Bể UASB, Cấu tạo, thiết kế của bể UASB để sử lý sinh học kỵ khí

Trong bể  lọc ngược qua tầng bùn kị khí UASB, các chất bẩn hữu cơ trong nước thải được giữ lại và ô xy hoá trong điều kiện yếm khí ngay tại trong lớp bùn hoạt tính kỵ khí ở vùng đáy bể. Các chất khí tạo thành trong quá trình lên men trong lớp bùn này sẽ nổi lên, cuốn theo các hạt bùn và được tách khỏi chúng khi va phải tấm chắn phía trên.
Các hạt bùn được quay rơi trở lại tầng cặn. Khí được thu và dẫn ra ngoài về thùng chứa khí. Nước thải sau khi lắng tách bùn cặn được thu về máng nước trong phía trên và dẫn ra khỏi bể. Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể UASB được nêu trên hình 3.15.

Bể UASB

 5.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Vi sinh vật
Chất hữu cơ ——————-> CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới

Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 5.1):

–          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, H2và 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:

Quy trình phân hủy
Quy trình phân hủy

 

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).

Xem thêm: Cấu tạo và nguyên lý của bể Anoxic

5.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ UASB

5.2.1 Cấu Tạo

Đây 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 5.2. 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.

Sơ đồ cấu tạo UASE
Sơ đồ cấu tạo UASE

5.2.2 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.

5.2.3 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 5.3 và 5.4.

Bảng 5.1 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
Bảng 5.2 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

Bảng 5.3 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

Bảng 5.4 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

Tính Thể Tích Và Kích Thước BểĐể 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:

cong thuc
cong thuc

Trong đó:

–   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

Để tính toán tổng thể tích chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (phía dưới thiết bị tách ba pha rắn-lỏng-khí), có thể sử dụng hệ số hữu ích dao động trong khoảng 0,8-0,9. Như vậy, tổng thể tích hữu ích trong thiết bị, chưa kể phần thể tích chiếm chỗ bởi thiết bị tách ba pha rắn-lỏng-khí sẽ được tính như sau:

Trong đó:

–   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

Để tính toán tổng thể tích chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (phía dưới thiết bị tách ba pha rắn-lỏng-khí), có thể sử dụng hệ số hữu ích dao động trong khoảng 0,8-0,9. Như vậy, tổng thể tích hữu ích trong thiết bị, chưa kể phần thể tích chiếm chỗ bởi thiết bị tách ba pha rắn-lỏng-khí sẽ được tính như sau:

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

Trong đó:

–   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:

Trong đó:

–   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 = H+ 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 5.5 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

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.
Nguồn: http://westerntechvn.com.vn/be-loc-nguoc-qua-tang-bun-ky-khi-be-uasb.htm

XỬ LÝ KỴ KHÍ TRONG BỂ UASB

Xử lý kỵ khí trong bể UASB là quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành chất khí (CH4 và CO2) trong điều kiện không có oxy.

Việc chuyển hoá các axit hữu cơ thành khí mêtan sản sinh ra ít năng lượng.
Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nhiệt độ nước thải, pH, nồng độ MLSS. Nhiệt độ thích hợp cho phản ứng sinh khí là từ 32 ÷ 35oC.
Ưu điểm nổi bật của quá trình xử lý kỵ khí là lượng bùn sản sinh ra rất thấp, vì thế chi phí cho việc xử lý bùn thấp hơn nhiều so với các quá trình xử lý hiếu khí..

Vì sao cần xử lý kỵ khí trong bể UASB cho nhà máy bia?

Trong bể UASB, dòng nước thải bắt đầu đi vào bể từ dưới  đáy bể thông qua hệ thống phân phối dòng vào. Nước thải chuyển động trong bể UASB rất chậm với vận tốc khoảng từ 0.6 đến 1m/h. Hướng dòng nước là từ đáy bể đi dần lên trên, xuyên lớp bùn vi sinh kỵ khí lơ lửng.

Trong điều kiện kỵ khí, các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ phân hủy thành các hợp chất nhỏ hơn, hình thành khí CH4, CO2, tạo nên sự xáo trộn bên trong bể. Khí đc tạo ra có khuynh hướng bám vào các hạt bùn, nổi lên trên mặt bể, va chạm tấm hướng dòng. Các tấm này có nhiệm vụ tách khí, bùn và nước. Các hạt bùn được tách khí sẽ rơi xuống lại tầng bùng lơ lửng. Khí sinh học sẽ được thi bằng hệ thống thu khí.

Đặc điểm nhà máy bia là COD, BOD rất cao, nếu chỉ xử lý thông thường thì khó mà đạt chuẩn. Vì vậy, xử lý UASB sẽ đảm bảo đầu ra đạt chuẩn cho phép.

Vi sinh cần dùng để xử lý kỵ khí trong bể UASB có thể kế đến Anaerobic Digester được nhập khẩu trực tiếp từ nước Anh

 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *