Bể kỵ khí là một trong những công trình xử lý nước thải nhân tạo phổ biến ở nước ta. Vậy bể kỵ khí là gì? Hãy cùng Hưng Phương tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

BỂ KỴ KHÍ LÀ GÌ?

Bể kỵ khí là công trình xử lý nước thải nhân tạo bằng phương pháp yếm khí (Không có oxy). Theo đó, vi sinh vật kỵ khí lấy oxy trong chất hữu cơ, làm giảm nồng độ của nó trong nước thải.

Trong bể kỵ khí quá trình phân hủy kỵ khí có thể chia thành bốn giai đoạn sau

Thủy phân

Thủy phân là bước đầu tiên trong các quá trình phân hủy yếm khí. Giai đoạn này xảy ra dưới sự tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra. Các phức chất và chất không tan (như polysaccharides, proteins, lipids) chuyển hóa thành các chất đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (như đường, các amino axit, axit béo).

Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặt tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.

Axit hóa

Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành các chất đơn giản. Axit béo dễ bay hơi, alcohols, axit lactic, methanol, CO₂, H₂, NH₃, H₂S và sinh khối mới là sản phẩm của quá trình này. Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống 4,0.

Acetic hóa (Acetogenesis)

Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit hóa thành acetate, H₂, CO₂ và sinh khối mới.

Metan hóa

Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kỵ khí. Axit axetic, H₂, CO₂, axit fomic và methanol chuyển hóa thành metan, CO₂ và sinh khối mới.

Trong ba giai đoạn thủy phân, axit hóa và acetic hóa, COD hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn metan hóa.

Ngược với quá trình hiếu khí, xử lý nước thải bằng phân hủy kỵ khí, tải trọng tối đa không bị hạn chế bởi chất phản ứng như oxy. Nhưng trong công nghệ kỵ khí, cần lưu ý đến hai yếu tố quan trọng:

• Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt.
• Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn.

Khi hai yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải trọng rất cao.

So với quá trình hiếu khí thì quá trình kỵ khí: tiêu tốn ít năng lượng, sinh ra ít bùn thải, chi phí xử lý thấp. Ngoài ra, khí sinh ra từ quá trình kỵ khí lại có tiềm năng thu hồi năng lượng ở dạng năng lượng tái tạo.

MỘT SỐ LOẠI BỂ KỴ KHÍ ĐIỂN HÌNH

1. Bể lọc ngược qua tầng bùn kỵ khí (UASB)

Bể UASB (Upflow anearobic sludge blanket) là loại bể sinh học kỵ khí dòng chảy ngược qua tầng bùn. Đây là công nghệ xử lý kỵ khí phổ biến nhất ở nước ta.

Cấu tạo của bể UASB gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha.

Nguyên lý hoạt động của bể UASB như sau:

• Dòng nước thải được phân phối theo hướng từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí. Tại đây, pH trong nước thải được điều chỉnh duy trì ở 6,6 – 7,6 đảm bảo tốt duy trì cho quá trình phát triển của vi sinh vật kị khí. Vận tốc nước thải cấp vào bể UASB từ 0,6 – 0,9m.
• Tại tầng xử lý vi sinh vật kỵ khí sẽ phân hủy các chất ô nhiễm thành sinh khối, CH₄ và CO₂. Bùn sẽ bám vào các khí này và nổi lên trên bề mặt.
• Nhằm đảm bảo cho vi sinh được giữ lại trong tầng xử lý, bùn, nước và khí được tách rời nhau nhờ hệ thống tách ba pha. Khí và nước thoát ra ngoài bể phản ứng, bùn vi sinh lắng trở lại vào vùng phản ứng. Quá trình lắng trở lại của bùn vi sinh làm tăng khả năng tiếp xúc với nguồn cơ chất. Điều này làm thúc đẩy sự chuyển khối trong hệ ngoài sự khuấy trộn do dòng chảy ngược và chuyển động của khí.
• Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đến bể xử lý tiếp theo.

Đặc điểm của bể UASB

Bể kỵ khí UASB được xây dựng bằng bê tông hoặc vật liệu không thấm nước khác. Hình dạng bể có thể được thiết kế theo hình tròn hoặc hình chữ nhật. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của bể UASB:

• Khối lượng bùn đưa vào nuôi cấy ban đầu tối thiểu là 10kg VSS/m³. Lượng bùn đưa vào nhỏ hơn 60% thể tích bể.
• Hàm lượng COD thích hợp xử lý bằng UASB: 100mg/l < COD < 50.000mg/l. Nếu tải lượng COD > 50.000 mg/l thì cần phải pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn lại nước đầu ra.
• Nồng độ chất dinh dưỡng yêu cầu được tính theo tỷ lệ như sau: (COD/Y):N:S = (50/Y):5:1 :1. Trong đó: Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào loại nước thải. Đối với nước thải dễ acid hóa Y= 0,03, khó acid hóa Y= 0,15.
• Đối với nước thải có hàm lượng SS> 3.000 mg/l thì không phù hợp để xử lý bằng UASB.
• UASB không thích hợp với nước thải có hàm lượng amonia > 2.000 mg/l hoặc hàm lượng sulphate > 500 mg/l. Khi nồng độ muối khoảng 5.000 – 15.000 mg/l thì có thể xem là độc tố ảnh hưởng đến vi khuẩn kỵ khí.
• Hạn chế của bể UASB là sự tổn tại của cặn lơ lửng vì trong bể này chúng thường khó phân hủy.

Ưu điểm bể UASB:

• Bùn dư ít nên chi phí xử lý bùn cũng thấp hơn.
• Lượng khí CH₄ tương đối lớn, có thể tận dụng làm khí sinh học.
• Tải lượng hữu cơ cao có thể COD đến dưới 5.000mg/l hoặc BOD đến 500mg/l. Nếu tải lượng hữu cơ cao như vậy chỉ có thể hoạt động bằng UASB mà các phương pháp khác khó đáp ứng được.
• Bể UASB có khả năng xử lý được các chất hữu cơ độc hại, các chất hữu cơ khó phân hủy;

2. Bể kỵ khí có vách ngăn – ABR:

Bể kỵ khí có vách ngăn hay còn gọi là ABR (Anaerobic Baffled Reactor) hoạt động theo nguyên tắc chảy ngược qua nhiều ngăn kỵ khí. Nước thải chảy zích zắc theo chiều dọc, rất ít khi chảy theo chiều ngang. Nó có tác dụng hướng dòng nước thải ở trạng thái chảy ngược từ khi nước thải vào và ra khỏi bể xử lý. Vi sinh trong bể nổi lên hay chìm xuống phụ thuộc vào tốc độ hình thành khí và tốc độ dòng chảy ngược của nước thải. Trong từng ngăn dòng nước thải chảy ngược qua lớp bùn vi sinh.

Đặc trưng khác biệt căn bản của ABR so với UASB là sự phân lập chủng loại vi sinh tham gia vào quá trình yếm khí theo vùng không gian. Trong các ngăn đầu tiên, vi khuẩn axit hóa tồn tại với số lượng đông đảo. Lượng vi khuẩn này giảm dần trong các ngăn tiếp theo, nhường chỗ cho vi khuẩn metan hóa. Việc phân lập chủng loại vi sinh theo vùng không gian tạo được điều kiện thuận lợi cho từng loại vi sinh phát triển. Do đó, hoạt tính của chủng loại vi sinh metan và axit hóa có thể tăng bốn lần.

Ngăn cuối cùng hay ngăn lắng, chất rắn lơ lửng và bùn được tách hoàn toàn ra khỏi nước. Mặc khác, ngăn lắng còn có chức năng là ngăn lưu trữ bùn kỵ khí để tuần hoàn cho ngăn kỵ khí đầu tiên.

Hiệu suất của quá trình xử lý tăng lên nhờ quá trình tuần hoàn liên tục bùn kỵ khí. Bùn luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng nên liên tục được hoạt hóa làm tăng hiệu quả xử lý chất hữu cơ.

Ưu điểm của Bể ABR

• Hiệu xuất xử lý BOD₅, COD cao.
• Không phát sinh mùi hôi.
• Bùn sinh ra ít và lượng bùn trong bể luôn được duy trì ổn định.

3. Bể kỵ khí lớp bùn hạt mở rộng (EGSB)

Bể kỵ khí lớp bùn hạt mở rộng EGSB (Expanded granular sludge beds) là một dạng biến thể của bể UASB. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động gần giống như UASB. Bể EGSB gồm: hệ thống đầu vào và phân phối nước, tầng bùn hạt giản nở, vùng tách 3 pha và hệ thống đầu ra.

Nguyên lý hoạt động của bể kỵ khí EGSB như sau:

Nước thải đi vào đáy thiết bị và qua lớp bùn hạt kỵ khí. Tại đây xảy ra quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ. Điểm khác biệt để tạo được tầng sôi của lớp bùn liên quan đến vận tốc dòng cần cung cấp với chất lỏng (10 m.h^-1) và khí (7 m.h^-1). Bùn hạt, khí và nước được tách ra tại bộ tách ba pha rắn – lỏng – khí. Nước thải sau khi đi qua phần lắng tách bùn, các hạt bùn lắng trở lại vùng hoạt động của lớp bùn giãn nở. Khí biogas thoát ra qua các đường thoát khí. Thiết kế đặc biệt của bộ tách ba pha cho phép tải thủy lực cao hơn nhiều so với bồn phản ứng UASB. Sinh khối được giữ lại trong bể phản ứng nhờ cấu trúc mở rộng của bể xử lý ở phía trên.

Bể EGSB chỉ áp dụng với bùn vi sinh yếm khí dạng hạt. Tải lượng VLR và tốc độ nước dâng trong EGSB cao hơn nhiều so với UASB. Nhờ tốc độ nước dâng lớn, lớp bùn hạt trong EGSB luôn ở trạng thái lơ lửng. Mật độ vi sinh lớn kết hợp với khuấy trộn thủy lực mạnh nên tiếp xúc nước thải/vi sinh tốt. Do đó bể EGSB có thể chấp nhận tải lượng VLR cao hơn nhiều so với UASB.

Tùy vào tải lượng COD lượng biogas sinh ra được tính theo công thức sau:

V_biogas = COD_conc.  . . .V_upw-liquid

Trong đó:

• E_ff-meth = lượng COD chuyển hóa thành CH₄ hoặc hiệu quả xử lý COD dựa trên CH₄ thành phẩm.
• F_meth-biogas = phần của mêtan trong khí sinh học (ví dụ 0,6 cho 60% CH₄).
• T = nhiệt độ hoạt động của thiết bị phản ứng (°C).
• V_upw-liquid = vận tốc đi lên của chất lỏng trong thiết bị phản ứng, m/h.

Bể EGSB thường có tỷ lệ giữa chiều cao: đường kính lớn (thường là 3-5), chiều cao có thể lên tới 25 m. Do đó bể EGSB có thiết cao và mảnh. Mặt khác, việc lưu giữ bùn sinh khối là nguyên tắc của EGSB, vì vậy hiệu quả tách rắn, lỏng, khí rất quan trọng.

Thực tế ứng dụng cho thấy bể EGSB xử lý được nhiều loại nước thải mà UASB không xử lý được. Ví dụ: nước thải chứa formalđehit có nồng độ tới 10 g/L, nước thải dệt nhuộm chứa chất màu thường độc đối với vi sinh.

Ưu điểm của bể EGSB:

• Nồng độ bùn cao: Tải trọng hữu cơ gấp 3 lần so với bể phản ứng kỵ khí thông thường.
• Khối lượng nhỏ; Tỷ lệ chiều cao-đường kính lớn nên không gian bị chiếm dụng nhỏ.
• Khả năng chống va đập mạnh; chịu được tải trọng hữu cơ cao.
• Bể phản ứng dạng bùn hạt mở rộng có thể được sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ SS cao và nước thải độc với vi sinh vật.
• Khí metan sinh ra có thể thu hồi làm năng lượng.

4. Bể kỵ khí nội tuần hoàn (IC)

Bể kỵ khí nội tuần hoàn IC (Internal Circulation): hoạt động dựa trên nguyên tắc của hai hệ thống UASB xếp chồng lên nhau. Trong đó hệ UASB thuộc loại cao tải đặt ở phía dưới và hệ UASB có mức chịu tải thấp hơn đặt ở phía trên. 

Bể kỵ khí nội tuần hoàn thường có chiều cao 19,7m hoặc 23,7m, có hình trụ với kết cấu thép. Đường kính nằm trong khoảng 2,3–10,5 m. Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính nằm trong khoảng giá trị 2,3-8.

Nguyên lý hoạt động của bể kỵ khí nội tuần hoàn IC

Thành phần cấu tạo cơ bản của Bể IC gồm hệ phân bố nước đầu vào, hệ nội tuần hoàn, vùng phản ứng cao tải và vùng phản ứng tải lượng thấp (làm sạch sâu).

Cấu trúc của bộ phận phân phối dòng vào có dạng hình nón. Dòng tuần hoàn hướng từ trên xuống vào vị trí chóp nón theo phương tiếp tuyến. Chúng tạo thành dòng chảy xoáy khi hòa trộn với dòng vào.

Bên trên hệ phân bố dòng vào là vùng phản ứng cao tải với lớp hạt vi sinh nới rộng. Nước thải được đưa vào đáy của hệ xử lý, tiếp xúc với lớp bùn hạt mật độ cao. Tại đây xảy ra sự phân hủy chất hữu cơ và hình thành biogas. Vùng phản ứng cao tải kéo dài cho tới tận phía dưới của bộ tách khí thứ nhất. Nhờ khả năng tự khuấy trộn mạnh trong vùng phản ứng cao tải làm tăng sự tiếp xúc của vi sinh với cơ chất. Dẫn đến tăng cường hiệu quả hoạt động của vi sinh vật.

Dòng khí chảy ngược lên trên có tác dụng cuốn theo một phần nước và bùn từ vùng cao tải lên bộ tách chất khí – lỏng – rắn. Tại đó khí được tách ra khỏi chất lỏng và bùn. Bùn và nước theo đường đi xuống quay trở lại khoang phản ứng cao tải. Nước thải sau khi thoát khỏi vùng cao tải chỉ còn chứa phần nhỏ lượng chất ô nhiễm, chảy qua hệ thống tách khí số 1. Khoang này đóng vai trò như một hệ xử lý thứ cấp và thực hiện tiếp quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Bộ phận tách khí 2 tách nốt phần khí còn lại.

Đặc điểm của bể kỵ khí IC

Điểm nổi bật của Bể IC là mật độ vi sinh rất cao và có dòng tuần hoàn nội nên tốc độ dòng chảy ngược rất lớn, tới 20 m/h. Qua đó tăng cường khả năng khuấy trộn của hệ. Dòng tuần hoàn nội có tính chất tự điều chỉnh: nồng độ cơ chất cao sinh ra lượng khí lớn kéo theo lưu lượng lớn của dòng tuần hoàn, tăng khả năng khuấy trộn và pha loãng dòng vào.

Bể IC cũng có khả năng phản ứng tốt trước sự biến động của nồng độ cơ chất trong dòng vào. Dòng tuần hoàn chứa nhiều bicarbonat có tác dụng đệm, ngăn chặn giảm pH trong vùng phản ứng cao tải. Khí phần lớn đã được tách trong bộ phận tách khí số 1 và tốc độ dòng chảy của vùng trên thấp nên lượng vi sinh được giữ lại nhiều.

Ưu điểm của bể IC

• Hiệu quả xử lý COD cao.
• Hệ thống có khả năng tự điều chỉnh do lưu thông nội bộ hệ thống
• Khả năng giữ lại sinh khối cao
• Chịu được tải trọng ô nhiễm hữu cơ cao
• Diện tích sàn nhỏ

NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA BỂ KỴ KHÍ

Quá trình xử lý kỵ khí được thực hiện nhờ các vi sinh vật kỵ khí phân hủy các chất ô nhiễm. Để vận hành bể kỵ khí hiệu quả cần bổ sung vi sinh vật là điều cần thiết. Bioclean ACF – AD activator là lựa chọn hàng đầu trong việc bổ sung vi sinh nâng cao hiệu quả.

. Đây là chế phẩm học nhập khẩu Mỹ có công dụng:

• Tăng khả năng chịu đựng sốc tải.
• Tối ưu hóa quá trình phân hủy kị khí.
• Thúc đẩy nhanh quá trình sinh khí CH₄.
• Phân hủy nhanh các chất hữu cơ khó phân hủy.
• Làm giảm BOD, COD đầu ra.

Trên đây là tổng hợp một số thông tin về bể kỵ khí. Để xây dựng quy trình xử lý nước thải hiệu quả, an toàn, phù hợp nhất với Doanh nghiệp của bạn hãy liên hệ Môi trường Hưng Phương để được tư vấn ngay nhé. Trải quả hơn 10 năm trong lĩnh vực xử lý nước, Chúng tôi tự hào đã mang cho Quý Khách hàng những trải nghiệm tốt nhất.