Tải bản đầy đủ

Development of an appropriate treatment system for natural rubber industrial wastewater treatment tt

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 – 2019


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

ỆU LUẬN 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.
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.

1


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

muối.
Top 10 of Natural Rubber Processing Countries (2014)

2%

6%
Thailand

2%
4% 3%

Indonesia
Viet Nam
34%

5%

India
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 .
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.

2


Table 1.1 Characteristics of natural rubber processing wastewater in Vietnam.

3


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

Single

Single
Two stage

Two stage

Vietnam

8.55

Organic removal rate COD removal
-3

L

-1

(kg-COD·m ·day )

%

Reference

28.5

79.8-87.9%

Nguyen (1999)

2.65

96.5 ± 2.6

Thanh et al., (2015)

1.41

82

Jawjit and Liengcharernest (2010)

0.8

96.57 ± 1.3

Tanikawa et al., (2016)

Digested pig
manure sludge

Anaerobic
digester trating
casava
Vietnam
17
wastewater
Concentrated
Thailand
24.8
latex mill
Anaerobic pond
in the rubber
Thailand 997 + 597
factory

4


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 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.

5


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 tCO2eq•m-3, 0,099 t-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.

6


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

7


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 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).

8


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 3.9 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.

9


12,000

Phase 1

Phase 2

Total COD (mg-COD/L)

10,000
8,000
6,000

Influent
BR effluent

4,000

UASB effluent
2,000

DHS effluent

0
0

9,000

20

40

60
80
Time course (days)

Phase 1

100

120

140

Phase 2

Soluble COD (mg-COD/L)

8,000
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
Time course (days)

100

120

140

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
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.

10


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

P1

P2

120

P3

18,000

Total COD (mg/L)

14,000

80

12,000
10,000

60

8,000
40

6,000
4,000

COD removal efficiency (%)

100

16,000

20

2,000
0

0
50

100

Inf.

TSS (mg/L)

(B) 600

150
Time course (day)
Eff.

250

Removal effeciecny

P2

P1

200

120

P3

500

100

400

80

300

60

200

40

100

20

0

TSS removal efficecy (%)

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 3.13. 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 chính xảy ra trong các ngăn đầu tiên. COD
hòa tan và acetate đã được loại bỏ trong ngăn 3 đến 5. Hơn nữa, hầu hết khí sinh học được sinh ra từ các
ngăn này. Methanogen có thể chiếm ưu 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.

11


COD (mg-COD/L)

(A) 5,000
4,500

Soulble COD

4,000

Acetate

3,500

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

COD (mg-COD/L)

(B) 5,000
4,500

Soulble COD

4,000

Acetate

3,500

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 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 3.15) 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

12


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.

Hình 3.16 Hiệu suất loại COD tổng và OLR (A) và hiệu suất loại BOD tổng (B) của hệ thống.

13


Bảng 3.6 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 3.17). Tỷ lệ nitrat 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
Phase 1 TN
(R=0) Ammonia
Nitrate
Nitrite
Phase 2 TN
(R=1) Ammonia
Nitrate
Nitrite
Phase 3 TN
(R=4) Ammonia
Nitrate
Nitrite
Phase 4 TN
(R=4) Ammonia
Nitrate
Nitrite

Unit
-1

mg-N·L
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1
-1

mg-N·L
mg-N·L -1
mg-N·L -1
mg-N·L -1

Influent
150 ± 80
118±16
1.8 ± 2.8
N.D
143±19
64 ± 36
N.D
N.D
202±54
109±17
N.D.

ABT eff.
127±65
88 ± 30
1.6 ± 2.0
N.D
120±22
69±58
N.D.
N.D.
156±50
176±31
4.0 ± 7.5

UASB eff.
125±65
113 ± 41
1.0 ± 1.8
N.D.
126±61
99±48
N.D.
N.D.
175±54
172 ± 29
0.7 ± 0.6

152±49
88 ± 17
0.1±0.2
N.D
84 ± 38
60 ± 16
N.D.
N.D.
165±63
153 ± 21
0.9 ± 0.3

DHS eff.
123±46
77 ± 29
2.1±2.1
N.D
53 ± 39
29±33
N.D.
N.D.
58±24
49±22
4.1±4.0

N.D.
273±117
171 ± 52
1.5 ± 1.4

N.D.
224±53
232 ± 44
0.3 ± 0.4

N.D.
N.D.
252±54
197±38
224 ± 4.3 227 ± 17
0.5 ± 0.6 0.2 ± 0.5

N.D
128±36
133 ± 4.8
0.2 ± 0.5

N.D.

N.D.

14

R: Recirculation ratio, N.D.: Not detected

N.D.

ST eff.

N.D

0.1 ± 0.3


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: <50 mg • L- 1, Tổng COD: <250 mg • L-1.
TSS: <100 mg • L-1, TN: <60 mg-N • L-1, Amoniac: <40 mg-N • L-1). Một số hệ thống xử lý hiện tại
vượt quá quy định nước thải tại Việt Nam.

15


Bảng 3.9 Các hệ thống hiện tại dùng cho xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên

-1

-1

Influent concenration (mg·L )
Effluent concentration (mg·L )
HRT
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 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

16


C. KẾT LUẬN
1. Chất lượng nước và khí thải nhà kính từ hệ thống xử lý hiện có xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên
tại Việt Nam đã được khảo sát. Nước thải từ việc xử lý hiện tại đã vượt quá tiêu chuẩn xả thải. Ngoài ra,
hệ thống kỵ khí kiểu mở không chỉ phát ra khí mê-tan mà cả oxit nitơ có hàm lượng GWP cao.
- Nước thải cuối cùng của quá trình hiện tại là Tổng COD là 730 mg • L-1, TSS là 200 mg • L-1 và TN
tương ứng là 60 mg-N • L-1.
- Tốc độ phát thải (flux) từ 1 m3 nước thải RSS đã xử lý đối với metan, oxit nitơ và tổng GHG bằng hệ
thống kỵ khí loại mở được tính lần lượt là 0,054 t- CO2eq • m-3, 0,099 t- CO2eq • m-3, và 0,153 t-CO2eq • m-3.
2. Hệ thống UASB-DHS và hệ thống ABR quy mô phòng thí nghiệm đã được sử dụng xử lý nước thải
chế biến cao su tự nhiên. Cả hai hệ thống thực hiện quá trình tốt và có khả năng xử lý nước thải chế biến
cao su tự nhiên.
- Bể UASB ở quy mô phòng thí nghiệm đã thực hiện loại bỏ 92,7 ± 2,3% COD tổng với OLR là 12,2 ±
6,2 kg-COD m−3 ngày−1 và 93,3 ± 19,3% metan được thu hồi.
- Hệ thống ABR quy mô phòng thí nghiệm đã vận hành tốt với hiệu suất loại bỏ 92,3 ± 0,3% COD với
OLR là 1,4 ± 0,3 kg-COD m−3 ngày−1 mà không cần tiền xử lý.
3. Hệ thống UASB-DHS quy mô pilot được vận hành trong một nhà máy chế biến cao su tự nhiên thực tế.
- Hệ thống xử lý được nước thải đạt chất lượng tương tự so với hệ thống xử lý hiện tại.
- Khoảng 80% thời gian lưu có thể được giảm.
- Hệ thống có thể được giảm đáng kể phát thải GHGs.
4. Hệ thống đề xuất có thể là một hệ thống xử lý thích hợp để xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên tại
Việt Nam.
- Hệ thống đạt được hiệu quả loại bỏ hữu cơ cao cùng với thu hồi năng lượng là metan.
- Hệ thống xử lý hiện có và hệ thống đề xuất cần quy trình nitơ hiệu quả hơn để đạt được tiêu chuẩn xả
thải.

17


DANH MỤC C C CÔNG TRÌN

ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. D. Tanikawa, K. Syutsubo, T. Watari, Y. Miyaoka, M. Hatamoto, S. Iijima, M.
Fukuda, N. B. Nguyen, T. Yamaguchi (2016), “Greenhouse gas emissions from opentype anaerobic wastewater treatment system in natural rubber processing factory”,
Journal of Cleaner Production, Vol. 119, pp. 32–37
2. P. T. Tran, T. Watari, Y. Hirakata, T. T. Nguyen, M. Hatamoto, D. Tanikawa, K.
Syutsubo, M. T. Nguyen, M. Fukuda, L. H. Nguyen, T. Yamaguchi (2017), “Anaerobic
Baffled Reactor in Treatment of Natural Rubber Processing Wastewater: Reactor
Performance and Analysis of Microbial Community”, Journal of Water and Environment
Technology, Vol. 15, no. 6, pp. 241–251.
3.

T. Watari, T. C. Mai, D. Tanikawa, Y. Hirakata, M. Hatamoto, K. Syutsubo, M.

Fukuda, N. B. Nguyen, T. Yamaguchi (2017), “Performance evaluation of the pilot
scale upflow anaerobic sludge blanket – Downflow hanging sponge system for natural
rubber processing wastewater treatment in South Vietnam”, Bioresource Technology,
Vol. 237, pp. 204–212.
4. D. Tanikawa, T. Watari, T. C. Mai, M. Fukuda, K. Syutsubo, N. B. Nguyen, T.
Yamaguchi (2018) “Characteristics of greenhouse gas emissions from an anaerobic
wastewater treatment system in a natural rubber processing factory,” Environmental
Technology, Vol.11, pp. 1–8.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×