Giáo trình Nguyên lý qui trình xử lý nước thải

1200 ÷ 1700 1500 Lưu lượng qua băng phân phối nước gal/ft.d 10000 ÷ 40000 20000 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Chú ý: gal/ft2.d × 0,0407 = m3/m2.d gal/ft.d × 0,0124 = m3/m.d Các số liệu tham khảo để thiết kế bể lắng sơ cấp hình chữ nhật và trụ tròn Thông số Giá trị Khoảng biến thiên Giá trị thông dụng Hình chữ nhật • Sâu(ft) 10 ÷ 15 12 • Dài(ft) 50 ÷ 300 80 ÷ 130 • Rộng(ft) 10 ÷ 80 16 ÷ 32 • Vận tốc thiết bị gạt váng và cặn (ft/min) 2 ÷ 4 3 Hình trụ tròn 51 51 • Sâu(ft) 10 ÷ 15 12 • Đường kính (ft) 10 ÷ 200 40 ÷ 150 • Độ dốc của đáy (in/ft) 0,75 ÷ 2 1 • Vận tốc thiết bị gạt váng và cặn (ft/min) 0,02 ÷ 0,05 0,03 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Chú ý : ft × 0,3048 = m in/ft × 83,333 = mm/m 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ của nước nguồn cũng có ảnh hưởng đáng kể đến chế độ oxy của nguồn nước. Về mùa hè khi nhiệt độ của nước nguồn tăng, quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ xảy ra với cường độ mạnh hơn. Trong khi đó độ hòa tan của oxy vào nước lại giảm xuống. Vì vậy về mùa hè, độ thiếu hụt oxy tăng nhanh hơn so với mùa đông. Về mùa đông nhiệt độ nước nguồn thấp nên độ hòa tan tăng, tuy nhiên với nhiệt độ thấp các vi khuẩn hiếu khí tham gia vào quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ sẽ hoạt động yếu. Do đó quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ xảy ra chậm chạp. Nói một cách khác, về mùa đông quá trình tự làm sạch của nước nguồn xảy ra một cách chậm chạp. 2. Ảnh hưởng của cặn lắng Khi xả nước thải chưa xử lý vào nguồn nước, các chất lơ lửng sẽ lắng xuống đáy nguồn và khi tốc độ dòng chảy trong nguồn không lớn lắm thì các chất đó sẽ lắng ở ngay cạnh cống xả. Các chất hữu cơ của cặn lắng bị phân hủy bởi vi khuẩn. Nếu lượng cặn lắng lớn và lượng oxy trong nước nguồn không đủ cho quá trình phân hủy hiếu khí thì oxy hoà tan của nước nguồn cạn kiệt (DO = 0). Lúc đó quá trình phân giải yếm khí sẽ xảy ra và sản phẩm của nó là chất khí H2S, CO2, CH4. Các chất khí khi nổi lên mặt nước lôi kéo theo các hạt cặn đã phân hủy, đồng thời các bọt khí vỡ tung và bay vào khí quyển. Chúng làm ô nhiễm cả nước và không khí xung quanh. Cần chú ý rằng quá trình yếm khí xảy ra chậm hơn nhiều so với quá trình hiếu khí. Bởi vậy khi đưa cặn mới vào nguồn thì quá trình phân giải yếm khí có thể xảy ra liên tục trong một thời gian dài và quá trình tự làm sạch nguồn nước có thể coi như chấm dứt. Nguồn như vậy không thể sử dụng vào mục đích cấp nước, cá sẽ không thể sống và có thể có nhiều thiệt hại khác nữa. Vì vậy trước khi xả vào sông hồ, cần phải loại bỏ bớt chất rắn lơ lửng có trong nước thải. 52 52 VII.BỂ LỌC NƯỚC THẢI BẰNG CÁC HẠT LỌC Bể lọc được dùng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng (và cả BOD) của nước thải sau khi qua xử lý sinh học hoặc hóa học. Các hạt lọc thường dùng là sỏi, than…. 53 53 54 54 Sơ đồ một số bể lọc VIII. BỂ TUYỂN NỔI Bể tuyển nổi được sử dụng để loại bỏ các hạt rắn hoặc lỏng ra khỏi hỗn hợp nước thải và cô đặc bùn sinh học. Không khí được thổi vào bể tạo nên các bọt khí, các bọt khí này kết với các hạt và nổi lên trên mặt nước thải và bị loại bỏ bằng các thiết bị gạt bọt. Một số loại hóa chất như phèn nhôm, muối ferric, silicat hoạt tính có thể được thêm vào nước thải để kết dính các hạt lại làm cho nó dể kết với các bọt khí để nổi lên bề mặt hơn. Một chỉ số quan trọng để tính toán cho bể tuyển nổi là tỉ lệ A/S (air/solid ratio), theo thực nghiệm tỉ lệ tối ưu nằm trong khoảng 0,005 ÷ 0,060 [mL (air)/mg (solid)]. 55 55 Sơ đồ bể tuyển nổi kết hợp với cô bùn Các chất rắn được đưa lên mặt bể tuyển nổi Một bể tuyển nổi điển hình 56 56 IX. BỂ LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT Bể lọc sinh học nhỏ giọt đã được dùng để xử lý nước thải hơn 100 năm. Bể lọc nhỏ giọt đầu tiên xuất hiện ở Anh năm 1893, hiện nay được sử dụng ở hầu khắp các nước với các trạm xử lý công suất nhỏ. Ở nước ta bể lọc sinh học nhỏ giọt đã được xây dựng tại nhà máy cơ khí Hà Nội, xí nghiệp chế biến thuốc thú y Hà Tây, bệnh viện đa khoa Gia Lâm v.v... Nước thải được phân phối đều trên bề mặt nguyên liệu lọc (hoạt động như giá bám cho vi khuẩn) theo kiểu nhỏ giọt hoặc phun tia. Lượng không khí cần thiết cho quá trình được cấp vào nhờ quá trình thông gió tự nhiên qua bề mặt hở phía trên và hệ thống thu nước phía dưới của bể lọc. Ngày nay người ta thường sử dụng chu trình lọc 2 pha bao gồm 2 bể lọc nối tiếp nhau. Bể lọc sinh học nhỏ giọt chia ra bể lọc vận tốc chậm, bể lọc vận tốc trung bình và nhanh, bể lọc cao tốc, bể lọc thô (xử lý nước thải sơ bộ trước giai đoạn xử lý thứ cấp), bể lọc hai pha. Bể lọc vận tốc chậm: có hình trụ hoặc chữ nhật, nước thải được nạp theo chu kỳ, chỉ có khoảng 0,6 ¸ 1,2 m nguyên liệu lọc ở phía trên có bùn vi sinh vật còn lớp nguyên liệu lọc ở phía dưới có các vi khuẩn nitrat hóa. Hiệu suất khử BOD cao và cho ra nước thải chứa lượng nitrat cao. Tuy nhiên cần phải lưu ý đến vấn đề mùi hôi và sự phát triển của ruồi Psychoda. Nguyên liệu lọc thường dùng là đá sỏi, xỉ. Bể lọc vận tốc trung bình và nhanh: thường có hình trụ tròn, lưu lượng nạp chất hữu cơ cao hơn, nước thải được bơm hoàn lưu trở lại bể lọc và nạp liên tục, việc hoàn lưu nước thải giảm được vấn đề mùi hôi và sự phát triển của ruồi Psychoda. Nguyên liệu lọc thường sử dụng là đá sỏi, plastic. Bể lọc cao tốc: có lưu lượng nạp nước thải và chất hữu cơ rất cao, khác với bể lọc vận tốc nhanh ở điểm có chiều sâu cột lọc sâu hơn do nguyên liệu lọc làm bằng plastic, do đó nhẹ hơn so với đá sỏi. Bể lọc thô: lưu lương nạp chất hữu cơ lớn hơn 1,6 kg/m3.d, lưu lượng nước thải là 187m3/m2.d bể lọc thô dùng để xử lý sơ bộ nước thải trước giai đoạn xử lý thứ cấp. Bể lọc hai pha: thường sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao và cần nitrat hóa đạm trong nước thải. Giữa 2 bể lọc thường có bể lắng để loại bỏ bớt chất rắn sinh 57 57 ra trong bể lọc thứ nhất. Bể lọc thứ nhất dùng để khử BOD của các hợp chất chứa carbon, bể thứ hai chủ yếu cho quá trình nitrat hóa. Một số giá trị tham khảo để thiết kế bể lọc sinh học nhỏ giọt Thông số VT chậm VT trung bình VT nhanh Cao tốc Lọc thô Hai pha Nguyên liệu lọc đá sỏi, xỉ đá sỏi, xỉ đá sỏi plastic plastic đá sỏi, plastic Lưu lượng nước thải nạp gal/ft2. min 0,02 ¸ 0,06 0,06 ¸ 0,16 0,16 ¸ 0,64 0,2 ¸ 1,2 0,8 ¸ 3,2 0,16 ¸ 0,64 Mgal/ac re.d 1 ¸ 4 4 ¸ 10 10 ¸ 40 15 ¸ 90 50 ¸ 200c 10 ¸ 40c Lưu lượng nạp BOD lb/103ft3.d 5 ¸ 25 15 ¸ 30 30 ¸ 60 30 ¸ 100 100 ¸ 500 60 ¸ 120 Bề sâu cột lọc ft 6 ¸ 8 6 ¸ 8 3 ¸ 6 10 ¸ 40 15 ¸ 40 6 ¸ 8 Tỉ lệ hoàn lưu 0 0 ¸ 1 1 ¸ 2 1 ¸ 2 1 ¸ 4 0,5 ¸ 2 Ruồi Psychoda nhiều ít rất ít rất ít - không rất ít - không rất ít - không Làm sạch cột lọc chu kỳ chu kỳ liên tục liên tục liên tục liên tục Hiệu suất khử BOD % 80 ¸ 90 50 ¸ 70 65 ¸ 85 65 ¸ 80 40 ¸ 65 85 ¸ 95 Nước thải nitrat hóa cao nitrat hóa một phần ít nitrat hóa ít nitrat hóa không nitrat hóa nitrat hóa cao Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: c: không kể lưu lượng hoàn lưu gal/ft2.min × 58,674 = m3/m2.d 58 58 lb/103ft3.d × 0,0160 =kg/m3.d Tính toán các thiết bị cơ khí Vận tốc quay của hệ thống phân phối nước trong đó QT: tổng lưu lượng nước thải nạp cho bể QT = Q + Qr Q: lưu lượng nước thải đầu vào Qr: lưu lượng nước thải hoàn lưu A: số cánh của hệ thống phân phối nước DR: dosing rate, in/pass Một số giá trị DR tham khảo Lưu lượng nạp tính theo BOD lb BOD5/103ft3 Dosing rate (in/pass) < 25 3 50 6 75 9 100 12 150 18 200 24 Ghi chú: lb/103ft3 × 0,0160 = kg/m3 in × 2,54 = cm Một số đặc tính lý học của các loại nguyên liệu lọc Nguyên liệu lọc Kích thước thông dụng (in) Trọng lượng riêng (lb/ft3) Diện tích bề mặt (ft2/ft3) Độ rỗng trong cột lọc (%) Đá sỏi ở sông Nhỏ 1 ¸ 2,5 78 ¸ 90 17 ¸ 21 40 ¸ 50 Lớn 4 ¸ 5 50 ¸ 62 12 ¸ 50 50 ¸ 60 59 59 Xỉ lò Nhỏ 2 ¸ 3 56 ¸ 75 17 ¸ 21 40 ¸ 50 Lớn 3 ¸ 5 50 ¸ 62 14 ¸ 18 50 ¸ 60 Plastic b Thông dụng 24 ´ 24 ´ 48 2 ¸ 6 24 ¸ 30 94 ¸ 97 Loại có diện tích bề mặt lớn 24 ´ 24 ´ 48 2 ¸ 6 30 ¸ 60 94 ¸ 97 Cao su Redwood b 48 ´ 48 ´ 20 9 ¸ 11 12 ¸ 15 70 ¸ 80 Random pack 1 ¸ 3,5 3 ¸ 6 38 ¸ 85 90 ¸ 95 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: b: kích thước của một module in × 25,4 = mm lb/ft3 × 16,0815 = kg/m3 ft2/ft3 × 3,2808 = m2/m3 Nguyên liệu lọc lý tưởng phải có diện tích bề mặt lớn, giá rẻ, độ bền cao và ít bị tắc nghẽn. Trước những năm 1960 người ta thường sử dụng đá sỏi và xỉ, nhưng sau đó người ta thường sử dụng plastic hoặc cao su redwood để tăng độ rỗng của cột lọc, giảm thiểu việc tắc nghẽn cột lọc. PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ Quá trình hấp phụ là quá trình tập hợp các chất hòa tan trong dung dịch lên bề mặt chung của chất lỏng và khí, hai chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và chất rắn thích hợp. Trong giáo trình này chúng ta chỉ đề cập đến quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt chung của chất lỏng và chất rắn. Xử lý bằng bột than hoạt tính: bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước thải sau xử lý sinh học) được cho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định bột than hoạt tính được cho lắng, hoặc lọc. Do than hoạt tính rất mịn nên phải sử dụng thêm các chất trợ lắng polyelectrolyte. Bột than hoạt tính còn được cho vào bể aeroten để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải. Than hoạt tính sau khi sử dụng thường được tái sinh để xử dụng lại, phương pháp hữu hiệu để tái sinh bột than hoạt tính chưa được tìm ra, đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên bề mặt của chúng, trong quá trình tái sinh 5 ÷ 10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế bằng các hạt Khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt được tính bằng công thức: [8,34lb/Mgal.(mg/L)] 60 60 với (X/m)b: khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt, lb/lb hoặc g/g (thực tế, bằng khoảng 25 ÷ 50% giá trị lý thuyết) Xb: trọng lượng của chất hữu cơ bị hấp phụ bởi các hạt than hoạt tính lb hoặc g Mc: trọng lượng than hoạt tính sử dụng cho cột lọc Q: lưu lượng nước thải, Mgal/d Ci: hàm lượng chất hữu cơ của nước thải, mg/L Cb: hàm lượng chất hữu cơ bị hấp phụ (lý thuyết), mg/L tb: thời gian cần thiết cho quá trình hấp phụ X. BỂ KEO TỤ VÀ TẠO BÔNG CẶN Thực tế phương pháp này là phương pháp kết hợp giửa phương pháp hoá học và lý học. Mục đích của phương pháp này nhằm loại bỏ các hạt chất rắn khó lắng hay cải thiện hiệu suất lắng của bể lắng. Cấu tạo của bể này là loại bể lắng cơ học thông thướng, nhưng trong quá trình vận hành, chúng ta thêm vào một số chất keo tụ như phèn nhôm, polymere để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ và tạo bông cặn để cải thiện hiệu suất lắng. Quá trình tạo bông cặn có thể đơn giản hoá trong hình dưới đây. 61 61 Các chất thường dùng cho quá trình keo tụ là muối sắt và muối nhôm. Các chất thường dùng để tạo bông cặn là polyacrilamids. Nếu kết hợp với các loại muối kim loại sẽ cho hiệu suất tốt hơn. XI. SƠ LƯỢC VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH TRONG BỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI Như đã nói ở các chương trước quá trình xử lý sinh học thường theo sau quá trình xử lý cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩn. Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau. Tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng ao hồ có sẵn hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý. 1. Quá trình hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc (tùy nghi) Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học có hiệu quả chúng ta phải nắm vững các kiến thức sinh học có liên quan đến quá trình xử lý. Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh. Khi bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn có sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi khuẩn. Trong 62 62 thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định có thể dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như là một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý. Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào. Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường. Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là (a) các chất dinh dưỡngcần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi. Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường. Một đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý Cũng cần nó thêm rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc. Thực tế trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thị tăng trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của đồ thị. Trong một giai đoạn bất kỳ nào đó sẽ có một loài có số lượng chủ đạo do ở thời điểm đó các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ... phù hợp cho loài đó. Sự biến động về các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lý được biểu diễn trong hình bên dưới. Khi thiết kế và vận hành hệ thống xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật này, không nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật. 63 63 Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Như đã nói ở trên vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý nước thải. Do đó trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể. Điều này có thể thực hiện thông qua quá trình thiết kế và vận hành. Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn có thể sinh sản được. Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn...) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của các công trình xử lý nước thải hiếu khí Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công trình Bùn hoạt tính Loại bể phản ứng Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M) Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH) Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất thông khí Tỉ lệ hoàn lưu Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước 64 64 Đĩa quay sinh học Số bể, đĩa Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hoàn lưu Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công trình Bùn hoạt tính Loại bể phản ứng Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M) Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH) Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất thông khí Tỉ lệ hoàn lưu Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước Đĩa quay sinh học Số bể, đĩa Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hoàn lưu Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 2. Quá trình yếm khí Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây: Chất hữu cơ lên men -----------> yếm khí CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas như sau: 65 65 Methane (CH4) 55 ¸ 65% Carbon dioxide (CO2) 35 ¸ 45% Nitrogen (N2) 0 ¸ 3% Hydrogen (H2) 0 ¸ 1% Hydrogen Sulphide (H2S) 0 ¸ 1% Methane có nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m3). Do đó, nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500  6.000 kcal/m3, tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong Biogas. Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau: 1. Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử. 2. Tạo nên các axít. 3. Tạo methane. Giai đoạn I Thủy phân và lên men Giai đoạn II Tạo axid acetic, H2 Giai đoạn III Sinh CH4 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981) Ba nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình là nhóm vi sinh vật thủyphân ch6át hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo acid bao gồm các loài Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli, và nhóm vi sinh vật sinh methane gồm các loài dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina). Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí Quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ 66 66 ủ). Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 ÷ 10%, 90 ÷ 95% còn lại là nước. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí: 25 ÷ 40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm. 50 ÷ 65oC: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt. Nói chung khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 ÷ 45oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hoàn toàn ở 65oC trở lên. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ (Price and Cheremisinoff, 1981, trích dẫn bởi Chongrak, 1989) Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường thấp; do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm ủ. Ngoài ra người ta còn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5 ÷ 10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ. Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity) pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 ÷ 7,6 tối ưu trong khoảng 7 ÷ 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đó. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các 67 67 acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ. Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 ÷ 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp. Ảnh hưởng của độ mặn Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. TTNLM đã tìm hiểu khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể. Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 1988). Các chất dinh dưỡng Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 ÷ 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25 ÷ 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định. Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau: Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane. Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp Các chất khóang trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí. Các chất khóang này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác. Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá trình lên men yếm khí (EPA, 1979, trích dẫn bởi Chongrak, 1989) Cations gây độc Cations cộng hưởng Cations đối kháng 68 68 Ammonium - N Ca, Mg, K Na Ca Ammniu - N, Mg K, Na Mg Ammonium - N, Ca K, Na K K, Na Na Ammonium - N, Ca, Mg K Khuấy trộn Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ. QUÁ TRÌNH HIẾU KHÍ, QUÁ TRÌNH YẾM KHÍ Do chất thải của người và gia súc là chất thải hữu cơ do đó khi thải vào ao hồ, sông rạch nó sẽ làm thức ăn cho vi sinh vật dị dưỡng. Vi sinh vật dị dưỡng này phân hủy các hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn giản và tạo nên năng lượng cho quá trình tổng hợp tế bào của chúng. 1. Quá trình hiếu khí * Quá trình oxy hóa (hay dị hóa) (COHNS) + O2 + VK hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng (1.1) Chất hữu cơ * Quá trình tổng hợp (đồng hóa) (COHNS) + O2 + VK hiếu khí + năng lượng → C5H7O2N (tb vi khuẩn mới) (1.2) 2. Quá trình yếm khí Trong điều kiện yếm khí (không có oxy), vi khuẩn yếm khí sẽ phân hủy chất hữu cơ như sau: (COHNS) + VK yếm khí → CO2 + H2S + NH3 + CH4 + các chất khác + năng lượng (1.3) Ghi chú: C5H7O2N là công thức hóa học thông dụng để đại diện cho tế bào vi khuẩn. (COHNS) + VK yếm khí + năng lượng → C5H7O2N (tb vi khuẩn mới