Chuyên đề tìm hiểu về hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải

1


TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG


CHUYÊN ĐỀ: TÌM HIỂU VỀ HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC THỊNH

Lớp:
Khố:

MSSV: 91202216

VÕ BÌNH THUẬN

MSSV: 91202221

VŨ THỊ PHƯƠNG THÚY

MSSV: 91202224

12090201
16

Giảng viên hướng dẫn: Thầy PHẠM ANH ĐỨC

Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

1


KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CHUN ĐỀ
1.

GIỚI THIỆU

Nước đóng vai trị quan trọng trong nhiều quá trình diễn ra trong tự nhiên và trong
cuộc sống của con người. Từ 3000 năm trước Công Nguyên, người Ai Cập đã biết
dùng hệ thống tưới nước để trồng trọt và ngày nay con người đã khám phá thêm nhiều
khả năng của nước đảm bảo cho sự phát triển của tương lai: nước là nguồn cung cấp
thực phẩm và nguyên liệu công nghiệp dồi dào, nước rất quan trọng trong nông nghiệp,
công nghiệp, trong sinh hoạt, thể thao, giải trí và cho rất nhiều hoạt động khác của con
người. Ngồi ra nước cịn được coi là một khống sản đặc biệt vì nó tang trữ một
nguồn năng lượng lớn, hịa tan nhiều vật chất có thể phục vụ nhiều mặt cho con người.
Trong công nghiệp, người ta sử dụng nước làm nguyên liệu và nguồn năng lượng, làm
dung môi, làm chất tải nhiệt và dùng để vận chuyển nguyên vật liệu...
Nước bao phủ 70% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, cịn lại là nước
ngọt. Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ơ nhiễm, nó
cịn là thành phần cấu tạo chính của cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng
cơ thể, chẳng hạn chiếm 70% trọng lượng cơ thể người, Sứa biển tới 97%. Trong 3%
lượng nước ngọt chỉ có 0,5% nước ngọt hiện diện trong sơng, suối, ao, hồ mà con
người đã và đang sử dụng. Nếu trừ phần nước ơ nhiễm thì chỉ có khoảng 0,003% là
nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được (Miller, 1988).
Con người đã thải ra một khối lượng lớn nước sau các hoạt động sinh hoạt, sản xuất
hoặc chảy qua vùng đất ô nhiễm. Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được

chia thành nước thải sinh hoạt, nước khí quyển và nước thải cơng nghiệp. Nhận thấy
nhiều lợi ích của q trình chuyển hóa kị khí, người ta đã áp dụng chúng vào xử lý
nước thải sinh hoạt nhằm giảm ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho
thấy những hạn chế trong việc áp dụng cơng nghệ này, từ đó đặt ra những cơ hội cho
việc áp dụng những thiết kế cải tiến giúp nâng cao hiệu quả loại bỏ chất gây ô nhiễm
trong nước thải, rút ngắn thời gian lưu, cắt giảm nhiên liệu, đồng thời tái tạo những hợp
chất có giá trị.
2.

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI

Mục tiêu chính của đề tài là giới thiệu các hồ sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải và
cách ứng dụng và thực tế xử lý, nêu cách thức hoạt động của các bể xử lý kị khí đồng
thời đưa ra các nhận định chung về những khó khăn và cơ hội cho những ứng dụng của
2


việc lấp ghép các bể xử lý với nhau. Chúng tôi cố gắng đưa ra các số liệu, ứng dụng
thực tế chính xác nhất có liên quan nhằm góp phần làm rõ vấn đề.
3.

NỘI DUNG

Dựa trên thông tin từ các tài liệu, bài báo có uy tín nước ngồi, chun đề này sàn lọc
tổng hợp các kiến thức về các loại hồ, bể xử lý kị khí cùng tính khả thi của nó, cùng
với việc lấp ghép các cơng trình với nhau. Đồng thời đưa ra những ứng dụng mới và cơ
hội trong thực tế của chúng.
4.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sử dụng các bài báo, tài liệu nước ngoài đã được công bố, chọn lọc những thông tin
hay, mới, tin cậy để xây dựng chuyên đề. Đồng thời tham khảo các tài liệu có liên quan
nhằm hỗ trợ kiến thức trong q trình thực hiện. Kết hợp sử dụng các thơng tin phù
hợp, mới lạ, xác thực.

3


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC
THẢI.........................................................................................................................................................5
1.1.

Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................. 5

1.2.

Các giai đoạn phân hủy kỵ khí ...................................................................................... 6

1.3.

Ưu, nhược điểm của q trình phân hủy kỵ khí ............................................................. 7

1.4.

Lợi ích khi sử dụng kỵ khí so với hiếu khí ...................................................................... 7

CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ…………………………………………….8
2.1.

VI SINH VẬT LÊN MEN KỴ KHÍ ............................................................................... 8

2.1.1.

Giai đoạn thủy phân .............................................................................................. 8

2.1.2.

Giai đoạn lên men axit ........................................................................................... 9

2.1.3.

Giai đoạn lên men kiềm ......................................................................................... 9

2.2.

VI SINH VẬT KỴ KHÍ TRONG HỒ SINH HỌC .......................................................... 9

CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ………………………………………….....9
3.1.

HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ .............................................................................................. 9

3.1.1.

Tổng quan ............................................................................................................. 9

3.1.2.

Quá trình hình thành hồ ...................................................................................... 10

3.1.2.1.

Hồ tự nhiên .................................................................................................. 10

3.1.2.2.

Hồ nhân tạo.................................................................................................. 10

3.1.3.

3.1.3.1.

Gới thiệu tổng quan....................................................................................... 11

3.1.3.2.

Thơng số thiết kế hồ kỵ khí ............................................................................ 12

3.1.4.

Hồ sinh học tùy tiện ............................................................................................. 13

3.1.4.1.

Gới thiệu tổng quan....................................................................................... 13

3.1.4.2.

Thông số thiết kế hồ tùy tiện .......................................................................... 14

3.1.5.
3.2.

Hồ sinh học kỵ khí ............................................................................................... 11

Ứng dụng ............................................................................................................ 16

CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ..................................... 16

3.2.1.

Bể UASB ............................................................................................................. 16

3.2.1.1.

Giới thiệu tổng quan...................................................................................... 16

3.2.1.2.

Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 17

3.2.1.3.

Thu hồi năng lượng ...................................................................................... 19

3.2.2.

Các loại hầm kỵ khí ............................................................................................. 20

3.2.2.1.

Các loại hầm ủ .............................................................................................. 20

3.2.2.2.

Các mẫu hầm ủ ............................................................................................. 20
4


3.2.3.

Bể sinh học kỵ khí hai giai đoạn ........................................................................... 24

3.2.4.

Bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn ......................................................................... 25

3.3.

ỨNG DỤNG LẮP GHÉP CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ.............................................. 25

3.3.1.

Acid hóa và lọc kỵ khí .......................................................................................... 25

3.3.2.

Bể UASB và lọc kỵ khí ......................................................................................... 26

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG XỬ
LÝ NƯỚC THẢI
1.1.

Cơ sở lý thuyết
5


Phương pháp này sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy
các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải, ở điều kiện khơng có oxy hịa tan với
nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (chủ yếu CO2, CH4). Q trình
phân hủy kị khí chất bẩn có thể mơ tả bằng sơ đồ tổng qt:
(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào VI SINH
Trong 10 năm trở lại đây công nghệ sinh học phát triển, quá trình xử lý kị khí trong
điều kiện nhân tạo được áp dụng trong chất thải công nghiệp, sinh hoạt cùng các loại
nước thải có chất bẩn hữu cơ cao: BOD ≥ 10 - 30 (g/l).
Khí sinh học (biogas) có thành phần: CH4: 55,65%, CO2: 35,45%, N2: 0.3%, H2: 0.1%,
H2S: 0.1%.
1.2.

Các giai đoạn phân hủy kỵ khí

 Thủy phân
Nhờ tác dụng của enzim của vi khuẩn, các phức chất và chất khơng tan (polysaccarit,
protein, lipit) chuyển hóa thành các chất đơn giản hơn hoặc các chất hòa tan (đường,
amino axit, axit béo). Quá trình này xảy ra chậm, phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và
đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
 Axit hóa
Vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hịa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay

hơi, rượu (ancol), axit lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình
thành các axit có thể làm pH giảm xuống dưới 4.
 Axetic hóa (Acetogenesis)
Vi khuẩn axetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit thành axetat, H2, CO2 và
sinh khối.
 Mêtan hóa (methanogenesis)
Là giai đoạn cuối của q trình phân hủy kị khí. Chuyển hóa axetic, H2, CO2, axit
fomic và methanol thành mêtan, CO2, sinh khối mới. COD chỉ giảm xuống trong giai
đoạn này.
Hợp chất
Phân hủy

Khí trơ

Protêin

Lipit
Cacbonhydrat

Thủy phân
Amino axit

Đường

Axit béo,
ancol…

6

1.3.
-

Ưu, nhược điểm của q trình phân hủy kỵ khí
Ưu điểm

Thiết kế đơn giản, thể tích cơng trình nhỏ, chiếm ít diện tích mặt bằng, cơng trình có
cấu tạo đơn giản và giá thành khơng cao, chi phí vận hành về năng lượng thấp, khả
năng thu hồi năng lượng (Biogaz cao). Khơng địi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng,
tải trọng phân hủy chất hữu cơ cao. Chịu được sự thay đổi đột ngột về lưu lượng.
-

Nhược điểm

Ngoài các ưu điểm trên thì có các hạn chế là rất nhạy cảm với các chất độc hại với sự
thay đổi đột biến về tải trong của cơng trình. Xử lý nước thải chưa triệt để, những hiểu
biết về vi sinh vật kị khí chưa tốt, thiếu kinh nghiện vận hành cơng trình.
1.4.

Lợi ích khi sử dụng kỵ khí so với hiếu khí

Phân giải kỵ khí (AD) có thể chuyển đổi một vấn đề xử lý thành một cơ hội lợi nhuận.
Khi cơng nghệ tiếp tục phát triển, AD nhanh chóng trở thành một phương pháp quan
trọng để giảm chất thải và khí thải CO2 trong khi tạo ra một loại nhiên liệu tái tạo
cùng với một phân bón rắn . Các cơ chế cơ bản cho cả kỵ khí và hiếu khí xử lý nước
thải tương tự, tức là vi khuẩn cần năng lượng cho sự tăng trưởng và hỗ trợ các chức
năng duy trì tế bào cũng như di động, và vi khuẩn đòi hỏi thực phẩm (chất nền) cho
năng lượng và tăng trưởng. Sự khác biệt giữa các quá trình hiếu khí và kỵ khí là kết
quả của điều kiện mơi trường khác nhau.
-

Sự khác nhau chính giữa xử lý hiếu khí và xử lý kỵ khí:

Năng lượng :Hệ thống hiếu khí yêu cầu đầu vào thuần năng lượng, dưới hình thức khí,
để cung cấp oxy. Ngược lại hệ thống sản xuất kỵ khí (khí sinh học) khơng cần năng
lượng do đó làm giảm đáng kể chi phí hoạt động. Các khí sinh học có thể được sử dụng
7


trong lò hơi để sản xuất nhiệt hoặc trong một kết hợp nhiệt và điện đơn vị (CHP) để
sản xuất điện và nhiệt
Nhiệt độ : Xử lý hiếu khí hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh trong khi xử lý
yếm khí thường hoạt động ở khoảng 37oC. Các khí sinh học sản xuất trong kỵ khí điều
trị thường được sử dụng để làm nóng hệ thống kỵ khí (nghĩa là autothermal), Qua đó
từ yêu cầu đối với bên ngoài đầu vào năng lượng nhiệt.
Bùn sản phẩm : xử lý kỵ khí sinh ra ít hơn khoảng sáu đến mười lần bùn xử lý hiếu khí.
với tăng chi phí xử lý bùn trong mỗi tấn, xử lý bùn có thể chi phí rất đáng kể.
Các chất dinh dưỡng : xử lý kỵ khí tiết kiệm khoảng 6 lần khí nito va photpho so với
hiếu khí. Do đó tiết kiệm chi phí ngồi chất dinh dưỡng cho nhiều nước thải cơng
nghiệp

CHƯƠNG II: VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KỴ KHÍ
2.1.

VI SINH VẬT LÊN MEN KỴ KHÍ

Rất nhiều loại vi sinh vật tham dự vào q trình phân hủy kị khí chất hữu cơ:
2.1.1. Giai đoạn thủy phân
8

Chuyển đổi các hợp chất cao phân tử không tan (lignin, carbohydrate, chất béo) thành
các hợp chất phân tử thấp hơn. Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều
trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.coli và B.subtilus. Thời gian sinh
trưởng giai đoạn này của vi sinh vật ngắn hơn các giai đoạn khác.
2.1.2. Giai đoạn lên men axit
Nhóm khuẩn, nấm mốc và Protozoa không tạo CH4 thực hiện lên axit các sản phẩm
thủy phân thành các axit hữu cơ đơn giản. Vi khuẩn kị khí tùy tiện là nhóm tạo axit chủ
yếu,

có thể

nói

Clostridium

spp; Lactobacillus spp;

Desulfovibrio spp;

Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococcus; Escherichia coli. Trong hồ kị khí
cịn thấy có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio, các vi khuẩn hủy Protit tạo
Hidrosunfua. Nhiều loại nấm mốc như Penicillium, Fusarium, Mucor… các Protozoa
cũng tham gia vào q trình lên men axít.
2.1.3. Giai đoạn lên men kiềm
Các axit béo bay đi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân hủy thành CH4 và CO2
làm kiềm hóa mơi trường. Các vi sinh vật bắt buộc kị khí phát triển và vi khuẩn Metan
phát triển mạnh nhất tiếp tục phân hủy gồm Methanobacterium, Methanosacrina,
Methanococcus, Methanobrevibacter, Methanothrix.
2.2.

VI SINH VẬT KỴ KHÍ TRONG HỒ SINH HỌC

Thường là vi khuẩn có khả năng tạo methane và khử sulfate, nó thủy phân các protein,
chất béo, poly saccharides có trong dòng thải sang dạng amino acid, các chuỗi peptit
ngắn hơn nó, acid béo, glycerol and mono- and di-saccharides. Nhóm vi khuẩn tạo acid
thích nghi tốt với các điều kiện mơi trường pH và nhiệt độ khác nhau, vi khuẩn
methane thường dễ bị ảnh hưởng với môi trường và chịu khoảng pH nhỏ 6,5 – 7,5; yêu
cầu nhiệt độ > 14oC. Nhóm vi khuẩn tiêu diệt sulfate (gồm có 14 lồi, Bolt et al., 1994)
chuyển hóa sulfate thành hydrogen sulfide gây mùi hơi, nó chỉ xuất hiện khi nước thải
chứa BOD và sulfate nhưng khơng có oxy.

CHƯƠNG III: CÁC CƠNG TRÌNH XỬ LÝ KỴ KHÍ
3.1.

HỒ SINH HỌC KỴ KHÍ

3.1.1. Tổng quan

9


Hồ sinh học để xử lý nguồn nước thải thứ cấp dùng phân hủy các chất hữu cơ xảy ra tự
nhiên. Ban đầu, cấu trúc đơn gian nên không rõ các đặc điểm vật lý, hóa hoc và các q
trình sinh học phức tạp trong quá suốt quá trình, kết quả làm giới hạn sự hiểu biết về
nhiều yếu tố có tác động đến hiệu suất của q trình. Vì vậy, chất lượng ra của nước rất
thấp.
Các hồ sinh học thường có thể đơn giản hoặc được kết hợp với các phương pháp xử lý
khác. Hồ sinh học có thể xử lý nhiều loại nước thải khác nhau: nước thải phức tạp của
công nghiệp hay sinh hoạt trong những điều kiện thời tiết khác nhau. Vi sinh vật đóng

vai trị chủ yếu trong quá trình xử lý chất thải hữu cơ.
3.1.2. Quá trình hình thành hồ
3.1.2.1.

Hồ tự nhiên

Hồ được hình thành do kiến tạo mặt đất, do sự vận động lớp chất lỏng trong trái đất đã
tách bề mặt trái đất thành mãnh như hiện tại gọi là lục địa, và nó vẫn khơng ngừng hoạt
động, chỉ giác quan chúng ta không nhận ra. Đồng thời là núi lửa hoạt động phun trào
nham thạch, sụt lún… cùng với sự tạo núi là tạo những đại dương, những con sông hay
hồ tự nhiên trên khắp trái đất.
Trước đây hồ tự nhiên, khi chưa chịu tác động nhiều của con người thường là những
sinh thái hồ đa dạng sinh học cao, là nơi ở của nhiều động thực vật. Hiện nay, bàn tay
con người tác động một số bị biến mất, một ít bị khai thác tài nguyên cạn kiệt, hay
chứa những vấn đề ô nhiễm môi trường nặng nè do con người tạo ra.
3.1.2.2.

Hồ nhân tạo

Hồ nhân tạo do những tác động của con người hình thành nhằm mục đích này hay mục
đích khác, như chắn dịng sơng, lưu trữ nước cho nhà máy phát điện, tưới tiêu trong
nông nghiệp, tạo hồ sinh thái thượng nguồn. Đào đắp đất hoặc lấy đất đá, khoáng sản
tạo thành các hố sâu rộng, thời gian dài nước được nạp đầy do mưa, làm nơi sống cho
các loài thủy sinh…

10


3.1.3. Hồ sinh học kỵ khí
3.1.3.1.

Gới thiệu tổng quan

Hồ kỵ khí dùng để lắng và phân hủy cặn lắng dùng phương pháp sinh hóa tự nhiên dựa
trên việc sống và hoạt động của vi sinh vật kị khí. Các vi sinh vật phá vỡ các hợp chất
hữu cơ trong nước phóng thích khí CH4và CO2.

Hồ kị khí thường sâu từ 2 – 5m và xử lý được nước thải có chất hữu cơ cao (thường >
100g BOD/m3 với sâu 3m nước). lượng chất hữu cơ có trong hồ sẽ liên quan thân mật
với lượng oxy nạp vào hồ. Hồ kị khí khơng có mặt của tảo, mặc dù có thể bắt gặp có sự
xuất hiện của lồi chủ yếu Chlamydomonas trên bề mặt. Chúng hoạt động rất hiệu quả
trong điều kiện khí hậu nóng có thể loại bỏ 60 – 85% BOD. Hồ kị khí làm tụt lượng N,
P, K và nhiều vi sinh vật gây bệnh bằng việc tạo ra bùn và giải phóng NH3 vào khơng
khí. Sau khi kị khí xong hồ kị khí thường đem lại kết quả:
11


-

Chuyển đổi vật chất từ dạng vật liệu hòa tan thành dạng vật chất lắng đọng như
bùn ở đáy.

-

Hòa tan các dạng chất hữu cơ khác.

-

Phá vỡ quá trình phân hủy sinh học của vật chất hữu cơ.

-

Chứa chất không hịa tan và khơng phân hủy như bùn đáy.
Chứa vật chất khơng hấp thụ và ở dạng vơ định hình như bùn đấy.

-

Xử lý được một lượng nước dòng chảy đi qua.

Q trình lên men và hoạt động kị khí trong hồ làm giảm khoảng 70% lượng BOD5 trong
dòng chảy. Thơng
thường, một hồ kị khí đơn liên tục xử lý sẽ đạt hiểu quả nếu nồng độ dòng thải ≤ 1000
mg/l BOD5. Đối với nước thải công nghiệp nồng độ cao nên phải đến 3 hồ kị khí mới có
thể xử lý tốt nhưng thời gian lưu ít nhất 1 ngày (McGarry and Pescod, 1970).
3.1.3.2.

Thông số thiết kế hồ kỵ khí

Hồ kị khí thường dược thiết kế theo kinh nghiệm có diện tích 10 – 20% diện tích hồ
tùy tiện. Thời gian lưu nước vào mùa hè 1,5 ngày, mùa đơng khơng q 5 ngày. Đặc
điểm cấu tạo:
-

Hồ nên có 2 ngăn làm việc nhăm khi dự phòng xả bùn.
Cửa nước vào phải đặt chìm, phải đảm bảo việc phân bố cặn lắng đồng đều
trong hồ, cần 1 miệng xả nếu diện tích nhỏ hơn 0,5ha nếu lớn hơn thì bố trí
thêm.

-

Cửa lấy nước rời khỏi hồ thiết kế theo thu nước bề mặt và có tấm ngăn để bùn
khơng đi theo.

Hồ kị khí có thể thiết kế 1 cách hồn chỉnh, khơng phát sinh mùi có hại và khó chịu
dựa trên thơng số thể tích dịng vào BOD (lv, g/m3ngày), được cho bởi:
lv = Li.Q/Va
Trong đó:
Li: dịng vào có BOD, mg/l (g/m3)
Q: lưu lượng dịng chảy, m3/ngày
Va: thể tích hồ, m3
Bảng .1 Các thông số thiết kế hồ kị khí
12


Nhiệt độ T (oC)

Thể tích dịng vào (g/m3ngày)

Loại bỏ BOD (%)

< 10

100

40

10 - 20

10T - 100

2T + 20

20 - 25

10T + 100

2T + 20

>25

350

70

Nguồn: Hamzeh Ramadan, Victor M. Ponce, 10/2006.
Lv có thể đạt đến 400 g/m3ngày, nhưng trong bảng trên lại quy định 350 nhẳm đảm bảo
vấn đề mùi. Lưu ý rằng thể tích BOD dịng vào khơng nên nhỏ hơn 100 g/m3 để duy trì
điều kiện kị khí.
Thời gian lưu nước được xác định từ công thức:
qa = Va / Q ( tối thiểu trong 1 ngày nếu ít hơn 1 ngày nên tính lại Va).
Diện tích xây dựng hồ:
Aa = Li.Q/D.lv
Trong đó:
Aa: là diện tích hồ, m2
Li.Q: lượng BOD, g/ngày
D: độ sâu hồ, m
lv: thể tích dịng vào BOD, g/m3ngày
3.1.4. Hồ sinh học tùy tiện
3.1.4.1.
Gới thiệu tổng quan

Dòng chảy thường có CO2, nước và tế bào vi khuẩn và tảo mới trong điều kiện có oxy
(như Chlamydomonas, Pyrobotrys và Euglena). Lượng tảo trong hồ cần ánh sang mặt
trời để sống. Chúng phát triển và sinh sản ra oxy nhiêu hơn chúng sử dụng. Lượng oxy
dư sẽ được vi khuận lấy để phá vỡ các hợp chất hữu cơ. Hồ này được gọi chính xác bởi
thuật ngữ “tùy tiện”, bởi vì nó có tầng trên hiếu khí và tầng kị khí ở dưới do oxy khơng
duy trì đến được độ sâu của hồ. Vì vậy toạn bộ bề mặt phát triển hiếu khí tầng trung
gian hiếu/kị khí và tồn bộ tầng kị khí ở đấy. Xảy ra tầng kị khí nếu:
13


-

Hồ quá sâu, màu nước tối, nên ánh sang không xuống được.
Nhu cầu oxy cho tầng dưới cao hơn khả năng cung cấp, gia tăng khi hàm lượng

chất hữu cơ nhiều.
-

Tầng mặt giàu oxy nhưng khơng có sự hịa với tầng đáy.

Do hoạt động quang hợp của tảo nên có sự thay đổi việc dùng hiếu hay kị khí trong
ngày. Chủ yếu hiếu khí khi mặt trời có bức xạ đỉnh điểm, kị khí và mặt trời mọc, sau
trời mọc oxy hòa tan nhiều dần cho tới tối đa vào giữa trưa. Hoạt động của hồ tùy tiện
được mô tả

Khi xong quá trình hồ tùy tiện sẽ đáp ứng:
Tăng cường xử lý dịng thải vào từ xử lý kị khí thơng qua việc phân chia phân
hủy và tiêu hóa chất hữu cơ.
-

Xử lý hiếu phá hủy gần hết chất hữu cơ ở mặt.
Làm giảm vi sinh vật gây bệnh.

3.1.4.2.

Thông số thiết kế hồ tùy tiện

Hồ tùy tiện thường sâu 1,5 – 2,5m, trong đó mực nước ln dùy trì 1 – 2m, thời gian
lưu thường dùng 5 – 30 ngày. Khi nhiệt đồ trung bình trong mùa đơng trên 15oC, tải
lượng BOD vào từ 45 – 90 kg/ha.ngày. Khi nhiệt độ biến đổi từ 0 – 15oC, tải lượng
chất hữu cơ khoảng 22 – 45 kg/ha.ngày, khi xuống 0oC thì tải lượng chất hữu cơ chỉ
nên 11 – 22 kg/ha.ngày. Tải lượng BOD dòng vào ngăn đầu tiên chỉ giới hạn tới 40
kg/ha.ngày hoặc nhỏ hơn, và tổng thời gian lưu 120 – 180 ngày khi nhiệt độ 0oC. Nếu
14


nhiệt độ khơng khí lên trên 15oC thì tải trọng BOD dịng vào có thể đạt 100 kg/ha.ngày.
Hiệu quả loại bỏ BOD5 có thể đến 80 – 90%. Chiều sầu là 1 m thường dùng, dùng để
kiểm tra tốc độ tăng trưởng của sinh vật. Sherwood C. Reed, E. Joe Middle Brooks,
Ronald W. Crites.
Thể tích xây dựng hồ tùy tiện như sau:
V = (3,5 x 10-5)QLa35-Tf.f’

theo Gloyna, 1976

Trong đó:
V thể tích hồ, m3
Q lưu lượng dịng chảy vào, l/ngày
La các thơng số cơ bản COD hay BOD ở dịng vào, mg/l
hệ số thay đổi nhiệt độ (= 1,085)

T nhiệt độ hồ, oC
f tảo độc
f’ nhu cầu oxy sulfide
Yếu tố f được thống nhất là 1 đối với nước thải sinh hoạt và công nghiệp, và f’ cũng
bằng 1 khi nồng độ ionsulfate nhỏ hơn 500 mg/l. nhiệt độ chọn nhiệt độ trung bình của
hồ trong tháng lạnh nhất.
Khi thiết kế hồ tùy tiện cần quan tâm nhiều diện tích mặt nước, tăng nó cũng chính
tăng hiệu suất. Cần chú ý thiết kế dựa trên thông số BOD vào trên bề mặt (Lg,
kg/ha.ngày), được cho bởi:
Lg = 10.Li.Q/Af
Trong đó Af là diện tích hồ, m2
Bước tiếp theo tính thời gian lưu nước
qf = Af.D/Qm
Trong đó:
D là độ sâu, m
Qm lưu lượng trung bình, m
3

/ngày (dịng vào Qi và dịng ra Qe)
15


Diện tích xây dựng hồ:
Af = 10.Li.Q/ls
Trong đó:
Af là diện tích hồ kị khí, m2
Li.Q là lượng BOD, g/ngày
Ls thơng số BOD vào trên bề mặt, kg/ha.ngày
3.1.5. Ứng dụng
Hồ sinh học được dùng rộng rãi để xử lý nước thải. Hiện có gần 5000 hồ tại Mỹ trên

tổng số 12500 hồ trên thế giới.
Hồ kị khí được dùng xử lý trước của nước thải sinh hoạt và công nghiệp, nhưng nhiều
là xử lý nước thải cơng nghiệp có nồng độ chất hữu cơ dễ phân hủy cao. Ngồi ra cịn
được dùng xử lý nước thải trước trong chăn nuôi trước khi thải ra đất.
Hồ tùy tiện trước đây được dùng cho nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Nhưng hiện
nay được dùng nhiều trong xử lý nước chưa qua xử lý của sinh hoạt, hoặc xử lý các
dong thải thứ cấp từ lọc, hồ hiếu khí kị khí… Trên thế giới con người kết hợp hồ tùy
tiện với hồ hiếu khí hoặc kị khí ln trong xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghiệp vì
giá thành thấp kiểm sốt được nhiều vi sinh vật hại.
3.2. CÁC BỂ SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
3.2.1. Bể UASB
3.2.1.1.
Giới thiệu tổng quan
(UASB) công nghệ được giới thiệu tại Ấn Độ vào cuối năm thập niên tám mươi trong
Kế hoạch hành động Ganga (GAP). Một bộ thí điểm đã được lắp đặt tại Kanpur ban
đầu để xử lý một kết hợp của nước thải và nước thải thuộc da và sau đó dành riêng cho
nước thải. Sự phát triển này đã diễn ra khi một nhu cầu mạnh mẽ đối với một 'chi phí
thấp' phù hợp cơng nghệ đã tìm thấy tiếp theo kinh nghiệm của các cơng nghệ hiếu khí
thơng thường dựa nhà máy xử lý nước thải (STP), nơi các chi phí vận hành được coi là
thấp. Tại thời điểm đó, UASB là một cơng nghệ phát triển đã được định vị như là một
lựa chọn hợp lý với khả năng "phục hồi tài nguyên. Được cho rằng công nghệ này sẽ
có lợi cho xử lý nước thải do tính năng độc đáo sau đây của nó
- Nhu cầu năng lượng thấp
16


- Hoạt động và chi phí bảo trì ít
- u cầu kỹ năng thấp hơn cho hoạt động / giám sát
- Sản xuất bùn ít
- Khả năng phục hồi nguồn lực thơng qua phát điện từ khí sinh học và sử dụng bùn

làm phân bón.
Dựa trên kinh nghiệm hạn chế của hai phịng thí điểm ở Kanpur và cân nhắc ở trên,
UASB là lựa chọn công nghệ được ưa chuộng nhất trong Kế hoạch hành động Yamuna
(YAP-I) được thực hiện trong giai đoạn 1993-2002. Theo kế hoạch này 16 STP UASB
là xây dựng trong Haryana và UP thị trấn có khả năng vận hành tổng hợp của gần 600
bể.
3.2.1.2.

Nguyên lý hoạt động

Cơng nghệ UASB đã được tìm thấy là rất hiệu quả để xử lý nước thải cơng nghiệp có
nồng độ cao đặc biệt là từ sản xuất rượu, giấy và bột giấy, thuộc da, và thực phẩm
công nghiệp chế biến. Đối với tải trọng hữu cơ cao, chắc chắn nó cung cấp các lợi thế
về gần tiêu thụ năng lượng khơng đáng kể, O & M thấp chi phí và thu hồi số lượng
đáng kể sinh học năng lượng. Sản xuất phù hợp về số lượng khá lớn khí sinh học từ
chất thải công nghiệp làm cho sản xuất điện cho tiêu dùng tại chỗ là một đề xuất tài
chính hấp dẫn. Các tính năng khác của cơng nghệ, yêu cầu kỹ năng thấp hơn và sản
xuất bùn, có lẽ thêm vào sức hấp dẫn của nó trong bối cảnh cơng nghiệp đến một mức
độ nhất định. Ví dụ, trong ngành công nghiệp chưng cất phù hợp của công nghệ đã
được chứng minh đầy đủ hợp do tiềm năng năng lượng sinh học, trả lại khoảng thời
gian đã được tìm thấy là ít hơn 3 năm.
Tuy nhiên, khi áp dụng cho xử lý nước thải (trong đó BOD 200-300 mg / l), tích lũy
kinh nghiệm cho thấy các tính năng 'độc đáo' khơng có sức thuyết phục cho một loạt
các lý do. Nhìn lại có thể khẳng định rằng tính vượt trội trong xử lý, những vấn đề liên
quan đến đặc điểm nước thải, yêu cầu xử lý thứ cấp, nước thải phù hợp cho khử trùng,
phát điện và phục hồi tài nguyên đều được thực hiện. UASB có thể làm giảm BOD của
nước thải chỉ 70-100 mg / l và là tiền đề giai đoạn thứ hai xử lý hiếu khí để cho phép
phù hợp với xả tiêu chuẩn.
Nước thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn phân phối đều toàn đáy bể, nước thải từ
dưới đi lên vận tốc v = 0,6 – 0,9 m/h. Bùn trong bể lắng hình thành 2 vùng rõ rệt: lớp

bùn đáy bể chiều cao ¼ bể chứa các hạt keo tụ nồng độ 5 – 7% và lớp bùn lơ lửng nồng
17


độ 1000 – 3000 mg/l. Ở các nước nhiệt đới, bể UASB xử lý nước thải được áp dụng
rộng rãi. Chất lượng nước thải đầu ra: COD 140 mg/l, BOD 75 mg/l và TSS 30 mg/l.
Nhiệt độ thấp làm tốc độ thủy phân thấp và phân hủy hữu cơ giảm, giảm hiệu suất tổng
thể bể kị khí. Bể UASB loại bỏ COD ~ 65% ở 20oC và 55-65% tại 13-17oC. Chất
lượng nước thải ra và tốc độ sản xuất khí giảm (giảm 78% tỷ lệ khí đốt tạo ra) khi nhiệt
độ giảm từ 27oC xuống 10oC. Lượng COD bị loại bỏ thấp hơn 25% ở 10oC so với ở
27oC, tích tụ chất rắn lơ lửng trong bể phản ứng. [4]
 Khắc phục
Để cải thiện hiệu suất của bể UASB ở nhiệt độ thấp cần cung cấp diện tích bề mặt để
gắn sinh khối và tăng khối lượng lớp bùn kị khí của bể bằng cách thay thế thiết bị tách
khí/chất rắn của bể UASB bằng bộ lọc. Bể phản ứng UASB – lọc kết hợp đạt 64 %
COD, loại bỏ hơn 4 % so với bể UASB trước đây ở nhiệt độ 13oC đồng thời loại bỏ
phần keo tốt hơn do đính kèm sinh khối trên bộ lọc. [4]
Khí sinh học
Máng thu nước
Nước ra
Thiết bị tách
khí
Tấm hướng
dịng

Bọt khí
Hạt bùn
Tầng bùn kị khí

Nước vào

Sơ đồ hoạt động bể UASB [4]

18


3.2.1.3.

Thu hồi năng lượng

Thu hồi năng lượng sinh học được coi là một yếu tố quan trọng trong lợi của một
UASB để xử lý nước thải. Tuy nhiên, một số hạn chế như được liệt kê dưới đây đã
được nhận ra đó ngăn chặn thực hiện các lợi ích.
Khí sinh học phụ thuộc vào lượng BOD đầu vào và tùy thuộc vào môi trường xung
quanh và nhiệt độ nước thải và các biến thể khác. Nhiệt độ trong bể thấp từ 3 – 5oC sẽ
gây cản trở cho vi sinh vật kỵ khí sinh trưởng và phát triển. Vì vậy sản xuất khí sinh
học được tìm thấy đi xuống đáng kể trong tháng mùa đông ở miền Bắc Ấn Độ. Lượng
khí sinh học được sản xuất trong một bể UASB vừa và nhỏ không phải là đầy đủ để
đảm bảo lợi nhuận của năng lượng sinh học.
Các động cơ trong bể do chi phí thấp ln địi hỏi số lượng lớn dầu diesel là nhiên liệu
bổ sung. Rõ ràng, chi phí dầu diesel hóa ra là khơng chỉ cao nhưng bất lợi là điện được
thực hiện miễn phí cho các cơ quan điều hành STP. Kinh tế môi trường và sử dụng
19


nguồn lực ngồi, nó khơng có ý nghĩa kinh doanh cho cơ quan điều hành để chạy máy
phát điện nhiên liệu diesel đấu trên mua bên ngồi.
Cuối cùng, có một nguy cơ ăn mịn của các bộ phận cơ khí sinh học như thường chứa
hydrogen sulphide. Công nghệ cho desulpherisation là một mặt không phổ biến rộng
rãi ở Ấn Độ và mặt khác nó địi hỏi thêm định kỳ chi phí. Đã có trường hợp động cơ

khí được đưa ra do ăn mịn nghiêm trọng.
3.2.2. Các loại hầm kỵ khí
3.2.2.1.

Các loại hầm ủ

Người ta có thể chia các loại hầm ủ theo 3 cách vận hành chính
 Vận hành theo mẽ
Trong cách vận hành này , hầm ủ được nạp đầy nguyên liệu trong một lần, cho thêm
chất mồi 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 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 vào và quá trình cứ tiệp tục. Theo kiểu vận hành này thì lượng khí sinh ra
hằng ngày khơng ổn định nó thường cao vào lúc mới nạp và giảm dần đến cuối chu kỳ
 Vận hành bán liên tục
Nguyên liệu được nạp vào hầm 1 hoặc 2 lần 1 ngày và cúng một lượng chất thải của
hầm ủ sẽ được lấy ra ngay các thời điểm đó. Kiểu vận hành này thích hợp khi ta có một
lượng chất thải thường xun. Thể tích của hầm ủ phải đủ lớn để làm 2 nhiệm vụ: ủ
phân và chứa gas. Theo kiểu vận hành nầy thì tổng thể tích gas sản xuất được trên một
đơn vị trọng lượng chất hữu cơ thường cao
 Vận hành lien tục
Ở cách vận hành này việc nạp nguyên liệu và lấy chất thải của hầm ủ được tiến hành
liên tục. Lượng nhiên liệu nạp được giữ ổn định bằng cách cho chảy tràn vào hầm ủ
hoặc dùng boom định lượng. Phương pháp này thường dùng để xử lý các loại nước thải
có hàm lượng chất rắn thấp
Nếu khơng có chất thải hầm ủ làm chất mồi thì cũng có thể sử dụng phân gia súc .
trong trường hợp này thì hầm ủ sẽ hoạt động ổn dịnh trong vòng 20-30 ngày sau khi
bắt đầu vận hành.
3.2.2.2.

Các mẫu hầm ủ
20


 Hầm ủ nắp vòm cố định ( Trung Quốc )
Loại hầm này có phần chứa khí được xây dựng ngay trên phần ủ phân. Do đó, thể tích
của hầm ủ bằng tổng thể tích của 2 phần này. Hầm ủ có dạng bán cầu được chơn hồn
tồn dưới đất để tiết kiệm diện tích và ổn định nhiệt độ. Phần chứa khí được tơ bằng
nhiều lớp vữa để đảm bảo u cầu kín khí. Ở phần trên có một nắp đậy được hàn kín
bằng đất sét, phần nắp này giúp cho thao tác làm sạch hầm ủ khi các chất thải rắn đầy
hằm

Loại hầm ủ này rất phổ biến ở Trung Quốc, nhưng có nhược điểm là phần chứa khí khó
xây dựng và đảm bảo độ kín 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 toán lại kết cấu của hầm ủ này nhầm
cho ra đời loại mới .
 Hầm ủ nắp trôi nổi ( Ấn Độ )
Loại hầm này rất phổ biến ở Ấn Độ, còn gọi là hầm ủ kiểu KVIC ( được thiết kế bởi
Khadi and Village Industries Commission). Gồm có một phần hầm hình trụ xây bằng
gạch hoặc betong lưới thép và một chng chứa khí trơi nổi trên bề mặt của hầm ủ.
Chng chứa khí thường được làm bằng thép tấm, betong lưới thép , chất dẻo hoặc sợi
thuỷ tinh. Loại hầm ủ này bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhân tố môi trường như nhiệt độ.

21


Nắp hầm ủ dễ bị ăn mòn hoặc bị lão hoá. Một nhược điểm khác là áp suất gas thấp .

 Một số hầm ủ ở Việt Nam

a) Hầm ủ CT1
Ở Việt Nam ngoài việc áp dụng các mẫu hầm ủ nắp vịm cố định, nắp trơi nổi, TTNLM
cịn thiết kế mẫu hầm ủ CT1. Loại hầm ủ này là biến dạng của hầm ủ nắp cố định, hầm
ủ có dạng hình trụ trịn, có chng chứa khí làm bằng xi măng lưới thép, các cấu kiện
của hầm ủ được đúc sẳn do đó thời gian thi cơng rút ngắn xuống còn từ 2, 3 ngày . Loại
hầm ủ này được phát triển trên 100 cái ở khu vực Cần Thơ và các tỉnh ĐBSCL, tuổi
thọ của hầm ủ trên 10 năm. Hiện nay loại hầm ủ này khơng cịn được ưa chuộng nũa,
bởi kiến trúc khó khăn cồng kềnh, tốn kém di chuyển.

22


b) Hầm ủ có chng chứa khí riêng biệt
Loại hầm ủ này có thể giống như bất kỳ một kiểu nào đã nêu ở trên chỉ khác là có
chng chứa khí nằm riêng, chng chứa khí này có thể dùng chung cho một vài hầm ủ
. Ưu điểm chính của loại hầm này là khả năng cung cấp gas ổn định với áp suất ổn định
. Tuy nhiên loại hầm ủ này không phổ biến

23


3.2.3. Bể sinh học kỵ khí hai giai đoạn
Hệ thống sinh học phân hủy kỵ khí 2 giai đoạn thường Được thiết kế cho vùng dân
cư từ 30.000 – 50.000 người. Ở giai đoạn đầu, các hoạt động sinh hóa chính là sự
lỏng hóa các chất rắn hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hòa tan và sự khí
hóa. Ở giai đoạn thứ hai xảy ra chủ yếu là sự khí hóa, tuy nhiên, vẫn có sự phân chia ở
bề mặt, chứa khí và phân hủy bùn. Giai đoạn đầu thường là quá trình phân hủy tải
trọng cao với sự hòa trộn liên tục các chất, trong khi đó ở giai đoạn hai thường là sự
hịa trộn ở tải trọng thấp với sự nổi trên bề mặt và pha trộn không liên tục. Các chất
hữu cơ cung cấp ban đầu ở dòng vào trong giai đoạn một thường lớn hơn so với giai

đoạn hai.

Hầu hết các Bể phân hủy Được giữ ở nhiệt độ 85oF – 100oF trong suốt mùa lạnh để
đẩy mạnh thời gian phân hủy. Khí thốt ra từ hệ thống Được sự dụng cho mục đích
giữ nhiệt. Khoảng pH thuận lợi nhất từ 7 – 7,2 có thể Được duy trì nếu lượng bùn
sạch Được cung cấp hàng ngày ở dạng hạt, và lượng bùn thêm cũng như bùn thải
không quá thừa. Thông thường, sự acid hóa sẽ khơng xảy ra nếu bùn khơ Được thêm
vào hoặc lượng bùn dư hàng ngày không vượt q 3 – 5% lượng bùn khơ có trong
hệ thống. Sự acid thể hiện ở sự giảm pH, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn
methane, giảm khả năng tạo khí, … và vì vậy nó có thể phát sinh ra mùi khó chịu,
tạo bọt và bùn nổi. Chất lỏng trên bề mặt chính là nước thốt ra trong q trình phân
hủy, nó có thể có BOD5 cao đến 2.000 mg/l và nồng độ các chất rắn lơ lửng lên đến
24