giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 6 xử lý khí

CÔNG NGHỆ SINH HỌC
TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
THẠC SĨ VƯU NGỌC DUNG
4/22/141
BÀI 6: XỬ LÝ KHÍ THẢI
1. Giới thiệu
2. Kỹ thuật tinh sạch khí thải sinh học
3. Các thông số thực hiện
4. Các đặc trưng của dòng khí thải
5. Các nguyên lý của quá trình
6. Họat động của bể xử lí
7. Kiểm soát bể xử lí
8. Xu hướng
9. Các ứng dụng thương mại của sự tinh sạch khí thải sinh học
Giới thiệu
•
Kỹ thuật làm sạch khí thải bằng phương pháp sinh học là
lựa chọn và vận hành công nghệ làm sạch khí thải bằng
biện pháp sinh học.
•
Mục tiêu là bảo đảm việc truyền khối và phân huỷ sinh
học chất ô nhiễm có trong dòng khí thải.
•
Phân huỷ sinh học xảy ra khi vi sinh vật sử dụng chất ô
nhiễm làm nguồn carbon hoặc làm chất cho điện tử.
•
Vi sinh vật có thể chuyển hoá không đặc trưng là đồng
chuyển hoá ‘co-metabolism’.
•
Quá trình phụ thuộc: đặc trưng hoá lí của chất ô nhiễm,
khả năng phân hủy của vi sinh vật, điều kiện vận hành và

môi trường…
Kỹ thuật làm sạch khí thải bằng biện pháp sinh học
1. Lọc sinh học (biofilter)
2. Lọc sinh học nhỏ giọt (Biotrickling)
3. Lọc phun sinh học (Bioscrubber)
4. Bể phản ứng sinh học màng
Lọc sinh học (biofilter)
•
Khí thải được dẫn qua lớp vật liệu hữu cơ: compost, đất hay
gỗ vụn
•
Dinh dưỡng được cung cấp dưới dạng chất hữu cơ.
•
Phía trên cùng của lớp vật liệu là một lớp mỏng chất lỏng.
•
Độ ẩm khoảng từ 40-60% (v/v).
•
Để tránh bị khô, không khí cần được làm ẩm trước khi đưa
vào hệ thống.
•
Khí thải chứa thành phần hạt rắn cao (dạng sol khí)  lắp đặt
bộ phận khử mù trước khi dẫn vào khu vực tạo ẩm  giảm
nghẽn bể lọc sinh học do hạt rắn.
Lọc sinh học nhỏ giọt (Biotrickling)
•
Tương tự như lọc sinh học (biofilter)
•
Chất ô nhiễm chuyển từ pha khí vào lớp màng hoạt
động sinh học bao ngoài chất nền.
•

Chất nền thường là vật liệu hóa học trơ như vòng
bằng nhựa.
•
Dinh dưỡng được cung cấp cho vi sinh vật thông qua
pha lỏng.
Lọc phun sinh học (Bioscrubber)
•
Bộ lọc gồm hai bể:

Tháp hấp thụ: chất ô nhiễm trong pha khí được hấp
thụ vào pha lỏng  bể thứ 2

Bể bùn hoạt tính: vi sinh sinh trưởng trong những
bông bùn và phân huỷ chất ô nhiễm.
•
Nước thải sau xử lí được chuyển trở lại tháp hấp thụ
theo dòng cùng chiều hoặc ngược chiều với dòng khí
thải.
Bể phản ứng sinh học màng
•
Một mặt, màng tiếp xúc với pha lỏng chứa chất dinh dưỡng, mặt
kia tiếp xúc với pha khí.
•
Pha lỏng giàu dinh dưỡng thêm vi sinh có khả năng phân huỷ
chất ô nhiễm.
•
Vi sinh vật tập hợp lại tạo thành biofilm bám phủ trên bề mặt của
màng.
•
Chất ô nhiễm chui qua màng lọc một cách chọn lọc, sang pha

lỏng giàu dinh dưỡng và bị phân huỷ ở đó.
•
Pha lỏng đóng vai trò một bể dự trữ: chất dinh dưỡng, oxy , pH
và nhiệt độ được kiểm soát.
•
Có nhiều dạng màng: phân cực hay kị nước, có thể lắp đặt ở
dạng ống hay dạng tấm phẳng.
Các thông số thực hiện
•
Công nghệ làm sạch khí thải sinh học phân biệt nhau
ở vận hành bởi một loạt những thông số như:

Thời gian tiếp xúc với tầng trống (s)

Tốc độ tải trọng bề mặt (m3 m2 h -1)

Tốc độ tải trọng khối lượng (g m3 h-1)

Tốc độ tải trọng thể tích (m3 m3 h -1)

Khả năng loại bỏ chất ô nhiễm (g m3 h -1)

Hiệu quả khử (%)
Công nghệ và cấu hình mang vi sinh vật
(a) lọc lớp
(b) lọc giọt thấm
(c) lọc phun
d) lọc màng
Các đặc trưng của khí thải
•

Các thông số vật lí:

Độ ẩm và nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ sinh
học của chất ô nhiễm bởi vi sinh vật có một dải nhiệt độ và
độ ẩm tương ứng tối ưu cho sinh trưởng.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến phân phối chất ô nhiễm giữa pha
lỏng và khí.

Tốc độ dòng khí thải ảnh hưởng đến tốc độ dung nạp chất ô
nhiễm trong pha hoạt tính sinh học giảm khả năng phân
huỷ.

Bản chất và nồng độ của một đơn vị chất ô nhiễm hoặc đơn
vị mùi hôi trong dòng khí thải… ảnh hưởng đến hiệu suất của
toàn bộ hệ thống lọc sinh học.
Đặc trưng quan trọng của một dòng khí thải
Đơn vị của mùi “ou” là lượng hợp chất (hỗn hợp) gây mùi có trong 1 m3 khí không có
mùi (trong điều kiện chuẩn) trong giới hạn chuẩn (CEN, 1998)
•
Những đặc trưng của dòng khí thải cho phép xác định
được một khoảng rộng những lựa chọn vể kiểu lọc sinh
học có thể được sử dụng.
•
Tính quan trọng vượt trội của hệ số Henry:

Hoá chất mà có khả năng hoà tan trong nước (chất ưa
nước) thì rất dễ được giữ lại dễ dàng bằng cách phun
nước.


Các hoá chất khó hoàn tan trong nước (chất có hệ số
Henry cao) tốt hơn cả là dùng lọc sinh học.
Nồng độ chất ô nhiễm, hệ số Henry và các thông số đi kèm của các
dạng lọc sinh học (biofilter), lọc nhỏ giọt (biotrickling), lọc phun sinh
học
Các nguyên lý của quá trình
•
Cân bằng phân bố của chất ô nhiễm
•
Sự khuếch tán
•
Phân huỷ sinh học chất ô nhiễm
•
Hoạt động của bể xử lí
Cân bằng phân bố của chất ô nhiễm
•
Bước đầu tiên của quá trình phân huỷ sinh học là phân bố
chất ô nhiễm giữa pha khí và lỏng.
•
Sự phân bố cân bằng về nồng độ phụ thuộc nhiều vào hệ số
Henry của chất ô nhiễm.
•
Nồng đô chất ô nhiễm trong pha khí và pha lỏng được tính
theo phương trình:
KH = Cg/C1
KH = hệ số Henry (không có thứ nguyên);
Cg = nồng độ trong pha khí (mol m-3 hoặc g m-3 )
C1 = nồng độ trong pha lỏng (mol m-3 hoặc g m-3 ).
Trình tự phân huỷ vi sinh một chất ô nhiễm trong hệ
thống lọc lớp

Hệ số Henry (không có thứ nguyên) cho một số chất ô nhiễm có khả
năng xử lí được bằng hệ thông lọc sinh học
Sự khuếch tán
•
Sự di chuyển của chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha
hoạt động sinh học (màng sinh học) xảy ra theo kiểu
khuếch tán và được mô tả bằng định luật Fick:
J = - D (dC1/dx)
J = dòng khối (mol m-2 s-1 hoặc g m-2 s-1)
D= hệ số khuếch tán (m-2 s-1)
C1= nồng độ trong pha lỏng (mol m-3 hoặc g m-3)
x = độ dày lớp sinh khối (m).
•
Quá trình khuếch tán trong nước xảy ra chậm hơn trong
pha khí, từ pha lỏng vào màng sinh học chậm hơn nhiều.
•
Trong màng có lớp rỗng, quá trình khuếch tán xảy ra ở
chất lỏng nằm trong những lỗ rỗng.
•
Khi lựa chọn một loại màng nào đó cần nghiên cứu xác
định vật liệu tương ứng với đặc trưng khuếch tán của
chất ô nhiễm đã biết.
•
Trong những bể xử lí không có hệ thống màng, chất ô
nhiễm cần phải đi xuyên qua pha nước để đến được lớp
màng có hoạt tính sinh học.
•
Việc xác định được giới hạn giữa pha lỏng và màng hoạt
tính sinh học rất khó
Hệ số khuếch tán của một số chất trong khí,

nước và trong vật liệu màng
Phân huỷ sinh học chất ô nhiễm
•
Chuyển hoá vi sinh vật xảy ra khi chất ô nhiễm được sử
dụng làm nguồn năng lượng.
•
Để vi sinh vật sinh trưởng thì cần phải có dinh dưỡng,
khoáng, vitamin và những yếu tố khác.
•
Ví dụ:

Toluen được sử dụng làm nguồn cho điện tử và nguồn
cacbon của nhiều vi khuẩn dị dưỡng hữu cơ, oxy làm chất
nhận điện tử.

Các vi khuẩn nitrát hoá dưỡng sử dụng ammonium làm
chất cho điện tử, oxy làm chất nhận điện tử và CO2 làm
nguồn cacbon để tạo sinh khối.
•
Sinh khối đóng vai trò chất xúc tác sinh học duy trì ổn
định màng sinh học.
•
Năng lượng tạo thành theo phương trình Monod cải tiến:
dC1/dt = X(μ/Yxs)
C1 = nồng độ của cơ chất hoà tan trong dung dịch (g/m3)
μ = tốc độ sinh trưởng (g g-1 h-1)
Yxs = hiệu suất trọng lượng khô của tế bào trên trọng lượng cơ chất bị chuyển
hoá (g g-1)
X = khối lượng sinh khối trên màng sinh học hoặc trong dịch huyền phù (gm-
3)

•
Thực tế, khó xác định được những thông số này  để
thiết kế hệ thống lọc cần phải dựa trên những kết quả
thực nghiệm ở quy mô pilot
Chuyển đổi SO2 bằng khử sulphat và các bể oxi hoá sulphit kế tiếp tạo thành
lưu huỳnh nguyên tố bằng sinh học.1: Hấp thụ khí SO2; 2: Khử sulphat; 3: Khử
một phần H2S; 4: Tách bùn giàu lưu huỳnh sinh học
Sản phẩm không có khả
năng sử dụng lại.
Đối với quá trình loại SO2
bằng lọc phun thì chuyển SO2
thành bột lưu huỳnh