UASB được nhà khoa học Lettinga và cộng sự (Hà Lan) xây dựng vào cuối những năm 1970 (hình 1.4). Trong hệ thống UASB luôn duy trì nồng độ sinh khối với sự đa dạng cao về thành phần vi sinh vật nên có thể xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao và nhanh. Đặc trưng của hệ thống UASB có thể vận hành ổn định tại OLR cao (10 đến 15 kg- COD/(m3.ngày)), HRT ngắn (đến 6 giờ) và thiết kế đơn giản [157].
Hệ thống UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao. Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc chất rắn qua tầng bùn lơ lửng và lên men lượng chất hữu cơ. Dòng vào đi qua lớp bùn kỵ khí chứa các vi sinh vật ở dạng hạt [2]. Nhờ các vi sinh vật chứa trong bùn hoạt tính mà các chất hữu cơ bị phân hủy thành metan và cacbonic. Hỗn hợp khí này chuyển động đi lên kéo theo các hạt bùn [159]. Tại phần đỉnh của thiết bị, bùn hạt và khí va đập vào các vách của bộ phận tách 3 pha rắn - lỏng – khí làm thay đổi đường đi của khí. Các bọt khí sẽ được tách ra và đi vào hệ thống thu khí. Các hạt bùn sẽ rơi xuống và tuần hoàn
15
trở lại thiết bị. Nước thải đi qua khe hở của vách ngăn, qua máng chảy tràn và đi ra ngoài. Quá trình này làm xáo trộn và tuần hoàn cục bộ lớp bùn khiến các hạt bùn ở trạng thái lơ lửng. Các hạt bùn trong thiết bị có tốc độ lắng cao và chống lại việc rửa trôi bùn ra khỏi hệ thống khi ở chế độ thủy lực cao. Tốc độ của dòng đi lên trong khoảng 0,5 -1,0 m/h [105, 149].
Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị UASB [92]
Trong hệ thống UASB, các vi sinh vật kỵ khí có thể hình thành hạt bùn thông qua sự tương tác giữa các tế bào. Bùn hạt kỵ khí có mật độ vi sinh vật dày đặc bao gồm hàng triệu tế bào trong một gam sinh khối với sự đa dạng về loài, nhờ đó có thể chuyển hóa rất nhanh chất ô nhiễm với nồng độ cao hoặc thể tích lớn mà không yêu cầu thể tích thiết bị lớn. Kích thước hạt bùn lớn và tỷ trọng hạt bùn cao làm cho chúng lắng nhanh nên dễ dàng tách sinh khối khỏi dòng ra [97].
Sự thích nghi của bùn kỵ khí ở dạng phân tán sang dạng hạt trong hệ thống UASB có thể phân chia thành 3 giai đoạn [70]:
- Giai đoạn 1: thích ứng với môi trường và cơ chất, thường mất vài ngày sau quá trình khởi động. Thu khí Dòng ra Máng tràn Vách ngăn Bọt khí Bùn hạt Dòng vào
16
- Giai đoạn 2: hoạt tính của bùn tăng do sự phát triển của vi sinh vật và thời gian lưu bùn cao hơn. Hoạt tính sinh metan tăng trong một số tuần đầu.
- Giai đoạn 3: hình thành các pellet. Kích thước của hạt đầu tiên bằng đầu kim sau 6 – 8 tuần khởi động.
Các thông số đáp ứng hiệu quả xử lý của hệ thống UASB tốt là sự hình thành và kết chặt của hạt bùn mà SMA và đặc tính lắng vượt trội.