giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 6 xử lý khí

giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 6 xử lý khí

CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

THẠC SĨ VƯU NGỌC DUNG

BÀI 6: XỬ LÝ KHÍ THẢI

1 Giới thiệu

2 Kỹ thuật tinh sạch khí thải sinh học

3 Các thông số thực hiện

4 Các đặc trưng của dòng khí thải

5 Các nguyên lý của quá trình

Giới thiệu

• Kỹ thuật làm sạch khí thải bằng phương pháp sinh học

là lựa chọn và vận hành công nghệ làm sạch khí thải bằng biện pháp sinh học

• Mục tiêu là bảo đảm việc truyền khối và phân huỷ sinh học chất ô nhiễm có trong dòng khí thải

• Phân huỷ sinh học xảy ra khi vi sinh vật sử dụng chất ô nhiễm làm nguồn carbon hoặc làm chất cho điện tử

• Vi sinh vật có thể chuyển hoá không đặc trưng là đồng chuyển hoá ‘co-metabolism’

• Quá trình phụ thuộc: đặc trưng hoá lí của chất ô nhiễm, khả năng phân hủy của vi sinh vật, điều kiện vận hành

và môi trường…

Kỹ thuật làm sạch khí thải bằng biện pháp sinh học

1 Lọc sinh học (biofilter)

2 Lọc sinh học nhỏ giọt (Biotrickling)

3 Lọc phun sinh học (Bioscrubber)

4 Bể phản ứng sinh học màng

Lọc sinh học (biofilter)

• Khí thải được dẫn qua lớp vật liệu hữu cơ: compost, đất hay gỗ vụn

• Dinh dưỡng được cung cấp dưới dạng chất hữu cơ

• Phía trên cùng của lớp vật liệu là một lớp mỏng chất lỏng

Lọc sinh học nhỏ giọt (Biotrickling)

• Tương tự như lọc sinh học (biofilter)

• Chất ô nhiễm chuyển từ pha khí vào lớp màng hoạt động sinh học bao ngoài chất nền

• Chất nền thường là vật liệu hóa học trơ như vòng bằng nhựa

• Dinh dưỡng được cung cấp cho vi sinh vật thông qua pha lỏng

Lọc phun sinh học (Bioscrubber)

Công nghệ và cấu hình mang vi sinh vật

(a) lọc lớp

(b) lọc giọt thấm

(c) lọc phun d) lọc màng

Các đặc trưng của khí thải

• Các thông số vật lí:

Độ ẩm và nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ 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 huỷ

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

Đơn vị của mùi “ou” là lượng hợp chất (hỗn hợp) gây mùi có trong 1 m 3 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 vể kiểu lọc sinh học có thể được sử dụng.

• Tính quan trọng vượt trội của hệ số Henry:

Hoá chất mà có khả năng hoà tan trong nước (chất ưa nước) thì rất dễ được giữ lại dễ dàng bằng cách phun nước

Các hoá chất khó hoàn tan trong nước (chất có hệ số Henry cao) tốt hơn cả 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 nhỏ giọt

(biotrickling), lọc phun sinh học

Các nguyên lý của quá trình

• Cân bằng phân bố của chất ô nhiễm

• Sự khuếch tán

• Phân huỷ sinh học chất ô nhiễm

• Hoạt động của bể xử lí

Cân bằng phân bố của chất ô

nhiễm

• Bước đầu tiên của quá trình phân huỷ sinh học là phân bố chất ô nhiễm giữa pha khí và lỏng

• Sự phân bố cân bằng về nồng độ phụ thuộc nhiều vào

hệ số Henry của chất ô nhiễm

• Nồng đô chất ô nhiễm trong pha khí và pha lỏng được tính theo phương trình:

KH = Cg/C1

KH = hệ số Henry (không có thứ nguyên);

Cg = nồng độ trong pha khí (mol m-3 hoặc g m-3 )

C1 = nồng độ trong pha lỏng (mol m-3 hoặc g m-3 )

Trình tự phân huỷ vi sinh một chất ô nhiễm trong hệ

thống lọc lớp

Hệ số Henry (không có thứ nguyên) cho một số chất ô nhiễm có khả năng xử lí được bằng hệ thông lọc sinh

học

Sự khuếch tán

• Sự di chuyển của chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha hoạt động sinh học (màng sinh học) xảy ra theo kiểu khuếch tán và được mô tả bằng định luật Fick:

J = - D (dC1/dx)

J = dòng khối (mol m-2 s-1 hoặc g m-2 s-1)

D= hệ số khuếch tán (m-2 s-1)

C1= nồng độ trong pha lỏng (mol m-3 hoặc g m-3)

x = độ dày lớp sinh khối (m)

• Quá trình khuếch tán trong nước xảy ra chậm hơn trong pha khí, từ pha lỏng vào màng sinh học chậm hơn nhiều

• Trong màng có lớp rỗng, quá trình khuếch tán xảy ra ở chất lỏng nằm trong những lỗ rỗng

• Khi lựa chọn một loại màng nào đó cần nghiên cứu xác định vật liệu tương ứng với đặc trưng khuếch tán của chất ô nhiễm đã biết

• Trong những bể xử lí không có hệ thống màng, chất ô nhiễm cần phải đi xuyên qua pha nước để đến được lớp màng có hoạt tính sinh học

• Việc xác định được giới hạn giữa pha lỏng và màng hoạt tính sinh học rất khó

Hệ số khuếch tán của một số chất trong khí,

nước và trong vật liệu màng

Phân huỷ sinh học chất ô nhiễm

• Chuyển hoá vi sinh vật xảy ra khi chất ô nhiễm được sử dụng làm nguồn năng lượng

• Để vi sinh vật sinh trưởng thì cần phải có dinh dưỡng, khoáng, vitamin và những yếu tố khác

• Ví dụ:

 Toluen được sử dụng làm nguồn cho điện tử và nguồn cacbon của nhiều vi khuẩn dị dưỡng hữu cơ, oxy làm chất nhận điện tử

 Các vi khuẩn nitrát hoá dưỡng sử dụng ammonium làm chất cho điện tử, oxy làm chất nhận điện tử và CO2 làm nguồn cacbon để tạo sinh khối

• Sinh khối đóng vai trò chất xúc tác sinh học duy trì ổn định màng sinh học

• Năng lượng tạo thành theo phương trình Monod cải tiến:

• Thực tế, khó xác định được những thông số này  để thiết

kế hệ thống lọc cần phải dựa trên những kết quả thực nghiệm ở quy mô pilot

Chuyển đổi SO2 bằng khử sulphat và các bể oxi hoá sulphit kế tiếp tạo thành lưu huỳnh nguyên tố bằng sinh học.1: Hấp thụ khí SO2; 2: Khử sulphat; 3: Khử

một phần H2S; 4: Tách bùn giàu lưu huỳnh sinh học

Sản phẩm không có khả năng sử dụng lại

Đối với quá trình loại SO2bằng lọc phun thì chuyển SO2thành bột lưu huỳnh

• Ở vùng có tốc độ tải lượng thấp hơn có khả năng khử

bỏ và hiệu suất loại bỏ là 100%  ô nhiễm cung cấp cho

bể lọc đều bị loại bỏ khỏi không khí

• Có thể có tải lượng thấp bằng cách giảm nồng độ chất ô nhiễm trong pha khí và giảm vận tốc dòng khí

• Khi tải lượng tăng, không còn tồn tại khả năng khử bỏ hoàn toàn và ổn định

Đường biểu diễn đặc trưng khả năng khử bỏ theo tốc

độ tải lượng

• Hai hiện tượng khử bỏ không hoàn toàn chất ô nhiễm:

Khuếch tán giới hạn: không phải tất cả các chất ô nhiễm khuếch tán vào màng sinh học và không phải tất các vi sinh vật có thể tham gia phân huỷ chất ô nhiễm

Phản ứng giới hạn: chất ô nhiễm khuếch tán hoàn toàn vào màng sinh học nhưng không bị các chất xúc tác sinh học phân huỷ đủ nhanh và hiệu quả

• Chuyển hoá vi sinh vật có thể bị ức chế bởi các yếu tố: dinh dưỡng, chất gây độc…

Kiểm soát bể xử lí

Các yếu tố môi trường:

• Các vi sinh vật sinh trưởng tối ưu ở một dải pH 6-8

• Nhiệt độ: 25-40oC: mesophilic và 50-70oC: thermophilic

• Bể lọc vận hành tối ưu ở độ ẩm 40-60%, nước dư  rửa trôi sinh dưỡng và tạo túi nước nhỏ nên sự khuếch tán chất ô nhiễm và chất nhận điện tử (oxy) cho vi sinh vật hoạt động trở nên bị giới hạn

Các bể lọc đều lắp đặt thiết bị tuần hoàn chất lỏng nên có thể tối ưu hoá các yếu tố như nhiệt độ, pH và dinh dưỡng trong những hệ thống lọc kế tiếp

Có thể cho thêm đồng-cơ chất cho vi sinh vật

Xu lướng

• Lọc khí thải bằng phương pháp sinh học có phương

hướng cạnh tranh với phương pháp lọc carbon hoặc đốt

• Ưu điểm: chi phí đầu tư và vận hành thấp

• Nhược điểm: giai đoạn khởi động hệ thống khá lâu và độ tin cậy giới hạn

• Nghiên cứu phát triển bể lọc có khả năng kiểm soát được sinh khối vi sinh

• Vi sinh vật có nguồn gốc tự nhiên hoặc biến đổi gen cần

có sẵn để sử dụng làm xúc tác sinh học công nghiệp

• Sản xuất sinh khối có chất lượng và kiểm soát quá trình

là phương pháp sinh học xử lý khí thải trong tương lai

Các ứng dụng thương mại của sự tinh

• Chất lượng khí đạt với yêu cầu giảm ít nhất 70%

• Bể lọc có thể tích 486 m3, chiều dày 90 cm, thời gian EBRT (ra khỏi hệ thống) là 2,5 phút, công ty Bohn của Tucson, Arizona lắp đặt để kiểm soát VOC

• Bể lọc được xây dựng ngay bên trên mặt đất, gần thiết bị

sử dụng, khu vực đậu xe và hệ thống rào phân cách dùng làm thành của bể lọc

• Không khí đi vào được làm ẩm và nước tưới nhờ hệ thống phun tia có lắp điều khiển thời gian

• Hệ thống chỉ vận hành có khí thải, khoảng 80 giờ/ tuần

• Tổn thất áp lực là ít nhất (5cm) do không khí lưu giữ khá lâu trong hệ thống

• Nồng độ VOC đầu vào và đầu ra được quan trắc liên tục Kết quả là 95% VOC đã bị loại bỏ cho thấy còn tốt hơn là yêu cầu

• Chi phí cho cả hệ thống là 78.000 USD

• Lọc đất đơn giản, rẻ tiền, nhưng chiếm diện tích

Bể lọc sinh học hở bằng compost để xử lý mùi từ trại chăn

nuôi

• Mùi hôi từ những trại nuôi súc vật là vấn đề ở một số cộng đồng, từ nơi nuôi, trữ phân hoặc nơi bón phân…

• Mùi hôi chủ yếu bởi H2S và ammonia

• Vật liệu và thiết bị để lắp đặt cho bể lọc dễ tạo

• Kích thước tuỳ mặt bằng sẵn có và quạt gió được sử dụng để thổi khí

• Áp suất tĩnh không quá 60 Pa tương ứng độ dày 28 cm

• Vận tốc lọc tổng của 3 bể lọc là từ 641 m3/giờ (vào mùa đông) đến 4634 m3/giờ (vào mùa hè)

• EBRT khoảng 5 giây, 18 giây (mùa hè) đến 3 giây (mùa đông)

• Mùi được thu lại bằng một hố phía dưới nền của trại, mùi được hút ra khỏi hố bằng quạt hút gắn ngay dưới nền nhà

• Không khí được dẫn vào bằng những ống gỗ dán tới hệ thống khí phía dưới lớp lọc

• Vật liệu lọc, tỷ lệ 1:1 của compost : cành cây chặt nhỏ

• Tổng mặt bằng của bể lọc sinh học này là 189 m2

• Mùi giảm khoảng 80% trong 10 tháng đầu vận hành

• Sử dụng các vật liệu sẵn có

• Chi phí cho một bể lọc:10.000 USD hoặc 0.13 USD /1m3

• Chi phí vận hành: 300 USD/ năm

Hình: Sơ đồ cấu tạo một hệ lọc hở dùng compost

Hết bài 6