›
›

Khóa luận Nghiên cứu xử lý dịch hèm sản xuất rượu - Hoàng Thị Thu Hằng

pdf 60 trang huongle 1000
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Nghiên cứu xử lý dịch hèm sản xuất rượu - Hoàng Thị Thu Hằng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_nghien_cuu_xu_ly_dich_hem_san_xuat_ruou_hoang_thi.pdf

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu xử lý dịch hèm sản xuất rượu - Hoàng Thị Thu Hằng

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2008 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH:KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên :HOÀNG THỊ THU HẰNG Giảng viên hƣớng dẫn:ThS TÔ THỊ LAN PHƢƠNG HẢI PHÒNG – 2013
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ DỊCH HÈM SẢN XUẤT RƢỢU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Sinh viên :Hoàng Thị Thu Hằng Giảng viên hƣớng dẫn:ThS Tô Thị Lan Phƣơng HẢI PHÒNG – 2013
  3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Hoàng Thị Thu Hằng Mã SV: 1353010022 Lớp: MT1301 Ngành: Kỹ Thuật Môi Trường Tên đề tài: Nghiên cứu xử lý dịch hèm sản xuất rượu
  4. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp.
  5. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ và tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hướng dẫn: Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ và tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp được giao ngày 25 tháng 03 năm 2013 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 29 tháng 06 năm 2013 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Hiệu trƣởng GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị
  6. PHẦN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: 2. Đánh giá chất lƣợng của khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu ): 3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn (ghi bằng cả số và chữ): Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Cán bộ hƣớng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên)
  7. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn giảng viên Tô Thị Lan Phương đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Em cũng xin chân thành cảm ơn tới các Thầy Cô trong ban lãnh đạo nhà trường, các thầy cô trong Bộ môn kỹ thuật Môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Vì khả năng và sự hiểu biết còn có hạn nên đề tài của em không tránh khỏi sự sai sót. Vậy em kính mong các Thầy Cô góp ý để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Hoàng Thị Thu Hằng
  8. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Biochemical oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa sinh học là BOD lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa học là lượng COD oxy cần thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ DO Oxy hòa tan H Hiệu suất xử lý (%) KHP Kali hydro phtalat KNL Kim loại nặng MT Môi trường SS Chất rắn dạng huyền phù, chất rắn lơ lửng T-N Tổng nitơ T-P Tổng phosphor TS Tổng chất rắn VSV Vi sinh vật
  9. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan về sản xuất rượu 3 1.1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ rượu trên thế giới 3 1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ rượu tại Việt Nam 4 1.2. Sản xuất rượu và các vấn đề liên quan 7 1.2.1 Quy trình sản xuất rượu truyền thống 7 1.2.2 Quy trình sản xuất rượu công nghiệp 9 1.2.3 Các vấn đề ô nhiễm MT do sản xuất rượu 13 1.3. Nước thải và cơ sở khoa học phương pháp xử lý yếm khí nước thải 13 1.3.1 Phân loại nước thải. 13 1.3.2. Các thông số đánh giá chất lượng nước. 14 1.3.3. Cơ sở khoa học phương pháp xử lý yếm khí. 20 CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1. Đối tượng nghiên cứu 25 2.2. Mục tiêu nghiên cứu 25 2.3. Nội dung nghiên cứu 25 2.4. Phương pháp nghiên cứu 25 2.4.1. Phương pháp lấy mẫu 25 2.4.2. Phương pháp phân tích COD 25 + 2.4.3. Phương pháp phân tích NH4 28 2.4.4.Phương pháp xác định pH 31 2.4.5. Phương pháp xử lý yếm khí nước thải 31
  10. CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Kết quả nghiên cứu đặc trưng của nước thải 36 3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu và hiệu suất của quá trình. 37 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH và hiệu suất của quá trình 40 3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng COD dòng vào 44 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48
  11. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Công nghệ sản xuất rượu thủ công truyền thống 7 Hình 1.2: Quy trình công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột 10 Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn đường chuẩn COD 28 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn đường chuẩn amoni 31 Hình 3.1: Đồ thi biểu diễn ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu suất xử lý COD 38 + Hình 3.2: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất xử lý NH4 40 Hình 3.4:Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý COD 41 + Hình 3.5: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý NH4 43 Hình 3.3: Ảnh hưởng của tải trọng COD tới hiệu suất xử lý 45
  12. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Mức tiêu thụ đồ uống có cồn của một số nước 4 Bảng 1.2: Doanh thu và doanh số các loại đồ uống có cồn tại Việt Nam 5 Bảng 1.3: Hiện trạng đầu tư vào ngành công nghiệp rượu ở việt nam [1] 6 Bảng2.1: Bảng thể tích các dung dịch sử dụng để xây dựng đường chuẩn COD 27 Bảng 2.2: Số liệu đường chuẩn COD 27 + Bảng 2.3: Bảng thể tích các dung dịch để xây dựng đường chuẩn NH4 : 30 + Bảng 2.4: Bảng kết quả xác định đường chuẩn NH4 : 30 Bảng 3.1: Đặc trưng dịch hèm rượu nghiên cứu: 36 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất xử lý COD: 37 + Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất xử lý NH4 39 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý COD 41 + Bảng 3.5: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý NH4 42 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của tải trọng COD tới hiệu suất xử lý COD 45
  13. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường MỞ ĐẦU Nền kinh tế nước ta đang trên đường hội nhập với nền kinh tế thế giới. Hiện nay nhà nước ta đang có chính sách khuyến khích nhiều ngành phát triển để cạnh tranh với các sản phẩm từ nước ngoài, trong đó có ngành bia rượu nước giải khát. Cùng với sự phát triển ngành bia rượu nước giải khát kéo theo một vấn đề báo động là ô nhiễm môi trường. Ngành bia rượu nước giải khát là ngành hoạt động rất hiệu quả, mỗi năm góp vào ngân sách nhà nước trên 3000 tỷ đồng[1], giải quyết cho 2 vạn người có việc làm ổn định trong các cơ sở sản xuất. Ngoài ra, còn hàng vạn người tham gia các dịch vụ cung ứng vật tư, dịch vụ tiêu thụ sản phẩm. Bên cạnh các thành tựu trên, sự phát triển nhanh và mạnh của ngành dẫn đến các hạn chế tiêu cực là sự phát triển tràn lan không theo quy hoạch, phát huy công suất thấp, đầu tư thua lỗ, sản phẩm chất lượng kém và đặc biệt là ô nhiễm môi trường. Ngành bia rượu nước giải khát là ngành có tải trọng ô nhiễm khá cao so với các ngành khác. Nguồn gây ô nhiễm chủ yếu là nước thải sinh ra sau quá trình sản xuất, đặc biệt là nước thải sau quá trình chưng cất (dịch hèm). Dịch hèm trong sản xuất rượu có COD ≈ 30000 – 45000 mg/l. Tuy nhiên, hầu hết các cơ sở sản xuất rượu tại Việt Nam chưa có hệ thống xử lý nước thải. Đây là nguyên nhân góp phần làm nghiêm trọng thêm mức độ ô nhiễm môi trường tiếp nhận. Nhằm góp phần cải thiện môi trường trong sạch hơn cùng với sự phát triển của ngành bia rượu nước giải khát, trong khóa luận này tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý dịch hèm sản xuất rượu”. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 1
  14. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Nội dung khóa luận bao gồm: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Chương 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 2
  15. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về sản xuất rƣợu 1.1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ rượu trên thế giới Rượu gắn liền với đời sống văn hóa, tâm linh, kinh tế, xã hội của mỗi cộng đồng. Sản xuất rượu trên thế giới có tốc độ tăng trưởng mạnh trong vài năm trở lại đây, do nhiều nguyên nhân khác nhau, nhưng chủ yếu do mức sống người dân tăng lên, tốc độ tăng dân số, tiến bộ của khoa học công nghệ làm cho chất lượng, sản lượng rượu tăng, giá thành hạ, do tập tính tiêu dùng thay đổi. Tổng sản lượng rượu trên thế giới năm 1998 là 32290 triệu lít, năm 2001 là 38050 triệu lít. Trong đó, hai loại rượu được tiêu thụ nhiều nhất là rượu vang và rượu mạnh. Các nước Châu Âu và Nam Mỹ luôn đứng đầu về sản xuất và tiêu thụ rượu. [4] - Rượu vang: Chỉ tính 28 nước có sản lượng rượu vang lớn – năm 1998 là 25 tỷ lít, đến năm 2001 đã tăng lên 29 tỷ lít. [4] - Rượu mạnh: Các nước có sản lượng rượu mạnh đứng đầu thế giới là Hoa Kỳ, năm 1986 đạt 1475 triệu lít; Liên Xô (cũ) năm 1992 đạt 1366 triệu lít; Vương quốc Anh năm 1990 là 1287 triệu lít; Nhật Bản năm 1992 đạt 613,5 triệu lít. [4] Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 3
  16. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Bảng 1.1: Mức tiêu thụ đồ uống có cồn của một số nước (Quy theo số gallon 100o/người/năm) Tên nƣớc Rƣợu vang Rƣợu mạnh 1999 2000 1999 2000 Pháp 8,24 8,25 2,95 2,96 Italia 7,2 7,18 0,58 0,58 Mỹ 0,15 0,14 1,32 1,34 Brazil 0,39 0,36 2,07 2,03 Chile 3,73 4,25 0,64 0,63 Nam Phi 3,62 5,04 3,81 3,41 Trung Quốc 0,08 0,09 3,80 4,04 Hàn Quốc 0,02 0,02 2,24 2,01 Nhật Bản 0,42 0,40 2,82 2,81 Thái Lan 0,01 0,01 12,67 12,45 1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ rượu tại Việt Nam a. Sơ lược sự phát triển ngành rượu Việt Nam Cũng giống như các quốc gia khác trên thế giới, người Việt Nam đã biết nấu rượu và uống rượu từ xa xưa. Đối với người Việt Nam, rượu ngoài là một dạng đồ uống thực phẩm còn là một vị thuốc chữa bệnh (rượu ngâm, rượu thuốc). Nguyên liệu nấu rượu tại Việt Nam thường là gạo, ngô, sắn và bánh men thuốc bắc cổ truyền. Ở một số vùng núi còn sử dụng các loại men từ lá cây với sản phẩm truyền thống là rượu Cần. Với công nghệ thủ công truyền thống, chúng ta cũng đã có một số sản phẩm rượu nổi tiếng như rượu làng Vân, Bàu Đá, Kim Sơn, rượu Cần Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 4
  17. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Triển vọng đối với ngành rượu của Việt Nam khá sáng sủa, có tốc độ tăng trưởng nhanh. Sản xuất rượu công nghiệp từ chỗ chỉ có nhà máy rượu Hà Nội và nhà máy rượu Bình Tây cách đây trên 100 năm, thì nay có 63 cơ sở sản xuất. Sản lượng rượu công nghiệp năm 1998 ước tính là 95 triệu lít/năm (theo niên giám thống kê 1998). Song phải kể đến lượng rượu dân tự nấu rất lớn, có tới trên 200 triệu lít/năm. Như vậy bình quân tiêu thụ rượu của Việt Nam lên tới 3,4 lít/người/năm. Người Việt Nam uống rượu vào loại nhiều so với các nước.[1] Bảng 1.2: Doanh thu và doanh số các loại đồ uống có cồn tại Việt Nam Năm 2010 2011 2012 Doanh thu Doanh thu đồ uống có 33.234.049 40.460.583 52.030.494 cồn (triệu đồng) Doanh thu đồ uống có 1.737 1.952 2.280 cồn (triệu USD) Doanh số đồ uống có 2.105 2.269 2.479 cồn (triệu lít) b. Các cơ sở sản xuất rượu.[1] Các cơ sở sản xuất rượu chủ yếu ở Việt Nam bao gồm: các công ty rượu quốc doanh, các doanh nghiệp rượu có vốn đầu tư nước ngoài, các cơ sở tư nhân và cổ phần, rượu ngoại nhập, rượu do dân tự nấu Nước ta hiện nay có 28 đơn vị sản xuất rượu quốc doanh nhưng do công nghệ thiết bị lạc hậu, không được đầu tư nâng cấp nên sản lượng hàng năm chỉ đạt khoảng 50 – 60% công suất thiết kế. Chất lượng sản phẩm của các doanh nghiệp này chỉ đạt mức trung bình và sản xuất theo thời vụ, chủ yếu vào dịp tết. Trong tổng số 63 cơ sở sản xuất rượu công nghiệp trên cả nước, có 8 doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài. Số vốn đầu tư của 8 doanh nghiệp này gấp 7 lần 28 doanh nghiệp quốc doanh trong nước và gấp 51 lần các Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 5
  18. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường doanh nghiệp tư nhân và cổ phần công. Theo thống kê số liệu năm 1998, cả nước có 2 doanh nghiệp sản xuất rượu có 100% vốn nước ngoài là: Rượu Sake – Công ty thực phẩm Huế (công suất thiết kế 0,5 triệu lít/năm, vốn đầu tư 64,4 tỷ đồng) và rượu Champargnen – Maxcova (công suất thiết kế 3,75 triệu lít/năm, vốn đầu tư 128,9 tỷ đồng). Tổng công suất của 6 doanh nghiệp liên doanh còn lại là 17,168 triệu lít/năm và tổng vốn đầu tư là 355,081 tỷ đồng. Số liệu thống kê của Bộ Công nghiệp cho thấy, cả nước có 27 cơ sở tư nhân và cổ phần tham gia sản xuất rượu. Hầu hết công suất của các cơ sở đều nhỏ hơn 1 triệu lít/năm, tổng công suất đạt 4,55 triệu lít/năm, tổng vốn đầu tư gần 7 tỷ đồng. Các cơ sở này chủ yếu hoạt động theo thời vụ, đặc biệt vào dịp tết đến. Ngoài các cơ sở sản xuất rượu công nghiệp trên phải kể đến các cơ sở sản xuất rượu thủ công do dân tự nấu ở các làng nghề hoặc hộ gia đình. Rượu do dân tự nấu có sản lượng thực tế lớn nhất, chiếm tới 91,7% lượng rượu tiêu thụ trên toàn quốc, tổng sản lượng ước tính khoảng 250 triệu lít/năm. Bảng 1.3: Hiện trạng đầu tư vào ngành công nghiệp rượu ở việt nam [1] TT Loại hình doanh Vốn đầu tư Nộp ngân sách Số đơn vị nghiệp (triệu đồng) (tỷ đồng) 1 Rượu quốc doanh 28 1.802 22,115 (TW và địa phương) 2 DN vốn đầu tư nước 8 355.081 1,146 ngoài 3 DN tư nhân và cổ 27 6.952 0,250 phần 4 Dân tự nấu - - 231.505 Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 6
  19. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường 1.2. Sản xuất rƣợu và các vấn đề liên quan 1.2.1 Quy trình sản xuất rượu truyền thống Từ xưa cho tới nay, rượu sản xuất theo phương pháp thủ công truyền thống vẫn chiếm số lượng lớn trong tiêu dùng sản phẩm rượu ở Việt nam. Dưới đây là công nghệ sản xuất rượu theo phương pháp thủ công: Gạo Nước Nấu chín Để nguội Trộn bánh men Lên men Dịch hèm rượu Chưng cất (bỗng rượu) Rượu gạo Hình 1.1: Công nghệ sản xuất rượu thủ công truyền thống Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 7
  20. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Thuyết minh công nghệ sản xuất rượu: a. Nấu chín: Gạo nguyên liệu được ngâm nhằm rửa sạch chất bẩn bám bên ngoài hạt, đồng thời làm cho hạt gạo mềm, trương nở giúp dễ dàng cho quá trình nấu. Sau đó gạo được để ráo và được cho vào nồi, thêm nước và nấu chín. Lượng nước cho vào được tính toán sao cho cơm sau khi nấu không được quá nhão hoặc quá khô. Tỷ lệ gạo nước là 1:1 theo thể tích. Mục đích của việc làm chín hạt gạo là hồ hóa tinh bột gạo, giúp cho vi sinh vật dễ sử dụng tinh bột này để lên men rượu. b. Làm nguội: Cơm sau khi nấu chín được trải đều trên một bề mặt phẳng để làm nguội đến nhiệt độ thích hợp (khoảng 35 – 40oC) cho việc trộn bánh men rượu. Bánh men rượu được trộn vào bằng cách bóp nhỏ, rắc đều trên bề mặt lớp cơm với tỷ lệ thích hợp tùy theo hướng dẫn trên từng loại men. Sau đó cho tất cả vào khạp lớn, đậy nắp để bắt đầu quá trình lên men rượu. c. Lên men: Lên men rượu là quá trình lên men yếm khí (không có mặt oxy) diễn ra rất phức tạp, bao gồm các quá trình sinh hóa học và các quá trình vi sinh vật. Quá trình lên men diễn ra ở nhiệt độ thường, trong khoảng thời gian này có 3 quá trình diễn ra song song với những mức độ khác nhau. Trước tiên là quá trình tăng sinh khối nấm men. Quá trình đường hóa có sự phân cắt tinh bột thành đường nhờ men amylase và glucoamylase trong nấm mốc. Đường vừa tạo ra trở thành thức ăn để nấm men thực hiện quá trình lên men rượu. Sau 2 ngày đầu lên men, có thể bổ sung nước vào khối lên men với tỷ lệ nước : cơm khoảng 3 : 1, sau đó đậy nắp và tiếp tục lên men khoảng 3 ngày nữa. d. Chưng cất: Khi quá trình lên men kết thúc, ta tiến hành chưng cất để thu được rượu thành phẩm. Quá trình chưng cất rượu nhằm tách hỗn hợp rượu và nước có nhiệt độ sôi khác nhau. Ở áp suất thường, rượu sôi và bốc hơi ở 78oC, còn nước ở 100oC. Khi chưng cất rượu được tách ra khỏi nước nhờ bay hơi dễ hơn nước. Quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách đun sôi hỗn hợp lên men, hơi bay lên được dẫn qua ống dẫn và được làm lạnh bằng cách cho qua bồn nước để ngưng tụ rượu. Dung dịch rượu thu được trong suốt có mùi thơm đặc trưng Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 8
  21. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường và nồng độ rượu sẽ giảm dần theo thời gian chưng cất. Dung dịch còn lại là dịch hèm rượu gồm nước và bã rượu, được dùng trong chăn nuôi hoặc thải ra môi trường. 1.2.2 Quy trình sản xuất rượu công nghiệp Trong sản xuất rượu quy mô công nghiệp, có nhiều dây chuyền sản xuất rượu khác nhau tùy vào từng loại sản phẩm và nguồn nguyên liệu, ví dụ: rượu mùi, rượu hoa quả, cồn – rượu từ tinh bột hoặc rỉ đường. Sau đây là dây chuyền sản xuất cồn – rượu từ tinh bột: a. Sơ đồ công nghệ: Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 9
  22. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Nguyên liệu chứa tinh bột Tháp làm lạnh nước tuần hoàn Nghiền Nước lạnh Hòa trộn và ngâm trương nở Nấu và dịch hóa Nấu và dịch hóa Làm mát Đường hóa Làm mát Lên men Tháp chưng thô Tháp tách aldehyt Tháp tinh chế Cồn sản phẩm Hình 1.2: Quy trình công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 10
  23. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường b. Thuyết minh công nghệ: - Chuẩn bị nguyên liệu và nấu bột: Nguyên liệu chứa tinh bột (gạo, ngô, sắn, khoai ) được nghiền mịn thành bột sau đó hòa trộn với nước theo tỷ lệ 1 bột: 4 nước, khuấy đảo và ngâm trương nở trong 30 phuát. Dịch bột được bơm sang nồi nấu có cánh khuấy. Dịch bột được bổ sung enzyme dịch hóa để tránh vón cục, khê khét. Quá trình hồ hóa thực hiện gián đoạn theo mẻ. Mỗi mẻ nấu thường là 2800kg bột với 11.200 lít nước và bổ sung 610ml chế phẩm enzyme termamyl. Quá trình nấu được cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi quá nhiệt. Quá trình nấu gồm 3 giai đoạn: đầu tiên, tăng nhanh nhiệt độ nồi nấu lên 50 – 60oC để hồ hóa tinh bột. Sau 2 giờ, nhiệt độ đạt 90oC, đóng om trong 30 phút để dịch hóa dưới tác dụng của termamyl. Tiếp tục nâng nhiệt độ cho tới khi dung dịch sôi, duy trì nhiệt độ 100oC khoảng 30 phút để dịch bột chín hoàn toàn. Trong quá trình nấu, khi dịch hồ hóa sôi phải mở hé van để dịch không tràn ra ngoài. - Đường hóa: Sau khi nấu, tinh bột đã được hồ hóa tạo dextrin nhưng chưa thể lên men trực tiếp thành rượu. Dịch nấu được chuyển sang nồi đường hóa để thủy phân thành đường. Quá trình đường hóa được xúc tác bởi chế phẩm enzyme sansuper với tỷ lệ 1,07 lít cho một mẻ nấu 2800kg bột sắn. Để chống nhiễm khuẩn, người ta thường Florsilicat (Na2SiF6) với tỷ lệ 0,05‰. Quá trình đường hóa đóng vai trò quyết định trong công nghệ sản xuất cồn, nó quyết định hiệu suất thu hồi rượu do gia tăng độ đường và hạn chế tối đa lượng tinh bột sót sau lên men. Để đường hóa, hạ nhiệt độ dịch nấu xuống còn khoảng 55oC tạo điều kiện tốt cho phản ứng thủy phân tinh bột thành đường. Giữ nhiệt độ môi trường trong 30 phút, kiểm tra hàm lượng đường ≥ 30g/l, hàm lượng axit 0,44 – 0,68g/l. Sau đó mở nước dội nguội, hạ nhiệt độ xuống còn 36 – 37oC, bổ sung urê với tỷ lệ 2 – 5 ‰ rồi chuyển sang thùng lên men. - Lên men: Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 11
  24. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Dịch sau quá trình đường hóa được bơm sang thùng lên men. Dưới tác dụng của nấm men, dung dịch đường hóa sẽ được lên men thành rượu và khí CO2 cùng các sản phẩm trung gian khác. Hỗn hợp thu được gồm rượu, nước, bã gọi là dấm chín. Quá trình lên men được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ 30 – 32oC trong khoảng 72 – 80 giờ, pH = 4,5 – 5. Thùng lên men có dạng hình trụ, dung tích 20m3 và có cánh khuấy giúp tăng cường quá trình lên men. Lượng men khô sử dụng khoảng 1,4kg men khô/thùng. Sau khi lên men từ 20 – 40 giờ có khoảng 80% đường chuyển hóa thành rượu. Quá trình lên men tạo nhiều khí CO2 do đó cần phải thu hồi tránh nổ thùng do áp suất cao. 64 giờ sau khi lên men, đường sẽ được chuyển hóa thành rượu, kiểm tra độ đường sót nếu đạt yêu cầu. - Chưng cất và tinh chế cồn: Chưng cất là quá trình tách rượu và các hợp chất dễ bay hơi khỏi dấm chín, sản phẩm thu được là rượu thô và cồn thô. Tạp chất trong cồn thô bao gồm aldehyt, rượu bậc cao, este, axit hữu cơ Tạp chất trong dấm chín gồm rượu, tinh bột sót, protit, axit hữu cơ Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các hợp chất khỏi cồn thoovaf nâng cao nồng độ cồn. Sản phẩm thu được là cồn tinh chế hay cồn thực phẩm có nồng độ cao 95,5 – 96,5% thể chất và chứa ít tạp chất. Hàm lượng các tạp chất không vượt quá 0,5% so với lượng cồn etylic. Cồn tinh chế trong suốt, không màu, có mùi đặc trưng, không có mùi lạ. Quá trình chưng cất và tinh chế cồn được thực hiện trong hệ thống gồm 3 tháp: tháp chưng thô, tháp tách aldehyt và tháp tinh chế. Tại tháp chưng thô, etanol và các chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ được tách khỏi dấm chín do có nhiệt độ sôi thấp hơn nước và bã. Dịch ra khỏi tháp chưng thô gồm nước và bã rượu – gọi là dịch hèm. Sản phẩm thu được là cồn thô được đưa sang tháp tách andehyt. Tại tháp tách aldehyt, các tạp chất như aldehyt, este , cồn đầu sẽ tiếp tục được loại khỏi cồn thô. Cồn thu được vẫn còn lẫn dầu fusel – là các rượu Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 12
  25. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường cao phân tử sẽ được tách tiếp tại tháp tinh chế. Sản phẩm ra khỏi tháp tinh chế là cồn tinh chế hay còn gọi là cồn thực phẩm. Nồng độ cồn sau khi tinh chế đạt 96 – 96,5% thể tích. 1.2.3 Các vấn đề ô nhiễm MT do sản xuất rượu a. Nước thải Nước thải ra trong quá trình sản xuất rượu chủ yếu là ở khâu ngâm gạo, bã rượu, nước làm mát của quá trình chưng cất. Nước thải gây ra ô nhiễm chủ yếu là dịch hèm rượu (bỗng rượu), nước thải này có COD ≈ 45000 mg/l, pH ≈ 5 – 6, lượng nước này chứa rất nhiều tinh bột của bã rượu và các tạp chất khác, ngoài ra nó còn có mùi chua. b. Khí thải Bụi, nhiệt độ, khí thải( CO, CO2,NOx, SO2 ) do quá trình nấu và chưng cất chủ yếu sử dụng nguyên liệu than. c. Chất thải rắn Chất thải rắn phát sinh trong quá trình sản xuất rượu chủ yếu là xỉ than trong quá trình luộc chín, nguyên liệu thất thoát trong quá trình sản xuất và các loại bao bì sử dụng cho sản phẩm. 1.3. Nƣớc thải và cơ sở khoa học xử lý yếm khí nƣớc thải. [9,10] 1.3.1 Phân loại nước thải. a. Định nghĩa: Hiến chương Châu Âu đã định nghĩa nước ô nhiễm như sau: “Ô nhiễm nước là sự biến đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm cho con người, cho công nghiệp, cho nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã”. Theo tiêu chuẩn Việt Nam 5980 – 1995 và ISO 6107/1-1980: “Nước thải là nước đã được thải ra sau khi đã sử dụng hoặc được tạo ra trong một quá trình công nghệ và không còn giá trị trực tiếp đối với quá trình đó”. Người ta còn định nghĩa nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 13
  26. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường b.Phân loại nước thải: + Nước thải sinh hoạt: nước thải sinh hoạt là nước thải được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt như tắm giặt, vệ sinh cá nhân được thải ra từ các trường học, bện viện, cơ quan, hộ gia đình, trung tâm thương mại + Nước thải công nghiệp: nước thải công nghiệp là nước thải được sinh ra trong quá trình sản xuất công nghiệp tại các nhà máy, xí nghiệp, xưởng sản xuất công nghiệp. + Nước thải bệnh viện: là nước thải phát sinh từ các bệnh viện, trung tâm y tế, phòng khám bệnh + Nước mưa: là nước mưa chảy tràn, thường được thu gom bằng hệ thống riêng. + Nước thải đô thị: là hỗn hợp các loại nước thải trên chảy trong hệ thong thoát nước chung trong khu vực đô thị. 1.3.2. Các thông số đánh giá chất lượng nước.[2,6] a. Chỉ tiêu vật lý Độ pH Giá trị pH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý. Giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý nước theo phương pháp thích hợp, hoặc điều chỉnh lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý nước. Các công trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học hoạt động ở pH nằm trong giới hạn từ 6,5 đến 9,0. Môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩn phát triển thường có pH từ 7 – 8. Các nhóm vi khuẩn khác nhau có giới hạn pH hoạt động khác nhau. Ví dụ: vi khuẩn nitrit phát triển thuận lợi nhất với pH từ 4,8 – 8,8; còn vi khuẩn nitrat với pH từ 6,5 – 9,3. Vi khuẩn lưu huỳnh có thể tồn tại trong môi trường có pH từ 1 – 4. Ngoài ra pH còn ảnh hưởng đến khả năng tạo bông cặn của quá trình keo tụ sử dụng phèn nhôm. Nhiệt độ Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học do quần thể vi sinh vật hoạt động, mỗi nhóm vi sinh vật sẽ sinh trưởng và phát triển tốt ở miền nhiệt độ thích hợp. Nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật metal là khoảng từ 35 – 55oC. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 14
  27. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Dưới 10oC các chủng này hoạt động rất kém. Về mùa hè với nhiệt độ cao các vi sinh vật hoạt động mạnh hơn do đó quá trình xử lý cũng tốt hơn. Về mùa đông nhiệt độ giảm xuống thấp, các vi sinh vật bị ức chế hoạt động do đó hiệu suất xử lý thấp (78,3%) hơn nhiều so với mùa hè (92,8%). Trong hệ thống xử lý nước thải công suất lớn có thể sử dụng khí CH4 để gia nhiệt dòng nước thải đầu vào, làm tăng nhiệt độ môi trường vào mùa đông làm hiệu suất xử lý sẽ tốt hơn. Trong khoảng nhiệt độ 40 – 55oC, hiệu suất xử lý sẽ cao hơn rất nhiều so với ở nhiệt độ thường. Màu sắc Nước nguyên chất không có màu. Màu sắc gây nên bởi các tạp chất trong nước (thường là do chất hữu cơ: chất mùn hữu cơ – acid humic), một số ion vô cơ (sắt, crom ), một số loài thủy sinh vật Màu sắc mang tính chất cảm quan và gây nên ấn tượng tâm lý cho người sử dụng. Độ màu thường được so sánh với dung dịch chuẩn trong ống Nesler, thường dùng là dung dịch K2PtC16 + CaCl2 (1mg K2PtC16 tương đương với 1 đơn vị chuẩn màu). Độ màu của mẫu nước nghiên cứu được so sánh với dãy dung dịch chuẩn bằng bằng phương pháp trắc quang. Độ đục Nước tự nhiên sạch thường không chứa những chất rắn lơ lửng nên trong suốt và không màu. Độ đục do chất rắn lơ lửng gây ra. Những hạt vật chất gây đục thường hấp thụ các kim loại nặng cùng các vi sinh vật gây bệnh. Nước đục còn ngăn cản quá trình chiếu sáng của mặt trời xuống đáy làm giảm quá trình quang hợp và nồng độ oxy hòa tan trong nước. Tổng hàm lượng chất rắn (TS) Các chất rắn trong nước có thể là những chất tan hoặc không tan. Các chất này bao gồm cả các chất vô cơ lẫn các chất hữu cơ. Tổng hàm lượng các chất rắn (TS: Total Solids) là lượng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi (đơn vị tính bằng mg/l). Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 15
  28. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Các chất rắn lơ lửng (các chất huyền phù) là những chất rắn không tan trong nước. Hàm lượng các chất lơ lửng (SS: Suspended Solids) là lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/l. Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (DS) Các chất rắn hòa tan là những chất tan được trong nước, bao gồm cả chất vô cơ lẫn chất hữu cơ. Hàm lượng các chất hòa tan (DS: Dissolved Solids) là lượng khô của phần dung dịch qua lọc khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc có giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/l. DS=TS – SS. Tổng hàm lượng các chất dễ bay hơi (VS) Để đánh giá hàm lượng các chất hữu cơ có trong mẫu nước, người ta còn sử dụng các khái niệm tổng hàm lượng các chất không tan dễ bay hơi (VSS: Volatile Suspended Solids), tổng hàm lượng các chất hòa tan dễ bay hơi (VDS: Volatile Disolved Solids). Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù (SS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được quy định trong một khoảng thời gian nhất định). Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VDS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được quy định trong một khoảng thời gian nhất định). b.Các chỉ tiêu hóa học Độ kiềm toàn phần - Độ kiềm toàn phần (Alkalinity) là tổng hàm lượng các ion HCO3 , 2- - CO3 , OH có trong nước. Độ kiềm trong nước tự nhiên thường gây nên bởi các muối của acids yếu, đặc biệt là các muối carbonat và bicarbonate. Độ kiềm cũng có thể gây nên bởi sự hiện diện của các ion silicat, borat, phosphat và một số acid hoặc bazơ hữu cơ trong nước, nhưng hàm lượng - 2-, - của những ion này thường rất ít so với các ion HCO3 , CO3 OH nên thường được bỏ qua. Khái niệm về độ kiềm (alkalinity – khả năng trung hòa acid) và Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 16
  29. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường độ acid (acidity – khả năng trung hòa bazơ) là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá động thái hóa học của một nguồn nước vốn luôn luôn chứa carbon dioxid và các muối carbonat. Độ cứng của nước Độ cứng của nước gây nên bởi các ion đa hóa trị có mặt trong nước. Chúng phản ứng với một số anion tạo thành kết tủa. Các ion hóa trị 1 không gây nên độ cứng của nước. Trên thực tế vì các ion Ca2+ và Mg2+ chiếm hàm lượng chủ yếu trong các ion đa hóa trị nên độ cứng của nước xem như là tổng hàm lượng của các ion Ca2+ và Mg2+. Đơn vị đo độ cứng được dùng khác nhau ở nhiều nước. Độ cứng Đức 1dH= 10 mg CaO/l Độ cứng Anh 1eH= 10 mg CaCO3/0,7l Độ cứng Pháp 1fH= 10 mg CaCO3/l Một đơn vị khác cũng hay được dùng để đánh giá độ cứng là ppm(Parts Per Million). 1dH= 17 ppm Hàm lượng oxygen hòa tan (DO) Hàm lượng oxi hòa tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước thải vì oxi không thể thiếu được với các quá trình sống. Oxi duy trì quá trình trao đổi chất sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Khi thải các chất thải vào các nguồn nước quá trình oxi hóa chúng sẽ làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong các nguồn nước này thậm chí có thể đe dọa sự sống của các loại cá cũng như các vi sinh vật trong nước. Việc xác định thông số về hàm lượng oxy hòa tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện hiếu khí trong quá trình xử lý nước thải. Mặt khác lượng oxy hòa tan còn là cơ sở của phép phân tích xác định nhu cầu oxy sinh hóa. Có hai phương pháp xác định DO là phương pháp Winkler và phương pháp điện cực oxy. Nhu cầu oxygen hóa học (COD) Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 17
  30. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Nhu cầu oxy hóa học COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và H2O bằng tác nhân oxy hóa mạnh. Trong thực tế COD được dùng rộng rãi để đánh giá mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có trong nước (do việc xác định chỉ số này nhanh hơn so với việc xác định BOD). Chỉ số COD được xác định bằng cách dùng một chất oxy hóa mạnh trong môi trường axit để oxy hóa chất hữu cơ. 2- + 3 Chất hữu cơ + Cr2O7 + H CO2 + H2O + Cr Sau đó đem đo mật độ quang của dung dịch phản ứng trên dựa vào đường chuẩn để xác định giá trị COD. Vì chỉ số COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không bị oxy hoá bởi vi sinh vật nên giá trị COD bao giờ cũng cao hơn giá trị BOD. Nhu cầu oxygen sinh học (BOD) Nhu cầu oxy sinh hóa BOD là lượng oxy cần thiết mà vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước. Đơn vị tính theo mg/l. Phương trình tổng quát của quá trình này có thể biểu diễn như sau: Vi sinh vật Chất hữu cơ + O2 CO2 +H2O +Sinh khối Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước. Chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học trong nước ô nhiễm càng lớn. Trong thực tế khó có thể xác định được toàn bộ lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ trong nước mà chỉ xác định được lượng oxy cần thiết trong 5 ngày ở nhiệt độ 20°C trong bóng tối. Mức độ oxy hóa các chất hữu cơ không đều theo thời gian. Thời gian đầu, quá trình oxy hóa xảy ra với cường độ mạnh hơn và sau đó giảm dần. Tổng nitơ Các hợp chất chứa nitơ trong nước thải thường là các hợp chất protein + - - và các sản phẩm phân huỷ: NH4 , NO3 , NO2 . Trong nước thải cần có một lượng nitơ thích hợp, mối quan hệ giữa BOD5 với N và P có ảnh hưởng rất lớn Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 18
  31. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường đến sự hình thành và khả năng oxi hoá của bùn hoạt tính. Chỉ tiêu hàm lượng nitơ trong nước cũng được xem như các chất chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nước vì NH3 tự do là sản phẩm phân huỷ các chất chứa protein, nghĩa là ở điều kiện hiếm khí xảy ra quá trình oxi hoá theo trình tự sau: Tổng nitơ là tổng các hàm lượng nitơ hữu cơ, amoniac, nitrit, nitrat. Hàm lượng nitơ hữu cơ được xác định bằng phương pháp Kendal. Tổng nitơ Kendal là tổng nitơ hữu cơ và nitơ amoniac. Chỉ tiêu amoniac thường xác định bằng phương pháp so màu hoặc chuẩn độ còn nitrit và nitrat được xác định bằng phương pháp so màu. Để xác định tổng nitơ theo phương pháp Kendal người ta phá mẫu bằng axit H2SO4 đặc nóng, khi đó các dạng nitơ hữu cơ chuyển về dạng ion NH 4 . + Sau đó đưa pH của dung dịch lên cao để NH4 chuyển thành NH3 sau đó NH3 được cất tách ra và xác định bằng cách chuẩn độ. Tổng hàm lượng phospho Ngày nay người ta quan tâm đến việc kiểm soát hàm lượng các hợp chất chứa photpho trong nước bề mặt, nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp vì nguyên tố này là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự phát triển bùng nổ của tảo ở một số nguồn nước mặt (hiện tượng phú dưỡng). Chỉ tiêu này có ý nghĩa quan trọng để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ ăn mòn và xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Vì photpho nằm ở các dạng khác nhau như photpho hữu cơ, photphat, pyrophotphat, ortho photphat nên cần 3- chuyển tất cả các dạng này về dạng ortho photphat PO4 bằng cách vô cơ hóa 3 mẫu nước. Sau đó xác định PO4 bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử là Amoni Molipdat trong môi trường axit mạnh. 3- + + PO4 + 12 (NH4)2MoO4 + 24 H (NH4)3PO4.12MoC)3 + 21NH4 +12 H2O Hàm lượng sunfat Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 19
  32. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Ion sunphat thường có trong nước cấp sinh hoạt cũng như trong nước thải. Lưu huỳnh cũng là nguyên tố cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp protein và được giải phóng ra trong quá trình phân huỷ chúng. Sunphat bị phân hủy kỵ khí theo phản ứng sau: 2 Vikhuankikhi 2- Chất hữu cơ + SO4 S H2O CO 2 2 S 2H H2S Khi hiđrosunphua được giải phóng vào không khí một phần khí này tích tụ tại các hốc bề mặt nhấm của ống dẫn và có thể bị oxi hoá sinh học tạo thành axit sunphuric làm ăn mòn các ống dẫn. Mặt khác khí hidrosunphua còn gây ra mùi khó chịu và độc hại cho con người ở nơi xử lý. c. Chỉ tiêu vi sinh của nước. Trong nước thải thường có rất nhiều loại vi khuẩn có hại, chúng là các vi trùng từ nguồn nước thải sinh hoạt, đặc biệt là nước thải bệnh viện. Trong đó vi khuẩn E-coli là loại vi khuẩn đặc trưng cho sự nhiễm trùng nước. Chỉ số E-coli chính là số lượng vi khuẩn này có trong 100 ml nước. Ước tính mỗi ngày mỗi người bài tiết khoảng 2.1011 E-coli. Theo tiêu chuẩn WHO nguồn nước cấp cho sinh hoạt có chỉ số E-eoli ≤ 10 E-coli/100 ml nước, ở Việt Nam chỉ số này là 20 E-coli/l00ml nước. 1.3.3. Cơ sở khoa học phương pháp xử lý yếm khí. [10,11] Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễu đơn giản như sau: Vi sinh vật Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn: - Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử - Giai đoạn 2: axit hóa - Giai đoạn 3: axetat hóa Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 20
  33. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường - Giai đoạn 4: metan hóa. Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, cacbohydrat, cellulo, lignin, trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành axit amin, cacbohydrat thành đường đơn, và chất béo thành các axit béo. Trong giai đoạn axit hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành các axit béo dễ bay hơi chủ yếu là axit axetic, axit propionic và axit lactic. Sau đó các axit này được oxi hóa thành axit axetic, H2, CO2. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch cacbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa metan chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, format, axetat, methanol, methylamin, và CO. Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành: - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên. (Upflower Anaerobic Slugde Blanket) - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process). Ưu điểm: - Quá trình phân hủy yếm khí dùng CO2 có sẵn như một tác nhân nhận điện tử làm nguồn oxy của nó. - Quá trình phân hủy yếm khí tạo ra lượng bùn thấp hơn (từ 3 đến 20 lần so với quá trình hiếu khí), vì năng lượng do vi khuẩn yếm khí tạo ra tương đối thấp. Hầu hết năng lượng rút ra từ sự phân hủy chất nền là từ sản phẩm cuối cùng đó là CH4. - Quá trình phân hủy yếm khí tạo ra một loại khí có ích đó là metan. Chất khí này có chứa 90% năng lượng, có thể dùng để đốt tại chỗ cho các lò phân hủy chất thải, hay dùng để sản xuất điện năng. Khoảng 3 - 5% bị thải bỏ Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 21
  34. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường dưới hình thức nhiệt. Việc tạo ra metan góp phần làm giảm BOD (nhu cầu oxy sinh hóa) trong bùn đã bị phân hủy. - Năng lượng cần cho xử lý nước thải cũng giảm. - Sự phân hủy yếm khí thích hợp cho chất thải có nồng độ ô nhiễm cao. Nhược điểm: - Quá trình này xảy ra chậm hơn quá trình hiếu khí. - Rất nhạy với chất độc. - Đòi hỏi một thời gian dài để khởi đầu qúa trình này. - Vì được coi là phân hủy sinh học các hợp chất qua một quá trình đồng trao đổi chất, quá trình phân hủy yếm khí đòi hỏi nồng độ chất nền ban đầu cao. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý yếm khí [11] + Điều kiện yếm khí Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vi sinh vật tạo khí vi sinh vật trong hầm ủ rất nhạy cảm với oxy, nếu hầm ủ có oxi thì hoạt động của vi sinh vật yếm khí yếu hay ngừng hẳn. + Nhiệt độ Nhiệt độ là yếu tố điều tiết của quá trình. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này là 35oC. Như vậy quá trình có thể thực hiện ở điều kiện ấm 30 – 35oC hoặc nóng 50 – 55oC. Khi nhiệt độ dưới 10oC, vi khuẩn tạo metan hầu như không hoạt động. + Thời gian ủ Thời gian ủ của nước thải tùy thuộc vào tính chất và điều kiện môi trường của nó, phải đủ lâu để các vi khuẩn yếm khí thực hiện việc trao đổi chất trong bồn phân hủy. + Độ pH pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 22
  35. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường khí metan. Vi khuẩn sinh khí metan thích hợp ở pH= 6,5 – 7,5. Khi pH lớn hơn 8 hay nhỏ hơn 6 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm nhanh. + Chất độc Rất nhiều loại chất độc ảnh hưởng đến về sự hoạt động trong một hệ thống phân hủy yếm khí. Sự ngăn cản việc tạo ra khí metan biểu hiện bằng lượng metan tạo ra giảm và nồng độ axít dễ bay hơi tăng. + Độ ẩm Độ ẩm đạt 91,5 – 96% thì thích hợp cho vi khuẩn sinh metan phát triển, độ ẩm lớn hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ có giảm, sản lượng khí sinh ra thấp. + Thành phần dinh dưỡng Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn. Thành phần chủ yếu của nguyên liệu phải cấp là N và C: với cacbon ở dạng là cacbohydrat, còn nitơ ở dạng nitrat, protein, amoniac. Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên liệu C và N cần phải đảm bảo tỉ lệ tương ứng C/N. Tỉ lệ thích hợp sẽ đảm bảo cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống của vi sinh vật kỵ khí, trong đó C sẽ tạo năng lượng còn N sẽ tạo cơ cấu của tế bào. Nhiều thí nghiệm cho thấy với tỉ lệ C/N là 25/1 – 30/1 thì sự phân hủy kỵ khí xảy ra tốt. + Vi sinh vật Vi sinh vật có vai trò rất quan trọng trong môi trường yếm khí. - Giai đoạn thủy phân và giai đoạn lên men axit hữu cơ, tác nhân sinh học phụ thuộc vào bản chất chất hữu cơ bị phân hủy, có thể là các vi khuẩn hô hấp yếm khí hoặc tùy tiện.  Môi trường giàu tinh bột: Bacillus, Micrococcus  Môi trường giàu xenlulo: Bacterioides  Môi trường giàu pectin: Clotridium  Môi trường giàu protein: Bacillus, Proteus, Clostridium  Môi trường giàu lipit: Pseudomonas, Bacterioides, Bacillus, Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 23
  36. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Alcaligenes - Giai đoạn metan hóa: tùy theo nhiệt độ môi trường có thể chia thành 2 nhóm ưa ấm (Mesophyl) và ưa nóng (Thermophyl).  Nhóm vi khuẩn ưa ấm (Mesophyl): ví dụ Mthanococcus, Methanobacterium, Methanosarcina hoạt động ở vùng nhiệt độ 35 – 37oC, pH = 6,6 – 7,5.  Nhóm vi khuẩn ưa nóng: ví dụ Methanobacillus, Methanospirillium, Methanothrix hoạt động ở vùng nhiệt độ 55 - 66oC. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 24
  37. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là dịch hèm rượu được thải ra trong quá trình sản xuất rượu của cơ sở sản xuất rượu tư nhân ở Đồ Sơn – Hải Phòng. 2.2. Mục tiêu nghiên cứu Xử lý dịch hèm rượu bằng thiết bị UASB và lọc xuôi chiều đạt yêu cầu cho khâu xử lý bằng Aroten tiếp theo. 2.3. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát đặc trưng dịch hèm rượu. - Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu, pH, tải lượng COD dòng vào tới hiệu quả xử lý của quá trình. 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.4.1. Phương pháp lấy mẫu - Dụng cụ lấy mẫu: can nhựa dung tích 5 lít – 10 lít - Phương pháp lấy mẫu: + Lấy dịch hèm rượu từ dụng cụ chứa bã rượu sau quá trình chưng cất của cơ sở sản xuất rượu. + Tráng rửa thiết bị lấy mẫu bằng nước thường và dung dịch hèm rượu. 2.4.2. Phương pháp phân tích COD Xác định COD bằng phương pháp kali dicromat. a.Nguyên tắc Oxi hoá các chất hữu cơ bằng dung dịch K2Cr2O7 dư trong môi trường o axit (có Ag2SO4 xúc tác) bằng cách đun trong lò phản ứng COD ở 150 C. Nồng độ COD được xác định bằng cách đo quang ở bước sóng 600nm. b.Thiết bị - Bộ máy phá huỷ mẫu ở to = 150oC - Máy so màu DR/4000, ( HACH ) - Cân phân tích Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 25
  38. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường c.Hóa chất - Kali dicromat (K2Cr2O7) - Bạc sunfat (Ag2SO4) - Thuỷ ngân sunfat (HgSO4) - Axit sunfuric đậm đặc (H2SO4) - Kali hydro phtalat (KHP)_ chất chuẩn. d.Dụng cụ - Bình định mức 1000ml. - Ống phá huỷ mẫu - Pipet có vạch chia 2, 5,10, 20ml. - Phễu lọc, giấy lọc - Bình tam giác 250ml e.Dung dịch - Dung dịch axit sunfuric: Cân 5,5g Ag2SO4 hòa tan trong 1kg H2SO4 (cần từ 1 đến 2 ngày cho sự hoà tan hoàn toàn)- dung dịch 1. - Dung dịch K2Cr2O7: cân 10,216g K2Cr2O7; 33,3g HgSO4 và 167ml H2SO4 hoà tan và định mức tới 1000ml (dung dịch hoà tan)- dung dịch 2. - Dung dịch KHP 1000ppm chuẩn. Cân 0,425g KHP hoà tan và định mức 1000ml (dung dịch này có COD= 500mg/l)- dung dịch 3. g.Lập đường chuẩn COD Để tiến hành lập đường chuẩn COD ta tiến hành thí nghiệm như sau: - Cho vào 7 ống nghiệm (đánh số thứ tự từ 0-6) có nút kín 10 ml một lượng các dung dịch như bảng sau: Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 26
  39. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Bảng2.1: Bảng thể tích các dung dịch sử dụng để xây dựng đường chuẩn COD TT 0 1 2 3 4 5 6 Dung 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 dịch 1 Dung 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 dịch 2 Dung 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 dịch 3 H2O cất 2,5 2,2 1,9 1,6 1,3 1,0 0,7 (ml) - Đem đun ống nghiệm trong lò phản ứng trong thời gian 120 phút ở nhiệt độ 150oC - Sau đó để nguội rồi đo trên máy đo quang tại bước sóng 600nm - Ta thu được kết quả như sau: Bảng 2.2: Số liệu đường chuẩn COD STT Nồng độ (mg/l) ABS 1 0 0 2 200 0,030 3 400 0,067 4 600 0,089 5 800 0,121 6 1000 0,160 7 1200 0,196 Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 27
  40. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường 1400 y = 6184.x + 14.27 1200 R² = 0.996 1000 COD(mg/l) 800 600 400 200 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 ABS Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn đường chuẩn COD h.Xác định COD - Dùng pipet lấy một lượng chính xác 2ml mẫu vào ống nghiệm đựng sẵn dung dịch oxi hoá (gồm 1,5ml dung dịch K2Cr2O7 và 3,5ml dung dịch Ag2SO4/H2SO4) - Bật lò ủ COD đến 150oC - Đặt ống nghiệm vào lò ủ COD, thời gian 120 phút - Lấy ống sau khi phá mẫu để nguội đến nhiệt độ phòng - Bật máy so mầu để ổn định trong 15 phút - Đo ABS ở bước sóng 600nm - Đối chiếu với phương trình đường chuẩn ta thu được kết quả đo COD + 2.4.3. Phương pháp phân tích NH4 + Phương pháp phân tích NH4 bằng phương pháp trắc quang. a.Nguyên tắc Amoni trong môi trường kiềm phản ứng với thuốc thử Nessler ( K2HgI4) tạo phức có màu vàng hay màu nâu sẫm phụ thuộc vào hàm lượng amoni có trong mẫu nước. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 28
  41. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Các ion Fe2+, Ca2+, Mg2+ gây cản trở phản ứng được loại bỏ bằng dung dịch Xenhet. b.Thiết bị, dụng cụ - Máy so màu DR/4000 ( HACH ) - Cân phân tích - Pipet - Cốc 100 ml - Bình tam giác 250 ml, phễu lọc, giấy lọc c.Hóa chất + - Chuẩn bị dung dịch chuẩn NH4 : Hòa tan 0,2965 gam NH4Cl tinh khiết hóa học đã sấy khô đến khối lượng không đổi ở 105 - 110oC trong 2 giờ bằng nước cất trong bình định mức dung tích 100 ml thêm nước cất đến vạch và thêm 1 ml clorofoc ( để bảo vệ ), 1ml dung dịch này có 1 mg + NH4 . Sau đó pha loãng dung dịch này 100 lần bằng cách lấy 1 ml dung dịch trên pha loãng bằng nước cất 2 lần định mức đến 100 ml, 1 ml + dung dịch này có 0,01 mg NH4 . - Chuẩn bị dung dịch muối Xenhet: Hòa tan 50 gam KNaC4H4O6.4H2O trong nước cất. Dung dịch lọc loại bỏ tạp chất, sau đó thêm 5 ml dung dịch NaOH 10% và đun nóng một thời gian để đuổi hết NH3, cuối cùng thêm nước cất đến 100 ml - Chuẩn bị dung dịch Nessler: + Dung dịch A: Cân chính xác 3,6 gam KI hòa tan bằng nước cất sau đó chuyển vào bình định mức dung tích 100 ml. Cân tiếp 1,355 gam HgCl2 cho vào bình trên lắc kĩ, thêm nước cất vừa đủ 100 ml. + Dung dịch B: Cân chính xác 50 gam NaOH hòa tan bằng nước nguội định mức thành 100 ml. Trộn đều hỗn hợp A và B theo tỉ lệ A:B là 100 ml dung dịch A và 30 ml dung dịch B, lắc đều gạn lấy phần nước trong. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 29
  42. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường d.Lập đường chuẩn + Lấy vào 7 cốc 100 ml lượng dung dịch chuẩn NH4 ( 0,01mg/ml ), nước cất, xenhet, nessler như bảng 2.3: + Bảng 2.3: Bảng thể tích các dung dịch để xây dựng đường chuẩn NH4 : + STT NH4 (ml) Nƣớc cất (ml) Xenhet (ml) Nessler(ml) 1 0 50 0,5 1 2 1 49 0,5 1 3 2 48 0,5 1 4 3 47 0,5 1 5 4 46 0,5 1 6 5 45 0,5 1 7 6 44 0,5 1 Sau khi cho vào các cốc với lượng dung dịch như trên khuấy đều, để yên 10 phút rồi đem đo quang ở 425 nm. Mật độ quang đo được tương ứng + với lượng NH4 như sau: + Bảng 2.4: Bảng kết quả xác định đường chuẩn NH4 : STT 1 2 3 4 5 6 + 0,05 NH4 (ml) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 ABS 0 0,043 0,096 0,144 0,204 0,261 Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 30
  43. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường kết quả (ABS) 0.3 y = 0.052x - 0.058 0.25 R² = 0.997 0.2 0.15 ABS kết quả (ABS) 0.1 Linear (kết quả (ABS)) 0.05 0 1 2 3 4 5 6 -0.05 CNH + 4 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn đường chuẩn amoni + e.Xác định NH4 Lấy 30 ml mẫu cho vào cốc thủy tinh 100ml, thêm 0.5ml xenhet, 1ml nessler khuấy đều để yên 10 phút đem đo quang ở bước sóng 425 nm. Khi tiến hành phân tích mẫu thực ta làm mẫu trắng song song. Từ giá trị mật độ đo quang đo được ta xác định được lượng amoni theo đường chuẩn. Khi đó nồng độ amoni mẫu thực được xác định theo công thức sau: X = ( C × 1000 )/ V Trong đó: + C là lượng amoni tính theo đường chuẩn + V là thể tích mẫu nước đem phân tích + X là hàm lượng amoni trong mẫu nước 2.4.4.Phương pháp xác định pH Sử dùng giấy quỳ tím. 2.4.5. Phương pháp xử lý yếm khí nước thải Mô hình thiết bị nghiên cứu Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 31
  44. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường 9 2 1 8 10 11 A 7 B 6 C D 5 12 4 E 13 3 Hình 2.3: Mô hình UASB Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 32
  45. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Chú thích: 1: Thùng tiếp liệu 2: Khóa điều chỉnh tốc độ dòng vào 3, 5,7: Lưới chắn bùn 4: Khoang chứa bùn yếm khí 6: Khoang ổn định nước dòng ra 8: Phễu thu khí thải 9: Túi thu khí thải 10: Khóa điều chỉnh dòng ra của cột UASB 11: Cột lọc xuôi chiều. 12. Khóa điều chỉnh dòng ra của cột lọc. 13: Thùng thu nước dòng ra. A: lớp san hô chiều cao 20cm. B: lớp sỏi có kích thích lớn, đường kính mỗi viên sỏi khoảng 4 – 5 cm, chiều cao khoảng 30 cm. C: lớp sỏi nhỏ, đường kính mỗi viên sỏi khoảng 1 – 2 cm, chiều cao khoảng 30cm. D: lớp cát mịn có chiều cao khoảng 30cm. E: lớp sỏi nhỏ có chiều cao khoảng 20cm. b. Nguyên lý hoạt động của thiết bị Nước thải sau khi được điều chỉnh pH thích hợp (≈7) sẽ được đưa vào thùng tiếp liệu (1). Điều chỉnh khóa (2) cho nước thải chảy xuống với tốc độ thích hợp vào cột yếm khí. Nước thải sẽ được lưu trong khoang chứa bùn (4). Sau khi được xử lý qua bùn kị khí, nước thải đi qua lưới chắn bùn (5) để ổn định tại khoang (6) trước khi được thải ra ngoài qua van số (10) và được thu lại trong cột lọc (11). Sau khi nước thải này được lọc qua cột lọc sẽ được thải ra ngoài qua van (12) và được thu lại trong thùng chứa (13). Khí sinh ra trong quá trình xử lý được thu qua phễu thu khí (8) và được giữ lại trong túi khí (9). Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 33
  46. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường c.Khởi động thiết bị Thiết bị nghiên cứu được làm từ ống nhựa PVC Tiền phong, đường kính 20cm, chiều cao 1,2m với cách bố trí như hình vẽ ở trên. Trong khoang chứa bùn số 4 có đặt các hoa nhựa làm giá thể cho bùn bám dính. Bùn bổ sung vào thiết bị được lấy từ cống thải của hộ gia đình sản xuất rượu. Tổng thể tích nước chứa trong cột là 25 lít. Khởi động hệ thống trên với nước thải có COD dòng vào khoảng 3000mg/l được pha loãng từ nước thải làm thí nghiệm, thời gian khởi động khoảng 15 ngày (03 chu kỳ lưu nước 05 ngày), bổ sung thêm nguồn vi sinh vật từ phân trâu bò pha với nước đưa vào hệ thống. Khi hệ thống vận hành ổn định với nước thải dòng ra đạt 800 – 900 mg/l thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm. d. Mô tả thí nghiệm +) Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu suất xử lý nước thải: Nước thải lấy về bảo quản và để lắng tự nhiên trong khoảng 2h. Xác định đặc trưng nước dòng vào sau đó pha loãng tới giá trị COD khoảng 3000 mg/l. Cho 5000ml nước thải đã pha loãng vào thùng tiếp liệu, sau đó điều chỉnh pH đến 7 bằng dung dịch NaOH 10%. Mở khóa số (2) để nước thải chảy vào cột xử lý với tốc độ 208 ml/giờ. Sau 24h toàn bộ nước thải trong thùng tiếp liệu sẽ chảy hết vào cột UASB. Ba ngày tiếp theo làm tương tự. Sau 4 ngày, nước sẽ thoát ra ở van chảy tràn, đem nước thải đó đi phân tích + chỉ số COD và NH4 . Chạy lặp lại 2 đến 3 chu kỳ như trên đến khi nước thải ra đạt tiêu chuẩn thì giảm thời gian lưu xuống còn 3 ngày (tương ứng với lưu lượng 8,33 lít/ngày). Tiếp tục thí nghiệm như trên với các thời gian lưu 2 ngày và 1 ngày (tương ứng với lưu lượng 12,50 – 25 lít/ngày). So sánh các giá trị + COD, NH4 dòng vào và dòng ra, đánh giá hiệu suất xử lý của quá trình từ đó xác định thời gian lưu tối ưu. +) Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH dòng vào đến hiệu suất xử lý: Duy trì giá trị COD nước thải dòng vào như ở thí nghiệm trên, điều chỉnh pH của nước thải từ 4 - 9 bằng dung dịch NaOH 10%. Với mỗi một giá trị pH của Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 34
  47. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường nước thải, chạy một chu kỳ tương ứng với thời gian lưu tối ưu đã xác định ở + thí nghiệm trên. So sánh các giá trị COD, NH4 dòng vào và dòng ra, đánh giá hiệu suất xử lý của quá trình từ đó xác định pH tối ưu. +) Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng COD dòng vào đến hiệu suất xử lý: Sau khi xác định được pH tối ưu, tiến hành tăng dần tải trọng COD dòng vào thiết bị. Phân tích kết quả dòng ra, so sánh với dòng vào và lựa chọn giá trị tải trọng vào tối ưu. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 35
  48. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả nghiên cứu đặc trƣng của nƣớc thải Thông qua số liệu phân tích mẫu nước thải chúng tôi nghiên cứu được các thông số đặc trưng của dịch hèm rượu theo bảng sau: Bảng 3.1: Đặc trưng dịch hèm rượu nghiên cứu: Ngày lấy pH COD (mg/l) NH + (mg/l) TSS (mg/l) mẫu 4 15/3/2013 3,2 36421 41,5 2012 25/3/2013 3,5 38901 42,7 1908 5/4/2013 3,7 35896 40,1 2076 15/4/2013 3,5 35781 40,5 1895 25/4/2013 4,0 40524 43,9 1903 QCVN 40:2011 5,5-9 150 10 100 (Cột B) Nhận xét: - Về mặt cảm quan ta nhận thấy dịch hèm rượu có độ đục cao, có màu trắng đục, chứa nhiều cặn lơ lửng, có mùi chua. - Kết quả phân tích cho thấy các chỉ tiêu của nước thải này đều cao gấp nhiều lần so với QC40/2011. Đặc biệt là chỉ tiêu COD cao hơn từ 238,54 đến + 270,16 lần; NH4 cao hơn từ 4,01 lần đến 4,39 lần và TSS cao hơn từ 18,95 lần đến 20,12 lần so với QCVN-40:2011. - Về bản chất, dịch hèm rượu chứa nhiều tinh bột đã qua biến tính nên rất dễ lên men tạo ra mùi chua đặc trưng và có pH thấp. Với đặc trưng ô nhiễm cao như vậy, ta không thể xử lý trực tiếp dịch hèm mà cần phải pha loãng. Trong thời gian đầu, dịch hèm được pha loãng về giá trị COD dao động trong khoảng 2000 – 3000 mg/l để khởi động thiết bị. Khi vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải và hiệu quả xử lý tương đối ổn định, tiến hành Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 36
  49. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường tăng dần giá trị COD dòng vào để nâng cao hiệu suất xử lý nước thải. 3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian lƣu và hiệu suất của quá trình. Điều kiện tiến hành thí nghiệm: pha loãng dịch hèm về các giá trị: - CODv dao động trong khoảng 3012 – 3258 mg/l + - NH4 v dao động trong khoảng 3,48 – 4,16 mg/l. - pH = 7 - Thời gian lưu thay đổi từ 1 đến 4 ngày. Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất xử lý COD: Thời Chỉ tiêu Chỉ tiêu Hiệu suất xử lý gian dòng vào dòng ra lƣu COD CODUASB CODUASB+lọc CODUSAB CODUASB+lọc pH (ngày) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (%) (%) 4 7 3012 1232 829 59,09 72,45 3 7 3198 1317 901 58,81 71,82 2 7 3258 1388 949 57,37 70,89 1 7 3274 1466 1034 55,20 68,41 Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 37
  50. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường 80 70 60 Sau UASB 50 40 Sau UASB+lọc 30 20 Hiệu suất xử lý COD(%) lý xử suất Hiệu 10 0 4 3 2 1 thời gian lƣu nƣớc (ngày) Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu suất xử lý COD Nhận xét: Kết quả cho thấy, khi thời gian lưu giảm thì hiệu suất xử lý của thiết bị cũng giảm. Tuy nhiên mức chênh lệch hiệu suất khi thời gian lưu thay đổi 1 ngày là không đáng kể (chỉ khoảng 4%). Điều đó có thể giải thích do quá trình giảm thời gian lưu nước trong thiết bị được tiến hành rất từ từ tránh gây “sốc” cho VSV. Ứng với mỗi khoảng thời gian lưu tác giả thường cho chạy ổn định từ 2 - 3 chu kỳ với lưu lượng dòng vào nhỏ, tốc độ dòng chảy chậm nên VSV có đủ thời gian thích nghi và hiệu suất xử lý không bị dao động mạnh. Tại thời gian lưu 4 ngày, hiệu quả xử lý COD của UASB đạt 59,09% và sau UASB kết hợp lọc đạt 70,45%. Khi giảm thời gian lưu xuống còn 1 ngày, hiệu quả khử COD đạt 55,2% sau UASB và 68,41% sau lọc. Như vậy, xét về mặt kinh tế, chọn thời gian lưu là 1 ngày do hiệu quả xử lý không chênh lệch nhiều. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 38
  51. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường + Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất xử lý NH4 Thời Chỉ tiêu Chỉ tiêu Hiệu suất xử lý gian dòng vào dòng ra + + + + + lƣu NH4 NH4 UASB NH4 UASB+lọc NH4 USAB NH4 UASB+lọc pH (ngày) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (%) (%) 4 7 4,07 7,59 1,29 _ 68,30 3 7 4,16 8,01 1,34 _ 67,78 2 7 3,56 7,43 1,25 _ 64,88 1 7 3,99 8,16 1,33 _ 66,66 9 8 ) (mg/l 7 + 4 6 5 vào 4 Nồng độ NH độ Nồng sau UASB 3 sau lọc+UASB 2 1 0 4 3 2 1 thời gian lƣu (ngày) + Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự dao động [NH4 ] theo thời gian xử lý Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 39
  52. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường 69 68 67 66 65 hiệu suất xử lý(%) xử suất hiệu 64 63 4 3 2 1 thời gian lƣu (ngày) + Hình 3.3: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất xử lý NH4 Nhận xét: + Dịch hèm sau khi pha loãng trong thí nghiệm này có giá trị NH4 dao + động từ 3,56 – 4,16 mg/l. Theo dõi sự biến đổi NH4 theo thời gian lưu cho + thấy trong quá trình phân giải yếm khí tại UASB , NH4 của dịch hèm tăng lên đáng kể. Điều này có thể giải thích như sau: trong giai đoạn đầu của quá trình phân giải các chất hữu cơ chứa nitơ ở điều kiện yếm khí xảy ra quá trình + amôn hóa (chuyển N hữu cơ về dạng NH4 hoặc NH3) nên đã khiến nồng độ + NH4 của nước thải trong thiết bị tăng lên. Tại cột lọc xuôi chiều, quá trình phân giải xảy ra theo cơ chế thiếu khí. Ở đây có mặt các VSV tùy nghi và hiếu khí cùng với khí oxy giúp tăng cường quá trình nitrit và nitrat hóa nên nồng + + độ NH4 giảm đi rõ rệt. Hiệu quả xử lý NH4 so với nước thải dòng vào đạt + 64,88 – 68,3%. Tại thời gian lưu 4 ngày hiệu quả khử NH4 đạt cao nhất là + 68,3% và tại thời gian lưu 1 ngày hiệu quả khử NH4 đạt 66,66%. Như vậy chọn thời gian lưu 1 ngày là tối ưu để tiến hành các thí nghiệm sau. 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của pH và hiệu suất của quá trình Điều kiện tiến hành: pha loãng dịch hèm về các giá trị: - CODv = 3029 – 3564 mg/l Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 40
  53. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường + - NH4 = 3,45 – 4,05 mg/l - Thời gian lưu: 1 ngày (24 h) - pH= 4 – 9 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý COD Chỉ tiêu dòng vào Chỉ tiêu dòng ra H xử lý H xử lý CODv CODUASB CODUASB+ lọc CODUASB CODUASB+lọc pH (mg/l) (mg/l) (mg/l) (%) (%) 4 3029 1443 973 52,36 67,87 5 3212 1408 989 56,16 69,20 6 3460 1432 908 58,61 73,75 7 3274 1056 745 67,74 77,24 8 3357 1196 876 64,58 73,90 9 3564 1347 903 62,20 74,66 90 80 70 60 Sau UASB 50 Sau UASB+ lọc 40 30 20 Hiệu suất xử lý COD (%) COD lý xử suất Hiệu 10 0 pH 4 5 6 7 8 9 Hình 3.4:Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý COD Nhận xét: pH có ảnh hưởng khá rõ nét tới hiệu quả xử lý COD của thiết bị. Trong Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 41
  54. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường giai đoạn đầu của quá trình xử lý trong thiết bị UASB, các hợp chất hữu cơ được thủy phân và lên men, sản phẩm tạo thành là các axit hữu cơ khiến pH nước thải giảm khá nhanh. Nếu pH nước đầu vào thấp sẽ không đủ duy trì pH cho giai đoạn lên men metan hóa tiếp theo vì các VSV lên men metan hóa ưa môi trường trung tính và kiềm nhẹ. Các axit hữu cơ nếu không được metan hóa sẽ gây đình trệ quá trình sinh trưởng của vi sinh vật và do đó nồng độ cơ chất còn lại cao, hiệu suất quá trình giảm. Tại thời gian lưu 1 ngày, khi pH tăng từ 4 – 7, hiệu quả xử lý tăng dần và đạt cao nhất tại pH= 7 với HCOD sau UASB= 67,74% và sau UASB kết hợp lọc là 77,24%. Tiếp tục tăng pH lên 8 và 9 thấy rằng hiệu suất xử lý bị giảm đi do lúc này môi trường chuyển sang tính kiềm cao hơn nên không còn phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Vậy lựa chọn giá tri pH= 7 để tiến hành các thí nghiệm sau. + Bảng 3.5: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý NH4 Chỉ tiêu Chỉ tiêu H xử lý H xử lý dòng vào dòng ra NH + NH + + + + 4 UASB 4 UASB+ lọc NH4 v NH4 UASB NH4 UASB+lọc pH (%) (%) (mg/l) (mg/l) (mg/l) 4 3,45 9,14 1,22 _ 64,63 5 3,64 9,07 1,30 _ 64,28 6 3,98 9,01 1,33 _ 66,58 7 4,02 8,72 1,12 _ 72,13 8 4,05 8,96 1,39 _ 65,67 9 3,81 8,43 1,75 _ 54,06 Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 42
  55. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường 10 9 8 7 6 vào 5 sau UASB 4 sau UASB+ lọc 3 2 1 0 4 5 6 7 8 9 + Hình 3.5:Đồ thị biểu diễn sự dao động [NH4 ] theo pH 80 70 (%) 60 + 4 50 40 30 H xử lý NH4+ lọc 20 Hiệu suât xử lý NH lý xử suât Hiệu 10 0 4 5 6 7 8 9 pH + Hình 3.6: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý NH4 Nhận xét: + Dịch hèm sau khi pha loãng trong thí nghiệm này có giá trị NH4 dao + động từ 3,45 – 4,05 mg/l. Theo dõi sự biến đổi NH4 theo thời gian lưu cho + thấy trong quá trình phân giải yếm khí tại UASB, NH4 của dịch hèm tăng lên đáng kể. Điều này có thể giải thích như sau: trong giai đoạn đầu của quá trình Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 43
  56. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường phân giải các chất hữu cơ chứa nitơ ở điều kiện yếm khí xảy ra quá trình + amôn hóa (chuyển N hữu cơ về dạng NH4 hoặc NH3) nên đã khiến nồng độ + NH4 của nước thải trong thiết bị tăng lên. Tại cột lọc xuôi chiều, quá trình phân giải xảy ra theo cơ chế thiếu khí. Ở đây có mặt các VSV tùy nghi và hiếu khí cùng với khí oxy giúp tăng cường quá trình nitrit và nitrat hóa nên nồng + + độ NH4 giảm đi rõ rệt. Hiệu quả xử lý NH4 so với nước thải dòng vào đạt + 54,16 – 72,13%. Tại pH = 7, hiệu suất xử lý NH4 đạt cao nhất là 72,13%. Với + + pH ≤ 6, hiệu suất xử lý NH4 đạt 66,58%. Với pH ≥ 8, hiệu suất NH4 đạt cao nhất là 65,67%. Như vậy, ta chọn pH = 7 là pH tối ưu để tiến hành thí nghiệm sau. 3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng tải trọng COD dòng vào Điều kiện tiến hành thí nghiệm: pha loãng dịch hèm về các giá trị: - CODv= 3020 – 8871 mg/l - pHv = 7 - Thời gian lưu: 24 tiếng ( 1 ngày ) Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng COD dòng vào tới hiệu quả xử lý được thể hiện trong bảng: Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 44
  57. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường Bảng 3.6: Ảnh hưởng của tải trọng COD tới hiệu suất xử lý COD Chỉ tiêu Chỉ tiêu dòng vào dòng ra H xử lý H xử lý CODUASB CODUASB+lọc CODv COD COD pH UASB UASB+lọc (%) (%) (mg/l ) ( mg/l ) ( mg/l ) 7 3020 1302 970 56,88 67,88 7 4640 1398 1277 58,98 72,47 7 5320 2047 1457 61,51 72,60 7 5560 1902 1337 65,78 75,94 7 6020 2012 1327 66,57 77,95 7 6680 1980 1342 70,35 79,90 7 7782 2315 1517 70,24 80,50 7 8871 2737 1980 69,14 77,68 90 80 70 60 Sau UASB 50 40 Sau UASB+ lọc 30 20 Hiệu suất xử lýsuất(%) xử Hiệu 10 0 3020 4640 5320 5560 6020 6680 7782 8871 COD (mg/l) Hình 3.7: Ảnh hưởng của tải trọng COD tới hiệu suất xử lý Nhận xét: Thông thường, theo lý thuyết khi tải trọng hữu cơ dòng vào tăng thì hiệu suất quá trình sẽ giảm dần ở cùng một điều kiện thí nghiệm. Tuy nhiên Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 45
  58. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường trong nghiên cứu này, kết quả cho thấy, khi tăng tải trọng COD dòng vào, hiệu suất xử lý của quá trình tăng khá đều đặn. Khi tăng CODv từ 3020 – 7782 mg/l, hiệu suất xử lý thiết bị tăng khá đều đặn. Điều này được giải thích như sau: VSV trong thiết bị UASB phản ứng rất nhạy với các chất độc khi điều kiện môi trường thay đổi. Để tránh tạo các phản ứng “sốc” cho VSV, các thay đổi điều kiện thí nghiệm được tiến hành rất từ từ. Mỗi lần tăng giá trị CODv, thiết bị được chạy với 2 chu kỳ liên tiếp để ổn định hiệu suất. Chính vì sự thay đổi điều kiện môi trường trong khoảng an toàn diễn ra dần dần, mặt khác lưu lượng nước thải vào thiết bị khá thấp (1,04 l/h) nên VSV có đủ thời gian thích nghi với điều kiện môi trường mới, chính vì vậy hiệu suất khá ổn định và chỉ tăng nhẹ lên theo thời gian. Sau khi tăng CODv lên 8871mg/l, ta thấy hiệu suất xử lý của thiết bị bắt đầu giảm xuống do tải trọng hữu cơ dòng vào khá cao, để thíh hợp cho quá trình xử lý tiếp theo bằng thiết bị Aroten, tác giả lựa chọn tải trọng dòng vào UASB là 6680 mg/l với COD dòng ra sau xử lý UASB kết hợp lọc là 1342 mg/l. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 46
  59. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường KẾT LUẬN Qua quá trình, chúng tôi đã rút ra được một số kết luận sau: 1. Đã tiến hành phân tích một số chỉ tiêu cơ bản của dịch hèm rượu. Kết quả cho thấy nước thải có giá trị COD, pH và TSS đều vượt tiêu chuẩn cho phép theo QC 40:2011. Trong nước thải có chứa hàm lượng hữu cơ cao, thích hợp cho xử lý bằng sinh học. 2. Đã tiến hành xử lý dịch hèm rượu bằng phương pháp kỵ khí trên cột UASB kết hợp lọc xuôi chiều với vật liệu lọc là cát, sỏi, san hô. Quá trình xử lý đạt hiệu quả tối ưu tại điều kiện pH=7, thời gian lưu 24 tiếng, Q= 25l/ngày, CODvmax= 6680mg/l – CODr= 1980mg/l - hiệu suất xử lý COD đạt 70,35%. Sau quá trình lọc, CODr= 1342mg/l – hiệu suất đạt 79,90%. 3. Nước thải sau xử lý có thể xử lý tiếp bằng hệ thống Aeroten để rút ngắn thời gian cũng như nâng cao hiệu quả xử lý triệt để hơn. Kiến nghị: - Do hạn chế về thời gian và thiết bị, khóa luận chưa nghiên cứu được ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, chất vi lượng và hoạt lực VSV đến hiệu quả xử lý. - Đề tài chưa nghiên cứu được hiệu quả tạo biogas và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tạo khí của thiết bị. + - Đánh giá hiệu quả xử lý chỉ mới dựa trên 2 chỉ tiêu COD và NH4 . Cần có thêm các phân tích về chỉ tiêu BOD5, TN, TP để kết luận chính xác hơn hiệu quả xử lý của thiết bị. Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 47
  60. Khóa luận tốt nghiệp Ngành kỹ thuật môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ công nghiệp – Tổng công ty bia rƣợu nƣớc giải khát Việt Nam. Dự án quy hoạch tổng thể phát triển ngành Rượu – Bia – Nước giải khát và Bao bì Việt Nam đến năm 2020, Hà Nội 1999. 2. Nguyễn Đình Bảng. Giáo trình các phương pháp xử lý nước, nước thải. ĐHKHTN Hà Nội, 2004 3. Lê Văn Cát. Cơ sở hóa học và kỹ thuật xử lý nước. NXB Thanh Niên Hà Nội, 1999 4. Phạm Xuân Đà.Nghiên cứu tình hình sản xuất và tiêu thụ rượu ở một số nước trên thế giới. Cục An toàn vệ sinh thực phẩm – Bộ y tế 5. Trần Tứ Hiếu, Phạm Hùng Việt, Nguyễn Văn Nội. Hóa học môi trường cơ sở, Khoa Hóa Học ĐHKHTN Hà Nội, 1999. 6. Hoàng Huệ. Xử lý nước thải. NXB Xây Dựng Hà Nội, 1996. 7. Trịnh Lê Hùng. Kỹ thuật xử lý nước thải. NXB Giáo dục, 2005 8. Trịnh Xuân Lai. Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải. NXB Xây dựng HN, 2000 9. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga. Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, NXB KHKT, 2005. 10. Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải. Lý thuyết và mô hình hóa quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. NXB KHKT, 2003. 11. PGS.TS Lƣơng đức Phẩm. Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học- Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội- 2002. 12. Lê Thị Thanh Thủy. Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bia bằng phương pháp sinh học. Luận văn thạc sĩ. ĐHKHTN Hà Nội, 2005. 13. Tiêu chuẩn nhà nƣớc Việt Nam về Môi trƣờng. NXB KHKT,1996. 14. Google.com Hoàng Thị Thu Hằng - MT 1301 48