CHƯƠNG 3: CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ KỴ KHÍ NƯỚC THẢI
3.2. CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ TỐC ĐỘ CAO
Trên hình 7 mô tả sơ đồ nguyên lý hoạt động của các hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao. Về cơ bản, có hai cơ chế lưu bùn được sử dụng.
(1) Cố định bùn: sử dụng vật liệu lưu giữ bùn. Loại này bao gồm bể lọc kỵ khí dòng chảy xuôi hoặc dòng chảy ngược (hình 7a và 7b) và các bể phản ứng có tầng bùn đáy hoạt động theo cơ chế dòng chảy tuần hoàn (hình 7c) hoặc cơ chế tạo lớp bùn lơ lửng (hình 7d).
Hình 7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của các hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao.
(a) Lọc kỵ khí dòng chảy ngược (LKKN); (b) Lọc kỵ khí dòng chảy xuôi(LKKX) (c) Tầng bùn đáy chuyển động (BCĐ); (d) Tầng bùn đáy giãn nở (BGN)
(d) Quá trình tiếp xúc ; (f ) UASB
( g ) Bể kỵ khí dòng chảy ngược; (h) Tầng bùn hạt giãn nở (BHGN)
(2) Tách lỏng - rắn và tuần hoàn chất rắn đã được tách. Loại này bao gồm quá trình tiếp xúc, quá trình kỵ khí giống như quá trình bùn hoạt tính (hình 7c) có dùng thêm bể lắng riêng biệt và bể UASB (hình 7g)
Các loại hệ thống xử lý kỵ khí khác nhau đã được áp dụng rộng để xử lý nước thải của nhiều loại hình công nghiệp, nhưng cho đến nay quá trình xử lý kỵ khí hiếm khi được sử dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt, vì vậy các thông tin thực nghiệm còn rất hạn chế. Trên thực tế, kinh nghiệm vận hành các hệ thống xử lý kỵ khí tốc độ cao mới chỉ hạn chế ở việc sử dụng các công trình: bể lọc kỵ khí, bể kỵ khí với lớp bùn chuyển động và giãn nở, bể UASB có hoặc không có thiết bị tách pha lỏng - rắn. Do vậy, trong phần này chỉ tập trung thảo luận các phần này.
3.2.1. Bể lọc kỵ khí
Bể lọc kỵ khí (LKK) chủ yếu được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp, mặc dù còn ở mức độ tương đối hạn chế. Bể LKK có thể hoạt động tốt với tải lượng hữu cơ 10÷20 kg COD/m3.ngđ khi có nồng độ và tính chất của các thành phần hữu cơ trong nước thải không có tính độc hại. Nhược điểm lớn của hệ thống LKK là giá thành của các vật liệu lọc cao, thậm chí có thể ngang bằng với giá thành xây dựng công trình. Các hệ thống LKK thường được dùng để xử lý nước thải từ các loại nghành công nghiệp khác nhau, nhưng đối với nước thải sinh hoạt, hệ thống này còn ít được áp dụng với quy mô công suất lớn.
Các số liệu biểu thị khả năng hoạt động của một số hệ thống LKK (dòng chảy ngược có vật liệu lọc dạng rời và dạng cố định theo mô-đun) vận hành trong điều kiện phòng thí nghiệm và trong thực tế được tổng kết bằng biểu đồ logarit thể hiện mối quan hệ giữa hiểu suất xử lý COD và thời gian lưu nước (hình 8a). Quan hệ giữa các thông số này có thể được biểu thị bằng phương trình :
log (𝑆𝑟
𝑆𝑣) = −𝑐1log 𝐻𝑅𝑇 + 𝑐2 hay 𝐸 = 1 −𝑆𝑟
𝑆𝑣 = 1 − 𝑐2(𝐻𝑅𝑇)−𝑐1 Trong đó:
S – nồng độ chất nền (mg COD/L), v và r tương ứng với trước và sau xử lý;
c1,c2 – hằng số thực nghiệm;
HRT – thời gian lưu nước (ngđ).
Từ biểu đồ nêu trên hình 8a, ta thấy: c1 = 0,5 và c2 = 0,87, do đó công thức được viết thành:
𝐸 = 1 − 0.87 (𝐻𝑅𝑇)−0,5
3.2.2. Các hệ thống có lớp bùn đấy chuyển động và giãn nỡ
Trong các hệ thống có lớp bùn đáy chuyển động (hình 7c), vật liệu lưu giữ bùn có dạng hạt được giữ ở trạng thái luôn chuyển động do lực cản ma sát của dòng chảy ngược gây nên. Vật liệu lưu giữ bùn sử dụng trong hệ thống BCĐ cần có tỷ trọng thấp như chất dẻo hoặc antraxit nhằm giảm vận tốc cần thiết của dòng chất lòng chảy ngược, do đó giảm chi phí vận hành máy bơm. Quá trình BCĐ đòi hỏi đường kính của hạt vật liệu nhỏ hơn 3mm và vận tốc dòng chảy ngược khoảng 20m/h. Nước thải sau xử lý được tuần hoàn để đảm bảo duy trì độ ổn định của vận tốc dòng chảy ngược. Độ sâu của bể dao động từ 4 đến 6 m. Với diện tích tiếp xúc bề mặt lớn của hạt vật liệu trong tần bùn chuyển động sẽ đảm bảo khả năng lưu giữ được lượng sinh khối lớn trong hệ thống. Quá BCĐ rất khả thi trong XLNT hữu cơ với các mức nồng độ đa dạng; ở nhiệt độ dưới 35OC, tải lượng hữu cơ 10÷40 kg COD/m3.ngđ, hệ thống BCĐ có thể đạt hiệu suất xử lý COD trên 90%. Bể BCĐ có thể duy trì được nồng độ sinh khối cao, chịu được tải lượng hữu cơ lớn. Do vận hành theo chế độ tuần hoàn nước sau xử lý nên bể BCĐ có khả năng tự điều chỉnh (pha loãng nồng độ hữu cơ đầu vào bằng dòng tuần hoàn), tránh được các hiện tượng gây sốc đột ngột có thể xảy ra do các dao động lớn về nồng độ chất hữu cơ trong nước thải đầu vào. Các bể này cũng đòi hỏi nhiều diện tích xây dựng. Quá trình BCĐ phù hợp nhất với nước thải chứa các thành phần ô nhiễm ở dạng hòa tan vì hệ thống không có khả năng giữ lại các chất rắn. Các cửa vào và ra của bể cần được thiết kế đảm bảo sự phân bố dòng chảy tốt. Nhược điểm của hệ thống BCĐ bao gồm nhu cầu điện năng vận hành bơm nhằm duy trì trạng thái chuyển động của vật liệu và bùn trong hệ thống, chi phí vật liệu lưu giữ bùn cao, cần kiểm soát và duy trì sự ổn định của chiều cao tầng bùn chuyển động trong hệ thống, kiểm soát xả bùn dư, thời gian khởi động lâu.
Hình 8. Quan hệ hàm số giữa hiệu suất xử lý COD và thời gian lưu nước trong một số công trình xử lý kỵ khí tốc độ cao.
(a) Bể lọc kỵ khí; (b) Tầng BCĐ hoặc BGN; (c) Kỵ khí dòng chảy ngược;
(d) UASB
Quá trình xử lý kỵ khí với tầng bùn đáy giãn nở (BGN) (hình 7d) khác với khái niệm BCĐ bởi vận tốc dòng chảy ngược được áp dụng thấp hơn nhiều. Để giữ cho lớp vật liệu đệm có thể giãn nỡ, một phần nước sau xử lý được tuần hoàn bằng bơm nhằm tăng vận tốc dòng chảy ngược. Tỷ lệ giãn nở bùn đáy dao động trong khoảng 10%÷20%, chiều cao sau giãn nỡ khoảng 50% chiều cao hiệu dụng của bể, và vận tốc dòng chảy ngược khoảng 2 m/h. Những điều kiện này sẽ tạo sự va chạm giữa các phần tử hạt và làm bong lớp màng sinh học bám trên bề mặt hạt nhanh hơn. Vật
liệu đệm thường sử dụng là cát thạch anh có đường kính 0,2÷0,5 mm. Than hoạt tính dạng hạt gốm, zeolit cũng có thể là vật liệu phù hợp.
Trên hình 8 thể hiện các kết quả quan trắc hiệu suất xử lý và thời gian lưu nước trong quá trình vận hành một số hệ thống BCĐ và BGN. Một quan hệ giữa các thông số này có thể được thể hiện theo công thức sau:
𝐸 = 1 − 0,56 (𝐻𝑅𝑇)−0,6
3.2.3. Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí
Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (UASB) (xem hình 7f) được Lettinga và các đồng nghiệp triển khai vào những năm 1970 tại Đại học Wagenengen, Hà Lan. Bể UASB là hệ thống kỵ khí tốc độ cao được sử dụng rộng rãi nhất trong xử lý kỵ khí chất thải. Sơ đồ cấu tạo bể UASB được mô tả trên hình 9. Thiết bị đặt thù nhất của bể UASB là bộ phận tách pha rắn-lỏng-khí. Thiết bị này đã được bố trí ở phần trên của bể và chia bể thành 2 phần: phần dưới là phần phần hủy, và phần trên là vùng lắng. Nước thải được phân phối đều vào tại vùng đáy, chảy ngược qua lớp bùn và vào các vùng lắng thông qua các kẽ hở giữa các bộ tách pha.
Do bộ tách pha có cấu tạo thành nghiêng dốc, diện tích phần nước trong vùng lắng tăng dần theo chiều dâng của dòng chảy, nên vận tốc dòng chảy ngược giảm dần khi chất lỏng chảy về phía điểm xả. Do vận tốc chất lỏng giảm dần, phần bùn bị cuốn theo dòng chảy vào vùng lắng có thể kết tụ và lắng xuống. Tới một thời điểm nào đó, khi trọng lượng của lớp bùn kết tụ trên bộ tách pha sẽ vượt quá lực ma sát có thể giữ nó trên bề mặt nghiêng dốc, bùn sẽ trượt xuống khoang phân hủy phía dưới và lại tham gia vào sinh khối bùn có vai trò phân hủy chất hữu cơ trong nước thải đầu vào. Như vậy, vùng lắng ở phía trên giúp cho hệ thống có thể giữ được khối lượng bùn lớn trong bể UASB đồng thời hạn chế được tối thiểu nồng độ chất lơ lửng trong nước sau xử lý.
Các bọt khí sinh học phát sinh từ quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong lớp bùn đáy nổi lên theo chiều dòng chảy tới bề mặt phân giới các pha lỏng-khí bên trong thiết bị tách pha. Cao trình bề mặt phân giới này có thể ngang bằng với cao trình mặt phân giới nước-khí trong vùng lắng, hoặc có thể ở mức thấp hơn nếu sử dụng van thủy lực để tăng áp suất của khí sinh học(xem hình 9). Các bông bùn dình
trên hoặc bị cuốn theo bọt khí có thể nổi lên mặt phân giới của thiết bị tách khí, nhưng sau đó sẽ lắng xuống khi các bọt khí thoát vào pha khí từ mặt phân giới. Các vách ngăn được bố trí bên dưới các khe hở giữa các thiết bị gom khí có tác dụng hướng dòng, ngăn không cho bọt khí lọt vào vùng lắng phía trên nhằm hạn chế khả năng tạo dòng chay rối làm cản trở quá trình lắng của các hạt bùn.
Hình 9. Sơ đồ cấu tạo bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua lớp bùn kỵ khí ( UASB)
Một đặc tính quan trọng của quá trình UASB là khả năng tạo bùn dạng hạt (đường kính 1 ÷ 5 mm) trong hệ thống. Các hạt bùn hình thành trong bể UASB có độ bền cơ học và tỷ trọng cao, khả năng lắng tốt và độ hoạt tính tạo metan cao. Bùn dạng hạt được hình thành chủ yếu trong quá trình xử lý các loại nước thải chứa các chất hòa tan. Khả năng tạo bùn hạt liên quan đến các điều kiện vận hành bể UASB và đặc tính của nước thải cần xử lý. Cho tới nay, chưa thấy có hiện tượng tạo hạt nào trong các loại bể UASB xử lý nước thải thô. Trong tất cả các trường hợp, chỉ có các bông bùn được hình thành trong các bể UASB xử lý nước thải thô. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý BOD và TSS đạt được vẫn ở mức cao, điều này chứng tỏ việc tạo bùn hạt không phải là điều kiện nhất thiết cho việc xử lý thành công nước thải trong bể UASB.
Để giảm chi phí xây dựng, bể xử lý kỵ khí dòng chảy ngược (hình 7g), một dạng
tách pha nhưng có bố trí khoang lắng nhỏ gắn liền bền trong. Bộ tách pha là thiết bị thiết yếu trong bể UASB, do vậy hệ thống này sẽ được xem xét riêng.
Trên hình 8c và 8d mô phong kết quả vận hành các mô hình bể kỵ khí dòng chảy ngược và bể UASB. Từ các biểu đồ này có thể xây dựng được các công thức kinh nghiệm sau:
- Đối với bể kỵ khí dòng chảy ngược :𝐸 = 1 − 0,53 (𝐻𝑅𝑇)−0,64 - Đối với bể UASB : 𝐸 = 1 − 0,68(𝐻𝑅𝑇)−0,68
3.2.4. Bể xử lý kỵ khí với tầng bùn hạt giãn nỡ
Bể xử lý với tầng bùn hạt giãn nỡ (BHGN) (hình 7h) do Van der Last (1991) phát triển, có đặc điểm là lớp bùn dạng hạt hoạt động theo phương thức giãn nở nhờ tốc độ dòng chảy ngược cao hơn, tức là từ 6÷12 m/h (vận tốc này chỉ ở mức 1÷2 m/h trong bể UASB). Bể BHGN có hiệu suất xử lý chất hữu cơ hòa tan tương đối cao thậm chí trong điều kiện nhiệt độ thấp, do tạo được điều kiện tiếp xúc tốt giữa chất hữu cơ và các hạt bùn. Hệ thống BHGN đặc biệt hữu ích trong điều kiện nhiệt độ thấp, nước có nồng độ hữu cơ thấp, khả năng sinh khí, và do đó, mức độ xáo trộn do bọt khí tạo ra thấp. Trong điều kiện này, mức động năng cao hơn của dòng chảy vào và chiều cao tăng hơn của lớp bùn hạt đã giãn nở sẽ giúp hệ thống hoạt động tốt hơn với bể UASB thông thường.
Hình 10. Quan hệ giữa hiệu suất xử lý chất hữu cơ và thời gian lưu nước
Bể phản ứng BHGN không xử lý được các chất hữu cơ không hòa tan do vận tốc dòng chảy ngược cao. Chất rắn lơ lửng chảy vào được đảy quan tầng bùn hạt và theo dòng chảy rời khỏi hệ thống. Mặt khác, các chất dạng keo có thể được xử lý một phần do được hấp thụ vào các bông bùn.