ứng dụng phương pháp sinh học kỵ khí khi xử lý bùn và nước thải

• Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hay do một số chất được đưa thêm vào.. • Nhu cầu oxy sinh hóa BOD: dùng để xác định lượng chấ

GVHD: GS.TS Lâm Minh Triết

SVTH: 1 Nguyễn Thị Mỹ Nha

2 Nguyễn Thị Xuân Nguyên

3 Phan Phương Thảo

4 Nguyễn Hải Lâm

5 Hoàng Thị Ngọc Anh

TP HCM, tháng 11/2010

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ

TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ

Nguyên tắc xử lý chất hữu cơ

bằng phương pháp kỵ khí

 (COHNS) + VSV kị khí  CO2 +

H2S +NH3 + CH4 + các chất khác + năng lượng

 (COHNS) + VSV kị khí + năng lượng 

C5H7O2N (tế bào vi sinh vật mới)

• Có 4 giai đoạn xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:

- Thủy phân hay hydro hoá

Các quá trình chuyển hoá trong xử lý kỵ khí

Điều kiện áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí

• Tuyệt đối không có oxy

• Chất dinh dưỡng đủ và cân bằng

So sánh cân bằng COD giữa phương pháp hiếu khí và kỵ khí

Kỵ khí: COD trong nước thải phần lớn được chuyển thành

methane, loại khí đốt có giá trị Một lượng rất nhỏ COD được chuyển thành bùn Không đòi hỏi đầu tư ở khâu đầu vào để hệ thống hoạt động

Hiếu khí: COD trong nước thải phần lớn được chuyển thành

bùn,  đắt trong khâu xử lý bùn "waste sludge factory“ (≥ 3 – 20 lần); xục khí  đắt trong việc cung cấp năng lượng

Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể xảy ra theo hai cách: Nhiễm bẩn tự nhiên và nhiễm bẩn nhân tạo.

• Nhiễm bẩn tự nhiên do nước mưa chảy tràn trên

bề mặt đất mang theo chất bẩn và vi khuẩn gây bệnh vào nguồn nước tiếp nhận

• Nhiễm bẩn nhân tạo chủ yếu đo xả nước thải (sinh hoạt, bệnh viện, công nghiệp và nông nghiệp) vào nguồn nước tiếp nhận

2 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

Ảnh hưởng của nước thải đến môi trường

Nước thải

Môi trường không khí Sức khoẻ con người

Thành phần vật lý và hóa học của nước thải

Tính chất vật lý

• Màu: nước thải mới có màu nâu hơi sáng, tuy nhiên thường là có màu xám có vẫn đục Màu sắc của nước thải sẽ thay đổi đáng kể nếu như bị nhiễm khuẩn, khi đó sẽ có màu đen tối

• Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hay do một số chất được đưa thêm vào

• Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải thường cao hơn

so với nguồn nước sạch ban đầu, do có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máy móc sản xuất

• Lưu lượng: thể tích thực của nước thải cũng được xem là một đặc tính vật lý của nước thải, có đơn vị

m3/người.ngày Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo ngày

Tính chất hóa học

• Độ kiềm: thực chất độ kiềm là môi trường đệm để

giữ pH trung tính của nước thải trong suốt quá trình xử lý sinh hóa

• Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh hóa trong nước thải, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ

200C BOD5 trong nước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100 – 300 mg/l

• Nhu cầu oxy hóa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hóa trong nước thải COD thường trong khoảng 200 – 500 mg/l Tuy nhiên,

có một số loại nước thải công nghiệp, COD có thể tăng rất nhiều lần

Tính chất hóa học

• Các chất khí hòa tan: đây là những chất khí có thể hòa tan trong nước thải Nước thải công nghiệp thường có lượng oxy hòa tan tương đối thấp

• Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa

N sẽ thay đổi đối với mỗi loại nước thải khác nhau

• pH: đây là cách nhanh nhất để xác định tính axit của nước thải Nồng độ pH khoảng 1 – 14 Để xử

lý nước thải có hiệu quả pH thường trong khoảng 6 – 9,5 (hay tối ưu là 6,5 – 8)

• Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động

sinh hóa P thường trong khoảng 6 – 20 mg/l

• Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước

3 QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ XỬ LÝ BÙN

Nguồn gốc

• Các quá trình xử lý nước thải dân dụng và nước thải công nghiệp đều dẫn đến việc tách các chất gây ô nhiễm và chuyển chúng sang pha có thể tích nhỏ hơn (bùn)

• Các quá trình thường được áp dụng là tách pha rắn ra khỏi nước thải bằng lắng, gạn, tuyển nổi, lọc

• Dùng các quá trình hóa học để tách các chất gây

ô nhiễm ở dạng keo tụ, tạo bông, kết tủa Dùng các quá trình sinh học để phân huỷ các chất hữu cơ gây

ô nhiễm

Nguồn gốc (tt)

• Như vậy sau quá trình xử lý và làm sạch nước thải, nước sạch được tái sử dụng lại còn bùn tạo thành sẽ được thải đi

• Thông thường ta có: (V bùn / V nước thải) x 100% < 1%

Mục đích xử lý bùn thải

• Giảm khối lượng hỗn hợp bùn cặn bằng cách tách nước có trong hỗn hợp bùn cặn để giảm kích thước công trình xử lý

và giảm thể tích cặn phải vận chuyển tới nơi tiếp nhận

• Phân huỷ các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, chuyển chúng thành các chất hữu cơ ổn định và các hợp chất vô cơ dễ dàng tách nước và không gây tác động xấu đến môi trường nơi tiếp nhận

• Bùn sẽ được tách các thành phần hữu cơ và vô cơ bằng phương pháp thủy lực: chất vô cơ nặng sẽ lắng xuống, chất hữu cơ nhẹ hơn sẽ nổi lên trên Các chất vô cơ sẽ tận dụng

để sản xuất vật liệu xây dựng, các chất hữu cơ được xử lý bằng phương pháp sinh học tận dụng cho việc làm phân bón.

Các phương pháp xử lý bùn

1 Điều hoà: Điều hoà bùn là sử dụng các tác nhân hoá học và biện pháp vật lý làm thay đổi liên kết ẩm với rắn trong bùn để tăng tốc độ tách nước khỏi bùn Quá trình này thường tiến hành trước khi tách nước hoặc kết hợp với tách nước.

2 Làm đặc : lắng trọng lực, tuyển nổi, lắng ly tâm.

3 Tách nước: lọc chân không, lọc ly tâm, lọc ép: lọc qua lớp cát, lớp sỏi, lớp than, sân phơi bùn.

4 Chuyển hóa: phân hủy yếm khí; phân hủy hiếu khí; đốt; chế thành phân bón; ổn định bằng vôi; tẩy trùng bằng clo

Xử lý bùn theo phương pháp sinh học kỵ khí

Vi khuẩn tham giá các quá trình trên rất nhạy với sự thay đổi độ pH Khoảng pH hoạt động là

từ 6,5 - 8,0; độ pH thích hợp là 7,2 - 7,4 Tốc độ phân huỷ tuỳ thuộc vào lưu lượng cấp bùn, độ

pH, đặc trưng của pha rắn, nhiệt độ, mức độ pha trộn giữa bùn thô với phần đã phân huỷ

Bể mêtan

• Đây là công trình xử lý cặn hiệu quả nhất

• Thời gian lên men ngắn: 6-20 ngày, thể tích ngăn bùn nhỏ

Cấu tạo bể mêtan

Khi bể làm việc bình thường:

Thường có 2 kiểu bể tiêu huỷ, tốc độ bình thường (chuẩn)

và tốc độ cao Trong tiêu huỷ tốc độ chuẩn, các chất trong

bể tiêu huỷ không được đun ấm lên và không được khuấy trộn Thời gian lưu dao động từ 30 - 60 ngày Trong quá trình tiêu huỷ tốc độ cao các chất tiêu huỷ được đốt ấm và khuấy trộn đều Thời gian lưu là 15 ngày hoặc ít hơn

4 QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Ưu điểm quá trình sinh học kỵ khí

• Hệ thống xử lý kỵ khí tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành Trong trường hợp nước thải được xử lý ở nhiệt độ từ 25-35 o C thì năng lượng yêu cầu trong khoảng

từ 0,05-0,1 kWh/m 3 nước thải (0,18-0,36 MJ/m3) (Lettinga

và ctv., 1998) Đó là năng lượng cung cấp cho máy bơm

để bơm nước thải từ công trình đơn vị này đến công trình đơn vị khác hoặc để bơm tuần hoàn nước thải

• Hệ thống XLKK là một hệ thống sản sinh ra năng lượng,

vì trong quá trình phân hủy kỵ khí những hợp chất hữu cơ

bị phân hủy sẽ chuyển thành khí CH4 Mức độ sinh khí

CH4 phụ thuộc vào tốc độ phân hủy COD đầu vào.

• Sự hình thành bùn trong QT XLKK thì thấp hơn nhiều bùn được tạo ra trong QT hiếu khí, nên giảm chi phí xử lý bùn thải Lượng bùn thải trong QT XLKK còn được giảm thấp nếu giảm nồng độ phốtphát trong nước thải Lượng bùn

kỵ khí này dễ ổn định hơn và quá trình khử nước thực hiện cũng dễ hơn so với bùn hiếu khí.

Ưu điểm quá trình sinh học kỵ khí (tt)

• Yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử

lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật hiếu khí

• Có khả năng chịu được tải trọng cao: những hệ thống kỵ khí hiện nay có thể xử lý với hiệu suất

từ 85-90% COD với tải trọng hữu cơ đầu vào khoảng 30g COD/l/ngày ở 30oC và 50g COD/l/ngày ở nhiệt độ 40oC với nước thải với nồng độ chất hữu cơ trung bình Đối với những nước thải có thành phần phức tạp khác (không tan, khó phân huỷ sinh học, có độc tính v.v.), tải trọng hữu cơ có thể giảm hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí

Ưu điểm quá trình sinh học kỵ khí (tt)

• Một ưu điểm khác của hệ thống kị khí là bùn kỵ khí

có thể bảo quản trong một thời gian dài (hơn 1 năm) mà không cần nuôi dưỡng bằng dưỡng chất Hoạt tính của bùn vẫn giữ nguyên khi bùn được giữ

ở nhiệt độ nhỏ hơn 15 o C Do đó, có thể sử dụng lượng bùn dư của hệ thống này làm nhân cho hệ thống khác và giảm thời gian vận hành hệ thống.

• Vốn đầu tư để xây dựng hệ thống xử lý kỵ khí không nhiều, diện tích sử dụng cho hệ thống nhỏ,

và thời gian sử dụng dài hơn hệ thống hiếu khí là những ưu điểm nổi bậc của hệ thống kỵ khí.

Nhược điểm quá trình sinh học kỵ khí

• Vi khuẩn tạo khí mêtan có độ nhạy cao với một số chất hóa học nhất định, ví dụ những chất hydrocarbon có nguồn gốc halogen, một số hợp chất hữu cơ có Nitơ, CN- và ion tự do của kim loại nặng Trong một số trường hợp những chất này biểu thị độc tính, hoặc làm cản trở sự sinh trưởng, phát triển của những vi khuẩn tạo khí mêtan Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những vi khuẩn kỵ khí có thể thích nghi một số chất hóa học và có thể phân hủy chúng

• Giai đoạn khởi động của hệ thống kỵ khí thường mất nhiều thời gian (6-12 tuần) bởi vì sự tăng trưởng chậm của vi khuẩn kỵ khí

Nhược điểm quá trình sinh học kỵ khí (tt)

• Khi xử lý nước thải có hợp chất chứa sunfur, quá trình xử lý kỵ khí thường tạo thành khí H2S với mùi hôi khó chịu Lượng khí này có thể thải

ra môi trường cùng dòng thải với những hệ thống xử lý kị khí có thiết kế chưa đạt Đối với những hệ thống xử lý kỵ khí hoàn chỉnh, luôn kèm theo hệ thống thu hồi khí sinh học, và xử lý khí H2S trong dòng thải

• Bản chất hóa học và vi sinh học của qúa trình phân hủy kỵ khí rất phức tạp Do đó, còn thiếu những chuyên gia có khả năng thiết kế và vận hành hệ thống một cách có hiệu quả nên có nhiều hệ thống đã xây dựng nhưng hiệu suất xử

lý thấp

Bể UASB-cấu tạo và nguyên lý

Nguyên lý hoạt động

• Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt Khí sinh ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu là methane và CO2) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể Tại đây, quá trình tách pha khí-lỏng-rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5-10% Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng xuống Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo

Điều kiện sử dụng bể UASB

• Bùn nuôi cấy ban đầu: nồng độ tối thiểu là 10 kg VSS/m3 Lượng bùn cho vào không nên nhiều hơn 60% thể tích bể

• Hàm lượng chất hữu cơ: COD < 100 mg/l không

sử dụng được bể UASB, COD > 50.000mg/l thì cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra

• Chất dinh dưỡng: nồng độ nguyên tố N, P, S tối thiểu có thể tính theo biểu thức sau:

(COD/Y) : N :P : S = (50/Y) : 5: 1 :1

Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào loại nước thải Nước thải dễ acid hóa Y= 0,03, khó acid hóa Y= 0,15

Điều kiện sử dụng bể UASB (tt)

• Hàm lượng cặn lơ lửng: nước thải có hàm lượng SS lớn không thích hợp cho mô hình này

SS > 3.000 mg/l khó phân hủy sinh học sẽ lưu lại trong bể sẽ ngăn cản quá trình phân hủy nước thải Nếu cặn có thể cuốn trôi thì không có vấn đề gì

• Nước thải chứa độc tố: UASB không thích hợp với loại nước thải có hàm lượng amonia > 2.000 mg/l hoặc hàm lượng sulphate > 500 mg/l Khi nồng độ muối cao cũng gây ảnh hưởng xấu đến

vi khuẩn methane Khi nồng độ muối nằm trong khoảng 5.000 – 15.000 mg/l thì có thể xem là độc tố

Ưu điểm bể UASB

• Không tốn nhiều năng lượng

• Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỷ thuật phức tạp

• Tạo ra lượng bùn có hoạt tính cao, nhưng lượng bùn sản sinh không nhiều  giảm chi phí xử lý

• Loại bỏ chất hữu cơ với lượng lớn,hiệu quả

• Xử lý BOD trong khoảng 600  15.0000 mg/l đạt từ 80-95%

• Có thể xử lý một số chất khó phân hủy

• Tạo ra khí có ích

Nhược điểm bể UASB

5 HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ

QUA MỘT SỐ VÍ DỤ CỤ THỂ

HTXLNT chế biến nước giải khát

Kết quả cho thấy sau bể UASB, COD giảm đến 93,9% Hiệu quả xử lý COD của bể UASB rất cao, vượt qua hiệu suất xử

lý đề nghị của bể UASB thông thường

= 250-280 mg/l.