2. GIỚI THIỆU CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC NƢỚC THẢI
2.2. Phƣơng pháp xử lý sinh học nƣớc thải trong điều kiện nhân tạo
2.2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý sinh học yếm khí
Xử lý sinh học yếm khí là một trong những quá trình đƣợc sử dụng để xử lý bùn và nƣớc thải có hàm lƣợng 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 nƣớc thải khi không có oxi. Phƣơng pháp này dùng để ổn định cặn và xử lý nƣớc 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 trƣờng 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 lƣợng lớn nhƣ protein, gluxit, lipit... bị phân hủy dƣới tác dụng của các Enzym hydrolaza của vi sinh vật thành các chất hữu cơ phân tử lƣợng nhỏ nhƣ đƣờng đơn, axit amin, axit hữu cơ, peptit, glyxerin...
Trong giai đoạn này, các hợp chất gluxit phân tử lƣợng nhỏ, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ (protein) phân hủy nhanh hơn, trong khi các hợp chất hữu cơ có phân tử lƣợng lớn nhƣ tinh bột, các axit béo đƣợc phân hủy chậm, đặc biệt là cellulose và lignocellulose chuyển hóa rất chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình thủy phân phụ thuộc vào các chất ô nhiễm đầu vào và các đặc trƣng khác của nƣớc thải.
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ
Các sản phẩm thủy phân sẽ đƣợc 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 lƣợng nhỏ nhƣ axit propionic, axit butyric, axit lactic..., các chất trung tính nhƣ rƣợu, andehyt, axeton. Ngoài ra, một số khí cũng đƣợc tạo thành nhƣ CO2, H2, H2S, một lƣợng 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 trƣờng.
Đặc biệt trong giai đoạn này, nitơ đƣợc chuyển thành NH4+ một phần nhỏ đƣợc sử dụng để xây dựng tế bào, phần còn lại tồn tại trong nƣớc thải dƣới dạng NH4+.
Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit axetic
Các sản phẩm lên men phân tử lƣợng lớn nhƣ axit béo, axit lactic... sẽ đƣợc từng bƣớc 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. Dƣới 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:
4NADH2 4NAD
- Khoảng 70% khí mêtan còn lại đƣợc tạo thành nhờ các quá trình Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính.
+ CH4 đƣợc tạo thành do Decacboxyl hóa axit axetic: CH3COOH CH4 + CO2
+ CH4 đƣợc 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 đƣợc 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 dƣới 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 nƣớc thải.
- Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phân và lên men axit hữu cơ:
+ Môi trƣờng giàu xenlulo thƣờng có các vi khuẩn: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes.
+ Môi trƣờng giàu protein: Bacillus, Clostridium, Proteus và E.Coli
+ Môi trƣờng giàu lipit: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacterioides.
+ Môi trƣờng 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 trƣờng. Chúng có thể phát triển trong dải pH rộng từ 2 – 7. Tuy nhiên, pH = 5 – 7 ở nhiệt độ 33 – 400C.
- Vi khuẩn axetogene:
Vi khuẩn tạo axit axetic thƣờng phát triển trong môi trƣờng cùng với metan. Vi khuẩn Axetogene tạo H2 trong quá trình lên men nhƣng lại bị chính sản phẩm này ức chế. Vì vậy, trong môi trƣờng 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 nhƣ: + Syntrophobacter woloni, Syn. Wolfei, Syn. Buswweni.
Nhiệt độ tối ƣu là 33 – 400
C, pH = 6 – 8.
+ Nhóm vi khuẩn khử sunphat: Selenomonosas, Clostridium và Dasolfovibrio. Trong môi trƣờng hỗn hợp với vi khuẩn metan hóa tạo axit axetic.
+ 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 ƣa 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 ƣa 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 cƣờng độ của quá trình bỡi vì nó ảnh hƣởng tới hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật. Nhiệt độ tối ƣu cho toàn quá trình phụ thuộc vào chủng loại vi sinh vật. Trong thực tế, cả 2 nhóm ƣa nóng và ƣa 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 ƣu cho mỗi quá trình còn phụ thuộc vào đặc tính ƣa nhiệt của tác nhân sinh học. Bởi chỉ một khoảng biến động nhiệt độ nhỏ cũng ảnh hƣởng tới hoạt lực của vi sinh vật.
Với các vi sinh vật ƣa nóng, khoảng nhiệt độ tối ƣu của chúng từ 55 – 600
C, còn với các vi sinh vật ƣa ấm thì 33 – 370
C.
Để thu đƣợc hiệu suất tạo khí metan cao và ổn định thì phải ổn định nhiệt độ trong dải ƣa ấm.
- Độ pH
Thiết bị phân hủy yếm khí đƣợc vận hành trong khoảng pH từ 6,6 – 7,6 với khoảng tối ƣu từ 7 – 7,2. Mặc dù vậy, vi sinh vật axit hóa có thể chịu đƣợc pH = 5,5 nhƣng ở giá trị này vi khuẩn metan hóa bị ức chế mạnh.
Thiết bị phân hủy yếm khí cần đƣợc 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 nhƣ P, Ca, K, Na cũng cần bổ sung tùy theo thành phần và tính chất nƣớc thải cần xử lý.
- Tải trọng khối (Tk, kgCOD/m3
/ngày)
Tải trọng chất hữu cơ phụ thuộc vào tải lƣợng có trong nƣớc thải, tải trọng thủy lực hay thời gian lƣu. Khi tải lƣợng chất hữu cơ cao sẽ làm dƣ thừa các axit hữu cơ dẫn đến pH giảm, gây bất lợi cho vi khuẩn metan hóa. Tải lƣợng chất hữu cơ thấp sẽ không có lợi cho quá trình khí hóa.
Thời gian lƣu nƣớc phụ thuộc vào đặc tính của nƣớc thải và điều kiện môi trƣờng. Thời gian lƣu 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; ngƣợc lại thời gian lƣu càng lâu càng có lợi cho hiệu quả tạo biogas và xử lý nƣớc thải nhƣng gây chi phí tốn kém. Thời gian tối ƣu 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 đƣợc thực hiện khi không có các vi khuẩn có khả năng sử dụng H2.
Thế oxy hóa khử ảnh hƣởng 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 đƣợc 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 đƣợc 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 hƣớng tạo ra sản phẩm axetat và H2. Nếu quá trình này diễn ra liên tục thì hiệu quả xử lý nƣớc 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 hƣởng lớn tới nhóm vi khuẩn metan hóa. + Một số kim loại nặng.
Đặc điểm thiết bị UASB
Các dạng thiết bị xử lý yếm khí rất đa dạng và phong phú. Từ loại đơn giản nhƣ hầm Biogas đến phức tạp nhƣ thiết bị UASB. Các dạng xử lý yếm khí nhƣ: thiết bị yếm khí tiếp xúc, thiết bị yếm khí giả lỏng, thiết bị xử lý chảy ngƣợc qua lớp bùn hoạt tính dòng hƣớng lên (UASB), thiết bị dạng tháp đệm...
Trong đó, UASB là dạng xử lý đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nƣớc thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao; nó rất phù hợp cho xử lý nƣớc thải bia. Cấu tạo Bể UASB đƣợc 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, thƣờng có mặt bằng hình chữ nhật, đƣợc cách nhiệt với bên ngoài. Để tách khí ra khỏi nƣớc thải, trong bể gá thêm tấm phẳng đặt nghiêng so với phƣơng ngang góc 35o.
1. Vùng phản ứng kị khí; 2. Vùng lắng cặn; 3. Cửa dẫn hỗn hợp bùn nƣớc sau khi đã tách khí đi vào ngăn lắng; 4.Cửa tuần hoàn cặn; 5.Máng thu nƣớc; 6. Nƣớc sang Aeroten; 7. Khí sản phẩm thu đƣợc; 8. Ống dẫn hỗn hợp khí.
Nguyên tắc hoạt động
Nƣớc thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn vào hệ thống phân phối đều trên diện tích đáy bể. Nƣớc thải từ dƣới 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 nƣớc thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (70 – 80% mêtan, 20 – 30% cácbonic) và nƣớc. Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí đƣợc 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 dƣới. Hỗn hợp bùn nƣớc đã tách hết khí đƣợc chuyển vào ngăn lắng. Hạt cặn trong ngăn lắng tách bùn lắng xuống đáy và tuần hoàn lại vùng phản ứng kị khí. Nƣớc trong đƣợc thu vào máng và đƣợc dẫn sang bể xử lý đợt II (Aeroten). Khí biogas đƣợc thu về bình chứa rồi theo ống dẫn ra ngoài.
Bùn trong bể đƣợc 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 trƣớc 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.
Lƣợng cặn dƣ bằng 0,15 – 0,2% lƣợng COD, tức bằng một nửa cặn sinh ra so với xử lý hiếu khí. Cặn dƣ định kỳ xả ra bên ngoài và có thể tiếp tục đƣa đi làm khô.
Ƣu , nhƣợc điểm của UASB - Ƣu điểm
+ Năng lƣợng cần thiết cho hệ thống UASB rất thấp.
+ Lƣợng 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 lƣợng sạch, có thể sử dụng cho sinh hoạt.
+ UASB rất thích hợp cho xử lý nƣớc 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 nƣớc thải công nghiệp có hàm lƣợng và tải lƣợng ô nhiễm cao.
- Nhƣợc điểm
+ Các quá trình xảy ra trong thiết bị phức tạp.
+ Tác nhân sinh học rất nhạy cảm với các yếu tố môi trƣờng. + Quá trình khởi động kéo dài.
+ Yêu cầu cao sự tƣơng thích giữa thức ăn và hàm lƣợng sinh khối. + Quá trình cố định vi khuẩn trên lớp đệm rất khó điều khiển.
Quá trình xử lý yếm khí tạo ra lƣợng bùn ít và chi phí năng lƣợng thấp. Nhƣợc điểm của xử lý yếm khí là thời gian lƣu nƣớc thải lớn, thời gian ổn định công nghệ dài (3 – 6 tháng). Qui trình vận hành tƣơng đối phức tạp, hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trƣờng, biến động lớn từ 60 – 90%.
2.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học hiếu khí
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 đƣợc; đồng thời chính vi sinh vật cũng sử dụng một phần chất hữu cơ và năng lƣợng khai thác đƣợc 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 lƣợng nhỏ khác…)
CxHyOz + ( 4 2 y z x )O2 xCO2 + 2 y H2O + E
- Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ (Protein, Peptit, axitamin…)