Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí

Bài viết xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí – Bể UASB được chia ra làm hai chương. Ở phần này chúng tôi sẽ viết về Chương 1, các bạn xem tiếp chương 2 tại đây: https://maybomnuoc99.com/xu-ly-nuoc-thai-bang-phuong-phap-sinh-hoc-ki-khi-be-uasb/

Chương 1. CÔNG TRÌNH SINH HỌC KỊ KHÍ

1. Quá trình phân hủy kị khí

1.1 Khái niệm

Quá trình phân hủy kị khí là quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy, ứng dụng để xử lý các loại nước thải ô nhiễm chất hữu cơ cao. Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm là sử dụng các vi khuẩn, vi sinh vật kị khí nhằm phân hủy cơ chất trong nước thải.

Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính (bùn vi sinh)

1.2 Nguyên lý xử lý kị khí

Quá trình xử lý kị khí  thích  hợp  cho  các  loại nước  thải  ô  nhiễm nặng. Bể phản ứng kị khí có thể hoạt động ở tải trọng cao. Quá trình kị 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 kị khí tương đối thấp. Hầu hết năng lượng có được từ  sự phá hủy cơ chất đều được tìm thấy trong các sản phẩm cuối của quá trình, đó là CH4.

Hỗn hợp khí sinh ra gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như sau:

• Methane (CH4) 55,65%
• Carbon dioxite (CO2) 35,45%
• Nitrogen (N2) 0,3%
• Hydrogen (H2) 0,1%
• Hydrogen Sulphide (H2S) 0,1%.

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

(CHO)nNS →CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào vi sinh

Quá trình sinh học kị khí có thể  xử  lý nước  thải  có  hàm  lượng chất  hữu cơ cao BOD ≥ 10 000 – 30 000(mg/l). Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc  để biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học.

1.3 Các nhóm vi sinh vật tham gia và các giai đoạn của quá trình kị khí

Các quá trình này có thể hợp thành  bốn giai  đoạn,  xảy  ra đồng thời  trong quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ: Thủy phân (Hydrolysis), Acid hóa (Acidogenesis), Acetic hóa (Acetogensis), Methane hóa (Methanogensis).

Quá trình thủy phân (Hydrolysis) do nhóm vi khuẩn Hydrolytic bacteria, nhóm vi khuẩn 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. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn thứ 2 trực tiếp sử dụng ngay.

Quá trình acid hóa (Acidogenesis) do nhóm vi khuẩn lên men acid – Fermentative acidogenic bacteria sử dụng sản phẩm từ quá trình thủy phân:

Các  sản phẩm được tạo  thành rất khác nhau tùy theo loại  vi  khuẩn  và  các  điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa).

Quá trình acetic hóa (Acetogenesis) do nhóm vi khuẩn acetic – Acetogenic bacteria gồm  các  vi  khuẩn  như  Syntrobacter wolinii  và  Syntrophomonas wolfei. Chuyển hóa acid béo, alcohol và acetate, CO2 và H2.

Quá trình metan hóa (Methanogenesis) do vi khuẩn   metan – Methanogens bao

gồm các vi khuẩn gram âm  và  gram  dương  với  các  hình  dạng  rất khác nhau để chuyển hóa acid acetid, H2 thành CO2 và  khí Metan (CH4). Vi khuẩn metan tăng trưởng chậm  trong  nước  thải  và  thời gian thế  hệ  của chúng thay đổi từ 3 ngày ở 35oC và  lên đến 80oC ở ngày thứ 50 (đây là lí do nhiệt độ trong thời gian ủ tăng cao).

Trong 3 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.

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 kị khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng:

• Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt;
• Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn.

Quy trình xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia

2 Các công trình xử lí nước thải bằng phương pháp xử lí sinh học kị khí

2.1 Công trình nhân tạo

Các công trình nhân tạo trong thực tế được chia thành những loại như công trình lọc kị khí, công trình kị khí tiếp xúc và bể UASB.

√ Lọc kị khí

Bể lọc kị khí là cột chứa vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho VSV kị khí sống bám trên bề mặt. Giá thể có thể là đá, sỏi, than, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, vòng sứ,…

Dòng nước thải đi từ dưới lên (phân bố đều), 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.

Sau thời gian dài vận hành, các chất rắn không bám dính gia tăng trong bể nên chất lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả xử lí giảm. Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bể bằng xả đáy và rửa ngược.

√ Kị khí tiếp xúc

Công trình này bao gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hoàn.

Nước tải chưa xử lý được khuẩy trộn với vòng tuần hoàn và sau đó được phân hủy trong bể phản ứng kín không cho không khí vào. Sau khi phân hủy, hỗn hợp bùn nước đi vào bể lắng: nước trong đi ra và bùn được lắng xuống đáy.

√ Bể UASB

UASB là tên gọi viết tắc của cụm từ Upflow Anearobic Sludge Blanket – bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kị khí.

Xử lý nước thải UASB là quá trình xử lý sinh học kị khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từ dưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp là: V < 1m/h.

2.2 Công trình tự nhiên

Trong tự nhiên quá trình xử lý sinh học kị khí chỉ tồn tại ở dạng ao, hồ kị khí. Loại ao, hồ này thường phải sâu hơn 2m. Từ đó các vi sinh vật kị khí hoạt động sống không cần oxi. Chúng sử dụng oxy ở các hợp chất như nitrat, sulfat,… để oxy hóa chất hữu cơ thành axit hữu cơ, các loại rượu và khí CH4, CO2,… và H2O.  Nước thải nhờ bơm chìm nước thải Pentax dẫn vào hồ được đặt chìm đảm bảo cho việc phân phối cặn đồng đều trong hồ. Cửa xả nước ra khỏi hồ theo kiểu thu nước bề mặt và có tấm ngăn bùn không cho ra cùng với nước.

3 Bể kị khí UASB

3.1 Khái niệm và cấu tạo

UASB là tên gọi viết tắc của cụm từ Upflow Anearobic Sludge Blanket – có thể dịch là bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kị khí.

Trên thực tế, bể UASB được thiết kế dành cho xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao, thành phần chất rắn thấp và khống chế bởi vận tốc phù hợp. Cụ thể nồng độ COD đầu vào được giới hạn ở mức nhỏ nhất là 100 mg/l, nếu SS > 3.000 mg/l thì không thích hợp để xử lý UASB và chế vận tốc phù hợp là nhỏ hơn 1m/h.

Về xây dựng, bể UASB có thể xây dựng bằng bê tông cốt thép, thường xây dựng hình chữ nhật. Để dễ tách khí ra khỏi nước thải người ta lắp thêm tấm chắn khí có độ nghiêng >= 35o so vơí phương ngang.

Bể UASB là một trong những phương pháp XLNT bằng biện pháp sinh học kị khí được ứng dụng rộng rãi.

Có 3 quá trình: Phân hủy; Lắng bùn; Tách khí được đặt chung trong một công trình.

Tạo thành các loại bùn hạt kị khí có mật độ VSV cao và tốc độ lắng vượt xa do với lớp bùn hiếu khí lơ lửng.

3.2 Nguyên lý hoạt động

Nước thải được phân phối đều từ dưới lên trên, đi qua lớp bùn kị khí với mật độ vi sinh vật cao. Ở đây, các chất hữu cơ được phân hủy bởi vi sinh vật và  hiệu quả xử lý phụ thuộc vào vi sinh vật ở tầng này. Hệ thống tách pha dùng để tách các pha rắn-lỏng-khí. Các khí bay lên sẽ được thu hồi, phần bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau khi xử lí sẽ đi đến công trình xử lí tiếp theo.

Bể UASB phụ thuộc vào các yếu tố: nhiệt độ, pH, các chất độc hại trong nước thải,…Cụ thể như, nhiệt độ càng cao thì hiệu quả xử lí của bể UASB càng cao, do đó bể này áp dụng rất tốt ở Việt Nam. Ngoài ra bể UASB cũng không thích hợp với các nước thải có hàm lượng chất nguy hại cao vì nó làm ức chế quá trình phân hủy kị khí nước thải như: amoniac, sunfua,… Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên. vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0.6 – 0.9 m/h. pH thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí dao động trong khoảng 6.6 – 7.6.

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí xảy ra (bùn + nước thải) tạo ra khí (70 – 80% CH4). Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây quá trình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ra nhờ 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 màng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo.

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến bể UASB

Nhiệt độ <200C cần gia nhiệt, nhiệt độ >600C thì khi khởi động hệ thống cần phải cẩn thận, nhiệt độ thích hợp: 200C đến 420C.

pH thích hợp cho các hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật trong khoảng 6.6 – 7.6. Nếu pH thấp sẻ gây ức chế hoạt động của vi sinh vật trong bể.

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

Bùn hạt có hoạt tính xử lý tốt vì mật độ vi sinh vật trong cấu trúc bùn hạt cao; chịu được tải trọng cao; kích thước hạt bùn lớn nên có khả năng lắng nhanh; ít bị rửa trôi.

Các loại bùn nuôi cấy ban đầu cho bể xử lý kị khí

( Trích Thiết kế công trình xử lý nước thải, Lâm Minh Triết, 2008)

Hàm lượng chất gây độc: Amonia> 2.000 mg/l, Sulphate> 500 mg/l, Nồng độ muối trong khoảng 5.000-15.000 mg/l.

Mật độ giá thể trong bể dao động trong khoảng từ 25 – 60% thể tích ngăn kị khí của bể.

Nhu cầu dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của vi sinh vật kị khí thấp hơn so với vi sinh vật hiếu khí nhưng không thể thiếu. Nồng độ N, P và S tối thiểu có thể tính toán như sau: Hàm lượng tối thiểu của các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng có thể tính theo biểu thức (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 không dễ axit hóa có Y = 0.15; nước thải dễ axit hóa Y = 0.03.

• Hàm lượng chất rắn lơ lửng

Nồng độ cao không thích hợp cho bể UASB, nồng độ lên đến 3000 mg/l các chất rắn lơ lửng này không có khả năng phân hủy sinh học.

Nồng độ dưới 5000 mg COD/l thì không có vấn đề gì, nồng độ nước thải cao hơn 5000mg COD/l cần pha loãng hoặc tuần hoàn nước thải khi vận hành.

3.5 Ưu điểm và nhược điểm của UASB

√ Ưu điểm

• Không tốn nhiều năng lượng.
• Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp.
• Tạo ra lượng bùn có hoạt tính cao , nhưng lượng bùn sản sinh không nhiều nên giảm chi phí xử lý.
• Loại bỏ chất hữu cơ với lượng lớn,hiệu quả.
• Xử lý BOD trong khoảng 600 – 150000 mg/l đạt từ 80-95%.
• Có thể xử lý một số chất khó phân hủy.
• Tạo ra khí có ích.
• Ứng dụng rộng rãi, xử lý được hầu hết tất cả các loại nước thải có nồng độ COD từ mức trung bình đến cao như: chế biến thủy sản, thực phẩm đóng hợp, dệt nhuộm, sản xuất tinh bột,…

√ Nhược điểm

• Cần diện tích và không gian lớn để xử lý chất thải.
• Quá trình tạo bùn hạt tốn nhiều thời gian và khó kiểm soát.