Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí

Xử lý nước thải là một trong những vấn đề còn nhiều bất cập bởi vì nó liên quan trực tiếp đến nhiều yếu tố như con người, môi trường, hệ thống xả thải, điều kiện nơi sinh hoạt và nơi làm việc,… Trong khi đó, nếu nước thải không được xử lý tốt mà thải trực tiếp ra ngoài môi trường thì sẽ dễ làm ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm đất và mang đến nguy cơ cho sức khỏe con người.

Một trong những công nghệ xử lý nước thải để đảm bảo quy chuẩn đầu ra đó là phương pháp sinh học kỵ khí. Sau đây, hãy cùng công ty Giải Pháp Môi Trường HANA tìm hiểu về công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí nhé!

1. Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là gì?

Nguyên lý của phương pháp xử lý nước thải sinh học dựa trên hoạt động của các vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Các vi sinh vật này tồn tại bằng cách lấy dinh dưỡng từ các chất hữu cơ có trong nước thải và một số khoáng chất.

Đồng thời, trong quá trình đó, các chất hữu cơ sẽ được phân giải thành hợp chất vô cơ đơn giản. Mục đích của quá trình này là khử BOD và COD có hàm lượng quá cao (>1000mg/L).

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có thể được phân thành các nhóm: Hiếu khí, kỵ khí, thiếu khí và kết hợp hiếu – kỵ khí. Để hiểu rõ các hệ thống xử lý bằng phương pháp sinh học, bạn có thể quan sát sơ đồ miêu tả dưới đây:

Xem thêm: Phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng thủy trúc

2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Quá trình này diễn ra tự nhiên nhờ tận dụng các vi sinh vật trong môi trường mà không cần đến oxy. Sản phẩm tạo ra cuối cùng bao gồm CH4, CO2, N2, H2,… Trong đó khí CH4 (metan) chiếm tới 65% nên người ta thường gọi quá trình này là lên men metan. Sơ đồ tổng quát mô tả quá trình phân hủy kỵ khí:

(CHO)nNS → CO2 +H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + tế bào vi sinh

Quá trình phân hủy kỵ khí trong môi trường nhân tạo là phương pháp được áp dụng để xử lý các loại chất thải, cặn bã có hàm lượng hữu cơ cao BOD 10-30 (g/l) trong công nghiệp.

Quá trình phân hủy kỵ khí chất thải là diễn ra qua 4 giai đoạn bao gồm các phản ứng sinh hóa phức tạp, xảy ra song song với quá trình phân hủy các chất thải hữu cơ. Cụ thể:

• Nước thải chứa các chất carbohydrates, chất béo, protein, chất hòa tan, chất không hòa tan,… qua quá trình thủy phân sẽ chuyển hóa thành đường, amino axit.
• Đường, amino axit trải quả phản ứng axit hóa sẽ chuyển hóa thành các axit béo dễ bay hơi, axit hữu cơ, rượu, H2, CO2,…
• Các sản phẩm trên sau khi được axetat hóa sẽ chuyển hóa thành H2S, O2, axetat.
• Giai đoạn cuối cùng là giai đoạn metan hóa, các hợp chất qua giai đoạn này sẽ thành các chất CH4, CO2 và H2O

Trong 3 giai đoạn đầu, hàm lượng COD trong chất thải hầu như không giảm, COD chỉ giảm mạnh trong giai đoạn metan hóa.

2 lưu ý quan trọng trong quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí:

• Duy trì lượng vi sinh vật càng nhiều càng tốt
• Tạo tiếp xúc hợp lý giữa nước thải với sinh khối vi sinh vật.

3. Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí

3.1. Hầm biogas

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí metan do các vi sinh vật phân giải kỵ khí các vật chất hữu cơ. Các chất hữu cơ được phân hủy trong điều kiện kỵ khí và sinh ra các chất khí như H2S, CO2, N2, CH4, CO2 và CH4.

Hầm biogas là một hệ thống vận hành tự động. Cặn bã và các chất thải sẽ bị đẩy vào bể áp lực và ống nạp nhiên liệu bởi các khí được sinh ra trong điều kiện kỵ khí. Khi mở van, các cặn bã trong bể áp lực sẽ đẩy ngược các chất khí ra để sử dụng.

Nguyên lý hoạt động của hầm biogas được chia thành 3 giai đoạn diễn ra ở 3 phần liên tiếp với nhau:

• Ngăn trộn là nơi để trộn các chất thải hữu cơ với nước trước khi đổ vào hầm phân hủy.
• Hầm phân hủy là nơi diễn ra quá trình lên men và phân hủy của hỗn hợp trên. Lúc này, khí CH4 và các loại khí khác được sinh ra, áp suất bắt đầu thay đổi và những chất khí này sẽ đẩy bùn cặn lên bể áp lực.
• Bể áp lực: Là nơi chứa các chất cặn bã. Khi mở van, cặn bã bên trong sẽ đẩy các chất khí ra để sử dụng.

3.2. Bể tự hoại

Bể tự hoại là một bộ phận của hệ thống tự hoại – công trình xử lý nước thải bậc I (xử lý sơ bộ). Chức năng của bể tự hoại là làm sạch nước thải tương đối hoặc hoàn toàn trước khi thải ra ngoài môi trường.

Nguyên lý hoạt động của bể tự hoại tập trung vào 2 quá trình, đó là quá trình lên men cặn lắng và lắng cặn. Bể tự hoại có thời gian lưu nước trong bể từ 1 đến 3 ngày, dùng cho các hộ gia đình có hệ thống cấp thoát nước bên trong nhưng bên ngoài không có trung tâm xử lý nước thải.

Bể tự hoại cũng được dùng để xử lý cặn bùn của nước thải chế biến thủy sản, thời gian lưu bùn trong khoảng 1-2 tháng. Với hình thức này, người ta sẽ nâng nhiệt đến 350C và có thể tháo cặn dưới đáy bể.

Bể tự hoại có dạng hình chữ nhật hoặc dạng hình tròn trên mặt bằng, xây dựng bằng gạch, bê tông cốt thép hay cốt thép đúc sẵn. Bể thường được thiết kế 3 ngăn, và có chiều sâu 1,5-3m.

Nguyên lý hoạt động của bể tự hoại:

• Giai đoạn 1 – quá trình lên men cặn lắng: Sau khi nước được dẫn vào bể thứ nhất, nhờ hoạt động của các vi sinh vật yếm khí, các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy, cặn lên men, triệt tiêu mùi hôi và thu nhỏ thể tích. Tốc độ lên men của cặn phụ thuộc vào độ pH của nước thải, lượng khối sinh vi sinh vật trong cặn, nhiệt độ của bể, nhiệt độ càng cao cặn bã lên men càng nhanh. Sau quá trình phân hủy, chất thải sẽ biến thành dạng bùn, lắng xuống đáy bể.
• Giai đoạn 2 – lắng cặn: Nguyên lý hoạt động trong giai đoạn này rất đơn giản. Đối với các chất thải không tan như kim loại, nhựa… thì sẽ được đưa sang bể lắng. Dưới tác dụng trọng lượng, các chất thải này sẽ lắng hết xuống dưới đáy bể.
• Giai đoạn 3 – Lọc: Thông qua lớp vật liệu lọc, các chất thải lơ lửng còn sót lại trong nước do không bị phân hủy ở giai đoạn 1 sẽ bị giữ lại.

Hiệu quả lắng cặn trong bể tự hoại có thể được từ 40-60% phục thuộc vào nhiệt độ và chế độ quản lý, vận hành bể. Qua thời gian từ 3-6 tháng, cặn lắng lên men kỵ khí. Quá trình lên men chủ yếu diễn ra trong giai đoạn đầu là lên men axit.

3.3. Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược – UASB (Upflow Anaerobic Blanket reactor)

UASB là một trong những hệ thống xử lý nước thải áp dụng phương pháp sinh học kỵ khí phổ biến rộng rãi nhờ các đặc điểm sau:

• Cả 3 quá trình phân hủy – lắng bùn – tách khí được đặt chung trong cùng một thiết bị.
• Sản phẩm là các loại hạt bùn kỵ khí có mật độ vi sinh vật cao và tốc độ lắng cực nhanh do có lớp bùn hiếu khí lơ lửng bên trên.

Bể UASB được chia làm 2 vùng:

• Vùng chứa bùn phân hủy kỵ khí: là vùng lớp bùn có vi sinh vật kỵ khí. Các vi sinh vật này có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Nước thải sẽ được xử lý chủ yếu ở vùng này.
• Vùng lắng: nằm trên vùng phân hủy kỵ khí có chứa bùn. Nước thải sau khi qua xử lý phân hủy, sẽ di chuyển lên vùng này để lắng cặn.

Dưới tác động của các vi sinh vật trong bùn hoạt tính, các chất bẩn trong nước thải khi di chuyển ngược từ dưới lên sẽ xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể, các vi sinh vật hợp lại với nhau và hình thành các hạt bùn lớn hơn, tránh bị cuốn trôi ra khỏi bể.

Bên cạnh đó, các loại khí được tạo ra trong quá trình này sẽ hình thành một dòng tuần hoàn cục bộ, hỗ trợ cho việc tạo thành các hạt bùn hoạt tính và giữ cho các hạt bùn này luôn được ổn định. Khí bám vào các bọt khí và hạt bùn sẽ khiến chúng nổi lên trên và tạo thành hỗn hợp trên mặt bể. Khi va vào lớp lưới chắn phía trên, hỗn hợp sẽ bị phá hủy, bọt khí vỡ ra và các hạt bùn sẽ lắng xuống dưới bể.

Bể UASB được ứng dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao.

• Ưu điểm:

• Không tốn quá nhiều chi phí đầu tư và vận hành.
• Chỉ cần bổ sung một ít lượng hóa chất.
• Không cần phải cấp khí nê ít tiêu hao năng lượng hơn, đồng thời có thể thu hồi và tái sử dụng năng lượng từ biogas.
• Lượng bùn sinh ra khá ít, cho phép vận hành với tải trọng lớn, giảm được diện tích thiết kế công trình.

• Nhược điểm:

• Tốn nhiều thời gian để thiết kế, tính toán và xây dựng.
• Dễ xảy ra sự cố khi có biến động về chất lượng nước thải đưa vào.
• Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại.
• Sau thời gian ngừng hoạt động sẽ khó khôi phục.

3.4. Lọc kỵ khí bám dính cố định – AFR (Anaerobic filter reactor)

Hệ thống lọc kỵ khí bám dính cố định sử dụng các vi sinh vật bằng cách cho chúng bám dính vào các vật liệu lọc được đặt trong bể, màng vi sinh vật bám dính này không bị rửa trôi trong quá trình xử lý. Với hệ thống này, dòng chảy của nước thải có thể là từ dưới lên hoặc từ trên xuống.

Dòng nước thải tiến vào và dòng tuần hoàn là sản phẩm ra được phân bố từ bên này sang bên kia bể phản ứng sinh học, chảy xuyên qua hoặc là chảy ngược qua màng vi sinh vật. Quá trình này hoạt động dựa trên nguyên lý bùn lơ lửng và hòa trộn sinh khối bị giữ lại bởi màng lọc sinh học. Ở phía trên của màng là tập hợp của các phần bị đào thải.

Để bể phản ứng luôn được nạp nước thì phải dựa vào dòng chảy tuần hoàn. Phần khí ở dưới đáy bể được tận dụng để tái sử dụng ở nơi khác. Trung bình nước được lưu trong bể khoảng từ 0,5-4 ngày với tải trọng thể tích chất hữu cơ từ 5-15 kg COD/m3/ngày.

Phương pháp sinh học kỵ khí không còn xa lạ gì trong các quy trình xử lý nước thải bởi tính hiệu quả của nó. Tuy nhiên để sử dụng phương pháp này không hề dễ dàng, người sử dụng phải tính toán nhiều thông số liên quan đến lượng vi sinh vật, nồng độ pH, phản ứng hóa học và sinh học,…

Vì vậy, Công ty Giải pháp Môi trường HANA luôn sẵn sàng hỗ trợ các bạn trong quá trình xây dựng và vận hành các công trình xử lý nước thải. Liên lạc với chúng tôi qua số hotline 028 2266 1616 hoặc website moitruonghana.com để được tư vấn miễn phí!