3.2.1. Tổng quan về UASB
Bể UASB là bể sinh học kị khí dòng chảy ngược qua lớp bùn (Upflow anaerobic sludge blanket) được gọi với nhiều tên tuỳ theo quy mô xử lý như, lò phản ứng UASB, bể UASB, ở quy mô phòng thí nghiệm thường được gọi là cột UASB.
3.2.1.1. Bể UASB
Loại bể UASB này được thiết kế bởi Lettinga và các cộng sự viên vào 1983 ở Netherlands. Loại bể UASB này thích hợp cho việc xử lý các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao và thành phần vật chất rắn thấp. Bể UASB gồm 2 khu vực:
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 23 --- khu vực phân hủy và khu vực lắng. Trong khu vực phân huỷ chia thành hai lớp: lớp bùn đặc ở dưới đáy cột và một lớp thảm bùn ở giửa hầm, khu vực lắng chứa dung dịch lỏng ở phía trên. Nước thải được nạp vào bể UASB từ đáy hầm, nó đi xuyên qua lớp thảm bùn rồi đi lên trên và ra ngoài. Các chất rắn trong nước thải được tách ra bởi thiết bị tách chất khí và chất rắn trong hầm. Các chất rắn sẽ lắng xuống lớp thảm bùn do đó nó có thời gian lưu trữ trong cột cao và hàm lượng chất rắn trong hầm tăng. Lúc bể UASB mới bắt đầu hoạt động khả năng lắng của các chất rắn rất thấp nhưng khi nó đã được tích trữ nhiều và tạo thành các hạt bùn thì khả
năng lắng tăng lên và sẽ góp phần giữ lại các VSV hoạt động. Khoảng 80 đến 90% quá trình phân hủy diễn ra ở thảm bùn này. Thảm bùn này chiếm khoảng 30 đến 60% thể tích của bể UASB.
Hình 5. Sơ đồ bể UASB Trong đó: 1. Đầu vào
2. Đầu ra 3. Biogas
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 24 ---
4. Thiết bị giữ bùn (VSV) 5. Khu vực lắng
3.2.1.2. Sử dụng biogas
Dựa trên cơ sở nhiệt trị của Biogas (4500 – 6300 Kcal/m3), Hesse (1982) ước tính rằng 1m3 Biogas đủ để:
Chạy một động cơ 1 ngựa trong 2 giờ Cung cấp một điện năng khoảng 1.25 KWh
Cung cấp năng lượng để nấu ăn ngày 3 buổi cho gia đình 5 người Thắp sáng trong vòng 6 giờ (độ sáng tương đương đèn 60 W) Chạy 1 tủ lạnh 1m3 trong 1 giờ
Chạy một lò úm 1m3 trong nửa giờ
Như vậy 1m3 Biogas tương đương với 0,4 kg dầu diesel, 0,6 kg dầu hỏa, 0,8kg than.
Sử dụng Biogas để chạy động cơ Diesel: trong các hệ thống xử lý kết hợp yếm khí và hiếu khí người ta cần sử dụng điện năng để chạy máy bơm, máy nén khí... do đó Biogas được sử dụng để chạy động cơ diesel, chúng ta nên loại bỏ CO2
và H2S để đạt hiệu quả cao và giảm độ ăn mòn máy doH2S .
Cách lọc CO2
Vì CO2 có thể hòa tan trong nước do đó việc sục Biogas qua nước được coi là phương pháp đơn giản nhất để loại CO2. Ngoài ra CO2 còn có thể bị hấp thu bởi những dung dịch kiềm, do đó ta cũng có thể dùng dung dịch NaOH, Ca(OH)2 và KOH để loại CO2. Các phương trình phản ứng như sau:
2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O (q) Na2CO3 + CO2 + H2O 2NaHCO3
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 25 --- Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
1 kg vôi nung hòa tan trong 1m3 nước đủ để loại 300 L CO2.
Khả năng hòa tan của CO2 trong nước được thể hiện trong bảng Bảng 1.
Áp suất Nhiệt độ (oC) atm kg/cm2 0 10 20 30 40 1 1,03 0,40 0,25 0,15 0,10 0,10 10 10,3 3,15 2,15 1,30 0,90 0,75 50 51,7 7,70 6,95 6,000 4,80 3,90 100 103 8,00 7,20 6,66 6,00 5,40 200 207 - 7,95 7,20 6,55 6,05 (Theo Nonhebel (1972), trích dẫn bởi Chongrak, 1989)
Bảng 1. Khả năng hòa tan của CO2 trong nước (kg CO2/100 kgH2O)
Loại H2S
NaCO3 ở phương trình (q) có thể dùng để loại H2S trong Biogas qua phản ứng sau:
H2S + Na2CO3 NaHS + NaHCO3
Một cách đơn giản khác là cho Biogas đi qua mạt sắt trộn lẫn với dăm sắt phay. Phản ứng loại H2S như sau:
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 26 --- Sau khi sử dụng oxyt sắt được tái sinh bằng cách đem Fe2S3 phơi nắng, ta có:
2Fe2S3 + 3O2 2Fe2O3 + 3S2
3.2.1.3. Điều kiện để UASB hoạt động tốt
UASB hoạt động tốt với các điều kiện sau: Bùn kị khí có tính lắng tốt.
Có bộ phận tách khí - rắn nhằm tránh rửa trôi bùn khỏi bể. Phần lắng phía trên có thời gian lưu nước đủ lớn, phân phối và thu nước hợp lý sẽ hạn chế dòng chảy rối. Khi đó hạt bùn đã tách khí đến vùng lắng có thể lắng xuống và trở lại ngăn phản ứng.
Hệ thống phân phối nước đầu vào đảm bảo tiếp xúc tốt giữa nước thải vào với bùn sinh học. Mặt khác, khí biogas sinh ra sẽ tăng cường sự xáo trộn giữa nước thải và bùn, vì vậy không cần khuấy cơ khí.
3.2.2.Quá trình phát triển công nghệ UASB
Công nghệ UASB đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp từ trước năm 1997. Lò phản ứng UASB thông thường thích hợp xử lý các loại nước thải có nồng độ COD khá cao với tải trọng từ khoảng 10 đến 15 Kg COD/m3/ngày. Vì thế, công nghệ UASB được đánh giá là công nghệ khá hoàn chỉnh.
Tuy nhiên, với mục tiêu hướng đến việc đạt được hiệu xuất xử lý cao hơn đã làm xuất hiện mô hình UASB thứ hai với lớp bùn kị khí trong lò phản ứng dày hơn gọi tắt là EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) và có quá trình lưu thông tuần hoàn bên trong gọi là IC (Interal Circulation). Đây cũng được xem là một thành công lớn trong việc cải tiến lò phản ứng UASB. Sau khi ra đời, lò phản ứng UASB cải tiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều năm qua.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 27 --- Mặt khác, để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực xử lý nước thải, lò phản ứng UASB lại được cải tiến lên một bậc. Chính nhờ sự cải tiến này mà ta có thể kiểm soát được nhiệt độ trong lò phản ứng. Từ đó, tạo điều kiện nhiệt độ thích hợp cho quá trình phát triển của vi sinh vật, nâng cao hiệu quả xử lý. Tuy nhiên, cùng với việc có thể xử lý một lượng nước thải lớn hơn, lượng biogas sinh ra cũng nhiều hơn, điều này dẫn đến khuynh hướng gây ra hiện tượng trào bùn từ lò phản ứng UASB.
Để giải quyết vấn đề trên, một dạng lò phản ứng UASB lại được nghiên cứu. Kết quả, người ta đã đưa ra một dạng lò phản ứng UASB có chia ngăn bên trong và có gắn thiết bị tách khí rắn (Gas Solids Separator - GSS). Với dạng lò phản ứng UASB này, lượng bùn được duy trì cao, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu suất xử lý và lượng biogas thu được.
Ngày nay, sự phát triển của công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp thực phẩm dẫn đến việc tạo ra một lượng nước thải hỗn tạp khổng lồ. Chính vì vậy, việc xử lý nước thải cũng ngày càng gặp nhiều khó khăn. Có rất nhiều phát minh và nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều công nghệ cũng như kỹ thuật nhằm đem lại hiệu quả xử lý ngày càng cao cho vấn đề nước thải. Và công nghệ UASB được xem là khá hoàn chỉnh và được ứng dụng rộng rãi không chỉ bởi hiệu quả xử lý cao mà còn bởi những ưu điểm về kinh tế và kỹ thuật vận hành của nó.
3.2.3.Ưu điểm và nhược điểm của việc xử lý nước thải bằng công nghệ UASB
Ưu điểm
Lượng bùn sinh ra ít.
Lò phản ứng tương đối đơn giản và chi phí xây dựng thấp. Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 28 --- Không đòi hỏi cung cấp oxy.
Sản xuất năng lượng hữu ích ví dụ như khí methane. Có thể ứng dụng cho cả hệ thống xử lý lớn và nhỏ. Lượng chất dinh dưỡng vi lượng đòi hỏi thấp. Có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp (10 oC)
Có thể điều chỉnh nhiệt độ trong lò phản ứng đến nhiệt độ mong muốn để nâng cao hiệu quả xử lý.
Nhược điểm
Thời gian khởi động ban đầu phải mất từ 8 – 10 tuần tuỳ theo loại bùn hoạt tính được sử dụng.
Đòi hỏi phải có kinh nghiệm thực tế về vận hành hệ thống xử lý nước thải ứng dụng công nghệ UASB.
Vi khuẩn kị khí nhạy cảm với hợp chất hóa học độc như toluen, axeton, benzen, ngoài ra còn đặc biệt nhạy cảm với có crom (Cr3+/Cr6+) và đồng.
3.2.4.Khởi động mô hình UASB
3.2.4.1. Bùn nuôi cấy ban đầu
Bùn nuôi cấy ban đầu phải có độ hoạt tính methane. Độ hoạt tính methane càng cao thì thời gian khởi động càng ngắn. Bùn hạt hoặc bùn lấy từ 1 bể kị khí là tốt nhất. Ngoài ra, có thể sử dụng bùn chứa nhiều chất hữu cơ như bùn từ bể tự hoại, phân gia súc hoặc phân chuồng. Một số loại bùn có thể sử dụng trong cột UASB được trình bày trong Bảng 2.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 29 ---
STT Loại bùn Hoạt tính methane (kgCH4-COD/kgVSS) Hàm lượng VSS (kg/m3) 1 Bùn hạt 0.80 – 1.50 15 – 35 2 Bùn từ các bể kị khí khác 0.40 – 1.20 10 – 25 3 Bùn cống rãnh 0.02 – 0.10 8 – 20 4 Phân chuồng 0.02 – 0.08 20 – 80 5 Bùn bể tự hoại 0.01 – 0.02 15 – 50 6 Phân bò tươi 0.001 – 0.006 30 – 100 7 Phân gia súc khác 0.001 – 0.004 30 - 100
Bảng 2. Các loại bùn nuôi cấy ban đầu cho bể xử lý kị khí
Nồng độ bùn cung cấp ban đầu cho bể UASB tối thiểu là 10kg VSS/m3. Lượng bùn cho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.
Khi không có bùn nuôi cấy tốt, ở giai đoạn khởi động phải hết sức cẩn thận, đặc biệt lưu ý vận tốc nước đi lên. Nếu vận tốc quá lớn, bùn trong bể sẽ bị cuốn trôi ra ngoài.
Bể phải khởi động ở tải trọng thấp hoặc nồng độ COD thấp. Khi bể hoạt động cần theo dõi lượng khí sinh học sinh ra, hiệu quả xử lý hoặc chất lượng nước đầu ra. Chỉ tăng tải trọng khi mọi thứ hoạt động tốt và không có một trở ngại nào.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 30 --- Khi có loại bùn nuôi cấy tốt, bể UASB có thể vận hành ở tải trọng 3kg COD/m3/ngày và thời gian lưu nước khoảng 24 giờ.
Ở giai đoạn này cần tạo điều kiện cho vi khuẩn methane phát triển do bùn nuôi cấy ban đầu thường có rất ít lượng vi khuẩn. Vì vậy, giai đoạn khởi động thường mất rất nhiều thời gian.
3.2.4.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình. Bể UASB có thể hoạt động ở nhiệt độ ấm (30 – 35 oC) hoặc nóng (50 – 55 oC). Nhiệt độ tối ưu cho quá trình hoạt động của bể UASB là 35 oC. Khi nhiệt độ dưới 10 oC vi khuẩn tạo methane hầu như không hoạt động.
3.2.4.3. pH
pH tối ưu cho quá trình hoạt động của bể UASB dao động trong phạm vi hẹp, từ 6,5 đến 7,5. Nếu pH giảm thì ngưng nạp nguyên liệu. Vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng acid tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo CH4.
3.2.4.4. Nước thải
Trước khi vận hành bể UASB cần phải xem xét thành phần tính chất nước thải, cần xử lý cụ thể hàm lượng chất hữu cơ, khả năng phân hủy sinh học của nước thải, tính đệm, hàm lượng vi lượng chất dinh dưỡng, hàm lượng cặn lơ lửng, các hợp chất độc, nhiệt độ nước thải,…
3.2.4.5. Hàm lượng chất hữu cơ
Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải có thể được xác định theo COD. Khi COD nhỏ hơn 100mg/l, xử lý nước thải này bằng USAB không thích hợp. Khi COD > 50.000mg/l, cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
--- 31 ---
3.2.4.6. Khả năng phân huỷ sinh học của nước thải
Khả năng phân hủy sinh học của nước thải có thể xác định bằng cách: cho một lượng COD đã định lượng trước vào trong mô hình tĩnh và theo dõi lượng khí methane sinh ra hoặc lượng COD còn lại trong thời gian dài khoảng 40 ngày. Khi đó có thể đánh giá dễ dàng khả năng phân hủy sinh học của nước thải.
3.2.4.7. Chất dinh dưỡng
Nhu cầu dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn kị khí thường thấp hơn so với vi khuẩn hiếu khí.
Hàm lượng tối thiểu của các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng có thể được tính theo tỷ lệ (COD/Y) : N : P : S = (50/Y : 5 : 1 : 1). Trong đó Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào nước thải. Nước thải không dễ acid hóa có Y = 0.15 ; nước thải dễ acid hóa có Y = 0.03.
3.2.4.8. Hàm lượng cặn lơ lửng
Công nghệ UASB không thích hợp đối với nước thải có hàm lượng SS lớn. Khi nồng độ cặn lơ lửng lớn hơn 3000mg/l, cặn này khó có thể phân hủy sinh học được trong thời gian lưu nước ngắn và sẽ tích lũy dần trong bể gây trở ngại cho quá trình phân hủy nước thải. Tuy nhiên, nếu lượng cặn này bị cuốn trôi ra khỏi bể thì không còn trở ngại gì.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ UASB
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 33 ---
CHƯƠNG 4:
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI
TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC TƯƠNG BẰNG
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 34 ---
4.1. CƠ SỞ THỰC NGHIỆM ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Nước thải do quá trình sản xuất nước tương có tính chất chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân hủy chủ yếu là các hydratecarbon, protein và xelluloza giống như các ngành chế biến thực phẩm khác, do đó tham khảo một số nghiên cứu xử lý nước thải của một số ngành chế biến thực phẩm là cơ sở để xây dựng mô hình thí nghiệm nghiên cứu xử lý nước thải từ quá trình sản xuất nước tương.
4.1.1.Một số nghiên cứu xử lý nước thải của ngành thực phẩm ứng dụng mô hình UASB ứng dụng mô hình UASB
4.1.1.1. Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm giàu protein và chất béo bằng bể phản ứng kị khí dòng ngược UASB đa giàu protein và chất béo bằng bể phản ứng kị khí dòng ngược UASB đa giai đoạn ưa nhiệt
Đây là một thí nghiệm tiến hành trong thời gian 600 ngày, được thực hiện bởi một nhóm nhà khoa học thuộc bộ phận kỹ thuật môi trường của trường kỹ thuật Nagaoka, tại Nhật Bản. Thí nghiệm được thực hiện tại nhà máy sản xuất bánh đậu từ hạt đỗ tương.
Thí nghiệm nhằm khám phá và kiểm tra hiệu quả xử lý của lò phản ứng UASB nhiều ngăn đối với nước thải của quá trình sản xuất thực phẩm có nồng độ lipid và protein cao.
Lò phản ứng UASB được hoạt động ở nhiệt độ 55 oC trong thời gian 600 ngày và được chia thành 4 giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất từ ngày 1 cho đến ngày thứ 75, giai đoạn thứ hai từ ngày thứ 76 đến ngày thứ 165, giai đoạn thứ ba bắt đầu từ ngày 169 đến ngày thứ 400, giai đoạn thứ tư là thời gian sau ngày thứ 400 (từ ngày thứ 401 đến ngày thứ 600).
XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH
--- 35 --- Nước thải từ quy trình sản xuất bánh đậu sẽ được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho lò phản ứng UASB trong nghiên cứu này. Thành phần đặc trưng của nước thải được trình bày trong Bảng 3.
Thành phần Đơn vị Hàm lượng pH 5.4 Nhiệt độ oC 57 Tổng số 21.520 COD mg/l Hoà tan 14.240