Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên" nhằm phát triển hệ thống xử lý nước thải có khả năng thu hồi năng lượng cho nước thải chế biến cao su thiên nhiên tại Việt Nam; Thiết lập hệ thống tối ưu xử lý nước thải cao su thiên nhiên tại Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu công nghệ thích hợp xử lý nước thải quá trình chế biến cao su thiên nhiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Takahiro WATARI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THÍCH HỢP XỬ LÝ NƯỚC THẢI QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN CAO SU THIÊN NHIÊN Ngành: KỸ THUẬT HOÁ HỌC Mã số: 9520301 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Minh Tân GS.TS. Takashi Yamaguchi Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
A. G Ớ T U LUẠ N N 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Cao su tự nhiên là một trong những sản phẩm nông nghiệp có giá trị nhất ở các nước Đông Nam Á. Tuy nhiên, các nhà máy chế biến cao su tự nhiên tại địa phương thải một lượng lớn nước thải từ quy trình sản xuất như đông tụ, ly tâm, cán màng, rửa và sấy khô. Nước thải này chứa nồng độ cao các hợp chất hữu cơ, nitơ, cũng như các chất gây ô nhiễm khác. Các nhà máy ở các nước Đông Nam Á thường sử dụng kết hợp các hệ thống hồ kỵ khí-hiếu khí để xử lý nước thải này. Các hệ thống xử lý hiện tại đã đạt hiệu quả loại bỏ nhu cầu oxy hóa học (COD) cao. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi diện tích đầm lớn, chi phí vận hành cao (đặc biệt đối với sục khí) và thời gian lưu dài (HRT). Ngoài ra, các hệ thống xử lý hiện tại cũng đòi hỏi phải cải thiện chất lượng nước thải để phù hợp với tiêu chuẩn xả thải đầu ra. Các nghiên cứu trước đây đã đưa ra các hệ thống mới đạt được tiêu chuẩn nước thải công nghiệp Việt Nam loại B. Vấn đề môi trường đang trở nên nghiêm trọng ở Việt Nam, chất lượng nước thải của hệ thống hiện tại cần được cải thiện càng sớm càng tốt. Hệ thống yếm khí ngược dòng UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là một trong các phương pháp hứa hẹn để xử lý các loại nước thải công nghiệp khác nhau, với khả năng chịu tải trọng hữu cơ cao (OLR), chi phí vận hành thấp và có thể thu hồi năng lượng dưới dạng khí metan. Các nghiên cứu trước đây đã ứng dụng hệ thống UASB để xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên. Tuy nhiên, hạt cao su dư trong nước thải có tác động tiêu cực đến quá trình xử lý sinh học kỵ khí. Do đó, việc phát triển hệ thống tiền xử lý để loại bỏ hạt cao su thiên nhiên dư là điều cần thiết. Nước thải đầu ra từ hệ thống UASB xử lý nước thải công nghiệp vẫn còn chứa nồng độ cao các hợp chất hữu cơ và chất dinh dưỡng. Do đó, một hệ thống xử lý hiếu khí thường được áp dụng ở sau UASB để loại bỏ chất hữu cơ còn sót lại và đạt được tiêu chuẩn nước thải đầu ra. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án - Phát triển hệ thống xử lý nước thải có khả năng thu hồi năng lượng cho nước thải chế biến cao su thiên nhiên tại Việt Nam. - Thiết lập hệ thống tối ưu xử lý nước thải cao su thiên nhiên tại Việt Nam. 3. Những đóng góp mới của luận án - Các vấn đề môi trường và hệ thống xử lý hiện tại đối với nước thải chế biến cao su tự nhiên ở Việt Nam được nghiên cứu và thống kê thông qua không chỉ qua tài liệu mà còn nghiên cứu thực địa và hệ thống hóa. - Một hệ thống xử lý mới, tên gọi BR-UASB-DHS, đã được phát triển để xử lý nước thải có ô nhiễm hữu cơ cao và thu hồi khí sinh học làm năng lượng. 1
4. Bố cục của luận án Luận án gồm 99 trang được chia thành các phần như sau: Giới thiệu luận án 2 trang; chương 1: tổng quan tài liệu 24 trang; chương 2: vật liệu và phương pháp nghiên cứu 13 trang; chương 3: kết quả và thảo luận: 43 trang; chương 4: kết luận chung và 80 tài liệu tham khảo 2 trang. B. NỘI DUNG CHÍNH Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về cao su thiên nhiên Cao su thiên nhiên có khả năng chống mòn tốt, độ đàn hồi cao và độ bền kéo, hiệu suất năng động tốt và mức độ giảm xóc thấp. Do đó, cao su tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi cho lớp lót thảm, chất kết dính, bọt, bóng bay và các phụ kiện y tế như găng tay cao su. Tổng lượng cao su tiêu thụ trong năm 2017 đạt tới 28.287.000 tấn và tăng 3% so với năm 2016 (báo cáo của IRSG). Sản lượng cao su tự nhiên năm 2017 đã được tăng lên 13.380.000 tấn. Thái Lan và Indonesia sản xuất hơn 60% tổng sản lượng cao su tự nhiên. Quy trình sản xuất các sản phẩm cao su thiên nhiên như đông tụ, ly tâm, cán màng, rửa và sấy khô đã sử dụng một lượng lớn nước sạch và thải ra cùng một lượng nước thải. Những chất thải này chủ yếu chứa nước rửa, một lượng nhỏ mủ không được thu và serum chứa một lượng nhỏ protein, carbohydrate, lipid, carotenoids và muối. Top 10 of Natural Rubber Processing Countries (2014) 6% 2% Thailand 2% Indonesia 4% 3% Viet Nam 34% India 5% China, mainland 6% Malaysia Philippines 7% Guatemala Côte d'Ivoire 7% Myanmar 24% Others Hình 1.1 Các quốc gia dẫn đầu về sản xuất cao su thiên nhiên năm 2014 . 2
1.2 Tổng quan về các công nghệ xử lý nước thải sản xuất cao su thiên nhiên Bể sục khí và ao thường được sử dụng để xử lý nước thải này. Mặt khác, việc áp dụng các quy trình xử lý tiên tiến như tuyển nổi không khí hòa tan (DAF) và bể yếm khí ngược dòng (UASB) vẫn còn hạn chế. Bể sục khí có thể loại bỏ ô nhiễm hữu cơ với nồng độ cao với chi phí vận hành và chi phí lắp đặt thấp. Nên đây là hệ thống xử lý phổ biến nhất đối với nước thải chế biến cao su thiên nhiên tại Việt Nam. Hiện tại, quá trình này được kết hợp với bẫy cao su và / hoặc bể yếm khí và đã đạt được tiêu chuẩn nước thải trong Tiêu chuẩn Việt Nam loại B. Tuy nhiên, các nhà máy tiêu thụ điện năng cho hệ thông xử lý nước thải còn nhiều hơn cho sản xuất cao su tự nhiên. Hơn nữa, khí nhà kính (GHG) phát thả từ mương oxy hóa cũng gây lo ngại nồng độ oxy hòa tan thấp và tỷ lệ C/N thấp trong nước thải chế biến cao su tự nhiên. 3
Bảng 1.1 Đặc tính nước thải chế biến cao su thiên nhiên tại Việt Nam. 4
1.3 Tổng quan về phương pháp sinh học xử lý nước thải công nghiệp Quá trình xử lý kỵ khí được phổ biến hơn quá trình xử lý hiếu khí nước thải. Bể phản ứng sinh học của quá trình xử lý nước thải kỵ khí là một hệ thống rất đơn giản và có thể được áp dụng ở mọi quy mô và ở hầu hết mọi nơi. Lợi ích lớn nhất của quá trình xử lý nước thải kỵ khí là năng lượng hữu ích có thể được thu hồi ở dạng mêtan. Nhìn chung, có thể thu hồi 40 ~ 45 m3 khí sinh học từ 100 kg COD ở dòng vào. Bể UASB là một trong những hệ thống hứa hẹn nhất để xử lý các loại nước thải công nghiệp khác nhau vì chịu được OLR cao, chi phí vận hành thấp và thu hồi năng lượng dưới dạng khí mê-tan. Công nghệ chính để vận hành thành công bể UASB là lượng bùn yếm khí tích tụ trong bể có khả năng lắng tốt và bộ phần phân tách khí-lỏng-rắn hình phễu ngược. Bảng 1.4 tóm tắt hiệu suất quá trình của bể UASB xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên. Ứng dụng đầu tiên của bể UASB để xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên tại Việt Nam đã được Nguyễn (1999) nêu trong luận án tiến sĩ nghiên cứu tại Đại học Wageningen. Kết quả cho thấy hiệu suất của bể UASB loại được khoảng 79,8% - 87,9% COD tổng ở mức OLR là 28,5 kg-COD•m-3•ngày-1. Tuy nhiên, các hạt cao su tự nhiên còn lại, ví dụ như các hạt cao su tích tụ trong bể UASB, làm ảnh hưởng đến sự phân hủy sinh học kỵ khí. Do đó, một quy trình tiền xử lý hiệu quả để loại bỏ các hạt cao su tự nhiên còn sót lại là cần thiết cho việc áp dụng các lò phản ứng UASB trong các nhà máy chế biến cao su tự nhiên địa phương của Việt Nam. Nguyễn và cộng sự. (2016) đã báo cáo rằng quá trình tạo hạt được tăng cường khi sử dụng nhôm clorua và hiệu suất loại bỏ COD tổng của bể UASB tăng lên 96,5 ± 2,6%, với tỷ lệ thu hồi khí metan là 84,9 ± 13,4% đối với nước thải xử lý cao su tự nhiên trong Việt Nam. Bước xử lý hiếu khí là quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, amomnia, mùi và sắt bởi một số vi khuẩn hiếu khí trong điều kiện oxy có sẵn. Các vi khuẩn hoặc floc hấp thụ các hợp chất hữu cơ và phân hủy thành nước và carbon dioxide để lấy năng lượng cho việc sinh sản của chính mình. Bảng 1.4 Ứng dụng của bể UASB trong xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên. Reactor type Volume Seed sludge Organic removal rate COD removal -3 -1 L (kg-COD·m ·day ) % Reference Digested pig Single Vietnam 8.55 manure sludge 28.5 79.8-87.9% Nguyen (1999) Anaerobic digester trating casava Single Vietnam 17 wastewater 2.65 96.5 ± 2.6 Thanh et al., (2015) Concentrated Two stage Thailand 24.8 latex mill 1.41 82 Jawjit and Liengcharernest (2010) Anaerobic pond in the rubber Two stage Thailand 997 + 597 factory 0.8 96.57 ± 1.3 Tanikawa et al., (2016) 5
1.4 Tổng quan về khí nhà kính phát thải từ hệ thống xử lý nước thải Khí nhà kính (greenhouse gas - GHG) là một loại khí hấp thụ và phát ra năng lượng bức xạ trong phạm vi hồng ngoại nhiệt. Các GHG chính trong khí quyển Trái đất là hơi nước, carbon dioxide, metan, oxit nitơ và ozone. Tiềm năng nóng lên toàn cầu (global warming potential - GWP) là so sánh lượng nhiệt bị giữ lại bởi một khối khí nhất định so với lượng nhiệt tương tự bị giữ lại bởi khí carbon dioxide. Nhà máy xử lý nước thải cũng thải ra khí GHG đáng kể vào khí quyển. Khoảng 3,4% GHG phát ra từ quá trình xả và xử lý chất thải. Chương 2. VẬT LIỆU VÀ P ƯƠNG P P NG ÊN CỨU 2.1 Khảo sát thực địa Hệ thống xử lý nước thải tại một nhà máy sản xuất cao su tự nhiên tại tỉnh Bình Dương, Việt Nam đã được khảo sát. Khí nhà kính từ đầm hiếu khí được thu bằng cách sử dụng buồng thu được làm từ ống polyvinyl clorua và được phân tích bằng GC-TCD và GC-ECD. 2.2 Hệ thống UASB-DHS quy mô phòng thí nghiệm Nước thải thô được lấy từ quá trình đông tụ trong một nhà máy cao su tự nhiên sản xuất SVR tại tỉnh Thanh Hóa, Việt Nam. Hệ thống xử lý quy mô phòng thí nghiệm được vận hành tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Việt Nam. 2.3 Hệ thống ABR quy mô phòng thí nghiệm Bể yếm khí có vách ngăn (Anaerobic Baffled Reactor-ABR) được tạo thành từ các ống PVC (đường kính: 110 mm, chiều cao: 1000 mm) có 10 ngăn và thể tích làm việc 68 L. 2.4 Hệ thống UASB-D S quy mô nhà xưởng Hệ thống xử lý nước thải cao su tự nhiên quy mô thí điểm lắp đặt tại Viện nghiên cứu cao su Việt Nam, Bình Dương, Việt Nam. Hệ thống này bao gồm ABR (76,5 m3), bể đầu vào (5 m3), hệ thống UASB (3 m3), bể lắng (ST; 1 m3) và hệ thống Downflow Hanging Sponge (DHS) (2 m3) với đầu ra nước thải được tuần hoàn. 2.5 Phân tích Các phương pháp đo pH, DO, ORP, COD, BOD, SS, TN, ammonia, nitrite, nitrate, axit béo dễ bay hơi, sản xuất và thành phần khí sinh học đã được mô tả. 6
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc tính của các hệ thống xử lý nước thải hiện tại Tác giả đã khảo sát hệ thống bao gồm bể có vách ngăn, bể sục khí và hồ tùy nghi được sử dụng để xử lý nước thải cao su tự nhiên tại tỉnh Bình Dương, Việt Nam. Chất lượng nước thải ở một số điểm lấy mẫu được nêu trong Bảng 3.1. Bể hiếu khí không hoạt động tốt do chi phí điện năng cho hệ thống bơm sục khí. Chất lượng nước thải của nhà máy này phần lớn vượt quá tiêu chuẩn nước thải. Nhà máy xử lý nước thải được biết đến là một trong những nguồn phát thải GHG lớn. Tuy nhiên, phát thải GHG từ nhà máy xử lý nước thải xử lý cao su tự nhiên không được báo cáo. Do đó, chúng tôi đã đo lượng GHG phát thải từ bể kỵ khí xử lý cao su tự nhiên tại tỉnh Bình Dương, Việt Nam. Hình 3.2 cho thấy thành phần của khí sinh học được thu thập từ các ngăn 28, 33 và 56 bằng phương pháp thay thế nước trong cuộc khảo sát vào tháng 10 (Hình 2.1). Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống bể có vách năng kỵ khí dạng mở. Khí thải từ bể kỵ khí loại mở bao gồm 57,7% -60,8% metan, 14,5% -31,5% carbon dioxide, 10,8% -24,7% nitơ và oxit nitơ 329-423 ppm. Khí oxit nitơ thải từ hệ thống xử lý nước thải xử lý cao su tự nhiên đã được quan sát trước tiên. Con đường loại nitơ dự đoán là ammonia đã bị oxy hóa thành nitrat và nitrite ở bề mặt của bể kỵ khí kiểu mở; sau đó, nitrat và nitrite được tiêu thụ ở bước khử nitrat. Cuối cùng, 18,1% ammonia đã được loại bỏ trong bể kỵ khí loại mở, và hệ số phát thải oxit nitơ trở thành 0,0263 kg-NO2-N•kg-N-1. Hệ số phát thải này cao hơn nhiều so với 0,005 kg-NO2-N•kg-N-1, đây là hệ số phát thải trực tiếp từ các nhà máy xử lý nước thải được áp dụng bởi IPCC (2006) và tương tự như hệ số phát thải cho sinh học toàn diện nhà máy xử lý nước thải loại bỏ chất dinh dưỡng. Tốc độ phát thải (thông lượng) từ 1 m3 nước thải RSS đã xử lý đối với metan, oxit nitơ và tổng GHG được tính bằng 0,054 t- CO2eq•m-3, 0,099 t- 7
CO2eq•m-3 và 0,153 t-CO2eq•m -3, tương ứng. Các tỷ lệ phát thải này cao hơn tốc độ phát thải từ hệ thống xử lý nước thải hiếu khí trong các nhà máy xử lý cục mùn. Bảng 3.1 Chất lượng nước tại mỗi điểm lấy mẫu ở nhà máy chế biến cao su tại Việt Nam . Hình 3.2 Thành phần khí sinh học ở ngăn 28, 33, 56 8
Hình 3.6 Thành phần GHG thải ra từ phần đầu, giữa và cuối của bể kị khí. Hình 2.2 Hệ thống lấy mẫu khí dùng trong nghiên cứu này. 3.2 Phát triển mô hình hệ thống UASB-DHS quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên Nghiên cứu trước đây đã báo cáo bể UASB vận hành kém với nước thải chế biến cao su tự nhiên do tích tụ lượng lớn cao su tự nhiên bể UASB. Do đó, việc phát triển quy trình loại bỏ (thu hồi) cao su tự nhiên là rất cần thiết để áp dụng thành công bể UASB. Bể có vách ngăn có thể được thu hồi chất rắn bằng thiết kế độc đáo của nó và được coi là quá trình tiền xử lý hiệu quả 9
đối với nước thải quá trình cao su tự nhiên. Do đó, chúng tôi đã thiết kế quy trình xử lý nước thải cho nước thải xử lý cao su tự nhiên bao gồm bẫy cao su (BR), bể UASB và lọc nhỏ giọt (DHS) (Hình 2.4). Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống kết hợp bẫy cao su (baffled reactor-BR), upflow anaerobic sludge blanket (UASB), và lọc nhỏ giọt (downflow hanging sponge-DHS). (1) bồn nước thải đầu vào, (2) bơm, (3) bồn nước thải sau tiền xử lý, (4) bơm, (5–8) điểm lấy mẫu, (9) UASB column, (10) bộ phận tách khí-rắn (11) khuấy, (12) khử sulfur, (13) đo khí, và (14) bộ phận phân bố. Hệ thống vận hành tốt trong giai đoạn 1 khởi động (ngày 1-45) và được vận hành trong 126 ngày. Dòng vào và dòng ra có pH lần lượt là 5,8 ± 0,7 và 5,3 ± 0,3 và hệ thống gồm bể có vách ngăn (BR) - UASB - DHS được vận hành mà không cần điều chỉnh pH. Nhìn chung, hiệu suất loại bỏ COD tổng đạt 98,6 ± 1,2% và loại bỏ TSS đạt 98 ± 1,4% với HRT là 42,2 h. Hình 3.8 cho thấy sự cân bằng khối lượng COD của dòng vào, BR và bể UASB trong giai đoạn 2. BR đã loại bỏ 42,3 ± 34,5% TSS và 72,4 ± 38,2% VSS trong giai đoạn 2. Tương tự, COD rắn đã được loại bỏ và thay vào đó nồng độ acetate và propionate tăng. Do đó, BR hoạt động như một bể bẫy cho các hạt cao su còn dư và bể axit hóa. Bể UASB cũng đạt hiệu suất loại bỏ COD cao là 92,7 ± 2,3% với OLR là 12,2 ± 6,2 kg-COD • m-1 • ngày-1. Tỷ lệ thu hồi khí mêtan, được tính từ COD tổng đã loại bỏ, là 93,3 ± 19,3% cho giai đoạn 2. Hiệu quả loại bỏ COD cao và tốc độ thu hồi khí metan cao được cho là do BR loại được chất rắn hữu cơ và axit hóa hiệu quả nước thải. Hệ thống BR-UASB-DHS có thể giảm HRT; do đó, yêu cầu về mặt bằng của hệ thống nhỏ hơn so với hệ thống xử lý hiện đang sử dụng. 10
12,000 Phase 1 Phase 2 10,000 Total COD (mg-COD/L) 8,000 6,000 Influent 4,000 BR effluent UASB effluent 2,000 DHS effluent 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Time course (days) 9,000 Phase 1 Phase 2 8,000 Soluble COD (mg-COD/L) 7,000 6,000 5,000 4,000 Influent 3,000 BR effluent UASB effluent 2,000 DHS effluent 1,000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Time course (days) Hình 3.8 COD tổng và COD hòa tan trong thời gian vận hành hệ thống. 3.3 Phát triển mô hình hệ thống ABR quy mô phòng thí nghiệm Nồng độ COD của dòng vào và dòng ra của hệ thống ABR lần lượt là 3,420 ± 660 mg•L-1 và 1.500 ± 620 mg•L-1. Hiệu suất loại bỏ COD cao nhất là 92,3 ± 6,3% trong nghiên cứu này được quan sát thấy trong giai đoạn 2 khi hoạt động dưới OLR là 1,4 ± 0,3 kg-COD • m-3 • ngày-1. Hiệu quả loại bỏ này cao hơn so với nghiên cứu trước đây áp dụng ABR cho nước thải này. Kiểm tra chất lượng nước tại các khoang của ABR cho thấy nồng độ VFA cũng giảm dần dọc theo dòng chảy trong hệ thống. Bể UASB là hệ thống hứa hẹn nhất cho loại nước thải này; một số bể UASB quy mô phòng thí nghiệm đạt được hiệu quả loại bỏ hữu cơ cao cùng với tốc độ thu hồi khí metan cao. Tuy nhiên, bể UASB ở quy mô pilot chỉ vận hành ở điều kiện OLR thấp do dòng vào chứa các hạt cao su dư hoặc có hàm lượng sunfat cao. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra bể UASB quy mô pilot xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên có chứa sunfat cao loại được 95,7 ± 1,3% COD tổng với OLR là 0,8 kg-COD • m-3 • ngày-1 ở Thái Lan. Ngoài ra, bể UASB quy mô pilot xử lý nước thải cao su tự nhiên thải ra từ quy trình sản xuất RSS đã loại 11
được 55,6 ± 16,6% COD tổng và 77,8 ± 10,3% BOD với OLR là 1,7 kg-COD • m-3 • ngày-1. Có một số hạn chế khi áp dụng bể UASB cho nước thải này và các bể UASB này được vận hành ở mức OLR thấp. Sau khi tăng OLR lên tới 2,1 ± 0,1 kg-COD • m-3 • ngày-1, hiệu suất xử lý của ABR bị suy giảm. Nồng độ COD của dòng vào và ra hệ thống ABR lần lượt là 7.890 ± 680 mg- COD • L-1 và 1.840 ± 1.520 mg-COD • L-1 trong giai đoạn 3. Vào cuối thí nghiệm, bọt đã được quan sát thấy trên bề mặt của khoang ABR. Hơn nữa, hiệu quả loại bỏ COD và tỷ lệ thu hồi metan của ABR đã giảm đáng kể xuống còn 50% và 20%. Do đó, OLR tối ưu cho nước thải này phải là khoảng 1,5 kg-COD • m-3 • ngày-1. (A)20,000 120 P1 P2 P3 18,000 100 16,000 COD removal efficiency (%) 14,000 80 Total COD (mg/L) 12,000 10,000 60 8,000 40 6,000 4,000 20 2,000 0 0 0 50 100 150 200 250 Time course (day) Inf. Eff. Removal effeciecny (B) 600 P2 P3 120 P1 500 100 TSS removal efficecy (%) 400 80 TSS (mg/L) 300 60 200 40 100 20 0 0 0 50 100 150 200 250 Time course (day) Inf. Eff. Removal effeciecny Hình 3.10 Hiệu suất loại COD tổng (A) và TSS (B) của hệ thống ABR qua 3 giai đoạn vận hành. Nồng độ COD hòa tan, acetate và propionate tại mỗi khoang của hệ thống ABR vào ngày 103 và ngày 199 được thể hiện trong Hình 3.11. Nồng độ VFA cũng giảm dần dọc theo các khoang của hệ thống ABR. Gần 80% COD hòa tan trong các ngăn 1 đến 3 là acetate và propionate. Các giá trị VFA đã chứng minh rằng thủy phân và acidogensis là các hoạt động sinh hóa chính3.12 Time course of (A) Total tiên. and (B)hòa tan và acetate đã đượcphasebỏto phase Figure xảy ra trong các ngăn đầu COD COD TSS concentrations through loại 1 trong ngăn 3 đến 5. Hơn nữa, hầu hết khí sinh học được sinh ra từ các ngăn này. Methanogen có thể chiếm ưu 3 thế trong các khoang này và là tác nhân sản xuất ra khí sinh học. Kết quả này chỉ ra rằng trong ABR, các vi sinh vật khác nhau phát triển trong các ngăn khác nhau dẫn đến việc tách pha. 12
(A) 5,000 4,500 Soulble COD 4,000 Acetate 3,500 COD (mg-COD/L) Propinate 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ABR compartment (B) 5,000 4,500 Soulble COD 4,000 Acetate 3,500 COD (mg-COD/L) Propinate 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ABR compartment Hình 3.11 Nồng độ COD hòa tan, acetate và propionate tại các khoang của ABR vào ngày 103 (A)và ngày 199 (B). 3.4 Phát triển mô hình hệ thống UASB-DHS quy mô pilot Bảng 3.4 liệt kê hiệu suất xử lý của hệ thống trong các giai đoạn 1-4. Các nghiên cứu trước đây về các hệ thống xử lý hiện có đối với nước thải chế biến cao su tự nhiên được tóm tắt trong Bảng 3.9. Hệ thống kết hợp ABR (HRT = 3,4 ngày) - UASB (HRT = 1,8 ngày) - ST (HRT = 0,6 ngày) - Hệ thống DHS (HRT = 0,5 ngày) đã loại bỏ 94,8 ± 2,1% COD tổng, 98,0 ± 0,9% BOD tổng, 71,8 ± 22,6% TSS và 68,3 ± 15,1% TN trong giai đoạn 3. Hệ thống ABR đã được lắp đặt để loại bỏ các hạt cao su còn dư ở dòng vào. ABR đã loại được 31,6 ± 15,6% COD tổng và 40,5 ± 16,0% COD hòa tan trong toàn bộ thí nghiệm. Tương tự, hiệu suất loại bỏ BOD tổng và hòa tan của ABR lần lượt là 45,1 ± 14,5% và 50,7 ± 14,3%. Ngoài ra, TSS trong dòng vào và ra của ABR lần lượt là 200 ± 58 mg • L-1 và 166 ± 65 mg • L-1, dẫn đến hiệu quả loại bỏ TSS là 18,7 ± 41,1%. Những kết quả này chỉ ra rằng ABR đã loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong nước thải RSS. Bể UASB đã loại được hầu hết các chất hữu cơ và thu hồi khí metan trong hệ thống. Trong giai đoạn 1, bể UASB có tổng hiệu suất loại bỏ COD thấp là 18,6 ± 17,0% do lượng lớn bùn bị rửa trôi vì bùn có độ lắng thấp bị rửa trôi và khí sinh ra nhiều (370 ± 250 L • ngày 1) đẩy bùn. Trong giai đoạn 3, bể UASB đat hiệu suất loại bỏ COD và BOD tổng cộng là 55,5 ± 16,1% và 77,8 ± 10,3% với OLR là 1,7 ± 0,6 kg-COD • m-3 • ngày-1. Hiệu quả thấp hơn so với các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm trước đây của chúng tôi và các hệ thống xử lý kỵ khí khác xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên. Mặt khác, bể UASB đạt được hiệu quả loại bỏ COD và 13
BOD hòa tan cao lần lượt là 70,2 ± 19,6% và 76,3 ± 7,5% trong giai đoạn 3. Sự tích tụ cao su tự nhiên thường xảy ra trong đường ống cung cấp (Hình 3.12) và cần sửa chữa để loại bỏ các cục cao su tích tụ. Tỷ lệ thu hồi khí metan dựa trên COD tổng đã loại bỏ lần lượt là 32,7 ± 86,4%, 41,5 ± 29,3% và 64,3 ± 71,6% cho giai đoạn 1, giai đoạn 3 và giai đoạn 4. Một bể lắng đã được lắp đặt để bẫy bùn và các hạt cao su còn sót lại từ lò phản ứng UASB. Trong giai đoạn 2 và 3, ST đã loại bỏ hoàn toàn COD (tương ứng 76,0 ± 7,7% và 47,2 ± 18,1%). Ngoài ra, hiệu quả loại bỏ TSS lần lượt là 95,7 ± 1,8% và 60,4 ± 14,9% trong giai đoạn 2 và 3. Do đó, ST có thể được bảo vệ khỏi bùn không lắng bị trôi từ bể UASB. DHS có thể phục vụ như một hệ thống xử lý cấp 3 hiệu quả để loại bỏ các hạt hữu cơ còn sót lại và loại bỏ TSS. Trong nghiên cứu này, DHS đã loại bỏ 83,5 ± 10,0% COD tổng, 82,6 ± 11,2% BOD tổng và 73,5 ± 20,0% TSS trong toàn bộ thí nghiệm. Các kết quả loại chất hữu cơ này cao hơn so với DHS làm xử lý cấp 3 cho dòng ra từ ABR. Hình 3.12 Cao su dư tích tụ trong ống dẫn nước thải và nước thải qua các bước xử lý. 14
Hình 3.16 Hiệu suất loại COD tổng và OLR (A) và hiệu suất loại BOD tổng (B) của hệ thống. Bảng 3.5 liệt kê nồng độ TN, ammonia, nitrat và nitrit trong hệ thống xử lý. Nồng độ ammonia của dòng vào và ra ABR lần lượt là 122 ± 49 mg-N • L-1 và 151 ± 70 mg-N • L-1, cho thấy ammonia có thể được sản xuất từ nitơ hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí. Ngoài ra, một lượng nhỏ nitrat được phát hiện trong dòng ra ABR cho thấy có quá trình nitrat hóa trong ABR. Khảo sát thực địa của chúng tôi cho thấy ammonia đã bị oxy hóa thành nitrat ở bề mặt ABR và khí oxit nitơ được thải ra khí quyển. Trên nghiên cứu này oxit nitơ đã được phát hiện trong khí sinh học được thu thập từ ABR vào ngày 190 với nồng độ 213 ppm. Bể UASB có khả năng phản nitrate, làm giảm nồng độ nitrat ở nước thải. Nồng độ oxit nitơ trong khí sinh học được tạo ra trong UASB lần lượt là 213 ppm, 72 ppm và 614 ppm vào ngày 42, ngày 190 và ngày 264. Trong giai đoạn 3, tỷ lệ sản xuất khí oxit nitơ là 4,737 × 10-6 m3 • m-3 nước thải từ quá trình sản xuất RSS. Nồng độ oxit nitơ tối đa là 614 ppm được ghi nhận vào ngày 264. Tốc độ sản xuất tương đương với carbon dioxide đối với 1 m3 nước thải RSS đã xử lý đối với oxit nitơ trong bể UASB này được tính là 2,77 × 10-5 t-CO2 eq • m-3 nước thải trong giai đoạn 3. Trong giai đoạn 1, DHS đã loại bỏ TN và ammonia với hiệu suất thấp 38,8 ± 16,0% và 19,3 ± 5,8% (Hình 3.14). Tỷ lệ nitrat 15
hóa (dựa trên quá trình oxy hóa ammonia) của DHS cũng tăng lên 0,42 ± 0,03 kg-N • m-3 • ngày- 1 trong giai đoạn 4. Tốc độ nitrat hóa này lớn hơn so với hệ thống sử dụng cùng loại bọt biển xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải chế biến cao su tự nhiên trong các nghiên cứu khác. Một lượng nitrat nhỏ sinh ra cũng đã được phát hiện trong DHS. Tuy nhiên, TN và ammonia giảm cho thấy rằng quá trình nitrat hóa xảy ra trong bể phản ứng và các sản phẩm nitrat hóa ngay lập tức được sử dụng bởi vi khuẩn khử nitrat trong DHS. Theo tỷ lệ phát thải oxit nitơ này (0,6% tải trọng nitơ), lượng phát thải oxit nitơ từ DHS được tính bằng 0,00026 t-CO2 eq • m-3 - w.w. trong giai đoạn 3. Tổng cộng, hiệu quả loại bỏ TN lần lượt là 33,6 ± 17,7%, 51,3 ± 34,0%, 68,3 ± 15,1% và 57,9 ± 7,0% trong các giai đoạn 1 đến 4. Các tỷ lệ phát thải cho 1 m3 xử lý nước thải RSS cho ABR, UASB và DHS được tính tương ứng là 0,0129 t-CO2eq • m-3, 0,0045 t-CO2eq • m-3 và 0,00026 t-CO2eq • m-3, tương ứng. Bể UASB có thể thu hồi khí sinh học dưới dạng năng lượng, do đó tỷ lệ phát thải GHG từ hệ thống đề xuất có thể giảm xuống 0,013 t-CO2eq • m-3, tương ứng với mức giảm phát thải GHGs 92% so với các hệ thống xử lý kỵ khí loại mở hiện có. Bảng 3.5 Nồng độ các hợp chất nito (mgN/L) ở hệ thống đề xuất. Phase Parameter Unit Influent ABT eff. UASB eff. ST eff. DHS eff. Phase 1 TN mg-N·L -1 150 ± 80 127±65 125±65 152±49 123±46 (R=0) Ammonia mg-N·L -1 118±16 88 ± 30 113 ± 41 88 ± 17 77 ± 29 Nitrate mg-N·L -1 1.8 ± 2.8 1.6 ± 2.0 1.0 ± 1.8 0.1±0.2 2.1±2.1 Nitrite mg-N·L -1 N.D N.D N.D. N.D N.D Phase 2 TN mg-N·L -1 143±19 120±22 126±61 84 ± 38 53 ± 39 (R=1) Ammonia mg-N·L -1 64 ± 36 69±58 99±48 60 ± 16 29±33 Nitrate mg-N·L -1 N.D N.D. N.D. N.D. N.D. Nitrite mg-N·L -1 N.D N.D. N.D. N.D. N.D. Phase 3 TN mg-N·L -1 202±54 156±50 175±54 165±63 58±24 (R=4) Ammonia mg-N·L -1 109±17 176±31 172 ± 29 153 ± 21 49±22 Nitrate mg-N·L -1 N.D. 4.0 ± 7.5 0.7 ± 0.6 0.9 ± 0.3 4.1±4.0 Nitrite mg-N·L -1 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D Phase 4 TN mg-N·L -1 273±117 224±53 252±54 197±38 128±36 (R=4) Ammonia mg-N·L -1 171 ± 52 232 ± 44 224 ± 4.3 227 ± 17 133 ± 4.8 Nitrate mg-N·L -1 1.5 ± 1.4 0.3 ± 0.4 0.5 ± 0.6 0.2 ± 0.5 0.2 ± 0.5 Nitrite mg-N·L -1 N.D. N.D. N.D. N.D 0.1 ± 0.3 R: Recirculation ratio, N.D.: Not detected 16
Hình 3.14 Hiệu suất loại nito tổng (A) và ammonia (B) của toàn bộ hệ thống và DHS trong pha 1-4 Các nghiên cứu trước đây về hiệu suất quá trình của các hệ thống xử lý hiện có đối với nước thải chế biến cao su tự nhiên được tóm tắt trong Bảng 3.9. Hệ thống ABR kết hợp (HRT = 3,4 ngày) - UASB (HRT = 1,8 ngày) - ST (HRT = 0,6 ngày) - Hệ thống DHS (HRT = 0,5 ngày) đã loại bỏ 94,8 ± 2,1% COD tổng, 98,0 ± 0,9% BOD tổng, 71,8 ± 22,6% TSS và 68,3 ± 15,1% TN trong giai đoạn 3. Sự kết hợp của đầm kỵ khí và hiếu khí cũng đã được sử dụng rộng rãi ở Thái Lan, Việt Nam và Malaysia vì chi phí vận hành thấp và bảo trì dễ dàng. Nước thải cuối cùng trong hệ thống của chúng tôi đáp ứng quy định kỹ thuật quốc gia Việt Nam yêu cầu về nước thải của ngành chế biến cao su tự nhiên-B ngoại trừ hàm lượng amoniac (QCVN01: 2008 / BTNMT, pH: 6-9, Tổng BOD:
Bảng 3.9 Các hệ thống hiện tại dùng cho xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên -1 -1 HRT Influent concenration (mg·L ) Effluent concentration (mg·L ) Removal effciency (%) System Country Wastewater days pH TCOD TBOD TSS TN Ammonia pH TCOD TBOD TSS TN Ammonia TCOD TBOD TSS TN Reference Decantation - UASB - aeration Vietnam CL + SVR - 9.2 18,885 10,780 900 611 342 6.8 123 57 70 35.3 30.8 99 99 92 94 Nguyen and Luong (2012) tank - settling and filiter Decantation - oxidation ditch - Vietnam CL - 9.1 26,914 8,750 740 766 361 8.4 567 50 74 160 137 98 99 90 79 Nguyen and Luong (2012) settling and filiter Decantation -oxidation ditch - Vietnam CL - 8.55 19,029 7,830 2,220 813 302 8.2 466 70 300 40.6 34.5 98 99 86 95 Nguyen and Luong (2012) settling and filiter Decantation -oxidation ditch - Vietnam CL + SVR - 8.23 14,466 9,200 850 450 350 7.4 107 92 60 65 47 99 99 93 86 Nguyen and Luong (2012) settling and filiter Decantation - flotation - 18 oxidiation ditich - settling and Vietnam CL + SVR - 9.42 26,436 13,820 1,690 651 285 8.1 120 85 60 74.9 33 99.5 99 96 88 Nguyen and Luong (2012) filiter Decantation - flotation - UASB - aeration tank - settling and Vietnam CL - 8.09 13,981 7,590 468 972 686 7.9 127 61 39 129 30.3 99 99 92 87 Nguyen and Luong (2012) filiter Decantation -oxidation ditch - Vietnam CL + SVR - 8.59 11,935 8,780 1,164 1,306 1,043 6.6 130 60 94 67 50 99 99 92 95 Nguyen and Luong (2012) settling and filiter Dissolved air flotation - anaerobic lagoon - anoxic Vietnam CL + SVR - 5.37 5,610 - 867 372 341 7.8 136 - 98 33 13 98 - 89 91 Syutsubo et al. (2015) lagoon - aerated tank Dissolved air flotation - lagoon Vietnam CL + SVR - 6.34 5,350 - 357 394 154 7.8 128 - 70 41 27 98 - 80 90 Syutsubo et al. (2015) - aeration tank - aerated tank ABR - DHS Vietnam RSS 42 5.5 3,700 3,450 200 220 108 8.1 102 35 27 57 20 97 99 87 74 Watari et al. (2016b) ABR - Algal Tank Vietnam RSS 14.2 5.5 3,700 3,450 200 220 108 8.1 222 92 126 97 77 94 97 37 56 Watari et al. (2016b) ABR - UASB -DHS Vietnam RSS 2.0 5.3 8,430 - 1,470 420 200 7.6 120 - 36 220 100 99 - 98 48 Watari et al. (2016a) UASB Vietnam RSS 0.8 7.1 1,450 - 279 - - 7.4 102 - 72 - - 96 - 74 - Thanh et al. (2016) UASB Thailand CL 4 1.95 3,350 1,855 340 661 271 - - - - - - 60 - - - Boonsawang et al., (2008) UASB - UASB - DHS Thailand CL 11.5 5.5 9,710 8,670 1,780 1,370 - - - - - - - 96 - - - Tanikawa et al. (2016) Oxidation Ditch Process Malaysia CL - 7.16 2,675 1,871 3,645 231 17 7.1 56 22 1,313 36 0 98 99 64 84 Ibrahim et al. (1980) Stablilisation pond Malysia CL - - - - - - - - - - - - - 93 90 - - Madhu et al. (2007) ABR-UASB-ST-DHS Vietnam RSS 6.3 5.5 3,940 3,320 170 200 110 7.7 140 36 46 53 53 95 98 72 67 This study (during phase 3) Note: ABR: anaerobic baffled reactor, CL: Concentrated latex, DHS: down flow hanging sponge, RSS: Ribbed smoked sheet, ST: settling tank, SVR: standard Vietnamese rubber, UASB: upflow anaerobic sludge