Bể UASB – Thông tin, cấu tạo, cách tính khối lượng khí

Bể lọc ngược kị khí UASB là loại bể lọc nước có nhiều ưu điểm so với các loại bể khác. Vì vậy bể lọc UASB được rất nhiều nhà máy và các khu công nghiệp đưa vào sử dụng.

Bể UASB là gì?

Giới thiệu về bể lọc ngược qua tầng kị khí UASB

UASB là chữ viết tắt của cụm từ Upflow Anaerobic Sludge Blanke. Đây là một dạng bể lọc nước kị khí được sử dụng trong xử lý nước thải, chủ yếu ở các nhà máy.

Bể  lọc ngược qua tầng bùn kị khí UASB, các chất bẩn hữu cơ trong nước thải được giữ lại. Sau đó ô xy hoá trong điều kiện yếm khí ngay tại trong lớp bùn hoạt tính kỵ khí ở vùng đáy bể. Các chất khí tạo thành trong quá trình lên men trong lớp bùn này sẽ nổi lên. Cuốn theo các hạt bùn và được tách khỏi chúng khi va phải tấm chắn phía trên. Các hạt bùn được quay rơi trở lại tầng cặn. Khí được thu và dẫn ra ngoài về thùng chứa khí. Nước thải sau khi lắng tách bùn cặn được thu về máng nước trong phía trên. Sau đó được dẫn trực tiếp ra khỏi bể.

Nước thải được đưa vào từ đáy bể bằng hệ thống phân phối riêng. Dòng nước chuyển động thẳng đứng từ dưới ngược lên trên qua lớp đệm bùn trong đó gồm những sinh khối được tạo thành với dạng hạt nhỏ hoặc hạt lớn. Bằng cách này, nước thải có thể tiếp xúc với các hạt bùn một các thuận lợi.

Cấu tạo bể lọc ngược qua tầng kị khí UASB

Bể UASB thường có dạng hình chữ nhật, làm bằng vật liệu bê tông cốt thép. Trong bể thường được lắp một tấm chắn hình nón, được đặt trên cùng. Có độ nghiêng khoảng 35 độ, dùng để đón, tách khí ra khỏi nước dễ dàng hơn.

Cấu tạo bể UASB gồm 2 bộ phận chính:

  • Hệ thống máng thu nước sau xử lý
  • Hệ thống tách thu khí

Ưu điểm của bể lọc ngược qua tầng kị khí UASB

  • 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.
  • Ít tiêu tốn năng lượng vận hành. Là bể kị khí nên sử dụng công nghệ này không gây tốn năng lượng cho việc cung cấp khí cho bể. Từ đó, tiết kiệm được chi phí do tiêu ít năng lượng.
  • 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.
  • Sử dụng bể UASB giúp giảm lượng bùn sinh học thải ra, nhờ đó mà không mất thời gian cũng như chi phí xử lý bùn.

Ưu điểm theo khoa học trong quá trình xử lí

  • Sau quá trình xử lý, chất khí thu được là khí bể CH4. Chất khí này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cuộc sống.
  • Bể UASB xử lý nước thải triệt để đối với các chất hữ cơ cơ. Tối đa lên tới 4000mg/l, BOD 500mg/l. Đây là điều mà những bể sinh học hiếu khí thông thường không thể có được.
  • Bể UASB có thể chịu được tải trọng lớn, gấp 10 lần so với bể Aerotank (0,3 – 0,5kgBOD/m3/ngày). Bể UASB có tải trọng 3 – 8 kgBOD/m3/ngày. Với ưu điểm này thì bể có thể giảm được thể tích đáng kể, không gây tốn quá nhiều diện tích cũng như chi phí xây dựng.
  • Bể UASB trong xử lý nước thải được đánh giá cao. Do có thể xử lý các chất độc hại, ô nhiễm. Cũng như những chất hữu cơ phức tạp, khó phân hủy rất tốt.
  • Bể UASB có khả năng chịu sốc cao do tải trọng của dòng bể kỵ khí này rất lớn.
  • Với bể kỵ khí UASB, bùn hoạt tính có thể hồi phục và hoạt động bình thường lại sau một thời gian ngưng nghỉ.

Nhược điểm của bể lọc ngược qua tầng kị khí UASB

  • Để vận hành bể UASB một cách bình thường thì cần thời gian khởi động và chuẩn bị khá lâu.
  • Việc nuôi cấy bùn kỵ khí không dễ dàng, thông thường thời gian để thích nghi kéo dài từ 3 đến 4 tháng.
  • Hiệu quả xử lý là rất tốt nhưng lại không ổn định. Điều đáng lưu ý là do quá trình này diễn ra tự nhiên nên khó có thể can thiệp sâu vào hệ thống như những bể xử lý nước thải khác.
  • Cũng do hiệu quả xử lý không ổn định nên lượng khí sinh ra từ bể này cũng luôn bất ổn.
  • Theo tính toán bể UASB, chất khí thu được sau quá trình nước thải di chuyển ngược lên lớp bùn sinh học. Thì sẽ được thu qua phễu tách khí. Để quy trình này diễn ra suôn sẻ thì cần phải lắp tấm hướng dòng. Tấm này sẽ giúp khí có thể tập trung vào phễu mà không qua ngăn lắng. Cùng với đó, diện tích bề mặt nước phải đủ rộng thì các hạt bùn nổi có thể tách khỏi bọt khí.

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.

Quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:

–          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.

Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt liên kết các hợp chất cao phân tử

Trong giai đoạn đầu tiên này, quá trình chuyển hóa diễn ra chậm. Tốc độ thủy phân trong bể phụ thuộc vào mức độ pH, mức độ phân hủy, kích thước của hạt, hợp chất.

Các chất thải phức tạp cũng như chất không tan như (polysaccharides, proteins, lipids) ban đầu. Được chuyển hóa thành các chất đơn giản hoặc phân hủy thành chất hòa tan đơn giản. Ví dụ như các chất: đường, Amoni axit, axit béo. Quá trình chuyển hóa này có được là nhờ những enzym do vi khuẩn sinh học tiết ra.

Nguyên lý hoạt động của bể Uasb
Nguyên lý hoạt động của bể UASB

Giai đoạn 2: Giai đoạn Axit hóa

Trong quá trình này độ pH có thể giảm xuống mức 4.0, do phát sinh, hình thành axit béo. Giai đoạn 2, trong bể kỵ khí UASB diễn ra quá trình lên men chuyển hóa các chất đã hòa tan trong bể. Chuyển hóa chúng thành những chất đơn giản hơn như axit béo,  lcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và các sinh khối mới.

Giai đoạn 3: Quá trình Methane hóa

Đây là giai đoạn mà trong bẻ UASB diễn ra quá trình của các chất đã Methan hóa thành khí CH4 và khí CO2 bằng nhiều loại vi khuẩn kị khí.

Các phương trình phản ứng hóa học diễn ra trong giai đoạn 3:

CH3COOH = CH4 + CO2

2C2H5OH + CO2 = CH4 + 2CH3COOH

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

Quá trình thủy phân của các protein có khả năng phân hủy

NH3 + HOH = NH4- + OH-

Khi OH- sinh ra sẽ phản ứng với khí CO2 và tạo thành ion bicacbonat.

Cách tính toán thiết kế bể UASB

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 5.3 và 5.4.

Bảng 5.1 Tải trọng thể tích của bể UASB hoạt động ở 30oC, hiệu quả xử lý 85-95%

COD nước thải (mg/L) Tỷ lệ COD do cặn gây ra Tải trọng thể tích (kg COD/m3.ngđ)
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 5.2 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

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 5.3 Thời gian lưu nước có thể áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt trong các thiết bị UABS cao 4 m

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 5.4 Vận tốc nước chảy từ dưới lên và chiều cao bể UASB

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

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:

Vn = Q.HRT   


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:

HT = H+ HG

–   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.

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

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.

Leave a Reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

  0966.118.008