tháng 12 05, 2016
Vi sinh vật
Chất hữu cơ -------------------> CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới
Chất hữu cơ -------------------> CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới
- Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;
- Giai đoạn 2: Acid hóa;
- Giai đoạn 3: Acetate hóa;
- Giai đoạn 4: Methane hóa.
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
- 4H2 + CO2 à CH4 + 2H2O
- 4HCOOH à CH4 + 3CO2 + 2H2O
- CH3COOH à CH4 + CO2
- 4CH3OH à 3CH4 + CO2 + 2H2O
- 4(CH3)3N + H2O à 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Hình 1: Quá trình phân hủy kỵ khí.
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:
- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB);
- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process).
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ UASB
1 Cấu TạoĐây là một trong những quá trình kỵ khí được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới do hai đặc điểm chính sau:
- Cả ba quá trình, phân hủy - lắng bùn - tách khí, được lấp đặt trong cùng một công trình;
- Tạo thành các loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB còn có những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành;
- Ít bùn dư, nên giảm chí phí xử lý bùn;
- Bùn sinh ra dễ tách nước;
- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sing dinh dưỡng;
- Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methane;
- Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kỵ khí có thể hồi phục và hoạt động được sau một thời gian ngưng không nạp liệu.
Sơ đồ bể UASB được trình bày trong Hình 2. Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu là methane và CO2) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây, quá trình tách pha khí-lỏng-rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5-10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng xuống. Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6-0,9 m/h (nếu bùn ở dạng bùn hạt). pH thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6-7,6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để bảo đảm pH của nước thải luôn luôn > 6,2 vì ở pH < 6,2, vi sinh vật chuyển hóa methane không hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2-3 giờ ở 350C so với 2-3 ngày, ở điều kiện tối ưu). Do đó, trong quá trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa.
Hình 2: Sơ đồ cấu tạo UASB.
2 Quy Trình Vận Hành
Do tại Việt Nam chưa có loại bùn hạt nên quá trình vận hành được thực hiện với tải trọng ban đầu khoảng 3 kg COD/m3.ngđ. Mỗi khi đạt đến trạng thái ổn định, tải trọng này sẽ được tăng lên gấp đôi cho đến khi đạt tải trọng 15 - 20 kg COD/m3.ngđ. Thời gian này kéo dài khoảng 3 -4 tháng. Sau đó, bể sẽ hoạt động ổn định và có khả năng chịu quá tải, cũng như nồng độ chất thải khá cao. Khí mêtan thu được có thể sử dụng cho việc đun nấu và cung cấp nhiệt. Lượng bùn sinh ra rất nhỏ nên không cần thiết phải đặt vấn đề xử lý bùn. Quá trình xử lý này chỉ tiêu tốn một lượng nhỏ năng lượng dùng để bơm nước.
3 Tính Toán Thiết Kế
Tải trọng thể tích đặc trưng của bể UASB có thể đạt hiệu quả xử lý 85-95%, ở nhiệt độ 30oC được trình bày tóm tắt trong Bảng 5.1. Tải trọng thể tích của bể UASB theo nhiệt độ đối với COD hòa tan, có hiệu quả xử lý 85-95%, nồng độ bùn trung bình 25 g/L được trình bày trong Bảng 5.2. Giá trị đặc trưng của thời gian lưu nước, vận tốc dòng chảy ngược và chiều cao thiết bị được trình bày trong các Bảng 3 và 4.
Bảng 1 Tải trọng thể tích của bể UASB hoạt động ở 30oC, hiệu quả xử lý 85-95%
COD nước thải (mg/L)
|
Tỷ lệ COD do cặn gây ra
|
Tải trọng thể tích (kg COD/m3.ngđ)
|
||
Bùn dạng bông bùn
|
Bùn hạt, dễ loại TSS cao
|
Bùn hạt, mức độ loại SS ít hơn
|
||
1000-2000
|
0,10-0,30
|
2-4
|
2-4
|
8-12
|
0,30-0,60
|
2-4
|
2-4
|
8-14
|
|
0,60-1,00
|
||||
2000-6000
|
0,10-0,30
|
3-5
|
3-5
|
12-18
|
0,30-0,60
|
4-8
|
2-6
|
12-24
|
|
0,60-1,00
|
4-8
|
2-6
|
||
6000-9000
|
0,10-0,30
|
4-6
|
4-6
|
15-20
|
0,30-0,60
|
5-7
|
3-7
|
15-24
|
|
0,60-1,00
|
6-8
|
3-8
|
||
9000-18000
|
0,10-0,30
|
5-8
|
4-6
|
15-24
|
0,30-0,60
|
3-7
|
|||
0,60-1,00
|
3-7
|
|||
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
Bảng 2 Tải trọng thể tích của bể UASB theo nhiệt độ đối với COD hòa tan, có hiệu quả xử lý 85-95%, nồng độ bùn trung bình 25 g/L
Nhiệt độ (oC)
|
Tải trọng thể tích (kg sCOD/m3.ngđ)
|
|||
Nước thải có VFA
|
Nước thải không VFA
|
|||
Khoảng
|
Đặc trưng
|
Khoảng
|
Đặc trưng
|
|
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
|
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
Bảng 3 Thời gian lưu nước có thể áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt trong các thiết bị UABS cao 4 m
Nhiệt độ (oC)
|
Thời gian lưu nước trung bình (giờ)
|
Thời gian lưu nước cực đại (giờ) tính cho trường
hợp peak flow trong 4-6 giờ
|
16-19
|
10-14
|
7-9
|
22-26
|
7-9
|
5-7
|
> 26
|
6-8
|
4-5
|
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
Bảng 2.4 Vận tốc nước chảy từ dưới lên và chiều cao bể UASB
Loại
nước thải
|
Vận tốc (m/h)
|
Chiều cao thiết bị (m)
|
||
Khoảng
|
Đặc trưng
|
Khoảng
|
Đặc trưng
|
|
Gần
100% COD hòa tan
|
1,0-3,0
|
1,5
|
6-10
|
8
|
Một
phần COD hòa tan
|
1,0-1,25
|
1,0
|
3-7
|
6
|
Nước
thải sinh hoạt
|
0,8-1,0
|
0,7
|
3-5
|
5
|
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
Tính Thể Tích Và Kích Thước Bể
Để xác định thể tích và kích thước bể UASB cần xem xét:- Tải trọng hữu cơ;
- Vận tốc dòng chảy;
- Thể tích xử lý hiệu quả là thể tích chiếm chỗ bởi lớp bùn và sinh khối hoạt tính.
- Thể tích vùng lắng.
Thể tích hữu dụng tối thiểu của bể UASB được tính toán dựa trên tải trọng hữu cơ lựa chọn:
- Vn : thể tích hữu dụng tối thiểu của bể (m3);
- Q : lưu lượng nước thải vào bể (m3/h);
- S0 : nồng độ COD của nước thải trước khi xử lý (mg/L);
- Lorg : tải trọng chất hữu cơ (kg COD/m3.ngđ).
Trong trường hợp nước thải có nồng độ COD < 2.500 mg/L, có thể tính thể tích bể theo thời gian lưu nước:
Vn
= Q.HRT
Trong
đó:
- Vn : thể tích hữu dụng tối thiểu của bể (m3);- VL : tổng thể tích phần chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (m3);
- E : hệ số hữu ích = 0,8-0,9.
Diện tích của thiết bị được tính theo công thức sau:
- A : diện tích (m2);
- Q : lưu lượng nước thải vào bể (m3/h);
- v : vận tốc nước đi từ dưới lên (m/h). Đối với bùn hạt v = 1,25-2 m/h (tối đa 6 m/h).
Đối với bùn thường v < 0,5 m/h (tối đa 2 m/h).
Chiều cao của lớp nước trong thiết bị được tính theo công thức sau:
- HL : chiều cao lớp nước trong thiết bị (m);
- VL : tổng thể tích phần chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (m3);
- A : diện tích bề mặt của thiết bị (m2).
Thiết bị tách pha chiếm thêm một phần thể tích trong bể UASB và làm cho tổng chiều cao của bể tăng thêm từ 2,5-3,0 m. Như vậy, tổng chiều cao của bể UASB sẽ là:
HT = HL + HG
- HT : tổng chiều cao của bể UASB (m);
- HL : chiều cao lớp nước trong thiết bị (m);
- HG : chiều cao chiếm chỗ bởi thiết bị táchg ba pha rắn-lỏng - khí (m).
Các thông số để xác định diện tích cần thiết để lắp đường ống phân phối nước thải vào bể UASB được trình bày tóm tắt trong Bảng 5.5.
Bảng 5 Diện tích cần thiết để lắp đường ống phân phối nước thải vào bể UASB
Loại
bùn
|
Tải trọng COD (kg/m3.ngđ)
|
Diện tích/đường ống vào (m2)
|
Bùn
dạng bông bùn có TSS > 40 kg/m3
|
< 1,0
|
0,5-1,0
|
1-2
|
1,0-2,0
|
|
> 2
|
2,0-3,0
|
|
Bùn
dạng bông bùn có TSS ~ 20-40 kg/m3
|
< 1-2
|
1,0-2,0
|
> 3
|
2,0-5,0
|
|
Bùn
hạt
|
1-2
|
0,5-1,0
|
2-4
|
0,5-2,0
|
|
> 4
|
> 2,0
|
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
Khi thiết kế thiết bị tách ba pha rắn-lỏng-khí cần xem xét các điều kiện sau:
- Gốc nghiêng của thành thiết bị tách pha ~ 45-60oC;- Diện tích bề mặt của phần khe hở phải < 15-20% tổng diện tích bề mặt của bể;
- Chiều cao của thiết bị tác pha dao động trong khoảng 1,5-2,0 m đối với bể UASB có chiều cao 5-7 m;
- Mặt phân cách lỏng-khí phải được duy trì trong thiết bị tách pha để bảo đảm hiệu quả tách bọt khí và khống chế sự hình thành váng;
- Đường kích ống thoát khí phải đủ lớn để bảo đảm thoát khí dễ dàng, nhất là trong trường hợp có hình thành váng nổi;
- Có thể thiết kế hệ thống phá bọt bên trên nếu cần.
add ơi, để tải tài liệu này thì làm như thế nào ak
Trả lờiXóaĐây là bài viết bạn ak
Xóa