Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 6: Xử lý sinh học kỵ khí UASB

TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM1 BK TPHCM BAØI GIAÛNG CAÙC QUAÙ TRÌNH SINH HOÏC TRONG KYÕ THUAÄT MOÂI TRÖÔØNG CHÖÔNG 6 XÖÛ LYÙ SINH HOÏC KÎ KHÍ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) GVHD: TS. Leâ Hoaøng Nghieâm Email: hoangnghiem72@gmail.com hoangnghiem72@yahoo.com TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM2 BK TPHCM LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN CUÛA XÖÛ LYÙ SINH HOÏC KÒ KHÍÛÛ ÙÙ ÅÅ ÛÛ ÛÛ ÙÙ ÏÏ Nguoàn goác: phaân huûy kî khí buøn. Xöû lyù phaân, buøn. 1960 – 1980’s: Xöû lyù nöôùc thaûi caùc ngaønh coâng nghieäp noâng nghieäp.Xöû lyù nöôùc thaûi bia, röôïu, cheá bieán thöïc phaåm. 1980 – 1990’s: Xöû lyù nöôùc thaûi coâng nghieäp giaáy vaø boät giaáy. 1990’s: Xöû lyù nöôùc thaûi coâng nghieäp hoùa hoïc vaø hoùa daàu. Xöû lyù phenols, Terephthalate 1990 – 2000’s: Xöû lyù caûi taïo (ñaát, nöôùc) sinh hoïc baèng kî khí. PCE, BTEX TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM3 BK TPHCM ÖU VAØ NHÖÔÏC ÑIEÅM CUÛA XÖÛ LYÙ SINH HOÏC KÒ KHÍØØ ÏÏ ÅÅ ÛÛ ÛÛ ÙÙ ÏÏ Ưu điểm Nhược điểm ™ Sinh ra ít bùn khoảng 3- 5 lần so với xử lý sinh học hiếu khí ™ Tiêu thụ ít năng lượng hơn, chỉ sử dụng cho bơm nước thải vào nên chi phí vận hành thấp ™ Diện tích đất sử dụng ít ™ Chi phí xây dựng thấp ™ Tạo ra khí biogas có chứa 60 -75% methane là khí đốt có năng lượng cao ™ Có thể giữa sinh khối trong thời gian dài khoảng vài tháng mà không cần cung cấp dòng nước thải vào ™ Chịu được tải trọng hữu cơ cao ™ Tiêu thụ ít chất dinh dưỡng ™ Áp dụng được ở quy mô nhỏ và lớn ™ Vi sinh vật kỵ khí nhạy cảm và bị ức chế với nhiều hợp chất độc hại. ™ Thời gian khởi động quá trình chậm khi không đủ bùn cung cấp ban đầu ™ Cần phải có các công trình xử lý phía sau để đảm bảo yêu cầu chất lượng nước ra ™ Sự phân hủy kỵ khí là quá trình sinh hóa và vsinh học phức tạp có thể phải nghiên cứu chi tiết thêm ™ Có thể phát sinh mùi hôi khó chịu ™ Có thể tạo ra nước thải sau xử lý khó chịu về khía cạnh cảm quan. ™ Không xử lý được nitơ, phốt pho và vi sinh vật gây bệnh. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM4 BK TPHCMSO SAÙNH CAÂN BAÈNG COD CUÛA XÖÛ LYÙ HIEÁU KHÍ VAØ KÒ KHÍÙ٠ ÈÈ ÛÛ ÛÛ ÙÙ ÁÁ ØØ TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM5 BK TPHCMQUAÙ TRÌNH PHAÂN HUÛY KÎ KHÍ CHAÁT HÖÕU CÔ (1) ™Quaù trình phaân huûy kî khí caùc chaát höõu cô laø quaù trình sinh hoùa phöùc taïp taïo ra haøng traêm saûn phaåm trung gian vaø phaûn öùng trung gian. ™ Phöông trình phaûn öùng sinh hoùa trong ñieàu kieän kî khí coù theå bieåu dieãn ñôn giaûn nhö sau: ™Moät caùch toång quaùt, quaù trình phaân huûy kî khí xaûy ra theo 4 giai ñoaïn nhö sau. Q SH NH CH CO huûy phaân khoùcô Chaát höõumôùi baøoTeá döôõng dinhhaát OH cô Chaát höõu 2342 vaät sinh Vi 2 +++++ +⎯⎯⎯ →⎯++ C 6 TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM QUAÙ TRÌNH PHAÂN HUÛY KÎ KHÍ CHAÁT HÖÕU CÔ (2) Caùc saûn phaåm leân men khaùc nhö: propionate, butyrate, succinate, lactate, ethanol Caùc chaát neàn cho quaù trình leân men methane: H2 ,CO2 , formate, methanol, methylamine, acetate Methane (CH4 ) + carbon dioxide (CO2 ) Thuûy phaân Leân men acid Leân men methane Lipids Polysaccharides Protein Acid nucleic Acid beùo Monosaccharides Purines vaø pyrimidines Amino acids Caùc hôïp chaát voøng thôm ñôn giaûn Caùc giai ñoaïn lyù thuyeát Acid hoùa Acetate hoùa 7 TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM QUAÙ TRÌNH PHAÂN HUÛY KÎ KHÍ CHAÁT HÖÕU CÔ (4) ™ Thuûy Phaân 9 Quaù trình naøy xaûy ra chaäm. 9 Toác ñoä thuûy phaân phuï thuoäc vaøo pH, kích thöôùc haït vaø daëc tính deå phaân huûy cuûa cô chaát. 9 Chaát beùo thuûy phaân raát chaäm. ™ Acid hoùa 9 VK leân men chuyeån hoùa caùc chaát hoøa tan thaønh chaát ñôn giaûn nhö: Acid beùo deå bay hôi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S vaø sinh khoái môùi. 9 Söï hình thaønh caùc acid coù theå laøm pH giaûm xuoáng 4,0. 8 TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM QUAÙ TRÌNH PHAÂN HUÛY KÎ KHÍ CHAÁT HÖÕU CÔ (5) ™ Acetic hoùa (Acetogenesis) Vi khuaån acetic chuyeån hoùa caùc saûn phaåm cuûa giai ñoaïn acid hoùa thaønh acetate, H2 , CO2 vaø sinh khoái môùi. ™ Methane hoùa (methanogenesis) Ñaây laø giai ñoaïn cuoái cuûa quaù trình phaân huûy kò khí. Acid acetic, H2 , CO2 , acid formic vaø methanol chuyeån hoùa thaønh methane, CO2 vaø sinh khoái môùi. Trong 3 giai ñoaïn thuûy phaân, acid hoùa vaø acetic hoùa, COD trong dung dòch haàu nhö khoâng giaûm. COD chæ giaûm trong giai ñoaïn methane. 9 TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM CO2Organics H2 O CH3 COOH H2 CH3 COOH H2 O CO2 CH4 HCO3 - H2 CH4 H2 OOH- Acetogenesis: Lên men Methane: Biogas Phân hủy ki ̣ ̣ khi ́́ 10 TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM Phaânâ huûû y kò khí Löôïng CH4 sinh ra phuï thuoäc vaøo thaønh phaàn höõu cô cuûa NT: Mc Carty (1964) tính theo lyù thuyeát coù 0,348m3 CH4 ôû ñieàu kieän chuaån sinh ra khi phaân huûy hoøan toaøn 1 kg COD. n a b 2 2 4 a b n a b n a bC H O n H O CO CH 4 2 2 8 4 2 8 4 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − − → − + + + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM11 BK TPHCM OÂNG NGHEÄ XÖÛ LYÙ KÒ KHÍ ÄÄ ÛÛ ÙÙ XAÙO TROÄN HOAØN TOAØN TIEÁP XUÙC KÒ KHÍ UASB SINH TRÖÔÛNG LÔ LÖÕNG LOÏC KÒ KHÍ TAÀNG LÔ LÖÕNG VAÙCH NGAÊN SINH TRÖÔÛNG BAÙM DÍNH COÂNG NGHEÄ XÖÛ LÍ KÒ KHÍ TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM12 BK TPHCM AÙC QUAÙ TRÌNH KÒ KHÍÙÙ ÙÙ TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM13 BK TPHCM AÙC QUAÙ TRÌNH KÒ KHÍÙÙ ÙÙ ‰ Quaù trình phaân huûy kò khí xaùo troän hoaøn toaøn Xaùo troän lieân tuïc, khoâng coù tuaàn hoaøn buøn. Thích hôïp xöû lyù NT coù haøm löôïng CHC hoøa tan deã phaân huûy noàng ñoä cao hoaëc xöû lyù buøn höõu cô. Thieát bò xaùo troän coù theå duøng heä thoáng caùnh khuaáy cô khí hoaëc tuaàn hoaøn khí biogas (ñoøi hoûi coù maùy neùn khí biogas vaø daøn phaân phoái khí neùn). Trong quaù trình phaân huûy löôïng sinh khoái môùi sinh ra vaø phaân boá ñeàu trong toaøn boä theå tích beå. Do khoâng coù bieän phaùp naøo ñeå löu giöõ sinh khoái buøn, neân SRT chính laø HRT. SRT = 12-30 ngaøy. Taûi troïng ñaëc tröng cho beå naøy laø 0.5-6.0 kgVS/m3.ngaøy. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM14 BK TPHCM AÙC QUAÙ TRÌNH KÒ KHÍÙÙ ÙÙ ‰ Quaù trình tieáp xuùc kò khí (Anaerobic Contact Reactor) Goàm hai giai ñoaïn: (1) Phaân huûy kò khí ; (2) laéng hoaëc tuyeån noåi taùch rieâng phaàn caën sinh hoïc vaø NT sau XL. Haøm löôïng VSS trong beå = 4 000 – 6 000 mg/L. Taûi troïng chaát höõu cô töø 0.5 ñeán 10 kgCOD/m3/ngaøy vôùi thôøi gian löu nöôùc töø 12h cho ñeán 5 ngaøy. Vaøo Buøn tuaàn hoaøn Ra khử khí lắng II Biogas TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM15 BK TPHCM AÙC QUAÙ TRÌNH KÒ KHÍÙÙ ÙÙ ‰ Loïc kò khí (Giaù theå coá ñònh doøng chaûy ngöôïc) - AF (Anaerobic Filter) Coät chöùa ñaày vaät lieäu raén trô (ñaù, soûi, than, taám nhöïa) laø giaù theå coá ñònh cho vi sinh kò khí soáng baùm treân beà maët. Doøng nöôùc thaûi phaân boá ñeàu, ñi töø döôùi leân, tieáp xuùc vôùi maøng vi sinh baùm dính treân beà maât giaù theå. Do khaû naêng baùm dính toát cuûa maøng vi sinh daån ñeán löôïng sinh khoái trong beå taêng leân vaø SRT keùo daøi Î HRT nhoû, coù theå vaän haønh ôû taûi troïng raát cao. Chaát raén khoâng baùm dính coù theå laáy ra khoûi beå baèng xaõ ñaùy vaø röõa ngöôïc. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM16 BK TPHCM AÙC QUAÙ TRÌNH KÒ KHÍÙÙ ÙÙ ‰ Quaù trình kò khí baùm dính xuoâi doøng Nöôùc thaûi vaøo chaûy töø treân xuoáng qua lôùp giaù theå module. Giaù theå naøy taïo neân caùc doøng chaûy nhoû töông ñoái thaúng theo höôùng töø treân xuoáng. Ñöôøng kính doøng chaûy nhoû coù ñöôøng kính xaáp xæ 4cm. Vôùi caáu truùc naøy traùnh ñöôïc hieän töôïng bít taéc vaø tích luõy chaát raén khoâng baùm dính vaø thích hôïp lyù nöôùc thaûi coù SS cao. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM17 BK TPHCM AÙC QUAÙ TRÌNH KÒ KHÍÙÙ ÙÙ ‰ Quaù trình kò khí taàng giaù theå lô löûng - AFBR (Anaerobic Fludized Bed Reactor) NT ñöôïc bôm töø döôùi leân qua lôùp VL haït laø giaù theå cho vi sinh soáng baùm. Vaät lieäu haït naøy coù ñöôøng kính nhoû, Æ tæ leä dieän tích beà maët/theå tích raát lôùn (caùt, than hoaït tính haït,) taïo sinh khoái baùm dính lôùn. Doøng ra ñöôïc tuaàn hoaøn trôû laïi ñeå taïo vaän toác nöôùc ñi leân ñuû lôùn cho lôùp vaät lieäu haït ôû daïng lô löõng, giaûn nôû khoaõng 15-30% hoaëc lôùn hôn. vaøo ra doøng tuaàn hoaøn Biogas Haøm löôïng sinh khoái trong beå coù theå leân ñeán 10.000- 40.000 mg/L. Do löôïng sinh khoái lôùn vaø HRT nhoû, quaù trình naøy coù theå öùng duïng xöû lyù nöôùc thaûi coù noàng ñoä chaát höõu cô thaáp, (500-1000 mg BOD/l) TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM18 BK TPHCMBEÅ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor)ÅÅ TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM19 BK TPHCM UASB ‰ UASB ñöôïc nghieân cöùu vaø phaùt trieån bôûi Lettinga (1980s)vaø ñöôïc aùp duïng roäng raõi ôû Haø Lan vaø treân theá giôùi. ‰ Beå UASB goàm doøng nöôùc thaûi chaûy ngöôïc leân treân ñi xuyeân qua taàng buøn maät ñoä cao vôùi hoaït tính cuûa vi sinh vaät cao. ‰ Noàng ñoä buøn thay ñoåi doïc theo chieàu cao cuûa beå: 9 Noàng ñoä vaø maät ñoä raát cao vaø buøn haït coù khaû naêng laéng toát ôû phaàn gaàn ñaùy beå (ñeäm buøn – sludge bed): 4-10% töùc laø 40 -100 g TS/L) 9 Buøn nheï vaø phaân taùn ôû phaàn gaàn maët beå (taàng buøn daõn nôû – sludge blanket): 1 – 3 % hay 10 -30 g TS/L) TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM20 BK TPHCM UASB ‰ Quaù trình bieán ñoåi chaát höõu cô xaûy ra trong vuøng phaân huûy (ñeäm buøn vaø taàng buøn daõn nôû). ‰ Nöôùc thaûi vaø buøn ñöôïc xaùo troän ñeàu vôùi nhau nhôø doøng vaøo vaø caùc boït khí. ‰ Nöôùc thaûi ñi vaøo ôû ñaùy vaø ñi ra qua vuøng laéng vaø maùng thu nöôùc phía treân. ‰ Boä phaän taùch khí ñaët ôû döôùi vuøng laéng ñeå ñaûm baûo ñieàu kieän laéng toát nhaát cho boâng buøn. ‰ Boâng buøn ( 1 – 5 mm) sau khi taùch khí rôi trôû laïi vuøng phaân huûy (ñeäm buøn vaø taàng buøn daõn nôû). ‰ Thôøi gian löu buøn hay tuoåi buøn (SRT – solid residence times): > 30 ngaøy TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM21 BK TPHCM UASB Vận tốc dòng lên yêu cầu cho thiết kế UASB Lưu lượng đầu vào Vận tốc dòng lên (m/h) Lưu lượng trung bình Lưu lượng lớn nhất Lưu lượng nhất thời 0,5 – 0,7 < 0,9 – 1,1 < 1,5 Nguồn: Lettinga và Hulshoff Pol, 1995. Nhiệt độ nước thải (0C) Thời gian lưu nước (h) Tính theo lưu lượng trung bình ngày Tính theo lưu lượng lớn nhất 16 đến 19 20 đến 26 > 26 > 10 đến 14 > 6 đến 9 > 6 > 7 đến 9 > 4 đến 6 > 4 Thời gian lưu nước của bê ̉ UASB với chiều cao 4m Nguồn: Lettinga và Hulshoff Pol, 1991. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM22 BK TPHCM UASB Nguồn: Lettinga và Hulshoff Pol, 1991. Bảng: Tải trọng thể tích kiến nghị cho UASB ở 30oC để loại bỏ 85-95% COD COD nước thải mg/L Tỷ lệ của COD dạng hạt Tải trọng thể tích kgCOD/m3.ngày Bùn dạng bông bùn Bùn hạt với khả năng loại bỏ TSS thấp Bùn hạt với khả năng loại bỏ TSS cao 1000 - 2000 0,10 – 0,30 0,30 – 0,60 0,60 – 1,00 2 – 4 2 – 4 - 2 – 4 2 – 4 - 8 – 12 8 – 14 - 2000 - 6000 0,10 – 0,30 0,30 – 0,60 0,60 – 1,00 3 – 5 4 – 8 4 – 8 3 – 5 2 – 6 2 – 6 12 – 18 12 – 24 - 6000 - 9000 0,10 – 0,30 0,30 – 0,60 0,60 – 1,00 4 – 6 5 – 7 6 – 8 4 – 6 3 – 7 3 – 8 15 – 20 15 – 24 - 9000 - 18000 0,10 – 0,30 0,30 – 0,60 0,60 – 1,00 5 – 8 - - 4 – 6 3 - 7 3 - 7 15 – 24 - - TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM23 BK TPHCM UASB Nguồn: Lettinga và Hulshoff Pol, 1991. Tải trọng thể tích tính theo COD hòa tan cho hiệu quả xử lý COD 85 – 95%. Nồng độ trung bình của bùn là 25g/L. Nhiệt độ,oC Tải trọng thể tích kg sCOD/m3.ngày Nước thải có VFA Nước thải không có VFA Khoảng giá trị Giá trị điển hình Khoảng giá trị Giá trị điển hình 15 2 – 4 3 2 – 3 2 20 4 – 6 5 2 – 4 3 25 6 – 12 6 4 – 8 4 30 10 - 18 12 8 – 12 10 35 15 – 24 18 12 – 18 14 40 20 - 32 25 15 - 24 18 TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM24 BK TPHCM UASB ‰ Đường ống dẫn nước vào phải đủ lớn để vận tốc nước thải vào nhỏ hơn 0,2 m/s để không tạo bọt khí trong ống dẫn nước vào nhằm tránh gây ra: 9 Điều kiện hiếu khí cho bông bùn kỵ khí trong đệm bùn, gây hại cho vi sinh vật tạo methane 9 Khả năng cháy nổ với khí biogas tích tụ trong phểu tách khí ‰ Kinh nghiệm thực tế đường kính ống từ 75 – 100 mm sẽ đáp ứng trên. ‰ Khoảng cách từ miệng ống dẫn nước vào đến đáy bể từ 10 – 15 cm để đủ xáo trộn bùn. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM25 BK TPHCM UASB ‰ Để đảm bảo phân phối nước vào đều và điều kiện tiếp xúc tốt giữa nước thải và bùn, số ống phân phối nước vào phải được tính toán và bố trí thích hợp. ‰ Diện tích ảnh hưởng của mỗi ống phân phối: 1 – 5 m2 như trình bày trong bảng sau. Loại bùn Tải trọng hữu cơ áp dụng (kg COD/m3.d) Diện tích dòng vào của bộ phân phối Bùn kết bông và đặc chắc cao (nồng độ > 40 kg TSS/m3) < 1 1 – 2 > 2 0,5 – 1 1 – 2 2 – 3 Bùn kết bông và đặc chắc vừa (20 – 40 kg TSS/m3) < 1 – 2 > 3 1 – 2 2 – 5 Bùn Hạt < 2 2 – 4 > 4 0,5 – 1 0,5 – 2 > 2 Nguồn: Lettinga và Hulshoff Pol, 1995. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM26 BK TPHCM CÁC LƯU Ý KHI VẬN HÀNH UASB • pH = 6.7 - 7.4 (tối ưu là 7.0 - 7.2) tạo điều kiện cho VSV hoạt động. • Nước thải được phân phối đều từ dưới lên • Điều khiển vận tốc dòng chảy v = 0,6 – 0,9 m/h • Khi đi qua tầng cặn lơ lửng, ngoài các chất không tan được giữ lại, một số chất bẩn hữu cơ tan có thể bị oxi hóa trong điều kiện yếm khí. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM27 BK TPHCM UASB cao 20 m xöû lyù nöôùc thaûi bia taïi Thuïy Só UASB (Haø Lan) Hình aûû nh moää t soáá coângâ trình UASB treânâ theáá giôùù i TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM28 BK TPHCM EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) Taàng buøn Haït buøn Doøng ra Khí sinh hoïc Vuøng laéng Doøng tuaàn hoaøn Doøng vaøo Doøng ra Boït khí Naép thu khí ™EGSB là công trình xử lý sinh học kỵ khí tương tự như UASB, chỉ khác ở chỗ loại bùn và mức độ dãn nở của đệm bùn. ™Bùn trong EGSB chủ yếu là bùn hạt, ™Đệm bùn hạt được duy trì ở trạng thái dãn nở bằng cách tăng lưu lượng dòng vào bể lớn để tăng cường sự tiếp xúc giữa nước thải và vinh sinh vật. ™Lưu lượng dòng vào lớn từ 5 – 10 m/h được thực hiện bằng cách tuần hoàn dòng ra. ™Tỷ số giữa chiều cao và đường kính bể EGSB thường lớn hơn 20 lần. ™EGSB chủ yếu được sử dụng để xử lý chất ô nhiễm dạng hòa tan do vận tốt đi lên bên trong bể lớn nên không thể phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ dạng hạt. TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM29 BK TPHCM EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) EGSB xöû lyù nöôùc thaûi döôïc phaåm (Haø Lan) TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM30 BK TPHCM Cấu tạo bùn hạt dưới kính hiển vi TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM31 BK TPHCM 1. Thời gian lưu nước (HRT (Hydraulic Retention Time) = t): t = 4 – 16 h đối với UASB Q – lưu lượng (m3/d) V – thể tı́ch của phản ứng (m3) 2. Tải trọng chất hữu cơ: OLR (Organic loading rate) = Lv Trong đó: OLR=Lv – Tải trọng chất hữu cơ, 2 – 24 kg COD/m3.d Q – lưu lượng (m3/d) So – nồng độ chất nền đầu vào (kgCOD/m3) V – tổng thể tı́ch phản ứng (m3) MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN )2()1( QtV Q VtHRT =⇒== )3(. 0 V SQLOLR v == )4( . 0 vL SQV =⇒