Xử lý nước thải phân hủy kỵ khí: Hướng dẫn thiết bị cần thiết cho các nhà máy công nghiệp

Một nhà máy chế biến thực phẩm ở vùng Trung Tây phải trả 18.000 USD mỗi tháng để vận chuyển bùn lỏng ra khỏi cơ sở. Sau khi lắp đặt giai đoạn phân hủy kỵ khí với thiết bị xử lý bùn và khử nước thích hợp, cơ sở này đã cắt giảm 60% khối lượng vận chuyển và bắt đầu thu khí sinh học để bù đắp việc sử dụng khí tự nhiên trong nồi hơi. Kết quả đó không chỉ đến từ cái máy phân hủy; nó đến từ việc kết hợp thiết bị cơ khí phù hợp với quá trình sinh học xung quanh nó.

Xử lý nước thải phân hủy kỵ khí là một quá trình sinh học phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong điều kiện không có oxy, tạo ra khí sinh học và cặn ổn định gọi là chất tiêu hóa. Đối với các cơ sở công nghiệp có nước thải hữu cơ nồng độ cao, công nghệ này giúp giảm lượng bùn, giảm chi phí xử lý và tạo ra năng lượng tái tạo. Nhưng phản ứng sinh học chỉ diễn ra tốt khi các thiết bị cơ khí ở thượng nguồn và hạ nguồn thực hiện công việc của nó: sàng lọc, làm đặc bùn, chuẩn bị polyme, trộn và khử nước.

Hướng dẫn này tập trung vào thiết bị giúp xử lý nước thải phân hủy kỵ khí hoạt động đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp. Nó bao gồm các giai đoạn của quy trình, máy móc cần thiết ở mỗi bước, các yếu tố lựa chọn quyết định hiệu suất và thực tế vận hành mà người mua nên đánh giá trước khi quyết định sử dụng hệ thống.

Sơ lược về xử lý nước thải phân hủy kỵ khí

Phân hủy kỵ khí là một quá trình sinh học gồm bốn giai đoạn, trong đó vi sinh vật chuyển đổi chất hữu cơ thành khí sinh học và tiêu hóa. Quá trình này hoạt động không có oxy, điều này giúp phân biệt nó với các phương pháp xử lý hiếu khí như bùn hoạt tính.

Bốn giai đoạn sinh học

1. Thủy phân: Các polyme phức tạp như protein, chất béo và carbohydrate được phân hủy thành đường hòa tan, axit amin và axit béo.
2. Tính axit: Vi khuẩn lên men chuyển đổi các hợp chất hòa tan đó thành axit béo dễ bay hơi, rượu, hydro và carbon dioxide.
3. Sinh axetat: Vi khuẩn acetogen tiếp tục chuyển đổi axit béo thành axit axetic, hydro và carbon dioxide.
4. Sự sinh metan: Vi khuẩn cổ sinh metan tạo ra khí mêtan và carbon dioxide, tạo thành khí sinh học thô thường chứa 55 đến 70% khí mêtan.

Quá trình sinh học được hiểu rõ. Thách thức kỹ thuật nằm ở việc cung cấp thức ăn cho bể phân hủy một cách nhất quán, duy trì nhiệt độ và độ pH, trộn các chất bên trong một cách đầy đủ và xử lý chất phân hủy thoát ra khỏi bể. Mỗi nhiệm vụ này phụ thuộc vào thiết bị cụ thể.

Thiết bị cốt lõi trong hệ thống xử lý nước thải phân hủy kỵ khí

Hệ thống phân hủy kỵ khí không phải là một cỗ máy đơn lẻ; nó là một đoàn thiết bị được chế tạo xung quanh một tàu phân hủy. Thiết bị xác định liệu sinh học có ổn định hay không và hệ thống có vận hành tiết kiệm hay không.

Mỗi nhóm thiết bị này đều đáng được quan tâm trong quá trình lập kế hoạch dự án. Một thiết bị phân hủy có thể hoạt động với khả năng sàng lọc ngược dòng kém, nhưng hậu quả sẽ xuất hiện sau đó: bộ trao đổi nhiệt bị tắc, cặn lắng, máy bơm bị hỏng và tích tụ giẻ rách khiến cần phải tắt thiết bị phân hủy để làm sạch.

Tại sao thiết bị tiền xử lý lại quan trọng

Biện pháp bảo vệ cơ học đầu tiên trong xử lý nước thải phân hủy kỵ khí là sàng lọc. Nước thải công nghiệp thường mang theo khăn lau, phế liệu bao bì, tóc và các vật liệu dạng sợi không bị phân hủy trong bể phân hủy. Nếu những chất rắn này đi vào thiết bị phân hủy, chúng sẽ tạo thành lớp váng hoặc lắng đọng dưới dạng sạn, làm giảm thể tích hiệu quả và cuối cùng buộc phải làm sạch tốn kém.

Cài đặt một máy sàng thanh răng cào hoặc một máy sàng trống thanh ở đầu vào loại bỏ chất rắn thô trước khi chúng đến máy bơm và bộ trao đổi nhiệt. Việc lựa chọn phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy, kích thước lỗ sàng và lượng chất rắn mà nước thải mang theo. Máy sàng lưới dạng thanh giúp loại bỏ tốt hơn các luồng có hàm lượng chất xơ cao, trong khi thiết kế răng cào xử lý tải chất rắn cao hơn với ít chói mắt hơn.

Tiêu chí lựa chọn thiết bị cho hệ thống phân hủy kỵ khí

Việc lựa chọn thiết bị xử lý nước thải phân hủy kỵ khí nên bắt đầu bằng việc xác định đặc tính của nước thải chứ không phải dựa trên thương hiệu. Bốn thông số thúc đẩy hầu hết các quyết định thiết kế: tốc độ dòng chảy, tổng nồng độ chất rắn lơ lửng, hàm lượng chất rắn dễ bay hơi và phân bổ kích thước hạt.

Các yếu tố lựa chọn chính

• Tốc độ dòng chảy và tải thủy lực: Thiết bị phải xử lý lưu lượng giờ cao điểm chứ không chỉ lưu lượng trung bình hàng ngày. Máy bơm, màn chắn và thiết bị khử nước thường có kích thước bằng 1,5 đến 2 lần lưu lượng trung bình.
• Nồng độ chất rắn: Bùn dày lên làm giảm thể tích phân hủy và tải nhiệt. Một nhà máy làm đặc bùn từ 1 đến 5% chất rắn khô có thể giảm thể tích phân hủy khoảng 60%.
• Phá hủy chất rắn dễ bay hơi: Bể phân hủy loại bỏ 35 đến 60 phần trăm chất rắn dễ bay hơi tùy thuộc vào thời gian lưu và nhiệt độ. Khử nước ở hạ lưu phải xử lý các chất rắn ổn định còn lại.
• Nhu cầu polyme: Xử lý bùn để khử nước thường cần 4 đến 10 kg polyme cho mỗi tấn chất rắn khô. Hệ thống chuẩn bị và định lượng polymer tự động sẽ tránh được các vấn đề về quá liều và thiếu liều lượng liên quan đến việc trộn thủ công.

Việc lựa chọn giữa định lượng bán tự động và hoàn toàn tự động ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất khử nước. Máy ép lọc băng tải hoạt động với polyme được chuẩn bị kém có thể làm giảm năng suất và tạo ra bánh ướt hơn, làm tăng chi phí vận chuyển từ 20 đến 30%. Các cơ sở có kế hoạch khử nước suốt ngày đêm nên mặc định sử dụng hệ thống hoàn toàn tự động.

Thiết bị khử nước bùn trong hệ thống phân hủy kỵ khí

Thiết bị khử nước xác định hàm lượng chất rắn khô cuối cùng của chất phân hủy, giúp kiểm soát chi phí xử lý và xử lý hậu cần. Xử lý nước thải phân hủy kỵ khí thường tạo ra chất tiêu hóa chứa 2 đến 4% chất rắn khô; khử nước tăng tỷ lệ đó lên 18 đến 30 phần trăm tùy thuộc vào công nghệ.

A máy ép bùn ép trục vít thường là sự lựa chọn thực tế cho các hệ thống phân hủy kỵ khí vì nó chịu được sạn và chất xơ tốt hơn máy ly tâm và vận hành với mức tiêu thụ polymer thấp hơn. Máy ép lọc đai vẫn là tiêu chuẩn khi cần có chất rắn dạng bánh trên 20% và có sự chú ý của người vận hành. Máy ly tâm phù hợp với các hệ thống lắp đặt lớn hơn, nơi có dấu chân và tự động hóa quan trọng.

Lựa chọn khử nước phù hợp không phải là lựa chọn có chất rắn dạng bánh cao nhất trên giấy. Nó là loại phù hợp với các đặc tính của bùn, trình độ kỹ năng của người vận hành, không gian xây dựng sẵn có và số giờ nhà máy dự kiến ​​vận hành mỗi ngày.

Thu khí sinh học và vai trò của sàng lọc thanh cơ khí quay

Thu giữ khí sinh học là quá trình biến việc xử lý nước thải tiêu hóa kỵ khí từ chi phí xử lý thành nguồn doanh thu. Tuy nhiên, hệ thống khí sinh học thất bại về mặt tài chính khi các chất rắn vô cơ và xơ sợi tích tụ trong hầm phân hủy và làm giảm thể tích sử dụng. Đây là lý do tại sao sàng lọc không phải là một phụ kiện tùy chọn.

Màn hình thanh cơ khí quay loại bỏ các mảnh vụn liên tục bằng cách sử dụng trống hoặc lưới quay để nâng chất rắn ra khỏi dòng chảy và xả chúng vào máy giặt hoặc máy đầm. Chúng khác với màn chắn tĩnh ở chỗ chúng không chỉ dựa vào dòng chảy để di chuyển chất rắn, do đó chúng hoạt động ổn định ngay cả khi nước thải chứa lượng chất rắn cao.

• Màn hình thanh trống: tốt cho tốc độ dòng chảy cao và loại bỏ chất rắn ổn định; trống quay liên tục và được làm sạch bằng vòi phun.
• Màn hình thanh lưới: cung cấp sàng lọc tốt hơn cho vật liệu dạng sợi; phổ biến trong xử lý nước thải thực phẩm và đồ uống.
• Màn hình thanh răng cào: xử lý chất rắn lớn hơn và sàng lọc nặng; thích hợp cho lượng tiêu thụ của thành phố với nhiều sạn và mảnh vụn.

Đối với dây chuyền xử lý nước thải phân hủy kỵ khí xử lý nước thải công nghiệp, màn hình lưới hoặc thanh trống được lắp đặt trước bể cân bằng sẽ bảo vệ mọi thành phần hạ lưu. Chi phí của sàng lọc là nhỏ so với chi phí mở một bể phân hủy để loại bỏ các mảnh vụn hoặc sạn tích tụ.

Cân nhắc hoạt động và lập kế hoạch bảo trì

Thiết bị xử lý nước thải phân hủy kỵ khí đòi hỏi nhịp độ bảo trì khác với thiết bị xử lý hiếu khí. Môi trường phân hủy ấm, ẩm và có tính ăn mòn. Khí sinh học chứa hydro sunfua, tấn công các bề mặt kim loại và các bộ phận điện không được bảo vệ.

Ưu tiên bảo trì

1. Hệ thống định lượng polyme: Kiểm tra bơm định lượng và buồng trộn hàng tuần. Dung dịch polyme để lâu hơn 24 giờ sẽ làm mất độ nhớt và hiệu suất keo tụ.
2. Màn hình và bộ lọc: Làm sạch vòi phun và kiểm tra độ mòn của tấm màn hình hàng tháng. Một tấm màn hình bị rách cho phép chất rắn đi qua và âm thầm làm giảm hiệu suất xuôi dòng.
3. Máy khử nước: Theo dõi việc theo dõi dây đai, độ mòn vít và nhiệt độ vòng bi. Máy ép trục vít yêu cầu kiểm tra bên trong định kỳ về độ mòn trên trục vít và lồng lưới.
4. Thiết bị xử lý khí: Kiểm tra cống thoát nước ngưng tụ và kiểm tra sự ăn mòn hydro sunfua trong đường ống dẫn khí ít nhất mỗi quý một lần.

Người vận hành cũng nên theo dõi mức tiêu thụ polymer trên mỗi tấn chất rắn khô và phần trăm chất rắn khô dạng bánh hàng tháng. Hai chỉ số này cho thấy những thay đổi dần dần về đặc tính của bùn trước khi chúng trở thành lỗi quy trình. Liều lượng polyme tăng lên mà không có sự gia tăng tương xứng về chất rắn dạng bánh thường báo hiệu rằng bùn đã trở nên khó khử nước hơn, điều này có thể dẫn đến sự khó chịu của hệ thống phân hủy hoặc sự thay đổi các điều kiện ở thượng nguồn.

Cân nhắc chi phí và phân tích hoàn vốn

Tính kinh tế của thiết bị xử lý nước thải phân hủy kỵ khí phụ thuộc vào lượng chất hữu cơ có sẵn, bao nhiêu năng lượng được thu giữ và chi phí xử lý bùn hiện nay là bao nhiêu. Mỗi cơ sở có một đường cơ sở khác nhau, nhưng động lực hoàn vốn là nhất quán.

Đối với một dòng nước thải công nghiệp cỡ trung bình thải ra 10 tấn COD mỗi ngày, tiềm năng khí mêtan là khoảng 3.500 mét khối mỗi ngày. Ở các giá trị năng lượng điển hình, tương đương với khoảng 35.000 kWh năng lượng nhiệt mỗi ngày. Liệu địa điểm này có thể thực sự sử dụng năng lượng đó hay không phụ thuộc vào tải của lò hơi, nhu cầu sưởi ấm và liệu khí sinh học có được đốt hay sử dụng hay không. Ngân sách thiết bị nên bao gồm việc sử dụng khí hoặc đốt khí ngay từ ngày đầu tiên, bởi vì hệ thống khí sinh học không có đường dẫn sử dụng sẽ trở thành vấn đề về xử lý.

Tích hợp bố trí thiết bị

Việc xử lý nước thải phân hủy kỵ khí thành công phụ thuộc vào việc thiết bị được bố trí xung quanh bể phân hủy tốt như thế nào. Hai khía cạnh gây ra sự cố vận hành lớn nhất là khả năng tiếp cận bảo trì kém và không đủ cột dọc giữa các giai đoạn của quy trình.

Hệ thống khử nước phải được bố trí sao cho trọng lực chảy về phía điểm xả. Hệ thống polymer cần không gian sàn để nạp túi, trộn và tiếp cận máy bơm. Sàng lọc cần có khoảng trống để tháo thùng rác và bảo dưỡng cơ cấu truyền động. Khi lập kế hoạch lắp đặt mới, trước tiên hãy vẽ sơ đồ thiết bị và thiết kế đường ống sau.

Đối với các dự án trang bị thêm, hạn chế phổ biến nhất là diện tích sàn gần bể chứa bùn hiện có. A thiết bị định lượng hoàn toàn tự động và máy khử nước ép trục vít có thể đặt vừa trong một khu vực nhỏ gọn, nhưng đường dẫn lưu trữ và vận chuyển polyme vẫn cần phải thiết thực cho hoạt động hàng ngày.

Thiết bị trông ổn trên sơ đồ quy trình có thể trở thành sự cố hàng ngày nếu người vận hành không thể tiếp cận phễu polyme, không thể làm sạch sàn sàng hoặc không thể mở cửa truy cập máy khử nước. Lập kế hoạch cho không gian vận hành, không chỉ không gian lắp đặt.

Câu hỏi thường gặp

Xử lý nước thải phân hủy kỵ khí là gì?

Xử lý nước thải tiêu hóa kỵ khí là một quá trình sinh học phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải hoặc bùn mà không cần oxy. Nó tạo ra khí sinh học, chủ yếu là metan và carbon dioxide, và một chất phân hủy ổn định, dễ khử nước và xử lý hơn so với bùn thô.

Xử lý nước thải kỵ khí cần những thiết bị gì?

Thiết bị chính bao gồm sàng lọc thanh cơ học quay để loại bỏ chất rắn thô, thiết bị làm đặc bùn, hệ thống chuẩn bị và định lượng polyme để xử lý bùn, hệ thống trộn bể phân hủy và máy khử nước như máy ép trục vít, máy ép lọc đai hoặc máy ly tâm để xử lý chất thải.

Những ngành công nghiệp nào được hưởng lợi nhiều nhất từ ​​việc xử lý nước thải kỵ khí?

Các ngành công nghiệp có nước thải hữu cơ nồng độ cao được hưởng lợi nhiều nhất: chế biến thực phẩm và đồ uống, sữa, nhà máy bia, nhà máy chưng cất, bột giấy và giấy, và lò mổ. Những dòng này có nhu cầu oxy hóa học cao và sản xuất đủ khí sinh học để phục hồi năng lượng một cách hấp dẫn về mặt kinh tế.

Làm cách nào để chọn giữa máy ép lọc đai và máy ép trục vít để khử nước phân hủy?

Chọn máy ép lọc đai khi cần có chất rắn dạng bánh trên 20 phần trăm và người vận hành có sẵn để điều chỉnh thường xuyên. Chọn máy ép trục vít khi bùn có nhiều biến đổi, dạng sợi hoặc dầu và khi bạn muốn mức tiêu thụ polymer thấp hơn và vận hành đơn giản hơn. Máy ly tâm phù hợp với các hệ thống lắp đặt lớn hơn với công suất cao và yêu cầu vận hành khép kín.