Phân tích so sánh công nghệ EGSB với các công nghệ khác

Hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao với lớp bùn hạt mở rộng EGSB thực chất là một dạng biến thể của UASB kết hợp với AFBR, được phát triển từ năm 1983 cũng bởi chính Giáo sư, tiến sỹ Gatze Lettinga - Đại học Wageningen Hà Lan. Ra đời sau nên EGSB có mức độ cải tiến đem lại hiệu quả rõ rệt và dần chiếm thị phần của UASB trong lĩnh vực xử lý nước thải tại Châu Âu. Ra đời trước nên UASB vẫn là công nghệ chiếm ưu thế hơn trong sử dụng, nhưng EGSB hiện nay phổ biến hơn do những lợi ích kinh tế đem lại.

Phương pháp EGSB không sử dụng phương thức bám dính vi sinh vật vào vật thể trung gian, mà sử dụng phương thức duy trì vật thể ngưng kết dạng hạt cấu tạo chính bởi nhóm các vi sinh vật lên men mê-tan ở trạng thái lưu động (tầng sôi). Ngoài ra, nhờ việc nâng cao chức năng phân ly khí phát sinh trong thiết bị, lượng bùn hạt được duy trì tăng lên, có thể xử lý với tải lượng cao (trên 30 kg COD/m³/ngày). Thiết bị EGSB có kết cấu dạng tháp, chiều cao từ 12- 18m, dòng nước thải đi qua bộ phận phân phối ở đáy thiết bị. Nước thải vào bể phản ứng theo chiều từ dưới lên, qua một lớp bùn hạt mở rộng, chứa những vi sinh vật kỵ khí thực hiện thủy phân và phân giải axit sinh ra metan và CO2 từ các chất hữu cơ có trong nước thải. Dòng nước dâng lên với tốc độ dòng chảy hợp lý ổn định và được xả ra ngoài sau bộ phận phân ly 3 pha (khí, rắn, lỏng) ở phía trên.

So với công nghệ UASB, EGSB thể hiện những ưu điểm:

- Giảm chi phí vận hành: Do có thể tăng lượng tuần hoàn của nước xử lý giảm đáng kể lượng kiềm điều chỉnh pH khi cần thiết.

- Tải trọng xử lý cao hơn: do nồng độ vi khuẩn cao và bùn hạt ở trạng thái triển khai ra khắp bể phản ứng nên khả năng tiếp xúc cao, đem lại hiệu suất xử lý lớn hơn.

Hình 1.10. Sơ đồ công nghệ EGSB

Do hoạt tính của vi khuẩn metan hóa trong thiết bị phản ứng ổn định nên khi có biến động lượng tải trong nước thải dòng vào thì quá trình xử lý vẫn ổn định và khả năng chống chịu tốt hơn.

Ngoài ra hệ thống còn mang những ưu điểm khác như:

- Do hiệu quả xử lý cao, tải lượng lớn hơn thiết bị nhỏ gọn, giảm được chi phí thiết bị và mặt bằng lắp đặt;

- Đây là hệ thống sản sinh năng lượng xanh, do thu hồi và có thể tái sử dụng biogas nhờ vậy có thể giảm gánh nặng đối với môi trường. Không gây mùi và tiếng ồn;

- Bùn thải tạo ra ít, so với thiết bị xử lý vi sinh ưa khí, lượng bùn thứ phát sinh chỉ bằng 1/10, tiết kiệm được chi phí xử lý bùn;

- Xử lý sơ bộ đơn giản. Giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng. Do trong bể lên men không có các thiết bị phụ thêm như vật liệu trám, nên không xảy ra sự cố do tắc, việc quản lý duy trì dễ dàng;

vận hành trong một thời gian dài thì hoạt tính của khuẩn yếm khí vẫn được duy trì. Do đó không cần bảo dưỡng trong thời gian ngừng vận hành;

Nổi bật trong lĩnh vực cung cấp các thiết bị EGSB trong xử lý nước thải tại Châu Âu là tập đoàn Veolia Water Solution & Technologies. Từ năm 1973 đến nay Tập đoàn Veolia đã triển khai hơn 2.000 hệ thống xử lý kỵ khí tại 30 quốc gia trên thế giới. Cũng theo thống kê của tập đoàn này, trước năm 1998, các thiết bị, công nghệ triển khai thì UASB chiếm 55%, EGSB chiếm 16%, Fixed Beb chiếm 5%, Fluidised Bed chiếm 1%. Tuy nhiên từ năm 1998 đến 2001, ba năm liền hệ thống EGSB chiếm 49% > UASB (34%). Và cho đến nay EGSB vẫn được tập đoàn này triển khai lắp đặt nhiều hơn hệ thống UASB đối với các hệ thống xử lý nước thải công suất lớn, có thu hồi biogas, trong các ngành sản xuất đường, ngành hóa chất, thực phẩm, bia, rượu, bột giấy và giấy,...

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC DẠNG THIẾT BỊ XỬ LÝ YẾM KHÍ NƢỚC THẢI GIẦU CHẤT HỮU CƠ

Xử lí sinh học nước thải thực chất là điều khiển và sử dụng các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm dưới dạng các hợp chất hữu cơ và một số chất vô cơ hòa tan hoặc phân tán nhỏ có thể chuyển hóa sinh học được. Trong xử lí sinh học, vi sinh vật sử dụng các chất ô nhiễm có trong nước thải như nguồn dinh dưỡng để khai thác năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển, quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm có trong nước thải thực chất là quá trình oxy hóa khử sinh học trong vi sinh vật là tác nhân quyết định.

Nước thải chế biến nông sản, thực phẩm có đặc tính chung là giầu chất hữu cơ, thành phần chủ yếu là các hợp chất gluxit (đường, tinh bột, dextrin và một lượng nhỏ các chất hòa tan khác như axit hữu cơ, các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ nên có thể xử lí bằng phương pháp sinh học.

Nước thải chế biến tinh bột sắn là một trong những loại nước thải đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu xử lí sinh học có hiệu quả.

- Giầu chất hữu cơ (chủ yếu là tinh bột và dextrin), BOD₅/COD ≥ 0,5 - Không chứa chất độc đối với vi sinh vật

- Nước thải sản xuất tinh bột sắn có độ pH dễ dàng điều chỉnh được;

Nước thải sản xuất tinh bột có độ ô nhiễm hữu cơ cao đến rất cao, là nguồn nguyên liệu rất đáng quan tâm trong xử lí yếm khí thu biogas.

Xử lí sinh học yếm khí bằng công nghệ EGSB là quá trình chuyển hóa hiệu quả các loại nước thải có hàm lượng hữu cơ và cặn hữu cơ cao (BOD₅> 1800mg/l, SS > 400 mg/l). So sánh với công nghệ UASB, công nghệ EGSB có thể cho hiệu quả vượt trội [1].

Trong quá trình phân hủy yếm khí, phần lớn các chất hữu cơ được chuyển hóa thành khí sinh học (biogas), chỉ một phần nhỏ 1 ÷ 5% được sử dụng cho quá trình tổng hợp sinh khối.

Phương pháp yếm khí xử lí nước thải thu biogas có nhiều ưu điểm:

- Nhu cầu năng lượng thấp hơn nhiều so với phương pháp hiếu khí - Lượng bùn tạo ra ít nên không cần đầu tư cho xử lí bùn

phần chủ yếu là CH4, CO₂ là sản phẩm phân giải hoàn toàn các hợp chất hữu cơ chứa cacbon)

- Có thể xử lí nước thải với hàm lượng chất ô nhiễm cao, phức tạp mà phương pháp hiếu khí không xử lí được.

Tuy nhiên xử lí yếm khí cũng có những nhược điểm sau:

- Thời gian lưu của nước thải lớn, do đó cho phí đầu tư cho xây dựng cơ bản cao.

- Thời gian ổn định công nghệ dài (từ 3 đến 6 tháng) - Quá trình vận hành tương đối phức tạp

- Chưa xử lí được triệt để, hiệu quả xử lí thường chỉ đạt 85 ÷ 90% - Bùn có mùi đặc trưng khi hệ thống không được quản lý tốt. 2.1. Cơ chế và tác nhân

2.1.1. Cơ chế phân giải yếm khí

Quá trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn có thể tóm tắt trong sơ đồ sau:

Hình 2.1. Quy trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ - Cơ chế phản ứng tổng quan: C_xH_yO_z + (x - y x - 2 z )H₂O VSV ( ₂ ) ₄ 4 8 2 ( ) 4 8 2 ^CH z y x CO z y x    

- Trong thực tế quá trình phân giải yếm khí thường xảy ra theo 4 giai đoạn:

a) Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân

Dưới tác dụng của các Enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp có phân tử lượng lớn như Protein, Gluxit, Lipit,...được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ như đường, Peptit, Glyxerin, axít amin, axít béo,...Trong giai đoạn thủy phân, phần lớn các hợp chất Gluxit được

phân hủy nhanh, các hợp chất Protein được phân hủy chậm hơn, các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như: Xenlulo thường được phân hủy chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp.

Protein  Proteaza

Peptit Peptidaza

Axít amin

Tinh bột  Amylaza Đường (Glucoza, maltoza,dextrin giới hạn) Lipit  Lypaza

Glyxerin + Axít béo

XenluloXenlulaza 2 n C₁₂H₂₂O₁₁  O H Xenlobioza 2 2C₆H₁₂O₆ Pectin Pectinaza Hydratpectin

b)Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axít hữu cơ

Các sản phẩm thủy phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa, các sản phẩm thủy phân sẽ được phân giải yếm khí tiếp tục thành axít hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axít propionic, axít butyric và axít axetic,...các rượu, andehyt, axeton và cả một số axít amin. Đặc biệt trong giai đoạn này các axít amin hình thành trong thủy phân protein cũng sẽ được khử amin, một phần Nitơ từ các gốc amin (-NH2) được vi sinh vật sử dụng cho sinh trưởng và phát triển, phần còn lại được chuyển hóa thành NH₃ và (NH₄⁺). Thành phần các sản phẩm lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường.

Trong giai đoạn này BOD₅ và COD giảm không đáng kể nhưng pH của môi trường có thể giảm mạnh.

Sự lên men của một số axít hữu cơ tiêu biểu (axít lactic, axít butyric, axít propionic) và các chất trung tính như etanol, axeton, butanol,...

+ Sự lên men axít lactic

- Lên men axít lactic theo kiểu điển hình

C₆H₁₂O₆ 2CH₃COCOOH CH₃CHOHCOOH

- Lên men axít lactic theo kiểu dị hình: (tạo nhiều sản phẩm)

* 4 axít galacturonic

* 2 (arabinoza + xyloza)

* 1 đường galactoza

* 1 acid axetic

* 2 metanol + 2CO

Axít pyruvic Pyruvat hidrogennaza Axít Lactic

Thủy phân H₂O

+ Sự lên men axít butyric: (cơ chế đơn giản)

+ Lên men axít propionic: (Cơ chế đơn giản)

2CH₃COCOOHCH₃CH₂COOH + CH₃COOH + CO₂

+ Sự lên men etanol:

Sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào pH của môi trường, lên men etanol thông thường sản phẩm là etanol, phải duy trì pH = 4,5 ÷ 5,0.

c) Lên men tạo axít axetic

Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic sẽ từng bước chuyển hóa thành axit axetic:

3CH₃CHOHCOOH  2CH₃CH₂COOH + CH₃COOH + CO₂ + 2H₂O

Các axit có phân tử lượng lớn được cắt từng bước tại nguyên tử Cβ: R_nCH₂CH₂COOH R_n-1COOH + CH₃COOH

Mùi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do các sản phẩm trao đổi được hình thành đặc biệt từ quá trình phân giải Protein và các axít amin: H₂S, Indol, statol và mercaptan. Trong phân giải yếm khí, dưới tác dụng của các enzym, bùn thường có màu đen. Quá trình khí hóa dễ làm cho bùn nổi thành màng do khí thoát ra kéo theo sinh khối.

d) Giai đoạn metan hóa

Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lí yếm khí, nhất là khi xử lí yếm khí thu biogas. Hiệu quả xử lí sẽ cao khi các sản phẩm trung gian được khí hóa hoàn toàn.

Dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men metan, các axit hữu cơ bị decacboxyl hóa tạo khí metan. Trong xử lí yếm khí, khí metan được tạo thành theo hai cơ chế chủ yếu là khử CO₂ và decacboxyl hóa.

+ Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính nhờ vi khuẩn metan hóa CH₃COOH  CH₄ + CO₂ 4CH₃CH₂COOH  2H₂O 7CH₄ + 5CO₂ 2CH₃(CH₂)₂COOH  2H₂O 5CH₄ + 3CO₂ 2CH₃CH₂OH  3CH₄ + CO₂ CH₃COCH₃  H₂O 2CH₄ + CO₂

Axít lactic Axít Propionic Axít axetic

Axit béo mạch ngắn hơn

Khoảng 70% CH4 được tạo thành do decacboxyl hóa axit hữu cơ và các chất trung tính.

+ Khử CO2

CO₂ + 4H₂ CH₄ + 2H₂O CO₂ CH₄ + 2H₂O

Khoảng 30% CH₄ được tạo thành do khử CO₂

Trong giai đoạn này, các sản phẩm chậm hoặc khó phân giải như xenluloza, axit béo phân tử lượng lớn tiếp tục bị phân hủy và tạo thành rất nhiều khí CO₂ và CH₄, pH của môi trường tăng và chuyển sang kiềm nhẹ. Các ion amin của môi trường tác dụng với CO2 tạo ra muối cacbonat làm cho môi trường có tính đệm.

2.1.2. Tác nhân sinh học

a) Tác nhân sinh học của giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ

Các chủng Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Bacterioides, Pseudomonas

và Enterobacter chiếm đa số. Phần lớn các vi khuẩn thủy phân và lên men axit hữu

cơ ít nhạy cảm với pH môi trường. Chúng tồn tại được trong giải pH rộng từ 3 ÷ 7 tuy nhiên pH tối ưu 5 ÷ 7.

Nước thải sản xuất tinh bột sắn giầu tinh bột nên tác nhân chủ yếu là: Bacillus,

Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococus, Corynebacterium, Lactobacillus,

Actynomyces, Bifidobacterium, Clostridium.

Trong giai đoạn lên men axit hữu cơ, tác nhân sinh học gồm:

- Vi sinh vật hô hấp yếm khí: Bacterioides (pH = 5,2 ÷ 7,5), Clostridium

(pH=5,8) đóng vai trò rất quan trọng trong giai đoạn này.

- Vi sinh vật hô hấp tùy tiện: Bacillus, Pseudomonas. Do sự có mặt của một số loài vi sinh vật hô hấp tùy tiện nên chúng đã sử dụng hết phần oxy hòa tan có trong nước thải, điều này rất cần thiết cho các vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt sau này.

b) Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men axit axetic (Axetogen)

Vi khuẩn tạo axit axetic (Vi khuẩn Axetogene) thường phát triển trong môi trường cùng với vi khuẩn metan hóa. Vi khuẩn Axetogene tạo ra H₂ trong quá trình lên men, nhưng nó lại bị chính sản phẩm này gây ức chế. Vì vậy, trong môi trường có các vi khuẩn metan hóa, khí H₂ hoặc H⁺ sẽ được sử dụng để khử CO₂. Một số chủng vi khuẩn Axetogene có hiệu quả metan hóa cao: Syntrophobacter wolonii,

Syntrophobacter wolfei và Syntrophobacter Buswellii, nhiệt độ tối ưu topt = 33 ÷ 40⁰C, pH = 6 ÷ 8.

Nhóm vi khuẩn khử sunfat: Selemonas, Clostridium, Riminoccocus,

Desulfovibrio trong môi trường hỗn hợp với vi khuẩn metan hóa, tạo sản phẩm chủ

yếu là axit axetic.

Nhóm vi khuẩn homonacetogene tạo axit axetic từ CO₂ và H₂, nhóm vi khuẩn này có ý nghĩa đặc biệt vì chúng cạnh tranh với vi khuẩn metan trong việc sử dụng H₂.

2CO₂ + 4H₂ CH₃COOH + 2H₂O

c) Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men metan

Vi khuẩn lên men CH₄ rất đa dạng, gồm 2 nhóm chính:

- Nhóm vi khuẩn metan ưu ấm (Mesophyl) phát triển ở nhiệt độ tối ưu t_opt = 35÷37⁰C: Methanococus, Methanobacterium, Methanoosarcina.

- Nhóm vi khuẩn metan ưa nóng (Thermophyl) phát triển ở nhiệt độ tối ưu t_opt = 55÷60⁰C: Methanobacillus, Methanospirillum, Methanothrix.

Vi khuẩn metan hóa là những vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt, chúng rất mẫn cảm với sự có mặt của O₂ vìvậy yêu cầu thiết bị lên men phải tuyệt đối kín. Các vi khuẩn metan ưu axit nhẹ hoặc kiềm và rất nhạy cảm với sự thay đổi pH. pH tối ưu cho quá trình lên men CH₄ là 6,8 ÷ 7,5. Khi pH < 6,4 thì hiệu quả chuyển hóa CH₄ giảm 30% và nếu pH < 4,24 trong 3 đến 4 ngày thì vi khuẩn metan sẽ chết.

2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lí yếm khí

Xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học nói chung và xử lí bằng phương pháp yếm khí nói riêng, yếu tố môi trường đóng một vai trò quan trọng. Nó quyết định hiệu quả xử lí của phương pháp, trong quá trình phân giải yếm khí, một số yếu tố môi trường ảnh hưởng như: nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N của nguyên liệu, hàm lượng và bản chất của chất ô nhiễm, thời gian lưu,…

2.2.1. Ảnh hưởng của pH

Quá trình phân giải yếm khí thực chất được thực hiện nhờ một hệ enzim mà hoạt lực của nó phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của môi trường. Các nhóm vi sinh vật khác nhau sẽ có pH tối ưu khác nhau.

- Các vi khuẩn thực hiện quá trình thủy phân và lên men axit hữu cơ phân lớn