Chuyên đề Tìm hiểu về hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải

Nhận thấy nhiều lợi ích của quá trình chuyển hóa kị khí, người ta đã áp dụng chúng vào xử lý nước thải sinh hoạt nhằm giảm ô nhiễm môi trường.. Mục tiêu chính của đề tài là giới thiệu cá

1

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG 

CHUYÊN ĐỀ: TÌM HIỂU VỀ HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC THỊNH MSSV: 91202216

VÕ BÌNH THUẬN MSSV: 91202221

VŨ THỊ PHƯƠNG THÚY MSSV: 91202224

Lớp: 12090201

Khoá: 16

Giảng viên hướng dẫn: Thầy PHẠM ANH ĐỨC

Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nước bao phủ 70% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm, nó còn là thành phần cấu tạo chính của cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng

cơ thể, chẳng hạn chiếm 70% trọng lượng cơ thể người, Sứa biển tới 97% Trong 3% lượng nước ngọt chỉ có 0,5% nước ngọt hiện diện trong sông, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng Nếu trừ phần nước ô nhiễm thì chỉ có khoảng 0,003% là

nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được (Miller, 1988)

Con người đã thải ra một khối lượng lớn nước sau các hoạt động sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua vùng đất ô nhiễm Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinh hoạt, nước khí quyển và nước thải công nghiệp Nhận thấy nhiều lợi ích của quá trình chuyển hóa kị khí, người ta đã áp dụng chúng vào xử lý nước thải sinh hoạt nhằm giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy những hạn chế trong việc áp dụng công nghệ này, từ đó đặt ra những cơ hội cho việc áp dụng những thiết kế cải tiến giúp nâng cao hiệu quả loại bỏ chất gây ô nhiễm trong nước thải, rút ngắn thời gian lưu, cắt giảm nhiên liệu, đồng thời tái tạo những hợp chất có giá trị

Mục tiêu chính của đề tài là giới thiệu các hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải và cách ứng dụng và thực tế xử lý, nêu cách thức hoạt động của các bể xử lý kị khí đồng thời đưa ra các nhận định chung về những khó khăn và cơ hội cho những ứng dụng của

việc lấp ghép các bể xử lý với nhau Chúng tôi cố gắng đưa ra các số liệu, ứng dụng thực tế chính xác nhất có liên quan nhằm góp phần làm rõ vấn đề

Dựa trên thông tin từ các tài liệu, bài báo có uy tín nước ngoài, chuyên đề này sàn lọc tổng hợp các kiến thức về các loại hồ, bể xử lý kị khí cùng tính khả thi của nó, cùng với việc lấp ghép các công trình với nhau Đồng thời đưa ra những ứng dụng mới và cơ hội trong thực tế của chúng

Sử dụng các bài báo, tài liệu nước ngoài đã được công bố, chọn lọc những thông tin hay, mới, tin cậy để xây dựng chuyên đề Đồng thời tham khảo các tài liệu có liên quan nhằm hỗ trợ kiến thức trong quá trình thực hiện Kết hợp sử dụng các thông tin phù hợp, mới lạ, xác thực

4

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC

THẢI 5

1.1 Cơ sở lý thuyết 5

1.2 Các giai đoạn phân hủy kỵ khí 6

1.3 Ưu, nhược điểm của quá trình phân hủy kỵ khí 7

1.4 Lợi ích khi sử dụng kỵ khí so với hiếu khí 7

CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ……….8

2.1 VI SINH VẬT LÊN MEN KỴ KHÍ 8

2.1.1 Giai đoạn thủy phân 8

2.1.2 Giai đoạn lên men axit 9

2.1.3 Giai đoạn lên men kiềm 9

2.2 VI SINH VẬT KỴ KHÍ TRONG HỒ SINH HỌC 9

CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ……… 9

3.1 HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ 9

3.1.1 Tổng quan 9

3.1.2 Quá trình hình thành hồ 10

3.1.2.1 Hồ tự nhiên 10

3.1.2.2 Hồ nhân tạo 10

3.1.3 Hồ sinh học kỵ khí 11

3.1.3.1 Gới thiệu tổng quan 11

3.1.3.2 Thông số thiết kế hồ kỵ khí 12

3.1.4 Hồ sinh học tùy tiện 13

3.1.4.1 Gới thiệu tổng quan 13

3.1.4.2 Thông số thiết kế hồ tùy tiện 14

3.1.5 Ứng dụng 16

3.2 CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 16

3.2.1 Bể UASB 16

3.2.1.1 Giới thiệu tổng quan 16

3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 17

3.2.1.3 Thu hồi năng lượng 19

3.2.2 Các loại hầm kỵ khí 20

3.2.2.1 Các loại hầm ủ 20

3.2.2.2 Các mẫu hầm ủ 20

3.2.3 Bể sinh học kỵ khí hai giai đoạn 24

3.2.4 Bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn 25

3.3 ỨNG DỤNG LẮP GHÉP CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ 25

3.3.1 Acid hóa và lọc kỵ khí 25

3.3.2 Bể UASB và lọc kỵ khí 26

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG XỬ

LÝ NƯỚC THẢI

1.1 Cơ sở lý thuyết

6

Phương pháp này sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải, ở điều kiện không có oxy hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (chủ yếu CO2, CH4) Quá trình phân hủy kị khí chất bẩn có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:

(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào VI SINH

Trong 10 năm trở lại đây công nghệ sinh học phát triển, quá trình xử lý kị khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng trong chất thải công nghiệp, sinh hoạt cùng các loại nước thải có chất bẩn hữu cơ cao: BOD ≥ 10 - 30 (g/l)

 Axit hóa

Vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi, rượu (ancol), axit lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống dưới 4

 Axetic hóa (Acetogenesis)

Vi khuẩn axetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit thành axetat, H2, CO2 và sinh khối

 Mêtan hóa (methanogenesis)

Là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kị khí Chuyển hóa axetic, H2, CO2, axit fomic và methanol thành mêtan, CO2, sinh khối mới COD chỉ giảm xuống trong giai đoạn này

Hợp chất

Cacbonhydrat

Lipit Protêin

1.3 Ưu, nhược điểm của quá trình phân hủy kỵ khí

- Ưu điểm

Thiết kế đơn giản, thể tích công trình nhỏ, chiếm ít diện tích mặt bằng, công trình có cấu tạo đơn giản và giá thành không cao, chi phí vận hành về năng lượng thấp, khả năng thu hồi năng lượng (Biogaz cao) Không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, tải trọng phân hủy chất hữu cơ cao Chịu được sự thay đổi đột ngột về lưu lượng

- Nhược điểm

Ngoài các ưu điểm trên thì có các hạn chế là rất nhạy cảm với các chất độc hại với sự thay đổi đột biến về tải trong của công trình Xử lý nước thải chưa triệt để, những hiểu biết về vi sinh vật kị khí chưa tốt, thiếu kinh nghiện vận hành công trình

1.4 Lợi ích khi sử dụng kỵ khí so với hiếu khí

Phân giải kỵ khí (AD) có thể chuyển đổi một vấn đề xử lý thành một cơ hội lợi nhuận Khi công nghệ tiếp tục phát triển, AD nhanh chóng trở thành một phương pháp quan trọng để giảm chất thải và khí thải CO2 trong khi tạo ra một loại nhiên liệu tái tạo cùng với một phân bón rắn Các cơ chế cơ bản cho cả kỵ khí và hiếu khí xử lý nước thải tương tự, tức là vi khuẩn cần năng lượng cho sự tăng trưởng và hỗ trợ các chức năng duy trì tế bào cũng như di động, và vi khuẩn đòi hỏi thực phẩm (chất nền) cho năng lượng và tăng trưởng Sự khác biệt giữa các quá trình hiếu khí và kỵ khí là kết quả của điều kiện môi trường khác nhau

- Sự khác nhau chính giữa xử lý hiếu khí và xử lý kỵ khí:

Năng lượng :Hệ thống hiếu khí yêu cầu đầu vào thuần năng lượng, dưới hình thức khí,

để cung cấp oxy Ngược lại hệ thống sản xuất kỵ khí (khí sinh học) không cần năng lượng do đó làm giảm đáng kể chi phí hoạt động Các khí sinh học có thể được sử dụng

từ yêu cầu đối với bên ngoài đầu vào năng lượng nhiệt

Bùn sản phẩm : xử lý kỵ khí sinh ra ít hơn khoảng sáu đến mười lần bùn xử lý hiếu khí với tăng chi phí xử lý bùn trong mỗi tấn, xử lý bùn có thể chi phí rất đáng kể

Các chất dinh dưỡng : xử lý kỵ khí tiết kiệm khoảng 6 lần khí nito va photpho so với hiếu khí Do đó tiết kiệm chi phí ngoài chất dinh dưỡng cho nhiều nước thải công nghiệp

CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ

2.1 VI SINH VẬT LÊN MEN KỴ KHÍ

Rất nhiều loại vi sinh vật tham dự vào quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ:

2.1.1 Giai đoạn thủy phân

Chuyển đổi các hợp chất cao phân tử không tan (lignin, carbohydrate, chất béo) thành các hợp chất phân tử thấp hơn Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều

trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.coli và B.subtilus Thời gian sinh

trưởng giai đoạn này của vi sinh vật ngắn hơn các giai đoạn khác

2.1.2 Giai đoạn lên men axit

Nhóm khuẩn, nấm mốc và Protozoa không tạo CH4 thực hiện lên axit các sản phẩm thủy phân thành các axit hữu cơ đơn giản Vi khuẩn kị khí tùy tiện là nhóm tạo axit chủ

yếu, có thể nói Clostridium spp; Lactobacillus spp; Desulfovibrio spp;

Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococcus; Escherichia coli Trong hồ kị khí

còn thấy có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio, các vi khuẩn hủy Protit tạo Hidrosunfua Nhiều loại nấm mốc như Penicillium, Fusarium, Mucor… các Protozoa

cũng tham gia vào quá trình lên men axít

2.1.3 Giai đoạn lên men kiềm

Các axit béo bay đi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân hủy thành CH4 và CO2

làm kiềm hóa môi trường Các vi sinh vật bắt buộc kị khí phát triển và vi khuẩn Metan

phát triển mạnh nhất tiếp tục phân hủy gồm Methanobacterium, Methanosacrina,

Methanococcus, Methanobrevibacter, Methanothrix

2.2 VI SINH VẬT KỴ KHÍ TRONG HỒ SINH HỌC

Thường là vi khuẩn có khả năng tạo methane và khử sulfate, nó thủy phân các protein, chất béo, poly saccharides có trong dòng thải sang dạng amino acid, các chuỗi peptit ngắn hơn nó, acid béo, glycerol and mono- and di-saccharides Nhóm vi khuẩn tạo acid thích nghi tốt với các điều kiện môi trường pH và nhiệt độ khác nhau, vi khuẩn methane thường dễ bị ảnh hưởng với môi trường và chịu khoảng pH nhỏ 6,5 – 7,5; yêu cầu nhiệt độ > 14oC Nhóm vi khuẩn tiêu diệt sulfate (gồm có 14 loài, Bolt et al., 1994) chuyển hóa sulfate thành hydrogen sulfide gây mùi hôi, nó chỉ xuất hiện khi nước thải chứa BOD và sulfate nhưng không có oxy

CHƯƠNG III: CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ

3.1 HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ

3.1.1 Tổng quan

10

Hồ sinh học để xử lý nguồn nước thải thứ cấp dùng phân hủy các chất hữu cơ xảy ra tự nhiên Ban đầu, cấu trúc đơn gian nên không rõ các đặc điểm vật lý, hóa hoc và các quá trình sinh học phức tạp trong quá suốt quá trình, kết quả làm giới hạn sự hiểu biết về nhiều yếu tố có tác động đến hiệu suất của quá trình Vì vậy, chất lượng ra của nước rất thấp

Các hồ sinh học thường có thể đơn giản hoặc được kết hợp với các phương pháp xử lý khác Hồ sinh học có thể xử lý nhiều loại nước thải khác nhau: nước thải phức tạp của công nghiệp hay sinh hoạt trong những điều kiện thời tiết khác nhau Vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý chất thải hữu cơ

3.1.2 Quá trình hình thành hồ

Hồ được hình thành do kiến tạo mặt đất, do sự vận động lớp chất lỏng trong trái đất đã tách bề mặt trái đất thành mãnh như hiện tại gọi là lục địa, và nó vẫn không ngừng hoạt động, chỉ giác quan chúng ta không nhận ra Đồng thời là núi lửa hoạt động phun trào nham thạch, sụt lún… cùng với sự tạo núi là tạo những đại dương, những con sông hay

hồ tự nhiên trên khắp trái đất

Trước đây hồ tự nhiên, khi chưa chịu tác động nhiều của con người thường là những sinh thái hồ đa dạng sinh học cao, là nơi ở của nhiều động thực vật Hiện nay, bàn tay con người tác động một số bị biến mất, một ít bị khai thác tài nguyên cạn kiệt, hay chứa những vấn đề ô nhiễm môi trường nặng nè do con người tạo ra

Hồ nhân tạo do những tác động của con người hình thành nhằm mục đích này hay mục đích khác, như chắn dòng sông, lưu trữ nước cho nhà máy phát điện, tưới tiêu trong nông nghiệp, tạo hồ sinh thái thượng nguồn Đào đắp đất hoặc lấy đất đá, khoáng sản tạo thành các hố sâu rộng, thời gian dài nước được nạp đầy do mưa, làm nơi sống cho các loài thủy sinh…

3.1.3 Hồ sinh học kỵ khí

Hồ kỵ khí dùng để lắng và phân hủy cặn lắng dùng phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa trên việc sống và hoạt động của vi sinh vật kị khí Các vi sinh vật phá vỡ các hợp chất hữu cơ trong nước phóng thích khí CH4và CO2

Hồ kị khí thường sâu từ 2 – 5m và xử lý được nước thải có chất hữu cơ cao (thường > 100g BOD/m3 với sâu 3m nước) lượng chất hữu cơ có trong hồ sẽ liên quan thân mật với lượng oxy nạp vào hồ Hồ kị khí không có mặt của tảo, mặc dù có thể bắt gặp có sự

xuất hiện của loài chủ yếu Chlamydomonas trên bề mặt Chúng hoạt động rất hiệu quả

trong điều kiện khí hậu nóng có thể loại bỏ 60 – 85% BOD Hồ kị khí làm tụt lượng N,

P, K và nhiều vi sinh vật gây bệnh bằng việc tạo ra bùn và giải phóng NH3 vào không khí Sau khi kị khí xong hồ kị khí thường đem lại kết quả:

12

- Chuyển đổi vật chất từ dạng vật liệu hòa tan thành dạng vật chất lắng đọng như bùn ở đáy

- Hòa tan các dạng chất hữu cơ khác

- Phá vỡ quá trình phân hủy sinh học của vật chất hữu cơ

- Chứa chất không hòa tan và không phân hủy như bùn đáy

- Chứa vật chất không hấp thụ và ở dạng vô định hình như bùn đấy

- Xử lý được một lượng nước dòng chảy đi qua

Quá trình lên men và hoạt động kị khí trong hồ làm giảm khoảng 70% lượng BOD5 trong dòng chảy Thông

thường, một hồ kị khí đơn liên tục xử lý sẽ đạt hiểu quả nếu nồng độ dòng thải ≤ 1000 mg/l BOD5 Đối với nước thải công nghiệp nồng độ cao nên phải đến 3 hồ kị khí mới có

thể xử lý tốt nhưng thời gian lưu ít nhất 1 ngày (McGarry and Pescod, 1970)

Hồ kị khí thường dược thiết kế theo kinh nghiệm có diện tích 10 – 20% diện tích hồ tùy tiện Thời gian lưu nước vào mùa hè 1,5 ngày, mùa đông không quá 5 ngày Đặc điểm cấu tạo:

- Hồ nên có 2 ngăn làm việc nhăm khi dự phòng xả bùn

- Cửa nước vào phải đặt chìm, phải đảm bảo việc phân bố cặn lắng đồng đều trong hồ, cần 1 miệng xả nếu diện tích nhỏ hơn 0,5ha nếu lớn hơn thì bố trí thêm

- Cửa lấy nước rời khỏi hồ thiết kế theo thu nước bề mặt và có tấm ngăn để bùn không đi theo

Hồ kị khí có thể thiết kế 1 cách hoàn chỉnh, không phát sinh mùi có hại và khó chịu

dựa trên thông số thể tích dòng vào BOD (lv, g/m3ngày), được cho bởi:

Nhiệt độ T ( o C) Thể tích dòng vào (g/m 3 ngày) Loại bỏ BOD (%)

Nguồn: Hamzeh Ramadan, Victor M Ponce, 10/2006

Lv có thể đạt đến 400 g/m3ngày, nhưng trong bảng trên lại quy định 350 nhẳm đảm bảo vấn đề mùi Lưu ý rằng thể tích BOD dòng vào không nên nhỏ hơn 100 g/m3 để duy trì điều kiện kị khí

Thời gian lưu nước được xác định từ công thức:

qa = Va / Q ( tối thiểu trong 1 ngày nếu ít hơn 1 ngày nên tính lại Va)

lv: thể tích dòng vào BOD, g/m3ngày

3.1.4 Hồ sinh học tùy tiện

Dòng chảy thường có CO2, nước và tế bào vi khuẩn và tảo mới trong điều kiện có oxy

(như Chlamydomonas, Pyrobotrys và Euglena) Lượng tảo trong hồ cần ánh sang mặt

trời để sống Chúng phát triển và sinh sản ra oxy nhiêu hơn chúng sử dụng Lượng oxy

dư sẽ được vi khuận lấy để phá vỡ các hợp chất hữu cơ Hồ này được gọi chính xác bởi thuật ngữ “tùy tiện”, bởi vì nó có tầng trên hiếu khí và tầng kị khí ở dưới do oxy không duy trì đến được độ sâu của hồ Vì vậy toạn bộ bề mặt phát triển hiếu khí tầng trung gian hiếu/kị khí và toàn bộ tầng kị khí ở đấy Xảy ra tầng kị khí nếu:

14

- Hồ quá sâu, màu nước tối, nên ánh sang không xuống được

- Nhu cầu oxy cho tầng dưới cao hơn khả năng cung cấp, gia tăng khi hàm lượng chất hữu cơ nhiều

- Tầng mặt giàu oxy nhưng không có sự hòa với tầng đáy

Do hoạt động quang hợp của tảo nên có sự thay đổi việc dùng hiếu hay kị khí trong ngày Chủ yếu hiếu khí khi mặt trời có bức xạ đỉnh điểm, kị khí và mặt trời mọc, sau trời mọc oxy hòa tan nhiều dần cho tới tối đa vào giữa trưa Hoạt động của hồ tùy tiện được mô tả

Khi xong quá trình hồ tùy tiện sẽ đáp ứng:

- Tăng cường xử lý dòng thải vào từ xử lý kị khí thông qua việc phân chia phân hủy và tiêu hóa chất hữu cơ

- Xử lý hiếu phá hủy gần hết chất hữu cơ ở mặt

- Làm giảm vi sinh vật gây bệnh

Hồ tùy tiện thường sâu 1,5 – 2,5m, trong đó mực nước luôn dùy trì 1 – 2m, thời gian lưu thường dùng 5 – 30 ngày Khi nhiệt đồ trung bình trong mùa đông trên 15oC, tải lượng BOD vào từ 45 – 90 kg/ha.ngày Khi nhiệt độ biến đổi từ 0 – 15oC, tải lượng chất hữu cơ khoảng 22 – 45 kg/ha.ngày, khi xuống 0oC thì tải lượng chất hữu cơ chỉ nên 11 – 22 kg/ha.ngày Tải lượng BOD dòng vào ngăn đầu tiên chỉ giới hạn tới 40 kg/ha.ngày hoặc nhỏ hơn, và tổng thời gian lưu 120 – 180 ngày khi nhiệt độ 0oC Nếu