Hệ thống UASB:
Hệ thống UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống UASB
1. Vùng phản ứng yếm khí 5. Máng thu nước
2. Vùng lắng cặn 6. Nước ra
3. Cửa sổ dẫn hỗn hợp bùn nước 7. Khí thu được
4. Cửa tuần hoàn cặn 8. Ống dẫn hỗn hợp khí
Đây là một trong những quá trình xử lý kị khí được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới nhờ có các đặc điểm sau:
Cả 3 quá trình: phân hủy – lắng bùn – tách khí được lắp đặt trong một công trình; thứ 2 là tạo ra các loại bùn hạt có nồng độ vi sinh vật cao và tốc độ lắng cao hơn so với bùn của quá trình hiếu khí dạng lơ lửng.
Ngoài ra quá trình xử lý kị khí còn có các ưu điểm so với quá trình xử lý hiếu khí là:
- Tiêu tốn ít năng lượng vận hành - Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn - Bùn sinh ra dễ tách nước
- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng - Thu hồi khí metan làm nhiên liệu sạch
- Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kị khí có thể phục hồi và hoạt động được sau một thời gian ngừng nạp liệu
Quá trình hoạt động của UASB: nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể và đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kị khí chủ yếu là CH4 và CO2, sẽ tạo dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ các hạt bùn sẽ dính vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể.
Tại đây quá trình tách khí – lỏng - rắn được thực hiện nhờ bộ phận tách pha. Khí có thể được thu hồi nhờ đi qua bồn hấp thụ chứa NaOH 5 – 10%, hoặc thải ra môi trường nếu số lượng ít. Nước thải được chảy qua máng chảy tràn vào thiết bị xử lý tiếp theo.
Vận tốc nước thải đưa vào bể duy trì ở khoảng 0,6 – 0,9 m/h, pH thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm cho thiết bị ( nồng độ trong khoảng 1000 – 5000mg/l) để đảm bảo nước thải luôn có pH > 6,2 vì nếu < 6,2 vi khuẩn chuyển hóa khí metan sẽ không hoạt động được.
Quá trình phân hủy trong UASB cũng có 3 giai đoạn:
- Giai đoạn thủy phân:
Dưới tác dụng của enzyme hydrolaza của vi sinh vật các hợp chất hữu cơ phức tạp như: gluxit, lipit và protein … được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như: đường, peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin…
- Giai đoạn lên men axit hữu cơ:
Các sản phẩm thủy phân sẽ được phân giải yếm khí tạo thành các axit có phân tử lượng nhỏ hơn như axit butyric, axit propinoic, axit axetic, … Trong quá trình lên men axit hữu cơ, một số axit béo phân tử lượng lớn được chuyển hóa tạo axit axetic dưới tác dụng của vi khuẩn axetogen.
Trong quá trình lên men, các axit hình thành chính là nguyên liệu cho các phản ứng oxy hóa khử, tạo các rượu tương ứng…. Các vi khuẩn Axetogen hóa các axit béo phân tử lượng lớn, axit lactic… đến axit axetic, một sản phẩm dễ bị decacboxyl hóa tạo CH4 theo các cơ chế sau:
Axetogen hóa axit lactic:
3C3H6O3 2CH3-CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + 2H2O Axetogen hóa liên kết β của axit béo bằng cơ chế oxy hóa khử:
Rn-CH3-CH2-COOH + 2H2O Rn-2COOH + CH3-COOH
Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể, đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm mạnh.
- Giai đoạn tạo khí metan:
Là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình. Dưới tác dụng của các vi khuẩn metan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính … được chuyển hóa tạo khí biogas.
2.2.3.2. Các phương pháp xử lý hiếu khí
Bể phản ứng sinh học hiếu khí – Aeroten - Đặc điểm và nguyên lý làm việc của Aeroten
Aeroten là công trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp thiết kế bằng kim loại hình khối trụ. Thông dụng nhất là bể Aeroten dạng khối hình chữ nhật.
Nước thải sau khi xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào aeroten. Các chất lơ lửng này là số chất rắn và có thể là các chất hữu cơ dạng chưa phải hòa tan. Các chất lơ lửng làm nơi để vi sinh vật bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển, dần thành các hạt bông cặn. Các hạt này dần to và lơ
lửng trong nước, chính vì vậy phương pháp này gọi là quá trình xử lý với sinh trưởng lơ lửng của quần thể vi sinh vật. Các bông cặn này chính là bùn hoạt tính, chúng có màu nâu sẫm, chứa các chất hấp phụ trong nước thải là nơi cư trú cho các vi khuẩn cùng các vi sinh vật bậc thấp khác. Hợp chất hữu cơ hòa tan là hợp chất dễ phân hủy nhất. Ngoài ra có các hợp chất khó phân hủy, hoặc hợp chất chưa hòa tan, khó hòa tan ở dạng keo – các hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được vi khuẩn tiết ra enzym ngoại bào, phân hủy thành các chất đơn giản rồi thẩm thấu qua màng tế bào và bị oxy hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho các tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước.
- Quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong aeroten qua 3 giai đoạn
Giai đoạn 1: tốc độ oxy hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxy. Ở giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Hàm lượng oxy cần cho vi sinh vật sinh trưởng, đặc biệt ở thời gian đầu tiên thức ăn trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này rất ít. Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng phát triển rất mạnh theo cấp số nhân do đó lượng oxy tiêu thụ tăng cao.
Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định và mức tiêu thụ oxy cũng gần như không thay đổi. Chính ở giai đoạn này các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Hoạt lực enzim của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt ở mức cực đại, và kéo dài trong một thời gian tiếp theo. Điểm cực đại của enzim bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi bùn hoạt tính tới mức ổn định. Qua các thông số hoạt động của aeroten cho thấy ở giai đoạn 1 tốc độ tiêu thụ oxy rất cao.
Giai đoạn 3: sau một thời gian khá dài tốc độ oxy hóa cầm chừng và có chiều hướng giảm mà tốc độ tiêu thụ oxy nhiều hơn đây là giai đoạn nitrat hóa các muối amon.
Sau cùng, nhu cầu oxy lại giảm và cần phải kết thúc quá trình làm việc của aeroten (làm theo mẻ). Sau khi oxy hóa được 80 – 95% BOD trong nước thải, nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy, cần phải lấy bùn cặn ra khỏi nước. Nếu không kịp thời nước sẽ bị ô nhiễm thứ cấp.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm sạch nước thải của aeroten Lượng oxy hòa tan trong nước: điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho aeroten có khả năng oxy hóa các chất bẩn hữu cơ với hiệu suất cao phải đảm bảo cung cấp đủ
lượng oxy, một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu hiếu khí cho vi sinh vật trong bùn hoạt tính.
Có 3 phương pháp cung cấp oxy hòa tan cho aeroten:
Khuấy cơ học với các dạng khuấy ngang, khuấy dọc, nhưng không hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu oxy.
Thổi và sục khí bằng hệ thống khí nén với các hệ thống phân tán khí thành các dòng hoặc tia lớn nhỏ khác nhau.
Kết hợp nén khí với khuấy đảo.
Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật: trong nước thải, thành phần dinh dưỡng chủ yếu là nguồn cacbon, được thể hiện bằng BOD – chất bẩn hữu cơ dễ bị phân hủy hoặc bị oxy hóa bởi vi sinh vật. Ngoài BOD còn có: nito ở dạng NH4+ và photpho ở dạng muối photphat là những chất dinh dưỡng tốt nhất đối với vi sinh vật.
Vi sinh vật phát triển cần tới các chất khoáng như: Mg, K, Ca, Mn, Fe, Co…
Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối cho vi sinh vật.
Nếu thiếu nitơ kéo dài thì không những cản trở quá trình sinh hóa mà còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng, các hạt bông phồng lên và trôi nổi theo dòng nước ra làm khó trong và chứa một lượng lớn vi sinh vật, làm giảm tốc độ sinh trưởng cũng như cường độ oxy hóa của chúng. Người ta thường duy trì tỷ lệ BOD : N : P = 100 : 5 : 1, tỷ lệ này duy trì trong 3 ngày đầu, những ngày sau thì 220:5:1.
Nồng độ cho phép của các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải để đảm bảo cho aeroten làm việc có hiệu quả.
Nồng độ các chất trong môi trường ảnh hưởng nhiều tới đời sống vi sinh vật, nó đều có giới hạn cho phép, nếu vượt quá thì ức chế đến vi sinh lí và sinh hóa của các tế bào vi sinh vật, làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất, hình thành enzim, thậm chí có thể bị chết.
Nói chung các loại nước thải xử lý bằng aeroten có lượng BOD vào khoảng 500 mg/l nhưng không quá 1000 mg/l, phải sử dụng aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh, nếu BOD quá cao thì phải pha loãng bằng nước sạch, hoặc cho qua xử lý kị khí.
Các chất độc: tiến hành xác định độc tính đối với vi sinh vật, các chất độc hay kìm hãm là: các kim loại nặng, thuốc trừ sâu,… làm chết hoặc kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật.
pH: Nói chung pH thích hợp cho quá trình xử lý bằng aeroten là 6,5 – 8,5.
Trong thời gian cuối, nước thải trong aeroten có pH chuyển sang kiềm, có thể là các hợp chất chứa nito, được chuyển hóa thành NH3 hoặc muối amon.
Nhiệt độ: nhiệt độ trong nước thải aeroten có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của vi sinh vật, nhiệt độ xử lý nước thải chỉ trong khoảng 6 – 37oC, tốt nhất là 15 – 35oC.
Nồng độ các chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù: khi nồng độ SS không quá 150 mg/l thì xử lý bằng aeroten là hợp lý. Vì vậy để đảm bảo nước thải vào aeroten thì cần phải xử lý sơ bộ.
- Phân loại Aeroten
Phân loại theo chế độ thủy động: aeroten đẩy, aeroten khuấy trộn, aeroten hỗn hợp.
Phân loại theo chế độ làm việc của bùn hoạt tính: aeroten có ngăn hoặc bể tái sinh bùn hoạt tính tách riêng, và loại không có ngăn bùn tái sinh bùn hoạt tính tách riêng.
Phân loại theo tải trọng BOD / 1 gam bùn có trong một ngày: aeroten tải trọng cao, aeroten tải trọng trung bình và aeroten tải trọng thấp.
Phân loại theo số bậc cấu tạo trong aeroten: aeroten 1 bậc, 2 bậc, 3 bậc.
Một số aeroten điển hình dùng trong xử lý nước thải:
Bể aeroten truyền thống
Hình 2.2. Sơ đồ bể aeroten truyền thống
Nước thải sau lắng 1 được trộn đều với bùn hoạt tính hồi lưu ở ngay đầu bể aeroten. Lượng bùn hồi lưu so với lượng nước thải có độ ô nhiễm trung bình khoảng 20 – 30%. Dung tích bể tính toán sao cho khi dùng khí nén sục khối nước trong bể sau 6 – 8h, hoặc làm thoáng trong 9 – 12h đảm bảo hiệu suất 80 – 90%. Thường xử lý ở BOD < 400 mg/l, lượng không khí làm việc 55 – 65 m3 không khí cho 1 kg BOD.
Bể lắng 1 Bể aeroten Bể lắng 2
Nước thải vào
Nước ra
Tuần hoàn bùn hoạt tính Xả bùn cặn
Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI) là 50 – 150 ml/g, tuổi của bùn 3 – 15 ngày. Bể này cần có ngăn trong bể hoặc ngoài bể để hoạt hóa bùn hoạt tính.
Aeroten tải trọng cao
Nước thải đi vào bể có độ ô nhiễm cao, thường là BOD > 500mg/l. Tải trọng trên bùn hoạt tính là 400 – 500 mg BOD/ g bùn trong một ngày đêm.
Ưu điểm của loại bể này: giảm được lượng không khí cần cấp, tức là giảm công suất máy nén khí, giảm điện năng. Không có sự làm hiếu khí quá mức ngăn cản sinh trưởng và phát triển của vi sinh khuẩn khử các hợp chất chứa nito, trong đó có khâu nitrat hóa thành N2 bay vào không khí. Thời gian sục khí từ 6 – 8 giờ.
Bể aeroten nhiều bậc:
Nước thải đưa vào aeroten bằng cách đoạn hay theo bậc, dọc theo chiều dài bể, bùn tuần hoàn đi vào đầu bể. Mỗi ngăn ở đây là một bậc, nạp theo bậc có tác dụng làm cân bằng tải trọng BOD theo thể tích bể, làm giảm sự thiếu hụt oxy ở đầu bể và lượng oxy được trải đều dọc theo bể làm cho hiệu suất sử dụng oxy và xử lý tăng lên.
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống aeroten nhiều bậc
Aeroten thông khí kéo dài
Được sử dụng xử lý nước thải có tỷ số F/M ( tỷ lệ giữa BOD5 trong nước thải và bùn hoạt tính ) thấp, tải trọng thấp, thời gian thông khí thường là 20 – 30 giờ để duy trì hệ sinh vật làm việc ở pha hô hấp nội bào.
Aeroten thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh
Bể hiếu khí có tốc độ thông khí cao và khuấy đảo hoàn chỉnh là loại aeroten tương đối lý tưởng để xử lý nước thải có độ ô nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng cao. Có thời gian làm việc ngắn, rút ngắn được thời gian thông khí bằng vận hành ở tỷ số F/M cao, giảm tuổi thọ của bùn hoạt tính. Trong bể aeroten khuấy đảo hoàn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn đều, tức thời. Nên nồng độ bùn hoạt tính và oxy hòa tan được phân bố đều ở mọi nơi trong bể và quá trình oxy hóa được đồng đều, hiệu quả cao.
Ưu điểm của loại bể này là: hiệu suất cao nên tăng tải trọng BOD; giảm thời gian sục khí; lắng bùn dễ dàng; giảm mùi đáng kể trong quá trình xử lý.