Bài tiểu luận kỹ thuật xử lý nước thải bể sinh bùn hoạt tính hiếu khí aerotank

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA MÔI TRƯỜNG BÀI TIỂU LUẬN KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐỀ TÀI: BỂ SINH BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ AEROTANK... Các yếu tố ảnh hưởng đến các công trình xử lý nước thải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA MÔI TRƯỜNG



BÀI TIỂU LUẬN

KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI

ĐỀ TÀI:

BỂ SINH BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ

AEROTANK

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC

HIẾU KHÍ 1

I Nguyên tắc 1

II Ưu và nhược điểm của công nghệ xử lý nước thải sinh học hiếu khí: 1

III Mô tả quá trình sinh học hiếu khí: 1

IV Các yếu tố ảnh hưởng đến các công trình xử lý nước thải sinh học hiếu khí: 6

CHƯƠNG 2: BỂ BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ AEROTANK 7

I Khái niệm: 7

II Quá trình bùn hoạt tính và phân loại bể bùn hoạt tính hiếu khí Aerotank: 7

1 Quá trình bùn hoạt tính: 7

2 Phân loại bể Aerotank theo sơ đồ vận hành 8

Chương 3: QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ AEROTANK 12

I Công thức tính toán và các chỉ tiêu thiết kế: 12

1 Khuấy trộn bùn hoạt tính tuần hoàn với nước thải cần xử lý: 12

2 Tiếp tục khuấy trộn bùn hoạt tính và nước thải bằng không khí hoặc máy khuấy trộn làm thoáng bề mặt 12

II Ví dụ tính toán công nghệ hệ thống xử lý: 17

CHƯƠNG 4: THÔNG SỐ VẬN HÀNH BỂ AEROTANK 24

I Vận hành hệ thống bùn hoạt tính Aerotank: 24

II Các thông số vận hành hệ thống: 25

1 Thông số vận hành: 25

2 Kiểm soát vận hành hệ thống: 26

3.Các vấn đề xảy ra khi vận hành và cách khắc phục: 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Nhu cầu oxy sinh hóa

Nhu cầu oxy hóa học

Các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi của hỗn hợp bùn

DANH MỤC HÌNH

Hinh 1.1 Đồ thị về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý

Hình 1.2 : Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nướcthải

Hình 1 3: Quá trình khử nito

Hình 1.4 : Quá trình khử phospho

Hình 2.1: Bể Aerotank tải trong thấp ( bể Aerotank truyền thống)

Hình 2.2 Bể aerotank tải trọng cao một bậc

Hình 2.3 Bể aerotank tải trọng cao nhiều bậc ngang

Hình 2.4 Bể aerotank tải trọng cao nhiều bậc dọc

Hình 2.5 Bể Aerotank tải trọng cao xen kẽ bể lắng bùn

Hình 2.6 Bể Aerotank thông khí kéo dài

Hình 2.7 Bể aerotank thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh

Nguồn: [3]http://www.fineprint.com : Th.S Lâm Vĩnh Sơn, Bài giảng kỹ thuật xử lý nướcthải

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH

HỌC HIẾU KHÍ

I Nguyên tắc

Nguyên tắc của công nghệ này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy cácchất hữu trong nước thải có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ, pH… thích hợp Quá trìnhphân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằng sơ đồ:

(CHO)nNS + O2  CO2 + H2O + NH4 + H2S + Tế bào vi sinh vật + … aH

Trong điều kiện hiếu khí NH4 và H2S bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hóa, sunfathóa bởi vi sinh vật tự dưỡng:

II Ưu và nhược điểm của công nghệ xử lý nước thải sinh học hiếu khí:

Ưu điểm:

So với công nghệ kỵ khí thì công nghệ hiếu khí có các ưu điểm là hiểu biết về quátrình xử lý đầy đủ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn Công nghệ hiếu khíkhông gây ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hóa học, hóa lý

Nhược điểm:

Nhưng công nghệ hiếu khí cũng có nhược điểm là thể tích công trình lớn và chiếmnhiều mặt bằng hơn Chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn hơn Chi phívận hành, đặc biệt chi phí cho năng lượng sục khí tương đối cao Không có khả năngthu hồi năng lượng Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ Saukhi xử lý sinh ra một lượng bùn dư và lượng bùn này kém ổn định, do đó đòi hỏi vềchi phí đầu tư để xử lý bùn Xử lý nước thải có tải trọng không cao như phương pháp

kỵ khí

III Mô tả quá trình sinh học hiếu khí:

Quá trình phân hủy chất bẩn hữu cơ bằng công nghệ sinh học hiếu khí là quá trìnhlên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là CO , H O, NO - và

SO42- Trong quá trình xử lý hiếu khí các chất bẩn phức tạp như protein, tinh bột, chấtbéo… sẽ bị phân hủy bởi các men ngoại bào cho các chất đơn giản là các axit amin,các axit béo, các axit hữu cơ, các đương đơn… Các chất đơn giản này sẽ thấm quamàng tế bào và bị phân hủy tiếp tục hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tếbào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Cơ chếquá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn :

1.Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu

cầu năng lượng của tế bào:

CxHyOzN+ (x+ y/4 + z/3 + ¾) O2 men > xCO2 + [ (y-3)/2] H2O + NH3

Trong các bể xử lý sinh học các xi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nóchịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải Trong các bể bùnhoạt tính một phần chất hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắtbuộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vikhuẩn mới Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea,Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại

vi khuẩn nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter Ngoài ra còn các loại hình sợi nhưSphaerotilus, Beggiatoa, Thiothirix, Lecicothrix và Geotrichum Ngoài các vi khuẩncác vi sinh khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính Ví dụ nhưcác nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạchhơn về mặt vi sinh

Khi các bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn có sẵntrong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻcấy vi sinh Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động gần đó chothêm vào bể mới như một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý Chu kỳ phát triểncảu các vi khuẩn trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn:

 Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùncủa các bể khác được cấy thêm vào bể Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thichnghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào

 Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩntiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vàothời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường

 Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một

số lượng ổn định Nguyên nhân của giai đoạn này là các chất dinh dưỡng cần thiếtcho quá trình tăng trưởng của vi sinh vật đã bị sử dụng hết, số lượng vi khuẩn sinh rabằng với số lượng vi khuẩn đã chết đị.

 Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh Giaiđoạn này có thể do các loài có kích thước thường khả kiến hoặc là do đặc điểm củamôi trường

Hinh 1.1 Đồ thị về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý

Đồ thị trên mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc Thực tếtrong xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thị tăng truongr giống nhau về dặngnhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của đồ thị Trong một giaiđoạn bất kỳ nào đó sẽ có một số lượng chủ đạo do ở thời điểm đó các điều kiện như

pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ… phù hợp cho loài đó Sự biến động về các vi sinh vậtchủ đâọ trong bể xử lý được biểu diễn theo hình 1.1 Khi thiết kế và vận hành hệ thống

xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật này, không nên nghĩ rằng đây là một “hộp đen” với những vi sinh vật bí mật

Hình 1.2 Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể

xử lý nước thải

Trong các bể xử lý nước thải vi khuẩn đống một vai trò quan trọng hàng đầu Do

đó trong các bể này chúng ta phải duy Trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích vớilượng các chất ô nhiễm đưa vào bể Điều này có thể thực hiện thông qua quá trình thiết

kế và vận hành.Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác thời gianlưu tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn cóthể sinh sản được Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá trình tăngtrưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn…) phải được điềuchỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn

2 Giai đoạn 2: quá trình chuyển hóa cơ chất:

+ Oxy hóa và tổng hợp tế bào (quá trình đồng hóa):

CxHyOzN + NH3+ O2 men - > xCO2 + C5H7NO2

+ Quá trình hô hấp nội bào (Quá trình dị hóa):

C5H7NO2 + 5O2 men - > xCO2+H2O

NH3+ O2 men - > O2+ HNO2 men - > HNO3

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

3.Giai đoạn 3: Quá trình khử nito và phospho:

Hình 1 3: Quá trình khử nito

Hình 1.4 : Quá trình khử phospho

IV Các yếu tố ảnh hưởng đến các công trình xử lý nước thải sinh học hiếu khí:

- Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng nồng độ bùn hoạt tính, tức phụ thuộcvào chỉ số bù Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào công trình xử lý càng lớnhoặc ngược lại

- Nồng độ oxy cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này Khi tiến hành quátrình phải cung cấp đầy đủ lượng oxy vào liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trongnước ra khỏi bể lắng đợt II >= 2 (mg/l)

- Khác với quá trình kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơnnên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua Aerotank có BOD toàn phần phải =<

1000 (mg/l), còn trong bể lọc sinh học thì BOD toàn phần của nước thải =<500 (mg/l)

- Ngoài ra trong nước thải cũng cần có các nguyên tố vi lượng như K, Na, Mg, Fe,

Ca, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl… thường có đủ tong nước thải Tùy theo hàm lượng cơchất trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiếtkhác nhau Thông thuờng cần duy trì các nguên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thíchhợp:

BODtoàn phần : N: P = 100: 5: 1

- Bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ muối các kim loại nặng Khi đó hoạt tính sinhhọc của bùn giảm, bùn sẽ bị trương phồng khó lắng do sự phát triển mãnh liệt của vikhuẩn dạng sợi Vì vậy nồng độ các chất độc và kim loại nặng trong nước thải phảinằm trong giới hạn cho phép

Yếu tố môi trường:

- pH : là một yếu tố chính trong sự phát triển của những vi sinh vật Phần lớn visinh vật không thể chịu được pH > 9 vì lúc này sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất

tế bào làm cho vi sinh vật chết và pH < 4 sẽ thúc đẩy nấm phát triển Thông thường pHtối ưu cho vi sinh vật phát triển tốt nhất trong khoảng 6,5 – 7,5

- Nhiệt độ: cũng là yếu tố quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật Nướcthải có nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật tối ưu từ 25oC – 37oC hoặc từ 20 - 80

oC hoặc từ 20 – 40oC ( tối ưu 25oC – 37oC)

- Ngoài ra quá trình xử lý hiếu khí còn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượngchất lơ lửng chảy vào bể xử lý cũng như các loài vi sinh vật và cấu trúc các chất bẩnhữu cơ

CHƯƠNG 2: BỂ BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ AEROTANK

I Khái niệm:

Bể Aerotank là công trình nhân tạo dùng xử lý nước thải bằng phương pháp sinhhọc hiếu khí, trong đó người ta cung cấp oxy và khuấy trộn nước thải với bùn hoạttính

Bể Aerotank còn được gọi là bể bùn hoạt tính hiếu khí Quy trình xử lý nước thảibằng bùn hoạt tính được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914, đã được duy trì và pháttriển đến nay, với phạm vi ứng dụng rộng rãi xử lý nước thait sinh hoạt và nước thảicông nghiệp

II Quá trình bùn hoạt tính và phân loại bể bùn hoạt tính hiếu khí Aerotank:

1 Quá trình bùn hoạt tính:

Bùn hoạt tính bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bôngvới trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%) Chất nền trong bùn hoạt tính có thểđến 90% là chất rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau Bùn hiếu khí ở dạngbông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn kỵ khí ỏe dạng bông hoặcdạng hạt màu đen Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào,nấm men, nắm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi,giun, đôi khi là ấu trùng sâu bọ Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải củabùn hoạt tính là vi khuẩn, có thể chia ra làm 8 nhóm:

8 Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micococus

Trong nước thải có các tế bào của Zooglea có khả năng sinh ra bào nhầy xungquanh tế bào có tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khó lắng các chất màuchất gây mùi… và phát triển thành các bông cặn Các bông cặn này khi được khuấyđảo và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh

vật, nguyên sinh động vật và các chất độc Những hạt bông này khi ngừng thổi khíhoặc khi các cơ chất cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống tạo ra bùn hoạt tính Trong bùnhoạt tính luôn có mặt động vật nguyên sinh mà đại diện là Sarcodina, Mastigophara,Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác Quan hệ giữa động vật nguyên sinh

và vi khuẩn là quan hệ “ mồi – thú” thuộc cân bằng động chất hữu cơ- vi khuẩn- độngvật nguyên sinh Khi bùn lắng xuống là “ bùn già” hoạt tính bùn bị giảm Hoạt tính củabùn có thể được hoạt hóa trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu

cơ Phần lớn các vi sinh vật đều có khả năng xâm chiếm, bám dính trên bề mặt vật rắnkhi có cơ chất, muối khoáng và oxi tạo nên màng sinh học dạng nhầy có màu thay đổitheo thành phần nước thải từ vàng xám đến nâu tối Trên màng lọc sinh học có chứahàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và một số động vật nguyênsinh khác Tuy nhiên khác với hệ quần thể sinh vật trong bùn hoạt tính thành phần loài

và số lượng các loài trong màng lọc sinh học tương đối đồng nhất Công thức bùn hoạttính thường dùng trong tính toán là C5H7O2N

2 Phân loại bể Aerotank theo sơ đồ vận hành

1 Bể Aerotank tải trọng thấp ( bể Aerotank truyền thống)

Hình 2.1: Bể Aerotank tải trong thấp ( bể Aerotank truyền thống)

Nước thải sau bể lắng đợt 1 được khuấy trộn đều với bùn hoạt tính tuần hoàn ởngay đầu bể Aerotank Đối với nước thải sinh hoạt có mức độ nhiễm bẩn trung bình,lưu lượng tuần hoàn thường từ 20% - 30% lưu lượng nước thải đi vào Dung tích bểđược thiết kế với thời gian lưu nước để làm thoáng trong bể từ 6 đến 8 giờ khi dùng hệthống sục gió và từ 9 đến 12 giờ khi dùng thiết bị khuấy cơ khí làm thoáng bề mặt

Lượng gió cấp vào từ 55 m3/ kg BOD5 đến 65 m3/l kg BOD5 cần khử Chỉ số thểtích bùn SVI thương dao động từ 50 – 150 ml/g, tuổi bùn thường từ 3 đến 15 ngày.Nồng độ BOD đầu vào thường < 400 mg/l, hiệu quả xử lý của bể phụ thuộc vào sự daođộng lưu lượng và nồng độ các chất độc ( kim loại nặng) do nước thải công nghiệpchưa xử lý xả vào, thường đạt hiệu quả xử lý 80 – 95%.

2 Bể Aerotank tải trọng cao một bậc:

Hình 2.2 Bể aerotank tải trọng cao một bậc

3 Bể Aerotank tải trọng cao nhiều bậc:

Hình 2.3 Bể Aerotank tải trọng cao nhiều bậc ngang

BOD > 500 mg/l

Chất rắn lơ lửng pH= 6,5 – 9

t0= 6- 320C

Hình 2.4 Bể aerotank tải trọng cao nhiều bậc dọc

Nước từ bể lắng đợt 1 di vào bể Aerotank ở một số điểm dọc theo 50 – 65% chiềudài tính từ đầu bể còn bùn tuần hoàn thì đi vào đầu bể Nạp theo bậc có tác dụng làmcân bằng tải trọng BOD theo thể tích bể và giảm độ thiếu hụt oxy ở đầu bể và lượngoxy cần thiết được trải đều theo dọc bể làm cho hiệu suất sử dụng oxy tăng lên, hiệuquả xử lý đạt cao hơn

4 Bể Aerotank tải trọng cao xen kẽ bể lắng bùn:

Hình 2.5 Bể Aerotank tải trọng cao xen kẽ bể lắng bùn

Tải trọng BOD > 1,3 kg BOD tính trên 1 kg chất hữu cơ trong ngày

Hiệu xuất xử lý BOD 70 – 75%

5 Bể Aerotank thông khí kéo dài:

Hình 2.6 Bể Aerotank thông khí kéo dài

Bể Aerotank thông khí kéo dài được thiết kế với trọng tải thấp, tỷ số F/M thấp,thời gian làm thoáng lớn từ 20 – 30 giờ để hệ vi sinh trong bể làm việc ở giai đoạn hôhấp nội bào Bể chỉ áp dụng cho các nhà máy xử lý nước thải có công suất nhỏ hơn

3500 m3/ngày

7 Bể aerotank thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh

Hình 2.7 Bể aerotank thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh.

Trong bể Aerotank có khuấy trộn hoàn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòatan được khuấy trộn đều tức thời sao cho nồng độ các chất được phân bố đều ở mọiphần tử trong bể

Ưu điểm của sơ đồ làm việc theo nguyên tắc khuấy trộn hoàn chỉnh là: pha loãngngay tức khắc nồng độ của các chất độc hại ( kim loại nặng) trong toàn thể tích bể,không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp