Nước thải từ khu vực chuồng nuôi sau khi được thu gom vào bể thu gom qua máy ép phân thì sẽ được dẫn tới hệ thống bể Biogas được xây dựng gần với hệ thống chuồng trại. Khi mới vào bể với mơi trường kỵ khí, nước thải bị phân hủy tại bể để lên men tạo ra hỗn hợp khí (gồm: CH4, CO2 và một số loại khí khác) và cặn (gồm cặn lắng và cặn lơ lửng). Lượng khí sau q trình phân hủy sẽ thốt lên phần chứa khí và đẩy phần cặn lơ lửng lên phía trên bể để tiếp tục phân hủy (theo định luật bảo tồn năng lượng thì lượng chất thải đầu vào ln nhiều hơn lượng cặn phát sinh trong bể do một phần chất thải đã bị phân hủy tạo ra khí, vì vậy quy trình phân hủy các chất thải ln theo một vịng trịn). Sau một thời gian phân hủy thì phần cặn lơ lửng sẽ lắng dần và thốt ra ngồi để tiếp tục được xử lý bằng hệ thống bể Aerotank, còn phần cặn bùn sẽ được lắng xuống đáy bể và định kỳ 1 năm/lần sẽ tiến hành hút cặn đưa đi ủ.
Đáy bể và bạt phủ mặt bể được thi cơng bằng bạt HDPE dày 1 mm, hàn mí tạo thành bể khép kín.
* Đối với khí gas từ bể Biogas:
Để đảm bảo nguồn khí Biogas phát sinh từ q trình phân hủy kỵ khí trong bể Biogas khơng bị rị rỉ và phát sinh vào mơi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường không khí cũng như gây nên sự cố cháy nổ thì quy trình sử dụng khí được thể hiện như sau:
- Đối với túi khí được thi cơng hồn tồn bằng bạt HDPE dày 1mm bằng đất sét xung quanh túi khí của bể Biogas, q trình đầm đất sét phải được đầm chặt với chiều dày 0,5 m và chiều rộng 1,5 m để đảm bảo khí gas khơng bị rị rỉ ra mơi trường khơng khí.
Đầu vào của hầm phân hủy là một hố lắng có gắn hệ thống si phơng để thu gom chất thải từ khu vực chuồng trại và dẫn chất thải vào hầm phân hủy. Hố lắng thường được bố trí tại góc chuồng, cạnh hầm phân hủy với kích thước rộng 0,2m x dài 0,4m x sâu 0,3m. Ống si phông là nơi dẫn chất thải vào hầm và vừa là một van nước khơng cho khí thốt ra ngồi. Ống si phơng được đặt nghiêng 300.
Đầu ra của hệ thống gồm một ống xả có vai trị dẫn bã thải (dưới dạng dịch thải) từ hầm phân hủy ra ngoài, ấn định mực nước tĩnh trong hầm. Ống xả là một ống làm bằng vật liệu PVC, có đường kính 110-150 mm, dài 80-100 cm, một cạnh dài bằng 1/3 độ sâu của phần dịch phân hủy. Ống xả đặt ở vị trí có cốt thấp hơn đầu vào và nghiêng 45°.
Lắp van an tồn: Có nhiệm vụ ổn định áp suất gas luôn ở mức 5 cm cột nước cho toàn bộ hệ thống. Van an toàn được lắp đặt đúng thiết kế, đảm bảo khí gas khơng bị thất thốt ra bên ngồi.
Lắp đặt thiết bị sử dụng khí gas bằng bếp đun nấu. Các thiết bị được nối với đường ống dẫn khí thơng qua một van bi bằng đồng đảm bảo kín khí khi đóng.
* Bể điều hịa tập trung:
Bể điều hòa tập trung có nhiệm vụ ổn định dịng chảy và các chất sau bể biogas trước khi đưa nước thải vào bể điều hòa lưu lượng.
* Bể điều hịa:
Bể điều hịa có nhiệm vụ điều hịa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải một cách ổn định trước khi đưa vào các cơng trình đơn vị phía sau, đặc biệt là cụm bể sinh học giúp cho các vi sinh có thể thích nghi với nước thải trong điều kiện ổn định, tránh được tình trạng vi sinh bị sốc tải. Bên cạnh đó, bể điều hịa lưu lượng và nồng độ giúp cho các q trình sử dụng hóa chất cũng như chế độ hoạt động của các thiết bị cơ khí như bơm, máy thổi khí được duy trì một cách ổn định.
Bể điều hịa được Máy thổi khí cấp khí liên tục nhằm xáo trộn để giải phóng lượng chlor dư (sinh ra do cơng tác vệ sinh khử trùng) trong nước thải, đồng thời phân hủy một phần chất hữu cơ trong nước thải. Sục khí làm thống sơ bộ, tránh phân hủy kỵ khí gây mùi hơi. Nước thải sau khi được ổn định lưu lượng và nồng độ tại Bể điều hòa sẽ được bơm vào bể UASB để tiếp tục quá trình xử lý.
* Bể UASB:
Bể UASB là một trong những sự phát triển đáng ghi nhớ nhất trong công nghệ xử lý kỵ khí. Bể UASB được định nghĩa là bể kỵ khí trong đó nước thải được cấp vào bể từ dưới lên tiếp xúc qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng và xử lý. Trong suốt quá trình kỵ khí, các chất hữu cơ hịa tan và khơng hịa tan sẽ được chuyển hóa hồn tồn thành khí metan (70-80%) và CO2 (20-30%) qua 4 q trình: thủy phân, axit hóa, acetate hóa và metan hóa. Q trình chuyển hóa chất hữu cơ bằng phương pháp kỵ khí được diễn ra khá phức tạp và chủ yếu liên quan đến 3 nhóm vi sinh vật sau:
Vi khuẩn axit hóa: Được biết đến như các vi khuẩn lên men, chúng hịa tan các hợp chất có khả năng phân hủy sinh học khơng tan hoặc khơng có khả năng hịa tan (cellulose, tinh bột, protein, lipid), thủy phân các phân tử polyme (polysaccaride) tạo nên các sản phẩm đơn giản và có khả năng hịa tan như là oligosaccharides và đường, peptit, amino axit, và các axit béo tự do, và sau đó được lên men thành các axit béo chuỗi ngắn (acetic, propionic, butylic...), các axit hữu cơ khác (axit lactic, axit citric), H2, CO2. Các vi khuẩn này phát triển một cách mạnh mẽ, nhanh và phong phú. Chúng
làm việc trong một khoảng giá trị nhiệt độ và pH rộng và không nhạy cảm với chất độc.
Vi khuẩn axetate hóa: Cũng được gọi là các vi khuẩn kỵ khí buộc phải sản sinh khí Hydro. Chúng chuyển hóa các axit béo như axit lactic, axit citric và rượu thành axit acetate, H2 và CO2. Nhưng quá trình này chỉ hoạt động thuận lợi nếu như H2 nhanh chóng được chuyển hóa và khơng được phép tích tụ lại như một sản phẩm trung gian.
Các vi khuẩn này thì khá nhạy cảm hơn khi điều kiện thay đổi. Chúng sinh trưởng chậm và sinh khối sinh ra ít. Chúng hoạt động tại một khoảng giá trị nhiệt độ và pH hẹp hơn và nhạy cảm với các chất độc. Thực tế, điều đó có nghĩa là chuỗi q trình phản ứng phân hủy kỵ khí sẽ thất bại khi các vi khuẩn này ngừng làm việc. Kết quả là tăng nồng độ của các axit hữu cơ, đặc biệt là axit propionic, điều đó chứng tỏ là hiệu quả làm việc của bể không hiệu quả.
Thực tế, người cơng nhân vận hành có thể sử dụng giá trị VFA (axit béo bay hơi) để quan sát chuỗi phản ứng.
Vi khuẩn Metan hóa
Có 2 loại:
Vi khuẩn metan sử dụng Hydro sản sinh khí metan từ H2 và CO2 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
Vi khuẩn metan sử dụng axit acetic chuyển hóa acetate thành CH4 và CO2 CH3COOH → CH4 + CO2
Thực tế, nhóm vi khuẩn thứ 2 là nhóm quan trọng nhất, thực hiện hầu hết các công việc. Các vi khuẩn metan đặc biệt là nhóm vi khuẩn thứ hai thì nhạy cảm hơn với những điều kiện thay đổi và cũng sinh trưởng chậm và sinh khối phát sinh ít. Chúng hoạt động trong những khoảng nhiệt độ pH hẹp và nhạy cảm với các chất độc.
Các phương trình kỵ khí được diễn ra như sau: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH → CH4 + CO2
4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
Về chi tiết, đặc điểm thiết kế bể UASB là nước thải vào bể với lưu lượng liên tục và có thể điều chỉnh qua một hệ thống phân phối dưới đáy bể. Bể UASB được thiết kế đặc biệt có khả năng phân tách được 3 pha rắn, lỏng, khí diễn ra tại đỉnh bể. Nước thải sau khi dâng lên qua lớp bùn kỵ khí với sự chuyển hóa của các vi sinh vật kỵ khí, hỗn hợp bùn + nước thải sẽ vượt qua thiết bị phân tách 3 pha tại đỉnh bể. Kết quả là nước thải sẽ theo máng tràn răng cưa tự chảy qua Bề trung gian, bùn thải với trọng lượng nặng hơn va vào thiết bị phân tách và tiếp tục được giữ lại trong bể, khí sinh học sinh ra theo ống dẫn sẽ được hút và đốt bỏ. Điều đặc biệt là các quá trình diễn ra trong bể UASB không cần thiết phải sử dụng bất cứ thiết bị cơ khí nào để q trình chọn lọc tự nhiên được diễn ra các bông bùn già, nặng sẽ lắng xuống bể trong khi đó bùn kỵ khí hoạt tính vẫn được giữ ở trạng thái lơ lửng và tiếp tục công đoạn xử lý tiếp theo.
Đối với vận hành bể UASB không cần thiết phải xả bùn thường xuyên vì cơ chế hoạt động của bể là chuyển hóa chất hữu cơ và sinh khí khác với cơ chế hoạt động của bể hiếu khí là chuyển hóa chất hữu cơ và sinh khối tăng lên. Tuy nhiên, công tác xả bùn vẫn được thực hiện linh hoạt trong quá trình quan sát vận hành bể UASB của cơng nhân vận hành, vì nếu bùn tại đáy bể một thời gian lâu sẽ tự phân hủy trở nên nhẹ hơn và có thể trơi ra ngồi cùng với nước thải sau xử lý.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6-0,9 m/h (nếu bùn ở dạng bùn hạt), pH thích hợp cho q trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6-7,6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1000-5000 mg/L) để bảo đảm pH của nước thải luôn luôn >6,2 vì ở pH<6,2, vi sinh vật chuyển hóa methane khơng hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2-3 giờ ở 35°C so với 2-3 ngày, ở điều kiện tối ưu). Do đó, trong q trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ khơng được q cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa.
Bể UASB được xây bằng bê tơng cốt thép, trát xi măng xung quanh để chống thất thốt nước thải chưa qua xử lý ra mơi trường ra bên ngoài.
* Bể trung gian 1:
Nước thải từ bể UASB sẽ tự chảy qua Bể trung gian 1, nhiệm vụ của bể này là điều hòa lưu lượng, nồng độ trước khi vào bể Anoxic và một phần nước được bơm tuần hồn về Bể UASB, nhằm mục đích đảm bảo vận tốc dòng nước trong Bể UASB ln ổn định duy trì trong khoảng 0,6-0,9 m/s. Sau khi quá trình vận hành đạt ổn định lượng nước có trong các bể và nước thải chạm mốc phao trong bể trung gian nước thải sẽ tự chảy về cụm xử lý sinh học, đầu tiên là Bể Anoxic.
Bể trung gian 1 được xây bằng bê tông cốt thép, trát xi măng xung quanh để chống thất thoát nước thải chưa qua xử lý ra mơi trường ra bên ngồi.
* Bể Anoxic:
Bể Anoxic được sử dụng nhằm khử nitơ từ sự chuyển hóa nitrate thành nitơ tự do. Lượng nitrate này được tuần hoàn từ lượng bùn tuần hoàn từ Bể lắng và lượng nước thải từ Bể Aerotank (đặt sau Bể Anoxic). Nước thải sau khi khử nitơ sẽ tiếp tục tự chảy vào Bể Aerotank kết hợp nitrate hóa.
Thơng số quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả khử nitơ là (1) thời gian lưu nước của Bể Anoxic; (2) nồng độ vi sinh trong bể; (3) tốc độ tuần hoàn nước và bùn từ Bể Aerotank và Bể lắng; (4) nồng độ chất hữu cơ phân hủy sinh học; (5) phần nồng độ chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học; (6) nhiệt độ. Trong các thông số trên, phần nồng độ chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học đóng vai trị cực kì quan trọng trong việc khử nitơ. Nghiên cứu cho thấy nước thải cùng một nồng độ hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học (bCOD) nhưng khác về thành phần nồng độ chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (rbCOD). Trường hợp nào có rbCOD càng cao, tốc độ khử nitơ càng cao.
Hai hệ enzyme tham gia vào q trình khử nitrate:
- Đồng hóa (assimilatory): NH3 → NO3- , tổng hợp tế bào, khi N-NO3- là dạng nitơ duy nhất tồn tại trong môi trường
- Dị hóa (dissimilatory) → q trình khử nitrate trong nước thải.
+ Q trình đồng hóa: 3NO3- + 14CH3OH + CO2 + 3H+ → 3C5H7O2N + H2O + Q trình dị hóa:
Bước 1: 6NO3- + 2CH3OH 6NO2- + 2CO2 + 4H2O Bước 2: 2NO2- + 3CH3OH 3N2 + 3CO2 + 3H2O + 6OH-
6NO3- + 5CH3OH 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH-
+ Tổng quá trình khử nitrate:
NO3- + 1,08CH3OH + H+ → 0,065C5H7O2N + 0,47N2 + 0,76CO2 + 2,44H20 Bể Anoxic được khuấy trộn bằng Mixer nhằm giữ bùn ở trạng thái lơ lửng và nhằm tạo sự tiếp xúc giữa nguồn thức ăn và vi sinh. Hồn tồn khơng được cung cấp oxi cho bể này vì oxi có thể gây ức chế cho vi sinh vật khử nitrate.