Xử lý kị khí nước thải

Xử lý kị khí nước thải Quy trình xử lý nước thải biện pháp sinh học điều kiện kỵ khí quy trình sinh học phân huỷ cách yếm khí chất hữu chứa nước thải để tạo thành khí CH4, sản phẩm CO2 NH3 Quy trình có ưu điểm sau: - Nhu cầu lượng không nhiều - Ngoài vai trò xử lý nước thải, bảo vệ môi trường, quy trình tạo nguồn lượng khí sinh học, CH4 chiếm tỷ lệ 70 - 75% - Cũng xử lý sinh học hiếu khí, quy trình này, bùn hoạt tính sử dụng làm tác nhân gây biến đổi thành phần nước thải Bùn hoạt tính sử dụng có lượng bùn dư thấp, có tính ổn định cao, để trì hoạt động bùn không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, bùn tồn trữ thời gian dài - Về mặt thiết bị: Công trình cấu tạo đơn giản, làm vật liệu chỗ với giá thành không cao Bên cạnh ưu việt nêu trên, quy trình xử lý sinh học kị khí có hạn chế sau : - Quy trình nhạy cảm với chất độc hại, với thay đổi bất thường tải trọng công trình Do vậy, sử dụng cần có theo dõi sát yếu tố môi trường - Xử lý nước thải chưa triệt để, cần phải xử lý hiếu khí sau Thấy ưu điểm loại quy trình nên nhà khoa học cố gắng đầu tư nghiên cứu từ quy mô pilot với mô hình có khối tích nhỏ: 6m3, 30 m3, 200 m3 đến quy mô lớn Đến có vài chục nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải nước Hà Lan, Hoà Kỳ, Thuỵ Sĩ, Cộng hoà Liên bang Đức a Các trình chuyển hoá chủ yếu phân huỷ kỵ khí: - Quá trình thuỷ phân (Hydrolysis): Muốn hấp thụ chất hữu có nước thải, vi sinh vật phải thực công đoạn chuyển hoá chất Việc phải thuỷ phân chất có phân tử lượng cao thành polymer có phân tử lượng thấp monomer Vì chất có khả hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật Để thực trình thuỷ phân, vi sinh vật phải có hệ enzyme loại proteinase, lipase, cellulase Sau thuỷ phân, sản phẩm đố tạo thành amino acid, đường, rượu, acid béo mạch dài Quá trình thuỷ phân xảy chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường nhiệt độ, pH, cấu trúc chất hữu cần phân giải - Quá trình acid hoá (Acidogenesis) : Các sản phẩm trình thuỷ phân tiếp tục phân giải tác động vi sinh vật lên men acid béo dễ bay acid acetic, acid formic, acid propionic Ngoài có số dạng rượu methanol, ethanol, aceton, NH3, CO2 H2 - Quá trình acetate hoá (Acetogenesis) : Các acid sản phẩm trình lại tiếp tục thuỷ phân để tạo lượng acid acetic cao Sản phẩm trình phụ thuộc vào áp suất riêng phần H2 môi trường Áp suất riêng phần H2 giữ < 10-3 atm để vi sinh vật thực biến đổi H2 thành CH4 theo phản ứng sau: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Thực tế cho thấy áp suất riêng phần H2 lớn sản phẩm trình chứa nhiều acid béo trung gian acid propionic (C3) acid butyric (C4) Do vậy, làm chậm trình tạo methane - Quá trình methane hoá (Methanogenesis) : Đó giai đoạn cuối trình phân hủy sản phẩm hữu đơn giản giai đoạn trước để tạo thành CH4 CO2 nhờ vi khuẩn lên men methane Chúng có hai nhóm sau : + Nhóm biến đổi acetate: Nhóm có tốc độ phát triển chậm nguyên nhân đòi hỏi công trình xử lý kỵ khí phải có thời gian lưu chất thải công trình lâu + Nhóm biến đổi hydrogen : Nhóm có tốc độ phát triển nhanh nhiều, có khả giữ áp suất riêng phần H2 thấp, tạo điều kiện tốt cho trình biến đổi acetate từ acid béo b Các yếu tố ảnh hưởng đến trình phân huỷ kị khí : - Oxygen : Trong xử lý kị khí nước thải, oxygen coi độc tố vi sinh vật Do lý tưởng tạo điều kiện kị khí tuyệt đối bể xử lý - Chất dinh dưỡng : Chất dinh dưỡng có ảnh hưởng đến trưởng thành phát triển vi sinh vật, liên quan mật thiết đến trình phân huỷ chất hữu chứa chất thải Do việc cung cấp đầy đủ dinh dưỡng cho vi sinh vật trình phân hủy nói cần thiết Cũng vi sinh vật khác, vi sinh vật phân giải kị khí đòi hỏi chất dinh dưỡng yếu bao gồm hợp chất chứa carbon, nitrogen, phosphor số nguyên tố vi lượng với tỷ lệ thích hợp không cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng ảnh hưởng đến trình phân giải chất nước thải Chẳng hạn, không đủ nitrogen ảnh hưởng đến hình thành enzyme thực trình phân giải Nhưng cung cấp nhiều nitrogen làm hạn chế phát triển vi sinh vật có nước thải Việc cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cần thiết tạo cho bùn có tính lắng tốt hoạt tính cao, hoạt động tốt trình xử lý - Nhiệt độ: Nhóm vi sinh vật kị khí có vùng nhiệt độ thích hợp cho phân huỷ hợp chất hữu cơ, vùng nhiệt độ thích hợp với nhóm vi sinh vật kị khí khác + Vùng nhiệt độ cao: 450C - 65 0C (thermophilic) + Vùng nhiệt độ trung bình : 200C - 450C (mesophilic) + Vùng nhiệt độ thấp : 200C (psychrophilic) Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động nhóm vi sinh vật lên men methane, vùng nhiệt độ lượng khí methane tạo thành cao Đối với vùng nhiệt độ cao (450C - 650C), để trì nhiệt độ cần thiết phải cung cấp thêm lượng nhiệt, điều gây tốn cho công trình, tính kinh tế công trình xử lý bị hạn chế Ở nước ta, nhiệt độ trung bình từ 200C - 320C, thích hợp cho nhóm vi sinh vật vùng nhiệt độ trung bình phát triển - pH : Trong quy trình xử lý kị khí, pH môi trường có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân huỷ chất hữu cơ, cụ thể ảnh hưởng đến trình chuyển hoá phân huỷ kị khí Ở trình xử lý, người ta nhận thấy trình chịu ảnh hưởng trực tiếp lẫn nhau, trình bị cản trở thúc đẩy ảnh hưởng tới trình xảy tiếp theo, làm tốc độ phân huỷ chất chậm lại nhanh Ví dụ : Khi nhiệt độ thay đổi thành phần nước thải thay đổi (do nạp vào công trình) nhóm vi sinh vật acid hoá thích nghi so với nhóm vi sinh vật sinh methane Khi pH giảm mạnh (ví dụ: pH < 6) làm giảm trình sinh khí CH4 Hơn pH giảm, acid trung gian tích luỹ nhiều, làm phản ứng phân hủy khó thực dẫn đến dừng trình acetate hoá pH tối ưu trình phân huỷ kị khí 6,5 - 8,5 - Các độc tố: Qua tìm hiểu đặc điểm sinh lý vi sinh vật tham gia xử lý nước thải phương pháp kị khí, người ta nhận thấy: + Một số hợp chất CCl4, CHCl3, CH2Cl2 ion tự kim loại nặng có nồng độ 1mg/l thể tính độc vi sinh vật kị khí + Các hợp chất formadehyde, SO2, H2S với nồng độ 50 - 400mg/l gây độc hại với vi sinh vật kị khí công trình xử lý + S2- coi tác nhân gây ức chế trình tạo methane Sở dĩ có lập luận nhiều nguyên nhân khác nhau: S2- làm kết tủa nguyên tố vi lượng Fe, Ni, Co, Mo hạn chế phát triển vi sinh vật, đồng thời, electron giải phóng từ trình oxy hoá chất hữu sử dụng cho trình sulfate hoá làm giảm trình sinh methane + Các hợp chất NH4+ nồng độ1,5 - 2mg/l gây ức chế trình lên men kị khí c Các dạng công trình xử lý kị khí nước thải: Các công trình xử lý kị khí ứng dụng từ lâu đời có trình phát triển từ đơn giản đến phức tạp, ngày hoàn thiện hơn, đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải Vào nửa đầu kỷ XX, Công nghệ sinh học kị khí ứng dụng để xử lý cặn, chất thải đậm đặc thể qua số công trình quen biết cổ điển như: - Bể tự hoại: Đây công trình xử lý nước thải loại nhỏ dùng cho hộ gia đình Loại công trình thực hai chức năng: lắng chuyển hoá cặn lắng nước thải (chủ yếu nước thải từ nhà vệ sinh) trình phân giải sinh học kị khí - Bể lắng hai vỏ: Có nguyên tắc hoạt động thực hai chức tương tự bể tự hoại, quy mô lớn hơn, xử lý nước thải với công suất lớn Từ năm thập niên 70 trở sau, công trình xử lý nước thải áp dụng biện pháp sinh học kị khí phát triển thêm bước hoàn thiện Thời gian xuất hàng loạt công trình nghiên cứu đưa vào ứng dụng thực tế để xử lý nước thải sinh hoạt số loại nước thải công nghiệp giàu chất hữu Trong số đó, đáng lưu ý có dạng công trình sau : - Bể methan cổ điển: Được ứng dụng để xử lý cặn lắng (từ bể lắng) bùn hoạt tính dư trạm xử lý nước thải Hầu hết trạm xử lý nước thải thành phố xử dụng loại công trình - Bể lọc kị khí AF (Anaerobic Filter) : Ở công trình trình xử lý thực qua vật liệu lọc để vi sinh vật kị khí dính bám vào thực trình chuyển hoá sinh hoá chất hữu chứa nước thải đồng thời tránh rửa trôi màng vi sinh vật - Bể xử lý sinh học kị khí với dòng chảy ngược qua bùn hoạt tính UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Loại công trình vật liệu đỡ (vật liệu học) bể lọc kị khí AF Ở vi sinh vật kị khí liên kết tập hợp lại thành đám lớn dạng hạt có vai trò chủ yếu để chuyển hoá hợp chất hữu Chúng đủ nặng để tránh tượng rửa trôi khỏi công trình Bể UASB có cấu tạo gồm hai ngăn: ngăn lắng ngăn phân hủy Bằng biện pháp thiết kế đặc biệt ngăn lắng với tính lắng tốt bùn kị khí sử dụng công trình, người ta giải vấn đề lưu lại nồng độ sinh khối bùn cao bể giảm thời gian lưu nước - Ngoài kiểu công trình trên, thực tế người ta nghiên cứu hình thành dạng công trình kết hợp công trình UASB AF công trình bùn lỏng (Fluidized sludge bed) Hình 7.14 Hệ thống xử lí nước thải a Hình chụp hệ thống xử lí nước thải phương pháp hiếu khí Bể gần nhìn rõ bể lắng Bể xa bể lọc với tia nước thải tưới xuống lớp vật liệu lọc (đá, cát ) b Hình chụp hệ thống xử lí nước thải phương pháp kị khí Hệ thống bể chứa nước thải bùn hoạt tính Phần lớn bể nằm chìm đất  ... kị khí c Các dạng công trình xử lý kị khí nước thải: Các công trình xử lý kị khí ứng dụng từ lâu đời có trình phát triển từ đơn giản đến phức tạp, ngày hoàn thiện hơn, đáp ứng yêu cầu xử lý nước. .. tố ảnh hưởng đến trình phân huỷ kị khí : - Oxygen : Trong xử lý kị khí nước thải, oxygen coi độc tố vi sinh vật Do lý tưởng tạo điều kiện kị khí tuyệt đối bể xử lý - Chất dinh dưỡng : Chất dinh... thải Hầu hết trạm xử lý nước thải thành phố xử dụng loại công trình - Bể lọc kị khí AF (Anaerobic Filter) : Ở công trình trình xử lý thực qua vật liệu lọc để vi sinh vật kị khí dính bám vào thực