ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 06440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Cao Thế Hà Hà Nội – Năm 2014 Lời cảm ơn Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Cao Thế Hà đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu cho em trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Trong quá trình thực hiện, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình, những ý kiến đóng góp, chỉ bảo quý báu của các anh chị ở phòng Công Nghệ - Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD), đặc biệt Thạc sĩ Nguyễn Trường Quân . Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị đã dành cho em sự giúp đỡ quý báu đó. Ðồng thời, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Ðại học Khoa học Tự nhiên – Ðại học Quốc gia Hà Nội đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng em xin cảm ơn sự cổ vũ, động viên và giúp đỡ của gia đình và bạn bè trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này. Công trình này được thực hiện trong khuôn khổ Đề tài KC 08.04/11-15, tác giả xin chân thành cảm ơn Chương trình KC08, Bộ KH&CN tài trợ cho đề tài nhánh này. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Trang MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 1 MỞ ĐẦU 2 CHUƠNG 1. TỔNG QUAN 3 1.1 Hiện trạng hệ thống xử lý nuớc thải giàu hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam 3 1.1.1. Các nước trên thế giới 3 1.2.2. Ở Việt Nam 5 1.2 Các kỹ thuật trong xử lý nước thải chăn nuôi 6 1.2.1. Phương pháp xử lý cơ học 7 1.2.2. Phương pháp xử lý hóa lý 7 1.2.3. Phương pháp xử lý sinh học 8 1.2.3.1. Phương pháp xử lý hiếu khí 8 1.2.3.2 Các kĩ thuật xử lý yếm khí 9 1.2.3.3 Các quá trình trong xử lý yếm khí 13 1.2.3.4. Ưu nhược điểm của công nghệ yếm khí so với công nghệ hiếu khí 14 1.3 Các kĩ thuật yếm khí cao tải trong xử lý nước thải 14 1.3.1.Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt (UASB) 14 1.3.2.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng lưu thể BFB (Biofilm Fluidized Bed) 15 1.3.3.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng hạt dãn nở EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) 16 1.3.4.Kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội IC (Internal Circulation) 17 1.3.5. Kỹ thuật ABR 22 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1. Đối tượng nghiên cứu 30 2.2 Nội dung nghiên cứu 32 2.3 Phuơng pháp nghiên cứu 32 2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 32 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm 33 2.3.2.1 Thiết kế hệ IC 33 2.3.2.2 Thiết kế hệ ABR 36 2.4. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 39 2.4.1. Hóa chất 40 2.4.2. Thiết bị và dụng cụ 40 2.4.3. Các quy trình phân tích 40 2.5. Xử lý số liệu (Các số liệu phân tích được đưa vào và xử lý trong bảng excel) 40 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Đánh giá ảnh hưởng của yếu tố tăng dần tải lượng đến khả năng xử lý chất hữu cơ trong giai đoạn khởi động của 2 hệ ABR và IC 42 3.1.1 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=30h), IC(HRT=24h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) 43 3.1.2 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=25h), IC(HRT=20h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) 45 3.1.3 Chạy hệ ABR (HRT=20h), IC(HRT=16h) (thời gian khảo sát 30 ngày) 47 3.1.4 Chạy hệ ABR (HRT=15h), IC(HRT=12h) (thời gian khảo sát 30 ngày) 49 3.1.5 Chạy hệ ABR (HRT=10h), IC(HRT=10h) (thời gian khảo sát 45 ngày) 51 3.1.6 Chạy hệ ABR (HRT=6h), IC(HRT=6h)( thời gian khảo sát 45 ngày) 53 3.1.7 Đánh giá mối quan hệ giữa TL và NSXL COD 56 3.2 Đánh giá khả năng xử lý COD, TSS qua các cột hệ ABR 58 3.3 Đánh giá khả năng giảm SS khi có và không có vật liệu mang 61 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 72 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào nước thải 13 Bảng 2: tải hữu cơ cho ba hệ thống xử lý kỵ khí phổ biến [25] 19 Bảng 3. Tóm tắt về các đặc trưng của các hệ sử dụng bùn vi sinh dạng hạt có tăng cường khuấy trộn 20 Bảng 4. Tải lượng xử lí thường gặp đối với ba hệ xử lý yếm khí cao tải mới [14] 21 Bảng 5: Thông số nước thải đầu vào 42 Bảng 6. Tổng hợp chế độ vận hành hai hệ yếm khí 43 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Bể phản ứng kiểu túi mềm 10 Hình 2. Loại phản ứng kiểu ống dòng 10 Hình 3. Sơ đồ bể xử lí yếm khí kiểu UASB và hình hạt bùn 11 Hình 4. So sánh hai loại bồn phản ứng 12 Hình 5: sơ đồ hệ xử lý UASB 15 Hình 6: sơ đồ thiết bị phản ứng BFB 16 Hình 7: hạt bùn sinh học 16 Hình 8: sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội bộ 18 Hình 9: tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian 22 Hình 10. Cấu hình bể xử lý ABR 24 Hình 11. Bình phản ứng dạng IC khi hoàn chỉnh 34 Hình 12: Hình ảnh bộ tách 3 pha 36 Hình 13. Hình ảnh nón phân phối bùn 36 Hình 14.Sơ đồ công nghệ hệ ABR quy mô phòng thí nghiệm ( Q =50 L/ngày ) 37 Hình 15 : hình ảnh hệ ABR hoàn chỉnh 39 Hình 16. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 30h, IC 24h 44 Hình 17. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 30h, IC 24h 44 Hình 18. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 30h, IC 24h 45 Hình 19. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 25h, IC 20h 46 Hình 20. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 25h, IC 20h 46 Hình 21. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 25h, IC 20h 47 Hình 22. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 20h, IC 16h 48 Hình 23 .Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 20h, IC 16h 48 Hình 24. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 20h, IC 16h 49 Hình 25 .Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 15h, IC 12h 50 Hình 26. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 15h, IC 12h 50 Hình 27. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 15h, IC 12h 51 Hình 28. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 10h, IC 10h 52 Hình 29. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 10h, IC 10h 52 Hình 30. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 10h, IC 10h 53 Hình 31. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 6h, IC 6h 54 Hình 32. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 6h, IC 6h 54 Hình 33. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 6h, IC 6h 55 Hình 34. Mối quan hệ giữa TL và NSXL COD tổng hệ ABR và IC qua các HRT 56 Hình 35. Mối quan hệ giữa TL và NSXL CODht hệ ABR và IC qua các HRT 58 Hình 36. Diễn biến CODt , Hiệu suất xử lý CODt theo giảm dần HRT của hệ ABR qua các cột 59 Hình 37. Diễn biến CODht , Hiệu suất xử lý CODht theo giảm dần HRT của hệ ABR qua các cột 60 Hình 38. Hình ảnh lọc cặn đầu vào 62 Hình 39. So sánh hiệu suất xử lý CODht khi có và không có lọc cặn hệ IC 62 Hình 40. So sánh hiệu suất xử lý COD hệ ABR khi có và không có lọc cặn 63 Hình 41. Đồ thị so sánh TSS trước và sau khi lọc cặn đầu vào 63 Hình 42. Đồ thị mối quan hệ TL và NSXL COD khi có lọc cặn đầu vào(HRT 6h) 64 Hình 43 : Tổng hợp khả năng loại bỏ TSS khi có và không có lọc cặn đầu vào 65 1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt tiếng anh ABR : Anaerobic Baffled Reactor - Hệ phản ứng yếm khí với vách ngăn đảo chiều COD : Chemical oxygen demand - Nhu cầu ôxi hóa học EGSB : Expanded Granular Sludge Bed- Hệ phản ứng với lớp bùn giãn nở IC : Internal Circulation – Hệ tuần hoàn nội HRT : Hydraulic retention time – Thời gian lưu thủy lực UASB :Upflow anaerobic sludge blanket - Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt Chữ viết tắt tiếng việt CODht : Nhu cầu oxi hóa dạng hòa tan CODt : Nhu cầu oxi hóa dạng tổng số NSXL : Năng suất xử lý H% : Hiệu suất Tb : trung bình TL : Tải lượng Vd : Vận tốc dâng nước 2 MỞ ĐẦU Xử lý nước thải bằng các công nghệ vi sinh ngày càng được ứng dụng hiệu quả và rộng rãi trên thế giới và cũng như Việt Nam bởi nhẽ, đây là giải pháp xử lý với chi phí thấp, thân thiện với môi trường do không phải sử dụng nhiều hóa chất. Phương pháp vi sinh bao gồm phương pháp yếm khí, hiếu khí, các phương pháp này có thể được sử dụng riêng rẽ hoặc xử lý kết hơp với nhau nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm sinh học trong nước thải. Đối với các công nghệ yếm khí thì có nhiều lựa chọn, trước hết là lựa chọn kĩ thuật phản ứng. Loại đơn giản và chi phí thấp như hầm biogas phủ bạt nhưng gặp nhiều khó khăn. Trong trường hợp này thì rõ ràng là các hệ phản ứng kiểu các kĩ thuật lọc ngập nước (Submerged Biotrickling Filter), UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), EGSB (Extended Granule Sludge Blanket),… sẽ là sự lựa chọn. Lựa chọn của chúng tôi là nếu cần năng suất cao thì chọn kĩ thuật cho khả năng xử lý cao nhất. Nếu coi kĩ thuật đời đầu- bồn phản ứng khuấy trộn hoàn toàn có công suất trên đơn vị thể tích là 1 thì bồn tiếp xúc là 5, hệ UASB là 25 và hệ EGSB, IC là 75 như hình dưới đây. Vậy theo các tài liệu trên thế giới cho biết kĩ thuật IC cho năng suất và hiệu quả cao nhất và ở Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu nào quan tâm. NS tương đối 1 5 25 75 Một trong những mục tiêu của đề tài là phát triển các kỹ thuật yếm khí cao tải sao cho với thời gian lưu ngắn nhất có thể xử lý được nước thải giàu hữu cơ sao cho hiệu xuất theo COD ở mức 70% trở lên. Để đạt được mục tiêu này chúng tôi thử nghiệm hai kĩ thuật: IC và ABR (Anaerobic Buffle Reactor – Bồn yếm khí có vách ngăn đảo dòng) có cải tiến. [...]... chăn nuôi giàu chất hữu cơ ở Ý đưa ra là SBR có thể giảm trên 97% nồng độ COD, Nitơ, Phospho Một trong những nghiên cứu, phát hiện đặt 1 dấu mốc mới cho ngành xử lý nước thải - bảo vệ môi trường sống là nghiên cứu của GS.Lettinga.Ông đã khởi động những nghiên cứu biến công nghệ yếm khí vốn được coi là công nghệ “phân hủy” bùn cặn năng suất thấp thành công nghệ xử lí nước thải giàu hữu cơ có năng suất rất... bình và lớn Một số tác giả Úc cho rằng chiến lược giải quyết vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi heo là sử dụng kỹ thuật SBR (sequencing batch reactor) Ở Ý đối với các loại nước thải giàu Nitơ và Phospho như nước thải chăn nuôi heo thì các phương pháp xử lý thông thường không thể đạt được các tiêu chuẩn cho phép về hàm lượng về Nitơ và Phospho trong nước ra sau xử lý Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi giàu. .. trình công nghệ và thiết bị tương đối hoàn chỉnh, đồng bộ nhằm áp dụng trong các xí nghiệp chăn nuôi mang tính chất công nghiệp Trong các nghiên cứu về quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo công nghiệp đã đưa ra một số kiến nghị sau: Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi công nghiệp có thể tiến hành như sau: (1) xử lý cơ học: lắng 1; (2) xử lý sinh học: bắt đầu bằng sinh học kị khí UASB, tiếp... thải chăn nuôi Việc xử lý nước thải chăn nuôi heo nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đến một nồng độ cho phép có thể xả vào nguồn tiếp nhận Việc lựa chọn phương pháp làm sạch và lựa chọn quy trình xử lý nước phụ thuộc vào các yếu tố như :  Các yêu cầu về công nghệ và vệ sinh nước  Lưu lượng nước thải  Các điều kiện của trại chăn nuôi  Hiệu quả xử lý Đối với nước thải chăn nuôi, có... bước tiến mới trong công nghệ xử lý yếm khí 4 Các phương pháp lọc sinh học ngập nước cũng là một lựa chọn trong xử lí yếm khí Nhiều tác giả đã quan tâm đến kĩ thuật này Ví dụ, Lomas và ctv ở Trường tổng hợp del País Vasco Tây Ban Nha đã nghiên cứu xử lý nước thải nuôi lợn trên pilot sử dụng kĩ thuật lọc sinh học ngập nước ở 35oC Kết quả cho thấy, với HRT từ 0,9 đến 6 ngày, với tải đầu vào trung bình... 1.2.3.3 Các quá trình trong xử lý yếm khí Các quá trình vi sinh trong hệ xử lý yếm khí Phương trình tổng của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau: CcHhOoNnSs + 1/4(4c–h–2o+3n+2s)H2O  1/8(4c –h+2o+3n+2s)CO2 + 1/8(4c + h – 2o – 3n – 2s)CH4 + nNH3 + sH2S (1.1) Trong đó CcHhOoNnSs là công thức tổng quát của chất thải hữu cơ, sau khi bị phân hủy yếm khí bởi tập đoàn vi khuẩn yếm khí bao gồm các nhóm... nhau ưu tiên phát triển trong từng ngăn phù hợp với môi trường sinh hóa Sự phát triển của tập đoàn vi sinh trong từng ngăn phụ thuộc vào dạng và nồng độ của cơ chất có mặt trong môi trường nước cũng như các yếu tố ngoại cảnh như pH và nhiệt độ Trong những ngăn đầu diễn ra quá trình axit hóa, trong đó vi khuẩn axit hóa phát triển với tốc độ nhanh, tiêu hao cơ chất lớn và làm pH giảm mạnh Trong những... nuôi, có thể áp dụng các phương pháp sau :  Phương pháp cơ học 6  Phương pháp hóa lý  Phương pháp sinh học Trong các phương pháp trên ta chọn xử lý sinh học là phương pháp chính Công trình xử lý sinh học thường được đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý 1.2.1 Phương pháp xử lý cơ học Mục đích là tách chất rắn, cặn, phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, phân riêng Có thể dùng song chắn... là sinh học hiếu khí (Aerotank hoặc hồ sinh học) ; (3) khử trùng trước khi thải ra ngoài môi trường Nhìn chung những nghiên cứu của chúng ta đã đi đúng hướng, tiếp cận được công nghệ thế giới đang quan tâm nhiều Tuy nhiên số lượng nghiên cứu và chất lượng các nghiên cứu của chúng ta còn cần được nâng cao hơn, nhằm nhanh chóng được áp dụng trong thực tế sản xuất 1.2 Các kỹ thuật trong xử lý nước thải chăn... dụ kĩ thuật yếm khí chỉ là ao hồ yếm khí, bồn yếm khí cổ điển (có khuấy, điều nhiệt); kĩ thuật hiếu khí là mương ôxi hóa, chưa quan tâm đầy đủ đến xử lí N, P Ở Châu Á, các nước như: Trung Quốc, Thái Lan,… là những nước có ngành chăn nuôi công nghiệp lớn trong khu vực nên rất quan tâm đến vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi Nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra nhiều công nghệ xử lý nước thải thích . ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ LUẬN VĂN. SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ. TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 06440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Cao Thế Hà