a. Bể Biogas: Đõy là phương phỏp xử lý kỵ khớ khỏ đơn giản, thấy ở hầu hết cỏc cơ
sở chăn nuụi quy mụ trang trại, kể cả quy mụ hộ gia đỡnh. Ưu điểm của bể Biogas là cú thể sản xuất được nguồn năng lượng khớ sinh học để thay thế được một phần cỏc
nguồn năng lượng khỏc.
Trong bể Biogas cỏc chất hữu cơ được phõn hủy một phần, do đú sau Biogas nước thải cú hàm lượng chất hữu cơ thấp và ớt mựi hơn. Bựn cặn trong bể biogas cú
thể sử dụng để cải tạo đất nụng nghiệp. Cựng với việc cú nguồn năng lượng mới sử
dụng, cũn gúp phần giảm thiểu hiện tượng chặt phỏ rừng và bảo vệ mụi trường. Khớ
Biogas là một nguồn năng lượng cú triển vọng trong tương lai đồng thời gúp phần
bảo vệ mụi trường và bảo tồn tài nguyờn thiờn nhiờn.
Bảng 2.1. Thành phần khớ trong hỗn hợp khớ Biogas Loại khớ Thành phần khớ CH4 55-65% CO2 35-45% N2 0-3% H2 0-1% H2S 0-1%
Khi đốt chỏy 1m3 hỗn hợp khớ biogas sinh ra nhiệt lượng khoảng 4.500-6.000 calo/m3tương đương với 1 lớt cồn, 0,8 lớt xăng, 0,6 lớt dầu thụ, 1,4 kg than hoa hay 2,2 kW điện [21].
Tựy thuộc vào thành phần và tớnh chất nước thải chăn nuụi, thời gian lưu nước, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ… mà lượng khớ sinh ra là khỏc nhau.
Bảng 2.2. Lượng khớ Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và cỏc chất thải trong nụng nghiệp Động vật Khớ được sản sinh (l/kg chất thải rắn) Thực vật Khớ được sản sinh (l/kg chất thải rắn) Lợn 340-500 Cỏ 90-130 Gà 310-620 Rơm 105 Bũ 280-550 Bốo tõy 375
Cỏc quỏ trỡnh sinh húa trong bể Biogas:
Cú 2 nhúm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhúm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhúm vi khuẩn sinh khớ metan.
+ Nhúm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều cú enzym
cellulosase và nằm rải rỏc trong cỏc họ khỏc nhau, hầu hết cỏc trực trựng, cú bào tử.
Theo A.R.Prevot, chỳng cú mặt trong cỏc họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Trong điều kiện yếm khớ chỳng phõn hủy tạo ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như formandehit, acetat, ancol methylic.. Cỏc chất này đều được dựng để dinh dưỡng hoặc tỏc chất cho nhúm vi khuẩn sinh khớ metan.
+ Nhúm vi khuẩn sinh khớ metan: Nhúm này rất chuyờn biệt và đó được
nghiờn cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cs.., 1997 ở Mỹ, được xếp thành 3 bộ, 4 họ,
17 loài. Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ cú thể sử dụng một số chất nhất định. Do đú
việc lờn men kỵ khớ bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan, như vậy quỏ
trỡnh lờn men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho cỏc vi khuẩn metan phỏt triển cần cú lượng CO2 đủ trong mụi trường, nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bựn lắng), tỷ lệ
C/N = 20:1. Trong quỏ trỡnh lờn men kỵ khớ cỏc loài VSV gõy bệnh bị tiờu diệt
khụng phải do nhiệt độ mà do tỏc động tổng hợp của nhiều yếu tố khỏc nhau, trong đú cú mức độ kỵ khớ, tỏc động của cỏc sản phẩm trao đổi chất, tỏc động cạnh tranh dinh dưỡng,… Mức độ tiờu diệt cỏc VSV gõy bệnh trong quỏ trỡnh kỵ khớ từ 80 đến
Cỏc yếu tố ảnh hưởng và duy trỡ hệ thống Biogas:
- Nguyờn liệu đưa vào: cần phải bổ sung hàng ngày khối lượng phõn đầy đủ,
nếu quỏ nhiều hoặc quỏ ớt phõn đều cú thể sản sinh ra ớt khớ hoặc khụng cú khớ. Do đú cần phải duy trỡ sự cõn bằng giữa cỏc nhúm vi khuẩn trờn, nếu dư cỏc chất hữu cơ nhúm sinh vật thứ nhất sản sinh ra nhiều acid gõy ức chế sự phỏt triển và hoạt động của nhúm vi khuẩn thứ hai. Cụng thức pha trộn chung là: 1,5kg phõn tự nhiờn
+ 30 lớt nước = hỗn hợp bựn lỏng cú nồng độ căn lơ lửng 5%. Sản phẩm khớ tạo ra
0,35-0,40m3 khớ/1kg cặn lơ lửng, thời gian lưu nước trong bể Biogas đối với phõn
lợn là 10-15 ngày [29].
Bảng 2.3. Năng suất khớ sinh học từ quỏ trỡnh lờn men cỏc loại nguyờn liệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
STT Nguyờn liệu Lượng khớ sinh
học/1kg chất khụ (m3/kg) %CH4 trong khớ sinh học Thời gian lờn men (ngày) 1 Phõn trõu bũ 0,33 58 10 2 Phõn gia sỳc khỏc 0,23-0,50 58 10 3 Phõn trõu 0,86-1,11 57 10 4 Phõn gà 0,31-0,54 60 30 5 Phõn lợn 0,69-0,76 58-60 10-15 6 Phõn Cừu 0,37-0,61 64 20
- Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N: quỏ trỡnh phõn huỷ kỵ khớ tốt nhất nếu nguyờn liệuđưa vào đảm bảo tỷ lệ C/N=30/1 [29].
Bảng 2.4. Tỷ lệ C/N trong phõn gia sỳc gia cầm
Vật nuụi Thành phần Chất tan (%) N(%) P(%) C/N Bũ sữa 7,33 0,38 0,10 25,30 Bũ thịt 9,53 0,70 0,20 26,30 Lợn 21,50 1,00 0,30 25,50 Gà 16,60 1,20 1,20 15,00 Trõu 10,20 0,31
Chất lượng nguyờn liệu và tỷ lệ hỗn hợp phõn/nước: dung dịch lờn men phải đảm bảo hàm lượng chất khụ 2-4%, với chất dễ tiờu khoảng 7%. Thụng thường tỷ lệ phõn/nước=1/1-1/5.
- Quỏ trỡnh khuấy trộn: phải thường xuyờn thực hiện phỏ lớp vỏng nổi trong
bể Biogas để tạo điều kiện cho khớ thoỏt lờn vũm bể và thỳc đẩy quỏ trỡnh sinh khớ.
Đồng thời trong cỏc vi khuẩn sinh khớ cú loài thụ động cú loài năng động, do đú cần
khuấy trộn để cung cấp thức ăn cho loài vi khuẩn thụ động.
- Hoỏ chất, cỏc độc tố: cỏc húa chất như thuốc khỏng sinh hoặc cỏc sản phẩm
hoỏ học khỏc cú thể gõy ức chế cho quỏ trỡnh phỏt triển của VSV. Vi sinh vật cú thể
ngừng làm việc và hiệu quả sinh khớ thấp, vỡ vậy cần hạn chế sự cú mặt của cỏc chất
hoỏ học trong bể Biogas.
- pH: tối ưu khoảng 7-8,5.
- ỏp suất: Vi khuẩn tạo khớ methane rất nhạy cảm với ỏp suất, chỳng chỉ hoạt
động bỡnh thường trong điều kiện ỏp suất <40mm cột nước [29].
- Nhiệt độ: lý tưởng là 350C, tuy nhiờn quỏ trỡnh phõn huỷ vẫn xảy ra ở nhiệt
độ 15-200C. Nếu nhiệt độ thấp hơn thỡ VSV khú phỏt triển, dưới 100C thỡ gần như
quỏ trỡnh sinh khớ khụng diễn ra. Theo Mignotte lượng khớ sinh ra trờn 1 tấn phõn ở
cỏc nhiệt độ khỏc nhau trong khoảng thời gian khỏc nhau được thể hiện trong bảng
sau:
Bảng 2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu đến hiệu quả sinh khớ
Nhiệt độ (0C) Khớ sinh ra (m3/ngày) Thời gian (thỏng)
15 0,15 12
20 0,3 6
25 0.6 3
30 1.0 2
35 2,0 1
Theo nghiờn cứu của Nguyễn Thị Hoa Lý (1994) nước thải sau khi qua bể Biogas, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b. Hồ kỵ khớ: Chiều sõu hồ khoảng 3-5m, lớp nước trong hồ được khuấy đảo nhờ
cỏc bọt khớ sinh ra từ quỏ trỡnh kỵ khớ ở đỏy và cỏc yếu tố khỏc như giú, chuyển động đối lưu... Hiệu quả xử lý của hồ kỵ khớ phụ thuộc vào thời gian lưu và tải lượng chất hữu cơ, mối quan hệ giữa hiệu quả xử lý và thời gian lưu được thể hiện
qua cụng thức [2]: E(%) = 1 – 2,4. 0,5
Tải trọng BOD của hồ kỵ khớ tương đối cao, từ 200-500 kgBOD/ha.ngày. Hiệu
quả khử BOD từ 50-85%. Hàm lượng chất lơ lửng khi ra khỏi hồ 80-160 mg/l [21].
c. Quỏ trỡnh lọc sinh học kỵ khớ: Kỹ thuật lọc yếm khớ được sử dụng trong thực tế
lần đầu tiờn vào năm 1969, kỹ thuật trờn phự hợp với nước thải cú hàm lượng chất
hữu cơ cao. Tải lượng chất hữu cơ của bể lọc yếm khớ cú thể đạt tới 1-20 kgBOD/m3.ngđ[2].
Quỏ trỡnh lọc kỵ khớ dớnh bỏm, sử dụng giỏ thể mang vi sinh như sỏi, đỏ, vũng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, xơ dừa.. để xử lý nước thải trong điều kiện khụng cú oxy.
Bể lọc kỵ khớ cú dũng chảy hướng lờn hoặc dũng chảy ngang. Nước thải đi qua và tiếp xỳc với toàn bộ lớp vật liệu lọc. Sinh khối dớnh bỏm trờn bề mặt lớp vật liệu lọc
cố định do đú sinh khối được giữ lại trong bể với thời gian lõu hơn thời gian lưu nước (thời gian lưu nước là 8h, thời gian lưu bựn cú thể lờn đến 100 ngày).
Quy trỡnh này cú nhiều ưu điểm: -Đơn giản trong vận hành;
-Chịu được biến động lớn về tải lượng ụ nhiễm; vận hành ở tải trọng cao; -Khụng phải kiểm soỏt lượng bựn nổi như trong bể UASB;
-Cú khả năng phõn hủy cỏc chất hữu cơ phõn hủy chậm; -Thời gian lưu bựn rất cao (khoảng 100 ngày) [9].
Tuy nhiờn cú nhược điểm là khụng điều khiển được sinh khối của bể lọc này. Sử dụng quỏ trỡnh màng VSV kỵ khớ cũng như hiếu khớ để XLNT chăn nuụi ngoài
việc loại bỏ cỏc hợp chất hữu cơ cũn cú thể loại bỏ một lượng lớn cỏc chất lơ lửng,
trứng giun sỏn, vi khuẩn... nhờ cơ chế hấp phụ. Tuy nhiờn khi XLNT chăn nuụi cần lưu ý sự tớch lũy cặn trong lớp VLL vỡ hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải là khỏ lớn. Sự tớch lũy cặn sẽ làm tắc lớp VLL tạo ra cỏc vựng chết hoặc xảy ra hiện tượng
đỏnh thủng lớp VLL làm cho dũng chảy ngắn và phõn bố khụng đều dẫn đến giảm
hiệu quả xử lý. Vỡ vậy cần loại bỏ cặn lơ lửng trước khi đi vào cụng trỡnh.
Sự phỏt triển của mụ hỡnh động học phõn hủy yếm khớ hiện chưa đạt tới mức độ cho phộp thiết lập cỏc thụng số thiết kế cho một hệ xử lý hoặc cần tới quỏ nhiều
cỏc thụng số nhưng tớnh đặc trưng và ổn định của chỳng thấp, vỡ vậy thiết kế hệ lọc
yếm khớ chủ yếu dựa trờn kinh nghiệm hoặc từ kết quả nghiờn cứu từ thớ nghiệm
pilot [2].
Trờn cơ sở cỏc thớ nghiệm và thực nghiệm với hệ lọc sử dụng vật liệu mang
khỏc nhau, mặc dự số liệu khỏ tản mạn nhưng người ta xỏc lập được mối quan hệ
[2]:
lg(Se/Si) = -A lg + B; E = 1- Se/Si = 1 – B. ()-A (3-1)
Trong đú: Si, Se: nồng độ cơ chất đầu vào và đầu ra khỏi hệ
A, B: hằng số kinh nghiệm
E: hiệu quả xử lý : thời gian lưu (giờ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo cỏc số và B=0,87, nếu thời gian lưu tớnh theo giờ thỡ hiệu quả xử lý được
xỏc định theo cụng thức: E = 1 – 0,87.-0,5 [2].
Theo [1] tổng hợp cỏc kết quả nghiờn cứu về lọc kỵ khớ trờn thế giới cho thấy
bể lọc kỵ khớ. Đối với nước thải sau Biogas trong đối tượng nghiờn cứu cú COD
khoảng 1500mg/l tương ứng với hiệu suất xử lý COD khoảng E=65% tương ứng
với thời gian lưu nước qua bể lọc kỵ khớ là 8giờ. Kết quả trờn cũng phự hợp với
cụng thức tổng hợp của Lờ Văn Cỏt (E = 1 – 0,87.-0,5).
d. Quỏ trỡnh kỵ khớ trong UASB: Hệ thống này được nghiờn cứu và ứng dụng bởi
Gatze Lettinga và cỏc cộng sự của trường đại học Wageningen ở Hà Lan từ những năm 1970, nú thớch hợp cho việc xử lý nước thải cú hàm lượng chất hữu cơ từ thấp
tới cao tại cỏc vựng nhiệt đới. Trong quỏ trỡnh xử lý, UASB làm giảm hàm lượng
chất hữu cơ trong nước thải và sinh ra một lượng khớ Biogas đỏng kể.
Nước thải được đưa từ dưới lờn qua lớp bựn kỵ khớ lơ lửng ở dạng hạt. Quỏ
trỡnh sinh húa diễn ra khi nước thải tiếp xỳc với lớp hạt bựn này. Khớ sinh ra sẽ kộo cỏc bụng bựn lờn lơ lửng trong bể tạo ra sự khuấy trộn đều giữa bựn và nước. Khi
lờn đến đỉnh cỏc bọt khớ sẽ va chạm với cỏc tấm chắn nghiờng, cỏc bọt khớ được giỏi
phúng tự do cũn bựn được rơi xuống theo trọng lực. Tấm chắn được đặt nghiờng
trong vựng tỏch pha để tăng tiết diện, tiết diện dũng chảy tăng do đú làm giảm tốc
độ lắng của pha rắn tại vựng này, bựn được tớch tụ trờn bề mặt tấm chắn nghiờng khi
đủ lớn tỏch ra và rơi xuống vựng lắng.
Hỡnh 2.2. Sơ đồ cấu tạo bể UASB
Hiệu quả xử lý của bể UASB cú tỏch pha và khụng tỏch pha khỏc nhau [35].
Trường hợp khụng tỏch pha: E = 1 – 1,53. -0,64 Trường hợp cú tỏch pha: E = 1 – 0,68. -0,64 Theo G. Lettinga, 2002:
lg(Se/Si) = -A lg + B; E = 1- Se/Si = 1 – B. ()-A (3-1)
Trong đú: Si, Se: nồng độ cơ chất đầu vào và đầu ra khỏi hệ
A, B: hằng số kinh nghiệm
E: hiệu quả xử lý : thời gian lưu (giờ)
Cỏc hằng số kinh nghiệm A, B trong cụng thức (3-1) được thể hiện trong bảng sau:
進流水分配器 出流水 甲烷氣 進流水 氣固液三相分離裝置 污泥床區 污泥毯區 溢流堰 Nước thải vào Hệ thống phân phối nước Tầng bùn lơ lửng Nước thải sau bể UASB Khí Biogas Máng thu nước quanh bể Tầng pha nước, pha khí Vách ngăn tách khí
Bảng 2.6. Cỏc thụng số kỹ thuật đối với cỏc cụng trỡnh xử lý kỵ khớ
Hệ thống xử lý yếm khớ A B đối với E=80% (giờ)
UASB tiờu chuẩn 0,68 0,68 5,5 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lưu thể gión nở 0,60 0,56 5,5
Lọc sinh học 0,50 0,87 20,0
Hồ yếm khớ 0,50 2,40 144,0
So sỏnh với cỏc kỹ thuật xử lý yếm khớ khỏc, trờn nhiều phương diện cho thấy kỹ
thuật UASB là phương ỏn tốt nhất. Thụng thường thời gian lưu là 6 ngày cho vựng khớ hậu nhiệt đới, chiều cao bể 4-6m, vận tốc nước dõng v = 0,6-0,9 m/h [3].
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bể UASB:
- Nhiệt độ: UASB cú thể hoạt động ở nhiệt độ ấm (30 – 350C) hoặc núng (50 – 550C). Nhiệt độ tối ưu cho quỏ trỡnh hoạt động của bể UASB là 350C. Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo methane hầu như khụng hoạt động.
- pH: pH tối ưu cho quỏ trỡnh hoạt động của bể UASB là từ 6,5-7,5. Nếu pH
giảm thỡ ngưng nạp nguyờn liệu, vỡ nếu tiếp tục nạp nguyờn liệu thỡ hàm lượng acid tăng lờn dẫn đến làm chết cỏc vi khuẩn tạo CH4. Phải duy trỡ độ kiềm trong nước thải khoảng 1.000-1.500mg/l làm dung dịch đệm để khụng cho
pH<6,3.
- Hàm lượng chất hữu cơ: khi COD < 100mg/l, xử lý bằng USAB khụng thớch
hợp. Khi COD>50.000mg/l, cần pha loóng nước thải [2].
- Khả năng phõn huỷ sinh học của cỏc chất hữu cơ: cú thể xỏc định bằng cỏch
cho một lượng COD đó định lượng trước vào mụ hỡnh tĩnh và theo dừi lượng
khớ methane sinh ra hoặc lượng COD cũn lại trong thời gian khoảng 40 ngày.
- Chất dinh dưỡng: nhu cầu dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn kị khớ thường thấp hơn so với vi khuẩn hiếu khớ. Hàm lượng tối thiểu của cỏc nguyờn tố dinh dưỡng xỏc định theo tỷ lệ (COD/Y) : N : P : S = (50/Y : 5 : 1 : 1). Trong đú Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào nước thải. Nước thải khụng dễ acid húa cú Y = 0,15; nước thải dễ acid húa cú Y = 0,03.
- Hàm lượng cặn lơ lửng: UASB khụng thớch hợp đối với nước thải cú hàm
lượng cặn lơ lửng lớn > 3000mg/l. Cặn khú cú thể phõn hủy sinh học được, do đú cặn sẽ tớch lũy dần trong bể gõy trở ngại cho quỏ trỡnh xử lý nước thải.
+ Ưu điểm:
- Theo nghiờn cứu XLNT trại chăn nuụi lợn Vĩnh An (CEFINA-Trung tõm Cụng nghệ quản lý mụi trường) trờn mụ hỡnh kỵ khớ UASB cho thấy: ở tải lượng 2-5 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất xử lý đạt 70-72% cũn ở tải trọng 5- 6kgCOD/m3.ngày thỡ hiệu quả là 48% [19]. Hệ thống UASB cú ưu điểm nổi
bật là khả năng chịu tải trọng COD lớn và cú chịu được sự thay đổi đột ngột COD trong nước thải.
- Trong bể UASB cỏc loại bựn cú mật độ vi sinh rất cao và tốc độ lắng vượt xa
so với bựn hoạt tớnh hiếu khớ ở dạng lơ lửng. Lượng bựn sinh ra trong quỏ trỡnh xử lý UASB chỉ bằng khoảng 1/5 so với phương phỏp hiếu khớ [34,36,38]. - Cả ba quỏ trỡnh: phõn hủy, lắng bựn, tỏch khớ được xõy dựng, lắp đặt trong
cựng một cụng trỡnh và cú khả năng thu hồi khớ Methane;
- Tốn ớt năng lượng cho quỏ trỡnh vận hành, lượng bựn dư ớt nờn giảm chi phớ
xử lý bựn, bựn sinh ra sau hệ thống dễ tỏch nước.
- Cú khả năng hoạt động theo mựa vỡ bựn kỵ khớ cú thể phục hồi và hoạt động
trở lại sau một thời gian ngưng nạp nhiờn liệu.