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

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 Giảng viên hướng dẫn (Ký tên ghi rõ họ tên) KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CHUYÊN ĐỀ GIỚI THIỆU Nước đóng vai trị quan trọng nhiều trình diễn tự nhiên sống người Từ 3000 năm trước Công Nguyên, người Ai Cập biết dùng hệ thống tưới nước để trồng trọt ngày người khám phá thêm nhiều khả nước đảm bảo cho phát triển tương lai: nước nguồn cung cấp thực phẩm nguyên liệu công nghiệp dồi dào, nước quan trọng nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, thể thao, giải trí cho nhiều hoạt động khác người Ngoài nước cịn coi khống sản đặc biệt tang trữ nguồn lượng lớn, hịa tan nhiều vật chất phục vụ nhiều mặt cho người Trong công nghiệp, người ta sử dụng nước làm nguyên liệu nguồn lượng, làm dung môi, làm chất tải nhiệt dùng để vận chuyển nguyên vật liệu Nước bao phủ 70% diện tích đất có 97% nước mặn, cịn lại nước Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định pha loãng yếu tố gây nhiễm, cịn thành phần cấu tạo thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng thể, chẳng hạn chiếm 70% trọng lượng thể người, Sứa biển tới 97% Trong 3% lượng nước có 0,5% nước diện sông, suối, ao, hồ mà người sử dụng Nếu trừ phần nước nhiễm có khoảng 0,003% nước mà người sử dụng (Miller, 1988) Con người thải khối lượng lớn nước sau hoạt động sinh hoạt, sản xuất chảy qua vùng đất nhiễm Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải chia thành nước thải sinh hoạt, nước khí nước thải cơng nghiệp Nhận thấy nhiều lợi ích q trình chuyển hóa kị khí, người ta áp dụng chúng vào xử lý nước thải sinh hoạt nhằm giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy hạn chế việc áp dụng cơng nghệ này, từ đặt hội cho việc áp dụng thiết kế cải tiến giúp nâng cao hiệu loại bỏ chất gây ô nhiễm nước thải, rút ngắn thời gian lưu, cắt giảm nhiên liệu, đồng thời tái tạo hợp chất có giá trị MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI Mục tiêu đề tài giới thiệu hồ sinh học kỵ khí xử lý nước thải cách ứng dụng thực tế xử lý, nêu cách thức hoạt động bể xử lý kị khí đồng thời đưa nhận định chung khó khăn hội cho ứng dụng việc lấp ghép bể xử lý với Chúng cố gắng đưa số liệu, ứng dụng thực tế xác có liên quan nhằm góp phần làm rõ vấn đề NỘI DUNG Dựa thông tin từ tài liệu, báo có uy tín nước ngồi, chun đề sàn lọc tổng hợp kiến thức loại hồ, bể xử lý kị khí tính khả thi nó, với việc lấp ghép cơng trình với Đồng thời đưa ứng dụng hội thực tế chúng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng báo, tài liệu nước công bố, chọn lọc thông tin hay, mới, tin cậy để xây dựng chuyên đề Đồng thời tham khảo tài liệu có liên quan nhằm hỗ trợ kiến thức trình thực Kết hợp sử dụng thông tin phù hợp, lạ, xác thực 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 1.2 Các giai đoạn phân hủy kỵ khí .5 1.3 Ưu, nhược điểm trình phân hủy kỵ khí 1.4 Lợi ích sử dụng kỵ khí so với hiếu khí .6 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 2.1.2 Giai đoạn lên men axit .8 2.1.3 Giai đoạn lên men kiềm 2.2 VI SINH VẬT KỴ KHÍ TRONG HỒ SINH HỌC CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ………………………………………… 3.1 HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ 3.1.1 Tổng quan 3.1.2 Quá trình hình thành hồ 3.1.2.1 Hồ tự nhiên .9 3.1.2.2 Hồ nhân tạo 3.1.3 3.1.3.1 Gới thiệu tổng quan 10 3.1.3.2 Thơng số thiết kế hồ kỵ khí .11 3.1.4 Hồ sinh học tùy tiện .12 3.1.4.1 Gới thiệu tổng quan 12 3.1.4.2 Thông số thiết kế hồ tùy tiện 13 3.1.5 3.2 Hồ sinh học kỵ khí 10 Ứng dụng 15 CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 15 3.2.1 Bể UASB 15 3.2.1.1 Giới thiệu tổng quan .15 3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động .16 3.2.1.3 Thu hồi lượng 18 3.2.2 Các loại hầm kỵ khí .19 3.2.2.1 Các loại hầm ủ 19 3.2.2.2 Các mẫu hầm ủ .19 3.2.3 Bể sinh học kỵ khí hai giai đoạn 23 3.2.4 Bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn 24 3.3 ỨNG DỤNG LẮP GHÉP CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ 24 3.3.1 Acid hóa lọc kỵ khí 24 3.3.2 Bể UASB lọc kỵ khí 25 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1 Cơ sở lý thuyết Phương pháp sử dụng vi sinh vật kỵ khí vi sinh vật tùy nghi để phân hủy hợp chất hữu vô nước thải, điều kiện khơng có oxy hịa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp sản phẩm dạng khí (chủ yếu CO 2, CH4) Q trình phân hủy kị khí chất bẩn mơ tả sơ đồ tổng quát: (CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào VI SINH Trong 10 năm trở lại công nghệ sinh học phát triển, trình xử lý kị khí điều kiện nhân tạo áp dụng chất thải công nghiệp, sinh hoạt loại nước thải có chất bẩn hữu cao: BOD ≥ 10 - 30 (g/l) Khí sinh học (biogas) có thành phần: CH4: 55,65%, CO2: 35,45%, N2: 0.3%, H2: 0.1%, H2S: 0.1% 1.2 Các giai đoạn phân hủy kỵ khí  Thủy phân Nhờ tác dụng enzim vi khuẩn, phức chất chất không tan (polysaccarit, protein, lipit) chuyển hóa thành chất đơn giản chất hịa tan (đường, amino axit, axit béo) Q trình xảy chậm, phụ thuộc vào pH, kích thước hạt đặc tính dễ phân hủy chất Chất béo thủy phân chậm  Axit hóa Vi khuẩn lên men chuyển hóa chất hịa tan thành chất đơn giản axit béo dễ bay hơi, rượu (ancol), axit lactic, methanol, CO 2, H2, NH3, H2S sinh khối Sự hình thành axit làm pH giảm xuống  Axetic hóa (Acetogenesis) Vi khuẩn axetic chuyển hóa sản phẩm giai đoạn axit thành axetat, H 2, CO2 sinh khối  Mêtan hóa (methanogenesis) Là giai đoạn cuối q trình phân hủy kị khí Chuyển hóa axetic, H 2, CO2, axit fomic methanol thành mêtan, CO2, sinh khối COD giảm xuống giai đoạn Hợp chất Phân hủy Khí trơ Protêin Cacbonhydrat Thủy phân Đường Amino axit Lên men Lipit Axit béo, ancol… Oxi hóa kị khí Pr-, Bu-, Va-, … H2 AcMêtan hóa axetat 1.3 - CO2 CH4 Ac-: axetat Pr-:propionat Bu-: butyrate Va-: valerat Axetic hóa Mêtan hóa hyđro Ưu, nhược điểm q trình phân hủy kỵ khí Ưu điểm Thiết kế đơn giản, thể tích cơng trình nhỏ, chiếm diện tích mặt bằng, cơng trình có cấu tạo đơn giản giá thành khơng cao, chi phí vận hành lượng thấp, khả thu hồi lượng (Biogaz cao) Khơng địi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, tải trọng phân hủy chất hữu cao Chịu thay đổi đột ngột lưu lượng - Nhược điểm Ngồi ưu điểm có hạn chế nhạy cảm với chất độc hại với thay đổi đột biến tải cơng trình Xử lý nước thải chưa triệt để, hiểu biết vi sinh vật kị khí chưa tốt, thiếu kinh nghiện vận hành cơng trình 1.4 Lợi ích sử dụng kỵ khí so với hiếu khí Phân giải kỵ khí (AD) chuyển đổi vấn đề xử lý thành hội lợi nhuận Khi cơng nghệ tiếp tục phát triển, AD nhanh chóng trở thành phương pháp quan trọng để giảm chất thải khí thải CO2 tạo loại nhiên liệu tái tạo với phân bón rắn Các chế cho kỵ khí hiếu khí xử lý nước thải tương tự, tức vi khuẩn cần lượng cho tăng trưởng hỗ trợ chức trì tế bào di động, vi khuẩn đòi hỏi thực phẩm (chất nền) cho lượng tăng trưởng Sự khác biệt q trình hiếu khí kỵ khí kết điều kiện mơi trường khác - Sự khác xử lý hiếu khí xử lý kỵ khí: Năng lượng :Hệ thống hiếu khí yêu cầu đầu vào lượng, hình thức khí, để cung cấp oxy Ngược lại hệ thống sản xuất kỵ khí (khí sinh học) khơng cần lượng làm giảm đáng kể chi phí hoạt động Các khí sinh học sử dụng lò để sản xuất nhiệt kết hợp nhiệt điện đơn vị (CHP) để sản xuất điện nhiệt Nhiệt độ : Xử lý hiếu khí hoạt động nhiệt độ mơi trường xung quanh xử lý yếm khí thường hoạt động khoảng 37oC Các khí sinh học sản xuất kỵ khí điều trị thường sử dụng để làm nóng hệ thống kỵ khí (nghĩa autothermal), Qua từ u cầu bên ngồi đầu vào lượng nhiệt Bùn sản phẩm : xử lý kỵ khí sinh khoảng sáu đến mười lần bùn xử lý hiếu khí với tăng chi phí xử lý bùn tấn, xử lý bùn chi phí đáng kể Các chất dinh dưỡng : xử lý kỵ khí tiết kiệm khoảng lần khí nito va photpho so với hiếu khí Do tiết kiệm chi phí ngồi 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 q trình phân hủy kị khí chất hữu cơ: 2.1.1 Giai đoạn thủy phân Chuyển đổi hợp chất cao phân tử không tan (lignin, carbohydrate, chất béo) thành hợp chất phân tử thấp Các vi sinh vật phổ biến phát triển nhiều tự nhiên có nhóm vi khuẩn E.coli B.subtilus Thời gian sinh trưởng giai đoạn vi sinh vật ngắn giai đoạn khác 2.1.2 Giai đoạn lên men axit Nhóm khuẩn, nấm mốc Protozoa không tạo CH4 thực lên axit sản phẩm thủy phân thành axit hữu đơn giản Vi khuẩn kị khí tùy tiện nhóm tạo axit chủ yếu, nói Clostridium spp; Lactobacillus spp; Desulfovibrio spp; Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococcus; Escherichia coli Trong hồ kị khí cịn thấy có mặt vi khuẩn khử sunfat Desulfovibrio, vi khuẩn hủy Protit tạo Hidrosunfua Nhiều loại nấm mốc Penicillium, Fusarium, Mucor… Protozoa tham gia vào q trình lên men axít 2.1.3 Giai đoạn lên men kiềm Các axit béo bay sản phẩm trung gian tiếp tục phân hủy thành CH CO2 làm kiềm hóa mơi trường Các vi sinh vật bắt buộc kị khí phát triển vi khuẩn Metan phát triển mạnh tiếp tục phân hủy gồm Methanobacterium, Methanosacrina, Methanococcus, Methanobrevibacter, Methanothrix 2.2 VI SINH VẬT KỴ KHÍ TRONG HỒ SINH HỌC Thường vi khuẩn có khả tạo methane khử sulfate, thủy phân protein, chất béo, poly saccharides có dòng thải sang dạng amino acid, chuỗi peptit ngắn nó, acid béo, glycerol and mono- and di-saccharides Nhóm vi khuẩn tạo acid thích nghi tốt với điều kiện môi trường pH nhiệt độ khác nhau, vi khuẩn methane thường dễ bị ảnh hưởng với môi trường chịu khoảng pH nhỏ 6,5 – 7,5; yêu cầu nhiệt độ > 14oC Nhóm vi khuẩn tiêu diệt sulfate (gồm có 14 lồi, Bolt et al., 1994) chuyển hóa sulfate thành hydrogen sulfide gây mùi hơi, xuất nước thải chứa BOD sulfate khơng có oxy nhiệt độ khơng khí lên 15oC tải trọng BOD dịng vào đạt 100 kg/ha.ngày Hiệu loại bỏ BOD5 đến 80 – 90% Chiều sầu m thường dùng, dùng để kiểm tra tốc độ tăng trưởng sinh vật Sherwood C Reed, E Joe Middle Brooks, Ronald W Crites Thể tích xây dựng hồ tùy tiện sau: V = (3,5 x 10 )QLa f.f’ -5 theo Gloyna, 1976 35-T Trong đó: V thể tích hồ, m3 Q lưu lượng dịng chảy vào, l/ngày La thơng số COD hay BOD dòng vào, mg/l hệ số thay đổi nhiệt độ (= 1,085) T nhiệt độ hồ, oC f tảo độc f’ nhu cầu oxy sulfide Yếu tố f thống nước thải sinh hoạt công nghiệp, f’ nồng độ ionsulfate nhỏ 500 mg/l nhiệt độ chọn nhiệt độ trung bình hồ tháng lạnh Khi thiết kế hồ tùy tiện cần quan tâm nhiều diện tích mặt nước, tăng tăng hiệu suất Cần ý thiết kế dựa thông số BOD vào bề mặt (Lg, kg/ha.ngày), cho bởi: L g = 10.Li.Q/Af Trong Af diện tích hồ, m2 Bước tính thời gian lưu nước q f = Af.D/Qm Trong đó: D độ sâu, m Qm lưu lượng trung bình, m /ngày (dòng vào Qi dòng Qe) 15 Diện tích xây dựng hồ: A f = 10.Li.Q/ls Trong đó: Af diện tích hồ kị khí, m2 Li.Q lượng BOD, g/ngày Ls thông số BOD vào bề mặt, kg/ha.ngày 3.1.5 Ứng dụng Hồ sinh học dùng rộng rãi để xử lý nước thải Hiện có gần 5000 hồ Mỹ tổng số 12500 hồ giới Hồ kị khí dùng xử lý trước nước thải sinh hoạt công nghiệp, nhiều xử lý nước thải cơng nghiệp có nồng độ chất hữu dễ phân hủy cao Ngoài dùng xử lý nước thải trước chăn nuôi trước thải đất Hồ tùy tiện trước dùng cho nước thải công nghiệp sinh hoạt Nhưng dùng nhiều xử lý nước chưa qua xử lý sinh hoạt, xử lý dong thải thứ cấp từ lọc, hồ hiếu khí kị khí… Trên giới người kết hợp hồ tùy tiện với hồ hiếu khí kị khí xử lý nước thải sinh hoạt công nghiệp giá thành thấp kiểm sốt nhiều vi sinh vật hại 3.2 CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.2.1 Bể UASB 3.2.1.1 Giới thiệu tổng quan (UASB) công nghệ giới thiệu Ấn Độ vào cuối năm thập niên tám mươi Kế hoạch hành động Ganga (GAP) Một thí điểm lắp đặt Kanpur ban đầu để xử lý kết hợp nước thải nước thải thuộc da sau dành riêng cho nước thải Sự phát triển diễn nhu cầu mạnh mẽ 'chi phí thấp' phù hợp cơng nghệ tìm thấy kinh nghiệm cơng nghệ hiếu khí thơng thường dựa nhà máy xử lý nước thải (STP), nơi chi phí vận hành coi thấp Tại thời điểm đó, UASB công nghệ phát triển định vị lựa chọn hợp lý với khả "phục hồi tài nguyên Được cho công nghệ có lợi cho xử lý nước thải tính độc đáo sau - Nhu cầu lượng thấp 16 - Hoạt động chi phí bảo trì - u cầu kỹ thấp cho hoạt động / giám sát - Sản xuất bùn - Khả phục hồi nguồn lực thơng qua phát điện từ khí sinh học sử dụng bùn làm phân bón Dựa kinh nghiệm hạn chế hai phịng thí điểm Kanpur cân nhắc trên, UASB lựa chọn công nghệ ưa chuộng Kế hoạch hành động Yamuna (YAP-I) thực giai đoạn 1993-2002 Theo kế hoạch 16 STP UASB xây dựng Haryana UP thị trấn có khả vận hành tổng hợp gần 600 bể 3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động Công nghệ UASB tìm thấy hiệu để xử lý nước thải cơng nghiệp có nồng độ cao đặc biệt từ sản xuất rượu, giấy bột giấy, thuộc da, thực phẩm công nghiệp chế biến Đối với tải trọng hữu cao, chắn cung cấp lợi gần tiêu thụ lượng khơng đáng kể, O & M thấp chi phí thu hồi số lượng đáng kể sinh học lượng Sản xuất phù hợp số lượng lớn khí sinh học từ chất thải cơng nghiệp làm cho sản xuất điện cho tiêu dùng chỗ đề xuất tài hấp dẫn Các tính khác công nghệ, yêu cầu kỹ thấp sản xuất bùn, có lẽ thêm vào sức hấp dẫn bối cảnh cơng nghiệp đến mức độ định Ví dụ, ngành cơng nghiệp chưng cất phù hợp công nghệ chứng minh đầy đủ hợp tiềm năng lượng sinh học, trả lại khoảng thời gian tìm thấy năm Tuy nhiên, áp dụng cho xử lý nước thải (trong BOD 200-300 mg / l), tích lũy kinh nghiệm cho thấy tính 'độc đáo' khơng có sức thuyết phục cho loạt lý Nhìn lại khẳng định tính vượt trội xử lý, vấn đề liên quan đến đặc điểm nước thải, yêu cầu xử lý thứ cấp, nước thải phù hợp cho khử trùng, phát điện phục hồi tài nguyên thực UASB làm giảm BOD nước thải 70-100 mg / l tiền đề giai đoạn thứ hai xử lý hiếu khí phép phù hợp với xả tiêu chuẩn Nước thải sau điều chỉnh pH theo ống dẫn phân phối toàn đáy bể, nước thải từ lên vận tốc v = 0,6 – 0,9 m/h Bùn bể lắng hình thành vùng rõ rệt: lớp bùn đáy bể chiều cao ¼ bể chứa hạt keo tụ nồng độ – 7% lớp bùn lơ lửng nồng 17 độ 1000 – 3000 mg/l Ở nước nhiệt đới, bể UASB xử lý nước thải áp dụng rộng rãi Chất lượng nước thải đầu ra: COD 140 mg/l, BOD 75 mg/l TSS 30 mg/l Nhiệt độ thấp làm tốc độ thủy phân thấp phân hủy hữu giảm, giảm hiệu suất tổng thể bể kị khí Bể UASB loại bỏ COD ~ 65% 20 oC 55-65% 13-17oC Chất lượng nước thải tốc độ sản xuất khí giảm (giảm 78% tỷ lệ khí đốt tạo ra) nhiệt độ giảm từ 27oC xuống 10oC Lượng COD bị loại bỏ thấp 25% 10 oC so với 27oC, tích tụ chất rắn lơ lửng bể phản ứng [4]  Khắc phục Để cải thiện hiệu suất bể UASB nhiệt độ thấp cần cung cấp diện tích bề mặt để gắn sinh khối tăng khối lượng lớp bùn kị khí bể cách thay thiết bị tách khí/chất rắn bể UASB lọc Bể phản ứng UASB – lọc kết hợp đạt 64 % COD, loại bỏ % so với bể UASB trước nhiệt độ 13 oC đồng thời loại bỏ phần keo tốt đính kèm sinh khối lọc [4] Khí sinh học Máng thu nước Thiết bị tách khí Tấm hướng dịng Nước Bọt khí Hạt bùn Tầng bùn kị khí Nước vào Sơ đồ hoạt động bể UASB [4] 18 3.2.1.3 Thu hồi lượng Thu hồi lượng sinh học coi yếu tố quan trọng lợi UASB để xử lý nước thải Tuy nhiên, số hạn chế liệt kê nhận ngăn chặn thực lợi ích Khí sinh học phụ thuộc vào lượng BOD đầu vào tùy thuộc vào môi trường xung quanh nhiệt độ nước thải biến thể khác Nhiệt độ bể thấp từ – oC gây cản trở cho vi sinh vật kỵ khí sinh trưởng phát triển Vì sản xuất khí sinh học tìm thấy xuống đáng kể tháng mùa đơng miền Bắc Ấn Độ Lượng khí sinh học sản xuất bể UASB vừa nhỏ đầy đủ để đảm bảo lợi nhuận lượng sinh học Các động bể chi phí thấp ln địi hỏi số lượng lớn dầu diesel nhiên liệu bổ sung Rõ ràng, chi phí dầu diesel hóa khơng cao bất lợi điện thực miễn phí cho quan điều hành STP Kinh tế môi trường sử dụng 19