Đang tải... (xem toàn văn)
Dự án nâng cao năng lực cạnh tranh và an toàn thực phẩm ngành chăn nuôi
VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍI.Giới thiệu chung về quá trình kị khí:1.1.Định nghĩa: khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy.1.2.Phân biệt giữa kị khí và hiếu khí:-Quá trình kị khí sử dụng CO2 làm chất nhận điện tử không cần oxy-Quá trình kị khí sử dụng lượng bùn ít hơn 3-20 lần so với hiếu khí-Sản sinh khí có ích la Metan giúp giảm thiểu BOD trong bùn đã phân hủy-Nhu cầu năng lượng cho quá trình được giảm thiểu-Quá trình xử lí kị khí thích hợp cho các loại nước thải ô nhiễm nặng-Bể phản ứng kị khí có thể hoạt động ở chế độ tải trọng cao-Hệ thống kị khí có thể phân hủy sinh học các hợp chất tổng hợp và một số hợp chất thiên nhiên khó phân hủy như ligin*Một số nhược điểm của quá trình kị khí so với hiếu khí-Diễn ra chậm hơn hiếu khí-Nhạy cảm hơn trong việc phân hủy các chất độc-Khởi động cần nhiều thời gian-Đòi nồng độ cơ chất ban đầu tương đối caoII.Mô tả quá trình:2.1.Chu trình kị khí 2.1.1.Qúa trình: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 cơlên men-----------> yếm khíCH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2SHỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas như sau: Methane (CH4) 55 ¸ 65%Carbon dioxide (CO2) 35 ¸ 45%Nitrogen (N2) 0 ¸ 3%NHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 1 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍHydrogen (H2) 0 ¸ 1%Hydrogen Sulphide (H2S) 0 ¸ 1%2.1.2.Chu trình trong tự nhiên:- Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình:1. Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo.2. Lên men các amino acid và đường.3. Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu (alcohols).4. Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic).5. Hình thành khí methane từ acid acetic.6. Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2.Các quá trình này có thể họp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trìnhphân hủy kỵ khí chất hữu cơ:- Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiếtra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóathành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo).Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạtvà đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.- Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòatan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol,CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảmxuống 4.0.- Acetic hoá (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm củagiai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới.- Methane hóa (methanogenesis):Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H2, CO2, acidfomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới.Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, COD hầu như không giảm,COD chỉ giảm trong giai đoạn methane.NHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 2 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍ2.2.Một số vi sinh vật tham gia vào quá trình kị khíNhóm vi sinh vật thủy phân chát hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo acidClostridium spp Peptococcus anaerobus Bifidobacterium sppDesulphovibrio spp Corynebacterium sppNHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 3 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍLactobacillus Actonomyces Escherichia coli Staphylococcus Vi khuẩn tạo Mêtan Hinh queMethanobacterium Methanobacilus NHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 4 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍDạng hình cầuMethanococcus MethanosarcinaIII.Các yếu tố kiểm soát quá trình kị 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 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 độNhiệt 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.NHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 5 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍNói 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 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 mặnThường 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).NHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 6 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍ Các chất dinh dưỡngĐể 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 nạpẢnh 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 HRTLượng 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 nạpCác 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 khángAmmonium - N Ca, Mg, K NaCa Ammniu - N, Mg K, NaMg Ammonium - N, Ca K, NaNHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 7 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍK K, NaNa Ammonium - N, Ca, Mg KKhuấy trộnKhuấy 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.IV.Xử lí kị khí nứớc thải:4.1. Bể tự hoại4.1.1. Nguyên tắc:Dạng bể tự hoại truyền thống4.1.2.Một số bể tự hoại cải tiến:Dạng bể tự hoại kết hợp bãi lọc ngầmDạng bể tự hoại kết hợp hồ sinh vậtDạng bể tự hoại kết hợp lọc sinh họcNHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 8 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍ4.2.UASB:4.2.1.Nguyên tắc:4.2.2.Môt số bể UASB cải tiến:4.2.2.1. Nội dung nghiên cứu- Khảo sát sự thích nghi và đặc tính của bùn hoạt tính trong quá trình nghiên cứu với môhình động tại phòng thí nghiệmNHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 9 VSMT:QUÁ TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍ- Nghiên cứu quá trình khử carbon (COD, BOD), quá trình trình loại bỏ nito và photpho.4.2.2.1 Phương pháp nghiên cứu4.2.2.1.1.Mô hình nghiên cứu:Chú thích:Các chữ số chỉ kích thước (cm)(A) : Mương thu nước đầu vào; (B) :Ngăn thiếu khí; (C) : Ngăn hiếu khí;(D) : Ngăn USBF; (E) : Các thanh sụckhí; (G) : Ống thu bùn; I, II, III: Cácđiểm lấy mẫu ngăn thiếu khí, hiếukhí và sau quá trình xử lý; IV : vị trítuần hoàn bùnHình 1. Sơ đồ cấu tạo của mô hìnhCấu tạo của mô hình (hình 1): Mô hình gồm 3 module chính: ngăn thiếu khí (anoxic), ngănhiếu khí (aerobic) và ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF). Mương chảy tràn thu nướcđầu vào nhằm hạn chế tác động của dòng vào đối với ngăn thiếu khí và tăng hiệu quả xáo trộngiữa dòng nước thải đầu vào và bùn tuần hoàn. Mương chảy tràn và thu nước đầu ra, ống thubùn, bộ phận sục khí… Các thiết bị cần thiết bao gồm: 1 máy bơm định lượng bơm nước thảiđầu vào, 1 máy bơm bùn và 1 máy thổi khí.NHÓM 6 GVHD:TRẦN THỊ THANH HUYỀN 10 [...]... lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0. - Acetic hố (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 q trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối... thể đạt 70 - 90%. Nước thải sau bể kị khí tiếp tục tự chảy sang Bể sinh học hiếu khí (Aerotank). Trong bể sinh học hiếu khí, các chất hữu cơ hịa tan và khơng hịa tan chuyển hóa thành bơng bùn sinh học-quần thể vi sinh vật hiếu khí - có khả năng lắng dưới tác dụng của trọng lực. Nước thải chảy liên tục vào bể sinh học trong đó khí được đưa vào cùng xáo trộn với bùn hoạt tính, cung cấp oxy cho vi sinh... rất khó xây dựng và bảo đảm độ kín khí do đó hiệu suất của hầm ủ thấp. Gần đây các nhà khoa học của Đức và Thái Lan hợp tác trong việc phát triển hầm ủ Biogas ở Thái Lan đã dùng kỹ thuật CAD (Computer Aid Design) để tính tốn lại kết cấu của hầm ủ nầy và cho ra đời mẫu hầm TG - BP (Thai German - Biogas Program). Loại hầm ủ nầy đã được Trung Tâm Năng Lượng Mới, Đại Học Cần Thơ thử nghiệm và NHÓM 6... trình nitrat hố/khử nitrat và quá trình loại bỏ dinh dưỡng (N và P). Nước thải được loại bỏ rắn, sau đó, được bơm vào mương chảy tràn thu nước đầu vào cùng trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn. Hồn hợp nước thải và bùn hoạt tính chảy vào ngăn thiếu khí. Ngăn này có vai trị như là ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi chất... khí, hiếukhí và sau q trình xử lý; IV : vị trí tuần hồn bùn Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của mơ hình Cấu tạo của mơ hình (hình 1): Mơ hình gồm 3 module chính: ngăn thiếu khí (anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) và ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF). Mương chảy tràn thu nước đầu vào nhằm hạn chế tác động của dòng vào đối với ngăn thiếu khí và tăng hiệu quả xáo trộn giữa dòng nước thải đầu vào và bùn tuần... hữu cơ hịa tan và dạng keo trong nước thải với sự tham gia của các vi sinh vật yếm khí. Vi sinh vật yếm khí sẽ hấp thụ các chất hữu cơ hồ tan có trong nước thải, phân huỷ và chuyển hố chúng thành khí (khoảng 70 – 80% là metan, 20 – 30% là cacbonic). Bọt khí sinh ra bám vào hạt bùn cặn, nổi lên trên làm xáo trộn và gây ra dịng tuần hồn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Hiệu quả khử BOD và COD có thể... THỊ THANH HUYỀN 15 VSMT:Q TRÌNH XỬ LÍ CHẤT THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KỊ KHÍ • Khử chất hữu cơ dạng carbonate (BOD) • Khử BOD, nitrate hóa và khử nitrtate • Khử BOD, nitrate hóa/ khử nitrtate và khử phốt pho Để khử carbonate, vùng anoxic được xem như vùng lựa chọn mà ở đó sự pha trộn dịng thải sẽ làm tăng khả năng lắng và khống chế quá trình tăng trưởng vi sinh vật. Để nitrate hóa, khử nitrate và khử... khử nitrate và khử phospho, vùng anoxic có thể đảm đương được vai trị này Trong qui trình này, NH 3 -N bị oxy hóa thành nitrite và sau đó thành nitrate bởi vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong từng vùng sục khí riêng biệt. Nitrate được tuần hoàn trở lại vùng anoxic và được khử liên tục tối đa. Trong phản ứng này BOD đầu vào được xem như nguồn carbon hay nguồn năng lượng để khử nitrate thành... phospho và cải tiến từ qui trình Bardenpho. Trong qui trình USBF, sự lên men của BOD hịa tan xảy ra trong vùng kỵ khí hay vùng anoxic. Sản phẩm của quá trình lên men cấu thành thành phần đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ phospho. Trong giai đoạn xử lý hiếu khí, phospho hòa tan được hấp thu bởi phospho lưu trữ trong vi sinh khuẩn (Acinetabacter) mà chúng đã sinh trưởng trong vùng anoxic.... và đậy kín lại và q trình sinh khí sẽ diễn ra trong một thời gian dài cho tới khi nào lượng khí sinh ra giảm thấp tới một mức độ nào đó. Sau đó tồn 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 đầy cho hầm ủ và quá trình cứ tiếp tục. Theo kiểu vận hành này thì lượng khí sinh ra hàng ngày khơng ổn định, nó thường cao vào lúc mới nạp và . Acetic, H2, CO2, acidfomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới.Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, COD hầu như. hữu cơ hòa tan và không hòa tan chuyển hóa thành bông bùn sinh học-quần thể vi sinh vật hiếu khí - có khả năng lắng dưới tác dụng của trọng lực. Nước thải
