Đề tài Tính toán thiết kế và hoàn thiện hệ thống xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn thu Biogas của nhà máy chế biến tinh bột sắn yên bình - Yên Bái với công suất 160 tấn sản phẩm/ngày

n, acid béo,) Lên men acid hữu cơ và các chất trung tính Acid Propionic, acid butyric, rượu, andehyt, Axeton, Các chất khí Axít axetic CO2, H2 NH3, H2S Khử CO2 Decacboxyl hoá CH4 CO2 8H+ Giai đoạn thuỷ phân Giai đoạn lên men axít hữu cơ Giai đoạn axetic hoá Giai đoạn lên men CH4 Hình IV.1: Quy trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ - Phản ứng cơ chế tổng quan: Vi sinh vật CxHyOz + (x - - )H2O ( - + )CO2 + ( + - )CH4 - Trong thực tế quá trình phân giải yếm khí thường xảy ra theo 4 giai đoạn: 1. Giai đoạn 1: Giai đoạn thuỷ phân Dưới tác dụng của các enzym hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp có phân tử lượng lớn như Protein, Gluxit, Lipitđược phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ như đường, Peptit, Glyxerin, acid amin, acid béoTrong giai đoạn thuỷ phân, phần lớn các hợp chất Gluxit được phân huỷ nhanh, các hợp chất Protein được phân huỷ chậm hơn, các hợp chất hữu cơ phân tử lượng lớn như: Xenlulo thường được phân huỷ chậm và không triệt để do cấu trúc phức tạp. Peptidaza Proteaza Protein Peptit Acid amin Amylaza Tinh bột Đường Lypaza Lipit Glyxerin + Acid béo Xenlobioza Xenlulaza H2O Xenlulo C12H22O11 2C6H12O6 * 4 axit galacturonic Thuỷ phân Pectinaza * 2 (arabinoza + xyloza) 10H2O Pectin Hydratpectin * 1 đường galactoza * 1 axit axetic * 2 metanol + 2 CO2 2. Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men acid hữu cơ Các sản phẩm thuỷ phân sẽ được các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá, các sản phẩm thuỷ phân sẽ được phân giải yếm khí tiếo tục tạo thành acid hữu cơ phân tử lượng nhỏ như acid propionic, acid butyric, acid axetic, các rượu, andehyt, axeton và cả một số aicd amin. Đặc biệt trong giai đoạn này các acid amin hình thàng trong thuỷ phân protein cũng sẽ được khử amin, một phần các amin (NH2) được vi sinh vật sử dụng cho sinh trưởng và phát triển, phần còn lại trong nước thải được chuyển hoá thành amôn NH4+. Thành phần của các sản phẩm lên men phụ thuộc vào bản chất các chất ô nhiễm, tác nhân sinh học và điều kiện môi trường. Trong giai đoạn này BOD5 và COD giảm không đáng kể nhưng pH của môi trường có thể giảm mạnh. Sự lên men của một số acid hữu cơ tiêu biểu (axit lactic, axit butyric, axit propionic) và các chất trung tính như etanol, axeton, butanol, pectin, và xenlulo [10] + Sự lên men axit lactic: - Lên men axit lactic theo kiểu điển hình: Cơ chế đơn giản tạo ra sản phẩm chủ yếu là axit lactic NAD NADH2 C6H12O6 2CH3COCOOH CH3CHOHCOOH axit pyruvic Pyruvat hidrogennaza axit Lactic - Lên men axit lactic theo kiểu dị hình: (kiểu đặc biệt) vì tạo nhiều sản phẩm. Axit sucxinic CH2COOH CH2COOH (10%) C6H12O6 NAD NADH2 CH3-CHOH-COOH (40% lactat) CO2 CH3CHO CH3CH2OH CH3COOH NADH2 NADH2 (20%) CH3COOH + HCOOH 2CH3COCOOH CO2 H2O CO2 Axit xetosucxinic NAD CH3COCH2COOH NAD H2 + Sự lên men axit butyric: (cơ chế đơn giản) CH3CH2CH2COOH CO2 C6H12O6 2CH3CHO Trùng hợp H2 2CH3COCOOH Axit butyric CH3COOH + HCOOH + Sự lên men axit propionic: (Cơ chế đơn giản) Axit propionic CH3CH2COOH C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3COCOOH CH3COOH + HCOOH + CO2 CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 CH3CHOHCOOH + Sự lên men etanol: Sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào pH của môi trường, lên men etanol thông thường sản phẩm là etanol, phải duy trì pH = 4,5 ÷ 5,0. C6H12O6 NADH2 CH3COCOOH CO2 Pyruvat decacboxylaza CH3CH2OH CH3CHO NAD 3. Lên men tạo axit axetic Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn như axit béo, axit lactic sẽ được từng bước chuyển hoá thành axit axetic: 3CH3CHOHCOOH axit Propionic 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + 2H2O axit Lactic Rn-1COOH + CH3COOH RnCH2CH2COOH axit axetic Các axit có phân tử lượng lớn được cắt từng bước tại nguyên tử Cβ: axit axetic axit béo mạch ngắn hơn Mùi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do các sản phẩm trao đổi chất được hình thành đặc biệt từ quá trình phân giải Protein và các axit amin: H2S, Indol, statol và mercaptan. Trong phân giải yếm khí, dưới tác dụng của các enzym bùn, thường có màu đen. Quá trình khí hoá dễ làm cho bùn nổi thành màng do khí thoát ra kéo theo sinh khối. 4. Giai đoạn metan hoá: Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý yếm khí, nhất là khi xử lý yếm khí thu biogas. Hiệu quả xử lý sẽ cao khi các sản phẩm trung gian được khí hoá hoàn toàn. Dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men metan, các axit hữu cơ bị decacboxyl hoá tạo khí metan. Trong xử lý yếm khí, khí metan được tạo thành theo hai cơ chế chủ yếu là khử CO2 và decacboxyl hoá. - Decacboxyl hoá: CH3COOH CH4 + CO2 2CH3(CH2)2COOH CH3COCH3 3CH4 + CO2 7CH4 + 5CO2 5CH4 + 3CO2 H2O 2CH4 + CO2 H2O 4CH3CH2COOH H2O 2CH3CH2OH Khoảng 70% CH4 được tạo thành do decacboxyl hoá axit hữu cơ và các chất trung tính. - Khử CO2 CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O CO2 4NADH2 4NAD CH4 + 2H2O Khoảng 30% CH4 được tạo thành do khử CO2 Trong giai đoạn này, các sản phẩm chậm hoặc khó phân giải như xenluloza, axit béo phân tử lượng lớn tiếp tục bị phân huỷ và tạo thành rất nhiều khí CO2 và CH4, pH của môi trường tăng và chuyển sang kiềm nhẹ. Các ion amin của môi trường tác dụng với CO2 tạo ra muối cacbonat làm cho môi trường có tính đệm.[11] IV.1.2 Tác nhân sinh học 1. Tác nhân sinh học của giai đoạn thuỷ phân và lên men axit hữu cơ Các chủng Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Bacterioides, Pseudomonas và Enterobacter chiếm đa số. Phần lớn các vi khuẩn thuỷ phân và lên men axit hữu cơ ít nhạy cảm với pH môi trường trong giải pH rộng: từ 2 ÷ 7 tuy nhiên pH tối ưu 5 ÷ 7. Nước thải sản xuất tinh bột sắn giàu cenlulose và tinh bột nên tác nhân chủ yế là: Bacillus, Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococus, Corynebacterium, Lactobacillus, Actynomyces, Bifidobacterium, Clostridium Trong giai đoạn lên men axit hữu cơ, tác nhân sinh học gồm: - Vi sinh vật hô hấp yếm khí: Bacterioides (pH = 5,2 ÷ 7,5), Clostridium (pH = 5,8) đóng vai trò rất quan trọng trong giai đoạn này. - Vi sinh vật hô hấp tuỳ tiện: Bacillus, Pseudomonas. Do sự có mặt của một số loài vi sinh vật hô hấp tuỳ tiện nên chúng đã sử dụng hết phần oxy hoà tan có trong nước thải, điều này rất cần thiết cho các vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt sau này. 2. Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men tạo axit axetic: [9] Vi khuẩn tạo axit axetic (vi khuẩn Axetogene) thường phát triển trong môi trường cùng với vi khuẩn metan hoá. Vi khuẩn Axetogene tạo ra H2 trong quá trình lên men, nhưng nó lại bị chính sản phẩm này gây ức chế. Vì vậy trong môi trường có các vi khuẩn metan hoá, khí H2 hoặc H+ sẽ được sử dụng để khử CO2. Một số chủng vi khuẩn Axetogene có hiệu quả metan hoá cao: Syntrophobacter wolonii, Syntrophobacter wolfei và Syntrophobacter Buswellii, nhiệt độ tối ưu topt = 33 ÷ 400C, pH = 6 ÷ 8. Nhóm vi khuẩn khử sunfat: Selemonas, Clostridium, Riminoccocus, Desulfovibrio trong môi trường hỗn hợp với vi khuẩn metan hoá, tạo sản phẩm chủ yếu là axit axetic. Nhóm vi khuẩn homonacetogene tạo axit axetic từ CO2 và H2, nhóm vi khuẩn này có ý nghĩa đặc biệt vì chúng cạnh tranh với vi khuẩn metan trong việc sử dụng H2. 2CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2O 3. Tác nhân sinh học trong giai đoạn lên men metan [9] Vi khuẩn lên men CH4 rất đa dạng, gồm 2 nhóm chính: + Nhóm vi khuẩn ưu ấm (Mesophyl) phát triển ở nhiệt độ tối ưu t0opt = 35 ÷ 370C: Methanococus, Methanobacterium, Methanosarcina. + Nhóm vi khuẩn ưu nóng (Themophyl) phát triển ở nhiệt độ tối ưu t0opt = 55 ÷ 600C: Methanobacillus, Methanospirillum, Methanothrix. Vi khuẩn mêtan hoá là những vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt, chúng rất mẫn cảm với sự có mặt của O2 vì vậy yêu cầu thiết bị lên men phải tuyệt đối kín. Các vi khuẩn mêtan ưu axit nhẹ hoặc kiềm, và rất nhạy cảm với sự thay đổi pH. pH tối ưu cho quá trình lên men CH4 là 6,8 ÷ 7,5. Khi pH < 6,4 thì hiệu quả chuyển hoá CH4 giảm 30% và nếu pH < 4,24 trong 3 - 4 ngày thì vi khuẩn mêtan sẽ chết. Bảng IV.1: Một số nhóm vi khuẩn lên men CH4 và điều kiện môi trường [12] Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ (0C) Các chất bị chuyển hoá Methanobacterium 6,5÷8,0 37÷40 CO2, H2, Rượu bậc I + II Methanopropionicum 6,5÷8,0 37÷40 axit propionic Methanoformicum 6,5÷8,0 37÷40 H2, CO2, HCOOH Methanosochigenii 6,5÷8,0 37÷40 CH3COOH Methanosuboxydan 6,5÷8,0 37÷40 axit butyric, valeric, caprionic Methanoruminanticum 6,5÷8,0 37÷40 H2, HCOOH Methanococcus mazei 1,4÷9,0 30÷37 CH3COOH, axit butyric Methanosarina methanica 1,4÷9,0 35÷37 axit axetic, axit butyric Methanosarina barkeri 7,0 30 CH3COOH,CH3OH,H2,CO2 Methanococcus vanirieri 1,4÷9,0 37÷40 H2, HCOOH IV.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý yếm khí Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học nói chung và xử lý bằng phương pháp yếm khí nói riêng, yếu tố môi trường đóng một vai trò rất quan trọng. Nó quyết định hiệu quả xử lý của phương pháp, trong quá trình phân giải yếm khí, một số yếu tố môi trường ảnh hưởng như: nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N của nguyên liệu, hàm lượng và bản chất của chất ô nhiễm, thời gian lưu IV.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình phân giải yếm khí. Dải nhiệt độ cho quá trình phân giải yếm khí khá rộng, từ 30 ÷ 500C. Tuy nhiên, nhiệt độ tối ưu cho mỗi quá trình xử lý yếm khí phụ thuộc vào tính ưu nhiệt của tác nhân sinh học. Trong thực tế, vi khuẩn metan hoá bao gồm 2 nhóm là: vi khuẩn ưu ấm (Meosophyl) và vi khuẩn ưu nóng (Theromophyl). Nhiệt độ tối ưu cho nhóm vi khuẩn ưu ấm từ 33 ÷ 370C, đối với nhóm vi khuẩn ưu nóng từ 50 ÷ 520C. Biến động nhỏ của nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hoạt lực của vi sinh vật. Nhóm vi khuẩn metan hoá cho hiệu suất cao chủ yếu là vi khuẩn ưu ấm, chúng rất nhạy cảm với biến động của nhiệt độ, do vậy để thu biogas thì nhiệt độ luôn phải giữ ổn định từ 35 ÷ 370C. - Nhiệt độ > 370C: Vi khuẩn ưu nhiệt hoạt động, xảy ra quá trình khí hoá mạnh, khí thoát ra nhiều nhưng hạn chế quá trình khử CO2, làm giảm hiệu quả thu khí metan. - Nhiệt độ < 100C: Vi khuẩn metan hoá hầu như không hoạt động. IV.2.2 Ảnh hưởng của pH Quá trình phân giải yếm khí thực chất được thực hiện nhờ một hệ enzim mà hoạt lực của nó phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của môi trường. Các nhóm vi sinh vật khác nhau sẽ có pH tối ưu khác nhau. - Các vi khuẩn thực hiện quá trình thuỷ phân và lên men axit hữu cơ phần lớn ưu axit, chúng có thể tồng tại ở dải pH khá rộng từ 2 ÷ 7, pH tối ưu khoảng từ 5÷7, tuy nhiên hoạt lực của chúng sẽ giảm đi khi pH < 4,5. Trong giai đoạn thuỷ phân và lên men axit hữu cơ, pH môi trường hầu như ít ảnh hưởng. - Các vi khuẩn metan ưu axit nhẹ hoặc kiềm do đó trong giai đoạn metan hoá pH của môi trường có ảnh hưởng lớn, pH tối ưu cho quá trình lên men biogas từ 6,5 ÷ 7,5. Khi pH < 6,5 hoạt lực của vi khuẩn metan hoá giảm đi rõ rệt, pH < 6,4 làm giảm 30% hiệu quả chuyển hoá CH4, còn khi pH < 4,24 trong vòng 3 ÷ 4 ngày sẽ làm vi khuẩn metan chết. Tuy nhiên vi khuẩn metan có thể tồn tại được 60 ngày ở pH = 5 - Nếu pH vượt ngoài phậm vi 6,5 ÷ 8,0 thì tốc độ phân huỷ các hợp chất hữu cơ sẽ giảm và các sản phẩm trung gian cũng thay đổi theo chiều hướng không có lợi. Khi pH 8,0 thì gây sự tăng ức chế của ion NH4+ với vi sinh vật. [10] IV.2.3 Ảnh hưởng của thành phần cơ chất (tỷ lệ C/N) [10] Cacbon và Nitơ là nguồn nguyên liệu chủ yếu của vi khuẩn sinh khí CH4, tỷ lệ C/N có ý nghĩa quyết định đối với quá trình xử lý yếm khí, tỷ lệ C/N tối ưu là 30/1. - Khi C/N > 30/1: thiếu N sẽ làm hạn chế phát triển sinh khối, C phân huỷ chậm và không hoàn toàn. - Khi C/N < 30/1: dư thừa N, vi khuẩn sẽ phân giải và chuyển thành NH4+ và NH3 quá cao sẽ kìm hãm quá trình phân giải yếm khí, đặc biệt là đối với các vi khuẩn metan hoá khi nồng độ NH3 ≥ 0,15 mg/l sẽ ức chế rất mạnh sự tạo thành CH4. IV.2.4 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm 1. Các ion kim loại và kim loại nặng: Các ion kim loại ảnh hưởng đến các vi khuẩn tạo khí CH4 [12], trong đó tác động mạnh nhất là Mangan, sau đó là Canxi, Natri Bảng IV.2: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại Ion kim loại Nồng độ (mg/l) Kích thích Kìm hãm nhẹ Kìm hãm mạnh Na 100 ÷ 200 3500 ÷ 5500 8000 K 200 ÷ 400 2500 ÷ 4500 12000 Ca 100 ÷ 200 2500 ÷ 4500 8000 Mg 75 ÷ 150 1000 ÷ 1500 3000 Các ion kim loại nặng có mức độ ảnh hưởng khác nhau, mức độ ảnh hưởng của Cr > Cu > Zn > Cd > Ni. Giới hạn nồng độ ion kim loại nặng: - Cr3+ ≤ 690 mg/l - Cu2+ ≤ 150 ÷ 500 mg/l - Pb2+ ≤ 900 mg/l - Zn2+ ≤ 690 mg/l - Ni2+ ≤ 73 mg/l 2. Các hợp chất chứa Nitơ Trong nước thải Nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng hữu cơ (axit amin, peptit, protein) và có thể tồn tại ở dạng nitơ vô cơ (NH4+, NO3-). Trong phân giải yếm khí NH4+ là sản phẩm của quá trình khử amin. NH4+ được các vi sinh vật yếm khí sử dụng như là nguồn cung cấp Nitơ, nhưng nếu hàm lượng NH4+, NO3- quá cao sẽ kìm hãm trao đổi chất của vi khuẩn. NO3- có thể kìm hãm gián tiếp vi khuẩn metan hoá, do trong môi trường yếm khí một số vi khuẩn có khả năng khử Nitrat thành N2, NH3, và NH4+ làm cho hàm lượng NH4+ tăng nhanh, gây ức chế mạnh đến quá trình metan hoá. 3. Các hợp chất chứa lưu huỳnh [13] Lưu huỳnh là một nguyên tố cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp Protein của vi sinh vật, nhưng ở nồng độ cao, nó lại có tác dụng kìm hãm đối với vi sinh vật. Lưu huỳnh có trong nước thải là do trong quá trình sản xuất có sử dụng một số hoá chất chứa S như H2SO4, Na2SO3 ...Trong điều kiện yếm khí SO42- bị khử thành H2S: SO42- + 4H2 H2S + 2H2O + 2OH- (desulfirikant) Vi khuẩn khử sunfat H2S HS- + H+ S2- + 2H+ Khi pH thấp cân bằng chuyển dịch sang trái, xu hướng tạo H2S và theo biogas thoát ra ngoài làm giảm chất lượng biogas. Mắt khác khi đốt sẽ tạo ra khí SO2 gây ô nhiễm không khí. Quá trình khử sufat nói chung không gây ảnh hưởng nhiều đối với vi khuẩn thuỷ phân và axit hoá, nhưng ngược lại nó ảnh hưởng đến vi khuẩn metan do H2S ức chế vi khuẩn metan, đồng thời vi khuẩn khử sunfat cạnh tranh với vi khuẩn metan trong việc sử dụng H2. - Khi nồng độ H2S ≤ 0,1 mg/l thì chưa gây ảnh hưởng nhiều. - Khi nồng độ H2S > 0,35 ÷ 0,85 mg/l có thể gây ức chế 50% vi khuẩn metan. IV.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng khác: 1. Độ oxy hoà tan: Giai đoạn thuỷ phân và axit hoá: các vi khuẩn thuỷ phân và axit hoá phần lớn là vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện, chúng phát triển được trong điều kiện có oxy, nên không chịu ảnh hưởng lớn. Giai đoạn metan hoá: Các vi khuẩn metan hoá yếm khí nghiêm ngặt, chúng rất mẫn cảm với sự có mặt của O2 và H2O2. Do đó nếu không đảm bảo điều kiện tếm khí tuyệt đối sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn metan hoá. 2. Sản phẩm trao đổi chất. Các sản phẩm trao đổi chất (axit, rượu), axit hữu cơ hình thành, thường được phân ly: RCOOH RCOO- + H+ Sự phân ly phụ thuộc vào pH của môi trường, khi pH thấp thì khả năng phân ly giảm do đó không có lợi cho vi khuẩn metan vốn ưu axit nhẹ và kiềm. 3. Thời gian lưu của nước thải và tải lượng dòng vào thiết bị yếm khí Thời gian lưu của nước thải trong thiết bị phụ thuộc vào đặc tính nước thải và điều kiện môi trường. Thời gian lưu quá ngắn sẽ không đủ điều kiện cho các vi sinh vật yếm khí tiếp xúc và trao đổi với các chất ô nhiễm, đặc biệt là các vi khuẩn metan hoá.Do đó sẽ làm giảm hiệu quả xử lý. Thời gian lưu càng tăng thì càng có lợi hiệu quả xử lý và thu biogas, ngoài ra còn có thể tiêu diệt các mần bệnh (vi sinh vật gây bệnh, ký sinh trùng), nhưng lại gây tốn kém về kinh tế đầu tư xây dựng. Tải lượng dòng vào (lượng các chất ô nhiễm có trong dòng vào hệ thống xử lý), cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý. Tải lượng dòng vào quá cao dễ gây mất cân đối giữa hai quá trình axit hoá và metan hoá. Axit hữu cơ tạo thành lớn làm cho pH giảm đột ngột, sẽ gây bất lợi cho quá trình khí hoá. Tải lượng dòng vào quá thấp sẽ kéo dài thời gian lưu, đòi hỏi thể tích thiết bị phải lớn. Tải lượng dòng vào tối ưu cho quá trình phân giải yếm khí với vi sinh vật cố định trên giá, đệm là 5,0 ÷ 20 kgCOD/m3.ngày, với vi sinh vật yếm khí giả lỏng là 1,0 ÷ 6,0 kgCOD/m3.ngày.[14] 4. Ảnh hưởng của thế oxi hoá khử (hàm lượng H2) trong giai đoạn tạo axit axetic. Sự oxy hoá khử các sản phẩm như propionic, butyric, lactic, etanol được thực hiện khi không có các vi khuẩn có khả năng sử dụng H2. Về mặt nhiệt động, quá trình oxy hoá khử khó thực hiện hoặc không thự hiện được khi áp suất riêng phần của H2 lớn. CH3CH(OH)COOH + H2O CH3COOH + CO2 + 2H2 + 4,8 kj/mol CH3CH2OH + H2O CH3COOH + 2H2 - 9,6 kj/mol CH3(CH2)2COOH +2H2O CH3COOH + 2H2 - 48,1 kj/mol CH3CH2CH2COOH +2H2O CH3COOH + 3H2 + CO2 - 76 kj/mol Trong khi đó với áp suất riêng phần rất nhỏ của H2, về mặt nhiệt động học, phản ứng có thể xảy ra và biến đổi năng lượng đủ để tổng hợp ATP và đủ cho sự phát triển vi sinh vật. Như vậy vi sinh vật ở giai đoạn axetic hoá rất nhạy cảm với sự xuất hiện của H2. Thế oxy hoá khử ảnh hưởng tới quá trình phân giải yếm khí theo nguyên lý Le Chaterlier về chuyển dịch cân bằng hoá học: “ Mọi sự thay đổi của các yếu tố xác định trạng thái cân bằng của một hệ cân bằng sẽ làm cho cân bằng chuyển dịch về phía chống lại những sự thay đổi đó.”. Do đó khí H2 sinh ra từ các phản ứng trên nếu không được giải phóng sẽ gây ra áp lực lớn (nồng độ cao), làm cân bằng chuyển dịch về phía không tạo thành H2 và hiệu quả lên men axit axetic giảm xuống. Trong giai đoạn metan hoá, ngoài xảy ra quá trình decacboxyl hoá còn có quá trình khử CO2 tạo thành CH4, cho nên nồng độ H2 giảm. Do đó, cân bằng chuyển dịch theo hướng tạo ra sản phẩm là axit axetic. IV.3 Một số dạng thiết bị xử lý yếm khí điển hình IV.3.1 Thiết bị yếm khí tiếp xúc Nước thải vào Biogas Tuần hoàn Bùn đã lên men đưa đi xử lý Nước thải sau xử lý 1 3 2 1. Thiết bị lên men 2. Thiết bị lắng 3. Bơm tuần hoàn bùn Hình IV.2: Sơ đồ thiết bị yếm khí tiếp xúc 1. Cấu tạo: Gồm hai thiết bị riêng biệt đó là thiết bị lên men yếm khí và thiết bị lắng. Sau bể yếm khí, nước thải được xử lý và đi vào bể lắng để tách bùn. Bùn được tuần hoàn lại thiết bị lên men, còn nước trong ra ngoài theo van chảy tràn. 2. Ưu nhược điểm a. Ưu điểm - Thiết bị vận hành đơn giản - Thiết bị lắng bùn là nơi lưu giữ vi sinh vật trong trường hợp thiết bị vận hành không ổn định. b. Nhược điểm - Dung tích thiết bị lớn, cần có thiết bị lắng - Nhu cầu năng lượng cao do có sử dụng motor khuấy và bơm tuần hoàn bùn IV.3.2 Thiết bị yếm khí giả lỏng 1. Sơ đồ thiết bị: Hình IV.3: Sơ đồ thiết bị yếm khí giả lỏng 2. Nguyên tắc hoạt động: Vi sinh vật được cố định lên các hạt chất mang (thuỷ tinh xốp, nhựa nhân tạo,) Nước thải vào từ phần dưới của thiết bị, chảy ngược lên qua lớp các hạt chất mang và chảy tràn ra ngoài. Bơm tuần hoàn được trang bị nhằm tạo ra trạng thái chuyển động giả lỏng hoặc tầng sôi. Vận tốc bơm được khống chế sao cho các hạt chất mang ở trạng thái lơ lửng, không ảnh hưởng tới màng sinh học. Sự cuốn trôi của các hạt chất mang bị hạn chế do kết cấu đặc biệt của phần trên thiết bị. 3. Ưu nhược điểm a. Ưu điểm Bề mặt tiếp xúc pha rất lớn (1000 ÷ 2000 m2/m3), khoảng hơn 900 số tế bào vi khuẩn được cố định lên chất mang, do đó mật độ vi sinh vật trong thiết bị cao. Tuy nhiên nếu không chuyển động tuần hoàn mạnh, có thể gây ảnh hưởng tới màng vi sinh vật trên hạt chất mang. Một ưu điểm khác là thiết bị yếm khí giả lỏng ít bị tắc. b. Nhược điểm Quy trình vần hành phức tạp và đòi hỏi nhu cầu năng lượng cao do phải dùng bơm. IV.3.3 Thiết bị yếm khí dạng tháp đệm 1. Sơ đồ thiết bị Nước thải vào Biogas Nước thải sau xử lý Vật liệu đệm Hình IV.4: Sơ đồ thiết bị yếm khí dạng tháp đệm Lớp vật liệu đệm đóng vai trò là chất mang, cố định màng sinh học. Vật liệu đệm có thể xếp đầy thiết bị hoặc có thể chỉ 50 – 70% dung tích thiết bị. Vật liệu đệm có dạng khối làm từ nhựa nhân tạo hoặc vật liệu rời làm từ đất sét xốp, thuỷ tinh xốp, chất dẻo. Các vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu đệm, tạo thành màng và phát triển trong không gian rỗng, tạo thành các bông. Nhờ đó giữ cho nồng độ vi sinh vật trong thiết bị cao và khá ổn định. 2. Nguyên tắc hoạt động Nước thải vào từ đáy tháp qua lớp vật liệu đệm, các chất ô nhiễm phân huỷ yếm khí tại đó. Nước thải sau xử lý chảy tràn ra ngoài ở phần trên thiết bị. 3. Ưu nhược điểm a. Ưu điểm - Thiết bị vận hành khá đơn giản và tốn ít năng lượng - Hiệu quả xử lý cao, thích hợp vớí xử lý nước thải có COD cao. b. Nhược điểm - Dòng chảy dễ tạo thành kênh, có thể hình thành điểm chết, làm giảm thể tích của thiết bị, tốc độ dòng chảy khó duy trì. Để đảm bảo cân bằng giữa sự tạo màng và tróc màng biofilm (tốc độ dòng chảy nhỏ thì tạo màng dày, làm hạn chế quá trình khuếch tán các chất hữu cơ qua màng. Ngược lại nếu tốc độ dòng chảy lớn thì màng vi sinh vật dễ bị tróc ra khỏi vật liệu đệm.) - Khi nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng cao sẽ tích luỹ và gây tắc cục bộ trong lớp đệm. - Chi phí đầu tư cho thiết bị cao. IV.3.4 Thiết bị yếm khí hai giai đoạn Quá trình chuyển hoá yếm khí gồm các giai đoạn có chức năng và tác nhân vi sinh vật khác nhau. Vì vậy để nâng cao hiệu quả chuyển hoá, có thể tách có thể tách các giai đoạn ra ở những thiết bị khác nhau. Trong thực tế thường dùng hệ hai thiết bị để điều chỉnh pH, nhiệt độ cho phù hợp với từng giai đoạn. Đồng thời khi xử lý thu biogas thì chất lượng khí cao hơn trường hợp dùng một thiết bị (lượng CO2 nhỏ hơn do hầu hết nó đã được tách ở thiết bị 1). Thiết bị 1: Thực hiện quá trình thuỷ phân và lên men axit hữu cơ. Trong thiết bị này, lượng O2 có trong nước thải sẽ được các vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện sử dụng để oxy hoá các hợp chất hữu cơ, đồng thời tạo điều kiện yếm khí cao cho quá trình lên men. Thiết bị 2: Thực hiện quá trình axetat hoá và metan hoá. Thiết bị yếm khí 2 giai đoạn đặc biệt phù hợp với xử lý nước thải giầu Gluxit, dễ oxy hoá như nước thải chứa tinh bột, đường, Do quá trình metan hoá là giai đoạn quyết định tốc độ. Tuy nhiên, hệ thống xử lý yếm khí 2 giai đoạn tỏ ra không phù hợp với nước thải giàu hợp chất hữu cơ chậm hoặc khó chuyển hoá như: Protein, Lipit, Xenlulo hoặc Pectin. Hệ thống xử lý yếm khí 2 giai đoạn thường cồng kềnh, vốn đầu tư lớn hơn và vận hành phức tạp hơn. IV.3.5 Thiết bị UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 1. Sơ đồ thiết bị Hình IV.5: Sơ đồ thiết bị UASB 2. Nguyên tắc hoạt động Nước thải đi vào từ đáy thiết bị qua lớp đệm có chứa vi sinh vật và cặn lắng. Sự chuyển động của dòng vào và sự thoát khí sinh học, làm các hạt bùn sinh học ở trạng thái lơ lửng phía trên lớp lọc. Quá trình thuỷ phân và lên men axit hữu cơ xảy ra ở vùng đệm. Sự lên men tạo khí sinh học xảy ra ở lớp nước trên. Phía trên thiệt bị có kết cấu để tách 2 pha rắn - khí - lỏng: Khí thu ở chóp thu khí Bùn lắng lại nhờ vách ngăn Nước sau xử lý được tách pha khí, rắn và chảy tràn ra. Thiết bị UASB nhìn chung có kết cấu đơn giản, hoạt động ổn định và không tốn năng lượng (yêu cầu năng lượng vận hành ít). Tuy nhiên, thiết bị UASB có nhược điểm là: Khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn cặn, trạng thái lớp bùn kị khí thường không ổn định khi điều kiện môi trường thay đổi. Khi khởi động lại, các hạt bùn dễ bị nổi lên và trôi theo ra ngoài nên giảm hiệu quả lắng cặn. CHƯƠNG V: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN THU BIOGAS V.1 Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu V.1.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu 1. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn có độ ô nhiễm cao bằng thiết bị UASB thu biogas. Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống xử lý yếm khí, thu biogas cho Nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình, tỉnh Yên Bái với công suất 160 tấn sản phẩm/ ngày. 2. Đối tượng nghiên cứu Nước thải sản xuất tinh bột sắn của Nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình có hàm lượng chất ô nhiễm cao. + COD = 10.000 ÷ 15.000 mg/l + BOD5 = 5.000 ÷ 9.000 mg/l + pH = 3,15 ÷ 3,30 Trong quá trình nghiên cứu, do nhà máy ở xa nên trong nghiên cứu nước thải được lấy từ Làng nghề Dương Liễu, Hoài Đức, Hà Tây. Với đặc trưng tương tự như nước thải của nhà máy: + pH = 3,40 ÷ 3,90 + COD = 9024 ÷ 13344 mg/l + BOD5 = 5830 ÷ 7656 mg/l 3. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát, đặc trưng nước thải sản xuất tinh bột sắn của nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình - Yên Bái - Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn có độ ô nhiễm cao thu biogas - Tính toán, thiết kế hệ thống xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn thu biogas của nhà máy với công suất 160 tấn sản phẩm/ngày. V.1.2 Phương pháp nghiên cứu 1. Các phương pháp phân tích Chất lượng nước thải nước thải được đánh giá thông qua các chỉ số sau: pH, COD, BOD5, SS, TS, ∑N, ∑P,Hiệu quả sinh khí biogas của thiết bị UASB được đánh giá bằng lượng khí CH4 tạo ra cho 1g COD chuyển hoá. a. Định lượng COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hoá học (COD) là lượng oxy cần thiết để oxy hoá hoàn toàn các hợp chất hữu cơ có trong nước thải bằng các chất oxy hoá mạnh. COD được xác định bằng phương pháp hồi lưu đóng. + Nguyên tắc xác định: Dùng chất oxy hoá mạnh (K2Cr2O7) để oxy hoá các hợp chất có thể oxy hoá được trong nước thải cần phân tích. COD được xác định gián tiếp qua lượng K2Cr2O7 tiêu tốn. + Cơ chế phản ứng: Chất