Phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ
Trong điều kiện không có ô xy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ vi sinh vật và sản phẩm cuối cùng của quá trình này là các chất khí như mêtan (CH4) và cácbonic (CO2) được tạo thành. Quá trình chuyển hoá chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kỵ khí chủ yếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các bước sau đây
1. Bước 1: Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn như monosacarit, amino axit hoặc các muối pivurat khác. Đây là nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi khuẩn hoạt động.
2. Bước 2: Các nhóm vi khuẩn kỵ khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hoá các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit axetic hoặc glixerin, axetat…
CH3CH2COOH + 2H2O ® CH3COOH + CO2 + 3H2 (3.1a)
axit prifionic axit axetic
CH3CH2CH2COOH + 2H2O ® 2CH3COOH + 2H2 (3.1b)
axit butiric axit axetic
3. Bước 3: Các nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩn lên men metan như Methanosarcina và Methanothrix) đã chuyển hoá axit axetic và hyđro thành CH4 và CO2 .
CH3COOH ® CO2 + CH4 (3.2a)
axit axetic
CH3COO– + H2O ® CH4 + HCO3– (3.2b)
HCO3– + 4H2 ® CH4 + OH– + 2H2O (3.2c)
Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ có thể được biểu diễn theo sơ đồ nêu trên hình 3.1.
Phương trình tổng quát biểu diễn lên men kỵ khí như sau:
(3.3)
Theo các phản ứng trên khi lên men hoàn toàn, 113g chất hữu cơ có thể tạo thành 2,5 mol CH4 hay là 0,98 Nm3 khí sinh học/kg chất hữu cơ trong điều kiện tiêu chuẩn. Nếu một người trong 1 ngày nếu xả vào môi trường 100g COD thì lượng chất hữu cơ này có thể tạo nên được 35 lít CH4. Quá trình lên men bùn cặn có hiệu quả khi tỷ lệ COD:N:P = 350:5:1
Quá trình lên men kỵ khí diễn ra trong 2 điều kiện nhiệt độ: Lên men ấm ở nhiệt độ từ 29 đến 380C và lên men nóng ở nhiết độ 49 đến 570C. Khi lên men nóng, tốc độ phân hủy chất hữu cơ tăng gần 2 lần so với lên men ấm. Tuy nhiên ổn định được nhiệt độ cao trong công trình rất phức tạp và chi phí năng lượng lớn.
Độ pH thích hợp nằm từ 6,6 đến 7,6 với giá trị tối ưu xấp xỉ 7,0. Trong quá trình lên men, pH của hỗn hợp chất hữu cơ sẽ thay đổi từ mức thấp lên mức cao. Để duy trì pH, người ta thường bổ sung thêm kiềm (canxi cácbonat , natri bicacbonat ,…) để hàm lượng bicacbonat nằm ở mức 2.500 – 5.000 mg/l. Yêu cầu nồng độ các chất dinh dưỡng của nước thải là: COD:N:P = 350:5:1. Trong hỗn hợp bùn cặn phân hủy kỵ khí, nồng độ một số ion phải nằm ở mức nhất định: nồng độ lớn nhất của ion Na+ là 0,3 mol/l; của NH4+ là 0,1 mol/l; ion K+ là 0,09 mol/l …. Hàm lượng kim loại nặng trong bùn cặn như đồng, kẽm và niken phải nằm ở mức thấp.
Các loại bể kỵ khí
Theo nguyên tắc hoạt động và cơ chế quá trình xử lý nước thải, lên men bùn cặn lắng trong công trình, người ta chia các loại bể XLNT kỵ khí như sau:
a. Các loại bể lắng nước thải kết hợp lên men bùn cặn lắng.Trong các công trình này diễn ra quá trình lắng cặn nước thải (xử lý sơ bộ hoặc xử lý bậc một) và lên men bùn cặn lắng. Đó là các loại công trình: bể tự hoại, bể lắng hai vỏ (bể Imhoff), bể lắng trong kết hợp với ngăn lên men … đang được ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và các loại nước thải khác có thành phần, tính chất tương tự.
b. Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc. Trong bể này, nước thải chưa xử lý được trộn đều với bùn yếm khí tuần hoàn theo sơ đồ nêu trên hình 3.2.
c. Bể lọc kỵ khí.Trong bể này có lắp đặt các giá thể vi sinh kỵ khí dính bám, là các loại vật liệu hình dạng, kích thước khác nhau, đóng vai trò như vật liệu lọc. Các dòng nước thải có thể đi từ dưới lên hoặc trên xuống. Các chất hữu cơ được vi khuẩn hấp thụ và chuyển hoá để tạo thành CH4 và các loại chất khí khác. Các loại khí sinh học được thu gom tại phần trên bể.
d. Bể phản ứng kỵ khí có dòng nước thải đi qua tầng cặn lơ lửng. Dạng điển hình của loại bể này là bể lọc ngược qua tầng bùn kỵ khí ( Upflow Anacrobic Sludge Blanket – UASB)
Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể tự hoại .
Bể tự hoại là công trình xử lý nước thải bậc một ( xử lý sơ bộ ) đồng thời thực hiện hai chức năng: lắng nước thải và lên men cặn lắng. Sơ đồ cấu tạo bể tự hoại nêu trên hình 3.3 . Bể tự hoại có dạng hình chữ nhật hoặc hình tròn trên mặt bằng, xây dựng bằng gạch, bê tông cốt thép, hoặc chế tạo bằng vật liệu Composite. Bể được chia thành 2 hoặc 3 ngăn. Do phần lớn cặn lắng tập trung trong ngăn thứ nhất nên dung tích ngăn này chiếm 50 đến 75% dung tích toàn bể. Các ngăn thứ hai hoặc thứ ba của bể có dung tích bằng 25% đến 35% dung tích toàn bể. Bể thường sâu 1,5 đến 3,0m, chiều sâu lớp nước trong bể tự hoại không bé hơn 0,75m và không lớn hơn 1,8m, chiều rộng của bể tối thiểu là 0,9m và chiều dài tối thiểu là 1,5m. Thể tích bể tự hoại không nhỏ hơn 2,8m3 trong đó thể tích phần lắng không nhỏ hơn 2,0m3. Cấu tạo một số loại bể tự hoại hai ngăn hoặc ba ngăn được nêu trên các hình 3.3a và 3.3b. Kích thước của một số loại bể tự hoại BTCT thường được ứng dụng ở Việt nam được nêu trong bảng 3.1.
Các ngăn bể tự hoại được chia làm hai phần : phần lắng nước thải (phía trên ) và phần lên men cặn lắng ( phía dưới ). Nước thải vào với thời gian lưu lại trong bể từ 1 đến 3 ngày. Do vận tốc trong bể bé nên phần lớn cặn lơ lửng được lắng lại. Hiệu quả lắng cặn trong bể tự hoại từ 40 đến 60% phụ thuộc vào nhiệt độ và chế độ quản lý, vạn hành bể. Qua thời gian 3 đến 6 tháng, cặn lắng len men yếm khí. Quá trình lên men chủ yếu diễn ra trong giai đoạn đầu là lên men axit / 9,34/. Các chất khí tạo nên trong quá trình phân giải (CH4,CO2,H2S…) nổi lên kéo theo các hạt cặn khác có thể làm cho nước thải nhiểm bẩn lại và tạo nên một lớp váng nổi trên mặt nước. Chiều dày lớp váng này có thể từ 0,3 đến 0,5m.
Để dẫn nước thải vào và ra khỏi bể người ta thường dùng các phụ kiện tê (T) với đường kính tối thiểu là 100 mm với một đầu ống đặt dưới lớp màng nổi, đầu khác được nhô lên phía trên để tiện kiểm tra và tẩy rửa. Cặn trong bể tự hoại được lấy ra theo định kỳ. Mỗi lần lấy phải để lại khoảng 20% lượng cặn đã lên men lại trong bể để làm giống men cho bùn cặn tươi mới lắng, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy cặn
