Giáo trình công nghệ môi trường ( tập 1 : xử lý nước phần 2)

Khi thiếu photpho dẫn đôìi sự phát tricn vi kliiiấn dạnq sựi, là nguyên nhân chính làm cho bìm hoạt tính bị "phồng lên", klió láng và bị cuốn theo lòng chảy ra khỏi hệ thống xử lí, làm g

XỬ LÍ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG ĐIỀU KIỆN NHÂN TẠO VỚI QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH

Chương 13

13.1 C ơ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH

Xử lí sinh học nước thải thực chất là lợi dụng sự sống và hoạt động của các vi sinh vật

để thực hiện các dạng phân huỷ khác nhau Sự phân huỷ chất hữu cơ thường kèm theo sự thoát khí dưới tác dụng của các enzim do vi khuẩn tiết ra

Nhiệm vụ của công trình kĩ thuật xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học là tạo điều kiện sống và hoạt động tốt nhất cho các vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ được nhanh chóng

13.1.1 Vai trò của enziin, năng lượng và chất dinh dưỡng đối với quá trình biến đổi, tăng trưởng của ví sinh

Quá trình biến đổi của vi sinh bao gồm các phản ứng hoá học bên trong tế bào, có 2 phản ứng cơ bản trong quá trình biến đổi là phản ứng dị hoá và phản ứng đồng hoá

- Phản ứng dị hoá bẻ gẫy các mạch, phân chia các phân tử hữu cơ phức tạp thành các phân tử đơn giản hơn và kèm theo quá trình là sự giải phóng năng lượng

- Phản ứng đồng hoá là hình thành các phân tử phức tạp hơn và đòi hỏi cấp năng lưọng Năng lượng cấp cho phản ứng đồng hoá thường lấy từ năng lượng được giải phóng ra của các phản ứng dị hoá

Vai trò của enzim:

Enzim là chất xúc tác hữu cơ do các tế bào sống sinh ra là các protein hoặc các protein kết họfp với các phân tử vô cơ hoặc hữu cơ có trọng lượng thấp Như một chất xúc tác, enzim có khả năng làm tăng tốọ độ phản ứng hoá học lên gấp nhiều lần nhưng bản chất không bị thay đổi

Có 2 loại enzim: Ngoại tế bào và nội tế bào Enzim ngoại bào là chất do tế bào tiết ra Khi tế bào cần chất nền hay chất dinh dưỡng mà các chất này không thể tự thấm qua vỏ

tế bào được thì enzim sẽ chuyển hoá các chất này thành dạng hợp chất có thể dễ dàng di chuyển vào trong tế bào Enzim nội bào là chất xúc tác cho các phản ứng đồng hoá bên trong tế bào Enzim được biết như là một tác nhân phân loại và chuyển hoá chất nền đến sản phẩm cuối cùng với hiệu suất rất cao Tế bào có thể sản xuất ra các enzim khấc nhau ứng với mỗi loại chất nền khác nhau để sử dụng chúng, và có thể minh hoạ bằng phản ứng sau:

176

Vưi trò của ìiăn^ hrợiiiỊ:

Cùng với enzim, nâng lirợiig cần tliict cho các phán ứng sinh hoá cỉia tế bào Năng Iượiig cấp clio tế bào là năng lượng được giái phóng ra từ các phán ứng ôxy hoá các chất hữu cơ và vỏ cơ (các phản ứng dị hoá) hoặc do các phản ứiiíĩ quang hợp Năng lượng này được thu nhận và tích trữ trong tế bào bằng các hợp chất hữu cơ nhất định và đươc dùng

để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào inới Khi chât hữu cơ trong nước thải ít dần thì khối lượiig tế bào cũng sẽ bị giảm dần do các châl đã được té bào dùng không được thay thế kịp thời bằng chất mới Nêu tình trạng nù^ kéo dài liên tục thì tế bào không còn khả năng sinh sán mà chí có khả n'>ng đỏng hoá các chất hữu cơ đã hấp thụ được đê cuối cùng còn lại các tế bàn Ti những chất hữu cơ tương đối ổn định Quá trình

tự íỊÌám sinh khối này coi Ti giai đoạn hô hấp nội bào

Vai f’ c : ,ia clìât (linh ilii'ỠNí>:

Vi sinh vật tiêu thụ các chất hữu cơ để sống và hoạt đông \ à đòi hỏi một lượng chất dinh dưỡng đế phát triển, như các ngiivên tố N, s, p, K, Mg, Ca, CI, Fe, Mn, Mo, Ni, Co,

Z n, C li , t rong đ ó N, p và K là các Iiguvên tố cliỉi yếu, cần dược b ả o d á m mộ t krợiig cần Ihiết trong xử lí sinh hoá

Khi thiếu nitơ lâu dài, ngoài việc cán trơ C|uá trình sinli hoá các c hấ t bẩ n hữu cơ, c òn tạo ra bùn hoạt tính khó lăng

Khi thiếu photpho dẫn đôìi sự phát tricn vi kliiiấn dạnq sựi, là nguyên nhân chính làm cho bìm hoạt tính bị "phồng lên", klió láng và bị cuốn theo (lòng chảy ra khỏi hệ thống

xử lí, làm giám sinh trưởng cúa bùn hoạt tính và giàin cường độ của quá trình ôxy hoá.Hàm lượng các nguyên tô' dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần cỉia nước thải và tí lệ giữa chúng được xác định bằng thực nghiệm Tỉ lệ này thường trong khoáng BOD : N : p = 100 : 5 ; 1 Ngoài ra cần một lượng nhỏ các Iiịỉuyén tố khoáng như canxi, magiè, sắt, đồng, kẽm, niaimaii, Các cliất này thường có đủ trong nước thải sinh hoạt Khi xử lí nước thái cỏim nchiệp bằng vi sinh nhiều trường hợp phái bổ sung N và p và khử trước các kim loại nặng gày độc liại đến nồng độ cho phép,

13.1.2 Sự sinh trưởng của vi khuẩn

Vi sinh vật có thế phát tricii thcin nhiều nhờ sinh sán phâii đôi, sinh sản giới tính và nảy mầm, nhimg chủ yếu cluìim phái triển bằng cácli phàn đôi, lliừi gian cần để phân đôi tế bào thưòlig gọi là thòi oian sinh sán có thê dao động từ dưới 20 phúl đốn hàng ngày Ví dụ: Nếu

thời gian sinli Siin là 30 phút thì một vi khuẩn có thể sinh ra 16 ~ ' l l 2 1 6 vi k h u ẩ n s au thời

177

gian 12 giờ Vi khuẩn không thể tiếp tục sinh sản đến vô tận bởi vì quá trình sinh sản phụ thuộc vào môi trường Khi thức ăn cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài trị số tối ưu, thì việc sinh sản sẽ ngừng lại.

Sự sinh trưởng của vi khuẩn diễn ra theo các giai đoạn sau:

- Giai đoạn tiềm tàng hay thích nghi; Trong giai đoạn này tế bào tổng hợp các enziin

- Giai đoạn sinh trưcmg theo số mũ: x ả y ra khi tỉ lệ tái tạo tế bào đạt tới mức tối đa Trong giai đoạn này, tốc độ sinh trưcmg tãng tỉ lệ thuận với mật độ tế bào

- Giai đoạn chậm dần: Do chất nền bị cạn kiệt hoăc do sự tích tụ các sản phẩm ức ch ế sinh ra trong quá trình chuyển hoá vi khuẩn, mặc dù mật độ tế bào tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần

- Giai đoạn ổn định: Khi mật độ tế bào đạt tới trị số cực đại thì sự sinh trưởng sẽ dừng lại kể cả trong trường hợp các tế bào vẫn còn một vài hoạt động chuyển hoá nào đó

- Giai đoạn suy giảm (giai đoạn nội sinh); Mật độ các tế bào giảm xuống v'i các tế bào bị chết do các enzim tự tiêu huỷ

1 S ự tăng trưởng sinh khối

Hình 13.1 giới thiệu tổng quát quá trình tăng trưởng của vi sinh vật theo khối lượng

Hình 13.1: ĐườinỊ coníỊ hiểu diễn c ác iỊÌcii doạn lăinỊ siiilì khối tyoìiv, me'Iiiiôi cấy vi klìiuỉn

1 Giai đoạn tiềm tàng (hay giai đoạn tăng trưởng chậm) là giai đóạn vi khuẩn cần thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng

2 Giai đoạn tăng sinh khối theo số mũ luôn có dư thừa thức ăn xung quanh vi khuẩn

và lốc độ trao đổi chất và tăng trưcmg của vi khuẩn chỉ phụ thuộc vào khả nãng xứ lí chất nền của vi khuẩn

3 Giai đoạn tăng trưởng chậm dần: Tốc độ tăng sinh khối giảm đi bởi vì sự cạn kiệt dần các chất dinh dưỡng bao quanh

178

4 Giai đoạn hố hấp nội bào' Vi Hiuẩn buộ'" phái thực hiện quá trình trao đối chất bằng chính các chất dinh dưỡiig cấp cho tê bào đã bị cạn kièt Trong giai đoạn này xảy

ra hiện tượng giảm dần sinh khối, klii đó các chất dinh dưỡng, c òr lại trong các tê bào đã chết khuếch tán ra ngoài đế cáp cho các tố bào còn sống

2 S ự tăng trưởng trong mói trường hỗn hợp

Phần lớn các quá trình xử lí sinh hoá trong môi trường hỏn hợp gồm nhiều chủng loại

vi sinh tác động lên môi trường và có tác động tương hỗ với nhau Mỗi loại vi khuẩn cóđường cong sinh trưởng và tăng trưởng riêng Vị trí và dạng của đường cong tăng trưcmgtheo thời gian của mỗi loại trong liệ phụ thuộc vào thức ăn va c hất dinh dưỡng có sẵn và vào các đặc tính của môi trường như pH, nhiệt độ, điều kiện kị khí hay hiếu khí, Có nhiểu loại vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình ổn định các chất hữu cơ có trong nước thải

13.1.3 Đặc tính của chất nền và sự loại bó chất nền

Chất nền gồm toàn thể các vật phấm chứa trong nước mà vi khuẩn có thể sử dụng chúng để phát ti iển,

Các nguyên tố của chât nến có thê phân loại như sau:

- Các nguyên tố chiếm đa số: c , H, 0 , N;

- Các nguyên tố chiếm thiếu sổ; p, K, s và Mg;

- Các vitamin và các hóc môn;

Các pgiivên tố vết hoặc các nguyên tô vi lượng Cu, Fe Ni

Nhìn chung các nguyên tó cua chẫt nén đều có đủ trong hau hết mọi loại nước thải Thường thì phốt pho và nitơ có thc cần bổ sung thêm Đò một nguồn nước thải có thể xử 'í sinh học được nó phải có các đặc tíiih thích hợp như độ pH, Iihiệt độ và không có các

lí sinh học được nó phái có các dặc tíiih tlìíc

sản phẩm độc hại hoặc các sản plìấm ức chế

Sự ô nhiễm chính trong nước ihải cần phải loại trừ là ỏ nhiểiĩi cacbon hữu cơ mà giá trị đặc trưng là BOD - nhu cầu ôxy cho quá trình sinh hoá Ò nhiễm cacbon hữu cơ là nguồn tạo ra chất cơ bản cỉia khối vi sinh (C<;H7N0t)

Các nguồn nitơ sử dụng cho các vi sinh bao gồm toàn bó r itơ hữu cơ và vô cơ Nitơ được chuyển hoá chủ yếu để tao ra các protein, các axit nucleic, các polyme của tế bào ('chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của khối vi sinh nguvên chất) Trong xử lí nước thái, giá trị này thường chiếm khoảng dưới 10%) Trone nước thải người ta phân biệt nitơ ờ dạng khử (nitơ hữu cơ, nitơ amoniac N-NH4) và d ạ ng ỏxy hoá (N-NO2, N-NO3)

Ô nhiễm phốt phát chiếm tỉ lệ 1,5 H- 2% trọng lượng khô của sinh khối, có ở trong nước thải dưới dạng orthophotphat, polyphotphat, hoặc photpho hữu cơ Phốt phát được hoà trộn chủ yếu trong các axít nuclcic các phôtpholipit, các poK'me của màng vi khuẩn Trong một số trường hợp đặc biệt, chúng tập trung trong lế bào, dưới dạng polymêta phốt phát (sự khử phòì phát sinh hoc )-

179

Khi xử lí nước thái, chất nền (chất nhiễm bán hữu cơ) được giám xuống Ban đầu chúng có phản ứng cấp 0 Sau đó khi nồng độ chất nền giảm thấp dưới một giá trị nào đó thì xuất hiện sự thay đối cấp phán ứng và tốc độ giảm chất nền dừng lại Điều đó có nghĩa là ở giai đoạn cuối xử lí nước thải, chất nền còn lại thường khó bị loại bỏ Giai đoạn đầu xảy ra với hiện tượng hấp thụ sinh học và kết bông phức tạp của các chất keo, tiếp theo đó các vi sinh sử dụng chất hữu cơ đế sinh trưởng và hoạt động làm cho chất nền biến mất dần.

13.1.4 Vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí

Loại vi khuẩn ưa hoạt động trong môi trưcnig có ôxy ta gọi là vi khuẩn hiếu khí và loại vi khuấn hoạt động trong môi trường không có ôxy ta gọi là vị khuấn kị khí

Nếu có ôxy tham gia vào phán ứng thì sán phẩm tliu được là lượng các bon hữu cơ dưới dạng COt và khối vi sinh Nếu phản ứng xảy ra khi thiếu ôxy không khí thì sản phẩm thu được là lượng các bon hữu cơ dưới dạng CO-,, khí CH4 và khối vi sinh

Nhìn chung, ti lệ sinh sán của các phôi hiếu khí cao hơn các phôi kị khí và quá trình

suy giảm các chất có chứa các bon xảy ra nhanh hon Tuy nhiên, ở quá trình kị khí, bùn

Scin sinh ra ít hơn.

Có 2 giải pháp xỉr lí với vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng và với vi khuấn ở trạng thái giá thê cố định

• Giải pháp với vi khuẩn ở trạng thái lơ lửiig (tự do): ơ đây các vi khuấn được phái triến một cách phân tán dưới dạng kết bông ngay trong lòng chất lỏng cần xỉr lí như giai pháp hiếu khí bùn hoạt tính, lọc sinh học trong điều kiện tự nhiên hoạc giải pháp kị khí như lọc tiếp xúc ở nền bùn

• Giải pháp với vi khuẩn ở tning thái giá thế cố định: Sử dụng các vi khiián có khá

năng sinh sản ra exopolymeres cho phép cố định chúng vào các vật giá thê khác nhau đẻ lạo ra một màng sinh học Cũng giống như vi khiiắn ở trạng thái tự do, vi khuẩn ở trạng thái cố định có thế được dùng cho xử lí hiếu khí và xử lí kị khí

Có một số yếu tố như nồng độ (khối vi sinh, chất nền, ôxy), sự xáu trộn, nhiệt độ và thời gian liru thiiỷ có thê có những tác động đến động hor piian ứng và thậm chí làm cho một số vi kluiân phát triến trội hơn các vi khiuin kliiic

Trong các giải pháp với vi khiiấn đã nêu ơ trên đều có một lượng vi sinh được sinh sán quá mức cần được thu gom, xtV li và sử dụng

13.1.5 Động hoo của q u á tr ìn h xử lí hiếu khí

Đê đảm líảu cho quá trình xử lí sinh học dicn ra có hiệu quá thì phải tạo dựợc các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian lốt nhất cho hệ vi sinh Khi các điều kiện trên được đám bảo thì quá trình xừ lí diễn ra như sau;

Tốc độ tăng trưởng tế bào ở cả hai trường họp nuôi cấy theo từng mẻ hay nuôi cấy trong các bể có dòng chảy liên tục có thế biếu diẻn bằng công thức:

80

r, = ^ , x (13.1)

Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg của vi sinh, g/m\.s;

ỊJ.| - Tốc độ tăng trưỏlig riêng, 1/s;

X - Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m^ = mg/1).Công thức (13.1) có thể viết dưới dạng:

dt

1 C hất nền - giới hạn của tăng trưởng

Trong trường hợp nuôi cấy theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ có với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt trước khi quá trình sinh trưỏng ngừng lại

ở trưòíng hợp nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục (chất nền và chất dinh dưỡngcấp liên tục) thì ảnh hưcmg của việc giảm bớt chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểudiễn bằng phương trình do Monod đề xuất:

(13.3)

Trong đó: |J.| - Tốc độ tăng trường riêng, //s;

- Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại, //s;

s - Nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điếm sự tăng trưởng bị hạn chế;

Kj - Hằng số báii bão hoà, thể hiện ảnh hưởng của nồng dộ chất nền ở thời

Ánh hưởng của nồng độ chất nền đến tốc độ tăng trưởng riêng thể hiện trên hình 13.2.Thay giá trị |I ở phương trình (13.3) vào phương trình (13.1) ta có:

(13.4)

K , + s

2 S ự tăng trưởng tế bào vờ sử dụng chất nền

Nếu như tấl cả dinh dưỡng được chuyển hoá thành sinh khối thì tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ bằng tốc độ sinh sản sinh khối Nhưng vì trong cả hai trưòng hợp nuôi cấy theo

mẻ và nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục, một phần chất nền chuyển thành các tế bào mới, một phần được ôxy hoá thành chất vô cơ và hữu cơ ốn định cho nên tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ lớn hơn tốc độ tăng trưởng sinh khối Và do đó có thể thiết lập quan

hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng cliất nền được sử dụng theo phương trình sau:

181

r, = - Y r j ( 1 3 5 )

Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg của tế bào vi sinh, g /m \s;

Y - Hệ số năng suất sử dụng chất nển cực đại, mg/mg (là tỉ số giữa khốilượng tế bào và khối lượng chất nển được tiêu thụ trong một thời íỊÌannhất định ở giai đoạn tăng trưỏíng logarit);

- Tốc độ sử dụng chất nền, g/m^.s

Từ phương trình (13.5) và (13.4) ta rút ra:

KXS'd =

(13,6)

Hình 13.2: Anh hưàini của sự lìịiii cliếiiồníỊ (lộ cliấí nên dến tốc (ìộ tủnv Irưởiii!, riữnịi

3 Á n h hưởng của hô hấp nội báo

Trong các công trình xử lí nước thải, không phái tất cả các tế bào vi sinh đều có tiiối lớn như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng logarit mà có một số đang ở giai đoạn chết và giai đoạn sinh trưởng chậm Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của tế bào phái tính toán tổ hợp các hiện tượng này Để tính toán, giả thiết rằng: sự giam khối lượnc các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tí lệ với nồng độ vi sinh có trong nước tliải và gọi là sự giảm khối lượiig do phân huỷ nội bào Quá trình hô hấp nội bào có thể biểu diễn bằng phản ứng đơn giản sau:

Từ phương trình (13.7) có thè’ tliấy: Nếu tất cá các tế bào bị cxv hoá hoàn toàn thì lượng COD của các tế bào bằng 1,42 nồnc độ của tế bào.

Trong đó; - Hệ sô' phân liLiỷ nội bào (phán rã nội sinh)

X - Nồng độ tế bào (nổim độ bùn hoạt tính), g/ni Kết hợp với quá trình phân huý nồi bào, tốc độ tãng trường *hưc tế của tế bào:

( K ,+ S )

Trong đó: r' - Tốc độ tàng trướnu thưc tế của tế bào vi khuán //s

Tố c đ ộ tăng trưởrm riênq thưc tê !à:

4 Ả n h hưỏiig của nhiệt độ

Nhiệt độ nước thái có ánh Iniưng râì lớn tới tốc độ cúa phàn ứng sinh hoá trong quá trìnlì xử lí nước thái Nliiệt dò khònu chi áiih hưởiig đến hoat dòng chuyển hoá của vi sinh vẠl mà còn có tác dộim lớn đèn cỊiiá trình hâp thụ klií ỏxy vcK) nirớc thải và quá trình

láiig c á c bỏiig cặii cliứa c á c VI siiili v;ìl ó l)ể lálìg đọl II Ảnlì hưíĩiìg c ủ a n h iệ t đ ộ đ ốn tốc

d ộ phán ứng sinh hoá trong qu á irình xử lí nirớc ihái biếu diéii bởi c ò n g thức:

T - Nhiệt độ nước đo bằiic ‘’c

5 Ả n h hưởng của kim loại nặng

Sự phân huỷ đòi liỏi các đicLi kiện mòi trường khá nghiẽiii Iieặt, Nhiệt độ và độ pH là những yếu tố đóng vai Irò quan trọim Tuy nhiên, trong mòi Irưừng úó cũng không được chứa những chất độc hại hoặc những chất ức chế các hoạt độníỉ c ủa \ i sinh

183

Các kim loại nặng như đồng, crôm, niken, kẽm, thuỷ ngân, chì và các anion như xianua, Aorua, asenat và bicromat tồn tại trong quá trình phân huỷ sẽ gây phản ứng hoặc

là giữ nguyên một số enzim, hoặc là phá huỷ bản chất làm biến đổi tính chất thấm của tế bào vi sinh Vi khuẩn có sự nhạy cảm khác nhau đối với các chất độc hại này Chúng

có thể kết bông dưới dạng hợp chất hữu cơ - kim loại không tan mà không làm rối loạn

sự sinh trưởng của vi khuẩn Tuy nhiên, cần lưu ý rằng lượng kim loại có trong môi trường không được vượt quá mức cho phép Khi vượt quá mức cho phép thì chính bản thân một số chất chuyển hoá trở thành chất ức chế các hoạt động vi sinh

ố N h u cầu ôxy và việc cung cấp ôxy

Để ôxy hoá các chất hữu cơ, các vi sinh vật cần có ôxy và nó chỉ có thể sử dụng ôxy hoà tan Để cung cấp ôxy, người ta tiến hành làm thoáng khuếch tán không khí thành các bọt nhỏ phân phối đều trong khối nước thải

Vì ôxy ít hoà tan trong nước nên có thể bỏ qua trở lực khuếch tán của pha khí và tốc

độ hấp thụ ôxy do trở lực của pha lỏng quyết định Sơ đồ của sự chuyển dịch ôxy từ bọt khí tới tế bào các vi sinh vật được minh hoạ trên hình 13.3

Chiều dày của lớp khuếch tán ỗ, khi chất lỏng vòng bao quanh vật Ihể có kích thước

là L phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D, độ nhớt khối lượng riêng p,, và vận tốc của

\ 1/6iỉiL

Hình 13.3: Sơ đồ (li chuyển ô.\y tới vi sinìì vật

1 Lớp khuếch tán biên ở phía pha khí; 2 Bề mặt phân pha; 3 Lớp khuếch liín biên ờ phía pha lóng;

4, Quá Irình chuyên ôxy lừ bóng khí tới vi sinh vật; 5 Lớp khuếch tán biên ờ pha lòng bao quanh vi sinh vậl;

6 Quá trình chuyển ôxy vào trong tế bào; 7 Vùng phản ứng giữa phân tứ ôxy với các men (enzim).

Vì các vi sinh vật có kích thước rất nhỏ và chúng chuyển động trong các hệ thống xử

lí với vận tốc bằng vận tốc của nước thải nên chiều dày lớp khuếch tán của chất lỏng ờ thành các tế bào nhỏ hơn rất nhiều so với xung quanh bọt khí, vì vậy trở lực của nó không đáng kể đối với sự di chuyển của ôxy Mặt khác, cũng cần thấy là bề mặt riêng của các vi sinh vật lớn hofn nhiều so vói bề mặt riêng của các bọt khí Do đó có thể nói

184

quá trình di chuyển ôxy từ các bọt khí t(JÌ các vi sinh vật được hạn định chủ yếu bởi trở lực khuếch tán của chất lỏng xung quanh bóng khí.

)-Do bề mặt tiếp xúc pha giữa không khí và nước thải trong các hệ thống xử lí là không xác định được, vì vậy trong tính toán người ta sử dụng hé sô' cấp khối thể tích Py

Lượng ôxy được hấp thụ có thể tính theo phương trình cấp khối sau:

Trong đó; M - Lượng ôxy được hấp thụ, kg/s;

py- Hệ số cấp khối thê tích, 1/s;

V - Thể tích nước thải trong hệ thống xử lí, in^

c*, c - Nồng độ càn bằng và nồng đô ôxy ờ trong khối chất lỏng, k g /m \Biểu thức trên cho thấy, có thể tãng lượng òxy được hấp thụ bằng cách tăng hoặc tăng động lực của quá trình Việc thay đổi động lực của quá trình có thể thực hiện bằngtăng hàm lượng ôxy trong không khí, giảm nồng độ làm \'iệc hoặc tăng áp suất của quátrình hấp thụ Song tất cả các giải pháp trên đều không kinh tế hoặc không làm tăng cường độ của quá trình một cách đáng kể Cách tốt nhất tãng lượng ôxy hoà tan trong nước thải là tăng hệ số cấp khối thể tích [3y, vì:

7 Công thứ c biến đổi tốc độ sử dụng chất nén

Trong mô tả động học của quá trình xử lí nước thải bằng sinh học hiếu khí rút ra đuợc công thức biểu diễn tốc độ sử dụng chất nền bằng khối lượng chất nền giảm đi của đơn

vị thể tích bể trong một đơn vị thời gian (g/m^s)

Vởi; p la lôc do sir ỏ u n n chai nên linh ĩren ÌIÌOI dưn vị khối lượng (g) bùn hoạt tính,

tr o n g n iô i ỏơu VI i h ò i m a n

13,1.6 Ọ u a trinh sinh hoc Iron^ đièu kiên ki khí

Q iiá Irình sinli ỈIOC Iroim cliôLi k iẹ n ki k hi là q u á trình p h â n h u ỷ c á c c h ấ t h ữ u c ơ , v ô c ơ

troíig lurck' ih;n nhờ các vi klniàn ki khí Iroiìg điéu kiện k hô ng có òxy T h ô n g thườ ng phương pliap \ ư lí Iiàv dươc áp dưn u dc lên nien, ổn dịnh căn và x ử lí nước thái c ô n g Iighiêp có nồnn đỏ BOD, C O D cao Gán dà y niiười la c ũ n c còn sử d ụ n g phổ biến phươiìg pháp này clc xử lí nước ihái sinh lìoạl lìoăc hổn hơp Iiước thài sinh hoạt và côim n gh i ệ p

có n ón g ciô HOD cao Khi n òng đõ BO D ironu nước ihài c ao hơn 3()() mg/1 nên á p d ụ n g

q u y irìn h hai bàc: B â c 1 \ ử lí kị khí bàc 2 x ử lí h iè ii khí,

Q uá irìiili ch uv en lioá châì hữu c a tihờ VI sinh ki khí \ a y ra ihco ba bước:

- T r ư ớ c Iiẽii nhỏm VI s in h lư Iihicn c o ir o n u n ư ơ c ihai th u v p ha n c á c c h ấ t h ữ u c ơ p h ứ c (ap và lipil t h à n h c á c c h à i hữu CO' ỏ ơ n mai ì C() ( r o n g lirơng r i é n e n h ọ n h ư m o n o s a c a r i t ,

amino axil dế lai) nuLiổn ihức ân và náne iLRrng clm VI sinh hoai dỏng

- SiUi d ỏ n h ó m vi khiKin U K > in e ii a x ií ( n h ó m a x i l l o c n i ơ ) h ic n d ổ i c á c chrủ h ữ u c ơ đ ơ'1

m á n l l i à n h c á c a \ i l h ữ u Cí)‘, e i a i c i o a i i i i à y i i o i là Icii IIÌCII i ỉ x i i

- C u ố i c ì i n u lìh o iiì vi khiKUì la o ỉiic n m c U m (iìIk')iiì lì ìc ia n í o c m i c ) c h u y ế n h o ấ h y d r o

và c á c a x il ổiĩơi. l a o tliànli o’ e i a i cK)aii Uu> in c iì a x il llìàỉih k h í rnctan v à c a c b o n i c V a i irò

q u a n t r o n g c ư a n h o m vi k h u â n I i ì c l a n ỉ o c n n c ỉa IICII i h u h y d r o v à a x i l a x e t i c , c h ú n g t ã n g

trương rất châm \'à Lịuá Irìiih đirov ihirc lìiCĩi khi khí iiìClan và c a c h o n i c thoát ra.

Đ ế c h o q u á trình siĩih h o c ki k h í d ic ii b iê n cluov b ìn h t h ư ờ n g c ầ n đ a n i b ả o c ấ c đ i ể u

k iẽ n sau d â y:

+ T r o n g nưíVc ihái k l ì o n g c o o x \ h o à UUK

+ H à m lưtrne c u a c á c k im loai n a n u k h ố n g viiiri n iứ c q u y đ ịn h ;

(ìiá U‘Ị Ị')l 1 cua IIU'0'C lliiii ÙI' 6.7 ~ 7,4:

+ D u y irì clỏ k iô iìi k l i o a n g 1 ()()() ” 1 5 0 0 ing/1 l à m d u n t í clỊcli đ ộ n i đ ể n g ă n c ả n p H

g i a m xLiòim dirỚ! 6 , 2

+ Nhiệt đ ỏ cưa nước ihai (ừ 27 3 8 ‘’c

+ C ó du chàt dinh duỡiiíi llìco n lệ COD: N: p là 350: 5: 1

I.V2 X ’ l.í I I I E 1 ỈI \ ' Ớ I ( Ì I AI P H Á P VI K H U Ẩ N ở T R Ạ N G T I I Á I L ơ L Ủ N G

T R ( ) N ( i BỂ A I Í R O T I Í N

13.2.1 ( ác mòi q u a n hê co bán đế k h ứ cacbon hữu co

/ i\h u cáu o x \ yà lưong bùn sinh ra

I H)IÌU dicii kiộn c ó ỏ \ y klìôim khí, các VI khuán hiếu klií tiêu thụ cấc chất hữu cơ:

M o l niãt d o n h u c a u n ã n g l ư ơ n g d ế tổ n tại, s i n h trirởiig (p h à n c h i a t ế b à o , t ổ n g h ợ p

(U C.ÌC chàt sông) và ho háp Iiỏi bào (òxv hoá nỏi bào);

I Sò

- Mặt khác, tạo mò( lưonu Ci) Ilic soiisj \ a chài lio tlư íbùii (.lư)^

Lấy ví dụ về sự phãn hii\' ulưco I.IÌL 'láu, nho SII lio Ir i' cua niu> có ihè dòne hoá

g k i c ô thành protein tố bào ( Q H ^ N O i ) Tièp ihco, piolcni !ià v Ịihâii liiái nó: bào dế CLinu

cấp năng lượng sống Có Ihê viẽi 2 ph;in ứii'j này ihco ciaiiL s ) (lố như sau:

Tổng hợp;

Hô hấp hoặc ôxy hoá nội bào:

4 Q H 7N O 2 + 2ƠOn ^ 2 0 C O + 4 M i * + 8 H O

Hai phản ứng này luón luôn tồn tại Phản ứng thứ liai khoiii: bao iziờ hoàn chinh vì 110

tươiig ứng với thời gian lưu bùn, vì thc chiều phan ưiii: dicn cluivêìi satm bên phái tuỳ theo p hươ ng thức sứciụim Phán ứim càne dịch c h u \ ẽ n sai'.>i pliai thì lưưní> bìm thừa sinh

ra càng nhỏ nhưng lượng òxy tiêu thụ lại càng nhiéu

T r o ng ví d ụ trên, hiện iượns ôxy hoá hoàn toàn 6 phan tư g l u c ò cán phái cỏ 36 phan

tử ôxy 36 p h â n tử ô xy này t ưons đ i r a i g với B O D cúa 6 pliãn lử ulucô Tr on g 36 phãii tử

ò x y c ó 16 phâ n tỉr d ù ng ch o sự tổng hựp và 20 phân iư dùim c h o hô hấ p nôi bào.

Hệ số sử dụng ôxy cho quá trình tổng hợp:

Như vậy để tiêu hiiỷ Ig BOD người la phai tổng hưp 0,39g '.'ật châì sống

Lượng ô x y cần thiết ch o Iihu cầu lổng liợp vi khuấii: a,, X B O P v

Lương ôxy cần thiết cho nhu cầu hô hâp nội bào: Troiiu quá trình xứ lí nước thải

khône phải toàn bộ vi khuẩn được lốii” hơp đều bi o \ \ h(KÌ Iiói bào đế trở tliành CO^ và

H t O, m à chỉ m ộ t phần nào dó inà ihỏi (phần cua 4 C' 4 1 - N Oi j T h e o các phán ímg đã

ví du ở trên ỉhì chỉ có b„ của 2 0 0t cán thiếi cho sư oxv hoá các vậi chất sôim, Ĩighĩa là chi có một lượng b ', :

4 C ,H 7 N 0

N h u c ầu ò x y ch o liò hấp nội bào có thế biếu diển tliroi tlaiie:

b', X Khối lượno vật chất sônỉi.

187

Nhu cầu ôxy toàn bộ sẽ là:

X BOD5 + b'„ X Khối lượng vật chất sống

Có 2 yếu tố gây ra lượng bùn sinh học dư (bùn dư);

- Lượng vi khuẩn sản sinh ở các phản ứng tổng hợp;

- Lượng vi khuẩn bị mất đi ở các phản ứng hô hấp nội bào

Lượng vi khuẩn mất đi ở phản ứng hô hấp nội bào: b X lượng MV, (MV là chất bay hơi)

Tổng cộn g lượng bùn sinh ra: X B O D5 - b X Lượng M V

Lượng bùn sinh ra này được tính bằng kg chất huyền phù/ngày

Khi xử lí sinh học nước thải đô thị với công suất không lớn, để đánh giá nhanh có thế

sử dụng các đại lượng thích hợp sau đây:

a;, =0,5k g Ơ2/k g B O D ,,

b ; =0,lkg0 2/ngày cho 1 kg MV,

a , ^ = 0,6kgO2/kgBOD5,

b = 0,05kg0i/ngày cho Ikg MV

2 Các thông sô' hoạt động của quá trình x ử lí hiếu kh í với giải pháp vi khuẩn ở

trạng thái lơ lửng

Trong xử lí nước thải, bể phản ứng sinh hoá được đặc tiưng bởi 3 thông số cơ bán: Tải trọng trên bùn theo khối lượng và thể tích, khả năng lắng của bùn và độ tuổi của bùn

• Tải trọng theo khối lượng và thể tích:

Tải trọng trên bùn theo khối lượng là tỉ số giữa khối lượng chất nhiễm bẩn (lấy iương đương bằng BOD) và khối lượng bùn trong đơn vị thời gian (ngày đêm):

(.3.19)Trong đó: Q - Liru lượng trong 1 ngày, mVngày;

X, - Nồng độ các chất lơ lửng trong bùn, mg/1;

V - Thể tích bể,Khái niệm tải trọng theo khối lượng rất quan trọng, thường áp dụng để xác định bùn hoạt tính:

+ Khả năng lắng: Tải trọng khối lượng nhỏ sẽ tương ứng với năng suất lắng cao và ngược lại tải trọng khối lượng cao tương ứng với năng suất lắng thấp

188

+ Bùn dư; Với tải trọng khối lượng nliỏ, do sự hạn chế cua chất nền, sự hô hấp nội bào sẽ nhiều hơn so với tải lượng l('ín Kết quả là sản sinh ra bi.in sinh học ít hơn.

+ Độ ổn định của bùn: Sự hô hấp nội bào mạnh làm cho các vi khuẩn được khoáng hoá tốt Các giải pháp với tải trọng khối lượng nhỏ sẽ cho bùn dư kém khả năng lên men.+ Nhu cầu ôxy: Khi tải trọng khối lượng nhỏ, sự hô hấp nội bào mạnh đòi hỏi lượng ôxy tiêu thụ cao hơn so với lượng ôxy tiêu thụ khi tải lượng lớn

Một khái niệm khác là tải trọng trên bùn theo thể tích là khối lượng chất nhiễm bẩn hữu cơ (thường tính theo BOD) tính trên một đơn vị thế tích công trình trong khoảng thời gian xác định (thường là 1 ngày đêm):

ra khỏi bể trong ngày:

^‘n B 0 D 3 ,^.h u -b X v VTrong đó: Xy - nồng độ chất hữu cơ (bay hơi) trong bùn, mg/1;

C' =— c

AyNếu gọi E ià hiệu suất khử BOD5:

• Khả năng lắng của bùn

ở giai đoạn tãng trướng cấp sò mũ, vi khuấn bị biến mất trong môi trường nuôi cấy Vào thời điểm chuyên sang giai đoạn chậm dần, chúng kết lại thành bông có naàu nâu

khuẩn xuất hiện thành từng nhóiTi dạng keo bông tồn tại ở giai đoạn chuyến hoá nội

sinh Các vi khuẩn tự do không có liên kết với bông, tuỳ theo độ tuổi của bùn mà trị số tối thiểu đạt được trong khoáng từ 4 H- 9 ngày Ngoài 9 ngày trở ra, mặc dù khả năng lắng nói chung vẫn còn tốt, nhưne bắl đầu có sự rã bông do sự giám kích cỡ bòng và do các phấn tử nhỏ thoát ra khỏi bỏng đã tăng lên (bông có đầu hình kim) Ngược lại dưới 4

89

ngày, các bông có tính hút nước mạnh sẽ lắng kém và lượiig vi sinh tự do tăng lẽn

nhanh chóng

Kết bông vi sinh là một hiện tượng phức tạp được điểu khiển bời trạng thái sinh lí của

các tế bào, là một đặc tính của nhiều vi sinh, có liên quan đến sự bài xuất polyme mà

trong đó các polysacarit đóng vai trò đặc biệt

Để đánh giá tính lắng đọng của bùn người ta căn cứ vào chỉ số MONLMAN hay chỉ

sô' bùn - là chỉ tiêu đánh giá khả nãng lắng của bùn hoạt tính trong bể lắng đợt II và là

chỉ tiêu phản ánh đặc tính và chất lượng của bùn

Chỉ số thể tích bùn là thể tích do 1 gam bùn khô choán chỗ tính bằng ml sau khi để

dung dịch bùn lắng tĩnh 30 phút trong ống lắng hình trụ khắc độ dung tích lOOml Để

xác định chỉ số thể tích của bùn, lấy 1 lít dung dịch bùn tại cửa ra của bể aeroten để lắng

30 phút trong ống lắng thuỷ tinh hình trụ có khắc độ Quan sát và đánh dấu mặt phân

chia giữa bùn và nước để tính ra thể tích bùn choán chỗ bằng ml Đồng thời cũng lấy

luôn mẫu xác định nồng độ bùn tính theo mg/1 Sau đó xác định chỉ số thể tích bùn theo

công thức sau;

Thể tích bùn đã lắng sau 30 phút (ml/1) 1000SVI = ^ - — — - í - 7 , ml/g (13.23)

Nông độ bùn lơ lửng trong dung dịch (mg/1)Thông thưòmg chỉ số thể tích bùn dao động từ 50 H- 150 Bùn có chỉ số thể tích càng

• Sục khí:

Để cung cấp ôxy người ta thưòfng tiến hành sục khí sâu trong lòng nước để tạo ra các

bọt khí Kích thước các bọt khí rất quan trọng Trong thực tế người ta tạo các bọt khí từ

hệ thống sục khí qua vật xốp có đường kính lỗ khoảng Imm Các bọt khí nhỏ hơn chỉ có

thể đạt được bằng cách giãn nở nước đã bão hoà không khí dưới áp suất lớn (phương

pháp tuyển nổi)

3 Sự ổn định hiếu khí:

Sự ổn định hiếu khí là phương pháp dùng để giảm lượng chất hữii cơ của bùn, còn

được gọi là "sự tiêu hoá ưa khí" Bằng cách sục khí lâu trong bùn, các vi sinh ưa khí hoạt

động từ giai đoạn tổng hợp tế bào cho đến khi chúng thực hiện quá trình tự ôxy hoá

(xem hình 13.4)

190

Ban đầu chất hữu cơ (nhờ có ôxy và nilơ) đươc đóng hoá thành tế bào vi sinh (C<ìH7N0t) Ví dụ về sự phiìn huỷ gliicò:

6 C ,H |.0 6 + 4NH^ + 160 -> 4C,H,N 0ọ + 16CO2 + 28HọO

vật chất

H ì n h 1 3 4 : N ịịu y é n li i ÍKi s ự un (ỉịnlì liiếh k-’ìi

Sau đó, chất tế bào (biểu thị bới Q H7N0t) được biến dổi theo phương trình;

CsH.NO + 5 0 -> SCO + NH, + 2 H : 0Tiếp theo amoniac có Ihế bị ỏxy hoá, do vậy có thế viết (Iưoc phương trình tổng quát;

Đ ê đ á n h giá đ ộ ổn định cỉia cặn, người ta dìiiig các tiêu chuắn:

- Mức độ hổ hấp của bùn: 0,1 kg 02/kg chất hữu cơ trong ngay ở nhiệt độ 20"c

- Độ giảm trọng lượng: Dưới 107r sau 12()h SIIC k h í ờ 20 ’c (trong trường hợp lượng òxy bằng 2 nig/1)

191

Hình 13.5: Sự biến đổi của tỉ lệ gidm chất hữu cơE% khi ổn định hiến khi

a) Thời i>ian ổn cíịiĩli, ngày; hj Nhiệt độ (°C) xtlìời íỊÌan ổn định (nnày)

Cũng có thể đánh giá bằng lượng axit bay hơi được tạo thành và lượng nitơ đã

Ổn định hiếu khí có thể thực hiện ở 2 chế độ: chế độ ấm (tới SO^C) và chế độ nóng (trên 50°C) ở chế độ nóng, nếu nồng độ chất hữu cơ > 30% (tính theo chất không tro) thì quá trình có thể "tự nhiệt' - nghĩa là năng lượng do các phản ứng sinh hoá tạo ra đủ

để hâm nóng cặn

13.2.2 Sơ đồ của quá trình bùn hoạt tính

Khi làm thoáng hỗn hợp nước thải với bùn hoạt tính, thì quá trình xử lí nước thải được thực hiện và số lượng bùn hoạt tính tăng lên do mức tăng sinh khối Nếu quá trình

đó tiếp tục một thời gian đủ lâu, thì sau khi đạt được giá trị tối đa nào đó, khối lượng bùn trong hê thống giảm dần

Hình 13.6 giới thiệu các hiện tượng đồng hành trong quá trình bùn hoạt tính nước thải.Trong phần lớn các trường hợp thì tính chất và nồng độ chất nhiễm bẩn nước thải ở bể

xử lí hiếu khí với giải pháp vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng (bể aeroten) tưcmg ứng vói đoạn

BC của đường cong thay đổi nồng độ bùn Tải trọng trên bùn trong trường hợp này là

150 -ỉ- 400mg BOD trên Ig chất không tro trong ngày BOD-,0 lúc ban đầu không lớn, bằng tung độ KH Để thực hiện quá trình bùn hoạt tính đòi hỏi một thời gian t| còn kết quả xử lí đạt mức tăng bùn là AS|

Phần lớn chất nhiễm bẩn được ôxy hoá ngay ở thời gian đầu khi thực hiện làm thoáng, thể hiện ở chỗ hàm lượng BOD cao lúc ban đầu, sau đó giảm nhanh tới nhu cầu

ở giai đoạn "hô hấp nội bào" Người ta gọi quá trình này là làm thoáng cổ điển hoặc lànn thoáng thông thưòng

192

Khi nồng độ các chất nhiễm bẩn nước thải cao (với BODio lúc ban đầu > 500mg/l) thì quá trình được biểu diễn bởi đoạn AC Thời gian xử lí tăng lén tới t2; còn mức tăng của bùn trong hệ thống là ASt; tải trọng trên bùn vào khoảng 400 -ỉ- lOOOmg BOD20 trên

Ig chất không tro trong ngày

Phụ thuộc vào nồng độ và thời gian lưu bùn trong hệ thống làm thoáng mà BOD sẽ giảm tới một giới hạn xác định, sau đó thì không giảm nữa Dưới giới hạn đó, tốc độ ôxy hoá phụ thuộc vào hàm lượng chất bẩn còn lại Nhu cầu ôxy trên đoạn EF, hoặc là không đổi theo thời gian, hoặc là tăng lên không đáng kể Dưới điểm F, tốc độ tiêu thụ ôxy nhanh chóng giảm xuống và đạt mức hô hấp nội bào

Hình 13.6: Qiuin hệ íỊÌữa m ứ c tă n g h ù n và đ ộ ỵicìm B O D 2 Q

Nếu thời gian làm thoáng bình thường được kéo dài tới 13, thì nồng độ bùn ở cuối quá trình xác định bởi điểm D, nghĩa là hầu như bằng nồng độ lúc ban đầu Nói cách khác là toàn bộ lượng bùn được tạo thành trong thời gian t3 đã kịp khoáng hoá Quá trình này gọi là ôxy hoá hoàn toàn ở bể aeroten hoặc làm thoáng kéo dài v.v Gần đây phưcíng pháp xử lí này được áp dụng rộng rãi Đối với những trạm công suất nhỏ, nếu bỏ bể lắng đợt I thì bùn sẽ được ôxy hoá đầy đủ ở bể aeroten và cũng sẽ bỏ qua được công trình xử

lí cặn (ngoại trừ các công trình làm khô cặn)

Trên thực tế không thể thực hiện quá tiình khoáng hoá hoàn toàn được, nghĩa là không thể đạt AS = 0 Bùn hoạt tính có thể ôxy hoá đạt 35 -ỉ- 70% (tính theo khối lượng), phần còn lại gồm: các chất ôxy hoá sinh hoá và các vi sinh có sức ỳ Phần này đọng lại

193

trong các công trình và được lấy ra sau đó Đối với bể aeroten làm thoáng kéo dài, tải

Quá trình ôxv hoá hoàn loàn có thể xảy ra ở 2 giai đoạn:

1 Với thcfi gian tị - xử lí nuớc chải tới mức yêu cầu;

2 Với thòi gian Í3 - xử lí bùn hoạt tinh dư AS| (sau khi nén), tổng thời gian t| + t3 = Í4

là kết quả xử lí chung, tương tự như sơ đó ôxy hoá hoàn toàn nhưng giảm được thể tích công trình vì trong t3 chỉ ôxy hoá đối với bùn hoạt tính Nồng độ bùn ở đây cao hơn 3 ^5 lần nồng độ bùn ở bể aeroten

13.2.3 Phán loại bể xử lí hiếu khí với giải pháp vi khuẩn ở trạng thái iơ lửng (bể aeroten)

* Phân loại theo nguyên tắc làm việc

- Bể aeroten thông thường; thời gian làm thoáng t| (hình 13.6), áp dụng để xử lí sinh

hoá nước thải với công suất lớn

- Bể aeroten ôxy hoá hoàn toàn còn được gọi là bể aeroten kéo dài thời gian làm thoáng t4 = t| + t3 (hình 13.6) Trong đó t3 chính là thời gian ổn định hiếu khí bùn cặn

- Bể aeroten sức chứa cao, áp dụng để xử lí nước thải có nồng độ nhiễm bẩn cao BOD^o > 500mg/l Tải trọng trên bùn vào khoảng 400 -ỉ- 1000 mg/g bùn khô không tro trong ngày Thời gian làm thoáng tưofng ứng t2-

* Phán theo sơ đồ công nghệ: có aeroten một bậc và aeroten nhiều bậc.

* Phân theo cấu trúc dòng chảy: Căn cứ vào phương pháp đưa nước và bùn hoại tính

vào và ra khỏi bể: Bể aeroten - đẩy, bể aeroten - trộn và bể aeroten kết hợp

*Phân biệt theo phươỉig pháp làm thoáng: aeroten làm thoáng bằng máy bơm khí

nén; aeroten làm thoáng bằng máy khuấy cơ học; và aeroten kết hợp Ngoài ra, cũng cần

kể đến loại aeroten làm thoáng áp lực thấp, tức là không dùng bơm khí nén mà dùng quạt gió

13.2.4 Sơ đồ xử lí nước thải với bể aeroten

Sơ đổ 1: Xử lí hoàn toàn ở bể aeroten một bậc không có ngàn tái sinh bùn hoạt tính,

ưu điểm là thiết bị kĩ thuật và quản lí đơn giản, được áp dụng rộng rãi

194

Sơ đổ 2: Xử lí hoàn toàn ờ bê’ aeroten một bậc có ngãn tái sinh bùn hoạt tính.

Sơ đồ 3: Xử lí nước thải ờ bể aeroten - đẩy 2 bậc không có ngăn tái sinh bùn hoạt

tính Bậc 2 dùng để xử lí thêm

Hình 13.9

Sơ đồ 4: Xử lí nước thải ờ bè aeroten 2 bậc có ngăn tái sinh hùn hoạt tính Ngăn tái

sinh ỏ đây đóng vai trò đảm bảo thêm cho tính an toàn cùa hệ thống

4

. ♦ 1

Bùn hoạt tính dư

: Xả sự cố

Hinh 13.10:

Bùn hoạt tính dư

1 Bể aeroten bậc I; 2 Bê lắng 2 bậc I; 3 Bể aeroten bâc 2;

4 Bể lắng 2 bậc 11; 5 Ngãn tái sinh bùn hoạt tính bậc I; 6 Ngăn tái sinh bùn hoạt tính bậc II.

195

Sơ đồ 5: Xử lí hoàn toàn ở bể aeroten tải trọng cao không có ngãn tái sinh Sơ đồ này

tuần hoàn, cho vào bể aeroten đã làm thoáng trong khoảng thời gian từ 1 -ỉ- 3 giờ Nồng

độ bùn hoạt tính trong bể a < lOOOmg/1 Bằng cách điều chỉnh lượng khí cấp vào và lượng bùn hoạt tính tuần hoàn Lượng BOD khử được từ 60 -r 65%

Sơ đồ 6: Xử lí nước thải ở bể aeroten - trộn, aeroten kết hợp đẩy - trộn.

Tăng hiệu quả của bể aeroten có thể đạt được bằng cách làm điểu hoà tốc độ tiêu thụ ôxy trên cả chiều dài của bể Để đạt được mục đích đó có thể cho nước thải và bíin vàc

bể aeroten tại nhiều điểm khác nhau Có 2 trường hợp cần quan tâm:

3 -r 4m Nước đã xử lí thu về máng đối diện (xem hình 13.11)

Bùn hoat tính tuăn hoàn Nước từ bể lẳng ĩ

l^ ống khí

Nước ra khói bể

Hình 13.11

- Trường hợp aeroten đẩy - trộn Nước xả vào 4 vị trí ở nửa đầu của bể Tại vị trí đầu

xả 10% tổng lưu lượng nước, tại vị trí 2 và 3 mỗi nơi 35%, còn tại vị trí 4 xả 20% Bùn hoạt tính đưa vào tại một điểm đầu bể Nưóc đã xử lí thu về máng đặt ở cuối bể

Loại bể này chủ yếu dùng để xử lí nước thải có nồng độ nhiễm bẩn cao và thành phần tính chất thay đổi thất thường (nước công nghiệp hoặc nước hỗn hợp dân dụng và cóng nghiệp)

Sơ đồ 7: Xử lí nước thải ở bể aeroten - lắng Nguyên tắc làm việc tương tự như bể

aeroten - trộn, nhưng bể lắng đợt II được hợp khối với bể aerôten Bùn được tách khỏi nước thải không bằng cách lắng trọng lực, mà thực hiện khi cho nước đi qua lớp chất lơ lửng Qua quan sát thực tế có thể thấy lượng cặn lơ lửng không tăng thêm khối lượng Vì đồng thời với quá trình hình thành cặn (vào vùng lắng) thì một lượng cặn tương đưcng lắng xuống và quay trở lại vùng làm thoáng Cặn dư có thể lấy bằng máy bơm hoặc bảng

áp lực thuỷ tĩnh

Sơ đồ bể aeroten - lắng có thể xử lí nước thải ở mức độ hoàn toàn, khả năng ôxy ìoả

196

T - Nhiệt độ trung bình nãm cùa nước thải, (”C).

Sơ dồ aeroíen - lắng có ưu điểm;

- Cặn có thể lấy bằng máy bơm hoặc bằng áp lực thuỷ tĩiih;

- Không cần bom bùn tuần hoàn;

- Xây dựng phần lắng rẻ ỈKín xây dựng bể lắng

Tuy nhiên cũng có khuyết điểm là khóng điều chỉnh được chế độ công tác của bể khi

bể làm việc quá tải và không có bộ phận tái sinh hoạt tính của bùn

Hiệu quả làin sạch của bể aeroten phụ thuộc vào đặc tính thuỷ lực của bể hay còn gọi

là hệ số sử dụng thể tích của bể, phương pháp nạp chất nền vào bể và phương pháp thu hỗn hợp bùn hoạt tính ra khỏi bể, kiểu dáng và đặc trưng thuỷ lực của các thiết bị làm

197

thoáng, thòi gian làm thoáng, Do đó khi thiết kế cần tính đến những ảnh hường này để chọn kiểu dáng và kích thước bể cho phù hợp với yêu cầu xử lí đặt ra.

Sau đây xét một vài trưòmg hợp phổ biến thường gặp trong khi nghiên cứu thiết kế công trình

1 B ểaeroten làm việc theo m ẻ

Bể eroten làm việc theo mẻ là bể aeroten làm việc không liên tục Thường người ta cho nước thải vào đầy bể với thời gian t|, khuấy trộn trong thời gian sau đó đê lắng yên trong thời gian rồi tháo nước ra với thời gian 14

Trong thời gian t2, nếu cường độ khuấy trộn đủ lớn (khuấy trộn hoàn chỉnh), dung tích bể được sử dụng hoàn toàn (tức là sử dụng 100% thể tích bể) Đối với giai đoạn lắng

13, vì nồng độ bùn được phân bố đều trong toàn bộ thể tích khi khuấy trộn và lắng, lực trọng trường và lực cản tác dụng lên hạt cặn ở mọi điểm trong bể, nên hệ số sử dụng thể tích là 100%

2. B ểa e ro ten làm việc liên tục

Loại bể này được khuấy trộn hoàn chỉnh bằng thiết bị làm thoáng bề mặt hay bằng giàn ống xương cá, rãnh thấm,

Để đánh giá mức độ sử dụng thể tích của bể phải tiến hành thí nghiệm đo nồng độ các phần tử chất chỉ thị đi ra khỏi bể theo thời gian Thí nghiệm tiến hành như sau: Đổ nước vào đầy bể, cho X gam chất chỉ thị vào bể (chất chỉ thị thường là chất trơ không gày phản ứng hoá học là chất có màu hoặc bùn trơ) Khuấy trộn đều để đạt nồng độ chất chi thị trong bể Cq = XA^ (V - thể tích bể), mở van cho lưu lượng nước Q liên tục chảy vào bê và

ra khỏi bể, sau một khoảng thời gian Al = 5 -r 10 phút, lấy mẫu nước đè đo nồng độ chất chỉ thị úhg với thời điểm t = 0 ta có c = c„: tị = Al có: c = Cj t| = iAt, c = c,

Từ phưotng trình cân bằng khối lượng, ta rút ra được:

(13.25)Hình 13.13 giới thiệu đưòfiig cong phụ thuộc giữa nồng độ chất chí thị với thời gian lưu nước trong bể

Hình 13.13: Nổn^ áộ chất chỉ thị

với thời ^ian liũi nước

198

3 Bé aeroten có các ngăn trộn hoàn chỉnh đặt nôi tiếp thành dãy

Tại thời điểm tị, nồng độ chất chỉ thị ở đáu ra có thể xác định theo công thức:

( i -1)!

(13.26)

Trong đó; Cq - Nồng độ chất chỉ thị ở đầu vào, (mg/1);

C| - Nồng độ chất chỉ thị ở đầu ra tại thời điếm tị, (mg/1);

n - Số bể trộn nối tiếp trong bể

Hình 13.14 giới thiệu đồ thị phụ thuộc giữa nồng độ chất chỉ thị ở đầu ra của bể với thời gian lấy mẫu

Hiệu quả sử dụng thể tích:

Trong đó: P|0 và P90 - Giá trị thời gian ứng với nồng độ tích luỹ đạt 10% và 90% khối lượng chất chỉ thị đã đi qua bể, lấy theo biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian và khối lượng tích luỹ theo thời gian của chất chỉ thị Pj = ZAt.C| trên toạ độ logarit

Hinh 13.14: Quan hệ iỊÌữa nổ/iíỊ độ chất chỉ thị tại đầu ra cùa h ể với thời ^ian lấy mẫu

Hình 13.15 giới thiệu mối quan hệ giữa giá trị thời gian ứng với % khối lượng tích luỹ của chất chỉ thị

4 B ể aeroten với dòng chảy đều

Tuy không tạo được bể aeroten có dòng chảy đều lí tưởng c, = C q , tj = tg, nhưng hiệu quả sử dụng thể tích của các bể aeroten cổ điển và các bế nước chuyển động tịnh tiến đều đat rất cao

199

Nóng độ ffnh luỹ p = l A t X Cị

Hình 13.15: Đổ thị quan hệ giữa thời gian và % khối lượng tích luỹ chất chỉ thị

13.2.6 Tính toán thiết k ế bể aeroten

1 Các ch ỉ tiêu thiết kê'

a) Dung tích hể: Dung tích bể có thể xác định theo một số công thức sau đây;

- Xác định dung tích bể theo tỉ số khối lượng chất nền và khối lượng bùn hoạt tính F/M:

XM

Q - Lưu lượng tính toán nước thải, m % g à y ;

X - Nồng độ bùn hoạt tính (cặn hữu cơ bay hơi), mg/1;

2 0 0

F/M - Tỉ lộ BOD5 có trong nước thải và bùn hoạt tính (mg B0D5/mg bùn);

p - Tốc độ sử dụng chất nền của 1 gam bùn hoạt tính trong ngày (gBODs/lg bùn ngày);

z - Độ tro của cặn, thường lấy bằng 0,3;

0g - Tuổi của bùn, ngày;

- Hệ số phân huỷ nội bào, ngày'';

S3 - Tải trọng các chất hữu cơ được xử lí trên một đơn vị thể tích của bể xử lí, (kgBOD^/lm^ngày)

Khi thiết kế, nếu không có sẵn các chỉ tiêu rút ra từ mô hình chạy thử, có thể lựa chọn theo bảng 13.1

Bảng 13.1 Giá trị điển hình của các thông số thiết kế bể aeroten

Loại và

chức nãng

F/M (gBODựg bùn hoạt tính)

lơ lửng,

X ( m g ^ )

e = V/Q (giờ)

a - Q-p/Q

tỉ lệ tuần hoàn

0,04 0.08

0,32 0,64 0,8 0 - 1,90

0,64 ^ 0,96

0,08 ^ 0,320,048 4-0,1400,08 ^0,24 0,08 - 0,24 0,08 + 0,24

0 ,5 0 - 1,50

0 ,5 0 -1 5 0

201

b) Tuần hoàn bùn hoạt tính

Mục đích của việc tuần hoàn bùn hoạt tính là để duy trì đủ nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng trong bể aeroten đáp ứng với yêu cầu xử lí đã đặt ra

Lượng bùn tuần hoàn có thể xác định theo phương trình cân bằng khối lượng bùn hoạt tính trong hệ thống:

Trong thực tế nồng độ bùn trong nước thải đưa vào bể Xg là không đáng kể, ta có:

(13.33)

Trong đó: a - Tỉ lệ tuần hoàn;

Q - Lưu lượng nước thải đưa vào bể, m^/h;

Q, - Lưu lượng bùn tuần hoàn, m/h;

Xj - Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn (bùn sau khi lắng ở bể lắng đợt II), mg/1;

X - Nồng độ bùn hoạt tính duy trì ở trong bể aeroten, mg/1;

Xp - Nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải đầu vào, mg/1

c) Bùn dư

Sau khi xử lí qua bể aeroten, bùn hoạt tính được giữ lại ở bể lắng đợt I Một phần cho tuần hoàn trở lại bể aeroten với mục đích duy trì đủ nồng độ bùn hoạt tính trong bể, một lượng khác dư thừa cần đưa đi xử lí tiếp

Lượng bùn dư có thể xác định từ phương trình xác định tuổi bùn 0^,;

X, - Nồng độ bùn hoạt tính trong dòng tuần hoàn, mg/1;

X - Nồng độ bùn hoạt tính trong bể aeroten, mg/1;

X^a - Nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải sau bể lắng đọft II, mg/1;

Qra - Lưu lượng nước thải ra khỏi bể lắng đợt II, m % g ày ;9^ - Thời gian lun bùn trong hệ thống, ngày

202

Trong đó: s s - Hàm lượng cặn lơ lửng có trong nước thái, mg/1 hoặc g/m^;

Q - Lưu lượng nước thải đi xử lí, nrVngày

e) Thời Ịịiuìì ìàni tììoútig

Thời gian làm thoáng ở ngăn tiếp xúc và ngăn tái sinh xác định theo các công thức (13.39), (13.41), (13.42)

f ) Lượng ôxy cần thiết

Lượng ôxy cần thiết cho quá trình xử lí nước thải bằng sinh học gồm lượng ôxy cần

để làm sạch BOD, ôxy hoá amoni N H4 thành N O , , khử N O ,

Trong đó: e^, - Lượng ôxy cần thiết theo diều kiện tiêu cliuriti của phản ứng ở 20"C;

Q - Lưu lượng nước thải đầu vào, mVngày;

Sj, - Nồng độ BOD của nước thải đầu vào, g/m ^

s - Nồng độ BOD của nước thải đầu ra, g/nr^

Px - Phần tế bào dư xả theo bùn dư: = Y[,Q(S^, - S )1 0 '\ kg/ngày;

1,42 - Hệ số chuyến đổi từ tế bào sane COD;

N„ - Tổng hàm lượng nitơ trong nước thải đầu vào, g/m^;

N - Tổng hàm lượng nitơ trong nước thái đầu ra, g/m^;

4,57 - Hệ số sử dụng ôxy khi ôxy hoá NH4 thành N O3

203

Lượng ôxy cần thiết trong điều kiện thực tế;

P C ^ H - C ,Trong đó:

p - Hệ số điều chỉnh lực căng bề mặt theo hàm lượng muối, đối với nước thải thường lấy p = 1;

Csh - Nồng độ ôxy bão hoà trong nước sạch ứng với nhiệt độ và cao độ trim

xử lí mg/l;

Q - Nồng độ ôxy cần duy trì trong công trình (mg/1) Khi xử lí nước tiải

a - Hệ số điều chỉnh lượng ôxy thâm nhập vào nước thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt động bể mặt, loại thiết bị làm thoáng, hnh dáng và kích thước, có giá trị từ 0,6 ^ 0,94

2 Tính toán bểaeroten theo phương pháp tổng quát

Tính toán bể Aeroten bao gồm việc xác định kích thước bể, và các thông số thiết kế

đã liệt kê ở Phần 1 mục 13.2.6

Có nhiều phương pháp tính toán được sử dụng Sau đây giới thiệu phương pháp tnh toán tổng quát Phương pháp này có thể áp dụng chung cho tất cả các loại bể aerottn Tuy nhiên, nếu muốn tính toán cho công trình quy mô lớn cần phải tham khảo thêm các phương pháp và các thông số khác nữa

Thời gian làm thoáng t, xác định theo công thức;

a ( l - Z ) pTrong đó: Sq, S - BOD20 của nước thải trước và sau khi xử lí, m g/1;

a - Liều lượng bùn hoạt tính theo chất khô, g/1;

z - Độ tro của bùn, lấy bằng 0,3;

p - Tốc độ sử dụng chất nền, mg BOD20 tính trên 1 gam chất không ro trong giờ

Thể tích công tác của bể:

Q - Lưu lượng tính toán nước thải, m^/h

Nếu hệ số không điều hoà chung kj < 1,25, thì lưu lượng tính toán lấy bằng lưu lượig trung bình giờ trong ngày Còn nếu kg > 1,25, thì lưu lượng tính toán lấy bằng lưu lượig trung bình giờ với chu kì làm thoáng tối đa (khi lưu lượng nước là tối đa)

204

Khi thành lập công thức (13.39) người ta coi phần hoat lính của bùn là chất không tro Số lượng tế bào và tính hoạt tính của bùn xác định caii cứ vào các giai đoạn phát triển sinh khối Chính vì vậy mà có khi có cùng sỏ lưcriii: c h ấ i lưrmg bùn, nhưng tốc độ

sử dụng chất nền (tốc độ ôxy hoá) lại khác nhau

Trong công thức (13.39) người ta khắng định nóng đỏ bùn càng cao thì tốc độ ôxy hoá càng cao Trong thực tế điều đó có những phức tạp, vì giá trị p là hàm của a Song nồng độ bùn càng đậm đặc, thì thời gian ôxy hoá càng ít và thê tích yêu cầu của công trình nhỏ hơn Nhung cũng như đã nói ở trên, nồng độ bùn trong hỗn hợp ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc của bể lắng II, thông thưòfng không đưoc vượt quá 1,5 3mg/1 Liềulượng bùn lấy với giá trị lớn khi BOD đầu vào lớn Vơi s, < lOOnig/1, a = l,2g/l;

= 100 ^ 150 mg/1, a = l,5g/l; s„ = 150 ^ 200 mg/1, a = l,8g/l và s„ > 200 mg/1,

a = 1,8 3,0 g/1 ở bể aeroten khoáng hoá bùn triệt đế a = 5g,'l ( xừ lí hoàn toàn)

Độ tro của bùn ở bể aeroten lấy bằng 0,3, còn khi khoánu hoá ti iêt để độ tro của bùn xấp xỉ 0,35,

Tốc độ sử dụng chất nền trung bình p đối với nước thai đô thị có thế lấy theo bảng13.2 Với Sq và s nằm giữa các giá trị ở trong bảng thì p tính bằng nội suy, đối với aeroten khoáng hoá hoàn toàn thì p lấy bằng 4mg BODiotính irên Igam châì không tro trong giờ

Giá trị t tính theo công thức (13.39) đúng cho triròiig (iưỊ-) nhiệt độ trung bình

T = 15“c Với những nhiệt độ khác giá trị t cần nhân thêm lnệ số 15/T lliời gian làm thoáng không ít hơn 2 giờ

(đối với bể aeroten - trộn)

Đối với aeroten không có ngăn tái sinh với a > 1,8 mg/1 và

aeroten có ngăn tái sinh bùn hoạt tính

Khi thiết kế bể aeroten có ngăn tái sinh, người ta tính riêng các thời gian xử lí nước tổng thời gian ôxy hoá chất nhiễm bẩn tg và hiệu số giữa chúng - tức là thòi gian lưu bùn trong ngăn phục hồi tjj, giờ.

Tính toán theo công thức;

tái sinh (lấy bằng 4 g/1);

a - Tỉ lệ giữa bùn tuần hoàn và lưu lượng nước thải

Thể tích công trình tính theo công thức:

Khi thiết k ế b ể aeroten hai bậc, tính toán được tiến hành theo công thức (13.39), trong đó

ở bậc I khử 50% các chất bẩn, ở bậc n khử 50% Các giá trị p lấy theo bảng (13.2)

Lưu lượng đơn vị không khí để xử lí Im^ nước thải D, mVm^;

D = - (13.49)

k , k2n | n2(Ch - C )

Trong đó: e - Lượng ôxy cần thiết, mg O2, để giảm 1 mg BOD20 (khi xử lí hoàn toàn

lấy bằng I,lm g/m g; khi xử lí không hoàn toàn lấy gần bằng 0,9; và với

aeroten khoáng hoá bùn triệt để lấy gần bằng 2,2 mg/mg);

kị - Hệ số tính đến loại thiết bị làm thoáng, lấy theo bảng 13.3;

206

k .2 - Hệ số phụ thuộc độ ngập thiết bị làm thoáng, láy theo bảng 13.4;

ri| - Hệ số có tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ:

n, = 1+0,02 ( T -20),

T - Nhiệt độ trung bình của nưóc thải trong mùa hè;

n, - Hệ số có tính đến sự thay đổi tốc độ chuyển dời ôxy trong hỗn hợp bùn tương ứng với tốc độ chuyển dời của nó trong nước sạch (hệ số chất lượng nước, phụ thuộc cơ bản vào những việc làm thay đổi sức căng mặt ĩigoài của nước);

Cf, - Độ hoà tan ôxv, lấy phụ thuộc vào chiều sâu ngập nước của thiết bị làm thoáng:

10,3 + h / 2

C h = C ,

Trong đó: h - Chiều sâu ngập thiết bị làm thoáng;

c, - Độ hoà tan ôxy, phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, mg/1 (lấy theo bảng phụ lục II của giáo trình "Xử lý nước thải", Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 1996 của PGS TS Hoàng Huệ);

c - Nồng độ hoà tan tối thiểu ôxy trong bể aeroten, lấy bằng 2 mg/1

Ghi chú: f - diện tích vùng (Ịirợc làm thoáng, lấy hằng diện tích mà lliiết hị phán tán họt khí chiêhi

cho khoảnỊỊ trống giữa nlìữnỊỊ thiết hị đó cũng được c oi lủ vừnỊị làin thoáng,

Nếu cirờiig độ tính theo còng Ihức (13.51) mà lớn hơn 1^3^, thì cần tăng diện tích làm

Mức lăng sinh khối của bùn Irong hệ thống làm thoáng có thể xác định theo công thức (13.36)

Trong đó: s s - Hàm lượng cặn lơ limg trong nước thải lên bể aeroten , mg/1;

Sj, - Hàm lượng BOD của nước thải đi xử lí, mg.I

Đối với bẽ aeroten khoáng hoá hùn triệt để, thì kết quả tính toán theo công thức (13.52) cần bổ sung hệ số 0,7 Còn khi tính toán bể cô đặc bùn và hệ thống bơm, thì mức

độ tãng sinh khối thêm 30%, có xét đến chế độ công tác của hệ thống làm thoáng không đồng dềii theo các mùa

Mức tăng sinh khối bùn bang mức giảm chất nhiễm bẩn bởi quá Lình ôxy hoá hoàn toàn (quá Irình tạo thành CO2 và H1O)

3 Phương pháp tính toán b ế aeroten trên cơ sở động học phản ứng các men

Tất cá các lí thuyết về quá trình sinh hoá hiện tại đều được xây dựng trên cơ sở quy luật phán ứng men Sự tạo thành tổ hạp các chất men có ý nghĩa quan trọng trong cơ chế

xúc tác men ớ giai đoạn đầu ciia quá trình x ú c tác giữa chất n ề n (chất bẩn hữu c ơ) và

men xuất hiện liên kết cộng hoá trị hay một loại liên kết nào đó ở giai đoạn II, dưới tác động của các men, chất nền phải chịu sự thay đổi và trở nên dễ dàng sử dụng hoìi đối với các phản ứng tưcmg ứng ở giai đoạn III diễn ra các phản ứng hoá học trên bề mặt các men, và cuối cùng ở giai đoạn IV các sản phẩm được tạo thành của các phản ứng đượcgiải phóng khỏi tổ hợp các sản phẩm men

ứiig p, thì các phản ứng diễn ra theo luần tự sau:

Giả thiết rằng phán ứng có dạng (13.54):

k- 1

208

Trong đó: k^|, k_|, - Hệ số tốc độ của các phản ứng tưcmg ứng.

Trong trường hợp này, tốc độ chung của phản ứng được xác định bằng nồng độ tổ hợp men - chất nền [ES] ở giai đoạn tĩnh của quá trình, nếu [S] » [ E ] , thì nồng độ [ES]

sẽ tổn tại mãi như thế mỗi khi bất đẳng thức chưa thay đổi Như vậy địểư kiện không lưu động của quá trình là:

I(d[ES]/dt) = 0Tốc độ thay đổi nồng độ tổ hợp xác định bởi hệ thức của các tốc độ thuận và nghịch

z (d[ES]/dt) = (k^,)[E].[Sl - (k.,)[ES] - (k, 2) [ES] (13.55)

Kí hiệu nồng độ chung của men [Elp Vì [E]q = [E] + [ES], nên:

và cùng với biểu thức (13.57) ta có:

Phương trình (13.60) là phưcrtig trình động học cơ bản của các phản ứng men đơn

-kMentin cho rằng, nồng độ tổ hợp [ESI cũng xác định bởi tỉ lệ

k+iCãn cứ vào phương trình (13.60), thì tốc độ không lưu động của phản ứng men đơn giản phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của men Theo thực nghiêm cho thấy quy luật trên

áp dụng được cho các phản ứng men khác nhau về nồng độ và đảm bảo với điều kiện [E]q « [S] Nếu nồng độ men tăng vượt ra ngoài phạm vi giới hạn đó (hoặc giảm thấp nồng độ chất nền), thì không tồn tại quy luật tuyến tính nữa

Sự phụ thuộc tốc độ không lưu động của phản ứng men đối với nồng độ chất nền biểu diễn bởi hàm số hipecbol Với nồng độ chất nền tối đa [SJ « k,^, có thể lấy + [S] w kj^,

và thành thử:

2 0 9

V = (k^2) [E]„ [S]/k^ (13.61)Như vậy, với nồng độ chất nền là tối đa thì tốc độ phản ứng men gần với quy luật đường thẳng, thay đổi với thay đổi nồng độ chất nền Khi tăng nồng độ chất nền lên một cách đáng kể [S] » k^, có thể tính kn, + [S] [S].

Trong trường hợp đó phương trình (13.60) có dạng:

Do đó, với những nồng độ nào đó của chất nền, tốc độ không lưu động của phản ứng đạt giá trị không đổi, không phụ thuộc vào mức tăng tiếp tục của [S] Tốc độ không đổi của phản ứng men đạt được khi bão hoà chất nền gọi là tốc độ tối đa (V) nghĩa là:

Đồ thị hình 13.16 biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ chất nhiễm bần với tốc độ phản ứng theo phương trình Mikhailic - Mentin

phải những khó khăn về kĩ thuật, vì biểu thức phụ thuộc có đặc tính hipecbol Người ta

đã đưa ra một số biến đổi phưofng trình Mikhailic - Mentin và hàm luyến tính Được sử dụng rộng rãi hơn cả là phưcíng trình của Lainuver và Bercom:

Hình 13.16: Tốc độ phàn ửiìíỊ men theo

phương trình Miklìaịlic - Mentiii

210

Khi xử lí các thông sô' thực nghiệm theo phương trình (13.65), trên trục tung ta đặt các giá trị nghịch đảo của tốc độ không liai động của phản ứiig men, còn trên trục hoành - các giá trị nghịch đảo của nồng độ tương ứng của chất nền Trong đó nếu phản ứng tuân theo phương trình Mikhailic - Mentin thì sẽ có đường thẳng cắl trục tung một đoạn tưong ứng

Phương trình Mikhailic - Mentin được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về phản ứng sinh hoá, thậm chí trong nghiên cứu về phản ứng một loại men cụ thể nào đó

Trong kĩ thuật xử lí nước thải thì từ "chất nến" được hiểu là nồng độ các chất bẩn tính theo BOD, còn từ "nồng độ men" được hiểu là nồng độ bùn hoạt tính

Đối với trường hợp xử lí sinh hoấ nước thải trong điều kiện tải trọng trên bùn cao, nồng độ các chất hữu cơ cao hơn khả năng tích đọng bùn, thì tốc độ xử lí V đạt giá trị cực đại và quá trình xáy ra không phụ thuộc vào BOD của hỗn hợp bùn và nước thải Khi các chất nhiễm bẩn thuộc nguồn gốc cácbon trở nên ít, phản ứng sinh hoá chuyển qua vùng bậc một và phụ thuộc trước hết vào nồng độ bùn hoạt tính và sau đó vào nồng

độ chất nhiễm bẩn còn lại, nghĩa là vào L, Trong giai đoạn hô hấp nội bào, tốc độ phản ứng cũng biểu thị bằng phương trình bậc một tương ứng với nồng độ bùn

Nếu xử lí nước thải tiến hành ờ bê aeroten, thì cũng như đã nói ở trên, với tải trọng chất nhiễm bẩn trên bùn không đổi, tốc độ của quá trình cũng không đổi và nằm trong một vùng động học nào đó Nếu xử lí nước thải ở trên aeroten - đẩy, thì tốc độ phản ứng thay đổi một số lần và có thể biếu thị hởi hệ thống phươiig trình tổng quát, nhưng với số lượng lớn các hệ số thực nghiệm

Hiện tại tính toán bê aeroten tiến hành theo chỉ tiêu cliung: Tốc độ ôxy hoá lấy trung bình cho cả quá trình xử lí có tính đến sự phức tạp của quá trình động học khác nhau, phụ thuộc loại aeroten được chọn, nehla là phụ thuộc vào điều kiện khuấy trộn thể tích công trình

13.2.7 Cấu tạo bê aeroten và hệ thông làm thoáng

Tuỳ thuộc vào phương pháp làm thoáng mà người ta phân biệt bể aeroten:

- Làm thoáng bằng khí nén;

- Làm thoáng bể mặt hoặc bằng cơ học;

- Làm thoáng dạng kết hợp khí nén với cơ học

1 Lựa chọn cấu tạo bểaeroten

Bể aeroten có thê xây bằng gạch, đổ bằng bê tông côì thép, thường là hình chữ nhật trẻn mặt bằng gồin một hoặc nhiều ngăn (đơn nguyên) Mỗi ngăn có thể chia làm nhiều hành lang (thường khi công suất xử lí lớn) Giữa các hành lang ngăn cách bằng tường dọc lửng không kéo dài tới tirèfng ngang Hỗn hợp nưóc - bùn cho chạy dọc theo các hành lang Tiết diện ngang của hành lang có thể hình vuông hoặc chữ nhật Chiều sâu H thường lấy từ 3 -H 7m Tỉiông thường chiều rộng hành lang lấy B < 2H và chiều dài bể không nhỏ hơn (5 ^10)B

211

Bể aeroten kiểu một hành lang chỉ dùng với các trạm xử lí nhỏ và làm việc theo sơ đồ không tái sinh bùn hoạt tính Nước thải sau khi lắng ở bể lắng đợt I và bùn hoạt tính tuần hoàn từ bể lắng đợt II cho vào đầu hành lang (máng phân phối nước và bùn nằm ở phía trước bể, máng phân phối nước đặt cao hơn máng phân phối bùn), nước đã xử lí thu ở phía sau bể.

Hình 13.17 trình bày sơ đồ các bể aeroten với 2, 3, 4 hành lang

Bể aeroten hai hành lang, thưòng dùng hành lang đầu để lái sinh bùn hoạt tính Loại

bể này dùng để xử lí nước thải với công suất nhỏ và vừa

Bể aeroten ba hành lang làm việc tiện lợi khi không có ngăn tái sinh bùn hoạt tính hoặc cũng có thể dùng 1 hoặc 2 ngăn đầu để tái sinh bùn hoạt tính Khi đó dung tích của

Bể aeroten bốn hành lang có nhiều ưu điểm, có thể làm việc với bất kì sơ đồ công nghệ nào Dung tích các ngăn tái sinh bùn hoạt tính có thể chiếm 25 H-75% tổng dung tích bể

Khi dùng thiết bị cơ khí làm thoáng bề mặt, tốt nhất là thiết k ế mỗi bể đặt một thiết bị làm thoáng (aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh) Khi đặt nhiều thiết bị làm thoáng trong một

bể, chọn tỉ số giữa chiều dài trên chiều rộng bằng số thiết bị đặt trong bể, thiết bị đặt tại

Trong bể aeroten phải có van tháo cạn và xả bùn Khi trạm xử lí có nhiều bê hoạt động, phải có thiết bị chia đều nước vào các bể và phải có van, cánh phai cách li các bể Trong quá trình hoạt động, trên bể mặt bể aeroten thường có váng bọt, nhũng váng bot này ngăn cản nước tiếp xúc với không khí, do đó cần có hệ thống vòi phun nước trên mặt bể Dàn ống phun nước đặt ở phía thành bể có gió thổi dồn bọt lại

Ù

aeroten 3 hãnh lang

^5

aeroten 4 hành lang

H ình 13,17: Sơ đồ ccìc h ể aeroĩen phân ỉĩ^ủn ììùnìì ỉciììịị

1 Máng phân phối nước ở phía trước bể (nước thải sau khi lắng ở bể lắng đợt ĩ); 2 Máng pnân phối nước

ở phía sau bế (nước thải sau khi láng ở bể lắng đợt I); 3 Máng dãn bùn hoạt tính tuân hoàn;

4 Máng Ihu nước sau bổ aeroten; 5 Máng nối các máng phân phối nước ở đầu và cuối bể.

212

Để làm thoáng người ta dùng khí nén phân phối đểu trong toan bộ khối nước thải cần

xử lí V iệc phân phối đểu không khí nén trong khối nước có V nghĩa to lớn, bởi vì công

suất thiết bị làm thoáng, hệ số sử dụng không khí và các chi phí quản lí đều phụ thuộc vào yếu tố này Ví dụ; Năng suất hoà tan khí vào nước phu thuộc vào:

- Kích thước bọt khí;

- Cường độ thổi khí trên bề mặt của thiết bị phân phối;

- Độ sâu ngập nước của các lỗ thoát khí;

- Vận tốc dâng lên của bọt khí và thời gian lưu trong nước của nó;

- Kích thước và hình dáng bể aeroten;

- Cách bố trí các thiết bị làm thoáng trong bể aeroten;

- Diện tích tiếp xúc giữa bọt khí và nước,

Có thể phân biệt 3 loại thiết bị làm thoáng bằng khí nén: Làm thoáng tạo ra bọt khí nhỏ, làm thoáng tạo ra bọt khí vừa và làm thoáng tạo ra bọt khí lớn

a) Thiết hi lùm thoúììg tạo ra họt khí uììỏ

Để phân phối khí nén người ta dùng dàn ống đục lỗ với kích thước lỗ nhỏ hoặc ống

xốp hoặc rãnh phân phối đậy bằng các tấm xốp (sành xốp, bột nhựa xốp, cao su xốp, ,)

Không khí dẫn theo đường ống chính về dàn ống phân phối bằng vật liệu xốp hoặc có đục lỗ nhỏ (hình 13.18), chui qua các lỗ nhỏ và dâng lên trong khối nước xử lí

Qua kinh nghiệm quản lí của nước ngoài cho thấy, thiết bị phân phối dạng dàn ống đục lỗ, sau một thời gian làm việc các lỗ nhò dễ bị okelin vít kín và lưu lượng khí bị giảm xuống, hệ số sử dụng không cao

Giàn ống phân phối có thể ghép lại thành hình xương cá đặt càng sát đáy bể càng tốt

để cho bọt k h í lưu trong nước lâu liơii Giàn ống xương cá có thé đặt dọc theo m ột phía

của bể để tạo thành dòng chuyển dộng xoắn của hỗn hợp nước và bùn (tỉ lệ giữa chiều rộng và chiều sâu lấy vào khoảng 1,5 : 1) hoặc bố trí theo 2 thành dọc của bể (khi đó chiều rộng trên chiều dài là 3:2) Đôi khi giàn ống xương cá cũng có thể bố trí theo chiều vuông góc với thành dọc của bể, tỉ lệ chiều rộng với chiều sâu trong trường hợp này không hạn chế, khoảng cách giữa các giàn ống xương cá lấy bằng 2 đến 3 lần chiều sâu

Sử dụng phổ biến nhất là thiết bị phân phối bọt khí qua các đĩa xốp và tấm xốp Không khí dẫn theo đường ống chính tới hệ thống phân phối đặt dưới các đĩa xốp (hình 13.18) hoặc tới các máng phân phối khí đậy bằng các tấm xốp thường bố trí dọc theo hành lang của bể aeroten Những bọt khí phụt qua đĩa xốp, tấm xốp đi vào trong bể tạo cho hỗn hợp nước và bùn một chuyển động vòng xoắn

Diện tích của các đĩa và tấm xốp chiếm khoảng 10% diện tích đáy bể

Mỗi tấm xốp thường có kích thước 0,3 X 0,3 X 0,04 m và chế tạo từ nhiều loại vật liệu

khác nhau

2 Thiết bị làm thoáng bằng khí nén

2 1 3

1 Kênh dẫn nước; 2 Xả nước; 3 ố n g phân phối

không khí; 4 Ong đứng dẫn không khí;

5 Máng dẫn không khí; 6 Tấm xốp thấm khí.

Dùng dĩa, tấm xốp để tạo bọt khí có nhiều ưu điếm hơn là dùng giàn ống xưưiig cá, hệ

số sử dụng không khí lớn hơn 1,75 lần, song có nhược điểm là: Các chất bẩn, bụi có trong không khí, rỉ sắt hoặc okelin trong ống thép đen cũng có thể vít kín các lỗ rỗng của đĩa hoặc tấm xốp Ngoài ra còn có thể có các vi khuẩn phát triển ở bên trong đĩa và tấm xốp

Để phục hồi các tấm xốp, người ta phải tháo dỡ, cọ rửa tại chỗ bằng bàn chải sắt, hoặc dùng dung dịch clohydric 30% Tuy nhiên, các biện pháp này cũng chỉ phục hồi khả năng làm việc của các tấm, đĩa xốp trong một khoảng thời gian ngắn mà thôi

Lượng ôxy hòa tan (gƠT cho Im^ không khí), độ ngập h = Im, có thê tham khảo bảng phụ lục III bảnp 1

Vì vậy, khi chọn áp lực và lưu lượng máy bơm khí nén cần tính đến hệ số dự trữ và khả năng nhiễm bẩn của các tấm, đĩa xốp

b) Thiết bị ỉàm thoúng tạo ra bọt khí vừa

ở nước ngoài đặc biệt là ở Pháp, trên một số trạm xử lí nước thải, người ta sử dụng thiết bị làm thoáng tạo ra bọt khí vừa Không khí nén được đưa vào bế aeroten qua ống

2 1 4

phân phối hở hoặc đục lỗ d < 5mm cắm sâu xuống phía gần sát đáy bể Khoảng cách giữa các tâm lỗ < 4 lần đường kính lỗ Mỗi ống dài 0,8 -ỉ- 1,0m gắn với nhau thành giàn ống xưoìig cá Vận tốc không khí đi qua ống V = 10 -í- 15m/s; vận tốc ra khỏi lỗ = 5m/s;

= 20m/s Có thể dùng ống nhựa PVC, PE hay ống thép không ri

Cách đặt giàn ống tương tự như trong trường hợp thiết bị làm thoáng bọt khí nhỏ.Các nhân tố ảnh hưởng tới hiệu quả làm việc của hệ thống làm thoáng bao gồiĩi:

- Chiều sâu ngập nước của lỗ: Năng suất hoà tan ôxy vào nước tỉ lộ thuận với chiều sâu ngập nước của lỗ thoát khí:

- Hệ thống có tổn thất thuỷ lực nhỏ, đòi hỏi các lỗ đặt trên cùng một mặt phẳng ngang để đảm bảo phân phối đều;

- Hệ thống không bị tắc trít, không đòi hỏi trình độ quản lí cao, nên áp dụng cho các trạm xử lí công suất nhỏ và vừa;

- Hệ số giảm năng lượng hoà tan ôxy có thể lấy a = 0,8.

c) Thiết bị lùm thoáng tạo họt khí cỡ vừa và úp lực thấp (độ ngập của lỗ thoát khí ~ 0,8m cách m ặt nước)

Gần đây ở Thuỵ Điển, người ta dùng một loại thiết bị làm thoáng do Viện thiết kế thoát nước INDƯSTRKEMISKA A A.B (lể phân phối không khí vào bể aeroten Thiết bị

cách mặt nước - loại này thường được gọi là thiết bị INK Giàn ống đặt dọc theo bể, diện tích làm thoáng chiếm khoảng 1/2 diện tích mặt bể Nước thải cho vào bể ở phía đối diện Giữa 2 phần được ngăn cách bởi bức tường (vách ngăn) lơ lửng, thành trên cáchmực nước 0,8m và thành dưới cách đáy 0,8m (hình 13.19)

Vì áp lực nén khí không lófn, cho nên sử dụng được máy quạt gió áp lực thấp Do có vách ngăn lơ lửng mà tạo được dòng chảy xoáy dọc theo chiều dài của bể Bùn hoạt tính được cho vào đầu bể, nên khả năng tái sinh bùn có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi tỉ lệ xả nước vào bể ở cạnh đối diện với giàn ống xương cá

Công suất hòa tan ôxy vào nước của thiết bị INK có thể tham khảo phụ lục III bảng 3

d) Thiết bị lùm thoáng họt kỉìí lớ/ì

Trong hệ thống phân phối bọt khí lớn, lỗ phân phối có đưòng kính lớn hơn, từ

2 1 5