Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể lọc hiếu khí sử dụng giá thể sơ dừa kết hợp hồ thủy sinh

Với mong muốn môi trường sống ngày càng được nâng cao, vần đề quản lý nướcthải sinh hoạt ngày càng chặt chẽ hơn phù hợp với sự phát triển tất yếu của xã hội vàcải thiện được nguồn nước đ

Chương 1: MỞ ĐẦU1.1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam đang chuyển mình hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, do đó quá trìnhcông nghiệp hóa, hiện đại hóa không ngừng phát triển, và kết quả là kéo theo đô thịhóa Dân số tăng nhanh nên các khu dân cư tập trung dần được quy hoạch và hìnhthành Nước thải sinh hoạt là sản phẩm trong quá trình sinh hoạt của con người Ônhiễm nguồn nước do tác động của nước thải sinh hoạt đang là vấn đề bức xúc hiệnnay Bên cạnh đó vấn đề xử lý nước thải trước khi thải ra sông rạch chưa được ápdụng rộng rãi và hiệu quả Hậu quả là nguồn nước mặt bị ô nhiễm và nguồn nướcngầm cũng dần ô nhiễm theo, tình trạng ngập nước trên các tuyến đường, nước thảichảy tràn lan qua hệ thống sông ngòi, kênh rạch…ảnh hưởng đến cảnh quan môitrường và cuộc sống của chúng ta Việc bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn nước đểcung cấp cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất, đáp ứng nhu cầu hiện tại và thỏamãn nhu cầu của tương lai

Hiện nay, việc quản lý nước thải trong đó có nước thải sinh hoạt là một vấn đềcấp thiết của các nhà quản lý môi trường trên thế giới nói chung và Việt Nam nóiriêng Vì vậy, cần có hệ thống thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt nhằm cải thiệnmôi trường và phát triển theo hướng bền vững

Với mong muốn môi trường sống ngày càng được nâng cao, vần đề quản lý nướcthải sinh hoạt ngày càng chặt chẽ hơn phù hợp với sự phát triển tất yếu của xã hội vàcải thiện được nguồn nước đang bị suy thoái nên đề tài: “ Nghiên cứu hiệu quả xử lýnước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc hiếu khí sử dụng xơ dừa làm giá thể kếthợp hồ thủy sinh” được hình thành

1.2 Phạm vi nghiên cứu

Thời gian nghiên cứu: từ ngày 05/04/2010 đến ngày 28/06/2010

Tìm hiểu thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt để từ đó đưa ra phươngpháp xử lý hiệu quả nhất

Nghiên cứu tính chất của giá thể xơ dừa và đặc tính của một số loại thực vậtthủy sinh có khả năng xử lý nước thải.

1.3 Mục tiêu đề tài

Đồ án được thực hiện nhằm tìm hiểu mức độ xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nướcthải sinh hoạt mà cụ thể là lấy chỉ số SS, COD là chỉ số khảo sát hiệu quả xử lý nướcthải qua bể lọc hiếu khí sử dụng xơ dừa làm giá thể Bên cạnh đó đồ án cũng khảo sáthiệu quả xử lý nước thải qua hồ thủy sinh thông qua các chỉ tiêu COD, N tổng, Ptổng Ngoài ra, đồ án còn khảo sát các chỉ số phụ pH, SS, coliform tổng làm cơ sở

để điều chỉnh và vận hành mô hình xử lý theo cách tốt nhất

1.4 Nội dung nghiên cứu

Đồ án bao gồm các nội dung nghiên cứu chính sau:

 Tìm hiểu về nguồn gốc, thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt

 Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt: phươngpháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học

 Tìm hiểu các thông tin khoa học về VSV trong xử lý nước thải theo công nghệhiếu khí bao gồm: chủng loại VSV, quá trình sinh trưởng và phát triển, các điều kiệncần thiết cho sự phát triển của chúng

 Tìm hiểu về công nghệ xử lý nước thải theo phương pháp sinh trưởng kết bámhiếu khí

 Thu thập các thông tin liên quan đến xơ dừa và một số loại thực vật có các đặctính phù hợp với kỷ thuật xử lý nước thải

 Xây dựng mô hình thí nghiệm: vật liệu, kích thước, chi tiết cấu tạo và sơ đồ

hệ thống thí nghiệm

 Các bước tiến hành thí nghiệm, ghi nhận các thông số khảo sát

 Thống kê kết quả, tính toán hiệu suất xử lý và nhận xét khả năng xử lý qua bểlọc sinh học và hồ thủy sinh

 Kết luận và đưa ra quan điểm về đồ án

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp luận

Thành phần chính của nước thải sinh hoạt chứa một lượng lớn các chất hữu cơ

dễ bị phân hủy (hydratcacbon, protein, chất béo), các chất vô cơ dinh dưỡng(phốtphat, nitơ), cùng với vi khuẩn (có thể cả VSV gây bệnh), trứng giun, sán.v.v…Nếu không được xử lý trước khi thải bỏ thì khả năng gây ô nhiễm môi trường là rấtlớn

1.5.2 Phương pháp cụ thể

Đề tài đã sử dụng những phương pháp sau:

 Phương pháp thực tế: Thu thập, xử lý và tổng hợp các tài liệu cần thiết có liênquan đến đề tài

 Phương pháp kế thừa: Trong quá trình thực hiện đã tham khảo các đề tài cóliên quan đã thực hiện

 Phương pháp khảo sát: tính chất, thành phần nước thải, đặc điểm lý, hoá, sinhcủa nước thải đầu vào

 Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng ở qui mô phòng thí nghiệm, vậnhành mô hình để xử lý nước thải

 Phương pháp phân tích: các thông số được phân tích theo phương pháp chuẩn(APHA, AWWA, TCVN 2000 và Standard Methods) Các thông số đo và phươngpháp phân tích được trình bày trong bảng sau

Bảng 1.1 Các thông số và phương pháp phân tích

COD Phương pháp đun kín (K2Cr2O7 Closed flux)BOD5 Phương pháp ủ 200C trong 5 ngày

Nitơ tổng Phương pháp chưng cất Kjieldahl

Photpho tổng Phương pháp SnCl2 cho Orthophosphate, so màu bằng

máy quang phổ kế hấp thu ( Spetrophotometer)Coliform

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ

CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ2.1 Nước thải sinh hoạt

2.1.1 Nguồn gốc

Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng ngày của conngười như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ăn… Ở Việt Nam lượng nước thải nàytrung bình khoảng 120 - 260 lít/người/ngày NTSH được thu gom từ các căn hộ, cơquan, trường học, bệnh viện, khu dân cư, cơ sở kinh doanh, chợ, các công trình côngcộng khác và ngay chính trong các cơ sở sản xuất Nước thải sinh hoạt ở các trungtâm đô thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùngngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thườngđược tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm

Khối lượng nước thải của một cộng đồng dân cư phụ thuộc vào:

- Tiêu chuẩn cấp nước

- Khả năng và đặc điểm của hệ thống thoát nước

- Loại hình sinh hoạt

Đặc tính chung của NTSH thường bị ô nhiễm bởi các chất cặn bã hữu cơ, cácchất hữu cơ hoà tan (thông qua các chỉ tiêu BOD5, COD), các chất dinh dưỡng (nitơphospho), các vi trùng gây bệnh (Ecoli, coliform…)

Mức độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào:

- Lưu lượng nước thải

- Tải trọng chất bẩn tính theo đầu người

Mà tải trọng chất bẩn tính theo đầu người phụ thuộc vào:

- Mức sống, điều kiện sống và tập quán sống

- Điều kiện khí hậu

2.1.2 Thành phần tính chất nước thải

Mức độ cần thiết xử lý nước thải phụ thuộc:

- Nồng độ bẩn của nước thải

- Khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp nhận

- Yêu cầu về mặt vệ sinh môi trường

Để lựa chọn công nghệ xử lý và tính toán thiết kế các công trình đơn xử lý nướcthải trước tiên cần phải biết thành phần tính chất của nước thải

Thành phần tính chất của nước thải chia làm hai nhóm chính:

- Thành phần vật lý

- Thành phần hoá học

 Thành phần vật lý: Biểu thị dạng các chất bẩn có trong nước thải ở các

kích thước khác nhau được chia thành ba nhóm

 Nhóm 1: Gồm các chất không tan chứa trong nước thải dạng thô (vải, giấy,

lá cây, cát, da, lông…) ở dạng lơ lửng ( > 10-1mm) và ở dạng huyền phù, nhũ tương( = 10-1 – 10-4mm)

 Nhóm 2: Gồm các chất bẩn dạng keo ( = 10-4– 10-6mm)

 Nhóm 3: Gồm các chất bẩn ở dạng hoà tan có  < 10-6mm, chúng có thể ởdạng ion hay phân tử

 Thành phần hoá học: Biểu thị dạng các chất bẩn trong nước thải có cáctính chất hoá học khác nhau, được chia làm ba nhóm:

 Thành phần vô cơ: cát, sét, xỉ, axít vô cơ, các ion muối phân ly… (chiếmkhoảng 42% đối với NTSH)

 Thành phần hữu cơ: các chất có nguồn gốc từ động vật, thực vật cặn bã bàitiết… (chiếm khoảng 58%)

+ Các chất chứa nitơ

+ Các hợp chất nhóm hyđrocacbon: mỡ, xà phòng, cellulese…

+ Các hợp chất có chứa phospho, lưu huỳnh

 Thành phần sinh học: nấm men, nấm mốc, tảo, vi khuẩn…

Bảng 2.1: Thể hiện thành phần tương đối của NTSH trước và sau xử lý BOD vàchất rắn lơ lửng là hai thông số quan trọng nhất được sử dụng để xác định đặc tínhcủa NTSH Quá trình xử lý lắng đọng ban đầu có thể giảm được khoảng 50% chấtrắn lơ lửng và 35% BOD.

Bảng 2.1: Thành phần tương đối của nước thải sinh hoạt bình thường

Thành phần chất thải Trước khi

lắng đọng

Sau khilắng đọng

Sau khi xử lýsinh học

(Nguồn: wastewater engineering treatment, disposal.Metcalf và Eddy, 1991)

Chất hữu cơ trong NTSH đặc trưng có thể phân huỷ sinh học có thành phần 50%hydrocacbon, 40% protein và 10% chất béo Độ pH dao động trong khoảng 6,5 – 8,0trong nước thải có khoảng 20% - 40% vật chất hữu cơ không phân huỷ sinh học

(Theo:Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp, Tính toán và thiết kế công trình – Lâm Minh Triết)

2.1.3 Tác hại đến môi trường

Tác hại đến môi trường của nước thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trongnước thải gây ra

 COD, BOD: sự khoáng hoá, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn vàgây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môitrường nước Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong quátrình phân huỷ yếm khí sinh ra các sản phẩm như H2S, NH3, CH4,… làm cho nước cómùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường

 SS: lắng đọng ở nguồn tếp nhận, gây điều kiện yếm khí

 Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến

 Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêuchảy, ngộ độc thức ăn, vàng da,…

 Ammonia, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồng độtrong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hoá ( sự phát triển bùng phát củacác loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở vàdiệt vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hôhấp của tảo thải ra )

 Màu: mất mỹ quan

 Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt

2.2 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

Các phương pháp sử dụng để xử lý nước thải phụ thuộc vào các tính chất vật lý,hóa học và sinh học của nước thải, do đó về bản chất kỹ thuật xử lý nước thải đượcchia làm ba nhóm chính: lý học (cơ học), hóa học, sinh học

2.2.1 Phương pháp xử lý cơ học

Xử lý cơ học là giai đoạn không thể thiếu trong các hệ thống xử lý nước thải.Phương pháp cơ học là nhằm loại bỏ các hợp chất không tan ra khỏi nước thải Nó làbước ban đầu nhằm chuẩn bị cho các giai đoạn xử lý sau đó diễn ra thuận lợi và ổnđịnh hơn Trong giai đoạn này thường có các công trình đơn vị như: song chắn ráchoặc lưới chắn rác, máy nghiền rác, bể lắng, bể điều hòa…

Xử lý cơ học nhằm mục đích:

 Tách các chất không hòa tan, những vật chất có kích thước lớn như nhánhcây, gỗ, nhựa, lá cây, giẻ rách, dầu mỡ…ra khỏi nước thải

 Loại bỏ cặn nặng như sỏi, thủy tinh, cát…

 Điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải

 Nâng cao chất lượng và hiệu quả của các bước xử lí tiếp theo

2.2.1.1 Song chắn rác

Song chắn rác dùng để chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn như: giấy, rác,rau, cỏ… được gọi chung là rác Rác được chuyển tới máy nghiền để nghiền nhỏ sau

đó được chuyển tới để phân hủy cặn (bể mêtan) Tuy nhiên, hiện nay người ta sửdụng phổ biến loại song chắn rác, vừa kết hợp vừa chắn giữ vừa nghiền rác.

Song chắn rác là công trình xử lý sơ bộ chuẩn bị điều kiện cho việc xử lýnước thải sau đó Trường hợp ở trạm bơm chính đã được đặt song chắn rác với kíchthước 16 mm thì không nhất thiết phải đặt nó ở trạm xử lý nữa (đối với trạm xử lýcông suất nhỏ)

Hình 2.1: Song chắn rác 2.2.1.2 Thiết bị nghiền rác

Có thể được dùng thay cho song chắn rác, được dùng để nghiền, cắt rác thànhcác mảnh nhỏ hơn và có kích thước đều hơn, ngăn cho rác không bám chặt lại, khôngcần tách rác ra khỏi dòng thải Rác vụn này sẽ được giữ lại ở các công trình phía saunhư bể lắng cát, bể lắng đợt một

2.2.1.3 Bể lắng cát

Trên công trình xử lý nước thải, việc cát lắng lại trong bể lắng gây khó khăncho công tác lấy cặn Ngoài ra trong cặn có cát thì có thể làm cho các ống dẫn bùncủa các bể lắng không hoạt động được, máy bơm chóng hỏng Đối với bể mêtan và

bể lắng hai vỏ thì cát là một chất thừa, do đó xây dựng các bể lắng cát trên các trạm

xử lý khi lưu lượng nước thải lớn hơn 100 m3/ngày đêm thì cần thiết Trong bể lắngcát thường giữ các hạt có độ lớn thủy lực U> 24,2 mm/s chiếm gần 60% tổng số Có

ba loại bể lắng cát

+ Bể lắng cát ngang nước chảy thẳng hoặc vòng.

+ Bể lắng cát đứng nước dâng từ dưới lên

+ Bể lắng cát nước chảy xoắn ốc

Lượng cát giữ lại ở bể lắng cát phụ thuộc vào các yếu tố: loại hệ thống thoátnước, tổng chiều dài mạng lưới, điều kiện sử dụng, tốc độ nước chảy, thành phần vàtính chất nước thải… đối với bể lắng cát ngang và tiếp tuyến lấy bằng0,02l/người/ngày đêm; độ ẩm trung bình 60%, khối lượng riêng 1,5 tấn/m3 (đối với

hệ thống thoát nước riêng rẽ)

Hình 2.2: Bế lắng cát ngang

Cấu tạo bể lắng ngang: 1 Đường dẫn nước thải vào; 2 Buồng lắng; 3 Đường

dẫn nước thải ra; 4 Hố tập trung bùn

2.2.1.4 Bể lắng

Bể lắng dùng để tách các chất lơ lửng có trọng lượng riêng lớn hơn trọnglượng riêng của nước Các chất lơ lửng nặng hơn sẽ từ từ lắng xuống đáy, còn chất lơlửng nhẹ hơn sẽ tiếp tục theo dòng nước đến các công trình xử lý tiếp theo Có thểdùng những thiết bị thu gom và vận chuyển các chất lắng và nổi tới công trình xử lýcặn

 Dựa vào chức năng, vị trí có thể chia bể lắng thành các loại: bể lắng đợtmột đặt trước công trình xử lý sinh học và bể lắng đợt hai sau công trình xử lý sinhhọc

 Dựa vào nguyên tắc hoạt động, có thể chia ra các loại bể lắng như: bể lắnghoạt động gián đoạn hoặc bể lắng hoạt động liên tục

 Dựa vào cấu tạo có thể chia bể lắng thành các loại: bể lắng đứng, bể lắng litâm…

Số lượng cặn tách ra khỏi nước thải trong các bể lắng phụ thuộc vào nồng độ

ô nhiễm bẩn ban đầu, đặc tính riêng của cặn (hình dạng, kích thước, trọng lượngriêng, vận tốc rơi…) và thời gian lưu nước trong bể

2.2.1.5 Bể tách dầu mỡ

Trong nhiều loại nước thải có chứa dầu mỡ (kể cả dầu khoáng vô cơ) Đó lànhững chất nổi chúng sẽ gây ảnh hưởng xấu đến các công trình thoát nước (mạnglưới và các công trình xử lý) và nguồn tiếp nhận nước thải

Vì vậy người ta phải thu hồi những chất này trước khi thải vào hệ thống thoátnước sinh hoạt và sản xuất Chất mỡ sẽ bít kín lỗ hổng giữa các hạt vật liệu lọc trong

bể sinh học, cánh đồng tưới, cách đồng lọc Chúng sẽ phá huỷ cấu trúc bùn hoạt tínhtrong bể aerotank, gây khó khăn trong quá trình lên men…

2.2.1.6 Bể điều hòa

Bể điều hòa được dùng để duy trì dòng thải và nồng độ vào công trình xử lý

ổn định, khắc phục được những sự cố vận hành do sự dao động về nồng độ và lưulượng của nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình xử lý sinh học Bểđiều hòa có thể được phân loại như sau:

 Bể điều hòa lưu lượng

 Bể điều hòa nồng độ

 Bể điều hòa cả lưu lượng và nồng độTrường hợp khi mức độ cần thiết làm sạch nước thải không cao lắm và cácđiều kiện vệ sinh cho phép thì phương pháp lý học giữ vai trò chính trong trạm xử lý.Trong các trường hợp khác phương pháp xử lý lý học chỉ là giai đoạn làm sạch sơ bộtrước khi xử lý sinh học

2.2.2 Phương pháp xử lý hóa học

Là phương pháp dùng các phản ứng hoá học để chuyển các chất ô nhiễmthành các chất ít ô nhiễm hơn, chất ít ô nhiễm thành các chất không ô nhiễm Ví dụnhư dùng các chất ôxy hoá như ozone, H2O2, O2, Cl2… để oxy hoá các chất hữu cơ,

vô cơ có trong nước thải Phương pháp này giá thành xử lý cao nên có hạn chế sửdụng Thường chỉ sử dụng khi trong nước thải tồn tại các chất hữu cơ, vô cơ khóphân huỷ sinh học Thường áp dụng cho các loại nước thải như: nước thải rò rỉ rác,nước thải dệt nhuộm, nước thải giấy

Một số nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt cũng áp dụng phương pháp hoá học

để đưa vào quy trình xử lý, vì phương pháp sẽ tăng cường hiệu quả xử lý sinh học

2.2.2.1 Keo tụ ( Đông tụ - Tủa bông)

Đông tụ và tủa bông là một công đoạn của quá trình xử lý nước thải, mặc dùchúng là hai quá trình riêng biệt nhưng chúng không thể tách rời nhau

Vai trò của quá trình đông tụ và kết bông nhằm loại bỏ huyền phù, chất keo cótrong nước thải

Đông tụ: Là phá vỡ tính bền vững của các hạt keo, bằng cách đưa thêm chấtphản ứng gọi là chất đông tụ

Kết bông: Là tích tụ các hạt “đã phá vỡ độ bền” thành các cụm nhỏ sau đó kếtthành các cụm lớn hơn và có thể lắng được gọi là quá trình kết bông Quá trình kếtbông có thể cải thiện bằng cách đưa thêm vào các chất phản ứng gọi là chất trợ kếtbông

Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương Các hạt cónguồn gốc silic và các hợp chất hữu cơ mang điện tích âm, các hạt hiđroxit sắt vàhidroxit nhôm mang điện tích dương Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạtmang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các tổ hợp các phần tử, nguyên tửhay các ion tự do Các tổ hợp này chính là các hạt bông keo Có hai loại bông keo là:loại ưa nước và loại kỵ nước Loại ưa nước thường ngậm thêm các vi khuẩn, virút…, loại kỵ nước đóng vai trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nước nói chung và xử

lý nước thải nói riêng

Các chất đông tụ thường dùng trong mục đích này là các muối sắt hoặc muốinhôm hoặc hỗn hợp của chúng Các muối nhôm gồm có: Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2,Al(OH)5Cl, KAl(SO4).12H2O, NH4Al(SO4).12H2O Trong đó phổ biến nhất là:

Al2(SO4)3.18H2O vì chất này hòa tan tốt trong nước, giá rẻ và hiệu quả đông tụ cao ở

pH = 5.0 – 8.5

Trong quá trình tạo thành bông keo của hiđroxit nhôm hoặc sắt người tathường dùng thêm chất trợ đông tụ Các chất trợ đông tụ này là tinh bột, dextrin, cácete, xenlulozơ, hiđroxit silic hoạt tính… với liều lượng từ 1 – 5mg/l Ngoài ra người

ta còn dùng các chất trợ đông tụ tổng hợp Chất thường dùng nhất là pholyacrylamit.Việc dùng các chất trợ này làm giảm liều lượng các chất đông tụ, giảm thời gian quátrình đông tụ và nâng cao được tốc độ lắng của các bông keo

2.2.2.2 Trung hòa

Phương pháp trung hoà chủ yếu được dùng trong nước thải công nghiệp cóchứa kiềm hay axit Để tránh hiện tượng nước thải gây ô nhiễm môi trường xungquanh thì người ta phải trung hoà nước thải, với mục đích là làm lắng các muối củakim loại nặng xuống và tách chúng ra khỏi nước thải

Quá trình trung hoà trước hết là phải tính đến khả năng trung hoà lẫn nhaugiữa các loại nước thải chứa axit hay kiềm hay khả năng dự trữ kiềm của nước thải.Trong thực tế hỗn hợp nước thải có pH = 6,5 – 8,5 thì nước đó được coi là đã trunghoà

Một số hóa chất thường dùng để trung hòa là: CaCO3, CaO, Ca(OH)2, MgO,Mg(OH)2, NaOH, HCl, H2SO4,

Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau Muốn nước thải được xử lýtốt bằng phương pháp sinh học thì phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH

2.2.2.3 Hấp phụ

Phương pháp hấp phụ dùng để loại hết các chất bẩn hoà tan vào nước màphương pháp xử lý sinh học cùng các phương pháp khác không thể loại bỏ được vớihàm lượng rất nhỏ Thông thường đây là các hợp chất hoà tan có độc tính cao hoặccác chất có mùi, vị và màu rất khó chịu

Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen,keo nhôm, một số chất tổng hợp khác và một số chất thải trong sản xuất như xỉ tro, xi

mạ sắt trong số này, than hoạt tính thường được dùng phổ biến nhất Các chất hữu

cơ, kim loại nặng và các chất màu dễ bị than hấp phụ Lượng chất hấp phụ tuỳ thuộcvào khả năng của từng loại chất hấp phụ và hàm lượng chất bẩn có trong nước.Phương pháp này có thể hấp phụ 58 – 95% các chất hữu cơ màu Các chất hữu cơ cóthể bị hấp phụ là phenol, Alkylbenzen, sunfonic axit, thuốc nhuộm và các chất thơm.

2.2.2.4 Tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi này dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trongnước có khả năng tụ lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lêntrên bề mặt nước Sau đó người ta tách các bọt khí đó ra khỏi nước Thực chất quátrình này là tách bọt hoặc làm đặc bọt Trong một số trường hợp quá trình này cũngđược dùng để tách các hóa chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt Quá trình nàyđược thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trong nước thải Các bọt khídính các hạt lơ lửng và nổi lên trên mặt nước Khi nổi lên các bọt khí tập hợp thànhmột tập hợp thành các lớp bọt chứa nhiều chất bẩn Tuyển nổi có thể đặt ở giai đoạn

xử lý sơ bộ (bậc 1) trước khi sử lý cơ bản (bậc 2) Bể tuyển nổi có thể thay thế cho

bể lắng, trong dây chuyền nó có thể đứng trước hoặc sau bể lắng, đồng thời có thể ởgiai đoạn xử lý bổ sung hay triệt để cấp ba sau xử lý cơ bản

Có hai hình thức tuyển nổi:

+ Sụt khí ở áp lực khí quyển gọi tuyển nổi bằng không khí

+ Bão hòa không khí ở áp suất khí quyển sau đó thoát khí ra khỏi nước ở ápsuất chân không gọi là tuyển bằng chân không

2.2.2.5 Oxy hóa khử

Oxi hoá bằng không khí: dựa vào khả năng hoà tan của oxi vào nước Phươngpháp thường dùng để oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ Ngoài ra phương pháp còn dùng đểloại bỏ một số hợp chất như: H2S, CO2 tuy nhiên cần phải chú ý hàm lượng khí sụcvào vì nếu sục khí quá mạnh sẽ làm tăng pH của nước

Oxi hoá bằng phương pháp hoá học:

 Clo là một trong những chất dùng để khử trùng nước, clo không dùng dướidạng khí mà chúng phải cần phải hoà tan trong nước để trở thành HClO chất này cótác dụng diệt khuẩn Tuy nhiên clo có khả năng giữ lại trong nước lâu Ngoài ra ta

còn sử dụng hợp chất của clo như cloramin, chúng cũng có khả năng khử trùng nướcnhưng hiệu quả không cao nhưng chúng có khả năng giữ lại trong nước lâu ở nhiệt

2.2.2.6 Trao đổi ion

Thực chất của trao đổi ion là quá trình trong đó các ion trên bề mặt chất thảirắn trao đổi ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất nàygọi là ionit (chất trao đổi ion) Chúng hoàn toàn không tan trong nước

Phương pháp này được dùng làm sạch nước thải loại ra khỏi nước các ion nhưkim loại: Zn, Cu, Cr, Ni, Hg, Pb, Cd, Mn, cũng như các hợp chất có chứa asen,phospho, xianua và cả chất phóng xạ Phương pháp này được dùng phổ biến để làmmềm nước, loại ion Ca2+ và Mg3+ ra khỏi nước cứng

Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tựnhiên hoặc tổng hợp Các chất thường được sử dụng như: zeolit, đất sét, nhôm silic,silicagen, pecmutit, các chất điện lý cao phân tử, các loại nhựa tổng hợp

Phương pháp xử lý sinh học có thể ứng dụng để làm sạch hoàn toàn các loạinước thải có chứa chất hữu cơ hoà tan hoặc phân tán nhỏ Do vậy phương pháp nàythường được áp dụng sau khi loại bỏ các loại tạp chất thô.

Các công trình đơn vị xử lý sinh học hiếu khí như: arerotank, sinh học hiếukhí tiếp xúc (có giá thể tiếp xúc), lọc sinh học hiếu khí, sinh học hiếu khí quay –RBC (Rotating Biological Contact)

Các công trình xử lý sinh học kỵ khí như : UASB (Upflow Anaerobic SludgeBlanket), bể lọc sinh học kỵ khí dòng chảy ngược, bể sinh học kỵ khí dòng chảyngược có tầng lọc (Hybrid Digester), bể kỵ khí khuấy trộn hoàn toàn…

Quá trình xử lý sinh học gồm các bước :

+ Chuyển hoá các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hoàtan thành thể khí và thành các vỏ tế bào vi sinh

+ Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo

vô cơ trong nước thải

+ Loại các bông cặn ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng

2.2.3.1 Công trình xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch đất và nước, việc

xử lý nước thải được thực hiện trên các công trình: cánh đồng tưới, bãi lọc, hồ sinhhọc…

 Ưu điểm của phương pháp

+ Phương pháp rẻ nhất, dễ thiết kế và xây dựng, dễ vận hành, không đòihỏi cung cấp năng lượng

+ Có khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh trong nước thải xuốngtới mức thấp nhất

+ Có khả năng loại được các chất hữu cơ, vô cơ hòa tan trong nước

+ Hệ vi sinh hoạt động ở đây chịu đựng được nồng độ kim loại nặngtương đối cao

 Nhược điểm

+ Thời gian xử lý khá dài

+ Đòi hỏi mặt bằng rộng

+ Xử lý phụ thuộc vào thời tiết tự nhiên.

a Cánh đồng tưới và bãi lọc

Cánh đồng tưới và cánh đồng lọc được xây dựng ở những nơi có độ dốc tựnhiên 0,02, cách xa khu dân cư về cuối hướng gió, và thường được xây dựng ởnhững nơi đất cát, cát…

Cánh đồng tưới và bãi lọc là những ô đất được san phẳng hoặc dốc khôngđáng kể, và được ngăn cách bằng những bờ đất Nước thải được phân phối vào các ônhờ hệ thống mạng lưới tưới, bao gồm: mương chính, mương phân phối và hệ thốngmạng lưới tưới trong các ô Kích thước của các ô phụ thuộc vào địa hình, tính chấtcủa đất và phương pháp canh tác

+ Nguồn nước để tưới cho cây trồng

+ Điều hòa dòng chảy nước mưa trong hệ thống thoát nước đô thị

Căn cứ theo đặc tính tồn tại và tuần hoàn của các vi sinh và sau đó là cơ chế

xử lý, người ta phân loại làm ba loại hồ: Hồ kỵ khí, hồ hiếu kỵ khí và hồ hiếu khí

 Hồ kỵ khí: Dùng để lắng và phân hủy cặn lắng bằng phương pháp sinh hóa

tự nhiên dựa trên cơ sở sống và hoạt động của vi sinh vật kỵ khí Loại hồ này thườngđược dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn lớn, còn ít dùng để xử lýnước thải sinh hoạt, vì nó gây ra mùi hôi thối khó chịu Hồ kỵ khí phải cách xa nhà ở

và xí nghiệp thực phẩm 1,5 – 2 km

 Hồ hiếu kỵ khí: Loại hồ này thường được gặp trong điều kiện tự nhiên,trong hồ thường xảy ra hai quá trình song song: quá trình ôxy hóa hiếu khí chấtnhiễm bẩn hữu cơ và quá trình phân hủy mêtan cặn lắng Đặc điểm của loại hồ này

xét theo chiều sâu có thể chia làm ba phần: lớp trên mặt là vùng hiếu khí, lớp giữa làvùng trung gian, còn lớp dưới là vùng kỵ khí.

 Hồ hiếu khí: Quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ bằng vi sinh vật hiếu khí.Được phân làm hai nhóm: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo

+ Hồ làm thoáng tự nhiên: ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hóa chủ yếu do

sự khuyếch tán không khí qua mặt nước và qua quá trình quang hợp của các thựcvật nước

+ Hồ hiếu khí làm thoáng nhân tạo: nguồn cung cấp ôxy cho quá trình sinhhóa bằng các thiết bị như bơm khí nén hoặc máy khuấy cơ học

2.2.3.2 Công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo

a Bể lọc sinh học

Bể lọc sinh học là công trình trong đó nước thải được lọc qua lớp vật liệu cókích thước hạt lớn Bề mặt các hạt vật liệu đó được bao bọc bởi một màng sinh vật

do loại vi sinh vật hiếu khí tạo thành

Sau khi lắng trong bể lắng đợt I nước thải được cho qua bể lọc sinh học Ở đómàng sinh học sẽ hấp thụ các chất phân tán nhỏ, chưa kịp lắng, kể cả các chất ở dạngkeo và hòa tan Các chất hữu cơ bị màng sinh vật giữ lại sẽ bị oxy hóa bởi các vi sinhvật hiếu khí Chúng sử dụng các chất hữu cơ, một phần để sinh ra năng lượng cầnthiết cho sự sống và hoạt động, một phần để xây dựng tế bào (nguyên sinh chất) vàtăng khối lượng cơ thể Như vậy, một phần các chất bẩn hữu cơ bị loại khỏi nướcthải, mặt khác khối lượng màng sinh vật hoạt tính trong vật liệu lọc đồng thời cũngtăng lên Màng đó sau một thời gian già cỗi, chết đi và bị dòng nước mới xói cuốn đikhỏi bể lọc

Bể Biophin được phân loại theo tính chất như sau:

 Theo mức độ xử lý: Biophin xử ly hoàn toàn và không hoàn toàn Biophincao tải có thể xử lý hoàn toàn hoặc không hoàn toàn, còn Biophin nhỏ giọt dùng để

xử lý hoàn toàn

 Theo biện pháp làm thoáng: Biophin làm thoáng tự nhiên và Biophin làmthoáng nhân tạo

 Theo chế độ làm việc: Biophin làm việc liên tục và Biophin làm việc giánđoạn tuần hoàn và không tuần hoàn.

 Theo sơ đồ công nghệ: Biophin một bậc hay Biophin hai bậc

 Theo khả năng chuyển tải: Biophin cao tải và Biophin nhỏ giọt

 Theo đặc điểm cấu tạo của vật liệu lọc: Biophin chất liệu khối và Biophinchất liệu bản

Trong thực tế người ta thường thổi không khí nén vào bể vì như vậy sẽ đồngthời giải quyết tốt hai nhiệm vụ: vừa khuấy trộn bùn hoạt tính với nước thải vừa đảmbảo chế độ oxy cần thiết trong bể Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khoánghóa có khả năng hấp thụ và oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải với sự có mặtcủa oxy Các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo phân tán nhỏ sẽ được chuyển hóa,hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào vi sinh vật Tiếp đó trong quá trìnhtrao đổi chất, dưới tác dụng của những men nội bào, các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy.Quá trình xử này gồm ba giai đoạn:

 Giai đoạn khuếch tán và chuyển chất từ dịch thể tới bề mặt các tế bào visinh vật

 Hấp phụ: khuếch tán và hấp phụ các chất bẩn từ bề mặt ngoài các tế bàoqua màng bán thấm

 Quá trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán và hấp phụ ở trong tếbào sinh vật sinh ra năng lượng và tổng hợp các chất mới của tế bào

c Bể sinh học theo mẻ SBR

Thực chất của bể sinh học hoạt động theo mẻ (SBR-Sequence Batch Reactor)

là một dạng của bể aerotank Khi xây dựng bể SBR nước thải chỉ cần đi qua songchắn, bể lắng cát và tách dầu mỡ nếu cần, rồi nạp thẳng vào bể Bể aerotank làm việctheo mẻ liên tục có ưu điểm là khử được các hợp chất chứa nitơ, photpho khi vậnhành đúng các quy trình hiếu khí và kỵ khí

Bể sinh học làm việc theo từng mẻ kế tiếp được thực hiện theo năm giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Đưa nước thải vào bể Nước thải đã qua song chắn rác và bểlắng cát, tách dầu mỡ, tự chảy hoặc bơm vào bể đến mức định trước

 Giai đoạn 2: Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằngsục khí hay làm thoáng bề mặt để cấp ôxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp Thờigian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, yêu cầu về mức độ xử lý

 Giai đoạn 3: Lắng trong nước Quá trình diễn ra trong môi trường tĩnh,hiệu quả thủy lực của bể đạt 100% Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường kếtthúc sớm hơn hai giờ

 Giai đoạn 4: Tháo nước đã được lắng trong ở phần trên của bể ra nguồntiếp nhận

 Giai đoạn 5: Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thờigian vận hành bốn quy trình trên và vào số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể

d Tổ hợp đĩa quay sinh học (RBC)

Tổ hợp đĩa quay sinh học ( RBC) là một dạng khác của quá trình sinh trưởngliên kết, trong đó sinh khối bám vào đĩa (đường kính 3,5m) quay với vận tốc 1-3vòng/phút khi ngập chìm tới 40% trong nước Các đĩa được làm từ vật liệu dẻo, nhẹ,

có thể gập lại được

Hình 2.3: Sơ đồ tổ hợp đĩa quay sinh học

Khi tiếp xúc với không khí, sinh khối liên liên kết hấp thụ không khí; khi ngậptrong nước, chúng hấp thụ chất hữu cơ Một sinh khối có kích thước 1-4mm pháttriển trên bề mặt phần thừa bị tách khỏi đĩa bằng lực cắt và tách khỏi chất lỏng ởtrạng thái lơ lửng cũng có chút ít khả năng khử tạp chất hữu cơ Tốc độ quay trên 3vòng/phút hiếm khi được áp dụng do tốn năng lượng và không làm tăng quá trìnhtrao đổi oxy Tỉ lệ giữa bề mặt đĩa và lượng chất lỏng thường là 5.1/m2 Đối với nướcthải ô nhiễm nặng, sử dụng nhiều hệ thống đĩa quay (xử lý nhiều lần) Ở nhiệt độ môitrường thấp phải dùng hộp bảo vệ đĩa Các hệ thống này hoạt động bình thường khikhông có lưu chuyển nước thải Điện năng tiêu thụ khoảng 2kW/1000m3/ngày RBCđược dùng để nâng cấp các hệ thống dùng bùn hoạt tính, thay thế đĩa dùng trong các

bể sục khí

e Bể UASB

Nước thải được đưa trực tiếp vào phía dưới đáy bể và được phân phối đồngđều, sau đó chảy ngược lên xuyên qua lớp bùn sinh học dạng hạt nhỏ (bông bùn) vàcác chất hữu cơ bị phân hủy

Các bọt khí mêtan và NH3, H2S nổi lên trên và được thu bằng các chụp thu khí

để dẫn ra khỏi bể Nước thải tiếp theo đó chuyển đến vùng lắng của bể và tại đó sẽdiễn ra sự phân tách hai pha lỏng và rắn Nước thải tiếp tục đi ra khỏi bể, còn bùnhoạt tính thì hoàn lưu lại vùng lớp bông bùn Sự tạo thành bùn hạt và duy trì được nó

là vô cùng quan trọng khi vận hành UASB

Thường cho thêm vào bể 150 mg/l Ca2+ để đẩy mạnh sự tạo thành hạt bùn và510mg/l Fe2+ để giảm bớt sự tạo thành các sợi bùn nhỏ Để duy trì lớp bông bùn ở

trạng thái lơ lửng, tốc độ dòng chảy thường lấy khoảng 0,60,9m/h Sự ổn định chấtthải diễn ra đồng thời với việc chuyển dịch chất thải xuyên ra lớp bùn

2.2.4 Phương pháp xử lý bùn cặn

Bùn cặn của nước thải là hỗn hợp của nước và cặn lắng có chứa nhiều chấthữu cơ có khả năg phân hủy, dễ bị thối rữa và có các vi khuẩn có thể gây độc hại chomôi trường vì thế cần có biện pháp xử lý trước khi thải ra nguồn tiếp nhận

Mục đích của quá trình xử lý bùn cặn:

+ Giảm khối lượng của hỗn hợp bùn cặn bằng cách gạt một phần hay phầnlớn lượng nước có trong hỗn hợp để giảm kích thước thiết bị xử lý và giảm trọnglượng thải vận chuyển đến nơi tiếp nhận

+ Phân hủy các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, chuyển chúng thành các hợp chấthữu cơ ổn định và các hợp chất vô cơ để dễ dàng tách nước ra khỏi bùn cặn và khônggây ra tác động xấu đến môi trường của nơi tiếp nhận

2.2.4.1 Sân phơi bùn

Điều kiện áp dụng: nơi có đất rộng, cách xa khu dân cư, mực nước ngầm thấpdưới mặt đất lớn hơn 1m, có sẵn lao động thủ công để xúc bùn khô từ sân phơi bùnlên xe tải

Cấu tạo: sân phơi bùn chia thành nhiều ô, kích thước mỗi ô phụ thuộc vàocách bố trí đường xe vận chuyển bùn ra khỏi sân phơi và độ xa khi xúc bùn từ ô phơilên xe

Đáy và thành ô phơi bùn thường làm bằng bêtông cốt thép hay xây gạch đảmbảo cách ly hoàn toàn dung dịch bùn với môi trường đất xung quanh

Trên đáy ô phơi đổ một lớp sỏi cỡ hạt: 8 – 10mm dày 200mm, trong lớp sỏiđặt hệ thống ống khoan lỗ D8 – D10mm hình xương cá để rút nước về hố thu, đáy ôphơi bùn phải cao hơn mực nước ngầm để dễ thu nước

Trên lớp sỏi là lớp cát cỡ hạt 0.5 – 2mm, dày 150 – 200mm Làm khô bùn trênsân phơi xảy ra theo hai giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Lọc hết nước qua lớp cát, sỏi;

+ Giai đoạn 2: Làm khô bằng bốc hơi nước tự nhiên trên bề mặt rộng.

Cặn đã xử lý ổn định có chu kỳ phơi khô ngắn hơn cặn chưa xử lý ổn định

2.2.4.2 Máy lọc cặn chân không

Máy lọc chân không là thiết bị làm khô bùn có thể giảm độ ẩm của bùn từ99% xuống 70 – 85% tùy thuộc vào tính chất của cặn và tốc độ quay của máy (thờigian làm khô) Loại thiết bị này thường được áp dụng nhiều trong thời gian trước,mười năm gần đây do có nhiều loại thiết bị có hiệu suất cao hơn, chi phí đầu tư vàchi phí quản lý rẻ hơn nhiều lần, lại có quá trình vận hành đơn giản hơn, nên thiết bịlọc chân không đã không được sử dụng

2.2.4.3 Máy lọc ép băng tải

Máy làm khô cặn bằng lọc ép trên băng tải được dùng phổ biến hiện nay vìquản lý đơn giản, ít tốn điện, hiệu suất làm khô cặn chấp nhận được

Hệ thống lọc ép cặn trên băng tải gồm máy bơm bùn từ bể cô đặc đến thùnghòa trộn hóa chất keo tụ và định lượng cặn, thùng này được đặt trên đầu vào củabăng tải, hệ thống băng tải và trục ép, thùng đựng và xe vận chuyển cặn thô, bơmnước sạch để rửa băng tải, thùng thu nước lọc và bơm nước lọc về đầu của băng tải

Ở đoạn này nước được lọc qua băng tải theo nguyên tắc lọc trọng lực, đi qua cần gạt

để san đều cặn trên toàn chiều rộng băng, rồi đi qua trục ép và có lực ép tăng dần.Hiệu suất làm khô cặn phụ thuộc vào nhiều thông số như: đặc tính của cặn, cặn cótrộn với hóa chất keo tụ hay không, độ rỗng của băng lọc, tốc độ di chuyển và lựcnén của băng tải Nồng độ cặn sau khi làm khô trên máy lọc ép băng tải đạt được từ

15 – 25%

2.2.4.4 Máy ép cặn chân không

Làm khô cặn theo nguyên tắc lắng và ép cặn bằng lực ly tâm

Dung dịch cặn được bơm vào máy theo ống cố định đặt ở dọc tâm quay, nằmtrong lõi của trục bánh vít chuyển động chậm và ngược chiều với thùng quay để dồncặn khô đến cửa xả cặn

Cặn đi ra khỏi đầu ống đặt ở cuối thùng quay, cặn chịu tác động của lực lytâm dính vào mặt trong thùng, nước trào ra được tháo qua lỗ đặt ở cuối thùng quay.

2.2.5 Phương pháp khử trùng

Nước thải sau khi xử lý bằng phương pháp sinh học còn chứa khoảng 105-106

vi khuẩn trong 1 ml Hầu hết các loại vi khuẩn có trong nước thải không phải là vitrùng gây bệnh, nhưng không loại trừ khả năng tồn tại một vài loài vi khuẩn gâybệnh nào trong nước thải ra nguồn cấp nước, hồ bơi, hồ nuôi cá thì khả năng lantruyền bệnh sẽ rất cao, do đó phải có biện pháp tiệt trùng nước thải trước khi xả ranguồn tiếp nhận Các biện pháp khử trùng nước thải phổ biến hiện nay là:

 Dùng Clo hơi qua thiết bị định lượng Clo

 Dùng Hypoclorit – canxi dạng bột – Ca(ClO)2 – hoà tan trong thùng dungdịch 3 – 5% rồi định lượng vào bể tiếp xúc

 Dùng Hydroclorit – natri, NaClO

 Dùng Ozon, Ozon được sản xuất từ không khí do máy tạo Ozon đặt trongnhà máy xử lý nước thải Ozon sản xuất ra được dẫn ngay vào bể hoà tan và tiếp xúc

 Dùng tia cực tím (UV) do đèn thủy ngân áp lực thấp sản ra Đèn phát tiacực tím đặt ngập trong mương có nước thải chảy qua

Từ trước đến nay, khi khử trùng nước thải hay dùng Clo hơi và các hợp chấtcủa Clo vì Clo là hoá chất được các ngành công nghiệp dùng nhiều, có sẵn trên thịtrường, giá thành chấp nhận được, hiệu quả khử trùng cao Nhưng những năm gầnđây các nhà khoa học đưa ra khuyến cáo hạn chế dùng Clo để khử trùng nước thải vì:

 Lượng Clo dư 0.5 mg/l trong nước thải để đảm bảo sự an toàn và ổn địnhcho quá trình khử trùng sẽ gây hại đến cá và các sinh vật nước có ích khác

 Clo kết hợp với hydrocacbon thành hợp chất có hại cho môi trường sống.Trong quá trình xử lý nước thải, công đoạn khử trùng thường được đặt ở cuốiquá trình, trước khi làm sạch nước triệt để và chuẩn bị đổ ra nguồn

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC HIẾU KHÍ VÀ ĐẶC TÍNH THỰC VẬT THỦY SINH TRONG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI3.1 Tổng quan về quá trình sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong xử lýnước thải sinh hoạt của các trung tâm đô thị, các bệnh viện, nước thải của một ngànhcông nghiệp bị ô nhiễm hữu cơ ở mức độc trung bình ( nước thải chăn nuôi, côngnghiệp thực phẩm…)

3.1.2 Phân loại

Hình 3.1: Sơ đồ phân loại các quá trình sinh học hiếu khí

3.1.3 Các quá trình sinh học hiếu khí trong xử lý nước thải

3.1.3.1 Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính

Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông của bùn Bông tạo ra ở giaiđoạn trao đổi chất có tỷ lệ chất dinh dưỡng và sinh khối của vi sinh vật thấp dần Tỷ

lệ này thấp sẽ đặc trưng cho nguồn năng lượng thấp của hệ thống và dẫn đến giảmdần năng lượng chuyển động Động năng tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn, nếuđộng năng nhỏ thì tác động đối kháng cũng nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn lẫnnhau Diện tích bề mặt tế bào, sự tạo thành vỏ nhầy và tiết ra dịch là nguyên nhân kếtdính tế bào vi khuẩn với nhau

Xử lý sinh học hiếu khí

Sinh trưởng

lơ lửng

Sinh trưởng bám dính

Hồ sinh họchiếu khí

Aerotank Hiếu khí

tiếp xúc

Xử lý sinh học theo mẻ

Lọc hiếu khí Lọc sinh học nhỏ

giọt

Đĩa quay sinh học

Trong bùn hoạt tính ta còn thấy xuất hiện động vật nguyên sinh, chúng thamgia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ, điều chỉnh loài và quần thể vi sinh vật trongbùn, giữ cho bùn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu Động vật nguyên sinh ăn các vikhuẩn già và đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầynhưng lại làm bùn xốp, kích thích vi sinh vật tiết enzym ngoại bào để phân hủy chấthữu cơ và làm kết lắng bùn nhanh.

Để phát huy vai trò của bùn hoạt tính, ta phải chú ý đến hàm lượng oxy hòatan trong nước, nồng độ và tuổi bùn, chất độc trong nước, nhiệt độ nước thải và pH,chất dinh dưỡng trong nước Khi cân bằng dinh dưỡng ta có thể sử dụng Urê,

NH4OH, muối amon làm nguồn cung cấp N, muối phốtphat, supephotphat làm nguồncung cấp P Trong trường hợp BOD trong nước nhỏ hơn 500mg/l thì chọn nồng độ Ntrong muối amôn là 15mg/l và P (theo P2O5) là 2mg/l Nếu 500 < BOD <1000 mg/lthì chọn thông số tương ứng là 25 và 8mg/l

Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng hợp chất rất thích hợp cho tế bào vi sinh vậthấp thụ và đồng hóa Nguồn N (dạng NH4 ) và P (dạng photphat) là những chất dinhdưỡng tốt nhất cho vi sinh vật Ngoài ra, nếu thiếu các nguyên tố dinh dưỡng nhưnguyên tố K, Mg, S, Fe, Zn, Ca… sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật Nếu thiếu

N sẽ kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật và ngăn cản quá trình oxy hóa – khửtrong tế bào vi sinh vật, nếu lâu dài làm cho vi sinh vật không sinh sản, không tăngsinh khối, gây cản trở cho quá trình sinh hóa làm bùn khó lắng Thiếu P làm xuấthiện vi khuẩn dạng sợi giảm hiệu quả lắng, quá trình oxy hóa chất hữu cơ của bùnhoạt tính giảm

3.1.3.2 Sinh trưởng bám dính – màng sinh học

Trong bể sinh học thường sử dụng những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽdính bám trên bề mặt giá đỡ Trong số các vi sinh vật, có một số sinh vật có khả năngtạo ra polysacrit, chất này có tính dẻo hay còn gọi là polyme sinh học, chất này tạothành màng sinh học Màng này ngày càng dày thêm, thực chất đây là sinh khối của

vi sinh vật dính bám trên các giá đỡ Màng này có khả năng oxy hóa chất hữu cơ cótrong nước thải khi cho nước thải chảy qua hay tiếp xúc với màng, ngoài ra màngcòn có tác dụng hấp thụ các chất bẩn và trứng giun sán…

Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóachất hữu cơ trong nước khi chúng tiếp xúc với màng Màng này thường dày từ 1 –2mm và có thể dày hơn nữa Màu của màng có thể thay đổi, tùy theo thành phần củanước thải mà màu biến đổi từ màu vàng xám đến màu nâu tối Trong qui trình xử lý,nước thải chảy qua phin lọc sinh học và cuốn theo các mảnh vỡ của màng với kíchthước từ 15 – 20 mm có màu vàng xám hay màu nâu.

Các phin lọc dùng trong xử lý nước thải thường sử dụng bằng vật liệu cát haysỏi, được sắp xếp như sau: ở dưới cùng là lớp sỏi cuội có kích thước nhỏ dần theochiều cao của lớp lọc, ở lớp trên là cát hạt to rồi đến hạt nhỏ Chiều dày của lớp cátthường từ 7 – 10cm, trên bề mặt những hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ … giữa chúng sẽ tạothành một màng nhầy, lớp màng này lớn dần lên và chúng được gọi là màng sinhhọc Màng này được tạo ra từ hàng triệu tế bào vi khuẩn và cả động vật nguyên sinh.Khác với quần thể sinh vật trong bùn hoạt tính, vi sinh vật trong màng lọc sinh họctương đối đồng nhất về thành phần loài và số lượng sinh vật

Khi nước thải chảy qua màng lọc sinh học, do hoạt động sống của vi sinh vật

sẽ làm thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước, các chất hữu

cơ dễ phân giải sẽ được vi sinh vật phân giải trước với tốc độ nhanh, đồng thời sốlượng quần thể vi sinh vật cũng phát triển nhanh Chất hữu cơ khó phân hủy sẽ đượcphân giải sau với tốc độ chậm hơn

Màng lọc sinh học thực chất là một hệ nhiều loài vi sinh vật, ngoài vi sinh vậthiếu khí còn có vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kị khí Ở lớp ngoài cùng màng là

lớp hiếu khí, lớp này chủ yếu là trực khuẩn Bacillus sống Lớp trung gian là lớp vi khuẩn tùy nghi như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus, Microccus Lớp sâu bên trong là vi sinh vật kị khí như vi khuẩn khử lưu huỳnh và

khử nitrat Phần dưới cùng của màng là quần thể vi sinh vật với sự có mặt củanguyên sinh động vật và một số vi sinh vật khác Các loài này ăn vi sinh vật và sửdụng một phần màng vi sinh để làm thức ăn dẫn đến việc tạo ra những lỗ nhỏ trên bềmặt vật liệu làm chất màng Quần thể vi sinh vật của màng có tác dụng như bùn hoạttính

Phần phía trên của màng lọc sinh học là nơi dày nhất, ở vùng giữa ít hơn vàvùng dưới cùng là ít nhất Các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ítnhận lượng oxy nên chuyển sang phân hủy kị khí Sản phẩm của quá trình biến đổi kịkhí là alcol, axit hữu cơ… Các chất này chưa kịp khuếch tán đã bị vi sinh vật kháchấp thụ vì vậy mà không ảnh hưởng lớn đến màng lọc Với đặc điểm như vậy màmàng lọc có thể oxy hóa chất hữu cơ, màng này dày lên làm bịt kín các khe hở, nướcqua màng lọc chậm dần từ đó phin lọc làm việc có hiệu quả hơn Nếu lớp màng quádày thì ta có thể dùng nước rửa để loại bỏ màng và phin chảy nhanh hơn, tuy nhiênhiệu quả lọc giảm dần nhưng chúng sẽ khôi phục trở lại.

Nước đưa vào xử lý cần phải lọc sơ bộ để loại bỏ các tạp chất lớn Hiệu quảcủa phin lọc có thể giữ đuợc 99% vi khuẩn

3.2 Tổng quan về quá trình lọc sinh học

3.2.1 Định nghĩa

Quá trình màng sinh học là một trong các quá trình xử lý nước thải bằng phươngpháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và bám dính lên trên bề mặt cácvật liệu rắn để tiếp xúc thường liên tục hay gián đoạn với nước thải Phương phápdùng vi sinh vật cố định để xử lý nước thải được phân làm ba phương pháp: phươngpháp vận chuyển kết gắn, phương pháp bẫy và phương pháp liên kết chéo trong đóquá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương pháp vận chuyển kết gắn.Tuy nhiên, quá trình xử lý sinh học sử dụng sinh khối cố định với hai phương phápcòn lại có thể được xem như quá trình xử lý bằng màng sinh học bởi vì chúng cócùng cơ chế làm sạch và đặc tính xử lý Trong phần này, chỉ thảo luận trong phạm vihẹp về quá trình xử lý bằng màng sinh học hiếu khí

3.2.2 Phân loại

Dựa vào nguyên tắc hoạt động, quá trình lọc sinh học được chia thành 3 loại:

 Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): Phương pháp này dựa trên

nguyên tắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước Phương pháp này còn đượcchia thành nhiều loại dựa trên cách hoạt động của giá thể: nền cố định (fixed bed),nền mở rộng (expanded bed) và nền giả lỏng (fluidized bed)

 Thiết bị sinh học tiếp xúc quay (rotating contactor) Đĩa quay sinh học sử

dụng một lượng lớn các đĩa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nướcthải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặt của đĩa

 Thiết bị lọc nhỏ giọt (trickling filter): ở phương pháp này dòng nước được

chảy từ trên xuống qua tầng vật liệu lọc Lọc sinh học nhỏ giọt gồm một bể tròn haychữ nhật có chứa lớp vật liệu lọc (đá, ống nhựa, nhựa miếng…), nước thải được tướiliên tục hay gián đoạn từ một ống phân phối thích hợp đặt bên trên bể Khi nước thảichảy vào liên tục và đi qua lớp vật liệu lọc, lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với nướcthải và phát triển trên vật liệu lọc nên nước thải được làm sạch

Quá trình lọc sinh học cũng được phân loại vào quá trình hiếu khí và kỵ khí Khi

áp dụng lọc sinh học ngập nước vào quá trình xử lý hiếu khí, oxy được cung cấpthông qua máy thổi khí Quá trình lọc sinh học ngập nước với bể ổn định đôi khiđược gọi là quá trình oxy hóa tiếp xúc, quá trình lọc tiếp xúc, hiếu khí tiếp xúc hayquá trình lọc sinh học tiếp xúc Tuy nhiên, ngay trong quá trình xử lý hiếu khí, khôngchỉ có vi sinh vật hiếu khí mà vi sinh vật kỵ khí cũng cùng tồn tại

3.2.3 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật

3.2.3.1 Cấu tạo màng vi sinh vật

Từ khi phương pháp màng vi sinh vật được chú ý tới là một trong các biện phápsinh học để xử lý nước thải, đã có rất nhiều những nghiên cứu về cấu trúc của màng

vi sinh vật Theo thời gian và sự phát triển của các công cụ nghiên cứu, cấu trúc củamàng vi sinh vật ngày càng được sáng tỏ và là cơ sở để mô hình hóa những quá trìnhsinh học xảy ra bên trong màng

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vậtchất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do visinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất và quátrình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của cácpolymer ngoại bào này là polysaccharide, protein

Màng vi sinh vật có cấu trúc phức tạp cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu trúc

cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật hình 3.2 bao gồm:

Hình 3.2: Cấu tạo màng vi sinh vật

Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều loại kích thước và hình dạngkhác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật Theo đề tài tốt

nghiệp tiến sĩ ngành kỹ thuật sinh học ( Biological Engineering): Evaluation of an

attached growth organic media bioreactor for swine waste treatment and odor

abatement, của Allison Paige kirkpatrick vào năm 2001 tại đại học Mississippi State

University, trong đó ông đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng cây dâm bụt, cùi bắp

và vụn gỗ để làm giá thể xử lý nước thải chăn nuôi Lớp màng vi sinh vật phát triểndính bám trên bề mặt vật liệu đệm Lớp màng vi sinh được chia thành hai lớp: lớpmàng nền và lớp màng bề mặt

Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, nhữnghình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra Phát hiệnmới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm

tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại

tế bào; tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiềuđứng Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiều đứng và nhưnhững kênh vận chuyển theo chiều ngang Kết quả là sự phân bố sinh khối trongmàng vi sinh vật không đồng nhất Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từ

chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối bởi

sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ Chất lỏng có thể lưu chuyển quanhững lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu vàkhuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theomọi hướng trong đó Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơchất, chất nhận điện tử (chất oxy hóa)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theochiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tánhiệu quả là không hợp lý

Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia thànhhai lớp (chỉ đúng trong trường hợp quá trình màng vi sinh vật hiếu khí): lớp màng kỵkhí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài (hình 3.2) Trong màng vi sinhluôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí; bởi vì chiều sâu củalớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hòa tan trongnước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở thànhlớp hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớpmàng kỵ khí

3.2.3.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chấthữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinhvật từ nước thải tiếp xúc với màng

Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với

bề mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân

tử

Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình traođổi chất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơlửng hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bịphân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tụcquá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên Sản phẩm cuối của quátrình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng Quá trình tiêu thụ

cơ chất được mô tả bởi công thức chung như sau:

Màng hiếu khí:

Chất hữu cơ + 02 + nguyên tố vết  sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối

Màng kị khí:

Chất hữu cơ + nguyên tố vết  sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối

Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật,không chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh vật

Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu,những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều Chẳng hạn, nếu một trong những cơchất bị hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinhhọc sẽ không tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của quá trình,đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ vị trí đó

Các nguyên tố vết như nitơ, photphat, và kim loại vi lượng nếu không có đủtrong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn củaphản ứng Tương tự, chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạntrong màng hiếu khí Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếpxúc với màng thấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan sẽ trở thành yếu tố giớihạn Do đó, ngay cả trong trường hợp màng hiếu khí, lớp màng ở bên trong vị trí tiêuthụ hết oxy trở thành thiếu khí (anoxic) hoặc kỵ khí (anaerobic) Lớp màng kỵ khíkhông đóng vai trò trực tiếp trong việc làm sạch nước thải Tuy nhiên, trong lớpmàng kỵ khí có thể diễn ra các quá trình hóa lỏng, lên men acid chất hữu cơ dạng hạtrắn, oxy hóa chất hữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate, hoặc khử nitrat,nitrit tạo ra từ lớp màng hiếu khí Vì vậy, sự đồng tồn tại của hoạt động hiếu khí và

kỵ khí trong lớp màng vi sinh vật là một yếu tố rất quan trọng trong quá trình màng

vi sinh vật

3.2.3.3 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng VSV

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ

cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật pháttriển bám dính trên bề mặt đệm được chia thành ba giai đoạn:

 Giai đoạn thứ nhất, có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng vàchưa bao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển nhưnhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

 Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả Tronggiai đoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả khôngthay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang pháttriển cũng không đổi trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng đểduy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối Lượng cơchất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinhkhối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinhkhối

 Giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triểnmàng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dâychuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy

Hình 3.3: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh

Hình 3.3 cho thấy sự tích lũy của lớp màng vi sinh vật Trong quá trình pháttriển của màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng Lúc đầu,

hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh lượng bùn

dư Tuy nhiên, trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ

nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước Nghiên cứu của Inamori cho thấy

có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật Một loài ăn vi khuẩn lơ lửng vàthải ra chất kết dính Kết quả làm tăng tốc độ làm sạch nước Loài kia ăn vi khuẩntrong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán sinh khối Và nếu hai loài này có

sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hóa chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao

3.2.4 Động học của quá trình lọc sinh học hiếu khí

3.2.4.1 Động học phản ứng trong màng vi sinh vật

Những phân tích lý thuyết cho thấy động học phản ứng trong màng vi sinh vậtphức tạp hơn rất nhiều so với động học phản ứng của quá trình bùn họat tính; bởi vìtốc độ phản ứng làm sạch nước trong quá trình bùn họat tính chỉ chịu ảnh hưởng củatốc độ trao đổi chất của vi sinh vật Trong khi đó, quá trình màng vi sinh vật các yếu

tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bao gồm tốc độ vận chuyển cơ chất vào màng visinh vật bởi quá trình khuếch tán phân tử và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh vật.Ngoài ra, phản ứng thủy phân các chất hữu cơ cao phân tử trên bề mặt của màng visinh vật thành những chất hữu cơ có phân tử lượng thấp hơn để chúng có thể khuếchtán vào trong màng vi sinh cũng là một yếu tố hạn chế của tốc độ phản ứng sinh hóatrong quá trình màng vi sinh vật Màng vi sinh vật có thể coi như một hệ thống phảnứng với xúc tác enzym tĩnh Trong hệ thống tồn tại pha lỏng – nước thải, pha rắn –màng vi sinh vật và pha khí (đối với quá trình hiếu khí)

Cơ chế của quá trình loại bỏ cơ chất trong hệ thống màng vi sinh vật có thểđược miêu tả như sau: nước thải chảy qua bề mặt màng vi sinh vật với vận tốc chảyđều, cơ chất có khối lượng phân tử nhỏ dễ dàng từ nước thải tiếp xúc với màng visinh vật và được vận chuyển vào màng theo cơ chế khuếch tán phân tử Trong màng

vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ và trao đổi chất bởi vi sinh vật Những sản phẩmcuối của quá trình phản ứng sinh học đi ngược trở ra khỏi màng Như vậy quá trìnhtiêu thụ và làm sạch nước bởi màng vi sinh vật bị ảnh hưởng bởi các bước sau:

 Vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật từ chất lỏng tiếp xúc với màng

 Quá trình khuếch tán phân tử chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật

 Tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật.

 Vận chuyển sản phẩm cuối ra khỏi màng

3.2.4.2 Phương trình động học thực nghiệm của Eckenfelder

Dựa vào phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị lọc sinh học Eckenfelderxây dựng các phương trình biểu diễn dựa trên phương trình tốc độ loại bỏ cơ chấtsau:

kS dt

dS

X 

1

(3.1)Với:

(3.2)Với:

X: nồng độ trung bình của VSV trong bể lọc sinh học, kgVSV/m3 vật liệulọc

Se: nồng độ cơ chất trong dòng nước thải sau xử lý, kgCOD/m3

S0: nồng độ cơ chất trong nước thải vào bể lọc, kgCOD/m3

T: thời gian tiếp xúc của nước thải với màng VSV

Nồng độ trung bình của VSV X tỷ lệ với diện tích bề mặt riêng của vật liệulọc AS:

Am S

X  (3.3)Trong đó:

AS: diện tích bề mặt riêng của bể lọc

m: hằng số thực nghiệm.

Thời gian tiếp xúc trung bình được tính toán theo công thức của Howlandnhư sau:

Qn L

Q: lưu lượng nước thải theo tính toán thiết kế, m3/ngày

A: diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m2

C, n: các hằng số thực nghiệm

H: chiều cao lớp vật liệu lọc, m

Thay thế phương trình (3.3) và (3.4) vào phương trình (3.2):

3.3 Tổng quan về thực vật thủy sinh

Thực vật thủy sinh là các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước, nó cóthể gây nên một số bất lợi cho con người do việc phát triển nhanh và phân bố rộngcủa chúng Tuy nhiên lợi dụng chúng để xử lý nước thải, làm phân compost, thức ăncho người, gia súc có thể làm giảm thiểu các bất lợi gây ra bởi chúng mà còn thuthêm được lợi nhuận

3.3.1 Các loại thực vật thủy sinh chính

Thực vật thủy sinh sống chìm: loại thủy thực vật này phát triển dưới mặt nước vàchỉ phát triển được ở các nguồn nước có đủ ánh sáng Chúng gây nên các tác hại nhưlàm tăng độ đục của nguồn nước, ngăn cản sự khuyếch tán của ánh sáng vào nước

Do đó các loài thủy sinh thực vật này không hiệu quả trong việc làm sạch các chấtthải

Thực vật thủy sinh sống trôi nổi: rễ của loại thực vật này không bám vào đất mà

lơ lửng trên mặt nước, thân và lá của nó phát triển trên mặt nước Nó trôi nổi trênmặt nước theo gió và dòng nước Rễ của chúng tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào

để phân hủy các chất thải

Thực vật thủy sinh sống nổi: loại thủy thực vật này có rễ bám vào đất nhưng

thân và lá phát triển trên mặt nước Loại này thường sống ở những nơi có chế độthủy triều ổn định

Bảng 3.1: Một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu

Thực vật thủy sinh sống

chìm

Hydrilla Hydrilla verticillata

Water milfoil Myriophyllum spicatum

Thực vật thủy sinh sống

trôi nổi

Lục bình Eichhornia crassipes

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

3.3.2 Quá trình chuyển hóa của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải

Tất các các loại thực vật thủy sinh đều thực hiện quá trình quang hợp Các chấtdinh dưỡng được hấp thụ trên qua lá và qua rễ Ở lá của các lài thực vật đều có nhiềukhí khổng Mỗi cm2 bề mặt lá có khoảng 100 lỗ khí khổng Qua lỗ khí khổng này,ngoài sự trao đổi khí còn có sự trao đổi chất dinh dưỡng Ở rễ, các chất dinh dưỡng

vô cơ được lông rễ hút và chuyển lên lá để tham gia quá trình quang hợp Lá nhậnánh sáng mặt trời để tổng hợp và chuyển hóa thành các chất hữu cơ Các chất hữu cơcùng với các chất khác xây dựng nên tế bào và tạo ra sinh khối Thực vật chỉ tiêu thụ

các chất hữu cơ hòa tan Các chất vô cơ không được thực vật tiêu thụ trực tiếp màphải qua quá trình vô cơ hóa nhờ hoạt động sống của VSV Vi sinh vật phân hủy cáchợp chất hữu cơ và chuyển chúng thành các chất và hợp chất vô cơ hòa tan Lúc đóthực vật mới có thể sử dụng chúng để tiến hành trao đổi chất Quá trình vô cơ hóabởi các VSV và quá trình hấp thụ các chất vô cơ hòa tan bởi thực vật thủy sinh tạo rahiện tượng giảm vật chất trong nước Nếu đó là nước thải thì quá trình này gọi là quátrình tự làm sạch sinh học.

Các chất hữu cơ Các chất vô cơ hòa tan Sinh khối thực vật

Sinh khối vi sinh vật

Hình 3.4 : Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật và thực vật Bảng 3.2 : Chức năng các bộ phận của thực vật thủy sinh

Rễ và/hoặc thân Là giá bám cho vi khuẩn phát triển

Lọc và hấp thu chất rắn

Thân và /hoặc lá ở mặt nước hoặc

phía trên mặt nước

Hấp thu ánh mặt trời do đó ngăn cản sự

phát triển của tảoLàm giảm ảnh hưởng của gió lên bề mặt

xử lýLàm giảm sự trao đổi giữa nước và khí

quyểnChuyển oxy từ lá xuống rể

3.3.3 Phương pháp ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải

Nước thải có lượng COD, BOD cao và chứa nhiều kim loại nặng, các chất độchại thì không thể sử dụng thực vật thủy sinh.vào xử lý Hiệu quả xử lý tuy chậmnhưng tương đối ổn định đối với các loại nước có COD và BOD thấp, không chứa

Quang hợp

Vô cơ hóa

độc tố Những kết quả được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước, các nhà khoa học

đã đưa ra những ưu điểm cơ bản sau:

 Chi phí cho xử lý thực vật thủy sinh không cao

 Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỷ thuật phức tạp

 Hiệu quả xử lý tương đối ổn định đối với các loại nước ô nhiễm thấp

 Sinh khối tạo ra sau quá trình xử lý được ứng dụng vào nhiều mục đíchkhác nhau như:

+ Làm nguyên liệu cho thủ công mỹ nghệ như cói, đay, lục bình, cỏ+ Làm thực phẩm cho người như củ sen, củ súng, rau muống

+ Làm thực phẩm cho gia súc như rau muống, sen, bèo tây, bèo tấm+ Làm phân xanh, tất cả các loại thực vật thủy sinh sau khi thu nhận từquá trình xử lý trên đều là nguyên liệu sản xuất phân xanh rất hiệu quả

+ Sản xuất khí sinh học (biogas)

 Bộ rễ thân ngập nước, cây trôi nổi được coi là một giá thể rất tốt đối vớiVSV Vi sinh vật bám vào rễ, vào thân cây ngập nước hay các loại thực vật trôi nổi

 Sử dụng thực vật thủy sinh không cần cung cấp năng lượng

 Sử dụng thực vật thủy sinh vào xử lý môi trường tạo ra một thảm thực vật

có ý nghĩa rất lớn đối với sự điều hòa môi trường không khí

Mặc dù không ít những ưu điểm không phải sinh vật nào cũng có trong việc ứngdụng để xử lý môi trường, việc ứng dụng thực vật thủy sinh vào xử lý môi trường cónhững đặc điểm cần khắc phục:

 Diện tích cần dùng để xử lý chất thải lớn Vì thực vật tiến hành quá trìnhquang hợp nên luôn cần thiết phải có ánh sáng trong điều kiện có đầy đủ chất dinhdưỡng càng nhiều thì quá trình chuyển hóa càng tốt Do đó đòi hỏi diện tích tiếp xúclớn Đặc biệt ở các vùng đông dân như khu công nghiệp hay đô thị thì phương phápnày khó thực hiện