QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ VÀ ỨNG DỤNG BỂ UASB TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA MÔI TRƯỜNG & BẢO HỘ LAO ĐỘNG

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ:

QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ VÀ

ỨNG DỤNG BỂ UASB TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Lớp: 21090201

Môn: Quá trình công nghệ môi trường

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Thị Phương Quỳnh

Thành phố Hồ Chí Minh, 2023

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ _ 9

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỂ UASB TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI _ 12

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Vi sinh trong nước thải _ 4 Hình 2: Quá trình sinh học kỵ khí _ 5 Hình 3: Các quá trình phân hủy kị khí 6 Hình 4: Một số vi khuẩn tạo axit 7 Hình 5: Vi khuẩn tạo Metan 8 Hình 6: Nguyên lý hoạt động hồ sinh học kỵ khí 9 Hình 7: Nguyên lý hoạt động hồ tùy tiện _ 10 Hình 8: Bể tự hoại 3 ngăn _ 11 Hình 9: Sơ đồ cấu tạo bể lọc kỵ khí _ 12 Hình 10: Cấu tạo bể UASB _ 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ

1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.1 Tìm hiểu về quá trình sinh học trong xử lý nước thải

Hiện nay có rất nhiều phương pháp hóa, lý để loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước thải nhưng đối với nước thải có chứa chất hữu cơ thì công nghệ xử lý tối ưu và ít chi phí nhất vẫn là bằng phương pháp sinh học (vi sinh)

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (hay còn gọi là xử lý nước thải bằng vi sinh) là phương pháp xử lý dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là sinh vật hoại sinh có trong nước thải

Vi sinh xử lý nước thải là quần thể vi sinh vật được phân lập, nuôi cấy và bảo quản để sử dụng cho mục đích xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải sinh học Với mỗi loại nước thải khác nhau chúng ta sẽ sử dụng các chủng vi sinh vật khác nhau để xử lý Với mỗi môi trường nước thải chúng ta sẽ có những quy trình nuôi cấy và sử dụng vi sinh vật khác nhau

Vi sinh vật có trong nước thải sẽ liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào mới Vi sinh vật có thể hấp thụ lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào Một phần chất hữu cơ thấp thụ được dành cho việc kiến tạo tế bào Một phần chất hữu cơ được oxy hóa để tạo năng lượng cung cấp cho việc tổng hợp Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ cũng như một số chất ô nhiễm vô cơ khác như H2S, sunfit, ammonia, nitơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng … dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ chất hữu cơ gây ô nhiễm Sản phẩm của các quá trình phân hủy này là khí CO2, H2O, N2, ion sulfite

Mục đích của xử lý nước thải bằng vi sinh là khử các chất hữu cơ COD, BOD,…với nồng độ cao ở trong nước về nồng độ cho phép, ở mức không gây hại tới môi trường

• Nồng độ COD/BOD ≤ 2 hay BOD/COD ≥ 0.5 → Xử lý bằng sinh học hiếu khí • Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó có nhiều cellulose, hemicellulose,

protein, tinh bột chưa tan → Xử lý bằng sinh học kỵ khí

Hình 1: Vi sinh trong nước thải

1.1.2 Quá trình sinh học kỵ khí

Đây là phương pháp sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở trong điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH,…Sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2,… trong đó có tới 65% là CH4 Vì vậy quá trình này còn gọi là lên men metan và quần thể vi sinh vật ở đây được gọi chung là các vi sinh vật metan Lượng khí sản sinh ra khác nhau tùy vào số lượng chất thải hữu cơ làm thức ăn và nhiệt độ ảnh hưởng tỷ lệ phân hủy và sản sinh khí đốt (gas)

Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy các chất bẩn, trong đó xảy ra nhiều quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ CO2 +H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + tế bào vi sinh mới Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy kỵ khí thường có sẵn trong các chất thải hữu cơ, nhưng với số lượng ít, khả năng thích nghi với môi trường bị hạn chế và hiệu quả xử lý thấp Vì vậy cần bổ sung men vi sinh kỵ khí để tăng hiệu suất xử lý Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp và tạo khí metan

1.1.3 Điều kiện áp dụng công nghệ sinh học kỵ khí

− Không có oxy

− Cân bằng và cung đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật

Hình 2: Quá trình sinh học kỵ khí

Vi sinh vật

− Nhiệt độ thích hợp: cao (45 – 65 C), trung bình (20 – 45 C) -> thuận lợi cho vi khuẩn sinh metan, thấp (<20 C)

− pH = 6,5 – 7,5

1.2 CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ

Các vi sinh vật metan sống kỵ khí hội sinh và là tác nhân phân hủy các chất hữu cơ như protein, chất béo, hidratcacbon, (cả xenlulozo và hemixenlulozo,…) thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp qua 4 giai đoạn sau: thủy phân, axit hóa, axetic hóa, methane hóa

a) Giai đoạn thủy phân

Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Dưới tác động của các enzyme thủy phân do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ phức tạp như Gluxit chuyển thành các đường đơn, Propit chuyển thành Pedtid và các Axit amin, Lipit chuyển thành Glyxerin và Axit béo, Protein thành Amino acids

Trong khi các hợp chất glucose phân hủy nhanh chống thì các hợp chất hữu cơ lớn đặc biệt là xenlulozo và ligin rất khó thủy phân Do đó, nếu nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước

Hình 3: Các quá trình phân hủy kị khí

thải cao, quá trình thủy phân thường diễn ra chậm và bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, pH và nồng độ chất hữu cơ

b) Giai đoạn axit hóa (lên men kỵ khí)

Trong gia đoạn này các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2 dưới sự tham gia của enzyme, vi khuẩn, nấm men, mốc có thể kể đến bao gồm Bacillus, Clostridium, Pseudomonas, Micrococcus, trong sự vắng mặt của oxy Quá trình này phụ thuộc bản chất của các chất bẩn, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường

c) Giai đoạn axetic hóa

Các sản phẩm của axit hóa được chuyển đổi thành acetate, hydro và carbon dioxide được gọi là vi khuẩn acetogenic

➔ Trong giai đoạn thủy phân – tạo axit tạo ra các sản phẩm rất đa dạng bao gồm các

Axit, Rượu, Axit amin, Amoniac, Hidrosunfua…Vì vậy khối lượng của cặn giảm ít và có mùi của hỗn hợp lên men rất khó chịu Độ pH của giai đoạn này < 7

➔ Trong 3 giai đoạn đầu BOD và COD giảm không đáng kể vì đây chỉ là những giai

đoạn phân cắt các chất phức tạp thành đơn giản và chỉ có một phần nhỏ chuyển thành NH3 và CO2, độ pH của môi trường cũng có thể giảm

Hình 4: Một số vi khuẩn tạo axit

d) Giai đoạn methane hóa

Đây là giai đoạn cuối cùng và quan trọng nhất trong suốt quá trình Dưới tác dụng của vi khuẩn men vi sinh methanogenic các sản phẩm trung gian của các giai đoạn trước tiếp tục bị phân giải và tạo ra sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các khí sinh học (methane và carbon dioxide) COD chỉ giảm trong giai đoạn này

Vi khuẩn methane bắt buộc có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn thủy phân và tạo axit Các vi sinh methane sử dụng axit axetic, metanol, CO2, H2, để sản xuất khia metan (CH4) Trong đó axit axetic là nguyên liệu chính chiếm tới 70% khí metan được sinh ra từ nó, phần còn lại được tổng hơp từ CO2 và H2 Độ pH của giai đoạn này tăng lên và chuyển sang môi trường kiềm.

1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ

a) Ưu điểm

− Có thể phân hủy sinh học các hợp chất như hydrocarbon béo, chất khó phân hủy sinh học như linin

− COD trong nước thải phần lớn được chuyển thành methane, loại khí đốt có giá trị Một lượng nhỏ COD chuyển thành bùn Không đòi hỏi đầu tư ở khâu đầu vào để hệ thống hoạt động

− Quá trình xử lý kỵ khí dùng nguồn trao đổi điện tử là CO2, không cần oxy như phân hủy hiếu khí -> tiết kiệm chi phí hơn

− Qúa trình này sinh bùn ít hơn từ 3 – 20 lần so với quá trình hiếu khí Kỵ khí sinh năng lượng tương đối thấp, hầu hết các năng lượng có được từ chuyển hóa chất hữu cơ và mục tiêu là tạo ra khí CH4 Loại khí rất hữu ích khi có 90% năng lượng giá trị calori khoảng 9000 kcal/m3 Dùng phổ biến để đốt, tạo nhiệt − Bùn sau xử lý có thể tái sử dụng làm phân bón

− Khả năng chịu tải cao lên tới vài chục ngàn mg/L COD (COD > 1000mg/L) − Sản lượng tế bào đạt 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối trong

điều kiện kỵ khí so với quá trình hiếu khí, tỷ lệ này là 5%

b) Nhược điểm

− Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn hiếu khi Thời gian lưu nước thường lớn hơn 12h để đủ thời gian vi sinh lên men kỵ khí

− Nhạy cảm với các chất độc hại hơn

Hình 5: Vi khuẩn tạo Metan

− Quá trình khởi động chậm (mất từ 30 – 45 ngày)

− Vận hành không tốt có thể sinh ra các khí gây mùi như axit béo bay hơi, H2S, Mecaptan…

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ

2.1 TỰ NHIÊN

Hồ sinh học tự nhiên được hình thành do quá trình kiến tạo bề mặt trái đất, ta biết rằng trái đất trước đây có bề mặt liền khối, theo thời gian, sự vận hành lớp chất lỏng trong lớp vỏ trái đất đã tách bề mặt trái đất thành những mãnh như ngày nay ta gọi là các lục địa Hồ sinh học tự nhiên trước đây, khi chưa chịu tác động đáng kể của con người thường là những hồ sinh thái có độ đa dạng sinh học cao, là nơi cư trú của nhiều loài động thực vật

Hồ sinh học kỵ khí dùng để lắng và phân hủy cặn lắng và phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa trên cơ sở sống và hoạt động của vi sinh vật kỵ khí Các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ các hợp chất hữu cơ trong dòng chảy, giải phóng khí CH4 và CO2

Hồ sinh học kỵ khí thường sâu từ 2 – 5m và có khả năng xử lý nước thải chứa chất hữu cơ cao (thường > 100g BOD/m3 với độ sâu 3m hồ) Lượng chất hữu cơ có trong hồ có liên quan mật thiết đến lượng oxy nạp vào hồ, nhằm duy trì điều kiện kỵ khí trên bề mặt hồ sinh học

Hồ kỵ khí không có mặt của tảo, mặc dù đôi khi chúng ta vẫn có thể bắt gặp có sự hiện diện chủ yếu của loài Chlamydomonas trên bề mặt Chúng hoạt động cực kỳ hiệu quả trong điều kiện khí hậu ấm (có thể loại bỏ đến 60 – 85% BOD) Hồ kỵ khí làm giảm lượng N, P, K và các vi sinh vật gây bệnh bằng cách tạo ra bùn và giải phóng NH3 vào không khí

2.2 NHÂN TẠO

a) Hồ tùy tiện

Hình 6: Nguyên lý hoạt động hồ sinh học kỵ khí

Hồ tùy tiện thứ cấp, tiếp nhận nguồn thải đã qua xử lý (thường là dòng thải từ hồ kỵ khí) Hồ được thiết kế nhằm loại bỏ BOD trên cơ sở tải lượng tương đối của dòng vào (100 – 400 kg BOD/ha ở nhiệt độ từ 20 – 25C) Việc loại bỏ BOD bởi vi khuẩn trong hồ thường được sinh ra bởi quá trình quang tổng hợp của tảo Tảo thường chiếm ưu thế trong nước đục, có bùn của hồ tùy tiện là các loài sinh vật phù du (như Chlamydomonas, Pyrobotrys và Euglena)

Hồ này thường được gọi chính xác bởi thuật ngữ “tùy tiện”, bởi vì trên thực tế trong hồ thường có tầng hiếu khí ở trên và tầng kỵ khí ở dưới do oxy không thể duy trì được đến độ sau của hồ

Khi quá trình hoàn thành, hồ tùy tiện sẽ đáp ứng:

+ Tăng cường xử lý dòng thải vào từ xử lý kỵ khí thông qua việc phân chia, phân hủy và tiêu hóa các vật chất hữu cơ

+ Xử lý hiếu khí phá vỡ hầu hết các dạng hữu cơ còn lại ở gần bề mặt hồ + Làm giảm số lượng vi sinh vật có khả năng gây bệnh

b) Hầm biogas

Biogas là khí sinh học do một số vi khuẩn phân giải kỵ khí chất hữu cơ tạo ra Các chất hữu cơ được ủ trong điều kiện kỵ khí để sinh ra các chất khí như H2S, CO2, N2 và CH4, trong đó CO2 và CH4 có thể cháy được

Hầm biogas là một hệ thống tự động, khí được sinh ra trong điều kiện kỵ khí sẽ đẩy cặn bã vào bể áp lực và ống nạp nhiên liệu Khi mở van thì các cặn bã trong bể áp lực và ống nạp nhiên liệu sẽ đẩy khí ra để sử dụng

Hầm biogas được chia làm ba phần liên tiếp với nhau:

+ Ngăn trộn là nơi để trộn các chất hữu cơ với nước trước khi đổ vào hầm phân hủy

Hình 7: Nguyên lý hoạt động hồ tùy tiện

+ Hầm phân hủy là nơi nước và chất hữu cơ bị phân hủy lên men Khí CH4 và các loại khí khác sẽ được sinh ra ở đây và những chất khí này sẽ đẩy bùn cặn ở đáy bể lên bể áp lực

+ Bể áp lực: là nơi chứa các bùn cặn Khi mở van thì các cặn bã trong này sẽ đẩy ngược các chất khí ra để sử dụng

c) Bể tự hoại

Bể tự hoại là công trình xử lý nước thải bậc I (xử lý sơ bộ) có nhiệm vụ làm sạch sơ bộ hoặc hoàn toàn nước thải trước khi thải ra sông, hồ hay mạng lưới thoát nước bên ngoài Bể tự hoại hoạt động theo nguyên lý tạo ra

trong hai quá trình là quá trình lắng nước thải và quá trình lên men cặn lắng Bể tự hoại thường được dùng trong hộ gia đình có hệ thống cấp thoát nước bên trong nhưng bên ngoài là hệ thống thoát nước chung không có trạm xử lý, thời gian lưu nước trong bể từ 1 đến 3 ngày

Bể tự hoại cũng được sử dụng trong xử lý cặn bùn của hệ thống xử lý nước thải chế biến thủy sản, với thời gian lưu bùn từ 1-2 tháng Bùn được nâng nhiệt đến 35C và có van tháo cặn dưới đáy bể

d) Xử lý kỵ khí lơ lửng

Quá trình tiếp xúc kỵ khí, bể UASB

Công đoạn xử lý nước thải kỵ khí tiếp xúc bao gồm bể phản ứng riêng biệt và bể lắng điều chỉnh bùn tuần hoàn Nguồn nước thải thô sẽ được khuấy trộn, tuần hoàn và phân hủy trong bể phản ứng kín không cho khí lọt vào Sau đó, bùn đi vào bể lắng, nước sạch đi ra ngoài và bùn lắng xuống đáy

Bể UASB hoạt động với dòng nước thải đi vào bể và được dẫn từ dưới lên trên qua một lớp đệm bùn hoạt tính bao gồm: các hạt bùn lớn và nhỏ, giúp tăng quá trình tiếp xúc giữa nước thải, bùn và chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải

Nguyên lý hoạt động: Nước thải đưa vào phân phối đều theo diện tích đáy bể đi lên tiếp xúc với khối bùn lơ lửng ở dưới lớp lọc, một số chất thải được giữ lại ở đây dòng nước tiếp túc tiếp xúc với lớp vật liệu tạo màng vi sinh dính bám

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỂ UASB TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là một việc khó thực hiện từ những năm 80 Tuy nhiên đã có nhiều sự chuyển biến tiến bộ ở một số quốc gia cho thấy rằng các công nghệ khác nhau có thể loại bỏ tải trọng hữu cơ với điều kiện nhiệt độ nước thải đủ cao Một

trong những công nghệ này là Upflow anaerobic sludge blanket (UASB) Công nghệ này

đã chứng minh tính hiệu quả của nó trong việc xử lý nước thải (nông nghiệp) công nghiệp Công nghệ UASB lần đầu được giới thiệu tại Hà Lan năm 1970 bởi một nhóm nhà khoa học tại Đại học Wagenigen Ban đầu, công nghệ này được phát triển làm phương pháp xử lý trong các cơ sở nhỏ sau đó được áp dụng rộng rãi ở các cơ sở lớn hơn

Công nghệ này cũng được giới thiệu tại Ấn Độ trong kế hoạch hành động Gangas – một mục tiêu quan trọng của Ấn Độ để cái thiện chất lượng nước của sông Ganges

Sự ra đời của UASB nhằm khắc phục nhược điểm của các phương pháp truyền thống như lắng động, thoát khí trực tiếp,… những phương pháp này thường tốn kém chi phí và không đạt hiểu quả cao trong việc khử mùi và ngăn ngừa sự phát tán mùi UASB phù hợp với nhu cầu “chi phí thấp” và là lựa chọn hợp với khả năng “tái phục hồi tài nguyên” vì công nghệ UASB cho phép cải thiện chất lượng nước thải bằng cách loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và tạo ra khí methane tái sử dụng được

Hình 9: Sơ đồ cấu tạo bể lọc kỵ khí