Tiểu luận trình bày, phân tích và đưa ra ví dụ về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

Xử lý nước thải là loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi nước bằng các phươngpháp vật lý, hóa học, và phương pháp sinh học để đưa nước thải thành chấtlỏng không độc hại với môi trường.. Nhìn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

Bùi Thị Thùy Dung - 2020606210

Vi Thị Giang - 2020606591Nguyễn Thị Thu Hà - 2020608407

Lớp: CNTP03 – K15

Hà Nội - 2023

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, tốc độ tăng trưởng kinh tế ngày một cao hơn, việc sử dụng tàinguyên cũng tăng hơn, đặc biệt là nhu cầu về nước Nhu cầu về nước ngàycàng tăng, lượng nước thải sinh hoạt và lượng nước thải công nghiệp đã vàđang gây ô nhiễm đáng kể nếu chưa xử lý mà thải ra môi trường Do đó,không chỉ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (xử lý bằng vi sinh) màcòn sử dụng các loại hóa chất khác

Xử lý nước thải là loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi nước bằng các phươngpháp vật lý, hóa học, và phương pháp sinh học để đưa nước thải thành chấtlỏng không độc hại với môi trường Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lýnước thải Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là phương pháp đượcrất nhiều người quan tâm và sử dụng nhiều Xử lý nước thải bằng phươngpháp sinh học giúp giảm khả năng tái ô nhiễm môi trường, điều có thể xảy rakhi sử dụng các biện pháp khác Xử lý nước thải bằng phương pháp sinhhọc đóng vai trò rất lớn, quyết định quy mô, chi phí đầu tư so với phươngpháp vật lý và phương pháp hóa học

Hiện nay trên lĩnh vực xử lý nước thải bằng những công nghệ tiên tiến nhấtnhư là các công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học hoặc cácphương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học và các phương pháptruyền thống khác Nhìn chung thì đối với khí hậu và thời tiết tại Việt Nam

hiện nay, thì việc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí là

một khái niệm hiện nay được rất nhiều doanh nghiệp, công ty sản xuất kinhdoanh quan tâm, muốn ứng dụng vào quá trình xử lý nước thải cho doanhnghiệp và công ty của mình Với những ưu điểm trong việc xử lý nước thảibằng phương pháp sinh học hiếu khí sẽ phần nào tạo được sự hài lòng với cácdoanh nghiệp so với các phương pháp xử lý nước thải khác

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

PHẦN 1: CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC 5

1.1 Khái niệm 5

1.2 Nguyên tắc 5

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự phát triển của sinh vật 5

PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIẾU KHÍ 5

2.1 Khái niệm quá trình sinh học hiếu khí 6

2.2 Nguyên tắc 6

2.3 Các giai đoạn của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí 7

2.4 Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học hiếu khí 8

PHẦN 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP HIẾU KHÍ 9

3.1 Xử lý nước thải trong các công trình nhân tạo 9

3.1.1 Xử lý trong các bể Aeroten 9

3.1.2 Lọc sinh học 14

3.2 Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên 17

3.2.1 Hồ sinh học 17

3.2.1.1 Phân loại 17

3.2.1.2 Nguyên lý kết cấu và làm việc của loại hồ hiếu -yếm khí 18

3.2.2 Hồ xử lý cấp 3 20

3.2.3 Cánh đồng tưới nông nghiệp 21

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ hệ thống khí sinh học 9

Hình 2: Các phương án thực hiện quá trình hoạt hóa bùn 12

Hình 3: Các quá trình trong bể sinh học 14

Hình 4: Một số sơ đồ điển hình của hệ thống lọc sinh học 15

Hình 5: Sơ đồ hệ thống đĩa sinh học 17

Hình 6: Sơ đồ các quá trình sinh học chính trong hồ hiếu-yếm khí 18

Hình 7: Mặt chiếu từ trên hồ xuống của hồ sinh học 19

PHẦN 1: CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC

1.1 Khái niệm

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là phương pháp dựa trên sự hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải

2.1 Khái niệm quá trình sinh học hiếu khí

Quá trình sinh học hiếu khí là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ chứa cacbon

dễ bị phân hủy sinh học (thường biểu thị bằng chỉ tiêu: BOD, COD, TOC –tổng cacbon hữu cơ) với sự tham gia của các vi sinh vật hiếu khí trong điềukiện có oxy

2.2 Nguyên tắc

- Nguyên tắc của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí: là sửdụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu trong nước thải có đầy đủoxy hòa tan ở nhiệt độ, pH… thích hợp

- Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằngphản ứng:

(CHO)nNS + O2 -> CO2 + H2O + NH4 + H2S + Tế bào vi sinh vật + … ΔHTrong điều kiện hiếu khí NH4+ và H2S bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hóa,sunfat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng:

NH4+ + 2O2 -> NO3– + 2H+ + H2O + ΔH;

H2S + 2O2 -> SO4+ + 2H+ + ΔH

- Hoạt động của vi sinh vật hiếu khí bao gồm:

● Quá trình dinh dưỡng: vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chấtdinh dưỡng và nguyên tố vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mớităng sinh khối và sinh sản

● Quá trình phân hủy: vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan hoặc ởdạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chấtkhí khác

2.3 Các giai đoạn của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

- Quá trình phân hủy chất bẩn hữu cơ bằng công nghệ sinh học hiếu khí là quátrình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là CO2,

H2O, NO3- và SO42- Trong quá trình xử lý hiếu khí các chất bẩn phức tạp nhưprotein, tinh bột, chất béo… sẽ bị phân hủy bởi các men ngoại bào cho cácchất đơn giản là các axit amin, các axit hữu cơ… Các chất đơn giản này sẽthấm qua màng tế bào và bị phân hủy tiếp tục hoặc chuyển hóa thành các vậtliệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuốicùng là CO2 và H2O Cơ chế quá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhucầu năng lượng của tế bào:

CxHyOzNT + O2 →CO2 + H O + NH₂ 3+ ∆H Trong các bể xử lý sinh học, các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu

vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải.Trong các bể bùn hoạt tính, một phần chất hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếukhí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp cácchất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới

- Vì vi khuẩn đóng một vai trò quan trọng hàng đầu Do đó trong các bể nàychúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lượng các chất

ô nhiễm đưa vào bể Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xácthời gian lưu tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn

để các vi khuẩn có thể sinh sản được Trong quá trình vận hành, các điều kiệncần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt

độ, khuấy trộn…) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn.Giai đoạn 2: (Quá trình đồng hóa): Tổng hợp để xây dựng tế bào

CxHyOzNT+ NH3 +O2 → CO2 + C5H7NO2+ H2O + ∆HGiai đoạn 3: (Quá trình dị hóa): Phân hủy nội bào

C5H7NO2 + O2 → CO2 + NH3+ H2O+ ∆HTrong đó:

• CxHyOzNT: Chất hữu cơ trong nước thải

• C5H7NO2: Công thức tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong

tế bào

• ∆H: Năng lượng

Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy rabằng sự tự oxy hóa chất liệu tế bào

Các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí có thể xảy

ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo Tùy theo từng loại VSV khác nhau màquá trình sinh học hiếu khí nhân tạo được chia thành:

● Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng

● Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám

2.4 Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học hiếu khí

* Ưu điểm:

- Quá trình xử lý đầy đủ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn

- Không gây ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hóa học và hóa lý

* Nhược điểm:

- Thể tích công trường lớn và chiếm nhiều mặt bằng hơn

- Chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn

- Không có khả năng thu hồi năng lượng

- Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ

- Xử lý nước thải có tải trọng không cao

- Sinh ra một lượng bùn lớn

PHẦN 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP HIẾU KHÍ

3.1 Xử lý nước thải trong các công trình nhân tạo

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí thường bao gồm: bểthông khí sinh học (bể aeroten), lọc sinh học hoặc đĩa sinh học

ở trạng thái lơ lửng Sơ đồ hệ thống thiết bị được trình bày:

Hình 1: Sơ đồ hệ thống khí sinh học

- Huyền phù lỏng của các vi sinh vật trong bể thông khí được gọi chung làchất lỏng hỗn hợp và sinh khối được gọi là chất rắn huyền phù của chất lỏnghỗn hợp

* Tốc độ sử dụng oxy hòa tan phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tỉ số giữa lượng chất dinh dưỡng và số vi sinh vật (F/M)

- Nhiệt độ

- Tốc độ sinh trưởng và hoạt động sinh lý của vi sinh vật

- Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất

- Lượng các chất cấu tạo tế bào

- Hàm lượng oxy hòa tan

* Phân loại bể aeroten

Bể thông khí thường được chế tạo bằng bê tông cốt thép Yêu cầu chung củacác bể là đảm bảo bề mặt tiếp xúc lớn giữa không khí, nước thải và bùn

- Không khí được cấp vào nước thải bằng các cách sau:

+ Nén khí qua bộ phận khuếch tán ngập trong nước bằng sục khí

+ Dùng khuấy cơ học thổi không khí vào chất lỏng bằng thông khí cơhọc.

Có nhiều cách phân loại các bể aeroten:

- Dựa vào chế độ thủy động lực ta có: aerotank khuấy trộn, aeroten trunggian

- Theo phương pháp tái sinh bùn hoạt tính người ta chia thành: loại có táisinh tách riêng và loại không có tái sinh tách riêng

- Theo tải lượng bùn người ta chia thành: loại tải trọng cao, tải trọng trungbình và tải trọng thấp

- Theo số bậc ta có bể aeroten: một bậc 2 bậc nhiều bậc

- Theo chiều dẫn nước thải vào ta có loại xuôi chiều, ngược chiều…

Quá trình hoạt hóa bùn là quá trình nuôi cấy ở trạng thái lơ lửng với sự tuầnhoàn của bùn Quá trình này có thể được tiến hành theo mô hình khuấy trộnhoàn toàn hay dòng đẩy

* Các vấn đề xem xét trong thiết kế và vận hành

Trong thực tế thường sử dụng nhiều phương án khác nhau trong việc ứngdụng các mô hình hệ thống khuấy trộn hoàn toàn và dòng đẩy

- Có thể chia các phương án tiến hành quá trình thông khí sinh học thành cácloại chính sau:

+ Thông khí thông thường và theo bậc

+ Ổn định tiếp xúc

+ Thông khí với tốc độ cao

● Thông khí thông thường: Trong hệ thống thông khí thông thường, việc

sục khí và khuấy trộn đạt được khá đều dọc theo chiều dài của bểaeroten Tuy nhiên, nồng độ oxy thấp ở đầu vào có thể gây bất lợi chocác vi sinh vật, nhưng ở đầu ra lượng oxy được cấp có thể dư thừa sovới nhu cầu

● Thông khí theo bậc: Thông khí theo bậc có thể thực hiện theo 2 phương

án sau:

+ Phương án 1: Cấp không khí đều dọc theo chiều dài bể, còn nước thảicũng được đưa vào cách đoạn Cấp không khí theo phương án này đạtđược cấp dư oxy một chút dọc theo suốt cả aeroten

+ Phương án 2: Cấp khí giảm dần dọc theo chiều dài bể, đảm bảo chonước thải thô và bùn hoạt tính tuần hoàn ở đầu vào được thông khímạnh nhất, vì ở đây hàm lượng chất hữu cơ lớn nhất

● Ổn định tiếp xúc: trong phương án này quá trình phân hủy các chất hữu

cơ được tách riêng thành 2 công đoạn

Hình 2: Các phương án thực hiện quá trình hoạt hóa bùn

a, thông khí theo phương thức thông thường b, thông khí theo bậc

c, thông khí giảm dần theo chiều dài aeroten d, hoạt hóa bùn với tốc độ cao

Ở đây nước thải thô vào tiếp xúc với bùn hoạt tính được tính trong thời gianngắn từ 0,5 đến một giờ chỉ đủ cho vi sinh vật hấp thụ các chất hữu cơ hòa tanchứ không đủ để chúng phân hủy, bùn hoạt tính lắng xuống được đưa trở về

bể ổn định Ở đây hỗn hợp lỏng huyền phù được thông khí từ 2 đến 3 giờ chophép các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ đã bị hấp thụ Như vậy chỉ cầnthông khí lượng bùn lắng nhỏ hơn rất nhiều so với tổng thể tích dòng nước

thải, do vậy giảm được tổng kích thước thiết bị chỉ bằng 50% thể tích bểaeroten trong phương án thông khí thông thường và theo bậc.

Quá trình này được ứng dụng và làm việc có hiệu suất cao trong xử lý nướcthải sinh hoạt Tuy nhiên, để áp dụng vào xử lý nước thải công nghiệp hoặchỗn hợp nước thải công nghiệp và sinh hoạt, cần tiến hành thử nghiệm trongphòng thí nghiệm

● Thông khí tốc độ cao: để giảm chi phí xây dựng thiết bị xử lý, người ta

đã phát triển một hệ thống có tải trọng xử lý BOD cao và thời gianthông khí ngắn bằng vận hành hệ thống ở tỉ số F/M cao, giảm tuổi củabùn, trong khi đó tăng hàm lượng hỗn hợp lỏng và chất rắn lơ lửngtrong bể lên tới 4000 đến 5000 mg/l

Cũng có thể đạt được mục đích trên bằng cách thay không khí bằng oxy tinhkhiết

- So với thông khí thường, thông khí bằng oxy tinh khiết có ưu điểm sau:+ Tăng được tải trọng theo BOD và giảm được thời gian sục khí

+ Thải bùn dễ dàng vì nồng độ chất rắn cao, tổng lượng nhỏ

+ Kiểm soát vấn đề mùi một cách dễ dàng

* Ưu điểm khi sử dụng Bể Aerotank

- Hiệu suất xử lý trung bình từ 90 - 95%

- Loại bỏ các chất hữu cơ một cách hiệu quả, nhanh chóng

- Ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt

* Nhược điểm khi sử dụng Bể Aerotank:

- Đội ngũ nhân viên, kỹ thuật viên vận hành phải được đào tạo bài bản

- Tiêu tốn khá nhiều năng lượng do cần cung cấp nồng độ oxy hòa tan

* Cơ chế quá trình lọc sinh học

Màng sinh học gồm các vi khuẩn, nấm và động vật bậc thấp được nạp vào hệthống cùng với nước thải Mặc dù lớp màng này rất mỏng song cũng có 2 lớp:lớp yếm khí ở sát bề mặt đệm và lớp hiếu khí ở ngoài

Hình 3: Các quá trình trong bể sinh học

Khi dòng nước thải chảy trùm lên lớp màng nhớt này, các chất hữu cơ được visinh vật chiết ra còn sản phẩm của quá trình trao đổi chất CO2 sẽ được thảiqua màng chất lỏng Oxy hòa tan được bổ sung bằng hấp thụ từ không khí

Theo chiều sâu từ mặt xuống dưới đáy bể lọc, nồng độ chất hữu cơ trongnước thải giảm dần và tại một vùng nào đó các vi sinh vật ở trạng thái đóithức ăn Thường BOD được chiết ra chủ yếu ở 1,8m phần trên lớp đệm, phầnsinh khối vi sinh vật thừa sẽ bị tróc ra, theo nước ra ngoài bể lọc.

Nước thải được phun đều lên lớp đệm tạo ra lớp màng nhớt gọi là màng sinhhọc, phủ trên các đệm Quá trình oxy hóa xảy ra như cơ chế nói trên, sinhkhối vi sinh vật tách ra khỏi lướt trong thiết bị lắng thứ cấp

Bể lọc sinh học có thể được vận hành theo một bậc hay nhiều bậc như sau:

Hình 4: Một số sơ đồ điển hình của hệ thống lọc sinh học

a, lọc bậc tốc độ cao b, lọc bậc hai

Hiệu suất làm sạch nước thải trong các bể lọc sinh học phụ thuộc vào các chỉtiêu sinh hóa, trao đổi khối, chế độ thủy lực và kết cấu thiết bị Trong đó cầnchú ý các chỉ tiêu sau:

BOD của nước cần làm sạch, bản chất các hợp chất hữu cơ, tốc độ oxy hóa,cường độ hô hấp của các vi sinh vật, chiều dày màng sinh học, thành phần các

vi sinh vật sống trong màng, cường độ sục khí, diện tích và chiều cao bể lọc

+ Tiêu hao ít năng lượng

- Nhược điểm: Hiệu suất quá trình phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ khôngkhí

Một hệ thống sinh học sinh trưởng cố định trong màng sinh học khác lag đĩasinh học Hệ thống này gồm một loạt các đĩa tròn lắp trên cùng một trục cáchnhau một khoảng cách nhỏ Khi quay, một phần đĩa ngập trong máng chứanước thải còn phần còn lại tiếp xúc với không khí Các vi khuẩn bám trên cácđĩa chiết các chất hữu cơ của nước thải

Hình 5: Sơ đồ hệ thống đĩa sinh học

3.2 Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên

Quá trình làm sạch nước thải ở điều kiện tự nhiên được tiến hành bằng cáchtưới nước thải ở dạng phun mưa trên các cánh đồng được chuẩn bị riêng chomục đích này đồng thời cho cả canh tác, hay lọc nước thải qua cánh đồng lọc

và trong các hồ sinh học

3.2.1 Hồ sinh học

Hồ sinh học hay còn gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định Đó là một chuỗi gồm

từ 3 đến 5 hồ Nước thải chảy qua hệ thống hồ trên với một vận tốc khônglớn Trong hồ nước thải được làm sạch bằng các quá trình tự nhiên bao gồm

cả tảo và các vi khuẩn lên tốc độ oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy họclớn từ 30 đến 50 ngày Các vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra trong quá trìnhquang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ không khí để phân hủy các chấtthải hữu cơ Còn tảo đến lượt mình sử dụng CO2, NH4+, photphat được giảiphóng ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ để thực hiện quá trìnhquang hợp Để hồ sinh học làm việc bình thường cần duy trì pH và nhiệt độ ởgiá trị tối ưu

3.2.1.1 Phân loại

- Hồ sinh học được phân thành các loại sau:

+ Hồ oxy hoá cấp ba hoặc hồ làm sạch lần cuối

+ Hồ thông khí nhân tạo hay còn gọi là hồ được sục khí