Tiểu Luận Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí lơ lửng

Giới thiệu chung về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Phương pháp dựa trên cơ sở : hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải.. Nguyên l

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN TP.HCM

TIỂU LUẬN MÔN:

XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ VÀ

CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP

SINH HỌC HIẾU KHÍ LƠ LỬNG

TP HCM, 11/2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN TP.HCM

TIỂU LUẬN MÔN:

XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ VÀ

CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP

SINH HỌC HIẾU KHÍ LƠ LỬNG

TP HCM, 11/2011

GVHD: GS.TS LÂM MIH TRIẾT

HỌC VIÊN THỰC HIỆN:

BÀNH NHƯ THÙY MSHV: 1080100059

VÕ THỊ ĐĂNG KHOA MSHV: 1080100029 NGUYỄN TRUNG THÔNG MSHV: 1180100052

LỚP: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG I- KHOÁ 2010

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu chung về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 4

1.2 Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa 4

1.3 Quá trình vi sinh vật hiếu khí lơ lững 5

1.4 Bùn hoạt tính lơ lửng 6

1.5 Vi sinh vật hiếu khí trong xử lý nước thải 8

1.6 Những điều kiện, yêu cầu, yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng vi sinh vật hiếu khí lơ lửng 9

II CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ LƠ LỬNG 10

2.1 Bể Aerotank 10

2.2 Mương oxy hóa 11

2.3 Bể SBR 12

III SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BỂ BÙN HOẠT TÍNH 14

3.1 Đặc điểm và thành phần của nước thải đô thị 14

3.2 Vị trí bể Aeroten trong hệ thống xử lý nước thải nói chung 16

3.3 Công nghệ tiên tiến (có sử dụng Aeroten) trong xử lý nước thải đô thị 16

IV CÁC SỰ CỐ THƯỜNG XẢY RA KHI VẬN HÀNH BỂ AEROTEN VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 18

4.1 Một số sự cố thường xảy ra khi vận hành bể Aeroten 18

4.2 Một số biện pháp khắc phục sự cố khi vận hành bể Aeroten 19

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thành phần chất bẩn chính của nước thải sinh hoạt 14

Bảng 3.2 Chất lượng nước vào và ra trạm xử lý nước thải 15

Hình 3.1 Vị trí bể Aeroten trong hệ thống xử lý nước thải nói chung 16

Hình 3.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải Kim Liên và Trúc Bạch 17

Hình 3.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị 17

I TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Phương pháp dựa trên cơ sở : hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu

cơ và một số chất khoáng làm chất dinh dưỡng và tạo năng lượng Chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa

Nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bằng chỉ tiêu COD và BOD

Phân loại:

+Phương pháp hiếu khí

+Phương pháp kỵ khí

1.2 Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa

Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật Quá trình này gồm 3 giai đoạn:

1.Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử

2.Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào

3.Quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng

Ba giai đoạn này có quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình 3 đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải Nồng độ các chất ở xung quanh tế bào sẽ giảm dần Các phần thức ăn mới từ môi trường bên ngoài lại khuếch tán trong môi trường chậm hơn quá trình hấp thụ thông qua màng tế bào cho nên nồng độ các chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp Đối với các sản phẩm do

tế bào tiết ra thì ngược lại lại cao hơn so với nơi xa tế bào Mặc dù hấp thụ và hấp phụ là giai đoạn cần thiết trong việc tiêu thụ chất hữu cơ của vi sinh vật song không phải có ý nghĩa quyết định trong việc xử lý nước thải Đóng vai trò chủ yếu quyết định là các quá trình diễn ra bên trong tế bào vi sinh vật (giai đoạn 3)

Các quá trình sinh hóa:

VSV +Qúa trình hiếu khí: chất hữu cơ + O2 CO2, H2O

VSV +Qúa trình kỵ khí: chất hữu cơ + O2 CH4, H2S, NH3,CO2, H2O (có mùi, hàm lượng phụ thuộc vào chất hữu cơ) (coi oxy ở trong các liên kết như

NO3-, SO42-,…) (ngoài các khí này còn có 1 ít chất hữu cơ không phân hủy gọi là chất trơ )

1.3 Quá trình vi sinh vật hiếu khí lơ lững

Các quá trình hiếu khí có thể xảy ra trong điều kiện tự nhiên hay trong các điều kiện xử lý nhân tạo Trong điều kiện xử lý nhân tạo người ta tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ cao và hiệu suất cao hơn

Quá trình chuyển hóa vật chất:

+ Qúa trình oxy hóa chất hữu cơ : (đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào)

và (2): lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải (1), (2), (3), (4): lượng oxy tiêu tốn gần gấp 2 lần lượng oxy cho 2 phản ứng đầu

Khi môi trường cạn nguồn C hữu cơ, các loại vi khuẩn nitơrít hóa (nitrosomonas) và nitơrat hóa (nitrobater) thực hiện quá trình nitơrat hóa theo 2 giai đoạn:

nitrosomonas 55NH4+ + 76O2 + 5CO2 C5H7NO2 + 54NO2- + 52H2O + 109 H+

nitrobater 400NO2- + 19O2 + NH3 + 2H2O + 5CO2 C5H7NO2 + 400 NO3-

 Chu kỳ phát triển của vi sinh vật hiếu khí

Bao gồm 4 giai đoạn:

1 Giai đoạn chậm (lag-phase) xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể Đây là giai đoạn để các vi sinh vật thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào

2 Giai đoạn tăng trưởng (log-phase): giai đoạn này các tế bào vi sinh vật tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thực ăn trong môi trường

3 Giai đoạn cân bằng (Stationary phase): lúc này mật độ vi sinh vật được giữ lại ở một số lượng ổn định Nguyên nhân của giai đoạn này là

- Các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trường của vi sinh vật đã

bị sử dụng hết

- Số lượng vi sinh vật sinh ra bằng với số lượng vi sinh vật chết đi

4 Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi sinh vật chết đi nhiều hơn số lượng vi sinh vật được sinh ra Do đó mật độ vi sinh vật trong bể giảm nhanh

1.4 Bùn hoạt tính lơ lửng

 Bùn hoạt tính là gì

Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, có khả năng ổn định chất hữu cơ hiếu khí được tạo nên trong quá trình sinh hoá hiếu khí, được giữ lại ở bể lắng đợt II Bùn hoạt tính (là các bông cặn) có màu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển

của vô số vi khuẩn và vi sinh vật sống khác Các bông này có kích thước từ 3 -

và thành các tế bào mới Quá trình chuyển hoá thực hiện theo từng bước xen kẽ

và nối tiếp nhau Một vài loại vi khuẩn tấn công vào các hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp, sau khi chuyển hoá thải ra các hợp chất hữu cơ có cấu trúc

Bùn hoạt tính hiếu khí phức tạp hơn, một vài vi khuẩn khác dùng các chất này làm thức ăn và lại thải ra các hợp chất đơn giản hơn nữa, và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chất thải cuối cùng không thể dùng làm thức ăn cho bất cứ loại vi sinh vật nào nữa

Chất thải hữu cơ được đưa vào trong bể phản ứng, ở đó các vi khuẩn hiếu khí được duy trì ở trạng thái lơ lửng Trong bể phản ứng, các vi sinh vật thực hiện những biến đổi theo những quá trình chuyển hóa vi sinh vật hiếu khí lơ lửng (đã trình bày phần 3 ở trên)

Môi trường hiếu khí trong bể phản ứng được duy trì bằng cách sử dụng máy thổi khí và thiết bị phân tán khí đặt trong bể sao cho nước thải được xáo trộn hoàn toàn Sau một thời gian lưu nước nhất định, hỗn hợp tế bào cũ, mới được đưa qua bể lắng trong đó các tế bào được tách ra khỏi nước thải đã xử lý Một phần tế đã lắng được tuần hoàn để duy trì nồng độ mong muốn của vi sinh vật trong bể phản ứng

Trong quá trình bùn hoạt tính, vi khuẩn là vi sinh vật quan trọng nhất, bởi

vì chúng chịu trách nhiệm phân huỷ các chất hữu cơ trong nước thải Trong bể phản ứng, một phần các chất thải hữu cơ được các vi sinh vật hiếu khí và tuỳ tiện sử dụng để tạo ra năng lượng cho việc tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào mới Như vậy, chỉ một phần chất thải ban đầu được oxi hoá thành các hợp chất năng lượng thấp như : NO3-, SO42- và CO2, phần còn lại được tổng hợp thành tế bào mới.

1.5 Vi sinh vật hiếu khí trong xử lý nước thải

Các vi sinh vật hoạt sinh có trong nước thải hầu hết các vi khuẩn hiếu khí như:

- Vi khuẩn: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium,

Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Achromobacter, Spirochaeta,

Clostridium và 2 giống ô nhiễm từ phân Euterobacterium và Streptococcus

Chức năng phân hủy các chất hữu cơ của 1 số loại vi khuẩn

Pseudomonas Phân hủy hiđratcacbon, protein, phản nitrat hóa

Arthrobacter Phân hủy hiđratcacbon

Bacillus Phân hủy hiđratcacbon, protein, …

Cytophaga Phân hủy các polyme

Zooglea Tạo thành chất nhày (polysacarit), hình thành chât keo tụ Nitrosomonas Nitrit hóa

Nitrobacter Nitrat hóa

Flavobacterium Phân hủy protein

Desulfovibrio Khử sulfat, khử nitrat

- Động vật nguyên sinh: Trùng tiêm mao(trùng cỏ, trích trùng, mao

trùng), trùng bánh xe, trùng biến hình (trùng chân giả), trùng roi, giun

Trùng tiêm mao

- Cung cấp oxy liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước > 2mg/l

- pH: phần lớn vi khuẩn không thể chịu đựng được ở pH lớn hơn 9 và pH nhỏ hơn 4 Thông thường, pH tối ưu cho vi khuẩn phát triển tốt trong

khoảng 6.5 – 7.5

- Nhiệt độ:

Ưa lạnh: 10-30oC Tối ưu: 12-18oC

Ưa ấm: 20-50oC Tối ưu: 25-40oC

Ưu nhiệt: 35-75oC Tối ưu: 55-65oC

- Chất dinh dưỡng: Tỷ lệ BOD:N:P = 100:5:1

- Nồng độ muối vô cơ trong nước không vượt quá 10 mg/l

II CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ LƠ LỬNG

2.1 Bể Aerotank

Bể Aerotank là công trình nhân tạo xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, trong đó người ta cung cấp ôxi và khuấy trộn nước thải với bùn hoạt tính

Bể Aerotank thường được đặt sau bể lắng 1 và trước bể lắng 2 Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hóa chất bẩn hữu cơ trong nước bẩn Trong bể có lượng bùn hoạt tính lấy từ bùn gốc sau khi qua giai đoạn khởi động hay sử dụng bùn lắng lấy từ bể lắng 2 chuyển vào; nồng độ bùn khoảng 2-4 g/l Trong bể, bùn hoạt tính gặp oxy của không khí được bơm vào bể sẽ tiến hành quá trình oxy hóa và khoáng hóa các chất bẩn trong nước thải một cách khá triệt để Nước thải sau đó sẽ chảy vào

bể lắng

Xử lý nước thải bằng bể Aerotank phức tạp và nhiều yêu cầu như phải theo dõi liên tục và kịp thời điều chỉnh các chỉ số: nồng độ bùn hoạt tính, chế độ thông khí, nồng độ các chất bẩn trong nước thải, nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật

 Phân loại các loại bể Aerotank:

- Phân loại theo nguyên tắc làm việc: Aerotank thông thường, Aerotank sức chứa cao, Aerotank oxy hóa hoàn toàn

- Phân theo sơ đồ công nghệ: có aerotank 1 bậc, aerotank nhiều bậc

- Phân theo cấu trúc dòng chảy: căn cứ vào phương pháp đưa nước và bùn hoạt tính vào và ra khỏi bể: bể aerotank đẩy, aerotank trộn và bể kết hợp

- Phân biệt theo phương pháp làm thoáng: aerotank làm thoáng bằng máy bơm khí nén, aerotank làm thoáng bằng máy khuấy cơ học và aerotank kết hợp

 Các bước để thiết kế một bể bùn hoạt tính:

1 Chọn thời gian cư trú trung bình của vi khuẩn trong bể Các yếu tố cần biết:

- BOD của nước thải đầu ra

- SS của nước thải đầu ra

- Khả năng chịu đựng của bể đối với sự biến động lớn của nước thải đầu vào (lưu lượng, hàm lượng chất gây ô nhiễm)

- Nhu cầu về năng lượng cho các thiết bị cung cấp khí

- Nhu cầu về dưỡng chất

2 Chọn thời gian lưu tồn của nước thải trong bể Các yếu tố cần biết:

- Thích hợp cho việc loại bỏ các chất ô nhiễm

- Quá trình ổn định, không bị ảnh hưởng của các chất độc

- Lượng MLSS được giữ ổn định

3 Xác định thể tích bể lắng thứ cấp cần thiết Các yếu tố cần biết:

- Diện tích bề mặt của bể lắng

- Diện tích cần thiết cho việc cô đặc bùn

4 Xác định công suất thiết bị sục khí Các yếu tố cần biết:

- Xác định nhu cầu về oxy

- Xác định nhu cầu điện năng để duy trì các chất rắn ở dạng lơ lửng

5 Chọn tỉ lệ hoàn lưu bùn

6 Ước tính lượng bùn thải bỏ

2.2 Mương oxy hóa

Là một dạng cải tiến của bề Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính chuyển động tuần hoàn trong mương

Trong những năm gần đây, loại công trình này được sử dụng rộng rãi để

xử lý nước thải với quy mô nhỏ; có thể dùng để xử lý nước thải có nồng độ BOD từ 1000-5000 mg/l

Mương oxi hóa có dạng hình chữ nhật hoặc hình tròn và được làm thoáng bằng cơ học, đáy và bờ được gia cố, chiều sâu công tác từ 0.7-1 m

Trong mương oxi hóa được chia làm 2 vùng:

- Vùng hiếu khí: khử BOD, oxy hóa NH4 thành NO2

- Vùng thiếu khí: khử NO2 thành N2

Bùn được làm khoáng ngay trong mương, do đó lượng bùn sẽ giảm khoảng 2.8 lần

 Ưu điểm

- Hiệu quả khi xử lý lượng BOD, Nitơ, Phospho cao

- Quản lý vận hành đơn giản

- Ít bị ảnh hưởng bởi sự dao động lớn về chất lượng và lưu lượng của nước cần xử lý

 Nhược điểm:

- Đòi hỏi diện tích xây dựng lớn

- Thời gian lưu nước dài ngày

- Lượng oxy cung cấp cho mương lớn dẫn đến chi phí cao

2.3 Bể SBR

Là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cạn Quá trành xảy ra trong bể SBR tương tự trong bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục, chỉ có điều tất cả xảy ra trong cùng 1 bể và được thực hiện lần lượt theo từng pha:

- Pha làm đầy (Fill): thời gian bơm nước vào kéo dài từ 1-3 giờ Dòng nước thải được đưa vào bể trong suốt thời gian diễn ra pha làm đầy Trong bể phản ứng hoạt động theo mẻ nối tiếp nhau, tuỳ theo mục tiêu xử lý, hàm lượng BOD đầu vào, quá trình làm đầy có thể thay đổi linh hoạt: làm đầy – tĩnh, làm đầy – hòa trộn, làm đầy – sục khí

- Pha phản ứng, thổi khí (React): Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thoáng bề mặt để cấp oxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, thường khoảng 2 giờ Trong pha phản ứng, quá trình nitrat hóa có thể thực hiện, chuyển Nitơ từ dạng N-NH3 sang N-NO22- và nhanh chóng chuyển sang dạng N-NO3-

- Pha lắng (Settle): Lắng trong nước Quá trình diễn ra trong môi trường tĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100% Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ

- Pha rút nước (Draw): Khoảng 0.5 giờ

- Pha chờ (Idle): Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình trên và vào số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể

Tại bể SBR, khí được thổi liên tục trong 1 thời gian nhất định (trong một mẻ), từ dưới lên theo một hệ thống sục khí khuếch tán và hòa tan oxy vào nước Trong điều kiện sục khí liên tục, vi khuẩn hiếu khí sẽ oxy hoá hầu hết các hợp chất hữu cơ có trong nước thải

Sau khi hết thời gian sục khí, ngừng quá trình sục khí và để lượng bùn có trong nước thải lắng xuống đáy bể Một phần bùn này được bơm bùn tự động