Đề tài Nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn tại nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình – Yên Bái

thành bằng dung dịch H2SO4 hoặc (HCl) chuẩn, tính được hàm lượng nitơ. (NH4)2B4O7 + H2SO4 + 5H2O = (NH4)2SO4 + 4H3BO3 + Tính kết quả: Nồng độ nitơ kjeldahl được xác định theo công thức: (mg/l) Trong đó: V0 : Thể tích mẫu thử (ml) V1 : Thể tích HCl tiêu chuẩn dùng để chuẩn độ mẫu (ml) V2 : Thể tích HCl tiêu chuẩn dùng để chuẩn độ mẫu trắng CHCl : Nồng độ chính xác của axit HCl tiêu chuẩn dùng để chuẩn độ, (mol/l) 14,01 : Khối lượng nguyên tử của nitơ - Chú ý: + Trong quá trình vô cơ hoá, các khí độc như SO2, H2S, HCN có thể sinh ra, vì vậy phải tiến hành vô cơ hoá trong tủ hút hoặc phải lắp đặt bộ phận xử lý phía sau + Bộ cất nitơ phải đảm bảo kín để không gây thất thoát NH3 trong quá trình chưng + Phần cặn còn lại sau khi chưng chứa Selen (rất độc) cần thu gom và chứa vào bình riêng để có biện pháp xử lý thích hợp. f. Định lượng phốtpho tổng: Photpho trong nước thải tồn tại ở dạng orthophotphat (PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4), polyphotphat (Na3(PO3)6) và photphat hữu cơ. + Nguyên tắc xác định: Toàn bộ photpho hữu cơ và vô cơ trong mẫu được chuyển về dạng orthophotpat. Phản ứng của octophotphat với molipdat và antimon trong môi trường axit sẽ tạo phức chất antimon photphomolipdat Khử phức chất bằng axit ascobic tạo thành phức chất molipden màu xanh đậm. Đo độ hấp thụ của dung dịch sẽ xác định được nồng độ octo photphat. + Cách tiến hành: - Lập đường chuẩn - Từ mật độ quang của mẫu và mẫu trắng, dựa vào đường chuẩn tính được lượng P ứng với thể tích dung dịch đã hút. - Hàm lượng P có trong mẫu phân tích có thể tính theo công thức: (mg/l) Trong đó: + m : Hàm lượng P có trong bình tương ứng với thể tích đã hút (μg) + C : Hàm lượng P (mg/l) + V : Thể tích mẫu lấy phân tích (ml) h. Định lượng axit tổng (AT) + Nguyên tắc xác định: Phương pháp chuẩn độ axit bazơ. + Cách tíến hành: - Lấy một lượng mẫu xác định cho vào bình nón (Vm). Thêm vài giọt chỉ thị phenolphtalein, lắc đều. - Đem chuẩn độ cho đến khi dung dịch chuyển từ không màu sang màu hồng bền trong khoảng 30 giây thì ngừng chuẩn độ. - Ghi kết quả thể tích NaOH đã dùng để chuẩn độ (Vn) + Hàm lượng axit tổng được xác định theo công thức (mg/l) Trong đó: - Vn : Thể tích NaOH tiêu tốn khi chuẩn độ (ml) - Vm: Thể tích mẫu lấy để phân tích (ml) - 6 : Đương lượng của 1ml NaOH 0,1N ↔ 6 mg CH3COOH Chú ý: Nồng độ đương lượng của NaOH phải được chuẩn lại hàng ngày bằng dung dịch axit chuẩn H2C2O4 0,1N. i. Định lượng axit bay hơi + Nguyên tắc xác định: Phương pháp chuẩn độ axit bazơ + Cách tiến hành: - Lấy thể tích mẫu xác định vào bình chưng cất 500 ml (khoảng 200ml). Dùng khoảng 50 ml nước cất tráng sạch bình đựng dung dịch mẫu (tráng nhiều lần với lượng nhỏ) - Cho vài viên đá bọt vào, sau đó cất trong khoảng 40 phút. Dung dịch cất xong được khoảng 100 ÷ 120 ml. - Chuẩn dung dịch thu được bằng dung dịch NaOH 0,1N với chỉ thị Phenolphtalein. + Hàm lượng axit bay hơi được tính như sau: - Trường hợp không pha loãng (mg/l) Trong đó: - Vn : Thể tích NaOH 0,1N dùng để chuẩn độ (ml) - Vm: Thể tích mẫu đem chưng cất (ml) - Trường hợp pha loãng (mg/l) Trong đó: Vn: Thể tích NaOH 0,1N chuẩn mẫu (ml) Vm: Thể tích mẫu đem chưng cất (ml) c : Dung tích được định mức (ml) b : Dung tích mẫu đem chuẩn (ml) k. Xác định hàm lượng CH4 thông qua CO2 Biogas thu được chứa chủ yếu là khí CH4 và CO2. Các tạp chất khác như N2, H2S, NH3, H2 chỉ chứa khoảng 1 ÷ 2%. + Nguyên tắc xác định CO2 Cacbon dioxyt tác dụng với Ba(OH)2 tạo thành kết tủa BaCO3 CO2 + Ba(OH)2 = BaCO3↓ + H2O Chuẩn Ba(OH)2 dư bằng axit oxalic với chất chỉ thị phenolphtalein. Từ lượng Ba(OH)2 tiêu tốn tính được lượng khí CO2 có trong mẫu. + Cách tiến hành: Mang dụng cụ đến nơi lấy mẫu (dùng túi chứa khí chuyên dụng), lấy mẫu vào túi, đưa về phòng thí nghiệm để phân tích. Bình phản ứng thể tích 500 ml (sạch, khô) Dùng pipet lấy 50 ml (V) dung dịch Baryt cho vào chai. Đem chai hút chân không (loại hết không khí). Sau đó đưa mẫu cần phân tích vào chai. Thực hiện quá trình hấp thụ trong thời gian 4h. Chú ý: Trong thời gian hấp thụ mẫu cần được lắc thường xuyên (15 phút/lần) để đảm bảo CO2 được hấp thụ hoàn toàn. Sau 4h lấy ra 10 ml (a) cho vào bình nón, nhỏ 4 giọt phenolphtalein và chuẩn lại bằng dung dịch axit oxalic đến mất màu hồng. Ghi lượng axit oxalic đã dùng. Để chuẩn mẫu trắng lấy 10 ml dung dịch Baryt. Thêm 4 giọt phenol phtalein và chuẩn lại với dung dịch axit oxalic, ghi thể tích dung dịch axit oxalic đã dùng chuẩn mẫu trắng. + Tính kết quả: (% hoặc ml/l) Trong đó: V : Thể tích dung dịch Baryt cho vào chai (ml) V0: Thể tích khí Biogas đã lấy cho vào chai ở đktc (ml) a : Thể tích hấp thụ đem chuẩn độ (ml) N : Thể tích dung dịch axit oxalic chuẩn độ mẫu trắng (ml) n : Thể tích dung dịch axit oxalic chuẩn độ mẫu phân tích (ml) + Tính hàm lượng CH4 thông qua CO2 % CH4 = 100% - % CO2 - 1% m. Hiệu quả xử lý nước thải bằng hệ thống UASB được đánh giá dựa vào các thông số sau: + Hiệu quả khử COD: (%) + Tải trọng COD: (kg/m3.ngày) hay (g/l.ngày) Trong đó: Q : Lưu lượng nước thải vào thiết bị UASB (l/ngày) CODv : COD của nước thải vào thiết bị UASB (g/l) CODr1 : COD của nước thải ra thiết bị UASB ngày hôm trước (g/l) CODr2 : COD của nước thải ra thiết bị UASB ngày hôm sau (g/l) : Dung tích làm việc của bể UASB ( l ). Vbiogas : Thể tích khí Biogas ( l ) + Hiệu suất thu Biogas: (%) 2. Thiết bị nghiên cứu a. Cấu tạo thiết bị H×nh: Bể UASB được làm bằng thuỷ tinh hữu cơ có dung tích thực 38 lít được chia làm 4 ngăn, theo thứ tự từ đáy bể nơi nước thải chảy vào có: + Ngăn bùn lắng có dung tích 7 lít, chứa lớp bùn kị khí + Ngăn chứa đệm có dung tích 14 lít, lớp đệm này có tác dụng cố định các vi sinh vật + Vùng metan hoá có dung tích 14 lít, ngăn này chứa lớp nước trong ở trên lớp đệm. + Ngăn tách khí nằm ở trên cùng, dung tích phần thu khí là 3 lít, ngoài ra còn có lưới kim loại chắn để tách bùn lỏng kéo theo khí. Do đó thể tích làm việc của thiết bị UASB là 35 lít và phần thu khí 3 lít. Ở trên thân thiết bị được bố trí các van: tiếp liệu, van tuần hoàn bùn, van tuần hoàn ở ngăn chứa đệm, van lấy mẫu ở vùng metan hoá, van chảy tràn ở phái trên. Nước thải sau khi qua thiết bị UASB sẽ được đưa qua hệ thống xử lý hiếu khí để xử lý triệt để trước khi thải ra môi trường. b. Nguyên tắc hoạt động Nước thải sau khi được điều chỉnh pH, được đưa lên thùng cao vị. Từ thùng cao vị nước thải được điều chỉnh tốc độ dòng chảy vào thiết bị UASB, chảy ngược qua lớp bùn kị khí, qua lớp đệm. Các chất ô nhiễm trong nước thải được giữ lại và phân huỷ yếm khí ngay trong lớp bùn kị khí ở vùng đáy bể. Dòng nước thải vào chuyển động đi lên và sự thoát khí làm cho các hạt bùn trong bể ở trạng thái lơ lửng phía trên lớp lọc. Quá trình thuỷ phân, lên men axit hữu cơ và lọc xảy ra ở vùng đệm, còn quá trình lên men tạo khí sinh học xảy ra ở lớp nước trong, phía trên đó là vùng metan hoá. Khí sinh học tạo thành trong quá trình lên men thoát ra có thể cuốn theo các hạt bùn, khi chạm phải tấm chắn, hạt bùn lắng trở lại. Biogas được thu vào tai chứa khí qua chụp khí được bố trí sát nắp thiết bị (Hình V.1). Nước sau xử lý thoát ra qua van chảy tràn. V.2 Kết quả nghiên cứu V.2.1 Kết quả khảo sát, đặc trưng nước thải sản xuất tinh bột sắn của Nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình - Yên Bái Với công nghệ chế biến tinh bột sắn của Trung Quốc, nước thải phát sinh ở hai công đoạn chính: rửa củ và tách bột. Cả hai dòng thải này đều có pH thấp (pH = 3,15 ÷ 3,30), độ ô nhiễm rất cao COD = 9936 ÷ 13327 mg/l; BOD5 = 5000 ÷ 7500 mg/l, được biểu thị trên bảng số liệu (Bảng V.1) Bảng V.1: Đặc trưng nước thải của Nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình (Mẫu lấy ngày 11.03.2006) TT Chỉ tiêu Đơn vị M1 M2 TCVN 5945 – 1995 Cột B 1 pH 3,15 3,30 5,5 - 9 2 COD mg/l 9.936 13.247 100 3 BOD5 mg/l 5.000 7.500 50 4 TS mg/l 9.078 12.154 - 5 SS mg/l 7.240 7.472 100 6 ∑N mg/l 25,22 59,4 60 7 ∑P mg/l 6,26 13,21 6 Ghi chú: - M1: Mẫu nước thải sau khi tách bột, có lưu lượng 60 m3/h - M2: Mẫu nước thải rửa củ có tuần hoàn một phần nước sau tách bột có lưu lượng 90 m3/h. Như vậy tổng lưu lượng nước thải của nhà máy khoảng 3200 m3/ngày. V.2.2 Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn có độ ô nhiễm cao thu Biogas bằng hệ thống UASB thực nghiệm Trong thời gian tiến hành nghiên cứu, do điều kiện Nhà máy quá xa nên nước thải để nghiên cứu đã được lấy từ một số hộ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ bằng các thiết bị bán cơ giới, ở Làng nghề Dương Liễu, huyện Hoài Đức, tỉnh Hà Tây. Kết quả phân tích cho thấy nước thải sau tách bột đen ở làng nghề Dương Liễu có đặc trưng tương tự như nước thải của nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình (Bảng V.2) Bảng V.2: Kết quả phân tích đặc tính nước thải sản xuất tinh bột sắn Làng nghề Dương Liễu - Hoài Đức - Hà Tây TT Ngày lấy mẫu pH COD (mg/l) BOD5 (mg/l) TS (mg/l) SS (mg/l) ∑N (mg/l) ∑P (mg/l) 1 19/3 3,90 17.250 8.986 14.028 1.420 258,34 46,78 2 27/3 3,37 10.212 6.995 7.620 246 116,85 18,05 3 3/4 3,63 9.728 6.150 7.259 205 139,60 15,62 4 5/4 3.40 10.789 7.500 7.730 192 115,90 11,56 5 9/4 3,57 8.845 5.760 6.530 140 98,67 13,72 6 14/4 3,87 9.024 5.830 7.645 212 118,76 16.45 7 20/4 3,75 9.526 6.125 6.356 225 109,89 15,67 8 26/4 3,68 13.344 7.656 7.230 756 130,75 21,58 Trung bình 3,65 11.090 6.875 8.050 425 136,10 19,93 9 TCVN 5945 – 1995 (Cột B) 5,5 -9 100 50 100 60 6 Nước thải được lấy về phòng thí nghiệm sau đó điều chỉnh pH bằng NaHCO3. Trong xử lý yếm khí cần phải có thời gian để theo dõi những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình, nhưng do thời gian nghiên cứu hạn hẹp. Đề tài chỉ tiến hành nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng như: - Hàm lượng COD dòng vào - Thời gian lưu của nước thải - Tải lượng COD Để tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý thì thiết bị UASB phải hoạt động ở trạng thái ổn định. Giai đoạn đầu (giai đoạn thích nghi hệ thống) để đảm bảo thiết bị mau chóng đi vào hoạt động ổn định, thí nghiệm được tiến hành ở 3 chu kì với COD dòng vào thấp (COD = 4.600 ÷ 6605 mg/l), pH dòng vào được điều chỉnh lên 6,0 ÷ 7,0; thời gian lưu θn = 3,5 ngày. Kết quả cho thấy COD dòng ra hai ngày đầu nhỏ (COD = 220 ÷ 340 mg/l) vì đây là thời gian trễ của hệ thống, những ngày sau COD ra tăng từ 340 mg/l lên 780 mg/l . Trong 3 chu kì đầu này hiệu quả khử COD chỉ đạt 87,33%, nhưng pH dòng ra đã tăng lên (pH = 7,33) đây là dấu hiệu tích cực cho quá trình ổn định, khí biogas đã thoát ra, tuy nhiên hiệu suất khí hoá (Ybiogas) còn thấp (Ybiogas= 0,12 ÷ 0,17 l/gCOD) .(Bảng 1 phần Phụ Lục). Sau khi vi sinh vật đã thích nghi, hệ thống hoạt động ổn định, để hạn chế lượng hoá chất (NaHCO3) cho điều chỉnh pH. pH dòng vào được giữ ổn định ở 5,5 và bắt đầu tiến hành với các ảnh hưởng: COD dòng vào; thời gian lưu; tải lượng dòng vào. V.2.2.1 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý Khi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của COD dòng vào, pH vào giữ ổn định ở 5,50; lưu lượng vào thiết bị là 10 l/ngày. CODvào được nâng từ 9817 ÷ 15130 mg/l, biến thiên COD ra dao động từ 323÷ 387 mg/l, với pH dòng ra ổn định từ 7,38 ÷ 7,43, hiệu quả khí hoá cao nhất là 0,60 (l/gCOD) (Bảng V.3). Bảng V.3 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý TT CODvào (mg/l) CODra (mg/l) YCOD (%) pHra Ybiogas (l/gCOD) 1 9817 387 95,88 7,43 0,55 2 10213 323 96,83 7,41 0,60 3 13100 366 97,20 7,38 0,55 4 15130 358 97,64 7,41 0,46 5 15800 1025 93,50 7,26 0,36 Hình V.1: Đồ thị ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý Từ đồ thị (hình V.1) cho thấy khi tăng COD dòng vào lên 15800 mg/l thì hiệu quả khử COD giảm đi rõ rệt (YCOD = 93,50%); COD ra tăng lên 1025 mg/l, và pH ra giảm xuống còn 7,26. Như vậy COD dòng vào tối ưu trong nghiên cứu ảnh hưởng của COD là 15130 mg./l. V.2.2.2 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý Thời gian lưu của nước thải trong thiết bị UASB là thời gian các hợp chất hữu cơ phân huỷ kị khí tạo ra biogas. Thời gian lưu càng lớn thiết bị phải có thể tích lớn và chi phí đầu tư xây dựng cao. Để tìm ra thời gian lưu tối ưu nhất nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý, thí nghiệm được tiến hành với các thời gian lưu 84h; 72h; 52; 48h. Thí nghiệm được tiến hành với COD dòng vào dao động trong khoảng 15130 ÷ 15580 mg/l; pHvào = 5,50. Kết quả ở thời gian lưu là 52h cho hiệu quả khử COD đạt cao nhất 97,90% (bảng V.4) Bảng V.4: Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý TT Thời gian lưu (h) CODvào (mg/l) CODra (mg/l) YCOD (%) Biogas (l/ngày) Tải trọng COD (g/l.ngày) 1 84 15130 358 97,64 69,73 4,23 2 72 15400 334 97,83 84,86 5,14 3 52 15368 322 97,90 97,42 6,47 4 48 15580 1025 93,42 97,31 7,18 Hình V.2: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý Với đồ thị (hình V.2), ở các thời gian lưu 84h; 72h và 52h, hiệu quả khử COD rất cao từ 97,64 ÷ 97,90%, thể tích khí biogas tăng dần từ 69,73 ÷ 96,42 l/ngày. Nhưng khi rút ngắn thời gian lưu xuống còn 48h tương ứng với lưu lượng dòng 17,5l/ngày, thì hiệu quả khử COD giảm đi rõ rệt, chỉ đạt 93,42% .Như vậy ở thời gian lưu 52h cho kết quả tối ưu. V.2..2.3 Ảnh hưởng của tải lượng COD đến hiệu quả xử lý Tải lượng dòng vào có ảnh hưởng rõ rệt tới hiệu quả xử lý và hiệu quả thu biogas. Khi tăng tải lượng COD dòng vào thiết bị từ 131 g/ngày (tương ứng với lưu lượng 10 l/ngày và thời gian lưu (θn) là 84h) lên 230,52/ngày (lưu lượng 15l/ngày; θn = 52h) thì COD dòng ra biến thiên ổn định từ 308 ÷ 366 mg/l, hiệu quả khử COD tăng từ 97,20 ÷ 97,90% Tiếp tục nâng tải lượng dòng vào lên 272,66 g/ngày (lưu lượng 17,5 l/ngày; θn = 48h), với COD dòng vào là 15580 mg/l thì cho thấy hiệu quả khí hoá và hiệu quả khử COD giảm đi đáng kể, còn COD dòng ra tăng lên 1025 mg/l. Điều này chứng tỏ vượt khả năng tải được của thiết bị. (bảng V.5) Bảng V.5: Ảnh hưởng của tải lượng COD đến hiệu quả xử lý TT Tải lượng (g/ngày) Lưu lượng (l/ngày) CODvào (mg/l) CODra (mg/l) YCOD (%) Ybiogas (l/gCOD) 1 131,00 10 13100 366 97,20 0,55 2 151,30 10 15130 358 97,64 0,46 3 159,92 12 13327 308 97,69 0,42 4 184,80 12 15400 334 97,83 0,47 5 230,52 15 15368 322 97,90 0,42 6 272,66 17,5 15580 1025 93,42 0,37 Hình V.3: Đồ thị ảnh hưởng của COD đến hiệu quả xử lý CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ HOÀN THIỆN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN THU BIOGAS CỦA NHÀ MÁY CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN YÊN BÌNH - YÊN BÁI VỚI CÔNG SUẤT 160 TẤN SẢN PHẨM/NGÀY VI.1 Tính toán các thiết bị Lượng nước thải cần xử lý yếm khí theo kết quả khảo sát định mức nước tiêu thụ của nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình là 3200 m3/ngày. Dựa vào kết quả nghiên cứu, có được các thông số tối ưu trong tinh toán thiết kế bể UASB là: Thời gian lưu 52h Tải trọng khối cao nhất Tkmax = 6,58 kg/m3.ngày VI.1.1 Song chắn rác Song chắn rác thường đặt đứng vuông góc với dòng chảy, song chắn rác gồm các thanh kim loại (thép không rỉ) tiết diện 5 x 20 mm đặt cách nhau 20 ÷ 50 mm trong một khung thép hàn hình chữ nhật, dễ dàng trượt lên xuống dọc theo 2 khe ở thành mương dẫn; vận tốc nước qua song vmax ≤ 1,0 m/s. VI.1.2 Bể điều hoà Thể tích bể điều hoà được tính theo công thức: (m3) [14] Trong đó: :là hệ thống dập tắt dao động Q : Lưu lượng nước thải (Q = 134 m3/h) Td : Thời gian đột biến (h) Cm : Hàm lượng CODvào cao nhất (mg/l) Ctb : Hàm lượng CODvào trung bình (mg/l) Ccf : Hàm lượng COD cho phép của thiết bị (mg/l) CODmax = 15560 mg/l CODtb = 13247 mg/l CODcf = 15368 mg/l Nước thải của nhà máy được thải ra liên tục, ổn định cho nên có thể coi thời gian thải đột biến là Td = 1h. = 1,09 Vậy Vdh = 1,09.134.1 = 146 (m3) Lấy thể tích bể điều hoà là 150 m3, chọn chiều sâu bể H = 2,0 m để tăng thời gian lắng, giảm diện tích xây dựng. Chọn kích thước bể điều hoà như sau: Chiều dài x chiều rộng x chiều cao = 10 x 7,5 x 2 VI.1.3 Bể UASB 1. Thông số tính toán thiết kế bể UASB: pH = 3,30 CODvào = 13247 mg/l BOD5 = 7500 mg/l Thời gian lưu = 52h (~ 2,3 ngày) CODra = 350 mg/l Tải trọng COD = 6,58 kgCOD/m3.ngày + Hiệu quả xử lý tính theo COD: E = = .100% = 97,36 % E : Hiệu quả xử lý (%) CODv : COD dòng vào (mg/l) CODr : COD dòng ra (mg/l) + Tải lượng COD cần khử trong một ngày: qCOD = Q.(CODv – CODr) qCOD = 3200. (13247 – 350). 10-3 = 41270 (kg/ngày) + Tải trọng COD: a = 6,58 kgCOD/m3.ngày + Dung tích để xử lý yếm khí cần thiết là: Vct = (m3) Vct = = 6.272 (m3) + Thể tích dự phòng lấy bằng 10% dung tích cần thiết: Vdp = 10%.Vct = 62,72 (m3) + Thể tích thực của bể UASB là: VUASB = Vct + Vdp = 6272 + 62,72 ≈ 6335 (m3) Quá trình xử lý yếm khí bằng thiết bị UASB phải phân vùng tốt, để đạt được sự phân vùng hiệu quả thì thiết bị UASB phải có chiều cao thích hợp. Vì vậy, bể UASB đề xuất sẽ được thiết kế thành 12 đơn nguyên (bể) hoạt động song song, độc lập. Giữa các đơn nguyên có hệ thống đường ống và van thông nối với nhau để chuyển ban nước từ ngăn nọ sang ngăn kia khi cần thiết. Mỗi đơn nguyên có dung tích xử lý là: V1 đơn nguyên = = 528 (m3). Bể yếm khí có dạng hình chữ nhật. Chọn chiều cao bể UASB là H = 6,0 (m) Diện tích đáy mỗi đơn nguyên là: S1bể = = 88 (m2) Kích thước của mỗi đơn nguyên là: Chiều dài x chiều rộng x chiều cao = 15 x 6 x 6 = 540 (m3) + Tổng dung tích hiệu dụng của UASB thiết kế là: 6480 m3. + Mỗi bể yếm khí có dung tích 540 m3 với kích thước (15x6x6) và được chia làm hai ngăn theo tỷ lệ L1 : L2 = 2 : 3 (hình - phụ lục) 2. Lưu lượng dòng vào mỗi đơn nguyên Qtb = = = 11,17 (m3/h) Q : Lưu lượng nước thải: 134 m3/h 3. Vận tốc dòng chảy ngược trong bể UASB v = = = 0,31 (m/h) [14] Q: Lưu lượng nước thải (m3/h) F : Tổng diện tích đáy các đơn nguyên (m2) 4. Lượng bùn tạo thành (kg/ngày) [14] Q : Lưu lượng nước thải (Q = 3200) m3/ngày Y : Hệ số tạo bùn (Y = 0,05) E : Hiệu quả xử lý (E = 97,36%) S0 : Nồng độ COD dòng vào; S0 = 13247 (mg/l) Kd : Hệ số tự huỷ, Kd = 0,01 ÷ 0,03; chọn Kd = 0,02 θ0 : Tuổi của bùn; lấy θ0 = 15 ngày Vậy : Px = = 1587,36 (kg/ngày) 5. Lượng khí biogas tạo thành Thành phần của khí biogas gồm: 50 ÷70% CH4; 30 ÷ 40% CO2; 1÷ 5% H2; 1% N2; 0,1% H2S; 0,1% O2; 0,1% hơi H2O [15] a. Theo lý thuyết: VCH4 = a.Q.S0.10-3.(1 - ); (m3/ngày) [16] a : Hệ số tạo khí CH4 (a = 0,38) Q : Lưu lượng nước thải (m3/ngày) S0 : COD dòng vào (kg/m3) Y : Hệ số tạo bùn (Y = 0,05) Kd : Hệ số tự huỷ (Kd = 0,02) θ0 : Tuổi của bùn (θ0 = 15 ngày) Vậy : VCH4 = 0,38 [E.Q.S0.10-3 – 1,42.Px] (m3/ngày) = 0,38. [0,9736.3200.13247.10-3 – 1,42.1587,36] = 14.827 (m3/ngày) Hàm lượng CH4 trong biogas chiếm 50 ÷ 70% Vậy tổng thể tích biogas tạo thành theo lý thuyết là: Vbiogas = = = 21.181 (m3/ngày) b. Theo thực nghiệm Lượng khí biogas thu được tính theo thực nghiệm: Vbiogas = G.Ybiogas [17] G : Tải lượng COD (kg/ngày) Ybiogas : Hệ số tạo khí biogas thực nghiệm (Ybiogas = 0,42) Vbiogas = 3200.. 0,42 = 17.336 (m3/ngày) (với thành phần CH4 = 62,44 ÷ 72,25%) Vậy lượng khí biogas thu được theo thực nghiệm là: 17.336 m3/ngày, đạt 81,18% so với lý thuyết. 6. Lượng bùn tuần hoàn Trong xử lý yếm khí tỷ lệ tối ưu của C:N = 30:1, do đặc trưng của nước thải sản xuất tinh bột sắn rất nghèo Nitơ, nên xảy ra hiện tượng không đủ Nitơ cho vi sinh vật tạo sinh khối do đó phải tiến hành tuần hoàn bùn để đảm bảo tỷ lệ C:N trong khoảng tối ưu. Ở đây sẽ tính lượng bùn tuần hoàn là lớn nhất, tức là sau khi tuần hoàn tỷ lệ C:N = 30:1. Lượng N trong bùn được tính theo công thức: Nb = (kg) [18] a : Hàm lượng protein của bùn (a = 0,5) b : Hệ số chứa Nitơ của protein vi khuẩn (b = 6,25) mb : Khối lượng bùn (kg) Nb : Lượng nitơ có trong bùn (kg) - Lượng Nitơ cần cho bể UASB hoạt động ở chế độ tối ưu là: MNopt = G : ()opt G : Tải lượng COD (kg/ngày) ()opt : tỷ lệ C:N tối ưu MNopt = 3200.. 30 = 1238,1 (kg/ngày) - Lượng Nitơ sinh ra do quá trình tự phân huỷ của vi sinh vật MNtự huỷ = (kg/ngày) Px : Lượng bùn tạo thành (kg/ngày) k : Hệ số tự huỷ của bùn (k = 0,02) a : Hàm lượng Protein của bùn (a = 0,5) b : Hệ số chứa Nitơ của Protein vi khuẩn (b = 6,25) Vậy lượng Nitơ sinh rado quá trình tự huỷ của vi sinh vật là: MNtự huỷ = = 10,159 (kg/ngày) - Lượng Nitơ được cấp cho bể UASB theo dòng vào là: MNcấp = G : ()cấp = 503,3 (kg/ngày) - Lượng Nitơ được chuyển hoá thành N2 trong biogas: Nbiogas = c.Vk.dN [18] c : Phần thể tích N2 có trong biogas (%) Vk : Thể tích biogas, (Vk = 17336 m3/ngày) dN : Khối lượng riêng khí N2; dN = 1,2507 (kg/m3) Vậy Nbiogas = 0,01x17336x1,2507 = 216,82 (kg/ngày) - Lượng Nitơ còn thiếu: MNthiếu = MN + Nbiogas – MNcấp – MN tự huỷ = 1238,1 + 216,82 – 503,3 – 10,159 = 941,46 (kg/ngày) Vì vậy, có thể tính bùn tuần hoàn: Vbùn tuần hoàn = (m3/ngày) d : Khối lượng bùn khô trong 1m3 nước sau xử lý (d = 5kg/m3) Vậy : Vbùn tuần hoàn = 588,4 (m3/ngày) VI.1.4 Bể lắng sau UASB Bể lắng bùn sau UASB cũng là bể lắng đợt I cho hệ thống Aeroten kế tiếp nên lưu lượng nước thải vào bể lắng I có lưu lượng là: Q = QUASB + Q’ QUASB : Nước ra sau UASB (QUASB = 3200 m3/ngày) Q’ : Nước rửa thiết bị, vệ sinh nhà xưởng và nước thải sinh hoạt (Q’ = 200 m3/ngày). Vậy tổng lưu lượng nước thải vào bể lắng đợt I là: Q = 3400 m3/ngày. Chọn kiểu bể lắng ngang, không xây dựng bể điều hoà, tỷ số chiều dài trên chiều rộng là 4:1, chiều cao vùng lắng 2,5 m. Tải trọng bề mặt U0 = 35 m3/m2.ngày - Diện tích bề mặt cần thiết của bể lắng F = (m2) [17] Q : Lưu lượng nước thải vào bể lắng đợt I (m3/ngày) U0 : Tải trọng bề mặt (m3/m2.ngày) Thay số vào ta có: F = = 97 (m2) - Chiều rộng bể F = BxL (L = 4B) B : Chiều rộng bể (m) F : Diện tích bể (m2) L : Chiều dài bể; với cách chọn L:B = 4:1 F = 4B2 suy ra B = 4,92 (m); lấy tròn B = 5m Diện tích bể nằm ngang: F = 5x20 = 100 m2 - Thể tích bể lắng V = H.F = 2,5 x 100 = 250 (m3) Vậy chọn kích thước bể là: 20 x 5 x 3 (m); Vthực = 300 (m3) - Tải trọng bề mặt U = = = 34 (m3/m2.ngày) - Vận tốc giới hạn của nước trong vùng lắng vH = (m/s) [17] k : Hằng số phụ thuộc tính chất của cặn (ở bể lắng đợt I chọn k = 0,05) ρ : Tỷ trọng của hạt, chọn ρ = 1,25 g : Gia tốc trọng trường (g = 9,8 m/s2) d : Đường kính tương đương của hạt (chọn d = 10-4 m) f : Hệ số ma sát phụ thuộc đặc tính bề mặt hạt và số Reynol của hạt khi lắng f = 0,02 ÷ 0,03; chọn f = 0,025 Vậy vH = = 0,0626 (m/s) - Thời gian lưu của nước trong bể t = = = 2,12 (h) - Vận tốc nước thải trong vùng lắng: v = = 0,00321 (m/s) (< vH) - Máng thu nước ra Máng thu nước ra được bố trí 1 máng ngang chạy suốt 5 m chiều rộng bể và 3 máng vuông góc với máng ngang, mỗi máng dài 2m. Tổng chiều dài máng l = 5 + 3 x 2 = 11 m Tải trọng thuỷ lực của máng: q = = = 309 (m3/mdài.ngày) - Vận tốc nước chảy vào máng tại mặt cắt ngang với độ sâu 2,5 m (mặt tiếp giáp vùng chứa cặn) v = = = 0,004 (m/s) (< vH) - Hiệu quả khử BOD và SS + Hiệu quả khử BOD RBOD = (%) [17] a;b : là các hằng số thực nghiệm (a = 0,018; b = 0,02) t : Thời gian lưu ( t = 2,12) vậy : RBOD = = 35,10 (%) + Hiệu quả khử SS RSS = (%) [17] x, y : là các hằng số thực nghiệm (x = 0,0075; y = 0,014) RSS = = 57,02 (%) VI.1.5 Hệ thống thu gom và tận thu khí sinh học - Sự cần thiết của khí sinh học + Thành phần của khí sinh học Khí sinh học (biogas) là một hỗn hợp của nhiều chất khí, thành phần của khí sinh học tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu và các điều kiện phân huỷ như nhiệt độ, pH, hàm lượng nướcNó cũng tuỳ thuộc vào các giai đoạn phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong thiết bị Thành phần của khí sinh học như sau: 50 ÷ 70% CH4; 30 ÷ 45% khí CO2 và các khí tạp (H2S; N2; H2) chiếm khoảng 3%. + Khí Metan (CH4): là thành phần chính của biogas. Nó là chất khí không màu, không mùi, nhẹ bằng nửa không khí và ít hoà tan trong nước. Metan là thành phần cháy chủ yếu của khí sinh học, khi cháy tạo thành ngọn lửa màu lơ nhạt, toả nhiều nhiệt. Hỗn hợp metan và oxy có thể nổ khi tỷ lệ O2:CH4 = 2:1 theo thể tích Nhiệt lượng do 1m3 khí toả ra khi cháy được gọi là nhiệt trị của khí đó. Metan có nhiệt trị là 35822 kJ/m3 (8570 kcal/m3). + Khí cacbonic (CO2): là chất khí không cháy, không màu, không mùi, nặng gần gấp rưỡi không khí. Tỷ lệ cacbonic cao trong khí sinh học sẽ làm cho chất lượng khí sinh học kém đi. + Khí Hydrosunfua (H2S): là khí có mùi trứng thối, khiến cho khí biogas cũng trở nên có mùi hăng, đây cũng là đặc trưng dễ nhận biết của khí sinh học. Tuy nhiên khí H2S cũng là khí cháy được nên khi đốt khí biogas sẽ hết mùi. Khí H2S rất độc, nếu ngửi nhiều sẽ đau đầu, buồn nôn, không phân biệt được các mùi khác nhau. + Lợi ích của biogas Từ thành phần của khí sinh học (KSH), có thể thấy KSH là một nguồn năng lượng giá trị cao, có thể phục vụ nhiều mục đích cho nhà máy: + Lợi ích về năng lượng Từ thành phần của biogas cho thấy biogas cháy được vì hàm lượng CH4 = 60 ÷ 70%: CH4 cháy khi có mặt của O2 theo phương trình phản ứng sau: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 212,79 kcal Nếu sử dụng trực tiếp biogas (khoảng 70% CH4) là nguồn nhiên liệu thì nhiệt trị của hỗn hợp khí khoảng (5124 kcal/m3). Một m3 khí biogas có thể cấp nhiệt tương đương 0,43 kg LPG (khí hoá lỏng) hoặc 0,52 lít dầu FO hay 0,62 lít dầu lửa hoặc 1,46 kg than đá. [19] + Tận thu CH4 và CO2 Việc tách và thu hồi riêng hai cấu tử này đòi hỏi phải có hệ thống thiết bị phức tạp. Khi các thành phần tạp chất được tách ra, có thể tận dụng CH4 như một nhiên liệu hay nguyên liệu cho các ngành công nghiệp hoá học. Khí CO2 thải ra môi trường hoặc hoá rắn để sử dụng cho công nghiệp ướp lạnh Từ những lợi ích trên của khí sinh học. Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình có thể thu hồi lượng biogas từ hệ thống UASB để tận dụng nhiệt phục vụ cho công đoạn sấy khô sản phẩm. Hiện tại nhà máy đang sử dụng đốt than cám (khoảng 100kg/tấn SP) để làm khô tinh bột. Do vậy, phương án đốt khí biogas phục vụ công đoạn sấy khô là khả thi và kinh tế. - Sơ đồ hệ thống thu gom khí sinh học Khí biogas được thu gom tại bể UASB nhờ hệ thống nối với đầu các vách thu khí và được quạt hút vào thiết bị ngưng tụ hơi nước. Tại đây hỗn hợp khí biogas được làm khô rồi được bơm hút vào lò đốt khí tạo nhiệt. - Lựa chọn các thiết bị trong hệ thống thu biogas + Thiết bị tách hơi nước Khí sinh học hình thành trong bể UASB khi được thu gom sẽ cuốn theo một lượng hơi nước nhất định. Để loại hơi nước, biogas được cho qua thiết bị tăng áp, giảm nhiệt khi đó hơi nước sẽ ngưng tụ và được tách ra khỏi khí sinh học. + Thiết bị đốt tạo nhiệt: Khí biogas sau khi loại hơi nước được cấp trực tiếp cho lò đốt tạo nhiệt với phản ứng: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Từ phương trình phản ứng đốt cháy trên có thể thấy thể tích O2 cần cấp để đốt cháy hoàn toàn gấp 2 lần thể tích CH4. Như vậy để đốt cháy 1m3 biogas cần cấp khoảng 6 ÷ 7m3 không khí (O2 chiếm 21% thể tích không khí). Nhiệt độ của quá trình đốt có thể đạt được 9000C [19]. - Thiết kế hệ thống thu gom khí biogas từ bể UASB Mục đích thu gom khí sinh học để phục vụ qúa trình sấy khô tinh bột, để tiện lợi cho việc thu gom toàn bộ lượng biogas từ 12 bể UASB, cần bố trí các ống thu cho mỗi đơn nguyên, đường ống dẫn khí, quạt hút riêng cho 12 bể UASB. + Số lượng ống thu khí: 12 ống + Lưu lượng khí mỗi bể UASB: Tổng lượng biogas thu được là 17.336 m3/ngày tương đương với 0,2 m3/s, vậy lưu lượng khí cho mỗi bể là: vbe = vbiogas/1bể = = 0,0167 (m3/s) + Vận tốc khí lớn nhất tại mỗi đầu ống: vmax = (m/s) [20] Chọn đường kính ống D = 50 mm = 0,05 m Ta có: vmax = = 8,51 (m/s). + Cấu tạo ống thu gôm khí được thiết kế theo kiểu thẳng đứng, dùng ống nhựa PVC có D = 50 mm, đặt từ dưới nắp bể. (hình VI.1) - Tính quạt và máy nén khí + Bố trí quạt hút Mỗi bể được bố trí 1 quạt như (hình vẽ VI.1) Quạt Biogas 1 2 8 3 4 5 6 7 12 9 11 10 Hình VI. Sơ đồ bố trí hệ thống quạt hút cho các bể Mỗi quạt có công suất: + Năng suất mỗi quạt q = vbe = 0,0167 (m3/s) Chọn quạt ly tâm có công suất: Nthực = 6 (kW) Công suất động cơ điện: Ndc = k.Nthực (kW) k : Hệ số dự trữ (chọn k = 1,1) Vậy Ndc = 1,1.6 = 6,6 (kW) - Máy nén khí biogas Tổng lượng khí sinh học tạo ra là: 17.336 (m3/ngày) = 0,2 m3/s Chọn máy nén có công suất 8 kW Công suất hiệu dụng của máy nén: Nhd = fck : Hiệu suất cơ khí của máy nén (chọn fck = 0,95) suy ra: Nhd = = 8,4 (kW) Công suất cơ điện: Ndc = (kW) [20] β : hệ số dự trữ công suất, chọn β = 1,15 ηdc: hiệu suất động cơ, ηdc = 0,96 ηtr : hiệu suất truyền động, ηtr = 0,95 vậy Ndc = 1,15. = 10,09 (kW) Do đó chọn máy nén khí có công suất động cơ là: 11kW VI.2 Tính toán chi phí xây dựng và hiệu quả kinh tế VI.2.1 Khái toán chi phí đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình Bảng VI.1: Khái toán chi phí xây dựng và cải tạo hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình TT Hạng mục thiết bị Đơn vị Số lượng Đơn giá (nghìn VND) Thành tiền (triệu VND) I Phần xây dựng 1 Thiết bị chắn rác - Năm sản xuất: 2005 - Vật liệu chế tạo: Inox - Bao gồm: + Hệ thống truyền động băng tải + Hệ thống thu rác khô + Hệ thống điện + Thùng chứa rác cái 01 80 2 Bể điều hoà m3 150 217 33 3 Bể UASB (cải tạo lại bể ABR) - Betong đá và betong cốt thép - Vhiện tại= 3000 m3 m3 6480 239 1.549 4 Hệ thống mương, ống dẫn nước thải (cải tạo lại) 45 5 Bể lắng sau UASB Bêtông gạch m3 300 217 65 6 Bể Aeroten Đá hộc và betong cốt thép Vhiện tại = 30x1,5x3=135m3 Cải tạo lại m3 7 Hồ sinh học Cải tạo lại Xây kè quanh hồ bằng đá hộc Diện tích bề mặt 2250 m2 m3 11000 (2 hồ) 200/m2 450 Bảng V.I Khái toán chi phí xây dựng và cải tạo hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình (tiếp theo) TT Hạng mục thiết bị Đơn vị Số lượng Đơn giá (nghìn VND) Thành tiền (triệu VND) II Phần thiết bị vật tư 1 Bơm nước thải Bơm Italia Q = 30 m3/h Tận dụng lại Cái 06 2 Bơm bùn Q = 20 m3/h; N = 4,5kW Tận dụng lại Cái 02 3 Van và đường ống dẫn nước; bùn (Tính cho cả hệ thống) 35 4 Van và đường ống dẫn biogas (Tính cho cả hệ thống) 25 5 Quạt hút khí Q = 50 m3/h Cái 12 60 6 Máy nén khí Cái 02 90 7 Két chứa khí Thép đen V = 250 m3 Cái 03 450 8 Máy đo pH cầm tay Cái 01 20 9 Dụng cụ phân tích Bộ 01 15 10 Hoá chất phân tích 15 Tổng cộng 2.932 VI.2.2 Hiệu quả kinh tế và xã hội 1. Hiệu quả kinh tế Theo tính toán thực nghiệm mỗi ngày hệ thống xử lý được 3200 m3 nước thải có độ ô nhiễm cao và thu được 17.336 m3 biogas (thành phần CH4 dao động từ 62,44 ÷ 72,25%) So sánh nhiệt trị của than và khí biogas cho thấy 1m3 biogas tương đương với 1,46 kg than cám. Để sấy khô 1 tấn sản phẩm nhà máy đã sử dụng hết khoảng 100 kg than cám, mà công suất của nhà máy là 160 tấn SP/ngày. Như vậy định mức tiêu thụ than là 16000 kg/ngày, sẽ tương đương với 11000 m3 biogas. Đơn giá của 1kg than cám trên thị trường là 1000 VND/kg; Từ đó có thể suy ra, nếu nhà máy sử dụng khí biogas sinh ra từ hệ thống UASB làm nhiên liệu cho quá trình đốt lò để sấy tinh bột thì 1 ngày nhà máy có thể tiết kiệm được 16.000.000 VND. - Chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải của nhà máy: + 3 nhân công vận hành : 3 x 50.000 VND/ngày = 150.000 VND + Điện năng : 4kW/h.1000.24 = 96000 VND + Hoá chất nâng pH : 0,8kg/m3.4500.3200 = 11.500000 VND (từ 3,30 lên 5,50) + Chi phí bảo trì, bảo dưỡng: 100000 VND/ngày - Hiệu quả kinh tế mà nhà máy tiết kiệm trong 1 ngày là: Ytiết kiệm = ∑Ptiết kiệm do sử dụng biogas - ∑Chi phí vận hành hệ thống Ytiết kiệm = 1600000 – 11846000 = 4.154000 VND/ngày Trong 1 năm nhà máy sản xuất 150 ngày; vậy tổng số tiền tiết kiệm được t là: Y = 623.100.000 VND/năm - Thời gian hoàn vốn chi phí đầu tư hệ thống xử lý nước thải của nhà máy. Từ bảng khái toán chi phí đầu tư và xây dựng (bảng VI ) cho thấy tổng chi phí đầu tư xây dựng là: 2.932.000.000 (VND) Vậy thoàn vốn = ∑chi phí đầu tư/Ytiết kiệm = 4,7 (năm) = 56 tháng 2. Hiệu quả xã hội và bảo vệ môi trường Nhà máy xây dựng hệ thống xử lý nước thải thu biogas không những đem lại hiệu quả kinh tế mà còn mang lại hiệu quả xã hội và bảo vệ môi trường - Hiệu quả xã hội: Môi trường cải thiện, nhà máy có thể yên tâm sản xuất, tạo công ăn việc làm cho người dân xung quanh, góp phần xoá đói giảm nghèo ở một huyện miền núi phía Bắc. Khi dùng khí biogas sẽ giảm độc hại và bụi than cho các công nhân trong nhà máy. - Hiệu quả bảo vệ môi trường Giảm mùi hôi thối khó chịu và ô nhiễm môi trường Giảm phát thải khí nhà kính do đốt than, giảm lượng CH4 phát thải trong điều kiện phân huỷ tự nhiên. KẾT LUẬN Trong những năm gần đây sản lượng sắn Việt Nam tăng nhanh rõ rệt. Năm 2005 nước ta có khoảng 423.800 ha trồng sắn với năng suất bình quân là 15,68 tấn/ha và sản lượng sắn củ tươi khoảng 6,65 triệu tấn, có khoảng 25 ÷ 30 % sản lượng này được chế biến công nghiệp trong gần 45 nhà máy sản xuất tinh bột sắn khác nhau. Cùng với sự phát triển của ngành chế biến nông sản, ngành sản xuất tinh bột sắn đã mang lại nhiều lợi ích cho xã hội, đặc biệt là xoá đói giảm nghèo ở những vùng kinh tế chậm phát triển. Bên cạnh những lợi ích kinh tế đó thì vấn đề ô nhiễm môi trường ở các nhà máy sản xuất tinh bột sắn đang rất được xã hội quan tâm. Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình - Yên Bái là một nhà máy có công suất 160 tấn SP/ngày, mỗi ngày nhà máy thải ra môi trường khoảng 3200 m3 nước thải có độ ô nhiễm cao (COD = 9936 ÷ 13247 mg/l; BOD5 = 5000 ÷ 7500 mg/l; pH = 3,15 ÷ 3,50), với hàm lượng chất hữu cơ cao, dễ phân huỷ sinh học, nếu không được xử lý sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường. Nên việc giải quyết vấn đề ô nhiễm nước thải của Nhà máy tinh bột sắn Yên Bình là một yêu cầu cấp thiết. Đề tài “ Nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn của nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình – Yên Bái “ có thể góp phần xây dựng và hoàn thiện hệ thống xử lý nước thải của nhà máy. Để có được những cơ sở thực nghiệm cho thiết kế. Em đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột bằng hệ thống UASB thu biogas. Trong quá trình nghiên cứu nước thải đã được lấy ở cơ sở sản xuất tinh bột sắn quy mô vừa bằng các thiết bị bán cơ giới tại làng nghề Dương Liễu, Hoài Đức, Hà Tây. Kết quả bước đầu cho thấy nước thải ở các cơ sở này có đặc trưng gần giống với nước thải của nhà máy. Do thời gian hạn hẹp nên đề tài được tiến hành nghiên cứu với các ảnh hưởng sau đến hiệu quả xử lý: - Ảnh hưởng hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý; Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng COD dòng vào từ 6605mg/l lên 15130 mg/l thì hiệu quả xử lý và hiệu quả thu biogas tăng dần và đạt giá trị tối ưu là (YCOD = 97,64% và Ybiogas = 0,46 l/gCOD). Khi tiếp tục tăng COD dòng vào lên 15800 thì hiệu quả xử lý giảm xuống còn 93,50%; Ybiogas = 0,36 l/gCOD. Như vậy COD dòng vào tối ưu là 15130 mg/l. - Ảnh hưởng của thời gian lưu; Thí nghiệm được tiến hành nghiên cứu ở các thời gian giảm dần với COD dòng vào khoảng 15000 ÷ 15580 mg/l để tìm được thông số tối ưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy với thời gian lưu 52h; cho YCOD cao nhất ở 97,90% và lượng biogas thu được là 96,42 l biogas/ngày. - Tải lượng COD có ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả xử lý và hiệu quả thu biogas; trong quá trình nghiên cứu tải trọng dòng vào luôn được nâng từ 98,17 ÷ 272,66 g/ngày. Ở tải lượng 230,52 g/ngày ứng với thời gian lưu là 52h và COD dòng vào 15368 mg/l, kết quả cho thấy hiệu quả khử COD rất cao 97,90% và hiệu quả thu biogas đạt 0,42 l/gCOD. Khi tăng tải lượng lên 272,66 g/ngày, ứng với thời gian lưu 48 h thì hiệu quả thu biogas giảm đi rõ rệt 0,36 l/gCOD. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm sẽ cho ta các thông số tối ưu trong tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình - Yên Bái. + Bể điều hoà có dung tích 150 m3 ( kích thước 10x7,5x2) + Hệ thống bể yếm khí UASB: Tổng diện tích là 6335 m3 Hệ thống gồm 12 đơn nguyên (dung tích mỗi bể là 540 m3; thời gian lưu nước thải là 52h. + Tổng chi phí xây mới và cải tạo lại các hạng mục thiết bị vật tư của nhà máy hết 2.932.000.000 VND; + Tuy nhiên hệ thống xử lý yếm khí hàng ngày sinh ra 17336 m3 biogas, có thể thay thế nguồn nhiên liệu than cám mà nhà máy đang sử dụng trong quá trình sấy tinh bột. + Lợi ích mà khí biogas từ quá trình xử lý yếm khí đã tiết kiệm cho nhà máy mỗi ngày 4.154.000 VND. Do đó nhà máy có thể hoàn vốn đầu tư cho hệ thống xử lý này trong vòng 56 tháng. Từ kết quả nghiên cứu đến tính toán hoàn thiện hệ thống xử lý nước thải của nhà máy cho thấy Đề tài nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn của nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình - Yên Bái hoàn toàn khả thi và đạt hiệu quả kinh tế cao. PHỤ LỤC Bảng 1: Kết quả phân tích xử lý nước thải bằng hệ thống UASB thực nghiệm TT Ngày TN Lưu lượng (l/ng) pH COD YCOD (%) Tải lượng (g/ng) Tải trọng (g/l.ng) Biaogas (l/ngày) YCOD (l/g COD) pHvào pHra CODvào (mg/l) CODra (mg/l) 1 23/3 220 2 24/3 10 7,00 6,80 4700 340 92,77 47,00 1,16 5,05 0,12 3 25/3 10 7,00 6,80 4500 752 83,29 45,00 0,78 4,23 0,14 4 26/3 10 7,00 6,90 4600 780 83,04 46,00 1,07 5,87 0,13 TB 10 7,00 6,83 4600 564 86,37 46,00 1,00 5,05 0.13 5 27/3 10 6,50 6,95 4750 700 85,26 47,50 1,21 8,64 0,17 6 28/3 10 6,50 7,15 4940 625 87,35 49,40 1,29 23,78 0,46 7 29/3 10 6,50 7,25 5010 532 89,38 50,10 1,35 29,07 0,54 TB 10 6,50 7,12 4900 619 87,33 49,00 1,28 20,50 0,39 8 30/3 10 6,00 7,30 6764 537 91,70 67,64 1,78 22,90 0,34 9 31/3 10 6,00 7,25 6246 502 91,96 62,46 1,67 28,02 0,44 10 01/4 10 6,00 7,44 6804 533 92,17 68,04 1,77 31,70 0,50 TB 10 6,00 7,33 6605 524 91,56 66,05 1,74 26,03 0,43 11 02/4 10 5,70 7,33 8360 462 94,47 83,60 2,31 50,79 0,59 12 03/4 10 5,70 7,42 10886 384 96,47 108,86 3,06 53,56 0,48 13 04/4 10 5,70 7,55 10206 316 96,69 102,06 2,87 60,58 0,58 TB 10 5,70 7,43 9817 387 95,88 98,17 2,75 54,98 0,55 14 05/4 10 5,50 7,30 10000 408 95,92 100,00 2,60 60,80 0,57 15 06/4 10 5,50 7,56 10368 346 96,66 103,68 2,91 66,50 0,63 16 07/4 10 5,50 7,37 10272 216 97,90 102,72 2,83 63,06 0,61 TB 10 5,50 7,41 10213 323 96,83 102,13 2,78 63,45 0,60 17 08/4 10 5,50 7,34 13100 367 97,20 131,00 3,53 69,80 0,55 18 09/4 10 5,50 7,36 13153 350 97,34 131,53 3,67 72,10 0,54 19 10/4 10 5,50 7,44 13047 382 97,07 130,47 3,60 71,65 0,55 TB 10 5,50 7,38 13100 366 97,20 131,00 3,60 71,18 0,55 20 11/4 10 5,50 7,50 15150 346 97,72 151,50 4,26 68,74 0,45 21 12/4 10 5,50 7,35 15240 370 97,57 152,40 4,23 71,23 0,47 22 13/4 10 5,50 7,38 15000 357 97,62 150,00 4,19 69,21 0,46 TB 10 5,50 7,41 15130 358 97,64 151,30 4,23 69,73 0,46 23 14/4 10 5,50 7,25 15930 980 93,84 159,30 3,83 50,87 0,37 24 15/4 10 5,50 7,30 15785 995 93,69 157,85 4,21 55,06 0,35 25 16/4 10 5,50 7,24 15685 1100 92,98 156,85 4,09 55,14 0,36 TB 10 5,50 7,26 15800 1025 93,50 15800 4,04 53,69 0,36 Kết quả phân tích xử lý nước bằng hệ thống UASB thực nghiệm (tiếp theo) TT Ngày TN Lưu lượng (l/ng) pH COD YCOD (%) Tải lượng (g/ng) Tải trọng (g/l.ng) Biaogas (l/ngày) YCOD (l/g COD) pHvào pHra CODvào (mg/l) CODra (mg/l) 26 17/4 12 5,50 7,46 13250 350 97,36 159,00 4,42 64,20 0,40 27 18/4 12 5,50 7,35 13122 282 97,85 157,46 4,45 66,50 0,42 28 19/4 12 5,50 7,34 13608 292 97,85 163,30 4,56 72,23 0,44 TB 12 5,50 7,38 13327 308 97,69 159,92 4,48 67,64 0,42 29 20/4 12 5,50 7,89 14701 282 98,08 176,41 4,95 80,30 0,46 30 21/4 12 5,50 7,31 16320 307 98,12 195,84 5,47 83,70 0,43 31 22/4 12 5,50 7,30 15180 413 97,28 182,16 5,00 90,57 0,51 TB 12 5,50 7,50 15400 334 97,83 184,80 5,14 84,86 0,47 32 23/4 15 5,50 7,25 15175 350 97,69 227,63 6,39 95,96 0,42 33 24/4 15 5,50 7,48 15560 293 98,12 233,40 6,58 97,59 0,42 34 25/4 15 5,50 7,37 15368 322 97,90 230,52 6,43 95,72 0,42 TB 15 5,50 7,37 15368 322 97,90 230,52 6,47 96,42 0,42 35 26/4 17,5 5,50 7,56 15530 950 93,88 271,78 7,17 97,16 0,37 36 27/4 17,5 5,50 7,43 15630 1100 92,96 273,53 7,19 97,45 0,36 TB 17,5 5,50 7,50 15580 1025 93,42 272,66 7,18 97,31 037 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS. Hoàng Kim Anh PGS.TSKH. Ngô Kế Sương - PGS.TS Nguyễn Xích Liên Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn. NXB Khoa học và kỹ thuật 2005. 2. UBND tỉnh Đắk-Lắc Dự án đầu tư xây dựng nhà máy tinh bột sắn 10.000 tấn SP/năm – 1998 3. Truong Quy Tung Biotreatment of cassava starch processing wastewater by Filamentous Fungi University of Shizuoka - Japan, March 2005 4. Trịnh Thị Phương Loan Một số kết quả nghiên cứu chọn giống sắn và xây dựng mô hình canh tác sắn bền vững ở Miền Bắc Việt Nam (tr.11) - Báo cáo khoa học hội thảo Chế biến sắn sau thu hoạch và tác động đến môi trường Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 05/2006. 5. Công ty TNHH thương mại và đầu tư Yên Bình Dự án mở rộng dây chuyền II, chế biến tinh bột sắn xuất khẩu (công suất 80 tấn SP/ngày) - 2004. 6. PGS. TS Trần Minh Tâm Bảo quản chế biến nông sản sau thu hoạch NXB Nông nghiệp TPHCM 1997 7. PGS.TS Đặng Kim Chi (chủ biên) PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân - Ths Trần Lệ Minh Làng nghề Việt Nam và môi trường (tr.267) NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 2005 8. PGS.TS Nguyến Thị Sơn Hiện trạng sản xuất và môi trường làng nghề chế biến tinh bột sắn (tr.65) - Báo cáo khoa học hội thảo chế biến sắn sau thu hoạch và tác động đến môi trường Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 05/2006 9. PGS.TS Nguyễn Thị Sơn – PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân Kỹ thuật xử lý nước thải sản xuất Đường Viện Khoa Học và Công Nghệ Môi Trường - ĐHBK Hà Nội 2001 10. PGS.TS Nguyến Thị Sơn Bài giảng môn học Hoá Sinh và Vi Sinh trong công nghệ môi trường Viện Khoa Học và Công Nghệ Môi Trường - ĐHBK Hà Nội 2001 11. GS.TS Trần Hiếu Nhuệ Thoát nước và xử lý nước thải công nghiệp NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 1999 12. PGS. TSKH Ngô Kế Sương - GS.TS Nguyễn Lân Dũng Sản xuất khí đốt (biogas) bằng kỹ thuật lên men kị khí NXB Nông nghiệp TPHCM 1997 13. GS.TS Trần Hiếu Nhuệ - TS Trần Đức Hạ - GV Lê Hiền Thảo Quá trình vi sinh vật trong công trình cấp thoát nước NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 1996 14. Trần Văn Nhân - Ngô Thị Nga Giáo trình công nghệ xử lý nước thải NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 2002 15. Nguyễn Quang Khải - Nguyễn Vũ Thuận Công nghệ khí sinh học Bộ NN và PTNN - Cục Nông Nghiệp 2003 16. John Wiley & Sons Organic Waste Recycling Baffins Lane, Chichester, West Sussex, Po19 Jud – England 1996 17. TS Trịnh Xuân Lai Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải NXB Xây Dựng – 2000 18. Gabriel Bilton Wastewater Microbiology (Second Edition) NXB Wiley 1999 19. Avtar Singh Hanbook of Biogas Technology Ludhiana 2000 20. Trần Xoa - Nguyễn Trọng Khuông và các tác giả Sổ tay công nghệ và thiết bị hoá chất - tập 2 NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 2000 CHƯƠNG I: HIỆN TRẠNG SẢN XUẤT VÀ TIÊU THỤ TINH BỘT SẮN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1 I.1 Tình hình sản xuất tinh bột sắn trên thế giới và trong khu vực 1 1. Về sản xuất 1 b. Thị trường tinh bột sắn 2 I.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ tinh bột sắn ở Việt Nam 3 CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN 5 VÀ CÁC CHẤT THẢI 5 II.1 Đặc trưng nguyên liệu 5 II.1.1. Các giống sắn truyền thống ở nước ta [1] 5 a. Sắn đắng 5 b. Sắn ngọt 5 II.1.2 Các giống sắn mới (sắn cao sản) 5 II.1.3 Củ sắn 6 a. Cấu tạo củ sắn [6] 6 b. Thành phần hoá học của củ sắn 6 II.2 Công nghệ sản xuất tinh bột sắn 7 II.2.1 Một số loại hình công nghệ sản xuất tinh bột sắn 7 II.2.1.1 Công nghệ sản xuất tinh bột sắn quy mô hộ gia đình 9 1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột sắn bằng phương pháp thủ công truyền thống. 9 2. Mô tả công nghệ 9 II.2.1.2 Công nghệ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ bằng các thiết bị bán cơ giới. 10 2. Thuyết minh quy trình công nghệ 11 II.2.1.3 Quy trình chế biến tinh bột sắn quy mô công nghiệp 12 1. Quy trình công nghệ sản xuất tinh bột sắn của Thái Lan 13 a. Quy trình công nghệ 13 b.Thuyết minh quy trình công nghệ 14 2. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột sắn của Trung Quốc 16 a. Quy trình công nghệ 16 b. Thuyết minh quy trình công nghệ 17 II.2.2 Nhu cầu nguyên, nhiên liệu, năng lượng và vật tư trong sản xuất tinh bột sắn. 17 II.3 Các chất thải từ quá trình sản xuất tinh bột sắn 18 II.3.1 Chất thải rắn [7] 18 II.3.2 Nước thải. 19 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN XUẤT KHẨU YÊN BÌNH - TỈNH YÊN BÁI 20 1. Vị trí địa lý 20 2. Đặc điểm tự nhiên 20 3. Cơ cấu tổ chức, quản lý 21 4. Quy mô sản xuất và đặc trưng sản phẩm 21 a. Quy mô sản xuất 21 b. Đặc trưng sản phẩm 22 III.2 Hiện trạng công nghệ và thiết bị 22 III.2.1 Hiện trạng công nghệ 22 1. Sơ đồ công nghệ 23 2. Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất tinh bột sắn 24 III.2.2 Hiện trạng thiết bị 25 III.3 Nhu cầu nguyên liệu, nhiên liệu, điện, nước 25 III.3.1 Nguyên vật liệu 25 1. Nguyên liệu sắn củ 25 2. Nhu cầu vật tư bao bì 26 III.3.2 Nhiên liệu, năng lượng và nước 26 1. Cấp nước 26 2. Cấp điện 26 3. Cấp nhiệt 26 III.4 Hiện trạng môi trường 26 III.4.1 Các chất thải từ sản xuất tinh bột 26 1. Chất thải rắn 26 2. Khí thải 26 3. Nước thải 26 III.4.2 Hiện trạng xử lý nước thải 27 III.4.2.1 Công nghệ xử lý nước thải nhà máy đang sử dụng 27 1. Sơ đồ công nghệ hiện hành 27 2. Mô tả công nghệ 27 III.2.2 Đề xuất công nghệ 28 1. Sơ đồ công nghệ 28 Hình III.4: Phương án đề xuất công nghệ xử lý nước thải 28 nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình 28 2. Mô tả công nghệ [hình III.4] 29 CHƯƠNG IV: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC DẠNG THIẾT BỊ XỬ LÝ YẾM KHÍ NƯỚC THẢI GIẦU CHẤT HỮU CƠ 30 IV.1 Cơ chế và tác nhân 31 IV.1.1 Cơ chế phân giải yếm khí 31 1. Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân 31 2. Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men acid hữu cơ 32 3. Lên men tạo axit axetic 34 4. Giai đoạn metan hoá: 34 IV.1.2 Tác nhân sinh học 35 1. Tác nhân sinh học của giai đoạn thuỷ phân và lên men axit hữu cơ 35 2. Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men tạo axit axetic: [9] 35 3. Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men metan [9] 35 IV.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý yếm khí 36 IV.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 36 IV.2.2 Ảnh hưởng của pH 37 IV.2.3 Ảnh hưởng của thành phần cơ chất (tỷ lệ C/N) [10] 37 IV.2.4 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm 37 1. Các ion kim loại và kim loại nặng: 37 2. Các hợp chất chứa Nitơ 38 3. Các hợp chất chứa lưu huỳnh [13] 38 IV.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng khác: 38 1. Độ oxy hoà tan: 38 2. Sản phẩm trao đổi chất. 39 3. Thời gian lưu của nước thải và tải lượng dòng vào thiết bị yếm khí 39 4. Ảnh hưởng của thế oxi hoá khử (hàm lượng H2) trong giai đoạn tạo axit axetic. 39 IV.3 Một số dạng thiết bị xử lý yếm khí điển hình 40 IV.3.1 Thiết bị yếm khí tiếp xúc 40 1. Cấu tạo: 40 2. Ưu nhược điểm 40 a. Ưu điểm 40 b. Nhược điểm 41 IV.3.2 Thiết bị yếm khí giả lỏng 41 1. Sơ đồ thiết bị: 41 2. Nguyên tắc hoạt động: 41 3. Ưu nhược điểm 41 a. Ưu điểm 41 b. Nhược điểm 41 IV.3.3 Thiết bị yếm khí dạng tháp đệm 42 1. Sơ đồ thiết bị 42 2. Nguyên tắc hoạt động 42 3. Ưu nhược điểm 42 a. Ưu điểm 42 b. Nhược điểm 42 IV.3.4 Thiết bị yếm khí hai giai đoạn 43 IV.3.5 Thiết bị UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 43 1. Sơ đồ thiết bị 43 2. Nguyên tắc hoạt động 44 CHƯƠNG V: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN THU BIOGAS 45 V.1 Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu 45 V.1.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu 45 1. Mục đích nghiên cứu 45 2. Đối tượng nghiên cứu 45 3. Nội dung nghiên cứu 45 V.1.2 Phương pháp nghiên cứu 45 1. Các phương pháp phân tích 45 a. Định lượng COD (Chemical Oxygen Demand) 45 b. Định lượng BOD5 (Bio-Chemical Oxygen Demand) 46 c. Định lượng hàm lượng chất rắn lơ lửng SS (Suspended Solids) 46 d. Định lượng tổng chất rắn TS (Total solils) 46 e. Định lượng Nitơ tổng 47 f. Định lượng phốtpho tổng: 48 h. Định lượng axit tổng (AT) 48 i. Định lượng axit bay hơi 49 k. Xác định hàm lượng CH4 thông qua CO2 49 2. Thiết bị nghiên cứu 51 a. Cấu tạo thiết bị 51 b. Nguyên tắc hoạt động 51 V.2 Kết quả nghiên cứu 52 V.2.1 Kết quả khảo sát, đặc trưng nước thải sản xuất tinh bột sắn của Nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình - Yên Bái 52 V.2.2 Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn có độ ô nhiễm cao thu Biogas bằng hệ thống UASB thực nghiệm 52 V.2.2.1 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý 54 V.2.2.2 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý 55 V.2..2.3 Ảnh hưởng của tải lượng COD đến hiệu quả xử lý 56 CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ HOÀN THIỆN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN THU BIOGAS CỦA NHÀ MÁY CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN YÊN BÌNH - YÊN BÁI VỚI CÔNG SUẤT 160 TẤN SẢN PHẨM/NGÀY 57 VI.1 Tính toán các thiết bị 57 VI.1.1 Song chắn rác 57 VI.1.2 Bể điều hoà 58 VI.1.3 Bể UASB 58 1. Thông số tính toán thiết kế bể UASB: 58 2. Lưu lượng dòng vào mỗi đơn nguyên 59 3. Vận tốc dòng chảy ngược trong bể UASB 59 4. Lượng bùn tạo thành 59 5. Lượng khí biogas tạo thành 60 a. Theo lý thuyết: 60 b. Theo thực nghiệm 60 6. Lượng bùn tuần hoàn 60 VI.1.4 Bể lắng sau UASB 62 VI.1.5 Hệ thống thu gom và tận thu khí sinh học 63 VI.2 Tính toán chi phí xây dựng và hiệu quả kinh tế 66 VI.2.1 Khái toán chi phí đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình 66 Bảng VI.1: Khái toán chi phí xây dựng và cải tạo hệ thống 66 xử lý nước thải của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình 66 VI.2.2 Hiệu quả kinh tế và xã hội 68 1. Hiệu quả kinh tế 68 2. Hiệu quả xã hội và bảo vệ môi trường 69 KẾT LUẬN 69 PHỤ LỤC 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73