Nội dung

Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) MỤC LỤC MỤC LỤC........................................................................................................................1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...........................................................................................2 DANH MỤC HÌNH..........................................................................................................2 DANH MỤC BẢNG.........................................................................................................2 1.VỊ TRÍ VÀ PHƯƠNG PHÁP CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ:................3 1.1.Vị trí(UASB)...........................................................................................................3 1.2.Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí.......................................................................3 2.NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH SINH HOC KỴ KHÍ:..........................8 3.CÁC CÔNG TRÌNH VÀ ÁP DỤNG:..........................................................................9 3.1.Các công trình:.......................................................................................................9 3.2. Áp dụng:...............................................................................................................16 4.CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI SỬ DỤNG CÔNG TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG NƯỚC THẢI(UASB):....................................................................................20 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................22 GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 1 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BOD Nhu cầu oxy hóa sinh học COD Nhu cầu oxy hóa hóa học UASB Quy trình kỵ khí có lớp bùn dòng chảy ngược VK Vi khuẩn VSV Vi sinh vật XLNT Xử lý nước thải DANH MỤC HÌNH Hình 1 Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong kỵ khí Hình 2 Các phản ứng xảy ra trong xử lý kỵ khí Hình 3 Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí Hình 4 Sơ đồ phân loại các hệ thống xử lý kỵ khí Hình 5 Sơ đồ bể phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn Hình 6 Sơ đồ bể phân hủy kỵ khí tiếp xúc Hình 7 Sơ đồ bể phân hủy kỵ có dòng chảy ngược UASB Hình 8 Sơ đồ bể lọc kỵ khí Hình 9 Sơ đồ bể kỵ khí bám dính có tầng giá thể lơ lửng Hình 10 Sơ đồ bể kỵ khí vách ngăn Hình 11 Bể phân hủy UASB Hình 12 Cấu tạo bể UASB DANH MỤC BẢNG Bảng 1 VI SINH VẬT SINH AXIT HỮU CƠ Bảng 2 VI KHUẨN SINH METAN Bảng 3 CÁC PHẢN ỨNG SINH METAN Bảng 4 CÁC LOẠI BÙN CÓ THỂ SỬ DỤNG TRONG BỂ UASB GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 2 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) 1.VỊ TRÍ VÀ PHƯƠNG PHÁP CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ: 1.1.Vị trí(UASB) Đặt trước công trình xử lý sinh học hiếu khí và đặt sau bể lắng 1 trong dây chuyền xử lý nước thải. 1.2.Phương pháp xử lý sinh học kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do một quần thể vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoạt động không cần tới sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí. Phân hủy kỵ khí có thể được chia thành 6 quá trình: + Thủy phân Polyme: thủy phân các protein, polysaccharide, chất béo. + Lên men các amino acid và đường. + Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu (alcol) + Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic). + Hình thành khí metan từ acid acetic. + Hình thành khí metan từ hydrogen và CO2. Các quá trình này có thể hợp thành bốn giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ: - Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzim do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (protein, lipid), chuyển hóa thành các phức đơn giản hoặc chất hòa tan (đường, amino acid, acid béo,…). Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm. - 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, alcohols, acid lactic, metan, CO 2, H2, NH3, H2S, và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0. - Acetic hóa (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetat, H2, CO2, và sinh khối mới. - Methane hóa (Methanogenesis): đây là giai đoạn cuối trong quá trình phân hủy kỵ khí. Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO 2 và sinh khối mới. Trong ba giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa và acetic hóa) thì lượng COD hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 3 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Nước thải chứa Carbonhydrates, chất béo, protein, chất hòa tan và chất không hòa tan. (Wastewater containing carbohydrates, Fat, protein, dissolved and undissolved) Thủy Phân (Hydrolysis) Chuyển hóa thành đường, amino axit Acid hóa (Acidogenesis) H2, CO2, axit hữu cơ, rượu, Butyric, propionic, latic, acetic acids,… Acetic hóa (Acetogenesis) H2, CO2, axit axetic Methane hóa (Methanogenesis) Methane, CO2 Hình 1: Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong kỵ khí GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn TrangBIOG 4 Phân hủy sinh AS học kỵ khí CH3C H O hữu (CH3COOH) 2 OOH 2 O 2 cơ Chuyên ề: Quá Lên men kỵđkhí tạotrình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) C H C thành khí methane CH C 3 OOH HC O3- 2 O O 2 H C H 2 H 4 O H H - O 4 2 Hình 2: Các phản ứng xảy ra trong xử lý kỵ khí Quá trình phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí hay là lên men metan là một quá trình phức tạp. Tham gia vào quá trình có tới hàng trăm loài vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và không bắt buộc. Chúng có thể tiến hành phân hủy cơ chất ở 3 thang nhiệt độ : 10 – 15oC; 30 – 40oC; và trên 45oC. Thời gian lên men khá dài: với các điều kiện tối ưu và ở nhiệt độ 45 – 55 oC thời gian lên men cũng khoảng 10 – 15 ngày, các thang nhiệt độ thấp hơn thì thời gian lên men tới hàng tháng hoặc vài tháng Các vi khuẩn tham gia quá trình lên men được chia làm hai nhóm: nhóm vi khuẩn không sinh metan va nhóm vi khuẩn sinh metan: + Nhóm vi khuẩn không sinh metan: nhóm này gồm có cả vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn kỵ khí không bắt buộc (tùy tiện). Các vi khuẩn kỵ khí thường là gram âm, không sinh bào tử, phân hủy polysacarit thành acid acetic, acid butyric và CO 2, có một số loài còn sinh ra H2. + Vi khuẩn sinh metan: Những vi khuẩn này sống kỵ khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxy, sinh trưởng và phát triển rất chậm. Vi khuẩn sinh metan được chia thành 4 giống theo hình thái và khả năng bào tử:  Methanobacterium hình que, không sinh bào tử.  Methanobacillus hình que, sinh bào tử.  Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 5 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB)  Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối. Đặc điểm của quá trình sinh metan là do tác dụng của một quần thể vi khuẩn. Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính là gram(-), không di động, đa số không sinh bào tử và kỵ khí rất nghiêm ngặt. Chúng có thể sử dụng NH 3 làm nguồn nitơ. Chúng phát triển rất chậm. Sau khi cấy trên môi trường dinh dưỡng vài tuần mới phát triển thành dạng hoạt động. Những vi khuẩn kỵ khí gặp ở tất cả mọi nơi trong thiên nhiên, đặc biệt ở những nơi rác bẩn, ở bùn đáy ao hồ tù động, cống rãnh, ở những nơi có nhiều chất hữu cơ bị phân hủy. Ở đây thấy đủ mặt các nhóm vi khuẩn phân hủy xenlulozo, protein, chất béo, vi khuẩn amon hóa, vi khuẩn khử sulfat, vi khuẩn tạo thành metan từ acid hữu cơ ( vi khuẩn sinh metan. Tên vi khuẩn Bacillus cereus Bacillus knolfekampi Bacillus megaterium Bacteroides succinigenes Clostridium carnefectium Clostridium cellobinharus Clostridium dissolvens Clostridium thermocellulaseum Pseudomonas Ruminococcus sp pH 5,2 5,2 – 8,0 5,2 – 7,5 5,2 – 7,5 5,0 – 8,5 5,0 – 8,5 5,0 – 8,5 Nhiệt độ 25 – 35 25 – 35 38 – 35 25 – 35 25 – 37 36 – 38 35 – 51 5,0 – 8,5 55 – 65 – 3 – 42 – 33 – 48 Sản phẩm Axetic, lactic Axetic, lactic Axetic, lactic Axetic, sucxinic Formic, axetic Lactic, ethanol, CO2 Formic, axetic Lactic, sucxinic, etanol Formic, axetic, lactic,sucxinic Formic, axetic, sucxinic Bảng 1: VI SINH VẬT SINH AXIT HỮU CƠ Tên vi khuẩn Methanobacterium omelianskii Methanopropionicum Methanoformicum Methanosochngenii Methanosuboxydans Methanoruminanticum Methanococcus vanirielli Methanococcus mazei Methanosarcina methanica Methanosarcina barkerli pH 6,5 – 8 Nhiệt độ 37 – 40 Axit bị chuyển hóa CO2, H2, rượu I và II 30 – 37 35 – 37 30 Axit propionic H2, CO2, formic axit Axit axetic Axit butyric, axit valeric, caprionic H2, axit formic H2, axit formic Axit axetic, axit butyric Axit axetic, butyric CO2, H2, axit axetic metanol 1,4 – 9 7,0 GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 6 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Bảng 2: VI KHUẨN SINH METAN Tên vi khuẩn 1. Methanobacterium sochngenii Methanococcus mazei Methanosarcina barkeli Methanosarcina methanica 2. Methanobacterium propionicum Methanococcuss mazei Methanosarcina methanica Methanobacterium suboxydans 3. Methanobacterium omelianskii 4. Methanobacterium suboxydans Phản ứng CH3COOH  CH4 + CO2 4CH3CH2COOH + 2H2O  7CH4 + 5 CO2 2CH3(CH2)2COOH + 2H2O  5CH4 + 3CO2 2CH3(CH2)2COOH +2H2O  CH4 4CH3COOH 2CH3CH2OH  3CH4 + CO2 2CH3CH2OH + CO2  CH4 + 2CH3COOH CH3COOH + H2O  4CH4 + CO2 + Bảng 3:CÁC PHẢN ỨNG SINH METAN Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với môi trường, đặc biệt là rất dễ bị ức chế bởi sự có mặt của các kim loại nặng có trong môi trường. Nguồn carbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản, như các axit formic, butiric, propionic, axetic, rượu metanol, etanol, khí H 2, CO2, CO. Để các vi khuẩn metan phát triển bình thường trong môi trường cần phải có đủ CO 2 và các chất chứa nitơ. Nếu trường hợp môi trường lên men thiếu thì phải bổ sung. Nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn metan là amoni cacbonat và amoni clorua. Đặc biệt là vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin. Để quá trình lên men tiến hành bình thường thì lượng nitơ cần thiết trong môi trường theo tỉ lệ sau: C/N là 20:1. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 7 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) 2.NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH SINH HOC KỴ KHÍ: Dựa vào khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật trong điều kiện không có oxi: (vi sinh vật) Chất hữu cơ + O2  CH4 + CO2 + H2S + NH3 + Năng lượng. Hình 3: Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 8 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) 3.CÁC CÔNG TRÌNH VÀ ÁP DỤNG: 3.1.Các công trình: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KỴ KHÍ SINH TRƯỞNG LƠ LỬNG SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH Lọc kỵ khí Tầng lơ lửng Vách ngăn Xáo trộn hoàn toàn Tiếp xúc kỵ khí UASB Hình 4: Sơ đồ phân loại các hệ thống xử lý kỵ khí 3.1.1.Quá trình kỵ khí sinh trưởng lơ lửng: Quá trình sinh trưởng lơ lửng: Vi sinh vật sản sinh và phát triển trong các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thải lơ lửng trong các bể xử lý sinh học. Các vi sinh vật này tạo thành lớp bùn hoạt tính có vai trò phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy và tạo thành sản phẩm cuối cùng là ở dạng khí. Chúng sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng và xáo trộn cùng với nước, cuối cùng các chất dinh dưỡng cạn kiệt, các bông cặn lắng thành bùn. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 9 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Quá trình phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn: Khí Biogas và o ra Phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn (Biogas) Hình 5: Sơ đồ bể phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn Đây là loại bể xáo trộn liên tục trong khi hoạt động, không tuần hoàn bùn. Bể thích hợp xử lý nước thải có hàm lượng cặn hữu cơ lớn (nồng độ cao) hoặc xử lý bùn sinh học. Thiết bị xáo trộn có thể dùng hệ thống cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hoàn khí Biogas (đòi hỏi có máy nén khí biogas và phân phối khí nén). Trong quá trình phân hủy, sẽ sinh ra lượng sinh khối mới và phân bố trong toàn bộ thể tích bể. Hàm lượng chất lơ lửng ở dòng ra phụ thuộc vào thành phần nước thải vào và hiệu suất xử lý. Thời gian lưu sinh khối chính xác là thời gian lưu nước. Thời gian lưu bùn thông thường từ 12 – 30 ngày. Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp và thời gian lưu nước lớn nên loại bể này thích hợp và có thể chịu đựng tốt trong trường hợp có độc tố hoặc khi tải trọng tăng đột ngột. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 10 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Quá trình tiếp xúc kỵ khí: Hình 6: Sơ đồ bể phân hủy kỵ khí tiếp xúc Quá trình này gồm 2 giai đoạn: + Phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn. + Lắng hoặc tuyển nổi tách riêng phần cặn sinh học và nước thải sau khi xử lý. Bùn sinh học sau khi tách được tuần hoàn trở lại bể phân hủy kỵ khí. Lượng sinh khối có thể kiểm soát được, không phụ thuộc vào lưu Khí lượng nước thải Biogas nên thời gian lưu ra bùn có thể khống chế được và không liên quan đến thời gian lưu nước. Kỵ khí tiếp xúc GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 11 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) UASB: Bể xử lý sinh học kỵ khí có dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính: bio gas ra vào Kỵ khí lớp bùn dòng chảy ngược UASB Hình 7: Sơ đồ bể phân hủy kỵ có dòng chảy ngược UASB Bể gồm hai phần: + Phần phân hủy + Phần lắng. Chúng ta sẽ tìm hiều cụ thể về loại bể này ở các chương sau. 3.1.2. Quá trình kỵ khí sinh trưởng bám dính: Trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ, phát triển thành màng dính bám hay gắn kết với các vật liệu trơ như đá, xỉ, gỗ, sành sứ, chất dẻo,… Quá trình này còn gọi là màng sinh học hay màng cố định, xảy ra ở các quá trình xử lý nước thải như lọc sinh học, đĩa quay sinh học. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 12 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Lọc kỵ khí (giá thể cố định dòng chảy ngược) Bể AF: Khí Biog as v à o r a Lọc kỵ khí AF T u ầ n h o à n Hình 8: Sơ đồ bể lọc kỵ khí Bể lọc kỵ khí là cột chứa đầy vật liệu rắn trơ (gọi là giá thể cố định) cho sinh vật kỵ khí sống bám trên bề mặt. Giá thể có thể là sỏi đá, than, nhựa tổng hợp,… Dòng nước phân bố đều từ dưới lên, tiếp xúc với màng vi sinh bám dính trên bề mặt giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy thời gian lưu nước thấp, có thể vận hành ở tải trọng lớn. Các loại giá thể: + Đá, sỏi: là loại giá thể tự nhiên, phổ biến khắp nơi. Tuy nhiên loại giá thể này thường hay bị bít tắc do các chất lơ lửng hoặc màng vi sinh không bám dính giữ lại ở những khe rỗng giữa các viên đá hoặc sỏi. + Vật liệu nhựa tổng hợp thường hay đc sử dụng hơn vì chúng có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao (95%) nên vi sinh dễ bám dính. Trong bể lọc kỵ khí, do dòng chảy có cấu trúc chảy quanh co và do tích lũy sinh khối nên dễ gây ra các vùng chết (vùng ko có vi sinh vật phân hủy). Để khắc phục vấn đề này thì nên bố trí thêm hệ thống xáo trộn khí bằng chính khí biogas sinh ra trong quá trình phân hủy (tức là thu khí ra rồi cho tuần hoàn lại bể bằng máy nén khí và các hệ thống phân phối khí bố trí dưới đáy bể). GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 13 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Quá trình kỵ khí bám dính có tầng giá thể lơ lửng: Khí Bio gas r a T u ầ n h o à n v à o Hình 9: Sơ đồ bể kỵ khí bám dính có tầng giá thể lơ lửng Nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc hạt là giá thể cho vi sinh sống bám. Vật liệu này có đường kính nhỏ, vì vậy tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích rất lớn cho nên tạo được sinh khối bám dính lớn. Do ở đây có lượng sinh khối lớn, tuy nhiên lại có thời gian lưu nước nhỏ nên quá trình này có thể ứng dụng cho các loại nước thải có nồng độ chất hữu cơ thấp (như nước thải sinh hoạt) GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 14 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Kỵ khí vách ngăn: v à o B i o g a s r a Kỵ khí vách ngăn Hình 10: Sơ đồ bể kỵ khí vách ngăn Đây là loại bể kỵ khí thường được sử dụng để xử lý các loại nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt là nước thải cao su. Trong bể được chia thành nhiều ngăn, mỗi ngăn đều chứa các vật liệu đệm để VSV bám dính. Mục đích chia thành nhiều ngăn trong bể là nhằm để xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Nước thải được bơm vào sẽ đi qua các vách ngăn, ở mỗi vách ngăn thì mật độ vi sinh vật khác nhau. Ở 2 vách ngăn đầu thì các VSV sẽ phân hủy các hợp chất khó phân hủy thành dễ phân hủy (pha acid), 2 vách ngăn sau thì các VSV còn lại sẽ phân hủy, đưa hợp chất hữu cơ về sản phẩm cuối cùng ở dạng khí. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 15 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) 3.2. Áp dụng: 3.2.1.Bể UASB Hình 11: Bể phân hủy UASB - UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process – Quy trình kỵ khí có tầng bùn lơ lửng dòng chảy ngược. - UASB được nghiên cứu và phát triển vào cuối những năm 1970 bởi Tiến sĩ Gatze Lettinga và các đồng nghiệp tại trường đại học Wageningen (Hà Lan). Lúc đầu công nghệ 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 nhanh chóng được phát triển và ứng dụng quy mô lớn xử lý nước thải cho các nhà máy đường, chế biến tinh bột khoai tây, và các ngành công nghiệp thực phẩm khác cũng như các nhà máy tái chế giấy trên khắp đất nước Hà Lan vào cuối những năm 1970. Năm 1980, công nghệ UASB được công bố và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. - UASB là một trong những công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học kỵ khí được ứng dụng rộng rãi trên thế giới do các đặc điểm sau:  Cả ba quá trình: Phân hủy – Lắng bùn – Tách khí được lắp đặt chung trong cùng một công trình.  Tạo thành các loại bùn hạt kỵ khí có mật độ VSV cao và tốc độ lắng vượt xa so với lớp bùn hiếu khí lơ lửng. Do đặc tính của bể UASB xử lý được chất hữu cơ có hàm lượng cao nhưng không triệt để. Do đó, đối với nước thải có hàm lượng BOD cao thì trong sơ đồ công nghệ, vị trí bể GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 16 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) UASB thường được đặt trước bể hiếu khí Aerotank (nước thải chế biến cafe, cao su…)nhằm để xử lý triệt để chất hữu cơ có trong nước thải, vì bể UASB chỉ xử lý BOD giảm về một mức độ nhất định, không triệt để, còn bể Aerotank thì có thể xử lý được chất hữu cơ có nồng độ thấp đạt hiệu quả cao. Do đó bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí. Tùy vào chất lượng nước đầu ra thì sau bể UASB có thể có hoặc không có bể xử lý hiếu khí. Cấu tạo của bể UASB Vùng lắng Vùng phân hủy Hình 12: Cấu tạo bể UASB Bể UASB được chia thành 2 vùng chính: - Vùng chứa bùn phân hủy kỵ khí: (chiếm không quá 60% thể tích bể). Là lớp bùn hoạt tính chứa các VSV kỵ khí có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, nước thải vào được cho chảy qua lớp bùn này để xử lý. - Vùng lắng: nằm phía trên lớp bùn kỵ khí. Nước thải sau khi phân hủy sẽ di chuyển lên vùng 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 và các vách ngăn và một số hệ thống phụ trợ khác. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 17 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Nguyên lý hoạt động của bể UASB Bể UASB hoạt động dựa vào sự phân hủy hợp chất hữu cơ của các VSV kỵ khí bám dính và lơ lửng trong bể. Nước thải sau khi được xử lý qua các công trình phía trước, được điều chỉnh pH thích hợp sẽ được bơm vào theo hệ thống ống dẫn phân phối đều ở đáy bể. Sau đó nước thải sẽ di chuyển đều từ dưới lên, đi qua lớp bùn hạt lơ lửng ở đáy bể với vận tốc được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9 m/h ( thực tế 0,9 – 1,1m/h). Quá trình xử lý xảy ra khi hỗn hợp bùn kỵ khí phân bố ở đáy bể tiếp xúc đều với các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, hấp phụ, phân hủy và chuyển hóa chúng thành các hợp chất khí: 70 – 80% CH 4, 20 – 30% CO2 và một số khí khác. Bọt khí sinh ra trong quá trình phân hủy sẽ có xu hướng lên trên và kéo theo các hạt bùn nổi lên. Khi lên tới mặt nước, nhờ hệ thống tách pha rắn – lỏng – khí, các bọt khí sẽ bị tách ra và đi vào hệ thống thu khí của bể, còn các hạt bùn sẽ chìm xuống lại lớp bùn dưới đáy bể. Quá trình này gây nên sự xáo trộn và tuần hoàn cục bộ của lớp bùn lơ lửng trong bể. Sau quá trình phân hủy ở lớp bùn kỵ khí ở đáy bể, hỗn hợp bùn và nước thải đã phân hủy sẽ di chuyển qua vách ngăn và đi vào vùng lắng phía trên bể. Tại đây, các hạt bùn sẽ bị lắng xuống và đi qua khe hở của vách ngăn, tuần hoàn trở lại bể. Nước sau khi lắng sẽ được thu ra ngoài qua hệ thống máng răng cưa hoặc máng tràn của bể để đi qua các công trình xử lý tiếp theo nếu cần thiết. Khí sinh ra trong quá trình phân hủy sẽ được đi vào hệ thống thu khí, được dự trữ để phục vụ cho các mục đích khác (sản xuất điện, làm nhiên liệu đốt,…) Sau một thời gian, do sự vận hành liên lục của bể và do sự phát triển của VSV kỵ khí, lượng bùn trong bể sẽ tăng lên. Do đó sau một thời gian vận hành, cần phải loại bỏ lớp bùn già ở đáy bể ra ngoài. Vận hành bể UASB: Nước thải đi vào bể UASB, tham gia quá trình phân hủy kỵ khí phải có độ pH dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Nếu nước thải có pH< 6,2 thì VSV chuyển hóa methane sẽ bị ức chế, không hoạt động được. Do đó cần phải cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/l) để đảm bảo pH của nước luôn lớn hơn 6,2 Yếu tố quyết định tới hiệu quả xử lý của bể UASB chính là lượng bùn hoạt tính kỵ khí chứa trong bể. Do đó, khi vận hành bể UASB, vấn đề cần quan tâm chính là lượng bùn trong bể này. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 18 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) Ưu nhược điểm của bể UASB:  Ưu điểm: - Ít tiêu tốn năng lượng vận hành: do quá trình phân hủy là quá trình giả lập tự nhiên với cường độ cao, sự phân hủy xảy ra chủ yếu do các VSV kỵ khí tạo ra. Cho nên khi vận hành bể tốn rất ít chi phí. Chi phí chủ yếu là quá trình bơm nước vào và quá trình tuần hoàn, hút bùn. - Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp: khi bể đã đi vào hoạt động thì quá trình vận hành dễ dàng không đòi hỏi sử dụng công nghệ cao để vận hành. - Quá trình hoạt động của bể tạo ra được lượng bùn hoạt có tính cao, nhưng lượng bùn sinh ra không nhiều, dẫn đến giảm được chi phí xử lý 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. UASB xử lý BOD trong khoảng 600 – 15000 mg/l đạt từ 80 – 95%. - Có thể xử lý được một số chất khó phân hủy. - Tạo ra được nguồn năng lượng có ích từ khí methane. Nếu xây dựng bể công suất lớn, lượng khí sinh ra nhiều nên có thể sử dụng cho nhiều mục đích hữu ích khác nhau cho xã hội.  Nhược điểm: - Diện tích cần để xây dựng mặt bằng tương đối lớn: Như đã nói ở trên, bể UASB là công nghệ kết hợp ba quá trình (phân hủy – lắng – tách khí) trong một công trình, cho nên khi xây dựng đòi hỏi diện tích mặt bằng tương đối lớn. - Quá trình khởi động bể (giai đoạn nuôi cấy bùn hạt) tốn nhiều thời gian, khó kiểm soát quá trình. - Xử lý chất hữu cơ từ nồng độ cao về nồng độ tương đối thấp, chưa đạt tiêu chuẩn, cho nên sau bể UASB cần xây dựng thêm hệ thống bể hiếu khí để xử lý triệt để chất hữu cơ, dẫn đến tốn chi phí thiết kế, xây dựng. Phạm vi áp dụng của bể UASB Bể UASB được áp dụng rộng rãi để xử lý nước thải của các công ty, nhà máy, xí nghiệp có hàm lượng COD cao. Sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng COD từ 600 – 50000mg/l, nếu nồng độ > 50000 thì phải pha loãng nước đầu bằng cách thêm nước có nồng độ thấp vào hoặc tuần hoàn nước đầu ra để pha loãng Hiện nay,mô hình bể UASB là một mô hình được sử dụng phổ biến để xử lý kỵ khí nước thải của các công ty, doanh nghiệp, các nhà máy, các ngành công nghiệp ở Việt Nam, đặc biệt là nước thải có chứa hàm lượng chất hữu cơ BOD cao. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 19 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) 4.CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI SỬ DỤNG CÔNG TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG NƯỚC THẢI(UASB): - Bùn nuôi cấy ban đầu: Bùn nuôi cấy ban đầu trong bể phải có độ hoạt tính methane cao. Nên sử dụng bùn hạt bán sẵn hoặc bùn từ một bể kỵ khí khác đang hoạt động là tốt nhất. Ngoài ra còn có thể sử dụng bùn từ các cống rãnh, từ bể tự hoại, hầm phốt, từ phân gia súc, phân chuồng,… Bảng 4: CÁC LOẠI BÙN CÓ THỂ SỬ DỤNG TRONG BỂ UASB: Loại bùn Hoạt tính methane Hàm lượng kg CH4 – COD/kg VSS Kg VSS/m3 Bùn hạt 0,80 – 1,50 15 – 35 Bùn từ các bể xử lý kỵ khí 0,40 – 1,20 10 – 25 Bùn cống rãnh 0,02 – 0,10 8 – 20 Phân chuồng 0,02 – 0,08 20 – 80 Bùn bể tự hoại 0,01 – 0,02 15 – 50 Phân bò tươi 0,001 – 1,006 30 – 100 Phân gia súc khác 0,001 – 1,004 30 – 100 Nguồn: GT. Xử lý nước thải – Th.S Lê Quang Huy Nồng độ bùn nuôi cấy ban đầu cho bể UASB tối thiểu là 10 kg VSS/10m 3. Lượng bùn cho vào bể để nuôi cấy không nên vượt quá 60% thể tích bể. Khi mới nuôi cấy, vận tốc nước bơm 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 độ COD nhằm giúp cho VSV phát triển tốt. Cần chú ý đến lượng khí sinh ra để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh methane. - Hàm lượng chất hữu cơ: Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải vào bể UASB đc xác định theo COD:  Khi COD < 100mg/l thì không thích hợp để sử dụng bể UASB, lúc đó có thể nghiên cứu sử dụng bể Aerotank hoặc công trình khác. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 20 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB)  Khi COD > 50000mg/l thì cần pha loãng nước thải đầu vào với nguồn nước khác hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra quay lại pha loãng với nước thải đầu vào để nhằm giảm nồng độ COD trong nước thải. - Chất dinh dưỡng: Nồng độ dinh dưỡng mà vi khuẩn kỵ khí cần thấp hơn so với vi khuẩn hiếu khí, tuy nhiên không thể thếu. Nồng độ N,P,S tối thiểu: (COD/Y) : N : P : S = (50/Y) : 5 : 1 : 1 Trong đó, Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào nước thải. Nước thải khó acid hóa có Y = 0,15, nước thải dễ acid hóa có Y = 0,03. Ngoài ra, đối với vi khuẩn kỵ khí thì chúng còn đòi hỏi hàm lượng sắt, nikel và cobalt trong thức ăn của chúng tương đối cao. Tuy nhiên, phần lớn các loại nước thải xử lý bằng kỵ khí thì đều có đủ hàm lượng các chất vi lượng này. - Hàm lượng cặn lơ lửng: Nếu nước thải đầu vào có hàm lượng cặn lơ lửng SS lớn thì không thích hợp sử dụng cho bể UASB, do đó cần phải sử dụng các phương pháp tách cặn lơ lửng (lắng, lọc,…) trước khi bơm vào bể. Nếu nồng độ cặn lơ lửng trong nước thải đầu vào lớn hơn 3000 mg/l thì lượng cặn này rất khó để phân hủy sinh học, và chúng có thể sẽ tích lũy dần dần trong bể gây cản trở việc phân hủy các chất hữu cơ của các VSV kỵ khí. - Nước thải chứa độc tố: UASB không thích hợp sử dụng đối với nước thải có hàm lượng ammonia lớn hơn 2000 mg/l hoặc nước thải có hàm lượng sulfate > 500 mg/l (hoặc COD/SO42- ≤ 5). Khi hàm lượng sulfate cao thì nên tách quá trình phân hủy kỵ khí thành hai quá trình riêng biệt: quá trình acid hóa và quá trình methane hóa (xây 2 bể riêng biệt). Nồng độ muối cao trong nước thải cũng gây ảnh hưởng không tốt đến quá trình phân hủy của vi khuẩn sinh methane. Khi nồng độ muối nằm trong khoảng 5000 – 15000 mg/l thì có thể xem là độc tố đối với vi khuẩn ( phụ thuộc vào từng loại muối). Ở nồng độ muối thấp hơn, vi khuẩn có thể thích nghi từ từ, nhưng nếu đang ở giai đoạn chưa thích nghi thì nồng độ muối có thể làm trì hoãn sự phát triển của vi khuẩn. Do đó cần kiểm soát nồng độ muối đi vào bể. GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 21 Chuyên đề: Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải(UASB) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Th.S Lâm Vĩnh Sơn, Bài giảng kỹ thuật xử lý nước thải. [2]. GS.TS Lâm Minh Triết, Tính toán thiết kế công trình XLNT đô thị và công nghiệp, năm 2010, NXB Đại học Quốc gia TP-Hồ Chí Minh. [3]. GS.TS Lâm Minh Triết và nhóm sinh viên, Bài tiểu luận ứng dụng phương pháp sinh học kỵ xử lý bùn và nước thải, năm 2010 http://yeumoitruong.com http://google.com GVBM: Ths.Lâm Vĩnh Sơn Trang 22