Hiện trạng ô nhiễm và giải pháp xử lý nước thải cho làng nghề tinh bột Hoài Hảo – tỉnh Bình Định

HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHO LÀNG NGHỀ TINH BỘT HOÀI HẢO – TỈNH BÌNH ĐỊNH NGUYỄN VĂN PHƯỚC - NGUYỄN THỊ THANH PHƯỢNG Trường ĐH Bách khoa TP.HCM Tóm tắt: Hiện trạng ô nhiễm môi trường tại làng nghề Hoài Hảo-Hoài Nhơn – Bình Định đang ở mức báo động bởi nước thải tinh bột mì. Nguồn nước thải trên chứa hàm lượng cặn cao, pH thấp , khó phân hủy, bốc mùi chua nồng ảnh hưởng đếnmôi trường xung quanh. Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì được thực hiện bằng phương pháp sinh học, áp dụng mô hình phân hủy kị khí hai giai đoạn (giai đoạn acid hoá và metan hóa) kết hợp với mô hình lọc sinh học hiếu khí. Kết quả nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm cho thấy với nước thải nguyên thủy COD dao động từ 2.500-18.000 mg/l; SS trong khoảng 120 – 3000 mg/l; N tổng lên đến 450 mg/l hiệu quả khử COD lên đến 95% - 99%. Nước thải trong suốt, mất màu, mùi đạt tiêu chuẩn thải loại B.1. Đặt vấn đềLàng nghề Hoài Hảo thuộc huyện Hoài Nhơn tỉnh Bình Định sinh sống chủ yếu từ hoạt động sản xuất chế biến tinh bột mì kết hợp với chăn nuôi. Trước đây, khi quy mô sản xuất còn chưa phát triển, phần lớn nước thải sản xuất tinh bột được xả thẳng xuống hệ thống kênh rạch hoặc các khu đất trống tự thấm nước, nhưng trong nhiều năm gần đây môi trường sống ở làng nghề đã có những chuyển biến theo chiều hướng đáng lo ngại bởi nước thải tinh bột khoai mì với lưu lượng thải lớn, CN và hàm lượng chất hữu cơ quá cao khi chảy ra kênh rạch bốc mùi chua nồng, nước đỏ hồng do phản ứng chuyển hoá của CN. Nước ngấm xuống đất gây ô nhiễm nước ngầm. Nước chảy tràn vào đồng ruộng gây ô nhiễm môi trường đất làm thay đổi đặc tính đất và năng suất cây trồng. Xã Hoài Hảo hiện có khoảng 694 cơ sở sản xuất chế biến tinh bột mì và tập trung thành 258 cụm hộ sản xuất lớn. Đây là xã cósố hộ sản xuất tinh bột mì nhiều nhất tại huyện Hoài Nhơn. Đặc điểm của loại hình sản xuất này là lượng nước thải sinhra khá lớn từ 8-12 m3 nước thải cho một tấn sản phẩm và nguồn nước thải gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường. Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì bằng phương pháp lọc sinh học kị khí kết hợp lọc sinh học hiếu khí hoàn toàn khả thi, phù hợp với điều kiện làng nghề: đất rộng, công nghệ đơn giản, chi phí quản lý và vận hành thấp, không đòi hỏi trình độ vận hành, hệ thống có thể hoạt động gián đoạn. chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm.Mô hình có khả năng áp dụng thực nghiệm trên quy mô hộ gia đình, và cụm gia đình do vậy các thông số nghiên cứu có khả năng áp dụng thực tiển.2. Mô hình và phương pháp nghiên cứuCông nghệ xử lý nước thải tinh bột mì bao gồm: Xử lý kị khí hai giai đoạn trong đó giai đoạn 1: xử lý tại bể acid hóa. Tại đây, COD không giảm đáng kể mà phần lớn các chất hữu cơ phức tạp như Protein, chất béo, đường chuyển hoá thành acid hoặc các hợp chất hữu cơ đơn giản, đồng thời các vi khuẩn đã tham gia vào quá trình khử CN. Sau khi qua giai đoạn acid hóa nước thải được tiếp tục xử lý tại bể lọc sinh học kị khí với mục đích chính là chuyển hoá acid thành CO2 và CH4. Sau cùng, nước thải được xử lý bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí nhằm xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ còn lại có khả năng phân hủy sinh học.Mô hình hệ thống xử lý nước thải được trình bày ở hình 1: Hình 1: Mô hình hệ thống xử lý nước thải tinh bột mì Mô hình acid hóa được thực hiện trong thùng nhựa dung tích 25 lít, dung tích làm việc 20 lít. Lượng mầm vi sinh đưa vào trong bể là bùn đặc (bùn hầm ủ biogas), thể tích bùn cho vào: 2 lít Đặc tính bùn Biogas: Độ ẩm của bùn: 85%, VSS/TS = 0,62Mô hình lọc sinh học kị khí : là thùng nhựa tròn dung tích 20 lít. Bên trong mô hình có chứa vật liệu lọc bao gồm các ống nhựa PVC, đường kính:27,5 mm , chiều dài ống: 45 mm. Vật liệu lọc chiếm thể tích 13 lít. Tổng diện tích bề mặt lớp vật liệu đệm: 3,1 m 2 . Diện tích riêng bề mặt = 238 m2/ m3. Nước thải từ bể acid hoá được bơm vào đáy bể lọc, sau khi tiếp xúc qua lớp vật liệu lọc, nước chảy lên trên mặt theo ống dẫn vào bể lọc hiếu khí.Mô hình hiếu khí : Mô hình lọc sinh học hiếu khí, vật liệu đệm là các ống nhựa PVC f24, chiều dài 25mm, xếp khít lên nhau. Tổng diện tích bề mặt lớp vật liệu đệm: 1,6 m2, Diện tích riêng bề mặt= 288 m2/m3. Khí được cấp liên tục nhờ máy thổi khí và được khếch tán vào nước nhờ hệ thống đá bọt.Tiến hành thí nghiệm: · Nước thải tinh bột mì được lấy khoảng 3 ngày một lần từ các hộ gia đình sản xuất tinh bột tại Thủ Đức. Trước tiên nước thải được bơm trực tiếp vào bể acid hoá,sau thời gian lưu nước 2 ngày, nước thải chảy vào bể lọc kị khí và cuối cùng là bể lọc sinh học hiếu khí. · Các chỉ tiêu được phân tích để đánh giá kết quả nghiên cứu là:- Mô hình bể phân hủy kị khí: COD, pH, CN, VFA, N-NH3.- Mô hình bể lọc sinh học kị khí: pH, COD- Mô hình sinh học hiếu khí: pH, COD3. Kết quả nghiên cứuChỉ tiêuĐơn vịKết quảPH4,2-5,1CODmg/l2500-12000BODmg/l2120 – 9750SSmg/l120-3000N-NH3mg/l136-300N tổngmg/l250-450P tổngmg/l0,6 – 45CN-mg/l2-75 Bảng 1: Chất lượng nước khoai mì Nước thải khoai mì gây ô nhiễm đáng kể cho môi trường. Hầu hết các chỉ tiêu đều vượt tiêu chuẩn thải cho phép. Trong đó ô nhiễm hữu cơ, SS, N tổng và CN đặc biệt nghiêm trọng.3.1. Kết quả nghiên cứu khử CN trong nước thải tinh bột mì trên mô hình acid hóa Hàm lượng CN trong nước thải khoai mì trung bình khoảng 5 – 25 mg/l. Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt (nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao), do nguồn nguyên liệu ban đầu là khoai mì đã trồng lâu năm hoặc khoai mì đắng (gốc M.Utilissima) nên hàm lượng CN trong nước thải khoai mì có thể lên đến 75 mg/l. Chính hàm lượng CN cao là một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của các công trình xử lý sinh học sau này. Trong công nghệ để đảm bảo tính ổn định của hệ thống cần có công nghệ khử CN.Trong điều kiện tự nhiên,ở pH thấp, CN cũng có thể tự phân hủy nhưng không triệt để và đòi hỏi thời gian phân hủy dài. Điển hình là sau 5 – 7 ngày chỉ 30% CN được phân hủy.Tại bể acid hoá, hàm lượng CN được khử nhanh hơn so với tồn trử tự nhiên đồng thời tốc độ khử CN phụ thuộc vào hàm lượng CN ban đầu trong nước thải. Khi hàm lượng CN nhỏ hơn 12 mg/l, chỉ cần 2-4 ngày khoảng 90-100% CN đã được xử lý và khi hàm lượng CN cao hơn khoảng 16 – 35 mg/l cần khoảng 5 ngày mới có khả năng xử lý 70% CN. Trong nước thải tinh bột mì, CN tồn tại dưới dạng linamarin, dưới tác dụng của enzim trong môi trường acid, linamarin bị phân hủy tạo thành glucose, aceton và acid cyanhydric theo phản ứng: Trong điều kiện tự nhiên, linamarin dưới tác dụng của enzim sẽ chuyển hoá theo cơ chế:CN- + ½ O2 + enzyme à CNO-CNO- + H2O à NH3 + CO2Hoặc:HCN + 2H2O à NH4COOHTại bể acid, dưới điều kiện kị khí sẽ diễn ra các phản ứng sau:CN- + H2S à HSCN + H+HSCN + 2H2O à NH3 + H2S + CO2Nhìn chung các phản ứng khử CN đều cho sản phẩm phụ NH3. Hình 3: Sự thay đổi hàm lượng N-NH3 trong bể acid hóa Kết quả khảo sát tại bể acid hóa cho thấy: Hàm lượng chất hữu cơ giảm không đáng kể thể hiện qua hiệu quả xử lý COD trong 4 ngày đầu rất thấp, chỉ đạt 5% - 10%. Trong khi đó N-NH3 lại có chiều hướng tăng (Ở mô hình 1,2,3,4; N-NH3 tăng 30 mg/l; 50 mg/l; 60 mg/l) sau 2-6 ngày vận hành. Kết quả này chứng tỏ rằng ở giai đoạn acid hóa phần lớn các hợp chất hữu cơ chỉ bị thủy phân và chuyển hoá thành các hợp chất đơn giản , HCN, acid béo, các hợp chất acetate…, tương tự N-NH3 tăng do các hợp chất nitơ dưới dạng hữu cơ và CN bị phân hủy chuyển hóa thành N-NH3. Giá trị pH và VFA thể hiện rõ nét giai đoạn chuyển hoá acid. Khi COD ban đầu : 3390 mg/l; 5426 mg/l; 8900 mg/l, sau 2 ngày pH giảm thấp nhất khoảng 0,2-0,6 đơn vị đồng thời VFA cũng tăng cao nhất 3,5 – 7 mg/l. . Sau đó ở các ngày kế tiếp, pH bắt đầu tăng lên tưông ứng VFA lại giảm . Căn cứ vào các số liệu pH, VFA, N-NH3; CN- ta chọn thời gian cần thiết để acid hóa là 2 ngày. 3.2. Nghiên cứu quá trình trung hòaTrung hòa là công đoạn cần thiết để nâng pH đạt giá trị thích hợp (pH = 6- 7,5) trước khi xử lý tiếp bằng phương pháp sinh học. Quá trình trung hòa được thực hiện bằng hoá chất dưới dạng bột đá tự nhiên khai thác từ san hô ở biển. Nước thải sau giai đoạn acid hóa có pH thấp khoảng 4,5 5-5,5 sau khi trung hòa với thời gian lớn hơn 20 phút, pH tăng lên 6,2.Do trong nước thải có chứa một lượng đáng kể CO2 được sinh ra trong giai đoạn acid hóa nên phản ứng trung hòa sẽ diễn ra theo cơ chế:CaCO3 + CO2 + H2O à Ca2+ + 2HCO3- Hình 6: Khảo sát đường cong thay đổi pH theo thời gian và số lần trung hòa Khả năng trung hòa pH phụ thuộc vào tính chất của nguồn nước. Tuy nhiên trong giai đoạn trung hoà có xảy ra hiện tượng cặn bị hấp phụ, tạo kết tủa trên bề mặt đá vôi. Do vậy lượng đá vôi trung hòa thường lấy khá dư đồng thời nên thường xuyên rửa lọc để khử cặn bám trên bề mặt, tăng hoạt tính của đá.3.3. Nghiên cứu quá trình lọc sinh học kị khíKết quả nghiên cứu quá trình lọc sinh học kị khí được trình bày ở hình 6: Thời gian cần thiết cho quá trình lọc sinh học kị khí là 2 ngày với hàm lượng COD ban đầu nhỏ hơn 3000 m/l và 3 ngày khi COD dao động trong khoảng 3000 – 9000 mg/l, tương ứng hiệu quả khử COD đạt 60% -76.7%. Hình 7: Sự biến thiên nồng độ COD theo thời gian lọc kị khí Mô hình lọc sinh học kị khí (mô hình tĩnh) chưa khử triệt để hàm lượng chất hữu cơ. Các nhóm vi khuẩn kị khí ngoài khả năng tạo và chuyển hóa acid bay hơi thành metan vẫn còn một số tham gia vào quá trình thuỷ phân và lên men acid. Tuy nhiên quá trình này tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí tiêu thụ, sử dụng cơ chất triệt để hơn ở giai đoạn lọc sinh học hiếu khí nối tiếp.Dựa vào khả năng phân hủy cơ chất theo thời gian ta xác định bậc phản ứng và hằng số tốc độ phân hủy cơ chất.V dC- ------ = K1Ca (1)S dtTrong đó: C: Nồng độ chất hữu cơ, mg/lK 1: Hằng số tốc độ phản ứnga: Bậc phản ứngV: Thể tích nướcSA= ------j VĐặt k1 = K1Ajj: hệ số tính toán vật liệu = V vật liệu/ V nướcA: Diện tích riêng bề mặt= tỉ số giữa diện tích vật liệu trên một đơn vị thể tích đổ đốngKết quả tính toán cho kết quả:ð a = 2,32ð j = 0.65l/lA = 3,1 m2/ 13.10-3 m3 = 238 m2/m3k1 = 1,02.10 -5 g –1.32 m 3.96 ngày –1 K1 = 0.65 .10 -7g –1.32 m 4.96 ngày –13.4. Nghiên cứu quá trình lọc sinh học hiếu khí Hình 8: Đồ thị biễu diển khả năng xử lý COD tại mô hình lọc sinh học hiếu khí Nhìn chung mô hình lọc sinh học hiếu khí hoạt động rất hiệu quả, nước sau xử lý mất mùi, trong suốt, pH dao động khoảng 7-8.5, tương ứng hiệu quả xử lý COD đạt trên 90%. Tính toán thông số động họcDựa vào khả năng phân hủy cơ chất theo thời gian ta xác định bậc phản ứng và hằng số tốc độ phân hủy cơ chất.V dC- ------ = K1Ca (1)S dtĐặt k1 = K1AjThay vào phương trình (2) ta có:Co 1-a [ 1-(1-x)1-a]k1 t =------------------------- 1-at1 (1-X1)1-a -1 12 --- = ----------------- = --- = 0,5t2 (1- X2)1-a -1 24ða = 0.33ðj = 0.7 l/lA = 1.6 m2/ 7.10.10-3 m3 = 228 m2/m3k1 = 42 g 0..67 m –2.01 ngày –1 K1 = 2.72 g 0.67 m –1.01 ngày –13.5. Kết quả vận hành hệ thống xử lý trên mô hình độngVận hành liên tục hệ thống xử lý bao gồm: bể acid hoá, bể lọc sinh học kị khí, bể lọc sinh học hiếu khí. Kết quả thí nghiệm được trình bày ở hình 9. Hình 9: Đồ thị biễu diễn hàm lượng COD trong các mô hình xử lý theo thời gian vận hành Nhìn chung, phương pháp lọc sinh học cho phép xử lý hầu như triệt để hàm lượng chất hữu cơ trong thành phần nước thải tinh bột mì. Tại bể acid hóa, hiệu quả khử COD chỉ đạt 5-30%, trong khi đó, bể metan có thể xử lý lên đến 80% COD. Đặc biệt, bể lọc sinh học hiếu khí xử lý COD đạt trên 90%. Mô hình động dễ vận hành và hoạt động tương đối hiệu quả tuy nhiên chất lượng nước vào không ổn định, tính chất nước thải bị thay đổi phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu cũng như công nghệ sản xuất. Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì sau khi qua hệ thống sinh học kết hợp giũa lọc kị khí và hiếu khí cho hiệu quả khử COD đạt 96 – 99%. Nước thải nguyên thủy có COD khoảng 6000 mg/l, sau xử lý COD giảm chỉ còn 60-80 mg/l, đạt tiêu chuẩn thải loại B. Nước thải có COD 10.000 mg/l – 17.000 giảm chỉ còn 200-400 mg/l sau khi qua hệ thống xử lý. Do mô hình đã có khoảng 1 tháng thích nghi trước đó để tạo màng vi sinh vật, tuy nhiên nguồn nước phải lấy thường xuyên 3 lần/tuần nên chất lượng nước không ổn định, hàm lượng cặn trong nước thay đổi rất lớn. Đây là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến quá trình xử lý. Chính lượng cặn này, tích lũy trong bể acid hóa sẽ bám trên bề mặt bùn và tiếp tục bị phân hủy làm tăng hàm lượng chất hữu cơ trong bể vì thế cần xây dựng bể lắng nhằm loại bỏ cặn trước khi đưa đến hệ thống xử lý sinh học. Nước thải sau lắng, COD trung bình khoảng 3000 mg/l-7000 mg/l do vậy hoàn toàn có khả năng đạt tiêu chuẩn thải loại B sau khi qua hệ thống xử lý. 4. Kết luậnHệ thống xử lý sinh học bao gồm: xử lý sinh học kị khí hai giai đoạn ( bể acid hóa, bể lọc sinh học kị khí) kết hợp xử lý sinh học hiếu khí (bể lọc hiếu khí ngập nước) cho phép xử lý 96-trên 99% COD. Trường hợp riêng biệt, áp dụng tại làng nghề Hoài Hảo. Nước thải sau lắng có COD vào khoảng 6000 mg/l. Sau khi qua hệ thống xử lý sinh học COD còn khoảng 85 mg/l đạt tiêu chuẩn thải loại B. Phương án xử lý nước thải cục bộ, quy mô hộ gia đình bằng phương pháp lọc sinh học kết hợp giữa kị khí và hiếu khí có nhiều ưu điểm như: thích hợp cho xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao,ít tiêu tốn năng lượng và lượng bùn sinh ra không đáng kể, hệ thống có khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm, thời gian thích nghi, khởi động nhanh (khoảng 2-3 tuần), quy trình vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp song hiệu quả xử lý đạt cao.Hướng nghiên cứu sắp tới tập trung cho xử lý nước thải quy mô cụm gia đình (10-20 hộ) , áp dụng công nghệ lọc sinh học kị khí kết hợp hồ sinh học đồng thời nghiên cứu sử dụng vật liệu lọc mới là sơ dừa nhằm giảm chi phí đầu tư ban đầu.