Xử lý khí thải bằng phương pháp sinh học

XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Nguyễn Văn Phước – Khoa Môi Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM I. GIỚI THIỆU CHUNG Ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề nan giải. Hằng năm 1,6 tỉ tấn hoá chất độc hại được thải trực tiếp vào môi trường không khí 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, mỹ phẩm, dệt nhuộm. Các loại hoá 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 khí thải thông thường như: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất, ngưng tụ, đốt, oxy hoá (có hoặc không xúc tác). Phương pháp sinh học bao gồm lọc sinh học, tháp rửa, lọc sinh học nhỏ giọt, màng sinh học đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi cho xử lý khí ô nhiễm. Các phương pháp trên hoạt động ổn định, hiệu quả xử lý cao , chi phí đầu tư và vận hành thấp. Nguồn gốc hình thành các hợp 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 mêtan đến hydrocacbua thơm, alcoho, aldehyt, keton, este, hợp chất hữu cơ của halogen cũng như hợp chất hữu cơ có chứa liên 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 đến sức khoẻ con người (nhiễm độc qua đường hô hấp). Aûnh hưởng đến sức khỏe con người: Gây nhức đầu, buồn nôn, chóng mặt, chảy máu não, chảy máu phế quản, phù phổi, vật vã. Ngủ sâu, khi tỉnh lại có thể bị mất trí nhơ. Ù Thường gặp ở những người có môi trường làm việc phải thường xuyên tiếp xúc với các khí hữu cơ. Tuỳ vào liều lượng, nồng độ å mà biểu hiện nhiễm độc thể hiện ở những mức độ khác nhau. Những biểu hiện thường gặp :viêm 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 hoá: kém ăn, nôn, xáo trộn, tổn hại đến dạ dày, -Một số chất có khả năng gây ung thư :benzen, styrene butadience gây ung thư máu; ung thư da, ung thư tinh hoàn và mức độ nhiễm bệnh theo thời gian tiếp xúc. Ung Thư Máu Tổn Hại Tế Bào Phổi Ung thư da II. PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Cơ chế: sử dụng vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong thành phần khí thải thành CO2, H2O và các sản phẩm ít nguy hại. 4 quá trình sinh học thường được áp dụng bao gồm: Lọc sinh học Tháp tưới sinh học Lọc nhỏ giọt Màng sinh học 2.1. Lọc sinh học (Biofilter) Biofilter, sử dụng vật liệu lọc như than, đất, xi(... có khả năng xử lý đến 99% khí ô nhiễm. Thiết bị trên được áp dụng rộng rãi cho xử lý mùi sinh ra từ các nông trại chăn nuôi, chế biến thực phẩm, phân bón hữu cơ và các khí ô nhiễm từ các nhà máy công nghiệp: in, dệt nhuộm,.. Phương pháp trên rẻ tiền hơn các phương pháp hóa học khác như hấp thụ, hấp phụ , .. Ưu điểm: Thể tích nhỏ nhất Ít năng lượng nhất Xử lý một lượng lớn các chất ô nhiễm hữu cơ bay hơi Khuyết điểm: Cần thời gian cho VSV phát triển Khó kiểm tra khả năng phân hủy sinh học Hình 1: Mô hình lọc sinh học 1980 lọc sinh học được áp dụng cho xử lý VOC, khí độc ở Tây Đức và Hà Lan, sau đó là Mỹ, mehico, Pháp, ý. Các hệ thống trên xử lý rượu, phenol, keton, dầu khoáng. Các yếu tố ảnh hưởng đếnhoạt động của hệ thống xử lý: pH, nhiệt độ, nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng ẩm , độ ẩm tương đối của không khí . Xử lý khí thải từ công nghiệp chế biến gỗ, sản xuất giấy Lọc sinh học thuận lợi cho xử lý khí thải trong chế biến gỗ do: sử dụng ngay gỗ làm vật liệu tiếp xúc. Chất ô nhiễm từ pha khí chuyển trực tiếp vào lớp màng vi sinh vật sau đó bị phân hủy. Các chất khí ô nhiễm hoà tan kém trong nước. Hình 2: Mô hình lọc sinh học Aùp dụng hệ thống lọc sinh học cho xử lý khí thải ít ô nhiễm . Hình 3: Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải Cyclic trong công nghiệp chế biến gô” Kết quả nghiên cứu xử lý khí cyclic trong mô hình lọc sinh học cho thấy: sau 271 ngày vận hành, hiệu quả xử lý đạt 80% - 90%, với thời gian lưu : 40 giây; nồng độ cyclic trung bình:25 ppmv. Trong giai đoạn vận hành, thường xuyên tưới nước , đảm bảo độ ẩm lớn hơn 15%. Xử lý ethanol bằng phương pháp lọc sinh học (richard auria) Bể phản ứng chứa các lớp vật liệu lọc: than, đá, vật liệu nhân tạo. Không khí ô nhiễm sẽ đi qua lớp vật liệu trên. Tại đây các vi sinh vật tham gia phân hủy các chất ô nhiễm chuyển thành CO2 và nước. Bể lọc sinh học có, đường kính trong 14 cm; không khí khô đi qua hệ thống tạo ẩm, ethanol cũng đi qua hệ thống tương tự sau đó nhập 2 dòng lại. Vật liệu lọc là than bùn (50% thể tích). Trong quá trình vận hành cần bổ sung các chất dinh dưỡng, vi lượng cho hệ thống. Ở giai đoạn start up, ethanol hấp thụ trên bề mặt ẩm. Bị phân hủy thành acetaldehyde, acid acetic, ethyl acetate sau đó sẽ chuyển hoá thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Kết quả nghiên cứu cho thấy: 1 g ethanol sinh 0,35 g CO2. Hiệu quả xử lý: 39 g/m3/h. 2.2. Tháp tưới sinh học (Bioscrussber) Nguyên tắc: Các chất ô nhiễm trong không khí sẽ bị hoà tan, hấp thụ vào nước, sau đó chuyển hoá thành các sản phẩm không độc hại. Ưu điểm: Dễ điều khiển pH, nhiệt độ, dinh dưỡng, oxy Khuyết điểm: Chi phí về năng lượng, lắp đặt, bảo trì, vận hành cao hơn so với biofilter Hình 4: Mô hình tháp tưới sinh học 2.3. Trickling Biofilter Bắt nguồn từ biofilter và bioscrussber. VSV phát triển trên bề mặt vật liệutiếp xúc tham gia vào quá trình phân hủy cơ chất. Ưu điểm: - Bể phản ứng độc lập - Dễ kiểm soát pH và dinh dưỡng - Ít nhu cầu năng lượng hơn bioscrussber Khuyết điểm: Tiêu tốn nhiều năng lượng hơn biofilter Nghẹt màng (vi khuẩn kị khí phát triển) Phụ ï thuộc trọng lực Hình 5: Mô hình lọc sinh học nhỏ giọt Mô hình lọc sinh học nhỏ giọt ứng dụng phổ biến cho xử lý mùi, khí thải hữu cơ (toluen, phenol, Chlorobenzenes và o-Dichlorobenzenes ), H2S và một số hợp chất lưu huỳnh, N-NH3, mercaptane ,...Điển hình như: Xử lý 95% H2S ; 40-50% mercaptan, từ khí cống rảnh sau thời gian lưu nước 5 giây. Xử lý toluen bằng vi khuẩn pseudomonas trong mô hình lọc sinh học nhỏ giọt sử dũng môi trường dinh dưỡng nhân tạo bao gồm: glucose, dinh dưỡng, vi lượng . Trong mô hình trên, các vi khuẩn tham gia phân hủy các hợp chất mạch vòng, giảm số vòng thơm. pH xử lý: 4,5 – 7, thời gian tiếp xúc: 1 phút. Hàm lượng toluen: 400 ppm Với tốc độ dòng khí: 12.5 l/phút. Hiệu quả khử toluen đạt 75-8y( Tốc độ dòng khí: 2,94 l/phút. Hiệu quả khử toluen đạt 94% Aùp suất ngập lụt: 3,3 kPa/m Thời gian thích nghi: 11-15 ngày. Sơ đồ hệ thống trình bày ở hình 6: Hình 6: Sơ đồ hệ thống xử lý toluen Mô hình gồm: Cột PVC, d=10,3 cm; cao: 147,6 cm; vòng raschig (yên ngựa) , có diện tích bề mặt riêng 291 m2/m3. Hệ thống lên men (bằng thủy tinh): 6,8 lít. Xử lý VOC, H2S Các thông số vận hành như sau: Thông số Giá trị Chiều cao của lớp vật liệu 3 – 6 ft Diện tích tiếp xúc 10 – 32,000 Lưu lượng dòng khí vào, CFM 600 – 600,000 Thể tích vật liệu, % 90 – 95% Thời gian lưu khí 2 – 60 , s Độ giảm áp khi qua giá thể 0.36 - 2, inch H2O pH của pha lỏng tuần hoàn + Xử lý VOC + Xử lý H2S 7 1-2 Nồng độ VOC, grains ft3 ( grains = 0.0648 gram) 4.57x10-3 - 45.7 Khả năng xử lý,% 60 – 99.9 Mô hình phân lập 2 loài vi khuẩn đặc trưng là: - Pseudomonas sp và Alcaligenes sp Phương pháp thí nghiệm - Dòng khí được sục vào bình chứa CB & o-DCB và mang hơi CB & o-DCB đi qua cột lọc. - Nồng độ và lưu lượng khí được xác định bằng các thiết bị chuyên biệt - Đồng thời dòng nước tuần hoàn được phun đều trên bề mặt giá thể. pH được tự động điều chỉnh trước khi tuần hoàn trở lại Hình 7: Hình ảnh nghiên cứu thực nghiệm VSV tiêu thụ CB có khả năng chịu được sự thay đổi pH và nồng độ muối trong dòng tuần hoàn lớn hơn so với o-DCB CNaCl (nước tuần hoàn)=200 mM làm giảm HQXL chi còn 20-40% HQXLmax CNaCl (nước tuần hoàn)=500 mM HQXL = 0 Thay nước tuần hoàn khi nồng độ NaCl quá cao 2.4. Quá trình màng sinh học Tương tác giữa khí ô nhiễm và các dung dịch lỏng chứa các chất dinh dưỡng. Các chất ô nhiễm sẽ khuyếch tán và bị phân hủy sinh học Khử dimethyl sunfate từ khí thải bằng màng lọc sinh học Màng lọc sinh học bao gồm:màng polydimethylxiloxane, kích thước 17 um. Vi khuẩn chính tham gia phản ứng: methylotrophic; pH tối ưu = 6. Hàm lượng sunfate <8g/l. Hiệu quả xử lý khí ô nhiễm: (C =38 mg Me2S /m3) là 99% sau 24 s; 90% sau 12 s và 85% sau 8 s. tải trọng tối ưu: 4,82 kg me2S/m3.ngày (cao hơn so với biofilter và biotrickling filter quy ước). Thể tích dung dịch tuần hoàn: 400 ml Hàm lượng bùn (VSV) : 0,41 g VS/l Hoatï tính phân hủy: 0,24 g Me2S/g VS.ngày PH tối ưu 6-7: E% - 90% pH: 8,5 và 3: E%: 60% pH: 2,4; E%: 20% Kết quả nghiên cứu cho thấy: 8 g S-SO4/l, hiệu quả xử lý 85 -90% 15 g S-SO4/l, hiệu quả xử lý giảm 50% và 22 g S-SO4/l hệ thống hầu như ngưng hoạt động. Mô hình không phù hợp khí có sự tích lũy muối và acid. Hình 8: Mô hình màng sinh học Các thông số vận hành được trình bày ở bảng 2: Bảng 2: Kết quả xử lý dimethyl sulfate trên mô hình màng lọc sinh học 3. KẾT LUẬN: Phương pháp sinh học phù hợp cho xử lý khí thải với hiệu quả xử lý trên 90% Aùp dụng xử lý sinh học rẻ tiền, chi phí đầu tư và vận hành thấp so với các phương pháp hoá học. Thuận lợi cho xử lý dung môi hữu cơ, các khí độc hại. Không để lại sản phẩm phụ nguy hại