Công nghệ xử lý nước thải
CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ 5.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Vi sinh vật Chất hữu cơ -------------------> CH 4 + CO 2 + H 2 + NH 3 +H 2 S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 5.1): - Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử; - Giai đoạn 2: Acid hóa; - Giai đoạn 3: Acetate hóa; - Giai đoạn 4: Methane hóa. 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. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H 2 và CO 2 . Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO 2 và H 2 , methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO 2 + H 2 , formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau: - 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O - 4HCOOH CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O - CH 3 COOH CH 4 + CO 2 - 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O - 4(CH 3 ) 3 N + H 2 O 9CH 4 + 3CO 2 + 6H 2 O + 4NH 3 Hình 5.1 Quá trình phân hủy kỵ khí. Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành: 5-1 Phức chất hữu cơ Acid hữu cơ H 2 Acetic acid CH 4 4% 76% 20% 24% 52% 28% 72% Quá trình thủy phân Quá trình acetate hóa và khử hydro Quá trình methane hóa - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB); - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process). 5.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ UASB 5.2.1 Cấu Tạo Đây là một trong những quá trình kỵ khí được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới do hai đặc điểm chính sau: - Cả ba quá trình, phân hủy - lắng bùn - tách khí, được lấp đặt trong cùng một công trình; - Tạo thành các loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng. Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB còn có những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như: - Ít tiêu tốn năng lượng vận hành; - Ít bùn dư, nên giảm chí phí xử lý bùn; - Bùn sinh ra dễ tách nước; - Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sing dinh dưỡng; - Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methane; - Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kỵ khí có thể hồi phục và hoạt động được sau một thời gian ngưng không nạp liệu. Sơ đồ bể UASB được trình bày trong Hình 5.2. Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu là methane và CO 2 ) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây, quá trình tách pha khí-lỏng-rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5-10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng xuống. Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo. Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6-0,9 m/h (nếu bùn ở dạng bùn hạt). pH thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6-7,6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để bảo đảm pH của nước thải luôn luôn > 6,2 vì ở pH < 6,2, vi sinh vật chuyển hóa methane không hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2-3 giờ ở 35 0 C so với 2-3 ngày, ở điều kiện tối ưu). Do đó, trong quá trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa. 5-2 Hình 5.2 Sơ đồ cấu tạo UASB. 5.2.2 Quy Trình Vận Hành Do tại Việt Nam chưa có loại bùn hạt nên q trình vận hành được thực hiện với tải trọng ban đầu khoảng 3 kg COD/m 3 .ngđ. Mỗi khi đạt đến trạng thái ổn định, tải trọng này sẽ được tăng lên gấp đơi cho đến khi đạt tải trọng 15 - 20 kg COD/m 3 .ngđ. Thời gian này kéo dài khoảng 3 -4 tháng. Sau đó, bể sẽ hoạt động ổn định và có khả năng chịu q tải, cũng như nồng độ chất thải khá cao. Khí mêtan thu được có thể sử dụng cho việc đun nấu và cung cấp nhiệt. Lượng bùn sinh ra rất nhỏ nên khơng cần thiết phải đặt vấn đề xử lý bùn. Q trình xử lý này chỉ tiêu tốn một lượng nhỏ năng lượng dùng để bơm nước. 5.2.3 Tính Tốn Thiết Kế Tải trọng thể tích đặc trưng của bể UASB có thể đạt hiệu quả xử lý 85-95%, ở nhiệt độ 30 o C được trình bày tóm tắt trong Bảng 5.1. Tải trọng thể tích của bể UASB theo nhiệt độ đối với COD hòa tan, có hiệu quả xử lý 85-95%, nồng độ bùn trung bình 25 g/L được trình bày trong Bảng 5.2. Giá trị đặc trưng của thời gian lưu nước, vận tốc dòng chảy ngược và chiều cao thiết bị được trình bày trong các Bảng 5.3 và 5.4. 5-3 Lan can bảo vệ Ống thu nước sau xử lý Sàn công tác Máng thu nước dạng răng cưa Thiết bò tách pha khí – lỏng - rắn Vách hướng dòng hình côn Cầu thang Vỏ thiết bò Hỗn hợp nước thải Lớp bùn kỵ khí Ống bơm nước vào thiết bò UASB Bộ phận phân phối đều lưu lượng nước thải Ống thoát khí Bình hấp thụ khí Bọt khí Dung dòch NaOH 5% Ống dẫn khí Bảng 5.1 Tải trọng thể tích của bể UASB hoạt động ở 30 o C, hiệu quả xử lý 85-95% COD nước thải (mg/L) Tỷ lệ COD do cặn gây ra Tải trọng thể tích (kg COD/m 3 .ngđ) Bùn dạng bông bùn Bùn hạt, dễ loại TSS cao Bùn hạt, mức độ loại SS ít hơn 1000-2000 0,10-0,30 2-4 2-4 8-12 0,30-0,60 2-4 2-4 8-14 0,60-1,00 2000-6000 0,10-0,30 3-5 3-5 12-18 0,30-0,60 4-8 2-6 12-24 0,60-1,00 4-8 2-6 6000-9000 0,10-0,30 4-6 4-6 15-20 0,30-0,60 5-7 3-7 15-24 0,60-1,00 6-8 3-8 9000-18000 0,10-0,30 5-8 4-6 15-24 0,30-0,60 3-7 0,60-1,00 3-7 Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003. Bảng 5.2 Tải trọng thể tích của bể UASB theo nhiệt độ đối với COD hòa tan, có hiệu quả xử lý 85-95%, nồng độ bùn trung bình 25 g/L Nhiệt độ ( o C) Tải trọng thể tích (kg sCOD/m 3 .ngđ) Nước thải có VFA Nước thải không VFA Khoảng Đặc trưng Khoảng Đặc trưng 15 2-4 3 2-3 2 20 4-6 5 2-4 3 25 6-12 6 4-8 4 30 10-18 12 8-12 10 35 15-24 18 12-18 14 40 20-32 25 15-24 18 Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003. Bảng 5.3 Thời gian lưu nước có thể áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt trong các thiết bị UABS cao 4 m Nhiệt độ ( o C) Thời gian lưu nước trung bình (giờ) Thời gian lưu nước cực đại (giờ) tính cho trường hợp peak flow trong 4-6 giờ 16-19 10-14 7-9 22-26 7-9 5-7 > 26 6-8 4-5 Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003. Bảng 5.4 Vận tốc nước chảy từ dưới lên và chiều cao bể UASB Loại nước thải Vận tốc (m/h) Chiều cao thiết bị (m) Khoảng Đặc trưng Khoảng Đặc trưng Gần 100% COD hòa tan 1,0-3,0 1,5 6-10 8 Một phần COD hòa tan 1,0-1,25 1,0 3-7 6 Nước thải sinh hoạt 0,8-1,0 0,7 3-5 5 Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003. 5-4 Tính Thể Tích Và Kích Thước Bể Để xác định thể tích và kích thước bể UASB cần xem xét: - Tải trọng hữu cơ; - Vận tốc dòng chảy; - Thể tích xử lý hiệu quả là thể tích chiếm chỗ bởi lớp bùn và sinh khối hoạt tính. - Thể tích vùng lắng. Thể tích hữu dụng tối thiểu của bể UASB được tính toán dựa trên tải trọng hữu cơ lựa chọn: org n L QS V 0 = Trong đó: - V n : thể tích hữu dụng tối thiểu của bể (m 3 ); - Q : lưu lượng nước thải vào bể (m 3 /h); - S 0 : nồng độ COD của nước thải trước khi xử lý (mg/L); - L org : tải trọng chất hữu cơ (kg COD/m 3 .ngđ). Trong trường hợp nước thải có nồng độ COD < 2.500 mg/L, có thể tính thể tích bể theo thời gian lưu nước: V n = Q.HRT Để tính toán tổng thể tích chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (phía dưới thiết bị tách ba pha rắn- lỏng-khí), có thể sử dụng hệ số hữu ích dao động trong khoảng 0,8-0,9. Như vậy, tổng thể tích hữu ích trong thiết bị, chưa kể phần thể tích chiếm chỗ bởi thiết bị tách ba pha rắn-lỏng-khí sẽ được tính như sau: E V V n L = Trong đó: - V n : thể tích hữu dụng tối thiểu của bể (m 3 ); - V L : tổng thể tích phần chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (m 3 ); - E : hệ số hữu ích = 0,8-0,9. Diện tích của thiết bị được tính theo công thức sau v Q A = Trong đó: - A : diện tích (m 2 ); - Q : lưu lượng nước thải vào bể (m 3 /h); - v : vận tốc nước đi từ dưới lên (m/h). Đối với bùn hạt v = 1,25-2 m/h (tối đa 6 m/h). Đối với bùn thường v < 0,5 m/h (tối đa 2 m/h). Chiều cao của lớp nước trong thiết bị được tính theo công thức sau: 5-5 A V H L L = Trong đó: - H L : chiều cao lớp nước trong thiết bị (m); - V L : tổng thể tích phần chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (m 3 ); - A : diện tích bề mặt của thiết bị (m 2 ). Thiết bị tách pha chiếm thêm một phần thể tích trong bể UASB và làm cho tổng chiều cao của bể tăng thêm từ 2,5-3,0 m. Như vậy, tổng chiều cao của bể UASB sẽ là: H T = H L + H G - H T : tổng chiều cao của bể UASB (m); - H L : chiều cao lớp nước trong thiết bị (m); - H G : chiều cao chiếm chỗ bởi thiết bị táchg ba pha rắn-lỏng - khí (m). Các thông số để xác định diện tích cần thiết để lắp đường ống phân phối nước thải vào bể UASB được trình bày tóm tắt trong Bảng 5.5. Bảng 5.5 Diện tích cần thiết để lắp đường ống phân phối nước thải vào bể UASB Loại bùn Tải trọng COD (kg/m 3 .ngđ) Diện tích/đường ống vào (m 2 ) Bùn dạng bông bùn có TSS > 40 kg/m 3 < 1,0 0,5-1,0 1-2 1,0-2,0 > 2 2,0-3,0 Bùn dạng bông bùn có TSS ~ 20-40 kg/m 3 < 1-2 1,0-2,0 > 3 2,0-5,0 Bùn hạt 1-2 0,5-1,0 2-4 0,5-2,0 > 4 > 2,0 Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003. Khi thiết kế thiết bị tách ba pha rắn-lỏng-khí cần xem xét các điều kiện sau: - Gốc nghiêng của thành thiết bị tách pha ~ 45-60 o C; - Diện tích bề mặt của phần khe hở phải < 15-20% tổng diện tích bề mặt của bể; - Chiều cao của thiết bị tác pha dao động trong khoảng 1,5-2,0 m đối với bể UASB có chiều cao 5-7 m; - Mặt phân cách lỏng-khí phải được duy trì trong thiết bị tách pha để bảo đảm hiệu quả tách bọt khí và khống chế sự hình thành váng; - Đường kích ống thoát khí phải đủ lớn để bảo đảm thoát khí dễ dàng, nhất là trong trường hợp có hình thành váng nổi; - Có thể thiết kế hệ thống phá bọt bên trên nếu cần. BÀI TẬP 5.1 Nước thải có đặc tính sau đây được xử lý bằng thiết bị UASB Thông số Đơn vị Giá trị 5-6 Lưu lượng m 3 /ngđ 1000 COD g/m 3 2300 sCOD g/m 3 2000 TSS g/m 3 200 VSS g/m 3 150 Độ kiềm g/m 3 theo CaCO 3 500 SO 4 2- g/m 3 200 Nhiệt độ o C 30 Hãy xác định: - Kích thước thiết bị; - Thời gian lưu nước; - Thời gian lưu bùn; - Nồng độ VSS trung bình trong vùng chứa bùn; - Tốc độ phát sinh khí CH 4 ; - Năng lượng thu hồi được từ CH 4 ; - Độ kiềm yêu cầu. Yêu cầu xử lý > 90% COD hòa tan. Nước thải chưa chủ yếu COD hòa tan, dạng carbonhydrate, sử dụng bùn hạt. Giả sử rằng 50% pCID và VSS bị phân hủy, 90% SO 4 2- trong nước thải bị phân hủy sinh học và nồng độ VSS trong nước thải sau xử lý đạt 150 g/m 3 . Các thông số thiết kế cần thiết khác có thể tra trong các bảng số liệu đã cho. (sinh viên giải bài tập trước ở nhà, bài tập sẽ được sửa trên lớp). 5.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ KỴ KHÍ VỚI VI SINH VẬT DẠNG TĂNG TRƯỞNG DÍNH BÁM Thiết bị kỵ khí dòng chảy ngược với vi sinh vật tăng trưởng dính bám Upflow Packed-Bed Attached Growth Reactor – UPAG), gọi tắt là thiết bị lọc UAF có dạng hình tròn hay chữ nhật với đường kính hay bề rộng bể dao động trong khỏang 2-8 m và chiều cao 3-13 m. Vật liệu tiếp xúc chiếm khoảng 50-70% toàn bể. Vật liệu tiếp xúc thường thường là plastic dạng dòng chảy ngang hay dạng ống. Diện tích tiếp xúc của vật liệu này trung bình khoảng 100 m 2 /m 3 . Giá trị đặc trưng tải lượng chất hữu cơ, thời gian lưu nước và hiệu quả khử COD được trình bày tóm tắt trong Bảng 5.6. Ở tải trọng 1,0-6,0 kg COD/m 3 .ngđ, hiệu quả xử lý có thể đạt 90% đối với nước thải có nồng độ COD cao. Bảng 5.6 Thông số thiết kế bể UAF Nước thải Loại vật liệu tiếp xúc Nhiệt độ ( o C) Tải trọng COD (kg/m 3 .ngđ) Thời gian lưu nước (ngày) Tỷ lệ tuần hoàn Hiệu quả khử COD (%) Chế biến kẹo gôm Dạng vòng 37 7,7 1,2 5,00 61 Sản xuất hóa chất Dạng vòng 37 12-15 0,9-1,3 5,00 80-90 Dạng vòng 15-25 0,1-1,2 0,5-0,75 0 50-70 Nước thải sinh hoạt Dạng vòng 37 0,2-0,7 25-37 0 90-96 Nước rò rỉ Dạng ống 35 1,5-2,5 2,0-3,0 0,25 89 Chế biến thực phẩm Dạng dòng chảy ngang 30 4-6 1,8-2,5 0 90 Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003. 5-7 . + CO 2 CH 4 + 2H 2 O - 4HCOOH CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O - CH 3 COOH CH 4 + CO 2 - 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O - 4(CH 3 ) 3 N + H 2 O 9CH 4 + 3CO. Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2-3 giờ ở 35 0 C so với 2-3 ngày, ở điều