Đánh giá hiệu quả xử lý nướ thải sinh hoạt bằng ông nghệ hiếu khí theo mẻ không thải bùn dư

Tổng quan về nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt NTSH là nước được thải ra trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của cộng đồng, bao gồm các hoạt động như: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh,…

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUY ỄN VĂN LINH

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

B ẰNG CÔNG NGHỆ HIẾU KHÍ THEO MẺ

KHÔNG TH ẢI BÙN DƯ

MỤC LỤC

Mở đầu 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 8

1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 8

1.1 Hiện trạng ô nhiễm do nước thải sinh hoạt tại Hà Nội 10

1.1.1 Hiện trạng môi trường nước trên các sông ở Hà Nội 11

1.1.2 Hiện trạng môi trường nước mặt tại các hồ, ao ở Hà Nội 12

1.2 Công nghệ SBR và lịch sử phát triển công nghệ SBR … 15

1.2 1 Công nghệ SBR 15

1.2 2 Lịch sử phát triển công nghệ SBR 19

1.2.3 Các quá trình sinh học trong công nghệ SBR 20

1.2.4 Ưu nhược điểm của công nghệ SBR 22

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ SBR 24

1.2.6 Một số các công trình nghiên cứu về SBR ở Việt Nam và trên thế giới 30 CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2 Phương pháp nghiên cứu 36

2.1 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 36

2 1.1 Mục đích nghiên cứu 36

2 1.2 Đối tượng nghiên cứu 36

2.2 Lấy mẫu và phân tích mẫu 36

2.2.1 Vị trí lấy mẫu nước thải sinh hoạt 36

2.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực lấy mẫu 37

2.2 3 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đầu vào 38

2.3 Mô t ả thí nghiệm 39

2.3.1 Các thi ết bị chính 39

2.3.2 Quy trình thí nghi ệm 41

2.3.3 Quy trình v ận hành hệ thống 42

2.4 Quy trình phân tích thí nghi ệm 43

2.4.1 Chất rắn lơ lửng (MLSS) 43

2.4 2 Chỉ số thể tích lắng của bùn 43

2.4.3 Nhu cầu oxy hoá học COD 44

2.4.4 Tổng Nitơ Kjeldahl 47

2.4.5 Tổng Photpho 48

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51

3.1 Giai đoạn nuôi bùn 51

3.2 Giai đoạn vận hành ổn định và lấy mẫu phân tích 51

3.2.1 Hàm lượng MLSS 52

3.2.2 Hiệu quả xử lý COD 54

3.2.3 Hiệu quả xử lý TN 59

3.2.4 Hiệu quả xử lý TP 63

3.2.5 Khả năng lắng của bùn 66

3.2.6 Tương quan lượng MLSS tăng lên và lượng COD tiêu thụ 67

3.2 7 Hiệu quả xử lý SS của hệ thống 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DAN H MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu ôxy hóa sinh hóa

COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu ôxy hóa hóa học

TSS (Total Suspended Solid) Tổng chất rắn lơ lửng

MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) Hỗn hợp bùn – nước thải

SVI (Sludge Volume Index) Chỉ số thể tích bùn

SRT (Solid Retention Time) Thời gian lưu bùn

HRT (Hydraulic Retention Time) Thời gian lưu thủy lực

F/M (Food – Microorganism ratio) Tỷ lệ thức ăn cho vi sinh vật

TKN (Total Nitơ Kjeldahl) Hàm lượng Nitơ Kjeldahl

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Lượng các chất bẩn một người xả vào hệ thống thoát nước trong ngày 8

Bảng 1 2 Tiêu chuẩn cấp nước .9

Bảng 1.3 So sánh SBR với các quá trình xử lý bùn hoạt tính liên tục .23

Bảng 1.4 Thời gian lưu bùn tiêu biểu cho quá trình bùn hoạt tính ……… 28

Bảng 2.1 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đầu vào……… 39

Bảng 3.1 Hàm lượng MLSS trong hệ thống……… 52

Bảng 3.2 Lượng COD xử lý trong hệ thống……….……… 52

Bảng 3.3 Lượng Nitơ xử trong hệ thống……….… 61

Bảng 3.4 Lượng Photpho xử trong hệ thống……….……….… 64

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Chu trình xử lý nước thải theo công nghệ SBR……… 15

Hình 2.1: Vị trí lấy mẫu nước thải đầu vào……… 37

Hình 2.3 Máy sục khí HAILEA ACO - 328 40

Hình 2.4 Bơm khuấy LifeTech AP 3100 40

Hình 2.6 Phân tích SVI 44

Hình 2.7 Thiết bị đun mẫu trong phân tích COD 46

Hình 2.8 Thiết bị dùng trong phân tích TNK 47

Hình 2.9 Thiết bị và dụng cụ dùng trong phân tích tổng P 49

Hình 2.10 Thiết bị Xác định pH 50

Hình 4.2 Hiệu quả xử lý COD 56

Hình 4.3 Nước thải đầu vào và nước thải đầu ra sau xử lý 58

Hình 3.7 Tương quan MLSS tăng lên và COD tiêu thụ trong bể SBR 69

Mở đầu

Tốc độ phát triển kinh tế cao, mang lại những lợi ích to lớn cho con người và xã hội như: đời sống của người dân được nâng cao, các lĩnh vực văn hóa xã hội, giáo dục, thể thao, quốc phòng cũng được đầu tư và phát triển mạnh,… bên cạnh đó nó còn tác động nặng nề đến chất lượng môi trường Trong đó, ô nhiễm do nước thải sinh hoạt đang là một trong những vấn đề gây nhức nhối nhất hiện nay

Đối với một nước đang phát triển như Việt Nam do chủ yếu tập trung vào phát triển kinh tế, các chất thải phát sinh từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt thường ngày vẫn chưa được kiểm soát và xử lý hiệu quả, vì vậy chất thải nói chung và nước thải nói

riêng đang gây áp lực ngược lại cho sự phát triển, là nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường sống ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng, phá hủy cảnh quan

sinh thái Hiện nay, phần lớn nước thải được xả trực tiếp ra môi trường mà không qua

xử lý, đây là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt và nước ngầm Năng lực xử lý nước thải của Việt Nam hiện nay đáp ứng ở mức rất thấp so với nhu cầu thực tế Theo một số nghiên cứu đánh giá đã thực hiện thì các đô thị Việt Nam hiện nay mới chỉ xử lý được dưới 10% lượng nước thải so với nhu cầu thực tế Đã có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề xử lý nước thải sinh hoạt trên thế giới và cả ở Việt Nam các phương pháp xử lý đưa ra bao gồm cả phương pháp hóa học, phương pháp sinh học Nước thải sinh hoạt với đặc trưng như: phát sinh gián đoạn với lưu lượng và nồng

độ chất ô nhiễm không ổn định phụ thuộc vào quá trình sinh hoạt của con người Do đó phương pháp xử lý được đánh giá là phù hợp nhất hiện nay là phương pháp xử lý bằng công nghệ hiếu khí theo mẻ (SBR) SBR mang lại hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm cao

và ổn định do có sự luân chuyển giữa quá trình thiếu khí và hiếu khí trong chu trình xử

lý, chế độ vận hành đơn giản và tốn ít không gian hơn các công nghệ xử lý khác Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ SBR gồm có: hàm lượng oxy hòa tan (DO), pH của môi trường, nhiệt độ, thành phần dinh dưỡng, các

chất kiềm hãm, hàm lượng sinh khối (MLSS) và tỉ lệ F/M, nồng độ các chất bẩn hữu cơ

trong nước thải Bùn hoạt tính được sinh ra trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ Đặc tính của bùn, khả năng ổn định, tuổi của bùn và đặc biệt hàm lượng bùn hoạt tính có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả xử lý Hàm lượng bùn chính là biểu hiện

lượng vi sinh vật trong bùn có chức năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải Bên cạnh đó việc xử lý lượng bùn dư sinh ra trong công nghệ SBR làm chi phí chung cho

quá trình xử lý nước thải tăng lên rất nhiều Đã có rất nhiều các nghiên cứu khác nhau

để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của công nghệ SBR, tuy nhiên có rất ít thông tin về các nghiên cứu đối với hệ thống SBR vận hành ở chế độ không thải bùn dư

Trên cơ sở đó đề tài “Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học hiếu khí theo mẻ không thải bùn dư” được thực hiện với tính thực tiễn cao,

nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của công nghệ SBR

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt (NTSH) là nước được thải ra trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của cộng đồng, bao gồm các hoạt động như: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh,… NTSH

thoát ra từ các căn hộ, trường học, bệnh viện, các cơ sở dịch vụ, cơ quan, chợ và các công trình công cộng khác…

Hàng ngày trong quá trình sinh hoạt, con người xả vào hệ thống thoát nước một lượng lớn chất bẩn nhất định, phần lớn là các loại cặn, chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng, các chất tẩy rửa và các chất hoạt động bề mặt,

Bảng 1.1 Lượng các chất bẩn một người xả vào hệ thống thoát nước trong ngày [2]

Bảng 1 2 Tiêu chuẩn cấp nước [10]

TT Đối tượng dùng nước và thành phần cấp nước Giai đoạn

2010 2020

I

Đô thị loại đặc biệt, đô thị loại I, khu du lịch, nghỉ mát

a) Nước sinh hoạt:

- Tiêu chuẩn cấp nước (l/người.ngày): + Nội đô

+ Ngoại vi

- Tỷ lệ dân số được cấp nước (%): + Nội đô

+ Ngoại vi

b) Nước khu công nghiệp (m3/ha/ngđ)

c) Nước thất thoát; tính theo % của (a+b)

Đô thị loại II, đô thị loại III

a) Nước sinh hoạt:

- Tiêu chuẩn cấp nước (l/người.ngày): + Nội đô

+ Ngoại vi

- Tỷ lệ dân số được cấp nước (%): + Nội đô

+ Ngoại vi

b) Nước khu công nghiệp (m3/ha/ngđ)

c) Nước thất thoát; tính theo % của (a+b)

Đô thị loại IV, đô thị loại V; điểm dân cư nông thôn

a) Nước sinh hoạt:

- Tiêu chuẩn cấp nước (l/người.ngày):

- Tỷ lệ dân số được cấp nước (%):

b) Nước thất thoát; tính theo % của (a+b)

Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là hàm lượng chất hữu cơ và hàm lượng cặn lơ

lửng lớn (hàm lượng chất hữu cơ chiếm 55% - 65% tổng lượng chất ô nhiễm), giàu

Nitơ và Photpho, chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có cả những vi sinh vật và ký sinh trùng gây bệnh Mặt khác trong nước thải có nhiều vi khuẩn hoại sinh góp phần phân

hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước

Hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt bao gồm: protein (20 - 30%);

hydrat cacbon (30 - 40%) gồm tinh bột, đường, xenlulo; và các chất béo (5 - 10%) Có

khoảng 20 - 40% chất hữu cơ khó hoặc chậm phân hủy sinh học Nồng độ của chất hữu

cơ trong nước thải dao động trong khoảng 150 - 450 mg/l [5] Nước thải sinh hoạt giàu các thành phần chất hữu cơ dễ chuyển hóa sinh học, đây cũng là môi trường tốt cho các

vi sinh vật gây bệnh phát triển Trong nước thải sinh hoạt tổng số Coliform từ 106 – 109MPN/100ml, Fecal Coliform từ 104 – 107 MPN/100ml [5]

1.1 Hiện trạng ô nhiễm do nước thải sinh hoạt tại Hà Nội

Thành phố Hà Nội với diện tích khoảng 3344,6 km2 [7], nằm trong vùng khí hậu Đồng bằng Bắc Bộ mang đặc thù của miền khí hậu nhiệt đới gió mùa Mùa đông lạnh, mùa hè nóng ẩm mưa nhiều

Hà Nội có nhiều hồ với diện tích khá lớn, tuy nhiên hiện nay đang có xu hướng giảm diện tích, đặc biệt là ở vùng đô thị hoá diễn ra với mức độ cao Các hồ ở Hà Nội không chỉ là nơi có phong cảnh đẹp, hệ sinh thái đa dạng, nguồn cung cấp nước, thuỷ sản mà còn là nơi điều hoà khí hậu và điều tiết nước rất hiệu quả Do có địa hình nghiêng theo hướng từ Bắc xuống Nam, từ Đông sang Tây nên hướng thoát nước cũng theo hướng chủ đạo này

Một số sông, hồ ở Hà Nội hiện nay vẫn là nơi chứa và vận chuyển nước thải Nguồn nước cung cấp phục vụ cho sinh hoạt và một phần cho các dịch vụ khác của người dân Thủ đô được khai thác chủ yếu từ nguồn nước dưới đất thông qua các giếng

khoan

Một đô thị điển hình như thủ đô Hà Nội, tính đến tháng 12 năm 2012 dân số của

Hà Nội là 6.924.700 người, trong đó số dân ở thành thị là 2.943.500 người [17], với

lượng nước cấp cho sinh hoạt ở khu vực nội thành vào khoảng 200 l/người.ngày

[10]nên ước tính mỗi ngày thành phố cần cấp cho sinh hoạt khoảng 588.700 m3/ngày

Như vậy ước tính tổng lượng nước thải ra các sông hồ trên địa bàn Hà Nội ước tính vào khoảng 529.830 m3/ngày

Lượng nước thải này hầu như chưa được xử lý và xử lý chưa triệt để vẫn trực tiếp thải ra các sông hồ trên địa bàn thành phố gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, đặc biệt là các sông hồ nội đô như: sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sét, sông Nhuệ, ngay cả Hồ Tây được ví là lá phổi của thành phố hiện nay cũng bị ô nhiễm nghiêm trọng

1.1.1 Hi ện trạng môi trường nước trên các sông ở Hà Nội

Trên địa bàn Thành phố Hà Nội có các sông lớn chảy qua là: sông Hồng, sông Đuống, sông Đáy, sông Tích, sông Bùi và sông Nhuệ Những năm gần đây, với tốc độ

đô thị hoá, công nghiệp hoá nhanh, Hà Nội đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và suy thoái môi trường Không chỉ bị ô nhiễm nguồn nước ngầm, mà nguồn nước mặt ở

Hà Nội cũng đang trong tình trạng báo động

Chất lượng nước sông, hồ trong thành phố Hà Nội hiện nay đã bị suy giảm do ảnh hưởng bởi các hoạt động của con người Nguồn nước thải sinh hoạt, công nông nghiệp với các chất cặn lơ lửng hữu cơ, vô cơ và các thành phần khác từ các hoạt động trên hàng ngày đổ vào nguồn nước và tích tụ từ nhiều năm làm cho một số thuỷ vực nước bị

ô nhiễm

Theo số liệu nghiên cứu mới nhất từ Sở Tài nguyên - Môi trường và Nhà đất

Hà Nội, lượng nước thải của thành phố đang ngày càng tăng cả về lưu lượng và nồng

độ các chất ô nhiễm

Hà Nội có 4 con sông thoát nước chính với tổng chiều dài gần 40km Các sông mương nội thành và ngoại thành đóng vai trò chủ yếu là tiêu thoát nước mưa, nước thải cho nội thành Hà Nội Tổng chiều dài các kênh mương hở hiện nay của Hà Nội là 29,7

km [1] Những kênh mương hở này nối với hệ thống cống ngầm và ao hồ thành một

mạng lưới hình rẻ quạt mà tâm là khu phố cổ đều có hàm lượng hữu cơ và phú dưỡng cao hơn tiêu chuẩn cho phép loại B Qua số liệu quan trắc môi trường nước cho thấy nước thoát ở Hà Nội đã bị ô nhiễm tới mức báo động, nhất là ô nhiễm các chất hữu cơ, nước sông đã bốc mùi hôi thối gây ô nhiễm không khí xung quanh một cách trầm trọng Ô nhiễm các sông thoát nước còn gây hậu quả đến ô nhiễm sông Nhuệ, sông Đáy, ảnh hưởng đến các Thành phố hạ lưu

1.1.2 Hiện trạng môi trường nước mặt tại các hồ, ao ở Hà Nội

Hồ, ao là một phần rất quan trọng của cảnh quan đô thị Hà Nội Hệ thống hồ Hà Nội có bề dày lịch sử văn hóa, mang đến những lợi ích trực tiếp và tích cực đối với chất lượng cuộc sống đô thị của người Hà Nội; hệ thống ao, hồ Hà Nội không những

có vai trò là lá phổi xanh của thành phố mà còn mang đậm nét văn hóa đặc trưng của nhân dân thủ đô Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua do quá trình đô thị hóa nhanh chóng

và tăng trưởng dân số đã tạo nên những tác động tiêu cực không nhỏ đến hệ thống hồ ở

Hà Nội

Theo khảo sát của Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Cộng đồng (CECR) năm

2010 đối với 6 quận lõi đô thị, Hà Nội hiện có 120 hồ lớn nhỏ Trong đó theo kết quả khảo sát thì 80 trong số 120 hồ có diện tích từ 1000 m2 trở lên chiếm 76%, các hồ có diện tích từ 500 m2 – 1000 m2 chiếm 6%, các hồ dưới 500 m2 chiếm 17,5% Cũng trong kết quả khảo sát trên có tới 71% hồ có giá trị BOD5 vượt quá tiêu chuẩn cho phép, 14% hồ bị ô nhiễm hữu cơ rất nặng, 32% hồ bị ô nhiễm nhẹ [16] Ngoài chỉ tiêu

BOD5, các chỉ tiêu khác như: nồng độ COD, NH4, trong hầu hết các hồ đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép

Dân số tăng nhanh dẫn đến lượng nước thải sinh hoạt ngày càng nhiều, kể cả nước thải công nghiệp và nước thải ở các bệnh viện (phần lớn là chưa qua xử lý) Nước thải từ các nguồn này hầu hết là đổ ra sông và hồ, gây ô nhiễm cho hồ ngày càng nặng, vượt quá khả năng tự làm sạch của hồ Việc lấn chiếm hồ để xây dựng làm cho diện tích mặt hồ bị thu hẹp, cùng với rác thải xả xuống hồ đã làm cho độ sâu của hồ giảm đi

dẫn đến thể tích chứa nước của hồ ngày càng giảm, khả năng điều tiết kém đi và nồng

độ các chất gây ô nhiễm ngày càng tăng cao

Nhiệt độ tăng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu sẽ làm cho các đặc tính vật lý và hoá học của nước bị thay đổi Bên cạnh đó nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến nồng độ CO2 tăng lên, sự quang hợp của thực vật (tảo và cây thủy sinh) diễn ra mạnh hơn, hiện tượng nở hoa là điều sẽ xảy ra thường xuyên, sau đó chúng sẽ bị chết và lắng đọng xuống đáy, làm cho ô nhiễm tăng thêm, lấy hết khí O2 trong nước, làm hạn chế sự hô hấp của các loài động vật dưới nước Lượng mưa tăng lên, lượng carbon đưa xuống hồ nhiều hơn

Do hô hấp, các chất hữu cơ trong hồ lại thải nhiều khí CO2 vào khí quyển hơn Vòng tuần hoàn này làm tăng nguy cơ phá vỡ sự cân bằng hệ sinh thái tự nhiên của hồ Các loài sinh vật quý hiếm được ghi trong Sách Đỏ, các loài mới (có thể là đặc hữu) có nguy cơ bị tiêu diệt Các loài gốc phương Nam sẽ lấn át các loài gốc phương Bắc và các loài chịu được sự ô nhiễm cao sẽ lấn át các loài chịu sự ô nhiễm thấp

Ngoài ra, các hệ sinh thái của hồ phụ thuộc một cách chặt chẽ vào môi trường nước trong hồ Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu làm cho nước trong các hồ thay đổi cả

về lượng và chất, làm ảnh hưởng tới môi trường sống của các hệ sinh thái, góp phần làm tăng nguy cơ mất cân bằng hệ sinh thái tự nhiên của các hồ Nước thải của các hộ

gia đình và hàng quán đổ thẳng ra hồ không qua xử lý đã làm cho lượng phốt-pho và

ni-tơ trong các ao hồ tăng mạnh, làm tăng hiện tượng phú dưỡng của các loài thực vật nổi và tảo, làm chúng phát triển rất nhanh Vòng đời của tảo thường rất ngắn, khi

chúng chết đi sẽ tích tụ lại dưới đáy ao hồ ngày một nhiều, làm giảm thể tích hồ Quá trình phân hủy tảo dưới đáy hồ cần một lượng lớn oxy trong nước, do đó sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước hồ, gây ảnh hưởng đến môi trường sống các loài động vật thủy sinh Ngoài ra, xác tảo chết dưới đáy hồ còn tạo ra khí có mùi hôi thối, làm ảnh hưởng tới chất lượng cuộc sống của người dân sống quanh hồ

Nguyên nhân gây ô nhiễm chính là do nước thải sinh hoạt và rác thải từ gia đình hoặc cộng đồng tùy tiện thải xuống hồ Các chất ô nhiễm này làm tăng nồng độ các

chất hữu cơ, vượt quá khả năng tự làm sạch của hồ, dẫn đến suy thoái chất lượng nước, thiếu hụt oxy, tăng lượng trầm tích trong hồ, khiến cho nước ao hồ rất đục và bẩn Có nhiều hồ, ao nước biến thành màu đen, hệ thống sinh thái bị đe dọa và rối loạn nghiêm trọng

Hầu hết các hồ đều được hình thành trên nền đất trẻ và chịu sự tác động của các yếu tố tự nhiên nên quá trình lão hóa diễn ra nhanh Độ sâu của hồ giảm rõ rệt do xả chất thải rắn (có cả loại rác lớn như đồ đạc cũ trong nhà, các đồ tế lễ, bát hương, bàn thờ cũ…), xả nước thải, san lấp và lấn chiếm không kiểm soát của người dân xung quanh hồ Do việc xả rác thải vô ý thức không bị kiểm soát và ngăn chặn chặt chẽ, nên nhiều loại rác thải (túi ny lon, giấy kẹo, giấy bọc hàng, rác sinh hoạt các gia đình xung quanh hồ) tích tụ dần thành đống dưới hồ Thực trạng này vừa gây bẩn hồ, vừa dần biến hồ thành ao tù, nước đọng, là nguồn phát sinh nhiều dịch bệnh (như tiêu chảy, sốt xuất huyết) Hiện tượng đổ phế thải xây dựng, đổ đất, lấn chiếm hồ,… cũng làm giảm đáng kể diện tích, thậm chí nhiều hồ đang có nguy cơ biến mất

Thành phố hiện mới xây dựng được một số trạm xử lý nước thải, được thu gom từ

bộ phận xung quanh Hồ Tây, hồ Trúc Bạch, Chợ Kim Liên, Trạm Yên sở, giảm thiểu lượng ô nhiễm nước thải vào các hồ Vấn đề cấp bách là Thành phố phải có quy hoạch xây dựng những khu xử lý nước thải tập trung cho các khu dân cư và cụm công nghiệp

để từng bước giải quyết một cách triệt để tình trạng ô nhiễm nói trên

1.2 Công nghệ SBR và lịch sử phát triển công nghệ SBR

1.2.1 Công nghệ SBR

Hình 1 1 Chu trình xử lý nước thải theo công nghệ SBR

SBR là một biến thể của quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính, khác với các công nghệ xử lý hiếu khí khác là các quá trình xử lý trong công nghệ SBR đều diễn ra trong một bể đơn nhất Có thể thấy rằng SBR là một công nghệ xử lý nước thải mà các quá trình diễn ra được sắp xếp theo một trình tự thời gian chứ không phải theo trình tự không gian như các công nghệ xử lý bùn hoạt tính thông thường [29]

Công nghệ SBR ra đời từ những năm 1920, đã và đang được sử dụng trên toàn thế giới Công nghệ này được sử dụng phổ biến ở Châu Âu, Trung Quốc, Hoa Kỳ, thực

tế SBR đã sử dụng rất thành công trong việc xử lý cả nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong các lĩnh vực đặc thù có lưu lượng dòng chảy nhỏ và không đều Các khu đô thị, khu du lịch, sòng bạc, và một số ngành công nghiệp như sữa, bột giấy và giấy, thuộc da và dệt may đều sử dụng SBR như là giải pháp xử lý nước thải hiệu quả Những cải tiến về thiết bị và công nghệ đặc biệt là thiết bị sục khí

và công nghệ điều khiển đã giúp cho SBR là lựa chọn số một trong các công nghệ xử

lý bằng bùn hoạt tính thông thường SBR trở thành lựa chọn hàng đầu vì những đặc tính nổi bật như:

- Trong khu vực, những nơi có sự hạn chế về không gian, SBR rất phù hợp vì các quá trình xử lý đều diễn ra trong một bể đơn nhất Sau quá trình lắng trong bể phản ứng SBR giá trị chất rắn lơ lửng có thể được loại bỏ còn dưới 10 mg/l đây là kết quả tốt so với việc sử dụng các bể lắng trong các quá trình xử lý hiếu khí thông thường

- Trong quá trình xử lý hệ thống được tự động điều chỉnh để nước thải đầu vào trải qua các điều kiện hiếu khí, kỵ khí, thiếu khí giúp loại bỏ các chất hữu cơ gây ô nhiễm có mặt trong nước thải, gồm cả các quá trình nitrat hóa, khử nitơ và xử lý photpho Tổng Nitơ (TN) sau xử lý có thể đạt được giá trị dưới 5 mg/l do có sự luân chuyển từ quá trình hiếu khí (nitrat hóa) và quá trình thiếu khí (khử nitrat) Tổng photpho (TP) sau xử lý cũng đạt được giá trị dưới 2 mg/l do có sự kết hợp xử lý sinh học (Photpho được hấp thụ bởi các vi sinh vật kỵ khí) và hóa học có trong bể phản ứng

[18]

- Có thể thấy rằng quy định xả thải ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn và hệ thống SBR là một giải pháp hiệu quả để đạt được giới hạn giá trị nước thải thấp hơn Tuy nhiên để đạt được hiệu quả tốt hơn nữa thì sau quá trình xử lý SBR nước thải đầu

ra cần phải qua màng lọc đây là xu hướng phát triển hiện nay của SBR

Công nghệ SBR đã chứng tỏ được là một hệ thống xử lý có hiệu quả do trong quá trình sử dụng ít tốn năng lượng, dễ dàng kiểm soát các sự cố xảy ra, xử lý với lưu lượng thấp, ít tốn diện tích Ngoài những ưu điểm trên, công nghệ SBR ngày càng

được công nhận như là một lựa chọn thuyết phục trong xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp [19].

Chu trình xử lý nước thải bằng công nghệ SBR bao gồm 5 quá trình: quá trình làm đầy, quá trình phản ứng, quá trình lắng, quá trình gạn nước và quá trình nghỉ

 Làm đầy:

Nước thải được nạp vào bể phản ứng mang theo nguồn thức ăn cho các vi sinh vật trong bùn hoạt tính, tạo môi trường cho các phản ứng sinh – hóa xảy ra Trong gia đoạn này quá trình khuấy trộn và sục khí có thể được thay đổi để tạo nên ba trường hợp khác nhau như sau:

bể phản ứng trong khi máy khuấy trộn vẫn đang hoạt động còn máy cấp khí tạm ngừng Trong quá trình này do có sự khuấy trộn tạo nên hỗn hợp đồng nhất giữa nước thải đầu

vào và sinh khối trong bể phản ứng Vì không có sục khí nên điều kiện trong bể phản ứng là điều kiện thiếu oxy thúc đẩy quá trình khử Nitơ Trong bể phản ứng điều kiện yếm khí cũng có thể xảy ra thúc đẩy quá trình khử photpho do các vi sinh vật kỵ khí hấp thụ

hai thiết bị sục khí và khuấy trộn đều hoạt động Điều này tạo ra môi trường hiếu khí giúp giảm lượng chất hữu cơ trong bể phản ứng và xảy ra quá trình nitrat hóa Tuy nhiên để quá trình khử nitơ xảy ra cần có sự chuyển đổi giữa điều khiện hiếu khí và thiếu khí điều này có thể thực hiện bằng việc tắt thiết bị thổi khí Trong giai đoạn này cần theo dõi giá trị DO và duy trì ở mức 2 mg/l để đảm bảo cho điều kiện thiếu oxy sẽ xảy ra trong giai đoạn nghỉ

bể phản ứng không có sự khuấy trộn hay sục khí xảy ra Do thiết bị sục khí và khuấy trộn không hoạt động giúp cho hệ thống tiết kiệm được một lượng năng lượng đáng kể

 Phản ứng

Giai đoạn này là giai đoạn chính xảy ra các phản ứng sinh hóa giúp loại bỏ hoặc làm giảm thiểu các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải Vì không có sự bổ sung nước thải trong khi khuấy trộn và sục khí vẫn diễn ra điều này làm cho tỷ lệ loại bỏ chất hữu

cơ tăng lên đáng kể BOD được loại bỏ chính trong giai đoạn này, bên cạnh đó quá trình nitrat hóa vẫn được tiếp diễn, phần lớn quá trình khử nitơ diễn ra trong giai đoạn làm đầy

 Lắng:

Trong suốt giai đoạn này, bùn hoạt tính được lắng trong điều kiện không khuấy trộn và sục khí Bùn hoạt tính có xu hướng kết thành các bông bùn và lắng xuống, hình thành phân lớp rõ rệt Đây là quá trình quan trọng của giai đoạn này bởi nếu lượng bùn

lơ lửng không được lắng nhanh chóng dẫn đến một phần bùn có thể được rút ra trong giai đoạn gạn tiếp theo sẽ làm giảm chất lượng nước thải sau xử lý

 Gạn nước thải:

Sau giai đoạn lắng, trong bể phản ứng chia thành hai pha: pha bùn hoạt tính ở phía dưới và pha nước trong ở phía trên Lượng nước trong ở phía trên được tách ra khỏi bể phản ứng nhờ hệ thống phao và van xả tự động Phao này được cố định nổi trên mặt nước bởi một cánh tay đòn Miệng phao được duy trì ở dưới mặt nước để giảm thiểu việc loại bỏ bùn hoạt tính lơ lửng trong suốt quá trình gạn nước thải làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thải đầu ra Phao giúp quá trình gạn nước này có lượng đi

ra bằng lượng nước thải đầu vào pha làm đầy Bọt và váng bề mặt không theo ra khi gạn nước Khoảng cách từ phao đến đáy bể nên để giá trị cực đại để tránh xáo trộn bùn trong bể

 Giai đoạn nghỉ:

Giai đoạn này ở giữa giai đoạn gạn nước và làm đầy, trong giai đoạn này một lượng bùn ở đáy bể phản ứng được loại bỏ ra ngoài qua van xả bùn dư, quá trình này được gọi là thải bùn dư [28] Việc loại bỏ bùn dư trong hệ thống SBR giúp cho hàm

lượng bùn hoạt tính trong bể phản ứng luôn duy trì ổn định ở giá trị thiết kế ban đầu phù hợp với đặc điểm nước thải và mục tiêu xử lý

1.2.2 Lịch sử phát triển công nghệ SBR

- Năm 1914, thử nghiệm xử lý nước thải ô nhiễm chất hữu cơ bằng vi sinh đầu tiên do Ardern và Lockett thực hiện trong phòng thí nghiệm gồm các bước cơ bản như một hệ thống SBR: nạp nước thải vào bể phản ứng, tạo môi trường cần thiết cho vi sinh vật sinh trưởng và hấp thụ các chất hữu cơ, để lắng bùn và gạn nước sạch sau xử lý

- Năm 1940, Monod đã định lượng được hoạt động của vi sinh vật qua định luật Monod hết sức cơ bản.Tuy nhiên do chưa hiểu rõ bản chất của vi sinh vật và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật nên các thiết kế thực hiện trong vòng 10 năm sau đó đều dựa trên kinh nghiệm và xem tỉ lệ F/M là một tỉ lệ thần kỳ

- Năm 1956 Pasvert áp dụng công nghệ SBR vào mương oxy hóa xử lý nước thải nhưng không thành công do tốc độ dòng trong mương chậm

-Năm 1979 Irvine và Busch bước đầu nghiên cứu và mô tả ngắn gọn về quá trình hoạt động của công nghệ SBR trong xử lý nước thải bao gồm các bước nạp nước thải, phản ứng, lắng, gạn nước thải trong và lặp lại chu kì mới

- Năm 1980, là một thời phát triển của công nghệ SBR, US EPA đã triển khai những nghiên cứu chuyên sâu về SBR và so sánh với hệ CFS (bùn hoạt tính dòng chảy liên tục) đang phát triển mạnh trong thời kỳ này Sau 4 năm nghiên cứu EPA đã công

bố kết quả so sánh nêu bật tính ưu việt và khả năng xử lý của hệ SBR so với CFS Không còn dựa trên các quy luật kinh nghiệm, hệ SBR được thiết kế theo động học – vi sinh vật và tỉ lệ F/M không còn là một tỉ lệ thần kỳ mà chỉ là một chỉ số thông thường

- Thập niên 1980 – 1990 là giai đoạn phát triển nghiên cứu sâu rộng, nắm vững động học và khai thác tiềm năng xử lý của công nghệ SBR trong nền tảng vi sinh – động học, tốc độ tạo sinh khối, hấp thụ và phân hủy các chất hữu cơ [30]

1.2.3 Các quá trình sinh học trong công nghệ SBR

 Oxy hóa và phân hủy chất hữu cơ

Vi sinh vật có trong hỗn hợp bùn và nước thải sử dụng oxy và hệ enzym của mình

để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải cung cấp năng lượng và tổng hợp tế bào mới, các quá trình này diễn ra theo các phản ứng sau:

CxHyOz + O2   →Enzyme CO2 + H2O + ∆H

Tổng hợp tế bào mới:

CxHyOz + O2 + NH3   →Enzyme Tế bào vi khuẩn (C5H7NO2)+ CO2 + H2O - ∆H Bên cạnh việc phân hủy các chất hữu cơ cung cấp năng lượng và tổng hợp các tế bào mới thì trong bể SBR còn diễn ra quá trình phân hủy nội bào, do các vi sinh vật già yếu và chết đi khi đó chúng sẽ bị phân hủy theo phản ứng sau:

Phân hủy nội bào:

Trong quá trình yếm khí nitơ chỉ chuyển hóa từ dạng N-hữu cơ về dạng N-vô cơ qua quá trình thủy phân Còn trong quá trình xử lý hiếu khí cùng với quá trình phân hủy COD thì quá trình oxy hóa N-amoni thành Nitrit và Nitrat diễn ra chậm Đối với

nước thải sinh hoạt có hàm lượng N, P cao - thành phần N, P luôn lớn hơn nhiều so với nhu cầu tổng hợp tế bào của vi sinh vật Trong chu trình xử lý SBR có quá trình thiếu

khí đây chính là quá trình khử nitrat hiệu quả

- Quá trình Nitrat hóa

Nitơ tồn tại dưới dạng hợp chất trong nước thải sẽ bị chuyển hóa thành nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, phương trình phản ứng như sau:

NO2- + 0,681CH3OH + 0,555H2CO3→ 0,047C5H7O2N + 0,476N2 + 1,251H2O + HCO3-

 Quá trình khử photpho

Photpho có vai trò vô cùng quan trọng trong chu trình phát triển của vi sinh vật,

tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng của tế bào (là thành phần cấu tạo nên ATP được ví như đơn vị tiền tệ năng lượng của sự sống) Ngoài ra còn tham gia cấu tạo axit nucleic, các thành phần khác của tế bào…

Trong nước thải sinh hoạt photpho tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất polyphotphat, các hợp chất hữu cơ chứa photphat, các gốc H2PO4-, HPO42-, PO43-Một

số loại vi khuẩn ngoài việc sử dụng photpho trong quá trình tổng hợp tế bào còn có khả năng tích lũy hợp chất photpho trong tế bào và lượng photpho được tích lũy này lớn hơn nhiều so với lượng photpho được sử dụng với mục đích tổng hợp tế bào Thông thường trong tế bào hàm lượng phospho chiếm 1,5 - 2,5% khối lượng tế bào khô, ở một

số loài có khả năng hấp thụ cao 6 - 8% [26] Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra các phần tích lũy dư thừa, photpho được tách ra khỏi nước thải qua bùn dư Điển hình

trong các quá trình xử lý nước thải, vi khuẩn Acinetobacter khi được luân chuyển giữa

các điều kiện (yếm khí, thiếu khí, hiếu khí) thì khả năng lấy P trong nước thải tăng lên rất nhiều, và phospho được loại bỏ trong bùn lắng

1.2.4 Ưu nhược điểm của công nghệ SBR

Ưu điểm công nghệ SBR:

- Xử lý nước thải ô nhiễm với hiệu quả cao đặc biệt là nước thải giàu N và P

- Hệ thống SBR linh động có thể xử lý nhiều loại nước thải khác nhau với nhiều thành phần và tải trọng

- Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị (các thiết bị ít) mà không cần phải tháo nước cạn bể Chỉ tháo nước khi bảo trì các thiết bị như: cánh khuấy, motor, máy thổi khí, hệ thống thổi khí

- Hệ thống có thể điều khiển hoàn toàn tự động

- TSS đầu ra thấp, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và khử nitrat hóa cao

- Quá trình kết bông tốt do không có hệ thống gạt bùn cơ khí

- Quá trình lắng ở trạng thái tĩnh nên hiệu quả lắng cao

- Tiết kiệm không gian sử dụng từ 30 – 50% so với các công nghệ thông thường

- Tiết kiệm năng lượng do hệ thống hoạt động được điều khiển thông minh

- Giảm bớt nhân lực giám sát quá trình vận hành trong khi vẫn đảm bảo chất lượng xử lý được nâng cao và đáng tin cậy

- Tiết kiệm 30% chi phí xây dựng so với các hệ thống thông thường

- Tiết kiệm chi phí bảo trì, bảo dưỡng do sử dụng thiết bị hiện đại, đơn giản có độ tin cậy cao Loại bỏ một số thiết bị mà các quá trình xử lý thông thường sử dụng

- Có khả năng nâng cấp hệ thống

Nhược điểm công nghệ SBR:

- Do hệ thống hoạt động theo mẻ, nên cần phải có nhiều thiết bị hoạt động đồng thời với nhau

- Điều khiển toàn bộ hệ thống rất phức tạp

- Công suất xử lý thấp (do hoạt động theo mẻ)

- Người vận hành phải có kỹ thuật cao

Bảng 1.3 So sánh SBR với các quá trình xử lý bùn hoạt tính liên tục [9]

Công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính liên tục (CAB)

Ghi chú

Khái niệm

Theo trình tự thời gian trong cùng một bể

Xử lý nước thải theo

trình tự các bể khác nhau (theo trình tự

không gian)

Trình tự thời gian các giai đoạn trong công nghệ SBR có thể được kiểm soát và thay đổi một cách linh hoạt, công nghệ

xử lý bùn hoạt tính liên tục thì không thể làm được điều này

Đặc điểm

dòng vào –

dòng ra

Theo chu kỳ Liên tục

Thời gian gạn nước trong SBR có thể kiểm soát và thay đổi linh hoạt có thể giữ nước đến khí đáp ứng chất lượng nước dòng ra, trong các công nghệ bùn hoạt tính liên tục thì

bị hạn chế không linh hoạt

trình sục khí và thời gian sục

khí, trong khi đó các quá trình hoạt tính thông thường chỉ có thể điều chỉnh tỉ lệ khí cấp vào

Bể lắng Lắng trong

điều kiện lý tưởng, hoàn toàn tĩnh

Lắng trong điều kiện

và linh hoạt hơn

Thiết bị cơ khí nhiều, hoạt động cồng kềnh và khó khăn hơn

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ SBR

 Lượng oxy hòa tan

Lượng oxy hòa tan (DO) có vai trò vô cùng quan trọng đối với các hệ thống xử lý hiếu khí sinh học Nếu thiếu oxy hòa tan sẽ gây ra hiện tượng phồng bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh làm cho bùn xốp và khó lắng

Độ hòa tan của oxy trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: phương thức cấp khí, chiều cao cột nước, nhiệt độ, tính chất nước thải, tốc độ sinh trưởng cùng đặc trưng và hình thái của các loại vi sinh vật

Chỉ tiêu nồng độ oxy hòa tan đảm bảo cho quá trình xử lý hiếu khí là 1,5 – 2 mg

pH

pH của nước thải có ảnh hưởng lớn đến các quá trình hóa sinh của vi sinh vật, quá trình tạo bùn và lắng Quá trình xử lý hiếu khí đòi hỏi trị số pH trong khoảng 6,5 – 8,5, khoảng giá trị tối ưu là 6,8 – 7,4 [3]

Để đảm bảo pH trong khoảng trên, trong thực tế trước khi cho nước thải vào bể

xử lý sinh học hiếu khí, người ta thường điều hoà lưu lượng, điều chỉnh giá trị pH ở bể điều hoà

Nhi ệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng tới hoạt động của VSV Mỗi VSV cũng có một khoảng nhiệt

độ tối ưu, nếu tăng nhiệt độ quá ngưỡng sẽ ức chế hoạt động của VSV hoặc tiêu diệt

chúng

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến DO:

+ Khi nhiệt độ tăng DO giảm và vận tốc phản ứng tăng lên

Khi nhiệt độ giảm DO tăng nhưng ngược lại vận tốc phản ứng giảm

Nhiệt độ thích hợp cho quá trình XLNT là 20 – 40oC, tối ưu là 25 – 35oC, nhiệt

độ thấp nhất vào mùa đông là 12oC [6]

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh học thể hiện qua biểu thức:

Thành phần dinh dưỡng trong nước thải chủ yếu là nguồn Cacbon (thể hiện qua

BOD5), cùng với Nitơ (thường ở dạng NH4 +) và Photpho (ở dạng PO43-) là những nguyên tố đa lượng; ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như: Mg, Fe, Mn,

Tỷ lệ các chất dinh dưỡng phù hợp là BOD : N : P = 100 : 5 : 1

Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của VSV, thể hiện bằng lượng bùn hoạt tính tạo thành giảm, kìm hãm và

ức chế quá trình oxy hoá các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn

Nếu thiếu Nitơ một cách kéo dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng Các bông bùn bị phồng lên trôi nổi theo dòng nước ra làm cho nước khó trong và chứa một lượng lớn VSV, làm giảm tốc độ sinh trưởng cũng như cường độ oxy hoá của chúng

Nếu thiếu Photpho, VSV dạng sợi phát triển và cũng làm cho bùn hoạt tính lắng chậm và giảm hiệu quả xử lý

Các ch ất hoạt động bề mặt

Khi trong nước thải có các chất hoạt động bề mặt hoặc thuốc tảy, hoạt động của các

ciliated protozoa và các metazoa sẽ làm gián đoạn hoặc giảm sự phát triển các bông bùn cũng có thể làm cho các bông bùn trưởng thành bị yếu và không hoạt động nữa Khi đó số lượng lớn bông bùn được hình thành dưới dạng rời rạc hoặc phân tán Xà phòng và thuốc tảy tác động mạnh đến hoạt động của các VSV và làm tăng tổng chất rắn hòa tan (TSS), hiệu suất xử lý thấp

Ch ất độc đối với vi sinh vật

Các chất độc hữu cơ, vô cơ, đặc biệt là các kim loại nặng, các ion halogen có khả năng ức chế thậm chí làm vô hoạt hệ enzym oxi hóa khử ở VSV Vì thế, cần phải xử lý trước các chất độc này Sự phân huỷ đòi hỏi các điều kiện môi trường khá nghiêm ngặt, nhiệt độ và pH là những yếu tố đóng vai trò quan trọng

Hàm lượng các chất rắn

Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng nhất của nước thải, bao gồm các chất rắn không tan lơ lửng (SS), chất dạng keo và chất hoà tan Trong NTSH cặn lơ lửng chứa 70% cặn hữu cơ và 30% cặn vô cơ [3]

Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý, nhất là cặn vô cơ Vì vậy, cần phải qua lắng trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy đủ để loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng

N ồng độ chất bẩn hữu cơ trong nước thải

Nồng độ cơ chất trong môi trường ảnh hưởng nhiều tới đời sống của VSV VSV

sẽ bị ức chế và bị kìm hãm quá trình hoạt động sống trong trường hợp nồng độ chất bẩn hữu cơ cao hơn nồng độ cho phép

T ỷ lệ F/M

Tỷ lệ F/M (Food/microorganism = thức ăn/vi sinh vật): là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của VSV hiếu khí

Nếu F/M << 1: thiếu dinh dưỡng cho VSV hoạt động

Nếu F/M >1: VSV phát triển sinh khối, không tạo nha bào nên không kết dính với nhau lại thành bông, kích thước bông bùn giảm, bùn khó lắng làm nước ra sau xử lý không đạt độ trong yêu cầu

Tỷ lệ F/M = 0,2 – 0,6: tạo độ ổn định trong quá trình xử lý hiếu khí [4]

Th ời gian lưu bùn

Thời gian lưu bùn (SRT) là thời gian của bùn lưu trú lại trong bể xử lý hay còn gọi

là tuổi của bùn cặn SRT được tính bằng tỷ số giữa lượng bùn có trong bể với tổng lượng bùn đi ra khỏi hệ thống trong một ngày

Đối với hệ thống khử BOD, SRT có thể dao động từ 3-5 ngày, phụ thuộc vào nhiẹt độ của nước thải Ở nhiệt độ 18 -200C, với những hệ thống khử BOD và giảm quá trình nitrat hóa, SRT có thể chọn là 3 ngày Để loại trừ nitrat hóa, một số quá trình bùn hoạt tính có SRT = 1 ngày, hay nhỏ hơn Ở 100C, SRT = 3-5 ngày cho quá trình loại bỏ

BOD SRT cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD Tuy nhiên, về tổng thể

xu hướng hiệu quả loại bỏ COD so với SRT là một tỷ lệ ngày càng tăng [24] Trong nghiên cứu của Mines và cộng sự về ảnh hưởng của SRT đến hiệu quả xử lý COD, họ

đã chỉ ra rằng SRT có một chút ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD, hiệu suất xử lý COD là 83%; 83% và 82% tương ứng với SRT lần lượt là 9,3; 13,8 và 18,3 ngày [27]

Tương tự như vậy trong nghiên cứu của Liao va cộng sự về xử lý nước thải chứa đường và các muối vô cơ đã quan sát thấy hiệu quả xử lý COD là 85; 85 và 84% tương ứng với SRT lần lượt là 9; 11 và 21 ngày [25]

Bảng 1.4 Thời gian lưu bùn tiêu biểu cho quá trình bùn hoạt tính [24]

Chuyển hóa các phần tử hữu cơ trong nước thải đô thị 2-4

Tăng cường khả năng tạo bông của vi sinh để xử lý

Tăng cường khả năng tạo bông của vi sinh để xử lý

Vì vậy SRT là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình xử lý, thiết kế thể tích bể, lượng bùn sinh ra, nhu cầu oxy Ngoài ra, thời gian lưu bùn còn ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất cũng như sự phát triển của các bông bùn Kích thước của bùn hoạt tính ổn định ở thời gian lưu bùn khác nhau Ở thời gian lưu bùn thấp (4 - 6

ngày), cơ chất có giá trị cho sự phát triển của vi sinh vật, trong khi ở thời gian lưu bùn

cao (16 – 20 ngày) làm giảm sự phát triển của bùn và làm giảm hoạt lực, sự ổn định của sinh khối trong điều kiện nghèo dinh dưỡng [19]

Thời gian lưu thủy lực

Thời gian lưu thủy lực (HRT) là khoảng thời gian một hạt hoặc một đơn vị thể tích nước thải lưu trong bể phản ứng Nó là một thông số rất quan trọng được sử dụng

để tính toán khối lượng và kích thước các bể xử lý [21] Thời gian lưu của nước trong

bể xử lý (t), được tính bằng tỷ số giữa thể tích của bể (V) với lưu lượng nước thải đầu

vào (Qvào)

Trong quá trình hiếu khí theo mẻ thì thời gian lưu thủy lực bằng tổng thời gian của các quá trình: nạp nước thải vào, thời gian sục khí, thời gian lắng, thời gian rút nước Có thể thấy rằng thời gian lưu thủy lực có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý của

hệ thống SBR, cụ thể trong quá trình sục khí nếu thời gian sục khí không đủ dẫn đến lượng chất hữu cơ ô nhiễm còn lại nhiều, hoặc thời gian lắng không đảm bảo dẫn đến quá trình gạn nước sẽ kéo theo một lượng bùn lơ lửng, cũng tương tự như vậy thời gian lưu thủy lực trực tiếp ảnh hưởng đến các quá trình nitrat, khử nitơ, loại bỏ photpho dẫn đến ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước sau phản ứng

 Hàm lượng sinh khối

Hàm lượng sinh khối (MLSS) hay bùn hoạt tính là tập hợp các VSV khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước Sự phát triển của các VSV trong nước thải có liên quan trực tiếp với lượng

cơ chất trong nước, thể hiện qua tỉ số F/M Khi lượng bùn tăng lên thì tốc độ sử dụng

cơ chất tăng lên, từ đó có thể làm tăng hiệu suất quá trình xử lý và ngược lại

t = V

Qvào

Để phát huy vai trò của bùn hoạt tính, trong các công trình xử lý nước thải người

ta thường quan tâm đến nồng độ oxy hoà tan trong nước, nồng độ và tuổi của bùn, các chất gây độc cho VSV trong nước hay trong bùn hoạt tính, pH, nhiệt độ nước thải,… MLSS thích hợp để xử lý NTSH thường dao động từ 2000 – 5000 mg/l [8] Tuỳ theo hàm lượng và bản chất của chất ô nhiễm trong nước thải cũng như hoạt lực của các VSV mà hàm lượng sinh khối sẽ khác nhau Hàm lượng MLSS có vai trò rất quan trọng trong xử lý nước thải Trong nghiên cứu của Bull và cộng sự đã chỉ ra rằng 60% tổng lượng nitơ loại bỏ từ nước thải là do quá trình tăng trưởng của bùn hoạt tính [20]

Đã có khá nhiều nghiên cứu về SBR cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp xử lý bằng công nghệ SBR:

- Nghiên cứu về khả năng nitrat hóa, khả năng xử lý nitơ trong hệ thống SBR như: [9], [22]

- Nghiên cứu tổng quan về quá trình và hiệu quả xử lý chất thải của hệ thống SBR như: [18], [26], [27]

- Nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống SBR như: ảnh hưởng của

SRT [22], [23], [23]; ảnh hưởng của HRT [23]; ảnh hưởng của các thông số động học

và điều kiện vận hành [14],…

Nhưng trường hợp vận hành hệ thống SBR ở chế độ không thải bùn dư lại rất ít khi được đề cập đến

1.2.6 Một số các công trình nghiên cứu về SBR ở Việt Nam và trên thế giới

Một số nghiên cứu về SBR ở Việt Nam

 Tháng 8/2003 một nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến khả nẳng phản nitrat hóa của bùn hoạt tính, khả năng xử lý nitơ trong hệ thống SBR được tiến hành trong phòng thí nghiệm tạ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [9] Trong đề tài này, nước thải được

sử dụng là nước thải nhân tạo chứa Nitơ với nồng độ cao Bùn hoạt tính được hoạt hóa

từ bùn lấy ở nguồn thải được đánh giá bị nhiễm Nitơ với nồng độ cao (bùn thải từ sông

Kim Ngưu, nhà máy sữa Hà Nội, lò giết mổ ) Hệ thống SBR được thiết kế với 4 chế

giới hạn cho tốc độ của quá trình phản nitrat hóa [9] Ngoài ra thì tỉ lệ C/N cũng có những ảnh hưởng nhất định đến quá trình phản nitrat hóa, trong trường hợp tỉ lệ C/N nhỏ thì quá trình phản nitrat hóa chỉ sảy ra ở giai đoạn đầu, trong trường hợp C/N lớn thì quá trình nitrat hóa vẫn sảy ra bình thường và ở tỉ lệ C/N = 1,07 thì tốc độ phản nitrat hóa là cao nhất Bên cạnh đó tác giả nghiên cứu về ảnh hưởng của DO đến quá trình phân giải Nitơ trong hệ thống SBR, với 4 chế độ hoạt động tương ứng với DO lần lượt là: 5,75 mg/l; 4,57 mg/l; 4,2 mg/l và 2,95 mg/l Và kết quả nghiên cứu đã được tác giả đưa ra tương ứng với chế độ 4 thì hiệu quả và tốc độ khử Nitơ là cao nhất [9]

 Tháng 9/2011 đến tháng 5/2012 một nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng bùn đến hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội bằng

công nghệ SBR được tiến hành trong phòng thí nghiệm [31], với mô hình SBR được

vận hành ở thời gian sục khí cố định 8h và thay đổi hàm lượng bùn ở các giá trị lần

lượt là 1000 mg/l, 2000 mg/l, 3000 mg/l Tác giả đã thành công đưa ra các đánh giá về hiệu quả xử lý nước thải trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vận hành tương ứng với hàm lượng bùn hoạt tính khác nhau, cụ thể:

Hiệu quả xử lý COD tăng từ 72,2% đến 83% tương ứng với MLSS tăng từ 1000

mg/l – 2000 mg/l Tuy nhiên hiệu quả xử lý COD đã giảm xuống còn 68,1% khi MLSS tăng lên 3000 mg/l Điều này có thể giải thích do lượng nước thải hay chính xác là lượng thức ăn không đủ cho số lượng vi sinh vật có trong bùn hoạt tính

Hiệu quả xử lý TN: trong 3 gian đoạn vận hành với 3 mốc MLSS khác nhau, tác giả đã chỉ ra rằng hiệu quả xử lý TN ở 2 giai đoạn đầu tương ứng MLSS 1000 mg/l và

2000 mg/l tăng từ 76,2% đến 81,1% và ở giai đoạn 3 MLSS 3000 mg/l thì hiệu quả xử

Một số nghiên cứu về SBR trên thế giới

 Nghiên cứu tối ưu hóa các trình tự trong hệ thống SBR nhằm loại bỏ các chất ô

nhiễm [22] Mô hình SBR được thiết kế với thể tích hoạt động V= 4 l, đường kính 17

cm, chiều cao 25 cm Trong bể sử dụng máy khuấy cơ học và máy sục khí với công suất 14 l/phút Nồng độ MLSS được duy trì ở mức 5500 ± 500 mg/l, tương ứng với

2800 ± 200 mg/l, thời gian lưu bùn là 28 ± 4 ngày SBR đã được thiết lập với chế độ hoạt động: làm đầy 0,5 h; kỵ khí 2 h; hiếu khí (1) 2 h; thiếu khí 1 h; hiếu khí (2) 0,75 h; phản ứng 1 h và gạn nước 0,5 h [22] Nghiên cứu được tiến hành với 4 chế độ hoạt động tương ứng với thời gian hiếu khí (1) và kỵ khí như sau:

+ Chế độ 1: thời gian hiếu khí (1) 3 h, kỵ khí 3 h

+ Chế độ 2: thời gian hiếu khí (1) 2 h, kỵ khí 2 h

+ Chế độ 3: thời gian hiếu khí (1) 1,5 h, kỵ khí 1,5 h

+ Chế độ 4: thời gian hiếu khí (1) 1 h, kỵ khí 2 h

Kết quả nghiên cứu tác giả đã đưa ra đối với từng chế độ như sau:

Hiệu suất xử lý COD lần lượt là: 78 ± 5%; 91 ± 3%; 94%; 85%

Hiệu suất xử lý TN lần lượt là : 34 ± 11%; 78 ± 7%; 64 – 75% (trung bình 69%);

Trong nghiên cứu này tác giả đã chỉ ra rằng ở chế độ 2 cụ thể như: làm đầy (0,5 h), kỵ

khí (2 h), hiếu khí 1 (2 h), thiếu ôxy (1 h), hiếu khí 2 (0,75 h), phản ứng (1 h), và gạn (0,5 h) là chế độ tối ưu nhất với hiệu suất xử lý tốt nhất, hiệu quả loại bỏ COD, TKN,

NH3-N, và TP là cao nhất tương ứng với 91% ± 3, 78% ± 7, 85% ± 5, và 87% ± 2 [22].Tác giả đã so sánh được giữa các chế độ khác và làm rõ được ảnh hưởng do thời gian của từng giai đoạn trong công nghệ SBR lên hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt giúp chúng ta hiểu biết ngày thêm chi tiết về công nghệ SBR Tuy nhiên vì là phương

pháp xử lý bằng công nghệ sinh học nên vi sinh vật đóng vai trò chính trong quá trình

xử lý vì thế những chỉ tiêu như: tuổi của bùn, hàm lượng bùn, tỉ lệ F/M… trực tiếp anh hưởng đến hiệu quả xử lý của công nghệ này vẫn chưa được tác giả nghiên cứu triệt để

 Nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực và tuổi của bùn đối với việc loại bỏ nitơ trong hệ thống SBR [23] Trong nghiên cứu này, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực và tuổi của bùn đến hiệu quả loại bỏ nitơ có trong nước rỉ rác sử dụng công nghệ SBR Với bốn mô hình SBR (SBR 1-4) được thiết lập

amoni Trong SBR 4, tại HRT = 2 ngày, giảm tỷ lệ loại bỏ amoni đến 1,45 mg

NNH4/gVSS.h và tốc độ nitrat hóa đến 0,05 mg NNO3/gVSS.h [23]

Trường hợp 2, ngoại trừ SBR 4, SRT bị rút ngắn gây ra sự sụt giảm trong tốc độ loại bỏ amoni cũng như tỷ lệ nitrat hóa Do đó, trong giai đoạn này, tỷ lệ trung bình của loại bỏ amoni là 1,73 mg NNH4/gVSS.h và tốc độ nitrat hóa là 0,09 mg NNO3/gVSS.h

Rõ ràng là lượng nitơ loại bỏ do quá trình khử nitơ thấp hơn so với số lượng nitơ sử dụng cho sản xuất sinh khối

Qua quá trình nghiên cứu tác giả đã làm rõ việc loại bỏ Nitơ trong bể phản ứng SBR là do 3 quá trình: quá trình tổng hợp sinh khối, quá trình bay hơi và quá trình khử Tác giả cũng đã làm rõ được ảnh hưởng của SRT và HRT đến việc loại bỏ nitơ, sự ảnh hưởng này được tác giả chỉ ra trong từng quá trình: quá trình khử, quá trình sinh tổng hợp và quá trình bay hơi Ảnh hưởng của SRT và HRT được tác giả kết luận như sau: trường hợp 1 (tuổi của bùn dài hơn) lượng amoni bị mất đi cao hơn gần 2 lần so với trường hợp 2 Tương ứng với việc giảm thời gian lưu thủy lực (HRT), lượng đạm tiêu thụ do tổng hợp sinh khối tăng tuyến tính

Trong nghiên cứu này tác giả chỉ đề cập đến việc loại bỏ nitơ đê thấy rằng những ảnh hưởng của SRT và HRT lên hiệu quả loại bỏ nitơ Những thành quả đạt được là rất tốt, tuy nhiên do chỉ đánh giá chỉ tiêu N nên sẽ còn những thiếu sót nhất định, vì SBR

là công nghệ xử lý sinh học do các vi sinh vật có trong bùn hoạt tính nên các nhân tố khác cũng rất là quan trọng và cũng có ảnh hưởng tương tác lẫn nhau Cụ thể như việc loại bỏ N cũng sẽ liên quan đến việc loại bỏ P và các chất hữu cơ khác, bên cạnh đó hàm lượng bùn là yếu tố khá quan trọng trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý không được tác giả đưa ra trong nghiên cứu này

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2 Phương pháp nghiên cứu

2.1 Mục đích và đối tượng nghiên cứu

2 1.1 Mục đích nghiên cứu

Xác định hiệu suất xử lý NTSH bằng mô hình hiếu khí theo mẻ vận hành ở chế

độ không thải bùn dư

Từ đó nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ hiếu khí theo mẻ (SBR) vận hành ở chế độ không thải bùn dư và đưa ra được những nhận xét và phương hướng ứng dụng thực tế đối với nhiệm vụ xử lý nước thải sinh hoạt

2 1.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng trong nghiên cứu: hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt ở chế độ không thải bùn dư

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ SBR vận hành ở chế độ không thải bùn dư trong phòng thí nghiệm

2 2 Lấy mẫu và phân tích mẫu

2.2.1 Vị trí lấy mẫu nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt được lấy để phục vụ nghiên cứu là mẫu nước lấy tại cống thoát nước dân sinh tại ngõ chùa Hưng Ký - phường Minh Khai - quận Hai Bà Trưng -

Hà Nội, vị trí lấy mẫu như sau:

- Địa điểm lấy mẫu nước thải đầu vào là đầu ngách 10 ngõ chùa Hưng Ký

- Tọa độ điểm lấy mẫu: + 20059’40’’ (N)

+ 108051’18’’ (E)

Thời gian lấy mẫu: nước thải được lấy vào can nhựa trắng có dung tích 10 lít hoặc 20 lít ở thời điểm từ 10 h-12 h hoặc 4 h-5 h trong ngày, đây cũng là những thời điểm có hoạt động xả thải tương đối lớn

Hình 2.1: Vị trí lấy mẫu nước thải đầu vào

2.2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực lấy mẫu

Phường Minh Khai là phường nằm ở phía Nam quận Hai Bà Trưng – Hà Nội Phía Bắc giáp với phường Quỳnh Lôi và phường Quỳnh Mai, phía Nam giáp với phường Mai Động (thuộc quận Hoàng Mai), phía Đông giáp với phường Vĩnh Tuy, phía Tây giáp với phường Trương Định

Toàn phường có diện tích 0,47 km2 Dọc theo địa bàn phường là trục đường Minh Khai tiếp nối lên cầu Vĩnh Tuy, nơi giao thông huyết mạch của hàng vạn phương tiện lưu thông [15]

Phường đang trên đà đô thị hóa, kinh tế trên địa bàn phường không ngừng phát triển chuyển từ vùng nông nghiệp sang sản xuất dịch vụ thương mại Tình hình an ninh, chính trị và trật tự xã hội luôn được đảm bảo Đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao và ổn định Cơ sở hạ tầng như điện, đường, ánh sáng, cấp thoát nước về cơ bản đã hoàn thiện Mật độ dân cư tại phường rất đông đúc, có 4.760 hộ với 18.868 nhân khẩu được chia thành 12 khu dân cư với 71 tổ dân phố Đa số dân cư là những người lao động và tiểu thương buôn bán nhỏ

Hình 2.2 Bản đồ khu vực lấy mẫu – phường Minh Khai

2.2 3 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đầu vào

Nước thải sinh hoạt được lấy từ cống thoát dân sinh tại ngõ chùa Hưng Ký là nước thải thoát ra từ các sinh hoạt hàng ngày tại các hộ dân, một phần nước thải phát sinh từ các cơ sở kinh doanh dịch vụ ăn uống, một phần phát sinh từ các đơn vị sản xuất trên địa bàn phường đặc biệt là công ty bánh kẹo Hải Hà

Bảng 2.1 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đầu vào

(mg/l)

COD (mg/l)

TN (mg/l)

TP (mg/l)

Mẫu nước thải đầu vào 5,5 - 8 146 608 41,5 8,2