Xử lý sinh học pha khí

Xử lý sinh học pha khí Xử lý sinh học pha khí Bởi: Ngô Tự Thành Mở đầu Xử lý sinh học pha khí áp dụng khí thải từ trình xử lý đất, xử lý nước ngầm, xử lý nước thải, từ hoạt động công nghiệp, chúng có chứa chất gây ô nhiễm có khả bị phân hủy sinh học như: hydrocacbon dầu mỏ, dung môi halogen hóa không halogen hóa, sulfua ( ví dụ H2S), amoniac Các chất gây ô nhiễm cần phải chuyển vào pha lỏng để vi sinh vật chuyển hóa chúng Như xử lý sinh học pha khí bao gồm ba bước: chuyển chất gây ô nhiễm dạng khí vào pha lỏng, chuyển chất lỏng vào tế bào vi sinh vật, phân hủy chất nhờ vi sinh vật Mặc dù xử lý ph khí theo hai kiểu: kiểu sục khí qua huyền sịch vi sinh vật, kiểu dùng tầng lọc, kiểu sau áp dụng nhiều - Kiểu sục khí qua huyền dịch: ứng dụng cách kết hợp với việc dùng không khí ô nhiễm để thông khí vào hệ thống bùn hoạt tính xử lý nước thải Trong trường hợp vậy, việc xử lý chất gây ô nhiễm dạng khí công việc kết hợp với xử lý nước thải công việc thực hệ thống thiết kế riêng - Kiểu xử lý tầng lọc: kiểu xử lý sinh học thực với chất gây ô nhiễm dạng khí Các hệ thống tầng lọc chế tạo lần đầu dùng để khống chế mùi trạm xử lý nước thải [205, 230, 231] Tùy theo chất liệu dùng làm tầng lọc theo cải tiến dần hệ thống tầng lọc mà chúng có tên gọi tác dụng khác sau: + Các lọc với tầng lọc đất (soil filters): hệ thống lọc với tầng lọc dùng đất, có tốc độ dòng khí qua (m3/ m2 giây) tương đối thấp + Các lọc sinh học (biofilters): giống với hệ thống lọc tầng lọc dùng để xử lý nước thải Những lọc sinh học khác chủ yếu chỗ chất gây ô nhiễm qua 1/23 Xử lý sinh học pha khí dạng khí dạng dạng lỏng, lọc vận hành pha lỏng chuyển động + Các lọc chảy giọt sinh học (biotrickling filters): cải tiến lọc sinh học nói trên, theo hệ thống lọc pha khí cung cấp chất dinh dưỡng lỏng cách phun từ phía đỉnh cột lọc, dòng tái tuần hoàn liên tục [209, 235, 236] + Tháp lọc khí sinh học (bioscrubber): cải biến công nghệ lọc sinh học sở, theo đó, huyền sịch vi sinh vật phun từ phía tầng lọc, thu lại đáy, hồi lưu vào nồi phản ứng sinh học có huyền dịch vi sinh vật sinh trưởng [216] Những ưu điểm quan trọng hệ thống lọc sinh học so với hệ thống khác kiểm soát ô nhiễm không khí là: chi phí đầu tư chi phí vận hành thấp, đòi hỏi lượng, chất thải sản phẩm phụ cần xử lý tiếp thải bỏ Mặc dù mục đích hệ thống thông thường dùng cho việc loại bỏ VOC khỏi dòng chất thải kiểm soát ô nhiễm pha khí gây ra, hệ thống lại sinh dòng chất thải đòi hỏi xử lý thải bỏ Trong bảng 10.1 có tóm tắt công nghệ đại khống chế chất hữu dễ bay hơi, với chất thải sản phẩm phụ sinh ra, chi phí lượng hạn chế chúng Bảng 10.1 So sánh công nghệ kiểm soát chất gây ô nhiễm dạng khí Công nghệ Các chất thải/ Sản phẩm phụ Chi phí Nhận xét lượng Hấp phụ Cacbon hoạt tính hết tác dụng (các hệ thống tái sinh cacbon thường dùng kết hợp với ngưng tụ thiêu đốt) Vừa phải đến cao Sự phát thải khí mức thấp đến vừa phải, với chất có trọng lượng phân tử khoảng từ 45 đến 130 Vừa phải Các chất thải giới hạn nhóm hợp chất hòa tan (ví dụ H2S, axeton, metanol) NOx, CO, HCl, chất hữu độc Oxy hóa Cao nhiệt tiềm tàng Hiệu suất ổn định, thực với đủ thời gian, nhiệt độ, khuấy trộn tốt Hấp phụ Nước thải, bùn hóa chất 2/23 Xử lý sinh học pha khí Oxy hóa có xúc tác NOx, CO, HCl, chất hữu độc (thiêu đốt tiềm tàng có xúc tác) Ngưng tụ Lọc sinh học Lọc chảy giọt sinh học Vừa phải tới cao H2S, HCl, vật chất dạng hạt phá hủy chất xúc tác Các chất không bị phá hủy; nhiên, từ thu sản phẩm khác Cao chất có nồng độ cao Môi trường compost, thải 2- năm lần Các chất thải có khả bị phân hủy sinh học, Thấp có nồng độ từ thấp đến vừa phải Các vật liệu tổng hợp, dòng tế bào thải có tốc độ thấp Thấp đến vừa phải Các chất thải có khả bị phân hủy sinh học, có nồng độ vừa phải đến cao Các phận lọc sinh học (biofilters) Cấu trúc nguyên lý hoạt động Các lọc sinh học nồi phản ứng có tầng lọc nhồi nén chặt mà qua không khí cần xử lý thổi qua hút qua, có tập đoàn vi sinh vật sinh trưởng thành màng mỏng sinh học (biofilms) Ba loại cấu hình lọc sinh học mô tả hình 10.1 Hình 10.1 Ba loại cấu hình chủ yếu lọc sinh học Các biofilm cấu thành từ nhữn tế bào vi sinh vật (mà chủ yếu vi khuẩn), polysaccarit ngoại bào, nước liên kết Một màng chất lỏng phải tồn xung quanh vi sinh vật chúng thu nhận toàn chất dinh dưỡng cho từ pha lỏng Người ta chưa biết rõ liệu có cần thêm lớp nước biofilm để trì điều kiện thích hợp cho biofilm hoạt động, hay không Tuy nhiên, lọc sinh học thông thường, vận hành độ ẩm 50- 60% treo trọng lượng, màng chất lỏng mỏng Vì compost nhồi vào tầng lọc thường có tỷ diện từ đến 10 m2/g nên màng chất lỏng có độ dầy từ 0,5 đến àm Một hệ thống xử lý nhờ lọc sinh học thường bao gồm phân lọc sinh học phận khác máy thổi khí hút khí, máy làm ẩm, có thêm phận chứa cacbon hoạt tính dạng hạt (GAC), minh họa hình 10.2 Ngoài ra, thường có thêm phun điều khiển tay, phun nước thành sương trực tiếp lên vật liệu 3/23 Xử lý sinh học pha khí nhồi Thay phun nước trực tiếp, ống xoắn (“ruột gà”) làm nguội bớt nhiệt độ khí làm ngưng tụ độ ẩm dạng đưa trở lại vào tầng lọc Hình 10.2 Các phận hệ thống sinh học: bơm đẩy khí, phòng làm ẩm, phận lọc sinh học, phận hấp phụ GAC Các lọc sinh học hoạt động theo kiêu hút dường có tác dụng phân bố dòng tốt kiểu đẩy Tuy nhiên, giảm áp suất thường 10 mm H2O cho m vật liệu nhồi, tổn thất áp suất qua tầng lọc thường không gây vấn đề tích lũy sinh khối nạp nhiều vật liệu hữu làm tắc khe hở nhỏ hạt vật liệu nhồi Sự giảm áp suất không nhiều gây vấn đề phân bố dòng không khí Những thất thoát áp suất dòng khí từ lên phận xử lý dòng khí từ xuống lọc sinh học dẫn đến khác đáng kể áp suất phận hoạt động theo kiểu áp suất âm ngừng hoạt động độ chân không lớn Việc chọn tốc độ dòng khí để vận hành tùy thuộc vào chất ô nhiễm cần loại bỏ, thông thường tốc độ từ đến m3/m2 phút, tổng tiết diện ngang Xử lý pha khí lọc sinh học áp dụng quy mô lớn hầu hết để khống chế mùi khó chịu, ngày dùng để loại bỏ hợp chất hữu dễ bay Với sulfua, xử lý nồng độ từ đến vài trăm ppm Với chất hữu dễ bay hơi, xử lý có kết khoảng nồng độ tương tự Có thể đạt tốc độ nạp chất hữu tới 4g cacbon/m2.phút, tức khoảng 10 lần lớn so với tốc độ nạp vào lọc chảy giọt tốc độ cao có tầng lọc đá dùng xử lý nước thải Công nghệ sinh học trải qua khoảng năm chục năm phát triển Lúc đầu, vào thập kỷ 1950 dùng để khống chế mùi trạm xử lý nước thải, trạm xử lý đất theo phương pháp ủ đống, trình công nghiệp [205] Sau phát triển thành công nghệ để kiểm soát phát tán chất hữu dễ bay , chấp nhận vào thập kỷ 1990 Các dòng khí gây ô nhiễm có nồng độ thấp chất hữu bay tương đối dễ tan có khả bị phân hủy sinh học phù hợp để xử lý lọc sinh học Sự lọc sinh học kết hợp với phương pháp hút từ đất (SVE) với hút hết không khí nước ngầm, nhằm phục hồi sinh học địa điểm ô nhiễm Những nghiên cứu hệ thống lọc sinh học, quy mô phòng thí nghiệm quy mô sản xuất, tóm tắt bảng 10.2 Công nghệ có tiềm ứng dụng lĩnh vực khác bao gồm ngành sản xuất hóa học, dược, giấy, dệt, polyme, chất dẻo, công nghiệp in, trình trang phủ bề mặt, ngành khai thác dầu mỏ lọc dầu 4/23 Xử lý sinh học pha khí Tóm tắt nghiên cứu liên quan đến lọc sinh học chất hữu bay Ghi chú: CM- clorometan, EtBZ- etylbenzen, MEK- metyl etyl keton, MIK- metyl isobutyl keton, DCM- diclorometan, BZ- benzen, TOL- toluen, XYL- xylen, TCEtricloroetan, TCM- triclorometan Sự lọc sinh học nhóm chất gây ô nhiễm khácnhau Các nhóm chất gây ô nhiễm phân loại liên quan đến lọc sinh học bao gồm: chất vô cơ, chất hữu ưa nước, chất hữu kỵ nước Các chất vô - H2S: Đó chất gây ô nhiễm vô chủ yếu, tan hoàn toàn nước dễ dàng hấp thụ vào pha lỏng Sản phẩm chủ yếu phân hủy sinh học H2S H2SO4 5/23 Xử lý sinh học pha khí Tại vùng phản ứng lọc sinh học xử lý H2S có pH thấp (trường hợp xuống tới khoảng không hiếm) xảy ăn mòn nghiêm trọng Các vi khuẩn oxy hóa sulfua hoạt động tốt trị số pH thấp tích lũy lâu dài axit cuối hạn chế hiệu suất trình xử lý Để khắc phục trở ngại áp dụng cải biến lọc sinh học, lọc sinh học chảy giọt (biotrickling filters) tháp lọc khí sinh học (bioscrubbers) axit loại bỏ khỏi phận xử lý dòng chất lỏng - Các khí amoniac, NO, N2O: Cũng loại bỏ lọc sinh học Sự oxy hóa amoniac dẫn đến tạo thành axit, trường hợp H2S Khác với vi khuẩn oxy hóa sulfua, vi khuẩn nitrat hóa không hoạt động tốt pH 6,5 Bởi cần phải khống chế pH hệ thốn xử lý amoniac Về phần khí NO N2O (gọi chung NOx), oxy hóa chúng lọc sinh học quy mô phòng thí nghiệm công bố, với tốc độ loại bỏ thấp [206] Phương pháp sinh học có triển vọng để loại bỏ NOx khỏi dòng không khí phản nitrat hóa (denitrification) [203, 204, 210] Sự khử NOx đòi hỏi điều kiện kỵ khí chỗ, nguồn cacbon nguồn lượng Trong trình phản nitrat hóa môi trường kiềm hóa Các chất hữu ưa nước Những chất dễ tan tích lũy pha lỏng chất nhồi tầng lọc sinh học Bởi vậy, loại bỏ đáng kể chất hữu ưa nước hấp thụ bị phân hủy sinh học Nếu có rút nước mạnh khỏi hệ thống, nhưn trường hợp hệ thống lọc sinh học chảy giọt dòng chất lỏng chứa chất gây ô nhiễm với nồng độ cao Các chất hữu kỵ nước Nhóm BTEX ví dụ, chúng không tíchlũy nồng độ cao chất nhồi, tốc độ phân hủy sinh học vào khoảng tương tự tốc độ chuyển khối từ pha khí vào pha lỏng Vật liệu nhồi Giới thiệu Vật liệu nhồi phải có tỷ diện lớn, tính thấm lớn, phải cung cấp nguồn dinh dưỡng tốt cho sinh trưởng vi sinh vật Vật liệu vật liệu tự nhiên hay tổng hợp 6/23 Xử lý sinh học pha khí Các vật liệu tự nhiên bao gồm: đất, compost, than bùn, vỏ bào gỗ Sỏi đá dùng, tỷ số bề mặt/khối lượng nhỏ nên tốc độ phản ứng theo khối lượng thấp Các vật liệu tổng hợp bao gồm: hạt gốm, hạt polyetylen, hạt đất khuê tảo Dưới thảo luận số loại vật liệu nhồi cụ thể Compost Đó loại vật liệu nhồi dùng phổ biến Có nhiều loại compost dùng làm vật liệu nhồi, compost bắt nguồn từ rác sinh hoạt, từ bùn nước thải, từ phân chuồng v.v tính chất compost khác nhau, bao gồm nhược điểm chúng Chẳng hạn có loại compost nghèo dinh dưỡng và/hoặc nghèo vi sinh vật (mật độ quần thể thấp) Nói chung quần thể vi sinh vật compost phong phú, việc bổ sung vi sinh vật không cần thiết Tuy nhiên, bổ sung việc khởi động hệ thống diễn nhanh Các compost đống ủ phân trộn hoạt động (chưa hoại) chứa nhiều nitơ dễ sử dụng so với compost đống ủ xong (đã hoại), nhiệt độ lên đến 600C Độ ẩm vật liệu nhồi compost nên trì mức 50- 60% theo trọng lượng tươi Độ ẩm cao làm giảm độ xốp có hiệu làm giảm dòng khí qua lọc, dẫn đến điều kiện kỵ khí cục Độ ẩm thấp làm giảm hoạt tính vi sinh vật tạo nên kẽ nứt Các compost ẩm ướt kết cứng lại, người ta phải bổ sung vật liệu làm xốp để trì độ xốp kết cấu vật liệu nhồi ngăn cản tụt áp suất Các vật liệu làm xốp dùng bao gồm: vật liệu gốm xốp, đá trân châu, vỏ bào gỗ, vỏ cây, hạt nhựa xốp; chúng trộn với compost theo tỷ lệ khoảng 1:1 theo khối lượng Để cho compost khỏi bị khô hệ thống hoạt động không khí ô nhiễm đưa vào để xử lý qua lọc sinh học chứa compost phải làm bão hòa nước Trong nhiều trường hợp không khí ô nhiễm cần phải làm ẩm Vật liệu compost bị khô nhiệt sinh phân hủy sinh học trình lọc, bị phơi ánh sáng mặt trời Khi ấy, phải cần đến phương pháp bổ sung nước kiểm soát độ ẩm Các phương pháp kiểm soát độ ẩm thảo luận phần Vật liệu nhồi tổng hợp Thuộc loại có: hạt chất dẻo, đất khuê tảo, dùng nhiều cacbon hoạt tính dạng hạt (GAC) Chúng dùng thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm pilot Hiệu suất hệ thống dùng vật liệu nhồi tổng hợp không khác so với dùng vật liệu nhồi tự nhiên 7/23 Xử lý sinh học pha khí Những ưu điểm vật liệu nhồi tổng hợp bao gồm: tổn thất áp suất nhỏ, gây tắc nhờ có khe hở lớn hạt vật liệu, tỷ diện lớn, riêng với GAC có tính hấp phụ chất gây ô nhiễm vào pha rắn Tuy nhiên, tổn thất áp suất hệ thống dùng compost hoạt động lâu tới vài năm mức 1- cm, số hệ thống sử dụng vật liệu nhồi tổng hợp có GAC có tỷ diện lớn compost Vì lỗ GAC nhỏ tế bào vi khuẩn nên tỷ diện lớn GAC không làm tăng khả phản ứng Ngoài ra, hệ thống hoạt động theo kiểu dòng liên tục GAC nhanh chóng trở nên cân với pha khí Cũng có giả thuyết cho chất gây ô nhiễm có khả bị phân hủy sinh học GAC cung cấp môi trường đệm, điều chưa chứng minh Độ ẩm chất dinh dưỡng cần cung cấp cho lọc sinh học dùng vật liệu nhồi tổng hợp, giống hệ thống dùng compost Không khí làm ẩm, chất dinh dưỡng dung cấp thông qua hệ thống làm ẩm, cách nhúng định kỳ vật liệu nhồi vào dung dịch dinh dưỡng [212] Sự phân phối khí Có bốn kiểu phân phối khí dùng hệ thống lọc sinh học: dùng ống có đục lỗ nhỏ, dùng buồng áp lực, dùng khối dung kết, dùng khoảng thông gió trần - Trong hệ thống dùng ống đục lỗ nhỏ, tầng lọc có mạng lưới ống đục lỗ nhỏ thành đặt tầng hạt sỏi - Trong hệ thống lọc dùng buồng áp lực, không khí cung cấp phân phối nhờ buồng áp lực đặt đáy đỉnh tầng lọc Buồng áp lực áp dụngcho tầng lọc nhỏ, buồng áp lực lớn không ổn định, với lọc lớn vật liệu lọc chúng nặng [218] - Trong hệ thóng có khối dung kết, phân phối không khí thực thống qua khối bêtông khía rãnh làm sẵn, có tác dụng kép: thông khí thoát nước - Các hệ thống có khoảng thông gió trần hệ thống nhỏ, trọng lượng vật liệu nhồi đỡ lưới (vỉ) kim loại mở rộng Chiều cao thông thường khoảng thông gió trần từ 150 đến 300 mm Khống chế độ ẩm Độ ẩm môi trường lọc sinh học phải khống chế tốt để vận hành hệ thống lọc cách mỹ mãn Nếu độ ẩm thấp tạo thành vùng khô, dẫn đến làm giảm hoạt tính vi sinh vật, tạo nên vết nứt tầng lọc Ngược lại, độ ẩm cao làm hạn chế vận chuyển khí, tạo nên vùng kỵ khí 8/23 Xử lý sinh học pha khí Thông thường, độ ẩm môi trường lọc sinh học cần trì khoảng từ 50 đến 65% theo trọng lượng: Độ ẩm tầng lọc thường tạo cách phun nước lên bề mặt tầng lọc cách làm ẩm khí vào Cách làm thứ hai thiết yếu, trừ trường hợp xử lý khí phát từ trình xử lý nước thải Độ ẩm tương đối không khí vào lọc sinh học nên mức khoảng 100% nhiệt độ tầng lọc Độ ẩm tương đối, theo định nghĩa, tỷ lệ áp suất riêng phần khí áp suất nước lỏng tinh khiết nhiệt độ khí: Hr= độ ẩm tương đối, phần trăm PH2O = áp suất riêng phần có mặt thực khí, atm PvH2O = áp suất nước lỏng, atm Một buồng làm ẩm điển hình mô tả hình 10.3 Buồng có phận tạo sương mù gắn phía trên, không khí thổi qua làm ẩm bên buồng dòng hạt sương mù từ phía xuống Thời gian lưu không khí buồng thường giây Sự làm ẩm gây giảm nhiệt độ khí cách đặc trưng, cần bổ sung nhiệt vào buồng làm ẩm Hình 10.3 Sơ đồ nguyên lý buồng làm ẩm dùng cho hệ thống lọc sinh học Đối với hệ thống lọc xử lý khí dùng compost cho tầng lọc việc theo dõi hàm lượng ẩm khó khăn Các cảm biến nhận biết độ ẩm sẵn có thị trường không tốt Việc lấy mẫu định kỳ từ vật liệu tầng lọc khả thi đòi hỏi phải lấy nhiều điểm Trên thị trường có bán hệ thống lọc sinh học có phận theo dõi hàm lượng ẩm compost [240] Các chất dinh dưỡng dung dịch đệm đưa vào với nước lúc khởi động hệ thống lọc Còn việc đưa nước chất dinh dưỡng thời gian vận hạnh kết hợp với đưa nước định kỳ vào hệ thống Về phần hệ thống lọc xử lý khí có tầng lọc vật liệu tổng hợp- đấ khuê tảo chẳng hạn, quy mô phòng thí nghiệm, người ta chế tạo hệ thống lọc có 9/23 Xử lý sinh học pha khí phận cung cấp độ ẩm dạng sol khí (aerosol) [223] Các hạt sol khí tạo từ dung dịch dinh dưỡng nhờ máy phun mù áp dụng hệ thống vào việc xử lý toluen metyl clorit có kết quả, thể chỗ tạo nước chảy thành dòng, gây thất thoát áp suất, có hiệu suất ổn định Khống chế pH Đối với loại bỏ hợp chất hữu bay pH vật liệu lọc nên trì mức 7- 8,5 Việc xử lý hợp chất lưu huỳnh khử hợp chất hữu clo hóa có nét đặc biệt Khi chuyển hóa sinh học hợp chất sinh sản phẩm phụ có tính axit, dẫn đến giảm tương ứng pH môi trường lọc Các điều kiện axit cao thường ức chế hoạt tính vi sinh vật hầu hết vi khuẩn ưa điều kiện trung tính Tuy nhiên vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh thích ứng tốt với điều kiện axit Có chi vi khuẩn hóa tự dưỡng hiếu khí bắt buộc, chúng oxy hóa lưu huỳnh, qua sinh axit sulfuric hoạt động tốt pH thấp tới Biện pháp chủ yếu để giảm mức độ axit môi trường lọc đưa chất dùng để bón vôi nông nghiệp vào tầng lọc Đó nhóm chất oxit, hydroxit, cacbonat, xilicat calxi calxi magie Các chất cụ thể dùng để bón vôi nông nghiệp gồm vôi [Ca(OH)2], vôi sống (CaO), đá vôi (CaCO3), vỏ sò nghiền (CaCO3), dolomit [CaMg(CO3)2], sét vôi (macnơ, tức đất + CaCO3), xỉ (CaSiO3) Tác dụng tất chất dùng để bón vôi chỗ chúng trung hòa ion H+ dung dịch ion OH- , ví dụ phản ứng calxi cacbonat: Những khác biệt khả trung hòa tốc độ phản ứng vật liệu phụ thuộc vào thành phần phân tử, độ tinh khiết vật liệu độ mịn hạt Ngoài biện pháp giống bón vôi nông nghiệp, người ta thấy việc rửa tầng lọc cách định kỳ nước cất dung dịch natri bicacbonat có tác dụng tốt việc loại bỏ ion hydro kéo dài tuổi thọ tầng lọc Như đề cập phần đây, vận hành tháp lọc khí sinh học (bioscrubbers) lọc chảy giọt sinh học (biotrickling filters), người ta đưa liên tục dung dịch đệm vào môi trường dinh dưỡng 10/23 Xử lý sinh học pha khí Khống chế nhiệt độ Cũng nhiều nhân tố khác, thông qua nhiệt độ để điều khiển phăn ứng sinh hóa Nói chung, nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng tăng, đạt mức tối đa nhiệt độ tối ưu mà giới hạn tốc độ phản ứng giảm Mỗi vi sinh vật có khoảng nhiệt độ sinh trưởng tối ưu Đa số vi sinh vật lọc sinh học thuộc nhóm ưa ấm (mesophile), nghĩa sinh trưởng phạm vi từ 15 đến 450C, có khoảng nhiệt độ tối ưu từ 25 đến 350C Các hệ thống lọc sinh học áp dụng có kết tốt vùng khí hậu lạnh Wisconsin (Mỹ) [221] Phần Lan [225] Còn vùng khí hậu lạnh cần phải cô lập hệ thống lọc sinh học làm nóng dòng khí vào hệ thống Trong dòng khí vào có nguồn gốc từ dòng khí bị nóng từ trình công nghiệp hay trình khác phải làm nguội bớt trước xử lý biện pháp lọc sinh học Về vận hành hệ thống lọc sinh học khoảng nhiệt độ nhóm vi sinh vật ưa nóng (thermophiles), 50- 650C, có tính thực tiễn có sẵn nguồn cung cấp ổn định không khí nóng Giai đoạn thích ứng điều kiện độ Trong thời kỳ đầu vận hành hệ thống lọc sinh học, dường nhận thấy giai đoạn thích ứng (acclimation period) hay gọi giai đoạn mở đầu (lag period) Đó khoảng thời gian từ lúc cấy vi sinh vật vào đến lúc nhận thấy hoạt tính (ví dụ phân hủy sinh học) Sở dĩ có thời kỳ mở đầu quần thể vi sinh vật phải thích ứng với chất gây ô nhiễm mà chúng phân hủy- túc chúng sử dụng nguồn cacbon nguồn lượng, và/hoặc sinh trưởng tập đoàn vi sinh vật từ số lượng nhỏ cá thể ban đầu Nói cách khác, enzym vi sinh vật cảm ứng tiếp xúc với chất; quần thể nhỏ bé ban đầu vi sinh vật có khả phân hủy chất gây ô nhiễm có mặt chúng đòi hỏi thời gian để sinh trưởng bao phủ đến mức cần thiết bề mặt nơi mà phân hủy đáng kể xảy Độ dài thời kỳ mở đầu tác giả thông báo khác Một số cho biết có giai đoạn 10 ngày trước có điều kiện ổn định, hệ thống xử lý chất khí bay từ chất để pha loãng sơn [228] Một số khác nhận thấy giai đoạn thích ứng dài tuần lễ trước đạt phân hủy ổn định kerosen xăng không pha chì [229] Thậm chí có giai đoạn thích ứng dài tới năm dùng hệ thống lọc sinh học chứa compost để xử lý metyl ter-butyl eter [214] Vẫn tác giả nghiên cứu này, sau thực nghiệm dùng vi khuẩn phân lập từ hệ thống lọc sinh học chứa compost để đưa vào hệ thống lọc sinh học chứa vật liệu lọc tổng hợp nhận thấy giai đoạn mở đầu rút ngắn xuống tuần lễ [215] 11/23 Xử lý sinh học pha khí Một trường hợp khác, nêu hình 10.4 Cột lọc sinh học quy mô phòng thí nghiệm chứa compost dùng để xử lý dòng không khí chứa 40 ppmv toluen có thời gian lưu phút ậ đầu thời kỳ khởi động hệ thống, nồng độ dòng tương đương nồng độ dòng vào Sau giai đoạn mở đầu, phân hủy sinh học bắt đầu xảy với tốc độ chậm Sau 17 ngày hoạt động, hệ thống đạt tới tốc độ xử lý ổn định Hình 10.4 Thời kỳ thích ứng hệ thống lọc sinh học chứa compost phân hủy toluen [211] Giai đoạn mở đầu xuất hệ thống lọc sinh học sau thời kỳ ngừng hoạt động hệ thống, nồng độ tăng lên, nạp đột ngột Trong vận hành hệ thống lọc sinh học cần lưu tâm đến vấn đề giai đoạn thích ứng, làm giảm hiệu xử lý, đề cập- diễn thời kỳ khởi động hệ thống, sau giai đoạn ngừng hoạt động, thay đổi nồng độ dòng vào Các hệ thống lọc chảy giọt sinh học Có thể coi hệ thống lọc chảy giọt sinh học tương tự hệ thống lọc sinh học, thấy hình 10.5 Sự khác vật lý chỗ độ ẩm cung cấp cách phun nước liên tục từ đỉnh cột lọc cách đưa dòng không khí bão hòa nước vào hệ thống Tuy nhiên phun chất lỏng dẫn đến khác biệt thực tế sau hệ thống lọc chảy giọt sinh học so với lọc sinh học: - Sự phun chất lỏng dẫn đến tạo thành màng chất lỏng phủ kín bề mặt tầng lọc Sự vận chuyển chất gây ô nhiễm từ pha khí vào pha lỏng bước then chốt trình xử lý, nhưn diễn chậm hơn, màng chất lỏng dầy - Trong hệ thống lọc chảy giọt sinh học không nên dùng tầng lọc compost, nước tích lũy compost, làm cho độ xốp thực bị giảm, làm xuất điều kiện kỵ khí, tổn thất áp suất tăng lên - Trong hệ thống lọc chảy giọt sinh học, vật liệu lọc cần có kích thước lớn so với hệ thống lọc sinh học, phép kết hợp dòng không khí dòng chất lỏng Trong nghiên cứu phòng thí nghiệm, vật liệu lọc hạt đất khuê tảo có đường kính khoảng mm chiều dài khoảng 10mm biểu hiệu suất cao lại gây phiền toái tắc nghẽn [235] - Trong thiết kế hệ thống lọc chảy giọt sinh học, cần tính đến việc sử dụng nước đưa vào nước dự trữ Vì có hao hụt nước dòng khí nên cần đưa nước từ 12/23 Xử lý sinh học pha khí vào Do tích lũy muối dòng nước phun hồi lưu mà cần phải đưa dòng nước từ xuống Hình 10.5 Sơ đồ hệ thống lọc chảy giọt sinh học Hướng dòng không khí tùy chọn Cần cung cấp nước vào để bù đắp tổn thất chất lỏng dòng khí Hệ thống lọc chảy giọt sinh học thường vận hành tốc độ phun chất lỏng khoảng m3/m2.ngày [235], tương đương với tốc độ nạp thông thường hệ thống lọc chảy giọt có tốc độ thấp dùng xử lý nước thải giống hệ thống lọc chảy giọt vận hành tốc độ thấp, màng sinh học (biofilm) không bị loại bỏ khỏi tầng lọc, mà tích lũy nơi có tăng tổn thất áp suất gây nên phân dòng Thường thấy tắc nghẽn nghiêm trọng hệ thống lọc chảy giọt sinh học có tốc độ nạp hữu nhỏ, mức 1,2 kg cacbon hữu cơ/m3.ngày [234, 235] Trong đó, gặp vấn đề tương tự hệ thống lọc sinh học dùng compost, chí tốc độ nạp hữu cao tới kg cacbon/m3.ngày [227] Trên hệ thống lọc chảy giọt sinh học có tầng lọc đất khuê tảo, Kinney [224] quan sát thấy tắc nghẽn mức vừa phải, giảm hiệu suất xử lý sau khoảng 60 ngày vận hành tốc độ mạp hữu kg cacbon/m3.ngày, đề phương thức khắc phục cách đảo ngược hướng dòng khí giai đoạn đến ngày Kết biofilm phân bố toàn cột lọc, hoạt động hệ thống ổn định hơn- tổn thất áp suất giảm hiệu suất tắc nghẽn Các biện pháp khắc phục tắc nghẽn bao gồm: - Tăng kích thước hạt vật liệu lọc để có khe hở lớn Với biện pháp có tỷ diện nhỏ tốc độ xử lý chậm - Rửa định kỳ vật liệu lọc [234, 236] - Sử dụng phun sol khí để cung cấp độ ẩm - Hạn chế dinh dưỡng đễ khống chế sinh sản tế bào [219] Các thông số thiết kế vận hành Các hệ thống lọc sinh học (và lọc chảy giọt sinh học) thiết kết vận hành dựa bốn thông số tốc độ nạp: thời gian lưu tầng lọc trống rỗng, dòng khí, tốc độ nạp chất gây ô nhiễm, khả loại bỏ chất gây ô nhiễm Thời gian lưu tầng lọc rỗng (empty-bed residence time, tr) thời gian lý thuyết trung bình mà phân tử khí trải qua bên tầng lọc trống: 13/23 Xử lý sinh học pha khí V = thể tích tầng lọc rỗng, m3 Q = tốc độ dòng khí theo thể tích, m3/giây Thông số nghiên cứu để loại bỏ hợp chất hữu bay áp dụng trị số từ 0,3 đến 12 phút; xử lý hợp chất khó bị phân hủy hòa tan cần thời gian lưu lâu Các chất hexan, benzen, toluen, xylen tương đối tan (11 đến 1.780 mg/L) đòi hỏi trị số trdưới phút để loại bỏ hoàn toàn Dường tốc độ chuyển khổi nhân tố giới hạn hệ thống lọc sinh học Tốc độ dòng khí tốc độ bề mặt v (m/giây) số đo tốc độ trung bình khí xuyên qua tầng lọc trống rỗng: A = diện tích tiết diện ngang, m2 Thời gian lưu tầng lọc trống tốc độ dòng khí liên hệ với qua biểu thức: h = chiều cao tầng lọc, m Độ cao cột lọc sinh học thường vào khoảng m, có cột cao tới 1,5 m [218] Nồng độ chất gây ô nhiễm thường giảm nhanh theo chiều cao cột, thông thường loại bỏ xảy khoảng 250 mm cột Việc tăng độ sâu tầng lọc cần thiết tốc độ phản ứng tốc độ chuyển khối thấp, có giao thoa phản ứng Việc dùng tầng lọc sâu để xử lý nồng độ lớn chất gây ô nhiễm làm tăng sinh trưởng vi sinh vật cuối dòng vào làm tăng nguy tắc nghẽn, phản tác dụng Tốc độ lý thuyết khí qua lỗ vật liệu lọc (vpore) tốc độ Darcy tỷ số tốc độ dòng khí phần trống f (không có kích thước): 14/23 Xử lý sinh học pha khí Tốc độ nạp chất gây ô nhiễm theo khối lượng, Rm (g/m3.giây) xác định theo biểu thức: Ci = nồng độ chất gây ô nhiễm khí dòng vào, g/m3 Khả loại bỏ (Elimination capacity, EC) chất gây ô nhiễm (g/m3.giây) tầng lọc sinh học tổng tốc độ loại bỏ chất gây ô nhiễm, tính sau: Co = nồng độ chất gây ô nhiễm khí dòng ra, g/m3 Số liệu nghiên cứu lọc sinh học quy mô pilot thường biểu diễn đồ thị hệ tọa độ với trục hoành tốc độ nạp chất gây ô nhiễm trục tung EC Ví dụ, số liệu từ hệ thống pilot dùng để khống chế phát thải H2S biểu thị hình 10.6 [242] Theo đó, tốc độ nạp thấp (nồng độ dòng vào thấp tốc độ dòng khí thấp) khả loại bỏ tầng lọc tăng theo tăng tốc độ nạp; tốc độ nạp cao khả loại bỏ tầng lọc giữ nguyên không đổi tốc độ nạp tăng lên Hình 10.6 Xác định khả loại bỏ tối đa môi trường lọc sinh học dựa khối lượng lưu huỳnh (S) nạp [242] Ví dụ 10.1 Xác định thể tích tầng lọc Dựa số liệu hình 10.6 xác định thể tích lọc cần thiết cho hệ thống lọc sinh học với nồng độ H2S dòng vào 100 ppmv tốc độ dòng 2000 ft3/phút (biết P = 1atm, I = 250C) Bài giải Tính tốc độ dòng tổng số lưu huỳnh, MS 15/23 Xử lý sinh học pha khí = 0,253g mol/phút = 8,09g/phút = 485 g- S/giờ Dùng trị số ECmax hình 10.6 Trong thực tiễn, người ta thường thiết kế hệ thống với thể tích lớn từ 30 đến 70% so với tính toán Các trình vi mô Mở đầu Sơ đồ lát cắt hiển vi qua vật liệu lọc lọc sinh học nêu hình 10.7 Theo đó, không khí chứa chất ô nhiễm theo đường ngoằn nghoèo len lỏi hạt vật liệu, hạt bao quanh màng chất lỏng chứa vi sinh vật Các hợp chất hòa tan chứa khí phân chia vào màng có hoạt tính sinh học này, tức biofilm, nơi mà chúng cung cấp cho phân hủy sinh học Mỗi chất (các chất cho điện tử chất nhận điện tử) chất dinh dưỡng cần thiết cho trao đổi chất vi sinh vật phải vận chuyển, từ pha khí từ pha lỏng vào biofilm- nơi xảy phản ứng Tất sản phẩm (ví dụ CO2, chất trao đổi), trừ sinh khối, phải vận chuyển khỏi biofilm Vì thế, tượng vật lý, hóa học, sinh học xảy liên quan đến biofilm bao gồm: tượng bình lưu pha khí; khuếch tán pha khí hoặc/và lỏng vào film, khuếch tán biofilm, hấp phụ, phân hủy sinh học Hình 10.7 Sơ đồ lát cắt hiển vi qua tầng lọc xốp Xây dựng mô hình lý thuyết cho hoạt động lọc sinh học Các mô hình lý thuyết đưa nhằm giải thích vận chuyển khối phân hủy sinh học chất gây ô nhiễm diễn biofilm Hầu hết mô hình dùng xây dựng dựa phương pháp dùng mô hình trước vận chuyển phân hủy sinh học biofilm [217, 220, 232] Phương 16/23 Xử lý sinh học pha khí pháp mô hình lọc sinh học màng sinh học (biofilm) để giải phương trình cân khối lượng chiều khắp tiết diện ngang vi mô biofilm với giả thiết động học phản ứng đơn giản hóa Với giả thiết đơn giản hóa động học phân hủy sinh học có ba cách giải khác nhau: - Phản ứng bậc không/ giới hạn phản ứng - Phản ứng bậc không/ giới hạn trình khuếch tán - Phản ứng bậc Cách giải cho trường hợp khai triển so sánh phần Một mô hình thừa nhận ba pha lọc sinh học nêu hình 10.8 Theo đó, bề mặt tiếp giáp pha khí pha lỏng nồng độ lớp chất lỏng coi cân với nồng độ pha khí Hợp chất khuếch tán xuyên qua màng chất lỏng nơi mà bị phân hủy sinh học Phương trình vi phân mô tả cân khối lượng cho hợp chất CL lớp chất lỏng lọc sinh học là: CL = nồng độ hợp chất pha lỏng, g/m3 NL = tốc độ dòng hợp chất pha lỏng, g/m2.giây rL = tốc độ phản ứng phân hủy sinh học, g/m3.giây Hình 10.8 Sơ đồ vẽ pha lọc sinh học Tốc độ dòng pha lỏng NL mô tả định luật thứ Fick khuếch tán, trường hợp vận chuyển hợp chất chất lỏng tĩnh: D = hệ số khuếch tán pha lỏng, m2/giây Từ có phương trình vi phân là: 17/23 Xử lý sinh học pha khí Tốc độ phân hủy sinh học thường mô tả theo biểu thức Monod việc sử dụng chất: k = tốc độ loại bỏ riêng phần cực đại chất gây ô nhiễm, giây-1 KS = số bão hòa chất, g/m3 Pb = mật độ sinh khối, g/m3 Tốc độ tăng sinh khối thật coi tuân theo biểu thức sau đây: Y = thu hoạch sinh khối phút từ chất dùng, g/g kd = hệ số phân hủy riêng phần sinh khối, giây-1 Có thể giả định có tồn trạng thái ổn định mà nhờ tổng lượng sinh khối vừa lượng sinh khối dòng chất tạo [232]; ví dụ, tốc độ sinh trưởng tế bào tương đương với tốc độ tiêu dùng lượng để trì tế bào: Và tốc độ sinh trưởng thật không Có thể biện hộ cho giả thiết trạng thái ổn định, chí thời kỳ mà biofilm sinh trưởng, luận thứ hai, trình tăng trưởng sinh học tương đối chậm so với thời gian lưu hệ thống Nếu giả thiết có tồn điều kiện trạng thái ổn định biofilm sinhkhối không tích lũy hệ thống sau giai đoạn mở đầu đó, phương trình (10.13) rút gọn thành phương trình vi phân tổng số biểu thị trạng thái ổn định: 18/23 Xử lý sinh học pha khí Các phép giải giải tích phương trình (10.17) cách đơn giản hóa bậc không bậc biểu thức Monod thảo luận phần Phản ứng bậc không nồng độ chất pha lỏng cao nhiều so với số bán bão hòa, CL >> KS , phương trình (10.17) rút gọn thành biểu thức tốc độ bậc không: K = tốc độ phản ứng bậc không, g/m3.giây, tương đương với Các động học phản ứng bậc không dùng chất không nhân tố giới hạn tốc độ, nồng độ cao dòng vào có hợp chất khác dùng làm chất sơ cấp Dưới trình bày hai ví dụ động học bậc không thường mô tả: là, hợp chất xâm nhập hoàn toàn qua biofilm có độ dầy L, tức trường hợp giới hạn phản ứng; hai là, nồng độ hợp chất pha khí thấp hơn, hợp chất xuyên qua biofilm tới khoảng cáchnào nhỏ L, phần lại biofilm coi hoạt tính, trường hợp giới hạn khuếch tán - Trường hợp giới hạn phản ứng, mà hợp chất xâm nhập hoàn toàn qua biofilm: phương trình (10.18) giải điều kiện ranh giới bên phải với giả định dòng vào pha rắn không Giả định giải thích dòng vào pha rắn hấp phụ dòng khỏi pha rắn giải hấp Điều kiện ranh giới bên trái H = hệ số định luật Henry không thứ nguyên Cg = nồng độ pha khí, g/m3 19/23 Xử lý sinh học pha khí Với việc dùng điều kiện ranh giới bên trái, coi pha khí lỏng trạng thái cân bề mặt ranh giới chúng, điều kiện mô tả định luật Henry thảo luận phần Phép giải cho trường hợp giới hạn phản ứng là: dạng không thứ nguyên: Thông số ệ , tức số Thiele, dùng để biểu thị tỷ số tốc độ phản ứng tốc độ khuếch tán - Trường hợp giới hạn khuếch tán, mà chiều dầy xâm nhập nhỏ chiều dầy biofilm: điều kiện ranh giới bên phải biến đổi thành Lưu ý x kéo theo λ CL ≤ KS giả định động học bậc không bị vi phạm Phép giải phương trình (10.18) dạng không thứ nguyên trở thành Khoảng xâm nhập tính cách đặt C* không σ=λ/L, từ suy 20/23 Xử lý sinh học pha khí Phản ứng bậc nồng độ chất pha lỏng nhỏ nhiều so với số bán bão hòa, CL [...]... sự phân hủy sinh học trong các biofilm [217, 220, 232] Phương 16/23 Xử lý sinh học pha khí pháp của các mô hình lọc sinh học cũng như màng sinh học (biofilm) là để giải các phương trình cân bằng khối lượng một chiều trên khắp một tiết diện ngang vi mô của một biofilm với giả thiết về động học phản ứng được đơn giản hóa Với các giả thiết về sự đơn giản hóa động học của sự phân hủy sinh học thì có thể... trong pha lỏng, g/m2.giây rL = tốc độ phản ứng do sự phân hủy sinh học, g/m3.giây Hình 10.8 Sơ đồ vẽ các pha trong một lọc sinh học Tốc độ dòng trong pha lỏng NL được mô tả bằng định luật thứ nhất của Fick về sự khuếch tán, trong trường hợp sự vận chuyển một hợp chất trong một chất lỏng tĩnh: trong đó D = hệ số khuếch tán pha lỏng, m2/giây Từ đó có phương trình vi phân là: 17/23 Xử lý sinh học pha khí. .. cho sự trao đổi chất của vi sinh vật phải được vận chuyển, hoặc từ pha khí hoặc từ pha lỏng vào biofilm- nơi xảy ra phản ứng Tất cả các sản phẩm (ví dụ CO2, các chất trao đổi), trừ sinh khối, phải được vận chuyển ra khỏi biofilm Vì thế, các hiện tượng vật lý, hóa học, và sinh học xảy ra liên quan đến biofilm bao gồm: hiện tượng bình lưu của pha khí; sự khuếch tán của pha khí hoặc/và lỏng vào film, sự... ngắn xuống còn 3 tuần lễ [215] 11/23 Xử lý sinh học pha khí Một trường hợp khác, được nêu trên hình 10.4 Cột lọc sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm này chứa compost dùng để xử lý dòng không khí chứa 40 ppmv toluen và có thời gian lưu 1 phút ậ đầu thời kỳ khởi động của hệ thống, nồng độ trong dòng ra tương đương nồng độ dòng vào Sau giai đoạn mở đầu, sự phân hủy sinh học bắt đầu xảy ra nhưng với tốc độ... nhận về ba pha của lọc sinh học được nêu trên hình 10.8 Theo đó, ở bề mặt tiếp giáp giữa pha khí và pha lỏng thì nồng độ lớp chất lỏng được coi là cân bằng với nồng độ pha khí Hợp chất khuếch tán xuyên qua màng chất lỏng nơi mà nó bị phân hủy sinh học Phương trình vi phân mô tả sự cân bằng khối lượng cho hợp chất CL trong lớp chất lỏng của lọc sinh học là: trong đó CL = nồng độ hợp chất trong pha lỏng,... Việc dùng các tầng lọc sâu để xử lý những nồng độ lớn của chất gây ô nhiễm sẽ làm tăng sinh trưởng của vi sinh vật ở cuối dòng vào và do đó làm tăng nguy cơ tắc nghẽn, và như thế là phản tác dụng Tốc độ lý thuyết của khí đi qua các lỗ của vật liệu lọc (vpore) hoặc tốc độ Darcy là tỷ số giữa tốc độ dòng khí và phần trống f (không có kích thước): 14/23 Xử lý sinh học pha khí Tốc độ nạp chất gây ô nhiễm... bên phải với giả định rằng dòng vào pha rắn bằng không Giả định này được giải thích rằng dòng vào pha rắn do sự hấp phụ bằng dòng ra khỏi pha rắn do giải hấp Điều kiện ranh giới bên trái trong đó H = hệ số định luật Henry không thứ nguyên Cg = nồng độ pha khí, g/m3 19/23 Xử lý sinh học pha khí Với việc dùng điều kiện ranh giới bên trái, chúng ta coi rằng các pha khí và lỏng là ở trạng thái cân bằng... lọc sinh học Dòng Ng đi vào tầng lọc sinh học có thể được xác định từ các phương trình (10.21b), (10.23), và (10.26) cho động học bậc không/ sự giới hạn phản ứng động học bậc không/ sự giới hạn khuếch tán, và động học phản ứng sinh học bậc một, theo thứ tự Đối với trường hợp động học bậc không/ sự giới hạn phản ứng, thì dòng được xác định từ (10.21) như sau: Đối với trường hợp động học phân hủy sinh học. .. giới hạn khuếch tán: - Bậc một: 22/23 Xử lý sinh học pha khí Phương trình (10.31), biểu thị trường hợp động học bậc không/ giới hạn phản ứng cho ta biết trước rằng đường biểu diễn nồng độ theo chiều cao trong cột lọc sinh học sẽ là một đường thẳng, và rằng nồng độ trong pha khí ở dòng vào càng cao thì càng đòi hỏi một tầng lọc sâu hơn để đạt được cùng một hiệu quả xử lý (loại bỏ) Hình 10.10 trình bày một.. .Xử lý sinh học pha khí Khống chế nhiệt độ Cũng như nhiều nhân tố khác, có thể thông qua nhiệt độ để điều khiển các phăn ứng sinh hóa Nói chung, khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng, cho tới khi đạt mức tối đa ở nhiệt độ tối ưu mà quá giới hạn đó thì tốc độ phản ứng giảm Mỗi vi sinh vật có một khoảng nhiệt độ sinh trưởng tối ưu Đa số vi sinh vật trong các bộ lọc sinh học thuộc nhóm .. .Xử lý sinh học pha khí dạng khí dạng dạng lỏng, lọc vận hành pha lỏng chuyển động + Các lọc chảy giọt sinh học (biotrickling filters): cải tiến lọc sinh học nói trên, theo hệ thống lọc pha khí. .. tan hoàn toàn nước dễ dàng hấp thụ vào pha lỏng Sản phẩm chủ yếu phân hủy sinh học H2S H2SO4 5/23 Xử lý sinh học pha khí Tại vùng phản ứng lọc sinh học xử lý H2S có pH thấp (trường hợp xuống tới... pháp dùng mô hình trước vận chuyển phân hủy sinh học biofilm [217, 220, 232] Phương 16/23 Xử lý sinh học pha khí pháp mô hình lọc sinh học màng sinh học (biofilm) để giải phương trình cân khối