- Bể Biophin là một thiết bị xử lý sinh học nước thải trong điều kiện nhõn tạo nhờ cỏc vi sinh vật hiếu khớ.
3. Hồ hiếu – kị khớ (tựy nghi):
Hồ tuỳ tiện cũn được gọi là hồ hiếu – kị khớ . Phần lớn cỏc ao, hồ ở nước ta là những hồ hiếu kị khớ.
Hồ tuỳ nghi thường cú độ sõu trung bỡnh từ 1,5 đến 2 m, dưới tỏc dụng của khu hệ sinh vật rất đa dạng trong nước bao gồm: Cỏc vi khuẩn yếm, hiếu khớ, thuỷ nấm, tảo và nguyờn sinh vật.
Trong hồ thường xảy ra 4 quỏ trỡnh sau:
- Quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ xảy ra ở lớp bựn đỏy và lớp nước sõu. Cặn lắng, cỏc chất hữu cơ khú hoặc chậm phõn huỷ được chuyển hoỏ yếm khớ, tạo ra cỏc sản phẩm trung gian ( rượu, axit, CO2, , H2 S … ). ở vựng yếm khớ cũn xẩy ra quỏ trỡnh khử Nitrat nhờ một số vi khuẩn tự dưỡng hoỏ năng.
khớ và hụ hấp tuỳ tiện cỏc sản phẩm phõn giải yếm khớ như cỏc axit hữu cơ, rượu… sẽ được oxy hoỏ hoàn toàn.
– Quỏ trỡnh quang hợp xảy ra trờn lớp nước mặt nhờ tảo và một số thực vật hạ đẳng: CO2 sinh ra do phõn giải yếm khớ và oxy hoỏ hiếu khớ được tảo và một số thực vật hạ đẳng khử bằng quỏ trỡnh tự dưỡng quang năng. Quỏ trỡnh này cũn tạo ra một lượng đỏng kể O2 cung cấp cho quỏ trỡnh oxy hoỏ hiếu khớ trờn lớp nước mặt, nhất là vào những ngày lượng bức xạ mặt trời cao. Tuy nhiờn để đảm bảo cõn bằng sinh thỏi trong hồ tuỳ tiện thỡ hàm lượng tảo khụng được vượt quỏ 100 mg/l.
– Quỏ trỡnh tiờu thụ sinh khối: Khi hàm lượng N và P trong nước thải cần xử lý cao, tảo sẽ phỏt triển mạnh gõy bựng nổ tảo. Nếu khụng được tiờu thụ, sinh khối tảo sẽ tớch luỹ, tự huỷ gõy ụ nhiễm thứ cấp. Tỏi lập lại cõn bằng sinh thỏi ở những hồ cú hiện tượng bựng nổ tảo sẽ rất khú khăn.
Cỏc khu vực trong một ao xử lý nước thải
* Một số yờu cầu khi lựa chọn hồ hiếu tựy nghi:
– Tỷ lệ chiều dài, chiều rộng hồ thường lấy bằng 1:1 hoặc 2:1
– ở những vựng cú ớt giú nờn làm hồ cú nhiều ngăn,vựng cú nhiều giú nờn làm hồ cú diện tớch rộng.
– Hiệu quả xử lý và thời gian nước lưu trong hồ được xỏc địng theo cụng thức sau:
t k S S E t a t . 1 1 + = =
Trong đú : E : Hiệu suất xử lý của cụng trỡnh; % Sa: BOD5 của nước thải xả vào hồ, mg/l St : BOD5 của nước sau được xử lý, mg/l t : Thời gian nước lưu trong hồ, ngày
t t t a S k S S t . − =
kt: Hệ số phụ thuộc kiểu hồ, nhiệt độ, tớnh chất của nước thải
)20 20 ( 20 0 . − = T t k C k
Đối với nước thải sinh hoạt 0,5 < K20 < 1 Đối với nước thải cụng nghiệp 0,3 < K20 < 2,5
C : Hằng số nhiệt độ
Đối với hồ tự nhiờn C = 1,035 – 1,074 Đối với hồ tiếp khớ nhõn tạo C = 1,045
T0 : Nhiệt độ của nước trong hồ, 0 C
4.3.3. Xử lý nước thải bằng phương phỏp yếm khớ4.3.3.1. Đặc điểm chung: 4.3.3.1. Đặc điểm chung:
- Dựng vi sinh vật yếm khớ để lờn men cỏc khớ, chất ụ nhiễm. Sản phẩm cuối cựng là CH4, H2, một số cỏc khớ cú tớnh khử: H2S, RSH, NH3.
- Gồm 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn thủy phõn nguyờn liệu đầu vào để vi khuẩn sử dụng cỏc chất dinh dưỡng + Giai đoạn tạo thành axit: nguyờn liệu, chất ụ nhiễm, vi khuẩn, vi sinh vật yếm khớ phõn huỷ tạo axit hữu cơ: CH3COOH, C2H5COOH.
+ Giai đoạn phõn huỷ axit hữu cơ tạo metan, CO2 - Cỏc yếu tố ảnh đến 3 giai đoạn trờn:
+ Nhiệt độ tối ưu: 350C
+ Liều lượng chất dinh dưỡng cú trong bựn và mức độ khấy trộn + Tỉ số C/N tốt nhất là 25 – 30/1
+ pH tối ưu: 6,5- 7,5
+ Ảnh hưởng của dũng vi khuẩn, chủng loại vi khuẩn, thời gian lưu + Khụng cú chất độc đối với vi khuẩn
- Ưu điểm: Sinh ớt bựn thải. * Hồ yếm khớ
- Hồ sõu, oxy khụng đến được đỏy, cỏc vi khuẩn yếm khớ sẽ phõn huỷ cỏc chất hữu cơ CO2, CH4
- Ứng dụng của phương phỏp yếm khớ: Xử lý chất hữu cơ hàm lượng cao: Protein, mỡ, khụng chứa chất độc, cú đủ chất dinh dưỡng.
- Ưu điểm của yếm khớ so với hiếu khớ: Sinh ra ớt bựn, khụng cần thấy sục khớ,nhưng phõn huỷ khụng triệt để, cần nhiệt độ cao (350C) thường ứng dụng để xử lý nhưng phõn huỷ khụng triệt để, cần nhiệt độ cao (350C) thường ứng dụng để xử lý tiếp.
Quỏ trỡnh xử lý yếm khớ là quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ cỏc hợp chất hữu cơ, vụ cơ cú thể chuyển húa sinh nhờ vi khuẩn hụ hấp yếm khớ và hụ hấp tuỳ tiện. Phương phỏp yếm khớ chỉ ỏp dụng cho nước thải cú hàm lượng BOD và cặn lơ lửng cao (BOD >1800mg/l; SS ≥ 300 ữ400mg/l). Sản phẩm phõn giải hoàn toàn cỏc hợp chất hữu cơ chứa của quỏ trỡnh xử lý yếm khớ là khớ sinh học (Biogas), chủ yếu là CH4 và CO2 cú thể sử dụng làm khớ đốt.
a/. Cơ chế phõn giải yếm khớ.
Quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ cỏc hợp chất hữu cơ là một quỏ trỡnh phức tạp gồm nhiều giai đoạn, cú thể túm tắt theo sơ đồ dưới đõy.
Sự phõn giải yếm khớ gồm 4 giai đoạn, trong mỗi giai đoạn chức năng của cỏc nhúm khỏc nhau khụng giống nhau.
* Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phõn cỏc hợp chất hữu cơ:
Hợp chất hữu cơ phõn tử lượng lớn (gluxit, protein, lipit...)
Chất hữu cơ phõn tử lượng nhỏ (đường, axit amin, axit bộo...)
Lờn men axit hữu cơ và Cỏc chất trung tớnh
Axit propionic, rượu, andehit, axeton
Cỏc chất khớ CO2, H2, NH3, H2S...
Axit axetic
Decacboxyl húa Khử CO2 Giai đoạn thủy phõn
Giai đoạn lờn men
Axetic húa
CH4 + CO28H+ 8H+
Cỏc hợp chất hữu cơ phõn tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit... bị phõn hủy dưới tỏc dụng của cỏc enzim hydrolaza của vi sinh vật thành cỏc chất hữu cơ phõn tử lượng nhỏ như đường đơn giản, axit amin...
Trong giai đoạn thủy phõn, cỏc hợp chất gluxit phõn tử lượng nhỏ được phõn hủy nhanh; cỏc hợp chất hữu cơ chứa Nitơ được phõn hủy chậm hơn, trong khi cỏc hợp chất hữu cơ phõn tử lượng lớn như tinh bột, cỏc axit bộo phõn tử lượng lớn được phõn hủy chậm, đặc biệt zecelulo và liguo zenlulo được chuyển hoỏ rất chậm và khụng triệt để do cấu trỳc phức tạp.
Cỏc vi sinh vật tham gia vào quỏ trỡnh thuỷ phõn phụ thuộc vào cỏc chất ụ nhiễm vào và cỏc đặc trưng khỏc của nước thải.
*Giai đoạn 2: Lờn men cỏc axit hữu cơ.
Cỏc sản phẩm thuỷ phõn sẽ được vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoỏ. Trong điều kiện yếm khớ, sản phẩm phõn giải là cỏc axit hữu cơ phõn tử lượng nhỏ như axit propionic, axớt butyric, axit lactic, cỏc chất trung tớnh như rượu, andehit, axeton. Thành phần của cỏc sản phẩm trong giai đoạn lờn men phụ thuộc bản chất cỏc chất ụ nhiễm, tỏc nhõn sinh học và điều kiện mụi trường.
Ngoài ra trong giai đoạn này cỏc axit amin hỡnh thành do thuỷ phõn protein cũng được khử amin, một phần gốc amin được cỏc vi sinh vật sử dụng cho quỏ trỡnh sinh trưởng và phỏt triển, một phần được khử.
* Giai đoạn 3: Giai đoạn lờn men tạo axit axetic.
Cỏc sản phẩm lờn men phõn tử lượng lớn như axit bộo, axit lactic … sẽ được chuyển hoỏ đến axit axetic.
3CH3 - CHOH- COOH → 2CH3 – CH2- COOH + CH3 – COOH + CO2 + H2O a. Lactic a. Propionic a. Axetic
*Giai đoạn 4: Giai đoạn Metan hoỏ
Đõy là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quỏ trỡnh xử lý yếm khớ thu biogas. Hiệu quả xử lý sẽ cao khi cỏc sản phẩm trung gian được khớ húa hoàn toàn.
Quỏ trỡnh hỡnh thành khớ Metan thường xảy ra theo 2 cơ chế chủ yếu sau:
* Sự hỡnh thành metan do decacboxyl húa:
- CH4 được hỡnh thành do decaboxyl axit axetic. CH3COOH → CH4 + CO2.
- CH4 hỡnh thành do decacboxyl húa cỏc axit hữu cơ khỏc
- CH4 cũng cú thể hỡnh thành do Decacboxyl cỏc chất trung tớnh: 4 CH3 – CH2 - COOH 2 H2O 7 CH4 + 5 CO2
* Sự hỡnh thành CH4 theo cơ chế khử CO2:
Hydro hỡnh thành do quỏ trỡnh lờn men cỏc axit hữu cơ, trong điều kiện yếm khớ sẽ được cỏc vi khuẩn Metanogene sử dụng như là chất nhượng Hydro để khử CO2. Quỏ trỡnh khử cú thể xảy ra dưới 2 dạng:
- Khử bằng Hydro phõn tử: CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O
b/. Tỏc nhõn sinh học.
Trong phõn giải yếm khớ cỏc quỏ trỡnh thủy phõn và lờn men xảy ra dưới tỏc dụng của nhiều loại vi khuẩn khỏc nhau. Thành phần của khu hệ sinh vật trong phõn giải yếm khớ phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của cỏc chất cú trong nước thải.
• Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phõn và lờn men axit hữu cơ.
+ Vi khuẩn Bacillus, Pseudomonas, Clostridium cú nhiều trong mụi trường giàu Xenlulo. + Vi khuẩn Micrococus, Lactobacilus, Clostridium... cú trong mụi trường giàu tinh bột. + Vi khuẩn Bacilus, Bacterium coli... cú trong mụi trường giàu protein.
+ Vi khuẩn Bacteroides, Bacillus... cú trong mụi trường giàu lipit.
• Vi sinh vật trong giai đoạn lờn men tạo axit axetic.
Một số chủng vi khuẩn cú hiệu quả axetogen.
+ Syntrophobacter wolonii, Syntro.wolfei và Syntro.buswellii.
• Vi khuẩn metan húa: gồm 2 nhúm chớnh sau:
+ Nhúm vi khuẩn ưu ấm (Mesophyl): gồm Methanococcus, Methanobacterium, Methanosarcina phỏt triển ở nhiệt độ tối ưu 35 ữ37o và pH = 6,8 ữ 8,5.
+ Nhúm vi khuẩn ưa núng: (Thermophyl): Methanobacillus, Methanothrix, Methano spirllum. Nhiệt độ tối ưu 55 – 60oC
4.3.3.3. Cỏc yếu tố ảnh hưởng tới quỏ trỡnh phõn hủy yếm khớ
a/. ảnh hưởng của nhiệt độ:
Là một trong những yếu tố quan trọng tỏc động tới quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ. Khoảng nhiệt độ cho quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ khỏ rộng từ 30 - 50oC. Nhiệt độ tối ưu cho mỗi quỏ trỡnh phụ thuộc vào tớnh ưa nhiệt của tỏc nhõn sinh học. Với cỏc vi khuẩn ưa ấm Topt = 33 ữ 38oC cũn vi khuẩn ưa núng giới hạn trong khoảng nhiệt độ tối ưu khỏ hẹp Topt = 50 ữ 52oC. Khi t0 > 35 0C.
Vi khuẩn ưa nhiệt sẽ hoạt động mạnh và quỏ trỡnh sinh khớ sẽ tăng, nhưng khi nhiệt độ quỏ cao thỡ khả năng khuyếch tỏn của khớ CO2 trong nước thải giảm, khả năng cầm giữ khớ CO2 kộm, làm tăng %CO2 trong Biogas, giảm đỏng kể nhiệt trị của khớ sinh
8 NADH+ 8 NAD- Khử bằng phản ứng oxy hoỏ khử: CO2 CH4 + 2H2O