Nghiên cứu phát triển hệ yếm khí trong xử lý nước thải giàu hàm lượng hữu cơ

Phương pháp vi sinh bao gồm phương pháp yếm khí, hiếu khí,..các phương pháp này có thể được sử dụng riêng rẽ hoặc xử lý kết hơp với nhau nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm sinh học tro

Trang 1

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 1

MỞ ĐẦU 2

CHUƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Hiện trạng hệ thống xử lý nuớc thải giàu hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam 3

1.1.1 Các nước trên thế giới 3

1.2.2 Ở Việt Nam 5

1.2 Các kỹ thuật trong xử lý nước thải chăn nuôi 6

1.2.1 Phương pháp xử lý cơ học 7

1.2.2 Phương pháp xử lý hóa lý 7

1.2.3 Phương pháp xử lý sinh học 8

1.2.3.1 Phương pháp xử lý hiếu khí 8

1.2.3.2 Các kĩ thuật xử lý yếm khí 9

1.2.3.3 Các quá trình trong xử lý yếm khí 13

1.2.3.4 Ưu nhược điểm của công nghệ yếm khí so với công nghệ hiếu khí 14

1.3 Các kĩ thuật yếm khí cao tải trong xử lý nước thải 14

1.3.1.Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt (UASB) 14

1.3.2.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng lưu thể BFB (Biofilm Fluidized Bed) 15

1.3.3.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng hạt dãn nở EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) 16

1.3.4.Kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội IC (Internal Circulation) 17

1.3.5 Kỹ thuật ABR 22

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.2 Nội dung nghiên cứu 32

2.3 Phuơng pháp nghiên cứu 32

Trang 2

2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 32

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 33

2.3.2.1 Thiết kế hệ IC 33

2.3.2.2 Thiết kế hệ ABR 36

2.4 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 39

2.4.1 Hóa chất 40

2.4.2 Thiết bị và dụng cụ 40

2.4.3 Các quy trình phân tích 40

2.5 Xử lý số liệu (Các số liệu phân tích được đưa vào và xử lý trong bảng excel) 40

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Đánh giá ảnh hưởng của yếu tố tăng dần tải lượng đến khả năng xử lý chất hữu cơ trong giai đoạn khởi động của 2 hệ ABR và IC 42

3.1.1 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=30h), IC(HRT=24h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) 43

3.1.2 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=25h), IC(HRT=20h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) 45

3.1.3 Chạy hệ ABR (HRT=20h), IC(HRT=16h) (thời gian khảo sát 30 ngày) 47

3.1.6 Chạy hệ ABR (HRT=6h), IC(HRT=6h)( thời gian khảo sát 45 ngày) 53

3.1.7 Đánh giá mối quan hệ giữa TL và NSXL COD 56

3.2 Đánh giá khả năng xử lý COD, TSS qua các cột hệ ABR 58

3.3 Đánh giá khả năng giảm SS khi có và không có vật liệu mang 61

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 72

Trang 3

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào nước thải 13

Bảng 2: tải hữu cơ cho ba hệ thống xử lý kỵ khí phổ biến [25] 19

Bảng 3 Tóm tắt về các đặc trưng của các hệ sử dụng bùn vi sinh dạng hạt có tăng cường khuấy trộn 20

Bảng 4 Tải lượng xử lí thường gặp đối với ba hệ xử lý yếm khí cao tải mới [14] 21

Bảng 5: Thông số nước thải đầu vào 42

Bảng 6 Tổng hợp chế độ vận hành hai hệ yếm khí 43

Trang 4

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Bể phản ứng kiểu túi mềm 10

Hình 2 Loại phản ứng kiểu ống dòng 10

Hình 3 Sơ đồ bể xử lí yếm khí kiểu UASB và hình hạt bùn 11

Hình 4 So sánh hai loại bồn phản ứng 12

Hình 5: sơ đồ hệ xử lý UASB 15

Hình 6: sơ đồ thiết bị phản ứng BFB 16

Hình 7: hạt bùn sinh học 16

Hình 8: sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội bộ 18

Hình 9: tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian 22

Hình 10 Cấu hình bể xử lý ABR 24

Hình 11 Bình phản ứng dạng IC khi hoàn chỉnh 34

Hình 12: Hình ảnh bộ tách 3 pha 36

Hình 13 Hình ảnh nón phân phối bùn 36

Hình 14.Sơ đồ công nghệ hệ ABR quy mô phòng thí nghiệm ( Q =50 L/ngày ) 37

Hình 15 : hình ảnh hệ ABR hoàn chỉnh 39

Hình 16 Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 30h, IC 24h 44

Hình 17 Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 30h, IC 24h 44

Hình 18 Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 30h, IC 24h 45

Trang 5

Hình 34 Mối quan hệ giữa TL và NSXL COD tổng hệ ABR và IC qua các HRT 56

Hình 35 Mối quan hệ giữa TL và NSXL CODht hệ ABR và IC qua các HRT 58

Hình 36 Diễn biến CODt , Hiệu suất xử lý CODt theo giảm dần HRT của hệ ABR qua các cột 59

Hình 37 Diễn biến CODht , Hiệu suất xử lý CODht theo giảm dần HRT của hệ ABR qua các cột 60

Hình 38 Hình ảnh lọc cặn đầu vào 62

Hình 39 So sánh hiệu suất xử lý CODht khi có và không có lọc cặn hệ IC 62

Hình 40 So sánh hiệu suất xử lý COD hệ ABR khi có và không có lọc cặn 63

Hình 41 Đồ thị so sánh TSS trước và sau khi lọc cặn đầu vào 63

Hình 42 Đồ thị mối quan hệ TL và NSXL COD khi có lọc cặn đầu vào(HRT 6h) 64

Hình 43 : Tổng hợp khả năng loại bỏ TSS khi có và không có lọc cặn đầu vào 65

Trang 6

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt tiếng anh

ABR : Anaerobic Baffled Reactor - Hệ phản ứng yếm khí với

vách ngăn đảo chiều COD : Chemical oxygen demand - Nhu cầu ôxi hóa học EGSB : Expanded Granular Sludge Bed- Hệ phản ứng với lớp

bùn giãn nở

IC : Internal Circulation – Hệ tuần hoàn nội

HRT : Hydraulic retention time – Thời gian lưu thủy lực UASB :Upflow anaerobic sludge blanket - Kỹ thuật phản ứng

ngược dòng với vi sinh dạng hạt

Chữ viết tắt tiếng việt

CODht : Nhu cầu oxi hóa dạng hòa tan

CODt : Nhu cầu oxi hóa dạng tổng số

Trang 7

MỞ ĐẦU

Xử lý nước thải bằng các công nghệ vi sinh ngày càng được ứng dụng hiệu quả và rộng rãi trên thế giới và cũng như Việt Nam bởi nhẽ, đây là giải pháp xử lý với chi phí thấp, thân thiện với môi trường do không phải sử dụng nhiều hóa chất Phương pháp vi sinh bao gồm phương pháp yếm khí, hiếu khí, các phương pháp này có thể được sử dụng riêng rẽ hoặc xử lý kết hơp với nhau nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm sinh học trong nước thải

Đối với các công nghệ yếm khí thì có nhiều lựa chọn, trước hết là lựa chọn kĩ thuật phản ứng Loại đơn giản và chi phí thấp như hầm biogas phủ bạt nhưng gặp nhiều khó khăn Trong trường hợp này thì rõ ràng là các hệ phản ứng kiểu các kĩ thuật lọc ngập nước (Submerged Biotrickling Filter), UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), EGSB (Extended Granule Sludge Blanket),… sẽ là sự lựa chọn Lựa chọn của chúng tôi là nếu cần năng suất cao thì chọn kĩ thuật cho khả năng xử

lý cao nhất Nếu coi kĩ thuật đời đầu- bồn phản ứng khuấy trộn hoàn toàn có công suất trên đơn vị thể tích là 1 thì bồn tiếp xúc là 5, hệ UASB là 25 và hệ EGSB, IC là

75 như hình dưới đây Vậy theo các tài liệu trên thế giới cho biết kĩ thuật IC cho năng suất và hiệu quả cao nhất và ở Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu nào quan tâm

NS tương đối 1 5 25 75 Một trong những mục tiêu của đề tài là phát triển các kỹ thuật yếm khí cao tải sao cho với thời gian lưu ngắn nhất có thể xử lý được nước thải giàu hữu cơ sao cho hiệu xuất theo COD ở mức 70% trở lên Để đạt được mục tiêu này chúng tôi thử nghiệm hai kĩ thuật: IC và ABR (Anaerobic Buffle Reactor – Bồn yếm khí có vách ngăn đảo dòng) có cải tiến

Trang 8

CHUƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng hệ thống xử lý nuớc thải giàu hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Các nước trên thế giới

Năm 1992 International Development Research Centre (IDRC), Canada xuất bản cuốn [23] một tài liệu rất đầy đủ về lĩnh vực quản lí và xử lý chất thải chăn nuôi lợn Đây là sản phẩm của một chương trình lớn (từ 1975 đến 1990) của Chính phủ Singapore, được quốc tế tài trợ (Australian Development Assistance Bureau, FAO, German Technical Assistance Agency (GTZ), IDRC (Canada), UNDP, ASEAN), được điều hành trực tiếp bởi TS Ngiam Tong Tau – 1984 trở thành Giám đốc the Primary Production Department of Singapore có sự tham gia của hàng trăm chuyên gia quốc tế, bao trùm mọi lĩnh vực, yếu tố liên quan đến bảo vệ môi trường ngành chăn nuôi lợn, từ khâu giống, thức ăn chuồng trại tới chính sách liên quan

Về khía cạnh các kĩ thuật tài liệu trình bày chi tiết về công nghệ xử lý chất thải, nước thải, các kĩ thuật áp dụng Tài liệu bao trùm gồm cả vấn đề thu hồi năng lượng và tái sử dụng nước (thu hồi biogas, tuần hoàn nước tiền xử lí rửa chuồng, dùng nước thải nuôi tảo làm thức ăn chăn nuôi giàu đạm …) Cuốn sách này là tập hợp kết quả của 167 báo cáo, nội dung rất chi tiết, nhiều dữ liệu có thể sử dụng ngay, trừ một số hạn chế kĩ thuật (do thời điểm đó chưa có): ví dụ kĩ thuật yếm khí chỉ là ao hồ yếm khí, bồn yếm khí cổ điển (có khuấy, điều nhiệt); kĩ thuật hiếu khí

là mương ôxi hóa, chưa quan tâm đầy đủ đến xử lí N, P

Ở Châu Á, các nước như: Trung Quốc, Thái Lan,… là những nước có ngành chăn nuôi công nghiệp lớn trong khu vực nên rất quan tâm đến vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi Nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra nhiều công nghệ xử lý nước thải thích hợp như là:

 Kỹ thuật lọc yếm khí

 Kỹ thuật phân hủy yếm khí hai giai đoạn

 Bể Biogas tự hoại

Trang 9

Hiện nay ở Trung Quốc các bể Biogas tự hoại đã sử dụng rộng rãi như phần phụ trợ cho các hệ thống xử lý trung tâm Bể Biogas là một phần không thể thiếu trong các hộ gia đình chăn nuôi heo vừa và nhỏ ở các vùng nông thôn, nó vừa xử lý được nước thải và giảm mùi hôi thối mà còn tạo ra năng lượng để sử dụng

Trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo tại Thái Lan thì trường đại học Chiang Mai đã có nhiều đóng góp rất lớn

- HYPHI (hệ thống xử lý tốc độ cao kết hợp với hệ thống chảy nút): hệ thống HYPHI gồm có thùng lắng, bể chảy nút và bể UASB Phân heo được tách làm 2 đường, đường thứ nhất là chất lỏng có ít chất rắn tổng số, còn đường thứ hai là phần chất rắn với nồng độ chất rắn tổng số cao, kỹ thuật này đã được xây dựng cho các trại heo trung bình và lớn

Một số tác giả Úc cho rằng chiến lược giải quyết vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi heo là sử dụng kỹ thuật SBR (sequencing batch reactor) Ở Ý đối với các loại nước thải giàu Nitơ và Phospho như nước thải chăn nuôi heo thì các phương pháp

xử lý thông thường không thể đạt được các tiêu chuẩn cho phép về hàm lượng về Nitơ và Phospho trong nước ra sau xử lý Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi giàu chất hữu cơ ở Ý đưa ra là SBR có thể giảm trên 97% nồng độ COD, Nitơ, Phospho Một trong những nghiên cứu, phát hiện đặt 1 dấu mốc mới cho ngành xử lý nước thải - bảo vệ môi trường sống là nghiên cứu của GS.Lettinga.Ông đã khởi động những nghiên cứu biến công nghệ yếm khí vốn được coi là công nghệ “phân hủy” bùn cặn năng suất thấp thành công nghệ xử lí nước thải giàu hữu cơ có năng suất rất cao Đó là công nghệ xử lí yếm khí với lớp bùn vi sinh dạng hạt, theo cách thức hoạt động được gọi là công nghệ UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket.Vi sinh trong hệ UASB là vi sinh dạng hạt kích thước lớn, mật độ cao nên quá trình lắng rất hiệu quả và cơ cấu lắng trở nên rất đơn giản, chỉ cần tách được khí

ra khỏi hạt là hạt lắng rất nhanh

Theo sự phát triển, kỹ thuật yếm khí UASB tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến tạo ra những bước tiến mới trong công nghệ xử lý yếm khí

Trang 10

Các phương pháp lọc sinh học ngập nước cũng là một lựa chọn trong xử lí yếm khí Nhiều tác giả đã quan tâm đến kĩ thuật này Ví dụ, Lomas và ctv ở Trường tổng hợp del País Vasco Tây Ban Nha đã nghiên cứu xử lý nước thải nuôi lợn trên pilot sử dụng kĩ thuật lọc sinh học ngập nước ở 35oC Kết quả cho thấy, với HRT từ 0,9 đến 6 ngày, với tải đầu vào trung bình thì hiệu suất xử lý theo COD đạt trên 60%, với VS đạt trên 50% khi HRT lớn hơn 3 ngày, tốc độ sinh khí đạt 4,5m3/m3/ngày

Vấn đề phát triển chăn nuôi và chất thải chăn nuôi được xã hội và nhà nước

VN rất quan tâm và được các tổ chức quốc tế như FAO, GEF, … với các nước như

Hà Lan, Đan Mạch, Đức, Pháp, Bỉ, … hỗ trợ mạnh mẽ Đã xuất hiện nhiều doanh nghiệp cung cấp các dịch vụ xử lý chất thải chăn nuôi Đáng kể nhất là Chương trình khí sinh học cho chăn nuôi do Cục Chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và

Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan (SNV) thực hiện khởi động từ 2003

“Chương trình Khí sinh học cho Ngành Chăn nuôi Việt Nam 2007-2011” là giai đoạn II, (http://www.biogas.org.vn)

Nhiều nguyên cứu trong lĩnh vực xử lý nước thải chăn nuôi heo đang được hết sức quan tâm vì mục tiêu giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, đồng thời với việc tạo ra năng lượng mới Các nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi heo ở Việt Nam đang tập trung vào hai hướng chính, hướng thứ nhất là sử dụng các thiết bị

Trang 11

yếm khí tốc độ thấp như bể lên mem tạo khí Biogas kiểu Trung Quốc, Ấn độ, Việt Nam, hoặc dùng các túi PE Phương hướng thứ nhất nhằm mục đích xây dựng kỹ thuật xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi heo trong các hộ gia đình chăn nuôi heo với số đầu heo không nhiều Hướng thứ hai là xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị tương đối hoàn chỉnh, đồng bộ nhằm áp dụng trong các xí nghiệp chăn nuôi mang tính chất công nghiệp Trong các nghiên cứu về quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo công nghiệp đã đưa ra một số kiến nghị sau:

Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi công nghiệp có thể tiến hành như sau: (1) xử lý cơ học: lắng 1; (2) xử lý sinh học: bắt đầu bằng sinh học kị khí UASB, tiếp theo là sinh học hiếu khí (Aerotank hoặc hồ sinh học); (3) khử trùng trước khi thải

ra ngoài môi trường

Nhìn chung những nghiên cứu của chúng ta đã đi đúng hướng, tiếp cận được công nghệ thế giới đang quan tâm nhiều Tuy nhiên số lượng nghiên cứu và chất lượng các nghiên cứu của chúng ta còn cần được nâng cao hơn, nhằm nhanh chóng được áp dụng trong thực tế sản xuất

1.2 Các kỹ thuật trong xử lý nước thải chăn nuôi

Việc xử lý nước thải chăn nuôi heo nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đến một nồng độ cho phép có thể xả vào nguồn tiếp nhận Việc lựa chọn phương pháp làm sạch và lựa chọn quy trình xử lý nước phụ thuộc vào các yếu tố như :

 Các yêu cầu về công nghệ và vệ sinh nước

 Lưu lượng nước thải

 Các điều kiện của trại chăn nuôi

 Hiệu quả xử lý

Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp sau :

 Phương pháp cơ học

Trang 12

 Phương pháp hóa lý

 Phương pháp sinh học

Trong các phương pháp trên ta chọn xử lý sinh học là phương pháp chính Công trình xử lý sinh học thường được đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý 1.2.1 Phương pháp xử lý cơ học

Mục đích là tách chất rắn, cặn, phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, phân riêng Có thể dùng song chắn rác, bể lắng sơ bộ để loại bỏ cặn thô, dễ lắng tạo điều kiện thuận lợi và giảm khối tích của các công trình xử lý tiếp theo Ngoài ra có thể dùng phương pháp ly tâm hoặc lọc Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi khá lớn (khoảng vài ngàn mg/L) và dễ lắng nên có thể lắng sơ

bộ trước rồi đưa sang các công trình xử lý phía sau

Sau khi tách, nước thải được đưa sang các công trình phía sau, còn phần chất rắn được đem đi ủ để làm phân bón

1.2.2 Phương pháp xử lý hóa lý

Nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ dạng hạt có kích thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học thông thường

vì tốn nhiều thời gian và hiệu quả không cao Ta có thể áp dụng phương pháp keo tụ

để loại bỏ chúng Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, phèn bùn,… kết hợp với polymer trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ

Nguyên tắc của phương pháp này là : cho vào trong nước thải các hạt keo mang điện tích trái dấu với các hạt lơ lửng có trong nước thải (các hạt có nguồn gốc silic

và chất hữu cơ có trong nước thải mang điện tích âm, còn các hạt nhôm hidroxid và sắt hidroxi được đưa vào mang điện tích dương) Khi thế điện động của nước bị phá

vỡ, các hạt mang điện trái dấu này sẽ liên kết lại thành các bông cặn có kích thước lớn hơn và dễ lắng hơn

Trang 13

Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) tại trại chăn nuôi heo 2/9: phương pháp keo tụ có thể tách được 80-90% hàm lượng chất lơ lửng có trong nước thải chăn nuôi heo

Ngoài keo tụ còn loại bỏ được P tồn tại ở dạng PO43- do tạo thành kết tủa AlPO4

và FePO4

Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước thải chăn nuôi Tuy nhiên chi phí xử lý cao Áp dụng phương pháp này để xử lý nước thải chăn nuôi là không hiệu quả về mặt kinh tế

Ngoài ra, tuyển nổi cũng là một phương pháp để tách các hạt có khả năng lắng kém nhưng có thể kết dính vào các bọt khí nổi lên Tuy nhiên chi phí đầu tư, vận hành cho phương pháp này cao, cũng không hiệu quả về mặt kinh tế đối với các trại chăn nuôi

1.2.3 Phương pháp xử lý sinh học

Phương pháp này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau Và tùy theo khả năng

về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng hồ sinh học hoặc xây dựng các

bể nhân tạo để xử lý

1.2.3.1 Phương pháp xử lý hiếu khí

Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện có oxy Quá trình

xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn :

Oxy hóa các chất hữu cơ :

CxHyOz + O2 Enzyme  

CO2 + H2O + OH Tổng hợp tế bào mới :

Trang 14

CxHyOz + O2 + NH3 Enzyme   Tế bào vi khuẩn (C5H7O2N) + CO2 + H2O -

Bốn giai đoạn xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí :

a Thủy phân : Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết

ra, các phức chất và các chất không tan (như polysaccharide, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức chất đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (như đường, các acid amin, acid béo)

b Acid hóa : Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, rượu, acid lactic, methanol, CO2,

H2, NH3, H2S và sinh khối mới

c Acetic hóa : Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetat, H2, CO2 và sinh khối mới

d Methane hóa : Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kỵ khí Acid acetic, H2, CO2, acid formic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới

Để đánh giá khả năng ảnh hưởng của tốc độ dâng hỗn hợp vi sinh – nước thì các kĩ thuật yếm khí cần được tổng quan đầy đủ như ở dưới đây

Trang 15

Bồn biogas kiều Túi mềm (Đài Loan)

Hình 1 Bể phản ứng kiểu túi mềm Bồn phản ứng kiểu túi là một cái ống bằng nhựa PVC mềm dài (chiều dài:đường kính = 14:3), vật liệu còn có thể là vải nylon phủ cao su Neopren hoặc

"red mud plastic" (RMP), một dạng PVC trộn bùn đỏ từ công nghiệp sản xuất alumina từ boxit Ống nhựa khổng lồ này được nối với đầu vào, đầu ra ở hai đầu ống và ống thu khí (Hình 2) Ống dẫn nước vào được đặt sao cho áp suất trong ống tối đa được duy trì ở mức xung quanh 40cm Với cấu hình này, ống nhựa hoạt động như một bồn phản ứng kiểu ống dòng (plug-flow), khí thường được chứa ở túi riêng [Park, Y.D., Park, J.J and Lim, J.H (1979) Research Reports of the Office of Rural

Development, Suweon, Korea]

Bồn phản ứng kiểu ống dòng (plug – flow reactor)

Bồn phản ứng kiểu ống dòng có nguyên lí gần như bồn phản ứng dạng

túi

Hình 2 Loại phản ứng kiểu ống dòng Tài liệu đầu tiên nói về bồn phản ứng kiểu ống dòng được biên soạn ở châu phi năm 1957[Fry, L.J (1975) Practical Building of Methane Power Plants for

Trang 16

Rural Energy Independence, D.A Knox, Andover, Hamsphire, USA] cho rằng châu phi là nơi nhiệt độ trung bình trong năm cao lên tới 35oC Hiệu suất riêng (tính theo thể tích khí biogas sinh ra/ 1m3 bồn xử lý/ 1 ngày) có thể đạt được từ 1-1.5, với thời gian lưu 40 ngày và tải lượng là 3.4 kg tổng chất rắn/ 1m3/ ngày

Hình 3 Sơ đồ bể xử lí yếm khí kiểu UASB và hình hạt bùn

Bồn phản ứng dòng liên tục khuấy trộn đều

Các hệ đã nêu có thiết kế rất đơn giản, cơ cấu cơ khí không có, vận hành chỉ nhờ dòng nước tự chảy nên chi phí rất thấp Yếu điểm lớn nhất của các hệ xử lý kiểu này là tốc độ phân hủy các chất tan rất chậm, thực chất chúng chỉ đóng vai trò của một hệ lắng sơ cấp và phân hủy một phần bùn.Do các hệ cổ điển không có khuấy trộn sinh khối vi khuẩn hoạt động không thể tiếp xúc tốt với nước thải để thực hiện quá trình chuyển hóa, hơn nữa, vùng hoạt động thực trong các bể cổ điển chỉ là một phần nhỏ thể tích thiết bị (Hình 4), vì vậy hiệu quả xử lí của các hệ đơn giảnchỉ được thể hiện chủ yếu là đối với phần bùn cặn lắng được, do đó thời gian lưu nước trong các hệ thụ động phải tính bằng vài chục ngày

Nước vào

Nước ra

Khí sinh học CH4, CO 2

Trang 17

Bồn phân hủy cổ điển Bồn khuấy trộn

đều Hình 4 So sánh hai loại bồn phản ứng

Để khắc phục các nhược điểm này, các bồn phân hủy yếm khí hiện đại thường được trang bị các cơ cấu khuấy trộn và điều nhiệt ở gần 35oC để tận dụng pic hoạt tính của vi khuẩn ưa ấm (mesophylic) (Hinh 4, bên phải)

Dạng thiết bị phản ứng dòng liên tục khuấy trộn đều không đặt ra mục đích giữ lại sinh khối trong thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng bao gồm một bể phản ứng kín, bộ khuấy trộn cơ học, đường nước vào và ra và đường thu khí (hình 3, hình bên phải) Thời gian lưu tế bào của hệ trên bằng thời gian lưu thủy lực Để hệ thống hoạt động được thì lượng sinh khối sinh ra (từ tiêu hao cơ chất) phải ngang bằng với lượng sinh khối trôi ra ngoài theo dòng nước, tức là giá trị nghịch đảo của thời gian lưu thủy lực hay của thời gian lưu tế bào phải lớn hơn hệ số tốc độ phát triển riêng của vi sinh [μ’, phương trình ] Lấy ví dụ, vi sinh metan hóa có hệ số tốc độ phát

triển riêng tối đa μ’ = 0,1 [1/d], nếu bỏ qua tỷ lệ chết của chúng thì để sinh ra một

thế hệ mới cần thời gian lưu = 1/0,1 = 10 ngày

Để đảm bảo an toàn, thời gian trên theo qui định của tiêu chuẩn ATV – Arbeitblatt A (ATVDVWK 2000, Đức) cần hệ số 1,6, vậy thời gian lưu thủy lực cần có là 16 ngày để có thể duy trì mật độ vi sinh metan hóa [W Bischofberger, N,

Trang 18

Dichtl, K.H Rosenwinkel, C F Seyfried, B Bohnke (Ed) (2005) Anaerobtechnik 2., vollstaendig ueberarbeitete]

1.2.3.3 Các quá trình trong xử lý yếm khí

Các quá trình vi sinh trong hệ xử lý yếm khí

Phương trình tổng của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau:

CcHhOoNnSs + 1/4(4c–h–2o+3n+2s)H2O  1/8(4c –h+2o+3n+2s)CO2 + 1/8(4c +

h – 2o – 3n – 2s)CH4 + nNH3 + sH2S (1.1)

Trong đó CcHhOoNnSs là công thức tổng quát của chất thải hữu cơ, sau khi bị phân hủy yếm khí bởi tập đoàn vi khuẩn yếm khí bao gồm các nhóm vi khuẩn thủy phân-lên men-axit hóa, các vi khuẩn axetat hóa và nhóm vi khuẩn metan hóa

(metanogens), sản phẩm cuối cùng chủ yếu là biogas (CH4 + CO2)

Giai đoạn đầu là thủy phân, thực chất đây là quá trình hai bước nối tiếp thủy phân và axit hóa Trong quá trình này các hợp chất hữu cơ cao phân tử (carbonhyđrat, lipit, protein) trước hết được thủy phân để tạo các monome thấp phân tử (đường, axit béo, amino axit tương ứng), sau đó được axit hóa thành các chất trung gian là axit carboxylic, ancol; H2, CO2 và N–amôni Trong giai đoạn

axetat hóa, các chủng Acetogens chuyển hóa các chất trung gian này thành axetat

Giai đoạn cuối là quá trình chuyển hóa các chất này thành metan (CH4) và CO2 Thành phần khí này được gọi là biogas-khí sinh học và giá trị nhiệt lượng phụ thuộc vào thành phần đầu vào và được cho ở bảng 1

Bảng 1 Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào nước thải

Trang 19

Đạm 636 60 40 5,93

a

Tính cho đường hexoza; bTính cho triglixerit với 3 mol axit palmitic; cTính cho polyalanin với sự phân huỷ thành NH4+ rồi thành (NH4)2CO3

1.2.3.4 Ưu nhược điểm của công nghệ yếm khí so với công nghệ hiếu khí

So với các công nghệ hiếu khí, yếm khí có các ưu thế sau:

- Quá trình phát triển sinh khối của vi khuẩn yếm khí nhỏ hơn nhiều so với hiếu khí nên giảm nhu cầu dinh dưỡng và giảm chi phí xử lí bùn dư

- Không cần cung cấp ôxy, điều này giảm cả chi phí thiết bị lẫn vận hành hệ cấp khí (máy nén, hệ phân tán, chi phí điện năng)

- Khí metan sinh ra có giá trị nhiệt năng lớn, có thể thay thế khí đốt

- Các quá trình yếm khí chấp nhận tải đầu vào cao hơn nhiều so với hiếu khí, đó

là vì không có cản trở do yêu cầu khuếch tán ôxy

Các nhược điểm của công nghệ yếm khí:

- Cần năng lượng để nâng nhiệt độ tới vùng hoạt độ vi khuẩn tối ưu (thường là 35°C)

- Khó đạt được hiệu suất xử lí cao như quá trình hiếu khí

- Do bản chất quá trình trong nước ra và biogas luôn có mùi do H2S và mercaptan, điều này sẽ hạn chế khả năng sử dụng ở đô thị

- Bùn yếm khí khó lắng hơn bùn hiếu khí, vì vậy nếu áp dụng kĩ thuật lắng thì chi phí sẽ cao hơn

1.3 Các kĩ thuật yếm khí cao tải trong xử lý nước thải

1.3.1.Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt (UASB)

UASB là kỹ thuật đầu tiên sử dụng vi sinh dạng hạt tự sinh không chất mang được đề xuất bởi GS Lettinga Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải có độ ô nhiễm hữu cơ cao và kể cả nước thải sinh hoạt [4, 8, 15, 20]

Trang 20

Hình 5: sơ đồ hệ xử lý UASB [16]

Nguyên tắc căn bản của kỹ thuật UASB là sử dụng khả năng tạo thành hạt vi sinh của một số dạng vi sinh yếm khí nhất định, chúng tạo thành tập hợp keo tụ đặc, thường được gọi là hạt vi sinh Hạt vi sinh có khả năng lắng rất tốt và vì vậy dễ tích lũy trong khối phản ứng, trong khi loại không có khả năng tạo hạt sẽ trôi theo nước

ra ngoài Với phương thức chọn lọc vi sinh này, mật độ sinh khối trong bể phản ứng đạt rất cao, thông thường 20 - 30 kg/m3 tính theo hàm lượng chất hữu cơ Nét đặc trưng nổi bật của hệ xử lý UASB là bộ phận tách ba pha Nhờ các cấu trúc cản khí (sắp xếp theo kiểu dích dắc, xen phủ lẫn nhau của các vòm thu khí) nên dòng khí được thu về các vòm thu khí, tại đó khí thoát ra khỏi nước và tách khỏi các hạt vi sinh Bộ phận tách pha chia bể yếm khí thành hai vùng: vùng phân hủy nằm ở dưới

và vùng lắng ở phía trên

Bể xử lý theo kỹ thuật UASB có các đặc trưng chính sau: nước thải cần xử lý được phân bố đều vào đáy bể chảy ngược lên phía trên với tốc độ 1 ÷ 2 m/h, cùng với khí tạo thành để duy trì trạng thái lơ lửng của tầng vi sinh (hình 1), trên lớp bùn

là lớp nước trong không chứa sinh khối và trên cùng là lớp tách pha (rắn - lỏng - khí)

1.3.2.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng lưu thể BFB (Biofilm Fluidized Bed)

Hệ BFB có vi sinh dạng hạt trên chất mang, nước thải thô được đưa vào bồn

qua lớp vật liệu rắn kích thước nhỏ (ví dụ cát với d ~0,2-0,8mm) ở tốc độ đủ lớn để

Trang 21

các hạt lơ lửng và trở thành một dạng lưu thể Ở trạng thái này các hạt rắn có diện tích bề mặt riêng rất lớn để vi khuẩn có thể bám dính, khi đó mật độ vi sinh có thể lên tới 10-40 kg/m3 [2] Đối với các hệ hiếu khí, không khí sẽ được cấp vào bằng cách tuần hoàn hỗn hợp bùn nước từ bể lắng qua bộ bão hòa khí [1] Đối với các loại nước thải có nhu cầu ôxy lớn, ôxy không khí có thể được cấp trực tiếp vào bồn, khi đó ta có hệ BFB ba pha (three-phase BFB reactor) [5, 18, 19] Hệ BFB phù hợp nhất đối với những chất thải hữu cơ hoặc N-amoni yêu cầu vi sinh có tuổi cao trên

xử lý các loại nước thải từ công nghiệp hóa chất, sinh hóa và sinh học [23]

Có thể thấy, BFB và EGSB nhìn rất giống nhau bởi cả hai hệ này sử dụng vật liệu mang dạng hạt cho vi khuẩn bám dính, dưới tác động của dòng nước hạt màng sinh học sẽ lơ lửng Sự khác biệt chính giữa BFB và EGSB là BFB cần tốc độ

Hình 6: sơ đồ thiết bị phản ứng BFB (a)

và EGSB (b) Hình 7: hạt bùn sinh học: (a) kích thước

1,7 mm trên vật liệu mang, tỉ lệ 1 mm; (b) hạt bùn trong hệ UASB không vật liệu mang, tỷ lệ 0,4 mm

Trang 22

dâng cao (tuần hoàn phải lớn) để duy trì sự phân tán đồng đều hạt vi khuẩn, thể tích dãn nở của lớp bùn đạt 25 đến 300% Trong kỹ thuật EGSB, tỷ lệ tăng nước là cần thiết để duy trì ở mức độ đầy giãn nở lớp vi sinh vật 15-30% so với khối lượng ban đầu; các vi hạt bùn lơ lửng một phần là do dòng chảy và sự tương tác với các hạt xung quanh Vật liệu mang diện tích bề mặt 9-11.000 m2/m3, độ xốp 45-55% trong trường hợp EGSB và 4-10.000 m2/m3, độ xốp 50-90% trong trường hợp BFB Hai phản ứng có hiệu quả xử lý rất cao Vấn đề là trong thời gian hoạt động, các hạt nhỏ mới hình thành sẽ bám dính và làm tăng độ dày của lớp vi sinh vật Các hạt nhẹ hơn

sẽ có xu hướng tích luỹ nổi lên bề mặt và thoát ra ngoài thiết bị phản ứng Do đó, cấu trúc chà sát là cần thiết để loại bỏ vi sinh dư thừa và đưa vật liệu mang trở lại thiết bị phản ứng

Biothane B.V cũng xây dựng vài chục hệ EGSB dưới tên thương mại Biobed

để xử lý các loại nước thải công nghiệp khác nhau (thực phẩm, hóa chất, hóa dược)

Trang 23

Hình 8: sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội bộ Thành phần cấu tạo cơ bản của hệ xử lý IC gồm hệ phân bố nước đầu vào, hệ tuần hoàn nội bộ, vùng phản ứng cao tải ở phía dưới và vùng phản ứng tải lượng thấp (làm sạch sâu) nằm ở phía trên Vùng phản ứng cao tải kéo dài cho tới tận phía dưới của bộ tách khí thứ nhất, chiếm 55-65% chiều cao của cột nước và tầng hạt vi sinh cũng có thể chiếm trọn chiều cao của nó (bộ tách khí thứ nhất có chiều cao khoảng 2 m) Do mật độ vi sinh dạng hạt ở ngăn tầng dưới lớn, tải lượng hữu cơ cao, nên hệ có năng suất phân hủy hữu cơ rất cao và sinh ra nhiều biogas Do tốc độ dòng nước đi lên lớn nên ngăn này hoạt động giống hệ EGSB hơn là hệ UASB Điểm khác biệt là trong hệ này ở mỗi ngăn đều có cơ cấu tách ba pha và thu khí nối với ống lên, ống lên - riser hoạt động như một airlift bơm kéo cả khí (biogas) - lỏng (nước thải) - rắn (hạt vi sinh) lên bồn cao vị

Hệ thống tuần hoàn nội bộ bao gồm: hệ tách khí phía nửa dưới nhằm tách khí của vùng phản ứng cao tải, đưa khí đó qua đường ống dẫn lên bộ phận tách khí - lỏng - rắn ở phía trên của bồn chính, khí được tách ra khỏi chất lỏng và bùn ra khỏi

hệ xử lý trong khi bùn và nước theo ống xuống - downcomer quay trở lại khoang

Trang 24

phản ứng cao tải Trong ngăn dưới, tốc độ dâng nước được thiết kế ở mức 10-30 m/h Ngăn trên thực tế thực hiện xử lý lần hai nên chịu tải thấp, tốc độ dòng lên chỉ khoảng 2 đến 10 (thường 4-8) m/h Để bố trí được các cơ cấu đã nêu, hệ IC thường

có dạng bồn trụ rất cao, độ cao lên tới 25 m, cùng với năng suất xử lý thuộc loại cao nhất nên nó chiếm diện tích nhỏ nhất

Như vậy, có thể nhận xét: (1) so với hệ EGSB thì hệ IC phức tạp hơn (hai lần tách 3 pha), hoạt động như hệ EGSB (hay UASB?) đúp, tuy nhiên nhờ cơ cấu tuần hoàn nội khuấy trộn sẽ tốt hơn nên năng suất xử lý sẽ cao hơn, ít chi phí bơm tuần hoàn hơn để duy trì tốc độ dâng nước lớn Đây là lý do vì sao hệ IC hiện được cho

là có năng suất xử lý cao nhất; (2) về khía cạnh thiết kế, chế tạo, hệ EGSB đơn giản hơn, hệ IC rất khó thiết kế; (3) IC sử dụng khí sinh ra để khuấy trộn nên giảm được năng lượng phục vụ khuấy trộn, do đó IC là hệ kinh tế nhất trong các hệ nêu trên

- Tải lượng bùn: do được khuấy trộn mạnh, quá trình chuyển khối thuận lợi nên tải lượng bùn trong kỹ thuật IC cao hơn so với trong kỹ thuật UASB Giá trị sử dụng để thiết kế nằm trong khoảng 0,55-1,0 kg/(kgd), trung bình là 0,7-0,8 kg/(kgd)

- Tải lượng hữu cơ: tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC cao hơn nhiều

so với kỹ thuật truyền thống UASB

Bảng 2: tải hữu cơ cho ba hệ thống xử lý kỵ khí phổ biến [25]

Trang 25

Reactor Organic loading rate- OLR (kg COD/m3/day)

Tốc

độ nước

Tỷ lệ cao:

đường kính

Cơ cấu khuấy

0.4–

0.8 m/s (tuần hoàn)

4–5 Dùng

khí

Nước thải sản xuất bia

10–

15m/h 4–5

Dòng nước, biogas

Nước thải sản xuất formalin

từ metanol

Vùng dưới:

10–

30m/h Vùng trên: 4–

3–6

Biogas

Nước thải sản xuất inuline và fructose từ quả chicory

12, 18,

19

Trang 26

8 m/h

Có thể nói sự ra đời của các hệ phản ứng kiểu EGSB và IC đã nâng kĩ thuật xử

lí yếm khí lên tầm cao mới, hai kĩ thuật này có năng suất xử lý một 8 một 10, đã có tác giả coi IC giới hạn năng lực xử lí của hệ vi sinh yếm khí [14] Để so sánh với UASB chúng tôi xin trích dẫn thông tin tổng hợp tới 2004 do [14] thực hiện

Bảng 4 Tải lượng xử lí thường gặp đối với ba hệ xử lý yếm khí cao tải mới [14]

Reactor Tải hữu cơ (OLR) (kg

Số liệu thiết kế kỹ thuật IC (từ 114 hệ) của hãng Paques theo tải lượng hữu cơ

áp dụng được trình bày trong hình 4

Trang 27

Hình 9: tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian [22]

Tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC trong thời gian từ năm 1994 đến năm 2000 có giá trị trung bình 22 kg COD/m3/ngày Giá trị đó khá ổn định trong thời gian dài đã được kiểm nghiệm trong thực tiễn chứng tỏ hiệu quả xử lý cao của

hệ IC [22]

Tuy nhiên, giá trị tải lượng 22 kg COD/m3/ngày không phải là một con số cố định đối với mọi nguồn nước thải, nó phụ thuộc vào tính năng sinh hủy của chất ô nhiễm trong dòng thải và các điều kiện kèm theo Với một vài nguồn thải, tải lượng hữu cơ có thể áp dụng tới 25, thậm chí 30 kgCOD/m3/ngày, trong khi đối với một

số loại nước thải khác chưa tới 20 kg COD/m3/ngày

1.3.5 Kỹ thuật ABR

Mô tả hệ thống

Gần như đồng thời với kỹ thuật UASB, kỹ thuật xử lý chảy ngược qua nhiều ngăn yếm khí (Anaerobic Baffled Reactor – ABR) do các nhà khoa học của trường Standfort [23] phát triển cũng đã được nghiên cứu và áp dụng

Về thực chất, ABR là hệ xử lý bao gồm nhiều ngăn UASB ghép nối tiếp [1,10] trong từng ngăn dòng nước thải chảy ngược qua lớp bùn vi sinh, bùn tồn tại ở trạng thái huyền phù (dạng tập hợp keo tụ hay hạt sinh hoặc cả hai) [18, 19, 21]

Trong thực tế ABR thường gặp các hệ không lớn, tuy vậy nó cũng thể hiện được các ưu nhược điểm so với các hệ xử lý khác thể hiện trên các phương diện sau [10]:

Xây dựng cơ bản:

 Thiết kế đơn giản

 Không có các thiết bị, bộ phận chuyển động cơ khí

 Không có thiết bị khuấy trộn

 Giá thành xây dựng thấp (giá thành xây dựng thấp hơn 20 % so với UASB

và chỉ bằng khoảng 20 % so với kỹ thuật bùn hoạt tính)

Trang 28

 Thời gian lưu bùn dài

 Không sử dụng phương tiện chất mang hay bộ phận lắng bùn cho mục đích tích lũy bùn

 Không cần tới bộ phận tách khí và bùn

Vận hành

 Thời gian lưu thủy lực ngắn

 Có thể vận hành gián đoạn

 Rất ổn định trước dao động về lưu lượng dòng

 Có khả năng bảo vệ trước độc tố có mặt trong dòng vào

 Tần xuất thải bùn thưa

 Ổn định trước dao động của mức ô nhiễm

Đặc trưng khác biệt căn bản của ABR so với UASB là sự phân lập chủng loại

vi sinh tham gia vào quá trình yếm khí theo vùng không gian Trong các ngăn đầu tiên, vi khuẩn axit hóa tồn tại với số lượng đông đảo, giảm dần trong các ngăn tiếp theo, nhường chỗ cho vi sinh metan hóa Về phương diện trên, nó có hình ảnh tương tự như các quá trình xử lý yếm khí nối ghép hai (nhiều) giai đoạn, hay kỹ thuật tầng lưu thể bao gồm hai giai đoạn là axit hóa và metan hóa riêng biệt Phân lập chủng loại vi sinh theo vùng không gian có thể làm tăng hoạt tính của chủng loại vi sinh metan và axit hóa lên tới bốn lần do tạo được điều kiện thuận lợi cho từng loại vi sinh phát triển Khó khăn và đồng thời cũng là hạn chế của kỹ thuật

Trang 29

ABR là khó phân phối đều dòng chảy đều theo toàn bộ tiết diện của bể xử lý, không tăng được tốc độ dòng để làm động lực cho quá trình chuyển khối do hạn chế của chiều cao cột nước

Hình 10 Cấu hình bể xử lý ABR (A): Một đường thu biogas (B): Thu biogas từ từng khoang.(C): Dòng hướng đứng (D): Dòng hướng ngang (E):ghép thêm khoang lắng (F):Hở nắp (G): mở rộng khoang đầu tiên (H-J):Bố trí tầng lọc khác nhau (H): chảy ngược qua tầng lọc (I): Chảy xuôi qua tầng lọc (J): tất cả các ngăn đều chứa vật liệu lọc Ký hiệu: (W) = Dòng vào; B = Biogas; E = Dòng ra: S = Bùn thải Phần bôi đen thể hiện chất mang

Bể ABR hoạt động theo nguyên tắc chảy ngược qua nhiều ngăn yếm khí (chảy dích dắc theo chiều dọc, rất ít khi chảy theo chiều ngang) nhằm hướng dòng nước thải ở trạng thái chảy ngược từ khi nước thải vào và ra khỏi bể xử lý Vi sinh trong

Trang 30

bể nổi lên hay chìm xuống phụ thuộc vào tốc độ hình thành khí và tốc độ dòng chảy ngược của nước thải Bể ABR được thiết kế theo nhiều kiểu cấu hình khác nhau (hình 5) nhằm đạt được tiêu chí trên Cấu hình đầu tiên của bể ABR được thiết kế như sơ đồ trong hình 5.C nhưng trong thực tế sơ đồ trong H.5.A được chấp nhận rộng rãi hơn (khác biệt là ở thể tích của ngăn chứa dòng đi xuống nhỏ, đóng vai trò ngăn phụ) Nhằm cải thiện hiệu quả xử lý, rất nhiều dạng bể xử lý đã được nghiên cứu phát triển (trước năm 1999), chúng được mô tả trên các hình 5.B và D đến J Các cấu hình bể khác nhau ngoài mục đích tăng cường tích lũy sinh khối còn nhắm tới xử lý nước thải chứa tạp chất khó sinh hủy, nước thải với nồng độ tạp chất không cao hoặc giảm giá thành xây dựng hệ xử lý

Cấu hình khác nhau được cải tiến nhằm các mục đích sau:

Sơ đồ H.5.C được cải tiến bằng cách bổ sung thêm dòng chảy đứng vào dòng đẩy

lý tưởng để xử lý dòng thải chứa hàm lượng cặn cao, nhằm giữ vi khuẩn metan hóa

dễ bị cặn không tan trong dòng vào đẩy ra ngoài Cải tiến trên cho phép tăng khả năng hình thành metan từ 30 lên trên 55 % với tải lượng hữu cơ 1,6 kg COD/(m3d) Cấu hình 5.A có đặc điểm là thu gọn thể tích của bể hướng dòng nước đi xuống

và kéo dài thành của thành bể hướng vào tâm của bể chảy ngược Tuy hiệu suất tạo thành metan và của hệ tăng nhưng thành phần metan trong biogas giảm so với dạng H5.C

Sự thay đổi đáng kể là dạng bể xử lý lai ghép nhằm tăng thời gian lưu bùn đối với các nguồn thải có độ ô nhiễm cao Thể tích của bể xử lý dạng lai ghép lớn hơn loại sử dụng trước đó khi ghép thêm khoang lắng sau ngăn xử lý cuối cùng (hình 5.E) Vi sinh trôi ra khỏi bể xử lý được thu lại trong khoang lắng, hồi lưu trở lại ngăn đầu tiên

Chất mang dạng dời (vòng Pall) được đưa vào phía trên của hai ngăn đầu, chất mang nhựa dạng kết khối có độ xốp cao được xếp vào phía đáy của ngăn thứ ba Vi sinh dạng keo tụ nổi lên trên mặt nước do biogas được chất mang giữ lại trong các ngăn đầu và vì vậy có thể áp dụng tải thủy lực cao

Trang 31

Thu khí riêng rẽ của từng ngăn yếm khí cho phép đánh giá lượng và thành

phần biogas của từng ngăn Với các dòng thải chứa nhiều cặn mịn, khó lắng (nước thải chuồng trại) thì loại bể có ngăn đầu với thể tích lớn tỏ ra có hiệu quả tốt hơn (H.5.G)

Mỗi dạng cải tiến đều nhằm mục đích hướng đến sự thích hợp cho các nguồn thải

có đặc trưng riêng biệt Phương hướng của các hệ xử lý đời mới là kết hợp các kỹ thuật xử lý khác nhau để tiệm cận mục tiêu, bao gồm cả kết cấu hệ thống đến chế độ vận

Đặc trưng kỹ thuật

Chế độ thủy động

Chế độ thủy động và mức độ khuấy trộn trong hệ xử lý tác động mạnh đến khả năng tiếp xúc giữa sinh khối và cơ chất, tức là đến quá trình chuyển khối và hiệu quả xử lý Trong kỹ thuật dòng đẩy lý tưởng, từng thành phần trong dòng chảy đều

có thời gian lưu thủy lực ngang nhau, không tạo ra vùng không gian chết, tốc độ khuấy trộn rất thấp Ngược lại trong kỹ thuật khuấy trộn đều thì thời gian lưu thủy lực của các thành phần rất khác nhau (có nhiều phần tử vào trước ra sau hoặc ngược lại, nếu tính theo phương diện không gian thì vùng không gian chết chiếm tỷ lệ cao) Khuấy trộn mạnh tạo điều kiện cho quá trình tiếp xúc giữa vi sinh và cơ chất Các nghiên cứu về phân bố thời gian lưu thủy lực (sử dụng phóng xạ) trong nhiều dạng bể xử lý ABR cho thấy vùng không gian chết trong kỹ thuật ABR thấp

so với các kỹ thuật khác Vùng không gian chết bao gồm hai yếu tố: thủy lực và sinh khối Vùng không gian chết về mặt thủy lực phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và

số ngăn của hệ xử lý, vùng không gian chết về phương diện sinh khối thì bị tác động bởi mật độ sinh khối và hoạt tính vi sinh Tốc độ dòng giảm làm tăng vùng không gian chết về thủy lực nhưng lại làm giảm không gian chết về vi sinh Sử dụng thông tin về phân bố thời gian lưu thủy lực khi có và không có sinh khối cho thấy vùng không gian chết (thủy lực) thấp hơn 8 % (so với cột lọc yếm khí 50 – 93

%, khuấy trộn đều lớn hơn 80 %), tăng lên đến 18 % khi mật độ sinh khối đạt 8 g/l

Trang 32

nhưng không tìm được mối liên hệ trực tiếp giữa vùng không gian chết (thủy lực)

và thời gian lưu thủy lực Trong vùng thời gian lưu thủy lực ngắn (tốc độ dòng cao),

sự có mặt của sinh khối có tác động không nhiều đến vùng không gian chết (thủy lực), nó chỉ bị tác động bởi tốc độ dòng và số ngăn của hệ xử lý

Về phương diện vùng không gian chết của sinh khối thì ngược lại, nó phụ thuộc vào mật độ vi sinh, tốc độ hình thành biogas và tốc độ dòng, nó tăng khi tốc

độ dòng tăng Khi tăng tốc độ dòng sẽ rút ngắn thời gian lưu thủy lực, tăng khả năng hình thành khí và tăng khả năng duy trì vi sinh ở trạng thái huyền phù Hai yếu

tố ngược chiều trên không cho phép thiết lập mối quan hệ giữa thời gian lưu thủy lực với vùng không gian chết (thủy lực và vi sinh) trong vùng thời gian lưu thủy lực ngắn [1, 11, 21]

Vùng không gian chết về phương diện vi sinh hình thành chủ yếu là do vùng không gian chết về mặt thủy lực khi thời gian lưu thủy lực dài (tốc độ dòng thấp), tác động của yếu tố đó giảm khi thời gian lưu thủ lực ngắn (tăng tốc độ dòng) do lượng khí lớn hình thành sẽ phá vỡ sự tạo rãnh trong tầng vi sinh Tính chất thủy động trong hệ ABR trở nên rất phức tạp khi tính đến các yếu tố khác như khả năng khuấy trộn của khí, thay đổi độ nhớt của polymer ngoại bào và kích thước của hạt vi sinh cũng như sự chuyển động lên xuống của sinh khối

Hiệu ứng của dòng tuần hoàn

Nhìn chung, sử dụng dòng tuần hoàn có khả năng dẫn đến giảm hiệu quả xử lý

do phá vỡ tính chất đẩy lý tưởng của hệ ABR Mặt tích cực của phương thức tuần hoàn là tăng hàm lượng khí metan trong biogas và làm giảm nhẹ tác động bất lợi của pH thấp trong những ngăn đầu do sự tích lũy của axit cũng như hạn chế tác động tiêu cực của các thành phần ức chế hay đầu độc có mặt trong dòng thải Hiệu quả tổng thể của giải pháp tuần hoàn không rõ ràng đối với từng trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào đặc trưng ô nhiễm của từng nguồn nước thải

Về phương diện lý thuyết, dòng tuần hoàn có tác động tiêu cực lên tính năng thủy động của bể phản ứng do tăng mức độ khuấy trộn (hao hụt sinh khối, phá vỡ

Trang 33

tính cân bằng của cấu trúc vi sinh cục bộ có tính chất tương hỗ lẫn nhau) và làm tăng vùng không gian chết (thủy lực) Có nhiên cứu cho thấy, vùng không gian chết tăng gấp đôi, tới 40 % nếu tăng tỷ lệ tuần hoàn lên hai lần so với không sử dụng dòng tuần hoàn Tăng khả năng khuấy trộn do dòng tuần hoàn sẽ đưa trạng thái hoạt động của kỹ thuật ABR về kiểu phân hủy trong một pha, đánh mất lợi thế phân vùng vi sinh mà kỹ thuật ABR vốn có

Vi sinh

Phương thức bố trí nhiều ngăn yếm khí nối tiếp nhau sẽ tạo điều kiện cho các chủng loại vi sinh khác nhau ưu tiên phát triển trong từng ngăn phù hợp với môi trường sinh hóa Sự phát triển của tập đoàn vi sinh trong từng ngăn phụ thuộc vào dạng và nồng độ của cơ chất có mặt trong môi trường nước cũng như các yếu tố ngoại cảnh như pH và nhiệt độ Trong những ngăn đầu diễn ra quá trình axit hóa, trong đó vi khuẩn axit hóa phát triển với tốc độ nhanh, tiêu hao cơ chất lớn và làm

pH giảm mạnh Trong những ngăn sau, vi sinh metan hóa có điều kiện thuận lợi để phát triển do được tiếp nhận nguồn cơ chất là axit và trong điều kiện pH cao hơn

Hai loại vi khuẩn metan hóa trong các ngăn là Methanosarcina sp và Methanosaeta sp tồn tại với tỷ lệ phụ thuộc vào nồng độ của axit axetic Môi trường có nồng độ axit axetic cao thì Methanosarcina phát triển mạnh hơn Methanosaeta do tốc độ phát triển lớn hơn (thời gian tăng số lượng lên gấp đôi là 1,5 ngày so với 4 ngày), tuy nhiên nếu nồng độ axit acetic thấp thì Methanosaeta trở

nên ngự trị về số lượng do khả năng hấp thu cơ chất tốt hơn (hệ số bán bão hòa KS

là 30 mg/l so với 400 mg/l của Methanosarcina)

Thành phần loài vi sinh meatn hóa trong kỹ thuật ABR cũng khác so với trong các kỹ thuật khác, ví dụ lọc yếm khí, tuy hai dạng kỹ thuật trên có cùng đặc điểm là nồng độ cơ chất giảm dần về phía dòng ra So sánh hiệu quả xử lý và thành phần loài vi sinh (metan hóa) của kỹ thuật ABR và lọc yếm khí đối với nước thải gỉ đường, với tải lượng hữu cơ 5,5 – 10,5 kgCOD/ (m3d) cho thấy: mật độ vi sinh

Methanosarcina tồn tại chủ yếu ở các ngăn đầu, giảm dần và bị thay thế bởi

Trang 34

Methanosaeta ở các ngăn cuối, trong khi Methanosaeta là loài chủ yếu trong cột lọc

yếm khí

Sự thiếu vắng Methanosarcina trong cột lọc yếm khí là do hai nguyên nhân:

tại các ngăn đầu ngự trị nồng độ axit acetic rất cao, trong khi tại cột yếm khí nồng

độ axit chỉ bằng khoảng 10 % giá trị trên, đó là điều kiện phát triển phù hợp với từng loài; nguyên nhân sau là tốc độ hình thành biogas trong bể ABR thấp hơn so với trong tầng lọc yếm khí (5 so với 9 m/h) nên ít xảy ra hiện tượng trôi sinh khối ra ngoài

Hoạt tính vi sinh cao ở những ngăn đầu, ví dụ 70 % metan thu hồi được từ ngăn đầu tiên trong hệ ABR lai ghép trong khi mật độ vi sinh chỉ chiếm có 10 % của sinh khối tổng Vi sinh hoạt động cũng phân bố khác nhau trong cùng một ngăn

Vi sinh có hoạt tính cao tập trung ở vùng đáy bể trong trường hợp xử lý nước thải gỉ đường với tải lượng hữu cơ 20 kgCOD/(m3d), chiếm 85 – 92 % trong ngăn đầu, nhưng ngược lại khi xử lý nước thải giết mổ Lý do có thể là do nồng độ axit acetic trong các trường hợp trên là khác nhau

Vi sinh axit hóa tập trung ở ngăn đầu, giảm ở các ngăn sau, tốc độ hình thành axit trong các ngăn đầu rất cao có thể tính theo thời gian bằng giờ

Không giống trường hợp UASB, hình thành hạt vi sinh không nhất thiết là yếu

tố cần thiết quyết định hiệu quả của kỹ thuật ABR mặc dù hiện tượng tạo hạt vi sinh cũng quan sát được trong các bể xử lý ABR [1,11, 19] Tải lượng hữu cơ thấp, tốc

độ dòng chảy ngược là điều kiện thuận lợi cho sự hình thành của hạt vi sinh

Thời gian lưu tế bào trong kỹ thuật UASB cao hơn khoảng 40 % so với của ABR để đạt cùng hiệu suất xử lý Thời gian lưu tế bào biến động trong khoảng rất rộng, 7 đến trên 700 ngày (tương ứng với thời gian lưu thủy lực 5 đến 80 giờ

Trang 35

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đề xuất 02 kỹ thuật phản ứng yếm khí : kĩ thuật tuần hoàn nội IC và kĩ thuật yếm khí dạng cải tiến của hệ tuần hoàn nội với vách ngăn đảo chiều dạng ABR, với quy mô phòng thí nghiệm, Q= 50l/d, để so sánh hiệu quả loại bỏ COD và khả năng chịu tải của 2 hệ

Nước thải: nước thải được lấy ở hộ chăn nuôi thôn Đông Mỹ, xã Đông Mỹ, Thanh Trì-Hà Nội, đây là nước thải lấy ở hố ga ngay lúc rửa chuồng Tần suất lấy mẫu 1-2 lần/tuần, được lọc qua rây 1-2mm, lưu trong các bồn chứa trước khi đưa vào bồn đầu vào, từ đây nước thải được bơm định lượng theo thiết kế thí nghiệm vào 2 hệ xử lý

Nước thải khi lấy về và khi đưa vào bồn đầu vào được lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu CODT, CODht, TSS, VSS, Độ kiềm, TN, TP Riêng chỉ tiêu CODht được hiệu chỉnh bằng cách bổ sung đường ăn sao cho giá trị đạt khoảng 2500-3000 mg/L

để đáp ứng các giá trị về tải COD theo thiết kế thí nghiệm Do nồng độ N, P nước thải lấy về nằm trong khoảng 406 mgN/L – 510 mgN/L, 39 mgP/l- 68 mgP/l , nghĩa là quá dư so với nhu cầu dinh dưỡng cho hệ yếm khí nên không cho thêm Các thí nghiệm đều được tiến hành ở nhiệt độ phòng ( 240c- 340c)

Nước thải chăn nuôi được lấy ở hộ chăn nuôi thôn Đông Mỹ, xã Đông Mỹ, Thanh Trì-Hà Nội, đây là nước thải lấy ở hố ga ngay lúc rửa chuồng (không qua sơ lắng) Tần suất lấy mẫu 1-2 lần/tuần, được lọc qua rây 1-2mm, lưu trong các bồn trước khi được bơm trực tiếp vào 2 hệ IC và ABR

Bùn yếm khí: bùn lấy từ nhà máy bia Hà Nội- đường Hoàng Hoa Thám- Ba Đình- Hà Nội, hàm lượng TSS vào 22g/L

 Thành phần, tính chất, đặc điểm của nước thải chăn nuôi

Để đáp ứng nhu cầu thực phẩm của con người, ngành chăn nuôi trên thế giới

đã phát triển rất nhanh và đạt được nhiều thành tựu quan trọng Trên thế giới chăn nuôi hiện chiếm khoảng 70% đất nông nghiệp và 30% tổng diện tích đất tự nhiên

Trang 36

(không kể diện tích bị băng bao phủ) Chăn nuôi đóng góp khoảng 40% tổng GDP nông nghiệp toàn cầu, giải quyết việc làm cho 1,3 tỉ dân Tuy nhiên, bên cạnh việc sản xuất và cung cấp một số lượng lớn sản phẩm quan trọng cho nhu cầu của con người, ngành chăn nuôi cũng đã gây nên nhiều hiện tượng tiêu cực về môi trường Ngoài chất thải rắn và chất thải lỏng, chăn nuôi hiệu đóng góp khoảng 18% hiệu ứng nóng lên của trái đất (global warming) do thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính Theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO), chất thải của gia súc toàn cầu tạo ra 65% lượng Nitơ oxit (N2O) trong khí quyển Đây là loại khí có khảng năng hấp thụ năng lượng mặt trời cao gấp 296 lần so với khí CO2 Động vật nuôi còn thải ra 9% lượng khí CO2 toàn cầu, 37% lượng khí methan (CH4) – loại khí có khả năng giữ nhiệt cao gấp 21 lần khí CO2 Chăn nuôi gia súc đóng góp tới 64% lượng khí Amoniac (NH3) – là thủ phạm của những trận mưa axit Điều này có nghĩa là chăn nuôi gia súc, gia cầm đã được khẳng định là một tác nhân chính làm tăng hiệu ứng nhà kính Ngoài ra nhu cầu về thức ăn, nước uống, tập tính bầy đàn, nhu cầu về bãi chăn thải v.v… của gia súc cũng đang được coi là một trong những tác nhân chính gây thoái hóa đất nông nghiệp, ô nhiễm nguồn nước và mất cân bằng

hệ sinh thái

Nước thải chăn nuôi thuộc loại giàu SS, COD, N, P, vì vậy để xử lý nước thải chăn nuôi kĩ thuật yếm khí luôn là sự lựa chọn đầu tiên Đây là một trong những loại nước thải rất đặc trưng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao bằng hàm lượng chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và sinh vật gây bệnh Nó nhất thiết phải được

xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường Lựa chọn một quy trình xử lý nước thải cho một cơ sở chăn nuôi phụ thuộc rất nhiều vào thành phần tính chất nước thải, bao gồm:

 Cá chấthữu cơ và v cơ

Trong nước thải chăn nuôi, hợp chất hữu cơ chiếm 70–80% gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon và các dẫn xuất của chúng có trong phân, thức ăn

Trang 37

thừa Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy Các chất vô cơ chiếm 20–30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-,…

 N và P Khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém, nên khi ăn thức

ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu Trong nước thải chăn nuôi heo thường chứa hàm lượng N và P rất cao Hàm lượng N-tổng trong nước thải chăn nuôi 571 – 1026 mg/L, Photpho từ 39 – 94 mg/L

 Visin vậtgây bệnNước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh

2.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu phát triển 2 kĩ thuật yếm khí là kĩ thuật tuần hoàn nội IC và kĩ thuật cải tiến với vách ngăn đảo chiều dạng ABR, tìm ra thiết kế tối ưu thông qua các nghiên cứu ban đầu:

1 Thực hiện khảo sát với HRT 24h, 20h, 16h, 12h, 10h, 6h cho hệ IC và ABR 30h, 25h, 20h,15 giờ, 10 giờ, 6 giờ và với tốc độ dâng 0,9 m/h Đánh giá khả năng

xử lý COD trong các thời gian lưu khảo sát

2 Đánh giá khả năng xử lý TSS và ảnh hưởng của hàm lượng cặn đầu vào đến khả năng vận hành hệ

3 Đánh giá năng suất xử lý COD theo tải lượng đầu vào

2.3 Phuơng pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu

Thu thập các tài liệu về tính chất, thành phần nước thải chăn nuôi, các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi để từ đó có cái nhìn tổng quát và lựa chọn phương pháp xử lý chất phù hợp trong bối cảnh Việt Nam

Trang 38

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm

Đề xuất 02 kỹ thuật (tương ứng với 02 hệ nêu trong phần nội dung thực nghiệm)

xử lý nước thải chăn nuôi cùng một nguồn vào bằng 2 công nghệ yếm khí khác nhau IC và ABR với quy mô phòng thí nghiệm, Q= 50l/d, để so sánh hiệu quả xử lý COD

Mô tả quá trình vận hành bộ thí nghiệm IC

Quá trình vận hành bộ thí nghiệm IC tương tự như vận hành trong giai đoạn khởi động hệ ABR Tuy nhiên nội dung vận hành thay đổi do thay đổi tốc độ dâng trong bình phản ứng, thay đổi tải lượng hữu cơ đầu vào của hệ thống,…

Trang 39

Hình 11 Bình phản ứng dạng IC khi hoàn chỉnh

Hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc của hai hệ thống UASB xếp chồng lên nhau Khí tách ra từ bộ phận tách pha phía dưới (lưu lượng lớn do tải lượng cao) được thu lại, chuyển động lên phía trên vào khoang thu khí qua đường ống dẫn lên Khi dòng khí chuyển động lên sẽ cuốn theo nước và bùn từ vùng phân hủy cao tải Sau khi tách khí, nước và vi sinh được đưa trở lại vào vùng phản ứng, xuống đáy bể, hòa trộn với dòng vào qua đường ống dẫn xuống Dòng nước và vi sinh quay ngược lại vùng phản ứng cao tải là tính chất đặc trưng của kỹ thuật IC và vì vậy có tên là tuần hoàn nội bộ

Nước thải được bơm định lượng ( thông qua Flowmeter 1- F1) vào thiết bị xử lý nước thải.Nước thải sau khi vào thiết bị xử lý nước thải được phân bố đều từ dưới đáy lên trên.Tiếp sau đó, trong quá trình dâng của nước sẽ đi qua hệ tách 3 pha

Trang 40

(khí/lỏng/rắn) thứ 1.Tại đây, hỗn hợp nước thải và bùn được phân tách rất hiệu quả, bùn (phần lớn) được giữ lại

Hỗn hợp nước thải và bùn sau khi qua hệ tách 3 pha thứ 1 tiếp tục đi qua hệ tách

3 pha thứ 2 với mục tiêu giữ lại tối đa lượng bùn còn lại có trong nước thải

Trong quá trình nước dâng lên qua hệ tách 3 pha (K/L/R), phần bùn được giữ lại

và khí được sinh ra bên trong thiết bị xử lý cùng được kéo lên ngăn trên cùng.Tại đây, khí được tách ra bay lên và được thu lại vào túi khí.Sau đó khí được tuần hoàn trở lại thiết bị xử lý từ dưới lên.Bùn thì được phân phối tuần hoàn đều về đáy của thiết bị xử lý thông qua bộ phân phối đều bùn tuần hoàn

Như vậy, các thành phần K/L/R của nước thải sau khi đi qua hệ tách 3 pha (K/L/R) đã được tách và xử lý riêng biệt triệt để :

+ Pha lỏng : Nước thải được thu ra sau khi đi qua 2 bộ tách 3 pha nằm bên trong thiết bị xử lý.Nước thải có thể cấp tuần hoàn trở lại thiết bị xử lý thông qua Flowmeter 2

+ Pha rắn : Lượng bùn bên trong nước thải được thu lại và tuần hoàn liên tục.Đến khi hàm lượng bùn vượt quá yêu cầu thì tiến hành xả bùn thiết bị xử lý

+ Pha khí : Khí được sinh ra nội tại bên trong thiết bị xử lý được thu lên ngăn trên cùng được tách riêng bay lên và được thu lại tuần hoàn cấp khí (hoặc xả khí thải, tự cấp khí ngoài) vào thiết bị xử lý từ dưới lên thông qua Flowmeter 3

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	4,07 MB