Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của bể UASB (bể kị khí)

Bể UASB là một công trình xử lý nước thải theo phương pháp kị khí. UASB là viết tắt của cụm từ trong tiếng anh là Upflow Anaerobic Sludge Blanket.

Nước thải cần xử lý sẽ được cấp vào bể thông qua bơm và được dẫn từ dưới lên trên. Trong quá trình di chuyển, nước thải sẽ được tiếp xúc với lớp bùn hoạt tính, bùn vi sinh có trong bể.

Lớp bùn nầy được cấu tạo từ các hạt bùn nhỏ và lớn theo tỷ lệ thích hợp. Nhằm tăng quá trình tiếp xúc giữa bùn và nước thải. Qua đó, tăng hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Hay nói cách khác nhằm mục đích tăng hiệu quả xử lý nước thải.

Cấu tạo Bể UASB hay bể kị khí

Có kết cấu hết sức đơn giản nên bể UASB được ứng dụng nhiều trong thực tế hiện nay. Với đa số được xây dựng theo hình chữ nhật hoặc trụ tròn. Xây dựng bằng bê tông cốt thép hoặc thép.

Nhằm tách hoàn toàn lượng khí có trong nước thải trước khi ra khỏi bể UASB thì trong bể còn lắp các tấm chắn với góc nghiêng lớn hơn 35 độ so với phương ngang.

Bể UASB được cấu tạo gồm 3 cụm chính đó là: hệ thống cấp nước thải vào bể, hệ thống máng thu nước sau xử lý, hệ thông tách thu khí.

Với ưu điểm bể UASB là cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả xử lý BOD, COD cao nên thực tế đang được ứng dụng rất nhiều trong điều kiện thực tế hiện nay.

Nguyên lý hoạt động Bể UASB

Nước thải sẽ được dẫn vào bể UASB với lưu lượng được tính toán sẵn. Khi cho vào bể sẽ thực hiện tiếp xúc với lớp bùn vi sinh, bùn hoạt tính cho trong bể.
Trước khi dẫn vào bể yêu cầu nước thải phải ổn định pH về khoảng 6,6 đến 7,6. Nhằm đảm bảo cho quá trình sinh trưởng và phát triển vi sinh vật. Lượng nước cấp vào được phân phối đều vào bể và duy trì ở vận tốc 0,6 – 0,9 m/s
Khi đó, toàn bộ lượng nước thải sẽ tiếp xúc trực tiếp với bùn vi sinh. Các vi sinh vật sẽ sử dụng các chất hữu cơ có trong nước thải để phát triển sinh khối. Quá trình nầy sẽ tạo thành 70% đến 80% CH4. Lượng khí CH4 nầy sẽ bám dính bào bùn, sẽ làm cho bùn nổi lên trên bề mặt của bể. Để đảm bảo giảm lượng bùn nổi, người ta thiết kế các tấm nghiêng. Tại các tấm nghiêng sẽ xảy ra hiện tượng tách pha rắn – lỏng – khí.
Để tận dụng lượng khí đó có thể người ta sẽ dẫn vào thiết bị thu hồi CH4 hoặc đơn giản hơn sẽ hấp thụ hoàn toàn CH4 bằng dung dịch NaOH 5%.
Bùn sẽ được lắng do đã tách hoàn toàn khí bám vào.
Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đều khâu xử lý tiếp theo.
Bùn sau đó sẽ được lắng xuống do tách hoàn toàn khí.
Nước thải theo màng tràn răng cưa dẫn đến bể xử lý tiếp theo.

Trong bể UASB xảy ra các giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1:

Thủy phân, cắt mạch các hợp chất có công thức phân tử phức tạp thành các hợp chất hữu cơ có cấu tạo đơn giản hơn.

Giai đoạn 2:

Axít hóa các hợp chất hữu cơ đã được cắt mạch đã tạo thành ở giai đoạn 1Giai đoạn 3:

Giai đoạn metan hóa. Giai đoạn này chuyển từ sản phẩm đã tạo ở giai đoạn trên hóa thành khí (CH4 và CO2) bằng nhiều loại vi khuẩn kỵ khí.

Cơ chế chi tiết quá trình hoạt động quá trình kị khí trong bể UASB

Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các chất hữu cơ phức tạp thành đơn giản

Dưới tác dụng của enzyme được tạo ra do quá trình phát triển sinh khối các loại vi khuẩn kị khí. Thì các hữu cơ, phức chất polysaccharides, proteins, lipids sẽ chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn hoặc các chất hòa tan như: đường, các amino acid, acid béo
Quá trình nầy có tốc độ chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc nhiều vào pH và đặc tính của cơ chất.

Giai đoạn 2: Axít hóa chất hữu cơ

Vi khuẩn lên men, chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, CO2, H2S, acid lactic, methanol H2, NH3. và sinh khối mới.
Sự hình thành các axit có trong hỗ hợp sau phản ứng có thể làm pH giảmxuống đến 4.0.

Giai đoạn 3: Quá trình metan hóa

Giai đoạn này chuyển từ sản phẩm đã metan hóa thành khí CH4 và CO2. Được thực hiện bằng nhiều loại vi khuẩn kỵ khí.
Tóm tắt quá trình nầy bằng phương trinh sau:

CH₃COOH = CH₄ + CO2

2C₂H₅OH + CO2 = CH₄ + 2CH₃COOH

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O

Các protein có khả năng phân hủy bị thủy phân: NH3 + HOH = NH4- + OH-
Khi OH- sinh ra sẽ phản ứng với CO2 tạo thành ion bicacbonat.=

Ưu điểm bể UASB

Trong quá trình xử lý nước thải bẳng bể UASB thì mang lại nhiều ưu điểm như sau:

Lượng bùn sinh học sinh ra thấp nên chi phí cho xử lý bùn cũng thấp hơn;
Lượng khí CH4 sinh ra tương đối lớn. Có thể sử dụng lượng khí nầy để làm khí đốt hoặc chạy động cơ phát điện.
Có thể áp dụng cho xử lý được chất thải có hàm lượng hữu cơ cao có thể COD đến 4000 – 10.000 mg/l hoặc BODđến 500 mg/l. Trong trường hợp nước thải có tải lượng chất hữu cơ cao như vậy. Thì chỉ có phương pháp là sử dụng phương pháp kị khí bằng UASB chứ không thể sử dụng phương pháp hiếu khí bằng mương oxy hóa hoặc Aerotank. Trong trường hợp bất khả kháng, có thể sử dụng bể Aerotank cao tải để thực hiện.
Tải lượng chất hữu cơ của UASB có thể chịu được rất cao. Có thể lên đến gấp 10 lần so với bể Aerotank. Do đó, thể tích xây dựng bể UASB tương đối nhỏ hơn. Chi phí xây dựng tương đối thấp.
Bể UASB có khả năng xử lý được các chất hữu cơ độc hại. Đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân hủy;
Ưu điểm của bể Aerotank có thể chịu được sốc tải. Đặc biệt là có khả năng chịu tải lượng cao.
Chi phí xây dựng, đầu tư tiết kiệm. Suất đầu tư thấp hơn so với các phương pháp khác.
Bùn kị khí có thể phục hồi, hồi phục sau thời gian hoạt động dài . Đặc biệt có khả năng hoạt động gián đoạn hoặc khởi động lại sau thời gian dài không hoạt động.

Bể UASB có nhiều ưu điểm nên được ứng dụng rất nhiều trong thực tế

Nhược điểm bể UASB

Nói về ưu điểm bể UASB nhiều như vậy nhưng không phải không có nhược điểm. Nhược điểm của bể UASB như sau:

Thời gian khởi động hệ thống dài, có thể khởi động thời gian từ 3 – 4 tháng . Nhằm đảm bảo bùn vi sinh khó thích ứng với môi trường mới;
Hiệu suất xử lý COD không cao. Do đặc trưng là quá trình phản ứng sinh học nên thực tế khó can thiệp vào quá trình
Lượng khí sinh ra nếu không tận dụng sẽ là nguồn gây ô nhiễm môi trường.
Do quá trình phản ứng tạo nên khí metan trong lớp bùn kị khí nên đã hình thành bóng khí bám dính lên bề mặt của hạt bùn. Do đó cần có thiết bị tách lượng khí ra khỏi bùn để bùn có thể lắng được trong bể.

Để tăng hiệu quả hoạt động UASB thì cần phải nắm những nguyên tắc như sau:

Thường xuyên, kiểm tra đánh giá khả năng lắng của bùn hoạt tính. Nhằm đảm bảo bùn hoạt tính lắng tốt nhằm duy trì hiệu quả quá trình xử lý;
Cần phải thực hiện, trang bị bộ phận tách khí – rắn để đảm bảo lượng bùn rửa trôi không ra khỏi bể. Tại phần lắng cần có thời gian lưu nước đủ lớn và phân phối, thu nước hợp lý nhằm hạn chế dòng chảy. Khi đó, hạt bùn sau khi tách khí sẽ lắng xuống dưới đáy và tiếp tục phản ứng.
Thiết kế hệ thống phân phối nước thải cần phải đảm bảo khả năng tiếp xúc tốt nhất giữa nước thải – bùn.
Không cần thiết phải thực hiện phương pháp khuấy cơ khí vì lượng khí metan sinh ra sẽ có tác dụng xáo trộn toàn bộ trong bể.

Một số lưu ý khi vận hành bể UASB trong thực tế

Nếu COD nước thải quá thấp thường là nhỏ hơn 100 mg/l . Thì không nên sử dụng UASB. Trong trường hợp COD > 50.000 mg/l thì cần phải pha loãng nước thải bằng nước sạch hoặc nước đầu ra để giảm COD xuống dưới 10.000 mg/l.
Khối lượng bùn cung cấp cho quá trình nuôi cấy ban đầu cần phải đạt tối thiểu 10 kg VSS/m3. Chú ý lượng bùn cho vào không nhiều hơn 60% thể tích bể hoạt động của bể.
Đối với chất dinh dưỡng thì nồng độ yêu cầu được tính theo tỷ lệ như sau: (COD/Y) : N : S = (50/Y) : 5: 1 :1 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.
Hàm lượng chất rắn lơ lửng yêu cầu SS<3000. Nhằm tránh, cản trở quá trình phân hủy sinh học
Không sử dụng UASB cho việc sử dụng để xử lý các nước thải chứa độc tố cao đặc biệt là chất độc, muối.

Nguồn https://huthamcauthongcongnghet.net/