác dụng của các enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất
hữu cơ phức tạp có phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit…được phân giải
thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ như đường, peptit, glyxerin,
acid amin, acid béo…
Protein
Tinh bột
Proteaza
Peptit
Peptidaza
Acid amin
Amylaza
Đường
Lypaza
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men acid hữu cơ [15, 28]
Các sản phẩm thuỷ phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá, các
sản phẩm thuỷ phân sẽ được phân giải yếm khí tiếo tục tạo thành acid hữu cơ phân
tử lượng nhỏ như acid propionic, acid butyric, acid axetic,… các rượu, andehyt,
axeton và cả một số aicd amin. Trong giai đoạn này BOD5 và COD giảm không
đáng kể nhưng pH của môi trường có thể giảm mạnh.
Sự lên men axit lactic:
NADH2
C6H12O6
NAD
2CH3COCOOH
axit pyruvic
CH3CHOHCOOH
pyruvat hidrogennaza
axit lactic
Sự lên men etanol:
CO2
C6H12O6
Đỗ Thị Hải Vân
NADH2 NAD
CH3COCOOH
CH3CHO
Pyruvat decacboxylaza
10
CH3CH2OH
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Giai đoạn 3: Lên men tạo axit axetic
Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic sẽ được
từng bước chuyển hoá thành axit axetic:
3CH3CHOHCOOH
2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + 2H2O
axit Lactic
axit Propionic
axit axetic
Các axit có phân tử lượng lớn được cắt từng bước tại nguyên tử Cβ:
RnCH2CH2COOH
Rn-1COOH
+
axit béo mạch ngắn hơn
CH3COOH
axit axetic
Giai đoạn 4: Giai đoạn metan hoá [68]
Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý yếm khí, nhất
là khi xử lý yếm khí thu biogas. Hiệu quả xử lý sẽ cao khi các sản phẩm trung gian
được khí hoá hoàn toàn. Dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men metan, các axit
hữu cơ bị decacboxyl hoá tạo khí metan. Trong xử lý yếm khí, khí metan được tạo
thành theo hai cơ chế chủ yếu là khử CO2 và decacboxyl hoá.
- Decacboxyl hoá:
CH4
CH3COOH
+
CO2
4CH3CH2COOH
7CH4
+ 5CO2
2CH3(CH2)2COOH
5CH4
+ 3CO2
2CH3CH2OH
CH3COCH3
3CH4
+
CO2
2CH4
+
CO2
Khoảng 70% CH4 được tạo thành do decacboxyl hoá axit hữu cơ và các chất
trung tính.
- Khử CO2
CO2
+
4H2
4NADH2 4NAD
CO2
CH4
+
2H2O
CH4
+
2H2O
Khoảng 30% CH4 được tạo thành do khử CO2 [12].
Đỗ Thị Hải Vân
11
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
+ Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí thông dụng:
Bể UASB (Upward – flow Anaerobic Sludge Blanket)
Một trong những phát triển nổi bật của công nghệ xử lý kỵ khí là bể UASB
được phát minh bởi Lettinga và các đồng nghiệp vào năm 1980 [50]. Ứng dụng đầu
tiên là xử lý nước thải sinh hoạt, sau đó được mở rộng cho xử lý nước thải công
nghiệp [63].
Bể UASB có thể xây dựng bằng bêtông cốt thép, thường xây dựng hình chữ
nhật. Để dễ tách khí ra khỏi nước thải người ta lắp thêm tấm chắn khí có độ nghiêng
≥ 350 so với phương ngang. Tải lượng COD thiết kế thường trong khoảng 4 – 15
kg/m3.ngày. Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể
và nước thải đi lên với vận tốc 0,6 – 0.9 m/h qua lớp bùn kỵ khí. Tại đây xảy ra quá
trình phân hủy sinh học kỵ khí [27, 29].
Khí sinh học được tạo thành sẽ kéo theo các hạt bùn nổi lên, va vào thành
thiết bị tách 3 pha khí-lỏng-rắn(bùn) dạng hình nón lật ngược khiến cho các bọt khí
được giải phóng thoát lên; các hạt bùn lại rơi trở lại lớp đệm bùn.
Hình 1.4. Bể UASB [27]
Đỗ Thị Hải Vân
12
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Bể CIGAR (Covered In-Ground Anaerobic Reactor) [38, 56]
Bể CIGAR thực chất là một hồ kỵ khí có thu hồi khí sinh học. Hồ được bao
phủ toàn bộ bề mặt và lót đáy bằng bạt HPDE
Lớp bạt HPDE bao phủ bề mặt tạo ra điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt đồng
thời ngăn không cho khí sinh học phát tán ra môi trường. Lớp lót đáy HPDE có thể
được lắp đặt nếu cần, tùy vào mực nước ngầm của khu xử lý. Tuy nhiên, nên lót đáy
để có thể chống rò rỉ nước thải, gây ô nhiễm đất và nước ngầm.
Trước khi vào bể CIGAR , nước thải được chảy vào bể lắng nhằm giảm bớt
lượng chất rắn lơ lửng, cặn đảm bảo quá trình phân hủy kỵ khí trong bể CIGAR đạt
hiệu quả cao nhất. Thời gian lưu nước thải trong bể khoảng 30 ngày.
Toàn bộ lượng khí sinh học ( metan chiếm 55 – 70% ) hình thành được thu
hồi nhờ hệ thống ống dẫn khí lắp đặt bên trong bể CIGAR
Hình 1.5. Bể CIGAR [38]
Đỗ Thị Hải Vân
13
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học
Điều kiện nước thải phải đưa vào xử lý sinh học [13]
Phương pháp xử lý sinh học nước thải có thể dựa trên cơ sở hoạt động
của Vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước. Do vậy, điều kiện
kiên quyết vô cùng quan trọng là nước thải phải là môi trường sống của quần
thể sinh vật và thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh trong
nước thải.
+ Chú ý đến hàm lượng kim loại nặng. Xếp theo thứ tự mức độ độc hại
của chúng: Sb>Ag>Cu>Hg>Co>Ni>Pb>Cr3+>V> Cd>Zn>Fe.
Nói chung, các ion kim loại này thường ở nồng độ vi lượng (vài phần triệu
đến vài phần nghìn) thì có tác dụng dương tính đến sinh trưởng vi sinh vật+ Chất
hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng
cho vi sinh vật. Các hợp chất hidratcacbon, protein, lipit hòa tan thường là cơ chất
dinh dưỡng cho vi sinh vật.
+ Nước thải đưa vào xử lý sinh học có 2 thông số quan trọng là BOD và
COD. Tỉ số của 2 thông số này phải là: COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5,
mới có thể đưa vào xử lý hiếu khí. Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó
gồm có xenlulozo, hemixenlulozo, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý
sinh học kỵ khí trước rồi mới xử lý hiếu khí.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy hiếu khí [14]
- Oxygen (O2): Trong các công trình xử lý hiếu khí, O2 là một thành phần
cực kỳ quan trọng của môi trường. Công trình phải bảo đảm cung cấp đầy đủ
lượng O2 một cách liên tục và hàm lượng O2 hoà tan trong nước ra khỏi bể lắng
đợt II ≥ 2mg/l.
- Nồng độ các chất hữu cơ: phải thấp hơn ngưỡng cho phép. Có nhiều
chất hữu cơ nếu nồng độ quá cao, vượt quá mức cho phép sẽ ảnh hưởng xấu đến
hoạt động sống của vi sinh vật tham gia xử lý, cần kiểm tra các chỉ số BOD và
COD của nước thải. Cụ thể: hỗn hợp nước thải công nghiệp và nước thải sinh
Đỗ Thị Hải Vân
14
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
hoạt chảy vào công trình xử lý là bể lọc sinh học phải có BOD ≤ 500mg/l, nếu
dùng bể Aeroten thì BOD ≤ 1000mg/l. Nếu nước thải có chỉ số BOD vượt quá
giới hạn nói trên, cần thiết phải dùng nước thải đã qua xử lý hay nước sông đã pha
loãng.
- Nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật : Tùy theo hàm lượng cơ chất
hữu cơ trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần
thiết là khác nhau. Thông thường cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo tỷ lệ
thích hợp COD:N:P = 150:5:1. Nếu thời gian xử lý là 20 ngày đêm thì giữ ở tỷ lệ
BOD:N:P = 200:5:1. Khi cân bằng dinh dưỡng người ta có thể dùng NH4OH, ure và
các muối amon làm nguồn nito và các muối photsphat, supephosphat làm nguồn
phospho theo bảng 1.2 dưới đây.
Bảng 1.2. Nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết [14]
BOD của nước thải
(mg/l)
Nồng độ nitrogen
trong muối amon
Nồng độ phospho
(mg/l)
trong P2O5 (mg/l)
< 500
15
36
500 - 1000
25
8
Ngoài nguồn nitơ, phospho có nhu cầu như đã nêu trên, các yếu tố dinh
dưỡng khoáng khác như K, Ca, S...trong nước thải thường cũng đủ cung cấp cho
nhu cầu của vi sinh vật, ta không cần phải cho thêm vào nữa.
- Các yếu tố khác của môi trường như pH, nhiệt độ cũng có ảnh hưởng
đáng kể đến quá trình hoạt động của vi sinh vật trong các thiết bị xử lý. Qua thực
nghiệm cho thấy, thường giá trị pH tối ưu cho hoạt động phân giải của các vi sinh
vật trong bể xử lý hiếu khí là 6,5 – 8,5 và nhiệt độ của nước thải trong các
công trình nằm trong khoảng 6oC – 37oC.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí
- Các chất dinh dưỡng [25]
Đỗ Thị Hải Vân
15
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
Phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí sẽ sản sinh
ra khí metan. Tất cả các quá trình sinh học đòi hỏi phải cung cấp đầy đủ các chất
dinh dưỡng đặc biệt là carbon và nitơ. Việc thiếu các chất dinh dưỡng cần thiết cho
sự phát triển vi sinh vật sẽ hạn chế việc sản xuất khí sinh học. Các chất dinh dưỡng
được chỉ định bởi tỷ lệ C/N khoảng 20-30/1. Nếu hàm lượng nitơ thiếu hụt thì lượng
sinh khối tạo thành sẽ quá thấp không đáp ứng được vận tốc của quá trình chuyển
hóa cacbon. Ngược lại, với nước thải giàu nitơ thì quá trình khử amin sẽ thành NH4+
ức chế mạnh các vi khuẩn metan hóa.
- Yếu tố pH [42, 57, 67]
Trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ khoảng pH tối ưu là 5 – 7,
còn trong giai đoạn metan hóa thì pH = 6,8 – 7,2. Chỉ có loài vi khuẩn
Methanosarcina có thể chịu đựng được các giá trị pH thấp (pH ≤ 6,5). Với các vi
khuẩn sinh metan khác, quá trình trao đổi chất bị ức chế đáng kể ở pH < 6,7.
Thực nghiệm cho thấy pH tối ưu chung cho cả hai quá trình là 6.5 – 7,5.
Song trên thực tế người ta có kỹ thuật để lên men ở pH = 7.5 – 7.8 mà vẫn hiệu quả.
-
Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật. Dải
nhiệt độ cho quá trình phân hủy từ 30 – 550C. Dưới 100C vi sinh vật sinh metan gần
như không hoạt động
Thích nghi với điều kiện nhiệt độ, các vi sinh vật kỵ khí chia làm 2
nhóm: nhóm ưa nhiệt(thermophilic) thích nghi ở 50 - 650C và nhóm ưa ấm
(mesophilic) với nhiệt độ 25 - 400C [32, 33, 47]. Hầu hết các vi sinh vật lên men
metan đều thuộc nhóm ưa ấm, chỉ có rất ít nhóm là ưa nhiệt [52].
- Các độc chất
Qua tìm hiểu đặc điểm sinh lý các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải
bằng phương pháp kỵ khí, người ta nhận thấy:
+ Một số các hợp chất như CCl4, CHCl3,... và các ion tự do của các kim loại
nặng có nồng độ 1mg/l sẽ thể hiện tính độc đối với các vi sinh vật kỵ khí [13].
Đỗ Thị Hải Vân
16
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
Luận văn thạc sĩ
+ Các hợp chất như formadehyde, SO2, H2S với nồng độ 50 - 400mg/l sẽ gây
độc hại với các vi sinh vật kỵ khí trong công trình xử lý [13].
2-
+ S được coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo methane. Sở dĩ có lập luận
2-
này là do nhiều nguyên nhân khác nhau: S làm kết tủa các nguyên tố vi lượng như
Fe, Ni, Co, Mo...do đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, đồng thời, các
electron giải phóng ra từ quá trình oxy hoá các chất hữu cơ sử dụng cho quá
trình sulfate hoá và làm giảm quá trình sinh methane [44].
+ Các hợp chất NH4 ở nồng độ 1,5 - 2mg/l gây ức chế quá trình lên men kỵ
khí [44, 68].
+ Kim loại nặng: các vi khuẩn metan hóa đặc biệt mẫn cảm với các ion kim
loại nặng. Sự có mặt của các kim loại nặng ngoài ngưỡng cho phép sẽ ức chế quá
trình metan hóa và khí hóa dẫn đến tỉ lệ CO2 tăng, CH4 giảm. Mặt khác, do không
được decacboxyl hóa tạo CH4 các axit hữu cơ không được khử, chúng tồn đọng
trong thiết bị làm giảm pH, ngừng trệ quá trình kỵ khí trong thiết bị phản ứng [13].
1.3. Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn
1.3.1. Các nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn trên thế giới
Vấn đề ô nhiễm nước thải ngành sản xuất tinh bột sắn luôn là mối quan tâm
của nhiều nhà khoa học và quản lý môi trường.
Hiện nay, ngày càng có nhiều nghiên cứu đề cập tới vấn đề xử lý nước thải
sản xuất tinh bột sắn như “Anaerobic treatment of tapioca starch industry
wastewater by bench scale upflow anaerobic sludge blanket reactor “ [58]; nghiên
cứu “Cassava waste treatment and residue management in Indian” [60] hay nghiên
cứu “Water – Wastewater managerment of tapioca starch manufacturing using
optimization technique” [65]. Các đề tài này chủ yếu tập trung nghiên cứu xử lý
nước thải sản xuất tinh bột sắn bằng phương pháp kỵ khí tải lượng cao như phương
pháp UASB, phương pháp UASB-lọc sinh học kết hợp, nghiên cứu ảnh hưởng của
tải lượng và khả năng thu hồi khí sinh học từ quá trình xử lý.
Đỗ Thị Hải Vân
17
Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
