CHƯƠNG 5
CÁC CƠNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ
5.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Q trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là q trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản
phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều
kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:
Vi sinh vật
Chất hữu cơ -------------------> CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH
3
+H
2
S + Tế bào mới
Một cách tổng qt, q trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 5.1):
- 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.
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo,
carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những
phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành
amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid
hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H
2
và CO
2

. Các acid
béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO
2
và H
2
,
methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong q trình cắt mạch carbohydrat. Vi
sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO
2
+ H
2
,
formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
- 4H
2
+ CO
2
 CH
4
+ 2H
2
O
- 4HCOOH  CH
4
+ 3CO
2
+ 2H
2
O
- CH

3
COOH  CH
4
+ CO
2
- 4CH
3
OH  3CH
4
+ CO
2
+ 2H
2
O
- 4(CH
3
)
3
N + H
2
O  9CH
4
+ 3CO
2
+ 6H
2
O + 4NH
3
Hình 5.1 Q trình phân hủy kỵ khí.
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia q trình xử lý kỵ khí thành:

5-1
Phức chất hữu cơ Acid hữu cơ
H
2
Acetic acid
CH
4
4%
76%
20%
24%
52%
28%
72%
Q trình thủy phân
Q trình acetate
hóa và khử hydro
Q trình
methane hóa
Ống thu nước sau xử lý
Máng thu nước
dạng răng cưa
Thiết bò tách pha
khí – lỏng - rắn
Ống bơm nước
vào thiết bò UASB
- Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như q trình tiếp xúc kỵ khí
(Anaerobic Contact Process), q trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB);
- Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như q trình lọc kỵ khí

(Anaerobic Filter Process).
5.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỂ UASB
5.2.1 Cấu Tạo
Đây là một trong những q trình kỵ khí được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới do hai đặc
điểm chính sau:
- Cả ba q trình, phân hủy - lắng bùn - tách khí, được lấp đặt trong cùng một cơng 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.
Bên cạnh đó, q trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB còn có những ưu điểm so với q
trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành;
- 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 khơng nạp liệu.
Sơ đồ bể UASB được trình bày trong Hình 5.2. Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp
bùn hạt, q 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 methane và CO
2
) sẽ tạo nên dòng tuần hồn cục bộ giúp cho
q 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, q 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 màng tràn răng cưa dẫn đến cơng trình xử lý
tiếp theo.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6-0,9 m/h (nếu bùn ở dạng bùn
hạt). pH thích hợp cho q 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 ln ln > 6,2 vì ở pH < 6,2,

vi sinh vật chuyển hóa methane khơng hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của
vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2-3 giờ ở 35
0
C so với 2-3
ngày, ở điều kiện tối ưu). Do đó, trong q trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ khơng
được q cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều
lần so với tốc độ chuyển hóa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa.
5-2
Ống thu nước sau xử lý
Máng thu nước
dạng răng cưa
Thiết bò tách pha
khí – lỏng - rắn
Ống bơm nước
vào thiết bò UASB
Hình 5.2 Sơ đồ cấu tạo UASB.
5.2.2 Quy Trình Vận Hành
Do tại Việt Nam chưa có loại bùn hạt nên q trình vận hành được thực hiện với tải trọng ban đầu
khoảng 3 kg COD/m
3
.ngđ. Mỗi khi đạt đến trạng thái ổn định, tải trọng này sẽ được tăng lên gấp
đơi cho đến khi đạt tải trọng 15 - 20 kg COD/m
3
.ngđ. Thời gian này kéo dài khoảng 3 -4 tháng.
Sau đó, bể sẽ hoạt động ổn định và có khả năng chịu q 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 khơng cần thiết phải đặt vấn đề xử lý bùn. Q trình xử lý này chỉ tiêu tốn một lượng nhỏ
năng lượng dùng để bơm nước.
5.2.3 Tính Tốn Thiết Kế
Tải trọng thể tích đặc trưng của bể UASB có thể đạt hiệu quả xử lý 85-95%, ở nhiệt độ 30

o
C 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.
5-3
Lan can bảo vệ
Ống thu nước sau xử lý
Sàn công tác
Máng thu nước
dạng răng cưa
Thiết bò tách pha
khí – lỏng - rắn
Vách hướng
dòng hình côn
Cầu thang
Vỏ thiết bò
Hỗn hợp
nước thải
Lớp bùn kỵ khí
Ống bơm nước
vào thiết bò UASB
Bộ phận phân phối
đều lưu lượng nước
thải
Ống thoát
khí
Bình hấp
thụ khí

Bọt khí
Dung dòch
NaOH 5%
Ống dẫn khí
Bảng 5.1 Tải trọng thể tích của bể UASB hoạt động ở 30
o
C, hiệu quả xử lý 85-95%
COD nước
thải (mg/L)
Tỷ lệ COD
do cặn gây ra
Tải trọng thể tích (kg COD/m
3
.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
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
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 (
o
C) Tải trọng thể tích (kg sCOD/m
3
.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
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
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 (
o
C) 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

Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
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
Nguồn: Metcaft & Eddy, 2003.
5-4
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:
org
n
L
QS
V
0
=
Trong đó:
- V
n
: thể tích hữu dụng tối thiểu của bể (m
3
);
- Q : lưu lượng nước thải vào bể (m

3
/h);
- S
0
: nồng độ COD của nước thải trước khi xử lý (mg/L);
- L
org
: tải trọng chất hữu cơ (kg COD/m
3
.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:
V
n
= 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:
E
V
V
n
L
=
Trong đó:
- V
n
: thể tích hữu dụng tối thiểu của bể (m
3

);
- V
L
: tổng thể tích phần chứa hỗn hợp nước thải trong thiết bị (m
3
);
- E : hệ số hữu ích = 0,8-0,9.
Diện tích của thiết bị được tính theo công thức sau
v
Q
A =
Trong đó:
- A : diện tích (m
2
);
- Q : lưu lượng nước thải vào bể (m
3
/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).
5-5