Với đặc thù COD cao ở trong những năm đầu tiên, để xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp sinh học ta nhất định phải trải qua giai đoạn xử lý yếm khí để giảm nồng độ COD đầu vào đủ thấp cho các công trình xử lý sinh học phía sau. Trong thí nghiệm của Cameron và Koch với hệ thống yếm khí với nhiệt độ từ 29-380C, các yếu tố cần thiết được bổ sung vào hệ thống ban đầu để đảm bảo tỉ lệ BOD:N:P thì nó có thể loại bỏ 65-80% BOD và 40-85% kim loại nặng khỏi nước rỉ rác.
Theo Mendez, ông chỉ ra rằng có thể xử lý được khoảng 65% COD với thời gian lưu nước là 8 ngày với nước rỉ rác mới, đồng thời nghiên cứu của ông cũng cho thấy hiệu quả xử lý COD với nước rỉ rác mới là cao hơn nước rỉ rác cũ khi tỉ lệ chất hữu cơ giảm xuống.
Đề tài này sẽ nghiên cứu khả năng xử lý của hệ thống UASB đối với nước rỉ rác trung bình, cụ thể là nước rỉ rác từ bãi rác Kiêu Kỵ, có hiệu quả như thế nào.
Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật yếm khí và vi sinh vật tùy tiện để phân huỷ các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải ở điều kiện không có oxi hoà tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (chủ yếu là CO2, CH4). Quá trình phân hủy yếm khí chất bẩn có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:
(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào vi sinh
Trong 10 năm trở lại đây do công nghệ sinh học phát triển, quá trình xử lý yếm khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lý các loại bã cặn chất thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao: BOD ≥ 10 - 30 (g/l).
Hiện nay các nhà khoa học đang cố gắng đầu tư nghiên cứu ứng dụng từ phòng thí nghiệm đến quy mô pilot với các mô hình có thể tích nhỏ đến quy mô lớn. Đã có trên dưới vài chục nhà máy xử lý sinh học yếm khí nước thải ở các nước như
38
Hà Lan, Hoa Kỳ, Thụy Sĩ, Cộng hòa liên bang Đức… do phương pháp này có các ưu điểm:
• Nhu cầu năng lượng thấp, không yêu cầu sục khí oxy do đó giảm giá thành; • Lượng bùn sinh ra thấp, chỉ có 15% chất hữu cơ chuyển hóa thành bùn; • Sản lượng khí sinh học cao (85%-90%) với nhu cầu dinh dưỡng thấp;
• Xử lý được nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao, không cần pha loãng nước thải cho quá trình xử lý hiếu khí, tiết kiệm được diện tích đất và chi phí đầu tư;
• Những chất có giá trị như amoni có thể được giữ lại; • Không gây ra các vấn đề về mùi;
• Bùn yếm khí có nhiều khoáng chất hơn bùn hiếu khí, do đó nó có thể làm phân bón nếu đã được loại bỏ kim loại nặng;
• Bùn yếm khí dễ lắng hơn so với bùn hiếu khí (cần bổ sung thêm bể lắng); Tuy nhiên, hệ thống này cũng có một số hạn chế lớn như:
- Nhiệt độ làm việc trên 300C;
- Hệ thống nhạy cảm với các chất độc hại và với sự thay đổi bất thường về tải trọng của công trình;
- Giai đoạn khởi động phức tạp với nhiều điều kiện nghiêm ngặt;
- Hiệu quả thấp hơn các phương pháp hiếu khí khi phải loại bỏ kim loại nặng;
- Cần thêm giai đoạn xử lý tiếp theo để đạt được tiêu chuẩn nước thải đầu ra.
1.3.2.1.Các loại hình, thiết bị công nghệ sinh học kỵ khí
39
trơ có cấu hình nhất định nhằm đảm bảo một diện tích bề mặt phủ lớn làm giá thể cho vi sinh vật. Hệ thống hoạt động ở dạng dòng chảy từ dưới lên. Sau một thời gian hoạt động, màng vi sinh vật hình thành và phát triển trên bề mặt giá thể, tạo thành tác nhân phân hủy các hợp chất hữu cơ [2].
Hệ thống cọc đệm giãn nở kỵ khí: Hệ thống lọc đệm giãn nở là hệ thống xử lý kỵ khí trong đó các vật mang có tính chất lý hóa thích hợp được đưa vào để giữ sinh khối. Hệ thống hoạt động bằng cách để cho vi sinh vật bám vào các bề mặt vật mang. Các hạt vật liệu với màng vi sinh vật bám vào được phân bố đều khắp thiết bị (đệm giãn nở) nhờ tốc độ dòng hướng lên thích hợp [2].
Hệ thống đệm bùn giãn nở: Bùn hạt là một dạng cố định đặc biệt của sinh khối kỵ khí có hình cầu, đường kính khoảng 1 – 3 mm, tỷ trọng khoảng 1,1 – 1,2 g/cm3.
Theo Guiot et al (1991) bùn hạt có thể chia làm ba lớp. Lớp ngoài cùng là khu vực có các vi khuẩn Hydrogenic acetogens, SRB, Methanosarcina và
Methanogens tiêu thụ hydrogen (HMB) chiếm ưu thế. Chúng tích cực tiêu thụ glucose, H2 và Acetate.
Lớp giữa là khu vực có các vi khuẩn Hydrogenic acetogens và Methanogens
tiêu thụ hydrogen (HMB) chiếm ưu thế. Chúng tích cực tiêu thụ propionate, H2 và acetate tạo ra CH3COOH.
Lớp trong cùng là khu vực có các vi khuẩn Methanosarcica spp chiếm ưu thế. Chúng tiêu thụ tích cực acetate tạo ra CH4 và CO2.
Hệ thống EGSB do Lettinga và cộng tác viên phát minh là một biến thể của UASB với khác biệt cơ bản nhất là EGSB sử dụng bùn hạt hoàn toàn và được thiết kế sao cho tốc độ dòng hướng lên đủ lớn để phân bố bùn hạt đều khắp không gian thiết bị. Hệ thống này có thể vận hành với tốc độ dòng hướng lên tới 5 -10 m/h. Và EGSB có rất nhiều điểm chung với FBABR, ngoại trừ việc sử dụng bùn hạt, thay vì các hạt vật liệu hỗ trợ cố định hóa sinh khối [4].
40
Hệ thống bùn kỵ khí dòng chảy ngược (Upflow Anaerbic Slugde Blanket – UASB): Trong những năm 1970, G. Lettinga và cộng tác viên đã phát triển thiết bị đệm bùn kỵ khí dòng hướng lên (UASB) để xử lý một số loại hình nước thải cường độ cao. Một tính chất quan trọng hàng đầu của UASB là khả năng duy trì một lượng sinh khối (kỵ khí) lớn trong hệ thống, và vì vậy cho phép thiết bị hoạt động với tải trọng cao. Hệ thống UASB cũng được phát triển tiếp với một số biến thể như EGSB hay USBF (upflow sludge bed filter). Sinh khối trong hệ thống có đường kính 1 -3mm, vì thế có tên là bùn hạt. Mặc dù việc hình thành bùn hạt không phải là yếu tố quyết định với sự hoạt động của UASB, nó vẫn là một điều luôn được mong muốn để đạt được tải trọng cao.
41
Trong thiết bị UASB, nước thải được đưa vào đáy bể và chảy từ dưới lên xuyên qua lớp bùn sinh học và quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra tại đây, với các sản phẩm cuối cùng chủ yếu là khí methane và carbonic. Quá trình tách khí gây ra sự xáo trộn nhất định bên trong bể phản ứng, có tác dụng trộn đều nước thải với sinh khối. Lớp bùn được giữ ở trạng thái lơ lửng nhờ tốc độ dòng thích hợp.
Hình 1.6. Mô hình bể UASB hình hộp [4]
Ưu điểm nổi bật:
- Không tốn nhiều năng lượng;
- Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp;
- Tạo ra lượng bùn có hoạt tính cao nhưng lượng bùn sản sinh không nhiều, giảm chi phí xử lý;
- Loại bỏ chất hữu cơ với lượng lớn, hiệu quả. Xử lý BOD trong khoảng 600 ÷ 15000 mg/l đạt từ 80-95%;
- Có thể xử lý một số chất khó phân hủy;
42
Cấu tạo bể UASB
Được xây dựng bằng gạch hoặc bê tông cốt thép, có nắp kín bằng gỗ, nhựa, kim loại hoặc bê tông. Bể UASB được lựa chọn rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy công nghiệp thực phẩn hoặc cho các khu dân cư.
Hình 1.7: Bể yếm khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược [9]
Bể có cấu tạo 2 ngăn: Ngăn lắng và ngăn lên men. Trong bể diễn ra 2 quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại. Nhờ các vi sinh vật có trong bùn hoạt tính và các chất bẩn trong nước thải đi từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể, các vi sinh vật liên kết với nhau lại hình thành các hạt bùn đủ lớn đủ để không bị rửa trôi ra khỏi thiết bị. Bùn được xả khỏi bể UASB từ 3-5 năm/lần nếu nước thải có đi qua bể lắng hoặc 3-6 tháng/lần nếu nước thải được xử lý trực tiếp. Bể được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao.
- Ưu điểm: Chi phí đầu tư, vận hành thấp, lượng hóa chất bổ sung ít, không đòi hỏi phải cấp khí, ít tốn năng lượng, có thể thu hồi, tái sử dụng năng lượng biogas, lượng
43
bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao, giảm diện tích công trình.
- Khuyết điểm:
+ Giai đoạn khởi động kéo dài;
+ Dễ bị sốc khi chất lượng nước vào biến động; + Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại;
+ Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động [8].
Hình 1.8: Bể UASB trên thực tế [10]
1.3.2.2.Ưu điểm của công nghệ sinh học kỵ khí
So với công nghệ sinh học hiếu khí, công nghệ sinh học kỵ khí có một số ưu điểm nổi bật sau đây:
Tải trọng phân hủy hữu cơ cao;
Nhu cầu năng lượng thấp, do không cần năng lượng cấp khí; Có thể thu hồi năng lượng thông qua việc gom và đốt khí methane;
44
Chịu được các thay đổi đột ngột về lưu lượng và tải lượng hữu cơ; Sinh ra ít bùn;
Thiết kế đơn giản; Tiết kiệm mặt bằng.
Trong những năm gần đây, nhiều kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy công nghệ sinh học kỵ khí có thể được áp dụng để xử lý hàng loạt chất thải vốn rất khó phân hủy trong điều kiện hiếu khí chẳng hạn như loại nước thải nhuộm, các chất hữu cơ clo hóa.
Ngoài ra, công nghệ sinh học kỵ khí sẽ có một ưu thế lớn nếu được áp dụng ở một nước có điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt Nam trong các lĩnh vực xử lý nước thải [5].