Đề tài Bể yếm khí

NỘI DUNG Tổng quan Khái niệm Thủy phân Axit hóa Acetic hóa Metan hóa Động học quá trình kị khí Các công nghệ xử lý kị khí Quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn Quá trình tiếp xúc kị khí. Lọc kị khí (giá thể cố định dòng chảy ngược dòng). Quá trình kị khí bám dính xuôi dòng Quá trình kị khí tầng giá thể lơ lửng Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí Ảnh hưởng của nhiệt độ Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity) Ảnh hưởng của độ mặn Các chất dinh dưỡng Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp Khuấy trộn Tổng quan Khái niệm Quá trình phân hủy kị khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Phân hủy kị khí có thể chia làm 6 quá trình: Thủy phân polymer: Thủy phân các protein Thủy phân các polysaccharide Thủy phân chất béo Lên men các amino axit và đường Phân hủy kị khí các axit béo mạch dài và rượu Phân hủy kị khí các axit béo dễ bay hơi Hình thành khí metan từ axit acetic Hình thành khí metan từ hydrogen và CO2 Các quá trình này có thể hợp thành 4 giai đọan trong quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ: Thủy phân Trong giai đọan này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và chất không tan (polysaccharides, proteins, lipids) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, amino axit, axit béo). Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ bay hơi của cơ chất. Axit hóa Trong giai đọan này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi, alcohols, axit lactic, CO2, H2, NH3 và sinh khối mới. Acetic hóa Vi khuẩn Acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đọan axit hóa thành acetate, CO2, H2 và sinh khối mới. Metan hóa Axit acetic, CO2, H2, axit formic và methanol chuyển hóa thành metan, CO2 và sinh khố mới. Trong 3 giai đọan thủy phân, axit hóa, acetic hóa, COD trong dung dịch hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đọan metan hóa. Trong công nghệ xử lý kị khí cần lưu ý đến 2 vấn đề quan trọng: Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải vơi sinh khối vi khuẩn Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây: Chất hữu cơ  lên men -----------> yếm khí  CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S   Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas như sau: Methane (CH4)  55 ¸ 65%   Carbon dioxide (CO2)  35 ¸ 45%   Nitrogen (N2)  0 ¸ 3%   Hydrogen (H2)  0 ¸ 1%   Hydrogen Sulphide (H2S)  0 ¸ 1%   / Giai đoạn I Thủy phân và lên men  Giai đoạn II Tạo axid acetic, H2  Giai đoạn III Sinh CH4   Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981) Ba nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình là nhóm vi sinh vật thủy phân chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo acid bao gồm các loài Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli, và nhóm vi sinh vật sinh methane gồm các loài dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina). Động học quá trình kị khí Động học quá trình giữ vai trò chủ đạo trong phát triển và vận hành hệ thống kị khí xử lý nước thải. dựa vào kiến thức hóa sinh và vi sinh của quá trình kị khí, động học cung cấp cơ sở hợp lý để phân tích, kiểm soát và thiết kế quá trình. Mặt khác, động học cũng liên quan đến các yếu tố về môi trường vận hành ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy hoặc sử dụng chất thải. nếu có kiến thức về động học quá trình sẽ thực hiện quá trình xử lý một cách tốt hơn, vận hành ổn định và kiểm soát quá trình tốt hơn. Các công nghệ xử lý kị khí Bể phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn Bể phân hủy kị khí xáo trộn hòan toàn là bể xáo trộn liên tục, không có tuần hòan bùn. Bể này thích hợp để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy nồng độ cao hoặc xử lý bùn hữu cơ. Thiết bị xáo trộn có thể dùng hệ thống cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hoàn khí biogas. Trong quá trình phân hủy lượng sinh khối mới sinh ra phân bố đều trong toàn bộ thể tích bể. Do bể không có biện pháp nào để lưu giữ sinh khối bùn, nên thời gian lưu sinh khối chính là thời gian lưu nước. Thời gian lưu bùn trong phân hủy kị khí thông thường từ 12-30 ngày. Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp và thời gian lưu nước lớn, bể kị khí xáo trộn hoàn toàn có thể chịu đựng tốt trong trường hợp có độc tố hoặc khi tải trọng tăng đột ngột. Tải trọng đặc trưng của bể này là 0,5-6 kgVS/m3.ngày. Bể tiếp xúc kị khí. Gồm 2 giai đọan: Phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn Lắng hặc tuyển nổi tách riêng phần cặn sinh học và nước thải sau khi xử lý. Bùn sinh học sau khi tách được tuần hoàn trở lại bể kị khí. Do lượng sinh khối của quá trình có thể kiểm sóat được, không phụ thuộc vào lưu lượng nước thải, vì vậy thời giai lưu bùn cũng có thể khống chế được và không liên quan đến thời gian lưu nước. Hàm lượng vi sinh vật trong bể tiếp xúc kị khí dao động trong khoảng 4000-6000 mg/l. Bể tiếp xúc kị khí có thể họat động tốt ở tải trọng hữu cơ từ 0,5 -10 kgCOD/m3/ngày với thời gian lưu nước từ 12h-5 ngày. Bể lọc kị khí (giá thể cố định dòng chảy ngược dòng). Bể lọc kị khí là cột chứa đầy vật liệu rắn trơ, là giá thể cố định cho vi sinh vật kị khí bám trên bề mặt. giá thể đó có thể là đá, sỏi, than, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, vòng sứ… dòng nước tải phân bồ đều đi từ dưới lên tiếp xúc với màng vi sinh bám dính trên bề mặt giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màn vi sinh dẫn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy thời gian lưu nước nhỏ có thể vận hành ở tải trọng rất cao. Lọc kị khí sử dụng giá thể là đá hoặc sỏi thường bị bít tắt do các chất lơ lửng hoặc màng vi sinh không bám dính giữ lại ở khe rỗng của các viên đá hoặc sỏi. Giá thể là vật liệu nhựa tổng hợp có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao (95%) nên vi sinh dễ bám dính và chúng thường được thay thế dần cho đá sỏi. Tỷ lệ riêng diện tích bề mặt / thể tích của vật liệu thông thường dao động trong khoảng 100-220m2/m3. Trong bể lọc kị khí do dòng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh khối, rất dễ gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn. Để khắc phục nhược điểm này, có thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thông qua hệ thống phân phối khí đặt dưới lớp vật liệu và máy nén khí biogas. Sau thời gian dài vận hành, các chất rắn không bám dính gia tăng trong bể. Điều này có thể nhận thấy được khi hàm lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả xử lý giảm do thời gian lưu nước thực tế trong bể bị rút ngắn. Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bể bằng cách xã đáy và rửa ngược. Bể kị khí bám dính xuôi dòng Trong quá trình này nước thải vào chảy từ trên xuống qua lớp giá thể module. Giá thể này tạo nên các dòng chảy nhỏ tương đối thẳng theo hướng từ trên xuống. Đường kính dòng chảy nhỏ có đường kính xấp xỉ 4cm. với cấu trúc này tránh được hiệt tượng bít tắt và tích lũy chất rắn không bám dính và thích hợp cho xử lý nước thải có hàm lượng SS cao. Bể kị khí tầng giá thể lơ lửng Trong quá trình này, nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu hạt là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Vật liệu hạt này có đường kính nhỏ, vì vật tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích rất lớn (cát, than hoạt tính,…) tạo sinh khối bám dính lớn. Dòng ra được tuần hoàn trở lại để tạo vận tốc nước đi lên đủ lớn cho lớp vật liệu hạt ở dạng lơ lửng, giãn nở khoảng 15÷30% hoặc lớn hơn. Hàm lượng sinh khối trong bể có thể lên đến 10000÷40000 mg/L. Do lượng sinh khối lớn và thời gian lưu nước nhỏ, quá trình này có thể ứng dụng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ thấp như nước thải sinh hoạt. Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí Quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ). Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 5-10%, 90-95% còn lại là nước. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí: 25 - 40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm. 50 - 65oC: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt. Nói chung khi nhiệt độ tăng tốc độ tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40-450C tốc độ giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hoàn toàn ở 65oC trở lên.  / Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường thấp; do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm ủ. Ngoài ra người ta còn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5-10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ. Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity) pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6- 7,6 tối ưu trong khoảng 7- 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đó. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ. Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000-5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp. Ảnh hưởng của độ mặn Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. TTNLM đã tìm hiểu khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể. Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 1988). Các chất dinh dưỡng Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1- 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25- 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định. Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau: Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane. Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp Các chất khóang trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí. Các chất khóang này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác. Cations gây độc  Cations cộng hưởng  Cations đối kháng   Ammonium - N  Ca, Mg, K  Na   Ca  Ammniu - N, Mg  K, Na   Mg  Ammonium - N, Ca  K, Na   K   K, Na   Na  Ammonium - N, Ca, Mg  K   Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá trình lên men yếm khí (EPA, 1979, trích dẫn bởi Chongrak, 1989) Khuấy trộn Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ DANH SÁCH NHÓM I Nguyễn Thị Bích Thảo Nguyễn Thị Thu Diệu Trần Thị Ngọc Linh Lương Thị Kim Thoa Trần Quang Phú Trần Hoài Minh Nguyễn Thị Hồng Nguyễn Thị Thúy An Võ Song Thành Nguyễn Bá Vinh Tài liệu tham khảo Phương pháp sinh học xử lý môi trường- ThS Trương Thế Quang Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp- Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân- NXB ĐHQGTp HCM