1.3. CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẠI LÀNG NGHỀ CBTP
1.3.4. Xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí
Hiện có rất nhiểu hệ thống XLNT áp dụng các phương pháp xử lý yếm khí bằng các thiết bị khác nhau nhƣ: Hầm ủ Biogas, bể tự hoại, bể BASTAF, thiết bị Jokasou, bể UASB…quy trình làm việc của các phương xử lý nước thải tùy thuộc vào các loại thiết bị khác nhau. Có thể tóm tắt quá trình xử lý yếm khí là: quá trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ, vô cơ có thể chuyển hóa nhờ vi khuẩn hô hấp yếm khí và hô hấp tuỳ tiện.
Phương pháp yếm khí chỉ áp dụng cho nước thải có hàm lượng BOD và cặn lơ lửng cao (BOD >1000 mg/L; SS 300 mg/L - 400 mg/L). Sản phẩm phân giải hoàn toàn các hợp chất hữu cơ chứa của quá trình xử lý yếm khí là khí sinh học (Biogas), chủ yếu là CH4 và CO2 có thể sử dụng làm khí đốt.
Cơ chế phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm 4 giai đoạn, trong mỗi giai đoạn chức năng của các nhóm khác nhau không giống nhau.
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân các hợp chất hữu cơ
Các hợp chất hữu cơ phân tử lƣợng lớn nhƣ protein, gluxit, lipit... bị phân hủy dưới tác dụng của các enzim hydrolaza của vi sinh vật thành các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ như đường đơn giản, axit amin...
Trong giai đoạn thủy phân, các hợp chất gluxit phân tử lƣợng nhỏ đƣợc phân hủy nhanh; các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ đƣợc phân hủy chậm hơn, trong khi các hợp chất hữu cơ phân tử lƣợng lớn nhƣ tinh bột, các axit béo phân tử lƣợng lớn đƣợc phân hủy chậm, đặc biệt zecelulo và liguo zenlulo đƣợc chuyển hoá rất chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp.
Các hợp chất protein đƣợc phân hủy chậm hơn, trong khi đó các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như xenlulo… thường được được phân hủy chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp.
Các vi sinh vật tham gia vào quá trình thuỷ phân phụ thuộc vào các chất ô nhiễm vào và các đặc trưng khác của nước thải.
Giai đoạn 2: Lên men các axit hữu cơ
Các sản phẩm thuỷ phân sẽ đƣợc vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá. Trong điều kiện yếm khí, sản phẩm phân giải là các axit hữu cơ phân tử lƣợng nhỏ nhƣ axit propionic, axít butyric, axit lactic, các chất trung tính nhƣ rƣợu, andehit, axeton. Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn lên men phụ thuộc bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường.
Ngoài ra trong giai đoạn này các axit amin hình thành do thuỷ phân protein cũng đƣợc khử amin, một phần gốc amin đƣợc các vi sinh vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng và phát triển, một phần được khử.
Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men tạo axit axetic
Các sản phẩm lên men phân tử lƣợng lớn nhƣ axit béo, axit lactic … sẽ đƣợc chuyển hoá đến axit axetic.
2CH3 - CHOH- COOH 2CH3 – CH2- COOH + CH3 – COOH + CO2 + 2H2O a. Lactic a. Propionic a. Axetic
Giai đoạn 4: Giai đoạn Metan hoá
Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý yếm khí thu biogas. Hiệu quả xử lý sẽ cao khi các sản phẩm trung gian đƣợc khí hóa hoàn toàn.
Quá trình hình thành khí Metan thường xảy ra theo 2 cơ chế chủ yếu sau:
Sự hình thành metan do decacboxyl hóa:
- CH4 đƣợc hình thành do decaboxyl axit axetic.
CH3COOH CH4 + CO2
- CH4 hình thành do decacboxyl hóa các axit hữu cơ khác
2 4
2 2
3 7 5
4CH CH COOH H2O CH CO
- CH4 cũng có thể hình thành do Decacboxyl các chất trung tính:
2C2H5OH 3CH4 + CO2
CH3 - CO – CH3 2CH4 + CO2 H2O
Hình 1.3: Sự hình thành CH4 theo cơ chế khử CO2
Hydro hình thành do quá trình lên men các axit hữu cơ, trong điều kiện yếm khí sẽ đƣợc các vi khuẩn Metanogene sử dụng nhƣ là chất nhƣợng Hydro để khử CO2. Quá trình khử có thể xảy ra dưới 2 dạng:
Khử bằng Hydro phân tử: CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O
* Tác nhân sinh học.
Trong phân giải yếm khí các quá trình thủy phân và lên men xảy ra dưới tác Hợp chất hữu cơ phân tử l-ợng lớn
(gluxit, protein, lipit...)
Chất hữu cơ phân tử l-ợng nhỏ (®-êng, axit amin, axit bÐo...)
Lên men axit hữu cơ và Các chất trung tính
Axit propionic,
r-ợu, andehit, axeton Các chất khí CO2, H2, NH3, H2S...
Axit axetic
Decacboxyl hóa Khử CO2
CH4 + CO2 8H+ Lên men tạo metan
Giai đoạn thủy phân
Giai đoạn lên men
Axetic hãa
8 NADH+ 8 NAD
Khử bằng phản ứng oxy hoá khử: CO2 CH4 + 2H2O
dụng của nhiều loại vi khuẩn khác nhau. Thành phần của khu hệ sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của các chất có trong nước thải.
- Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ.
+ Vi khuẩn Bacillus, Pseudomonas có nhiều trong môi trường giàu Xenlulo.
+ Vi khuẩn Micrococus, Lactobacilus... có trong môi trường giàu tinh bột.
+ Vi khuẩn Bacilus, Bacterium coli... có trong môi trường giàu protein.
+ Vi khuẩn Bacteroides, Bacillus... có trong môi trường giàu lipit.
- Vi sinh vật trong giai đoạn lên men tạo axit axetic.
Một số chủng vi khuẩn có hiệu quả axetogen.
+ Syntrophobacter wolonii, Syntro.wolfei và Syntro.buswellii.
topt = (33 40) oC, pH = 6 8.
- Vi khuẩn metan hóa: gồm 2 nhóm chính sau:
+ Nhóm vi khuẩn ƣu ấm (Mesophyl):gồm Methanococcus, Methanobacterium, Methanosarcina phát triển ở nhiệt độ (35 - 38) oC và pH = 6,8 - 8,5.
+ Nhóm vi khuẩn ƣa nóng: (Thermophyl): Methanobacillus, Methanothrix, Methano spirllum.
* Các dạng thiết bị xử lý
Các thiết bị xử lý yếm khí nước thải rất phong phú từ loại đơn giản như hầm Biogas đến loại phức tạp nhƣ thiết bị UASB.
Các yêu cầu đối với thiết bị xử lý yếm khí.
- Tạo môi trường đồng nhất bằng khuấy trộn, đối lưu tự nhiên hoặc bơm tuần hoàn.
- Tách pha khí (Biogas) và pha rắn (sinh khối và cặn lơ lửng) ra khỏi nước thải sau xử lý.
Thiết bị yếm khí tiếp xúc
Thiết bị gồm 2 bộ phận: Thiết bị lên men yếm khí (1); Thiết bị lắng (2) Trong thiết bị (1) gồm 1 môtơ khuấy đƣợc vận hành liên tục. Khí biogas được dẫn ra cho đun nấu, gia nhiệt còn nước thải sau khi chảy ra khỏi thiết bị (1) đƣợc cho chảy vào thiết bị lắng (2) để tách bùn. Bùn đƣợc tuần hoàn lại thiết bị lên men còn nước trong ra ngoài theo van chảy tràn.
Ưu điểm: Thiết bị vận hành đơn giản. Thiết bị lắng là nơi lưu giữ vi sinh vật trong trường hợp thiết bị vận hành không ổn định.
Nhƣợc điểm: Dung tích thiết bị lớn, cần có thiết bị lắng. Nhu cầu năng lƣợng cao do dùng môtơ khuấy và bơm tuần hoàn bùn.
Hình 1.4: Sơ đồ thiết bị yếm khí tiếp xúc Thiết bị yếm khí giả lỏng
Nguyên tắc hoạt động: Vi sinh vật đƣợc cố định lên các hạt chất mang (thuỷ tinh xốp, nhựa nhân tạo,...). Nước thải vào từ phần dưới của thiết bị, chảy ngƣợc lên qua lớp các hạt chất mang và chảy tràn ra ngoài. Bơm tuần hoàn đƣợc trang bị nhằm tạo trạng thái chuyển động giả lỏng hay tầng sôi. Vận tốc bơm đƣợc khống chế sao cho các hạt chất mang ở trạng thái lơ lửng không ảnh hưởng tới màng sinh học, sự cuốn trôi của các hạt chất mang bị hạn chế do kết cấu đặc biệt của phần trên thiết bị.
Ƣu điểm: Bề mặt tiếp xúc pha rất lớn (1000- 2000) m2/m3, 95 % số tế bào vi khuẩn đƣợc cố định lên chất mang do đó mật độ vi sinh vật trong thiết bị cao.
Tuy nhiên nếu chuyển động tuần hoàn mạnh có thể gây ảnh hưởng tới màng vi sinh vật trên hạt chất mang. Một ƣu điểm khác là thiết bị yếm khí giả lỏng ít bị tắc.
Nhƣợc điểm: Quy trình vận hành phức tạp và đòi hỏi nhu cầu năng lƣợng cao do phải dùng bơm.
Sơ đồ thiết bị:
KhÝ biogas
Dòng ra
Bơm
Bùn tuầnhoàn Dòng vào
1 2
Hình 1.5: Thiết bị yếm khí giả lỏng Thiết bị yếm khí dạng tháp đệm
Sơ đồ:
Hình 1.6: Thiết bị yếm khí dạng tháp đệm
Lớp vật liệu đệm đóng vai trò là chất mang cố định màng sinh học, vật liệu đệm có thể xếp đầy thiết bị hoặc có thể chỉ (50 - 70) % (thậm chí 20 %) dung tích thiết bị. Vật liệu đệm có thể dạng khối làm từ nhựa nhân tạo hoặc vật liệu rời làm từ
Biogas
N-ớc thải sau xử lý
ChÊt mang
N-ớc thải vào Bơm tuần
hoàn
Biogas
N-ớc thải sau xử Vật liệu đệm lý
N-ớc thải vào
đất sét xốp, thuỷ tinh xốp, chất dẻo. Các vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu đệm tạo thành màng và phát triển trong các không gian rỗng tạo thành các bông, nhờ đó giữ cho nồng độ vi sinh vật trong thiết bị cao và khá ổn định.
Nguyên tắc hoạt động: Nước thải vào từ đáy tháp qua lớp vật liệu đệm, các chất ô nhiễm phân huỷ yếm khí tại đó. Nước thải sau xử lý chảy tràn ra ngoài ở phần trên thiết bị.
- Ƣu điểm: Thiết bị vận hành khá đơn giản và ít tốn năng lƣợng; Hiệu quả xử lý cao, thích hợp với xử lý nước thải có COD cao.
- Nhƣợc điểm: Dòng chảy dễ tạo thành kênh, có thể hình thành điểm chết làm giảm thể tích hữu dụng của thiết bị, tốc độ dòng chảy khó duy trì để bảo đảm cân bằng giữa sự tạo màng và tróc màng biofilm (tốc độ dòng chảy nhỏ thì tạo màng dày làm hạn chế quá trình khuyếch tán chất hữu cơ qua màng, ngƣợc lại nếu tốc độ dòng chảy lớn thì màng vi sinh vật dễ bị tróc ra khỏi vật liệu đệm); Khi nước thải có hàm lƣợng cặn lơ lửng cao sẽ tích luỹ và gây tắc cục bộ trong lớp đệm;Chi phí đầu tƣ cho thiết bị cao.
Thiết bị yếm khí 2 giai đoạn
Quá trình chuyển hóa yếm khí gồm các giai đoạn có chức năng và tác nhân VSV khác nhau. Vì vậy để nâng cao hiệu quả chuyển hóa có thể tách các giai đoạn ở các thiết bị khác nhau. Trong thực tế thường dùng hệ 2 thiết bị để dễ điều chỉnh pH, nhiệt độ cho phù hợp với từng giai đoạn. Đồng thời khi xử lý thu biogas thì chất lượng khí cao hơn trường hợp dùng 1 thiết bị (lượng CO2 đã được tách ở thiết bị 1).
- Thiết bị 1: Thực hiện quá trình thủy phân và lên men axit hữu cơ. Trong thiết bị này, lượng ô xi có trong nước thải sẽ được các vi khuẩn hô hấp tùy tiện sử dụng để ô xi hóa các hợp chất hữu cơ đồng thời tạo điều kiện yếm khí cao cho quá trình lên men.
- Thiết bị 2: Thực hiện quá trình axetat hóa và meetan hóa.
Thiết bị yếm khí 2 giai đoạn đặc biệt phù hợp với xử lý nước thải giầu gluxit, dễ axits hóa như nước thải chưa tinh bột, đường, ....do quá trình metan hóa là giai đoạn quyết định tốc độ. Tuy nhiên, hệ thống xử lý yếm khí 2 giai đoạn tỏ ra không phù hợp với nước thải giàu hợp chất hữu cơ chậm hoặc khó chuyển hóa như protein, lipit, xenlulo hoặc pectin. Hệ thống xử lý yếm khí 2 giai đoạn thường cồng kềnh, vốn đầu tƣ lớn hơn và vận hành phức tạp hơn.
Thiết bị UASB
Nguyên tắc hoạt động: Nước thải theo ống dẫn vào hệ thống phân phối, đảm bảo nước được phân phối đều và vận tốc là (0,6 - 0,9) m/h. Hỗn hợp bùn yếm khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân huỷ và chuyển hóa chúng tạo biogas (khoảng 70 % - 80 % là CH4, 20 % - 30 % là CO2). Bọt khí sinh ra bám vào hạt bùn cặn nổi lên trên va phải tấm chắn, hạt cặn bị vỡ, khí thoát lên trên, cặn rơi xuống dưới. Hỗn hợp bùn nước đã tách hết khí vào ngăn lắng. Nước thải trong ngăn lắng tách bùn, lắng xuống dưới và tuần hoàn lại ngăn phản ứng. Nước dâng lên đƣợc thu vào máng, khí biogas đƣợc thu về bình chứa. Đây là một thiết bị khá phổ biến, được dùng nhiều trong xử lý nước thải các nhà máy chế biến thuỷ hải sản, nông sản thực phẩm…
- Ưu điểm của thiết bị: Kết cấu đơn giản; Nhu cầu về năng lƣợng vận hành thấp. Thiết bị hoạt động ổn định.
- Nhược điểm của thiết bị: Hàm lƣợng chất thải cao và khó phân huỷ đòi hỏi thời gian lưu dài dẫn đến kích thước bể lớn; Khí sinh ra dễ gây cháy nổ. Khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn cặn, trạng thái lớp bùn kị khí thường không ổn định khi điều kiện môi trường thay đổi. Khi khởi động lại, các hạt bùn dễ bị nổi lên và trôi theo ra ngoài nên giảm hiệu quả lắng cặn.
Hình 1.7: Thiết bị UASB
Hầm biogas
Hầm Biogas thường được áp dụng trong các hộ gia đình ở các làng nghề chế biến nông sản và chăn nuôi gia súc do:
B×nh thu khÝ
N-íc sau XL Lớp bùn phủ Lớp đệm
Lớp bùn cặn Chôp thu biogas
N-ớc vào
Biogas
Van xả đáy
- Tạo ra nguồn phân bón sạch phục vụ cho trồng trọt;
- Tạo ra nhiên liệu khí đốt sạch đun nấu phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt;
- Có giá thành lắp đặt rẻ.
Hình 1.8: Hầm biogas
Cách vận hành hệ thống
Nước thải cần xử lý có hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD, COD cao) được cho chảy vào hầm biogas, hầm có thể xây bằng bêtông cốt thép hoặc bằng gạch đỏ hay bằng túi nilông. Các chất hữu cơ có trong nước thải nhờ các vi sinh vật metan hoá thành bùn, khí CH4 thực chất của quá trình trên bao gồm các giai đoạn sau.
Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân các hợp chất hữu cơ thành các đường đơn giản, Axit béo nhờ các vi khuẩn Bacillus, Proteus…
Giai đoạn 2 : Lên men các axit hữu cơ thành các khí CO2, H2S, NH3, H2, CH4. Giai đoạn 3 : Giai đoạn lên men sinh khí CH4 .
Hình thành khí biogas 66 % CH4, có thể đốt cháy được. lớp bùn dưới đáy hầm được sử dụng làm phân bón, còn nước thải sau khi xử lý có thể thải vào ao, hồ hoặc tận dụng làm nước tưới cho cây trồng. Còn khí CH4 sinh ra được dẫn ra từ đỉnh hầm sử dụng làm chất đốt.
N-ớc thải từ sinh hoạt, sản xuất, chăn nuôi
Bể điều hòa
N-ớc thải
Biogas
Bể điều áp
N-ớc thải sau xử lý
CHƯƠNG 2