Chuyên đề: Tìm hiểu về hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải

Chia sẻ: Nguyễn Quang Minh | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

746
lượt xem 87
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của đề tài là giới thiệu các hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải và cách ứng dụng và thực tế xử lý, nêu cách thức hoạt động của các bể xử lý kị khí đồng thời đưa ra các nhận định chung về những khó khăn và cơ hội cho những ứng dụng của việc lấp ghép các bể xử lý với nhau. Đề tài cố gắng đưa ra các số liệu, ứng dụng thực tế chính xác nhất có liên quan nhằm góp phần làm rõ vấn đề.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề: Tìm hiểu về hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG  CHUYÊN ĐÊ: TÌM HIỂU VỀ HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ ̀ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC THỊNH MSSV: 91202216 VÕ BÌNH THUẬN MSSV: 91202221 VŨ THỊ PHƯƠNG THÚY MSSV: 91202224 Lớp: 12090201 Khoá: 16 Giảng viên hướng dẫn: Thầy PHẠM ANH ĐỨC Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn (Ký tên và ghi rõ họ tên) 2
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CHUYÊN ĐỀ 1. GIỚI THIỆU Nước đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình diễn ra trong tự nhiên và trong cuộc sống của con người. Từ 3000 năm trước Công Nguyên, người Ai Cập đã biết dùng hệ thống tưới nước để trồng trọt và ngày nay con người đã khám phá thêm nhiều khả năng của nước đảm bảo cho sự phát triển của tương lai: nước là nguồn cung cấp thực phẩm và nguyên liệu công nghiệp dồi dào, nước rất quan trọng trong nông nghiệp, công nghiệp, trong sinh hoạt, thể thao, giải trí và cho rất nhiều hoạt động khác của con người. Ngoài ra nước còn được coi là một khoáng sản đặc biệt vì nó tang trữ một nguồn năng lượng lớn, hòa tan nhiều vật chất có thể phục vụ nhi ều mặt cho con người. Trong công nghiệp, người ta sử dụng nước làm nguyên liệu và nguồn năng lượng, làm dung môi, làm chất tải nhiệt và dùng để vận chuyển nguyên vật liệu... Nước bao phủ 70% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn l ại là nước ngọt. Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm, nó còn là thành phần cấu tạo chính của cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng cơ thể, chẳng hạn chiếm 70% trọng lượng cơ thể người, Sứa biển tới 97%. Trong 3% lượng nước ngọt chỉ có 0,5% nước ngọt hiện diện trong sông, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng. Nếu trừ phần nước ô nhiễm thì chỉ có khoảng 0,003% là nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được (Miller, 1988). Con người đã thải ra một khối lượng lớn nước sau các hoạt động sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua vùng đất ô nhiễm. Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinh hoạt, nước khí quyển và nước thải công nghiệp. Nhận thấy nhiều lợi ích của quá trình chuyển hóa kị khí, người ta đã áp dụng chúng vào xử lý nước thải sinh hoạt nhằm giảm ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy những hạn chế trong việc áp dụng công nghệ này, từ đó đ ặt ra những cơ hội cho việc áp dụng những thiết kế cải tiến giúp nâng cao hiệu quả loại bỏ chất gây ô nhiễm trong nước thải, rút ngắn thời gian lưu, cắt giảm nhiên liệu, đồng thời tái tạo những hợp chất có giá trị. 2. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI 3
Mục tiêu chính của đề tài là giới thiệu các hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải và cách ứng dụng và thực tế xử lý, nêu cách thức hoạt đ ộng của các bể xử lý kị khí đồng thời đưa ra các nhận định chung về những khó khăn và cơ hội cho những ứng dụng của việc lấp ghép các bể xử lý với nhau. Chúng tôi cố gắng đưa ra các số liệu, ứng dụng thực tế chính xác nhất có liên quan nhằm góp phần làm rõ vấn đề. 3. NỘI DUNG Dựa trên thông tin từ các tài liệu, bài báo có uy tín nước ngoài, chuyên đề này sàn lọc tổng hợp các kiến thức về các loại hồ, bể xử lý kị khí cùng tính khả thi của nó, cùng với việc lấp ghép các công trình với nhau. Đồng thời đưa ra những ứng dụng mới và cơ hội trong thực tế của chúng. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng các bài báo, tài liệu nước ngoài đã được công bố, chọn l ọc những thông tin hay, mới, tin cậy để xây dựng chuyên đề. Đồng thời tham khảo các tài li ệu có liên quan nhằm hỗ trợ kiến thức trong quá trình thực hiện. Kết hợp sử dụng các thông tin phù hợp, mới lạ, xác thực. 4
MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1. Cơ sở lý thuyết Phương pháp này sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi đ ể phân h ủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải, ở điều kiện không có oxy hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (chủ yếu CO 2, CH4). Quá trình phân hủy kị khí chất bẩn có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát: 5
(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào VI SINH Trong 10 năm trở lại đây công nghệ sinh học phát triển, quá trình xử lý kị khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng trong chất thải công nghiệp, sinh hoạt cùng các loại nước thải có chất bẩn hữu cơ cao: BOD ≥ 10 - 30 (g/l). Khí sinh học (biogas) có thành phần: CH4: 55,65%, CO2: 35,45%, N2: 0.3%, H2: 0.1%, H2S: 0.1%. 1.2. Các giai đoạn phân hủy kỵ khí • Thủy phân Nhờ tác dụng của enzim của vi khuẩn, các phức chất và chất không tan (polysaccarit, protein, lipit) chuyển hóa thành các chất đơn giản hơn hoặc các chất hòa tan (đ ường, amino axit, axit béo). Quá trình này xảy ra chậm, phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm. • Axit hóa Vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi, rượu (ancol), axit lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống dưới 4. • Axetic hóa (Acetogenesis) Vi khuẩn axetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit thành axetat, H 2, CO2 và sinh khối. • Mêtan hóa (methanogenesis) Là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kị khí. Chuyển hóa axetic, H 2, CO2, axit fomic và methanol thành mêtan, CO2, sinh khối mới. COD chỉ giảm xuống trong giai đoạn này. 6
1.3. Ưu, nhược điểm của quá trình phân hủy kỵ khí - Ưu điểm Thiết kế đơn giản, thể tích công trình nhỏ, chiếm ít diện tích mặt bằng, công trình có cấu tạo đơn giản và giá thành không cao, chi phí vận hành về năng l ượng thấp, khả năng thu hồi năng lượng (Biogaz cao). Không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, tải trọng phân hủy chất hữu cơ cao. Chịu được sự thay đổi đột ngột về l ưu lượng. - Nhược điểm Ngoài các ưu điểm trên thì có các hạn chế là rất nhạy cảm với các chất độc hại v ới sự thay đổi đột biến về tải trong của công trình. Xử lý nước thải chưa triệt đ ể, những hiểu biết về vi sinh vật kị khí chưa tốt, thiếu kinh nghiện vận hành công trình. 1.4. Lợi ích khi sử dụng kỵ khí so với hiếu khí Phân giải kỵ khí (AD) có thể chuyển đổi một vấn đề xử lý thành một cơ hội lợi nhuận. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, AD nhanh chóng trở thành một phương pháp quan trọng để giảm chất thải và khí thải CO2 trong khi tạo ra một loại nhiên liệu tái tạo cùng với một phân bón rắn . Các cơ chế cơ bản cho cả kỵ khí và hiếu khí xử lý nước thải tương tự, tức là vi khuẩn cần năng lượng cho sự tăng tr ưởng và h ỗ trợ các chức năng duy trì tế bào cũng như di động, và vi khuẩn đòi hỏi th ực ph ẩm (chất nền) cho năng lượng và tăng trưởng. Sự khác biệt giữa các quá trình hiếu khí và kỵ khí là kết quả của điều kiện môi trường khác nhau. - Sự khác nhau chính giữa xử lý hiếu khí và xử lý kỵ khí: Năng lượng :Hệ thống hiếu khí yêu cầu đầu vào thuần năng lượng, dưới hình thức khí, để cung cấp oxy. Ngược lại hệ thống sản xuất kỵ khí (khí sinh học) không cần năng lượng do đó làm giảm đáng kể chi phí hoạt động. Các khí sinh học có thể được sử dụng trong lò hơi để sản xuất nhiệt hoặc trong một kết hợp nhiệt và điện đ ơn vị (CHP) để sản xuất điện và nhiệt 7
Nhiệt độ : Xử lý hiếu khí hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh trong khi xử lý yếm khí thường hoạt động ở khoảng 37oC. Các khí sinh học sản xuất trong kỵ khí điều trị thường được sử dụng để làm nóng hệ thống kỵ khí (nghĩa là autothermal), Qua đó từ yêu cầu đối với bên ngoài đầu vào năng lượng nhiệt. Bùn sản phẩm : xử lý kỵ khí sinh ra ít hơn khoảng sáu đến mười lần bùn xử lý hiếu khí. với tăng chi phí xử lý bùn trong mỗi tấn, xử lý bùn có thể chi phí rất đáng kể. Các chất dinh dưỡng : xử lý kỵ khí tiết kiệm khoảng 6 lần khí nito va photpho so với hiếu khí. Do đó tiết kiệm chi phí ngoài chất dinh dưỡng cho nhiều nước thải công nghiệp CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ 2.1. VI SINH VẬT LÊN MEN KỴ KHÍ Rất nhiều loại vi sinh vật tham dự vào quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ: 2.1.1. Giai đoạn thủy phân Chuyển đổi các hợp chất cao phân tử không tan (lignin, carbohydrate, chất béo) thành các hợp chất phân tử thấp hơn. Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều 8
trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.coli và B.subtilus. Thời gian sinh trưởng giai đoạn này của vi sinh vật ngắn hơn các giai đoạn khác. 2.1.2. Giai đoạn lên men axit Nhóm khuẩn, nấm mốc và Protozoa không tạo CH4 thực hiện lên axit các sản phẩm thủy phân thành các axit hữu cơ đơn giản. Vi khuẩn kị khí tùy tiện là nhóm tạo axit chủ yếu, có thể nói Clostridium spp; Lactobacillus spp; Desulfovibrio spp; Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococcus; Escherichia coli. Trong hồ kị khí còn thấy có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio, các vi khuẩn hủy Protit tạo Hidrosunfua. Nhiều loại nấm mốc như Penicillium, Fusarium, Mucor… các Protozoa cũng tham gia vào quá trình lên men axít. 2.1.3. Giai đoạn lên men kiềm Các axit béo bay đi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân hủy thành CH 4 và CO2 làm kiềm hóa môi trường. Các vi sinh vật bắt buộc kị khí phát triển và vi khuẩn Metan phát triển mạnh nhất tiếp tục phân hủy gồm Methanobacterium, Methanosacrina, Methanococcus, Methanobrevibacter, Methanothrix. 2.2. VI SINH VẬT KỴ KHÍ TRONG HỒ SINH HỌC Thường là vi khuẩn có khả năng tạo methane và khử sulfate, nó thủy phân các protein, chất béo, poly saccharides có trong dòng thải sang dạng amino acid, các chuỗi peptit ngắn hơn nó, acid béo, glycerol and mono- and di-saccharides. Nhóm vi khuẩn tạo acid thích nghi tốt với các điều kiện môi trường pH và nhiệt độ khác nhau, vi khuẩn methane thường dễ bị ảnh hưởng với môi trường và chịu khoảng pH nhỏ 6,5 – 7,5; yêu cầu nhiệt độ > 14oC. Nhóm vi khuẩn tiêu diệt sulfate (gồm có 14 loài, Bolt et al., 1994) chuyển hóa sulfate thành hydrogen sulfide gây mùi hôi, nó chỉ xuất hiện khi nước thải chứa BOD và sulfate nhưng không có oxy. CHƯƠNG III: CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ 3.1. HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ 3.1.1. Tổng quan Hồ sinh học để xử lý nguồn nước thải thứ cấp dùng phân hủy các chất hữu cơ xảy ra tự nhiên. Ban đầu, cấu trúc đơn gian nên không rõ các đặc điểm vật lý, hóa hoc và các 9
quá trình sinh học phức tạp trong quá suốt quá trình, kết quả làm giới hạn sự hiểu biết về nhiều yếu tố có tác động đến hiệu suất của quá trình. Vì vậy, chất l ượng ra của nước rất thấp. Các hồ sinh học thường có thể đơn giản hoặc được kết hợp với các phương pháp xử lý khác. Hồ sinh học có thể xử lý nhiều loại nước thải khác nhau: nước thải phức tạp của công nghiệp hay sinh hoạt trong những điều kiện thời tiết khác nhau. Vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý chất thải hữu cơ. 3.1.2. Quá trình hình thành hồ 3.1.2.1. Hồ tự nhiên Hồ được hình thành do kiến tạo mặt đất, do sự vận động lớp chất lỏng trong trái đất đã tách bề mặt trái đất thành mãnh như hiện tại gọi là lục địa, và nó vẫn không ngừng hoạt động, chỉ giác quan chúng ta không nhận ra. Đồng thời là núi lửa hoạt động phun trào nham thạch, sụt lún… cùng với sự tạo núi là tạo những đại dương, những con sông hay hồ tự nhiên trên khắp trái đất. Trước đây hồ tự nhiên, khi chưa chịu tác động nhiều của con người thường là những sinh thái hồ đa dạng sinh học cao, là nơi ở của nhiều động thực vật. Hiện nay, bàn tay con người tác động một số bị biến mất, một ít bị khai thác tài nguyên cạn kiệt, hay chứa những vấn đề ô nhiễm môi trường nặng nè do con người tạo ra. 3.1.2.2. Hồ nhân tạo Hồ nhân tạo do những tác động của con người hình thành nhằm mục đích này hay mục đích khác, như chắn dòng sông, lưu trữ nước cho nhà máy phát điện, tưới tiêu trong nông nghiệp, tạo hồ sinh thái thượng nguồn. Đào đắp đất hoặc lấy đ ất đá, khoáng sản tạo thành các hố sâu rộng, thời gian dài nước được nạp đầy do mưa, làm nơi sống cho các loài thủy sinh… 10
3.1.3. Hồ sinh học kỵ khí 3.1.3.1. Gới thiệu tổng quan Hồ kỵ khí dùng để lắng và phân hủy cặn lắng dùng phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa trên việc sống và hoạt động của vi sinh vật kị khí. Các vi sinh vật phá vỡ các hợp chất hữu cơ trong nước phóng thích khí CH4và CO2. Hồ kị khí thường sâu từ 2 – 5m và xử lý được nước thải có chất hữu cơ cao (thường > 100g BOD/m3 với sâu 3m nước). lượng chất hữu cơ có trong hồ sẽ liên quan thân mật với lượng oxy nạp vào hồ. Hồ kị khí không có mặt của tảo, mặc dù có th ể b ắt gặp có sự xuất hiện của loài chủ yếu Chlamydomonas trên bề mặt. Chúng hoạt động rất hiệu quả trong điều kiện khí hậu nóng có thể loại bỏ 60 – 85% BOD. Hồ kị khí làm tụt lượng N, P, K và nhiều vi sinh vật gây bệnh bằng việc tạo ra bùn và giải phóng NH3 vào không khí. Sau khi kị khí xong hồ kị khí thường đem lại kết quả: 11
- Chuyển đổi vật chất từ dạng vật liệu hòa tan thành dạng vật chất l ắng đ ọng như bùn ở đáy. - Hòa tan các dạng chất hữu cơ khác. - Phá vỡ quá trình phân hủy sinh học của vật chất hữu cơ. - Chứa chất không hòa tan và không phân hủy như bùn đáy. - Chứa vật chất không hấp thụ và ở dạng vô định hình như bùn đấy. - Xử lý được một lượng nước dòng chảy đi qua. Quá trình lên men và hoạt động kị khí trong hồ làm giảm khoảng 70% lượng BOD 5 trong dòng chảy. Thông thường, một hồ kị khí đơn liên tục xử lý sẽ đạt hiểu quả nếu nồng độ dòng thải ≤ 1000 mg/l BOD5. Đối với nước thải công nghiệp nồng độ cao nên phải đến 3 hồ kị khí mới có thể xử lý tốt nhưng thời gian lưu ít nhất 1 ngày (McGarry and Pescod, 1970). 3.1.3.2. Thông số thiết kế hồ kỵ khí Hồ kị khí thường dược thiết kế theo kinh nghiệm có diện tích 10 – 20% diện tích hồ tùy tiện. Thời gian lưu nước vào mùa hè 1,5 ngày, mùa đông không quá 5 ngày. Đ ặc điểm cấu tạo: - Hồ nên có 2 ngăn làm việc nhăm khi dự phòng xả bùn. - Cửa nước vào phải đặt chìm, phải đảm bảo việc phân bố cặn lắng đồng đều trong hồ, cần 1 miệng xả nếu diện tích nhỏ hơn 0,5ha nếu lớn hơn thì bố trí thêm. - Cửa lấy nước rời khỏi hồ thiết kế theo thu nước bề mặt và có tấm ngăn để bùn không đi theo. Hồ kị khí có thể thiết kế 1 cách hoàn chỉnh, không phát sinh mùi có hại và khó chịu dựa trên thông số thể tích dòng vào BOD (lv, g/m3ngày), được cho bởi: lv = Li.Q/Va Trong đó: Li: dòng vào có BOD, mg/l (g/m )3 Q: lưu lượng dòng chảy, m /ngày 3 Va: thể tích hồ, m3 12
Bảng .1 Các thông số thiết kế hồ kị khí Nhiệt độ T (oC) Thể tích dòng vào (g/m3ngày) Loại bỏ BOD (%) < 10 100 40 10 - 20 10T - 100 2T + 20 20 - 25 10T + 100 2T + 20 >25 350 70 Nguồn: Hamzeh Ramadan, Victor M. Ponce, 10/2006. Lv có thể đạt đến 400 g/m3ngày, nhưng trong bảng trên lại quy định 350 nhẳm đảm bảo vấn đề mùi. Lưu ý rằng thể tích BOD dòng vào không nên nhỏ hơn 100 g/m 3 để duy trì điều kiện kị khí. Thời gian lưu nước được xác định từ công thức: qa = Va / Q ( tối thiểu trong 1 ngày nếu ít hơn 1 ngày nên tính lại Va). Diện tích xây dựng hồ: Aa = Li.Q/D.lv Trong đó: Aa: là diện tích hồ, m2 Li.Q: lượng BOD, g/ngày D: độ sâu hồ, m lv: thể tích dòng vào BOD, g/m3ngày 3.1.4. Hồ sinh học tùy tiện 3.1.4.1. Gới thiệu tổng quan Dòng chảy thường có CO2, nước và tế bào vi khuẩn và tảo mới trong điều kiện có oxy (như Chlamydomonas, Pyrobotrys và Euglena). Lượng tảo trong hồ cần ánh sang mặt trời để sống. Chúng phát triển và sinh sản ra oxy nhiêu hơn chúng sử dụng. Lượng oxy dư sẽ được vi khuận lấy để phá vỡ các hợp chất hữu cơ. Hồ này đ ược gọi chính xác bởi thuật ngữ “tùy tiện”, bởi vì nó có tầng trên hiếu khí và tầng kị khí ở dưới do oxy không duy trì đến được độ sâu của hồ. Vì vậy toạn bộ bề mặt phát triển hiếu khí tầng trung gian hiếu/kị khí và toàn bộ tầng kị khí ở đấy. Xảy ra tầng k ị khí nếu: 13
- Hồ quá sâu, màu nước tối, nên ánh sang không xuống được. - Nhu cầu oxy cho tầng dưới cao hơn khả năng cung cấp, gia tăng khi hàm lượng chất hữu cơ nhiều. - Tầng mặt giàu oxy nhưng không có sự hòa với tầng đáy. Do hoạt động quang hợp của tảo nên có sự thay đổi việc dùng hiếu hay kị khí trong ngày. Chủ yếu hiếu khí khi mặt trời có bức xạ đỉnh điểm, kị khí và mặt trời mọc, sau trời mọc oxy hòa tan nhiều dần cho tới tối đa vào giữa trưa. Hoạt động của hồ tùy tiện được mô tả Khi xong quá trình hồ tùy tiện sẽ đáp ứng: - Tăng cường xử lý dòng thải vào từ xử lý kị khí thông qua việc phân chia phân hủy và tiêu hóa chất hữu cơ. - Xử lý hiếu phá hủy gần hết chất hữu cơ ở mặt. - Làm giảm vi sinh vật gây bệnh. 3.1.4.2. Thông số thiết kế hồ tùy tiện Hồ tùy tiện thường sâu 1,5 – 2,5m, trong đó mực nước luôn dùy trì 1 – 2m, th ời gian lưu thường dùng 5 – 30 ngày. Khi nhiệt đồ trung bình trong mùa đông trên 15 oC, tải lượng BOD vào từ 45 – 90 kg/ha.ngày. Khi nhiệt độ biến đổi từ 0 – 15 oC, tải lượng chất hữu cơ khoảng 22 – 45 kg/ha.ngày, khi xuống 0oC thì tải lượng chất hữu cơ chỉ nên 11 – 22 kg/ha.ngày. Tải lượng BOD dòng vào ngăn đ ầu tiên ch ỉ gi ới h ạn t ới 40 14
kg/ha.ngày hoặc nhỏ hơn, và tổng thời gian lưu 120 – 180 ngày khi nhiệt độ 0 oC. Nếu nhiệt độ không khí lên trên 15oC thì tải trọng BOD dòng vào có thể đạt 100 kg/ha.ngày. Hiệu quả loại bỏ BOD5 có thể đến 80 – 90%. Chiều sầu là 1 m thường dùng, dùng để kiểm tra tốc độ tăng trưởng của sinh vật. Sherwood C. Reed, E. Joe Middle Brooks, Ronald W. Crites. Thể tích xây dựng hồ tùy tiện như sau: V = (3,5 x 10 )QLaθ f.f’ -5 35-T theo Gloyna, 1976 Trong đó: V thể tích hồ, m3 Q lưu lượng dòng chảy vào, l/ngày La các thông số cơ bản COD hay BOD ở dòng vào, mg/l θ hệ số thay đổi nhiệt độ (= 1,085) T nhiệt độ hồ, oC f tảo độc f’ nhu cầu oxy sulfide Yếu tố f được thống nhất là 1 đối với nước thải sinh hoạt và công nghiệp, và f’ cũng bằng 1 khi nồng độ ionsulfate nhỏ hơn 500 mg/l. nhiệt độ chọn nhiệt độ trung bình của hồ trong tháng lạnh nhất. Khi thiết kế hồ tùy tiện cần quan tâm nhiều diện tích mặt nước, tăng nó cũng chính tăng hiệu suất. Cần chú ý thiết kế dựa trên thông số BOD vào trên bề mặt (Lg, kg/ha.ngày), được cho bởi: Lg = 10.Li.Q/Af Trong đó Af là diện tích hồ, m2 Bước tiếp theo tính thời gian lưu nước qf = Af.D/Qm Trong đó: D là độ sâu, m Qm lưu lượng trung bình, m 15
3 /ngày (dòng vào Qi và dòng ra Qe) Diện tích xây dựng hồ: Af = 10.Li.Q/ls Trong đó: Af là diện tích hồ kị khí, m2 Li.Q là lượng BOD, g/ngày Ls thông số BOD vào trên bề mặt, kg/ha.ngày 3.1.5. Ứng dụng Hồ sinh học được dùng rộng rãi để xử lý nước thải. Hiện có gần 5000 hồ tại Mỹ trên tổng số 12500 hồ trên thế giới. Hồ kị khí được dùng xử lý trước của nước thải sinh hoạt và công nghiệp, nhưng nhiều là xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ chất hữu cơ dễ phân hủy cao. Ngoài ra còn được dùng xử lý nước thải trước trong chăn nuôi trước khi thải ra đất. Hồ tùy tiện trước đây được dùng cho nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Nhưng hiện nay được dùng nhiều trong xử lý nước chưa qua xử lý của sinh hoạt, hoặc xử lý các dong thải thứ cấp từ lọc, hồ hiếu khí kị khí… Trên thế giới con người kết hợp hồ tùy tiện với hồ hiếu khí hoặc kị khí luôn trong xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp vì giá thành thấp kiểm soát được nhiều vi sinh vật hại. 3.2. CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.2.1. Bể UASB 3.2.1.1. Giới thiệu tổng quan (UASB) công nghệ được giới thiệu tại Ấn Độ vào cuối năm thập niên tám mươi trong Kế hoạch hành động Ganga (GAP). Một bộ thí điểm đã được l ắp đ ặt tại Kanpur ban đầu để xử lý một kết hợp của nước thải và nước thải thuộc da và sau đó dành riêng cho nước thải. Sự phát triển này đã diễn ra khi một nhu cầu mạnh mẽ đối với một 'chi phí thấp' phù hợp công nghệ đã tìm thấy tiếp theo kinh nghiệm của các công nghệ hiếu khí thông thường dựa nhà máy xử lý nước thải (STP), nơi các chi phí vận hành được coi là thấp. Tại thời điểm đó, UASB là một công nghệ phát triển đã được định vị như là một lựa chọn hợp lý với khả năng "phục hồi tài nguyên. Được 16
cho rằng công nghệ này sẽ có lợi cho xử lý nước thải do tính năng độc đáo sau đây của nó - Nhu cầu năng lượng thấp - Hoạt động và chi phí bảo trì ít - Yêu cầu kỹ năng thấp hơn cho hoạt động / giám sát - Sản xuất bùn ít - Khả năng phục hồi nguồn lực thông qua phát điện từ khí sinh học và sử dụng bùn làm phân bón. Dựa trên kinh nghiệm hạn chế của hai phòng thí điểm ở Kanpur và cân nhắc ở trên, UASB là lựa chọn công nghệ được ưa chuộng nhất trong Kế hoạch hành động Yamuna (YAP-I) được thực hiện trong giai đoạn 1993-2002. Theo kế hoạch này 16 STP UASB là xây dựng trong Haryana và UP thị trấn có khả năng vận hành tổng hợp của gần 600 bể. 3.2.1.2. Nguyên lý hoạt động Công nghệ UASB đã được tìm thấy là rất hiệu quả để xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ cao đặc biệt là từ sản xuất rượu, giấy và bột giấy, thuộc da, và thực phẩm công nghiệp chế biến. Đối với tải trọng hữu cơ cao, chắc chắn nó cung cấp các lợi thế về gần tiêu thụ năng lượng không đáng kể, O & M thấp chi phí và thu hồi số lượng đáng kể sinh học năng lượng. Sản xuất phù hợp về số lượng khá lớn khí sinh học từ chất thải công nghiệp làm cho sản xuất điện cho tiêu dùng tại chỗ là một đề xuất tài chính hấp dẫn. Các tính năng khác của công nghệ, yêu cầu kỹ năng thấp hơn và sản xuất bùn, có lẽ thêm vào sức hấp dẫn của nó trong bối cảnh công nghiệp đến một mức độ nhất định. Ví dụ, trong ngành công nghiệp chưng cất phù hợp c ủa công nghệ đã được chứng minh đầy đủ hợp do tiềm năng năng lượng sinh học, trả lại khoảng thời gian đã được tìm thấy là ít hơn 3 năm. Tuy nhiên, khi áp dụng cho xử lý nước thải (trong đó BOD 200-300 mg / l), tích lũy kinh nghiệm cho thấy các tính năng 'độc đáo' không có sức thuyết phục cho một loạt các lý do. Nhìn lại có thể khẳng định rằng tính vượt trội trong xử lý, những vấn đ ề liên quan đến đặc điểm nước thải, yêu cầu xử lý thứ cấp, nước thải phù hợp cho khử trùng, phát điện và phục hồi tài nguyên đều được thực hiện. UASB có thể làm giảm BOD của nước thải chỉ 70-100 mg / l và là tiền đề giai đoạn thứ hai xử lý hiếu khí để cho phép phù hợp với xả tiêu chuẩn. 17
Nước thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn phân phối đều toàn đáy bể, nước thải từ dưới đi lên vận tốc v = 0,6 – 0,9 m/h. Bùn trong bể lắng hình thành 2 vùng rõ r ệt: lớp bùn đáy bể chiều cao ¼ bể chứa các hạt keo tụ nồng độ 5 – 7% và l ớp bùn l ơ lửng nồng độ 1000 – 3000 mg/l. Ở các nước nhiệt đới, bể UASB xử lý nước thải được áp dụng rộng rãi. Chất lượng nước thải đầu ra: COD 140 mg/l, BOD 75 mg/l và TSS 30 mg/l. Nhiệt độ thấp làm tốc độ thủy phân thấp và phân hủy hữu cơ giảm, giảm hiệu suất tổng thể bể kị khí. Bể UASB loại bỏ COD ~ 65% ở 20oC và 55-65% tại 13-17oC. Chất lượng nước thải ra và tốc độ sản xuất khí giảm (giảm 78% tỷ lệ khí đốt tạo ra) khi nhiệt độ giảm từ 27oC xuống 10oC. Lượng COD bị loại bỏ thấp hơn 25% ở 10oC so với ở 27oC, tích tụ chất rắn lơ lửng trong bể phản ứng. [4] • Khắc phục Để cải thiện hiệu suất của bể UASB ở nhiệt độ thấp cần cung cấp diện tích bề mặt để gắn sinh khối và tăng khối lượng lớp bùn kị khí của bể bằng cách thay thế thiết bị tách khí/chất rắn của bể UASB bằng bộ lọc. Bể phản ứng UASB – lọc kết hợp đ ạt 64 % COD, loại bỏ hơn 4 % so với bể UASB trước đây ở nhiệt độ 13 oC đồng thời loại bỏ phần keo tốt hơn do đính kèm sinh khối trên bộ lọc. [4] Sơ đồ hoạt động bể UASB [4] 18
3.2.1.3. Thu hồi năng lượng Thu hồi năng lượng sinh học được coi là một yếu tố quan trọng trong l ợi c ủa một UASB để xử lý nước thải. Tuy nhiên, một số hạn chế như được liệt kê dưới đây đã được nhận ra đó ngăn chặn thực hiện các lợi ích. Khí sinh học phụ thuộc vào lượng BOD đầu vào và tùy thuộc vào môi trường xung quanh và nhiệt độ nước thải và các biến thể khác. Nhiệt độ trong bể thấp từ 3 – 5 oC sẽ gây cản trở cho vi sinh vật kỵ khí sinh trưởng và phát triển. Vì vậy sản xuất khí sinh học được tìm thấy đi xuống đáng kể trong tháng mùa đông ở miền Bắc Ấn Độ. Lượng khí sinh học được sản xuất trong một bể UASB vừa và nhỏ không phải là đầy đủ để đảm bảo lợi nhuận của năng lượng sinh học. Các động cơ trong bể do chi phí thấp luôn đòi hỏi số lượng lớn dầu diesel là nhiên liệu bổ sung. Rõ ràng, chi phí dầu diesel hóa ra là không chỉ cao nhưng bất lợi là điện được thực hiện miễn phí cho các cơ quan điều hành STP. Kinh tế môi trường và sử 19
dụng nguồn lực ngoài, nó không có ý nghĩa kinh doanh cho cơ quan điều hành để chạy máy phát điện nhiên liệu diesel đấu trên mua bên ngoài. Cuối cùng, có một nguy cơ ăn mòn của các bộ phận cơ khí sinh học như thường chứa hydrogen sulphide. Công nghệ cho desulpherisation là một mặt không phổ biến rộng rãi ở Ấn Độ và mặt khác nó đòi hỏi thêm định kỳ chi phí. Đã có tr ường h ợp đ ộng c ơ khí được đưa ra do ăn mòn nghiêm trọng. 3.2.2. Các loại hầm kỵ khí 3.2.2.1. Các loại hầm ủ Người ta có thể chia các loại hầm ủ theo 3 cách vận hành chính • Vận hành theo mẽ Trong cách vận hành này , hầm ủ được nạp đầy nguyên liệu trong một lần, cho thêm chất mồi và đậy kín lại và quá trình sinh khí sẽ diễn ra trong một thời gian dài cho tới khi nào lượng khí sinh ra giảm thấp tới một mức nào đó. Sau đó toàn bộ các chất thải của hầm ủ được lấy ra chỉ chừa lại 10%-20% để làm chất mồi, nguyên liệu mới lại được nạp vào và quá trình cứ tiệp tục. Theo kiểu vận hành này thì l ượng khí sinh ra hằng ngày không ổn định nó thường cao vào lúc mới nạp và giảm dần đ ến cuối chu kỳ • Vận hành bán liên tục Nguyên liệu được nạp vào hầm 1 hoặc 2 lần 1 ngày và cúng một lượng chất thải của hầm ủ sẽ được lấy ra ngay các thời điểm đó. Kiểu vận hành này thích hợp khi ta có một lượng chất thải thường xuyên. Thể tích của hầm ủ phải đủ lớn để làm 2 nhiệm vụ: ủ phân và chứa gas. Theo kiểu vận hành nầy thì tổng thể tích gas sản xuất đ ược trên một đơn vị trọng lượng chất hữu cơ thường cao • Vận hành lien tục Ở cách vận hành này việc nạp nguyên liệu và lấy chất thải của hầm ủ được tiến hành liên tục. Lượng nhiên liệu nạp được giữ ổn định bằng cách cho chảy tràn vào hầm ủ hoặc dùng boom định lượng. Phương pháp này thường dùng để xử lý các loại nước thải có hàm lượng chất rắn thấp Nếu không có chất thải hầm ủ làm chất mồi thì cũng có thể sử dụng phân gia súc . trong trường hợp này thì hầm ủ sẽ hoạt động ổn dịnh trong vòng 20-30 ngày sau khi bắt đầu vận hành. 20