Đồ án Bước đầu nghiên cứu hiệu quả của thiết bị hợp khối trong xử lý nước thải của sản xuất bia

a logarit, sinh khối tăng theo biểu thức: trong đó: - tốc độ tăng trưởng của sinh khối, mg/l.t X - hàm lượng sinh khối, mg/l m - tốc độ sinh trưởng riêng, l/t t - thời gian, h. III.2.2.3. Các phương pháp hiếu khí xử lý nước thải 1. Xử lý hiếu khí trong điều kiện tự nhiên Cánh đồng lọc và cánh đồng tưới Nước thải được đưa vào cánh đồng tưới nhờ hệ thống cống, mương dẫn. Các chất ô nhiễm có trong nước thải được hấp thụ và giữ lại trong đất. Nhờ khu hệ vi sinh vật tự nhiên trong đất, nước sẽ phân hủy chúng thành các chất đơn giản để cây trồng hấp thụ. Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng, phần còn lại chảy vào hệ thống tiêu nước ra sông hồ hoặc bổ sung cho nước ngầm. Cánh đồng tưới có 2 chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng. Khi cánh đồng chỉ làm chức năng xử lý nước thải thì sẽ được gọi là cánh đồng lọc. Nước thải trước khi đưa vào cánh đồng tưới hoặc cánh đồng lọc cần qua xử lý sơ bộ để loại bỏ rác, các vật thô cứng, cát sỏi, dầu mỡ, các chất huyền phù... để tránh cho các lỗ hổng và mao quản lớp đất mặt bị bít kín làm giảm sự thoáng khí, ảnh hưởng xấu đến khả năng oxy hóa các chất bẩn của hệ vi sinh vật. Phương pháp này đơn giản, không tốn kém, kết hợp xử lý nước thải và canh tác nhưng ít được sử dụng vì cần diện tích đất lớn, phải có hệ thống kênh mương dẫn từ nguồn thải đến nơi xử lý. Phương pháp này đòi hỏi địa điểm phải cách xa khu dân cư, không ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm, nước thải không có vi sinh vật gây bệnh, không chứa chất thải độc hại, hàm lượng chất hữu cơ không quá lớn. Hồ sinh học Hồ sinh học hay còn được gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định. Đó là một chuỗi hồ gồm từ 3 đến 5 hồ. Nước thải chảy qua hệ thống hồ trên với một vận tốc không lớn. Trong hồ nước thải được làm sạch bằng các quá trình tự nhiên bao gồm cả tảo và các vi khuẩn nên tốc độ oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy học lớn (30 đến 50 ngày). [8] Xử lý nước thải trong hồ sinh học là biện pháp xử lý đơn giản. Phương pháp này không yêu cầu kỹ thuật cao, chi phí đầu tư , vận hành ít, quản lý đơn giản, thích hợp sử dụng khi có nhiều diện tích đất và khi không đòi hỏi chất lượng cao đối với nước sau xử lý. Hồ sinh học được phân thành các loại sau: + Hồ tự nhiên: tác nhân vi sinh vật trong tự nhiên, chủ yếu là các vi khuẩn (hô hấp hiếu khí, yếm khí, tùy tiện), các loại thủy nấm, các nguyên sinh vật, tảo. + Hồ hiếu khí: Nước thải chảy qua hồ với vận tốc không lớn. Nguồn oxy cung cấp cho hồ là sự làm thoáng không khí qua bề mặt hồ. Các loại tảo và phù du thực vật đóng vai trò lớn trong việc cung cấp oxy cho hồ. Các vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ không khí để phân hủy các chất thải hữu cơ. Còn tảo sử dụng CO2, NH4+, photphat được giải phóng ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ để thực hiện quá trình quang hợp. Độ sâu tối ưu của hồ từ 0,6 – 1,2 m để đáp ứng được nhu cầu oxy hòa tan trong nước một cách tốt nhất. Loại hồ này thường sử dụng kết hợp với nuôi trồng thủy sản, chủ yếu là cá. Nhược điểm của hồ là không thể xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Thông thường các hồ hiếu khí tự nhiên chỉ tải được nước thải có chỉ số BOD5 < 300 mg/l. + Hồ tùy tiện: vi sinh vật trong hồ bao gồm các vi khuẩn (hô hấp hiếu khí, yếm khí và tùy tiện), tảo, nguyên sinh vật, thủy nấm, động vật hạ đẳng và các sinh vật khác. Chúng có quan hệ tương hỗ và đóng vai trò cơ bản đối với sự chuyển hóa các chất gây ô nhiễm. Độ sâu tối ưu của hồ là khoảng 2,5 m. Hồ tùy tiện không tải được nước thải có độ ô nhiễm cao (chỉ số BOD5 khoảng 200 mg/l) . Trong hồ tùy tiện xảy ra 3 quá trình: - Phân hủy yếm khí các chất hữu cơ tan và không tan dưới dạng huyền phù và cặn lắng ở lớp nước sâu cũng như trong lớp bùn đáy. - Oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan ở lớp nước mặt, nơi có độ oxy hòa tan cao do khuếch tán bề mặt và một lượng nhỏ từ quang hợp của tảo. - Quang hợp của tảo ở lớp nước phía trên nhờ năng lượng mặt trời. 2. Xử lý hiếu khí trong điều kiện nhân tạo Quá trình oxy hóa bằng lọc sinh học Quá trình lọc sinh học dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật dưới dạng màng sinh học. Màng sinh học hiếu khí là một canh trường tập trung gồm chủ yếu là các vi khuẩn hô hấp hiếu khí và hô hấp tùy tiện. Hệ thống lọc sinh học (biofiltre) còn được gọi là lọc tia hay lọc nhỏ giọt (trickfiltre). Thiết bị phản ứng sinh học chính của hệ thống này có 2 dạng kết cấu chính: Tháp lọc và bể lọc sinh học. Dạng khác của xử lý hiếu khí bằng màng sinh học là đĩa lọc sinh học và dạng màng bám dính. Dạng tháp lọc chiếm ít mặt bằng hơn, nguyên tắc làm việc của thiết bị này là tạo ra bề mặt giá thể trong tháp bằng cách cho các vật liệu đệm (như đá, gỗ, các vật liệu đệm bằng nhựa PVC dạng bóng, hoa, tấm...). Chất lỏng được tưới từ trên xuống chảy thành màng trên bề mặt giá thể, không khí được thổi từ dưới lên sục qua lớp màng tạo ra bề mặt tiếp xúc pha giữa pha khí và lỏng (giống như một tháp đệm). Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ do oxy hóa hiếu khí nhờ màng vi sinh vật: Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy nhờ vi sinh vật hô hấp hiếu khí và tùy tiện ở lớp ngoài của màng. Khi lớp màng dày, ở lớp trong của màng sát với bề mặt cứng của vật liệu lọc, do không có oxy các vi khuẩn hô hấp tùy tiện phát triển có thể chuyển sang phân hủy yếm khí làm tróc lớp màng ra khỏi vật liệu lọc dễ gây tắc cục bộ, tạo các vùng yếm khí làm giảm hiệu quả xử lý. Vì vậy trong công nghệ, việc tạo màng sinh học sao cho màng có kích thước 150 – 350 m, độ dày tối ưu cho quá trình oxy hóa mang tính quyết định, màng sinh học tái tạo không gây tắc đệm, không tạo vùng yếm khí. Hiệu quả oxy hóa của tháp lọc sinh học phụ thuộc vào các yếu tố: các chỉ tiêu sinh hóa, trao đổi khối, chế độ thủy lực và kết cấu thiết bị. Theo chiều cao của tháp và tải trọng thủy lực, với một số loại nước thải công nghiệp có thể đạt hiệu suất 90%. Xử lý nước thải bằng tháp lọc sinh học có nhiều ưu điểm: [1] Ít nhạy cảm khi tải trọng thay đổi nên thiết bị vận hành ổn định hơn. Thiết bị dạng tháp nên chiếm ít mặt bằng. Bề mặt tiếp xúc pha lớn, cấp khí cưỡng bức nên quá trình chuyển hóa nhanh, thiết bị gọn. Tốn ít năng lượng cho cấp khí. Tuy nhiên, hệ thống này lại có nhược điểm: Chi phí lớn, vận hành phức tạp. Yêu cầu có khu hệ vi sinh vật ổn định. Quá trình oxy hóa bằng bể aeroten Aeroten là bể oxy hóa được cấp khí cưỡng bức. Trong hệ thống, các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại dưới dạng bông sinh học (bùn hoạt tính). Việc cấp khí đáp ứng 2 yêu cầu của quá trình: Đảm bảo độ oxy hòa tan, giúp cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm. Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước cần xử lý, tạo ra hỗn hợp lỏng - huyền phù, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình tiếp xúc giữa 3 pha: rắn, lỏng, khí, đảm bảo hiệu quả oxy hóa. Trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải, lượng sinh khối (bùn hoạt tính) được tạo thành, một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể aeroten để ổn định hàm lượng sinh khối trong bể, phần còn lại được đưa về bể xử lý bùn dư. Hiệu suất xử lý nước thải trong hệ thống phụ thuộc vào thành phần và tính chất nước thải, điều kiện thủy động học và điều kiện môi trường như: nhiệt độ, pH của nước thải, sự có mặt của các nguyên tố dinh dưỡng... Phương pháp này vận hành tương đối đơn giản, ổn định, chi phí xây dựng tương đối thấp. Tuy nhiên một hạn chế rất lớn của hệ thống này là chi phí cho cấp khí khá lớn. Thực tế cho thấy, chi phí vận hành hệ thống chủ yếu là chi phí do cấp khí. Mặc dù còn hạn chế, hệ thống Aeroten là hệ thống xử lý có hiệu quả và đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và bước đầu đã được áp dụng tại một số nhà máy sản xuất đường, bia... ở Việt Nam. III.2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa trong bể aeroten 1. Độ oxy hòa tan (DO) Điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho bể aeroten hoạt động có hiệu quả là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy hòa tan trong môi trường lỏng một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu oxy hóa của vi sinh vật. Để đảm bảo tốc độ oxy hóa, độ oxy hòa tan trong bể cần đạt giá trị DO ³ 4 mg/l. Thiếu oxy hoà tan cũng là một trong những nguyên nhân gây hiện tượng “phồng” của bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh. Việc cung cấp đủ oxy hoà tan còn có tác dụng làm phân giã các khối bông lớn do lắng đọng, tránh các điểm chết trong thiết bị phản ứng, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu của nước thải trong hệ thống xử lý. Độ oxy hòa tan phụ thuộc nhiều yếu tố như phương thức cấp khí (thổi khí hoặc nén khí), chiều cao cột nước, kết cấu thiết bị phân phối khí (đường kính hạt khí càng giảm thì bề mặt riêng càng lớn, hàm lượng DO càng tăng). Hiệu suất sử dụng oxy hoà tan phụ thuộc nhiệt độ xử lý, tính chất nước thải, tỷ số F/M ( Food/ Microorganismes) là tỷ lệ giữa nguồn dinh dưỡng – chất hữu cơ và lượng sinh khối dùng để xử lý, tốc độ sinh trưởng, đặc tính sinh lý và đặc trưng của vi sinh vật. 2. Nhiệt độ và pH Nhiệt độ nước thải trong bể aeroten có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của các vi sinh vật. Tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng cực đại tại giá trị nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ này thường nằm trong khoảng 16 – 37oC. Khi nhiệt độ nước thải tăng, độ oxy hòa tan trong nước sẽ giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hóa được thể hiện qua biểu thức sau: [8] rT = r20 . q (T – 20) trong đó: rT, r20 - Tốc độ phản ứng ở ToC và 20oC tương ứng q - Hệ số nhiệt độ (có giá trị trung bình 1,04 đối với hệ thống bùn hoạt hóa) T - Nhiệt độ, oC Nhiệt độ cao có thể làm chết các vi sinh vật, còn nhiệt độ quá thấp, tốc độ oxy hóa sẽ giảm đáng kể và quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường bị chậm lại. Giá trị pH tối ưu đối với hệ thống aeroten nằm trong khoảng từ 6,5 đến 8,5. 3. Hàm lượng sinh khối (MLSS) và tỷ lệ F/M Để có tốc độ oxy hoá tối ưu, phải lựa chọn phương pháp xử lý, thiết bị và nồng độ sinh khối thích hợp nhằm duy trì sự trao đổi chất ổn định trong suốt quá trình xử lý. Trong các hệ thống aeroten , sinh khối được tách khỏi nước đã xử lý trong bể lắng thứ cấp và được tuần hoàn lại một phần vào bể aeroten. Tuy nhiên với các loại nước thải giàu chất hữu cơ, nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp sinh khối phong phú nên lượng sinh khối tạo thành lớn. Hàng ngày phải loại ra một tỷ lệ nào đó sao cho lượng sinh khối có trong bể ổn định, đảm bảo tốc độ oxy hoá và hiệu quả xử lý nước thải. Đối với bể aeroten, hàm lượng sinh khối trong bể có thể từ 500 – 3000 (mg/l). Tùy theo hàm lượng và bản chất của các chất ô nhiễm trong nước thải cũng như hoạt lực của bùn hoạt tính mà hàm lượng sinh khối sẽ khác nhau: Các hệ thống cao tải thường sử dụng hàm lượng sinh khối cao 1500 – 3000 (mg/l) Với các hệ thống aeroten thông thường hàm lượng sinh khối dao dộng trong khoảng từ 500 – 1500 (mg/l). Tỷ lệ F/M (Food/Microorganism = Thức ăn/ Vi sinh vật) cũng là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong bể aeroten. Nếu F/M <1: hàm lượng sinh khối tạo thành ít, kích thước bông bùn tối ưu, bùn lắng nhanh, bể hoạt động hiệu quả. Nếu F/M >1: vi khuẩn phát triển nhanh, không tạo nha bào nên không kết dính với nhau lại thành bông, kích thước bông bùn giảm, bùn khó lắng làm nước ra sau xử lý không đạt độ trong yêu cầu. 4. Thành phần dinh dưỡng Để tăng tốc độ phản ứng sinh hoá, duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo quá trình làm sạch nước theo yêu cầu thì dòng thải phải được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng C, N, P và một số nguyên tố khoáng cho vi sinh vật phát triển. Các nguyên tố vi lượng thường có sẵn trong nước thải nhưng thành phần nitơ và photpho của nước thải sản xuất bia thường thấp. Sự thiếu hụt các thành phần này sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, hạn chế quá trình oxy hoá sinh học. Thiếu nitơ và photpho trong thời gian dài là một trong những nguyên nhân thay đổi tương tác trong khu hệ vi sinh vật của hệ thống aeroten. Các vi khuẩn vi khuẩn dạng sợi thuộc nhóm Mircrothrix, Thiothrix phát triển được trong nước thải nghèo nitơ, photpho. Vì chúng phát triển mạnh, lấn át trực khuẩn làm cho khối bùn trong bể tăng lên. Hiện tượng này gọi là sự phồng lên cuả bùn. Khi đó bùn xốp, khó lắng, dễ bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý, làm giảm sự sinh trưởng của bùn hoạt tính, giảm cường độ quá trình oxy hoá. Chỉ số thể tích bùn lớn gây khó khăn cho quá trình lắng bùn ở bể lắng thứ cấp sau xử lý nước thải. Tương tác giữa các thành phần dinh dưỡng phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và tỷ lệ của chúng được xác định bằng thực nghiệm. Người ta thường lấy tỷ lệ COD : N : P = 100 : 5 : 1. Trong xử lý sinh học, nguồn nitơ được sử dụng dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo tính chất của nước thải. Có thể dùng muối nitrat, muối amôn, urê... Cũng như nitơ, photpho là thành phần không thể thiếu được trong quá trình phát triển của vi sinh vật. Ngoài tác dụng cung cấp nguồn dinh dưỡng, muối photpho còn tạo tính đệm ổn định cho môi trường, duy trì pH ổn định cho quá trình xử lý. Photpho thường được bổ xung dưới dạng muối photphat KH2PO4, (NH4)2HPO4 và supephotphat... 5. Các chất độc Việc kiểm soát hàm lượng các chất độc trong nước thải cũng là một trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo sự hoạt động của hệ thống aeroten. Việc xác định này chỉ cho ta thấy loại nước thải nào có thể xử lý bằng bùn hoạt tính trong bể aeroten được hay không. Nồng độ muối vô cơ trong nước thải không quá 10 g/l. Nếu là muối vô cơ thông thường, có thể pha loãng nước thải và xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính, còn nếu là các chất độc như kim loại nặng, các chất độc hữu cơ thì phải tiến hành phân tích cẩn thận và có biện pháp xử lý riêng biệt (hấp phụ, trao đổi ion...), sau đó mới có thể xử lý bằng phương pháp sinh học. III.2.2.5. Các dạng bể aeroten và phương thức cấp khí 1. Các dạng bể aeroten Bể aeroten có nhiều loại, phạm vi ứng dụng rộng. Có nhiều loại bể aeroten khác nhau tuỳ theo cách phân loại. [8] Theo chế độ làm việc của bùn hoạt tính Bể aeroten không tái sinh bùn. Bể aeroten có tái sinh bùn. Theo chế độ thuỷ động Aeroten đẩy. Aeroten khuấy trộn. Aeroten trung gian. Theo tải lượng bùn Aeroten tải trọng cao. Aeroten tải trọng trung bình. Aeroten tải trọng thấp. Theo số bậc cấu tạo trong aeroten Aeroten 1 bậc . Aeroten 2 bậc. Aeroten nhiều bậc. Theo chiều dẫn nước thải vào Xuôi chiều. Ngược chiều. Trong thực tế , một số dạng hệ thống aeroten thường được sử dụng gồm: Hệ thống aeroten truyền thống Hình III.2. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten truyền thống Nước thải sau bể lắng sơ cấp được trộn đều với bùn hoạt tính tuần hoàn ở ngay đầu bể aeroten. Đối với nước thải có độ ô nhiễm trung bình, lưu lượng tuần hoàn thường từ 20 – 30% lượng nước thải đi vào. Dung tích bể được thiết kế với thời gian lưu nước để làm thoáng trong bể từ 6 – 8 giờ đối với dùng khí nén, hoặc 9 – 12 giờ đối với cấp khí cơ học. Bể aeroten có hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dòng chảy Hình III.3. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten cấp khí giảm dần theo dòng chảy Sơ đồ này áp dụng khi thấy rằng ở đầu vào của bể cần lượng oxy lớn hơn do đó phải cấp không khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp sau để đáp ứng cường độ tiêu thụ không đều oxy trong toàn bể. Ưu điểm của sơ đồ này là: - Giảm được lượng không khí cấp vào tức là giảm công suất của máy nén khí. - Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa nitơ. Bể aeroten có hệ thống cấp khí theo tầng Hình III.4. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten cấp khí theo tầng Ưu điểm của hệ thống này là nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn tức thời sao cho nồng độ các chất được phân bố đều tại mọi điểm trong bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể. Hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn Hình III.5. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn Nước thải từ bể lắng sơ được trộn đều với bùn hoạt tính đã được tái sinh (bùn đã được xử lý đến ổn định trong bể tái sinh) đi vào bể aeroten, ở đây, nước thải được xử lý rồi cùng với bùn chảy sang bể lắng thứ cấp. Bùn lắng ở đáy bể lắng thứ cấp được bơm tuần hoàn để tái sinh. Ở bể tái sinh, bùn được làm thoáng trong thời gian từ 3 – 6 giờ để oxy hóa hết các chất hữu cơ đã hấp thụ, bùn sau khi tái sinh trở thành ổn định. Bùn dư được xả ra ngoài trước ngăn tái sinh. Ưu điểm của sơ đồ này là bể aeroten có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải. 2. Các phương thức cấp khí Bộ phận phân phối khí là phần cấu trúc cơ bản quan trọng của bể aeroten. Không khí được cấp vào bể aeroten với 2 chức năng chính là: Xáo trộn hỗn hợp bùn hoạt hóa với nước thải. Khuếch tán khí vào hỗn hợp để cung cấp oxy cho quá trình hoạt động của vi sinh vật. Không khí được cấp vào nước thải bằng những phương thức sau: Nén qua bộ phận khuếch tán ngập trong nước bằng sục khí. Dùng khuấy cơ học trộn không khí vào chất lỏng. Cấp khí nén khuếch tán Không khí nén được sục vào khối chất lỏng nhờ các bộ phận phân phối khí bố trí ở đáy thiết bị hoặc tầng tùy theo cấu trúc của hệ thống. Cấp khí nén khuếch tán gồm 3 nhóm chính trên cơ sở kích thước bọt khí được tạo ra: Bọt khí lớn (đường kính > 6 mm) Bọt khí trung bình (đường kính từ 4 – 5 mm) Bọt khí mịn : khuếch tán không khí qua vật liệu xốp hoặc màng đàn hồi có lỗ nhỏ. Phương pháp này tạo ra khả năng khuấy trộn đều, vận hành đơn giản, ổn định và an toàn... Hệ thống xử lý không những được cấp oxy của không khí nén mà còn sử dụng được oxy từ khí quyển nhờ khi sục khí tạo khuấy trộn mạnh làm tăng khả năng tiếp xúc với không khí qua mặt thoáng. Một số thiết bị cấp khí nén khuếch tán được sử dụng phổ biến gồm: - Đĩa xốp DP320: Hệ thống cấp khí gồm các đĩa phẳng được gắn lên các giá đỡ bằng chất dẻo hoặc thép không rỉ được sắp xếp thành hàng hay phân bố đều ở đáy bể. Đĩa được làm từ các hạt canidon nhân tạo (nhôm a) được hàn bằng ống thủy tinh ở nhiệt độ cao. Các hạt được chọn phải đảm bảo một sự hài hòa giữa hiệu suất oxy hóa đủ lớn và sự làm việc lâu dài vật liệu bền đối với hầu hết các hóa chất xâm thực. - Vòi phun Dipair: Dipair là máy sục khí tĩnh nhúng chìm, rất phù hợp với cách bố trí thành sàn ở đáy bể. Thiết bị gồm 2 bộ phận chính: ống khuếch tán khí và chóp. Ống khuếch tán là một ống hở, khí được cấp vào ở đáy ống, tạo dòng hỗn hợp khí, rắn, lỏng. Trong ống, hỗn hợp được khuấy trộn mạnh. Nhờ có chóp, bọt khí được phân tán rộng, tạo đối lưu mạnh trong ống phân phối khí và cả trong thiết bị, nâng cao hiệu quả khuếch tán oxy trong nước. Thiết bị được đặt tĩnh, được chế tạo từ polypropylen hoặc thép không rỉ nên không bị bào mòn, hiệu suất cấp khí cao, giá thành thấp, thiết bị bền. Cấp khí bằng khuấy trộn Sử dụng các máy khuấy để khuấy trộn nước thải. Khi đó sẽ tạo ra các vùng áp lực thấp để hút trộn không khí vào nước thải qua bề mặt thoáng. Hệ thống thường có dạng bánh guồng hay các cánh quạt quay làm cho hỗn hợp nước và bùn hoạt tính trong bể chuyển động vòng. Phương pháp này thường được sử dụng trong các bể có chiều cao không lớn lắm (< 6 m), khả năng khuấy trộn và hiệu suất cấp khí thấp hơn phương pháp dùng khí nén nhưng có ưu điểm là chi phí thấp hơn. Hai loại thiết bị quan trọng là loại thiết bị có trục đứng tốc độ chậm (ACTIROTOR) và loại thiết bị có trục nằm ngang tốc độ chậm quét nước bằng phần nhúng chìm của các cánh và đẩy nước ra phía sau (ROLLOX). CHƯƠNG IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN IV.1. Mục đích, nội dung, đối tượng, phương pháp nghiên cứu IV.1.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu Thiết kế và thử nghiệm thiết bị hợp khối. Áp dụng thử nghiệm trong xử lý nước thải từ quá trình sản xuất bia. IV.1.2. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu xử lý thử nghiệm trong môi trường chuẩn: nguồn cacbon là tinh bột thủy phân. Nghiên cứu xử lý bằng nước thải từ quá trình sản xuất bia. IV.1.3. Phương pháp nghiên cứu IV.1.3.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm và quy mô nghiên cứu Sơ đồ hệ thống nghiên cứu được thể hiện dưới hình sau đây: Hình IV.1. Sơ đồ hệ thống nghiên cứu Hình IV.2. Cấu tạo bể aeroten Ngăn lắng bùn Van chảy tràn nước sau xử lý Van thải bùn Quả cấp khí - Cấu tạo thiết bị hợp khối: Thiết bị hợp khối pilot là một bể chữ nhật được chế tạo bằng plastic có dung tích chứa nước 66 lít, cấu tạo gồm 5 ngăn: 3 ngăn chứa đệm (đệm nhựa), 1 ngăn không đệm và một ngăn lắng (Sơ đồ hình IV.1). Bể được lắp hệ thống cấp khí ở dưới đáy với các đầu phân phối khí nhằm tạo ra các bọt khí nhỏ, khuếch tán khí đều, tránh các điểm chết trong bể. Ngăn lắng được bố trí liên hợp với bể oxy hóa và thông ở phần đáy. Ngăn lắng được gắn các tấm lắng nghiêng để tăng diện tích lắng. Thiết bị hợp khối khi tháo hết lớp đệm thì sẽ trở thành một bể aeroten. - Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Nước thải từ thùng cao vị có tác dụng như một bể điều hòa lưu lượng, qua van điều chỉnh lưu lượng đi vào bể aeroten hoặc hợp khối. Nước thải cho nghiên cứu có nguồn cacbon là dịch tinh bột thủy phân, đảm bảo tỷ lệ C:N:P = 100:5:1. Nước thải trong thiết bị hợp khối theo nguyên tắc chảy ngược chiều. Nước thải đi vào phía đáy của ngăn 1, đi qua lớp đệm chứa bùn (vi sinh vật) rồi theo ống nhỏ trên miệng vách chảy xuống phía dưới đáy của ngăn 2. Cứ tiếp tục như vậy , nước thải sau khi xử lý sẽ chảy sang ngăn lắng. Ở đây, nhờ tỷ trọng khác nhau giữa bùn và nước, bùn hoạt hóa lắng xuống đáy. Nước thải đã được xử lý ra ở phần vòi chảy tràn của ngăn lắng. Bùn lắng dưới đáy bể được chuyển một phần tuần hoàn vào bể để ổn định hàm lượng sinh khối có trong bể. IV.1.3.2. Các phương pháp đo và phân tích 1. Định lượng COD Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD) là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ và vô cơ có thể oxy hóa hóa học ở trong nước thành CO2 và H2O. COD được định lượng bằng phương pháp hồi lưu đóng. Tác nhân oxy hóa là bicromat kali (K2Cr2O7) trong môi trường axit mạnh có xúc tác Ag2SO4. Phản ứng được tiến hành trong ống kín ở nhiệt độ 150oC trong 2 giờ trên thiết bị COD Apparatus. Sau phản ứng, để nguội mẫu đến nhiệt độ phòng rồi đem chuẩn lượng bicromat dư bằng dung dịch FAS 0,025N với chỉ thị feroin. Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD) của nước được xác định gián tiếp qua lượng K2Cr2O7 tiêu tốn. COD = (mg/l) Trong đó: VT – Thể tích FAS tiêu tốn khi chuẩn mẫu trắng (ml) VTN – Thể tích FAS tiêu tốn khi chuẩn mẫu phân tích (ml) NFAS - Nồng độ FAS, được chuẩn lại hàng ngày (N) 8 – Đương lượng gam của oxy VM – Thể tích mẫu cần phân tích (2ml) f – Hệ số pha loãng mẫu 2. Định lượng BOD Nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD5) là lượng oxy cần thiết để oxy hóa những hợp chất có thể oxy hóa sinh học được ở điều kiện tiêu chuẩn (ủ trong tối, to =20oC, pH = 6,5 – 7,5). BOD5 được định lượng bằng oxitop sensor BOD5 gắn ở nắp chai ủ, thời gian ủ 5 ngày ở điều kiện tiêu chuẩn. Quá trình ủ mẫu được tiến hành trong hệ kín. Khí CO2 tạo thành trong quá trình sẽ bị hấp thụ vào chất kiềm mạnh (ở dưới nắp chai) làm áp suất bên trong chai giảm dần. Sự giảm áp suất được chuyển qua một bộ vi xử lý trong sensor và chuyển thành giá trị BOD5 tương ứng. 3. Định lượng bùn hoạt tính (MLSS) Hàm lượng sinh khối (bùn hoạt tính) trong hệ thống được xác định bằng phương pháp lọc (bằng giấy lọc) rồi sấy khô ở 105oC đến trọng lượng không đổi. MLSS = (mg/l) Trong đó: a – trọng lượng giấy có sinh khối (mg) b – trọng lượng giấy khi không có sinh khối (mg) c – dung tích mẫu (ml) 4. Xác định SVI Chỉ số thể tích của bùn (SVI – Sludge Volume Index) được định nghĩa là dung tích lắng của 1 gam bùn khô. SVI thể hiện trạng thái hoạt động và độ lắng của bùn. Lấy 1000ml hỗn hợp rắn lỏng trong bể Aeroten cho vào ống đong hình trụ 1 lít để lắng trong thời gian 30 phút. Đo thể tích lắng trong ống VL (ml). SVI = (ml/g) Trong đó: MLSS – Hàm lượng sinh khối (mg/l). SVI tối ưu = 80 – 150 (ml/g). IV.2. Kết quả nghiên cứu và thảo luận IV.2.1. Nghiên cứu xử lý bằng bể hợp khối Thí nghiệm được tiến hành với môi trường chuẩn ở thiết bị hợp khối khi thay đổi chiều cao lớp đệm cách mặt nước 20 cm và cách mặt nước 2 cm và so sánh với thiết bị aeroten thông thường không có lớp đệm. Lưu lượng dòng vào trong thí nghiệm này được ổn định ở mức 10 lít/giờ (thời gian lưu 6,6 giờ), CODV » 800 mg/l, hàm lượng sinh khối MLSS » 800 – 900 mg/l, pH dao động trong khoảng từ 7- 8, thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng (21oC). Nhận xét: Trong trường hợp vị trí lớp đệm cách mặt nước 20 cm, với lưu lượng dòng vào 10 lít/giờ (thời gian lưu 6,6 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 99,8 mg/l, đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,89 kg COD/kg MLSS/ngày, chỉ số thể tích của bùn SVI = 123,6 ml/g nằm trong khoảng tối ưu (80 – 150 ml/g) cho thấy bùn hoạt tính hoạt động tốt. (Bảng IV.1) Bảng IV.1. Ảnh hưởng của kết cấu thiết bị đến hiệu quả xử lý (lớp đệm ở vị trí cách mặt nước 20 cm) CODV = 781 mg/l, Hàm lượng sinh khối ban đầu 800 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 104 86,7 800 99 124 2 110 85,9 856 104 121,5 4 95 87,8 900 110 122 6 90 88,5 868 110 127 Trung bình 99,8 87,2 856 105,8 123,6 Nhận xét: Trong trường hợp vị trí lớp đệm cách mặt nước 2 cm, với lưu lượng dòng vào 10 lít/giờ (thời gian lưu 6,6 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 85,3 mg/l, đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,94 kg COD/kg MLSS/ngày, chỉ số thể tích của bùn SVI = 134 ml/g nằm trong khoảng tối ưu (80 – 150 ml/g) cho thấy bùn hoạt tính hoạt động tốt. (Bảng IV.2) Bảng IV.2. Ảnh hưởng của kết cấu thiết bị đến hiệu quả xử lý (lớp đệm ở vị trí cách mặt nước 2 cm) CODV = 801 mg/l, Hàm lượng sinh khối ban đầu 810 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 120 85 810 100 123,5 2 87 89,1 832 112 134,6 4 64 92 854 120 140,5 6 70 91,3 880 121 137,5 Trung bình 85,3 89,4 884 123,3 134 Nhận xét: Để so sánh hiệu quả xử lý của thiết bị hợp khối, thí nghiệm được tiến hành với bể aeroten thông thường, với lưu lượng dòng vào 10 lít/giờ (thời gian lưu 6,6 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 83,3 mg/l, đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,99 kg COD/kg MLSS/ngày, chỉ số thể tích của bùn SVI = 121,3 ml/g nằm trong khoảng tối ưu (80 – 150 ml/g) cho thấy bùn hoạt tính hoạt động tốt. (Bảng IV.3) Bảng IV.3. Kết quả xử lý ở bể aeroten thông thường CODV = 792 mg/l, Hàm lượng sinh khối ban đầu 882 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 110 86,1 882 102 115,7 2 68 91,4 850 100 117,7 4 75 90,5 864 106 122,7 6 80 89,9 852 110 129,1 Trung bình 83,3 89,5 862 104,5 121,3 Từ những kết quả nghiên cứu trên có thể rút ra bảng tổng kết sau đây: Bảng IV.4. Ảnh hưởng của kết cấu thiết bị đến hiệu quả xử lý so sánh với bể aeroten thông thường Kết cấu thiết bị CODV (mg/l) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) Tải trọng riêng (kgCOD/kg MLSS/ngày) Đệm cách mặt nước 20 cm 781 99,8 87,2 856 105,8 123,6 2,89 Đệm cách mặt nước 2 cm 801 85,3 89,4 884 123,3 134 2,94 Aeroten thông thường 792 83,3 89,5 862 104,5 121,3 2,99 Hình IV.3. Ảnh hưởng của kết cấu thiết bị đến hiệu quả xử lý Lớp đệm cách mặt nước 20 cm Lớp đệm cách mặt nước 2 cm Không có lớp đệm (Aeroten thông thường) Kết quả nghiên cứu cho thấy: Với hàm lượng COD dòng vào khoảng 800 mg/l, hàm lượng sinh khối trong bể aeroten khoảng 800 – 900 mg/l, lưu lượng 10 lít/giờ, hiệu quả xử lý đã đạt từ 87,2 – 89,5 %, tải trọng riêng đạt từ 2,89 – 2,99 kg COD/kg MLSS/ngày (bảng IV.4), dòng thải ra đạt tiêu chuẩn loại B (COD £ 100 mg/l). Khi thay đổi kết cấu thiết bị, nâng cao lớp đệm lên cao hơn thì hiệu quả xử lý tăng cao hơn (89,4% so với 87,2%) (bảng IV.4). Nguyên nhân là do khi luồng nước thải vào đáy thiết bị, gặp lớp đệm ở dưới thấp, hàm lượng COD đang cao, do cản trở của lớp đệm thấp có vi sinh vật đã hạn chế sự đồng nhất. Do đó hiệu quả xử lý sẽ kém hơn so với khi lớp đệm ở cao hơn, khi đó nước thải có thời gian khuếch tán, đồng nhất làm giảm COD, khi đi qua lớp đệm chứa sinh khối sẽ tiếp tục được oxy hóa giảm nhanh hàm lượng COD. Tuy nhiên, sự chệnh lệch giữa hai trường hợp này cũng không lớn. So sánh với thiết bị aeroten thông thường, cho thấy hiệu quả xử lý ở bể aeroten thường cao hơn so với ở thiết bị hợp khối (89,5% so với 87,2% và 89,4%) (bảng IV.4). Điều này có thể giải thích là do trong bể aeroten thường, sinh khối vi sinh vật luôn luôn được đảo trộn đều, sự tiếp xúc giữa 3 pha rắn, khí, lỏng đạt tối ưu. Trong khi ở thiết bị hợp khối, do bùn sinh học bám dính trên lớp đệm nên tại các vùng tĩnh phân phối khí không đồng nhất tạo ra những điểm chết. Một nhược điểm khác ở thiết bị hợp khối đó là kết cấu phức tạp, khó kiểm soát được hàm lượng sinh khối trong thiết bị do bùn hoạt tính đã bám dính lên lớp đệm. Từ những nhận xét trên có thể kết luận kết cấu thiết bị phù hợp nhất là thiết bị aeroten thông thường, không có đệm. IV.2.2. Nghiên cứu xử lý bằng bể aeroten thông thường IV.2.2.1. Nghiên cứu xử lý trong môi trường chuẩn Thí nghiệm được tiến hành ở hệ thống aeroten thường khi thay đổi lưu lượng dòng vào: 8; 10; 11 lít/giờ (ứng với thời gian lưu tương ứng: 8,25 ; 6,6 ; 6 giờ), CODV » 800 mg/l, hàm lượng sinh khối MLSS » 1000 mg/l, pH dao động trong khoảng từ 7- 8, thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng (22oC). Nhận xét: Với lưu lượng dòng vào 8 lít/giờ (thời gian lưu 8,25 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 96,9 mg/l, đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,03 kg COD/kg MLSS/ngày, chỉ số thể tích của bùn SVI = 115,1 ml/g nằm trong khoảng tối ưu (80 – 150 ml/g) cho thấy bùn hoạt tính hoạt động tốt. (Bảng IV.5) Bảng IV.5. Kết quả xử lý khi dòng chảy liên tục Q = 8 lít/giờ (t = 8,25 giờ) CODV = 798 mg/l, Hàm lượng sinh khối ban đầu 998 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 106 86,7 998 110 110 2 95,8 88 1010 122 120,8 4 90 88,7 995 115 115,6 6 95,8 88 1008 115 114 Trung bình 96,9 87,9 1002,8 115,5 115,1 Nhận xét: Với lưu lượng dòng vào 10 lít/giờ (thời gian lưu 6,6 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 102,3 mg/l, không đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,25 kg COD/kg MLSS/ngày, chỉ số thể tích của bùn SVI = 113,9 ml/g nằm trong khoảng tối ưu (80 – 150 ml/g) cho thấy bùn hoạt tính hoạt động tốt. (Bảng IV.6) Bảng IV.6. Kết quả xử lý khi dòng chảy liên tục Q = 10 lít/giờ (t = 6,6 giờ) CODV = 798 mg/l, Hàm lượng sinh khối ban đầu 1005 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 101 87,3 1005 102 101,5 2 85 89,3 998 100 100,2 4 106 86,7 1020 106 104 6 117 85,3 1100 110 100 Trung bình 102,3 87,2 1030,8 104,5 113,9 Nhận xét: Với lưu lượng dòng vào 11 lít/giờ (thời gian lưu 6 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 120,8 mg/l, không đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,45 kg COD/kg MLSS/ngày, chỉ số thể tích của bùn SVI = 107,4 ml/g nằm trong khoảng tối ưu (80 – 150 ml/g) cho thấy bùn hoạt tính hoạt động tốt. (Bảng IV.7) Bảng IV.7. Kết quả xử lý khi dòng chảy liên tục Q = 11 lít/giờ (t = 6 giờ) CODV = 793 mg/l, Hàm lượng sinh khối ban đầu 1050 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 133 83,2 1050 115 109,5 2 138 82,6 1052 115 109,3 4 111 86 997 106 106,3 6 101 87,3 1112 117 104,5 Trung bình 120,8 84,8 1052,8 113,3 107,4 Từ những kết quả nghiên cứu trên có thể rút ra bảng tổng kết sau đây: Bảng IV.8. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào đến hiệu quả xử lý khi chạy bằng môi trường chuẩn Lưu lượng dòng vào (lít/giờ) CODV (mg/l) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) Tải trọng riêng (kgCOD/kg MLSS/ngày) 8 798 96,9 87,9 1002,8 115,5 115,1 2,03 10 798 102,3 87,2 1030,8 104,5 113,9 2,25 11 793 120,8 84,8 1052,8 113,3 107,4 2,45 Hình IV.4. Ảnh hưởng của lưu lượng đến hiệu quả xử lý khi chạy bằng môi trường chuẩn Kết quả nghiên cứu cho thấy: Với hàm lượng COD dòng vào khoảng 800 mg/l, hàm lượng sinh khối trong bể aeroten khoảng 1000 mg/l, hiệu quả xử lý đã đạt khoảng 85 – 88 % tùy theo lưu lượng, tải trọng riêng dao động trong khoảng 2,03 – 2,45 kg COD/kg MLSS/ngày (bảng IV.8). Khi tăng lưu lượng dòng vào thì hiệu quả xử lý giảm đi và COD ra tăng cao hơn mặc dù tải trọng riêng tăng. Đối với lưu lượng dòng vào là 10 và 11 lít/giờ (tương ứng với thời gian lưu 6,6 giờ và 6 giờ), ta thấy dòng thải ra chưa đạt tiêu chuẩn loại B (COD £ 100 mg/l). Còn đối với lưu lượng 8 lít/giờ, dòng thải đã đạt tiêu chuẩn loại B như yêu cầu ( CODR = 96,9 mg/l). Vì vậy, lưu lượng thích hợp của dòng vào là 8 lít/giờ, ứng với thời gian lưu 8,25 giờ. IV.2.1.2. Nghiên cứu xử lý trong môi trường nước thải từ sản xuất bia Thí nghiệm được tiến hành ở hệ thống aeroten thường khi thay đổi lưu lượng dòng vào: 8; 10; 11 lít/giờ (ứng với thời gian lưu tương ứng: 8,25 ; 6,6 ; 6 giờ), CODV » 640 mg/l (của nước thải từ quá trình sản xuất bia), hàm lượng sinh khối MLSS » 800 mg/l, pH dao động trong khoảng từ 7- 8, thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng (22oC). Nhận xét: Với lưu lượng dòng vào 8 lít/giờ (thời gian lưu 8,25 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 92,5 mg/l, đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2 kg COD/kg MLSS/ngày (bảng IV.9) Bảng IV.9. Kết quả xử lý khi dòng chảy liên tục Q = 8 lít/giờ (t = 8,25 giờ) CODV = 640 mg/l, BOD5 = 390 mg/l, MLSSban đầu = 780 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 110 82,8 780 130 166,7 2 98 84,7 784 130 165,8 4 80 87,5 792 129 163 6 82 87,2 810 134 165,4 Trung bình 92,5 85,6 791,5 130,8 165,3 Nhận xét: Với lưu lượng dòng vào 10 lít/giờ (thời gian lưu 6,6 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 99,8 mg/l, đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,45 kg COD/kg MLSS/ngày (bảng IV.10) Bảng IV.10. Kết quả xử lý khi dòng chảy liên tục Q = 10 lít/giờ (t = 6,6 giờ) CODV = 638 mg/l, BOD5 = 387 mg/l, MLSSban đầu = 785 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 105 83,5 785 142 181 2 112 82,4 800 140 175 4 94 85,3 802 142 177 6 88 86,2 810 145 179 Trung bình 99,8 84,4 799,3 142,3 178 Nhận xét: Với lưu lượng dòng vào 11 lít/giờ (thời gian lưu 6 giờ), mẫu nước ra sau xử lý được lấy và phân tích cách 2 giờ/lần, kết quả COD dòng ra trung bình cho 4 thời điểm là 103,3 mg/l, không đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B, với tải trọng riêng TR = 2,47 kg COD/kg MLSS/ngày (bảng IV.11) Bảng IV.11. Kết quả xử lý khi dòng chảy liên tục Q = 11 lít/giờ (t = 6 giờ) CODV = 643 mg/l, BOD5 = 400 mg/l, MLSSban đầu = 850 mg/l Thời điểm (h) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) 0 108 83,2 850 145 170,6 2 115 82,1 856 147 171,7 4 100 84,4 888 148 166,7 6 90 86 900 148 164,4 Trung bình 103,3 84 873,5 147 168,4 Từ những kết quả nghiên cứu trên có thể rút ra bảng tổng kết sau đây: Bảng IV.12. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào đến hiệu quả xử lý nước thải từ quá trình sản xuất bia Lưu lượng dòng vào (lít/giờ) CODV (mg/l) CODR (mg/l) Hiệu quả xử lý (%) MLSS (mg/l) Vlắng (ml) SVI (ml/g) Tải trọng riêng (kgCOD/kg MLSS/ngày) 8 640 92,5 85,6 791,5 130,8 165,3 2 10 638 99,8 84,4 799,3 142,3 178 2,45 11 643 103,3 84 873,5 147 168,4 2,47 Hình IV.5. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào đến hiệu quả xử lý trong môi trường nước thải từ quá trình sản xuất bia Kết quả nghiên cứu cho thấy: Với hàm lượng COD dòng vào khoảng 840 mg/l, hàm lượng sinh khối trong bể aeroten khoảng 800 mg/l, hiệu quả xử lý đã đạt khoảng 84 – 85,6 % tùy theo lưu lượng, tải trọng riêng dao động trong khoảng 2 – 2,47 kg COD/kg MLSS/ngày (bảng IV.12). Khi tăng lưu lượng dòng vào thì hiệu quả xử lý giảm đi và COD ra tăng cao hơn mặc dù tải trọng riêng tăng. Đối với lưu lượng dòng vào là 11 lít/giờ, ta thấy dòng thải ra chưa đạt tiêu chuẩn loại B (COD £ 100 mg/l). Còn đối với lưu lượng 8 và 10 lít/giờ, dòng thải đã đạt tiêu chuẩn loại B như yêu cầu (CODR = 92,5 mg/l và 99,8 mg/l) (bảng IV.12). CHƯƠNG V TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG AEROTEN CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI XƯỞNG BIA BẮC ÂU V.1. Mục tiêu thiết kế Thiết kế hệ thống aeroten xử lý nước thải của xưởng sản xuất bia Bắc Âu có công suất trung bình 3000 lít bia/ngày, lượng nước tiêu tốn cho toàn bộ quy trình là 30 m3/ngày. Sau khi phân luồng dòng thải, tuần hoàn lại dòng nước làm lạnh trong các thiết bị truyền nhiệt (đây là luồng nước sạch, chiếm khoảng 30% so với lượng nước thải [1]), như vậy lượng nước thải từ sản xuất là 21 m3/ngày. Do công nghệ sản xuất bia là công nghệ gián đoạn, phụ thuộc nhiều vào mùa vụ, thời tiết trong năm, nên hệ thống aeroten sẽ được thiết kế làm 2 đơn nguyên chồng lên nhau để tiết kiệm diện tích mặt bằng cho xưởng sản xuất. Vào mùa cao điểm của sản xuất, cả 2 đơn nguyên sẽ được hoạt động liên tục, ngoài vụ, có thể chỉ chạy một đơn nguyên. Như vậy sẽ tiết kiệm được các chi phí vận hành, chủ yếu là chi phí về điện do các thiết bị cấp khí tiêu tốn. V.2. Tính toán thiết kế Sơ đồ hoạt động của bể aeroten được trình bày như sau: Q – Lưu lượng, m3/ngày X – Hàm lượng sinh khối, mg/l V – Thể tích, m3 Các chỉ số: V, R, T, W tương ứng với dòng vào, ra, tuần hoàn và dòng thải QR = QV (Coi lượng nước theo bùn không đáng kể). Các thông số ban đầu: Lưu lượng dòng vào: QV = 21 m3/ngày. Dựa theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm có: Hàm lượng COD trong dòng vào So = 640 mg/l. Hàm lượng COD trong dòng ra S = 92,5 mg/l. Hàm lượng sinh khối MLSS trong bể aeroten XA = 791,5 mg/l. Thời gian lưu nước trong bể aeroten t = 8 giờ V.2.1. Xác định dung tích của bể aeroten Dung tích hoạt động bể aeroten được xác định bằng công thức: [15] Trong đó: VA - Thể tích bể aeroten, m3 QV - Lưu lượng dòng vào bể, Q = 21 m3/ngày t - Thời gian lưu nước trong bể aeroten, t = 8 giờ Thay các số liệu trên vào công thức ta có (m3) Dung tích xây dựng của bể aeroten: VXD = VA + VA/10 = 7 + 0,7 = 7,7 (m3) Như vậy, quy chuẩn dung tích xây dựng cần thiết của bể aeroten là 7,8 m3, bể chia làm 2 đơn nguyên chồng lên nhau, mỗi đơn nguyên có dung tích 3,9 m3. Kích thước mỗi đơn nguyên: Chiều dài: 2 m Chiều rộng: 1,3 m Chiều cao: 1,5 m V.2.2. Xác định lượng bùn sinh ra trong quá trình xử lý Theo nghiên cứu thực nghiệm, hiệu quả tạo sinh khối (lượng sinh khối tạo thành trên một đơn vị COD được xử lý) là 0,3. Ta có lượng sinh khối tạo thành trong bể aeroten: ma = a. Q. (So – S).10-3 (kg/ngày) [15] = 0,3. 21. (640 – 92,5) .10–3 = 3,45 (kg/ngày) V.2.3. Xác định lượng bùn tuần hoàn và lượng bùn xả ra khỏi hệ thống Cân bằng lượng bùn ở bể hoạt hóa: QV. XV + QT. XT = QA. XA Coi hàm lượng sinh khối ở dòng vào là XV = 0 , nên QT. XT = QA. XA Tỷ số hồi lưu: , chọn R = 0,5 ta có QT = QV.R = 21.0,5 = 10,5 (m3/ngày) Mà QA = QV + QT = QV.(1+R) = 21.(1+0,5) = 31,5 (m3/ngày) Suy ra = 2374,5 (mg/l) Để tính lưu lượng bùn xả ra khỏi hệ thống, có thể suy ra từ công thức: [15] Trong đó qC - tuổi của bùn, chọn qC = 4 ngày. Rút ra: = = 0,385 (m3/ngày) V.2.4. Kiểm tra chỉ tiêu làm việc của bể aeroten Tỷ số F/M = 0,8 < 1 nên hàm lượng sinh khối tạo thành ít, kích thước bông bùn tối ưu, bùn lắng nhanh, bể aeroten hoạt động hiệu quả. Tải trọng riêng = 1,86 (kg BOD5/kg bùn hoạt tính/ngày) V.2.5. Xác định lượng không khí cần thiết cho quá trình xử lý Hệ số oxy hóa đối với COD là 0,68. Nghĩa là cứ oxy hóa 1 mg COD nói chung thì cần o,68 mg oxy hòa tan. Do vậy lượng oxy cần thiết cho quá trình xử lý là: moxy = (640 – 92,5). 21.10-3 .0,68 = 7,82 (kg O2/ngày) Khi đó lượng không khí cần thiết cho quá trình xử lý được tính theo công thức: WKK = Trong đó: WKK - Nhu cầu không khí cần thiết cấp cho bể aeroten - Nhu cầu oxy cần thiết cấp cho bể aeroten c - Khối lượng của oxy trong không khí, c = 0,232 r - Tỷ khối của không khí ở 30oC, độ ẩm 85%, r = 1,225 kg/m3 - Hiệu quả sử dụng khí (Y = 7-12%), chọn = 10% Thay các thông số trên vào công thức ta có lượng không khí cần thiết cho quá trình xử lý là: WKK = = 275,16 (m3 không khí/ngày) Chọn thiết bị phân phối khí với những vòi cấp khí làm bằng chất dẻo, có công suất 1 m3/h, thì số vòi cấp khí trong bể aeroten là: n = » 12 (vòi) Bể aeroten chia làm 2 đơn nguyên, do đó mỗi đơn nguyên có 6 vòi cấp khí, phân bố đều trên toàn diện tích đáy của bể. Kiểm tra chỉ tiêu cấp khí: + Lưu lượng khí cấp cho 1m3 nước thải: C = = 13,1 (m3 không khí /m3 nước thải)  + Lưu lượng khí cần để khử 1 kg COD: qkCOD = = 23,93 (m3 không khí/ 1kg COD khử) V.2.6. Tính toán bể lắng thứ cấp + Diện tích mặt bằng của bể lắng được tính theo công thức: S = , m2 [13] Trong đó: QR – Lưu lượng nước ra khỏi bể lắng, QR = 21 (m3/ngày) = 0,875 (m3/h) XT – hàm lượng sinh khối trong dòng tuần hoàn, XT = 2374,5 (mg/l) XA – hàm lượng sinh khối trong bể aeroten, XA = 791,5 (mg/l) R – tỷ số tuần hoàn bùn, R = 0,5 VL - vận tốc lắng của bùn theo trọng lực, ứng với nồng độ XL (m/h) với (công thức thực nghiệm của Lee-1982 và Wilson-1996) [13] Trong đó: XL – hàm lượng sinh khối tại điểm giữa của bể lắng, mg/l XL = 0,5.XT = 0,5. 2374,5 = 1187,25 (mg/l) hay (g/m3) Vmax = 7 (m/h) K = 600 [13] Suy ra: = 3,43 (m/h) Diện tích phần lắng của bể: S = = 0,13 (m2) Nếu kể cả diện tích ống phân phối trung tâm S = 1,1. 0,13 = 0,143 (m2) + Do đó đường kính bể là D = 0,43 (m). Chọn D = 0,5 (m) + Đường kính ống phân phối trung tâm: d = 0,25.D = 0,125 (m) + Diện tích ống phân phối trung tâm: f = p.d2/4 = 0,012 (m2) + Tải trọng thủy lực: a = = = 161,5 (m3/m ngày) + Máng thu nước được đặt ở vòng tròn có đường kính bằng 0,8 đường kính bể: [13] dmáng = 0,8. 0,5 = 0,4 (m) + Chu vi máng thu nước: L = p.dmáng = 3,14. 0,4 = 1,25 (m) + Tải trọng thu nước trên 1m chiều dài của máng: aL = = = 16,7 (m3/m ngày) + Tải trọng bùn: b = = = 8 (kg/m2.h) + Xác định chiều cao bể Chọn chiều cao bể: H = 3 m Chiều cao dự trữ trên mặt thoáng h1 = 0,3 m Chiều cao cột nước trong bể: 2,7 m, gồm: Chiều cao phần nước trong h2 =1,5 m Chiều cao phần chóp đáy bể có độ dốc 30% về tâm h3 = 0,3.Rbể = 0,3. 0,25 = 0,075 (m) Chiều cao phần chứa bùn cặn hình trụ h4 = H - h1 - h2 - h3 = 3 – 0,3 – 1,5 – 0,075 = 1,125 (m) + Thể tích phần chứa bùn Vb = S. h4 = 0,143. 1,125 = 0,16 (m3) + Hàm lượng bùn trung bình trong bể Xtb = = = = 1780,9 (mg/l) hay (g/m3) + Lượng bùn chứa trong bể lắng: Gb= Vb. Xtb = 0,16. 1780,9. 10-3 = 0,285 (kg) + Thời gian lưu nước trong bể lắng: Dung tích bể lắng: V = H . S = 2,7. 0,143 = 0,386 (m3) Lưu lượng nước đi vào bể lắng: QA = QV.(1+R) = 21.1,5 = 31,5 (m3/ngày) Thời gian lưu nước trong bể lắng: t = = = 0,012 (ngày) = 0,3 (h) KẾT LUẬN Sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp có tốc độ phát triển nhanh về sản lượng cũng như về số lượng các cơ sở sản xuất. Tải lượng ô nhiễm do sản xuất bia khá lớn, đặc biệt là nước thải. Định mức tiêu hao nước ở hầu hết các cơ sở còn khá cao (10 – 20 m3/ 1000 lít bia), trong số này chỉ có 30% lượng nước sản xuất được tuần hoàn trở lại, còn lại là lượng nước ô nhiễm bị thải vào môi trường. Đa số các cơ sở sản xuất bia lại nằm trong thành phố, nơi có mật độ dân cư cao. Do đó việc áp dụng các kỹ thuật giảm thiểu và xử lý ô nhiễm là những biện pháp tích cực bảo vệ môi trường công nghiệp. Đối với sản xuất bia, dòng nước thải cần xử lý chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên một trong các biện pháp hữu hiệu để xử lý nước thải là áp dụng phương pháp oxy hóa hiếu khí bằng bùn hoạt tính. Nghiên cứu được tiến hành tại phòng thí nghiệm Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nghiên cứu được tiến hành trên hệ thống pilot có dung tích 66 lít thực hiện 2 chức năng: bể liên hợp khối khi có lớp đệm và bể aeroten thông thường khi không có lớp đệm, khí được cấp bằng bơm thổi khí công suất 65 lít/phút. Nước thải để tiến hành nghiên cứu gồm 2 loại: nước thải môi trường chuẩn (nguồn cacbon là tinh bột thủy phân) với COD dòng vào dao động trong khoảng 800 mg/l và nước thải từ quá trình sản xuất bia được lấy từ xưởng bia Bắc Âu, phố Tạ Quang Bửu, Hà Nội với COD dòng vào dao động trong khoảng 640 mg/l. Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng, nước có nhiệt độ 20 – 25oC, pH = 7-8. Từ kết quả nghiên cứu có thể đưa ra một số kết luận sau: So sánh giữa bể liên hợp khối và bể aeroten thông thường thì thiết bị phù hợp để xử lý nước thải là bể aeroten thông thường. Để đảm bảo tiêu chuẩn dòng thải loại B theo TCVN 5945-1995, lưu lượng dòng vào phù hợp để xử lý nước thải là 8 lít/giờ, ứng với thời gian lưu 8,25 giờ. Để tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động, cần cấp đủ không khí cho bể oxy hóa, nồng độ oxy hòa tan cần duy trì ở giá trị ³ 4 mg/l. Đối với nước thải sản xuất bia với COD dòng vào dao động trong khoảng 640 mg/l, BOD5 dòng vào dao động trong khoảng 400 mg/l, sau 8 giờ lưu trong thiết bị xử lý ở nhiệt độ 20 – 25oC, độ oxy hòa tan ³ 4 mg/l, nước thải dòng ra có: COD < 100 mg/l BOD5 < 50 mg/l pH = 7-8 đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B theo TCVN 5945-1995. Hiệu suất xử lý đạt 85,6 %. Dựa trên những kết quả nghiên cứu thu được trên quy mô pilot, có thể thiết kế một hệ thống hiếu khí aeroten để áp dụng xử lý nước thải tại xưởng sản xuất bia Bắc Âu với lưu lượng nước thải cần xử lý 21 m3/ngày. Các thông số chính để thiết kế bao gồm: Dung tích xây dựng cần thiết cho bể aeroten: 7,8 m3. Bể bao gồm 2 đơn nguyên chồng lên nhau để tiết kiệm diện tích, kích thước của mỗi đơn nguyên: dung tích: 3,9 m3, chiều dài: 2 m, chiều rộng: 1,3 m, chiều cao: 1,5 m. Thiết bị cấp khí bao gồm 6 vòi phân phối khí cho mỗi đơn nguyên, được phân bố đều trên diện tích đáy. Các kích thước của bể lắng thứ cấp: chiều cao: 3 m, đường kính: 0,5 m, đường kính ống phân phối trung tâm: 0,125 m, đường kính máng thu nước: 0,4 m. Một hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ ở một xưởng sản xuất nhỏ là một khả năng có thể thực hiện được trên thực tế. Nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa, sự hội nhập và phát triển đang là một thách thức đối với nước ta trong vấn đề bảo vệ môi trường. Vì vậy, mỗi một cơ sở sản xuất dù nhỏ cũng nên có một hệ thống xử lý chất thải riêng, góp phần bảo vệ môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng, cùng nhau tạo nên một Việt Nam xanh, sạch, đẹp. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Trung tâm Khoa học và Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Báo cáo đánh giá tác động môi trường Cơ sở sản xuất bia 254 Minh Khai - Công ty bia Việt Hà, tr.6-56 – Hà Nội tháng 11/1996. Bộ Tài nguyên và Môi trường - Cục bảo vệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Báo cáo chuyên đề: Hiện trạng sản xuất và môi trường ngành bia, tr.1-16 – Hà Nội tháng 12/2003. Bộ công nghiệp - Tổng công ty Rượu-Bia-Nước giải khát Việt Nam – Xây dựng quy chế bảo vệ môi trường ngành Rượu-Bia-Nước giải khát, tr.3-7 – Hà Nội 2003. Hồ Sưởng – Công nghệ sản xuất bia, tr.8-30 – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội 1992. Hoàng Đình Hòa – Công nghệ sản xuất malt và bia, tr.25-33 – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội 1998. Hoàng Văn Huệ - Thoát nước và xử lý nước thải, tập 2, tr.59-174 – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội 2002. Tăng Thị Hồng Loan – Luận văn thạc sỹ : Một số trở ngại và cơ hội trong việc cải thiện công tác quản lý môi trường công nghiệp nghiên cứu điển hình tại Công ty bia Hà Nội và nhà máy bia Đông Nam Á, tr.23-38 – Hà Nội 1998. Trần Văn Nhân-Ngô Thị Nga – Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, tr.67-317 – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội 2002. Trần Hiếu Nhuệ-Trần Đức Hạ-Lê Hiền Thảo – Quá trình vi sinh vật trong công trình cấp thoát nước, tr.156-197 – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội 1996. Trần Hiếu Nhuệ-Trần Đức Hạ-Đỗ Hải-Ứng Quốc Dũng-Nguyễn Văn Tín – Cấp thoát nước, tr.152-167 – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội 1996. Trung tâm đào tạo ngành nước và môi trường dịch và giới thiệu - Sổ tay xử lý nước, tập 1, tr.326-354 – Nhà xuất bản xây dựng – Hà Nội 1999. Trung tâm đào tạo ngành nước và môi trường dịch và giới thiệu - Sổ tay xử lý nước, tập 2, tr.749-805 – Nhà xuất bản xây dựng – Hà Nội 1999. Trịnh Xuân Lai – Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, tr.89-159 – Nhà xuất bản xây dựng – Hà Nội 2000. Tài liệu tiếng Anh và website Gabriel Bitton – Waste water microbiology, p.169-386 – Second Edition, Willey-Liss, Inc, Pulication – 1999. Mecalf and Eddy, Inc – Waste water engineering-Treatment,Disposal, and Reuse, p.359-641 – Third Edition, McGraw Hill, Inc., New York – 1991. W. Wesley Eckenfelder, Jr – Industrial water pollution control, p.313-393 – Third Edition, McGraw Hill, Boston – 2000. www.vba.com.vn - website của Hiệp hội Rượu-Bia-Nước giải khát Việt Nam – 2001. www.marketresearch.com - Beer-Global beer report - 2003. www.xs4all.nt/~patto1ro/gerstats.htm - German Beer Statistics - 2003. www.brewers.or.jp/english - Beer consumption around the world - 2000. PHỤ LỤC Một số hình ảnh về quá trình nghiên cứu trên hệ thống Aeroten tại phòng thí nghiệm Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội