1. Giới thiệu chung
Xử lý khí thải bằng biện pháp sinh học là việc ứng dụng các loài vi khuẩn có khả năng tham gia phân hủy các chất ô nhiễm trong dòng khí bẩn, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ.
Tuy nhiên, có một số loài vi khuẩn chuyên biệt có thể phân huỷ hợp chất vô cơ nhƣ H2S, NH3...
Kỹ thuật xử lý khí thải bằng biện pháp sinh học đƣợc ứng dụng để xử lý các loại khí thải do hoạt động thƣơng mại và công nghiệp có nồng độ chất ô nhiễm thấp. Hệ thống lọc sinh học trƣớc đây thƣờng đƣợc thiết kế để xử lý mùi của các hệ thống xử lý nƣớc thải, các nhà máy tái chế, quá trình ủ phân compost.
Sau đó, nó đƣợc ứng dụng phổ biến trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các hợp chất hữu cơ khác.
Quá trình sinh học là quá trình "xanh", điều mà các quá trình truyền thống khác không thể đạt đƣợc. Nhƣ:
Phƣơng pháp đốt với bất kỳ lƣợng nhiên liệu nào cũng sản sinh ra NOx, bụi, SOx, và CO.
Trong khi đó, các thiết bị phản ứng sinh học không hề thải ra chất bẩn hay chất độc hại.
Quá trình sinh học có chi phí thấp hơn so với các biện pháp kỹ thuật xử lý truyền thống khác:
Phƣơng pháp oxy hóa nhiệt và oxy hoá xúc tác phải tốn một lƣợng lớn nhiên liệu
Phƣơng pháp sinh học chỉ cần một lƣợng nhỏ năng lƣợng điện cho hoạt động của một số động cơ.
Ngoài ra thì thiết bị sinh học không cần con ngƣời trong toàn thời gian vận hành mà chỉ cần cung một lƣợng nhỏ các chất dinh dƣỡng.
Bảng 3.5: So sánh giữa các phương pháp xử lý khí thông thường
Chi phí vận hành Chi phí đầu tƣ Chi phí bảo dƣỡng Rủi ra ô nhiễm Xử lý tất cả khí có mùi Hiệu quả xử lý Hấp thụ bằng nƣớc Cao Thấp Thấp Có Không Thấp
Thiêu đốt Cao Cao Cao Có Có Cao
Hấp phụ bằng than hoạt tính
Cao Cao Cao Không Có Cao
Hấp thụ hoá học Thấp Cao Cao Có Có Cao
Các công trình sinh học dùng để xử lý khí thải là: Lọc sinh học, lọc sinh học nhỏ giọt và tháp sinh học…
Nguyên tắc chính của hệ thống xử lý là tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất ô nhiễm trong khí thải:
Dòng khí thải đi qua các khe rỗng của lớp vật liệu tiếp xúc.
Các vi sinh vật bám trên lớp vật liệu sẽ phân hủy các chất ô nhiễm trong không khí nhƣ là nguồn cơ chất cho sự sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật.
2. Cơ chế của quá trình sinh học xử lý khí thải
Khi cho dòng khí qua bể lọc sinh học, các chất ô nhiễm chuyển hóa từ pha khí sang pha lỏng bởi nhiều phƣơng thức khác nhau (phụ thuộc vào nồng độ các chất ô nhiễm, sự chuyển hóa bề mặt và hệ số chuyển hóa sinh khối).
Sau đó, trong pha lỏng, các chất ô nhiễm sẽ bị chuyển hóa với sự tham gia của vi sinh vật trong bể lọc sinh học (sự chuyển hóa xảy ra dƣới dạng phản ứng oxy hóa khử):
Quá trình chuyển hóa sinh học biến đổi các chất ô nhiễm thành sinh khối, sản phẩm của quá trình trao đổi chất hoặc CO2 và H2O.
Dòng khí ô nhiễm chứa ammonia hoặc amines thì sẽ bị chuyển hóa thành nitrat.
Dòng khí ô nhiễm chứa H2S thì sẽ bị chuyển hóa thành ion SO42-.
Sinh khối hình thành trong bể lọc sinh học đƣợc tuần hoàn để cung cấp dinh dƣỡng cho dòng khí.
a. Sự chuyển hóa khí
Sự cân bằng pha lỏng và pha khí (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự chuyển hóa nồng độ các chất ô nhiễm trong pha khí vào pha lỏng tuân theo các định luật Henry:
CG = H.CL Tốc độ chuyển hóa L t( *L L) t( G L) C H C K C C K dt dC G L L L t G V V C C K dt dC ) ( * Trong đó:
CG: Nồng độ chất ô nhiễm trong pha khí, mg/m3 CL: Nồng độ chất ô nhiễm trong pha lỏng, mg/L
CL*: Nồng độ chất ô nhiễm trong pha lỏng ở trạng thái cân bằng, mg/L H: Hằng số Henry, atm.L/mol hay g/L khí/ L lỏng
Kt: Hằng số tốc độ chuyển hóa, ngày-1 VL: Thể tích pha lỏng
VG: Thể tích pha khí
Theo Frenundlich: n L f ads k C C 1/ Theo Langmuir: L L L ads C k C C C max. Trong đó:
Cads: Nồng độ chất ô nhiễm trong pha khí, mg/m3 CL: Nồng độ chất ô nhiễm trong pha lỏng, mg/L Cmax: Nồng độ chất ô nhiễm cực đại đƣợc thụ kf: Hằng số hấp thụ Frenundlich
kL: Hằng số hấp thụ Langmuir
Sự chuyển hóa sinh học phụ thuộc vào thành phần dòng khí, đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu làm giá thể.
Giá thể lám bằng vật liệu hữu cơ thích hợp cho sự sinh trƣởng của nhiều loại sinh vật khác nhau: vi khuẩn, nấm, tảo, protozoa..
Trong khi đó giá thể làm bằng vật liệu sợi tổng hợp trơ lại chứa ít lòai vi sinh vật hơn.
3. Ứng dụng quá trình sinh học xử lý khí thải
a. Lọc không khí bằng phương pháp lọc sinh học:
Giới thiệu tổng quát
Lọc sinh học là một biện pháp xử lý ô nhiễm tƣơng đối mới. Đây là một phƣơng pháp hấp dẫn để xử lý các chất khí có mùi hôi và các hợp chất hữu cơ bay hơi có nồng độ thấp.
Hình dạng phổ biến của một hệ thống lọc sinh học giống nhƣ một cái hộp lớn, một vài hệ thống có thể lớn bằng sân bóng rổ, một vài hệ thống có thể nhỏ độ một yard khối (0,76 m3). Nguyên tắt chính của hệ thống xử lý là tạo
điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với các chất ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc khí thải này là nơi chứa các nguyên liệu lọc và nơi sinh sản cho các vi sinh vật. Trong hệ thống này, các vi sinh vật sẽ tạo thành một màng sinh học (biofilm), đây là một màng mỏng và ẩm bao quanh các nguyên liệu lọc. Trong quá trình lọc, khí thải đƣợc bơm chậm xuyên qua hệ thống lọc, các chất ô nhiễm trong khí thải sẽ bị các nguyên liệu lọc hấp thụ. Các chất khí gây ô nhiễm sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây, các vi sinh vật sẽ phân hủy chúng để tạo nên năng lƣợng và các sản phẩm phụ là CO2 và H2O theo phƣơng trình sau:
Chất hữu cơ gây ô nhiễm + O2 → CO2 + H2O + nhiệt + sinh khối Lịch sử phát triển
Trong khi việc sử dụng các hệ thống lọc sinh học chƣa đƣợc phổ biến ở Mỹ thì hàng trăm hệ thống lọc sinh học đã đƣợc ứng dụng thành công và có hiệu quả ở Châu Âu (Hà Lan, Tân Tây Lan, Đức) và Nhật Bản. Hệ thống lọc sinh học trƣớc đây thƣờng đƣợc thiết kế để xử lý mùi của các hệ thống xử lý nƣớc thải, các nhà
máy tái chế, quá trình ủ phân compost. Sau đó, nó đƣợc ứng dụng phổ biến trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các hợp chất hữu cơ khác.
Sau đây là một số mốc lịch sử của việc phát triển hệ thống lọc sinh học:
· 1923 Phƣơng pháp xử lý sinh học đƣợc đề nghị sử dụng để xử lý các chất khí có mùi hôi.
· 1955 Phƣơng pháp xử lý sinh học đƣợc áp dụng để xử lý các chất khí có mùi hôi ở nồng độ thấp ở Đức.
· 1960 Hệ thống lọc sinh học đƣợc sử dụng để xử lý các chất khí ô nhiễm ở Đức và Mỹ.
· 1970 Hệ thống lọc sinh học đạt đƣợc những thành quả cao ở Đức.
· 1980 Hệ thống lọc sinh học đƣợc sử dụng để xử lý các chất khí độc và các hợp chất hữu cơ bay hơi của các ngành công nghiệp.
· 1990 Hiện nay, hơn 500 hệ thống lọc sinh học đang hoạt động tại Đức, Hà Lan và phổ biến rộng ở Mỹ.
Việc xử lý mùi hôi đã đƣợc tiến hành từ những năm 1950 và lúc đó ngƣời ta thƣờng sử dụng hệ thống lọc qua đất, hay bể lọc sinh học nhỏ giọt. Các chất khí có mùi hôi thƣờng là hydrogen sulphite hay mercaptant và các hợp chất sulfur khác. Việc xử lý các chất hữu cơ bay hơi mới đƣợc áp dụng gần đây và trở nên phổ biến trong thập kỷ vừa qua và hiện nay còn đang đƣợc tiến hành nghiên cứu sâu thêm. Ví dụ, hiện nay một số nghiên cứu đã chứng minh đƣợc là các hệ thống lọc sinh học có thể dùng để xử lý các hợp chất hữu cơ có nhân thơm và các hợp chất béo, cồn, aldehydes, acid hữu cơ, acrylate, acid carbolic, amines và ammoniac.
Mô tả quá trình xử lý (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trƣờng cho vi sinh vật phát triển và phân hủy các chất khí có mùi hôi và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa các vi sinh vật và hấp thụ
hơi nƣớc, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc. Nguyên liệu lọc đƣợc thiết kế sao cho có khả năng hấp thụ nƣớc lớn, độ bền cao, và ít làm suy giảm áp lực luồng khí đi ngang qua nó.
Các hệ thống nhỏ hơn, phổ biến hơn với nhiều lớp nguyên liệu lọc đƣợc trình bày trong hình sau:
Các đơn vị nguyên liệu lọc này gọi là "khối sinh học" (Biocube) đƣợc thiết kế bởi EG&G Corporation có kích thƣớc cao khoảng 7 ft và đƣờng kính khoảng 6 ft. Việc sử dụng nhiều lớp nguyên liệu lọc kiểu này hạn chế đƣợc việc các nguyên liệu lọc bị dồn nén lại và việc các luồng khí xuyên thành những đƣờng thoát qua lớp nguyên liệu lọc. Hơn nữa, nó còn tạo sự thuận lợi trong việc bảo trì hay thay mới nguyên liệu lọc.
Trong quá trình lọc sinh học, các chất khí gây ô nhiễm đƣợc làm ẩm và sau đó đƣợc bơm vào một buồng phía bên dƣới nguyên liệu lọc. Khi chất khí đi ngang qua lớp nguyên liệu lọc, các chất ô nhiễm bị hấp thụ và phân hủy. Khí thải sau khi đã
lọc sạch đƣợc phóng thích vào khí quyển từ bên trên của hệ thống lọc. Hầu hết những hệ thống lọc sinh học hiện nay có công suất xử lý mùi và các chất hữu cơ bay hơi lớn hơn 90%. Tuy nhiên, hạn chế của phƣơng pháp này là chỉ xử lý đƣợc những khí thải có nồng độ chất ô nhiễm thấp (<1000ppm) và lƣu lƣợng khí xử lý chỉ nằm trong giới hạn 300-500 ft3/ft2-giờ.
Nguyên liệu lọc
Lớp nguyên liệu lọc ẩm tạo nên điều kiện lý học và hóa học thuận lợi cho việc chuyển đổi các chất ô nhiễm từ pha khí sang pha lỏng và quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm này bởi màng sinh học. Cơ chế của quá trình lọc sinh học bao gồm quá trình hấp phụ, hấp thụ và phân hủy bởi các vi sinh vật. Các vi sinh vật trong màng sinh học liên tục hấp thụ và biến dƣỡng các chất ô nhiễm, biến chúng thành các sản phẩm cuối cùng là nƣớc, CO2 và các loại muối.
Nguyên liệu lọc điển hình là hỗn hợp của các chất nền ủ phân compost, đất, cây thạch nam (heather), plastic và các phụ phẩm gỗ. Các nguyên liệu lọc nhằm cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp thụ và hấp phụ các chất ô nhiễm. Ngoài ra nó còn làm nhiệm vụ cung cấp chất dinh dƣỡng cho các vi sinh vật. Một vài loại nguyên liệu lọc không đáp ứng đƣợc về nhu cầu dƣỡng chất cho vi sinh vật, do đó chúng ta phải hiệu chỉnh bằng cách cho thêm vào các hợp chất đạm và phospho.
Các nguyên liệu lọc thƣờng có tuổi thọ từ 5 - 7 năm trƣớc khi phải thay mới. Các điểm cần quan tâm khi quyết định chọn nguyên liệu lọc:
Khả năng giữ ẩm để tạo lớp màng sinh học
· Có diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ và phát triển của vi sinh vật
· Có chứa các dƣỡng chất để cung cấp cho các vi sinh vật
· Tạo lực cản không khí thấp (giảm mức độ sụt áp và năng lƣợng cần sử dụng cho máy bơm)
· Các tính chất lý học khác nhƣ độ ổn định lý học và dễ dàng thao tác. Một số thông số thiết kế
Diện tích
Diện tích là một thông số đƣợc quan tâm hàng đầu trong việc thiết kế hệ thống lọc sinh học. Để xử lý lƣu lƣợng khí khoảng 30 ft3/phút, một hệ thống lọc sinh học có thể cần diện tích 25 ft2. Đối với những lƣu lƣợng khí lớn hơn, chúng ta cần những diện tích lớn hơn và có thể bằng diện tích một sân bóng rổ nhƣ đã nói ở trên.
Thành phần hóa học và hàm lƣợng của chất ô nhiễm trong khí thải
Phân tích thành phần hóa học và hàm lƣợng của nó trong khí thải cần thiết để xác định xem biện pháp lọc sinh học có thích hợp hay không. Các hệ thống lọc sinh học hoạt động tốt khi các hợp chất ô nhiễm (không hoà tan trong nƣớc) có nồng độ thấp (<1000 ppm). Một số hợp chất phân hủy sinh học rất chậm (nhƣ các hợp chất chlor) do đó đòi hỏi hệ thống xử lý có kích thƣớc lớn.
Thời gian lƣu trú là khoảng thời gian vi sinh vật tiếp xúc với luồng khí thải và đƣợc tính bằng công thức sau:
RT = Tổng thể tích các lỗ rỗng của lớp nguyên liệu lọc/lƣu lƣợng khí thải Thời gian lƣu trú càng dài sẽ cho hiệu suất xử lý càng cao. Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế chúng ta cần phải giảm thiểu thời gian lƣu trú để hệ thống có thể xử lý một lƣu lƣợng lớn hơn. Thông thƣờng, thời gian lƣu trú của các hệ thống lọc sinh học biến động trong khoảng 30 giây đến 1 phút.
Ẩm độ
Ẩm độ của luồng khí thải cần phải xử lý rất quan trọng vì nó giữ ẩm độ cần thiết cho các màng sinh học. Do đó, luồng khí thải thƣờng đƣợc bơm qua một hệ thống làm ẩm trƣớc khi bơm vào hệ thống lọc sinh học để đảm bảo ẩm độ của luồng khí thải đi vào hệ thống lọc sinh học phải lớn hơn 95%.
Kiểm soát pH
Các sản phẩm phụ của quá trình phân hủy sinh học là các acid hữu cơ. Để duy trì pH của hệ thống nằm trong khoảng thích hợp cho các vi sinh vật hoạt động, chúng ta cần cho thêm các dung dịch đệm pH.
Nguyên liệu lọc
Nguyên liệu lọc có thể bao gồm than bùn, cây thạch nam, phân ủ compost, than hạt hoặc các nguyên liệu thích hợp khác. Nói chung, các nguyên liệu này phải có khả năng cung cấp chất dinh dƣỡng cho vi sinh vật và không gây giảm áp luồng khí nhiều. Thêm vào đó, ẩm độ của các nguyên liệu lọc phải đƣợc duy trì ở mức 30 - 60% để cho quần thể các vi sinh vật phát triển. Do đó, bên cạnh thiết bị làm ẩm khí thải, ngƣời ta thƣờng lắp đặt hệ thống phun nƣớc cho các lớp nguyên liệu lọc.
Giảm áp
Việc giảm áp của luồng khí khi đi ngang lớp nguyên liệu lọc nên đƣợc hạn chế tối đa. Nếu lớp nguyên liệu lọc gây trở lực lớn cho nguồn khí, ta cần tiêu tốn thêm năng lƣợng cho máy thổi khí, gây tăng giá thành xử lý. Khả năng gây trở lực cho nguồn khí phụ thuộc vào ẩm độ và độ rổng của lớp nguyên liệu lọc. Độ ẩm tăng, độ rổng lớp nguyên liệu giảm là nguyên nhân gây tăng trở lực cho nguồn khí. Đối với các hệ thống điển hình mức độ giảm áp nằm trong khoảng 1 -10 hPa.
Bảo trì (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi bắt đầu đƣa vào hoạt động, hệ thống cần đƣợc chăm nom một lần/tuần. Sau khi hệ thống đã hoạt động ổn định và đã giải quyết tất cả các vấn đề có thể xảy ra. Tần số thăm nom có thể giảm xuống 1 lần/nửa tháng hoặc hàng tháng.
Ƣu và khuyết điểm của hệ thống lọc sinh học
Ưu điểm
· Ƣu điểm chính là giá thành thấp, giá vận hành thấp, ít sử dụng hóa chất.