BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------

ĐINH QUANG TRUNG

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ
XỬ LÝ NƢỚC THẢI GIÀU CHẤT HỮU CƠ TRÊN MÔ HÌNH THIẾT
BỊ XỬ LÝ KỴ KHÍ TỐC ĐỘ CAO EGSB
(Expanded Granular Sudge Bed)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
PGS. TS. NGUYỄN NGỌC LÂN

HÀ NỘI - 2013

-1-


MỤC LỤC

MỤC LỤC……………………………………………………………………...2
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 7
MỞ ĐẦU................................................................................................................. 8

3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu..................................................................................... 44
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................ 50
4.1. Tuyển chon, phân lập dạng vi sinh trong công nghệ EGSB............................. 50
4.1.1. Nghiên cứu tuyển chọn, phân lập dạng vi sinh vật sử dụng trong công nghệ
EGSB ............................................................................................................................. 50
4.1.2. Cơ chế tạo hạt và phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo hạt của bùn .............. 60
4.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lý trong công nghệ EGSB
....................................................................................................................................... 66
4.2.1. Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả hoạt động của thiết bị EGSB ........................... 66
4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt động của thiết bị EGSB .................................. 69
4.2.3. Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiệu suất xử lý vào thời gian lưu thủy lực ........... 71
4.2.4. Ảnh hưởng của COD dòng vào ........................................................................... 72
4.2.5. Ảnh hưởng của N-NH3 ........................................................................................ 75
4.2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng hồi lưu bùn ................................................................ 76
4.2.7. Ảnh hưởng của dầu mỡ ....................................................................................... 76
4.2.8. Ảnh hưởng của khả năng chịu sốc do thay đổi đột ngột tải lượng hữu cơ ......... 77
KẾT LUẬN........................................................................................................... 78

-3-


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Đôc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
_________________

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Tất cả các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn
trung thực, khách quan và những tài liệu được tham khảo đều được trích dẫn
trong danh mục tài liệu tham khảo, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Bảng 1.3. Các nguồn nước thải từ các bộ phận và thiết bị khác nhau
Bảng 1.4. Ô nhiễm của nhà máy giấy và bột giấy điển hình tại Việt Nam
Bảng 1.5. Hàm lượng ô nhiễm trung bình của nước thải tại một số loại hình chế biến
thủy sản
Bảng 1.6. Chất lượng nước thải từ ngành chế biến tinh bột sắn
Bảng 3.1. Đặc trưng nước thải chế biến tinh bột sắn
Bảng 4.2. Đặc trưng biogas thu được từ thực nghiệm
Bảng 4.1. Vi khuẩn metan hóa và điều kiện môi trường

-6-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Công nghệ EGSB được áp dụng các ngành công nghiệp tại TQ
Hình 1.2. Hiệu quả xử lý tại Nhà máy bia Unicer ở Leça do Balio, Portugal
Hình 1.3. Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Cesu Alus, Latvia
Hình 1.4. Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Anheuser Busch,
Hình 1.5. Mô hình công nghệ EGSB của Envirochemie
Hình 1.6. Sơ đồ thiết bị yếm khí tiếp xúc
Hình 1.7. Sơ đồ thiết bị yếm khí giả lỏng
Hình 1.8. Sơ đồ thiết bị yếm khí dạng tháp đệm
Hình 1.9. Sơ đồ thiết bị UASB
Hình 1.10. Sơ đồ công nghệ EGSB
Hình 2.1. Quy trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ EGSB trong phòng thí nghiệm
Hình 4.1. Khuẩn Bifidobacterium
Hình 4.2. Khuẩn Methanosarcina
Hình 4.3. Khuẩn Lactobacillus
Hình 4.4. Khuẩn Clostridium
Hình 4.5. Khuẩn Methanobacterium

ngày càng hoàn thiện. Có thể kể đến như thiết bị lọc kị khí (Anaerobic Filter - AF);
thiết bị lọc cố định sử dụng màng sinh học có dòng chảy từ trên xuống (Dow-flow
Stationary Fixed Film - DSFF); lọc kị khí với dòng chảy hướng lên (Up-flow
Anaerobic Filter - UAF); hệ thống xử lí kị khí tầng sôi (Anaerobic Fluidized Bed
Reactor - AFBR); đệm bùn kị khí với dòng chảy ngược (Upflow Anaerobic Sludge
Blanket - UASB) và gần đây nhất là công nghệ xử lí kị khí tốc độ cao với lớp bùn
hạt mở rộng (Expanded Granular Sludge Bed - EGSB) [4,5]. Phương pháp EGSB
không sử dụng phương thức bám dính vi sinh vật vào vật thể trung gian, mà sử
dụng phương thức duy trì vật thể ngưng kết dạng hạt. Các hạt bùn sinh học được
cấu thành bởi khu hệ vi sinh vật: Thủy phân axit hóa và metan hóa trong quần thể
tương hỗ ở trạng thái lưu động (tầng sôi). Quá trình khởi động tác động rất lớn đến
quá trình hoạt động ổn định và hiệu quả loại bỏ COD của bể phản ứng EGSB
[3,6,7]. Trên thế giới việc áp dụng công nghệ EGSB đã trở lên phổ biến vì nhiều ưu
việt của nó. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu và ứng dụng công
nghệ xử lí kỵ khí với lớp bùn hạt mở rộng vẫn còn hạn chế. Xuất phát từ những lý
do đó, đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải giàu
-8-


chất hữu cơ trên mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao EGSB (Expanded Granular
Sudge Beg)” đã được lựa chọn thực hiện.
-

Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí nước thải công nghiệp

giàu chất hữu cơ trên mô hình thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ cao dung tích 42 lít trong
phòng thí nghiệm.
-




TCVN 5999: 1995 (ISO 5667-10: 1992). Tiến hành lấy mẫu 4 đợt trong tháng 2 đến
tháng 4/2013
+ Phương pháp thực nghiệm: Phân tích thông số pH, SS, COD, BOD5, tổng
Nitơ, tổng Phốt pho...theo các phương pháp tương ứng TCVN 6492:2011, TCVN
6625:2000 và TCVN 6491:1999.
+ Phương pháp đánh giá, tổng hợp, xử lý số liệu: Các số liệu sau khi thu thập,
phân tích... được đánh giá tổng hợp, xử lý và tổng kết để viết luận văn.

-10-


Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ NƢỚC THẢI GIẦU CHẤT HỮU CƠ VÀ
CÁC LOẠI HÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÍ HIỆN NAY
1.1. Tổng quan về nƣớc công nghiệp giầu chất hữu cơ của tại Việt Nam
Trong thời gian qua, sản xuất công nghiệp của nước ta luôn duy trì được tốc độ
tăng trưởng cao, đạt được những thành tựu quan trọng, đóng góp tích cực vào công
cuộc phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Song song với quá trình tăng trưởng và
phát triển là vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nước thải từ các ngành sản xuất.
Các ngành công nghiệp có mức phát thải lớn, hàm lượng ô nhiễm cao phải kể đến
như: sản xuất tinh bột sắn, sản xuất rượu, bia, nước giải khát; sản xuất giấy; chế
biến thủy hải sản; chế biến thực phẩm; giết mổ gia súc gia cầm...
1.1.1. Ngành sản xuất bia
Ngành công nghiệp sản xuất bia Việt Nam có lịch sử hơn 100 năm. Trong quá
trình hình thành và phát triển, ngành sản xuất bia luôn đạt được mức tăng trưởng
cao, góp phần quan trọng vào quá trình hội nhập và phát triển kinh tế xã hội của đất
nước. Cùng với quá trình phát triển nhanh chóng là vấn đề ô nhiễm môi trường.
Trong ngành sản xuất Bia, nước thải là vấn đề chủ yếu. Nhu cầu sử dụng nước
của ngành sản xuất Bia rất lớn. Định mức nước thải trong sản xuất bia phụ thuộc vào

pH

A

B

6-8

6-9

5.5-9

BOD5

mg/l

550 -1.400

30

50

COD

mg/l

990 -2.200

75


6

Nguồn: Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn ngành Bia
Ghi chú: * Các thông số quy định trong quy chuẩn, chưa xét đến hệ số liên
quan đến dung tích nguồn tiếp nhận và hệ số theo lưu lượng nguồn thải. A - Thải
vào nguồn tiếp nhận dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. B - Thải vào nguồn tiếp
nhận không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt
Bảng 1.2. Tải lƣợng các chất ô nhiễm trong nƣớc sản xuất bia
Thông số

Stt

Tải lƣợng ô nhiễm
(kg/ngày)

1

SS

2.300-2.500

2

COD

10.000-11.000

3

BOD5

mặt với các thách thức về quy mô, trình độ công nghệ và các vấn đề về ô nhiễm môi
trường.
Nước thải với nồng độ chất ô nhiễm rất cao là những vấn đề nan giải của
ngành sản xuất giấy. Các nhà máy giấy và bột giấy phát sinh một lượng lớn nước
thải và nếu không được xử lý thì sẽ ảnh hưởng lớn tới chất lượng nguồn tiếp nhận.
Bảng 1.3 cho thấy các nguồn nước thải khác nhau trong một nhà máy giấy và bột
giấy.
Bảng 1.3. Các nguồn nƣớc thải từ các bộ phận và thiết bị khác nhau
Stt

Bộ phận

Các nguồn điển hình
 Hơi ngưng khi phóng bột
 Dịch đen bị rò rỉ hoặc bị tràn
 Nước làm mát ở các thiết bị nghiền đĩa
 Rửa bột giấy chưa tẩy trắng

1

Sản xuất bột giấy

 Phần tách loại có chứa nhiều sơ, sạn và
cát
 Phần lọc ra khi làm đặc bột giấy
 Nước rửa sau tẩy trắng có chứa
chlorolignin
 Nước thải có chứa hypochlorite

2

Khu vực phụ trợ

4

 Nước thải hoàn nguyên từ tháp làm
mềm
 Nước làm mát máy nén khí
 Nước ngưng tụ từ máy hóa hơi
 Dịch loãng từ thiết bị rửa cặn

Thu hồi hóa chất

5

 Dịch loãng từ thiết bị rửa bùn
 Nước bẩn ngưng đọng
 Nước ngưng tụ từ thiết bị làm mát và
từ hơi nước

Thông số và nồng độ ô nhiễm cảu nhà máy giấy và bột giấy điển hình của nước ta
thể hiện trong bảng 1.4
Bảng 1.4. Ô nhiễm của nhà máy giấy và bột giấy điển hình tại Việt Nam
Stt

Thông số

Giá trị

1


hoà tan rất lớn. Mặt khác, khối lượng nước thải cũng khá cao, trung bình khối lượng
thải của mỗi nhà máy từ: 1000 - 3000 m3/ngày. Với lưu lượng lớn, nước thải tích
-14-


luỹ, tồn đọng gia tăng mức độ ô nhiễm. Hơn nữa, chất lượng nước thường không ổn
định, pH thay đổi theo công nghệ và sản phẩm đã gây khó khăn lớn cho việc xử lý
và tác động không nhỏ tới môi trường, đặc biệt là môi trường nước thải. Một số kim
loại nặng có trong phẩm nhuộm, các hoá chất phụ trợ cũng rất nguy hại, là độc tố
tiêu diệt thuỷ sinh vật và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người.
Nước thải của ngành dệt nhuộm có những đặc tính đáng lưu ý sau:
- Ô nhiễm hữu cơ: Ô nhiễm hữu cơ được đặc trưng chủ yếu bởi chỉ số COD
và BOD. Đáng lưu ý là trong công nghiệp dệt nhuộm: Nếu nguyên liệu là sợi tổng
hợp hoặc tỷ lệ sợi tổng hợp càng cao thì khâu xử lý hoàn tất phải sử dụng nhiều các
chất tổng hợp hữu cơ, đây là nhóm hóa chất và thuốc nhuộm rất khó phân huỷ sinh
hóa và khá bền trong môi trường. Thí dụ nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính
(Cibarcon Blue P-3R) in hoa có thể có BOD gần như 0, nhưng COD đạt tới trên
dưới 900 mg/L. Tỷ lệ BOD/COD một mặt thể hiện đặc trưng ô nhiễm hữu cơ của
nước thải dệt nhuộm, đồng thời thể hiện tính khả thi của công nghệ vi sinh trong
quá trình xử lý sau này.
- Độ pH: Đặc trưng thứ hai của nước thải dệt nhuộm là pH biến động lớn
theo công nghệ và sản phẩm. Nhìn chung phần lớn, nước thải dệt nhuộm có tính
kiềm pH có thể lên tới 9 - 11.
- Ô nhiễm kim loại nặng: Đặc trưng thứ ba của nước thải dệt nhuộm là ô
nhiễm kim loại nặng chủ yếu do sử dụng hoá chất tẩy và thuốc nhuộm dưới dạng các
hợp chất kim loại. Một trong những nguồn ô nhiễm kim loại là pigment, mà phổ biến
các pigment có gốc là các hợp chất cơ kim dạng halogen hoá (thí dụ: clorua
phtaloxiamin đồng).
- Hàm lƣợng các chất rắn hòa tan (TDS): Độ dẫn điện cao hay tổng chất
rắn hoà tan cao (TDS) cũng là đặc trưng nước thải dệt nhuộm do sử dụng hàm

các chất tẩy rửa, và các chất khử trùng, xút,...
- Nước thải ô nhiễm nhiệt từ quá trình chế biến đồ hộp sản phẩm, các quá trình
làm dầu các sản phẩm ăn liền. Nguồn nước thải này thường không có độ ô nhiễm
cao như nước gia công nguyên liệu, nhưng có chứa dầu, mỡ, một lượng nhỏ chất
hữu cơ và có nhiệt độ cao hơn các nguồn nước thải khác.
Hàm lượng ô nhiễm nước thải trung bình của một số loại hình chế biến thủy
sản được thể hiện trong bảng 1.5

-16-


Bảng 1.5. Hàm lƣợng ô nhiễm trung bình của nƣớc thải tại một số loại
hình chế biến thủy sản
Loại hình chế biến

Chỉ tiêu đánh giá ô nhiễm
pH

SS

BOD5

COD

Ntổng

Ptổng

Đông Lạnh


586

3.120

4.890

125

11,32

Nước mắm

7,5

75

20

40

-

-

Mực khô, tôm khô

7,5

250




- Bóc vỏ, mài củ, ép bã: Chứa một hàm lượng lớn cyanua, alcaloid, antoxian,
protein, xenluloza, pectin, đường và tinh bột. Đây là nguồn chính gây ô nhiễm nước
thải, thường dao động trong khoảng 20 - 25m3/tấn nguyên liệu, có chứa SS, BOD,
COD ở mức rất cao.
- Lắng trích ly: Chứa tinh bột, xenluloza, protein thực vật, lignin và cyanua, do
đó có SS, BOD, COD rất cao, pH thấp.
- Rửa máy móc, thiết bị, vệ sinh nhà xưởng: Có chứa dầu máy, SS, BOD.
- Nước thải sinh hoạt (bao gồm nước thải từ nhà bếp, nhà tắm, nhà vệ sinh)
chứa các chất cặn bã, SS, BOD, COD, các chất dinh dưỡng (N, P) và vi sinh vật…
- Nước mưa chảy tràn qua khu vực nhà máy cuốn theo các chất cặn bã, rác,
bụi.
Kết quả phân tích nước thải tại một số doanh nghiệp sản xuất tinh bột sắn ở
Việt Nam được trình bày trong bảng 1.6. Bảng này cho thấy khoảng cách dao động
về các chỉ tiêu nước thải cao hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Thành phần
nước thải phụ thuộc vào quy mô sản xuất, trình độ công nghệ và hệ thống thiết bị xử
lý nước thải, quy trình vận hành và quan trắc môi trường. Tuy nhiên, nước thải sản
xuất tinh bột sắn ở các quy mô khác nhau đều hầu như chưa đạt được tiêu chuẩn
nước thải công nghiệp của Việt Nam.
Bảng 1.6. Chất lƣợng nƣớc thải từ ngành chế biến tinh bột sắn
Stt

Thông số

Đơn vị

Quy mô vừa và nhỏ

Quy mô lớn


4

SS

mg/l

1200 – 2600

330 - 4100

5

CN-

mg/l

3,4 – 5,8

19 - 36

Bảng trên cho thấy chất lượng nước thải từ quy trình sản xuất tinh bột sắn có
nồng độ ô nhiễm rất lớn. Ngoài tính chất axit, nước thải còn chứa lượng chất rắn,
các chất hữu cơ, cũng như HCN cần được xử lý.
Với tỷ lệ BOD/COD như bảng trên, nước thải ngành sản xuất tinh bột sắn rất
phù hợp để xử lý bằng phương pháp sinh học để ứng được tiêu chuẩn trước khi thải
-18-


ra môi trường

khai lắp đặt nhiều hơn hệ thống UASB đối với các hệ thống xử lý nước thải công
suất lớn, có thu hồi biogas, trong các ngành sản xuất đường, ngành hóa chất, thực
phẩm, bột giấy và giấy, bia - rượu,..
- Công ty Biothane: Công nghệ EGSB của Biothane có thể loại bỏ COD với
hiệu quả cao và các chi phí vận hành thấp. Hệ thống xử lý nước thải của nhà máy
bao gồm ba giai đoạn: Bể điều hòa (keo tụ, chất rắn loại bỏ và làm mát), xử lý kỵ
khí (loại bỏ phần lớn chất ô nhiễm hữu cơ trong COD), xử lý hiếu khí là công đoạn
xử lý cuối cùng. Các thông số thiết kế công nghệ của Biothane như sau:
+ Q: 25000 m3/ngày;
+ COD: 1.840 mg/l
+ TSS: < 200 mg/l
+ Nhiệt độ: < 400C
Hiệu quả xử lý của công nghệ EGSB do Biothane thiết kế được mô tả trong
các hình vẽ sau:

Hình 1.2. Hiệu quả xử lý tại Nhà máy bia Unicer ở Leça do Balio, Portugal
-20-


Hình 1.3. Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Cesu Alus, Latvia

Hình 1.4. Hiệu quả xử lý của EGSB tại Nhà máy bia Anheuser Busch,
Merrimack, Mỹ [ ]
- Công ty Envirochemie (Đức): Đặc điểm phân biệt của công nghệ kỵ khí là
quá trình axit hóa và lên men của các hợp chất giàu hữu cơ thành khí methan và
CO2. Mô hình công nghệ EGSB do Envirochemie được trình bày tại hình dưới.
-21-


Hình 1.5. Mô hình công nghệ EGSB của Envirochemie

-22-


UASB, công nghệ này được đảm bảo hoạt động ổn định nhờ hệ thống tự động điều
chỉnh tuần hoàn bên ngoài. Hệ thống phân phối dòng vào, tách bùn đáy và ngăn
ngừa sự hình thành các kênh thoát khí sinh học được thiết kế hoàn chỉnh giúp cho
hệ thống hoạt động linh hoạt và khả năng chịu biến động dòng vào. Cũng nhờ vậy,
nguy cơ thất thoát bùn hạt giảm đáng kể so với các giải pháp khác.
Anubix -T™ có kết cấu dạng tháp có chiều cao từ 13-16 m. Nguyên lý vận
hành nước thải được dẫn qua hệ thống phân phối ở đáy thiết bị chảy và dâng
lên theo nguyên tắc chảy tràn với tốc độ ổn định. Mỗi bể phản ứng Anubix -T™ có
1 thiết bị tách 2 pha nằm ở phía dưới của bể. Nước thải đi qua lớp bùn hạt kỵ khí
vùng giữa thiết bị, quá trình thủy phân, lên men axit và khí hóa xảy ra. Nước thải đã
được xử lý và bùn hỗn hợp qua thiết bị tách pha (khí, rắn, lỏng) được thiết kế
ở phần trên của thiết bị phản ứng. Bộ phận tách bùn có kết cấu đặc biệt
để ngăn chặn sự tổn thất của bùn kể cả những hạt bùn nhỏ nhất (dạng keo), nhất là
những hạt chứa vi khuẩn metan hóa. Bùn kỵ khí sau lắng rơi trở lại vùng bùn hạt lơ
lửng. Theo thời gian chúng kết tụ, hình thành các hạt bùn mới. Nước thải sau xử lý
thoát ra khỏi thiết bị phản ứng thông qua máng thu. Khí sinh học được thu gom để
sử dụng hoặc đốt.
Ưu điểm của Anubix -T™ (EGSB):
- Tải trọng xử lý cao 15-35 kgCOD/m3/ngày;
- Diện tích xây dựng nhỏ;
- Làm việc với bùn hạt sinh khối cao;
- Hiệu quả xử lý cao và quá trình vận hành ổn định;
- Kết cấu thiết bị hợp lý giúp hạn chế thất thoát bùn;
- Hiệu quả tạo khí sinh học cao và ổn định.

-23-


chất mang bị hạn chế do kết cấu đặc biệt phần trên của thiết bị.

Hình 1.7. Sơ đồ thiết bị yếm khí giả lỏng
b) Ưu nhược điểm
- Ưu điểm:
Bề mặt tiếp xúc pha rất lớn (1000 ÷ 2000 m2/m3), khoảng 90% số tế bào vi
khuẩn được cố định lên chất mang, do đó mật độ vi sinh trong thiết bị cao. Tuy
-25-

Trích đoạn Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả hoạt động của thiết bị EGSB Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt động của thiết bị EGSB Ảnh hưởng của N-NH3 Ảnh hưởng của khả năng chịu sốc do thay đổi đột ngột tải lượng hữu cơ

---