Quá trình màng sinh học xử lí nước thải trong bể lọc sinh học biophin

Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và các phin lọc sinh học là các công trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là một hệ tùy tiện.. Các loài

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN – ĐH QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA HÓA HỌC

_* _

∗∗∗∗∗∗∗

Quá trình màng sinh học xử lí nước thải trong

bể lọc sinh học biophin

Nhóm 2:

Nội dung Người phụ trách

1 Màng sinh học- sinh trưởng bám dính Nguyễn Thị Duyến

2 Bể lọc sinh học (Bể biophin)

2.1 Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập nước

Nguyễn Thị Hà

2.2 Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước

3. Tính toán

Kết luận

Bùi Thị Hà

Mục Lục

Mục Lục 2

MỞ ĐẦU 3

KẾT LUẬN 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

MỞ ĐẦU

Việt Nam đang chuyển mình hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, do đó quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa không nhừng phát triển và kết quả là kéo theo quá trình đô thị hóa Dân số tăng nhanh nên các khu dân cư tập trung dần được quy hoạch và hình thành Các hoạt động của con người đã gây nên sự ô nhiễm cho môi trường đặc biệt là cho môi trường nước.Ô nhiễm nguồn ngước hiện đang là vấn đề bức xúc hiện nay Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm xử lý ô nhiễm môi trường nước như phường pháp vật lý, phưng pháp hóa học, phương pháp hấp phụ Trong đó phải kể đến phương pháp xử lí nước thải

ô nhiễm bằng phương pháp sinh học Phương pháp sinh học có nhiều ưu điểm nội trội mà các phương pháp không có được và hiện nay đang được sử dụng rộng rãi Một trong những phương pháp điển hình của phương pháp lọc sinh học

đó là sử dụng màng lọc sinh học

1 Màng sinh học- sinh trưởng bám dính

1.1 Màng sinh học là gì?

Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật (chủ yếu

là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt Trong số các vi sinh vật có những loài sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo, tạo thành màng Màng này cứ dầy dần thêm và thực chất đây là khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang Màng này có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán,…

Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng

1.2 Cấu tạo của màng sinh học

Hình 1.1 Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng thường có độ dày từ 1-3mm và hơn nữa Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng sang đến màu nâu tối

Màng được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác nhau và có cả động vật nguyên sinh Khác với vi sinh vật của bùn hoạt

tính, thành phần loài và số lượng các loài ở màng lọc tương đối đồng nhất Mỗi màng lọc có một quần thể cho riêng mình

Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và các phin lọc sinh học là các công trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là một hệ tùy tiện Ngoài các vi khuẩn hiếu khí, màng còn có các vi khuẩn tùy tiện và kị khí

Màng sinh học gồm 4 lớp:

+ Lớp ngoài cùng lớp là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus + Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus

+ Lớp sâu bên trong màng là kị khí, thấy có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh

và khử nitrat Desulfovibrio Như vậy, hệ vi sinh vật trong màng sinh học của phin lọc là các thể tùy tiện

+ Phía dưới cùng của màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính

Nhìn chung ở vùng trên cùng của phin lọc có sinh khối nhiều nhất và màng lọc cũng là dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới nữa là ít nhất Màng vi sinh vật sẽ tăng dần lên và dày thêm, các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với

cơ chất và ít nhận được oxi phải chuyển sang phân hủy kị khí

1.3 Cơ chế hoạt động của màng sinh học

Màng sinh học có thể oxi hóa được tất cả các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy

có trong nước thải Màng này dần dần bịt các khe giữa các hạt cát, phin lọc giữ lại các tạp chất, các thành phần sinh học có trong nước làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và phin làm việc có hiệu quả hơn Nó hấp phụ giữ lại các vi khuẩn cũng như các tạp chất hóa học Nó oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước

và nước được dần dần làm sạch Nếu lớp màng quá dày ta có thể dùng nước rửa, sục nước để loại bỏ màng và phin sẽ chảy nhanh hơn, hiệu quả của lọc có giảm

nhưng dần dần lại được hồi phục Vận tốc lọc tốt nhất là vào khoảng 11000

m3/0,4 ha.ngày Hiệu quả của phin lọc chậm có thể giữ được tới 99% vi khuẩn

có trong nước Cơ chế hoạt động có thể chia thành các giai đoạn như sau:

 Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phat triển trên bề mặt vật liệu đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxi, nguyên tố vết…từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động của mình Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: Đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng sinh học theo cơ chế khuếch tán phân tử Trong màng sinh học diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở chất rắn dạng lơ lủng có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng sinh học giống như trên Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng Qúa trình vận chuyển được mô tả bởi công thức sau:

Chất hữu cơ + oxi + nguyên tố vết → sinh khối của vi sinh vật + sản phẩm cuối

Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều Nếu một trong những cơ chất bị hết ở một trong những chiều sâu nào đó của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học có liên quan đến cơ chất này sẽ không xảy ra và cơ chất này được gọi là cơ chất quá trình Các nguyên tố vết như nito, photpho, và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỉ lệ phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn trong màng sinh học

 Quá trình sinh trưởng , phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: Quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn

Giai đoạn thứ nhất, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

Giai đoạn thứ hai độ dày màng trở lên lớn hơn bề dày hiệu quả Trong giai đoạn thứ hai tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cung không thay đổi trong trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng của sinh khối

Trong giai đoạn thứ ba bề dày của lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt dòng chảy Trong quá trình phát triển của màng vi sinh vật phát triển cả về số lượng và chủng loại

2 Bể lọc sinh học (Bể biophin)

Dựa vào cấu tạo thiết bị xử lý, bể lọc sinh học chia làm 2 loại:

+ Bể lọc sinh học có vật liệu lọc không ngập nước (lọc nhỏ giọt)

+ Bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập nước

2.1.Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập nước (lọc nhỏ giọt)

Hình 2.1.Bể lọc sinh học nhỏ giọt Hình 2.2 Cấu tạo lọc sinh học nhỏ giọt

2.1.1 Cấu tạo

Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước Bể bao gồm vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước, sàn đỡ và thu nước

•Vật liệu lọc

Vật liệu lọc khá phong phú: từ đá cuội, đá dăm, đá ong, vòng kim loại, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo tấm uốn lượn Các loại đá nên chọn các cục có kích thước trung bình 60 – 100 mm Chiều cao lớp đá thường chọn 0,4m – 2,5m – 4m, trung bình là khoảng 1,8 – 2,5m Nếu kích thước của vật liệu nhỏ

sẽ làm giảm độ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc sẽ giảm dẫn tới giảm hiệu suất xử lí Bể với vật liệu là đá giăm thường có dạng hình tròn

Những năm gần đây, do kĩ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC, PP được sử dụng rộng rãi do có đặc điểm là rất nhẹ

Các vật liệu lọc cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Diện tích riêng lớn

- Chỉ số chân không cao để tránh lắng đọng

- Nhẹ, có thể sử dụng ở độ cao lớn

- Có độ bền cơ học đủ lớn

•Hệ thống phân phối nước:

Nước thải được phân phối trên bề mặt lớp vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt Khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt vật liệu khoảng 0.2-0.3 m (hình 2.1; 2.2)

•Sàn đỡ và thu nước

Sàn đỡ bằng bê tông và sàn nung Khi làm việc, vật liệu dính màng sinh học và ngậm nước nặng tới 300- 350 kg/m3 Để tính toán, giá đỡ thường lấy giá trị an toàn là 500kg/m3 Khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường 0.6-0.8 m Sàn đỡ và thu nước thường có hai nhiệm vụ:

- Thu đều nước có các mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc

- Phân phối đều gió vào bể lọc để duy trì MT hiếu khí trong các khe rỗng.

2.1.2 Cơ chế hoạt động

Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị diện tích là lớn nhất trong điều kiện có thể Nước từ hệ thống phân phối nước đến vật liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt của vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật của màng 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 làm tróc màng ra khỏi vật mang, bị nước cuốn theo Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại hình thành màng mới Hiện tượng này được lặp đi lặp lại nhiều lần Kết quả là BOD của nước thải bị vi sinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng và bị phân hủy kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch

Nước thải trước khi đưa vào sử lí ở lọc phun cần phải qua xử lí sơ bộ để tránh các tắc nghẽn các khe trong vật liệu Nước sau khi xủ lí ở lọc sinh học thường chứa nhiều chất lơ lửng do các mảnh vỡ của màng sinh học cuốn theo,

vì vậy cần phải đưa vào lắng 2 và lưu ở đây thời gian thích hợp để lắng cặn Trong trường hợp này, khác với nước ra ở bể aroten: nước ra khỏi bể lọc sinh học thường ít bùn cặn hơn bể aroten Nồng độ bùn cặn ở đây thường nhỏ hơn 500mg/l, không xảy ra hiện tượng làm hạn chế Tải trọng bề mặt của lắng 2 sau lọc phun vào khoảng 16-25 m3/m2.ngày

2.1.3 Phân loại bể lọc nhỏ giọt

Dựa vào các thông số khác nhau của bể lọc mà người ta chia ra làm hai loại: bể lọc tải trọng thấp và bể lọc tải trọng cao Sự khác nhau được đưa ra dưới bảng 2.1

Bảng 2.1 Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinh học nhỏ giọt

(các chỉ tiêu thiết kế) Thông

số

Đơn vị đo Tải trọng thấp Tải trọng

cao Chiều

cao lớp

VL

(đá) 6-8 (nhựa tấm)

cục, đá ong, cuội lớn

Đá cục, than, đá ong, nhựa đúc Tải

trọng

theo

chất

kgBOD5/m3

vật liệu ngày

Tải

trọng

thủy lực

theo

diện tích

bề nặt

Hiệu

quả

BOD

Chú ý: tải trọng thủy lực nêu trong bảng là tỉ số của lưu lượng nước xử lý (m3/ngày) cộng với lưu lượng tuần hoàn (m3/ngày) (nếu có) chia cho diện tích

bề mặt của bể lọc S (m2)

2.1.4 Ưu, nhược điểm của bể lọc sinh học nhỏ giọt

•Ưu điểm của bể lọc sinh học nhỏ giọt:

- Quá trình oxi hóa rất nhanh nên rút ngắn được thời gian xử lí

- Điều chỉnh được thời gian lưu nước và tốc độ dòng chảy

- Xử lí hiệu quả nước cần có quá trình khử nitrat hoặc phản nitrat hóa

- Nước ra khỏi bể lọc sinh học thường ít bùn cặn hơn bể aroten

•Nhược điểm của bể lọc sinh học:

- Không khí ra khỏi bể lọc thường có mùi hôi thối

- Khu vực xung quanh bể thường có nhiều ruồi muỗi

2.2 Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước

2.2.1 Cấu tạo

Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước cũng bao gồm vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước, sàn đỡ và thu nước giống như bể lọc sinh học có vật liệu không ngập nước Tuy nhiên lớp vật liệu lọc được thiết kế ngập trong nước (hình 2.3)

Hình 2.3 Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước

2.2.2 Cơ chế hoạt động

Trong quá trình làm việc, lọc có thể khử BOD và chuyển hóa NH4+ thành

NO3-, lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng Để tiếp tục khử được BOD, NO3-, và P người ta thường đăt 2 lọc liên tiếp.Giàn phân phối khí của lọc sau khi ở giữa lớp vật liệu với độ cao sao cho lớp vật liệu nằm ở phía dưới là vùng hiếu khí để khử NO3- và P Ở lọc này nước và không khí cùng chiều đi từ dưới lên cho hiệu quả xử lí cao

Kĩ thuật này được áp dụng cho việc xử lí nước thải sinh hoạt đô thị đồng thời khử được những hợp chất hữu cơ cacbon và nito đồng thời loại bỏ được huyền phù Đối với nước sạch sinh hoạt phương pháp lọc sinh học với vật liệu ngập nước rất thích hợp để nitrat hóa và khử nitrat hóa

2.2.3 Ưu, nhược điểm của bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước

• Ưu điểm

Kĩ thuật này dựa trên hoạt động của quần thể vi sinh vật tập trung ở màng sinh học có hoạt tính mạnh hơn ở bùn hoạt tính Do đó phương pháp này có một

số ưu điểm sau:

- Chiếm ít diện tích

- Đơn giản dễ dàng cho việc bao che công trình, khử độc và đảm bảo mĩ quan

- Không cần phải rửa lọc

- Phù hợp với nước thải pha loãng

- Đưa vào hoạt động rất nhanh

- Dễ dàng tự động hóa

• Bên cạnh đó bể lọc sinh học có vật liệu ngập nước có nhược điểm:

- Tăng tổn thất tải lượng

- Giảm lượng nước thu hồi

- Tổn thất khí cấp cho quá trình

- Giảm khả năng giữ huyền phù

3 Tính toán

3.1 Hiệu suất lọc sạch

n S

H A k S

S

.

0 =

Trong đó:

So- BOD5 của nước sau khi lắng 1 (mg/l)

Sf - BOD5 của nước ra khỏi lọc sau 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 lí

n- hệ số thực nghiệm: n=

S A

48 , 21 91 ,

0 −

k- hằng số thủy phân sinh học Phụ thuộc vào bản chất của chất gây ô nhiễm đem xử lí và nhiệt độ

3.2 Thể tích cần thiết của khối vật liệu

0

q

Q

W =

Trong đó: Q – lưu lượng nước thải cần xử lí (m3/ngày)

q0 – tải trọng thủy lực (m3/m3.ngày)

3.3 Tải trọng thủy lực

0

0 0

.

S

F C

q = a (m3/m3.ngày)

Trong đó:

C0 – tải trọng BOD5 cho phép trên 1m2 diện tích bề mặt lớp vật liệu (gBOD5/m2/ngày)

Fa – Diện tích bề mặt lớp vật liệu trong 1 đơn vị thể tích khối vật liệu (m2/m3)

S0 – Hàm lượng BOD5 trong nước thải đầu vào (mg/l)

3.4 Trọng tải chất hữu cơ

η T

K H P

C0 = . . (gBOD5/m2ngày)

Trong đó:

H – Chiều cao lớp vật liệu trong bể (m)

P – Độ rỗng của lớp vật liệu (%)

KT – Hằng số nhiệt độ, = 0 , 2 1 , 047 (T−20 )

T

K

η- hệ số phụ thuộc vào hàm lượng BOD5 đầu ra