1.3.3. Phương pháp sinh học
1.3.3.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo
Bể lọc sinh học là công trình nhân tạo, trong đó nước thải được lọc qua vật liệu rắn có bao bọc một lớp màng vi sinh vật. Bể lọc sinh học gồm các phần chính như sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều lên toàn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống phân phối khí cho bể lọc.
Quá trình oxy hóa chất thải trong bể lọc sinh học diễn ra giống như trên cánh đồng lọc nhưng với cường độ lớn hơn nhiều. Màng vi sinh vật đã sử dụng và xác vi sinh vật chết theo nước trôi khỏi bể được tách khỏi nước thải ở bể lắng đợt 2. Để đảm bảo quá trình oxy hoá sinh hóa diễn ra ổn định, oxy được cấp cho bể lọc bằng các biện pháp thông gió tự nhiên hoặc thông gió nhân tạo. Vật liệu lọc của bể lọc sinh
học có thể là nhựa Plastic, xỉ vòng gốm, đá Granit……
Bể lọc sinh học nhỏ giọt
Bể có dạng hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình tròn trên mặt bằng, bể lọc sinh học nhỏ giọt làm việc theo nguyên tắc sau :
Nước thải sau bể lắng đợt 1 được đưa về thiết bị phân phối, theo chu kỳ tưới đều nước trên toàn bộ bề mặt bể lọc. Nước thải sau khi lọc chảy vào hệ thống thu nước và được dẫn ra khỏi bể. Oxy cấp cho bể chủ yếu qua hệ thống lỗ xung quanh thành bể.
Vật liệu lọc của bể sinh học nhỏ giọt thường là các hạt cuội, đá… đường kính trung bình 20 – 30 mm. Tải trọng nước thải của bể thấp (0,5-1,5 m3/m3 vật liệu lọc /ngàyđêm). Chiều cao lớp vật liệu lọc là 1.5 – 2m. Hiệu quả xử lý nước thải theo tiêu chuẩn BOD đạt 90%. Dùng cho các trạm xử lý nước thải có công suất dưới 1000 m3/ngàyđêm.
Bể lọc sinh học cao tải
Bể lọc sinh học cao tải có cấu tạo và quản lý khác với bể lọc sinh học nhỏ giọt, nước thải tưới lên mặt bể nhờ hệ thống phân phối phản lực. Bể có tải trọng 10 – 20 m3nước thải/1m2bề mặt bể/ngàyđêm. Nếu trường hợp BOD của nước thải quá lớn người ta tiến hành pha loãng chúng bằng nước thải đã làm sạch. Bể được thiết kế cho các trạm xử lý dưới 5000 m3/ngày đêm.
1.3.3.2.2. Quá trình xử lý sinh học kỵ khí - bể UASB a) Quá trình xử lý sinh học kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ có trong nước thải trong điều kiện không có oxy để tạo ra sản phẩm cuối cùng là khí CH4 và CO2 (trường hợp nước thải không chứa NO3- và SO42-). Cơ chế của quá trình này đến nay vẫn chưa được biết đến một cách đầy đủ và chính xác nhưng cách chung, quá trình phân hủy có thể được chia ra các giai đoạn như sau:
Hình 1.2 quá trình phân hủy sinh học trong quá trình kỵ khí
phản ứng tổng quát của quá trình có thể được viết:
Hợp chất hữu cơ + H2O→sinh khối + CH4+CO2+NH3
Giai đoạn thủy phân
Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn giản hơn (để có thể thâm nhập vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân (vi khuẩn lên men). Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loài vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axit axetic, axit butyric, axit propionic, axit lactic... Và các khí
Chất hữu cơ phức tạp (gluxit, protein, lipit)
Chất hữu cơ đơn giản (đường đơn, peptit, axit amin, glixerin, axit béo)
Các axit béo dễ bay hơi (propionic, butiric, lactic...), etanol
CH4, CO2, H2O
H2,CO2 Axetat
CO2, H2, NH3.
Giai đoạn axit hóa
Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật hấp thụ nên cần được phân giải tiếp. Giai đoạn này bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng tế bào xuyên qua màng đến màng trong rồi đến tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển. Ở đó các axit amin, đường đơn và axit béo mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn, một ít khí hydro và khí CO2,... Giai đoạn này còn có thể là giai đoạn lên men.
Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương đối phức tạp, có thể tóm tắt như sau:
Glyxerin bị phân giải thành một số chất trung gian để tạo sản phẩm cuối cùng . Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối.
Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức tạp như sau:
Axit béo + CoA <=> acyl - CoA
Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzym Acyl-CoA snthetaza nằm ở màng trong tế bào vi khuẩn. Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit axetic.
Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit axetic là chủ yếu còn chứa các axit propionic.
Các axit béo chưa bảo hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt) trước khi trải qua quá trình oxy hóa β. Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peroxit, các axit trung gian cùng cơ thể được tạo thành từ các con đường khác (oxy hóaα,...)bởi một số nhóm vi khuẩn và nấm.
Sản phẩm lên men tạo mùi hôi thối khó chịu do H2S, indol, scatol, mecaptan... Được sinh ra và pH môi trường tăng dần lên.
Giai đoạn axetat hóa
Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình axit hóa nêu trên, ngoại trừ các axit axetic, do vậy các chất này cần được phân giải tiếp thành những phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là axit axetic, khí
H2, CO2, được tạo thành bởi vi khuẩn axetat hóa:
CH3CH2OH (ethanol)+H2O → CH3COO-+ H++ 2H2
CH3CH2COO-(propionic) + 3H2O→CH3COO-+ HCO3-+ H++ 3H2
CH3(CH2)2COO-(butyric) + 2H2O→ 2CH3COO-+ H+ + 2H2
Đặc điểm nổi bật của giai đoạn axetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với CO2. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ khí hydro bị ức chế hay bị chậm lạ, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó (bởi vi khuẩn axetat hóa) sẽ giảm mạnh.
Trong khi axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay hơi khác. Bản thân axit axetic ở nồng độ quá cao cũng gây pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải axit béo bay hơi. Nói chung, khoảng pH và nhiệt độ tối ưu giai đoạn này là 6,8 -7,8 và 35oc - 42oc.
Giai đoạn tạo metan
Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng các tổ hợp các con đường sau.
Con đường 1 :
CO2+ 4H2→ CH4+ 2H2O
Loại vi sinh vật hydrogenotrophi methanogen sử dụng cơ chất là hydro và CO2. Dưới 30% lượng metan sinh ra bằng con đường này.
Con đường 2
CH3COOH → CO2+ CH4
4CO + 2H2O → CH4+ 3CO2
Loại vi sinh vật acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành metan và CO2. Khoảng 70% lượng metan sinh ra qua con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải
phóng từ con đường này nhỏ. CO2 giải phóng ra lại được khử thành metan bằng con đường 1. Chỉ có 1 số loài vi sinh vật sử dụng được cơ chất là cacbon monoxit.
Con đường 3
CH3OH + H2→ CH4+ H2O
4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4+ 3CO2+ 4 NH3
Loại vi sinh vật methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl.
Chỉ một lượng không đáng kể được sinh ra bằng con đường này.
Nhiều nghiêng cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp. Quá trình lên men metan có thể sinh ra ở hệ sinh thái “lạnh” (10-15oc), ôn hòa (30 - 40oc) và thậm chí ở hệ sinh thái nóng (>45oc). Về hóa sinh trong giai đoạn lên men metan tất cả các hợp chất hữu cơ phức tạp đều chuyển về sản phẩm cuối cùng là CO2, H2và CH4được mô tả như sau
Hình 1.3 sơ đồ phản ứng xảy ra trong quá trình sinh học kỵ khí Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí
Tạp chất hữu cơ không tan (đạm và chất béo)
Vi khuẩn len men và vi khuẩn thủy phân
Các chất hữu cơ hòa tan
Vi khuẩn sản sinh
Các axit béo dễ bay hơi CO2, H2
Sản phẩm cuối cùng CH4, CO2, H2
Vi khuẩn sản sinh
Tế bào
Trao đổi chất nội sinh. Phân hủy tế bào
Tế bào Tế
bào
Thời gian lưu bùn
Thời gian lưu bùn (SRT) là thông số quan trọng thường được lựa chọn làm thông số thiết kế bể phân hủy. Giá trị SRT thường được chọn là 12 - 15 ngày. Nếu thời gian lưu bùn trong bể qua ngắn (<10 ngày), sẽ xảy ra hiện tượng cạn kiệt vi sinh vật lên men metan, tức là vi sinh vật loại bỏ lớn hơn vi sinh vật tạo thành.
Thời gian lưu nước (HRT) cũng là một thông số khá quan trọng. Khi thời gian lưu ngắn, áp suất riêng phần của khí hydro tăng lên, gây ức chế vi sinh vật sinh metan và ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học (hàm lượng metan thấp).
Nhiệt độ
Vùng nhiệt độ để xảy ra quá trình phân hủy kỵ khí khá rộng và mỗi vùng nhiệt độ thích hợp với từng loại vi sinh vật kỵ khí khác nhau. Vùng nhiệt độ ấm - trung bình: 20 - 45oc và vùng nhiệt độ cao - nóng: 45 - 65oc sẽ thích hợp cho sự hoạt động của nhóm vi sinh vật lên men metan. Một số nhóm vi sinh vật kỵ khí có khả năng hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp - lạnh: 10 - 15oc. Khi nhiệt độ < 10oc thì vi khuẩn tạo metan hầu như không hoạt động. Nhiệt độ tối ưu đối với sinh vật sinh metan là: ưa ấm - 35oc và hiếu nhiệt - 55oc.
pH
Trong quá trình xử lý kỵ khí, các giai đoạn phân hủy có ảnh hưởng trực tiếp qua lại lẫn nhau, làm thay đổi quá trình phân hủy chung. Đối với nước thải mới nạp vào công trình thì nhóm vi sinh vật axit hóa thích nghi hơn nhóm vi sinh vật metan hóa.
Khi pH giảm mạnh (pH<6) sẽ làm cho khí metan sinh ra giảm đi. Khoảng pH tối ưu giao động trong một khoảng hẹp từ 6,5 - 8,5.
Tính chất của chất nền
Hàm lượng tổng chất rắn (TS) của mẩu ủ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy. Hàm lượng chất rắn quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm.
Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi (VS) của mẩu thể hiện bản chất của chất rắn nền,
bao gồm những chất dễ phân hủy (đường, tinh bột) và những chất khó phân hủy (xenlulo, dầu mỡ ở hàm lượng cao). Tốc độ và mức độ phân hủy của mẫu phụ thuộc rất lớn vào thành phần phần trăm mỗi thành phần kể trên trong mẫu.
Các chất dinh dưỡng đại lượng và vi lượng
Các chất dinh dưỡng đại lượng cần cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong hệ thống phân hũy kỵ khí gồm N và P là chủ yếu. Tỷ lệ thích hợp đề nghị là 20:1 đến 30:1 cho C:N và 7:1 đối với N:P, trong đó N và P đều phải ở dạng dễ hấp thụ bởi vi sinh vật sinh metan. Trái lại, quá ít N không đủ cho vi sinh vật metan tiêu thụ và sản lượng khí sinh học giảm.
Nồng độ vừa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sin vật lên men metan thông qua sự ảnh hưởng lên hoạt tính enzym của chúng. Các chất vi lượng cần có mặt trong enzym bao gồm: Ba, Ca, Mg, Na, Co, Ni, Fe, H2S và một số nguyên tố dạng vết như Se, Tu, Mo.
Các chất gây độc
Các chất có mặt trong môi trường ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật kỵ khí. Oxygen được coi là độc tố của quá trình này. Một số dẫn suất của metan như CCl4, CHCl3, CH2Cl2 và một số kim loại nặng (Cu, Ni, Zn...), các chất như HCHO, SO2, H2S cũng gây độc cho vi sinh vật kỵ khí. NH4+gây ức chế cho quá trình kỵ khí và S2-được coi là chất gây ức chế cho quá trình metan hóa. Các chất có tính oxy mạnh như thuốc tím, các halogen và các muối có oxy của nó, ozon, ... Được coi là chất diệt khuẩn hữu hiệu hiện nay.
Các kim loại nặng và cả kim loại nhẹ đều được coi là dinh dưỡng vi lượng nếu hiện diện với hàm lượng đủ thấp và sẽ được coi là chất gây độc nếu nồng độ của chúng vượt quá ngưỡng cho phép. Độc tính của kim loại nói chung tăng theo hóa trị và nguyên tử lượng của chúng. Dạng tồn tại của kim loại nặng cũng ảnh hưỡng đến ngưỡng gây độc, các muối kết tủa hay các phức chất không thể đi qua màng tế bào nên khả năng hoạt động ít hơn các muối hòa tan.
Đối với chất nền chứa nhiều nito, sự tạo thành và tích tụ muối amoni (NH4+) và
amoniac (NH3) mang cả tính tích cực và tiêu cực. Nói chung, NH4+có thể được vi sinh vật sử dụng như là chất dinh dưỡng, trong khi đó NH3gây ức chế và gây độc cho quá trình phân hủy. Đối với quá trình kỵ khí, nồng độ amoni trong khoảng 50 - 200 mg/l.
Tuy nhiên, amoni thường hiện diện trong nước thải ở nồng độ cao và nếu nồng độ đạt tới mức nào đó sẽ trở thành chất gây độc. Amoni có thể có mặt trong dòng nước thải đầu vào, hoặc nó có thể được tạo thành do sự phá vỡ các hợp chất hữu cơ có chứa nito, ví dụ như protein.
NH3+ H2O↔NH4++ OH-
Cả hai dạng NH3 và NH4+ đều ảnh hưởng đến quá trình nhưng ở nồng độ khác nhau. NH3 thường có ảnh hưởng nhiều hơn và có thể gây độc cho quá trình phân hủy ở nồng độ khoảng 100 mg/l. Trong khi đó, nồng độ NH4+thường cao ở mức 7.000 - 9.000 mg/l và rất tốt cho quá trình xử lý, không gây ức chế cho quá trình.
Nếu tổng nồng độ NH3 và NH4+ quá cao trong nước thải sẽ trở thành chất ức chế cho quá trình xử lý, và nồng độ này thay đổi tùy thuộc vào pH và nhiệt độ. Trong điều kiện mesophilic (25 - 35oc), nồng độ amoni có thể đạt được giá trị 10.000 mg/l và nồng độ NH3 vẫn thấp hơn 100 mg/l ở khoảng pH = 7. Khi nồng độ tổng amoni đạt 2000 mg/l có thể khiến cho nồng độ NH3ở mức gây độc khi pH lên đến 7,5 - 8. Tuy nhiên, trong điều kiện thermophilic (55oc) nồng độ tổng amoni phải duy trì dưới 2000 mg/l, khi đó nồng độ NH3dưới mức gây độc.
Sự khuấy đảo hỗn hợp phân hủy
Khuấy đảo hỗn hợp phân hủy có tác dụng làm tăng sự phân bố đồng đều và tăng cơ hội tiếp xúc giữa vi khuẩn, chất nền và các chất dinh dưỡng với nhau, đồng thời cũng có tác dụng điều hòa nhiệt độ tại mọi điểm phân hủy trong bể, giảm tình trạng tăng hay giảm nhiệt độ cục bộ.
Kết cấu hệ thống
Các bể phân hủy theo mẻ không khuấy trộn, không gia nhiệt và thời gian lưu dài (30 - 60 ngày): sản lượng khí và tốc độ nạp chất nền thấp vì xảy ra hiện tượng phân tầng trong bể. Kết cấu này đơn giản, rẻ tiền, dễ vận hành, nhưng đòi hỏi diện tích mặt bằng
lớn.
Loại bể có kết cấu cho phép tốc độ nạp chất nền cao, được gia nhiệt và có thời gian lưu khoảng 15 ngày, khuấy trộn hoàn chỉnh, nồng độ chất nền (tính theo chất khô) khoảng 10 - 15 %. Loại bể này có hiệu quả phân hủy cao và chất lượng khí sinh học thu được tốt.
Xuất phát từ hạn chế kết cấu thông thường đòi hỏi phải pha loãng chất nền nguyên thủy để đạt hàm lượng chất rắn 5- 15% (kết cấu “ướt”), kết cấu hệ thống phân hủy chất thải với hàm lượng chất rắn cao 20 - 40% (kết cấu “khô”) đã ra đời. Kết cấu “khô” cho phép đơn giản hơn trong khâu tách loại các hợp phần vô cơ, thể tích bể phân hủy nhỏ hơn, tốc độ nạp chất nền cao hơn, năng lượng cần thiết để gia nhiệt ít hơn trong khi mức độ nhạy cảm với các chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học cũng tương đương kết cấu “ướt”. Nhưng kết cấu mới đòi hỏi đầu tư cao cho bộ phận khuấy đảo.
b) bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược - UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor)
Bể UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy công nghiệp thực phẩm.
Bể chia làm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men. Tron bể diễn ra 2 quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại. Khí metan được tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí - lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng.
Với quy trình này, bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ có trong nước thải và quá trình phân hủy xảy ra tích cực. Nhờ các vi sinh vật có trong bùn hoạt tính mà các chất bẩn trong nước thải, đi từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể, các vi sinh vât liên kết nhau và hình thành các hạt bùn đủ lớn đủ nặng để không bị cuốn trôi ra khỏi bể. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu CH2 và CO2) sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ, giúp cho việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Các bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên tạo thành hỗn hợp phia1 trên bề mặt. Khi