Bài thuyết trình: Các đặc điểm chính của bể UASB

Bài thuyết trình: Các đặc điểm chính của bể UASB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

KHOA MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN MÔN VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG

I MỞ ĐẦU 3

II KHÁI QUÁT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ 4

II.1 Cơ sở lý thuyết 4

II.2 Các công nghệ xử lý kị khí 5

III BỂ UASB 6

III.1 Tổng quan và vị trí của UASB: 6

III.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động bể UASB: 7

III.2.1 Cấu tạo 7

III.2.2 Nguyên tắc hoạt động của bể UASB: 8

III.3 Hoạt động của bùn trong bể UASB 9

IV LÝ THUYẾT SPAGHETTI TRONG VIỆC TẠO BÙN 10

IV.1 Những đặc tính của bùn hạt kỵ khí 10

IV.2 Những phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo hạt của bùn 13

V ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH KỊ KHÍ 14

V.1 Ưu điểm 14

V.2 Nhược điểm 15

VI CÁC YẾU TỐ KIỂM SOÁT 15

VI.1 Nhiệt độ: 15

VI.2 Thời gian lưu: 16

VI.3 Độ pH: 17

VI.4 Cạnh tranh giữa VK metan và vi khuẩn khử Sunfat 18

VI.5 Các yếu tố gây độc 18

VI.6 Các chất dinh dưỡng 20

VI.7 Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp 21

VI.8 Ảnh hưởng của các chất khoáng trong nguyên liệu nạp 21

VII SO SÁNH BỂ KỊ KHÍ VÀ BỂ UASB 22

I. MỞ ĐẦU

Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sátbằng mắt thường Nó phân bố khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong khôngkhí Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trongcuộc sống của con người Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu

cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các 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 tròquyết định quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên

Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng VSV trong đời sống hằng ngày Cácquá trình làm rượu, làm dấm, muối chua đều ứng dụng đặc tính sinh học củacác nhóm VSV Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của VSV thì việc ứngdụng trong sản xuất và đời sống hằng ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn.Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, con người đã sử dụng VSV làm sạch môitrường, xử lý các chất độc hại, sử dụng VSV trong việc chế tạo phân bón hóahọc, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc đến môi trường và bảo vệ sự cân bằngsinh thái

Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan, bayhơi, không bay hơi, dễ phân hủy, khó phân hủy, Phần lớn các chất hữu cơ trongnước đóng vai trò là cơ chất đối với vi sinh vật Nó tham gia vào quá trình dinhdưỡng và tạo năng lượng cho vi sinh vật Vì thế, công nghệ xử lý nước thải bằngsinh học thường được áp dụng vì dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phânhủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải, các vi sinh vật sử dụng cácchất hữu cơ và một số chất khoáng làm chất dinh dưỡng và tạo năng lượng Chúngnhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản nên sinh khốicủa chúng tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quátrình oxy hóa sinh hóa, nhưng do trong môi trường có các vi khuẩn giúp cho quátrình chuyển hóa, phân hủy chất hữu cơ nên khi xử lý nước thải cần xem xét nướcthải có các vi sinh vật hay không để lợi dụng sự có mặt của nó và nếu có thì tạođiều kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển và từ đó chúng đóng vai trò to lớntrong việc xử lý nước thải Trong xử lý nước thải, có các loại phương pháp xử lýsinh lọc như:

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

không có Oxy ( xử lý bằng phương pháp dùng bể UASB)

Phương pháp hiếu khí : sử dụng vi sinh vật hiếu khí hoạt động trong điều kiện

cung cấp Oxy liên tục

Trong chủ đề này ta đề cập đến phương pháp xử lý sinh học kỵ khí mà nổi bật là

(CHO)n NS → 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 bẩn hữu cơcao BOD ≥ 10 – 30 (g/l) Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc đểbiến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học

II.2 Các công nghệ xử lý kị khí

III. BỂ UASB

III.1 Tổng quan và vị trí của UASB:

UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process – Quy trình kỵ khí có tầngbùn dòng chạy 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) Lúcđầu công nghệ UASB được xây dựng thí điểm để xử lý nước thải của một nhà máysản xuất đường từ củ cải ở Hà Lan Sau đó, công nghệ này được nhanh chóng pháttriển và ứng dụng trên quy mô lớn trong XLNT nhà máy đường, chế biến tinh bộtkhoai tây, và các ngành công nghiệp thực phẩm khác cũng như các nhà máy tái chếgiấy trên khắp đất nước Hà Lan cuối những năm 1970 Năm 1980, công nghệUASB được công bố và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới UASB là một trongnhững phương pháp XLNT bằng biện pháp sinh học 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 lớp bùn hiếu khí lơ lửng

Do đặc tính của bể UASB xử lý được chất hữu cơ có hàm lượng cao nhưngkhông triệt để Do đó, đối với nước thải có hàm lượng BOD cao thì trong sơ đồcông nghệ vị trí bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí Aerotank nhằm để xử lýtriệt để chất hữu cơ trong nước 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 cónồng độ thấp đạt hiếu quả cao Do đó, bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí Tùyvào chất lượng nước ra thì sau bể UASB có thể có hoặc không có bể xử lý hiếukhí

III.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động bể UASB:

III.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 hoạt tính chứa các VSV kỵ khí có khả năng phân hủy các hợp chất hữu

cơ, nước thải vào được chảy 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 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 thốngthu khí và một số hệ thống phụ trợ khác

III.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 khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt Khí sinh ra trong điềukiện kỵ khí (chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp choquá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt Khí sinh ra từ lớp bùn sẽdính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể Tại đây, quátrình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha Khí theo ống dẫn quabồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5 – 10% Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắngxuống Nước thải theo máng tràn răng cưa dẫn đến công 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

ra khỏi thiết bị từ phía trên của thiết bị Trong suốt quá trình này thì sinh khối vớiđặc tính lắng cao sẽ được duy trì trong thiết bị Một trong những bộ phận quantrọng của thiết bị UASB 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 các hạt khi thoát lên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thukhí Dịch lỏng chứa một số chất còn lại và hạt sinh học chuyển vào ngăn lắng, ở đóchất rắn được tách khỏi chất lỏng và quay trở lại lớp đệm bùn, nước thải sau đóđược thải ra ngoài ở phía trên 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 độngtrong khoảng 6,6 – 7,6 Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) đểbảo đảm pH của nước thải luôn luôn > 6,2 vì ở pH < 6,2 – vi sinh vật chuyển hóamethane không hoạt động được Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinhvật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2 – 3 giờ ở 350C sovới 2 – 3 ngày, ở điều kiện tối ưu) Do đó, trong quá trình vận hành ban đầu, tảitrọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễbay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các acid nàythành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa

III.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 lửngnồng 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 càngcao thì thời gian khởi động càng ngắn Nếu sử dụng được bùn hạt hoặc bùn lấy từmột 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

(kg CH4 – COD/kg VSS)

Hàm lượng(kg VSS/m3)

để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh metan

IV. LÝ THUYẾT SPAGHETTI TRONG VIỆC TẠO BÙN

HẠT

IV.1 Những đặc tính của bùn hạt kỵ khí

Bùn hạt được xem là một sinh khối có một số đặc tính xác định Các đặc tínhcủa bùn hạt được nêu lên bởi bao gồm: vận tốc lắng cao, có một độ bền cơ họcnhất định, hoạt tính tạo khí methan và hoạt tính khử sunfate cao Về phương diện

vi sinh học, bùn hạt bao gồm một hệ vi sinh vật cân bằng, nó bao gồm tất cả cácloài vi khuẩn cần thiết cho quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nướcthải

Về mặt hình thái học, bùn hạt được mô tả là một hạt rắn có kích thước tươngđối lớn (d > 0.5 mm) với một bề mặt rõ ràng Cùng với mật độ tương đối cao, hìnhthái học ổn định, bùn hạt có khả năng lắng rất tốt

Trái ngược với các dạng sinh khối ổn định khác, các phần tử vật chất mang tínhtrơ không những đóng vai trò hết sức cần thiết trong sự hình thành bùn hạt kỵ khí

mà còn là một trong những yếu tố rất quan trọng có liên quan đến khả năng ổn địnhcủa chúng Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạtcủa bùn được mô tả trong Hình 1

Hình 1 Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt của bùn.

Ch t l ất lượng bùn hạt ượng bùn hạt ng bùn h t ạt

Chất lượng của bùn hạt phụ thuộc vào nhiều đặc tính: các đặc tính sinh học vàcác đặc tính vật lý của bùn Các đặc điểm lý học quan trọng nhất của bùn hạt trongcác mô hình là: khả năng lắng và độ bền cơ học Tất nhiên các quá trình sinh họcđược xác định chủ yếu bởi thành phần và số lượng các loài vi sinh vật, nhưng cácnhân tố khác cũng đóng vai trò quan trọng, ví dụ như độ xốp của bùn hạt, kíchthước hạt nhân của bùn và độ thẩm thấu của cơ chất và các sản phẩm khác vào bùnhạt

C ch t o h t c a bùn ơ chế tạo hạt của bùn ế tạo hạt của bùn ạt ạt ủa bùn

Sự hình thành bùn hạt trong thực tế là một quá trình tự nhiên Hiện tượng nàythường xuất hiện trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải dùng công nghệ sinhhọc đáp ứng được những điều kiện cơ bản Một trong những lý thuyết để giải thíchquá trình tạo hạt của bùn là lý thuyết “spaghetti”, trong đó vi sinh vật dạng sợi đanxen vào nhau tạo thành một viên nấm (viên spaghetti) Các viên ban đầu này có thểhình thành một bề mặt lôi kéo các vi sinh vật khác tham gia vào quá trình phân huỷ

kỵ khí và hình thành bùn hạt Cơ chế tạo thành bùn hạt có thể được minh hoạ trongHình 2

Hình: Viên nấm (viên spaghetti)

Hình 2 Lý thuyết spaghetti trong việc tạo thành bùn hạt.

I: Các vi khuẩn methan khác nhau II: Đan chéo nhau tạo thành bông

III: Tạo thành viên spaghetti IV: các vi khuẩn kỵ khí gắn lên bề mặt viên spaghetti và tạo thành bùn hạt

IV.2 Những phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo hạt của bùn

Để quá trình tạo hạt của bùn thuận lợi, cần một số yêu cầu như sau:

 Thêm vào mô hình những hạt rắn hay những vật làm nhân để vi sinh vật bámdính và phát triển Những hạt này phải đủ nặng để lưu lại trong mô hình

 Phải loại bỏ liên tục và hoàn toàn những phần tử nhẹ trong bùn làm nhân banđầu (seed sludge) vì nếu vi sinh vật phát triển trên những cuộn bùn này sẽ dễdàng trôi ra ngoài hệ thống Không sử dụng lại những cuộn bùn đã bị trôi rangoài hệ thống

 Quá trình tạo hạt sẽ xảy ra nhanh hơn trong điều kiện nồng độ cơ chất đầu vàothấp, từ 1 ÷ 3gCOD/L Sử dụng tuần hoàn dòng thải trong giai đoạn đầu khởiđộng hệ thống khi COD vượt mức 3g/L

 Tải trọng hữu cơ (OLR) cần tăng lên theo dạng bậc thang, khi hiệu suất loại

bỏ COD đạt 80%

 Duy trì nồng độ acetat ở mức thấp (<200mg/L) Điều này sẽ làm giới hạn

những vi sinh vật có hệ số ái lực cơ chất cao (như Methano Sarcinas) Những

vi sinh vật này không nên tồn tại quá nhiều trong bùn, sẽ làm giảm hiệu suất

xử lý

Khi cơ chất một phần acid hoá thì quá trình hình thành bùn hạt xảy ra nhanhhơn là chỉ đơn thuần là acid béo bay hơi (VFA) Sự phát triển nhanh của bùn hạttrên cơ chất một phần acid hóa cũng quan sát được trong điều kiện nhiệt độ cao

SS trong dòng vào sẽ làm chậm quá trình tạo hạt, khi nồng độ SS rất cao làmquá trình tạo hạt khó xảy ra Do đó, cần sử dụng các công trình đơn vị khác để loại

bỏ SS trong dòng vào, sao cho SS < 200mg/L

 Nếu nồng độ muối Canxi cao có thể làm dẫn đến CaCO3 kết tủa trên bùn, làmchậm quá trình tạo hạt và làm giảm hoạt tính bùn

 Nhiệt độ phù hợp cho quá trình tạo hạt là ở nhiệt độ trung bình (20 ÷ 45oC –mesophilic) và nhiệt độ cao (45 ÷ 70oC – thermophilic)

 pH nên duy trì ở mức lớn hơn 6,2

V. ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH KỊ KHÍ TRONG

BỂ UASB.

V.1 Ưu điểm

- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành: do quá trình phân hủy là quá trình giả lập tự

nhiên với cường độ ca, sự phân hủy xảy ra chủ yếu do các VSV kỵ khí tạo racho nên khi vận hành bể tốn ít chi phí Chi phí chủ yếu là quá trình bơmnước 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 vận hành dễ dàng, không dòi hỏi sử dụng công nghệ cao

- Quá trình hoạt động của bể tạo ra được lượng bùn hoạt 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.

- Tạo nguồn năng lượng có ích từ khí metan.

V.2 Nhược điểm

- Diện tích xây dựng mặt bằng tương đối lớn.

- Quá trình khởi động bể tốn thời gian (giai đoạn nuôi cấy bùn hạt), khó kiểm

soát quá trình

- Tăng sinh khối chậm

- Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn hiếu khí.

- Nhạy cảm với nhiệt độ, pH, chất độc.

- Dễ mất ổn định.

- Không xử lý được hoàn toàn chất ô nhiễm.

VI. CÁC YẾU TỐ KIỂM SOÁT

VI.1 Nhiệt độ:

Nhóm sinh vật kỵ khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự phân hủy các chấthữu cơ:

- Vùng nhiệt độ cao: 45 ÷ 60oC (thermophilic)

- Vùng nhiệt độ trung bình: 20 ÷ 45oC (mesophilic)

- Vùng nhiệt độ thấp: dưới 20oC (psychrophilic)

Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm VSV sinh metan ởnước ta, nhiệt độ trung bình: 20 ÷ 32oC thích hợp cho nhóm VSV ở nhiệt độ trungbình phát triển

Dưới 10oC, VSV metan hầu như không hoạt động Trong nhiều tài liệu đãnghiên cứu, ở nhiệt độ 45 ÷ 55oC, hiệu quả xử lý cao hơn rất nhiều so với ở nhiệt

độ thường

Về mùa hè với nhiệt độ cao các VSV hoạt động mạnh hơn do đó quá trình xử lícũng tốt hơn Về mùa đông nhiệt độ giảm xuống thấp các VSV bị ức chế hoạt động

do đó hiệu quả xử lí thấp (78,3%) hơn nhiều so với mùa hè (92,8%)

Trong hệ thống xử lí nước thải công suất lớn có thể sử dụng khí CH4 để gianhiệt dòng nước thải đầu vào làm tăng nhiệt độ môi trường vào mùa đông làm hiệu