Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí và hóa lý

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí và hóa lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: XỬ LÍ NƯỚC THẢI BẰNG SINH HỌC KỴ KHÍ

I.MỞ ĐẦU

Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát bằng mắtthường Nó phân bố khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không khí Vi sinh vậtđóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trong cuộc sống của con người

Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cảcác vòng tuần hoàn bật chất trong tự nhiên Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức

ăn của hệ sinh thái Nó đóng vai trò quyết định quá trình tự làm sạch các môi trường tựnhiên

Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng VSV trong đời sống hằng ngày Các quá trìnhlàm rượu, làm dấm, muối chua đều ứng dụng đặc tính sinh học của các nhóm VSV Khikhoa học phát triển, biết rõ vai trò của VSV thì việc ứng dụng trong sản xuất và đời sốnghằng ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, con người

đã sử dụng VSV làm sạch môi trường, xử lý các chất độc hại, sử dụng VSV trong việcchế tạo phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc đến môi trường và bảo vệ

sự cân bằng sinh thái

Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan, bay hơi,không bay hơi, dễ phân hủy, khó phân hủy, Phần lớn các chất hữu cơ trong nước đóngvai trò là cơ chất đối với vi sinh vật Nó tham gia vào quá trình dinh dưỡng và tạo nănglượng cho vi sinh vật Vì thế, công nghệ xử lý nước thải bằng sinh học thường được ápdụng vì dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễmbẩn trong nước thải, các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làmchất dinh dưỡng và tạo năng lượng Chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào,sinh trưởng, sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu

cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa, nhưng do trong môi trường có các vikhuẩn giúp cho quá trình chuyển hóa, phân hủy chất hữu cơ nên khi xử lý nước thải cầnxem xét nước thải có các vi sinh vật hay không để lợi dụng sự có mặt của nó và nếu cóthì tạo điều kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển

Phương pháp xử lý sinh học được chia làm 2 loại:

Phương pháp kỵ khí: sử dụng vi sinh vật kỵ khí , hoạt động trong môi trường không

trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính nhưsau:

Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật

Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong

và bên ngoài tế bào

Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bàomới

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng cáctạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống nước xử lý.Ở mỗi điềukiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độthủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vilượng

II.QUÁ TRÌNH XỬ LÍ SINH HỌC KỴ KHÍ

II.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí do quần thể vi sinh vật (chủyếu là vi khuẩn) hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng

là một hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2….trong đó có tới 65% là CH4 (khí metan) Vìvậy quá trình này cũng có thể gọi là quá trình lên men metan và quần thể sinh vật đượcgọi tên chung là các vi sinh vật metan Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu

cơ trong nước thải hoặc môi trường để xây dựng tế bào, tang sinh khối Người ta đã tínhtoán lượng chất hữu cơ dùng cho mục đích này chỉ khoảng 10% so với tổng các chất hữu

cơ (đối với vi sinh vật hiếu khí con số này là 40%) Do vậy, lượng bùn hoạt tính hìnhthành trong phân hủy kị khí là rất thấp (trong kĩ thuật xử lí nước thải rất cần lượng bùnhoạt tính hồi lưu cho mẻ lên men tiếp theo)

Quá trình phân hủy kị khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:

(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào vi sinh vật

Trong 10 năm trở lại đây, do các phương pháp sinh học phát triển, quá trình xử lí kỵkhí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lí các loại bã cặn chất thải công nghiệp,sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao: BODđến 10-30 (g/l)

Hiện nay, các nhà khoa học đang tích cực thực hiện các nghiên cứu ứng dụng từphòng thí nghiệm đến quy mô pilot, với các mô hình từ thể tích nhỏ đến quy mô lớn cáccông trình sinh học kỵ khí Đã có hàng trăm nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải ởcác nước như Hà Lan, Hoa Kì, Thụy Sĩ, Đức, Việt Nam… đi vào hoạt động, do phươngpháp này có các ưu điểm: thiết kế đơn giản, thể tích công trình nhỏ, chiếm ít diện tích mặtbằng , công trình có cấu tạo khá đơn giản và giá thành không cao, chi phí vận hành vềnăng lượng thấp, khả năng thu hồi năng lượng –Biogas cao, không đòi hỏi cung cấpnhiều dinh dưỡng, lượng bùn sinh ra ít hơn 10- 20 lần so với phương pháp hiếu khí và cótính ổn định tương đối cao, có thể tồn trữ trong một thời gian khá dài và là nguồn phânbón có giá trị, tải trọng phân hủy chất bẩn hữu cơ cao, đồng thời chịu được sự thay đổiđột ngột về lưu lượng.

Ngoài những ưu điểm trên công nghệ này cũng có những hạn chế là rất nhạy cảm vớicác chất độc hại với sự thay đổi bất thường về tải trọng của công trình, xử lý nước thảichưa triệt để, những hiểu biết về vi sinh vật kỵ khí còn hạn chế, thiếu kinh nghiệm về vậnhành công trình

II.2 QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ

Quá trình phân hủy kỵ khí chất bẩn là quá trình diễn ra hàng loạt các phản ứng sinhhóa rất phức tạp và có thể mô tả như hình sau:

Sơ đồ quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí

Chất hữu cơ phức tạp (gluxit, protein, lipid)

Chất hữu cơ đơn giản (đường đơn, peptit, axit amin,

glixerin, axit béo)

Các axit béo dễ bay hơi (propionic, butyric,

lactic…),etanol…

CH 4 , CO 2 , H 2 O

Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiệnkhông có oxy Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễnđơn giản như sau

Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Quá trình kỵ khí sử dụng CO2 làm chất nhận điện tử, không cần oxy Đây có thể trởnên một yếu tố làm giảm chi phí xử lý nước thải

Quá trình kỵ khí sản xuất lượng bùn ít hơn từ 3 – 20 lần so với quá trình hiếu khí, bởi

vì sự sản sinh năng lượng từ các quá trình kỵ khí tương đối thấp Hầu hết năng lượng cóđược từ sự phá hủy cơ chất đều được tìm thấy trong các sản phẩm cuối của quá trình, đó

là CH4 Nói về sản lượng tế bào, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối trongđiều kiện kỵ khi, trong khi với quá trình hiếu khí tỷ lệ này là 5% Cứ từ 1 tấn khối lượngCOD bị phân hủy thì có 20 – 150 kg khối lượng thô của tế bào sinh ra, so sánh với quátrình hiếu khí thì con số này là 400 – 600 kg (Speece, 1983, Switzenbaun, 1983)

Quá trình xử lý kỵ khí thích hợp cho các loại nước thải ô nhiễm nặng

Bể phản ứng kỵ khí có thể hoạt động ở chế độ tải trọng cao

Hệ thống kỵ khí có thể phân hủy sinh học các hợp chất tổng hợp như các hydrocacbonbéo có chlor như trichloroethylene, trihalomethan) và một số hợp chất khó phân hủy nhưlignin

Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như sau:Methane (CH4) 55,65 %

Carbon dioxite (CO2) 35,45 %

Metan có thể dùng để đốt, tạo nhiệt cung cấp cho lò phản ứng hoặc tạo ra điện Mộtlượng nhỏ năng lượng (khoảng 3 – 5 % ) bị mất bởi nhiệt trong quá trình kỵ khí Sự tạothành metan giúp giảm thiểu BOD trong bùn đã phân hủy.

Phân hủy kị khí có thể làm sáu quá trình:

1. Phân hủy polimer:

− Thủy phân các protein

− Thủy phân polysaccharide

− Thủy phân chất béo

2. Lên men các amino axit và đường

3. Phân hủy kị khí các axit béo mạch dài và rượu (alcohols)

4. Phân hủy kị khí các axit béo dễ bay hơi (ngoại trừ axit acetic)

5. Hình thành khí mêtan từ axit acetic

6. Hình thành khí mêtan từ hydrogen và CO2

Các quá trình này có thể họp thành bốn giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trìnhphân hủy kị khí chất hữu cơ:

II.2.1GIAI ĐOẠN THỦY PHÂN

Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơngiản hơn (để có thể thâm nhập vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzyme

ngoại bào của các vi khuẩn (vi khuẩn lên men) Dưới tác dụng của các loại men khácnhau do nhiều loại vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein,lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu có đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axitbéo như axit axetic, axit butyric, axit propionic, axit lactic và các khí CO2, H2 vàNH3.

II.2.2.GIAI ĐOẠN AXIT HÓA

Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật hấpthụ nên cần được phân giải tiếp Giai đoạn này bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền quamàng tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi đến tế bào chất với sự tham gia của cácprotein vận chuyển Ở đó các axit amin, đường đơn và axit béo mạch dài đều biến đổi vềcác axit hữu cơ mạch ngắn hơn, một ít khí hydro và khí CO2, Giai đoạn này còn có tên

là giai đoạn lên men

Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương đốiphức tạp, có thể tóm tắt như sau:

− Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian để tạo sản phẩm cuối cùng Sảnphẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối

− Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức tạp như sau:

Axit béo + CoA ↔ Acyl-CoA

Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm ở màngtrong tế bào vi khuẩn

Acyl-CoA → Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA

Acyl-CoA + H2 + năng lượng tích lũy (ATP)

Axit axetic + CoA (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-)

Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic

Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit axetic là chủ yếu cònchứa cả axit propionic

Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt)trước khi trải qua quá trình oxy hóa β

Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peronic, các axit trung gian cung cơ thểđược tạo thành từ các con đường khác (oxy hóa α, oxy hóa ω, ) bởi một số nhóm vikhuẩn và nấm

Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, indol, scatol, được sinh ra và

pH của môi trường tăng dần lên

II.2.3.GIAI ĐOẠN AXETAT HÓA

Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trìnhaxit hóa nêu trên, ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần được phân giải tiếp thành

những phân tử đơn giản hơn nữa Sản phẩm phân giải là axit acetic, khí H2, CO2 được tạothành bởi vi khuẩn axetat hóa:

CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2

CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2

CH3(CH2)2COO- (butyric) +H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2

Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí nàyngay lập tức được vi sinh vật metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với

CO2 Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêngphần của khí hydro trong bể kỵ khí Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ hydro bị ức chếhay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó(bởi vi khuẩn axetat hóa) sẽ giảm mạnh Trong khi axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa)

là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ứcchế sự phân giải của các axit béo bay hơi khác Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giaiđoạn này là 6.8 – 7.8 và 35 – 42oC

II.2.4.GIAI ĐOẠN TẠO METAN

Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong muốn

là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng các tổ hợp các con đường sau:

số loài VSV metan sử dụng được cơ chất là CO

− Con đường 3: CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O

4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3

Loài VSV methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl Chỉ mộtlượng không đáng kể metan được sinh ra từ con đường này Nhiều nghiên cứ trên các cơchất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp Trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa và acetic hóa) thì lượng COD hầu nhưkhông giảm COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa

Ngược với quá trình hiếu khí, trong xử lý nước thải bằng phân hủy kị khí, tải trọng tối

đa không bị hạn chế bởi chất phản ứng như oxy Nhưng trong công nghệ xử lý kỵ khí,cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng

1. Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt;

2. Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn

Khi hai yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải trọng rấtcao

Sơ đồ chuyển hóa vật chất trong điều kiện kỵ khí

Nguyên lý xử lý kỵ khí:

a) Quá trình lên men acid (phân hủy hợp chất cao phân tử):

Cellulose acetate + rượu

Lipid acid hữu cơ

Protein H2 + CO2 + NH3 + H2S

b) Chất hữu cơ đơn giản acid béo + chất hữu cơ hòa tan

c) Quá trình methane hóa (lên men metan)

Lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH4

Không có sự hiện diện của Oxy

Cần nhiệt độ cao

II.3 CÁC NHÓM VI SINH VẬT THAM GIA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ

Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịutrách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải Có nhiều nhóm vi khuẩnkhác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa hỗn hợp chất hữu cơ phức tạp thành CH4,CO2 và chúng hoạt động theo mối quan hệ synergy (Archer và Kirsop,1991; Barner vàFitzgeral,1987; Sahm, 1984; Sterritt và Lester, 1988; Zeikus, 1980)

II.3.1 NHÓM VK THỦY PHÂN – HYDROLYTIC BACTERIA(chiếm hơn 50% tổng số vi sinh vật)

Nhóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (Protein , Cellulose, Lignin, Lipids)thành những đơn phân tử hòa tan như Acid Amin, Glucose, Acid béo, Glycerol Nhữngđơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn thứ 2 trực tiếp sử dụng ngay Quá trình thủyphân được xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như Cellulose, Protease, Lipase Tuy nhiênquá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm và có thể giới hạn khả năng phân hủy kỵ khícủa một số chất thải nguồn gốc cellulose, có chứa lignin

Hình 1: vi khuẩn clostridium

II.3.2 VK LÊN MEN ACID - Fermentative acidogenic bacteria

Acetate là sản phẩm chính của quá trình lên men Carbonhydrat Các sản phẩm đượctạo thành rất khác nhau tùy theo loại vi khuẩn và các điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, thếoxy hóa).

Hình 2: Fermentative bacteria

II.3.3.NHÓM VK ACETIC – Acetogenic bacteria

Nhóm này gồm các vi khuẩn như Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas wolfei

• Chuyển hóa acid béo, alcol acetate, CO2 và H2

• Đòi hỏi thế Hydro thấp để chuyển hóa các acid béo

• Thế Hydro cao: acetate tạo thành giảm, các chất chuyển hóa thành acid propionic,butyric, ethanol Metan giảm

• Mối quan hệ cộng sinh giữa VK acetogenic và VK Metan Vi khuẩn Metan sẽ giúp đạtđược thế hydro thấp mà vi khuẩn acetogenic cần

Hình 3: Acetogenic bacteria

II.3.4 VK METAN – Methanogens

Nhóm vi khuẩn metan bao gồm cả gram âm và gram dương với các hình dạng rấtkhác nhau Vi khuẩn metan tăng trưởng chậm trong nước thải và thời gian thế hệ củachúng thay đổi từ 3 ngày ở 350C và lên đến 50 ngày ở 100C

Vi khuẩn metan được chia thành 2 nhóm phụ

Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydrogen hóa tự dưỡng,chuyển hóa hydro và CO2 thành metan:

III.1 THỜI GIAN LƯU BÙN

Thời gian lưu bùn (SRT) là thông số quan trọng thường được lựa chọn làm thông sốthiết kế bể phân hủy Giá trị SRT thông thường được chọn là 12-15 ngày Nếu thời gianlưu bùn trong bể quá ngắn (<10 ngày), sẽ xãy ra hiện tượng cạn kiệt vi sinh vật lên menmetan,tức là vi sinh vật loại bỏ lớn hơn vi sinh vật tạo thành

Khi thời gian lưu ngắn, áp suất riêng phần của khí hidro tăng lên, gây ức chế vi sinhvật lên men metan và ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học (hàm lượng metan thấp)

giảm mạnh (pH<6) sẽ làm cho khí metan sinh ra giảm đi Khoảng pH tối ưa dao độngtrong một khoảng hẹp từ 6.5 -8.5

III.5 CÁC CHẤT DINH DƯỠNG ĐẠI LƯỢNG VÀ VI LƯỢNG

Các chất dinh dưỡng đại lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phat triển của visinh vật tronh hệ thống phân hủy kị khí gồm N và P là chủ yếu tỉ lệ thích hợp đề nghị là20:1 đến 30:1 cho C:N và 7:1 đối với N:P trong đó N và P đều phải ở dạng dễ hấp thụ bởi

vi sinh vật Quá nhiều N có thể dẫn tới sự tích tụ amoni khiến pH tăng lên và ức chế visinh vật metan Trái lại quá ít N không đủ cho vi sinh vật sinh metan tiêu thụ và sảnlượng khí sinh học giảm

Nồng độ vừa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinhvật lên men metanthoong qua sự ảnh hưởng lên hoạt tính enzyme của chúng Các chất vilượng cần có mặt trong enzyme bao gồm: Ba,Ca, Mg, Na, Ni, Fe, Co và một số nguyên tốdạng vết như Se, Tu, Mo

III.6 CÁC CHẤT GÂY ĐỘC

Các chất có mặt trong môi trường ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển củacác vi sinh vật kỵ khí Oxygen được coi là độc tố của quá trình này Một số dẫn xuất củametan như CCl4, CHCl3, CH2Cl2 và một số kim loại nặng (Cu, Ni,Zn…) được coi làchất ức chế quá trình metan hóa Các chất có tính oxy hóa mạnh như thuốc tím, cáchalogen và các muối có oxy của nó, ozon… được coi là chất diệt khuẩn hữu hiệu hiệnnay

Các kim loại nhẹ và cả kim loại nặng đều được coi là dinh dưỡng vi lượng nếu hiện diệnvới nồng độ đủ thấp và sẽ được coi là chất độc nếu nồng độ chúng vượt quá ngưỡng chophép Độc tính của kim loại nói chung tăng theo hóa trị và nguyên tử lượng của chúng.Dạng tồn tại của các kim loại cũng ảnh hưởng đến ngưỡng gây độc, các muối kết tủa haycác phức chất không thể đi qua màng tế bào nên khả năng tác động ít hơn các muối hòatan

III.7 SỰ KHUẤY ĐẢO HỔN HỢP PHÂN HỦY

Khuấy đảo hổn hợp phân hủy có tác dụng làm tăng sự phân bố đồng đều và tăng cơhội tiếp xúc giữa vi khuẩn, chất nền và các chất dinh dưỡng với nhau, đồng thời cũng có

tác dụng điều hòa nhiệt độ tại mọi điểm trong bể phân hủy, giảm tình trạng tăng hay giảmnhiệt độ cục bộ.

III.8 KẾT CẤU HỆ THỐNG

Các bể phân hủy theo mẻ không khuấy trộn, không gia nhiệt và thời gian lưu dài

(30-60 ngày): sản lượng khí và tốc độ thu nạp chất nền thấp vì xãy ra hiện tượng phân tầngtrong bể Kết cấu này đơn giản, rẻ tiền và dễ vận hành, nhưng đòi hỏi diện tích bề mặtlớn

Loại bể có kết cấu cho phép tốc độ nạp chất nền cao, được gia nhiệt và có thời gianlưu khoảng 15 ngày, khuấy trộn hoàn chỉnh, nồng độ chất nền (tính theo lượng chất khô)khoảng 10-15% Loại bể này có hiệu quả phân hủy cao và chất lượng khí sinh học thuđược tốt

Xuất phát từ hạn chế của kết cấu thông thường đòi hỏi phải pha loãng chất nềnnguyên thủy để đạt hàm lượng chất rắn 5-15% (kết cấu “ướt”), kết cấu hệ thống phân hủychất thải với hàm lượng chất rắn cao 20-40% (kết cấu “khô”) đã ra đời Kết cấu “khô”cho phép đơn giản hơn trong khâu tách loại các hợp phần vô cơ, thể tích bể phân hủy nhỏhơn, tốc độ nạp chất nền cao hơn, năng lượng cần thiết để gia nhiệt ít hơn trong khi mức

độ nhạy cảm với các chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh họccũng tương đương kết cấu “ướt” Nhưng kết cấu mới đòi hỏi mức độ đầu tư khá cao cho

bộ phận khuấy đảo

IV.CÁC CÔNG TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ

IV.1 BỂ UASB

IV.1.1.TỔNG QUAN VÀ VỊ TRÍ CỦA UASB:

UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process – Quy trình kỵ khí có tầng bùndòng chạy ngược

UASB được nghiên cứu và phát triển vào cuối những năm 1970 bởi Tiến sĩ GatzeLettinga và các đồng nghiệp tại trường đại học Wageningen (Hà Lan) Lúc đầu côngnghệ UASB được xây dựng thí điểm để xử lý nước thải của một nhà máy sản xuất đường

từ củ cải ở Hà Lan Sau đó, công nghệ này được nhanh chóng phát triển và ứng dụng trênquy mô lớn trong XLNT nhà máy đường, chế biến tinh bột khoai tây, và các ngành côngnghiệp thực phẩm khác cũng như các nhà máy tái chế giấy trên khắp đất nước Hà Lancuối những năm 1970 Năm 1980, công nghệ UASB được công bố và ứng dụng rộng rãitrên toàn thế giới UASB là một trong những phương pháp XLNT bằng biện pháp sinhhọc kỵ khí được ứng dụng rộng rãi do các đặc điểm sau:

− Cả 3 quá trình: Phân hủy – Lắng bùn – Tách khí được đặt chung trong một công trình

− Tạo thành các loại bùn hạt kỵ khí có mật độ VSV cao và tốc độ lắng vượt xa do với lớpbùn hiếu khí lơ lửng

Do đặc tính của bể UASB xử lý được chất hữu cơ có hàm lượng cao nhưng khôngtriệt để Do đó, đối với nước thải có hàm lượng BOD cao thì trong sơ đồ công nghệ vị trí

bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí Aerotank nhằm để xử lý triệt để chất hữu cơ trongnước thải, vì vể UASB chỉ xử lý BOD giảm về một mức độ nhất định, không triệt để, còn

bể Aerotank thì có thể xử ký được chất hữu cơ có nồng độ thấp đạt hiếu quả cao Do đó,

bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí Tùy vào chất lượng nước ra thì sau bể UASB cóthể có hoặc không có bể xử lý hiếu khí

IV.1.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG BỂ UASB:

IV.1.2.1.CẤU TẠO

Bể UASB chia thành 2 vùng chính:

− Vùng chứa bùn phân hủy kỵ khí: (không chiếm quá 60% thể tích bể) Là lớp bùn hoạttính chứa các VSV kỵ khí có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, nước thải vào đượcchảy qua lớp bùn này để xử lý

− Vùng lắng: nằm phí trên lớp bùn kỵ khí Nước thải sau khi phân hủy sẽ di chuyển lênvùng này để thực hiện quá trình lắng cặn

Ngoài ra còn có hệ thống phân phối nước vào, hệ thống thu nước ra, hệ thống thu khí vàmột số hệ thống phụ trợ khác

Hình 5: bể UASB

Hình 6: mặt cắt của bể UASB

IV.1.2.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ UASB:

Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khicác chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt Khí sinh ra trong điều kiện kỵ khí(chủ yếu là CH4 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 vàcùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể Tại đây, quá trình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ranhờ 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 máng tràn răng cưa dẫn đếncông trình xử lý tiếp theo

Sự xử lý xảy ra khi nước thải đến và tiếp xúc với các hạt sinh khối và sau đó đi rakhỏi thiết bị từ phía trên của thiết bị Trong suốt quá trình này thì sinh khối với đặc tínhlắng cao sẽ được duy trì trong thiết bị Một trong những bộ phận quan trọng của thiết bịUASB đó là bộ phận tách khí - lỏng - rắn ở phía trên của thiết bị

Trong quá trình xử lý nước thải, lượng khí tạo ra chủ yếu là CH4 và CO2 tạo nên sựlưu thông bên trong giúp cho việc duy trì và tạo ra hạt sinh học Các bọt khí tự do và cáchạt khi thoát lên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thu khí Dịch lỏngchứa một số chất còn lại và hạt sinh học chuyển vào ngăn lắng, ở đó chất rắn được táchkhỏi chất lỏng và quay trở lại lớp đệm bùn, nước thải sau đó được thải ra ngoài ở phíatrên của thiết bị

Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9m/h (nếu bùn

ở dạng bùn hạt), pH thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6– 7,6 Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để bảo đảm pH của nước thảiluôn luôn > 6,2 vì ở pH < 6,2 – vi sinh vật chuyển hóa methane không hoạt động được.Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với visinh vật acetate hóa (2 – 3 giờ ở 350C so với 2 – 3 ngày, ở điều kiện tối ưu) Do đó, trongquá trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acidhóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyểnhóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa

IV.1.3.HOẠT ĐỘNG CỦA BÙN TRONG BỂ UASB

Đóng vai trò quyết định trong việc phân huỷ và chuyển hoá chất hữu cơ

Chia thành 2 vùng rõ rệt và chiều cao ¼ bể từ đáy tính lên

Lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ nồng độ 5 ÷ 7%

Lớp bùn lơ lửng nồng độ 1000 ÷ 3000mg/l

Nồng độ cao của bùn cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao

Bùn nuôi cấy ban đầu

Bùn nuôi cấy ban đầu phải có độ hoạt tính metan Độ hoạt tính metan ngày càng caothì thời gian khởi động càng ngắn Nếu sử dụng được bùn hạt hoặc bùn lấy từ một bể xử

lý kỵ khí là tốt nhất Ngoài ra có thể sử dụng bùn chứa nhiều chất hữu cơ như bùn từ bể

tự hoại, phân gia súc hoặc phân chuồng

Nồng độ bùn nuôi cấy ban đầu cho bể UASB tối thiểu là 10kgVSV/m3 Lượng bùncho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể

Khi mới nuôi cấy, vận tốc bơm nước vào bể phải đủ nhỏ để không đẩy bùn ra ngoài.Mặt khác, chất lượng nước đầu vào nên pha loãng trước khi bơm vào bể để giảm nồng độCOD nhằm giúp VSV phát triển tốt Cần chú ý đến lượng khí sinh ra để biết sự phát triểncủa các vi khuẩn sinh metan

IV.1.4 ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ TRONG BỂ UASB

IV.1.4.1 ƯU ĐIỂM

− Ít tốn năng lượng vân hành: do quá trình phân hủy là quá trình giả lập tự nhiên với cường

độ cao, sự phân hủy xãy ra chủ yếu do các VSV kỵ khí tạo ra cho nên khi vận hành bểtốn ít chi phí Chi phí chủ yếu là quá trình bơm nước vào bể và quá trình tuần hoàn bùn,hút bùn

− Công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp: khi bể đã đi vào hoạt động thì quá trình vậnhành dễ dàng, không đòi hỏi sử dụng công nghệ cao

− Quá trình hoạt động của bể tạo ra được lượng bùn hoạt tính cao nhưng lượng bùn sinh rakhông nhiều dẫn đến giảm chi phí xử lí bùn phát sinh

− Lượng bùn sinh ra dễ dàng tách khỏi nước

− Đạt hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao

− Tạo nguồn năng lượng có ích từ khí metan

− Ứng dụng kết hợp xử lí nước thải bệnh viện