Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 6: Xử lý sinh học kỵ khí UASB - Lê Hoàng Nghiêm
QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT HỮU CƠ (1)
? Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình
sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung
gian và phản ứng trung gian.
? Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí
có thể biểu diễn đơn giản như sau:
? Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra
theo 4 giai đoạn như sau.
QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT HỮU CƠ (4)
? Thủy Phân
9 Quá trình này xảy ra chậm.
9 Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và
dặc tính dể phân hủy của cơ chất.
9 Chất béo thủy phân rất chậm.
? Acid hóa
9 VK lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất
đơn giản như: Acid béo dể bay hơi, alcohols, acid
lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới.
9 Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4,0
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 6: Xử lý sinh học kỵ khí UASB - Lê Hoàng Nghiêm
TS. LÊ HỒNG NGHIÊM1 BK TPHCM BÀI GIẢNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 6 XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) GVHD: TS. Lê Hoàng Nghiêm Email: hoangnghiem72@gmail.com hoangnghiem72@yahoo.com TS. LÊ HỒNG NGHIÊM2 BK TPHCM LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA XỬ LÝ SINH HỌC KỊ KHÍÛÛ ÙÙ ÅÅ ÛÛ ÛÛ ÙÙ ÏÏ Nguồn gốc: phân hủy kỵ khí bùn. Xử lý phân, bùn. 1960 – 1980’s: Xử lý nước thải các ngành công nghiệp nông nghiệp.Xử lý nước thải bia, rượu, chế biến thực phẩm. 1980 – 1990’s: Xử lý nước thải công nghiệp giấy và bột giấy. 1990’s: Xử lý nước thải công nghiệp hóa học và hóa dầu. Xử lý phenols, Terephthalate 1990 – 2000’s: Xử lý cải tạo (đất, nước) sinh học bằng kỵ khí. PCE, BTEX TS. LÊ HỒNG NGHIÊM3 BK TPHCM ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA XỬ LÝ SINH HỌC KỊ 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 cĩ chứa 60 -75% methane là khí đốt cĩ năng lượng cao Cĩ thể giữa sinh khối trong thời gian dài khoảng vài tháng mà khơng cần cung cấp dịng nước thải vào Chịu được tải trọng hữu cơ cao Tiêu thụ ít chất dinh dưỡng Áp dụng được ở quy mơ 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 khơng đủ bùn cung cấp ban đầu Cần phải cĩ các cơng trình xử lý phía sau để đảm bảo yêu cầu chất lượng nước ra Sự phân hủy kỵ khí là quá trình sinh hĩa và vsinh học phức tạp cĩ thể phải nghiên cứu chi tiết thêm Cĩ thể phát sinh mùi hơi khĩ chịu Cĩ thể tạo ra nước thải sau xử lý khĩ chịu về khía cạnh cảm quan. Khơng xử lý được nitơ, phốt pho và vi sinh vật gây bệnh. TS. LÊ HỒNG NGHIÊM4 BK TPHCMSO SÁNH CÂN BẰNG COD CỦA XỬ LÝ HIẾU KHÍ VÀ KỊ KHÍÙÙ ÂÂ ÈÈ ÛÛ ÛÛ ÙÙ ÁÁ ØØ TS. LÊ HỒNG NGHIÊM5 BK TPHCMQUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT HỮU CƠ (1) Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn như sau. Q SH NH CH CO hủy phân khócơ Chất hữumới bàoTế dưỡng dinhhất OH cơ Chất hữu 2342 vật sinh Vi 2 +++++ +⎯⎯⎯ →⎯++ C 6 TS. LÊ HỒNG NGHIÊM QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT HỮU CƠ (2) Các sản phẩm lên men khác như: propionate, butyrate, succinate, lactate, ethanol Các chất nền cho quá trình lên men methane: H2 ,CO2 , formate, methanol, methylamine, acetate Methane (CH4 ) + carbon dioxide (CO2 ) Thủy phân Lên men acid Lên men methane Lipids Polysaccharides Protein Acid nucleic Acid béo Monosaccharides Purines và pyrimidines Amino acids Các hợp chất vòng thơm đơn giản Các giai đoạn lý thuyết Acid hóa Acetate hóa 7 TS. LÊ HỒNG NGHIÊM QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT HỮU CƠ (4) Thủy Phân 9 Quá trình này xảy ra chậm. 9 Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và dặc tính dể phân hủy của cơ chất. 9 Chất béo thủy phân rất chậm. Acid hóa 9 VK lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như: Acid béo dể bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. 9 Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4,0. 8 TS. LÊ HỒNG NGHIÊM QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT HỮU CƠ (5) Acetic hóa (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 hủy kị khí. Acid acetic, H2 , CO2 , acid formic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới. Trong 3 giai đoạn thủy phân, acid hóa và acetic hóa, COD trong dung dịch hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn methane. 9 TS. LÊ HỒNG 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 HỒNG NGHIÊM Phânâ hủû y kị khí Lượng CH4 sinh ra phụ thuộc vào thành phần hữu cơ của NT: Mc Carty (1964) tính theo lý thuyết có 0,348m3 CH4 ở điều kiện chuẩn sinh ra khi phân hủy hòan toàn 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 HỒNG NGHIÊM11 BK TPHCM ÔNG NGHỆ XỬ LÝ KỊ KHÍÂÂ ÄÄ ÛÛ ÙÙ XÁO TRỘN HOÀN TOÀN TIẾP XÚC KỊ KHÍ UASB SINH TRƯỞNG LƠ LỮNG LỌC KỊ KHÍ TẦNG LƠ LỮNG VÁCH NGĂN SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH CÔNG NGHỆ XỬ LÍ KỊ KHÍ TS. LÊ HỒNG NGHIÊM12 BK TPHCM ÁC QUÁ TRÌNH KỊ KHÍÙÙ ÙÙ TS. LÊ HỒNG NGHIÊM13 BK TPHCM ÁC QUÁ TRÌNH KỊ KHÍÙÙ ÙÙ Quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn Xáo trộn liên tục, không có tuần hoàn bùn. Thích hợp xử lý NT có hàm lượng CHC 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 (đòi hỏi có máy nén khí biogas và dàn phân phối khí nén). Trong quá trình phân hủy lượng sinh khối mới sinh ra và phân bố đều trong toàn bộ thể tích bể. Do không có biện pháp nào để lưu giữ sinh khối bùn, nên SRT chính là HRT. SRT = 12-30 ngày. Tải trọng đặc trưng cho bể này là 0.5-6.0 kgVS/m3.ngày. TS. LÊ HỒNG NGHIÊM14 BK TPHCM ÁC QUÁ TRÌNH KỊ KHÍÙÙ ÙÙ Quá trình tiếp xúc kị khí (Anaerobic Contact Reactor) Gồm hai giai đoạn: (1) Phân hủy kị khí ; (2) lắng hoặc tuyển nổi tách riêng phần cặn sinh học và NT sau XL. Hàm lượng VSS trong bể = 4 000 – 6 000 mg/L. Tải trọng chất hữu cơ từ 0.5 đến 10 kgCOD/m3/ngày với thời gian lưu nước từ 12h cho đến 5 ngày. Vào Bùn tuần hoàn Ra khử khí lắng II Biogas TS. LÊ HỒNG NGHIÊM15 BK TPHCM ÁC QUÁ TRÌNH KỊ KHÍÙÙ ÙÙ Lọc kị khí (Giá thể cố định dòng chảy ngược) - AF (Anaerobic Filter) Cột chứa đầy vật liệu rắn trơ (đá, sỏi, than, tấm nhựa) là giá thể cố định cho vi sinh kị khí sống bám trên bề mặt. Dòng nước thải phân bố đều, đi từ dưới lên, tiếp xúc với màng vi sinh bám dính trên bề mât giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẩn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và SRT kéo dài Ỵ HRT nhỏ, có thể vận hành ở tải trọng rất cao. Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bể bằng xã đáy và rữa ngược. TS. LÊ HỒNG NGHIÊM16 BK TPHCM ÁC QUÁ TRÌNH KỊ KHÍÙÙ ÙÙ Quá trình kị khí bám dính xuôi dòng 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 hiện tượng bít tắc và tích lũy chất rắn không bám dính và thích hợp lý nước thải có SS cao. TS. LÊ HỒNG NGHIÊM17 BK TPHCM ÁC QUÁ TRÌNH KỊ KHÍÙÙ ÙÙ Quá trình kị khí tầng giá thể lơ lửng - AFBR (Anaerobic Fludized Bed Reactor) NT được bơm từ dưới lên qua lớp VL hạt là giá thể cho vi sinh sống bám. Vật liệu hạt này có đường kính nhỏ, Ỉ 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 lững, giản nở khoãng 15-30% hoặc lớn hơn. vào ra dòng tuần hoàn Biogas Hàm lượng sinh khối trong bể có thể lên đến 10.000- 40.000 mg/L. Do lượng sinh khối lớn và HRT nhỏ, quá trình này có thể ứng dụng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ thấp, (500-1000 mg BOD/l) TS. LÊ HỒNG NGHIÊM18 BK TPHCMBỂ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor)ÅÅ TS. LÊ HỒNG NGHIÊM19 BK TPHCM UASB UASB được nghiên cứu và phát triển bởi Lettinga (1980s)và được áp dụng rộng rãi ở Hà Lan và trên thế giới. Bể UASB gồm dòng nước thải chảy ngược lên trên đi xuyên qua tầng bùn mật độ cao với hoạt tính của vi sinh vật cao. Nồng độ bùn thay đổi dọc theo chiều cao của bể: 9 Nồng độ và mật độ rất cao và bùn hạt có khả năng lắng tốt ở phần gần đáy bể (đệm bùn – sludge bed): 4-10% tức là 40 -100 g TS/L) 9 Bùn nhẹ và phân tán ở phần gần mặt bể (tầng bùn dãn nở – sludge blanket): 1 – 3 % hay 10 -30 g TS/L) TS. LÊ HỒNG NGHIÊM20 BK TPHCM UASB Quá trình biến đổi chất hữu cơ xảy ra trong vùng phân hủy (đệm bùn và tầng bùn dãn nở). Nước thải và bùn được xáo trộn đều với nhau nhờ dòng vào và các bọt khí. Nước thải đi vào ở đáy và đi ra qua vùng lắng và máng thu nước phía trên. Bộ phận tách khí đặt ở dưới vùng lắng để đảm bảo điều kiện lắng tốt nhất cho bông bùn. Bông bùn ( 1 – 5 mm) sau khi tách khí rơi trở lại vùng phân hủy (đệm bùn và tầng bùn dãn nở). Thời gian lưu bùn hay tuổi bùn (SRT – solid residence times): > 30 ngày TS. LÊ HỒNG NGHIÊM21 BK TPHCM UASB Vận tốc dịng lên yêu cầu cho thiết kế UASB Lưu lượng đầu vào Vận tốc dịng 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 đợ 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 HỒNG 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 bơng 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 HỒNG NGHIÊM23 BK TPHCM UASB Nguồn: Lettinga và Hulshoff Pol, 1991. Tải trọng thể tích tính theo COD hịa 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 cĩ VFA Nước thải khơng cĩ 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 HỒNG 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 khơng tạo bọt khí trong ống dẫn nước vào nhằm tránh gây ra: 9 Điều kiện hiếu khí cho bơng 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 HỒNG 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 tốn 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 dịng vào của bợ phân phối Bùn kết bơng và đặc chắc cao (nồng đợ > 40 kg TSS/m3) < 1 1 – 2 > 2 0,5 – 1 1 – 2 2 – 3 Bùn kết bơng 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 HỒNG 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 dịng chảy v = 0,6 – 0,9 m/h • Khi đi qua tầng cặn lơ lửng, ngồi các chất khơng tan được giữ lại, một số chất bẩn hữu cơ tan cĩ thể bị oxi hĩa trong điều kiện yếm khí. TS. LÊ HỒNG NGHIÊM27 BK TPHCM UASB cao 20 m xử lý nước thải bia tại Thụy Sĩ UASB (Hà Lan) Hình ảû nh mộä t sốá côngâ trình UASB trênâ thếá giớù i TS. LÊ HỒNG NGHIÊM28 BK TPHCM EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) Tầng bùn Hạt bùn Dòng ra Khí sinh học Vùng lắng Dòng tuần hoàn Dòng vào Dòng ra Bọt khí Nắp thu khí EGSB là cơng 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 dịng vào bể lớn để tăng cường sự tiếp xúc giữa nước thải và vinh sinh vật. Lưu lượng dịng vào lớn từ 5 – 10 m/h được thực hiện bằng cách tuần hồn dịng 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 ơ nhiễm dạng hịa tan do vận tốt đi lên bên trong bể lớn nên khơng thể phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ dạng hạt. TS. LÊ HỒNG NGHIÊM29 BK TPHCM EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) EGSB xử lý nước thải dược phẩm (Hà Lan) TS. LÊ HỒNG NGHIÊM30 BK TPHCM Cấu tạo bùn hạt dưới kính hiển vi TS. LÊ HỒNG 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 đợ chất nền đầu vào (kgCOD/m3) V – tổng thể tı́ch phản ứng (m3) MỘT SỐ CƠNG THỨC TÍNH TỐN )2()1( QtV Q VtHRT =⇒== )3(. 0 V SQLOLR v == )4( . 0 vL SQV =⇒
File đính kèm:
- bai_giang_cac_qua_trinh_sinh_hoc_trong_ky_thuat_moi_truong_c.pdf