Mô tả hệ thống
Gần như đồng thời với kỹ thuật UASB, kỹ thuật xử lý chảy ngược qua nhiều ngăn yếm khí (Anaerobic Baffled Reactor – ABR) do các nhà khoa học của trường Standfort [23] phát triển cũng đã được nghiên cứu và áp dụng.
Về thực chất, ABR là hệ xử lý bao gồm nhiều ngăn UASB ghép nối tiếp [1,10] trong từng ngăn dòng nước thải chảy ngược qua lớp bùn vi sinh, bùn tồn tại ở trạng thái huyền phù (dạng tập hợp keo tụ hay hạt sinh hoặc cả hai) [18, 19, 21].
Trong thực tế ABR thường gặp các hệ không lớn, tuy vậy nó cũng thể hiện được các ưu nhược điểm so với các hệ xử lý khác thể hiện trên các phương diện sau [10]:
Xây dựng cơ bản:
Thiết kế đơn giản.
Không có các thiết bị, bộ phận chuyển động cơ khí.
Không có thiết bị khuấy trộn.
Giá thành xây dựng thấp (giá thành xây dựng thấp hơn 20 % so với UASB và chỉ bằng khoảng 20 % so với kỹ thuật bùn hoạt tính)
23
Tỷ lệ phần thể tích sử dụng cao.
Ít bị tắc.
Tầng bùn dãn nở thấp nên đòi hỏi chiều cao cũng thấp.
Giá thành vận hành thấp.
Sinh khối:
Loại sinh khối thông dụng.
Lượng bùn hình thành thấp.
Thời gian lưu bùn dài.
Không sử dụng phương tiện chất mang hay bộ phận lắng bùn cho mục đích tích lũy bùn.
Không cần tới bộ phận tách khí và bùn.
Vận hành.
Thời gian lưu thủy lực ngắn.
Có thể vận hành gián đoạn.
Rất ổn định trước dao động về lưu lượng dòng.
Có khả năng bảo vệ trước độc tố có mặt trong dòng vào.
Tần xuất thải bùn thưa.
Ổn định trước dao động của mức ô nhiễm.
Đặc trưng khác biệt căn bản của ABR so với UASB là sự phân lập chủng loại vi sinh tham gia vào quá trình yếm khí theo vùng không gian. Trong các ngăn đầu tiên, vi khuẩn axit hóa tồn tại với số lượng đông đảo, giảm dần trong các ngăn tiếp theo, nhường chỗ cho vi sinh metan hóa. Về phương diện trên, nó có hình ảnh tương tự như các quá trình xử lý yếm khí nối ghép hai (nhiều) giai đoạn, hay kỹ thuật tầng lưu thể bao gồm hai giai đoạn là axit hóa và metan hóa riêng biệt. Phân lập chủng loại vi sinh theo vùng không gian có thể làm tăng hoạt tính của chủng loại vi sinh metan và axit hóa lên tới bốn lần do tạo được điều kiện thuận lợi cho từng loại vi sinh phát triển. Khó khăn và đồng thời cũng là hạn chế của kỹ thuật
24
ABR là khó phân phối đều dòng chảy đều theo toàn bộ tiết diện của bể xử lý, không tăng được tốc độ dòng để làm động lực cho quá trình chuyển khối do hạn chế của chiều cao cột nước.
Hình 10. Cấu hình bể xử lý ABR
(A): Một đường thu biogas. (B): Thu biogas từ từng khoang.(C): Dòng hướng đứng. (D): Dòng hướng ngang. (E):ghép thêm khoang lắng. (F):Hở nắp. (G): mở rộng khoang đầu tiên. (H-J):Bố trí tầng lọc khác nhau. (H): chảy ngược qua tầng lọc. (I): Chảy xuôi qua tầng lọc. (J): tất cả các ngăn đều chứa vật liệu lọc. Ký hiệu: (W) = Dòng vào; B = Biogas; E = Dòng ra: S = Bùn thải. Phần bôi đen thể hiện chất mang.
Bể ABR hoạt động theo nguyên tắc chảy ngược qua nhiều ngăn yếm khí (chảy dích dắc theo chiều dọc, rất ít khi chảy theo chiều ngang) nhằm hướng dòng nước thải ở trạng thái chảy ngược từ khi nước thải vào và ra khỏi bể xử lý. Vi sinh trong
25
bể nổi lên hay chìm xuống phụ thuộc vào tốc độ hình thành khí và tốc độ dòng chảy ngược của nước thải. Bể ABR được thiết kế theo nhiều kiểu cấu hình khác nhau (hình 5) nhằm đạt được tiêu chí trên. Cấu hình đầu tiên của bể ABR được thiết kế như sơ đồ trong hình 5.C nhưng trong thực tế sơ đồ trong H.5.A được chấp nhận rộng rãi hơn (khác biệt là ở thể tích của ngăn chứa dòng đi xuống nhỏ, đóng vai trò ngăn phụ). Nhằm cải thiện hiệu quả xử lý, rất nhiều dạng bể xử lý đã được nghiên cứu phát triển (trước năm 1999), chúng được mô tả trên các hình 5.B và D đến J. Các cấu hình bể khác nhau ngoài mục đích tăng cường tích lũy sinh khối còn nhắm tới xử lý nước thải chứa tạp chất khó sinh hủy, nước thải với nồng độ tạp chất không cao hoặc giảm giá thành xây dựng hệ xử lý.
Cấu hình khác nhau được cải tiến nhằm các mục đích sau:
Sơ đồ H.5.C được cải tiến bằng cách bổ sung thêm dòng chảy đứng vào dòng đẩy lý tưởng để xử lý dòng thải chứa hàm lượng cặn cao, nhằm giữ vi khuẩn metan hóa dễ bị cặn không tan trong dòng vào đẩy ra ngoài. Cải tiến trên cho phép tăng khả năng hình thành metan từ 30 lên trên 55 % với tải lượng hữu cơ 1,6 kg COD/(m3d).
Cấu hình 5.A có đặc điểm là thu gọn thể tích của bể hướng dòng nước đi xuống và kéo dài thành của thành bể hướng vào tâm của bể chảy ngược. Tuy hiệu suất tạo thành metan và của hệ tăng nhưng thành phần metan trong biogas giảm so với dạng H5.C.
Sự thay đổi đáng kể là dạng bể xử lý lai ghép nhằm tăng thời gian lưu bùn đối với các nguồn thải có độ ô nhiễm cao. Thể tích của bể xử lý dạng lai ghép lớn hơn loại sử dụng trước đó khi ghép thêm khoang lắng sau ngăn xử lý cuối cùng (hình 5.E). Vi sinh trôi ra khỏi bể xử lý được thu lại trong khoang lắng, hồi lưu trở lại ngăn đầu tiên.
Chất mang dạng dời (vòng Pall) được đưa vào phía trên của hai ngăn đầu, chất mang nhựa dạng kết khối có độ xốp cao được xếp vào phía đáy của ngăn thứ ba. Vi sinh dạng keo tụ nổi lên trên mặt nước do biogas được chất mang giữ lại trong các ngăn đầu và vì vậy có thể áp dụng tải thủy lực cao.
26
Thu khí riêng rẽ của từng ngăn yếm khí cho phép đánh giá lượng và thành
phần biogas của từng ngăn. Với các dòng thải chứa nhiều cặn mịn, khó lắng (nước thải chuồng trại) thì loại bể có ngăn đầu với thể tích lớn tỏ ra có hiệu quả tốt hơn (H.5.G).
Mỗi dạng cải tiến đều nhằm mục đích hướng đến sự thích hợp cho các nguồn thải có đặc trưng riêng biệt. Phương hướng của các hệ xử lý đời mới là kết hợp các kỹ thuật xử lý khác nhau để tiệm cận mục tiêu, bao gồm cả kết cấu hệ thống đến chế độ vận
Đặc trưng kỹ thuật Chế độ thủy động
Chế độ thủy động và mức độ khuấy trộn trong hệ xử lý tác động mạnh đến khả năng tiếp xúc giữa sinh khối và cơ chất, tức là đến quá trình chuyển khối và hiệu quả xử lý. Trong kỹ thuật dòng đẩy lý tưởng, từng thành phần trong dòng chảy đều có thời gian lưu thủy lực ngang nhau, không tạo ra vùng không gian chết, tốc độ khuấy trộn rất thấp. Ngược lại trong kỹ thuật khuấy trộn đều thì thời gian lưu thủy lực của các thành phần rất khác nhau (có nhiều phần tử vào trước ra sau hoặc ngược lại, nếu tính theo phương diện không gian thì vùng không gian chết chiếm tỷ lệ cao). Khuấy trộn mạnh tạo điều kiện cho quá trình tiếp xúc giữa vi sinh và cơ chất.
Các nghiên cứu về phân bố thời gian lưu thủy lực (sử dụng phóng xạ) trong nhiều dạng bể xử lý ABR cho thấy vùng không gian chết trong kỹ thuật ABR thấp so với các kỹ thuật khác. Vùng không gian chết bao gồm hai yếu tố: thủy lực và sinh khối. Vùng không gian chết về mặt thủy lực phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và số ngăn của hệ xử lý, vùng không gian chết về phương diện sinh khối thì bị tác động bởi mật độ sinh khối và hoạt tính vi sinh. Tốc độ dòng giảm làm tăng vùng không gian chết về thủy lực nhưng lại làm giảm không gian chết về vi sinh. Sử dụng thông tin về phân bố thời gian lưu thủy lực khi có và không có sinh khối cho thấy vùng không gian chết (thủy lực) thấp hơn 8 % (so với cột lọc yếm khí 50 – 93 %, khuấy trộn đều lớn hơn 80 %), tăng lên đến 18 % khi mật độ sinh khối đạt 8 g/l
27
nhưng không tìm được mối liên hệ trực tiếp giữa vùng không gian chết (thủy lực) và thời gian lưu thủy lực. Trong vùng thời gian lưu thủy lực ngắn (tốc độ dòng cao), sự có mặt của sinh khối có tác động không nhiều đến vùng không gian chết (thủy lực), nó chỉ bị tác động bởi tốc độ dòng và số ngăn của hệ xử lý.
Về phương diện vùng không gian chết của sinh khối thì ngược lại, nó phụ thuộc vào mật độ vi sinh, tốc độ hình thành biogas và tốc độ dòng, nó tăng khi tốc độ dòng tăng. Khi tăng tốc độ dòng sẽ rút ngắn thời gian lưu thủy lực, tăng khả năng hình thành khí và tăng khả năng duy trì vi sinh ở trạng thái huyền phù. Hai yếu tố ngược chiều trên không cho phép thiết lập mối quan hệ giữa thời gian lưu thủy lực với vùng không gian chết (thủy lực và vi sinh) trong vùng thời gian lưu thủy lực ngắn [1, 11, 21].
Vùng không gian chết về phương diện vi sinh hình thành chủ yếu là do vùng không gian chết về mặt thủy lực khi thời gian lưu thủy lực dài (tốc độ dòng thấp), tác động của yếu tố đó giảm khi thời gian lưu thủ lực ngắn (tăng tốc độ dòng) do lượng khí lớn hình thành sẽ phá vỡ sự tạo rãnh trong tầng vi sinh. Tính chất thủy động trong hệ ABR trở nên rất phức tạp khi tính đến các yếu tố khác như khả năng khuấy trộn của khí, thay đổi độ nhớt của polymer ngoại bào và kích thước của hạt vi sinh cũng như sự chuyển động lên xuống của sinh khối.
Hiệu ứng của dòng tuần hoàn
Nhìn chung, sử dụng dòng tuần hoàn có khả năng dẫn đến giảm hiệu quả xử lý do phá vỡ tính chất đẩy lý tưởng của hệ ABR. Mặt tích cực của phương thức tuần hoàn là tăng hàm lượng khí metan trong biogas và làm giảm nhẹ tác động bất lợi của pH thấp trong những ngăn đầu do sự tích lũy của axit cũng như hạn chế tác động tiêu cực của các thành phần ức chế hay đầu độc có mặt trong dòng thải. Hiệu quả tổng thể của giải pháp tuần hoàn không rõ ràng đối với từng trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào đặc trưng ô nhiễm của từng nguồn nước thải.
Về phương diện lý thuyết, dòng tuần hoàn có tác động tiêu cực lên tính năng thủy động của bể phản ứng do tăng mức độ khuấy trộn (hao hụt sinh khối, phá vỡ
28
tính cân bằng của cấu trúc vi sinh cục bộ có tính chất tương hỗ lẫn nhau) và làm tăng vùng không gian chết (thủy lực). Có nhiên cứu cho thấy, vùng không gian chết tăng gấp đôi, tới 40 % nếu tăng tỷ lệ tuần hoàn lên hai lần so với không sử dụng dòng tuần hoàn. Tăng khả năng khuấy trộn do dòng tuần hoàn sẽ đưa trạng thái hoạt động của kỹ thuật ABR về kiểu phân hủy trong một pha, đánh mất lợi thế phân vùng vi sinh mà kỹ thuật ABR vốn có.
Vi sinh
Phương thức bố trí nhiều ngăn yếm khí nối tiếp nhau sẽ tạo điều kiện cho các chủng loại vi sinh khác nhau ưu tiên phát triển trong từng ngăn phù hợp với môi trường sinh hóa. Sự phát triển của tập đoàn vi sinh trong từng ngăn phụ thuộc vào dạng và nồng độ của cơ chất có mặt trong môi trường nước cũng như các yếu tố ngoại cảnh như pH và nhiệt độ. Trong những ngăn đầu diễn ra quá trình axit hóa, trong đó vi khuẩn axit hóa phát triển với tốc độ nhanh, tiêu hao cơ chất lớn và làm pH giảm mạnh. Trong những ngăn sau, vi sinh metan hóa có điều kiện thuận lợi để phát triển do được tiếp nhận nguồn cơ chất là axit và trong điều kiện pH cao hơn.
Hai loại vi khuẩn metan hóa trong các ngăn là Methanosarcina sp. và Methanosaeta sp. tồn tại với tỷ lệ phụ thuộc vào nồng độ của axit axetic. Môi trường có nồng độ axit axetic cao thì Methanosarcina phát triển mạnh hơn Methanosaeta do tốc độ phát triển lớn hơn (thời gian tăng số lượng lên gấp đôi là 1,5 ngày so với 4 ngày), tuy nhiên nếu nồng độ axit acetic thấp thì Methanosaeta trở
nên ngự trị về số lượng do khả năng hấp thu cơ chất tốt hơn (hệ số bán bão hòa KS
là 30 mg/l so với 400 mg/l của Methanosarcina).
Thành phần loài vi sinh meatn hóa trong kỹ thuật ABR cũng khác so với trong các kỹ thuật khác, ví dụ lọc yếm khí, tuy hai dạng kỹ thuật trên có cùng đặc điểm là nồng độ cơ chất giảm dần về phía dòng ra. So sánh hiệu quả xử lý và thành phần loài vi sinh (metan hóa) của kỹ thuật ABR và lọc yếm khí đối với nước thải gỉ đường, với tải lượng hữu cơ 5,5 – 10,5 kgCOD/ (m3d) cho thấy: mật độ vi sinh
29
Methanosaeta ở các ngăn cuối, trong khi Methanosaeta là loài chủ yếu trong cột lọc
yếm khí.
Sự thiếu vắng Methanosarcina trong cột lọc yếm khí là do hai nguyên nhân:
tại các ngăn đầu ngự trị nồng độ axit acetic rất cao, trong khi tại cột yếm khí nồng độ axit chỉ bằng khoảng 10 % giá trị trên, đó là điều kiện phát triển phù hợp với từng loài; nguyên nhân sau là tốc độ hình thành biogas trong bể ABR thấp hơn so với trong tầng lọc yếm khí (5 so với 9 m/h) nên ít xảy ra hiện tượng trôi sinh khối ra ngoài.
Hoạt tính vi sinh cao ở những ngăn đầu, ví dụ 70 % metan thu hồi được từ ngăn đầu tiên trong hệ ABR lai ghép trong khi mật độ vi sinh chỉ chiếm có 10 % của sinh khối tổng. Vi sinh hoạt động cũng phân bố khác nhau trong cùng một ngăn. Vi sinh có hoạt tính cao tập trung ở vùng đáy bể trong trường hợp xử lý nước thải gỉ đường với tải lượng hữu cơ 20 kgCOD/(m3d), chiếm 85 – 92 % trong ngăn đầu, nhưng ngược lại khi xử lý nước thải giết mổ. Lý do có thể là do nồng độ axit acetic trong các trường hợp trên là khác nhau.
Vi sinh axit hóa tập trung ở ngăn đầu, giảm ở các ngăn sau, tốc độ hình thành axit trong các ngăn đầu rất cao có thể tính theo thời gian bằng giờ.
Không giống trường hợp UASB, hình thành hạt vi sinh không nhất thiết là yếu tố cần thiết quyết định hiệu quả của kỹ thuật ABR mặc dù hiện tượng tạo hạt vi sinh cũng quan sát được trong các bể xử lý ABR [1,11, 19]. Tải lượng hữu cơ thấp, tốc độ dòng chảy ngược là điều kiện thuận lợi cho sự hình thành của hạt vi sinh.
Thời gian lưu tế bào trong kỹ thuật UASB cao hơn khoảng 40 % so với của ABR để đạt cùng hiệu suất xử lý. Thời gian lưu tế bào biến động trong khoảng rất rộng, 7 đến trên 700 ngày (tương ứng với thời gian lưu thủy lực 5 đến 80 giờ.
30
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đề xuất 02 kỹ thuật phản ứng yếm khí : kĩ thuật tuần hoàn nội IC và kĩ thuật yếm khí dạng cải tiến của hệ tuần hoàn nội với vách ngăn đảo chiều dạng ABR, với quy mô phòng thí nghiệm, Q= 50l/d, để so sánh hiệu quả loại bỏ COD và khả năng chịu tải của 2 hệ.
Nước thải: nước thải được lấy ở hộ chăn nuôi thôn Đông Mỹ, xã Đông Mỹ, Thanh Trì-Hà Nội, đây là nước thải lấy ở hố ga ngay lúc rửa chuồng. Tần suất lấy mẫu 1-2 lần/tuần, được lọc qua rây 1-2mm, lưu trong các bồn chứa trước khi đưa vào bồn đầu vào, từ đây nước thải được bơm định lượng theo thiết kế thí nghiệm vào 2 hệ xử lý.
Nước thải khi lấy về và khi đưa vào bồn đầu vào được lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu CODT, CODht, TSS, VSS, Độ kiềm, TN, TP. Riêng chỉ tiêu CODht được hiệu chỉnh bằng cách bổ sung đường ăn sao cho giá trị đạt khoảng 2500-3000 mg/L để đáp ứng các giá trị về tải COD theo thiết kế thí nghiệm. Do nồng độ N, P nước thải lấy về nằm trong khoảng 406 mgN/L – 510 mgN/L, 39 mgP/l- 68 mgP/l ,