Đề tài Xử lý khí thải bằng phương pháp sinh học

MỤC LỤC I. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ.............................................................3 1. THỰC TRẠNG................................................................................................................................. 3 2. NGUỒN GỐC HÌNH THÀNH CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ............................................... 4 3. TÁC HẠI ............................................................................................................................................ 4 4. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI...................................................... 5 II. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ............................5 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP............................................................................................ 5 2. ĐẶC DIỂM CỦA NGUỒN KHI THẢI ...................................................................................... 6 3. NGUYEN LÝ CỦA QUA TRINH................................................................................................ 8 4. CAC QUA TRINH SINH HỌC AP DỤNG............................................................................... 8 4.1. LỌC SINH HỌC ..........................................................................................................................8 4.1.1. Lọc sinh học là gì? ....................................................................................................................8 4.1.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................................................................9 4.1.3. Các lưu ý khi lựa chọn vật liệu lọc ..........................................................................................11 4.1.4. Một số thông số thiết kế..........................................................................................................13 4.1.5. Ưu khuyết điểm của lọc sinh học ............................................................................................14 4.2. THÁP TƯỚI SINH HỌC ..............................................................................................................16 4.2.1. Nguyên tắc..............................................................................................................................16 4.2.2. Nguyên lí hoạt động................................................................................................................16 4.2.3. Ưu và nhược điểm ..................................................................................................................18 4.3. LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT ........................................................................................................18 4.3.1. Lọc sinh học nhỏ giọt là gì? ....................................................................................................18 4.3.2. Nguyên lí làm việc ..................................................................................................................19 4.3.3. Ưu và nhược điểm ..................................................................................................................20 4.3.4. Ứng dụng................................................................................................................................21 4.4. MANG LỌC SINH HỌC ..............................................................................................................22 4.4.1. Quá trình hình thành màng sinh học ......................................................................................22 4.4.2. Nguyên lí hoạt động của màng lọc sinh học ............................................................................23 4.4.3. Ưu và nhược điểm của màng lọc sinh học...............................................................................23 5. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC.......................................................24 5.1. ƯU ĐIỂM .................................................................................................................................24 5.2. NHƯỢC ĐIỂM .....................................................................................................................................24 III. ỨNG DỤNG .............................................................................................................24 KẾT LUẬN .......................................................................................................................28 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................29 GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 2 MỞ ĐẦU Môi trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, nó không chỉ đe dọa đến cuộc sống, đến sức khỏe của người dân mà còn ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sự phát triển kinh tế của từng quốc gia. Vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường không khí nói riêng không còn là vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay một khu vực mà nó đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Không khí là “nguồn sống” của loài người. Hiện nay nguồn không khí đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, hệ quả kéo theo đó là sự suy giảm sức khỏe của con người, sự biến đổi khí hậu kéo theo các sinh vật bị hủy diệt và gây tổn thất lớn cho nền kinh tế. Hằng năm con người khai thác và sử dụng hàng tỷ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời cũng thải ra môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy xí nghiệp làm cho hàm lượng các chất khí độc hại tăng lên nhanh chóng. Công nghiệp hóa càng mạnh, đô thị hóa càng phát triển thì nguồn thải gây ô nhiễm không khí càng nhiều áp lực làm biến đổi chất lượng không khí theo chiều hướng xấu càng lớn, thực trạng này đặt ra cho các nhà quản lý, nhà khoa học những nhiệm vụ nặng nề trong việc xử lý và kiểm soát tình trạng ô nhiễm. Để làm tốt vấn đề này cần sự phối của tất cả mọi người. Nhà sinh vật học Hoa Kì - Tiến sĩ Gary M. Lovett nhận xét: “Bất cứ nơi đâu chúng ta cũng tìm thấy bằng chứng về việc ô nhiễm không khí ô nhiễm gây hại đến tài nguyên tự nhiên. Những hoạt động quyết đoán cần được thực hiện nếu chúng ta thực sự muốn bảo tồn các hệ sinh thái chức năng cho thế hệ tương lai”. Các chất ô nhiễm, thông thường được xử lý nhiệt hoặc hấp phụ bằng than hoạt tính. Xử lý nhiệt bằng đốt cháy trực tiếp hay là oxy hóa xúc tác ở nhiệt độ thấp chỉ hiệu quả khi mà nồng độ chất ô nhiễm đủ lớn để bù đắp phần nào chi phí năng lượng. Than hoạt tính hoạt động bằng khả năng hấp phụ bề mặt tạo khí đầu ra sạch. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ của một chất ô nhiễm trên một gam than hoạt tính lại phụ thuộc vào nồng độ trong không khí. Khi nồng độ thấp, khả năng hấp phụ thường giảm. Lượng than hoạt tính có thể sử dụng lại hoặc thay thế cho mỗi kg chất ô nhiễm cần loại bỏ là rất lớn và quá trình xử lý khó có khả năng áp dụng thực tế. Xử lý sinh học đáp ứng được yêu cầu về kinh tế khi xử lý những chất ô nhiễm ở nồng độ thấp. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý mùi và được các nước đón nhận nhiệt tình. GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 3 Xuất phát từ vấn đề trên chúng em chọn đề tài “ XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC”. I. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 1. Thực trạng Ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề nan giải. Theo đánh giá của ngân hàng thế giới tại Việt Nam, với 59 điểm trong bảng xếp hạng chỉ số hiệu quả của hoạt động môi trường, Việt Nam đứng vị trí 85/163 các nước được xếp hạng. Còn theo kết quả nghiên cứu khác vừa qua tại diễn đàn kinh tế thế giới Davos, Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng không khí thấp và ảnh hưởng nhiều nhất đến sức khỏe. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, nồng độ chất ô nhiễm trong không khí tại khu vực vên đường giao thông, trong đó chủ yếu là CO tăng 1,44 lần và bụi PM10 tăng 1,07 lần. Hằng năm có 1,6 tỉ tấn hóa chất độc tại được thải trực tiếp vào môi trường không thí từ hoạt động của các loại hình công nghiệp như: Sơn, nhựa, cao su, keo dán, chất phủ bề mặt, các sản phẩm chế biến dầu mỏ, dược phẩm, mỷ phẩm, dệt nhuộm Tại thành phố Hồ Chí Minh, không kể các cơ sở thủ công nghiệp, có khoảng 500 xí nghiệp trong tổng số hơn 700 cơ sở công nghiệp nằm trong nội thành, ở thành phố Hà Nội có khoản 200 xí nghiệp trong tổng số khoảng 300 cơ sở công nghiệp nằm trong nội thành. Trong các năm gần đây nguồn ô nhiễm từ hoạt động công nghiệp nằm trong nội thành có phần giảm bớt do các tỉnh, thành đã thực hiện tích cực chỉ thị xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm nghiêm trọng nằm xen kẽ trong khu vực dân cư. Bên cạnh đó ô nhiễm không khí ở nhiều lành nghề đã tới mức báo động, ở rất nhiều làng nghề, đặc biệt các làng nghề ở vùng Đồng bằng Bắc Bộ, đang kêu cứu về ô nhiễm môi trường không khí. Công nghiệp mới phần lớn các cơ sở công nghiệp mới được đầu tư tập trung vào 82 khu công nghiệp. Trước khi xây dựng dự án đều đã được tiến hành “đánh giá tác động môi trường”. Tuy vậy, còn nhiều xí nghiệp mới, đặc biệt là đốt than, chưa xử lý triệt để các khí thải độc hại (SO2, NO2, CO) nên đã gây ra ô nhiễm môi trường không khí xung quanh. Các hóa chất mạch vòng như toluen, xylene, benzen, methyl benzen, phenol đã và đang gây tác hại nghiêm trọng đến môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Bên cạnh một số phương pháp xử lý thí thải thông thường như: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất, ngưng tụ, đốt, oxy hóa (có hoặc không có chất xức tác). Phương pháp sinh học bao gồm lọc sinh học, tháp rửa, lọc sinh học nhỏ giọt, màng sinh học đã dược nghiên cứu GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 4 và áp dụng rộng rải cho sử lý ô nhiễm. Các phương pháp trên hoạt động ổn định, hiệu quả xử lý cao, chi phí đàu tư và vận hành thấp. 2. Nguồn gốc hình thành các hợp chất hữu cơ Nguồn gốc hình thành các hộp chất hữu cơ: tồn tại trong các hạt bụi rắn hay lỏng. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) hiện diện trong thành phần của các loại dung môi, sơn, keo dán sàn, các sản phẩm tẩy rửa, đánh bóng, khử mùi phòng và thảm Chúng bao gồm từ các hợp chất hữu cơ đơn giản như meetan đến hydrocacbua thơm, alcohol, aldehyt, keton, este, hợp chất hửu cơ của halogen cũng như hợp chất hữu cơ có chứa lien kết lưu huỳnh hoặc nitơ Đặc trưng của khí hữu cơ là có mùi gây nên cảm giác khó chịu và ảnh hưởng trực tiếp với sức khỏe con người (nhiễm độc qua đường hô hấp). 3. Tác hại Gây nhức đầu, buồn nôn, chon mặt, chảy máu não, chảy máu phế quản, phù phổi,vật vã. Ngủ sâu, khi tỉnh lại có thể bị mất trí nhớ. Thường gập ở những người có môi trường làm việc phải thường xuyên tiếp xúc với các khí hữu cơ. Tùy vào liều lượng, nồng độ mà biểu hiện nhiễm độc có thể ở những mức độ khác nhau. Những biểu hiện thường gặp: viên da, đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi, tim đập nhanh, gây tổn thương mắt, giảm thị giác, giảm độ nhạy về thần kinh, rối loạn các chức năng hô hấp, suy giảm thần kinh trung ương, gây nhiễm độc gan, rối loạn huyết học, gây rối loạn chức năng tiêu hóa: kếm ăn, nôn, xáo trộn, tổn hại đến dạ dày, Một số chất khác có khả năng gây ung thư: benzene, styrene butadience gây ung thư máu, ưng thư da, ung thư tinh hoàn và mức độ ô nhiễm bệnh theo thời gian tiếp xúc. GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 5 Ung Thư Máu Tổn Hại Tế Bào Phổi Ung Thư Da 4. Tổng quan về phương pháp xử lý khí thải - Các phương pháp làm sạch khí thải rất đa dạng, khác nhau về cấu tạo thiết bị cũng như về công nghệ làm sạch. - Phương pháp làm sạch chất thải được lựa chọn theo khối lượng, tính chất và thành phần chất thải. Ngoài ra tính kinh tế kỹ thuật cũng là cơ sở so sánh phân tích khi lựa chọn phương pháp. - Để đạt được hiệu quả xử lí khí thải cao đôi khi cần phải sử dụng phối hợp đồng thời nhiều phương pháp và thiết bị xử lí. Có 3 phương pháp chính:  Phương pháp nhiệt: được ứng dụng để xử lý các chất độc dễ bị oxy hóa và các tạp chất có mùi hôi. Dựa trên sự cháy các tạp chất trong lò hơi hoặc đèn xì.  Phương pháp oxy hóa: Dựa trên sự biến đổi hóa học các cấu tử độc hại thành không độc hại trên các bề mặt các chất rắn.  Phương pháp sinh học: Lợi dụng các vi sinh vật phân hủy và tiêu thụ các chất khí thải độc hại, nhất là các khí thải độc hại ( nhà máy thực phẩm, nhà máy phân đạm). Các vi sinh vật, vi khuẩn sẽ hấp thụ, đồng hóa các khí thải hữu cơ, vô cơ độc hại và thải ra các khí như CO2 II. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 1. Đặc điểm của phương pháp GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 6 - Công nghệ làm sạch khí thải bằng cách thức sinh học hiện nay trong đó có bể xử lý chính có tên “lọc sinh học giọt thấm, bộ lọc sinh học và lọc màng. Cách thức của các dạng bể này tương tự nhau. Khí thải mang chất ô nhiễm bay hơi được đưa qua bể xử lý, ở đó chất bay hơi được chuyển từ pha khí sang pha lỏng. - Các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm sinh trưởng trong pha lỏng này tham dự vào quá trình loại chất ô nhiễm khỏi pha khí. Thường thì vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy ở dạng hỗn hợp. Hỗn hợp này bao gồm các vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh khác nhau tùy thuộc vào một số tương tác và do đó tạo nên một quần thể vi sinh vật. Vi sinh vật thường tập trung thành màng mỏng gọi là màng sinh khối. - Chất ô nhiễm trong khí thải (như toluene, methane, dichloromethane, ethanol, carboxylic acid, esters, aldehydes.) thông thường đóng vai trò là nguồn carbon và năng lượng cho vi sinh tăng trưởng và duy trì hoạt tính. - Nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng giới hạn trên dưới từ 5-60C đến 15-400C - Vi sinh vật thích nghi với môi trường chậm, thời gian lưu dài. - Thành phần các hỗn hợp khí xử lý phải không chứa các chất độc làm chết các vi sinh vật. Một số vi sinh vật thường được sử dụng: Microcosus abbus; Actinomyces globicporus; Micromonospora vulgarus ; Proteur vulgnus ; Bacillus cếu ; Streptomyces, . Mỗi loại khí thải có tính chất khác nhau, cần chọn các vi sinh vật thích hợp với từng nguồn thải. Ví dụ : Hyphomicrobium phân hủy nguồn thải có nhiều diclometan 2. Đặc điểm của nguồn khí thải - Khi lựa chọn công nghệ sinh học để tinh sạch khí thải, cần phải biết các đặc trưng của nguồn khí thải. - Các thông số vật lí :  Độ ẩm và nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học của chất ô nhiễm bởi vi sinh vật có một dải nhiệt độ và độ ẩm tương ứng tối ưu cho sinh trưởng.  Nhiệt độ ảnh hưởng đến phân phối chất ô nhiễm giữa pha lỏng và khí.  Tốc độ dòng khí thải ảnh hưởng đến tốc độ dung nạp chất ô nhiễm trong pha hoạt tính sinh học giảm khả năng phân hủy.  Bản chất và nồng độ của một đơn vị chất ô nhiễm hoặc đơn vị mùi hôi trong dòng khí thải ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống lọc sinh học. Đặc trưng quan trọng của một dòng khí thải : Thông số Đơn vị Độ ẩm tương đối % Nhiệt độ 0C GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 7 Vận tốc thổi khí thải m3h-1 Dạng chất ô nhiễm (hóa học) Nồng độ chất ô nhiễm gm3 Nồng độ mùi ou m3 ( Đơn vị của mùi « ou » là lượng hợp chất (hỗn hợp) gây mùi có trong 1 m3 khí không có mùi (trong điều kiện chuẩn) trong giới hạn chuẩn (CEN,1998)  Những đặc trưng của dòng khí thải cho phép xác định được một khoảng rộng những lựa chọn về kiểu lọc sinh học có thể được sử dụng.  Tính quan trọng vượt trội của hệ số Henry:  Hóa chất mà có khả năng hòa tan trong nước (chất ưa nước) thì rất dễ được giữ lại dễ dàng bằng cách phun nước.  Các hóa chất khó hoàn tan trong nước (chất có hệ số Henry cao) tốt hơn là dùng lọc sinh học.  Nồng độ chất ô nhiễm, hệ số Henry và các thông số đi kèm của các dạng lọc sinh học (biofilter), lọc giọt thấm (biotrickling), lọc phun (sau Groenestijn và Hesenlink, 1993) Lọc lớp Lọc giọt thấm Lọc phun Nồng độ chất ô nhiễm (gm3) <1 <0.5 <5 Hằng số Henry (không có thứ nguyên <10 <1 <0.01 Tốc độ tải bề mặt (m3 m-2 h-1) 50-200 100- 1000 100-1000 Tốc độ tải khối (g m-3 h-1) 10-160 <500 <500 Thời gian thoát khỏi lớp(s) 15-60 30-60 30-60 Tốc độ dung tải (m3 m-3 h-1) 100-200 250-280 Tốc độ giảm tải (g m-3 h-1) 10-160 Hiệu suất loại bỏ (%) 95-99 85-95 GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 8 Mức độ phân hủy sinh học của một số chất Chất hữu cơ Chất vô cơ Phân hủy nhanh Phân hủy nhanh Tốt Chậm Rất chậm H2S Alcolhols Ete Hydrocacbon: CH4, C6H14, Cyclohexan Chất hữu cơ halogen: CH3CHCl NH3 CH3OH CH3COOC2H5 SO2 C2H5OH Keton, Axeton Aldehyt Phenol, Bengen, Stylen, Mercaptan: CH2SH HCHO CH3CHO Amin– RNH2 Axit hữu cơ RCOOH 3. Nguyên lý của quá trình - Cân bằng phân bố của chất ô nhiễm - Sự khuếch tán vào màng sinh học - Phân hủy sinh học của chất ô nhiễm 4. Các quá trình sinh học áp dụng 4.1. Lọc sinh học 4.1.1. Lọc sinh học là gì? - Lọc sinh học (biofiltration) là một công nghệ điều khiển sự ô nhiễm mới. Nó bao gồm sự loại bỏ và oxy hoá những hợp chất khí bị nhiễm bẩn nhờ vi sinh vật. - Lọc sinh học có thể xử lý những phân tử khí hữu cơ-những hợp chất hữu cơ bay hơi (Volatile Organic Compound- VOC) hoặc các hợp chất cacbon hay những hợp chất khí độc vô cơ-amoniac hay H2S. GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 9 Hình cấu tạo bể lọc sinh học đơn giản 4.1.2. Nguyên lý hoạt động Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân huỷ các chất khí có mùi hôi, các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong không khí. Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa các vi sinh vật và hấp thụ hơi nước, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc.Trong hệ thống này, các vi sinh vật sẽ tạo thành một màng sinh học, đây là một màng mỏng và ẩm bao quanh các nguyên liệu lọc. Nguyên liệu lọc được thiết kế sao cho có khả năng hấp thụ nước lớn nhất, độ bền cao, và ít làm suy giảm áp lực luồng khí đi qua ngang nó. Trong quá trình lọc sinh học, các chất khí gây ô nhiễm được làm ẩm và sau đó được bơm vào một buồng phía bên dưới nguyên liệu lọc. Khi chất khí đi ngang qua lớp nguyên GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 10 liệu lọc, các chất ô nhiễm bị hấp thụ và phân huỷ. Khí thải sau khi đã lọc sạch được phóng thích vào khí quyển bên trên hệ thống lọc. Mô hình lọc sinh học Các vi sinh vật phân huỷ các chất ô nhiễm theo phương trình sau: Chất hữu cơ ô nhiễm + O2 CO2 + H2O + Nhiệt +Sinh khối GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 11 Bể lọc sinh học có một lớp nguyên liệu lọc ở nhà máy Monsanto 4.1.3. Các lưu ý khi lựa chọn vật liệu lọc - Khả năng giữ ẩm để tạo lớp màng sinh học. - Có diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ và phát triển của vi sinh vật. - Có chứa các dưỡng chất để cung cấp cho các vi sinh vật. - Tạo lực cản không khí thấp (giảm mức độ sụt áp và năng lượng cần sử dụng cho máy bơm). - Các tính chất lý học khỏc như độ ổn định lý học và dễ dàng thao tác. Vật liệu nhồi( vật liệu lọc) Vật liệu nhồi phải có tỷ diện lớn, tính thấm lớn, cũng như phải cung cấp một nguồn dinh dưỡng tốt cho sinh trưởng của vi sinh vật. Vật liệu ấy có thể là vật liệu tự nhiên hay tổng hợp. Các vật liệu tự nhiên bao gồm: đất, compost, than bùn, vỏ bào gỗ. Sỏi và đá có thể được dùng, nhưng do tỷ số bề mặt/khối lượng là nhỏ nên tốc độ phản ứng theo khối lượng là thấp. Các vật liệu tổng hợp bao gồm: các hạt gốm, các hạt polyetylen, các hạt đất khuê tảo. GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO NHÓM THỰC HIỆN: 5 12 Dưới đây chúng ta thảo luận về một số loại vật liệu nhồi cụ thể: Compost Đó là loại vật liệu nhồi được dùng phổ biến nhất hiện nay. Có rất nhiều loại compost đã được dùng làm vật liệu nhồi, đó là các compost bắt nguồn từ rác sinh hoạt, từ bùn của nước thải, từ phân chuồng v.v... các tính chất của những compost ấy thì rất khác nhau, và đôi khi bao gồm cả những nhược điểm của chúng. Chẳng hạn có những loại compost nghèo dinh dưỡng và/hoặc nghèo vi sinh vật (mật độ quần thể thấp). Nói chung quần thể vi sinh vật trong compost là phong phú, và việc bổ sung vi sinh vật là không cần thiết. Tuy nhiên, nếu bổ sung thì việc khởi động hệ thống có thể diễn ra nhanh hơn. Các compost của đống ủ phân trộn đang hoạt động (chưa hoại) chứa nhiều nitơ dễ sử dụng hơn so với các compost của đống ủ đã xong (đã hoại), và nhiệt độ ở đó có thể lên đến trên 600C. Độ ẩm của vật liệu nhồi bằng compost nên được duy trì ở mức 5