Tính toán thiết kế công nghệ xử lý sinh học kỵ khí - UASB

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:

Chất hữu cơ -----VSV------> 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 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, H2 và 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:

- 4H2 + CO2 ---> CH4 + 2H2O
- 4HCOOH ---> CH4 + 3CO2 + 2H2O
- CH3COOH ---> CH4 + CO2
- 4CH3OH ---> 3CH4 + CO2 + 2H2O
- 4(CH3)3N + H2O ---> 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3

Hình 1: Quá trình phân hủy kỵ khí

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).

2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ UASB

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 công nghệ 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 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.

Hình 2: Cấu tạo bể phân hủy sinh học kỵ khí UASB

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.

2.3. Thông số tính toán

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 3 và bảng 4.

Bảng 1: Tải trọng thể tích của bể UASB hoạt động ở 30oC, hiệu quả xử lý 85-95% (nguôn: Metcaft & Eddy, 2003.)

COD nước thải (mg/L)	Tỷ lệ COD do cặn gây ra	Tải trọng thể tích (kg COD/m3.ngđ)
COD nước thải (mg/L)	Tỷ lệ COD do cặn gây ra	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 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 (nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.)

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 3: Thời gian lưu nước có thể áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt trong các thiết bị UABS cao 4m (nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.)

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 4: Vận tốc nước chảy từ dưới lên và chiều cao bể UASB (nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.)

Loại nước thải	Vận tốc (m/h)		Chiều cao thiết bị (m)
Loại nước thải	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

2.3. Tính thể tích và kích thước bể

Để 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:

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:

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:

Trong đó:

- 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: Diện tích cần thiết để lắp đường ống phân phối nước thải vào bể UASB (nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.)

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

2.4. 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.

3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ KỴ KHÍ VỚI VI SINH VẬT DẠNG TĂNG TRƯỞNG DÍNH BÁM

Thiết bị kỵ khí dòng chảy ngược với vi sinh vật tăng trưởng dính bám Upflow Packed-Bed Attached Growth Reactor – UPAG), gọi tắt là thiết bị lọc UAF có dạng hình tròn hay chữ nhật với đường kính hay bề rộng bể dao động trong khỏang 2-8 m và chiều cao 3-13 m. Vật liệu tiếp xúc chiếm khoảng 50-70% toàn bể. Vật liệu tiếp xúc thường thường là plastic dạng dòng chảy ngang hay dạng ống. Diện tích tiếp xúc của vật liệu này trung bình khoảng 100 m2/m3. Giá trị đặc trưng tải lượng chất hữu cơ, thời gian lưu nước và hiệu quả khử COD được trình bày tóm tắt trong Bảng 5.6. Ở tải trọng 1,0-6,0 kg COD/m3.ngđ, hiệu quả xử lý có thể đạt 90% đối với nước thải có nồng độ COD cao.

Bảng 6: Thông số thiết kế bể UAF (nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.)

Nước thải	Loại vật liệu tiếp xúc	Nhiệt độ (oC)	Tải trọng COD (kg/m3.ngđ)	Thời gian lưu nước (ngày)	Tỷ lệ tuần hoàn	Hiệu quả khử COD (%)
Chế biến kẹo gôm	Dạng vòng	37	7,7	1,2	5,00	61
Sản xuất hóa chất	Dạng vòng	37	12-15	0,9-1,3	5,00	80-90
	Dạng vòng	15-25	0,1-1,2	0,5-0,75	0	50-70
Nước thải sinh hoạt	Dạng vòng	37	0,2-0,7	25-37	0	90-96
Nước rò rỉ	Dạng ống	35	1,5-2,5	2,0-3,0	0,25	89
Chế biến thực phẩm	Dạng dòng chảy ngang	30	4-6	1,8-2,5	0	90