Bài giảng xử lý nước thải chương 7

KHÁI NIỆM CHUNGQuá trình phân huỷ kị khí là qt phân huỷ các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxy phân tử thông qua hoạt động sống của vi sinh vật kị khí... Lên men axit:

Trang 1

KHÁI NIỆM CHUNG

Quá trình phân huỷ kị khí là qt phân huỷ các hợp

chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có

oxy phân tử thông qua hoạt động sống của vi

sinh vật kị khí

Sản phẩm của quá trình là các hợp chất ổn định

và hỗn hợp các khí CH4, CO2, N2, H2,…

Quá trình phân huỷ kị khí có thể biểu diễn theo

phương trình Buswell như sau:

C n H a O b N d + (n-a/4-b/2-3d/4)H 2 O

(n/2 + a/8 - b/4 -3d/8)CH 4 + (n/2 - a/8 + b/4 + 3d/8)CO 2 + dNH 3

SẢN PHẨMCHÍNH PHÂN HUỶ KỴ KHÍ

Trang 2

Lên men axit:

Lên men Methane:

GIAI ĐOẠN THUỶ PHÂN

Enzyme ngoại bào thuỷ phân các HCHC

mạch dài (carbonhydrates, proteins, nucleic

acids và lipid) thành các HCHC mạch ngắn

hơn, đơn giản hơn và có trọng lượng nhẹ

như monosacarit,amin, peptit…

VSV thuỷ phân (hydrolytic bacteria) thực

hiện

GĐ này xảy ra chậm do cấu trúc bền vững

của cơ chất.

Friday, 16 July, 2010

GIAI ĐOẠN THUỶ PHÂN

Mức độ và tốc độ thuỷ phân chịu ảnh hưởng bởi:

Nhiệt độ, pH và thời gian lưu trong hệ thống.

Thành phần và kích thước phân tử của cơ chất.

Nồng độ NH4+-N và nồng độ của sp thuỷ phân

Trang 3

GIAI ĐOẠN AXIT HOÁ

Những chất đơn giản được giải phóng từ gđ thuỷ

phân bị lên men, chuyển hoá thành các hợp chất

béo hữu cơ mạch dài như lactate, succinate,

pyruvate, butyrate, propionate và rượu Tiếp đó

các HCHC này lại được các VK sinh axít chuyển

hoá tiếp tục thành acetate, hydrogen, formate,

CO2,…

Sản phẩm của giai đoạn này phụ thuộc vào sự

hiện diện của hệ vsv và các yếu tố môi trường

pH môi trường giảm (< 4) do sự hình thành các

GIAI ĐOẠN METAN HOÁ

Các SP của gđ axt hoá được sử dụng trực tiếp

bởi các VK sinh methane, tạo ra sản phẩm cuối

cùng của qúa trình phân huỷ kị khí là khí

methane và CO2,…

Tốc độ phát triển của vi khuẩn sinh methane

chậm hơn các loài vi khuẩn ở giai đoạn thuỷ

phân và axit hoá

Vk sinh methane sử dụng axit acetic, methanol hay CO2, H2,… để sản xuất CH4 Trong đó, axit acetic là chất nền sản sinh CH4 quan trọng nhất (70%), kế đến là H2và CO2 Axit formic, methanol cũng tham gia tạo CH4 nhưng không nhiều vìchúng không thường xuyên xuất hiện

Các p/ứ của giai đoạn này chuyển pH của môi trường sang kiềm

Trang 4

Quá trình khử sulfate:

Trong quá trình phân huỷ kị khí, khi có sự hiện

diện của các hợp chất lưu huỳnh thì vi sinh vật

khử sulfate (sulfate reducing bacteria) sẽ cạnh

tranh với vi khuẩn methane đối với cơ chất H2 Vi

khuẩn khử sulfate có ái lực với H2 cao hơn nên

sẽ dùng H2làm cơ chất để tăng trưởng và tạo ra

3

CH 3 OH + H 2 CH 4 + H 2 O 4CH 3 COCOOH + 2H 2 O 5CH 4 + 7CO 2 2(CH 3 ) 2 S + 3H 2 O 3CH 4 + HCO 3 - + 2H 2 S + H +

Ở giai đoạn bắt đầu từlên men, axít hoá, methane hoá, vai trò chủ đạo thuộc về các vk

Các VK kỵ khí được chia ra làm 3 nhóm chính:

Các VK sinh acetate (acetogenic bacteria) Các VK sinh methane (methanogenic bacteria) Các VK khử sulfate (sulfate reducing bacteria)

Trang 5

VI KHUẨN SINH ACETAT

Quá trình dehydro hoá tạo acetat

Các VK khử proton bắt buộc

Các VK lên men (khử proton tuỳ tiện):hoạt động

như các chất khử proton thông qua cơ chế tách

hydro ra khỏi cơ chất và chuyển đến chất nhận

cuối cùng là chất hữu cơ SP của phản ứng gồm:

H2,và các sp oxh khác Quá trình này tạo ra năng

lượng đáng kể

Hai nhóm VK này được phân biệt dựa trên cơ

chất được sử dụng và năng lượng tạo ra

18

Quá trình hydro hoá tạo acetate: là quá trình lên men hình thành acetat, là sản phẩm duy nhất của qtr Trong qtr này, xảy ra 2 phản ứng:

Qúa trình hydro hoá tạo acetate giữa cơ chất

CÁC VI KHUẨN SINH METAN

Hoạt động trong môi trường kị khí: các loài vi khuẩn trong quần thể vi sinh vật duy trì một thế năng oxy hoá khử thấp và sản xuất ra các cơ chất sinh methane cũng như các thành phần dinh dưỡng khác

Hình dạng:hình cầu, sợi xoắn, que và nhiều cách sắp xếp các tế bào tạo thành các mạch hay các cấu kết dài hơn, lớn

Các họ VK sinh methane: Methanobacteriales,

Methanopyrales, Methanosarcinales.

Trang 6

VI KHUẨN KHỬ SUNFAT

Sử dụng các cơ chất hữu cơ khác nhau trong

qúa trình trao đổi chất với tư cách là các chất cho

điện tử để chuyển hoá SO42-thành S2-

Là nhóm kỵ khí bắt buộc, tham gia qúa trình khử

sulfate, sulfite, thiosulfate

pH Ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình biến

đổi sinh học và bản thân vsv.

–pH thấp (< 5): gây kết tủa protid, lipid Ftuổi và

hoạt tính của bùn giảm

–Kiểm soát và giữ pH ở giá trị tối ưu (6,8 – 7,5)

bằng cách bổ sung và duy trì một lượng

bicacbonat nhất định nhằm tạo pH đệm cho

môi trường, giúp trung hoà các axit sinh ra

trong quá trình phân huỷ kị khí

NHIỆT ĐỘ

Ảnh hưởng mạnh đến quá trình sinh học của vsv cũng như đặc tính nhiệt động học của các phản ứng trong môi trường kỵ khí Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tăng trưởng của vsv được mô tả theo phương trình Arrhenius:

k1 = 0,84; k2 = 0,09; a1 = 0,11, a2 = 0,3 ; Xt

= 58,7

) ( 2 ) ( 1

T

X T a

e k e

k

Trang 7

- Hằng số phân huỷ (ngày -1 )

- Nhiệt độ tuyệt đối (K)

- Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ (K)

Trong khoảng nhiệt độ thích hợp, Pt Arrhenius mô tả tốc độ

tăng trưởng của vsv gia tăng với nhiệt độ

Nhu cầu N và P tối thiểu cung cấp cho vsv được tính toán dựa vào tốc độ tăng trưởng và thành phần của các nguyên tố này trong TB vsv: C :N :

P = 50 : 14 : 3

CHẤT DINH DƯỠNG

Công thức tính lượng dinh dưỡng tối thiểu cần

thiết: NUTRCT = COD0*Y*NUTRTB*1,14

COD0 - Gía trị COD đầu vào (g/l)

Y - Hệ số năng suất sinh khối (g/g)

NUTRTB - Nồng độ chất dd trong tế bào VK (g/g)

NUTRCT - Nồng độ dd tối thiểu cần thiết trong đầu vào.

1,14 - Hệ số giả định của tỷ lệ TSS/VSS.

Thông thường, lượng chất dd đầu vào thường

lấy gấp 2 lần so với tính toán để bù trừ cho các

Trong hệ thống kỵ khí, giá trị của thế oxi hoá –khử thường ổn định và thay đổi theo khối lượng bùn sử dụng:

15 giờ đ/v bùn chứa 13,4 g VSS/l

40 giờ đ/v bùn chứa 2,2 g VSS/l

Trang 8

THẾ OXY HOÁ KHỬ

Trong hệ thống kị khí, giá trị của thế oxi hoá –

khử thường ổn định và thay đổi theo:

Thành phần của dung dịch chứa cơ chất, đặc

biệt là sự hiện diện của oxi sẽ làm điện thế oxi

hoá – khử được giữ ở mức cao không thuận lợi

cho quá trình phân huỷ kị khí

Hoạt tính của bùn: bùn có hoạt tính cao sẽ nhanh

chóng có điện thế oxi hoá – khử ổn định hơn bùn

Lưu huỳnh là ngtố cấn thiết cho vsv ở 1mM

Ở nồng độ cao, gây ra độc tính đối với vsv

Sự phân bố H2S giữa pha khí và lỏng phụ

thuộc vào nhiệt độ, tại 300C ta có:

[H2S]khí = 0.4325 [H2S]lỏng

H2S tự do thấm qua màng tế bào, ảnh

hưởng đến pH nội bào, làm biến tính

protein bởi sự hình thành các liên kết

sulfide trong TB

ĐỘC TÍNH CỦA NH3VÀ NH4 +

Trong mt nước, tuỳ vào pH mà ammonia

có thể tồn tại ở dạng ion ammonium NH4+hoặc khí NH3

NH4+

⇌ NH3+ H+(pK = 9.2)

NH3 gây độc tính cao đối với vsv

NH4+ gây ức chế đối với vi khuẩn sinh methane

Trang 9

Nước thải chứa hàm lượng Ca cao (trên 250

mg/L), có hiện tượng tạo muối CaCO3 hay

Ca3(PO4)2kết tủa

Sự tạo thành kết tủa trong thiết bị kỵ khí dẫn đến:

– Giảm hiệu quả do bùn bị rửa trôi

kỵ khí.

34

ẢNH HƯỞNG CỦA KIM LOẠI NẶNG

Ni, Co, Fe, Mo,… ở nồng độ vi lượng 5mg/l) giúp cho VK kỵ khí phát triển tốt

(0,01-Ở nồng độ cao hơn, là chất ức chế cho sự phát triển của vsv, đặc biệt là vk sinh methane

F tiết kiệm năng lượng, giảm giá thành xử lý.Yêu cầu dinh dưỡng (N, P) thấp

Hiệu suất xử lý cao, có thể đạt 80 – 90%COD khi tải trọng COD đầu vào:

COD0= 30g /L.ngày ở 300CCOD0= 50g/L.ngày ở 400C

Trang 10

VK tạo khí methane nhạy cảm với môi trường.

VK kỵ khí tăng trưởng chậm nên giai đoạn khởi

động của hệ thống kỵ khí khá lâu (6 – 12 tuần)

NHƯỢC ĐIỂM

Khi nước thải có chứa hợp chất lưu huỳnh, xử lý

kỵ khí làm phát sinh khí H2S F gây mùi khó chịu.Bản chất hoá học và vi sinh học phức tạp

Vận hành hệ thống phức tạp F đòi hỏi trình độchuyên môn cao

Trang 11

Hạt bù n phả i ổ n định vàchịu được cá c lực tđ

do sựhình thà nh dò ng khí sinh học Độbề n cơ học

Đểduy trì sinh khố i, tố c độlắng củ a bù n hạt cầ n đạt 60 m/h

So sánh khả năng lắng của bùn hạt (granular), bông bùn

(flocculent) và bùn phân tán (disperse) trong 5 phút

CƠ CHẾTẠO HẠT CỦ A BÙ N

- Lý thuyết nhân kết tinh

- Lý thuyết sức căng bề mặt

- Lý thuyết hoán vị proton Nhiệt động học

- Lý thuyết “cap town”

- Lý thuyết “spaghetti”

- Lý thuyết kết nối cuộn nhỏ

- Lý thuyết bó methanothrix

- Lý thuyết 3 loại axit béo bay hơi

Vi sinh - sinh lý

- Phát triển

- Sinh thái

Aùp suất chọn Sự phát triển của những hạt rắn lơ lửng cố định Vật lý

Tên lý thuyết

Cơ sở lý thuyết

Trang 12

v Là một quá trình tự nhiên trong tất cả các ht XLNT

có dòng vào từ dưới lên

v Những hạt vô cơ và hữu cơ hiện diện trong NT tạo

bề mặt cho Vk bám vào, tăng trưởng sinh khối

v Khí sinh học sinh ra và dòng NT làm trôi những

chất mang nhẹ ra ngoài mô hình, tạo đ/k cho sự hình

thành màng và khối bùn vững chắc

v Khi gia tăng đến một kthứơc nhất định, hạt/màng sẽ

bị phá vỡ và hình thành các hạt bùn nhỏ hơn

v Các hạt bùn sẽ dần “già cỗi” hoặc “trưởng thành”

46

CƠ CHẾTẠO HẠT CỦ A BÙ N NHỮ NG YẾ U TỐẢ NH HƯỞ NG ĐẾ N QUÁ Friday, 16 July, 2010

NHỮ NG YẾ U TỐẢ NH HƯỞ NG ĐẾ N QUÁ TRÌNH TẠO HẠT CỦ A BÙ N

Đểqtr tạo hạt củ a bù n thuậ n lợi, cầ n:

v Những hạt rắn hay những vật làm nhân để vsv bám dính và phát triển Những hạt này phải đủ nặng

v Loại bỏ liên tục và hoàn toàn những phần tử nhẹ trong bùn làm nhân ban đầu

v Loại bỏ SS trong dòng vào sao cho SS < 200 mg/l vì SS cao, qtr tạo hạt khó xảy ra

v Giảm nồng độ muối canxi vì CaCO3kết tủa trên bùn sẽ làm chậm qtr tạo hạt và làm giảm hoạt tính bùn

v Nhiệt độ thích hợp: là nhiệt độ TB và nhiệt độ cao

v Nguyên tố dd đa lượng và vi lượng cần được cung cấp đủ cho vsv phát triển, qtr tạo hạt dễ dàng hơn

Trang 13

CÔ NG NGHỆ XỬLÍ KỊ KHÍCƠNG NGHỆ XỬ LÝ KỴ KHÍ

ĐẶC ĐIỂM

Quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hồn tồn.Xáo trộn liên tục, khơng cĩ tuần hồn bùn

Thích hợp xử lý NT cĩ hàm lượng CHC hịa tan

dễ phân hủy nồng độ cao hoặc xử lý bùn hữu cơ Thiết bị xáo trộn cĩ thể dùng hệ thống cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hồn khí biogas (địi hỏi

cĩ máy nén khí biogas và dàn phân phối khínén)

Trang 14

ĐẶC ĐIỂM

Trong quá trình phân hủy lượng sinh khối mới

sinh ra và phân bố đều trong toàn bộ thể tích bể

Do không có biện pháp nào để lưu giữ sinh khối

Bùn dư

GAZ

Khí tắc trong các cục vón

Trang 15

ĐẶC ĐIỂMGồm hai giai đoạn:

Tải trọng chất hữu cơ từ 0.5 đến

10kgCOD/m 3 /ngày với thời gian lưu nước từ

Ít bị ảnh hưởng lưu lượng

Chuyển từ bể này sang bể khác dễ dàng, quá

trình bảo dưỡng và khởi động lại đơn giản

Loại bỏ đượng 80 – 95% BOD5 và 65 – 90%

COD

Bùn dư ít

UASB (UPWARD-FLOW ANAEROBIC SLUDGE

BLANKET)

UASB (UPWARD-FLOW ANAEROBIC SLUDGE

BLANKET)

Trang 16

Biogas Ra

Chụp thu khí

Hướng dòng

Bùn hạt Khí

Trang 17

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Khí tạo thành sẽ tạo thành dòng tuần hòan cục

bộ, giúp việc hình thành các hạt sinh học và giữ

Khí tự do và khí bung ra giải phóng khỏi hạt được thu hồi vào mái vòm

Nước thải chứa một ít bùn lơ lửng và bùn sinh học sẽ qua ngăn lắng và tách ra khỏi nước

Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, tốc độ nước lên khỏang 0,6 – 0,9m/h

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Bùn trong hệ thống UASB được lưu giữ dựa trên

khả năng lắng tốt của bùn kỵ khí Lượng bùn

được giữ lại trong hệ thống dựa trên sự tích tụ và

Trang 18

SLUDGE BED)

EGSB (EXPANDED GRANULAR

Trang 19

Tải trọng hữu cơ thể tích cao gấp 3 – 6 lần so với UASB.

Xử lý nước thải ở các nồng độ khác nhau: nước thải có chứa nồng độ chất hoà tan thấp, nước thải chứa sulfate, nước thải chứa lipid

ƯU ĐIỂM

Xử lý nước thải ở những điều kiện nhiệt độ khác

nhau: thấp, trung bình và cao

Một phần dòng ra được bơm trở lại ht nên tốc độ

dòng lên đạt được 5 – 6m/h, đem lại sự tiếp xúc

tốt hơn giữa nước thải và quần thể vsv trong lớp

bùn

Thời gian lưu nước ngắn: 1 – 2 giờ

Hiệu suất xử lý cao 90 – 95%

KHUYẾT ĐIỂM

Bùn hạt có thể bị vỡ do dòng lên ở tốc độ cao, làm bùn có thể trôi ra ngoài hệ thống

Trang 20

LỌC KỴ KHÍ XUÔI DÒNG

Nước thải vào chảy từ trên xuống qua lớp giá thể

module Giá thể này tạo nên các dòng chảy nhỏ

tương đối thẳng theo hướng từ trên xuống

Đường kính dòng chảy nhỏ có đường kính xấp xỉ

Biogas

LỌC KỴ KHÍ NGƯỢC DÒNG

Trang 21

CẤU TẠO

Cột chứa đầy vật liệu rắn trơ (đá, sỏi, than, tấm

nhựa…) là giá thể cố định cho vi sinh kị khí sống

bám trên bề mặt (85 – 95% vật liệu rắn)

Dòng nước thải phân bố đều, đi từ dưới lên, tiếp

xúc với màng vi sinh bám dính trên bề mặt giá

Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bểbằng xả đáy và rửa ngược

Thời gian trung bình tế bào lưu lại khỏang 100 ngày

Ứng dụng xử lý nước thải nồng độ thấp

Trang 22

Dòng ra được tuần hoàn trở lại để tạo vận tốc nước đi lên đủ lớn cho lớp vật liệu hạt ở dạng lơ lững, giản nở khoãng 15-30% hoặc lớn hơn

ĐẶC ĐIỂM

Hàm lượng sinh khối trong bể có thể lên đến

10.000- 40.000 mg/L

Do lượng sinh khối lớn và HRT nhỏ, quá trình

này có thể ứng dụng xử lý nước thải có nồng độ

chất hữu cơ thấp, (500-1000 mg BOD/l)

Biogas

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Trang 23

Không tẩy trôi các quần thể bám trên vật liệu lọc.

Có khả năng thay đổi lưu lượng trong giới hạn tốc độ chất lỏng

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	1,51 MB