Xử lý nước thải đô thị và khu công nghiệp hồ sinh học

Quá trình sinh học diễn ra trong hồ sinh học...14 Theo “ Xử lý nước thải đô thị” - PGS.TS Trần Đức Hạ...16 Trong hồ sinh học, các loại tảo và vi khuẩn tự dưỡng, phân hủy hiếu khí CHC đón

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH 1

TỔNG QUAN 2

I Phân Loại 5

1 Hồ kị khí 5

2 Hồ kị hiếu khí (hồ tùy tiện) 8

3 Hồ hiếu khí 10

II Quá trình sinh học diễn ra trong hồ sinh học 14

(Theo “ Xử lý nước thải đô thị” - PGS.TS Trần Đức Hạ) 16

Trong hồ sinh học, các loại tảo và vi khuẩn tự dưỡng, phân hủy hiếu khí CHC đóng vai trò đối thủ kình địch của các loài vi khuẩn gây bệnh Ngoài ra với thời gian nước lưu trong hồ lớn (trên 5 ngày đêm), phần lớn các loài vi khuẩn gây bệnh còn lại sẽ bị tiêu diệt bởi các tia cực tím của ánh sáng mặt trời 16

III Vai trò, vị trí và điều kiện xử lý của hồ sinh học trong công nghệ xử lý nước thải 17

1 Vai trò 17

2 Vị trí 18

3 Các điều kiện của nước thải đưa vào xử lý sinh học 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH Hình 1: Hồ sinh học 2

Hình 2: Hồ sinh học kị khí 5

Hình 3: Phân hủy các chất hữu cơ trong hồ sinh học kỵ khí 7

Hình 4: Các quá trình xử lý BOD trong hồ sinh học kỵ hiếu khí 8

Hình 5: Hồ sinh học hiếu khí 10

TỔNG QUAN

Hồ sinh học (còn gọi là hồ sinh học ổn định nước thải hoặc hồ sinh vật) là các

hồ lớn, không sâu, thường là hình chữ nhật có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo nhưng thường do người đào, để cho dòng nước thải vào và ra Trong hồ sinh học diễn

ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác Như vậy, các quá trình diễn ra trong hồ sinh học là một chu trình tự nhiên, liên tục và là hiện tượng sống Các yếu tố tự nhiên như nhiệt độ cao và giàu ánh sáng mặt trời đã thúc đẩy sự phát triển nhanh của các loại vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn và vi tảo) để xử lý các chất hữu cơ trong nước thải, đặc trưng bằng BOD, theo

cả hai cách hiếu khí và kỵ khí Các hồ này được sử dụng rộng rãi ở châu Âu và Nam

Mỹ, là loại công trình xử lý nước thải phù hợp với các nước đang phát triển ở vùng khí hậu nóng

Hình 1: Hồ sinh học

Quá trình xử lý nước thải thường được diễn ra trong hai hoặc nhiều hồ Sự sắp xếp thay thế về kích thước và độ sâu hồ có thể thúc đẩy quá trình hiếu khí ở hồ này hoặc kỵ khí ở hồ kia Trong quá trình xử lý kế tiếp, từng hồ có chức năng riêng và chúng được thiết kế phù hợp với mục đích hoặc phần tử ô nhiễm cần được tách ra khỏi nước thải Dòng nước thải ra khỏi hồ sẽ giàu dinh dưỡng do nồng độ tảo lớn nhưng số lượng các vi sinh vật gây bệnh và các sinh vật nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt khác giảm đáng kể [Mara và cộng sự, 1992; Mara và Pearson, 1987; U.S EPA, 1977a]

 Nhiệm vụ:

Nhiệm vụ chính của hồ sinh học là ổn định nước thải, khử triệt để các hợp chất hữu cơ, dinh dưỡng, vi trùng, vi khuẩn gây bệnh xuống dưới ngưỡng tiêu chuẩn trước khi xả vào nguồn nước mặt Ngoài ra, hồ sinh học còn có nhiệm vụ:

- Nuôi trồng thuỷ sản

- Nguồn nước để tưới cho cây trồng

- Điều hoà dòng chảy

 Ưu điểm của hệ thống hồ sinh học: dễ xây dựng, giá thành thấp, tính

đệm lớn và hiệu quả xử lý cao

- Dễ xây dựng: Đào đất là công việc chủ yếu (các hoạt động xây dựng khác rất

hạn chế) Sau khi đào, các công việc xây dựng hồ tiếp theo là hoàn thiện hố đào, xây dựng cống nước thải vào và ra khỏi hồ, kè bờ bảo vệ hồ và nếu cần thiết, lót chống thấm hồ Ngoài ra cũng có thể tận dụng các ao hồ tự nhiên phù hợp để làm hồ sinh học

- Chi phí thấp: Do cấu tạo đơn giản, hồ ổn định nước thải là loại công trình rẻ

nhất so với các công trình xử lý nước thải khác Hồ không cần có các thiết bị cơ điện đắt tiền và không sử dụng nhiều điện năng Các công nhân trình độ thấp, nếu được giám sát chặt chẽ, cũng có thể vận hành và duy tu các hồ ổn định nước thải Giá đất và yêu cầu sử dụng đất có thể là yếu tố trở ngại chính đối với kỹ thuật hồ sinh học ổn định nước thải

- Tính đệm: Hồ sinh học ổn định nước thải có thể chịu được hàm lượng kim

loại nặng cao (đến khoảng 30 mg/l) Hồ còn có thể hấp phụ được hiện tưởng sốc hữu

cơ hoặc tải thủy lực trong dòng nước thải vào [Mara & Pearson, 1986]

- Hiệu quả cao: Các hệ thống hồ được thiết kế đúng có thể có hiệu suất xử lý

theo BOD trên 90%, theo nitơ từ 70-90% và theo phôtpho là 30-50% Đặc biệt, hồ sinh học ổn định nước thải có khả năng xử lý các loại sinh vật bài tiết gây bệnh cao Thực

tế, các hồ sinh học được thiết kế đúng có thể diệt được 105 số vi khuẩn gây bệnh và có thể đạt tới ngưỡng quy định của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đối với nước tưới cây [Mara và cộng sự, 1992; WHO, 2006; WHO, 1992]

 Nhược điểm của hệ thống hồ sinh học:

Hiệu quả xử lý chất lơ lửng của hồ sinh học thấp hơn các công trình xử lý nước thải khác do sự xuất hiện tảo trong dòng nước thải ra khỏi hồ Mặc dù không đến mức báo động, nhưng hàm lượng các chất lơ lửng trong nước thải ra khỏi hồ cao hơn so với các công trình xử lý thứ cấp truyền thống Thời gian lưu thủy lực lâu đi đôi với thể tích

hồ lớn để xử lý nước thải có thể là yếu tố hạn chế đối với quá trình này do yêu cầu diện tích và chi phí đất sử dụng cao

- Hồ kị khí.

- Hồ kị hiếu khí

- Hồ hiếu khí

Hình 2: Hồ sinh học kị khí 1.2 Đặc điểm

- Để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy.

- Loại ao hồ này có thể tiếp nhận loại nước thải (kể cả nước thải công nghiệp ) có độ

nhiễm bẩn lớn, tải trọng BOD cao và không cần vai trò quang hợp của tảo

- Nước thải lưu ở hồ kị khí sinh ra mùi hôi thối khó chịu Vì vậy không nên bố trí

các hồ này gần khu dân cư và xí nghiệp chế biến thực phẩm

- Chiều sâu của bể nằm ở khoảng h=2.4 – 3.6m [Lâm Vĩnh Sơn, chương 4 Bài giảng

Kỹ thuật xử lý nước thải] (h= 2-5m [TS Lều Thọ Bách, Hệ thống xử lý nước thải chi phí thấp] Để duy trì điều kiện kị khí và gữi ấm nước trong hồ trong những ngày đông giá lạnh, chiều sâu hồ là khá lớn (từ 2-6m)

- Diện tích mặt thoáng không cần lớn Thời gian lưu nước có thể dài, nhưng cần

tính toán sao cho mùa hè chỉ cần lưu nước từ 1.5 đến 2 ngày, mùa đông là 5 ngày, với thời tiết của khu vực miền đồng và nam bộ BOD trong hồ này vào mùa hè có thể khử tới 65-80%, mùa đông có thể khử tới 45-65%

- Cấu tạo của hồ nên có 2 ngăn, 1 ngăn làm việc và 1 ngăn dự phòng khi vét bùn

cặn

+ Cửa dẫn nước vào ao hồ nên đặt chìm đảm bảo cho việc phân phối cặn đồng đều trong hồ Cửa xả nước ra khỏi hồ theo kiểu thu nước bề mặt, có tấm ngăn bùn không cho ra cùng với nước

+ Ở thành phố có vùng ngoại ô rộng và nhiều đầm phá trũng có thể cải tạo thành các đầm hồ kị khí để xử lý nước thải Trên thế giới đã có thành phố xử lý nước thải trong hồ có bề mặt tới 5km2

+ Các hồ kị khí có thể xây dựng nhiều bậc Chiều sâu của bậc sau lớn hơn bậc trước Hồ 1 bậc thường có diện tích 0,5-7ha, nhiều bậc diện tích mỗi bậc 2,25ha.Nước thải dẫn vào hồ được đặt chìm đảm bảo cho việc phân phối cặn đồng đều trong hồ Cửa xả nước ra khỏi hồ theo kiểu thu nước bề mặt và có tấm ngăn bùn không cho ra cùng với nước Hồ có ý nghĩa giống như một bể tự hoại hở Các loại cặn trong nước thải lắng xuống đáy hồ tạo thành lớp bùn cặn Và tại đây quá trình lên men kỵ khí nhờ các loại vi khuẩn tạo axit, vi khuẩn tạo aceton và vi khuẩn tạo mêtan thực hiện trong điều kiện nhiệt độ trên 15°C (xem hình 1.1)

Loại ao hồ này có thể tiếp nhận nhiều loại nước thải (kể cả nước thải công nghiệp) có độ nhiễm bẩn lớn, tải BOD cao và không cần vai trò quang hợp của tảo

1.3 Thiết kế

Nước thải dẫn vào hồ được đặt chìm đảm bảo cho việc phân phối cặn đồng đều trong hồ Cửa xả nước ra khỏi hồ theo kiểu thu nước bề mặt và có tấm ngăn bùn không cho ra cùng với nước Hồ có ý nghĩa giống như một bể tự hoại hở Các loại cặn trong nước thải lắng xuống đáy hồ tạo thành lớp bùn cặn Và tại đây quá trình lên men kỵ khí nhờ các loại vi khuẩn tạo axit, vi khuẩn tạo aceton và vi khuẩn tạo mêtan thực hiện trong điều kiện nhiệt độ trên 15°C (xem hình 1.1)

Loại ao hồ này có thể tiếp nhận loại nước thải (kể cả nước thải công nghiệp) có

độ nhiễm bẩn lớn, tải BOD cao và không cần vai trò quang hợp của tảo

Việc tính toán thiết kế hồ chủ yếu là theo kinh nghiệm:

- Diện tích: Skỵ khí = (10-20%) Skỵ hịếu khí

- Chiều sâu: h = 2.4-3.6

- Thời gian lưu nước:

+ Mùa hè: 1.5 ngày+ Mùa đông: > 5 ngày

- Hiệu suất xử lý BOD (E% BOD)

+ Mùa hè: 65-80%

+ Mùa đông: 45-65%

Hình 3: Phân hủy các chất hữu cơ trong hồ sinh học kỵ khí

2 Hồ kị hiếu khí (hồ tùy tiện)

2.1 Khái niệm

Là loại ao hồ rất phổ biến trong thực tế, đó là kết hợp của 2 quá trình song song: phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan trong nước và phân hủy kị khí (sản phẩm chủ yếu là CH4) cặn lắng ở vùng đáy

2.2 Đặc điểm

Hồ tùy tiện xét theo chiều sâu có 3 vùng: lớp trên là vùng hiếu khí (VSV hếu khí hoạt động) vùng giữa là vùng kị khí tùy tiện(VSV tùy tiện hoạt động), vùng đáy sâu là vùng kị khí (vi khuẩn lên men Metan hoạt động)

Nguồn oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước khuếch tán qua mặt nước do sóng gió và nhờ tảo quang hợp dưới tác dụng của ánh sang mặt trời Nồng độ oxy hòa tan ban ngày nhiều hơn ban đêm Vùng hiếu khí chủ yếu ở lớp nước mặt có độ sâu 1m Vùng kị khí ở đáy hồ Các chất hữu cơ bị phân hủy kị khí sinh

ra các khí CH4, H2S, H2, N2, CO2…chủ yếu là CH4 Quá trình này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ở nhiệt độ cao quá trình lên men xảy ra nhanh hơn Phân hủy kị khí sinh ra các khí có mùi hôi và có thể gây cháy nổ hoặc gây ô nhiễm bầu khí quyển ,có thể gây chết người nếu ngửi phải hỗn hợp thoát ra từ bể kị khí với nồng độ cao

Trong hồ thường hình thành 2 tầng phân cách nhiệt: tầng nước phía trên có nhiệt độ cao hơn tầng dưới Tầng trên có tảo phát triển, tiêu thụ CO2 làm pH nước mang tính kiềm có khi lên tới 9,8 Tảo phát triển mạnh thành lớp dày rồi chết và tự phân làm cho nước thiếu oxy hòa tan, ảnh hưởng đến VSV hiếu khí, còn các VSV kị khí tùy tiện hoạt động mạnh Trong trường hợp này nên khuấy đảo nước hồ để tránh

hồ bị quá tải chất hữu cơ

Hình 4: Các quá trình xử lý BOD trong hồ sinh học kỵ hiếu khí

2.3 Thiết kế

Nếu trong nước có nồng độ kim loại nặng cao thì cần dùng các biện pháp hấp phụ, trao đổi ion,…Quần thể vi tảo trong hồ rất mẫn cảm với độ độc của KLN

- Xây dựng hồ nên chọn chiều sâu khoảng h=1-1,5m,

- Tỉ lệ chiều dài và chiều rộng là D:R = (1:1 - 1:2) Tuy nhiên, bờ thường có độ dốc: đáy D:R = (1:1 – 1,5:1) bờ (mặt) D:R = (2:1 – 2,5:)

- Diện tích hồ: Những nơi nhiều gió, diện tích hồ nên thiết kế rộng, nơi ít gió xây hồ nhiều ngăn

- Đáy hồ cần phải lèn chặt để chống thấm, nếu đáy dễ thấm phủ lớp đất sét dày 15cm Bờ hồ nên gia cố chắc chắn tránh xói lở

- Nên trồng cỏ dọc trên bờ hồ, cách mặt taly và đáy 30 cm phải gia cố bê tông

- Hiệu quả xử lý:

t k L

L E

t a

- Thời gian lưu nước trong hồ:

t t

t aL k

L L

3 Hồ hiếu khí

3.1 Khái niệm

Là các hồ mà quá trình oxy hóa xảy ra chủ yếu nhờ các VSV hiếu khí Ngoài chức năng xử lý chất hữu cơ hồ sinh học hiếu khí còn có chức năng diệt các loại vi khuẩn gây bệnh (thay cho bể khử trùng nước thải)

Phương pháp hiếu khí dựa trên nguyên tắc là các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy:

Hồ sinh học hiếu khí xử lý triệt để nước thải (gọi tắt là hồ xử lý triệt để ) dùng khi nước thải có tải trọng BOD thấp (dưới 10kg/ha.ngày) Hồ thường được thiết kế để khử các nguyên tố dinh dưỡng (N, P) và khử trùng nước thải trước khi thải ra nguồn tiếp nhận với yêu cầu làm sach cao

Hồ sâu từ 1- 2m thời gian lưu nước thường từ 5 đến 20 ngày Hiệu quả xử lý BOD thường là 30 – 60% Các loại vi khuẩn và trứng giun sáng được tiêu diệt hầu hết nhờ tảo, vi khuẩn hiếu khí và tia cực tím từ ánh sáng mặt trời Do nồng độ BOD của dòng nước thải vào hồ thấp (dưới 70 mg/l) nên hồ thường là bậc cuối cùng của hồ sinh học ổn định.

Hồ sinh học hiếu khí có 2 dạng:

-Hồ làm thoáng tự nhiên : oxy từ không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước mặt

cùng với lượng ánh sáng mặt trời dồi dào nên tảo phát triển mạnh , hô hấp nhả ra oxy làm chỉ tiêu DO cao thuận lợi cho các VSV hiếu khí hoạt động Để đảm bảo DO đồng đều trong toàn bộ thể tích khối nước thì chiều sâu của hồ phải nhỏ, thường là 30-40cm Do chiều sâu nhỏ nên diện tích mặt thoáng hồ càng lớn càng tốt Tải trọng của

hồ khoảng 250-300 kg BOD5/ha.ngày Thời gian lưu nước từ 3-12 ngày tương đối dài nên hiệu quả làm sạch có thể tới 80-90% BOD, mầu nước chuyển dần sang màu xanh của tảo

-Hồ làm thoáng nhân tạo: nguồn oxy do các thiết bị khuấy cơ học hoặc khí nén Nhờ

thế mức độ hiếu khí sẽ mạnh hơn đều hơn và độ sâu hồ lớn hơn 2-4,5m Tải trọng của

hồ khoảng 400kg BOD5/ha.ngày Thời gian lưu nước từ 1-3 ngày có khi dài hơn

Quá trình xử lý nước thải trong hồ hiếu khí nhân tạo về cơ bản giống quá trình trong aeroten chỉ khác ở 2 điểm:

Không dùng bùn hoạt tính hồi lưu từ lắng 2 Vì vậy nồng độ bùn trong hồ rất nhỏ Có thể coi phản ứng xảy ra là phản ứng bậc 1 trong điều kiện khuấy trộn hoàn chỉnh

Tuổi của bùn Өc tính bằng thời gian lưu nước trong hồ t =V/Q Thời gian lưu gần đúng dựa trên áp dụng môđen của Monod cho hồ khuấy trộn hoàn toàn

3 Cơ sở tính toán hồ sinh học hiếu khí

 Khả năng khử BOD5 tính theo công thức :

S/S0 =1/(1+ KT×t)Trong đó:

- S0 và S là BOD5 trước và sau khi xử lý ( mg/l )

- t : thời gian lưu nước ( ngày )

- KT : phụ thuộc vào nhiệt độ T°C : KT = K20×ӨT˗20

- Với T>10°C thì KT = K20× 1,07T-20

- Ө là hằng số , với hồ tự nhiên Ө =1,035-1,0784, với hồ hiếu khí nhân tạo Ө=1,045

- K20 : hằng số xử lý BOD5 theo phản ứng bậc 1 ở 20°C (ngày-1 )

- K20 dao động từ 0,3-0,5 phụ thuộc vào chất lượng nước thải, cường độ

 Lượng bùn hoạt tính sinh ra trong hồ do quá trình khử BOD tính theo công thức :

X = Y× ( S0˗S)/(1 + Kd×t) (mg/l)

Kd : hệ số phân hủy nội bào (ngày-1)

Y : hệ số tạo bùn max tính theo bùn tạo ra khi khử 1mg BOD5 (mg/mg)

Chất lượng nước sau xử lý

 BOD5 giảm, cặn lắng gồm chất rắn lơ lửng (SS) với lượng bùn X (mg/l) tạo thành và có thể thêm sinh khối tảo

Lượng oxy trong xử lý nước thải

Lượng oxy cần thiết gồm phần để khử BOD , oxy hóa NH4+ thành NO3- được tính theo công thức:

OC0= Q×(S0 ˗ S)/1000×f -1,42×Px + 4,57× Q×(N0 –N)/1000 (kgO2/ngày)Trong đó:

- OC0: lượng oxy cần thiết ở đktc của phản ứng là 20°C

- Q: lượng nước thải cần xử lý (m3/ngày)

- S0, S : BOD5 đầu vào , đầu ra (g/m3)

- f :hệ số chuyển đổi BOD5 ra COD hay BOD20, thường f = 0,45-0,68

- Px : phần sinh khối ra ngoài xả theo bùn dư =Yb×Q×(S0-S)×1000 (kg/ngày)

- 1,42 : hệ số chuyển đổi từ sinh khối ra COD

- N0,,N: tổng nitơ đầu vào, đầu ra (g/m3)

- 4,57 : hệ số sử dụng oxy khi oxy hóa NH4+ thành NO3

-Lượng oxy cần thiết trong điều kiện thực tế:

OCt = OC0×( Cs20/(β×Csh-Cd))/(1,024T-20×α)Trong đó

- β: hệ số điều chỉnh sức căng bề mặt theo hàm lượng muối Đối với nước thải thường lấy β=1

- Csh: nồng độ oxy bão hòa trong nước sạch ở T°C (mg/l)

- Cs20: nồng độ oxy bão hòa trong nước sạch ở 20°C (mg/l)

- Cd: nồng độ oxy cần duy trì trong ao hồ (mg/l)

- Khi xử lý nước thải Cd =1,5-2 mg/l

- α: hệ số điều chỉnh lượng oxy tổn hao do các phần tử có trong nước thải, như các chất hoạt động bề mặt, loại thiết bị làm thoáng ,hình dạng và kích thước bể…

Trong thực tế, xây ngăn hồ sục khí với trang bị bộ sục khí hợp lý sẽ cho hiệu quả xử lý cao Ngược lại, sự phân tán bong kết của bùn hoạt tính (độ tuổi bùn hoạt tính nhỏ mức độ ổn định bị hạn chế) cũng như sự phát triển của tảo làm cản trở sự phân tán các chất lơ lửng Do vậy, khi xử lý nước thải đô thị, nồng độ các chất huyền phù dao động trong khoảng 20-50mg/l Sau hồ sục khí nên xây dựng 1 bể lắng (lắng 2) sẽ giảm được chỉ số này Thời gian lưu nước ở hồ sục khí là 10 ngày, trong điều kiện khí hậu

ôn hòa giảm BOD được 80-90% nếu ở nhiệt độ cao hơn sẽ rút ngắn được thời gian Hiệu quả khử vi khuẩn phụ thuộc thời gian lưu nước trong hồ Vệ mặt này, hồ có sục khí không hiệu quả bằng các ao hồ tự nhiên Chính vì thế, các ao hồ tự nhiên còn có tên là các ao hồ ổn định Bể lắng 2 có thể làm bằng đất, sâu 1-2m, nền đất nên hoặc đáy lát đá hoặc tấm betong Không nên để lưu nước trong bể lắng quá 2 ngày để tránh rong tảo phát triển