Trong thực tế người ta tạo các bọt khí từ hệ thống sục khí qua vật xốp có đường kính lỗ khoảng Imm.. Phần này đọng lại.[r]
(1)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 SỞ LÍ THUYẾT CỦA Q TRÌNH
Xử lí sinh học nước thải thực chất lợi dụng sống hoạt động vi sinh vật để thực dạng phân huỷ khác Sự phân huỷ chất hữu thường kèm theo khí tác dụng enzim vi khuẩn tiết
Nhiệm vụ cơng trình kĩ thuật xử lí nước thải phương pháp sinh học tạo điều kiện sống hoạt động tốt cho vi sinh vật để phân huỷ chất hữu nhanh chóng
13.1.1 Vai trị enziin, lượng chất dinh dưỡng trình biến đổi, tăng trưởng ví sinh
Q trình biến đổi vi sinh bao gồm phản ứng hoá học bên tế bào, có phản ứng trình biến đổi phản ứng dị hoá phản ứng đồng hoá
- Phản ứng dị hoá bẻ gẫy mạch, phân chia phân tử hữu phức tạp thành phân tử đơn giản kèm theo trình giải phóng lượng
- Phản ứng đồng hố hình thành phân tử phức tạp địi hỏi cấp lưọng Năng lượng cấp cho phản ứng đồng hố thường lấy từ lượng giải phóng phản ứng dị hố
Vai trị enzim:
Enzim chất xúc tác hữu tế bào sống sinh protein protein kết họfp với phân tử vô hữu có trọng lượng thấp Như chất xúc tác, enzim có khả làm tăng tốọ độ phản ứng hoá học lên gấp nhiều lần chất khơng bị thay đổi
Có loại enzim: Ngoại tế bào nội tế bào Enzim ngoại bào chất tế bào tiết Khi tế bào cần chất hay chất dinh dưỡng mà chất tự thấm qua vỏ tế bào enzim chuyển hố chất thành dạng hợp chất dễ dàng di chuyển vào tế bào Enzim nội bào chất xúc tác cho phản ứng đồng hoá bên tế bào Enzim biết tác nhân phân loại chuyển hoá chất đến sản phẩm cuối với hiệu suất cao Tế bào sản xuất enzim khấc ứng với loại chất khác để sử dụng chúng, minh hoạ phản ứng sau:
(2)E + s -> (E)(S) p - E E n z im Chất Tổ liọp eiizini Sán phấm cu ối c ù n g E nziin
và ciiất ncii
Hoạt động ciizim cliịii anh hường ríứ nhiều bời trị sỏ' pH, nhiệt độ nồng độ chất Mỗi eiưiin có trị số pH iiliiệi dộ tối ưu riêng
Vưi trị ìiăn^ hrợiiiỊ:
Cùng với enzim, nâng lirợiig cần tliict cho phán ứng sinh hoá cỉia tế bào Năng Iượiig cấp clio tế bào lượng giái phóng từ phán ứng ơxy hoá chất hữu vỏ (các phản ứng dị hố) phản ứiiíĩ quang hợp Năng lượng thu nhận tích trữ tế bào hợp chất hữu định đươc dùng để tổng hợp chất hữu lại thành tế bào inới Khi chât hữu nước thải dần khối lượiig tế bào bị giảm dần châl té bào dùng không thay kịp thời chất Nêu tình trạng nù^ kéo dài liên tục tế bào khơng cịn khả sinh sán mà chí có khả n'>ng đỏng hố chất hữu hấp thụ đê cuối lại tế bàn Ti chất hữu tương đối ổn định Q trình tự íỊÌám sinh khối coi Ti giai đoạn hô hấp nội bào
Vai f’ c : ,ia clìât (linh ilii'ỠNí>:
Vi sinh vật tiêu thụ chất hữu để sống hoạt đông \ đòi hỏi lượng chất dinh dưỡng đế phát triển, ngiivên tố N, s, p, K, Mg, Ca, CI, Fe, Mn, Mo, Ni, Co,
Z n, Cli, t rong đ ó N, p K Iiguvên tố cliỉi yếu, cần dược b ả o d m mộ t krợiig cần
Ihiết xử lí sinh hố
Khi thiếu nitơ lâu dài, ngồi việc cán trơ C| trình sinli hố c hấ t bẩ n hữu cơ, c òn
tạo bùn hoạt tính khó lăng
Khi thiếu photpho dẫn đơìi phát tricn vi kliiiấn dạnq sựi, ngun nhân làm cho bìm hoạt tính bị "phồng lên", klió láng bị theo (lịng chảy khỏi hệ thống xử lí, làm giám sinh trưởng cúa bùn hoạt tính giàin cường độ q trình ơxy hố
Hàm lượng ngun tơ' dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần cỉia nước thải tí lệ chúng xác định thực nghiệm Tỉ lệ thường khoáng BOD : N : p = 100 : ; Ngoài cần lượng nhỏ Iiịỉuyén tố khoáng canxi, magiè, sắt, đồng, kẽm, niaimaii, Các cliất thường có đủ nước thải sinh hoạt Khi xử lí nước thái cỏim nchiệp vi sinh nhiều trường hợp phái bổ sung N p khử trước kim loại nặng gày độc liại đến nồng độ cho phép,
13.1.2 Sự sinh trưởng vi khuẩn
Vi sinh vật phát tricii thcin nhiều nhờ sinh sán phâii đơi, sinh sản giới tính nảy mầm, nhimg chủ yếu clim phái triển cácli phàn đơi, lliừi gian cần để phân đơi tế bào thưịlig gọi thịi oian sinh sán có thê dao động từ 20 phúl đốn hàng ngày Ví dụ: Nếu
(3)gian 12 Vi khuẩn tiếp tục sinh sản đến vơ tận q trình sinh sản phụ thuộc vào mơi trường Khi thức ăn cạn kiệt, pH nhiệt độ thay đổi ngồi trị số tối ưu, việc sinh sản ngừng lại
Sự sinh trưởng vi khuẩn diễn theo giai đoạn sau:
- Giai đoạn tiềm tàng hay thích nghi; Trong giai đoạn tế bào tổng hợp enziin cần thiết cho chuyển hoá chất (chất bẩn hữu cơ), tốc độ sinh trưỏng
- Giai đoạn sinh trưcmg theo số mũ: x ả y ra 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 bị cạn kiệt hoăc tích tụ sản phẩm ức ch ế sinh q trình chuyển hố vi khuẩn, mật độ tế bào tăng tốc độ sinh trưởng giảm dần
- Giai đoạn ổn định: Khi mật độ tế bào đạt tới trị số cực đại sinh trưởng dừng lại kể trường hợp tế bào vài hoạt động chuyển hố
- Giai đoạn suy giảm (giai đoạn nội sinh); Mật độ tế bào giảm xuống v'i tế bào bị chết enzim tự tiêu huỷ
1 S ự tăng trưởng sinh khối
Hình 13.1 giới thiệu tổng quát trình tăng trưởng vi sinh vật theo khối lượng
Hình 13.1: ĐườinỊ coníỊ hiểu diễn c ác iỊÌcii doạn lăinỊ siiilì khối tyiv, me'Iiiiơi cấy vi klìiuỉn
1 Giai đoạn tiềm tàng (hay giai đoạn tăng trưởng chậm) giai đóạn vi khuẩn cần thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng
2 Giai đoạn tăng sinh khối theo số mũ ln có dư thừa thức ăn xung quanh vi khuẩn lốc độ trao đổi chất tăng trưcmg vi khuẩn phụ thuộc vào khả nãng xứ lí chất vi khuẩn
3 Giai đoạn tăng trưởng chậm dần: Tốc độ tăng sinh khối giảm cạn kiệt dần chất dinh dưỡng bao quanh
(4)4 Giai đoạn hố hấp nội bào' Vi Hiuẩn buộ'" phái thực trình trao đối chất chất dinh dưỡiig cấp cho tê bào bị cạn kièt Trong giai đoạn xảy tượng giảm dần sinh khối, klii chất dinh dưỡng, c òr lại tê bào chết khuếch tán đế cáp cho tố bào sống
2 S ự tăng trưởng mói trường hỗn hợp
Phần lớn q trình xử lí sinh hố mơi trường hỏn hợp gồm nhiều chủng loại vi sinh tác động lên môi trường có tác động tương hỗ với Mỗi loại vi khuẩn có đường cong sinh trưởng tăng trưởng riêng Vị trí dạng đường cong tăng trưcmg theo thời gian loại liệ phụ thuộc vào thức ăn va c hất dinh dưỡng có sẵn vào đặc tính mơi trường pH, nhiệt độ, điều kiện kị khí hay hiếu khí, Có nhiểu loại vi khuẩn đóng vai trị quan trọng q trình ổn định chất hữu có nước thải
13.1.3 Đặc tính chất loại bó chất
Chất gồm toàn thể vật phấm chứa nước mà vi khuẩn sử dụng chúng để phát ti iển,
Các nguyên tố chât nến có thê phân loại sau: - Các nguyên tố chiếm đa số: c , H, , N;
- Các nguyên tố chiếm thiếu sổ; p, K, s và Mg; - Các vitamin hóc mơn;
Các pgiivên tố vết nguyên tô vi lượng Cu, Fe Ni
Nhìn chung ngun tó cua chẫt nén có đủ hau hết loại nước thải Thường phốt nitơ có thc cần bổ sung thêm Đị nguồn nước thải xử 'í sinh học phải có đặc tíiih thích hợp độ pH, Iihiệt độ khơng có lí sinh học phái có dặc tíiih tlìíc
sản phẩm độc hại sản plìấm ức chế
Sự nhiễm nước ihải cần phải loại trừ ỏ nhiểiĩi cacbon hữu mà giá trị đặc trưng BOD - nhu cầu ơxy cho q trình sinh hố Ị nhiễm cacbon hữu nguồn tạo chất cỉia khối vi sinh (C<;H7N0t)
Các nguồn nitơ sử dụng cho vi sinh bao gồm tồn bó r itơ hữu vơ Nitơ chuyển hố chủ yếu để tao protein, axit nucleic, polyme tế bào ('chiếm khoảng 12% trọng lượng khô khối vi sinh nguvên chất) Trong xử lí nước thái, giá trị thường chiếm khoảng 10%) Trone nước thải người ta phân biệt nitơ dạng khử (nitơ hữu cơ, nitơ amoniac N-NH4) d ng ỏxy hoá (N-NO2, N-NO3)
(5)hoc )-Khi xử lí nước thái, chất (chất nhiễm bán hữu cơ) giám xuống Ban đầu chúng có phản ứng cấp Sau nồng độ chất giảm thấp giá trị xuất thay đối cấp phán ứng tốc độ giảm chất dừng lại Điều có nghĩa giai đoạn cuối xử lí nước thải, chất cịn lại thường khó bị loại bỏ Giai đoạn đầu xảy với tượng hấp thụ sinh học kết bơng phức tạp chất keo, vi sinh sử dụng chất hữu đế sinh trưởng hoạt động làm cho chất biến dần
13.1.4 Vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí
Loại vi khuẩn ưa hoạt động mơi trưcnig có ơxy ta gọi vi khuẩn hiếu khí loại vi khuấn hoạt động môi trường ơxy ta gọi vị khuấn kị khí
Nếu có ơxy tham gia vào phán ứng sán phẩm tliu lượng bon hữu dạng COt khối vi sinh Nếu phản ứng xảy thiếu ơxy khơng khí sản phẩm thu lượng bon hữu dạng CO-,, khí CH4 khối vi sinh
Nhìn chung, ti lệ sinh sán phơi hiếu khí cao phơi kị khí q trình suy giảm chất có chứa bon xảy nhanh hon Tuy nhiên, ở q trình kị khí, bùn Scin sinh hơn.
Có giải pháp xỉr lí với vi khuẩn trạng thái lơ lửng với vi khuấn trạng thái giá thê cố định
• Giải pháp với vi khuẩn trạng thái lơ lửiig (tự do): vi khuấn phái triến cách phân tán dạng kết lịng chất lỏng cần xỉr lí giai pháp hiếu khí bùn hoạt tính, lọc sinh học điều kiện tự nhiên hoạc giải pháp kị khí lọc tiếp xúc bùn
• Giải pháp với vi khuẩn ở tning thái giá cố định: Sử dụng vi khiián có sinh sản exopolymeres cho phép cố định chúng vào vật giá thê khác đẻ lạo màng sinh học Cũng giống vi khiiắn trạng thái tự do, vi khuẩn trạng thái cố định dùng cho xử lí hiếu khí xử lí kị khí
Có số yếu tố nồng độ (khối vi sinh, chất nền, ôxy), xáu trộn, nhiệt độ thời gian liru thiiỷ có thê có tác động đến động hor piian ứng chí làm cho số vi kluiân phát triến trội vi khiuin kliiic
Trong giải pháp với vi khiiấn nêu có lượng vi sinh sinh sán mức cần thu gom, xtV li sử dụng
13.1.5 Động hoo q u tr ìn h xử lí hiếu khí
Đê đảm líảu cho q trình xử lí sinh học dicn có hiệu q phải tạo dựợc điều kiện môi trường pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian lốt cho hệ vi sinh Khi điều kiện đám bảo q trình xừ lí diễn sau;
Tốc độ tăng trưởng tế bào hai trường họp nuôi cấy theo mẻ hay nuôi cấy bể có dịng chảy liên tục biếu diẻn công thức:
(6)r, = ^ , x (13.1)
Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg vi sinh, g/m\.s; ỊJ.| - Tốc độ tăng trưỏlig riêng, 1/s;
X - Nồng độ vi sinh bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m^ = mg/1) Cơng thức (13.1) viết dạng:
r, = ^ = ^ x (13.2)
dt
1 C hất - giới hạn tăng trưởng
Trong trường hợp nuôi cấy theo mẻ chất chất dinh dưỡng cần thiết cho tăng trưởng có với số lượng hạn chế chất dùng đến cạn kiệt trước trình sinh trưỏng ngừng lại
ở trưịíng hợp ni cấy bể có dịng chảy liên tục (chất chất dinh dưỡng cấp liên tục) ảnh hưcmg việc giảm bớt chất chất dinh dưỡng biểu diễn phương trình 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 nước thải thời điếm tăng trưởng bị hạn chế; Kj - Hằng số báii bão hoà, thể ảnh hưởng nồng dộ chất thời
điểm tốc độ tăng trưởiig nửa tốc độ cực đại (g/m^ mg/1) Ánh hưởng nồng độ chất đến tốc độ tăng trưởng riêng thể hình 13.2 Thay giá trị |I phương trình (13.3) vào phương trình (13.1) ta có:
(13.4) K , + s
Trong đó: - Tốc độ tăng trưởng cực đại vi sinh S ự tăng trưởng tế bào vờ sử dụng chất nền
(7)r, = - Y r j ( )
Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg tế bào vi sinh, g /m \s;
Y - Hệ số suất sử dụng chất nển cực đại, mg/mg (là tỉ số khối lượng tế bào khối lượng chất nển tiêu thụ thời íỊÌan định giai đoạn tăng trưỏíng logarit);
- Tốc độ sử dụng chất nền, g/m^.s Từ phương trình (13.5) (13.4) ta rút ra:
KXS 'd =
- Y í K ^ + S ) K , + s Y
(13,6)
Hình 13.2: Anh hưàini lìịiii cliếiiồníỊ (lộ cliấí nên dến tốc (ìộ tủnv Irưởiii!, riữnịi
3 Á n h hưởng hơ hấp nội báo
Trong cơng trình xử lí nước thải, khơng phái tất tế bào vi sinh có tiiối lớn giai đoạn sinh trưởng logarit mà có số giai đoạn chết giai đoạn sinh trưởng chậm Khi tính tốn tốc độ tăng trưởng tế bào phái tính tốn tổ hợp tượng Để tính tốn, giả thiết rằng: giam khối lượnc tế bào chết tăng trưởng chậm tí lệ với nồng độ vi sinh có nước tliải gọi giảm khối lượiig phân huỷ nội bào Q trình hơ hấp nội bào biểu diễn phản ứng đơn giản sau:
C5H7O2N + 5O2
133 160
1 1,42
Vi khuẩn
tế bào ^ C O , + H tO + N H3 + Ncìng lượng (13.7)
(8)Từ phương trình (13.7) có thè’ tliấy: Nếu tất cá tế bào bị cxv hố hồn tồn lượng COD tế bào 1,42 nồnc độ tế bào
i;i (do phân huỷ nội bào) = - K^ịX (13.8)
Trong đó; - Hệ sơ' phân liLiỷ nội bào (phán rã nội sinh) X - Nồng độ tế bào (nổim độ bùn hoạt tính), g/ni
Kết hợp với trình phân huý nồi bào, tốc độ tãng trường *hưc tế tế bào:
- K , x (13.9)
( K ,+ S )
hay; = - Y ; , - K , X (13.9’)
Trong đó: r' - Tốc độ tàng trướnu thưc tế tế bào vi khuán //s
Tố c đ ộ tăng trưởrm riênq thưc tê !à:
^ - K , (13.10)
^ ' ( K , + S )
Hệ s ố nảng SLUÍI sử dụiig chất nen (hệ số đồng hoá) thực tế là:
r' Y
Y, = (13.11)
4 Ả n h hưỏiig nhiệt độ
Nhiệt độ nước thái có ánh Iniưng râì lớn tới tốc độ cúa phàn ứng sinh hố q trìnlì xử lí nước thái Nliiệt dò khònu chi áiih hưởiig đến hoat dịng chuyển hố vi sinh vẠl mà cịn có tác dộim lớn đèn cỊiiá trình hâp thụ klií ỏxy vcK) nirớc thải trình
láiig c c bỏiig cặii cliứa c 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 hố qu irình xử lí nirớc ihái biếu diéii c ị n g thức:
r , = r,„()"' (13.12)
Trong đó: f j - Tốc độ tăng trưởng nhiòt T ’C; ĩo,) - Tốc độ tăng tnrờng 20''C';
0 - Hệ s ố hoạt độ nc Iihiệt độ, thường dao động u.r Ị ,02 -r 1,09 (trung bình lấy 1,04);
T - Nhiệt độ nước đo bằiic ‘’c
5 Ả n h hưởng kim loại nặng
(9)Các kim loại nặng đồng, crơm, niken, kẽm, thuỷ ngân, chì anion xianua, Aorua, asenat bicromat tồn trình phân huỷ gây phản ứng giữ nguyên số enzim, phá huỷ chất làm biến đổi tính chất thấm tế bào vi sinh Vi khuẩn có nhạy cảm khác chất độc hại Chúng kết bơng dạng hợp chất hữu - kim loại không tan mà không làm rối loạn sinh trưởng vi khuẩn Tuy nhiên, cần lưu ý lượng kim loại có mơi trường khơng vượt mức cho phép Khi vượt mức cho phép thân số chất chuyển hoá trở thành chất ức chế hoạt động vi sinh
ố N h u cầu ôxy việc cung cấp ơxy
Để ơxy hố chất hữu cơ, vi sinh vật cần có ơxy sử dụng ơxy hồ tan Để cung cấp ơxy, người ta tiến hành làm thống khuếch tán khơng khí thành bọt nhỏ phân phối khối nước thải
Vì ơxy hồ tan nước nên bỏ qua trở lực khuếch tán pha khí và tốc độ hấp thụ ơxy trở lực pha lỏng định Sơ đồ chuyển dịch ơxy từ bọt khí tới tế bào vi sinh vật minh hoạ hình 13.3
Chiều dày lớp khuếch tán ỗ, chất lỏng vịng bao quanh vật Ihể có kích thước L phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D, độ nhớt khối lượng riêng p,, vận tốc chất lỏng theo phương trình sau:
\ 1/6
iỉiL
^ Pn V
(13.13)
Hình 13.3: Sơ đồ (li chuyển ơ.\y tới vi sinìì vật
1 Lớp khuếch tán biên phía pha khí; Bề mặt phân pha; Lớp khuếch liín biên phía pha lóng; 4, Q Irình chun ơxy lừ bóng khí tới vi sinh vật; Lớp khuếch tán biên pha lòng bao quanh vi sinh vậl;
6 Quá trình chuyển ơxy vào tế bào; Vùng phản ứng phân tứ ơxy với men (enzim). Vì vi sinh vật có kích thước nhỏ chúng chuyển động hệ thống xử lí với vận tốc vận tốc nước thải nên chiều dày lớp khuếch tán chất lỏng thành tế bào nhỏ nhiều so với xung quanh bọt khí, trở lực khơng đáng kể di chuyển ôxy Mặt khác, cần thấy bề mặt riêng vi sinh vật lớn hofn nhiều so vói bề mặt riêng bọt khí Do nói
(10)q trình di chuyển ơxy từ bọt khí t(JÌ vi sinh vật hạn định chủ yếu trở lực khuếch tán chất lỏng xung quanh bóng khí
Đối với khí hồ tan kém, hệ số chuyến khối láy hệ số cấp khối (Kl= Pl
)-Do bề mặt tiếp xúc pha khơng khí nước thải hệ thống xử lí khơng xác định được, tính tốn người ta sử dụng sơ' cấp khối thể tích Py
Lượng ơxy hấp thụ tính theo phương trình cấp khối sau:
M = P ,.V (C * -C ) (13.14)
Trong đó; M - Lượng ơxy hấp thụ, kg/s; py- Hệ số cấp khối thê tích, 1/s;
V - Thể tích nước thải hệ thống xử lí, in^
c*, c - Nồng độ càn nồng đô ôxy khối chất lỏng, k g /m \ Biểu thức cho thấy, tãng lượng òxy hấp thụ cách tăng tăng động lực trình Việc thay đổi động lực q trình thực tăng hàm lượng ơxy khơng khí, giảm nồng độ làm \'iệc tăng áp suất trình hấp thụ Song tất giải pháp không kinh tế khơng làm tăng cường độ q trình cách đáng kể Cách tốt tãng lượng ôxy hoà tan nước thải tăng hệ số cấp khối thể tích [3y, vì:
Pv = P ia (13.15)
Trong đó; a = 6<Pk ^boi
ở đây: cpị, - Hàm lượng khí dịng nước thải;
d^,„, - Đường kính bọt khí
Rõ ràng cách tăng hàm lưííng bọt khí dịng thải giảm đường kính bọt khí có thê tăng bề mật tiếp xúc pha cách đáng kê
7 Công thứ c biến đổi tốc độ sử dụng chất nén
Trong mô tả động học q trình xử lí nước thải sinh học hiếu khí rút đuợc cơng thức biểu diễn tốc độ sử dụng chất khối lượng chất giảm đơn vị thể tích bể đơn vị thời gian (g/m^s)
(13.16) Y (K, + S)
đặt: r, = (13.16')
• Y (K, + S)
Từ cơng thức (13-16') ta có:
p = = (13.17)
(11)Vởi; p la lôc sir ỏ u n n chai nên linh ĩren ÌIÌOI dưn vị khối lượng (g) bùn hoạt tính, tr o n g n iơ 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 cliơLi k iẹ n ki k hi q u trình p h â n h u ỷ c c c h ấ t h ữ u c , v ô c ơ
troíig lurck' ih;n nhờ vi klniàn ki khí Iroiìg điéu kiện k hơ ng có òxy T h ô n g thườ ng phương pliap \ lí Iiàv dươc áp dưn u dc lên nien, ổn dịnh x lí nước thái c n g Iighiêp có nồnn đỏ BOD, C O D cao Gán dà y niiười la c ũ n c sử d ụ n g phổ biến phươiìg pháp clc xử lí nước ihái sinh lìoạl lìoăc hổn hơp Iiước thài sinh hoạt cơim n gh i ệ p có n ón g ciơ HOD cao Khi n òng đõ BO D ironu nước ihài c ao 3()() mg/1 nên p d ụ n g
q u y irìn h hai bàc: B â c \ lí kị khí bàc x lí h iè ii khí,
Quá irìiili ch uv en liố châì hữu c a tihờ VI sinh ki khí \ a y ihco ba bước:
- T r c Iiẽii nhỏm VI s in h lư Iihicn c o ir o n u n c ihai th u v p n c c c h ấ t h ữ u c p h ứ c (ap lipil t h n h c c c h i hữu CO' ỏ n mai ì C() ( r o n g lirơng r i é n e n h ọ n h m o n o s a c a r i t , amino axil dế lai) nuLiổn ihức ân 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 ) h ic n d ổ i c c chrủ h ữ u c đ ơ'1
m n l l i n h c c a \ i l h ữ u Cí)‘, e i a i c i o a i i i i y i i o i 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 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 c a c b o n i c V a i irò q u a n t r o n g c 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 a x i l a x e t i c , c h ú n g t ã n g
trương châm \'à Lị Irìiih đirov ihirc lìiCĩi khí iiìClan c a c h o n i c thoát ra.
Đ ế c h o q u trình siĩih h o c ki k h í d ic ii b iê n cluov b ìn h t h 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 UUK
+ H m lưtrne c u a c 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 cua IIU'0'C lliiii ÙI' 6.7 ~ 7,4:
+ D u y irì clỏ k iơ iìi k l i o a n g ()()() ” 0 ing/1 l 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 ‘’c
+ C ó du chàt dinh duỡiiíi llìco n lệ COD: N: p 350: 5:
I.V2 X ’ l.í I I I E ỈI \ ' Ớ I ( Ì I AI P H Á P VI K H U Ẩ N T R Ạ N G T I I Á I L 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 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 klìơim khí, VI khn 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 n g d ế tổ n tại, s i n h trirởiig (p h n c h i a t ế b o , t ổ n g h ợ p (U C.ÌC chàt sơng) ho háp Iiỏi bào (ịxv hố nỏi bào);
(12)- Mặt khác, tạo mò( lưonu Ci) Ilic soiisj \ a chài lio tlư íbùii (.lư)^
Lấy ví dụ phãn hii\' ulưco I.IÌL 'láu, nho SII lio Ir i' cua niu> có ihè dịne hố g k i c thành protein tố bào ( Q H ^ N O i ) Tièp ihco, piolcni !ià v Ịihâii liiái nó: bào dế CLinu cấp lượng sống Có Ihê viẽi ph;in ứii'j ihco ciaiiL s ) (lố sau:
Tổng hợp;
6 Q ,H ,.0 + 4NfH, + 160 4C,H-NO- - I6CO + 2SH.O Hô hấp ơxy hố nội bào:
4Q H 7N O2 + 2ƠOn ^ C O + M i * + 8H O
Hai phản ứng ln ln tồn Phản ứng thứ liai khoiii: bao iziờ hồn chinh 110 tươiig ứng với thời gian lưu bùn, 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 lưưní> bìm thừa sinh
ra nhỏ lượng òxy tiêu thụ lại nhiéu
T r o ng ví d ụ trên, iượns ơxy hố hồn tồn phan tư g l u c ò cán phái cỏ 36 phan tử ôxy 36 p h â n tử ô xy t ưons đ i r a i g với B O D cúa pliãn lử ulucô Tr on g 36 phãii tử ị x y c ó 16 phâ n tỉr d ù ng ch o tổng hựp 20 phân iư dùim c h o hô hấ p nôi bào
Hệ số sử dụng ôxy cho trình tổng hợp:
a„ = I6O2/36O0 = 0.4?
Hệ số sử dụng ơxy cho q liình hò hấp phan hu\ noi hào: a,„ = 0 y = 0,3?
Hộ số suất tế bào:
a , „ „ = 4QH7NOy36(); =0 ^í^
Như để tiêu hiiỷ Ig BOD người la phai tổng hưp 0,39g '.'ật châì sống Lượng 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 hơ hâp nội bào: Troiiu q trình xứ lí nước thải khơne phải tồn vi khuẩn lốii” hơp bi o \ \ h(KÌ Iiói bào đế trở tliành CO^
HtO, m m ộ t phần dó inà ihỏi (phần cua C' - N Oi j T h e o phán ímg
ví du ỉhì có b„ 0t cán thiếi cho sư oxv hố vậi chất sơim, Ĩighĩa chi có lượng b ', :
b' - - x ( ) Q ( 13 18)
4 C ,H N
N h u c ầu ò x y ch o liò hấp nội bào biếu diển tliroi tlaiie:
(13)Nhu cầu ơxy tồn là:
X BOD5 + b'„ X Khối lượng vật chất sống Có yếu tố gây lượng bùn sinh học dư (bùn dư);
- Lượng vi khuẩn sản sinh phản ứng tổng hợp;
- Lượng vi khuẩn bị phản ứng hô hấp nội bào
Lượng vi khuẩn sinh phản ứng tổng hợp biểu thị X BOD bị thải Lượng vi khuẩn phản ứng hô hấp nội bào: b X lượng MV, (MV chất bay hơi) Tổng cộn g lượng bùn sinh ra: X B O D5 - b X Lượng M V
Lượng bùn sinh tính kg chất huyền phù/ngày
Khi xử lí sinh học nước thải đô thị với công suất không lớn, để đánh giá nhanh sử dụng đại lượng thích hợp sau đây:
a;, =0,5k g Ơ2/k g B O D ,,
b ; =0,lkg0 2/ngày cho kg MV,
a , ^ = 0,6kgO2/kgBOD5,
b = 0,05kg0i/ngày cho Ikg MV
2 Các thơng sơ' hoạt động q trình x lí hiếu kh í với giải pháp vi khuẩn ở
trạng thái lơ lửng
Trong xử lí nước thải, bể phản ứng sinh hoá đặc tiưng thông số bán: Tải trọng bùn theo khối lượng thể tích, khả lắng bùn độ tuổi bùn
• Tải trọng theo khối lượng thể tích:
Tải trọng bùn theo khối lượng tỉ số khối lượng chất nhiễm bẩn (lấy iương đương BOD) khối lượng bùn đơn vị thời gian (ngày đêm):
(.3.19)
Trong đó: Q - Liru lượng ngày, mVngày; Sq - Nồng độ chất nền, mg/1;
X, - Nồng độ chất lơ lửng bùn, mg/1; V - Thể tích bể,
Khái niệm tải trọng theo khối lượng quan trọng, thường áp dụng để xác định bùn hoạt tính:
+ Khả lắng: Tải trọng khối lượng nhỏ tương ứng với suất lắng cao ngược lại tải trọng khối lượng cao tương ứng với suất lắng thấp
(14)+ Bùn dư; Với tải trọng khối lượng nliỏ, hạn chế cua chất nền, hô hấp nội bào nhiều so với tải lượng l('ín Kết sản sinh bi.in sinh học
+ Độ ổn định bùn: Sự hô hấp nội bào mạnh làm cho vi khuẩn khoáng hoá tốt Các giải pháp với tải trọng khối lượng nhỏ cho bùn dư khả lên men
+ Nhu cầu ôxy: Khi tải trọng khối lượng nhỏ, hô hấp nội bào mạnh địi hỏi lượng ơxy tiêu thụ cao so với lượng ôxy tiêu thụ tải lượng lớn
Một khái niệm khác tải trọng bùn theo thể tích khối lượng chất nhiễm bẩn hữu (thường tính theo BOD) tính đơn vị tích cơng trình khoảng thời gian xác định (thường ngày đêm):
Cy = Q.SJV., kg BOD/kg chất huyền phù/ngày đêm (13.20) • Độ tuổi bùn: Là ti số khối lượng bùn có bế khối lượng bùn lấy khỏi bể ngày:
0, = - - (13.21) ^‘n B D ,^.h u -b X v V
Trong đó: Xy - nồng độ chất hữu (bay hơi) bùn, mg/1;
C' =— c
Ay Nếu gọi E ià hiệu suất khử BOD5:
g _ B O D3 | , Ị ^ B Q D S b| khứ
Q,s, " ~ x , v c „
Sau giản ước ta có:
0 = - (13.22)
a ,,E C ; „ - b
Như độ tuổi tỉ lệ nghịch với tải trọng khối lượng Khái niệm độ tuổi bùn cho ta thấy trạng thái sinh lí vi khuẩn, xác dịnh tịn hay khơng tồn phai có khả nitrat hố
• Khả lắng bùn
(15)ngày, bơng có tính hút nước mạnh lắng lượiig vi sinh tự tăng lẽn nhanh chóng
Kết bơng vi sinh tượng phức tạp điểu khiển bời trạng thái sinh lí tế bào, đặc tính nhiều vi sinh, có liên quan đến xuất polyme mà polysacarit đóng vai trị đặc biệt
Để đánh giá tính lắng đọng bùn người ta vào số MONLMAN hay sô' bùn - tiêu đánh giá khả nãng lắng bùn hoạt tính bể lắng đợt II tiêu phản ánh đặc tính chất lượng bùn
Chỉ số thể tích bùn thể tích gam bùn khơ chốn chỗ tính ml sau để dung dịch bùn lắng tĩnh 30 phút ống lắng hình trụ khắc độ dung tích lOOml Để xác định số thể tích bùn, lấy lít dung dịch bùn cửa bể aeroten để lắng 30 phút ống lắng thuỷ tinh hình trụ có khắc độ Quan sát đánh dấu mặt phân chia bùn nước để tính thể tích bùn chốn chỗ ml Đồng thời lấy mẫu xác định nồng độ bùn tính theo mg/1 Sau xác định số thể tích bùn theo cơng thức sau;
Thể tích bùn lắng sau 30 phút (ml/1) 1000
SVI = ^ - — — - í - , ml/g (13.23)
Nông độ bùn lơ lửng dung dịch (mg/1)
Thơng thưịmg số thể tích bùn dao động từ 50 H- 150 Bùn có số thể tích nhỏ, lắng nhanh đặc
Chỉ số mật độ bùn SDI số nghịch đảo số thể tích; Nồng độ bùn lơ lửng, (%)
S DỈ = - - - — - — X 1 0 (13.23')
Thể tích bùn chốn chỗ sau 30 phút lắng, (%) Chỉ sô' SDI thường dao động từ ^ ,5
• Sục khí:
Để cung cấp ơxy người ta thưịfng tiến hành sục khí sâu lịng nước để tạo bọt khí Kích thước bọt khí quan trọng Trong thực tế người ta tạo bọt khí từ hệ thống sục khí qua vật xốp có đường kính lỗ khoảng Imm Các bọt khí nhỏ đạt cách giãn nở nước bão hồ khơng khí áp suất lớn (phương pháp tuyển nổi)
3 Sự ổn định hiếu khí:
Sự ổn định hiếu khí phương pháp dùng để giảm lượng chất hữii bùn, cịn gọi "sự tiêu hố ưa khí" Bằng cách sục khí lâu bùn, vi sinh ưa khí hoạt động từ giai đoạn tổng hợp tế bào chúng thực trình tự ơxy hố (xem hình 13.4)
(16)Ban đầu chất hữu (nhờ có ơxy nilơ) đươc đóng hố thành tế bào vi sinh (C<ìH7N0t) Ví dụ phiìn huỷ gliicị:
6 C ,H |.0 + 4NH^ + 160 -> 4C,H,N 0ọ + 16CO2 + 28HọO
vật chất
H ì n h : 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) biến dổi theo phương trình; CsH.NO + -> SCO + NH, + H :
Tiếp theo amoniac có Ihế bị ỏxy hố, viết (Iưoc phương trình tổng quát;
C5H7NO, + -> 5COọ + N(J, + H' +
Sự ổn định hiếu khí thường áp dung nhiều cho bùn hoạt tính Tuy nhiên có thê áp dụng cho cặn bé láng sơ cấp hốặc cho màng sinh học chất phản ứng vi sinh trạng Ihái giá cố định lạo Tí lệ giam chiíl hữu biến động lớn, phụ thuộc vào thời gian ốn định nhiệt độ cỉia trình (xem hình 13.5)
Ọ trình ổn định hiếu khí ihường kéo dài: với bùn hoạt tính -r 10 ngày; với hỗn hợp cặn bùn 10 ^ 12 ngày Lượng khí cần cấp tính bình qn 150 ^ 240m^/m^ bùn hoạt tính 240 430 n r /m hỗn họp cặn
Đ ê đ n h giá đ ộ ổn định cỉia cặn, người ta dìiiig tiêu chuắn:
- Mức độ hổ hấp bùn: 0,1 kg 02/kg chất hữu nhiệt độ 20"c
(17)E%
60
50
40
30
20 10
1 I 11
ỉ
✓
2 10 20 50 100,t
a> à)
Hình 13.5: Sự biến đổi tỉ lệ gidm chất hữu cơE% ổn định hiến khi
a) Thời i>ian ổn cíịiĩli, ngày; hj Nhiệt độ (°C) xtlìời íỊÌan ổn định (nnày)
Cũng đánh giá lượng axit bay tạo thành lượng nitơ amoniac hố tính g chất hữu giữ trạng thái kị khí
Ổn định hiếu khí thực chế độ: chế độ ấm (tới SO^C) chế độ nóng (trên 50°C) chế độ nóng, nồng độ chất hữu > 30% (tính theo chất khơng tro) q trình "tự nhiệt' - nghĩa lượng phản ứng sinh hố tạo đủ để hâm nóng cặn
13.2.2 Sơ đồ q trình bùn hoạt tính
Khi làm thoáng hỗn hợp nước thải với bùn hoạt tính, q trình xử lí nước thải thực số lượng bùn hoạt tính tăng lên mức tăng sinh khối Nếu q trình tiếp tục thời gian đủ lâu, sau đạt giá trị tối đa đó, khối lượng bùn thống giảm dần
Hình 13.6 giới thiệu tượng đồng hành q trình bùn hoạt tính nước thải Trong phần lớn trường hợp tính chất nồng độ chất nhiễm bẩn nước thải bể xử lí hiếu khí với giải pháp vi khuẩn trạng thái lơ lửng (bể aeroten) tưcmg ứng vói đoạn BC đường cong thay đổi nồng độ bùn Tải trọng bùn trường hợp 150 -ỉ- 400mg BOD Ig chất không tro ngày BOD-,0 lúc ban đầu không lớn, tung độ KH Để thực q trình bùn hoạt tính địi hỏi thời gian t| cịn kết xử lí đạt mức tăng bùn AS|
Phần lớn chất nhiễm bẩn ơxy hố thời gian đầu thực làm thoáng, thể chỗ hàm lượng BOD cao lúc ban đầu, sau giảm nhanh tới nhu cầu giai đoạn "hô hấp nội bào" Người ta gọi q trình làm thống cổ điển lànn thống thơng thưịng
(18)Khi nồng độ chất nhiễm bẩn nước thải cao (với BODio lúc ban đầu > 500mg/l) trình biểu diễn đoạn AC Thời gian xử lí tăng tới t2; mức tăng bùn hệ thống ASt; tải trọng bùn vào khoảng 400 -ỉ- lOOOmg BOD20
Ig chất không tro ngày
Phụ thuộc vào nồng độ thời gian lưu bùn hệ thống làm thoáng mà BOD giảm tới giới hạn xác định, sau khơng giảm Dưới giới hạn đó, tốc độ ơxy hố phụ thuộc vào hàm lượng chất bẩn cịn lại Nhu cầu ôxy đoạn EF, không đổi theo thời gian, tăng lên không đáng kể Dưới điểm F, tốc độ tiêu thụ ơxy nhanh chóng giảm xuống đạt mức hô hấp nội bào
Hình 13.6: Qiuin hệ íỊÌữa m ứ c tă n g h ù n đ ộ ỵicìm B O D2Q
Nếu thời gian làm thống bình thường kéo dài tới 13, nồng độ bùn cuối trình xác định điểm D, nghĩa nồng độ lúc ban đầu Nói cách khác toàn lượng bùn tạo thành thời gian t3 kịp khống hố Q trình gọi ơxy hố hồn tồn bể aeroten làm thống kéo dài v.v Gần phưcíng pháp xử lí áp dụng rộng rãi Đối với trạm công suất nhỏ, bỏ bể lắng đợt I bùn ơxy hố đầy đủ bể aeroten bỏ qua cơng trình xử lí cặn (ngoại trừ cơng trình làm khơ cặn)
(19)trong cơng trình lấy sau Đối với bể aeroten làm thống kéo dài, tải trọng bùn mức 100 H- 150 lĩig BOD2o/lg chất không tro ngày
Quá trình ơxv hố hồn lồn xảy giai đoạn: Với thcfi gian tị - xử lí nuớc chải tới mức yêu cầu;
2 Với thịi gian Í3 - xử lí bùn hoạt tinh dư AS| (sau nén), tổng thời gian t| + t3 = Í4
là kết xử lí chung, tương tự sơ ơxy hố hồn tồn giảm thể tích cơng trình t3 ơxy hố bùn hoạt tính Nồng độ bùn cao ^5 lần nồng độ bùn bể aeroten
13.2.3 Phán loại bể xử lí hiếu khí với giải pháp vi khuẩn trạng thái iơ lửng (bể aeroten)
* Phân loại theo nguyên tắc làm việc
- Bể aeroten thông thường; thời gian làm thống t| (hình 13.6), áp dụng để xử lí sinh hố nước thải với cơng suất lớn
- Bể aeroten ơxy hố hồn tồn cịn gọi bể aeroten kéo dài thời gian làm thoáng t4 = t| + t3 (hình 13.6) Trong t3 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 bùn vào khoảng 400 -ỉ- 1000 mg/g bùn khô không tro ngày Thời gian làm thoáng tưofng ứng t2
-* Phán theo sơ đồ cơng nghệ: có aeroten bậc aeroten nhiều bậc
* Phân theo cấu trúc dòng chảy: Căn vào phương pháp đưa nước bùn hoại tính vào khỏi bể: Bể aeroten - đẩy, bể aeroten - trộn bể aeroten kết hợp
*Phân biệt theo phươỉig pháp làm thoáng: aeroten làm thoáng máy bơm khí nén; aeroten làm thống máy khuấy học; aeroten kết hợp Ngoài ra, cần kể đến loại aeroten làm thoáng áp lực thấp, tức khơng 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 hồn tồn bể aeroten bậc khơng có ngàn tái sinh bùn hoạt tính, ưu điểm thiết bị kĩ thuật quản lí đơn giản, áp dụng rộng rãi
aeroten
Bùn hoạt tính tuần hồn
Hinh 13.7
Bể lắng II
1
Bùn dư
(20)Sơ đổ 2: Xử lí hồn tồn ờ bê’ aeroten bậc có ngãn tái sinh bùn hoạt tính
Sơ đồ 3: Xử lí nước thải bể aeroten - đẩy bậc khơng có ngăn tái sinh bùn hoạt tính Bậc dùng để xử lí thêm
Hình 13.9
Sơ đồ 4: Xử lí nước thải bè aeroten bậc có ngăn tái sinh hùn hoạt tính Ngăn tái sinh ỏ đóng vai trị đảm bảo thêm cho tính an tồn cùa hệ thống
BùnTiõãtlính tuẫn hoẳn lừ bẻ Ĩắng ĩl I
1
4
. ♦
1
Bùn hoạt tính dư
: Xả cố Hinh 13.10:
Bùn hoạt tính dư
1 Bể aeroten bậc I; Bê lắng bậc I; Bể aeroten bâc 2;