Đề tài Bể yếm khí tầng sôi UASB

QUÁ TRÌNH SINH HỌC VÀ BỂ YẾM KHÍ UASB. QUÁ TRÌNH SINH HỌC. Xử lý sinh học bằng bể yếm khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải khi không có oxy. Quy trình này được áp dụng để xử lý ổn định cặn và xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ BOD, COD cao. Quá trình chuyển hoá chất hữu cơ trong nước bằng vi sinh yếm khí xảy ra theo 3 bước: Một nhóm vi sinh vật tự nhiên có trong nước thuỷ phân các hợp chất hữu cơ phức tạp và lipit thành các hợp chất hữu cơ đơn giản có trọng lượng nhẹ như monosaccharide, aminoaxit để tạo ra nguồn thức ăn và năng lượng cho vi sinh hoạt động. Nhóm vi khuẩn tạo men axit biến đổi các hợp chất hữu cơ đơn giản thành các axit hữu cơ thường là axit acetic, nhóm vi khuẩn yếm khí tạo axit trong các tài liệu thoát nước là axit focmơ. Nhóm vi khuẩn tạo metan chuyển hoá hydro và acid acetic thành khí mêtan và carbonic. Nhóm vi khuẩn này thường được gọi là mêtan focmơ, chúng cớ rất nhiều trong dạ dày của động vật nhai lại. Vai trò quan trọng của nhóm vi khuẩn này là tiêu thụ hydro và acid acetic , chúng tăng trưởng rất chậm và quá trình xử lý yếm khí chất thải được thực hiện khi khí mêtan và carbonic thoát ra khỏi hỗn hợp. Để duy trì sự ổn định của quá trình xử lý yếm khí, phải duy trì được tình trạng cân bằng động của quá trình theo ba bước đã nêu. Muốn vậy trong bể phải đảm bảo: Không có oxy. Không có hàm lượng quá mức của kim loại nặng. Giá trị pH của hỗn hợp từ 6,6- 7,6. Phải duy trì đủ độ kiềm khoảng 1000-1500mg/l làm dung dịch đệm để ngăn cản pH giảm xuống dưới 6,2. Nhiệt độ của hỗn hợp (nước thải) từ 27-38oC. Phải đủ chất dinh dưỡng theo tỷ lệ COD : N : P = 350 : 5 : 1 và nồng độ thấp của các kim loại sắt … Dựa theo cấu tạo công trình và nguyên tắc hoạt động, những bể phản ứng có dòng nước xử lý đi từ dưới lên qua lớp cặn lơ lửng phía trên gọi là bể yếm khí tầng sôi UASB (Uplfow Anaerobic Sludge Blanket) . CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ UASB. Bể điều hoà lưu lượng và trạm bơm nước thải. Bộ phận đo và điều chỉnh pH. Định lượng chất dinh dưỡng N,P nếu cần. Ống dẫn và dàn ống phân phối nước thải đều trong bể. Thể tích vùng phản ứng yếm khí. Cửa tuần hoàn lại cặn lắng. Tấm chắn khí. Cửa dẫn hỗn hợp bùn nước sau khi đã tách khí vào ngăn lắng. Thể tích vùng lắng bùn. Máng thu nước. Ống dẫn hỗn hợp khí metan. Ống dẫn nước sang bể xử lý hiếu khí. Thùng chứa khí. Ống dẫn khí đốt. Ống xả bùn dư thừa. Nước thải sau khi được điều chỉnh pH, theo ống dẫn vào hệ thống phân phối và phải đảm bảo phân phối đều nước trên diện tích đáy bể. Nước thải đi từ dưới lên với vận tốc V = 0.6 ð 0.9 m/h. Hỗn hợp bùn yếm khí trong bể hấp phụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải sẽ được phân hủy và chuyển hóa thành khí (khoảng 70 - 80% là metan và 20 – 30% là cacbonic). Bọt khí sinh ra bám vào hạt bùn cặn nổi lên trên, sẽ gây xáo trộn và tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Khi hạt cặn nổi lên, va phải tấm chắn (7) sẽ bị vỡ ra và rơi xuống dưới. Hỗn hợp bùn nước đã tách hết khí qua cửa (8) vào ngăn lắng. Nước thải trong ngăn lắng tách bùn lắng xuống dưới đáy qua cửa (6), tuần hoàn lại vùng phản ứng yếm khí. Nước trong dâng lên trên được thu vào máng (10) theo ống (12) dẫn sang bể làm sạch hiếu khí (làm sạch đợt 2). Khí Biosgas được dàn ống (11) thu về bình chứa (13) theo ống dẫn khí đốt (14) đi ra ngoài. Sự phân bố bùn trong bể: Bùn trong bể là sinh khối đóng vai trò quyết định trong việc phân hủy và chuyển hóa chất hữu cơ, bùn được hình thành 2 vùng rõ rệt trong bể phản ứng. Ở chiều cao khoảng ¼ bể tính từ đáy lên, lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ nồng độ từ 5-7%, trên lớp này là lớp bùn lơ lửng nồng độ từ 1000-3000mg/l gồm các bông cặn chuyển động giữa lớp bùn đáy và bùn tuần hoàn từ ngăn lắng rơi xuống. Trên mặt tiếp giáp với pha khí, nồng độ bùn trong nước là bé nhất. Nồng độ cao của bùn hoạt tính trong bể cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao. Để hình thành khối bùn hoạt tính đủ nồng độ, làm việc có hiệu quả đòi hởi thời gian vận hành khởi động từ 3-4 tháng. Nếu cấy vi khuẩn tạo acid và vi khuẩn tạo metan trước với nồng độ thích hợp và vận hành với chế độ thủy lực ≤ ½ công suất thiết kế, thời gian khởi động có thể rút xuống từ 2-3 tuần. Cặn dư thừa định kì xả ra ngoài. Lượng cặn dư chỉ bằng 0,15-0.2 hàm lượng COD, tức là bằng nửa cặn sinh ra khi xử lý hiếu khí. Cặn xả ra ổn định có thể đưa trực tiếp đến thiết bị làm khô. Quá trình lắng: Hỗn hợp vi sinh yếm khí phân hủy chất hữu cơ trong bể ở tình trạng trộn lẫn giữa 3 pha: khí, nước, bùn. Để đưa nước ra khỏi bể, trước hết phải tách khí ra khỏi hỗn hợp bằng các tấm tách khí đặt nghiêng so với phương ngang ≥55o. Sau khi tách khí, hỗn hợp bùn nước chảy theo cửa số (8) với vận tốc 9-10m/h vào ngăn lắng (9). Thể tích ngăn lắng tính theo thời gian lưu nước ≥ 1 giờ. Cặn rơi xuống đáy hình côn của ngăn lắng chảy theo khe (6) trở lại ngăn phân huỷ yếm khí (5). Tổng chiều cao ngăn lắng 2m, chiều cao phần lắng ≥ 1m. ƯU ĐIỂM VÀ KHUYẾT ĐIỂM. Ưu điểm. Ít tiêu tốn năng lượng vận hành. Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn. Bùn sinh ra dễ tách nước. Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng. Có khả năng thu hồi khí metan. Bùn kỵ khí có thể hồi phục và hoạt động lại được sau một thời gian ngưng nạp liệu. Khuyết điểm Xây dựng thiết bị tốn kém và vận hành phức tạp. ỨNG DỤNG CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP GIẤY Eerbeck – Hà Lan. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY. Công nghệ sản xuất giấy bao gồm hai quá trình cơ bản: sản xuất bột giấy từ nguyên liệu thô và sản xuất giấy từ bột giấy. Sản xuất bột giấy là giai đoạn gia công xử lý nguyên liệu để tách các thành phần không phải là xenlulo sao cho thu được bột giấy có hàm lượng xenlulo càng cao càng tốt. Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất bột giấy là xơ sợi thực vật, chủ yếu từ gỗ, ngoài ra còn có đay, gai, tre nứa và các phụ phẩm nông nghiệp như rơm, bã mía… Các nguyên liệu phải đảm bảo: Hàm lượng xenlulo phải lớn hơn 35% khối lượng trong nguyên liệu khô tuyệt đối để đạt hiệu suất thu hồi bột cao và hạ giá thành sản phẩm. Hàm lượng lignin, hemixenlulo và các tạp chất khác phải thấp để giảm hoá chất nấu, tẩy, giảm thời gian nấu và qua đó tránh được ảnh hưởng xấu tới chất lượng của xenlulo. Lignin là chất có độ trùng hợp cao, ở dạng vô định hình, thành phần chủ yếu là các đơn vị phenylpropan nối kết với nhau thành khối không gian 3 chiều. Lignin dễ bị oxy hoá, hoà tan trong kiềm, trong dung dịch sulfit hay muối của acid H2SO3. Hemixenlulo là chất tổng hợp cacbonhydrat với cấu trúc thành phần của nó chỉ có gluco. Hemixenlulo không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ và bị phân huỷ trong dung dịch kiềm hay acid loãng khi đun sôi. Các chất chiết của các tổ chức thực vật bao gồm acid béo, nhựa acid, các hợp chất thơm và các loại alcol. Hầu hết các chất này đều tan trong dung môi hữu cơ. Về nguyên lý cơ bản, các phương pháp để sản xuất bột giấy bao gồm: cơ học, nhiệt học và hoá học. Trong thực tế sản xuất thường kết hợp các phương pháp trên: phương pháp bán hoá, phương pháp hoá nhiệt cơ và phương pháp hoá học. Phương pháp cơ học thuần tuý cho hiệu suất bột cao nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng và bột này tạo ra giấy có độ bền không cao, giấy dễ bị biến vàng. Trong các phương pháp kết hợp đều có dùng hoá chất để nấu mục đích là tách lignin và các tạp chất khác ra khởi xenlulo. Trong công nghệ sản xuất bột giấy bằng phương pháp sulfat và sulfit thường gắn liền với công đoạn rửa bột. Hiện nay trên thế giới 75% công nghệ sản xuất bột giấy là công nghệ sunfat và sunfit. Bột giấy sản xuất bằng hai công nghệ này có độ bền và độ trắng cao. Hai công nghệ này có thể sử dụng cho nhiều loại nguyên liệu và có khả năng thu hồi hoá chất nấu bằng phương pháp cô đặc-đốt-xút hoá, dịch đen được tái sinh sử dụng lại dung dịch kiềm cho công đoạn nấu. Ngoài nguyên liệu xơ sợi, công nghiệp giấy còn sử dụng một lượng lớn các hoá chất ở các công đoạn nấu, tẩy, xeo giấy như đá vôi, xút, cao lanh, nhựa thông, các chất kết dính tự nhiên và tổng hợp, các chất oxy hoá để khử lignin như clo, hypoclorit, peroxit… Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy và các nguồn nước thải. Nguyên liệu thô (tre, nứa, gỗ…) Cô đặc – đốt – xút hoá Nấu Hơi nước Hoá chất nấu Tẩy trắng Rửa Nghiền bột Nước thải có độ màu, BOD5, COD cao Nước ngưng Hoá chất tẩy Nước rửa DD đệm tuần hoàn Dich đen Nước ngưng Nước thải có SS, BOD5, COD cao Chất độn, phụ gia Xeo giấy Sấy Sản phẩm Nước ngưng Nước thải có SS, BOD, COD cao Phèn/Dầu/Nước/Hơi nước Hơi nước Nước thải chứa tạp chất Nước rửa Gia công nguyên liệu thô Gia công nguyên liệu thô: bao gồm rửa sạch nguyên liệu, loại bỏ tạp chất và cát mảnh theo kích cỡ thích hợp đáp ứng yêu cầu của phương pháp sản xuất bột giấy. Sản xuất bột giấy: là quá trình gia công xử lý nguyên liệu để tách các thành phần không phải là xenlulo sao cho thu được bột giấy có hàm lượng xenlulo sàng cao càng tốt. Tính chất của bột giấy ngoài phụ thuộc và đặc tính nguyên liệu đầu còn phụ thuộc vào công nghệ nấu và xử lý bột. với các công nghệ khác nhau, tính chất bột cũng khác nhau. Rửa bột: mục đích tách bột xenlulo ra khỏi dịch đen. Dịch đen bao gồm các hợp chất chứa natri. Quá trình rửa bột thường sử dụng nước sạch, lượng nước hạn chế ở mức tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo sao cho tách bột xenlulo đạt hiệu quả cao và nồng độ kiềm trong dịch đen là cao nhất và độ pha loãng là nhỏ nhất để giảm chi phí cho qus trình xử lý tái sinh thu hồi kiềm. Tẩy trắng: với yêu cầu sản xuất các loại giấy cao cấp có độ trắng cao, bột giấy cần phải được tẩy trắng. Mục đích của tẩy trắng là tách lignin còn lại và một số thành phần khác không phải xenlulo như hemixenlulo Nghiền bột giấy: mục đích là cho các xơ sợi được hydrat hoá, dẻo dai, tăng bề mặt hoạt tính, giải phóng gốc hydroxyl làm tăng diện tích bê mặt, tăng độ mềm mại, hình thành độ bền của tờ giấy. sau công đoạn nghiền bột, bột giấy được trộn với chất độn và chất phụ gia rồi đưa đến bộ phận xeo giấy. Xeo giấy là quá trình tạo hình sản phẩm trên lưới và thoát nước để giảm độ ẩm của giấy, sau đó đem sấy để tạo sản phẩm khô. Thu hồi hoá chất mục đích để đạt được hiệu quả kinh tế cao NƯỚC THẢI NHÀ MÁY GIẤY VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ. Các nguồn phát sinh nước thải và đặc tính nước thải trong ngành giấy. Công nghệ sản xuất giấy và bột giấy là một trong những công nghệ sử dụng nhiều nước. tuỳ theo từng công nghệ và sản phẩm lượng nước cần thiết để sản xuất 1 tấn giấy dao động 200 đến 500 m3. Nước được dùng cho các công đoạn rửa nguyên liệu, nấu , tẩy xeo giấy và sản xuất hơi nước. trong các nhà máy giấy hầu như tất cả lượng nước đưa vào sử dụng sẽ là lượng nước thải và mang theo tạp chất, hoá chất, bột giấy, các chất ôi nhiễm dạng hữu cơ và vô cơ nếu như không có hệ thống xử lý tuần hoàn lại nước và hoá chất. Các dòng thải chính của nhà máy sản xuất bột giấy và giấy bao gồm: Dòng thải rửa nguyên liệu bao gồm các chất hữu cơ hoà tan, đất đá, thuốc bảo vệ thực vật, vỏ cây… Dòng thải của quá trình nấu và rửa sau nấu chứa phần lớn các chất hữu cơ hoà tan, các hoá chất nấu và một phần xơ sợi. dòng thải có màu tối nên gọi là dịch đen. Dịch đen có nồng độ chất khô khoảng 25-35%, tỉ lệ giữa chất hữu cơ và vô cơ là 70-30. Thành phần hữu cơ chủ yếu là trong dịch đen lignin hoà tan vào dung dịch kiềm (30-35% khối lượng chất khô) ngoài ra là những sản phẩm phân huỷ hydratcarbon, axit hữu cơ. Thành phần vô cơ bao gồm những hoá chất nấu, một phần nhỏ là NaOH, Na2S tự do. Na2SO4, Na2CO3 còn phần nhiều là kiềm natrisulphat liên kết với các chất hữu cơ trong kiềm. ở các nhà máy lớn dòng thải này được xử lý để thu hồi tái sinh sử dụng lại kiềm bằng phương pháp cô đặc – đốt cháy các chất hữu cơ – xút hoá. Đối với các nhà máy nhỏ thường không có hệ thống thu hồi dịch đen, dòng chảy này được thải thẳng cùng các dòng thải khác của nhà máy, gây tác động xấu đến môi trường. Dòng thải từ công đoạn tẩy của các nhà máy sản xuất bột giấy bằng phương pháp hoá học và bán hoá chứa các hợp chất hữu cơ, lignin hoà tan và hợp chất tạo thành của những chất đó với chất tẩy ở dạng độc hại, có khả năng tích tụ sinh học trong cơ thể sống như các hợp chất clo hữu cơ, làm tăng AOx trong nước thải. Dòng thải từ quá trình nghiền bột và xeo giấy chủ yếu chứa xơ sợi mịn, bột giấy ở dạng lơ lửng và các chất phụ gia như nhựa thông, phẩm màu , cao lanh. Dòng thải từ các khâu rửa thiết bị, rửa sàn, dòng chảy tràn có hàm lượng chất lơ lửng và các hoá chất rơi vãi. Dong chảy này không liên tục. Nước ngưng của quá trình cô đặc trong hệ thống xử lý thu hồi hoá chất tù dịch đen. Mức độ ôi nhiễm của nước ngưng phụ thuộc vào loại gỗ và công nghệ sản xuất. Dòng thải từ công nghệ xeo giấy chứa chủ yếu bột giấy và các chất phụ gia. Phần lớn các dòng nước thải này được tuần hoàn sử dụng trực tiếp cho giai đợn tạo hình giấy hay cho công đoạn chuẩn bị nguyên liệu vào máy xeo hoặc có thể sử dụng gián tiếp sau khi nước thải qua bể lắng để thu hồi giấy và xơ sợi. Phương pháp xử lý nước thải: NT1 NT2 NT3 Thu hồi xơ sợi Trạm bơm Sàng quay Lắng sơ cấp Bể UASB O2 Két khí Bổ sung N,P SƠ ĐỔ XỬ LÝ. Lắng thứ cấp Bể bùn hoạt tính Xử lý bùn Lắng thứ cấp Sục khí Chôn lấp Bể bùn hoạt tính Bơm ra sông Nước thải của công nghiệp sản xuất giấy nói chung có lẫn nhiều xơ sợi xenlulo, nhiều chất rắn lơ lửng dạng bột, nhiều chất hữu cơ hoà tan ở dạng khó và dễ phân huỷ sinh học, các hoá chất dùng để tẩy và hơp chất hữu cơ của chúng. Các phương pháp xử lý nước thải giấy bao gồm: lắng, keo tụ, sinh học. Phương pháp lắng nhằm thu hồi chất rắn dạng bột hoặc xơ sợi đối với dòng nước thải từ công đoạn nghiền và xeo giấy. Trước hết ở công đoạn xeo giấy, cần chọn thời gian lưu nước trong bể lắng thích hợp vì dài quá cặn lắng sẽ bị phân giải kị khí. Để giảm thời gian lưu nước trong bể lắng, người ta dùng loại bể lắng - tuyển nổi có tải trọng bề mặt từ 5-10 m3/m2.h. Nước thải ở đây được thổi khí nén với áp suất 4-6 bar, hiệu suất lắng sẽ cao hơn, thời gian lắng sẽ ngắn hơn. Phương pháp đông keo tụ hoá học: làm keo lắng các hạt rắn lơ lửng, một phần chất hữ cơ hoà tan, hợp chất photpho, một số chất độc và khử màu. Phương pháp này ứng dụng vào trước và sau phương pháp sinh học. Chất keo tụ thông thường là phèn sắt, nhôm và vôi. Dùng chất trợ keo tụ và các chất polyme làm tăng tốc độ lắng. Với mỗi loại phèn cần điều chỉnh giá trị pH của nước thải thích hợp. Phương pháp sinh học chỉ xử lý các chất hữu cơ hoà tan. Các chất này dễ bị phân huỷ hiếu khí và kị khí bởi vi sinh vật trong nước thải. Nước thải giấy thường ôi nhiễm các chất hữu cơ cao đặc biệt là lignin, hợp chất này không bị phân huỷ hiếu khí và phân huỷ kị khí rất chậm. Do vậy nước thải giấy nhất là dịch đen trong quá trình nấu bột giấy, cần phải xử lý cục bộ để tách lignin. Trong nước thải giấy giàu hydratcacbon hoà tan nhưng nghèo N, P dinh dưỡng đối với vi sinh vật. khi xủ lý sinh học cần chú ý cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển theo tỷ lệ BOD5: N : P = 100 : 5 : 1 với quá trình hiếu khí và 100 : 3 : 0,5 với quá trình kị khí. Đặc điểm của nước thải giấy thường có tỷ lệ BOD5:COD ≤ 0.55 và hàm lượng COD ≥ 100mg/l. do vậy trong xử lý cơ bản bậc hai bằng phương pháp sinh học thường có hai công đoạn: công đoạn xử lý kị khí đặt trước, công đoạn xử lý hiếu khí đặt sau trong quy trình công nghệ. Đặc biệt nước thải trong quá trình nấu là dịch đen. Chất ngưng tụ hoá hơi của chất lỏng đen có thể chiếm tới 50% ôi nhiễm của toàn xí nghiệp, trong khi đó thể tích của nó chỉ chiếm 10% thể tích chất thải. Do vậy, xử lý chất ngưng tụ của dịch đen sau khi đã thu hồi hoá chất là rất thích hợp. Xử lý vi sinh kị khí trong bể UASB. Nước thải được bơm vào bể phản ứng vi sinh kỵ khí qua hệ thống ống phân phối đặt song song và phân bố đều ở đáy bể. Trong bể phản ứng có 3 lớp: dưới đáy là lớp bùn vi sinh kỵ khí đậm đặc, phía trên là hỗn hợp “nước-bùn-khí sinh học” và trên cùng là hệ thống các tấm tách 3 pha (pha nước, pha khí, pha bùn). Trong quá trình lưu chuyển xuyên qua các tầng bùn vi sinh từ đáy lên đỉnh bể phản ứng, các chất hữu cơ trong nước được các vi sinh kỵ khí hấp thụ và chuyển đổi thành các khí sinh học như là: CH4, CO2. Hỗn hợp “nước-bùn-khí sinh học” khi di chuyển lên tầng trên được phân tách thành từng pha riêng biệt nhờ hệ thống các tấm tách 3 pha đặt trên đỉnh bể. Bùn lắng xuống đáy bể tiếp tục qui trình xử lý và được xả bớt ra ngoài khi số lượng vượt quá nhu cầu. Gas sinh học được tách ra, đi vào các vòm ga và được chuyển đến hệ thống đốt bỏ (Sau này sẽ được sử dụng làm nhiên liệu cung cấp cho các lò hơi) Nước trong đi theo hệ thống máng, chảy tràn bằng trọng lực sang bể xử lý vi sinh hiếu khí.