luận văn nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng màng sinh học

Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt có chứa nhiều các tạp chất khác nhau, trong đókhoảng 52% là chất hữu cơ, 48% là chất vô cơ và một số lớn các chủng loại

PHẦN I MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Mục đích của đề tài 2

1.4 Ý nghĩa của đề tài 2

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học 2

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất 3

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Cơ sở khoa học 4

2.1.1 Một số khái niệm cơ bản 4

2.1.2 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 5

2.1.2.1 Khái niệm nước thải 5

2.1.2.2 Khái niệm nước thải sinh hoạt 5

2.1.2.3 Nguồn thải 6

2.1.2.4 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt 6

2.1.2.5 Tác hại của nước thải sinh hoạt tới môi trường và sinh vật 8

2.1.2.6 Các chỉ tiêu đánh giá nước thải sinh hoạt 9

2.1.3 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 13

2.1.3.1 Phương pháp cơ học 13

2.1.3.2 Phương pháp hóa học và hóa lý 13

2.1.3.3 Phương pháp sinh học 15

2.1.4 Tổng quan về bể lọc sinh học 23

2.1.4.1 Khái niệm về bể lọc sinh học 23

2.1.4.2 Điều kiện làm việc của lọc sinh học 24

2.1.4.3 Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học 24

2.1.4.4 Cấu tạo bể lọc sinh học 25

2.1.4.5 Thông khí và hiệu suất lọc ở bể lọc sinh học 25

2.1.4.6 Phân loại bể lọc sinh học 27

2.1.4.8 Việc áp dụng bể Biophin trong xử lý nước thải 33

2.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 34

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 34

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 34

PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 36

3.2 Địa điểm và thời gian tiến hành 36

3.3 Nội dung nghiên cứu và các chỉ tiêu theo dõi 36

3.4 Phương pháp nghiên cứu 37

3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp 37

3.4.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 37

3.4.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 37

3.4.2.2 Phương pháp lấy mẫu 39

3.4.2.3 Phương pháp phân tích mẫu 40

3.4.2.4 Phương pháp xử lý số liệu 40

PHẦN 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 41

4.1 Điều kiện thời tiết khí hậu vùng nghiên cứu 41

4.2 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu 42

4.2.1 Đánh giá chỉ tiêu hóa học của nước thải đầu vào 42

4.2.2 Đánh giá chỉ tiêu lý học của nước thải đầu vào 43

4.3 Khả năng xử lý nước thải của các vật liệu lọc 44

4.3.1 Kết quả nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của các công thức 44

4.3.1.1 Khả năng xử lý BOD5 của các công thức vật liệu lọc 44

4.3.1.2 Khả năng xử lý COD của các công thức vật liệu lọc 46

4.3.1.3 Khả năng xử lý đạm tổng số của các công thức vật liệu lọc 47

4.3.1.4 Khả năng xử lý lân tổng số của các công thức vật liệu lọc 48

4.3.1.5 Khả năng xử lý SS của các công thức vật liệu lọc 49

liệu lọc 51

4.4 Xác định tải trọng thủy lực tối ưu ứng dụng vào các công thức vật liệu lọc được sử dụng 52

4.5 Ưu, nhược điểm của phương pháp bể lọc sinh học trong xử lý nước thải sinh hoạt 56

4.5.1 Ưu điểm 56

4.5.2 Nhược điểm 56

Phần 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 57

1 Kết luận 57

2 Đề nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Bảng 2.1 Đặc tính của nước thải sinh hoạt (mg/l) 8

Bảng 2.2 Một số loại vi khuẩn có trong bùn hoạt tính và khả năng phân hủy 21

Bảng 2.3 Hằng số k của một số nước thải 26

Bảng 2.4 Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinh học nhỏ giọt 31

Bảng 3.1 Các loại vật liệu lọc 37

Bảng 3.2 Các công thức thí nghiệm 38

Bảng 3.3 Bảng các công thức tải trọng thủy lực 39

Bảng 4.1: Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa học của nước thải đầu vào 43

Bảng 4.2: Kết quả phân tích các chỉ tiêu lý học của nước thải đầu vào 43

Bảng 4.3 Hiệu suất xử lý BOD5 của các công thức 45

Bảng 4.4 Khả năng xử lý COD của các công thức 46

Bảng 4.5 Khả năng xử lý Đạm tổng số của các công thức 47

Bảng 4.6 Khả năng xử lý Lân tổng số của các công thức 48

Bảng 4.7 Khả năng xử lý SS của các công thức 49

Bảng 4.8 Kết quả xác định màu sắc, mùi vị sau xử lý của các công thức 51

Bảng 4.9 Kết quả xác định EC và pH sau xử lý của các công thức 51

Bảng 4.10 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình 52

Bảng 4.11 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình 53

Bảng 4.12 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình 54

Bảng 4.13 Kết quả xác định một số chỉ tiêu vật lý sau xử lý của các công thức tải trọng khác nhau 55

Hình 2.1 Sơ đồ phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí 18 Hình 2.2 Sơ đồ xử lý nước thải bằng kỹ thuật bùn hoạt tính có sục khí 20 Hình 2.3 Quá trình hoạt động của màng sinh học 22

PHẦN I

MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài.

Phát triển bền vững kinh tế - xã hội - môi trường là mục tiêu hướng tớicủa hầu hết các quốc gia hiện nay Với sự phát triển kinh tế mạnh mẽ trongnhững năm qua nguồn phát sinh gây ô nhiễm môi trường ngày càng lớn nhưngViệt Nam chưa có các biện pháp bảo vệ môi trường đúng đắn, do đó đã gây rasức ép lớn đối với môi trường Tình trạng ô nhiễm không khí, nước mặt, nướcngầm ở các thành phố lớn, các khu công nghiệp đang ngày càng trầm trọng, gâytác động xấu đến cảnh quan môi trường và sức khỏe con người

Khi số dân tăng nhanh kèm theo đó lượng nước thải sinh hoạt cũng ngàymột tăng lên đang là mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường Nước thảisinh hoạt chứa hàm lượng các chất hữu cơ nhiều như: COD, BOD5, TSS …Nhiều vi sinh vật gây bệnh, nước thải chứa nhiều dầu mỡ chất tẩy rửa… Đặcbiệt trong nước thải sinh hoạt có nhiều nguyên tố dinh dưỡng đa lượng nhưamoni, phốt pho Nếu nồng độ trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phúdưỡng hóa Nếu không có các biện pháp hữu hiệu để xử lý sẽ gây ô nhiễmnguồn nước mặt, theo thời gian sẽ ảnh hưởng nguồn nước ngầm Điều đó gâyảnh hưởng vô cùng nghiêm trọng đến ô nhiễm môi trường và sức khỏe cộngđồng Do đó, để đảm bảo sự phát triển kinh tế đi đôi với bảo vệ môi trường thìcác phương pháp xử lý nước thải cũng được nghiên cứu và phát triển

Hiện nay ở Việt Nam hầu hết các khu đô thị, khu dân cư làng, xã… Một

số điểm du lịch nhà hàng được xây dựng phục vụ chính nhu cầu của con người,

có thể nói nguồn nước thải sinh hoạt được sinh ra chưa được xử lý một cách triệt

để mặc dù một vài nơi đô thị, làng xã có hệ thống xử lý tập trung nhưng cònnhiều khó khăn về vốn đầu tư cao, đặc biệt vấn đề vận hành cũng như chi phí xử

lý cao, dẫn đến nước thải không đạt tiêu chuẩn môi trường Do vậy việc nghiêncứu các công trình xử lý nước thải sinh hoạt phân tán là một việc làm cấp thiết.Với đặc thù là một nước đang phát triển như nước ta hiên nay thì việc nghiên

cứu, ứng dụng các công nghệ phù hợp, đơn giản với giá thành thấp là một hướnggiải quyết hợp lý và khả thi nhất.

Màng sinh học ( Memberance Bio Reactor) là một xu hướng công nghệ mớiđược phát triển và ứng dụng hiện nay Màng sinh học là hệ thống xử lý vi sinhcủa nước thải bằng công nghệ lọc màng, chúng đạt hiệu quả cao, chi phí thấp, ổnđịnh Hiện nay việc tìm kiếm những những loại vật liệu lọc phù hợp để sử dụngtrong công nghệ màng lọc sinh học là rất cần thiết

Xuất phát từ lý do trên, em xin đề xuất đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử

lý nước thải sinh hoạt bằng màng sinh học trên một số vật liệu tại Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên“ Để tìm kiếm những vật liệu có sẵn thích

hợp để sử dụng trong công nghệ màng sinh học phù hợp với xử lý nước thải sinhhoạt

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể lọc sinh học, xácđịnh khả năng xử lý nước thải của các công thức vật liệu lọc sử dụng trong bểlọc sinh học Từ đó đề xuất, lựa chọn được các loại vật liệu lọc thích hợp sửdụng trong bể lọc sinh học và lựa chọn được tải trọng tối ưu với vật liệu phù hợpnhất

- Nâng cao hiệu quả xử lý nước thải bằng công nghệ rẻ tiền, phù hợp vớiđiều kiện Việt Nam

1.3 Mục đích của đề tài

- Lựa chọn vật liệu lọc thích hợp để sử dụng trong mô hình bể lọc sinh học

- Lựa chọn tải trọng thủy lực tối ưu đối với vật liệu lọc tối ưu

- Nước thải sinh hoạt sau xử lý đạt (QCVN 14: 2008/BTNMT - Quychuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt)

1.4 Ý nghĩa của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học

- Vận dụng và phát huy những kiến thức đã học tập vào nghiên cứu

- Nâng cao kiến thức, kĩ năng và rút ra những kinh nghiệm thực tế phục vụcho công tác nghiên cứu sau này.

- Nâng cao khả năng tự học tập, nghiên cứu và tìm tài liệu

- Bổ sung tư liệu cho học tập

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất

- Xác định được khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của từng loại vật liệulọc

- Lựa chọn được các công thức vật liệu lọc có sẵn tại địa phương rẻ tiền,

dễ kiếm để sử dụng công nghệ xử lý nước thải

- Xử lý được nước thải sinh hoạt, bảo vệ môi trường

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Cơ sở khoa học

2.1.1 Một số khái niệm cơ bản

* Môi trường: Trong Luật Bảo vệ môi trường đã được Quốc hội nước Cộng

hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XI, kỳ họp thứ 8 thông qua ngày 29 tháng

11 năm 2005, định nghĩa như sau: “Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên vàvật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất, sựtồn tại, phát triển của con người và sinh vật”

* Ô nhiễm môi trường: Theo Điều 6 Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam

2005: “Ô nhiễm môi trường là sự biến đổi của các thành phần môi trường khôngphù hợp với tiêu chuẩn môi trường, gây ảnh hưởng xấu đến con người, sinhvật”

* Ô nhiễm môi trường nước: Là sự thay đổi thành phần và chất lượng

nước không đáp ứng cho các mục đích sử dụng khác nhau, vượt quá tiêu chuẩncho phép và có ảnh hưởng xấu đến đời sống con người và sinh vật Nước trong

tự nhiên tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: Nước ngầm, nước ở các sông

hồ, tồn tại ở thể hơi trong không khí, Nước bị ô nhiễm nghĩa là thành phần của

nó tồn tại các chất khác, mà các chất này có thể gây hại cho con người và cuộcsống các sinh vật trong tự nhiên Nước ô nhiễm thường là khó khắc phục màphải phòng tránh từ đầu

* Nước thải sinh hoạt: Là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động

thương mại, khu vực công sở, trường học và các cơ sở trường học khác

* Nước thải đô thị: Nước thải đô thị là một thuật ngữ chỉ chất lỏng trong hệ

thống cống thoát của một thành phố, thị xã

* Nước thải tự nhiên: Nước mưa được xem như nước thải tự nhiên ở

những thành phố hiện đại, chúng được thu gom theo hệ thống riêng

* Nước thải thấm qua: Là lượng nước thấm vào hệ thống ống bằng nhiều

cách khác nhau, qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành hố gas hay

hố xí

* Tiêu chuẩn môi trường: Trong Luật Bảo vệ môi trường đã được Quốc hội

nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XI, kỳ họp thứ 8 thông qua ngày 29tháng 11 năm 2005, định nghĩa như sau: “Là giới hạn cho phép của các thông số vềchất lượng môi trường xung quanh, về hàm lượng của chất gây ô nhiễm trong chấtthải được cơ quan nhà nước có thẩm quyền qui định làm căn cứ để quản lý và bảo vệmôi trường”

* Tải trọng thủy lực: là tải trọng nước được phân phối trên bề mặt của công

trình Tải trọng thủy lực tính bằng: Lưu lượng xử lý (m3/h) chia cho diện tích bề mặtcông trình (m2)

2.1.2 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

2.1.2.1 Khái niệm nước thải

Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của conngười và đã làm thay đổi tính chất ban đầu của chúng

Nước thải là nước đã dùng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy quavùng đất ô nhiễm Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chiathành: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải tự nhiên và nướcthải đô thị

2.1.2.2 Khái niệm nước thải sinh hoạt

- Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mụcđích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,

- Thông thường nước thải sinh hoạt của hộ gia đình được chia làm 2 loạichính: nước đen và nước xám

+ Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm,chủ yếu là: chất hữu cơ, vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng

+ Nước xám là nước phát sinh từ các quá trình rửa, tắm, giặt với thànhphần các chất ô nhiễm không đáng kể

2.1.2.3 Nguồn thải

Nước thải sinh hoạt thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trườnghọc, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng khác Lượng nước thải sinhhoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặcđiểm của hệ thống thoát nước Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thườngđược thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra sông rạch, còn ở các vùng ngoạithành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường đượctiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm (TS LêQuốc Tuấn, 2003) [15]

2.1.2.4 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt có chứa nhiều các tạp chất khác nhau, trong đókhoảng 52% là chất hữu cơ, 48% là chất vô cơ và một số lớn các chủng loại visinh vật (Trần Hiếu Nhuệ, 1990) [8]

a Thành phần các chất hữu cơ có trong nước thải sinh hoạt

Thành phần các chất hữu cơ có trong nước thải sinh hoạt được phân làmhai loại theo khả năng phân hủy của vi sinh vật:

Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy

Chúng chủ yếu bao gồm các hợp chất hydratcacbon, protein, chất béo cónguồn gốc động, thực vật khác nhau Trong nước thải từ khu dân cư, có khoảng

40 – 50% là hydratcacbon, 40 – 60% protein và 5 – 10% chất béo (Lê XuânPhương, 2005) [12]

Các chất hữu cơ khó phân hủy

Các chất hữu cơ khó phân hủy là các chất hữu cơ có vòng thơm(hydrocacbua), các chất đa vòng ngưng tụ, các chất Clo hữu cơ, Phospho hữu cơ,

… chúng khó bị phân hủy bởi các tác nhân sinh học bình thường, cho nên chúngtồn tại lâu dài, tích lũy làm ảnh hưởng tới mỹ quan, gây độc hại cho môi trường,sinh vật và con người

Ngoài các chất hữu cơ và vô cơ, trong nước thải sinh hoạt còn chứa lượnglớn các loài vi sinh vật, động vật nguyên sinh Thành phần chủ yếu là vi khuẩn,

nấm men, nấm mốc, tảo và nguyên sinh động vật Trong đó vi khuẩn là chiếmnhiều nhất cả về thành phần và số lượng.

Vi sinh vật trong nước thải sinh hoạt cũng được chia làm hai loại: vi sinhvật tự dưỡng và vi sinh vật dị dưỡng Trong đó các vi sinh vật dị dưỡng phải nhờvào chất hữu cơ có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng Trongquá trình dinh dưỡng, chúng nhận các vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng

và tăng sinh khối Đây là cơ sở cho giải pháp công nghệ xử lý nước thải bằngbiện pháp sinh học (Lê Văn Cát,1999) [1]

b Thành phần sinh học của nước thải sinh hoạt

Trong nước thải có nhiều chất hữu cơ nên có nhiều vi sinh vật sinh sống

và sử dụng nguồn chất hữu cơ đó như là nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng vàtăng sinh khối Thành phần sinh học trong nước thải bao gồm:

 Tảo

Tảo trong nước thải được xếp vào nhóm thực vật nổi của nước, chúngsống chủ yếu nhờ quang hợp, chúng sử dụng CO2 cùng với nguồn Nitơ vàPhospho để cấu thành tế bào dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời,đồng thời chúng cũng sản sinh ra oxy Trong nước thải rất giàu Nitơ vàPhospho, vì vậy nước thải là môi trường thích hợp cho tảo tăng sinh khối Mặtkhác, việc tăng nhanh sinh khối tảo cũng là nguồn gây ô nhiễm thứ cấp của nướcthải khi tảo chết

 Động vật nguyên sinh

Động vật nguyên sinh thuộc nhóm sinh vật sống trôi nổi trong nước và

là một dạng chỉ thị cho nước, vì nếu có sự xuất hiện của chúng thì chứng tỏnước được xử lý hiệu quả và nước thải không có độc tính Thức ăn của nhữngđộng vật nguyên sinh trong nước thải là các vụn hữu cơ hay tảo và vi khuẩn

 Hệ vi sinh vật trong nước thải

Vi sinh vật là những sinh vật nhỏ bé, đơn bào hay sống tập trung, tồn tại với

số lượng rất lớn trong tự nhiên Trong nước thải, vi sinh vật xâm nhập vào thôngqua nhiều con đường khác nhau: từ phân, nước tiểu, rác thải sinh hoạt, nước thải hộ

gia đình, rác thải sinh hoạt, rác thải bệnh viện, không khí,…

Hệ vi sinh vật trong nước thải cũng khá đa dạng, bao gồm nhiều loại như:

vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virus, thực thể khuẩn,…nhưng chủ yếu là vi khuẩn Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trìnhphân hủy các chất hữu cơ làm sạch nước thải Theo phương thức dinh dưỡng vikhuẩn được chia làm hai nhóm chính:

- Vi khuẩn dị dưỡng: Là những vi khuẩn sử dụng chất hữu cơ làm nguồncacbon dinh dưỡng, và làm năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, pháttriển,… có ba loại vi khuẩn dị dưỡng:

+ Vi khuẩn hiếu khí

+ Vi khuẩn kỵ khí

+ Vi khuẩn tùy nghi

- Vi khuẩn tự dưỡng: Là những vi khuẩn có khả năng oxy hóa chất vô cơ

để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổnghợp Những vi khuẩn nhóm này gồm: vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩnlưu huỳnh,… (Lê Quốc Tuấn, 2002) [14]

Bảng 2.1 Đặc tính của nước thải sinh hoạt (mg/l)

(Nguồn: Metcalf , Eddy, 1991) [19]

2.1.2.5 Tác hại của nước thải sinh hoạt tới môi trường và sinh vật

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học,ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rấtnguy hiểm

Thành phần chủ yếu của nước thải sinh hoạt là các chất hữu cơ, bao gồm cácchất hữu cơ dễ bị phân hủy và các chất hữu cơ khó phân hủy Các chất dễphân hủy như cacbonhydrat, protein chủ yếu làm suy giảm lượng oxy hòa tan trongnước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước mặt Cácchất khó phân hủy gồm nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp Hầu hết chúng có độc tínhvới sinh vật và con người Chúng tồn tại lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vậtgây độc tích lũy, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống.

Chất rắn lơ lửng hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống,gây ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của tảo, rong, rêu…Chất rắn có khảnăng gây trở ngại cho phát triển thủy sản nếu chúng có nồng độ cao

Ngoài ra các loại vi sinh vật gây bệnh hiện hữu trong nước thải đưa rasông góp phần làm cho các bệnh, đặc biệt là các bệnh đường ruột (thương hàn,

tả, lỵ,…) gia tăng do lây lan qua đường ăn uống và sinh hoạt

2.1.2.6 Các chỉ tiêu đánh giá nước thải sinh hoạt

Độ pH

Độ pH là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải.Chỉ số này cho biết có cần phải trung hòa hay không và tính lượng hóa chất cầnthiết trong quá trình xử lý đông keo tụ, khử khuẩn,… Trị số pH thay đổi sẽ ảnhhưởng đến quá trình hòa tan, keo tụ, làm tăng hay giảm tốc độ phản ứng, nó ảnhhưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật có trong nước

pH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý nướcthải Trong thực tế, các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh họcthường làm việc tốt trong khoảng pH từ 7 – 7,6 Thường vi sinh vật phát triển tốtnhất trong môi trường trung tính pH từ 7 – 8 Các nhóm vi sinh vật khác nhau cómức giới hạn pH khác nhau, ví dụ vi khuẩn nitrit phát triển thuận lợi ở khoảng

pH từ 4,8 – 8,8; còn vi khuẩn nitrat thì pH từ 6,5 – 9,3 Vi khuẩn lưu huỳnh cóthể tồn tại trong môi trường pH từ 1 – 4 Với nước thải sinh hoạt thường có pH

từ 7,2 – 7,6

Hàm lượng các chất rắn

Hàm lượng các chất rắn là một trong những chỉ tiêu vật lý đặc trưng vàquan trọng nhất của nước thải Nó bao gồm các chất nổi, chất lơ lửng, keo vàchất hòa tan Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất vô cơ ở dạng hòa tanhoặc không hòa tan như đất đá, và dạng huyền phù lơ lửng Các chất hữu cơ nhưxác vi sinh vật, tảo, động vật phù du, …

Chất rắn làm trở ngại cho các quá trình lưu chuyển, sử dụng và làm giảmchất lượng nước

Hàm lượng chất rắn được xác định qua các chỉ tiêu cụ thể sau:

- Chất rắn tổng số (TS): Là trọng lượng chất khô phần còn lại sau khi cho

bay hơi 1 lít nước thải trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 1030C cho đến khi trọnglượng không đổi, đơn vị tính g/l hay mg/l

- Chất rắn lơ lửng ở dạng huyền phù (SS): Là trọng lượng khô các chất

rắn còn lại trên giấy lọc khi lọc 1 lít nước thải và sấy khô ở 1030C – 1050C tớitrọng lượng không đổi, đơn vị tính mg/l hay g/l

- Chất rắn hòa tan (DS): Hàm lượng chất rắn hòa tan chính là hiệu số của

tống chất rắn với huyền phù: DS = TS – SS Đơn vị tính là mg/l

- Chất rắn bay hơi (VS): Là trọng lượng mất đi khi nung chất huyền phù

SS ở 5500C trong khoảng thời gian xác định Đơn vị tính là mg/l hoặc phần trămcủa TS hay SS Chỉ số này thường biểu thị cho chất hữu cơ có trong nước

- Chất rắn có thể lắng: Số ml phần chất rắn của 1 lít mẫu nước đã lắng

xuống đáy sau một khoảng thời gian Đơn vị tính ml/l

Màu

Nước thải thường có màu, đặc biệt thường có màu từ nâu đến đen hay đỏnâu Màu của nước được tạo ra do:

- Các chất hữu cơ trong xác động, thực vật phân rã tạo thành

- Nước có sắt và mangan ở dạng keo hoặc hòa tan

- Nước có chất thải công nghiệp (crom, tannin, lignin)

Màu của nước thường chia hai dạng:

- Màu thực: do các chất hòa tan hay các hạt keo.

- Màu biểu kiến: là màu do các chất lơ lửng tạo nên

Trên thực tế, người ta xác định màu thực tế của nước, nghĩa là sau khi lọc

bỏ các chất không tan

Độ đục

Độ đục trong nước là do các hạt rắn vô cơ lơ lửng, các chất hữu cơ phânhủy hay xác động, thực vật gây nên Độ đục làm giảm khả năng truyền dẫn ánhsáng trong nước, gây mất cảm quan, giảm chất lượng nước Các hạt vật chất lơlửng hấp phụ các ion kim loại độc và các vi khuẩn gây bệnh, gây khó khăn choquá trình khử khuẩn

 Oxi hòa tan (DO – Dissolved Oxygen)

Oxy hòa tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chấtlượng nước Nước càng sạch thì chỉ số này càng cao hay lượng oxy hòa tantrong nước cũng cao Đây là chỉ số quan trọng đối với việc đánh giá vi sinh vậttrong nước thải vì nó ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của visinh vật Chỉ số này phụ thuộc vào các yếu tố áp suất, nhiệt độ và các đặc tínhcủa nước (nồng độ và thành phần các chất hòa tan, vi sinh vật, thủy sinh,…).Nồng độ oxy hòa tan trong nước sạch thường dao động từ 6 – 7 mg/l ở nhiệt độbình thường

 Chỉ số BOD (Biochemical Oxigen Demand)

Chỉ số BOD biểu thị lượng chất hữu cơ có trong nước có khả năng phângiải nhờ vi sinh vật Do đó, nhu cầu oxi sinh hóa là một trong những chỉ tiêuquan trọng nhất để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải BOD càng caochứng tỏ nước thải bị ô nhiễm càng nặng và ngược lại

Để phân hủy hết các chất hữu cơ có trong nước thải, thường cần nhiềuthời gian đến vài chục ngày tùy thuộc vào từng loại nước thải, nhiệt độ và khảnăng phân hủy các chất hữu cơ của hệ vi sinh vật có trong nước thải

Trong thực tế, người ta thường dùng chỉ số BOD5, nghĩa là xử lý mẫutrong 5 ngày ở 200C để tính lượng oxy hòa tan trong nước

 Chỉ số COD (Chemical Oxigen Demand)

Chỉ số COD biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ônhiễm của nước thải

COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóahọc các chất hữu cơ trong nước thành CO2, H2O và các chất khử vô cơ

Như vậy, trong nước thải thì COD luôn cao hơn BOD Tỷ lệ COD/BODluôn lớn hơn 1, nếu tỷ lệ này tới 3 – 4 – 5,… thì chứng tỏ nước thải này nhiễmcác chất độc làm kìm hãm vi sinh vật hoặc vi sinh vật chết

Đối với nước trong tự nhiên và nước thải không có chất độc và tương đối

ổn định về thành phần như nước thải sinh hoạt, nước thải nhà máy thực phẩm cóthể xác định được một hệ số chuyển đổi từ COD ra BOD Vì vậy, có thể sử dụnggiá trị phép đo COD là chỉ số chất hữu cơ bị phân hủy trong quá trình xử lýnước thải

 Hàm lượng Nitơ tổng số (N-t)

Nitơ trong nước thường tồn tại ở dạng các hợp chất protein và các hợpchất phân hủy: amon, nitrat, nitrit Chúng có vai trò khá quan trọng trong hệ sinhthái nước, trong nước thải luôn cần một lượng nitơ thích hợp, mối quan hệ giữaBOD với N và P có ảnh hưởng đến sự hình thành và khả năng oxi hóa của bùnhoạt tính, thể hiện qua tỷ lệ BOD5 : N : P

 Hàm lượng Phospho tổng số (P-t)

Phospho trong nước thải tồn tại ở các dạng H2PO4-, HPO4-2, PO4-3, cácpolyphosphat như Na3(PO3)6 và phospho hữu cơ Đây là một trong những nguồndinh dưỡng cho thực vật dưới nước

Trong nước thải người ta xác định hàm lượng P – tổng số để xác định tỷ

số BOD5 : N : P nhằm chọn kỹ thuật bùn hoạt tính thích hợp cho quá trình xử lýnước thải Ngoài ra xác lập tỷ số giữa P và N để đánh giá mức dinh dưỡng cótrong nước thải

 Chỉ số vi sinh vật (E.coli)

Trong nước thải, đặc biệt nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải

vùng du lịch, dịch vụ, khu chăn nuôi,… nhiễm nhiều vi sinh vật có sẵn trong phânngười và phân súc vật Trong đó, có thể có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt cácbệnh về tiêu hóa, các vi sinh vật gây ngộ độc thực phẩm.

Việc xác định tổng số các vi sinh vật trong nước thải rất khó, nên người tachọn việc xác định chỉ số E.coli làm đại diện cho chỉ số vi sinh (Trần Đức Hạ,2000) [4]

2.1.3 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

2.1.3.1 Phương pháp cơ học

Trong nước thải thường có các loại tạp chất rắn có kích thước khác nhaukéo theo như rơm, cỏ, gỗ mẩu, giấy, cát sỏi,… các loại tạp chất này gây cản trởdòng chảy, tạo ra phù váng,… phương pháp xử lý chúng hiệu quả nhất làphương pháp cơ học

Các phương pháp xử lý cơ học thường dùng:

- Song chắn rác, lưới chắn rác: loại bỏ chất rắn có kích thước lớn

- Bể lắng cát: nhằm tách bỏ các hạt có nguồn gốc vô cơ

- Bể lắng: nhằm tách các hạt lơ lửng có nguồn gốc hữu cơ

- Gạn, tách, quay ly tâm: nhằm tách các hạt có trọng lượng riêng rấtnhỏ như dầu mỡ, các loại hạt xốp, túi PE, hạt nhựa,…

Quá trình xử lý cơ học nhìn chung không làm giảm nhiều nồng độ chấtbẩn trong nước thải, tuy nhiên phần nào làm tăng mức độ thuận lợi cho các quátrình xử lý về sau (Trần Đức Hạ, 2006) [3]

2.1.3.2 Phương pháp hóa học và hóa lý

a Phương pháp hóa học:

Cơ sở của phương pháp này là sử dụng các phản ứng hóa học giữa cáchóa chất cho vào với các chất bẩn trong nước thải để loại bỏ các chất bẩn nàykhỏi nước thải, hay biến đổi chúng thành các chất không gây độc hại Các phảnứng xảy ra thường là các phản ứng trung hòa, phản ứng oxy hóa khử, phản ứngtạo chất kết tủa hay phản ứng phân hủy chất Các phương pháp oxy hóa bằngozon hay điện hóa cũng thuộc phương pháp hóa học

Đôi khi phương pháp hóa học được sử dụng để xử lý sơ bộ trước khi xử lýsinh học hay công đoạn này được dùng như một phương pháp xử lý nước thảilần cuối đề đưa vào nguồn nước chung (Hoàng Kim Cơ và cs, 2001) [2].

b Phương pháp hóa lý:

Dùng để thu hồi hay để khử các chất độc và các chất ảnh hưởng xấu đếnquá trình làm sạch sinh hóa sau này Các phương pháp hóa lý để xử lý nước thảiđều dựa trên các cơ sở ứng dụng của quá trình keo tụ, hấp phụ, tuyển nổi, traođổi ion, …

Là phương pháp làm trong nước thải bằng cách dùng các chất trợ keo để liênkết các chất bẩn ở dạng lơ lửng, tạo thành các bông có kích thước lớn hơn Nhữngbông cặn đó lắng xuống kéo theo các chất không tan cùng lắng theo

Là phương pháp dùng màng xốp bán thấm không cho các hạt keo đi qua

để tách keo ra khỏi nước thải

Là phương pháp thu hồi catrion và anion bằng các chất trao đổi ion

2.1.3.3 Phương pháp sinh học

a Điều kiện để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Các loại nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị có chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan gồm hidratcacbon, protein và các hợp chất chứa nitơ, các dạng chất béo,

… cùng một số chất vô cơ như H2S, các Sulfit, Amoniac,… có thể đưa vào xử lýtheo các phương pháp sinh học

Phương pháp xử lý sinh học nước thải dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải Do vậy, điều kiện đầu tiên và

vô cùng quan trọng là nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vậtphân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải

Muốn đảm bảo điều kiện này nước thải phải:

- Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải Trong số các chất độc phải chú ý đến hàm lượng các kim loại nặng.Theo mức độ độc hại của các kim loại, xếp theo thứ tự:

- Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon

và năng lượng cho vi sinh vật Các hợp chất hidratcabon, protein, lipit hòa tanthường là cơ chất dinh dưỡng rất tốt cho vi sinh vật

- Nước thải đưa vào xử lý sinh học có 2 thông số đặc trưng là COD vàBOD Tỉ số của 2 thông số này phải là: COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5mới có thể đưa vào xử lý sinh học (hiếu khí) Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần,trong đó gồm có xenlulozo, hemixenlulozo, protein, tinh bột chưa tan thì phảiqua xử lý sinh học kị khí (Biền Văn Minh và cs, 2000) [6]

b Các phương pháp xử lý sinh học

Xử lý nước thải theo phương pháp sinh học là dựa trên cơ sở hoạt động

của các vi sinh vật có sẵn trong nước thải, chúng có khả năng sử dụng các chấthữu cơ có trong đó làm nguồn năng lượng để thực hiện quá trình sinh trưởng vàphát triển Phương pháp này thực hiện sau khi đã xử lý sơ bộ nước thải và ápdụng thích hợp với các loại nước thải có chỉ số BOD/COD trong khoảng 0.5 – 1(Trần Văn Nhân và cs, 2002) [7].

Dựa vào hoạt động của các vi sinh vật, người ta chia làm 3 phương pháp

xử lý nước thải chính là:

- Phương pháp kỵ khí (Anaerobic)

- Phương pháp thiếu khí (Anoxic)

- Phương pháp hiếu khí (Aerrobic)

* Phương pháp kỵ khí (Anaerobic):

Phương pháp này thích hợp cho việc xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễmcao (COD > 2000mg/l), có khả năng thu hổi năng lượng (biogas), chi phí vậnhành thấp, thể tích công trình nhỏ,… Tuy nhiên, nó có những nhược điểm làsinh ra nhiều các dạng khí độc, các loại khí gây mùi hôi thối làm ô nhiễm khôngkhí, thời gian xử lý kéo dài

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinhvật tùy nghi để phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy hòa tantrong cặn và trong nước thải ở điều kiện nhiệt độ thích hợp Sản phẩm của quátrình này là các chất khí CH4, CO2, H2S, N2,… quá trình phân hủy kỵ khí diễn ratrong vòng từ 3 đến 6 tháng ở điều kiện bình thường, khi nhiệt độ lên tới 400C –

500C thời gian phân hủy sẽ rút ngắn (Winter et al, 1994) [20]

Quá trình lên men kỵ khí diễn ra theo các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Lên men axit.

Các vi sinh vật lên men kỵ khí thực hiện quá trình lên men, chủ yếu là lênmen ngoại bào để phân hủy các hợp chất có kích thước lớn như tinh bột,celullose, cacbuahydro Các chất hòa tan có nhóm định chức thành axit béo, cácrượu, axit nucleic,… các chất phân tử nhỏ hòa tan ấy sẽ được các vi khuẩn cùngloại hấp phụ và sử dụng cho quá tình trao đổi chất của mình Sự thủy phân có

tạo ra các axit béo và glyxerin do đó là giảm pH của nước thải.

Giai đoạn 2: Lên men trung gian.

Giai đoạn này xảy ra sự thủy phân các hợp chất chứa Nitơ, amon tạo thànhCO2, NO2, CH4, H2 các nitrat cũng có thể bị khử thành N2, thậm chí một số tạothành amon, pH dần tăng lên đến mức trung hòa, các loại khí gây mùi thối H2S,RSH,… tạo ra nhiều đẩy hỗn hợp lên phía trên tạo thành váng bọt nhớt

Giai đoạn 3: Lên men metan.

Quá trình này tiếp tục phân cách các sản phẩm trung gian nói trên Các phân

tử lớn hơn đã tạo ra dịch nhớt như pectorin, teatirin,… sinh ra chủ yếu là khí CH4

và CO2 (CO2 chiếm từ 20 - 30%) Đặc điểm của quá trình này là phân hủy dần axitcùng với các sản phẩm có tính khử mạnh do đó môi trường có tính kiềm Quá trìnhlên men kỵ khí tỏa nhiệt mạnh, lượng nhiệt tỏa ra lớn, nhiệt độ bể lên men vào mùa

hè có thể lên tới 500C – 600C Điều này cũng giúp cho quá trình phân hủy diễn ranhanh hơn

Quá trình lên men metan là một quá trình phức tạp nhờ một loạt các tácđộng qua lại của quá trình trao đổi chất trong các nhóm vi sinh vật khác nhau.Đạt được điều này là do có sự phân tích sinh hóa liên tiếp các hợp chất hữu cơcao phân tử thành CH4 và CO2

Hình 2.1 Sơ đồ phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí

* Phương pháp thiếu khí (Anoxic):

Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan, việc khử nitrat sẽ xảy ra Oxy đượcgiải phóng từ nitrat sẽ oxy hóa các chất hữu cơ và Nitơ tạo thành

và H2O Các chất hữu cơ trong nước thải được oxy hóa và phân giải theo 3 giaiđoạn:

 Giai đoạn 1: Phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ để đáp ứng nhu

cầu năng lượng của tế bào

C x H y O z N + O 2 Vi sinh vật CO 2 + H 2 O + NH 3

Chất hữu cơ đơn giản (Đường, peptit, axit amin,…)

Axit bay hơi (Propionic, butyric,…)

Chất hữu cơ phức tạp (hydratcarbon, protein, lipit,…)

 Giai đoạn 2: Phản ứng tổng hợp để tăng số lượng vi sinh vật.

C x H y O z + NH 3 + O 2 (C 5 H 7 NO 2 ) n + CO 2 + H 2 O

 Giai đoạn 3: Tiếp tục quá trình oxy hóa đến khi không còn đủ chất

dinh dưỡng thì diễn ra quá trình hô hấp nội bào hay oxy hóa cácchất liệu tế bào

(C 5 H 7 NO 2 ) n + O 2 CO 2 + NH 3 + H 2 O

Tất cả các phản ứng hóa học trên đều xảy ra dưới tác dụng của các enzymngoại bào hay nội bào do vi sinh vật sinh tổng hợp ra Trong quá trình oxy hóakhử các chất hữu cơ được phân hủy theo thứ tự lần lượt là đường, protein, tinhbột, chất béo, các hợp chất hữu cơ cao phân tử (cellulose, lignin,…) (Flemming

et al, 2001) [16]

Các công trình xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí thường dùng:

 Bế phản ứng sinh học hiếu khí Aeroten

 Cánh đồng sinh học

 Mương oxy hóa Oxydationditch

 Lọc sinh học Biofilter

Các kỹ thuật chính trong xử lý theo phương pháp hiếu khí:

 Sinh trưởng lơ lửng - kỹ thuật bùn hoạt tính

Nước thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng, các tế bào vikhuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn cóhoạt tính phân hủy các chất hữu cơ thể hiện bằng BOD

Bùn hoạt tính là một tập hợp phức tạp các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn,nguyên sinh động vật, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, virus, các chất rắn lơ lửng,

… nhưng chủ yếu là vi khuẩn (Lương Đức Phẩm, 2000) [9]

Bùn tốt có bông màu vàng nâu dễ lắng, có kích thước 3 – 5 µm, có khả nănghấp thụ lên bề mặt của chúng và oxy hóa các chất bẩn có trong nước thải

Vi sinh vật trong bùn hoạt tính gồm hai nhóm là nhóm chủ động và nhómthụ động Nhóm vi sinh vật thụ động không có khả năng chủ động nuôi cấyđược, chúng thường có trong các lớp đất hay nước kênh mương Nhóm vi sinh

vật chủ động là bùn hoạt tính hay quần thể vi sinh vật hình thành từ tự nhiên,được thay đổi tùy thuộc vào thành phần nước thải của từng ngành sản xuất vàchế độ làm sạch nước được lựa chọn (Lê Quốc Tuấn, 2002) [14].

Hoạt hóa bùn hoạt tính: Là tạo điều kiện cho quẩn thể vi sinh vật

trong bùn phát triển trở lại để hồi lưu vào bể xử lý Hoạt hóa bùn làm tăng

số lượng vi sinh vật trong bùn, từ đó làm tăng khả năng sử dụng các chấthữu cơ trong nước thải

Đây là biện pháp công nghệ được sử dụng để xử lý nước thải đô thị vànước thải công nghiệp mà có tỷ lệ COD/BOD > 2

Để phát huy được vai trò của bùn hoạt tính trong xử lý nước thải cần phảiquan tâm đến nồng độ oxy hòa tan trong nước, nồng độ và tuổi của bùn; pH,nhiệt độ, các chất độc có trong nước thải (Lương Đức Phẩm, 2000) [10]

Ta có sơ đồ của biện pháp:

Lắng sơ bộ Máy Lắng bổ sung (lắng 1) sục khí (lắng 2)

Bảng 2.2 Một số loại vi khuẩn có trong bùn hoạt tính và khả năng phân hủy

Nguyên sinh động vật Xác vi sinh vật

(Nguồn: PGS.TS Nguyễn Văn Phước, 1999) [11]

 Sinh trưởng dính bám - màng sinh học

Trong dòng nước thải có các vật rắn làm giá đỡ (giá mang) để các vi sinhvật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt Trong số các vi sinh vật dínhbám có những loài có khả năng sinh ra polysacarit có tính chất như các chất dẻo(gọi là polyme sinh học), tạo thành màng – màng sinh học

Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạttính oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước Màng này dày từ 0,1 – 0,4 mm vàhơn nữa Màu của màng thay đổi theo theo thành phần của nước thải từ màuvàng xám sang nâu tối Trong quá trình xử lý, nước thải chảy qua phin lọc sinhhọc có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ ra với kích thước 15 – 30 µm có màusáng vàng hay nâu (TS.Trịnh Xuân Lai, 2000) [5]

Màng sinh học gồm các loại vi khuẩn, nấm, động vật bậc thấp được nạp vàocùng hệ thống nước thải Mặc dù lớp màng này rất mỏng, song chúng được phânchia làm 3 lớp: Ngoài cùng là lớp vi sinh vật hiếu khí, trong cùng sát bề mặt vật liệulọc là lớp vi sinh vật yếm khí, và tồn tại giữa hai lớp này là một lớp vi sinh vật tùynghi Quá trình lọc sinh học là quá trình hiếu khí, tuy nhiên thực chất nó là một hệthống vi sinh vật từ hiếu khí đến yếm khí (Metcalf et al, 2003) [18]

Ở ngoài cùng lớp màng sinh học là lớp vi sinh vật hiếu khí, dễ thấy nhất là các

loài trực khuẩn Bacillus Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy nghi: Pseudomonas,

Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus Lớp sâu bên trong cùng là

các vi khuẩn kỵ khí khử lưu huỳnh và nitrat Desunfovibrio Phần dưới cùng của

màng là lớp quần thể sinh vật với sự có mặt của các động vật nguyên sinh và một số

vi sinh vật khác Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng sinh học đểlàm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên các chất mang Quần thể vi sinh vậttrên màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính

Khác với quần thể vi sinh vật ở bùn hoạt tính, thành phần và số lượng cácloài ở màng sinh học tương đối đồng nhất Mỗi màng lọc có một quần thể choriêng mình Sự khác nhau không chỉ ở số lượng và cả chất lượng Khi nước thảichảy qua lọc sinh học, màng sinh học do hoạt động sống của các quẩn thể visinh vật chiếm ưu thế sẽ thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ trong

nước (Grady et al, 1980) [17].

Cơ chế làm việc của màng:

CO 2 , H 2 O Màng sinh học Màng chất lỏng Hình 2.3 Quá trình hoạt động của màng sinh học

Các chất hữu cơ dễ phân hủy sẽ được các vi sinh vật sử dụng trước với tốc

độ nhanh đồng thời số lượng các quần thể tương ứng này sẽ phát triển nhanh.Các chất hữu cơ khó phân hủy sẽ bị phân hủy sau với tốc độ chậm hơn và quầnthể sinh vật đồng hóa chúng cũng phát triển muộn và yếu hơn

a Những yếu tố ảnh hưởng đến màng sinh học

1 Tính chất bề ngoài của vật liệu (bề mặt, tính thấm).

2 Tính chất hóa lý của pha lỏng (nhiệt độ, pH, ion, chất hữu cơ,…)

3 Nồng độ những chất hữu cơ trong chất nền: Lượng cacbon hữu cơ cóthể đồng hóa được, lượng cacbon hữu cơ hòa tan dễ bị phân hủy, nhu cầu oxisinh học

1 Diện tích bề mặt lớn

2 Có các đặc tính thích hợp cho các vi sinh vật cư trú và phát triển

3 Có độ bền cơ học và độ ổn định tương đối

4 Có sẵn trên thị trường, dễ sử dụng, dễ tìm, không quá đắt

2.1.4 Tổng quan về bể lọc sinh học

2.1.4.1 Khái niệm về bể lọc sinh học

Phương pháp lọc nước nói chung đã được loài người biết đến từ lâu, songđưa nó thành một biện pháp công nghệ xử lí nước nói chung và nước thải nóiriêng mãi tới thế kỉ XIX mới được xác lập Lọc sinh học lần đầu tiên được ápdụng ở Mĩ năm 1891 và ở Anh năm 1893 Khái niệm về lọc sinh học nhỏ giọtđược phát triển từ khi dùng các bể lọc tiếp xúc được chứa đầy các hòn đá bị đập

vỡ và cho nước đi qua Nước chảy qua lọc, tiếp xúc với mọi vật liệu lọc trongkhoảng thời gian ngắn

Lọc sinh học là quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sửdụng các vi sinh vật không di động và dính bám trên bề mặt các vật liệu rắn để

tiếp xúc thường xuyên hay di động đối với nước thải (Lâm Minh Triết và cs,2010) [13].

2.1.4.2 Điều kiện làm việc của lọc sinh học

Lọc sinh học có thể làm việc trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí Đa sốtrường hợp cho lọc sinh học làm việc ở điều kiện hiếu khí với dòng khí bổ sungliên tục từ dưới lên ngược với dòng dịch chuyển của nước, cũng có thể cùngchiều dòng dịch chuyển của nước

Nước thải đưa vào hệ thống lọc sinh học cần được xử lý sơ bộ để tránh tắcnghẽn các khe của vật liệu lọc

2.1.4.3 Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học

Nguyên lí của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước

Vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạngrắn tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms) Các màng sinh học là tập thể các

vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kị khí và kị khí tùy tiện Các vi khuẩnhiếu khí được tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học Ở đây chúng pháttriển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng bám dính)tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khoángchất) làm sạch nước

Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trênxuống, sau đó nước thải đã được làm sạch được thu gom xả vào lắng 2 Nướcvào lắng 2 có thể kéo theo những mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra khi lọclàm việc Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng 2 được quay trở lại làmnước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệtcho màng sinh học làm việc

Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bởi quần thể vi sinh vật

ở màng sinh học Màng này thường dày khoảng từ 0,1 – 0,4 mm Các chấthữu cơ trước hết bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí Sau khi thấm sâu vàomàng, nước hết oxi hòa tan và sẽ chuyển sang phân hủy bởi vi sinh vật kị

khí Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinhhọc sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng kết dính cũng giảm, dần dần

bị vỡ cuốn theo nước lọc Hiện tượng này gọi là “tróc màng” Sau đó lớp màngmới lại xuất hiện

2.1.4.4 Cấu tạo bể lọc sinh học

- Bể biophin xây dựng dưới dạng hình tròn hay hình chữ nhật cótường đặc và đáy thép Đáy trên là tấm đan đỡ lớp vật liệu lọc, đáy dưới liềnkhối không thấm nước Chiều cao giữa hai lớp đáy lấy khoảng 0,4 - 0,6 m,

độ dốc hướng về máng thu I ≥ 0,01 Độ dốc theo chiều dài của máng thu lấytheo kết cấu, nhưng không được nhỏ hơn 0,005 Tường bể làm cao hơn lớpvật liệu lọc 0,5 m

- Đặc điểm riêng của bể Biophin nhỏ giọt là kích thước của vật liệu lọckhông lớn hơn 25 - 30 mm và tải trọng tưới nước nhỏ 0,5 – 1,0 m3/( m3.VLL)

2.1.4.5 Thông khí và hiệu suất lọc ở bể lọc sinh học

* Thông khí:

- Lượng không khí cần thiết cho lọc sinh học tính theo công thức sau :

W kk = BOD 20 (g/m3.ngày )/21 Trong đó: Wkk : Lượng không khí cần thiết ( m3/m3 nước thải.ngày)

21 : Tỉ lệ % của oxi trong không khí

- Qua thực tế xác định lượng oxi sử dụng trong lọc sinh học và trong cáccông trình sinh học thường không quá 7 – 8% lượng oxi cung cấp Khi nhiệt độdưới 6 0C quá trình oxi hóa chất hữu cơ trong nước thải không xảy ra

S0 : BOD5 của nước sau khi lắng 1 (mg/l)

Sf : BOD5 của nước ra khỏi lọc sau khi lắng 2 (mg/l)

AS : Diện tích riêng của vật liệu lọc (m2/ m3)

H : Chiều cao chứa vật liệu (m).

Q: lưu lượng thủy lực tính bằng m3/ngày Tiết diện của lớp đệm Tải lượng này không tính đến tải lượng tuần hoàn, mà chỉ tính đến tải lượng đã xử lý n: Hệ số thực nghiệm : n = 0,91 – (21, 48/AS)

k: Hằng số thủy phân sinh học phụ thuộc vào bản chất của chất gây ônhiễm đem xử lý và nhiệt độ

Bảng 2.3 Hằng số k của một số nước thải

7 Nước thải đô thị 0,0226

- Một số lưu ý khi sử dụng công thức trên :

+ Khi nhiệt độ dưới 10 0C hiệu suất của nước chảy qua khe sẽ giảm đáng

kể Ở nhiệt độ cao ảnh hưởng của nhiệt độ không rõ rệt

+ Để đạt hiệu quả cao nên dùng lọc có chiều cao, tiết diện nhỏ hơn là chiều cao nhỏ, tiết diện rộng

+ Đối với lưu lượng thủy lực đã cho, tỉ số S0 / Sf thực tế không phụthuộc vào nồng độ chất thải Điều này đúng với vùng nồng độ là 200 – 1000mg/l BOD5

- Vai trò của bể lắng 2 trong hệ thống xử lý:

Nước sau khi xử lý qua lọc được đưa vào lắng 2 để tách bùn khỏi nước Tính toán thiết kế ở bể lắng 2 như ở bể 1 chỉ khác là tải trọng bề mặt của bểlắng tính với lượng nước vừa xử lý cộng với lưu lượng nước tuần hoàn Tải trọng bề mặt thường lấy từ 16 - 25 m3/m2.ngày

2.1.4.6 Phân loại bể lọc sinh học

Có thể phân biệt bể Biophin theo một số tiêu chí như sau:

1- Theo mức độ xử lý: Biophin xử lý 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

2- Theo biện pháp làm thoáng, Biophin làm thoáng tự nhiên và Biophin làmthoáng nhân tạo Trong trường hợp làm thoáng nhân tạo thì bể Biophin thườnggọi là Aerophin

3- Theo chế độ làm việc: Biophin làm việc liên tục và Biophin làm việc giánđoạn có tuần hoàn và không tuần hoàn Nếu nồng độ nhiễm bẩn của nước thải lên

bể Biophin không cao lắm và với khối lượng đủ để có thể tự làm sạch thì việctuần hoàn là không cần thiết Trong trường hợp ngược lại thì tuỳ theo nồng độ củanước thải mà nên hoặc bắt buộc phải tuần hoàn

4- Theo sơ đồ công nghệ: Bể Biophin một hay hai bậc

Bể Biophin hai bậc thường được áp dụng khi điều kiện khí hậu khôngthuận lợi, khi không có điều kiện tăng chiều cao công tác của bể và khi cần nângcao hiệu suất xử lý

5- Theo khả năng chuyển tải: Biophin cao tải và Biophin nhỏ giọt (Biophinthông thường)

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

+ Biophin chất liệu khối có thể phân biệt như sau:

- Biophin nhỏ giọt có kích thước vật liệu lọc 40 - 60 mm, và chiều cao côngtác 2 - 4 m

- Biophin cao tải có kích thước vật liệu lọc 60 - 80 mm và chiều cao công tác

2 - 4 m

- Biophin có chiều cao lớn (tháp lọc) có kích thước vật liệu lọc 60 - 80 mm,chiều cao công tác 8 - 16 m

+ Biophin chất liệu bản có thể phân biệt:

- Biophin với chất liệu lọc dạng rắn: vòng ống hay những cấu tạo khác Vậtliệu có thể là sành, chất dẻo hay kim loại Tuỳ thuộc vào loại vật liệu mà khối

lượng lấy trong khoảng 100 - 600 kg/m3, độ rỗng 70 - 90%, chiều cao làm việc 1

- 6 m

- Biophin với vật liệu rắn ở dạng đan lưới hay khối đặc được ghép từ các tấmhay các bản phẳng Các khối đặc có thể làm bằng chất dẻo và cũng có thể làfibroximang Khối lượng chất dẻo từ 40 - 100 kg/m3, độ rỗng 90 - 97%, chiềucao 2 - 16 m Khối lượng fibroximang 200 - 250 kg/m3, độ rỗng 80 - 90%, chiềucao làm việc 2 - 6 m

- Biophin vật liệu mềm và rulô (cuộn) làm từ lưới thép, màng chất dẻo hayvải tổng hợp được cố định trên khung hay dưới dạng cuộn Khối lượng 5 - 60kg/m3, độ rỗng 94 - 99%, chiều cao cấp phối 3 - 8 m

Đối với Biophin chất liệu bản cũng cần kể đến loại đĩa quay sinh học - là bểchứa đầy nước có đáy hình lõm Dọc theo bờ ở chỗ cao hơn mực nước một ít cóđặt trục gắn các đĩa bằng chất dẻo, xi măng amiăng hay kim loại với đường kính0,6 - 0,3 m Khoảng cách giữa các đĩa 10 - 20 mm, tốc độ quay của trục đĩa 1-

40 vòng/phút

Biophin chất liệu mềm và rulô thường chỉ sử dụng khi lưu lượng nước thảiđến 10.000 m3/ng.đêm, còn Biophin chất liệu rắn ở dạng khối q < 50.000

m3/ng.đêm, đĩa quay sinh học q < 500 m3/ng.đêm

Theo khả năng chuyển tải ta có thể phân loại bể lọc sinh học như sau:

a Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước.

Bể lọc sinh học nhỏ giọt (lọc phun).

Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trongnước Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thểtích là lớn nhất trong điều kiên có thể Nước đến lớp vật liệu lọc chia thành cácdòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếpxúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật củamàng phân hủy hiếu khí và kị khí các chất hữu cơ có trong nước Các chất hữu

cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO2 và nước, phân hủy kị khí sinh ra CH4 và CO2