ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Duy Hiển NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG (KHÍ METAN) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nguyễn Duy Hiển Hà Nội - 2014 Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG (KHÍ METAN) Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ HÀ TS LÊ THỊ HOÀNG OAN Hà Nội - 2014 Hà Nội - 2014 HLỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn luận văn tôi, PGS.TS Nguyễn Thị Hà TS Lê Thị Hoàng Oanh - Giảng viên Khoa Môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện, động viên hướng dẫn tơi tận tình, chu đáo suốt trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Đồng thời xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cán phịng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, trang bị cho kiến thức khoa học quý báu suốt trình học tập tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn công ty cổ phần mía đường Hịa Bình, chi cục Mơi trường tỉnh Hịa Bình nhiệt tình cộng tác giúp đỡ tơi q trình thực nghiên cứu nhà máy địa phương Cuối cùng, xin tỏ lịng biết ơn tới gia đình, bè bạn động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành tốt luận văn Hà Nội, 15 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Duy HiểnMỤC LỤC Danh mục hình MỞ ĐẦU Với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa điều kiện thổ nhưỡng thuận lợi, Việt Nam có nhiều ưu việc phát triển ngành cơng nghiệp mía đường thực tế, mía đường ngành cơng nghiệp chiếm vị trí quan trọng kinh tế nước ta Hiện nước có 37 nhà máy đường hoạt động, phân bố rộng ba miền đất nước Niên vụ mía 2012 - 2013 tổng diện tích trồng mía nước đạt khoảng 283,2 nghìn hecta Năng suất mía bình quân đạt 62,4 tấn/hecta, tổng sản lượng mía đạt 18,5 triệu Sản lượng mía ép cơng nghiệp đạt 16,5 triệu tấn, sản lượng đường đạt mức 1.530.000 tấn, tăng 200 nghìn so với niên vụ trước, đáp ứng nhu cầu nước [1, 3] Trước năm 1990, hầu hết trang thiết bị, máy móc, dây chuyền công nghệ sản xuất nhà máy đường cũ, lạc hậu, trình độ sản xuất chất lượng sản phẩm thấp Trong năm gần đây, đầu tư cải tiến công nghệ thiết bị đại, nhà máy đường không ngừng nâng cao suất chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, so với giới suất, chất lượng mía đường cịn thấp chi phí sản xuất mía cao Những vụ ép gần đây, hầu hết nhà máy đường gặp khó khăn giá đường giới giảm mạnh, tình trạng nhập lậu đường từ Trung Quốc, Thái Lan ảnh hưởng lớn đến sản xuất nước [13] Bên cạnh khó khăn sản xuất kinh doanh, nhà máy đường cịn phải đối mặt với vấn đề mơi trường phát sinh q trình sản suất Ngành cơng nghiệp mía đường tiêu thụ nhiều lượng hóa thạch (điện, than đá, dầu 6 diezen ), nhu cầu sử dụng nước lớn thải khối lượng lớn chất thải rắn, khí thải nước thải với mức độ ô nhiễm cao Nước thải ngành công nghiệp mía đường ln chứa lượng lớn chất hữu bao bao gồm hợp chất hữu chứa nitơ, phốtpho Các chất dễ bị phân hủy vi sinh vật, gây mùi hôi thối làm ô nhiễm nguồn nước tiếp nhận Phần lớn chất rắn lơ lửng có nước thải ngành cơng nghiệp mía đường dạng vơ Khi thải mơi trường tự nhiên lắng đọng tạo thành lớp trầm tích đáy thủy vực, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh thủy vực Lớp bùn trầm tích cịn chứa chất hữu làm giảm lượng oxy hịa tan nước tạo loại khí nhà kính CO2, CH4 Ngồi ra, nước thải cịn chứa lượng lớn đường thất q trình sản xuất gây ô nhiễm nguồn nước Các chất hữu có nước thải mía đường tận dụng thu hồi thơng qua q trình xử lý chuyển hóa sinh học dịng thải hữu tận dụng sinh khối thải chuyển thành khí nhiên liệu sinh học (biogas) cung cấp lượng cho nhu cầu tiêu thụ lượng nhà máy, nước thải sau xử lý mức tận thu nguồn dưỡng chất để bón cho mía, xử lý mức đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN40-2011 cột B trước xả trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận Khí sinh học thu góp phần giảm thiểu ô nhiễm nước, hạn chế khai thác nhiên liệu không tái tạo giảm phát thải khí nhà kính, chủ động việc ứng phó với biến đổi khí hậu xu chung giới Nhiều công nghệ xử lý nước thải cơng nghiệp áp dụng xử lý nước thải mía đường xử lý học lắng lọc, xử lý hóa lý keo tụ, tuyển xử lý sinh học yếm, hiếu khí Tuy nhiên khác điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế, trạng thiết bị cấu sản phẩm nên nhà máy phải lựa chọn cho phương án tối ưu, khả thi để đảm bảo hiệu kinh tế 7 trình xử lý Mặt khác, bối cảnh hiệu ứng nhà kính gia tăng gây nên tượng nóng lên toàn cầu khủng hoảng lượng kéo dài khan nguồn lượng hóa thạch gần khơng có khả tái tạo Việc nghiên cứu khả thu hồi lượng giảm phát thải khí nhà kính trở nên thiết đóng góp vào việc phát triển bền vững thân thiện với mơi trường ngành cơng nghiệp mía đường Nghiên cứu cơng nghệ xử lý nước thải ngành mía đường nhiều nhà khoa học giới Việt Nam quan tâm, nghiên cứu đạt kết khả quan Tuy nhiên, nghiên cứu chưa xem xét đến yếu tố tự nhiên, xã hội thực tế sản xuất Việt Nam chưa đánh giá mức đến tiềm thu hồi lượng (khí metan) Để đóng góp vào hướng nghiên cứu góp phần tiết kiệm tài ngun bảo vệ mơi trường, luận văn thực đề tài: “Nghiên cứu đề xuất cơng nghệ xử lý nước thải ngành mía đường theo định hướng thu hồi lượng (khí metan) ” Mục tiêu nghiên cứu nhằm đề xuất công nghệ phù hợp xử lý nước thải mía đường kết hợp 8 với thu hồi sản phẩm phụ có giá trị góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường tăng cường hiệu kinh tế Với nội dung gồm: > Tổng quan sản xuất mía đường, trạng xả thải, công nghệ xử lý khả thu hồi metan > Điều tra khảo sát thực địa Cơng ty mía đường Hịa Bình (HOASUCO): Khảo sát dây chuyền cơng nghệ sản xuất, khảo sát dịng thải liên quan đến nước thải lấy mẫu nước thải > Nghiên cứu thực nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm để đánh giá khả xử lý nước thải nhà máy mía đường hệ thống xử lý sinh học yếm khí ngược dịng (UASB) khả thu hồi khí metan Đánh giá hiệu giải pháp cơng nghệ đề xuất quy trình cơng nghệ xử lý nước thải nhà máy mía đường theo hướng thu hồi lượng (khí metan) 9 .CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan sản xuất mía đường Thế giới Việt Nam 1.1.1 Tổng quan sản xuất mía đường Thế giới Đường mặt hàng nơng sản có giá trị, sản xuất khoảng 80% từ mía đường 20% từ củ cải đường Ba khu vực sản xuất đường lớn giới Brazil 22%, Ấn Độ 15% EU 10% [22] Hiện có 123 quốc gia vùng lãnh thổ giới trồng mía đường sản xuất đường từ mía, hàng năm sản xuất khoảng 160 triệu mía Sản lượng mía giới tăng trước tiên phát triển diện tích Trong kỷ 20, nửa sau kỷ, nhiều nước Châu Á, Châu Phi, Nam Mỹ phát triển diện tích trồng mía cơng nghiệp đường để đáp ứng nhu cầu nước tìm hội xuất khẩu, sau khủng hoảng thiếu đường năm 1974 Trong thập kỷ cuối kỷ 20, thập kỷ diện tích mía giới tăng bình quân 2,5 triệu [22] Trong vài niên vụ gần quốc gia đầu ngành đạt sản lượng đường liệt kê bảng 1.1 10 10 a) Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nước thải mía đường Thế giới Xử lý nước thải mía đường Thế giới nghiên cứu trường hợp sử dụng công nghệ khác Nhìn chung, xử lý sinh học yếm khí biện pháp lý tưởng áp dụng cho xử lý nước thải cơng nghiệp mía đường tải trọng hữu nước thải cao Chang, L J nkk (1990) nghiên cứu trạng nước thải công ty Đường Oahu Hawaii nghiên cứu xử lý nước thải qui mơ phịng thí nghiệm với phân tích chi phí số giải pháp cơng nghệ lựa chọn Trên sở đề xuất giải pháp công nghệ phù hợp kết hợp lắng, UASB xử lý yếm khí bậc cao (EAFB) Hiệu đạt tách > 99% chất hữu chất rắn với thời gian lưu ngày Nước thải sau xử lý tận dụng để lám nước tưới, nhiên nghiên cứu chưa xem xét việc khai thác tận thu lượng [20] Nghiên cứu Wanbin Zhu nnk (2010) sử dụng phương pháp UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed) công ty Able Co., Ltd thiết kế để xử lý chất hữu cao nước thải cơng nghệ sản xt mía đường (COD: 20.000150.000 mg/L) Quảng Tây, Trung Quốc Hiệu xử lý nước thải với giá trị pH thấp, COD, sunphat cao tải trọng hữu lớn (OLR 2-5 kgCOD/m3.ngày; lớn 18-24 kgCOD/m3.ngày) Hiệu tách chất hữu (COD) đạt 50-55% với thời gian lưu thủy lực 24 - 48 Nghiên cứu chưa xem xét đến việc thu hồi lượng [30] 58 58 Nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm A.S.Tanksali (2013) sử dụng hệ UASB thể tích làm việc 8.4 lít, bùn mồi lấy từ bể từ bể tự hoại Nghiên cứu tiến hành nhiệt độ phòng (26-39oC) Tải trọng hữu cao đạt 6kg COD/m3.ngày, hiệu xử lý COD đạt 96%, khí biogas thu 13.72 L/ngày [45] Một nghiên cứu khác quy mô phịng thí nghiệm A.K Ragen nnk (2001) sử dụng hệ pilot thể tích 10 lít, sử dụng nước thải tổng hợp với giá trị COD ban đầu 1000 mg/L Sau hệ khởi động thành công, tải trọng hữu đạt 6,7 kgCOD/m3.ngày, hiệu xử lý COD đạt 76% b) Các nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ xử lý nước thải mía đường Việt nam Trong năm vừa qua có nhiều nghiên cứu xử lý nước thải mía đường Việt Nam Tuy nhiên nghiên cứu hầu hết tập trung khía cạnh hiệu xử lý nước thải chưa quan tâm nhiều đến khả thu hồi lượng (khí metan) từ q trình vận hành 59 59 Nghiên cứu Nguyễn Thị Sơn, Đại học Bách Khoa Hà Nội (2004) nghiên cứu xử lý nước thải trình sản xuất cồn từ rỉ đường hệ UASB quy mơ phịng thí nghiệm đạt hiệu xử lý COD đạt 92,2% với thời gian lưu 3,5 ngày, tải trọng COD đạt 2,99 g/L.ngày Nhưng nghiên cứu chưa xem xét sâu đến vấn đề tận thu lượng Các nhà máy mía đường Việt Nam có cơng nghệ sản xuất đường tương đối giống Tuy nhiên tùy công suất sản xuất, lượng nước thải đặc tính nước thải sở khác nên hệ thống xử lý nước thải khác sở Hệ thống xử lý số nhà máy đưa sơ đồ cơng nghệ sau (Hình 1.10, 1.11 1.12) 60 60 Hình 1.10 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải mía đường điển hình Hệ xử lý yếm khí thiết kế để giảm 70-80% (hoặc phù hợp) tải COD, hệ xử lý hiếu khí cần xử lý 20-30% tải hữu Do hiệu xử lý BOD, COD cao Tuy nhiên hiệu xử lý SS thấp nên VSV dễ bị sốc tải trọng hữu Ngoài diện tích cần sử dụng để vận hành cơng nghệ lớn 61 61 Hệ xử lý thải máy thống nước nhà đường Bình Dương cơng suất xử lý 450 m3/ngày Hình 1.11 Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải nhà máyđường Bình Dương Ưu điểm: Đơn giản, dễ vận hành Nhược điểm: Hiệu xử lý không cao, áp dụng với nhà máy có cơng suất thấp Sau q trình xử lý hiếu khí khơng có bể lắng, khơng tuần hồn bùn Do đó, xử lý nước thải không đạt tiêu chuẩn xả thải 62 62 Hệ thống xử lý nước thải nhà máy đường Long An công suất xử lý 800 m3/ngày Nguồn tiếp nhận Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải nhà máy đường Long An Ưu điểm: Công nghệ đơn giản, dễ vận hành; Hiệu xử lý cao; Áp dụng với nhà máy có cơng suất cao 63 63 Nhược điểm: Nước thải có giá trị BOD cao dễ gây tượng sốc tải trọng khơng có hệ thống xử lý kỵ khí 1.3.6 Tiềm khai thác lượng từ nước thải ngành mía đường Trong bối cảnh nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt mối lo ngại môi trường (đặc biệt hiệu ứng nhà kính) loại động sử dụng nhiên liệu từ nguồn lượng gây nên, vấn đề thu hồi lượng từ chất thải ngày thu hút quan tâm nhà khoa học phổ biến rộng rãi phương tiện thông tin đại chúng ❖ Tính tốn tiềm thu hồi lượng (khí metan) Nếu khơng xử lý nước thải mía đường, điều kiện tự nhiên, với có mặt vi sinh vật tác nhân môi trường (nhiệt độ, ánh sáng ) xảy trình tự phân hủy chất hữu Giả sử toàn chất hữu nước thải 64 64 phân hủy Sau phương trình tổng quát mơ tả q trình phân hủy hồn tồn chất hữu theo APHA [15]: Ở đây, nước đóng vai trị mơi trường Tiềm sinh khí metan CH4 tính theo phương trình Buswell sau: ,n a b 65 65 (2 + - ) x 16 B = + a+ 16b (gCH/g CnHaOb) 12n (4) Lập tỷ lệ phương trình (2) phương trình (4), ta cơng thức tính tỷ lệ tiềm sinh CH4/COD sau: nab (2 + - ) x 16 B = (gCHVgCOD) (5) ^b (n + - ) x 2CHƯƠNG - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Cơng ty cổ phần mía đường Hịa Bình tọa lạc phường Hữu Nghị, TP Hòa 66 66 Bình, tỉnh Hịa Bình tiền thân nhà máy mía đường Hịa Bình, thành lập từ năm 1995 thức vào hoạt động từ năm 1997 Tổng diện tích đất sử dụng sản xuất cơng ty Luận văn tiến hành nghiên cứu cơng nghệ xử lý nước thải nhà máy mía đường Hịa Bình (HOASUCO), Tỉnh Hịa Bình cách sử dụng mẫu tổng hợp có thành phần tương tự nước thải mía đường, hệ xử lý hệ bùn hoạt tính yếm khí ngược dịng (UASB) quy mơ phịng thí nghiệm với Vphản ứng = L 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu Tiến hành thu thập, tham khảo số liệu, liệu, thơng tin có sẵn liên quan đến nội dung đề tài nghiên cứu - Số liệu, thông tin vị trí địa lý, tình hình sản xuất mơi trường nhà máy đường Hịa Bình 67 67 - Tham khảo cơng trình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến đề tài 2.2.2 Phương pháp điều tra khả sát thực địa Đã tiến hành khảo sát sở vào tháng năm 2014 thực nội dung: - Làm việc với lãnh đạo cán phụ trách môi trường nhà máy 68 68 - Thăm quan dây chuyền sản xuất, hệ thống xử lý môi trường nhà máy - Tiến hành lấy mẫu nước thải điểm hồ sinh học nhà máy Phương pháp lấy mẫu theo TCVN 5999: 1995 2.2.3 Phương pháp thực nghiệm a) Chuẩn bị mẫu nước thải tổng hợp Vì khó khăn công tác lấy mẫu nước thải nhà máy q trình làm thí nghiệm thực khơng với thời gian vụ sản xuất đường nên mẫu nước thải sử dụng trình thực nghiệm mẫu tự chuẩn bị có thành phần tương tự nước thải mía đường Tiến hành pha mẫu giả cách lấy 0,2 kg bã mía ngâm vào 10,5 L nước máy 30 phút sau vắt bỏ bã lọc bỏ bớt cặn lơ lửng lọc rây có kích thước lỗ mm thu 10 L nước sau tiến hành bổ sung thức ăn cho mèo whishkas với lượng g/L thu mẫu giả có thành phần tương tự thành phần đặc trưng nước thải 69 69 mía đường sau: Bảng 2.1 Thành phần mẫu tổng hợp nước thải mía đường ,5 t''" Tỷ lệ dinh dưỡng COD:N:P khoảng 100:4:2 chứng tỏ tỷ chất dinh dưỡng cung cấp đủ cho vi sinh vật kỵ khí phát triển so sánh với tỷ lệ dinh dưỡng COD:N:P tối thiểu hệ UASB 350:5:1 [18] b) Hóa chất dụng cụ phương pháp phân tích - Bổ sung chất dinh dưỡng N P sử dụng sản phẩm thức ăn cho mèo Whiskas - Hóa chất điều chỉnh pH sử dụng NaHCO3 Việc bổ sung NaHCO3 70 70 đắt hóa chất an tồn cho q trình kị khí tăng tính đệm cho hệ kị khí Cịn sử dụng Ca(OH)2 rẻ q trình phản ứng với khí CO2 sinh tạo kết tủa CaCO3, làm cân pha khí CO2 hệ, tạo áp suất chân khơng Nếu áp suất chân khơng khơng phá tồn lượng khí sinh bị hút ngược trở lại vào bể kị khí dẫn đến hệ nhanh chóng bị hỏng - Hóa chất phân tích tiêu sử dụng loại tinh khiết - Các dụng cụ dùng phân tích sử dụng thiết bị, dụng cụ phân tích COD, pH, Nts, Pts, TSS, VFA, độ kiềm - Các tiêu COD, tổng Nitơ, tổng photpho, chất rắn lơ lửng, chất rắn lơ lửng dễ bay hơi, độ kiềm tổng, VFA phân tích dựa phương pháp “Standard methods of examination for water and wastewaterpH đo máy đo nhanh điện cực thủy tinh 71 71 c) Quy trình thí nghiệm Sơ đồ khối hệ UASB thực nghiệm xử lý nước thải mía đường hình 2.1 2.2 Bơm hồi lưu Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ UASB thực nghiệm Hình 2.2 Hệ UASB quy mơ phịng thí nghiệm 72 72 ... hướng nghiên cứu góp phần tiết kiệm tài nguyên bảo vệ môi trường, luận văn thực đề tài: ? ?Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thải ngành mía đường theo định hướng thu hồi lượng (khí metan) ... HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MÍA ĐƯỜNG THEO ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG (KHÍ METAN) Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60440301... phát thải khí nhà kính, chủ động việc ứng phó với biến đổi khí hậu xu chung giới Nhiều công nghệ xử lý nước thải cơng nghiệp áp dụng xử lý nước thải mía đường xử lý học lắng lọc, xử lý hóa lý keo