giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 3 xử lý nước

giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 3 xử lý nước

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

THẠC SĨ VƯU NGỌC DUNG

04/06/2024

1

BÀI 3: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG

NHỮNG ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC THẢI

 Nước thải là nước đã dùng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua vùng đất ô nhiễm

 Nước thải được định nghĩa là nước đã qua quá trình sử dụng của con người và được thải bỏ vào trong hệ thống nước, có các thông

số hoá học và/hoặc vật lý đã bị biến đổi

XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIẾU KHÍ

1. BÙN HOẠT TÍNH

2. LỌC SINH HỌC

 Nguyên tắc: sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ, pH… thích hợp

(CHO)nNS + O2 → CO2 + H2O + NH4+ + H2S + sinh khối

 Trong điều kiện hiếu khí NH4+ và H2S cũng bị phân huỷ nhờ quá trình Nitrat hóa, sunfat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng:

NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ H2O

H2S + 2O2 → SO42- + 2H+

 Hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí bao gồm:

- Quá trình dinh dưỡng: Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các nguyên tố khoáng vi lượng để xây dựng

tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản

- Quá trình phân huỷ: Vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ hoà tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác

MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SINH HỌC HIẾU KHÍ

 Là quá trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là CO2, H2O, NO3- và SO42-

 Protein, tinh bột, chất béo…  thuỷ phân enzyme ngoại bào các Acid amin, Acid béo, Acid hữu cơ, đường đơn…

 Các chất đơn giản này  thấm qua màng tế bào và bị phân huỷ tiếp tục hoặc chuyển hoá thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O

Cơ chế quá trình xử lý hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1 - Oxy hóa chất hữu cơ trong nước thải để đáp ứng

nhu cầu năng lượng của tế bào

 Giai đoạn 2 (Quá trình đồng hóa) - Tổng hợp để xây dựng tế

bào

 Giai đoạn 3 (Quá trình dị hóa) - Hô hấp nội bào

Khi không đủ cơ chất quá trình chuyển hoá các chất của tế bào xảy

ra sự tự oxy hóa chất liệu tế bào

BÙN HOẠT TÍNH HAY BỂ HIẾU KHÍ (AEROTANK)

 GIỚI THIỆU

 HỆ THỐNG BỂ BÙN HOẠT TÍNH

 CÁC DẠNG BỂ AEROTANK

GIỚI THIỆU

 Là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó nồng độ cao của vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải, được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914

 Bùn hoạt tính bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%) Chất nền: rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau

 Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn kỵ khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen

 Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn, nấm men, nấm mốc,

xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là các ấu trùng sâu bọ

 Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn:

8- Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micrococcus

 Zooglea có khả năng sinh ra bao nhầy xung quanh tế bào có tác

dụng gắn kết các vi khuẩn, hạt lơ lửng, các chất màu, mùi… và phát triển thành các hạt bông cặn

 Những hạt bông này khi ngừng thổi khí hoặc khi các cơ chất cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống tạo ra bùn hoạt tính

 Khi bùn lắng xuống là “bùn già” hoạt tính bùn bị giảm Hoạt hoá trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ

 Công thức bùn hoạt tính thường dùng là: C5H7O2N

Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí

Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển

 Cơ chất và chất dinh dưỡng phong phú, sinh khối bùn ít

 Theo thời gian, quá trình thích nghi  sinh trưởng theo cấp số nhân  sinh khối bùn tăng mạnh

 Lượng oxy tiêu thụ tăng dần cuối giai đoạn này rất cao, gấp 3 lần giai đoạn 2 Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần

 Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định.

 Hoạt lực enzyme đạt tối đa và kéo dài

 Tốc độ và sự phân hủy chất hữu cơ đạt tối đa

 Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi

 Giai đoạn 3:

 Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm rồi tăng lên

 Tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm và quá trình Nitrate hóa Amoniac xảy ra

 Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc

HỆ THỐNG BỂ BÙN HOẠT TÍNH :

 Bể bùn hoạt tính truyền thống (một giai đoạn)

 Bể bùn hoạt tính tiếp xúc-ổn định (hai giai đoạn)

 Bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài

 Bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh

 Bể bùn hoạt tính chọn lọc

BÙN HOẠT TÍNH DÒNG TRUYỀN THỐNG

 Hệ thống sử dụng các thiết bị làm thoáng bề mặt theo chiều dài bể

 Bể thường có dạng hình chữ nhật: dòng vào và bùn tuần đi vào bể

ở 1 đầu và chất lỏng hòa trộn sẽ đi ra ở đầu đối diện

 Mô hình gần giống hệ thống dòng chảy đều, thời gian lưu phụ thuộc vào thể tích bồn chứa, lượng oxy, hàm lượng chất thải

 Hiệu quả làm sạch thường từ 80 – 95%

BỂ BÙN HOẠT TÍNH TIẾP XÚC - ỔN ĐỊNH

 Hệ thống chia bể phản ứng thành 2 vùng:

 Vùng tiếp xúc là nơi xảy ra quá trình chuyển hóa các vật chất hữu

cơ trong nước thải đầu vào

 Vùng ổn định là nơi bùn hoạt tính tuần hoàn từ thiết bị lọc được sục khí để ổn định vật chất hữu cơ

 Hiệu quả xử lý của hệ thống này thường đạt 85 – 95% BOD5 và các chất rắn lơ lửng

 Dùng xử lý nước thải sinh hoạt với nồng độ cao các hợp chất hữu

cơ dạng các phần tử chất rắn

Vùng tiếp xúc

Vùng ổn định bùn

Lắng

Bơm tuần hoànBùn dư

Bùn hoạt tính

tuần hòan

BỂ BÙN HOẠT TÍNH TIẾP XÚC - ỔN ĐỊNH

BỂ BÙN HOẠT TÍNH THÔNG KHÍ KÉO DÀI

 Thời gian lưu bùn kéo dài để ổn định lượng sinh khối rắn từ quá trình chuyển hóa của các vật chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi khuẩn

 Thời gian lưu bùn thường kéo dài từ 20 – 30 ngày

 Thời gian lưu nước khoảng 24 giờ có tác dụng: làm giảm lượng chất rắn và tăng sự ổn định của quá trình

 Nhược điểm: bể loại lớn sẽ hạn chế khả năng phối trộn

BỂ BÙN HOẠT TÍNH THÔNG KHÍ CƯỜNG ĐỘ CAO CÓ

KHUẤY ĐẢO HOÀN CHỈNH

 Là loại Aerotank tương đối lý tưởng để xử lý nước thải có mức độ

ô nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng cao

 Thời gian làm việc ngắn: do thời gian lưu ngắn, bùn hoạt tính và oxy hòa tan được phân bố đều  quá trình oxy hóa được đồng đều

và hiệu quả cao

 Ưu điểm của công nghệ này là:

 Pha loãng ngay tức khắc nồng độ các chất nhiễm bẩn, kể cả các chất độc hại (nếu có)

 Không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ trong bể

 Thích hợp cho xử lý các loại nước thải có tải trọng cao, chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng

BỂ BÙN HOẠT TÍNH CHỌN LỌC

 Dùng để kiểm soát sự tăng trưởng quá mức của các vi khuẩn lên men, có thể gồm các loài gây hại

 Tạo điều kiện có lợi cho sự tăng trưởng của các vi sinh vật kết bông  tăng khả năng lắng đọng của bùn hoạt tính

 2 cơ chế chọn lọc các vi sinh vật: động học và trao đổi chất

 Cơ chế động học: tải trọng đầu vào cao  chọn lọc vi sinh vật có thể phân hủy các chất hữu cơ ở tốc độ cao

 Cơ chế trao đổi chất: kiểm soát khả năng nhận điện tử ở các cực trong thiết bị chọn lọc

CÁC DẠNG BỂ AEROTANK

Bể bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn

 Mục đích: xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ đậm đặc, đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân hủy

Dòng chảy nút (Bể bùn hoạt tính cấp khí giảm dần)

 Cấp khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp theo để đáp ứng cường độ tiêu thụ oxy không đều trong toàn bể

Thổi khí nhiều bậc (Bể bùn hoạt tính nạp nước thải theo bậc)

 Phân bố vị trí cấp khí dòng vào tuỳ thuộc hình dạng bể  cân bằng BOD và oxy trải đều  hiệu suất sử dụng Oxy tăng

Mương oxy hóa:

 Điều kiện hiếu khí kéo dài và nước chuyển động tuần hoàn trong mương

MƯƠNG OXY HÓA

CÁC DẠNG BỂ AEROTANK

Thiết bị khí nâng (Airlift reactor)

 Thuộc dạng sinh học hiếu khí tăng trưởng lơ lửng có cấu tạo tương

tự bể SBR

Bể hiếu khí gián đoạn - SBR (Sequencing Batch Reactor)

 Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn

Unitank

 Cấu tạo đơn giản: một khối bể hình chữ nhật chia 3 ngăn, mỗi ngăn

có 1 máy sục khí bề mặt và cánh khuấy Hai ngăn ngoài có thêm hệ thống máng tràn nhằm thực hiện cả 2 chức năng: vừa là bể Aerotank (sục khí) và bể lắng

 Các bước trong chu kỳ hoạt động của hệ thống SBR

LỌC SINH HỌC

1. RBC (Roltating Biological Contactor - Đĩa quay sinh học)

2. Lọc nhỏ giọt

3. Lọc sinh học ngập nước

4. Lọc sinh học với lớp vật liệu là các hạt cố định

 Nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi lớp màng vi sinh vật

 Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật:

 Ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí như Bacillus…

 Giữa là các vi khuẩn tuỳ tiện: Alkaligenes, Pseudomonas,

Flavobacterium, Micrococus, Bacillus…

 Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử Lưu huỳnh và

Nitrat như Desulfovibrio

 Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác

 Vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng

 Chất hữu cơ được tách ra khỏi nước và sinh khối tăng lên

 Màng vi sinh chết được cuốn trôi theo nước và ra khỏi thiết bị

 Vật liệu đệm có độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt lớn: sỏi, đá, ống nhựa, sợi nhựa, xơ dừa

 Màng sinh học đóng vai trò tương tự như bùn hoạt tính, hấp thụ và phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải

- Ưu điểm:

 Khởi động nhanh: 2 tuần

 Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm

 Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm

 Sự đa dạng về thiết bị xử lý

 Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp

- Nhược điểm

 Không có khả năng điều khiển sinh khối

 Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán: giá thể phải

có diện tích bề mặt riêng lớn và vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn

RBC (ROLTATING BIOLOGICAL CONTACTOR

- ĐĨA QUAY SINH HỌC)

 Khử BOD và Nitrat rất hiệu quả, sử dụng để xử lý nước thải chế biến thủy sản

 RBC gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng lắp trên một trục Các đĩa được đặt ngập một phần trong nước thải (40%) và quay từ từ với vận tốc 1 – 3 vòng/phút

 Vi sinh vật sẽ sinh trưởng gắn kết trên bề mặt đĩa và hình thành lớp màng mỏng nhầy trên bề mặt ướt của đĩa

 Đĩa quay vi sinh vật tiếp xúc với chất hữu cơ và oxy không khí

 Đĩa quay cũng để tách các chất rắn thừa ra khỏi bề mặt các đĩa nhờ lực ly tâm

LỌC NHỎ GIỌT

 Bể lọc sinh học gồm các loại: lọc sinh học nhỏ giọt quay; biophin nhỏ giọt; bể lọc sinh học thô

 Thiết bị gồm 5 thành phần chính:

 Môi trường lọc đệm thường dùng nhất là đá

 Bể chứa thường xây bằng bêtông, sợi thủy tinh, thép sơn ngoài…

 Hệ thống cung cấp nước thải duy trì tình trạng ẩm ướt phần đệm.

 Cống thoát ngầm tập trung dòng chảy thoát ra và tạo khoảng

trống cung cấp oxy

 Hệ thống thông gió cấp khí cho hệ thống tự nhiên hay thụ động.

THIẾT BỊ LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT QUAY

LỌC SINH HỌC NGẬP NƯỚC (ĐỆM CỐ ĐỊNH, ĐỆM GIÃN NỞ)

 Dùng để xử lý nước thải sinh hoạt và công nghệ thực phẩm

 Bể lọc hoạt động theo chu kỳ: nước thải và không khí cùng chiều hay ngược chiều tiếp xúc với vật liệu lọc

LỌC SINH HỌC VỚI LỚP VẬT LIỆU LÀ CÁC HẠT CỐ ĐỊNH

 Là phương pháp cải tiến của phương pháp lọc sinh học với vật liệu lọc ngập trong nước

 Các hạt vật liệu là Biolite kích cỡ từ 1 – 4mm, khối lượng từ 1,4 – 1,8 g/cm3, thích hợp xử lý nước thải sinh hoạt, đô thị và công nghiệp (lắng trước lọc)

 Lọc sinh học với lớp vật liệu lọc dạng hạt được chia thành:

 Biofor: chiều hỗn hợp dòng khí - nước đi từ dưới lên trên

 Biodrof: chiều dòng khí - nước đi từ trên xuống dưới

 Nitrazur: lọc có hòa tan trước không khí hoặc oxy vào nước

XỬ LÝ NƯỚC THẢI KỴ KHÍ

 Giới thiệu

 Lọc kỵ khí hai giai đoạn

 Bể kỵ khí đệm bùn dòng chảy ngược - UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor)

GIỚI THIỆU

 Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ do quần thể vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoạt động không có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí CH4, CO2, N2, H2, …

 Vsv kỵ khí sử dụng rất ít chất hữu cơ trong nước thải hoặc môi trường để xây dựng tế bào và tăng sinh khối  bùn hoạt tính hình thành rất thấp

 Sơ đồ tổng quát:

(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào + …

Một quá trình lên men kị khí hoàn chỉnh có thể chia làm 3 bước :

GIAI ĐOẠN THỦY PHÂN:

CHC

LipitHydratcacbonProtein

VSV Enzyme

Hợp

GIAI ĐOẠN ACID HÓA

 Chất nền  màng ngoài thành tế bào  tế bào chất

 Là giai đoạn lên men

 Chất béo chủ yếu là axit acetic

GIAI ĐOẠN ACETAT HÓA:

 Vi khuẩn tạo metan không sử dụng các sản phẩm của quá trình acid hóa ngoại trừ acid acetic

 CHC  phân giải tiếp  acid acetic, khí H2, CO2

(bởi vi khuẩn acetat hóa)

CH3CH2OH (ethanol) + H2O  CH3COO- + H+ + 2H2

CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O  CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2

CH3(CH2)2COO- (butyric) + 2H2O  2CH3COO- + H+ + 2H2

GIAI ĐOẠN TẠO METAN:

Sản phẩm mong muốn là khí sinh học (CH4), vi sinh vật Acetotrophic

Methanogen bằng các con đường:

 Con đường 1: Sử dụng cơ chất là Hydro và CO2

CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O

 Con đường 2: Chuyển hóa acetat và cacbon monoxit

CH3COOH  CO2 + CH44CO + 2H2O  CH4 + 3CO2

 Con đường 3: Phân giải cơ chất chứa nhóm Metyl

CH3OH + H2  CH4 + H2O4(CH3)3-N + 6H2O  9CH4 + 3CO2 + 4NH3

CÁC DẠNG BỂ XỬ LÝ KỴ KHÍ

 Bể tự hoại:

 Một hay nhiều ngăn với 2 chức năng: lắng và lên men cặn lắng

 Thường dùng cho các hộ gia đình, nước thải chế biến thuỷ sản…

 Bể lắng 2 vỏ:

 Chức năng tương tự như bể tự hoại nhưng công suất lớn hơn

 Xử lý nước thải sinh hoạt có công suất nhỏ và trung bình (Q < 10.000 m3/ngày đêm)

 Bể metan:

 Phân hủy cặn từ bể lắng và bùn hoạt tính của trạm xử lý nước thải

 Phân hủy rác nghiền, phế thải rắn hữu cơ

LỌC KỴ KHÍ HAI GIAI ĐOẠN

 Thiết kế cho khu dân cư từ 30.000 – 50.000 người

 Giai đoạn đầu: lỏng hóa  phân hủy  acid hóa hợp chất hữu cơ

 Ở giai đoạn thứ hai xảy ra chủ yếu là sự khí hóa (tạo metan)

 Các chất hữu cơ ở dòng vào trong giai đoạn một thường lớn hơn

so với giai đoạn hai

Lọc kỵ khí hai giai đoạn

Dòng bùn bị phân hủy

Phân hủy bùn

Phân hủy bùn

Khí

Bể kỵ khí đệm bùn dòng chảy ngược - UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor)

 Xử lý các loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao

 Bể chia làm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men

 Trong bể diễn ra 2 quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại

 Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn

 Hỗn hợp khí – lỏng làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng

 Bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ  phân hủy xảy ra tích cực

 Chất bẩn bị phân hủy đi từ dưới lên xuyên qua lớp bùn

- Ưu điểm:

 Chi phí đầu tư, vận hành thấp, lượng hóa chất cần bổ sung ít

 Tái sử dụng năng lượng từ biogas, lượng bùn sinh ra ít, vận hành với tải trọng hữu cơ cao, giảm diện tích công trình

- Khuyết điểm:

 Giai đoạn khởi động kéo dài

 Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động

 Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại

 Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động