Tìm Hiểu Về Công Nghệ Xử Lý Nước Thải Kỵ Khí

Công nghệ xử lý nước thải kỵ khí đang được quan tâm nhiều hơn.

Xử lý sinh học bằng vi sinh kỵ khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải thành các chất khí CH₄ và CO₂ trong điều kiện không có oxy. Việc chuyển hóa các axit hữu cơ thành khí metan sản sinh ra ít năng lượng.

Quy trình này được áp dụng từ trước đến nay để xử lý ổn định cặn và xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ BOD, COD cao. Mười năm trở lại đây do công nghệ sinh học phát triển, quy trình xử lý bằng vi sinh kỵ khí được áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp có nồng độ BOD tương tự. Khi nồng độ BOD trong nước thải lớn hơn 500mg/l, áp dụng quy trình xử lý 2 bậc. Bậc 1 xử lý kỵ khí, bậc 2 xử lý hiếu khí.

Tổng quan

Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí.

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trinh sinh hóa tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh học trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ        —-         CH₄  +  CO₂  +  H₂  +  NH₃  + H₂S  + Tế bào mới

Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình:

• Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo.
• Lên men các amino acid và đường.
• Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu (alcohols).
• Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic).
• Hình thành khí methane từ acid acetic.
• Hình thành khí methane từ hydrogen và CO₂.

Các quá trình này có thể hợp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:

• Thủy phân: Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo). Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
• Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO₂, H₂, NH₃, H₂S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.
• Acetic hoá (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H₂, CO₂ và sinh khối mới.

• Methane hóa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H₂, CO₂, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO₂ và sinh khối mới.
• Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, COD hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn methane

Một số vi sinh vật tham gia vào quá trình kỵ khí

Nhóm vi sinh vật thủy phân chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo acid

Cơ sở lý thuyết

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH,…thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (chủ yếu là CO₂, CH₄). Quá trình phân hủy kỵ khí chất bẩn có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:

(CHO)_nNS   ——-        CO₂ + H₂O + CH₄ + NH₄ + H₂ + H₂S + Tế bào vi sinh

Trong 10 năm trở lại đây do công nghệ sinh học phát triển, quá trình xử lý kỵ khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lý các loại bã cặn chất thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao: BOD  10-30 (g/l).

Các nhân tố môi trường ảnh hướng đến quá trình lên men kỵ khí

Để duy trì sự ổn định của quá trình xử lý kỵ khí, phải duy trì được trạng thái cân bằng động của quá trình theo 4 pha đã nêu ở trên. Sự ảnh hưởng của các yếu tố sau quyết định hiệu quả của phương pháp xử lý kỵ khí:

Nhiệt độ:

khoảng 30 ÷ 35⁰C. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này là 35⁰C.

pH:

pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 đến 7,5. Sự sai lệch khỏi khoảng này đều không tốt cho pha methane hóa.

Chất dinh dưỡng:

Cần đủ chất dinh dưỡng theo tỷ lệ COD:N:P = (400÷1000):7:1 để vi sinh vật phát triển tốt, nếu thiếu thì bổ sung thêm. Trong nước thải sinh hoạt thường có chứa các chất dinh dưỡng này nên khi kết hợp xử lý nước thải sản xuất và nước thải sinh hoạt thì không cần bổ sung thêm các nguyên tố dinh dưỡng.

Độ kiềm:

Độ kiềm tối ưu cần duy trì trong bể là 1500 ÷ 3000 mg CaCO₃/l để tạo khả năng đệm tốt cho dung dịch, ngăn cản sự giảm pH dưới mức trung tính.

Muối (Na⁺, K⁺, Ca²⁺):

Pha methane hóa và acid hóa lipid đều bị ức chế khi độ mặn vượt quá 0,2 g/l NaCl. Sự thủy phân protein trong cá cũng bị ức chế ở mức 20 g/l NaCl.

Lipid:

Đây là các hợp chất rất khó bị phân hủy bởi vi sinh vật. Nó tạo màng trên vi sinh vật làm giảm sự hấp thụ các chất vào bên trong. Ngoài ra còn kéo bùn nổi lên bề mặt, giảm hiệu quả của quá trình chuyển đổi methane.

Kim loại nặng:

Một số kim loại nặng (Cu, Ni, Zn…) rất độc, đặc biệt là khi chúng tồn tại ở dạng hòa tan. Trong hệ thống xử lý kỵ khí, kim loại nặng thường được loại bỏ nhờ kết tủa cùng với carbonate và sulfide. Ngoài ra cần đảm bảo không chứa các hóa chất độc, không có hàm lượng quá mức các hợp chất hữu cơ khác.

Phân loại các công nghệ xử lý kỵ khí

Xử ly nước thải bằng phương pháp kỵ khí bao gồm nhiều công nghệ sau:

Quá trình xử lý kỵ khí sinh trưởng lơ lửng

Vi sinh vật sản sinh và phát triển trong các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học. Các vi sinh vật này tạo thành bùn hoạt tính có vai trò phân hủy các chất hữu cơ để xây dựng tế bào mới và tạo thành sản phẩm cuối cùng là dạng khí. Chúng sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng và xáo trộn cùng với nước, cuối cùng các chất dinh dưỡng cạn kiệt, các bông cặn lắng thành bùn.

Quá trình phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn

Đây là loại bể xáo trộn liên tục, không tuần hoàn bùn. Bể thích hợp xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hoà 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 (đòi hỏi có máy nén khí biogas và phân phối khí nén).

Quá trình tiếp xúc kỵ khí

Quá trình này gồm 2 giai đoạn:

• Phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn.
• Lắng hoặc tuyển nổi tách riêng phần cặn sinh học và nước thải sau xử lý

Bùn sinh học sau khi tách được tuần hoàn trở lại bể phân hủy kỵ khí. Lượng sinh khối có thể kiểm soát được, không phụ thuộc vào lưu lượng nước thải nên thời gian lưu bùn có thể khống chế được và không liên quan đến thời gian lưu nước. Hàm lượng VSS trong bể tiếp xúc kị khí dao động trong khoảng 4000 – 6000 mg/l. Tải trọng chất hữu cơ từ 0,5 đến 10 kg COD/m³/ngày. Thời gian lưu nước từ 12 giờ đến 5 ngày.

UASB: bể xử lý sinh học kỵ khí dòng chảy ngược qua lớp bùn

Mô hình là cột hình trụ tròn gồm hai phần:

• Phần phân huỷ.
• Phần lắng.

Nước thải được phân bố vào từ đáy bể và đi ngược lên qua lớp bùn sinh học có mật độ vi khuẩn cao. Khí thu được trong quá trình này được thu qua phễu tách khí lắp đặt phía trên. Cần có tấm hướng dòng để thu khí tập trung vào phễu không qua ngăn lắng. Trong bộ phận tách khí, diện tích bề mặt nước phải đủ lớn để các hạt bùn nổi do dính bám vào các bọt khí biogas tách khỏi bọt khí. Để tạo bề rộng cần thiết cần có cột chặn nước. Dọc theo mô hình có các vòi lấy mẫu (4 – 6 vòi) để đánh giá lượng bùn trong bể thông qua thí nghiệm xác định mặt cắt bùn.

1. Bể điều hòa lưu lượng và trạm bơm nước thải
2. Bộ phận đo và điều chính pH
3. Định lượng chất dinh dưỡng N, P nếu cần
4. Ống dẫn và dàn ống phân phối đều nước thải trong bể
5. Thể tích vùng phản ứng hiếu khí
6. Cửa tuần hoàn lại cặn lắng
7. Tấm chắn khí
8. Cửa dẫn hỗn hợp bùn nước sau khi đã tách khí vào ngăn lắng
9. Thể tích vùng lắng bùn
10. Máng thu nước
11. Ống dẫn hỗn hợp khí Metan
12. Ống dẫn nước sang bể xử lý hiếu khí (đợt 2)
13. Thùng chứa khí
14. Ống dẫn khí đốt
15. Ống xả bùn dư thừa

UASB hoạt động tốt khi có các điều kiện:

• Bùn kỵ khí có tính lắng tốt.
• Có bộ phận tách khí – rắn nhằm tránh rửa trôi bùn khỏi bể. Phần lắng ở trên có thời gian lưu nước đủ lớn, phân phối và thu nước hợp lý sẽ hạn chế dòng chảy rối. Khi hạt bùn đã tách khí đến vùng lắng có thể lắng xuống và trở lại ngăn phản ứng.
• Hệ thống phân phối đầu vào đảm bảo tạo tiếp xúc tốt giữa nước thải và lớp bùn sinh học. Mặt khác, khí biogas sinh ra sẽ tăng cường sự xáo trộn giữa nước và bùn, vì vậy có thể không cần thiết thiết bị khuấy cơ khí.

Khi sử dụng UASB cần chú ý đến:

• Bùn nuôi cấy ban đầu: nồng độ tối thiểu là 10 kg VSS/m³. Lượng bùn cho vào không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.
• Nước thải: cần xem xét thành phần tính chất nước thải như hàm lượng chất hữu cơ, khả năng phân hủy sinh học của nước thải, tính đệm, nhiệt độ nước thải…
• Hàm lượng chất hữu cơ: COD < 100 mg/l không sử dụng được UASB, COD > 50000 mg/l thì cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra.
• Chất dinh dưỡng: nồng độ nguyên tố N, P, S tối thiểu có thể tính theo biểu thức sau:

(COD/Y) : N : P : S = (50/Y) : 5 : 1 : 1

Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào loại nước thải. Nước thải dễ acid hóa Y = 0,03, khó acid hóa Y = 0,15.

• Hàm lượng cặn lơ lửng: nước thải có hàm lượng SS lớn không thích hợp cho mô hình này. SS > 3000 mg/l khó phân hủy sinh học sẽ lưu lại trong bể sẽ ngăn cản quá trình phân hủy nước thải. Nếu cặn có thể cuốn trôi thì không có vấn đề gì.
• Nước thải chứa độc tố: UASB không thích hợp với loại nước thải có hàm lượng amonia > 2000 mg/l hoặc hàm lượng sulphate > 500 mg/l. Khi nồng độ muối cao cũng gây ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn methane. Khi nồng độ muối nằm trong khoảng 5000 – 15000 mg/l thì có thể xem là độc tố.

Quá trình xử lý kỵ khí sinh trưởng bám dính

Trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng dính bám hay gắn kết các vật liệu trơ như đá, xỉ, gỗ, sành sứ, chất dẻo. Quá trình này còn gọi là màng sinh học hay màng cố định, xảy ra ở các quá trình xử lý nước thải, như lọc sinh học hoặc đĩa quay sinh học

Lọc kỵ khí (giá thể cố định dòng chảy ngược)

Bể lọc kỵ khí là cột chứa đầy vật liệu rắn trơ làm giá thể cố định cho vi sinh vật kỵ khí sống bám trên bề mặt. Giá thể có thể là sỏi, đá , than, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa… Dòng nước phân bố đều từ dưới lên, tiếp xúc với màng vi sinh bám dính trên bề mặt giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy thời gian lưu nước thấp, có thể vận hành ở tải trọng rất cao.

Các loại giá thể:

Đá hoặc sỏi thường bị bít tắc do các chất lơ lửng hoặc màng vi sinh không bám dính giữ lại ở những khe rỗng giữa các viên đá hoặc sỏi. + 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. Tỉ lệ riêng diện tích bề mặt/thể tích của vật liệu thông thường dao động trong khoảng 100 – 220 m²/m³

Quá trình kỵ khí tầng giá thể lơ lửng

Nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc hạt là giá thể cho vi sinh sống bám. Vật liệu này có đường kính nhỏ, vì vậy tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích rất lớn (cát, than hoạt tính hạt…) 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 tăng lên đến 10000 – 40000 mg/l. Do lượng sinh khối lớn và thời gian lưu nước quá nhỏ nên quá trình này có thể ứng dụng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ thấp.

Quá trình kỵ khí bám dính xuôi dòng

Trong quá trình này nước thải 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 xấp xỉ 4 cm. Với cấu trúc này tránh được hiện tượng bít tắc và tích lũy chất rắn không bám dính và thích hợp cho xử lý nước thải có hàm lượng SS cao.

Ưu nhược điểm của phương pháp xử lý kỵ khí

Ưu điểm

• Không cần xử dụng Oxy ⇒ làm giảm chi phí điện năng cho quá trình cấp khí.
• Quá trình kỵ khí tạo ra ít bùn hơn so với quá trình xử lý sinh học hiếu khí từ 3 – 20 lần. Quá trình xử lý sinh học kỵ khí tạo ra từ 20 – 150 kg bùn/1 tấn COD so với quá trình hiếu khí là 400 – 600 kg bùn/ 1 tấn COD.
• Quá trình xử lý kỵ khí tạo ra lượng khí Metan lớn, khí metan có mức năng lượng phát sinh 9000 kcal/m3. Có thể được dùng để cấp khí cho lò hơi.
• Nhu cầu năng lượng cho quá trình được giảm nhiều.
• Thích hợp cho loại nước thải ô nhiễm nặng (với tỷ lệ BOD/COD > 0.5)
• Có thể được thiết kế để hoạt động dưới tỉ trọng cao.
• Hệ thống xử lý kỵ khí có thể phân hủy được các chất tổng hợp như các hydrocacbon béo có chlor như trichloroethylen, trihalomethan) và một số chất thiên nhiên khó phân hủy như ligin.

Nhược điểm

• Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn quá tình hiếu khí.
• Nhạy cảm trong việc phân hủy các chất độc.
• Quá trình phân hủy cần nhiều thời gian hơn.
• Quá trình khởi động cần lượng bùn lớn hơn (nồng độ bùn yêu cầu cao hơn).

Trên đây, là toàn bộ các chia sẻ xoay quanh vấn đề xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí. Hy vọng với những chia sẻ này, Quý khách hàng sẽ hiểu được bản chất xử lý nước thải kỵ khí, và căn cứ vào đó, chọn công nghệ xử lý cho phù hợp. Với loại hình nước thải sinh hoạt, thì nên chọn những công nghệ nào, và nước thải công nghiệp cũng tương tự, nên cân nhắc chọn loại công nghệ cho đạt hiệu quả.

Mọi thắc mắc về “Tìm hiểu về công nghệ xử lý nước thải kỵ khí”, xin vui lòng liên hệ:

CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƯ THƯƠNG MẠI DỊCH VỤ TIN CẬY

Địa chỉ: Số 4, Đường số 3, Khu Dân Cư Vạn Phúc, P.Hiệp Bình Phước, Tp.Thủ Đức,Tp.HCM

Điện thoại: (028) 2253 3535 – 0933 015 035 –  0902 701 278 – 0902 671 281 – 0903 908 671

Email: kinhdoanh@tincay.com; nguyenle@tincay.com; tincay@tincay.com

Website: tincay.com | thuysantincay.com | nongnhan.com