Thiết kế hệ thống xử lí bùn sau bể nén bùn thu hồi năng lượng từ bùn thải trạm xử lí nước thải chế biến t Thiết kế hệ thống xử lí bùn sau bể nén bùn thu hồi năng lượng từ bùn thải trạm xử lí nước thải chế biến t Thiết kế hệ thống xử lí bùn sau bể nén bùn thu hồi năng lượng từ bùn thải trạm xử lí nước thải chế biến t Thiết kế hệ thống xử lí bùn sau bể nén bùn thu hồi năng lượng từ bùn thải trạm xử lí nước thải chế biến t Thiết kế hệ thống xử lí bùn sau bể nén bùn thu hồi năng lượng từ bùn thải trạm xử lí nước thải chế biến t Thiết kế hệ thống xử lí bùn sau bể nén bùn thu hồi năng lượng từ bùn thải trạm xử lí nước thải chế biến t
TỔNG QUAN VỀ BÙN THẢI TỪ NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN
Thành phần của bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải
Phần lớn bùn thải sinh ra từ nhà máy xử lý nước thải được chia thành các loại:
Bùn thải sinh học: Đặc điểm là có mùi hôi thối không không độc Thường được sử dụng để sản xuất phân hữu cơ bằng cách cho thêm vôi bột để khử chua Dùng chế phẩm EM để khử mùi, tạo thành phân hữu cơ tổng hợp dùng cho nông nghiệp Loại bùn thải này có thể sử dụng để sản xuất các loại phân hữu cơ dùng trong chăn nuôi trồng trọt Vì thành phần của các loại phân này phần lớn là bùn sinh học nên sẽ có giá thành rẻ với chất lượng không hề thua kém nhiều loại phân khác trên thị trường
Trong đó bùn thải sinh học bao gồm:
Bùn vi sinh hiếu khí: Có màu nâu, dạng hạt “floc” lơ lửng trong nước Trong thời gian ngừng sục khí hoặc khuấy trộn bắt đầu hình thành bông bùn, các bông bùn này kết hợp với nhau tạo thành một khối có trọng lượng riêng nặng hơn nước, sau một thời gian sẽ lắng xuống đáy bể, phần nước trong đã xử lý bên trên sẽ thoát ra đến quy trình xử lý tiếp theo.
Bùn vi sinh thiếu khí: Bùn có màu nâu sẫm hơn so với bùn vi sinh hiếu khí, bông bùn to hơn do đó tốc độ lắng cũng nhanh hơn so với bùn vi sinh hiếu khí Do vậy trong bể thiếu khí, người ta thường cho đặt máy khuấy chìm để tránh hiện tượng bùn lắng
Bùn vi sinh kỵ khí: Bùn vi sinh kỵ khí có màu đen, tùy vào ứng dụng của mỗi bể bùn được chia ra làm hai loại là bùn vi sinh kỵ khí lơ lửng và bùn vi sinh kỵ khí dạng hạt Tùy vào mỗi dạng bùn sẽ có những ứng dụng khác nhau, đối với bùn vi sinh kỵ khí lơ lửng dùng cánh khuấy trộn để tạo nên dòng lơ lửng, còn bùn vi sinh kỵ khí dạng hạt có tỷ trọng lớn nên thường được sử dụng trong bể UASB.
Bùn thải không nguy hại: Hầu hết các loại bùn thải không độc hại đều không cần xử lý nhưng cần phải tiến hành loại bỏ các loại bùn vi sinh không đạt chất lượng như bùn vi sinh già, bùn vi sinh thừa hay bùn vi sinh non và thay thế bằng bùn vi sinh mới chất lượng hơn Được ứng dụng vào nhiều hoạt động khác, phục vụ cho nhu cầu của con người Ngoài ra, người ta cũng sử dụng bùn thải sinh học để sản xuất phân hữu cơ, ứng dụng cho nông nghiệp Tuy nhiên, bùn thải chế biến thủy sản xả ra môi trường với lượng càng ngày càng nhiều Tuy không độc hại nhưng không có biện pháp thu gom, tái chế Thì cũng gây hại đối với sinh vật dưới nước & môi trướng sống của con người
Bùn thải nguy hại: Loại bùn thải này có chứa các kim loại nặng cao như Fe, Pb,
Cu, Cr, Ni, Cd,… Đặc biệt là bùn thải phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải điều chế hóa chất vô cơ, hữu cơ Xử lý tẩy rửa bề mặt, che phủ bề mặt, gia công kim loại, các vật liệu khác Nếu không được xử lý đúng cách và kịp thời có thể gây ra những tác hại lâu dài cho cả sức khoẻ con người và môi trường
2.1.2 Tính chất của bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải thủy sản
Bùn thải thủy sản có hàm lượng chất hữu có hàm lượng chất hữu cơ, thành phần nito và photphat cao Bùn thải bao gồm các loại chất thải của cá, thức ăn thừa và các hóa chất còn thừa lại sau quá trình xử lý nước thải.
Màu và mùi: Bùn thải từ thủy sản có thể sản sinh các khí như NH3, H2S và CH4, gây mùi hôi khó chịu Còn màu sắc của bùn sẽ phụ thuộc vào thành phần và giai đoạn xử lý.
Tổng hàm lượng chất rắn (TS): Thông thường, bùn thải dạng lỏng có TS 2-12% trong khi bùn thải đã khử nước có TS 12-40% Bùn thải khô hoặc ủ thường có TS trên50%
Tổng hàm lượng chất rắn dễ bay hơi (VS): Hầu hết các loại bùn thải có hàm lượng VS không ổn định, chứa khoảng 75-85% hàm lượng VS pH: Bùn có pH thấp < 6.5 thúc đẩy sử hấp thụ các kim loại nặng vào bùn thải, pH cao > 11 có nguy cơ giết chết VSV nếu kết hợp với các loại đất có pH trung tính cho đến cao có thể ức chế sử hấp thụ của kim loại có trong đất
Chất hữu cơ: Bùn thải chứa các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng vi lượng và nước rất quan trọng cho thực vật phát triển Có 16 nguyên tố khác ngoài 90 nguyên tố đã được tìm thấy trong bùn thải cần thiết cho sự phát triển của thực vật và hầu hết các nguyên tố này có trong bùn thải Những nguyên tố như C, H, O, N, P, K, S, Ca, Mg,
Fe, B, Mn, Cu, Zn, Mb, Cl Ngoài ra trong bùn còn chứa các chất hữu cơ với thành phần phần lớn bao gồm guyên tố C và lượng ít hơn các nguyên tố H, O và các nguyên tố khác như N, S, P Hàm lượng các chất hữu cơ trong bùn thải khá cao cho nên có thể sử dụng để cải thiện tính chất vật lý của đất Hàm lượng chất hữu cơ tăng làm giảm dung trọng đồng thời tăng cường khả năng giữ nước và thúc đẩy sự thấm nước lớn hơn
Kim loại nặng: Các kim loại nặng rất dễ bị hấp thụ trên bề mặt các chất lơ lửng dạng hữu cơ và vô cơ Khi các chất này lắng xuống tạo thành bùn lắng làm cho các kim loại nặng bị tích tụ trong bùn.
Đặc tính của bùn thải đầu vào
Các đặc tính hóa lý của bùn thải từ bể sinh học trong hệ thống xử lý nước thải thủy sản được thể hiện trong bảng sau.
Thông số Ký hiệu Giá trị Độ ẩm trung bình đầu vào của bể (%) - 95
Tỷ trọng bùn thải (kg/m 3 ) d 1080
Thông số Ký hiệu Giá trị
Thành phần tổng chất rắn
Chất rắn bay hơi (%) VSS 90
CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỴ
Định nghĩa quá trình phân hủy kỵ khí
Phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường không có khí oxy ở điều kiện nhiệt độ từ 30-65 o C Sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí là khí biogas (bao gồm CH4, CO2 và một số các khí khác như H2S) Khí metan (CH4) có thể được thu hồi và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học Phần bùn sau quá trình phân hủy kỵ khí trở nên ổn định hơn về mặt sinh học có thể tận dụng ủ làm phân bón cho cây trồng.
Quá trình phân hủy kỵ khí
Quá trình phân hủy kị khí được chia thành 04 giai đoạn:
Hình 3.1 Quá trình phân hủy kỵ khí
Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân (hydrolytic bacteria).
Các chất hữu cơ như protein, lipid và carbohydrate được chuyển đổi và phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản hòa tan trong nước, chẳng hạn như axit amin, axit béo và đường Chúng có khả năng tiết ra các enzym ngoại bào như cellulase, protease, lipase làm chất xúc tác để phân hủy chất hữu cơ Trong khi các hợp chất glucose phân hủy nhanh chóng, các hợp chất chứa nitơ và các hợp chất hữu cơ lớn thường phân hủy chậm hơn, đặc biệt là cellulose và lignocellulose Tốc độ thủy phân có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như quần thể VSV, nhiệt độ, pH và nồng độ chất hữu cơ.
Giai đoạn 2: Giai đoạn axit hoá.
Các nhóm vi khuẩn kị khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hóa các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit axetic hoặc các axit béo dễ bay hơi (VFAs), axetat… và rượu
Giai đoạn 3: Giai đoạn acetat hoá (acetogenic bacteria).
Trong quá trình lên men, vi khuẩn hình thành metan chỉ sử dụng trực tiếp axit acetate, và các chất khác phải mất thời gian để phân hủy thành nhiều hợp chất đơn giản hơn Ở giai đoạn này, các sản phẩm được tạo thành bao gồm hidro, CO2,… nhưng quá nhiều hydro sẽ cản trở và kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển của nhóm vi sinh vật axetat hóa Do vi sinh vật thường rất nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường nên chúng chỉ có thể tồn tại dưới áp suất hydro thấp trong bể kỵ khí Từ đó, quá trình phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng hydro của vi sinh vật Quá trình tiêu thụ hydro chậm lại, chúng sẽ tích tụ nhiều hơn trong bể phản ứng, làm cho áp suất riêng của nó tăng lên khiến quá trình axetat giảm hiệu suất tối đa.
Ethanol, axit propionic và butyric được chuyển hóa thì axit axetic bởi nhóm vi khuẩn acetogenic theo phương trình sau:
CH3CH2OH + CO2 → CH3COOH + 2H2
CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 2H2
CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2
Giai đoạn 4: Giai đoạn metan hoá. Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình kỵ khí và chỉ hiệu quả sau khi các chất trung gian được xử lý hoàn toàn Đây là quá trình khí CH4 được hình thành dựa trên hoạt động của 3 nhóm vi sinh vật chính là vi sinh metan sử dụng hydro, vi sinh metan dùng axetat và vi sinh metan dùng methanol Cơ chế của giai đoạn này bao gồm việc vi sinh vật sử dụng hydro để khử CO2 và tạo ra khí CH4 (30%) trong giai đoạn lên men.
Bảng 1 Bảng tóm tắt các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí
Thủy phân Acid hóa Acetat hóa Metan hóa
Các chất ban đầu Đường đa Protein Chất béo Đường đơn
Amino acid Acid hữu cơ
Vi sinh vật - Vi khuẩn acid hóa
Sản phẩm Đường đơn Amino acid Acetat -
Thủy phân Acid hóa Acetat hóa Metan hóa
Các vi sinh vật tham gia quá trình này được chia làm 2 nhóm:
Nhóm vi khuẩn Hydrogenotrophic Methanogens (vi khuẩn metan sử dụng hydrogen) ví dụ methanobacterium, Methanococcus Nhóm vi khuẩn này sử dụng hydrogen (H2) làm nguồn năng lượng chuyển đổi cacbon dioxide (CO2) thành khí metan (CH4)
Phương trình chuyển hoá: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Chúng có vai trò tạo điều kiện để loại bỏ hidrogen sản phẩm phụ của các giai đoạn trước đó (như giai đoạn axit hoá) để ngăn chúng làm giảm hiệu suất quá trình. Chất lượng và lượng khí metan được tạo ra trong quá trình này ảnh hưởng bởi sự hiện diện và hoạt động của nhóm vi khuẩn methanogenic.
Nhóm vi khuẩn Acetoclastic Methanogens (vi khuẩn metan tạo axetat) ví dụ vi khuẩn Methanosarcina Nhóm vi khuẩn này chuyển đổi axetat (CH3COO - ) thành khí metan và cacbon dioxide (CO2).
Phương trình chuyển hoá: CH COOH → CH + CO
Nhóm này có vai trò loại bỏ sản phẩm trung gian axetat, một sản phẩm phân giải từ các giai đoạn trước đó, như giai đoạn acidogenesis Điều này giúp đảm bảo rằng quá trình kỵ khí diễn ra liền mạch và không bị ngưng trệ Nhóm này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra khí methane từ các sản phẩm trung gian của quá trình kỵ khí
•Phương trình chuyển hoá có trong quá trình kị khí:
Phản ứng tạo khí methane từ hidrogen và CO2 (Methanogenesis):
4H2 + CO2 -> CH4 + 2H2O Phản ứng tạo khí methane từ axetat (Acetate Methanogenesis):
Phản ứng tạo khí methane từ hidroxit và CO2 (Hydrogenotrophic Methanogenesis):
Phản ứng tạo khí methane từ methyl compounds (Methylotrophic Methanogenesis):
CH3X + 4H2O -> CH4 + 3 H2O + X - (với X là một gốc cơ học như CH3COO - ) Phản ứng tạo axetat từ axit hữu cơ (Acetogenesis):
CH3COO - + H2O -> CH3COOH + OH Phản ứng axit hoá các axit hữu cơ (Acidogenesis):
Phản ứng hydrolysis phân giải chất hữu cơ (Hydrolysis):
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí
Bảng 2 Điều kiện của quá trình phân bón kỵ khí
Trên 1kg chất rắn bay hơi
Trên 1kg chất rắn bay hơi bị phân hủy
Một lượng nhỏ Một lượng nhỏ Một lượng nhỏ
Nồng độ acid dễ bay hơi theo axetic axit
Nồng độ kiềm theo CaCO 3 1000 – 5000 mg/L
Tỷ lệ C/N tối ưu trong quá trình phân hủy kị khí khoảng 20 – 30:1 Ở mức độ tỷ lệ thấp hơn, Nito sẽ thừa và sinh ra khí NH3, gây ra mùi khai Ở mức cao hơn thì quá trình phân hủy diễn ra chậm.
Phân loại công nghệ phân hủy kỵ khí
• Phân huỷ tốc độ thấp:
Phân huỷ tốc độ thấp là công nghệ lâu đời và đơn giản nhất của quá trình phân huỷ kị khí bùn
Về bản chất, bể có hình trụ với đáy nghiêng và nóc hình vòm hoặc phẳng, có thể gia nhiệt từ bên ngoài hoặc không cần gia nhiệt, không khuấy trộn Tuy nhiên do khí sinh ra ngày càng nhiều lên, làm cho bề mặt bị khuấy trộn, kết quả tạo phân tầng cho bề phân huỷ Cơ chất nổi trên bề mặt được thu hồi và tuần hoàn lại đầu vào của hệ thống, ở đáy bể, các chất rắn sinh học ổn định được tích luỹ và quánh lại, định kỳ hút bỏ Khí metan thu gom ở bề mặt lỏng, khí được rút qua nắp
Phân huỷ kị khí tốc độ thấp là công nghệ đặc trưng, bởi thời gian lưu nước 30 –
60 ngày Tuy nhiên, ngày nay chúng ít được xây dựng
Phân huỷ tốc độ cao một giai đoạn:
Gia nhiệt, trộn phụ trợ, cấp liệu đồng đều và làm dày dòng cấp liệu đặc trưng cho quá trình phân hủy tốc độ cao một giai đoạn Bùn được trộn bằng một trong nhiều hệ thống như tuần hoàn khí, bơm hoặc máy trộn ống thông hơi (không diễn ra quá trình tách cặn bã và chất nổi trên bề mặt) và bùn được gia nhiệt để đạt được tốc độ phân hủy tối ưu
Gia nhiệt: Việc gia nhiệt là cần thiết bởi vì tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn, tốc độ phân huỷ, và sản phẩm khí tạo thành gia tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ Phần lớn phân huỷ kị khí tốc độ cao vận hành ở pha mesophilic 30 – 38 o C Thiết bị phân huỷ có thể chịu được gia nhiệt 0.5 o C so với nhiệt độ thiết kế, bởi vì vi khuẩn metan rất dễ bị ảnh hưởng bởi bất cứ thay đổi nhỏ nào về nhiệt độ Cấp nhiệt bằng phương pháp gia nhiệt từ bên ngoài là thông dụng nhất bởi vì tính linh hoạt và dễ dàng thao tác Phương pháp gia nhiệt khác bao gồm trao đổi nhiệt bên trong và phun hơi
Khuấy trộn bên trong: Giải pháp khuấy trộn bổ sung của thiết bị phân huỷ mang lại lợi ích sau:
─ Giảm sự phân tầng nhiệt
─ Phân tán bùn thô tốt hơn cho hoạt động sinh khối
─ Giảm các chất cản trở hoặc khoảng pH bất lợi từ nguồn nhiệt cấp vào
─ Cho phép khí tạo ra dễ dàng hơn
─ Các chất vô cơ được giữ trong chất huyền phù, chúng có khuynh hướng lắng
Có 3 loại khuấy trộn được sử dụng: khuấy trộn cơ học, khuấy trộn khí, khuấy trộn bằng bơm
Làm đặc bùn: Việc cô đặc bùn giúp làm giảm thể tích sinh khối và thể tích bể phản ứng Yêu cầu nhiệt cũng giảm bởi vì thể tích bùn thô cho vào bể xử lý nhỏ hơn
Khi cơ chất cô đặc nổi trên bề mặt có chất lượng tốt hơn, khi đó các va đập bất lợi giảm khi cơ chất được tuần hoàn lại đầu vào của hệ thống Việc làm đặc quá 7% nồng độ có thể gấy ra các vấn đề về khuấy trộn trong bể phân huỷ Làm đặc quá mức có thể gia tăng nồng độ hoá chất đến mức có thể ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn
Việc cho bùn đồng đều là rất quan trọng, và bùn phải được bơm liên tục hoặc mỗi chu kỳ 30 phút đến 2 giờ để giúp duy trì các điều kiện ổn định trong bể phản ứng. Trong các bể phân hủy bùn được cấp theo chu kỳ hàng ngày là 8 hoặc 24 giờ, điều quan trọng là phải rút bùn đã phân hủy ra khỏi bể phân hủy trước khi thêm bùn cấp vào, bởi vì khả năng tiêu diệt mầm bệnh lớn hơn đáng kể so với việc sử dụng bùn cấp để thay thế bùn thải Bởi vì không có sự phân tách nổi phía trên trong bể phân hủy tốc độ cao, và tổng chất rắn được giảm từ 45 - 50% và thải ra dưới dạng khí, nên bùn phân hủy được cô đặc bằng khoảng một nửa so với bùn cấp liệu chưa được xử lý Bể phân hủy có thể có mái cố định hoặc nắp nổi Bất kỳ hoặc tất cả các nắp nổi có thể thuộc loại bình chứa khí, cung cấp khả năng chứa khí dư thừa Ngoài ra, khí có thể được lưu trữ trong bình chứa khí áp suất thấp riêng biệt hoặc được nén và lưu trữ dưới áp suất
Phân huỷ hai giai đoạn:
Quá trình phân huỷ hai giai đoạn, thường được sử dụng trong quá khứ, hiếm khi được sử dụng trong thiết kế máy phá mẫu hiện đại Trong quá trình phân hủy hai giai đoạn, một máy phân hủy tốc độ cao được ghép nối tiếp với bể thứ hai Bể đầu tiên được sử dụng để phân hủy và được làm nóng và trang bị các thiết bị trộn Bể thứ hai thường không được làm nóng và được sử dụng chủ yếu để lưu trữ Các bể có thể giống hệt nhau, trong trường hợp đó, một trong hai bể có thể là bể chính Các bể có thể có mái che cố định hoặc mái che nổi, giống như quá trình phân hủy một giai đoạn Trong các trường hợp khác, bể thứ hai có thể là bể hở hoặc đầm chứa bùn Trong trường hợp bể phân hủy thứ hai mở, một số khí metan sẽ thoát ra nếu quá trình phân hủy tiếp tục dẫn đến tăng lượng khí thải carbon của các quy trình Quá trình phân hủy hai giai đoạn của loại được mô tả ở trên hiếm khi được sử dụng, chủ yếu là do chi phí xây dựng một bể chứa lớn không được sử dụng đầy đủ và vì bể thứ hai mang lại lợi ích không đáng kể về mặt vận hành.
Vì các chất rắn sinh học được phân hủy kỵ khí có thể không lắng xuống tốt, chất nổi trên bề mặt được rút ra từ bể giai đoạn thứ hai có thể chứa nồng độ chất rắn lơ lửng cao Lý do cho các đặc tính lắng kém bao gồm quá trình phân hủy không hoàn toàn trong thiết bị phân hủy sơ cấp (tạo ra khí trong thiết bị phân hủy thứ cấp và gây ra chất rắn nổi) và các chất rắn có kích thước nhỏ có đặc tính lắng kém Chất nổi phía trên quay trở lại hệ thống xử lý chất lỏng có thể gây ra tình trạng khó chịu và có thể yêu cầu xử lý riêng Khi sử dụng quá trình phân hủy hai giai đoạn, dòng hồi lưu từ bể thứ hai phải được tính đến trong cân bằng khối lượng chất rắn Ít hơn 10% lượng khí được tạo ra đến từ giai đoạn thứ hai
Trong một số công trình, giai đoạn thứ hai là một bể phản ứng được làm nóng giống bể thứ nhất và hỗn hợp để đạt được sự ổn định hơn nữa trước khi khử nước hoặc xử lý tiếp theo khác
Phân huỷ kỵ khí gồm 2 pha chính: thuỷ phân tạo thành axit, và sinh khí metan.Trong ba quá trình phân huỷ kỵ khí hiệu suất cao trước đó, cả hai pha đều thực hiện trong một bể phản ứng Trong phân huỷ hai pha, hai pha chính được chia thành hai bể riêng biệt Các nghiên cứu đã cho thấy, phân huỷ bùn tốt có thể đạt được bằng cách tối
Bể thứ nhất, được biết như phân huỷ pha axit, là thuỷ phân và axit hoá và được thiết kế để phân huỷ trong khoảng thời gian từ 1 – 2 ngày Pha này có thể xảy ra hoặc chế độ melophilic hoặc là thermophilic pH trong bể phản ứng ở khoảng 5.5 đến 6.5. Trong bể phản ứng này metan sinh ra không đáng kể Bể phản ứng thứ hai, được biết đến như là pha phân huỷ metan, được thiết kế với thời gian lưu nước là 10 ngày và xảy ra ở khoảng nhiệt độ mesophilic Ưu điểm của phân huỷ kị khí hai pha so với phân huỷ kị khí một pha là:
─ Chất rắn bay hơi được tạo ra cao hơn bởi vì nó tạo môi trường tối ưu cho axit
─ Lượng khí được sinh ra tăng
─ Nồng độ metan trong sản phẩm khí cuối cùng cao hơn
─ Giảm tác nhân gây bệnh nhiều hơn
─ Khả năng phân huỷ tốt hơn
Một số biến thể của hệ thống xử lý kị khí hai pha, bao gồm pha phân huỷ mesophilic, pha phân huỷ nhiệt độ, phân huỷ pha axit/khí, và phân huỷ thermophilic. Những quá trình này sử dụng thời gian lưu chất rắn khác nhau trong hai bể phản ứng, một trong hai bể vận hành ở chế độ mesophilic hoặc thermophilic
Phân huỷ bùn riêng biệt:
Hầu hết các nhà máy xử lý nước thải sử dụng quá trình phân hủy kỵ khí sử dụng một bể phân hủy duy nhất để phân hủy hỗn hợp bùn sơ cấp và bùn sinh học Tuy nhiên, quá trình phân tách rắn-lỏng của bùn sơ cấp đã phân hủy bị suy giảm khi bổ sung một lượng nhỏ bùn sinh học, đặc biệt là bùn hoạt tính Tốc độ phản ứng trong điều kiện kỵ khí cũng chậm lại một chút Trong quá trình phân hủy bùn riêng biệt, quá trình phân hủy bùn sơ cấp và bùn sinh học được thực hiện trong các bể riêng biệt Các lý do được viện dẫn để phân hủy riêng biệt bao gồm các đặc tính khử nước tuyệt vời của bùn sơ cấp được phân hủy được duy trì, quy trình phân hủy được thiết kế riêng cho bùn được xử lý và có thể duy trì các điều kiện kiểm soát quy trình tối ưu Tuy nhiên,các tiêu chí thiết kế và dữ liệu hiệu suất cho quá trình phân hủy kỵ khí riêng biệt của bùn sinh học là rất hạn chế Trong một số trường hợp, đặc biệt là khi loại bỏ phốt pho sinh học được thực hiện, bùn sinh học được phân hủy hiếu khí thay vì kỵ khí để ngăn chặn quá trình phân hủy phốt pho trong điều kiện kỵ khí Quá trình phân hủy bùn riêng biệt hiện không phải là một thực tế phổ biến ở hầu hết các nhà máy.
Thu hồi năng lượng từ khí sinh học
Việc thu hồi khí sinh học từ quá trình phân hủy kị khí nhằm mục đích thu hồi năng lượng, đã được áp dụng từ lâu thay thế nhiên liệu than, dầu, gỗ và góp phần giải quyết các vấn đề liên quan đến việc quản lý và hệ thống mạng lưới phân phối năng lượng Một trong những yếu tố thuận lợi cho việc thu hồi năng lượng khí sinh học là lượng chất thải hữu cơ cần thiết cho quá trình sản xuất phân bón dồi dào
Dựa vào giá trị nhiệt năng của khí sinh học (4 500 – 6 300 kcal/m 3 ) Hesse
(1982) đã ước tính khi đốt hoàn toàn 1m 3 khí sinh học có thể:
Chạy một động cơ 2HP trong 2 giờ
Cung cấp nhiệt để nấu ăn ba bữa trong 1 ngày cho 5 người
Cung cấp 6h cho 1 bóng đèn 60W
Chạy 1 tủ lạnh công suất 1m 3 khoảng 1h
Chạy 1 máy ủ công suất 1m 3 khoảng 0.5h
Mục đích cơ bản của việc thu hồi năng lượng từ khí sinh học là để sử dụng
Nếu khí sinh học với hàm lượng H2S thấp thì không cần phải loại trừ H2S cho mục đích nấu nướng và thắp sáng Nếu khí sinh học được lưu trữ và chuyên chở thì H2S phải được loại trừ để tránh hiện tượng ăn mòn.
Phương pháp làm tinh khiết sản phẩm biogas
Phương pháp loại trừ CO 2
CO2 tan tương đối đốt trong nước, do đó dùng tháp rửa nước là phương pháp đơn giản nhất để loại trừ CO2 từ khí sinh học Phương pháp này có nhược điểm là cần lượng nước rất lớn Giả sử khí sinh học chiếm 35% CO2 và khối lượng riêng của CO2 là 1.84 kg/m3 ở điều kiện 1 atm, 20 o C thì lượng nước cần thiết là 429 lít để rửa 1m 3 biogas
CO2 là khí axit, có thể hấp thụ bằng dung dịch kiềm Ba loại hóa chất kiềm dùng để hấp thụ là NaOH, Ca(OH)2 và KOH.
Hai phản ứng liên tục dùng để loại trừ CO2 bằng dung dịch NaOH là:
NaHCO3 kết tủa và có thể tách khỏi dung dịch Ca(OH)2 (sữa vôi) thì phong phú hơn và không đắt tiền, do đó có thể sử dung để loại trừ CO2
CaCO3 kết tủa và có thể tách ra khỏi dung dịch Dựa vào phương trình trên, 1 kg vôi trong 1m 3 nước có thể loại trừ được 300 lít CO2 hoặc 860 lít biogas (giả sử CO2 chiếm 35%).
Phương pháp đơn giản và kinh tế hơn là cho dòng khí đi qua lớp mạt sắt hoặc oxit sắt Fe2O3 trộn với gỗ bào (dăm bào) Phương pháp này gọi là “rửa khí thô” Phản ứng loại trừ H2S diễn ra như sau:
Fe2O3 có thể phục hồi bằng cách phơi hoặc làm nóng Fe2S3 trong không khí (hoặc khí oxy), diễn ra theo phản ứng sau:
THIẾT KẾ QUY TRÌNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BÙN THẢI THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ BÙN THẢI TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN
Công nghệ biogas trog xử lý bùn
Bản chất của công nghệ biogas là quá trình phân hủy kị khí.
Phân hủy kị khí là quá trình dùng để ổn định bùn, đó là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxi Bùn từ bể lắng 1 và bùn sinh học được trộn lại, cho vào bể ủ kín theo từng mẻ hoặc liên tục Sau một khoảng thời gian ủ nhất định, hỗn hợp khí mà thành phần chủ yếu gồm có CO2 và CH4 được hình thành gọi là biogas Phần chất hữu cơ ổn định sẽ được rút ra khỏi bể, giảm đáng kể hàm lượng chất hữu cơ và vi sinh gây bệnh.
Lựa chọn phương pháp lên men:
Theo giai đoạn, ta có lên men một giai đoạn hay hai giai đoạn Chọn lên men 1 giai đoạn do bùn thải sau quá trình xử lý sinh học, các mạch đã được được cắt nhỏ ra nên tạo ra nhiều nước và phân hủy nhanh, trong khi lên men hai giai đoạn giành để cắt các mạch dài Chọn lên men ướt, do sau khi lên men tạo ra nhiều nước, để loại bỏ nước ta cần them polime vào gây tốn kém chi phí Ngoài ra, polime còn gây ức chế sinh trưởng của vi sinh vật trong bể kị khí.
Chọn lên men ưa ấm thay vì ưa nhiệt, do phương pháp này ổn định và vi sinh vật có tính chịu đựng lớn hơn ưa nhiệt Trong khi, ưa nhiệt cần gia tăng nhiệt gây tốn chi phí Nước ta là nước nhiệt đới nên khi sử dụng phương pháp lên men ưa nhiệt sẽ mang lại kết quả không chênh lệch không đáng kể Theo hình dạng, ta có bể hình tròn,hình trụ ngang và hình trứng Tuy nhiên, ở trên ta đã chọn lên mẹn ướt nên để trộn đều bùn bên trong ta chọn bể hình trứng Kết luận: Để phù hợp với đều kiện hiện tại, ta nên chọn phương pháp lên men 1 giai đoạn ướt, ưa ấm và sử dụng bể hình trứng.
Đề xuất quy trình hệ thống thu hồi năng lượng
Bùn thải từ bể sinh học trong quá trình xử lý nước thải thủy sản sẽ đưa qua bể nén bùn để tách phần nước có trong bùn và cô đặc phần bùn trước khi đưa vào bể kỵ khí hình trứng Ở đây, bùn sẽ được xáo trộn liên tục ở điều kiện không có oxy Các vi sinh vật trong bể sẽ thực hiện quá trình thủy phân, acid hóa, axetat hóa và metan hóa. chứa các bùi nhùi bằng oxit sắt để xử lý khí H2S có trong khí biogas (khí này gây ăn mòn làm tổn hại đến lò hơi nhà máy nên cần được xử lý trước khi cấp cho lò hơi), sau đó khí được đưa vào thiết bị tách ẩm không khí để tách ẩm Khí sinh ra sẽ được đưa qua túi đựng khí nhằm loại bỏ các khí độc hại và chỉ thu hồi khí sinh học CH4 nhằm phục vụ cho việc sản xuất năng lượng nhiệt.
Bùn sau quá trình meten hóa sẽ thành bùn già có trọng lực nặng hơn so với bùn ban đầu, theo trọng lực sẽ lắng xuống đáy bể, bùn được hút ra và đưa đến máy ép bùn khung bản Máy ép bùn khung bản sẽ giảm độ ẩm của bùn (TS = 60%) Phần nước sẽ được vào hệ thống xử lý nước thải để tiếp tục xử lý, phần bùn sau khi ép còn chứa các chất dinh dưỡng từ quá trình xử lý nước thải nên được dùng để sản xuất phân bón.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Thông số đầu vào
Lượng bùn tổng cộng dẫn vào bể Q bùn m 3 /ngày Độ ẩm trung bình của bùn đầu vào bể kỵ khí hình trứng là 95%
Tỷ trọng bùn thải 1080 kg/m 3
Thành phần tổng chất rắn TS = 4.4%
Thành phần chất thải rắn bay hơi VSS = 90%
Tải trọng bể vào khoảng 2 - 3 kg/m 3 /ngày đối với quá trình kỵ khí thông thường, chọn tải trọng bể là 3kg/m 3
Tính toán kích thước bể kỵ khí hình trứng
Thể tích hữu ích của bể hình trứng:
3 2.6(m 3 ) Thể tích hữu ích của bể hình trứng bằng 90% thể tích thực, ta có:
Ta có H=1.5 D Đường kính của bể hình trứng:
Chọn đường kính bể là 6.4m.
Chiều cao của bể hình trứng là H=1.5 D =1.5 × 6.4 =9.56( m)
Chọn chiều cao bể hình trứng là 9.6m.
Kiểm tra tỷ lệ giữa thể tích thực và chiều cao của bể hình trứng:
Tỷ lệ giữa thể tích thực về chiều cao thỏa theo CIWEM (1996).
Hình 5.1 Hình minh họa hình dáng của bể kỵ khí hình trứng
Từ bản vẽ ta có được các kích thước của bể kỵ khí hình trứng như sau:
- Bán kính hình cầu ở đỉnh a=3.33 (m )
- Bán kính hình cầu ở đáy b=0.95(m)
- Khoảng cách từ tâm đáy bể đến tâm cầu ở đỉnh là A=4.83( m)
Ta có vận tốc bùn trong ống dẫn bùn vào bể kỵ khí hình trứng là v=0.1m / s , đường kính ống dẫn bùn là d=√ 4 ×Q vπ bùn = √ 4 × 24 0.1 ×60 × π 10 ×60 =0.03838 ( m)8.38 ( mm)
Chọn ống dẫn bùn SS304, có đường kính là DN40.
Chọn khuấy trộn trong bể kỵ khí hình trứng
Hình 5.2 Đồ thị tra thiết bị khuấy trộn theo lưu lượng
Ta có Q bùn m 3 /ngày => chọn thiết bị khuấy trộn cơ khí dạng ống hút MFS2 (theo Halberg). Đường kính cánh khuấy 190mm.
Vận tốc khuấy trộn là 3.71m/s.
Tốc độ khuấy trộn là 1200 vòng/phút.
Công suất khuấy trộn là 350m 3 /h. Điện năng là 4KW.
Thiết bị khuấy trộn bể kỵ khí có hai chế độ hoạt động: khuấy theo chiều từ dưới lên trên (A) và khuấy theo chiều từ trên xuống dưới (B) Trong đó chế độ khuấy theo chiều từ dưới lên trên là chính Tùy thuộc vào tình huống thực tế trong bể kỵ khí có thể chuyển sang chế độ hoạt động còn lại.
Với chế độ A (khuấy trộn theo chiều từ dưới lên trên): Khi khuấy từ dưới lên trên, bùn từ phần dưới của bể chứa được vận chuyển lên trên qua đường ống riser và phân phối trên một khu vực rộng lớn trên bề mặt bể thông qua đĩa lệch quay Bằng cách này, cặn lắng được loại bỏ khỏi đáy của bể, sử hình thành chăn bùn được ngăn chặn.
Với chế độ B (khuấy trộn theo chiều từ trên xuống dưới): Khi vận chuyện từ trên xuống dưới, các phần bọt và nổi trên bề mặt được loại bỏ khỏi bùn và đưa qua ống trung tâm đến đáy của bể chứa Điều này làm tranh sự gia tăng nồng độ bọt Chế độ hoạt động này chỉ nên được sử dụng trong có trường hợp đặc biệt (tạo bọt) hoặc cho mục đích kiểm soát chế độ khuấy trộn, ví dụ mỗi tháng vận hành chế độ B một lần.
Tính toán năng lượng sinh ra
Khối lượng TS đầu vào:
TS vào =Q bùn ×4.4 %×1080×4.4 %×1080G5.2(kgTS/ngày)
Khối lượng chất rắn bay hơi đầu vào:
TS)× TS vào =0.77×475.265.90(kgVS/ngày) trong đó 0.77 là hằng số rút ra từ thực nghiệm.
Khối lượng chất rắn cố định đầu vào:
FS vào =( 1− VS TS ) ×TS vào =(1− 0.77 ) × 475.29.296(kgFS/ngày)
Lượng chất rắn cố định (FS) là không thay đổi, nhưng lượng chất rắn bay hơi (VS) được loại bỏ một phần trong quá trình xử lý Theo CIWEM (1996), hiệu quả xử lý VS nằm giữa 40% và 55% Chọn hiệu quả xử lý VS là 50%, thông số đầu ra là:
FS vào =FS ra 9.296(kgFS/ngày)
Chất thải bay hơi đầu ra:
VS ra =(1−50 %)×VS vào =(1−0.5)×365.902.95(kgVS/ngày)
Tổng chất thải đầu ra:
TS ra =FS ra +VS ra 9.296+182.95)2.25(kgTS/ngày)
- Lượng khí sinh ra khoảng 0.8 – 1.1 m 3 /kgVS, chọn 0.8 m 3 /kgVS.
- Nhiệt trị (năng suất tỏa nhiệt) của khí là 23.3 MJ/m 3
- Nhiệt trị của bùn đầu vào khoảng 15 – 25 MJ/kgTS, chọn 23 MJ/kgTS.
- Nhiệt trị của bùn đầu ra khoảng 8 – 15 MJ/kgTS, chọn 13 MJ/kgTS.
Thể tích khí sinh học sinh ra:
Thể tích khí hữu dụng là:
Nhiệt trị của bùn thô vào bể là:
Nhiệt trị của khí sinh học là:
Nhiệt trị của bùn đầu ra là TS ra ×13)2.25×13799.224(MJ/ngày) Đường kính ống thu khí của bể kỵ khí hình trứng (theo Sổ tay quá trình thiết bị, tập 2) là: d khí =√ 0.785 Q khí ×ω = √ 146.36 0.785 ÷ (24 × × 1.5 60 ×60) =0.0379 ( m )7.92(mm)
Chọn ống dẫn khí SS304 có đường kính DN50.
Túi chứa khí Biogas
Lượng khí sinh học sinh ra từ bể kỵ khí hình trứng là 166.32 m 3 /ngày.
Lượng khí sinh học sau khi chứa mỗi ngày ở túi chứa khí sẽ được đưa đi sử dụng cho lò hơi của nhà máy chiếm 85% thể tích túi chứa khí sinh học:
Theo Catalog của Công ty TNHH Thiết bị Kỹ thuật DTP, ta có các kích thước của túi chứa khí biogas được thể hiện trong Bảng 3.
Bảng 3 Catalog kích thước túi biogas
Kích thước (mxm) Kích thước (m 3 )
Ta chọn túi có kích thước 2x30m, số lượng túi biogas cần dùng là: n=V túi
Ta cần sử dụng 6 túi biogas kích thước 2x30m.
Bể chứa bùn
Tỷ trọng bùn thải 1080 kg/m 3
= > Lưu lượng đầu ra của bùn Q bùn ra =2.7m 3 /ngày
Thời gian lưu bùn là 10 ngày.
Thể tích bể chứa bùn V bể chứabùn =2.7×10'(m 3 )
Chọn chiều cao của bể là 3.5m.
Diện tích của bể chứa bùn A=V bể chứabùn
3.5=7.71(m 2 ) Chiều rộng và chiều dài cảu bể chứa bùn là D=R=√ A =√7.71= 2.78(m)
Chọn chiều rộng và chiều dài bể là 3m.
Kích thước của bể chứa bùn DxRxH là 3x3x3.5 (m).
Máy ép bùn khung bản
Giả sử sau quá trình ủ kỵ khí sản phẩm thu được giảm đi 70 – 80% so với thể tích trước khi ủ kỵ khí, chọn 70%.
Nguyên lý làm việc của máy ép khung bản: Máy ép bùn khung bản được thiết kế dựa trên nguyên lý lọc ép qua màng, nhờ vào áp suất của hỗn hợp bùn cặn, nước lọc thẩm thấu qua màng sau đó dẫn ra bên ngoài, còn căn bã sẽ được giữ lại bên trong bản lọc Thiết bị làm việc gián đoạn theo mẻ.
Cấu tạo của máy ép bùn khung bản:
- Chất liệu khung máy bằng thép, được sơn Epoxy, chịu lực ép lên đến 120 tấn.
- Kích thước bản lọc tiêu chuẩn: 600x600x60mm, 800x800x60mm, 1000x1000x60mm, 1200x1200x60mm, vật liệu FRP (composite), số bản từ 15-120 bản/máy
- Chất liệu vải lọc: PP, PE, PPS,… chịu được môi trường axit, kiềm được nhập từ Taiwan, lựa chọn tùy theo ứng dụng cụ thể
- Lực ép các bản từ 50-100 tấn
- Hàm lượng hỗn hợp bùn được nạp vào 1 - 5% cận, áp suất 5 - 8 bar
- Độ dày bánh bùn tiêu chuẩn 35mm, độ ẩm sau ép đạt đến 65 – 78%
- Mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp phù hợp, kết cấu vững chứa vận hành và bảo dưỡng dễ dàng
- Cơ cấu xả bã tự động bằng cơ khí, có băng tải hay vít tải chuyển bã.
- Áp suất làm việc của ben ép thủy lực 2150-3000 PSI
- Bộ nguồn thủy lực 3HP, bơm PITON, 300 PSI, lưu lượng 10ml/min
- Điện cung cấp 220/380V, 3 phases, P = 1.5-3.5 Kw
Hình 5.5 Máy ép bùn khung bản
AN TOÀN LAO ĐỘNG PHÒNG NGỪA VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ TẠI CÔNG TRÌNH
Yêu cầu về phòng cháy chữa cháy
Đề phòng cháy nổ ở bộ chứa khí: tuyệt đối không được châm lửa trực tiếp vào đầu ra của ống dẫn khí ở bộ chứa khí Khi mở nắp bể kỵ khí đang hoạt động để bảo dưỡng, sửa chữa, cần tránh không có các nguồn lửa ở gần Không hàn nắp chứa khí khi đang có khí ở bên trong bể
Thường xuyên kiểm tra khu vực xung quanh nhằm phát hiện những vị trí bị rò rỉ khí gas, thiết lập các rào chắn xung quanh bể, tuyệt đối không châm lửa ở xung quanh Khi phát hiện rò rỉ khí thông qua mùi cần phải tiến hành các bước sau:
Cách ly xung quanh khu vực rò rỉ, tuyệt đối không được châm lửa hay sử dụng các thiết bị điện ở xung quanh khu vực đó
Báo cáo sự cố cho người quản lý hoặc các chuyên gia an toàn
Kiểm tra và sửa chữa: Kiểm tra nguyên nhân gây rò rỉ và sửa chữa một cách an toàn Điều này có thể bao gồm việc kiểm tra các ống, đường ống, van và thiết bị khác để đảm bảo chúng không bị rò rỉ
Thực hiện kiểm tra an toàn toàn bộ: Sau khi đã xử lý và khắc phục sự cố, hãy thực hiện kiểm tra an toàn toàn bộ hệ thống để đảm bảo không còn rò rỉ nào
Thiết lập bảng danh mục những quy trình khi có sự cố xảy ra
Thường xuyên, bảo trì kiểm tra các thiết bị phòng cháy chữa cháy
Yêu cầu, bắt buộc nhân viên tham gia các hoạt động tập huấn phòng cháy chữa cháy.
Yêu cầu về các thiết bị máy móc
Kiểm tra thiết bị và bảo dưỡng định kì: xem thời gian và kiểm tra thiết bị, lên kế hoạch bảo dưỡng thiết bị an toàn Khi phát hiện thiết bị có sự cố cần phải báo cáo sự cố cho quản lý hoặc bên bảo hành thiết bị
Hướng dẫn quy trình sử dụng thiết bị đúng cách, đảm bảo công nhân được đào tạo để vận hành thiết bị an toàn và hướng dẫn cách khắc phục sự cố
Sử dụng trang thiết bị bảo hộ khi làm việc với các thiết bị Đảm bảo các biện pháp an toàn và khu vực an toan cho công nhân khi thiết bị xảy ra sự cố.
Các biện pháp phòng chống bị ngạt thở khí bảo dưỡng, sửa chữa các bể
Một trong những tai nạn thường gặp của công trình khí sinh học quy mô trung bình và lớn là ngạt khí, vì ở quy mô này các công trình khí sinh học sẽ sản sinh một lượng khí rất nhiều và đậm đặc Chính vì vậy cần phải có những biện pháp phòng tránh:
Cần phải lọc khí trước khi sử dụng, tuân thủ quy trình bảo dưỡng và thay thế các thiết bị lọc khí;
Tuyệt đối không tiến hành sửa chữa, bảo dưỡng công trình mà không mang các dụng cụ bảo hộ, nhất là các công việc liên quan đến bể chứa khí sinh học.
Không sửa chữa một mình; đảm bảo quy trình sửa chữa như hướng dẫn của nhà cung cấp như thắt dây an toàn, đảm bảo đã xả tối đa lượng khí có trong hồ, không tiến hành công việc quá lâu trong quá trình sửa chữa.
6.3.2 Cấp cứu người bị ngạt thở
Trong trường hợp có người bị ngạt thở:
Khi phát hiện người xuống hồ bị ngạt, cần nhanh chóng đưa người bị ngạt lên khỏi hồ và để ở nơi thoáng khí; Trong trường hợp không thể tự kéo được người tai nạn ra khỏi nơi có nồng độ khí quá đậm đặc phải lập tức gọi thêm người và mang các thiết bị bảo hộ để có thể đưa được người tai nạn ra khỏi nơi độc hại một cách nhanh nhất
Sử dụng các phương tiện có thể làm thông thoáng không khí xung quanh nơi có mật độ KSH cao một cách nhanh nhất có thể để trợ giúp cho người bị nạn và ngay lập tức thông báo với cán bộ y tế đến trợ giúp;
Khi đã đưa được người bị ngạt ra khỏi khu vực nguy hiểm, nhanh chóng mở các cúc áo ở cổ và ngực, nới rộng thắt lưng, làm hô hấp nhân tạo và thổi ngạt để sơ cứu và lập tức đưa người bị nạn đến trạm y tế gần nhất để các cán bộ y tế cấp cứu cho người bị ngạt.