Kỹ thuật khống chế ô nhiễm không khí và tiếng ồn - Xử lý khí thải bằng phương pháp nhiệt, oxy hóa, sinh học

XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT, OXY HÓA, SINH HỌC Trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCMViện Công Nghệ & Quản Lý Môi Trường Môn: KỸ THUẬT KHỐNG CHẾ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ TIẾNG ỒN NỘI DUNG Xử lý khí thải bằng phương pháp nhiệt Xử lý khí thải bằng phương pháp sinh học Tổng quan về các phương pháp xử lý Xử lý khí thải bằng phương pháp oxy hóa TỔNGQUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Các phương pháp làm sạch khí thải rất đa dạng, khác nhau về cấu tạo thiết bị cũng như về công nghệ làm sạch. Phương pháp làm sạch chất thải được lựa chọn theo khối lượng và thành phần chất thải. Ngoài ra nó còn được lựa chọn trên cơ sở so sánh phân tích tính kinh tế - kĩ thuật. Để đạt được hiệu quả xử lí khí thải cao cần phải sử dụng phối hợp đồng thời nhiều phương pháp và thiết bị lọc khác nhau. KHÁI QUÁT VỂ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Phương pháp nhiệt Được ứng dụng để xử lý các chất độc dễ bị oxi hóa và các tạp chất có mùi hôi. Dựa trên sự cháy của các tạp chất trong các lò hoặc đèn xì. Phương pháp oxy hóa Dựa trên sự biến đổi hóa học các cấu tử độc hại thành không độc hại trên bề mặt xúc tác rắn. Được sử dụng để xử lý NOx, SOx, COx và các tạp chất hữu cơ. KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Phương pháp sinh hóa- vi sinh Phương pháp này lợi dụng các vi sinh vật phân hủy và tiêu thụ các khí thải độc hại, nhất là các khí thải từ các nhà máy thực phẩm, nhà máy phân đạm, phân tổng hợp hữu cơ… Các vi sinh vật, vi khuẩn sẽ hấp thụ, đồng hóa các khí thải hữu cơ, vô cơ độc hại và thải ra các khí N2 và CO2. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Phương pháp nhiệt: hay còn gọi là phương pháp đốt cháy trực tiếp. Phương pháp này dựa trên sự cháy của các tạp chất trong các lò hoặc đèn xì. Nguyên tắc: Bản chất của phương pháp đốt cháy trực tiếp là oxi hóa các cấu tử độc hại bằng oxi ở nhiệt độ cao (450 – 12000C). XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Ứng dụng: Các chất ô nhiễm có mùi khó chịu đều cháy được hoặc thay đổi về mặt hóa học biến thành các chất ít mùi hơn khi phản ứng ở nhiệt độ thích hợp. Các loại sol khí hữu cơ có khói nhìn thấy được như khói lò rang cafe, lò sản xuất thịt hun khói, lò nung men sứ… Hơi, khí hữu cơ nếu thải trực tiếp vào khí quyển sẽ có phản ứng với sương mù và gây hại cho môi trường. Khí cháy được kể cả những chất hữu cơ độc hại. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Ưu điểm: Thiết bị đơn giản và có khả năng ứng dụng rộng rãi. Phân hủy được hoàn toàn các chất ô nhiễm cháy được khi thiết kế và vận hành thiết bị đúng quy cách. Khả năng thích ứng của thiết bị đối với sự thay đổi vừa phải của lưu lượng, nồng độ khí ô nhiễm. Hoạt động ổn định, không cần hoàn nguyên như hấp thụ và hấp phụ. Có khả năng thu hồi, tận dụng nhiệt sinh ra trong quá trình thiêu đốt. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Nhược điểm: Chi phí đầu tư, vận hành tương đối lớn. Có khả năng làm phức tạp hơn vấn đề ô nhiễm không khí vì bên cạnh chất ô nhiễm hydrocacbon cần đốt còn có các hợp chất khác của nitơ, clorin, lưu huỳnh… Quá trình thiêu đốt có cấp nhiên liệu và chất xúc tác nên quá trình vận hành gặp trở ngại. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Các quá trình thiêu đốt Thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp trong không khí Thiêu đốt băng buồng đốt (không có xúc tác) Thiêu đốt băng buồng đốt (có xúc tác) THIÊU ĐỐT BẰNG NGỌN LỬA TRỰC TIẾP Phương pháp thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp là các ngọn đuốc cháy bùng của khí thải ở các mỏ dầu khí, nhà máy lọc dầu. Ngọn đuốc được thiết kế như một ống dẫn khí đến một độ cao thích hợp và trên tận cùng của ống có lắp đầu đốt gồm bộ phận phun hơi và mồi lửa, đảm bảo ngọn đuốc cháy không có khói và liên tục mặc dù lưu lượng khí thải, nồng độ chất cháy trong khí thải cũng như vận tốc gió có thể thay đổi trong phạm vi rộng. THIÊU ĐỐT CÓ BUỒNG ĐỐT (KHÔNG CÓ XÚC TÁC ) Đốt các loại khí thải có chứa chất ô nhiễm dạng khí, hơi hoặc sol khí cháy được với nồng độ tương đối thấp phát sinh từ : thiết bị phun nhựa đường, lò ram má phanh ôtô, lò sản xuất thịt hun khói, lò rang cafe, lò nấu sơn, lò nấu vecni… Nhiệt độ trong buồng đốt khoảng 900 – 15000C. THIÊU ĐỐT CÓ BUỒNG ĐỐT (KHÔNG CÓ XÚC TÁC ) THIÊU ĐỐT BẰNG BUỒNG ĐỐT (CÓ XÚC TÁC ) Thiêu cháy có xúc tác cần diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và nhiệt độ đốt khoảng 300 – 5000C (tùy thuộc vào chất oxi hóa). Trong phương pháp này, chất xúc tác là các bề mặt kim loại như các dãy băng bạch kim, đồng, crôm niken… Nguyên tắc xử lý là oxi hóa chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu xúc tác ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ bắt lửa. THIÊU ĐỐT BẰNG BUỒNG ĐỐT (CÓ XÚC TÁC ) THIÊU ĐỐT BẰNG BUỒNG ĐỐT (CÓ XÚC TÁC ) Ưu điểm: Phản ứng oxi hóa xảy ra nhanh và mạnh nên thời gian lưu khí thải thấp (bằng 1/20 – 1/50 so với buồng đốt không xúc tác) và ít tiêu tốn nhiều năng lượng. Tiết kiệm lượng nhiên liệu bổ sung từ 40 – 50% so với buồng đốt thông thường. Giá thành xây dựng, vận hành rẻ hơn lò đốt thông thường. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA Nguyên tắc: Thực hiện tương tác hóa học nhằm chuyển các khí độc thành các sản phẩm ít độc hại hơn nhờ các chất xúc tác đặc biệt. Được thực hiện trong các thiết bị phản ứng. Vai trò: Làm tăng các phản ứng hóa học trong xử lý khí thải. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA Cụ thể của việc xử lý này có hai vấn đề: Chuyển C, CO, COV về CO2 không độc bằng phản ứng ôxy hoá, nghĩa là đốt cháy với sự có mặt của ôxy Chuyển NOx về ôxy và nitơ, là phản ứng khử ngược lại với phản ứng trên. Hai quá trình này phải thực hiện đồng thời. Vì thế, phải tìm một "khoảng" cho phép để chỉnh nồng độ ôxy sao cho cả hai quá trình đều cùng thực hiện được, đồng thời tìm chất xúc tác thích hợp. Cả hai việc đều đòi hỏi đầu tư nhiều thời gian và nhiều phương tiện đặc chủng hiện đại. Chính vì thế, ở Việt Nam rất khó làm, lĩnh vực này hầu như còn bỏ ngỏ. VẬT LIỆU XÚC TÁC TRONG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA Trong công nghiệp luyên kim đen, sản xuất nhôm bằng phương pháp điện phân nóng chảy khí thải thường chứa CO, người ta thường sử dụng xúc tác chứa 0.3% Pt mang trên oxit nhôm. Các hợp chất hữu cơ là thành phần chủ yếu có trong khí thải của nhà máy sản xuất chất dẻo, thuốc kháng sinh, andehyt phatalic, dây chuyền sơn…Xúc tác thường được sử dụng ở đây là Pt, Pd và Rh. Pt và Pd thường được mang trên Al2O3 để oxy hóa các alkan VẬT LIỆU XÚC TÁC TRONG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA Các xúc tác trên cơ sở Pd có hoạt tính cao trong phản ứng oxy hóa CO giá thành lại thấp hơn Pt VẬT LIỆU XÚC TÁC TRONG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA Pt có hoạt độ cao nhất cho oxy hóa propan ở 5000C, trong khi Pd là xúc tác tốt hơn cho quá trình oxy hóa ethan, methan và các olefin. VẬT LIỆU XÚC TÁC TRONG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA Rh có hoạt độ thấp nhất trong phản ứng oxy hóa propan, nhưng khi kết hợp với Pt sẽ tạo thành vật liệu xúc tác tốt nhất cho phản ứng oxy hóa và khử các NOx. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC NGUYÊN TẮC XỬ LÝ Tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với các chất ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc khí thải này là nơi chứa các nguyên liệu lọc và nơi sinh sản cho các vi sinh vật. Trong hệ thống, các vi sinh vật sẽ tạo thành một màng sinh học (biofilm - một màng mỏng và ẩm bao quanh các nguyên liệu lọc). Trong quá trình lọc, khí thải được bơm chậm xuyên qua hệ thống lọc, các chất ô nhiễm trong khí thải sẽ bị các nguyên liệu lọc hấp thụ. Các chất khí gây ô nhiễm sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây, các vi sinh vật sẽ phân hủy chúng để tạo nên năng lượng và các sản phẩm phụ là CO2 và H2O MÔ TẢ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân hủy các chất khí có mùi hôi và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa các vi sinh vật và hấp thụ hơi nước, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc. MÔ TẢ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Trong quá trình lọc sinh học, các chất khí gây ô nhiễm được làm ẩm và sau đó được bơm vào một buồng phía bên dưới nguyên liệu lọc. Khi chất khí đi ngang qua lớp nguyên liệu lọc, các chất ô nhiễm bị hấp thụ và phân hủy. Khí thải sau khi đã lọc sạch được phóng thích vào khí quyển từ bên trên của hệ thống lọc. Hầu hết những hệ thống lọc sinh học hiện nay có công suất xử lý mùi và các chất hữu cơ bay hơi lớn hơn 90%. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là chỉ xử lý được những khí thải có nồng độ chất ô nhiễm thấp ( hiệu chỉnh bằng cách cho thêm vào các hợp chất đạm và phospho. YÊU CẦU CHỌN NGUYÊN LIỆU LỌC Khả năng giữ ẩm để tạo lớp màng sinh học Có diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ và phát triển của vi sinh vật Có chứa các dưỡng chất để cung cấp cho các vi sinh vật Tạo lực cản không khí thấp (giảm mức độ sụt áp và năng lượng cần sử dụng cho máy bơm) Các tính chất lý học khác như độ ổn định lý học và dễ dàng thao tác.   MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ Diện tích: là một thông số được quan tâm hàng đầu trong việc thiết kế hệ thống lọc sinh học. Để xử lý lưu lượng khí khoảng 30 ft3/phút, một hệ thống lọc sinh học có thể cần diện tích 25 ft2. Đối với những lưu lượng khí lớn hơn, chúng ta cần những diện tích lớn hơn và có thể bằng diện tích một sân bóng rổ như đã nói ở trên. Thành phần hóa học và hàm lượng của chất ô nhiễm trong khí thải :Phân tích thành phần hóa học và hàm lượng của nó trong khí thải cần thiết để xác định xem biện pháp lọc sinh học có thích hợp hay không. Các hệ thống lọc sinh học hoạt động tốt khi các hợp chất ô nhiễm (không hoà tan trong nước) có nồng độ thấp (<1000 ppm). Một số hợp chất phân hủy sinh học rất chậm (như các hợp chất chlor) do đó đòi hỏi hệ thống xử lý có kích thước lớn. MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ Thời gian lưu trú Là khoảng thời gian vi sinh vật tiếp xúc với luồng khí thải và được tính bằng công thức sau: RT = Tổng thể tích các lỗ rỗng của lớp nguyên liệu lọc/lưu lượng khí thải Thời gian lưu trú càng dài sẽ cho hiệu suất xử lý càng cao. Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế chúng ta cần phải giảm thiểu thời gian lưu trú để hệ thống có thể xử lý một lưu lượng lớn hơn. Thông thường, thời gian lưu trú của các hệ thống lọc sinh học biến động trong khoảng 30 giây đến 1 phút. MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ Độ ẩm (wet): Ẩm độ của luồng khí thải cần phải xử lý rất quan trọng vì nó giữ ẩm độ cần thiết cho các màng sinh học. Do đó, luồng khí thải thường được bơm qua một hệ thống làm ẩm trước khi bơm vào hệ thống lọc sinh học để đảm bảo ẩm độ của luồng khí thải đi vào hệ thống lọc sinh học phải lớn hơn 95%. Nhiệt độ (temperature): vi sinh vật hoạt động tốt nhất giữa 30 – 400C. MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ Mức oxy: Từ việc phần lớn sự phân hủy là hiếu khí, bậc oxy là vô cùng quan trọng trong một quá trình lọc sinh học. Trên thực tế, oxy không được sử dụng trực tiếp ở dạng khí, nhưng vi sinh vật sử dụng oxy có mặt ở dạng hòa tan trong màng sinh học. Trong một số trường hợp của chất gây ô nhiễm nhất định, oxy nên được thêm vào. pH: pH nơi mà vi sinh vật có thể hoạt động hiệu quả nhất là khoảng 7. Vì vậy pH của khí bẩn phải được duy trì xung quanh giá trị này.  MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ Nguyên liệu lọc : có thể bao gồm than bùn, cây thạch nam, phân ủ compost, than hạt hoặc các nguyên liệu thích hợp khác, phải có khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho vi sinh vật và không gây giảm áp luồng khí nhiều. Thêm vào đó, ẩm độ của các nguyên liệu lọc phải được duy trì ở mức 30 - 60% để cho quần thể các vi sinh vật phát triển. Do đó, bên cạnh thiết bị làm ẩm khí thải, người ta thường lắp đặt hệ thống phun nước cho các lớp nguyên liệu lọc. MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ Giảm áp của luồng khí khi đi ngang lớp nguyên liệu lọc nên được hạn chế tối đa. Nếu lớp nguyên liệu lọc gây trở lực lớn cho nguồn khí  tiêu tốn thêm năng lượng cho máy thổi khí  tăng giá thành xử lý. Khả năng gây trở lực cho nguồn khí phụ thuộc vào ẩm độ và độ rổng của lớp nguyên liệu lọc. Độ ẩm tăng, độ rổng lớp nguyên liệu giảm là nguyên nhân gây tăng trở lực cho nguồn khí. Đối với các hệ thống điển hình mức độ giảm áp nằm trong khoảng 1 -10 hPa. MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ Bảo trì Khi bắt đầu đưa vào hoạt động, hệ thống cần được bảo trì 1 lần/tuần. Sau khi hệ thống đã hoạt động ổn định và đã giải quyết tất cả các vấn đề có thể xảy ra. Tần số bảo trì có thể giảm xuống 1 lần/nửa tháng hoặc hàng tháng. Bể lọc sinh học có một lớp nguyên liệu lọc Bể lọc sinh học có nhiều lớp nguyên liệu lọc ƯU ĐIỂM CỦA BỂ LỌC NHIỀU LỚP NGUYÊN LIỆU Hạn chế được việc các nguyên liệu lọc bị dồn nén lại Các luồng khí xuyên thành những đường thoát qua lớp nguyên liệu lọc. Tạo sự thuận lợi trong việc bảo trì hay thay mới nguyên liệu lọc. ƯU VÀ KHUYẾT DIỄM CỦA BỂ LỌC SINH HỌC Ưu điểm Ưu điểm chính là giá thành thấp, giá vận hành thấp, ít sử dụng hóa chất. Thiết kế linh động, do đó có thể thích nghi với mọi loại hình công nghiệp và diện tích của xí nghiệp. Hệ thống lọc sinh học linh động trong việc xử lý mùi hôi, các hợp chất hữu cơ bay hơi và các chất độc. Hiệu suất xử lý thường lớn hơn 90% đối với các khí thải có nồng độ các chất ô nhiễm < 1000 ppm. Nhiều loại nguyên liệu lọc, vi sinh vật và điều kiện vận hành khác nhau có thể áp dụng để đáp ứng nhu cầu xử lý. ƯU VÀ KHUYẾT DIỄM CỦA BỂ LỌC SINH HỌC Khuyết điểm Hệ thống lọc sinh học không thể xử lý được các chất ô nhiễm có khả năng hấp phụ thấp và tốc độ phân hủy sinh học chậm ví dụ như các hợp chất hữu cơ bay hơi có chứa chlor. Các nguồn ô nhiễm có nồng độ hóa chất cao cần các hệ thống lớn và diện tích lớn để lắp đặt hệ thống lọc sinh học. Nguồn gây ô nhiễm có mức độ phóng thích chất ô nhiễm biến động cao sẽ gây ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật cũng như hiệu suất xử lý của chúng. Thời gian để cho các vi sinh vật thích nghi với môi trường và tạo thành các màng sinh học (biofilm) có thể kéo dài hàng tuần đến hàng tháng, đặc biệt là đối với việc xử lý các chất hữu cơ bay hơi. Việc sử dụng hệ thống lọc sinh học xử lý các chất hữu cơ bay hơi đã được áp dụng trong các ngành công nghiệp sau: Công nghệ hóa chất và hóa dầu Công nghệ dầu khí Công nghệ nhựa tổng hợp Công nghệ sản xuất sơn và mực in Công nghệ dược phẩm Xử lý chất và nước thải Xử lý đất và nước ngầm Việc sử dụng hệ thống lọc sinh học để xử lý mùi, cho tới nay đã áp dụng trong các ngành công nghiệp sau: Xử lý nước cống rãnh Xử lý chất và nước thải lò mổ Các công nghệ tái chế Các nhà máy sản xuất gelatin và keo dán Công nghệ chế biến thịt và nông sản Công nghệ sản xuất thuốc lá, ca cao, đường Công nghệ sản xuất gia vị, mùi nhân tạo.