CHƯƠNG 3: CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ KỴ KHÍ NƯỚC THẢI
3.1. HỆ THỐNG XỬ LÝ KỴ KHÍ CỔ ĐIỂN
3.1.1. Những ứng dụng đầu tiên
Ứng dụng đầu tiền của quá trình phân hủy kỵ khí để xử lý nước thải được tiến hành trong bể khí được Mouras triển khai tại Pháp vào cuối thế kỷ trước. Vào khoảng đầu thế kỷ 20, một số hệ thống xử lý kỵ khí mới đã được triển khai ví dụ như bể tự hoại của Cameron ở Anh, bể lắng hai vỏ của Imhoff ở Đức. Trong cả hai hệ thống này, nước thải chảy qua phần trên của hệ thống, bùn cặn lắng xuống tạo ra vùng kỵ khí ở đáy bể. Các thành phần chất rắn lắng được có trong nước thải sẽ lắng xuống vùng đáy và được phân hủy trong điệu kiện kỵ khí. Trong bể tự hoại, hiệu suất lưu giữ các chất rắn lắng được có thể bị ảnh hưởng bởi các chất trôi nổi dâng lên từ đáy, hoặc do sự kết dính các chất rắn bởi các bọt khí sinh học tạo thành hỗn hợp váng. Điều này không xảy ra trong bể lắng hai vỏ do các chất rắn được lắng xuống khoang phân hủy riêng và bọt khí phát sinh dâng lên từ đáy không vào được khoang lắng. Trong thời gian sau, xuất hiện các bể lắng hai vỏ cải tiến. Tại các bể này, các chất rắn tích tụ trong khoang phân hủy được gia tăng nhiệt, vì vậy làm tăng tốc độ phân hủy kỵ khí. Thời gian lưu giữ nước trong bể tự hoại và bể lắng hai vỏ là một đến hai ngày, đủ để loại bỏ các chất rắn lắng được. Do vậy, các hệ thống này trên thực tế là các hệ thống xử lý sơ cấp kết hợp xử lý sinh học các chất rắn lắng được.
Trong các hệ thống xử lý kỵ khí thời đầu, việc xử lý được tiến hành trên cơ sở quá trình lắng các chất hữu cơ lơ lững. Do chỉ một phần các chất hữu cơ chảy vào là có thể lắng được (một phần ba tới một nữa), nên hiệu suất xử lý tối đa của các hệ thống này chỉ đạt 30÷50% tính theo chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và phụ thuộc nhiều vào tính chất của nước thải và khả năng lắng cặn.
Hiệu quả xử lý thấp của các hệ thống sơ cấp có thể được cho là do thiết kế chưa hợp lý. Do khả năng tiếp xúc kém giữa các vi sinh vật kỵ khí trong hệ thống và các thành phần chất hữu cơ không lắng được trong nước thải đầu vào, phần lớn chất hữu cơ hòa tan hoặc đã được thủy phân không được chuyển hóa bị cuốn trôi theo dòng thải ra khỏi hệ thống. Tại thời điểm đó, các khái niệm và ý nghĩa của việc tạo khả năng tiếp xúc tốt giữa chất hữu cơ và các quần thể vi khuẩn chưa được nhận
thức đầy đủ. Khả năng hoạt động kém của hệ thống kỵ khí đã phát sinh các thành kiến cho rằng khả năng xử lý của hệ thống này kém hơn so với các hệ thống hiếu khí, các thành kiến này vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay. tuy nhiên, tong cùng khoảng thòi gian đó, từ có các kết quả nghiên cứu được triển khai trong thực tế đã cho thấy rằng hệ thống xử lý kỵ khí hiện đại được thiết kế hợp lý có thể đạt được hiệu suất xử lý cao đối với các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học, thậm chí với thời gian lưu nước rất ngắn.
3.1.2. Hồ sinh học kỵ khí
Hồ sinh học kỵ khí về cơ bản không khác biệt với các hệ thống xử lý kỵ khí thời đầu được mô tả trong phần trên. Chúng cũng là các hệ thống lưu chuyển với cặn lắng kỵ khí được tích tụ ở phần đáy. Các hồ kỵ khí có khối tích lớn hơn các hệ thống xử lý bước đầu rất nhều, và thường không được che đậy. Việc khuấy trộn nước trong hệ thống (độ sâu 2÷5 m) có thể xảy ra nhờ chuyển động dâng lên của các bọt khí sinh học, cũng do tác động của gió và ánh nắng mặt trời (khuấy trộn cơ học và khuấy trộn nhiệt). Hồ kỵ khí thường chỉ dùng riêng cho xử lý nước thải, đặc biệt là được sử dụng như bước tiến xử lý trong một chuỗi các hồ làm ổn định nước thải. Thời gian lưu nước thải trong các hồ kỵ khí (thồng thường từ hai đến năm ngày) thường lâu hơn trong các hệ thống xử lý nước đầu và do đó hiệu suất xử lý chất hữu cơ cũng cao hơn. Với thời gian lưu nước từ một đến năm ngày, hồ kỵ khí có thể xử lý BOD trong nước thải sinh hoạt đạt hiệu suất 50÷70% (Mara, 1976).
Trên hình 6 biểu thị kết quả một số nghiên cứu về quan hệ hàm số giữa hiệu suất xử lý BOD và thời gian lưu nước.
Trong bảng 3 tóm tắt các điều kiện vận hành hồ kỵ khí thực hiện tại các nghiên cứu khác nhau. Mặc dù các số liệu thí nghiệm có dải tương đối rộng, nhưng có thể thấy rõ là hiệu suất có xu hướng tăng khi tăng thời gian lưu nước. Từ các kết quả thí nghiệm có thể xây dựng công thức thực nghiệm xác định quan hệ giữa hiệu suất xử lý và thời gian lưu (hydraulic retention time – HRT). Quan hệ tuyến tính của đồ thị logarit trên hình 6 sẽ là :
𝐸 = 1 − 2,4 𝐻𝐵𝑇0,50 Trong đó: E – hiệu suất xử lý chất hữu cơ (%).
Bảng 3. Các điều kiện vận hành hồ kỵ khí trong xử lý nước thải sinh hoạt.
Tham khảo HRT (ngđ) Tải lượng hữu
cơ (kg/m3.ngđ)
Nhiệt độ (oC)
1.Gloyna (1971) 4,5 5.5 0,03 0,05 23
2.Gloyna và Aguirra (1972)
4,5 5.5 0,06 0,12 32
3.Marais và Shaw (1961)
0,75 0,23 19
3.0 0,06 19
4.Lakshminaray ana (1972)
1,0 2,0 0,053 25
1,0 2,0 0,053 30
5.Parker (1959) 1,0 0,25 19
6.Parker (1970) 5,0 0,23 19
7.Lakshminaray ana (1972)
10,0 0,023 19
8.Meiring và cs.
(1968)
0,5 0,4
9.McGarry và Pescod (1970)
1,0 2,0 0,68 30
1,0 2,0 0,26 30
10.Sastry và Mohanras (1976)
2,0 7,0 0,80 0,33
11.Collazos (1990)
0,4 0,9 0,46 0,25 26
Hình 6. Quan hệ hàm số giữa hiệu suất xử lý BOD và thời gian lưu nước trong hồ sinh học kỵ khí
Để đạt hiệu suất xử lý BOD trên 80%, cần thời gian lưu nước lâu xấp xỉ sáu ngày. Với tải lượng hữu cơ dưới 1000 kg BOD/ ha.ngđ hay 0,1 kg BOD/m2.ngđ, chức năng xử lý của hồ sẽ có xu hướng tùy tiện ( tức là có điều kiện hiếu khí tại lớp nước bề mặt) hơn là kỵ khí. Với các giá trị điển hình về độ sâu (2÷3 m) và BOD đầu vào ( 250mg/L hay 0,25 kg/m3), hồ có thể đạt được mức tải 0,1 kg-BOD/m2.ngđ với thời gian lưu bằng 0,25 x (2÷3)/0,1 = (5÷7) ngày. Vì vậy, cần có thời gian lưu ít hơn sáu ngày nhằm đảm bảo điều kiện kỵ khí trong hồ.