Bài dịch sinh hóa môi trường kỵ khí

được mô tả bởi Speece ( 1983 ) trong hình
13.1

Completely mixed : pha trộn hoàn toàn
Anearobic contact process : quá trình xúc tác
kỵ khí
Upflow packed bed : bộ ống phức hợp đi lên


Upflow packed bed: bộ ống phức hợp đi
xuống
Fluidized bed : lớp nước hóa lỏng
13.2.1 Khuấy trộn hoàn toàn
Quá trình khuấy trộn hoàn toàn là cơ sở của hệ
thống xử lí kỵ khí đã được sử dụng cho xử lí
bùn thải của thành phố từ , phân hủy nhiệt kỵ
khí được xây dựng vào năm 1927 bởi nhà máy
Esen - Rellingghausen ở Germany. Phân hủy
nhiệt bằng khí metan thực hiện ở nhiệt độ
trung bình khoảng 35oC, đây là nhiệt độ tối ưu
nhất được sử dụng trong nhà máy xử lí nước
thải thành phố, kể từ khi thu hồi nhiệt được
thực hiện trong lĩnh vực kinh tế và kết quả
hoạt động ổn định hơn. Thời gian lưu trong bể
hiện nay thông thường từ 15 - 25 ngày, ở nhiệt
độ giới hạn cho sinh vật sinh metan sử dụng


acetate thì [θxmin]lim trong khoảng 4 ngày. Vì thế
để tránh rửa trôi các sinh vật quan trọng, người

ta sử dụng hệ số an toàn , dựa vào tỉ lệ θx/
[θxmin]lim, trong khoảng từ 4-6.
Những thiết kế trước đó không thể pha trộn,
với 2 nguyên nhân sau. Thứ nhất, bùn tự nhiên
và lên men vi sinh vật không mang lại hiệu
quả với nhau. Thứ hai, những hạt rắn dày đặc
như sỏi và cát có xu hướng lắng đọng trong
các lò phản ứng, vì thế nó sẽ làm giảm thể tích
có lợi trong quá trình xử lí. Để giải quyết vấn
đề này, những phản ứng không pha trộn
thường được vận hành tại thời gian lưu, dựa
vào tỷ lệ thể tích bể chứa chảy đến và tỉ lệ
dòng chảy bùn, trong trình tự 60 ngày hoặc
hơn.


Bùn sơ cấp và thứ cấp trong thành phố thường
có nồng độ từ 2.5 đến 15 % tổng lượng chất
rắn. Với thời gian lưu khoảng 20 ngày, chất
hữu cơ được pha trộn tốt trong thiết bị khuấy
trộn liên tục ( CSTR ) là từ 1 đến 4 kg chất
phân hủy sinh học COD/m3 của khối lượng
phân hủy. ( theo tính toán giả định có khoảng
65% chất rắn lơ lửng bị bay hơi và 50% chất
rắn bay hơi này bị phân hủy sinh học ). Đây là
tải dùng để so sánh, nhưng thể tích tải đạt
được cao hơn trong hệ thống hiếu khí. Thêm
vào đó, sự phân hủy năng lượng nhiều hơn sự
tiêu thụ năng lượng. Thật dễ dàng để nhận
thấy tại sao các nhà máy xử lí của thành phố

lại chọn phương pháp xử lí kỵ khí cho bùn
thải.
Những bất lợi của CSTR trong xử lí kỵ khí là
mức tải cao trên mỗi đơn vị thể tích chỉ thu


được

với

dòng

chất

thải

khá

tập
như

trung,
bùn

giống
thải

thành phố,

nó có

hàm lượng

COD

phân hủy từ

8000

đến 50.000

mg/l.

( Mesophilic anaerobic sludge digester with
floating cover )
Tuy nhiên, nhiều dòng chất thải đã được pha
loãng nhiều hơn. Nếu chúng ta xử lí bằng
CSTR với thời gian lưu từ 15 - 25 ngày, tải


COD trên một đơn vị thể tích sẽ rất thấp, đang
làm giảm hoặc loại bỏ lợi ích chi phí của xử lí
lỵ khí. Bí mật trong xử lí chất thải kinh tế là sử
dụng hệ thống lò phản ứng để phân tách thời
gian lưu của chất lỏng đi qua lò phản ứng của
sinh khối, cũng được thực hiện trong hệ thống
bùn thải hoạt hóa kỵ khí và mành sinh học.
Nói cách khác, θx/θ lớn hơn 1. Hình 13.1 minh
họa thời gian lưu của nhiều hệ thống sinh khối
riêng biệt và chất lỏng trong hệ thống kỵ khí,

chiến lược này được bắt đầu từ năm 1950 đến
nay.
13.2.2 Xúc tác kỵ khí
Quá trình xúc tác kỵ khí giống với hệ thống
bùn hoạt hóa hiếu khí. Hệ thống đầu tiên được
trình bày và thực hiện vào năm 1955 bởi
Schroepfer và đồng nghiệp ( Schroepfer et al.,
1955 ) về xử lí tương đối chất thải sinh hoạt


với COD khoảng 1300 mg/l. Bằng cách sử
dụng thêm bể lắng và tái sinh sinh khối trở lại
lò phản ứng, họ đã phân chia từ θx đến θ và đạt
được thời gian lưu thủy lực khoảng 5 ngày,
điều đó có nghĩa là ít hơn the 4-d [θxmin]lim của
vi khuẩn sinh metan từ acid acetic. Họ thu
được 90 - 95% BOD bị loại bỏ ở tải 2 - 2.5
kg/m3-d.
Mặc dù quá trình xúc tác kỵ khí đã được ứng
dụng rộng rãi nhưng vấn đề tái diễn là chất rắn
sinh học trong các bể lắng có xu hướng tăng
lên do hệ thống bọt khí và phụ tùng của bể
lắng. Tràn dòng chất thải rắn là một sự cố
nghiêm trọng trong hệ thống hiếu khí, bởi vì
số lượng vi sinh vật được tạo ra quá ít , vì thế,
sự mất mát chất thải rắn có thể hiểu là giảm θx
và ảnh hưởng xấu tới ổn định quá trình cũng
như chất lượng dòng chảy. Khó khăn này là

hiển nhiên trong tất cả hệ thống xử lý kỵ khí
và được giải quyết theo nhiều cách khác nhau.
13.2.3 Bộ ống phức hợp lên và xuống
Quá trình bộ ống phức hợp đi lên, thông
thường được gọi là lọc kỵ khí, được phát triển
trong những nghiên cứu ở phòng thí nghiệm
vào cuối năm 1960 ( Young và McCarty,
1969 ). Hệ thống này tương tự hệ thống lọc khí
nhỏ giọt, ban đầu, đá trung tính được sử dụng
gắn vào chất hữu cơ giàu dinh dưỡng. Lọc kỵ
khí được sử dụng để xử lí chất thải rắn hòa tan
với COD từ 375 đến 12,000 mg/l và thời gian
lưu từ 4 đến 36 h. sử dụng đá trung tính để xử
lí dòng chất thải tinh bột với COD khoảng
8,800 mg/l được áp dụng rộng rãi đầu tiên vào
đầu năm 1970. Bởi vì thể tích vùng trống thấp
và diện tích bề mặt riêng phù hợp với đá trung
tính, hầu hết những ứng dụng tiếp theo sử


dụng hạt nhựa mài mòn, cũng giống như các
tháp sinh học hiếu khí ngày nay. Lọc kỵ khí
giữ lại chất rắn sinh học tốt hơn và được áp
dụng rộng rãi. Mối quan tâm chính trong hệ
thống là sự tắt nghẽn của chất rắn sinh học,
ảnh hưởng của chất rắn lơ lửng và kết tủa vô
cơ. Bởi vì vấn đề trên nên hệ thống bộ ống
phức hợp làm việc tốt nhất trong điều kiện ít
chất rắn lơ lửng, cũng như sự tắt nghẽn của
những lỗ lọc được giải quyết. Những đổi mới

khác đã làm giảm vấn đề tắt nghẽn, chẳng hạn,
thỉnh thoảng người ta áp dụng vận tốc lớn
trong đáy của hệ thống sản xuất khí. Dòng
chất lỏng chuyển động hỗn loạn mang theo bọt
khí tràn lên nhanh chóng trong lò phản ứng
đánh vỡ chất rắn khi hệ thống bị tắt nghẽn.
Thay thế cho bộ ống phức hợp chuyển động
lên là hệ thống chuyển động đi xuống. Lý do


tại sao hệ thống đi xuống tốt hơn là nó khá
tinh vi. Với hệ thống dòng xuống, chất rắn có
xu hướng tích trữ gần bề mặt nhiều hơn, nơi
mà nồng độ chất nền và tăng trưởng sinh học
cao hơn. Điều này làm cho quá trình loại bỏ
chất rắn ngay từ đầu dễ dàng hơn bằng tuần
hoàn khí. Thuận lợi khả thi khác của hệ thống
dòng đi xuống là sulfide sản xuất thông qua
giảm sulfate có thể được tách ra từ các chất
lỏng ở phần trên của cột. Thông thường, giảm
mật độ tập trung của sulfate ở những cấp cao
hơn trong lò phản ứng, trong khi mật độ sinh
vật sinh metan ở mức độ thấp hơn. Hydrogen
sulfide có thể làm nhiễm độc sinh vật sinh
metan và tách H2S trước khi nó chạm tới sinh
vật sinh metan trong các phần của lò phản ứng
có thể làm giảm tính độc đến sinh vật này. Sự
xuất hiện của phương pháp phân tách này

mang lại thuận lợi cho một nhà máy Puerto
Rico xử lý nước thải chưng cất rượu rum có
hàm sulfate cao. Mặt khác hệ thống dòng
xuống, đặc biệt với hạt nhựa mài mòn, có thể
có một xu hướng tốt hơn để loại bỏ chất rắn
sinh học.
Young và Yang ( 1989) đưa ra bài thảo luận
xuất sắc về các ứng dụng khác nhau, những
thuận lợi và bất lợi tương đối của dòng lên so
với dòng xuống và tiêu chuẩn hoạt động chung
cho bộ ống phức hợp xử lí kỵ khí . Ứng dụng
hầu hết trong các lĩnh vực chế biến thực phẩm,
thức uống, và dược phẩm, mặc dù các nhà máy
sử dụng lọc kỵ khí tốt hơn.