Luận văn Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mbbr (moving bed biofilm reactor) để xử lý nước thải sản xuất bia

\s ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƢỜNG NGUYỄN HOÀNG NHƢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MBBR (MOVING BED BIOFILM REACTOR) ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI SẢN XUẤT BIA Chuyên ngành : Công nghệ Môi trƣờng MSHV : 10251018 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 12/2012 ii CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. Trần Ứng Long Cán bộ chấm nhận xét 1 : Cán bộ chấm nhận xét 2 : Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ, TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, ngày . . . . . tháng . . . . năm 2013 iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ------------------------------ ------oOo------ Tp. HCM, ngày 01 tháng 05 năm 2012 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : NGUYỄN HOÀNG NHƢ Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 08/10/1987 Nơi sinh : An Giang Chuyên ngành : Công nghệ Môi trƣờng 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) để xử lý nƣớc thải sản xuất bia. 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Lập mô hình nghiên cứu, kế hoạch lấy mẫu, phân tích các thông số nƣớc thải đầu vào và đầu ra của mô hình MBBR đối với nƣớc thải từ bể cân bằng của nhà máy bia Sabmiller.  Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình đối với tính chất nƣớc thải đầu vào đã đề ra.  Đề xuất phƣơng án áp dụng công nghệ 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/05/2012 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/12/2012 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Trần Ứng Long Nội dung và đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đã đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TS. TRẦN ỨNG LONG CN BỘ MÔN TRƢỞNG PHÕNG ĐT – SĐH QL. CHUYÊN NGÀNH TRƢỞNG KHOA QL NGÀNH iv LỜI CẢM ƠN Thực hiện luận văn cao học thật sự là một thách thức lớn trong quá trình học tập và công tác, thông qua đó giúp em hoc̣ đƣơc̣ nhiều điều cả trên lý thuyết lâñ thƣc̣ tiêñ cuôc̣ sống. Để có đƣơc̣ nhƣ̃ng trải nghiêṃ này , em xin gƣ̉i lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Ứng Long đa ̃tạo điều kiện và chỉ dạy em trong suố t khoảng thời gian công tác và nghiên cƣ́u. Với lòng biết ơn, em xin kính chúc Thầy luôn khỏe mạnh. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc Công ty TNHH Sabmiller Việt Nam, anh Mai Nghi Thuấn, anh Dƣơng Công Chung đa ̃hỗ trơ ̣ tôi thực hiện mô hình thí nghiệm và phân tích các chỉ tiêu trong suốt quá trình thực nghiệm. Chúc mọi ngƣời có nhiều sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong công việc. Chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên giúp tôi có thể vƣợt qua tất cả khó khăn cho tới hôm nay. Chúc mọi ngƣời luôn bình an, hạnh phúc. TP.HCM, ngày 16 tháng 12 năm 2012 Nguyêñ Hoàng Nhƣ v TÓM TẮT Hiện nay, công nghiệp sản xuất bia, nƣớc giải khát ở Việt Nam đang phát triển mạnh để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng của xã hội. Quá trình sản xuất có thể phát sinh ra lƣợng nƣớc thải ngày càng tăng trong khi việc tăng công suất hoạt động của hệ thống xử lý nƣớc thải hiện hữu gặp phải nhiều khó khăn. Nên đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) để xử lý nƣớc thải sản xuất bia” đƣa ra thêm lựa chọn cho việc nâng cấp hệ thống xử lý nƣớc thải hiện hữu trở nên đơn giản. Mô hình sử dụng hai loại giá thể lơ lửng trong điều kiện hiếu khí tuần tự là K3 và F10 – 4 ở các mức tải trọng 1 Kg/m3.ngày, COD dòng vào <400 mg/l, TN <60 mg/l, TP <13 mg/l thời gian lƣu nƣớc 8h, ở mức tải trọng 1.5, 3, 4.5 KgCOD/m3.ngày, COD dòng vào <2200mg/l, TN <80 mg/l, TP <21 mg/l và thời gian lƣu nƣớc tƣơng ứng là 32, 16, 10h. Kết quả cho thấy ở mức tải trọng 1 và 1.5 KgCOD/m3.ngày, cả hai loại giá thể đều thể hiện ƣu điểm tốt, dòng ra COD <43 mg/l, TN <14 mg/l, TP <4 mg/l đáp ứng đƣợc QCVN 24:2009/BTNMT, loại A. Ở các mức tải trọng cao hơn, TN <14 mg/l đạt loại A theo tiêu chuẩn trên, Tp <5mg/l đạt loại B theo thiêu chuẩn trên, COD đạt hiệu quả xử lý trung bình đến 92%. vi ABSTRACT In Vietnam, beverage industry have very good growth base on the social development. Manufacturing process can generate increasing amount of wastewater while increasing the operational capacity of the existing wastewater treatment system encountered many difficulties. This research was studied on application of Moving Bed Biofilm Reactor for brewing wastewater treatment, given more options for upgrading existing wastewater treatment system. This experiment use two types of media are K3 and F10 – 4 in difference organic loading rates 1 KgCOD/m3.day (outlet of UASB tank), average characteristics of wastewater: COD lower than 400 mg/l, TN lower than 60 mg/l and TP lower than 13 mg/l, hydraulic retention time is 8h ; 1.5, 3, 4.5 KgCOD/m 3 .day, average characteristics of wastewater: COD lower than 2200 mg/l, TN lower than 80 mg/l and TP lower than 21 mg/l, hydraulic retention time are 32, 16, 10h. The experimental result shown that in OLR 1 and 1.5 KgCOD/m 3 .day, effluent: COD lower than 43 mg/l, TN lower than 14 mg/l, TP lower than 4 mg/l and meet QCVN 24:2009/BTNMT, level A; the remaining OLR, TN lower 14 mg/l meet level A, TP lower 5 mg/l meet level B and average efficiency of COD is 92%. Mục Lục vi MỤC LỤC TÓM TẮT ....................................................................................................................... V MỤC LỤC ..................................................................................................................... VI DANH MUC̣ BẢNG ..................................................................................................... IX DANH MUC̣ HÌNH........................................................................................................ X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ XIII CHƢƠNG 1 ..................................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................. 2 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CƢ́U ............................................................................ 3 1.3. ĐỐI TƢƠṆG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CƢ́U ................................................. 3 1.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn bao gồm .............................................. 3 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 3 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U .................................................................... 4 1.4.1. Phƣơng pháp hồi cƣ́u ................................................................................... 4 1.4.2. Phƣơng pháp thí nghiêṃ và phân tích ......................................................... 4 1.4.3. Phƣơng pháp nghiên cƣ́u mô hình ............................................................... 4 1.4.4. Phƣơng pháp xƣ̉ lý số liêụ ........................................................................... 4 1.4.5. Tính mới của đề tài và ý nghĩa thực tiễn ..................................................... 4 CHƢƠNG 2 ..................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN .................................................................................................................. 5 2.1. TỔNG QUAN VỀ NƢỚC THẢI SẢN XUẤT BIA ............................................. 6 2.1.1. Quá trình sản xuất bia .................................................................................. 6 2.1.2. Thành phần ô nhiễm .................................................................................... 8 2.1.3. Công nghệ xử lý nƣớc thải sản xuất bia .................................................... 10 2.1.4. Tổng quan Hệ thống xử lý nƣớc thải nhà máy bia Sabmiller ................... 11 2.2. TỔNG QUAN CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC ................................. 16 Mục Lục vii 2.2.1. Phƣơng pháp sinh học .............................................................................. 16 2.2.2. Phƣơng pháp sinh học loại bỏ nitrogen ..................................................... 21 2.3. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MBBR ..................................................... 27 2.3.1. Giới thiệu về công nghệ MBBR ................................................................ 27 2.3.2 Giá thể di động ............................................................................................. 28 2.3.3. Lớp màng biofilm ...................................................................................... 30 2.3.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR ............ 32 2.3.5. Ứng dụng công nghệ MBBR .................................................................... 34 2.5. NHỮNG THUẬN LỢI VÀ HẠN CHẾ CỦA CÔNG NGHỆ MBBR ................. 40 2.5.1. Thuận lợi ..................................................................................................... 40 2.5.2. Hạn chế ....................................................................................................... 40 2.4. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MBBR ........................ 40 2.4.1. Hệ thống xử lý nƣớc thải khu tự trị Sharjah .............................................. 40 2.4.2. Hệ thống xử lý nƣớc thải Siêu thị Coopmart Bà Rịa................................. 44 2.4.2. Hệ thống xử lý nƣớc thải Nhà máy bia Sapporo Việt Nam ...................... 46 2.4.3. Hệ thống xử lý nƣớc thải Nhà máy chế biến thủy sản Minh Phú – Hậu Giang ................................................................................................................... 50 CHƢƠNG 3 ................................................................................................................... 54 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..................................................................... 54 3.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 55 3.1.1. Nƣớc thải ................................................................................................... 55 3.1.2. Giá thể........................................................................................................ 55 3.2. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ............................................................................ 56 3.2.1. Thiết kế mô hình ........................................................................................ 56 3.2.2. Kích thƣớc trong mô hình ......................................................................... 58 3.2.3. Các chi tiết thiết bị trong mô hình ............................................................. 59 3.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................... 56 3.3.1. Thí nghiệm thích nghi trên giá thể K3 ...................................................... 57 Mục Lục viii 3.3.2. Thí nghiệm 1 .............................................................................................. 58 3.3.3. Thí nghiệm 2 .............................................................................................. 59 3.3.4. Thí nghiệm 3 .............................................................................................. 59 3.3.5. Thí nghiệm 4 .............................................................................................. 60 3.3.6. Thí nghiệm 5 .............................................................................................. 60 3.3.7. Thí nghiệm thích nghi, thí nghiệm 6; 7; 8; 9 ............................................. 61 3.4. QUY TRÌNH LẤY MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ..................... 62 3.4.1. Quy trình lấy mẫu ...................................................................................... 62 3.4.1. Phƣơng pháp phân tích .............................................................................. 62 CHƢƠNG 4 ................................................................................................................... 64 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ......................................................................................... 64 4.1. KẾT QUẢ VẬN HÀNH Ở GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI ............................... 65 4.1.1. Sự phát triển của lớp màng vi sinh trên giá thể K3 ................................... 65 4.1.2. Sự phát triển của lớp màng vi sinh trên giá thể F10 – 4 ............................ 68 4.2. KẾT QUẢ TRÊN MÔ HÌNH MBBR VỚI GIẢ THỂ K3 .............................. 71 4.2.1. So sánh hiệu quả xử lý COD, TN, TP và hàm lƣợng MLSS trên mô hình có tuần hoàn và không tuần hoàn nƣớc ở tải trọng OLR=1.5 KgCOD/m3.ngày .. 71 4.2.2. Đánh giá kết quả phân tích trên mô hình với giá thể K3 ........................... 74 4.3. KẾT QUẢ TRÊN MÔ HÌNH MBBR VỚI GIÁ THỂ F10-4 .............................. 79 4.2.1. Diễn biến của chỉ tiêu pH .......................................................................... 80 4.2.2. Diễn biến của chỉ tiêu DO ......................................................................... 80 4.2.3. Hiệu quả xử lý COD .................................................................................. 81 4.2.4. Hiệu quả xử lý TN, TP .............................................................................. 82 4.2.3. Diễn biến MLSS của màng vi sinh ............................................................ 83 4.4. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MBBR VÀO NÂNG CẤP HỆ THỐNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI NHÀ MÁY SABMILLER ....................... 86 4.4.1. Đánh giá kết quả phân tích với nƣớc thải lấy từ đầu ra của bể UASB ........ 86 4.4.2. Đề xuất phƣơng án nâng cấp Hệ thống xử lý nƣớc thải hiện tại ................. 90 KẾT LUÂṆ VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 92 Mục Lục ix TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 94 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................................... 96 PHẦN PHU ̣LUC̣ .......................................................................................................... 97 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ...................................................................... 97 PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU .......... 109 Danh Muc̣ ix DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Ngƣỡng giá trị chung của nƣớc thải trong công đoạn sản xuất bia ................ 8 Bảng 2.2. Đặc tính nƣớc thải một số nhà máy sản xuất bia. ........................................... 9 Bảng 2.3. Thông số nƣớc thải đầu vào hệ thống xử lý nƣớc thải Nhà máy bia Sabmiller ....................................................................................................................................... 13 Bảng 2.4. Một số giống vi khuẩn và chức năng của chúng ........................................... 18 Bảng 2.5. Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nƣớc .............................. 23 Bảng 2.6. Thông số các loại giá thể Anox Kaldnes....................................................... 28 Bảng 2.7. Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nƣớc .............................. 37 Bảng 2.8. So sánh thông số thiết kế của MBBR với các công nghệ khác ..................... 40 Bảng 2.9. Thông số thiêt kế cho hệ MBBR – keo tụ - tuyển nổi .................................. 41 Bảng 2.10. Thông số thiết kế hệ thống xử lý nƣớc thải Sharjah ................................... 42 Bảng 2.11. Kết quả thí nghiệm của hệ thống xử lý nƣớc thải khu tự trị Sharjah .......... 43 Bảng 3.1. Các thông số nƣớc thải đầu vào của mô hình ............................................... 55 Bảng 3.2. Thông số các loại giá thể sử dụng trong mô hình ........................................ 55 Bảng 3.3. Các thông số vận hành trong giai đoạn thích nghi ........................................ 57 Bảng 3.4. Các thông số vận hành ở thí nghiệm 1 .......................................................... 58 Bảng 3.5. Các thông số vận hành ở thí nghiệm 2 .......................................................... 59 Bảng 3.6. Các thông số vận hành ở thí nghiệm 3 .......................................................... 59 Bảng 3.7. Các thông số vận hành ở thí nghiệm 4 .......................................................... 60 Bảng 3.8. Các thông số vận hành ở thí nghiệm 5 .......................................................... 60 Bảng 3.9. Thời gian thực hiện mô hình trên giá thể F10 – 4 và tải trọng bề mặt.......... 61 Bảng 3.10. Diễn giải các vị trí lấy mẫu ......................................................................... 62 Bảng 3.11. Phƣơng pháp phân tích các chỉ tiêu ............................................................ 62 Bảng 4.1. Kết quả phân tích tại OLR=0.6KgCOD/m3.ngày trên giá thể K3 ................ 65 Bảng 4.2. Kết quả phân tích tại OLR=0.6KgCOD/m3.ngày trên giá thể F10-4 ............ 68 Bảng 4.3. So sánh kết quả vận hành mô hình MBBR trên hai loại giá thể ................... 85 Danh Muc̣ x DANH MUC̣ HÌNH Hình 2.1. Công nghệ sản xuất bia và các dòng thải. ....................................................... 7 Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc thải sản xuất bia điển hình. .............................. 10 Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc thải nhà máy bia Sabmiller. ............................. 14 Hình 2.4. Hệ thống xử lý nƣớc thải nhà máy bia Sabmiller. ......................................... 16 Hình 2.5. Sơ đồ đất ngập nƣớc kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang. ........................ 21 Hình 2.6. Sơ đồ đất ngập nƣớc kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng. .......................... 21 Hình 2.7. Sự chuyển hóa nitơ trong quá trình chuyển hóa sinh học. ............................ 22 Hình 2.8. Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR. ............................................................ 27 Hình 2.9. Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix-O. ......................... 29 Hình 2.10. Sự phát triển của lớp màng biofilm ở bên ngoài ít hơn bên trong............... 30 Hình 2.11. Mặt cắt lớp màng vi sinh trên giá thể K1. ................................................... 31 Hình 2.12. Nồng độ của chất nền theo chiều sâu lớp màng. ......................................... 32 Hình 2.13. Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể. .................................................. 33 Hình 2.14. Hệ MBBR khử hữu cơ và nitrogen.............................................................. 34 Hình 2.15. Các quy trình công nghệ tách sinh khối trong nƣớc sau khi qua MBBR. ... 35 Hình 2.16. Công nghệ MBBR xử lý hữu cơ. ................................................................. 36 Hình 2.17. Công nghệ MBBR để xử lý hữu cơ và phosphorus. .................................... 36 Hình 2.18. Quy trình xử lý BOD và chất dinh dƣỡng. .................................................. 38 Hình 2.19. AnoxKaldnes TM – bể MBBR độc lập. ......................................................... 38 Hình 2.20. Hybas TM – quy trình kết hợp. ..................................................................... 39 Hình 2.21. LagoonGuard TM – quy trình hồ sinh học. .................................................... 39 Hình 2.22. Bas TM – quy trình kết hợp. ........................................................................... 39 Hình 2.23. Hệ MBBR kết hợp keo tụ