II.2. Giới thiệu các phương pháp xử lý sinh học nước thải
II.2.2. Phương pháp xử lý sinh học nước thải trong điều kiện nhân tạo
Xử lý sinh học yếm khí là một trong những quá trình được sử dụng để xử lý bùn và nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao (BOD > 1800mg/l, SS = 300 - 400mg/l), sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2.
Nguyên lý của phương pháp
Xử lý sinh học bằng vi sinh yếm khí là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải khi không có oxi. Phương pháp này dùng để ổn định cặn và xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ COD, BOD cao. Quá trình phân hủy các chất thực hiện nhờ các chủng vi khuẩn kị khí bắt buộc và kị khí không bắt buộc.
Cơ chế của quá trình xử lý yếm khí Cơ chế phân giải yếm khí:
Chất ô nhiễm CH4+CO2+H2S+E
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ là quá trình phức tạp trong môi trường không có không khí, gồm nhiều giai đoạn và sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2, H2S, NH3…
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân
Các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit... bị phân hủy dưới tác dụng của các Enzym hydrolaza của vi sinh vật thành các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ như đường đơn, axit amin, axit hữu cơ, peptit, glyxerin...
Trong giai đoạn này, các hợp chất gluxit phân tử lượng nhỏ, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ (protein) phân hủy nhanh hơn, trong khi các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như tinh bột, các axit béo được phân hủy chậm, đặc biệt là cellulose và lignocellulose chuyển hóa rất chậm và không triệt để do cấu trúc phức
Chuyển hóa yếm khí
lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 29 tạp. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình thủy phân phụ thuộc vào các chất ô nhiễm đầu vào và các đặc trưng khác của nước thải.
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ
Các sản phẩm thủy phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa trong điều kiện yếm khí. Sản phẩm phân giải là các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ như axit propionic, axit butyric, axit lactic..., các chất trung tính như rượu, andehyt, axeton. Ngoài ra, một số khí cũng được tạo thành như CO2, H2, H2S, một lượng nhỏ CH4...
Thành phần của các sản phẩm trong giai đoạn lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường.
Đặc biệt trong giai đoạn này, nitơ được chuyển thành NH4
+ một phần nhỏ được sử dụng để xây dựng tế bào, phần còn lại tồn tại trong nước thải dưới dạng NH4
+.
Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit axetic
Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic... sẽ được từng bước chuyển hóa thành axit axetic.
- Chuyển hóa axit lactic:
3CH3-CHOH-COOH 2CH3-CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + 2H2O - Oxy hóa liên kết của các axit béo bằng cơ chế oxy hóa-khử:
R – CH3CH2COOH + 2H2O Rn-2 – COOH + CH3COOH Axit béo mạch dài Axit béo mạch ngắn Axit axetic Giai đoạn 4: Giai đoạn Mêtan hóa
Mêtan hóa là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình xử lý yếm khí.
Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính... bị phân giải tạo thành khí metan.
- Khoảng 30% khí CH4 tạo thành do quá trình khử CO2: + Khử CO2 bằng H2:
CO2 + 4H2 VK CH4 + 2H2O + Khử CO2 bằng oxy hóa khử:
- Khoảng 70% khí mêtan còn lại được tạo thành nhờ các quá trình Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính.
+ CH4 được tạo thành do Decacboxyl hóa axit axetic:
CH3COOH CH4 + CO2
4NADH2 4NAD
CO2 CH4 + 2H2O
lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 30 + CH4 được hình thành do Decacboxyl hóa các axit hữu cơ khác:
4CH3-CH2-COOH + 2H2O 7CH4 + 5CO2 2CH3-(CH2)2-COOH + 2H2O5CH4 + 3CO2
+ CH4 cũng có thể được hình thành do Decacboxyl các chất trung tính:
2C2H5OH 3CH4 + CO2
CH3-CO-CH3 + H2O 2CH4 + CO2
Tác nhân sinh học
Trong phân giải yếm khí, các quá trình thủy phân và lên men xảy ra dưới tác dụng của nhiều chủng vi khuẩn khác nhau. Thành phần hệ vi sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của các chất ô nhiễm có trong nước thải.
- Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ:
+ Môi trường giàu xenlulo thường có các vi khuẩn: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes.
+ Môi trường giàu protein: Bacillus, Clostridium, Proteus và E.Coli + Môi trường giàu lipit: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacterioides.
+ Môi trường giàu tinh bột: Micrococus, Lactobacillus, Pseudomonas, Clostridium.
Trong đó các chủng: Lactobacillus, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Bacterioides chiếm đa số.
Phần lớn các vi khuẩn thủy phân và lên men axit hữu cơ ít nhạy cảm với môi trường. Chúng có thể phát triển trong dải pH rộng từ 2 – 7. Tuy nhiên, pHopt = 5 – 7 ở nhiệt độ 33 – 400C.
- Vi khuẩn axetogene:
Vi khuẩn tạo axit axetic thường phát triển trong môi trường cùng với metan. Vi khuẩn Axetogene tạo H2 trong quá trình lên men nhưng lại bị chính sản phẩm này ức chế. Vì vậy, trong môi trường có các vi khuẩn metan sử dụng H2 hoặc H+ để khử CO2.
Một số chủng vi khuẩn Axetogene có hiệu quả metan hóa cao như:
+ Syntrophobacter woloni, Syn. Wolfei, Syn. Buswweni.
Nhiệt độ tối ưu là 33 – 400C, pH = 6 – 8.
Hai nhóm vi khuẩn khác cũng có khả năng tạo axit axetic như:
+ Nhóm vi khuẩn khử sunphat: Selenomonosas, Clostridium và Dasolfovibrio. Trong môi trường hỗn hợp với vi khuẩn metan hóa tạo axit axetic.
lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 31 + Nhóm vi khuẩn Homoacetogen, tạo axit axetic từ CO2 và H2.
2CO2 + 4H2 CH3-COOH + 2H2O
Nhóm này có ý nghĩa đặc biệt vì chúng cạnh tranh H2 với vi khuẩn metan.
- Vi khuẩn metan hóa: thuộc 2 nhóm chính
+ Nhóm ưa ấm (Mesophyl, lên men tạo CH4 ở 35 – 370C, pH=6,8 – 7,5):
gồm Methanobacterium (trực khuẩn), Methanococcus (đơn cầu khuẩn), Methanosaccina (bát cầu khuẩn).
+ Nhóm ưa nóng (Thermophyl, lên men tạo CH4 ở 55 – 600C):
gồm Methanobacillus, Methanospirillium, Methanothrix.
Vi khuẩn lên men metan là những vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt. Chúng rất mẫn cảm với sự có mặt của O2. Do đó, thiết bị lên men phải kín, pHopt = 6,8 – 7,5.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học yếm khí - Nhiệt độ
Đây là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình bỡi vì nó ảnh hưởng tới hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật. Nhiệt độ tối ưu cho toàn quá trình phụ thuộc vào chủng loại vi sinh vật. Trong thực tế, cả 2 nhóm ưa nóng và ưa ấm đều có khả năng phân hủy yếm khí.
Dải nhiệt độ cho quá trình phân giải yếm khí rộng từ 30 – 600C. Tuy nhiên, nhiệt độ tối ưu cho mỗi quá trình còn phụ thuộc vào đặc tính ưa nhiệt của tác nhân sinh học. Bởi chỉ một khoảng biến động nhiệt độ nhỏ cũng ảnh hưởng tới hoạt lực của vi sinh vật.
Với các vi sinh vật ưa nóng, khoảng nhiệt độ tối ưu của chúng từ 55 – 600C, còn với các vi sinh vật ưa ấm thì 33 – 370C.
Để thu được hiệu suất tạo khí metan cao và ổn định thì phải ổn định nhiệt độ trong dải ưa ấm.
- Độ pH
Thiết bị phân hủy yếm khí được vận hành trong khoảng pH từ 6,6 – 7,6 với khoảng tối ưu từ 7 – 7,2. Mặc dù vậy, vi sinh vật axit hóa có thể chịu được pH = 5,5 nhưng ở giá trị này vi khuẩn metan hóa bị ức chế mạnh.
Thiết bị phân hủy yếm khí cần được trang bị thiết bị đo và điều chỉnh pH khi cần thiết để đảm bảo ổn định độ pH của hệ thống ở giá trị trung tính. Nếu pH xuống thấp cần bổ sung kiềm hoặc ngừng cấp liệu để thiết bị tự điều chỉnh.
- Nồng độ cơ chất
Vi khuẩn thực hiện quá trình phân giải yếm khí có tốc độ tạo sinh khối rất nhỏ.
Thực nghiệm cho thấy tỷ lệ C/N cần duy trì ở 30/1. Các yếu tố quan trọng khác như P, Ca, K, Na cũng cần bổ sung tùy theo thành phần và tính chất nước thải cần xử lý.
lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 32 - Tải trọng khối (Tk, kgCOD/m3/ngày)
Tải trọng chất hữu cơ phụ thuộc vào tải lượng có trong nước thải, tải trọng thủy lực hay thời gian lưu. Khi tải lượng chất hữu cơ cao sẽ làm dư thừa các axit hữu cơ dẫn đến pH giảm, gây bất lợi cho vi khuẩn metan hóa. Tải lượng chất hữu cơ thấp sẽ không có lợi cho quá trình khí hóa.
Thời gian lưu nước phụ thuộc vào đặc tính của nước thải và điều kiện môi trường. Thời gian lưu quá ngắn (tải trọng khối cao) sẽ không cho phép các vi khuẩn yếm khí, đặc biệt là vi khuẩn metan tiếp xúc và trao đổi với các chất ô nhiễm nên làm giảm hiệu quả xử lý; ngược lại thời gian lưu càng lâu càng có lợi cho hiệu quả tạo biogas và xử lý nước thải nhưng gây chi phí tốn kém. Thời gian tối ưu cho quá trình phân hủy yếm khí trong hệ thống UASB là 0,5 – 6 ngày.
- Thế oxy hóa khử (hàm lượng H2) trong giai đoạn tạo axit axetic Lactat + H2O axetat + 2H2 + CO2 + Q
Etanol + H2O axetat + 2H2 - Q Butyrat + H2O axetat + 2H2 - Q
Propionat + H2O axetat + 3H2 + CO2 - Q
Các phản ứng oxy hóa khử này sẽ được thực hiện khi không có các vi khuẩn có khả năng sử dụng H2.
Thế oxy hóa khử ảnh hưởng tới quá trình phân giải yếm khí theo nguyên lý Le Chaterier về chuyển dịch cân bằng hóa học: “Mọi sự thay đổi của các yếu tố xác định trạng thái của một hệ cân bằng sẽ làm cho cân bằng chuyển dịch về phía chống lại những thay đổi đó”. Khí H2 sinh ra từ các phản ứng trên nếu không được giải phóng sẽ gây ra áp lực lớn (nồng độ cao), làm cho cân bằng chuyển dịch về phía không sinh ra H2 nữa và hiệu quả lên men axit axetic giảm xuống.
Nhờ có quá trình metan hóa làm giảm nồng độ axetat, hơn nữa H2 được các vi khuẩn metan hóa sử dụng để khử CO2 tạo khí CH4 nên nồng độ khí H2 giảm, cân bằng sẽ chuyển dich theo hướng tạo ra sản phẩm axetat và H2. Nếu quá trình này diễn ra liên tục thì hiệu quả xử lý nước thải rất cao.
- Các chất độc
Các chất ức chế hoặc độc đối với các vi sinh vật phân giải yếm khí khá đa dạng:
+ Amon: Ức chế quá trình metan hóa.
+ Hydrocacbua halogen hóa: Ức chế quá trình metan hóa.
+ Hydrocacbua vòng thơm: Ảnh hưởng lớn tới nhóm vi khuẩn metan hóa.
+ Một số kim loại nặng.
lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 33
Đặc điểm thiết bị UASB
Các dạng thiết bị xử lý yếm khí rất đa dạng và phong phú. Từ loại đơn giản như hầm Biogas đến phức tạp như thiết bị UASB. Các dạng xử lý yếm khí như: thiết bị yếm khí tiếp xúc, thiết bị yếm khí giả lỏng, thiết bị xử lý chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính dòng hướng lên (UASB), thiết bị dạng tháp đệm...
Trong đó, UASB là dạng xử lý được sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao; nó rất phù hợp cho xử lý nước thải bia. Cấu tạo Bể UASB được thể hiện trên hình vẽ 3.1.
- Cấu tạo
Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) có thể làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gạch, thường có mặt bằng hình chữ nhật, được cách nhiệt với bên ngoài. Để tách khí ra khỏi nước thải, trong bể gá thêm tấm phẳng đặt nghiêng so với phương ngang góc 35o.
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo bể UASB [7].
1. Vùng phản ứng kị khí; 2. Vùng lắng cặn; 3. Cửa dẫn hỗn hợp bùn nước sau khi đã tách khí đi vào ngăn lắng; 4.Cửa tuần hoàn cặn; 5.Máng thu nước; 6.
Nước sang Aeroten; 7. Khí sản phẩm thu được; 8. Ống dẫn hỗn hợp khí.
- Nguyên tắc hoạt động
Nước thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn vào hệ thống phân phối đều trên diện tích đáy bể. Nước thải từ dưới lên với vận tốc 0,6 – 0,9 m/s để giữ cho lớp bùn luôn ở trạng thái lơ lửng. Hỗn hợp bùn kị khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (70 – 80% mêtan, 20 –
lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 34 30% cácbonic) và nước. Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí được sinh ra nổi lên trên bề mặt làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Khi hạt cặn nổi lên va phải tấm chắn phía trên bị vỡ ra, khí thoát lên trên cặn rơi xuống dưới. Hỗn hợp bùn nước đã tách hết khí được chuyển vào ngăn lắng. Hạt cặn trong ngăn lắng tách bùn lắng xuống đáy và tuần hoàn lại vùng phản ứng kị khí. Nước trong được thu vào máng và được dẫn sang bể xử lý đợt II (Aeroten). Khí biogas được thu về bình chứa rồi theo ống dẫn ra ngoài.
Bùn trong bể được hình thành hai vùng rõ rệt: ở chiều cao khoảng 1/4 tính từ đáy lên, lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ có nồng độ từ 5000 – 7000 mg/l, phía trên lớp này là lớp bùn lơ lửng có nồng độ 1000 – 3000 mg/l gồm các bông cặn chuyển động giữa lớp bùn đáy và bùn tuần hoàn từ ngăn lắng rơi xuống. Bùn trong bể là sinh khối đóng vai trò quyết định trong việc phân hủy và chuyển hóa chất hữu cơ. Nồng độ cao của bùn hoạt tính trong bể cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao.
Để hình thành khối bùn hoạt tính đủ nồng độ, làm việc hiệu quả đòi hỏi thời gian vận hành khởi động từ 3 – 4 tháng. Nếu cấy vi khuẩn tạo axit và vi khuẩn tạo mêtan trước với nồng độ thích hợp và vận hành với chế độ thủy lực nhỏ hơn 1/2 công suất thiết kế, thời gian khởi động có thể rút xuống còn 2 – 3 tuần.
Lượng cặn dư bằng 0,15 – 0,2% lượng COD, tức bằng một nửa cặn sinh ra so với xử lý hiếu khí. Cặn dư định kỳ xả ra bên ngoài và có thể tiếp tục đưa đi làm khô.
- Ưu, nhược điểm của UASB + Ưu điểm:
- Năng lượng cần thiết cho hệ thống UASB rất thấp.
- Lượng bùn tạo thành nhỏ (nhỏ hơn 3 – 20 lần xử lý hiếu khí).
- Có thể tuần hoàn hay không tuần hoàn lại bùn.
- Tạo sản phẩm khí sinh học CH4 (70 – 80%), là nguồn năng lượng sạch, có thể sử dụng cho sinh hoạt.
- UASB rất thích hợp cho xử lý nước thải có nhiều cặn lơ lửng.
- UASB có thể phân hủy các chất hữu cơ phức tạp: vòng, halogen…
- UASB thích hợp cho xử lý nước thải công nghiệp có hàm lượng và tải lượng ô nhiễm cao.
+ Nhược điểm:
- Các quá trình xảy ra trong thiết bị phức tạp.
- Tác nhân sinh học rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường.
- Quá trình khởi động kéo dài.
- Yêu cầu cao sự tương thích giữa thức ăn và hàm lượng sinh khối.
- Quá trình cố định vi khuẩn trên lớp đệm rất khó điều khiển.
lên 100 triệu lít bia/năm – Lê Trọng Ân – Lớp CNMT-K50-QN.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN – Tel 04.38681686 – Fax 04.38693551 35 Quá trình xử lý yếm khí tạo ra lượng bùn ít và chi phí năng lượng thấp. Nhược điểm của xử lý yếm khí là thời gian lưu nước thải lớn, thời gian ổn định công nghệ dài (3 – 6 tháng). Qui trình vận hành tương đối phức tạp, hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường, biến động lớn từ 60 – 90%.
II.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học hiếu khí [8, 10, 11]
Nguyên lý của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính
Sử dụng các vi sinh vật để oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng chuyển hoá sinh học được; đồng thời chính vi sinh vật cũng sử dụng một phần chất hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng.
Cơ chế của quá trình xử lý hiếu khí
+ Oxy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ (Gluxit, hyđrocacbua, pectin, axit hữu cơ, các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ khác…)
CxHyOz + (
4 2 y z
x )O2 vsv xCO2 + 2
y H2O + E
+ Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ (Protein, Peptit, axitamin…) CxHyOzN + (
4 2 y z x + 3
4)O2 vsv xCO2 + 3 2 y
H2O + NH3 + E + Quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ để tổng hợp sinh khối:
CxHyOz + NH3 + (
4 2 y z
x - 5)O2vsv C5H7NO2 +(x – 5)CO2+ 4 2 y
H2O +E +Quá trình tự hủy của sinh khối:
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2 H2O + NH3 + E
Ngoài ra trong hệ thống còn xảy ra các quá trình nitrit và nitrat hoá:
+ Nitrit hoá : NH4
+ + 3/2 O2 + H2Ovsv NO2
- + 2 H3O+ + E.
+ Nitrat hoỏ: NO2- + ẵ O2 vsv NO3- Phương trình tổng quát : NH4+
+2O2+ H2O vsv NO3-
+ 2H3O+ + Oxy hoá các hợp chất vô cơ:
2
S SO4 ; PPO43
Fe2+ Fe3+ (Sự chuyển hoá thành Fe3+ giúp cho ezim tái tạo thường xuyên)
Tác nhân sinh học
Tác nhân sinh học được sử dụng trong quá trình xử lý hiếu khí có thể là vi sinh vật hô hấp hiếu khí hay tuỳ tiện, nhưng phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chuyển hoá nhanh các hợp chất hữu cơ.
- Có kích thước tương đối lớn để bông sinh học lắng nhanh (=50 – 200 àm).