BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


BÀI BÁO CÁO

MÔN: KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG

XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SINH HỌC KỴ KHÍ VÀ HÓA LÝ

GVHD: LÊ TẤN THANH LÂM
Nhóm 8

Tp Hồ Chí Minh – Tháng 11/2015
Nhóm 8

Page 2


MỤC LỤC

CHƯƠNG I: XỬ LÍ NƯỚC THẢI BẰNG SINH HỌC KỴ KHÍ
Nhóm 8

Page 3


I.MỞ ĐẦU

cấp Oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa.
Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ
Nhóm 8

Page 4


trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như
sau:
Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật.
Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong
và bên ngoài tế bào.
Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào
mới.
Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các
tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống nước xử lý.Ở mỗi điều
kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ
thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi
lượng.
II.QUÁ TRÌNH XỬ LÍ SINH HỌC KỴ KHÍ
II.1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí do quần thể vi sinh vật (chủ
yếu là vi khuẩn) hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng
là một hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2….trong đó có tới 65% là CH4 (khí metan). Vì
vậy quá trình này cũng có thể gọi là quá trình lên men metan và quần thể sinh vật được
gọi tên chung là các vi sinh vật metan. Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu
cơ trong nước thải hoặc môi trường để xây dựng tế bào, tang sinh khối. Người ta đã tính
toán lượng chất hữu cơ dùng cho mục đích này chỉ khoảng 10% so với tổng các chất hữu
cơ (đối với vi sinh vật hiếu khí con số này là 40%). Do vậy, lượng bùn hoạt tính hình

Quá trình phân hủy kỵ khí chất bẩn là quá trình diễn ra hàng loạt các phản ứng sinh
hóa rất phức tạp và có thể mô tả như hình sau:

Chất hữu cơ phức tạp (gluxit, protein, lipid)

Chất hữu cơ đơn giản (đường đơn, peptit, axit amin,
glixerin, axit béo)

Các axit béo dễ bay hơi (propionic, butyric,
lactic…),etanol…

axetat

H2, CO2
CH4, CO2, H2O

Sơ đồ quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
Nhóm 8

Page 6


Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiện
không có oxy. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn
đơn giản như sau

Chất hữu cơ

Lên men




Metan có thể dùng để đốt, tạo nhiệt cung cấp cho lò phản ứng hoặc tạo ra điện. Một
lượng nhỏ năng lượng (khoảng 3 – 5 % ) bị mất bởi nhiệt trong quá trình kỵ khí . Sự tạo
thành metan giúp giảm thiểu BOD trong bùn đã phân hủy.
Phân hủy kị khí có thể làm sáu quá trình:
1.
−
−
−
2.
3.
4.
5.
6.

Phân hủy polimer:
Thủy phân các protein
Thủy phân polysaccharide
Thủy phân chất béo
Lên men các amino axit và đường
Phân hủy kị khí các axit béo mạch dài và rượu (alcohols)
Phân hủy kị khí các axit béo dễ bay hơi (ngoại trừ axit acetic)
Hình thành khí mêtan từ axit acetic
Hình thành khí mêtan từ hydrogen và CO2.
Các quá trình này có thể họp thành bốn giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình
phân hủy kị khí chất hữu cơ:

II.2.1GIAI ĐOẠN THỦY PHÂN
Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn

Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit axetic là chủ yếu còn
chứa cả axit propionic.
Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt)
trước khi trải qua quá trình oxy hóa β.
Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peronic, các axit trung gian cung cơ thể
được tạo thành từ các con đường khác (oxy hóa α, oxy hóa ω,...) bởi một số nhóm vi
khuẩn và nấm.
Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, indol, scatol,... được sinh ra và
pH của môi trường tăng dần lên.
II.2.3.GIAI ĐOẠN AXETAT HÓA
Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình
axit hóa nêu trên, ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần được phân giải tiếp thành
Nhóm 8

Page 9


những phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là axit acetic, khí H 2, CO2 được tạo
thành bởi vi khuẩn axetat hóa:
CH3CH2OH (ethanol) +
H2O → CH3COO- + H+ + 2H2
CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2
CH3(CH2)2COO- (butyric) +H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2
Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí này
ngay lập tức được vi sinh vật metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với
CO2. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng
phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ hydro bị ức chế
hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó
(bởi vi khuẩn axetat hóa) sẽ giảm mạnh. Trong khi axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa)
là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức

1. Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt;
2. 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.

Sơ đồ chuyển hóa vật chất trong điều kiện kỵ khí
Nguyên lý xử lý kỵ khí:
a) Quá trình lên men acid (phân hủy hợp chất cao phân tử):

Cellulose

acetate + rượu

Lipid

acid hữu cơ

Protein

H2 + CO2 + NH3 + H2S

b) Chất hữu cơ đơn giản
acid béo + chất hữu cơ hòa tan
c) Quá trình methane hóa (lên men metan)

Lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH4
Không có sự hiện diện của Oxy
Cần nhiệt độ cao


oxy hóa).

Hình 2: Fermentative bacteria
II.3.3.NHÓM VK ACETIC – Acetogenic bacteria
Nhóm này gồm các vi khuẩn như Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas wolfei.
Chuyển hóa acid béo, alcol
acetate, CO2 và H2.
Đòi hỏi thế Hydro thấp để chuyển hóa các acid béo.
Thế Hydro cao: acetate tạo thành giảm, các chất chuyển hóa thành acid propionic,
butyric, ethanol
Metan giảm.
• Mối quan hệ cộng sinh giữa VK acetogenic và VK Metan. Vi khuẩn Metan sẽ giúp đạt
được thế hydro thấp mà vi khuẩn acetogenic cần.
•
•
•

Nhóm 8

Page 13


Hình 3: Acetogenic bacteria
II.3.4. VK METAN – Methanogens
Nhóm vi khuẩn metan bao gồm cả gram âm và gram dương với các hình dạng rất
khác nhau . Vi khuẩn metan tăng trưởng chậm trong nước thải và thời gian thế hệ của
chúng thay đổi từ 3 ngày ở 350C và lên đến 50 ngày ở 100C.
Vi khuẩn metan được chia thành 2 nhóm phụ.
Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydrogen hóa tự dưỡng,
chuyển hóa hydro và CO2 thành metan:

III.2. NHIỆT ĐỘ
Vùng nhiệt độ ấm – trung bình: 20-45oC và vùng nhiệt độ cao – nóng: 45-65OC sẽ
thích hợp cho hoạt động của nhóm vi sinh vật lên men metan.
Một số nhóm vi sinh vật kỵ khí có khả năng hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp-lạnh: 1015oC. Khi nhiệt độ
Loại bể có kết cấu cho phép tốc độ nạp chất nền cao, được gia nhiệt và có thời gian
lưu khoảng 15 ngày, khuấy trộn hoàn chỉnh, nồng độ chất nền (tính theo lượng chất khô)
khoảng 10-15%. Loại bể này có hiệu quả phân hủy cao và chất lượng khí sinh học thu
được tốt.
Xuất phát từ hạn chế của kết cấu thông thường đòi hỏi phải pha loãng chất nền
nguyên thủy để đạt hàm lượng chất rắn 5-15% (kết cấu “ướt”), kết cấu hệ thống phân hủy
chất thải với hàm lượng chất rắn cao 20-40% (kết cấu “khô”) đã ra đời. Kết cấu “khô”
cho phép đơn giản hơn trong khâu tách loại các hợp phần vô cơ, thể tích bể phân hủy nhỏ
hơn, tốc độ nạp chất nền cao hơn, năng lượng cần thiết để gia nhiệt ít hơn trong khi mức
độ nhạy cảm với các chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học
cũng tương đương kết cấu “ướt”. Nhưng kết cấu mới đòi hỏi mức độ đầu tư khá cao cho
bộ phận khuấy đảo.
IV.CÁC CÔNG TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ
IV.1. BỂ UASB
IV.1.1.TỔNG QUAN VÀ VỊ TRÍ CỦA UASB:
UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process – Quy trình kỵ khí có tầng bùn
dòng chạy ngược.
UASB được nghiên cứu và phát triển vào cuối những năm 1970 bởi Tiến sĩ Gatze
Lettinga và các đồng nghiệp tại trường đại học Wageningen (Hà Lan). Lúc đầu công
nghệ UASB được xây dựng thí điểm để xử lý nước thải của một nhà máy sản xuất đường
từ củ cải ở Hà Lan. Sau đó, công nghệ này được nhanh chóng phát triển và ứng dụng trên
quy mô lớn trong XLNT nhà máy đường, chế biến tinh bột khoai tây, và các ngành công
nghiệp thực phẩm khác cũng như các nhà máy tái chế giấy trên khắp đất nước Hà Lan
cuối những năm 1970. Năm 1980, công nghệ UASB được công bố và ứng dụng rộng rãi
trên toàn thế giới. UASB là một trong những phương pháp XLNT bằng biện pháp sinh
học kỵ khí được ứng dụng rộng rãi do các đặc điểm sau:
− Cả 3 quá trình: Phân hủy – Lắng bùn – Tách khí được đặt chung trong một công trình
Nhóm 8

Page 17

Hình 5: bể UASB

Hình 6: mặt cắt của bể UASB
Nhóm 8

Page 19


IV.1.2.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ UASB:
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 CH4 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 máng tràn răng cưa dẫn đến
công trình xử lý tiếp theo.
Sự xử lý xảy ra khi nước thải đến và tiếp xúc với các hạt sinh khối và sau đó đi ra
khỏi thiết bị từ phía trên của thiết bị. Trong suốt quá trình này thì sinh khối với đặc tính
lắng cao sẽ được duy trì trong thiết bị. Một trong những bộ phận quan trọng của thiết bị
UASB đó là bộ phận tách khí - lỏng - rắn ở phía trên của thiết bị.
Trong quá trình xử lý nước thải, lượng khí tạo ra chủ yếu là CH4 và CO2 tạo nên sự
lưu thông bên trong giúp cho việc duy trì và tạo ra hạt sinh học. Các bọt khí tự do và các
hạt khi thoát lên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thu khí. Dịch lỏng
chứa một số chất còn lại và hạt sinh học chuyển vào ngăn lắng, ở đó chất rắn được tách
khỏi chất lỏng và quay trở lại lớp đệm bùn, nước thải sau đó được thải ra ngoài ở phía
trên của thiết bị.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9m/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

IV.1.4. ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH KỴ KHÍ TRONG BỂ UASB
−

−
−
−
−
−
−

IV.1.4.1. ƯU ĐIỂM
Ít tốn năng lượng vân hành: do quá trình phân hủy là quá trình giả lập tự nhiên với cường
độ cao, sự phân hủy xãy ra chủ yếu do các VSV kỵ khí tạo ra cho nên khi vận hành bể
tốn ít chi phí. Chi phí chủ yếu là quá trình bơm nước vào bể và quá trình tuần hoàn bùn,
hút bùn.
Công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp: khi bể đã đi vào hoạt động thì quá trình vận
hành dễ dàng, không đòi hỏi sử dụng công nghệ cao.
Quá trình hoạt động của bể tạo ra được lượng bùn hoạt tính cao nhưng lượng bùn sinh ra
không nhiều dẫn đến giảm chi phí xử lí bùn phát sinh.
Lượng bùn sinh ra dễ dàng tách khỏi nước.
Đạt hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao.
Tạo nguồn năng lượng có ích từ khí metan.
Ứng dụng kết hợp xử lí nước thải bệnh viện

Nhóm 8

Page 21


Hình 7: ứng dụng bể UASB trong xử lí nước thải bệnh viện

khoảng 20% lượng bùn cặn để gây men cho bùn cặn tươi đợt sau. Khi hút bùn cặn ra khỏi
bể, hỗn hợp bùn cặn thường có BOD5 khoảng 6000mg/l, tổng các chất rắn lơ lửng (TSS)
khoảng 15000mg/l.
Bể tự hoại cũng dùng trong xử lý cặn bùn của hệ thống xử lý nước thải chế biến thủy
sản, với thời gian lưu bùn từ 1-2 tháng, bùn được nâng nhiệt đến 35 oC và đáy bể có van
tháo cặn. Qúa trình phân hủy bùn cặn được tăng cường khi bùn khuấy trộn.
Bùn cặn đã lên men được sử dụng vào nhiều mục đích khác như: ủ làm phân vi sinh
hoặc bón trực tiếp cho các cây công nghiệp,…
Bể phốt tối thiểu phải có ba ngăn để làm việc với 3 quy trình như trên : Chứa , lắng ,
lọc. Từ ngăn chứa sang ngăn lọc không để lỗ chảy trực tiếp mà dẫn nước qua một cút
sành. Cần chú ý dáy ống đường vào bể phải cao hơn đường ra ít nhất 10 cm , để ngăn
không cho nước trong bể thâm nhập trở lại đường ống lên thiết bị vệ sinh và ngăn ngừa
sự hình thành của chất rắn trong ống cống tiện cho việc thông tắc cống
Nguyên lý hoạt động của bể tự hoại
Quá trình thứ nhất:
Nguyên lý hoạt động của bể tự hoại trong quá trình lắng cặn trong bể có thể xem như
quá trình lắng tĩnh. Dưới tác dụng trọng lượng bản thân các hạt cặn sẽ rơi xuống dười đáy
bể và nước sau khi ra khỏi bể sẽ trong. Cặn rơi xuống bể ở đây có các chất hữu cơ sẽ bị
phân hủy nhờ hoạt động của vi sinh vật yếm khí.
Quá trình thứ hai:
Nguyên lý hoạt động của bể tự hoại trong quá trình lên men. Sau khi các hạt cặn lắng
xuống đáy bể và các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy nhờ có các vi sinh vật yếm khí, cặn sẽ
lên men, mất mùi hôi và giảm thể tích. Tốc độ lên men của căn nhanh hay chậm phụ

Nhóm 8

Page 23


thuộc vào nhiệt độ, độ PH của nước thải, lượng vi sinh vật trong cặn, nhiệt độ càng cao


Quá trình ổn định nước thải trong hồ kỵ khí xảy ra từ quá trình kết tủa và.chuyển hoá
chất hữu cơ thành CO2, CH4, các khí khác, các axit hữu cơ và tế bào mới. Việc áp dụng
các hồ kỵ khí để xử lý nước thải sẽ đạt hiệu quả cao
Các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ các hợp chất hữu cơ trong dòng chảy, giải phóng khí CH 4
và CO2.
Có khả năng xử lý nước thải chứa hàm lượng hữu cơ cao
Hồ kỵ khí làm giảm lượng N, P, K và các vi sinh vật gây bệnh bằng cách tạo ra bùn
và giải phóng NH3 vào không khí.
Hồ kị khí thường sâu từ 2 –5m và xử lý được nước thải có chất hữu cơ cao (thường >
100g BOD/m3với sâu 3m nước). lượng chất hữu cơ có trong hồ sẽ liên quan mật thiết với
lượng oxy nạp vào hồ. Hồ kị khí không có mặt của tảo, mặc dù có thể bắt gặp có sự xuất
hiện của loài chủ yếu Chlamydomonas trên bề mặt. Chúng hoạt động rất hiệu quả trong
điều kiện khí hậu nóng có thể loại bỏ 60 –85% BOD.
Đặc điểm cấu tạo:
-Hồ nên có 2 ngăn làm việc nhăm khi dự phòng xả bùn.
-Cửa nước vào phải đặt chìm, phải đảm bảo việc phân bố cặn lắng đồng đều
trong hồ, cần 1 miệng xả nếu diện tích nhỏ hơn 0,5ha nếu lớn hơn thì bố trí thêm.
-Cửa lấy nước rời khỏi hồ thiết kế theo thu nước bề mặt và có tấm ngăn để bùn không
đi theo

Hình 9 : hồ kị khí
Kết quả thu được:
Chuyển đổi vật chất từ dạng vật liệu hòa tan thành dạng vật chất lắng đọng như bùn
đáy.
Hòa tan các dạng vật chất hữu cơ khác.
Phá vỡ quá trình phân hủy sinh học của các vật chất hữu cơ.
Chứa vật chất không hòa tan và không phân hủy như bùn đáy.
Chứa vật chất không hấp thụ và ở dạng vô định hình như bùn đáy.
Cho phép xử lý một phần dòng chảy đi qua.