Chuong 5 Co so cac qua trinh xu ly sinh hoc

CHƯƠNG CƠ SỞ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC Phương pháp sinh học ñược ứng dụng ñể xử lý chất hữu hòa tan có nước thải số chất vô H2S, sunfit, ammonia, nitơ,… dựa sở hoạt ñộng vi sinh vật ñể phân hủy chất hữu gây ô nhiễm Vi sinh vật sử dụng chất hữu số khống chất làm thức ăn để sinh trưởng phát triển Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học phân chia thành loại: - Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động điều kiện khơng có oxy; - Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động điều kiện cung cấp oxy liên tục Quá trình phân hủy chất hữu nhờ vi sinh vật gọi trình oxy hóa sinh hóa ðể thực q trình này, chất hữu hòa tan, chất keo chất phân tán nhỏ nước thải cần di chuyển vào bên tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn sau: - Chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật; - Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm chênh lệch nồng độ bên bên ngồi tế bào; - Chuyển hóa chất tế bào vi sinh vật, sản sinh lượng tổng hợp tế bào Tốc độ q trình oy hóa sinh hóa phục thuộc vào nồng ñộ chất hữu cơ, hàm lượng tạp chất mức ñộ ổn ñịnh lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý Ở ñiều kiện xử lý định, yếu tố ảnh hưởng ñến tốc ñộ phản ứng sinh hóa chế ñộ thủy ñộng, hàm lượng oxy nước thải, nhiệt ñộ, pH, dinh dưỡng nguyên tố vi lượng 5.1 ðỘNG HỌC Q TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ (NHƯ BÀI GIẢNG) 5.2 Q TRÌNH SINH HỌC HIẾU KHÍ Q trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau: - Oxy hóa chất hữu cơ: CxHyOz + O2 - Enzyme Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + NH3 + O2 - CO2 + H2O + ∆H Enzyme CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Phân hủy nội bào: C5H7NO2 + 5O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ∆H Các trình xử lý sinh học phương pháp hiếu khí xảy ñiều kiện tự nhiên nhân tạo Trong cơng trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho q trình oxy hóa sinh hóa nên q trình xử lý có tốc độ hiệu suất cao nhiều Tùy theo trạng thái tồn vi sinh vật, trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo chia thành: - Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu ñược sử dụng ñể khử chất hữu chứa carbon trình bùn hoạt tính, hồ làm thống, bể phản ứng hoạt ñộng gián ñoạn, trình lên men phân hủy hiếu khí Trong số q trình này, q trình bùn hoạt tính q trình phổ biến 5-1 - Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám q trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate hóa với màng cố định 5.2.1 Q Trình Sinh Học Tăng Trưởng Lơ Lửng Bể Bùn Hoạt Tính Với Vi Sinh Vật Sinh Trưởng Lơ Lửng Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, trình phân hủy xảy nước thải tiếp xúc với bùn điều kiện sục khí liên tục Việc sục khí nhằm đảm bảo u cầu cung cấp ñủ lượng oxy cách liên tục trì bùn hoạt tính trạng thái lơ lửng Nồng ñộ oxy hòa tan nước khỏi bể lắng ñợt không ñược nhỏ mg/L Tốc ñộ sử dụng oxy hòa tan bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào: - Tỷ số lượng thức ăn (chất hữu có nước thải) lượng vi sinh vật: tỷ lệ F/M; - Nhiệt ñộ; - Tốc ñộ sinh trưởng hoạt ñộ sinh lý vi sinh vật; - Nồng độ sản phẩm độc tích tụ q trình trao đổi chất; - Lượng chất cấu tạo tế bào; - Hàm lượng oxy hòa tan ðể thiết kế vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí cách hiệu cần phải hiểu rõ vai trò quan trọng quần thể vi sinh vật Các vi sinh vật phân hủy chất hữu có nước thải thu lượng để chuyển hóa thành tế bào mới, phần chất hữu bị oxy hóa hồn tồn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-,… Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn hệ thống bùn hoạt tính bao gồm Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, hai loại vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas Nitrobacter Thêm vào ñó, nhiều loại vi khuẩn dạng sợi Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix, Geotrichum tồn Yêu cầu chung vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí nước thải đưa vào hệ thống cần có hàm lượng SS không vượt 150 mg/L, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ không 25 mg/L, pH = 6,5 – 8,5, nhiệt ñộ 60C < t0C < 370C Một số sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính sinh trưởng lơ lửng trình bày Hình 5.1 Bể thổi khí Nước thải Bể lắng Bể lắng Nước sau xử lý Bùn thải Bùn Tuần hoàn bùn a Q trình bùn hoạt tính hiếu khí cổ điển với dòng chảy nút (Conventional plug-flow activated process) 5-2 Máy thổi khí Bể lắng Nước thải Nước sau xử lý Bể lắng Bùn thải bỏ Tuần hồn bùn Q trình bùn hoạt tính hiếu khí khuấy trộn hồn tồn (Complete-mix activated sludge process) Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí Bể Hoạt ðộng Gián ðoạn (Sequencing Batch Reactor – SBR) Bể hoạt ñộng gián ñoạn hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy xả cạn Q trình xảy bể SBR tương tự bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục có điều tất xảy bể ñược thực theo bước: (1) -Làm ñầy; (2)Phản ứng; (3)-Lắng; (4)-Xả cạn; (5)-Ngưng Sơ ñồ hệ thống SBR ñược trình bày Hình 5.2 Làm đầy Phản ứng Lắng Xả nước Ngưng Hình 5.2 Sơ đồ hoạt động hệ thống SBR 5.2.2 Quá Trình Sinh Học Tăng Trưởng Dính Bám Bể Bùn Hoạt Tính Với Vi Sinh Vật Sinh Trưởng Dạng Dính Bám (Attached Growth Activated Sludge Reactor) Nguyên lý hoạt ñộng bể tương tự trường hợp vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, khác vi sinh vật phát triển dính bám vật liệu tiếp xúc ñặt bể Sơ ñồ cấu tạo bể bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám trình bày Hình 5.3 Vật liệu dính bám Giá đỡ lớp vật liệu dính bám Ngăn thu nước Nước thải Nước sau xử lý Thiết bị AASR Ống thơng khí Máy thổi khí dạng turbine 5-3 Hình 5.3 Bể bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám (Attacted Growth Activated Sludge Reactor – AASR) Bể Lọc Sinh Học Nhỏ Giọt (Trickling Filter) Bể lọc sinh học thiết bị phản ứng sinh học vi sinh vật sinh trưởng cố ñịnh lớp vật liệu lọc Bể lọc ñại bao gồm lớp vật liệu dễ thấm nước với vi sinh vật dính kết ñó Nước thải ñi qua lớp vật liệu thấm nhỏ giọt Vật liệu lọc thường đá dăm khối vật liệu dẻo có hình thù khác Nếu vật liệu lọc đá sỏi kích thước hạt dao động khoảng 25-100 mm, chiều sâu lớp vật liệu dao ñộng khoảng 0,9-2,5 m, trung bình 1,8 m Bể lọc với vật liệu đá dăm thường có dạng tròn Nước thải ñược phân phối tên lớp vật liệu lọc nhờ phận phân phối Bể lọc với vật liệu lọc chất dẻo có dạng tròn, vng, nhiều dạng khác với chiều cao biến ñổi từ 4-12 m Ba loại vật liệu chất dẻo thường dùng (1) vật liệu với dòng chảy thẳng đứng, (2) vật liệu với dòng chảy ngang, (3) vật liệu ña dạng Chất hữu bị phân hủy quần thể vi sinh vật dính kết lớp vật liệu lọc Các chất hữu có nước thải bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 – 0,2 mm bị phân hủy vi sinh vật hiếu khí Khi vi sinh vật sinh trưởng phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, ñó, oxy ñã bị tiêu thụ trước khuếch tán hết chiều dày lớp màng sinh vật Như vậy, môi trường kỵ khí hình thành sát bề mặt vật liệu lọc Khi chiều dày lớp màng tăng lên, q trình đồng hóa chất hữu xảy trước chúng tiếp xúc với với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu lọc Kết vi sinh vật bị phân hủy nội bào, khơng khả đính bám lên bề mặt vật liệu lọc, bị rửa trôi ðĩa sinh học (Rotating Biological Contactor) ðĩa sinh học gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng, polystyren polyvinylclorua (PVC) lắp trục Các ñĩa ñược ñặt ngập nước phần quay chậm Trong trình vận hành, vi sinh vật sinh trưởng, phát triển bề mặt đĩa hình thành lớp màng mỏng bám bề mặt ñĩa Khi ñĩa quay, lớp màng sinh học tiếp xúc với chất hữu nước thải với khí để hấp thụ oxy ðĩa quay ảnh hưởng ñến vận chuyển oxy ñảm bảo cho vi sinh vật tồn điều kiện hiếu khí Hình 5.4 ðĩa sinh học (RBC) 5-4 5.3 Q TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ Q trình phân hủy kỵ khí chất hữu q trình sinh hóa phức tạp tạo hàng trăm sản phẩm trung gian phản ứng trung gian Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa điều kiện kỵ khí biểu diễn đơn giản sau: Vi sinh vật Chất hữu -> CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào Một cách tổng qt, q trình phân hủy kỵ khí xảy theo giai đoạn (Hình 5.5): - Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch hợp chất cao phân tử; - Giai đoạn 2: Acid hóa; - Giai đoạn 3: Acetate hóa; - Giai đoạn 4: Methane hóa Các chất thải hữu chứa nhiều chất hữu cao phân tử proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… giai ñoạn thủy phân, ñược cắt mạch tạo thành phân tử ñơn giản hơn, dễ phân hủy Các phản ứng thủy phân chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành ñường ñơn, chất béo thành acid béo Trong giai đoạn acid hóa, chất hữu ñơn giản lại ñược tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 CO2 Các acid béo dễ bay chủ yếu acetic acid, propionic acid lactic acid Bên cạnh đó, CO2 H2, methanol, rượu đơn giản khác hình thành q trình cắt mạch carbohydrat Vi sinh vật chuyển hóa methane phân hủy số loại chất ñịnh CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines CO Các phương trình phản ứng xảy sau: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 4% H2 28% 24% Phức chất hữu 76% Acid hữu CH4 52% 20% Quá trình thủy phân 72% Acetic acid Q trình acetate hóa khử hydro Hình 5.5 Quá trình phân hủy kỵ khí 5-5 Q trình methane hóa Tùy theo trạng thái bùn, chia q trình xử lý kỵ khí thành: - Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), q trình xử lý lớp bùn kỵ khí với dòng nước ñi từ lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB); - Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám q trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process) 5.3.1 Q Trình Sinh Học Với Vi Sinh Vật Tăng Trưởng Lơ Lửng Quá Trình Tiếp Xúc Kỵ Khí (Anaerobic Contact Process) Một số loại nước thải có hàm lượng chất hữu cao xử lý hiệu trình tiếp xúc kỵ khí (Hình 5.6) Q trình phân hủy xảy bể kín với bùn tuần hồn Hỗn hợp bùn nước thải bể khuấy trộn hồn tồn Sau phân hủy, hỗn hợp đưa sang bể lắng bể tuyển ñể tách riêng bùn nước Bùn tuần hồn trở lại bể kỵ khí Lượng bùn dư thải bỏ thường tốc ñộ sinh trưởng vi sinh vật chậm Tuyển nổi/Lắng Nước thải Nước sau xử lý Tuần hoàn bùn Hình 5.6 Sơ đồ thiết bị xử lý sinh học tiếp xúc kỵ khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) ðây q trình kỵ khí ứng dụng rộng rãi giới hai đặc điểm sau: - Cả ba q trình, phân hủy - lắng bùn - tách khí, lấp đặt cơng trình; - Tạo thành loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật cao tốc ñộ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng Bên cạnh đó, q trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB có ưu điểm so với q trình bùn hoạt tính hiếu khí như: - Ít tiêu tốn lượng vận hành; - Ít bùn dư, nên giảm chí phí xử lý bùn; - Bùn sinh dễ tách nước; - Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm ñược chi phí bổ sing dinh dưỡng; - Có khả thu hồi lượng từ khí methane; - Có khả hoạt động theo mùa bùn kỵ khí hồi phục hoạt ñộng ñược sau thời gian ngưng khơng nạp liệu Sơ đồ bể UASB trình bày Hình 5.7 Nước thải nạp liệu từ phía đáy bể, qua lớp bùn hạt, q trình xử lý xảy chất hữu nước thải tiếp xúc với bùn hạt Khí sinh điều kiện kỵ khí (chủ yếu methane CO2) tạo nên dòng tuần hồn cục giúp cho trình hình thành trì bùn sinh học dạng hạt Khí sinh từ lớp bùn dính bám vào hạt bùn với khí tự lên phía mặt bể Tại đây, q trình tách pha khílỏng-rắn xảy nhờ phận tách pha 5-6 Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5-10% Bùn sau tách khỏi bọt khí lại lắng xuống Nước thải theo màng tràn cưa dẫn đến cơng trình xử lý Vận tốc nước thải ñưa vào bể UASB ñược trì khoảng 0,6-0,9 m/h (nếu bùn dạng bùn hạt) pH thích hợp cho q trình phân hủy kỵ khí dao động khoảng 6,6-7,6 Do cần cung cấp ñủ ñộ kiềm (1000 – 5000 mg/L) ñể bảo đảm pH nước thải ln ln > 6,2 pH < 6,2, vi sinh vật chuyển hóa methane khơng hoạt động Cần lưu ý chu trình sinh trưởng vi sinh vật acid hóa ngắn nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2-3 350C so với 2-3 ngày, ñiều kiện tối ưu) Do đó, q trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu khơng q cao vi sinh vật acid hóa tạo acid béo dễ bay với tốc ñộ nhanh nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa acid thành acetate tác dụng vi sinh vật acetate hóa Do Việt Nam chưa có loại bùn hạt nên q trình vận hành thực với tải trọng ban ñầu khoảng kg COD/m3.ngñ Mỗi ñạt ñến trạng thái ổn ñịnh, tải trọng tăng lên gấp đơi đạt tải trọng 15 - 20 kg COD/m3.ngñ Thời gian kéo dài khoảng -4 tháng Sau đó, bể hoạt động ổn định có khả chịu q tải, nồng độ chất thải cao Khí mêtan thu sử dụng cho việc đun nấu cung cấp nhiệt Lượng bùn sinh nhỏ nên khơng cần thiết phải đặt vấn đề xử lý bùn Quá trình xử lý tiêu tốn lượng nhỏ lượng dùng ñể bơm nước Lan can bảo vệ Ống thu nước sau xử lý Sàn công tác Máng thu nước dạng cưa Thiết bị tách pha khí – lỏng - rắn Ống dẫn khí Vách hướng dòng hình Cầu thang Vỏ thiết bị Ống khí Hỗn hợp nước thải Bình hấp thụ khí Lớp bùn kỵ khí Bọt khí Ống bơm nước vào thiết bị UASB Dung dịch NaOH 5% Bộ phận phân phối lưu lượng nước thải Hình 5.7 Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) 5-7 5.3.2 Quá Trình Sinh Học Với Vi Sinh Vật Tăng Trưởng Dính Bám Q Trình Lọc Kỵ Khí (Anaerobic Filter Process) Bể lọc kỵ khí cột chứa vật liệu tiếp xúc ñể xử lý chất hữu chứa carbon nước thải Nước thải ñược dẫn vào cột từ lên, tiếp xúc với lớp vật liệu có vi sinh vật kỵ khí sinh trưởng phát triển Vì vi sinh vật ñược giữ bề mặt vật liệu tiếp xúc không bị rửa trôi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu tế bào vi sinh vật (thời gian lưu bùn) cao (khoảng 100 ngày) 5.4 QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG TỰ NHIÊN (HỒ SINH VẬT) Tùy theo nồng độ oxy hòa tan có hồ, hệ thống hồ sinh vật ñược phân loại thành: (1) hồ hiếu khí, (2) hồ hiếu khí tùy tiện, (3) hồ kỵ khí Hồ hiếu khí Hồ sinh vật hiếu khí đơn giản hồ đất dùng để xử lý nước thải q trình tự nhiên tác dụng vi sinh vật tảo Hồ hiếu khí chứa vi sinh vật tảo dạng lơ lửng, điều kiện hiếu khí chiếm ưu suốt độ sâu hồ Có hai loại hồ hiếu khí bản: (1) hồ ni tảo nhằm tạo điều kiện để tảo phát triển mạnh nhất, có ñộ sâu từ 150 – 450 mm; (2) hồ hiếu khí nhằm đạt lượng oxy hòa tan hồ lớn nhất, có độ sâu ≤ 1,5 m Trong bể quang hợp hiếu khí, oxy cung cấp q trình khuếch tán khí bề mặt tự nhiên q trình quang hợp tảo Ngoại trừ tảo, quần thể vi sinh vật tồn hồ tương tự quần thể vi sinh vật hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí Vi sinh vật sử dụng oxy sinh từ q trình quang hợp tảo để phân hủy hiếu khí chất hữu Các chất dinh dưỡng CO2 thải từ trình phân hủy lại nguồn thức ăn cho tảo Mối quan hệ cộng sinh tảo vi sinh vật hồ hiếu khí trình bày Hình 5.8 Tảo Tảo O2 Năng lượng mặt trời CO2, NH3 PO43-, H2O Chất hữu Tế bào Vi sinh vật Hình 5.8 Mối quan hệ cộng sinh tảo vi sinh vật hồ hiếu khí Hồ hiếu khí tùy tiện Hồ ổn định chất lượng nước thải tồn ba loại vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí hiếu khí tùy tiện gọi hồ hiếu khí tùy tiện Trong hồ hiếu khí tùy tiện tồn vùng: (1) vùng bề mặt nơi tảo vi sinh vật tồn mối quan hệ cộng sinh trình bày trên; (2) vùng đáy kỵ khí, chất rắn tích lũy phân hủy tác dụng vi sinh vật kỵ khí; (3) vùng trung gian, phần hiếu khí phần kỵ khí, chất hữu phân hủy ñưới tác dụng vi sinh vật hiếu khí tùy tiện Sơ đồ hồ hiếu khí tùy tiện ñược trình bày Hình 5.9 5-8 Ánh sáng mặt trời Gió H2S Khuếch tán Tảo NH3 PO43- Tảo Cặn lắng H2S + 2O2 > H2SO4 NH3, PO43- Vi sinh vật Tế bào Tế bào chết Bùn ñáy Chất hữu Acid hữu cơ, rượu CO2 + NH3 + H2S + CH4 Hình 5.9 Sơ đồ hồ hiếu khí tùy tiện ðộ sâu hồ hiếu khí tùy tiện giới hạn khoảng 1,2 – 2,4 m (4 - ft) thời gian lưu nước kéo dài khoảng 5-30 ngày Hồ kỵ khí Hồ kỵ khí sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu hàm lượng cặn cao ðộ sâu hồ kỵ khí phải lớn 2,4 m (8 ft) đạt đến 9,1 m với thời gian lưu nước dao ñộng khoảng 20-50 ngày Q trình ổn định nước thải hồ xảy tác dụng kết hợp trình kết tủa q trình chuyển hóa chất hữu thành CO2, CH4, khí khác, acid hữu tế bào Hiệu suất chuyển hóa BOD5 đạt đến 70% - 85% 5-9 Vùng hiếu khí tùy tiện CO2, O2 Vùng kỵ khí Nước thải Vùng hiếu khí CO2 O2 O2 ... Mối quan hệ cộng sinh tảo vi sinh vật hồ hiếu khí trình bày Hình 5. 8 Tảo Tảo O2 Năng lượng mặt trời CO2 , NH3 PO43-, H2O Chất hữu Tế bào Vi sinh vật Hình 5. 8 Mối quan hệ cộng sinh tảo vi sinh. .. loại chất ñịnh CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines CO Các phương trình phản ứng xảy sau: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N... ðĩa quay ảnh hưởng ñến vận chuyển oxy ñảm bảo cho vi sinh vật tồn điều kiện hiếu khí Hình 5. 4 ðĩa sinh học (RBC) 5- 4 5. 3 QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ Q trình phân hủy kỵ khí chất hữu q trình sinh