TECHNOLOGY - UPFLOW SLUDGE BLANKET FILTER (USBF) Truong Thanh Canh, Tran Cong Tan, Nguyen Quynh Nga, Nguyen Khoa Viet Truong.. University of Natural Sciences, VNU-HCM.[r]
(1)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
KẾT HỢP LỌC DÒNG NGƯỢC USBF (THE UPFLOW SLUDGE BLANKET FILTER)
Trương Thanh Cảnh, Trần Công Tấn, Nguyễn Quỳnh Nga, Nguyễn Khoa Việt Trường
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
(Bài nhận ngày 21 tháng 02 năm 2006, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 18 tháng 04 năm 2006)
TÓM TẮT: Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình USBF thích hợp cho xử lý nước thải
đô thị Hiệu xử lý COD, BOD5, nito phospho tương ứng vào khoảng 85%, 90%, 94% and 75% Bùn hoạt tính thích nghi nhanh với đặc tính nước thải điều kiện vận hành của mơ hình Việc kết hợp modul trình xử lý tạo ưu điểm lớn việc nâng cao hiệu xử lý Với kết hợp sẽ đơn giản hoá hệ thốngxử lý, tiết kiệm vật liệu và lượng chi phí cho q trình xây dựng vận hành hệ thống
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ơ nhiễm mơi trường vấn đề quan trọng, hệ q trình phát triển nóng nước phát triển giai đoạn cơng nghiệp hóa đại hóa
Việt Nam Sự phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp dịch vụ, q trình thị
hố tập trung dân cư nhanh chóng nguyên nhân gây nên trạng tải môi trường thành phố lớn Hiện TP Hồ Chí Minh, nhiễm nước vấn đề môi trường xúc lôi quan tâm nhà quản lý cộng đồng dân cư Nước thải đô thị không xử lý xử lý không đầy đủđược xả thải trực tiếp vào sông kênh rạch gây nên tượng ô nhiễm nguồn nước trầm trọng
Hiện có nhiều phương pháp khác sử dụng công nghệ xử lý nước thải đô thị Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học sử dụng phổ biến hầu hết hệ thống xử lý thị Thường hệ thống xử lý đánh giá hiệu việc xử lý khả loại bỏ BOD, nito hay phospho…, khả áp dụng chúng
giá thành hệ thống, giá thành m3 nước xử lý hay độ phức tạp công nghệ
và trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị…
Cơng nghệ lọc dịng ngược bùn sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filter) thiết kế dựa trên mơ hình động học xử lý BOD, nitrate hố (nitrification) khử nitrate hóa (denitrification) Lawrence McCarty, Inc lần giới thiệu Mỹ năm 1900 sau áp dụng châu âu từ 1998 trở lại Tuy nhiên, giới mơ hình Lawrence McCarty áp dụng kết hợp nhiều dạng khác tùy thuộc vào
đặc điểm nước Công nghệ chưa sử dụng Việt Nam, công nghệ bùn hoạt tính sử dụng công nghệ kinh điển công tác xử lý nước thải phổ
biến nước ta
Nghiên cứu chúng tơi sử dụng mơ hình cơng nghệ USBF để xử lý nước thải đô thị, công nghệ cải tiến q trình bùn hoạt tính kết hợp q trình Anoxic, Aeration lọc sinh học dòng ngược đơn vị xử lý nước thải Đây điểm khác với hệ
thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển, thường tách rời ba trình nên tốc độ hiệu xử
(2)Science & Technology Development, Vol 9, No.7- 2006
- Khảo sát thích nghi đặc tính bùn hoạt tính q trình nghiên cứu với mơ hình động phịng thí nghiệm
- Nghiên cứu q trình khử carbon (COD, BOD), trình trình loại bỏ nito photpho
2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.1.Mơ hình nghiên cứu
Chú thích:
Các chữ số kích thước (cm)
(A) : Mương thu nước đầu vào; (B) : Ngăn thiếu khí; (C) : Ngăn hiếu khí;
(D) : Ngăn USBF; (E) : Các sục khí; (G) : Ống thu bùn; I, II, III: Các
điểm lấy mẫu ngăn thiếu khí, hiếu khí sau q trình xử lý; IV : vị trí tuần hồn bùn
Hình Sơđồ cấu tạo mơ hình
Cấu tạo mơ hình (hình 1): Mơ hình gồm module chính: ngăn thiếu khí (anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Mương chảy tràn thu nước
đầu vào nhằm hạn chế tác động dịng vào ngăn thiếu khí tăng hiệu xáo trộn dòng nước thải đầu vào bùn tuần hoàn Mương chảy tràn thu nước đầu ra, ống thu bùn, phận sục khí… Các thiết bị cần thiết bao gồm: máy bơm định lượng bơm nước thải
đầu vào, máy bơm bùn máy thổi khí
Nguyên tắc hoạt động mơ hình (Hình 2): Mơ hình thiết kế nhằm kết hợp trình loại bỏ carbon (COD, BOD), q trình nitrat hố/khử nitrat q trình loại bỏ dinh dưỡng (N P) Nước thải loại bỏ rắn, sau đó, bơm vào mương chảy tràn thu nước
đầu vào trộn lẫn với dịng tuần hồn bùn Hồn hợp nước thải bùn hoạt tính chảy vào ngăn thiếu khí Ngăn có vai trị ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector) thực hai chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) chọn lọc trao đổi chất (Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động vi sinh vật tạo bơng nhằm tăng cường hoạt tính bơng bùn kìm hãm phát triển vi sinh vật hình sợi gây vón bùn bọt Q trình loại bỏ C, khử nitrat loại bỏ P diễn ngăn Sau đó, nước thải chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưỡi đáy ngăn USBF Ởđây ô xy cung cấp nhờ ống cung cấp khí qua máy bơm Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF di chuyển tử lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Đây cơng đoạn thể
(3)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006
Hình Sơđồ nguyên lý hoạt động mơ hình
2.2.2 Theo dõi mơ hình: Q trình nghiên cứu trải qua giai đoạn: Giai đoạn thích nghi
và giai đoạn khảo sát Giai đoạn khảo sát bao gồm: 1) Khảo sát hiệu xử lý (H) theo nồng độ bùn (X); 2) Khảo sát H theo nồng độ COD;
3) Khảo sát H theo thời gian lưu nước (HRT) tải trọng (L); 4) Khảo sát H theo tuổi bùn (SRT)
Số liệu xử lý phần mềm SPSS
3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết phân tích thành phần nước thải ban đầu
Bảng Tính chất nước thải đầu vào
Mẫu COD
(mg/L) (mg/L)BOD5 (mg/L)SS NO(mg/L)2-N NO(mg/L)3-N (mg/L)Nt (mg/L)P BOD/ COD 5
BOD5/
Nt BODPt 2 5/
1 650,6 350 3411,4 0,6 0,0 45,6 10,0 0,54 7,7 35,0
2 568,4 395 1541,7 0,0 0,4 33,4 18,0 0,69 11,8 21,9
3 485,6 285 2650,4 0,1 0,1 23,2 20,0 0,59 12,3 14,3
4 515,3 300 9747,4 0,0 0,2 30,2 25,0 0,58 9,9 12,0
5 680,0 350 8668,5 0,0 0,1 26,1 22,0 0,51 13,4 15,9
6 706,0 362 6711,3 0,0 0,0 43,7 25,4 0,51 8,3 14,3
(4)Science & Technology Development, Vol 9, No.7- 2006
Nước thải chứa thành phần hữu cao, dễ phân hủy sinh học Các tỷ lệ BOD5/COD nằm
trong khoảng 0,51 – 0,69, BOD5/Nt khoảng 7,7–13,4 BOD5/P khoảng 12 – 35 Nước thải
có thành phần phù hợp với trình xử lý sinh học kết hợp phù hợp với mơ hình USBF (Nguyễn Xn Ngun & Phạm Hồng Hải, 2003, Metcalf & Eddy, 2003)
3.2.Kết nghiên cứu thích nghi đặc tính bùn hoạt tính qua số thể tích bùn (SVI)
Bùn hoạt tính mang để vận hành mơ hình có màu sắc thay đổi rõ rệt, dần chuyển sang màu cà phê sữa Quan sát đường cong lắng qua lần đo số thể tích bùn SVI (Sludge Volume Index), nhận thấy lượng bùn lắng giảm rõ rệt theo thời gian có dạng đặc trưng (Hình 3) Đồng thời SVI giảm nhanh xuống tới 70 ml/g Điều chứng tỏ bùn hoạt tính thích nghi nhanh với nước thải mơ hình, nhờ kết hợp trình hệ thống nên tính chất bùn cải thiện đáng kể
Đồ thị thể tích bùn lắng theo thời gian
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 t (phuùt) SS V ( m L/ L) Laàn Laàn Laàn Laàn Laàn Laàn Lan
Hình 3 Thể tích bùn lắng bùn mang về,
giai đoạn thích nghi thích nghi
Sự thay đổi SVI giai đoạn thích nghi
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
Laàn Laàn Laàn Laàn Laàn Laàn Laàn
SV
I (
m
L/
g)
Hình 4. SVI thay đổi giảm dần khoảng tối
ưu 80-120 ml/g
Các thông sốđộng học K, Y, Kd , Ks µm: Kết tính tốn thơng sốđộng học nói cho thấy tốc độ sử dụng chất riêng K = 2,18 ngày-1, nghĩa g bùn hoạt tính tiêu thụ 2,18 g COD ngày Hằng số bán tốc độ (hệ số Monod) KS = 238,73 mg/L nghĩa thời điểm tốc độ tăng trưởng ½ tốc độ cực đại nồng độ chất (COD) 238,73 mg/L Hệ số suất sử dụng chất cực đại Y = 3,3264 mg bùn hoạt tính/mg COD, tiêu thụ mg COD có 3,3264 mg bùn hoạt tính sản sinh Hệ số cao chứng tỏ khả
năng hấp thu chất bùn hoạt tính lớn hay hoạt tính bùn mạnh Hệ số tốc độ
phân hủy nội bào Kd = 0,078 ngày-1 có nghĩa là: ngày, g sinh khối tạo 0,078 g bị để trì tế bào hay bị chết hay bị tiêu thụ VSV bậc dinh dưỡng cao (như Protozoa) Hệ số tương đối cao Điều giải thích tuổi nồng độ bùn cao Hơn nữa, phần sinh khối chết đóng vai trị quan trọng cho hệ thống USBF cung cấp nguồn carbon lượng nội cho VSV ngăn thiếu khí chúng
được tuần hoàn trở lại Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại μmax= 7,9055 ngày-1
Như vậy, bùn ởđây có hoạt tính mạnh, vi khuẩn có tốc độ phát triển cao Tất
(5)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006
Hiệu xử lý COD qua ngăn bể phản ứng
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Thứ tự lần quan trắc
H
ieä
u q
uaû
xử
ly
ù(%) H1
H3 H H2
Hình 5.Đồ thị hiệu xử lý COD qua ngăn bể phản ứng
3.3.Kết nghiên cứu hiệu xử lý mơ hình
3.3.1.Hiệu quả xử lý COD
− Hiệu xử lý COD tính theo dịng vào cao ngăn thiếu khí, trung bình khoảng 60% sau ngăn hiếu khí, khoảng 26% (65% COD tính trực tiếp dịng vào ngăn) thấp ngăn USBF, khoảng 10% (30% COD tính trực tiếp dịng vào ngăn)
− Các hợp chất hữu bị loại bỏ ngăn thiếu khí dạng hữu dễ bị phân huỷ sinh học, bị phân huỷở ngăn hiếu khí USBF chủ yếu dạng hữu dạng khó phân huỷ sinh học Vì nhu cầu oxy cho ngăn hiếu khí giảm phần lớn COD loại bỏ ngăn thiếu khí Điều chứng tỏ ưu điểm việc kết hợp ngăn phản ứng hệ thống
Xét tồn hệ thống, hiệu xử lý tối đa đạt cao khoảng 85% (61,5-96,0%) Nồng độ COD dịng đạt từ 18,3 – 40,0 mg/L (đạt tiêu chuẩn loại A, TCVN 5945-1995)
3.3.2.Hiệu quả xử lý SS
Hiệu xử lý SS cho toàn hệ thống tương đối cao, từ 75,5-95% đạt nồng độ 5,2 mg/L
ở dịng ra,có thểđạt chất lượng tiêu chuẩn loại A (TCVN 5945-1995) Tải trọng thích hợp từ – 14 kg SS/m3 ngày-1 Ngoài khoảng này, hiệu xử lý giảm
3.3.3.Hiệu quả xử lý BOD5
Hiệu xử lý ởđây cao, thấp đạt 80% có thểđạt 99,2% Chất lượng cao dịng đạt mg/L, đạt tiêu chuẩn loại A (TCVN 5945- 1995) Ngay
ở tải trọng cao tới 4,20 kg BOD5/m3 ngày-1 hiệu xử lý cao, mức 92,2%
3.3.4.Hiệu quả trình loại bỏ N
(6)Science & Technology Development, Vol 9, No.7- 2006 Hiệïu xử lý BOD5 theo tải
20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 1.3 1.5 1.8 2.0 2.3 2.5 2.8 3.0 3.3 3.5 3.8 4.0 4.3 4.5
L (kg BOD5/m3/ngaøy)
H (
%
)
Quan trắc nồng độ Nitrit Nitrat dòng
0 10 15 20 25 30 35 40
2.5 4.9 5.8 6.1 6.3 6.3 6.7 6.9 7.6 9.5 9.5 10.8 10.9 12.7 19.0 19.0
HRT (h) Ni tr it ha y Ni tr at d oøn g r a (m g N /L ) 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 0.23 0.07 0.90 0.31 0.14 0.68 0.55 0.88 0.29 0.85 0.76 0.23 0.34 0.17 0.17 2.18
F/M SR T ( nga øy) Nitrit Nitrat SRT
Hình 6. Hiệu xử lý BOD5 theo tải trọng Hình 7 Nồng độ nitrit nitrat có dịng
Hiệu loại bỏ N theo HRT
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 11 12 13 14 15 16 17
HRT (h)
H(
%
)
Hiệu xử lý P theo tải trọng
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10
L (kg P/m3.ngaøy)
H(
%
)
Hình 8 Hiệu xử lý N tổng theo thời gian lưu nưHình 9. Hiệu xử lý P theo tải trọng
Xét hiệu xử lý trình loại bỏ N: Chất lượng dịng tối đa đạt tiêu chuẩn loại A (TCVN 5945-1995), hiệu xử lý đạt tối đa 94,3% Tuy nhiên, hiệu
này tùy thuộc vào thời gian lưu nước, tải trọng tuổi bùn
3.3.5.Hiệu quả trình loại bỏ P
Hiệu tương đối cao, tối đa đạt 83,17% Khi hiệu xử lý cao nhất, chất lượng dịng có thểđạt 3,08 mg/l (đạt tiêu chuẩn nước loại A, TCVN 5945 – 1995)
Tải trọng P thích hợp từ 0,03–0,09 kg P/m3/ngày với hiệu suất đạt lớn 75% Tải trọng tương đối nhỏ so với tải trọng theo tiêu khác Điều hàm lương P nước thải tương đối nhỏ
4.KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
(7)TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ -2006 TREATMENT OF DOMESTIC WASTE WATER BY BIOPROCESS
TECHNOLOGY - UPFLOW SLUDGE BLANKET FILTER (USBF) Truong Thanh Canh, Tran Cong Tan, Nguyen Quynh Nga, Nguyen Khoa Viet Truong
University of Natural Sciences, VNU-HCM
ABSTRACT: This paper describes a research to use an innovative combined biological
process, upflow sludge blanket filter (USBF), that rapidly and economically remove BOD, niotogen and phosphorus from domestic wastewater The USBF design was a continuous flow system incorporating the aeration zone, clarifier and anoxic zone into a single tank The research showed a result of 85%, 90%, 94% and 75% for COD, BOD5, nitrogen and phosphorus removal, respectively This is concluded that USBF can be used as a simple and economic method to treat domestic wastewater
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bộ KHCN & MT, Tiêu chuẩn Môi trường Việt Nam: TCVN 5945-1995
[2] Lawrence K.Wang, Advanced Biological Wastewater Treatment Effective – Efficient –
Economic – “State-of The-art…an Important Environmental Engineering Process Revolution State, A report to the United Nations Industrial Development Organization, 1995 [3] Metcalf & Eddy, Inc., Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Third edition,