b. :
3.1.4Công nghệ lai hợp: ADI-MBR
Quâ trình bùn hoạt tính kết hợp măng (MCASP) lă sự kết hợp của hai quâ trình cơ bản: phđn hủy sinh học vă măng văo trong một quâ trình, Trong hệ thống lai hợp trín, cặn lơ lửng vă những vi sinh vật chịu trâch nhiệm về phđn hủy sinh học vă nước sau xử lí được tâch ra bởi măng lọc (Manem and Sanderson, 1996).
Ueda and Hata(1999) đê nghiín cứu xử lý nước thải đô thị bằng mô hình pilot kết hợp hệ thống kị khí/hiếu khí với măng đặt ngập. Điều kiện hoạt động của hệ thống năy được duy trì lă: thời gian lưu nước 13,5giờ; thời gian lưu bùn 72 ngăy; MLVSS 10g/l; tải trọng BOD5 0,25kg/m3.ngăy; tải trọng TKN 0,06kg/m3 .ngăy vă tỉ số F/M lă 0,2.
Chất lượng của nước sau xử lý rất tốt có thể đạt được: 1,3mgBOD5 /l; không có cặn lơ lửng; 6MPN coliform/100ml; 7,1mgT-N/l; 0,3N-NH3/l vă 4,6mg N-NO3/l.
Ưu điểm:
Hệ thống nhỏ, gọn Lượng bùn sinh ra thấp
Vận hănh đơn giản, dễ bảo trì
Nồng độ bùn đậm đặc nín không cần lắng bùn Chất lượng nước sau xử lý tốt
Loại bỏ chất dinh dưỡng Tiết kiệm năng lượng
Hiện nay đê có trín 1200 hệ thống bùn họat tính kết hợp lọc măng được âp dụng cho xử lý nước thải.
Chương3 : Tổng quan về lai hợp vă hệ hybrid UASB- lọc kỵ khí 3.1.5 Công nghệ lai hợp trickling filter - thẩm thấu ngược
Ứng dụng cho xử lý nước thải chuyển hóa thănh nước sạch để sử dụng, hiệu quả xử lý COD: lín đến 99%. Tuy nhiín . nước sau xử lý phải tiếp tục qua hệ thống ozon để khử trùng.
3.1.6 Công nghệ lai hợp lọc kị khí - UASB (downflow-upflow hybrid reactor: DUHR) reactor: DUHR)
Nghiín cứu trín nước thải chế biến phomai, có dung tích 51 lít. Đây bể chứa vật liệu lọc (Poly uretan) chiếm 2/3 diện tích. Dòng chảy từ trín xuống. Nối tiếp với thiết bị trín lă một thiết bị tương tự nhưng dòng chảy từ dưới lín vă vật liệu lọc bố trí ở phía trín chiếm khõang 2/5 diện tích bể. Nước sau khi qua hệ thống hybrid được tuần hòan trở lại. Hệ số tuần hoăn: 2,5
Sau 36 ngăy họat động ổn định, ở tải trọng 10 kgCOD/m3/ngăy đím, hiệu quả xử lý COD 98,4%. Lượng khí CH4 sinh ra: 0,33 l/g COD văo.
3.1.7 Công nghệ lai hợp lọc sinh học kị khí kết hợp lọc sinh học hiếu khí
Thích hợp cho xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao (COD> 6000 mg/l) Hệ thống lai hợp kị khí vă hiếu khí có thể tích chỉ bằng ½ so với hệ thống bùn họat tính quy ước
Nhu cầu năng lượng điện cho khuấy trộn cơ học ( sục khí) giảm 50%
Qúa trình nitrat vă khử nitrat diễn ra đồng thời trong hệ thống. Kết quả năy cho thấy hệ thống tham gia văo quâ trình khử Nitơ.
Ưu điểm:
Dễ vận hănh vă bảo trì Khối tích công trình nhỏ Lượng bùn sinh ra thấp
Xử lý hăm lượng dinh dưỡng rất hiệu quả Chất lượng nước sau xử lý tốt
3.1.8 Công nghệ lai hợp trao đổi ion - lọc măng
Để khử Cu trong nước thải công nghiệp, V floes, C.Cabassud âp dụng công nghệ lai hợp: kết hợp trao đổi ion vă lọc măng. Trong đó măng lọc lă lợp nhựa có khả năng trao đổi ion với diện tích bề mặt riíng lớn. Măng lọc có kích thước rất mịn <0,01μm có khả năng khử tất cả vi khuẩn, dạng nhựa, virus trong nước. Kết quả nghiín cứu cho thấy: Hiệu quả khử đồng đạt 95% ứng với lưu lượng nước thải: 50m3/h
3.1.9 Công nghệ lai hợp EGSB - AF
Gavin Collins, Clare Foy, Sharon McHugh đê âp dụng cho xử lý nước thải chứa phenol ở nhiệt độ < 20C, tải trọng vận hănh 5 kg COD/m3.ngăy tương ứng 0.4–1.2 kg phenol/m3.ngăy. Kết quả nghiín cứu cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả, không có hiện tượng tích lũy acid bĩo.
3.1.10 Công nghệ lai hợp: acid hoâ kết hợp lọc kị khí
M. Van der Merwe and T. J. Britz nghiín cứu Công nghệ lai hợp: acid hoâ kết hợp lọc kị khí để xử lý nước thải nhă mây sản xuất men bânh mì. Tải trọng vận hănh 10 kg COD/m3.ngđ, thời gian lưu nước 3 ngăy. Hiếu quả xử lý COD đạt trín 85%.
3.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID UASB - LỌC KỊ
KHÍ (USBF)
3.2.1 Sự ra đời của USBF
Lọc kỵ khí được giới thiệu văo năm 1968 vă được sử dụng như lă phương phâp rất hiệu quả để xử lý nhiều loại nước thải công nghiệp khâc nhau. Quâ trình xử lý của lớp kỵ khí cố định (fixed bed anaerobic) phù hợp với nước thải có nồng độ COD thấp (< 1000 mg COD/l) đến trung bình (> 20000 mgCOD/l). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ban đầu lớp lọc kỵ khí chứa đầy trong mô hình nhưng theo một số nhă nghiín cứu thì nếu lớp vật liệu lọc giảm xuống thì sẽ giảm được nhiều sự cố. Loại bể phản ứng năy được gọi lă “hybrid”. Đó lă sự kết hợp của UASB ở dưới vă lọc kỵ khí (AF) ở trín.
Chương3 : Tổng quan về lai hợp vă hệ hybrid UASB- lọc kỵ khí
Phần UASB: lăm nhiệm vụ khử câc chất hữu cơ phức tạp, dạng rắn khó phđn hủy (cần thời gian dăi để phđn hủy).
Phần lọc sinh học kị khí: Nhờ lớp vi sinh phât triển trín bề mặt vật liệu lọc có khả năng phđn hủy tiếp phần lớn câc chất hữu cơ dạng keo vă hòa tan
Công nghệ năy được nghiín cứu bởi Guiot and Van den Berg (1984). Sau đó tiếp tục phât triển bởi Lo et.al. 1994, James 2000). Công nghệ năy đang được triển khai mạnh với ưu điểm chính lă chịu tải cao vă ít bị sốc tải.
Hiệu quả hoạt động của mô hình phụ thuộc văo sự tiếp xúc của nước thải với lớp bùn lơ lửng vă với lớp măng sinh học gắn trín vật liệu tiếp xúc.
3.2.2 Cơ chế xử lý của công nghệ USBF
UABF lă hệ lai hợp giữa UASB vă lọc kỵ khí nín câc cơ chế chuyển hoâ chất hữu cơ của USBF cũng giống như quâ trình chuyển hoâ chất hữu cơ trong UASB vă lọc kỵ khí. Ngoăi cơ chế chuyển hoâ chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí lơ lửng ở phần UASB, phần lọc kỵ khí còn có cơ chế tiíu thụ chất hữu cơ bằng măng sinh vật.
3.2.2.1 Cơ chế chuyển hoâ chất hữu cơ
Câc quâ trình chuyển hoâ của những chất cao phđn tử phức tạp hiện diện trong nước thải thănh khí sinh học (biogas) đòi hỏi có sự tham gia của văi nhóm vi sinh vật. Sơ đồ câc bước cần thiết cho sự phđn hủy proteins, carbonhydrates vă lipids ( theo Gujer vă Zehnder,1983).
Chương3 : Tổng quan về lai hợp vă hệ hybrid UASB- lọc kỵ khí
Hình 3.3 Câc giai đoạn phđn hủy kỵ khí
Giai đoạn thủy phđn
Trong bước năy, câc chất hữu cơ phức tạp được chuyển hoâ thănh những hợp chất hoă tan đơn giản có khối lượng phđn tử nhỏ. Quâ trình năy có sự tham gia của chất xúc tâc sinh học tiết ra bởi vi khuẩn lín men, thường diễn ra chậm vă COD trong quâ trình năy hầu như không thay đổi. Proteins bị phđn hủy thănh amino acids, carbonhydrates được chuyển hoâ thănh đường hoă tan (monosaccharides vă disaccharides) vă lipids được chuyển hóa thănh acid bĩo mạch dăi vă glyderine.
Methane CH4
Câc chất hữu cơ phức tạp
Proteins Carbonhydrates Lipids
Đường đơn Acid bĩo Alcohols
Amino acids
Acid bay hơi: Acid propionic,
acid butyric...
Acid acetic Hydrogen
Metha
ne hoâ
Acid hoa
Giai đoạn acid hoâ
Những hợp chất hoă tan tạo ra trong bước thủy phđn, được vi khuẩn lín men sử dụng, vă sau khi acid hoâ tạo thănh những hợp chất hữu cơ đơn giản như acid bĩo bay hơi, alcohol, lactic acid, vă những hợp chất vô cơ như khí CO2, hydrogen, ammonia vă hydrogen sulphide.
Câc sản phẩm chính trong quâ trình năy lă: acid formic (HCOOH), acid acetic (CH3COOH), acid propionic (CH3CH2COOH), acid iso – butylic (CH3CH2CH2COOH), acid iso – valeric (CH3CH2CH2CH2COOH).
Thănh phần vă tỷ lệ những sản phẩm năy phụ thuộc văo cấu tạo vă thănh phần chất hữu cơ đầu văo. Quâ trình năy cũng được diễn ra nhanh chóng. Khi khí H2 được sinh ra (với điều kiện bùn được tích lũy trong hệ thống), nồng độ COD giảm nhẹ, thông thường nhỏ hơn 10%.
Quâ trình lín men acid có xu hường gđy ra sự giảm pH do việc tạo thănh acid bĩo bay hơi vă những chất trung gian có khả năng phđn ly tạo ra ion H+. Do vi khuẩn methane chỉ phât triển tốt ở pH trung tính, sự không ổn định sẽ gia tăng nếu vì lý do năo đó, tốc độ tạo ra khí methane từ acid nhỏ hơn tốc độ tạo acid: việc tạo ra acid sẽ có xu hướng giảm pH, do đó lăm giảm đi hoạt tính của vi khuẩn sinh methane. Trín thực tế, vần đề năy được gọi lă “lín men chua” của bể phản ứng kỵ khí, đđy lă vấn đề phổ biến nhất lăm cho hệ thống phản ứng kỵ khí hoạt động kĩm hiệu quả. Sự cố lín men chua có thể trânh được bằng câch duy trì sự cđn bằng hợp lý giữa lín men acid vă methane, có nghĩa lă khả năng phđn hủy methane vă khả năng đệm của hệ thống phải đủ cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giai đoạn acetate hoâ
Sản phẩm acid hoâ bị chuyển hoâ thănh sản phẩm cuối cùng: acetate, hydrogen, vă carbon dioxide. Khoảng 70% COD hiện diện trong dòng văo bị chuyển hoâ thănh acid acetic vă phần còn lại lă chất nhường điện tử hydrogen. Tuỳ thuộc văo trạng thâi oxy hoâ của chất hữu cơ ban đầu, sự hình thănh acetic acid có thể theo sau bởi sự hình thănh carbon dioxide hoặc hydrogen. Điều năy có thể thấy từ những phương trình sau đđy:
Chương3 : Tổng quan về lai hợp vă hệ hybrid UASB- lọc kỵ khí
Khi y<2z:
CxHyOz + 14(4x – y – 2z) H2O 18(4x + y – 2z) CH3COOH + (2z – y) CO2 Khi y>2z:
CxHyOz + (x –z) H2O x2CH3COOH + 12 (y – 2z) H2
Trong hỗn hợp chất ô nhiễm hữu cơ, cả hai quâ trình trín có thể xảy ra đồng thời nhưng thông thường hydrogen hình thănh nhiều hơn CO2. Do đó, sự chuyển hoâ chất hữu cơ dòng văo thănh acetic acid thường theo sau lă sự hình thănh hydrogen.
Giai đoạn methane hoâ
Methane hóa lă giai đoạn cuối cùng trong toăn bộ quâ trình phđn hủy, tiếp tục chuyển hoâ những thănh phần đê được tạo ra trước đó (hydrogen, acid formic, methanol, methylamine, vă acid acetic) theo câc phương trình sau:
Hydrogen:
4 H2 + HCO3- CH4 + 3 H2O - 136 kJ Acid formic:
4 HCOO- + H+ + H2O CH4 + 3 HCO3- - 130 kJ Methanol:
4 CH3OH 3 CH4 + HCO3- + H+ + H2O - 105 kJ Methylamine:
4 CH3NH3+ + 3 H2O 3 CH4 + HCO3- + H+ + 4 NH4+ - 75 kJ Acid acetic:
CH3COO- + H2O CH4 + HCO3- - 31 kJ Phương trình thứ 1 (sinh CH4 từ H2) tạo ra enthalpy lớn hơn so với phương trình
thứ 5 (sinh CH4 từ CH3COO-). Do đó, vi khuẩn sinh methane từ hydrogen phât triển mạnh hơn vi khuẩn sinh methane từ acetate.
Methane được tạo ra từ acetate (vi khuẩn acetotrophic) hoặc từ sự khử carbon dioxide bởi hydrogen (vi khuẩn hydrogenotrophic). Khí methane được giải phóng khỏi dung dịch, vì thế nồng độ COD giảm đâng kể, từ 70 – 95 %. HCO3- trong dung dịch ở trạng thâi cđn bằng với khí CO2 (phụ thuộc văo pH), do đó khí biogas sinh ra có chứa CH4 vă CO2 (thông thường 70 – 90 % CH4 vă 10 – 30 % CO2).
Những nhóm vi khuẩn khâc nhau trong quâ trình chuyển hoâ chất hữu cơ dòng văo sử dụng hoạt tính đồng hoâ vă dị hoâ. Do đó, song song với việc tạo ra những sản phẩm lín men khâc nhau, sinh khối mới được hình thănh kết hợp với bốn quâ trình đê níu ở trín. Để thuận tiện, ba quâ trình đầu đôi khi được gộp lại với nhau vă gọi lă lín men acid, trong khi đó quâ trình thứ tư gọi lă lín men methane.
3.2.2.2 Cơ chế tiíu thụ cơ chất bằng măng sinh vật
Măng vi sinh vật hình thănh từ câc quâ trình xử lý nước thải bằng phương phâp sinh học sử dụng câc vi sinh vật không di động vă bâm dính lín trín bề mặt câc vật liệu rắn để tiếp xúc liín tục hay giân đoạn với nước thải.
Lớp măng vi sinh vật phât triển trín bề mặt vật liệu tiíu thụ cơ chất như chất hữu cơ, nguyín tố vết ( câc chất vi lượng)… từ nước thải tiếp xúc với măng cho hoạt động của mình. Quâ trình tiíu thụ cơ chất đối với măng kỵ khí được mô tả theo công thức sau:
Chất hữu cơ + nguyín tố vết → sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối
Phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi hai yếu tố lă sự khuếch tân vă sự tiíu thụ cơ chất trong măng
Đầu tiín cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt măng sau đó chuyển vận văo măng vi sinh theo cơ chế khuếch tân phđn tử. Quâ trình khuếch tân sẽ lă quâ trình hạn chế tốc độ nếu bề dăy măng đạt tới một giâ trị đủ lớn. Quâ trình khuếch tân lă một quâ trình hóa lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn lă những hoạt động sinh học như trao đổi chất hay sự tiíu thụ cơ chất.
Trong măng vi sinh vật diễn ra quâ trình tiíu thụ cơ chất vă quâ trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật trong măng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn,
Chương3 : Tổng quan về lai hợp vă hệ hybrid UASB- lọc kỵ khí
dạng lơ lửng hoặc có phđn tử khối lớn không thể khuếch tân văo măng được chúng sẽ phđn hủy thănh dạng có phđn tử khối nhỏ hơn tại bề mặt măng sau đó mới tiếp tục quâ trình vận chuyển vă tiíu thụ trong măng vi sinh giống như trín.
Sản phẩm cuối cùng của măng trao đổi được vận chuyển ra khỏi măng văo trong chất lỏng.
Những ưu điểm của măng vi sinh vật
Dễ dăng trong vận hănh hệ thống xử lý so với quâ trình vi sinh vật lơ lửng không đòi hỏi duy trì ổn câc thông số như nồng độ văo ổn định, khả năng lắng của bùn, tuần hoăn bùn vă loại bỏ bùn dư… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khởi động nhanh khả năng khử BOD cao, thời gian lọc ngắn, vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải, ít tốn năng lượng, thể tích của hệ thống xử lý nhỏ.
Khả năng loại bỏ câc chất hữu cơ phđn hủy chậm: nếu tốc độ tiíu thụ của một cơ chất thấp thì lượng vi sinh cần thiết sẽ lớn tương ứng vă ngược lại. không ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tiíu thụ cơ chất của măng vi sinh vật.
Khả năng chịu biến động về nhiệt độ vă tải lượng ô nhiễm. Khi tải lượng đầu tăng hay giảm thì nồng độ cơ chất trín bề mặt của măng tăng lín hay giảm đi tương ứng. Do vậy hiệu quả xử lý được giữ ổn định.
Những nhược điểm của măng vi sinh vật
Không có khả năng điều khiển sinh khối. Khi bề dăy măng vượt quâ một giâ trị bề dăy hiệu quả lăm giảm diện tích hiệu quả của măng vi sinh vật vă thời gian lưu nước trong thiết bị xử lý.
Tốc độ lăm sạch bị hạn chế bởi quâ trình khuếch tân. Trong quâ trình măng vi sinh vật, câc yếu tố điều khiển quâ trình lăm sạch nước lă sự vận chuyển cơ chất vă oxy văo măng vi sinh vật. Trong đa số trường hợp, sự vận chuyển cơ chất bởi quâ trình khuếch tân trở thănh yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng (sự hạn chế khuếch tân), nồng độ cơ chất trở thănh yếu tố điều khiển phản ứng lăm sạch.
Bể lọc sinh học thường hay bị tắc nghẽn, giâ thănh của vật liệu lọc khâ cao, hăm lượng cặn lơ lửng ra khỏi bể lớn.
3.2.2.3 Động học của quâ trình phđn hủy kỵ khí
Tương tự quâ trình hiếu khí, động học quâ trình giữ vai trò chủ đạo trong phât triển vă vận hănh hệ thống xử lý kỵ khí nước thải. Dựa văo kiến thức hoâ sinh vă vi sinh của quâ trình kỵ khí, động học cung cấp cơ sở hợp lý để phđn tích kiểm soât vă thiết kế quâ trình.
Mặt khâc, động học cũng liín quan đến câc yếu tố môi trường vận hănh ảnh hưởng đến tốc độ phđn hủy hoặc sử dụng chất thải.
Quâ trình xử lý sinh học được mô tả bằng câc công thức toân học dựa trín lý thuyết quâ trình nuôi cấy vi sinh liín tục. Động học sinh trưởng vi sinh căn cứ văo mối quan hệ cơ bản: tốc độ sinh trưởng vă tốc độ sử dụng cơ chất. Nhiều mô hình toân học khâc nhau như Monod, Moser, Contois, Graus…) thể hiện sự ảnh hưởng hăm lượng cơ chất giới hạn sinh trưởng đối với tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật.