Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống và hoạt động của VSV cĩ khả năng phân hố những hợp chất hữu cơ.
Các chất hữu cơ sau khi phân hố trở thành nước, những chất vơ cơ hay các khí đơn giản.
Cĩ 2 loại cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Điều kiện tự nhiên, điều kiện nhân tạo.
+ Điều kiện tự nhiên: Cánh đồng tưới cơng cộng và bãi lọc, cánh đồng tưới nơng nghiệp, hồ sinh học,
+ Điều kiện nhân tạo: Lọc sinh học, bể Aerotank, bể UASB.
Cơng trình xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên
Cánh đồng tưới cơng cộng và bãi lọc
Trong nước thải sinh hoạt chứa một hàm lượng N, P, K khá đáng kể.
Như vậy, nước thải là một nguồn phân bĩn tốt cĩ lượng N thích hợp với sự phát triển của thực vật. Tỷ lệ các nguyên tố dinh dưỡng trong nước thải thường là 5 : 1 : 2 = N : P : K. Nước thải cơng nghiệp cũng cĩ thể sử dụng nếu chúng ta loại bỏ các chất độc hại.
Để sử dụng nước thải làm phân bĩn, đồng thời giải quyết xử lý nước thải theo điều kiện tự nhiên người ta dùng cánh đồng tưới cơng cộng và cánh đồng lọc.
Nguyên tắc hoạt động: Việc xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới, cánh
đồng lọc dựa trên khả năng giữ các cặn nước ở trên mặt đất, nước thấm qua
đất như đi qua lọc, nhờ cĩ oxy trong các lỗ hỏng và mao quản của lớp đất mặt, các VSV hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống, lượng oxy càng ít và quá trình oxy hĩa các chất hữu cơ càng giảm xuống dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đĩ chỉ xảy ra quá trình khử nitrat. Đã xác
định được quá trình oxy hĩa nước thải chỉ xảy ra ở lớp đất mặt sâu tới 1,5m.
Vì vậy các cánh đồng tưới và bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi cĩ
Nguyên tắc xây dựng: Cánh đồng tưới và bãi lọc là những mảnh đất được san phẳng hoặc tạo dốc khơng đáng kể và được ngăn cách tạo thành các ơ bằng các bờ đất. Nước thải phân bố vào các ơ bằng hệ thống mạng lưới phân phối gồm: mương chính, máng phân phối và hệ thống tưới trong các ơ. Nếu khu đất chỉ dùng xử lý nước thải, hoặc chứa nước thải khi cần thiết gọi là bãi lọc.
Cánh đồng tưới, bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi cĩ độ dốc
tự nhiên, cách xa khu dân cư về cuối hướng giĩ. Xây dựng ở những nơi đất cát,
đá cát, cũng cĩ thể ở nơi đất đá sét, nhưng với tiêu chuẩn tưới khơng cao và
đảm bảo đất cĩ thể thấm kịp.
Diện tích mỗi ơ khơng nhỏ hơn 3 ha, đối với những cánh đồng cơng cộng diện tích trung bình các ơ lấy từ 5 đến 8 ha, chiều dài của ơ nên lấy khoảng 300 - 1500 m, chiều rộng lấy căn cứ vào địa hình. Mực nước ngầm và các biện pháp tưới khơng vượt quá 10 - 200 m.
Cánh đồng tưới nơng nghiệp
Từ lâu người ta cũng đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn
phân bĩn để tưới lên các cánh đồng nơng nghiệp ở những vùng ngoại ơ. Theo chế độ nước tưới người ta chia thành 2 loại:
- Thu nhận nước thải quanh năm. - Thu nước thải theo mùa.
Khi thu hoạch, gieo hạt hoặc về mùa mưa người ta lại giữ trữ nước thải
trong các đầm hồ (hồ nuơi cá, hồ sinh học, hồ điều hịa,…) hoặc xả ra cánh
đồng cỏ, cánh đồng trồng cây ưa nước hay hay vào vùng dự trữ.
Chọn loại cánh đồng nào là tùy thuộc vào đặc điểm thốt nước của
vùng và loại cây trồng hiện cĩ.
Trước khi đưa vào cánh đồng, nước thải phải được xử lý sơ bộ qua
song chắn rác, bể lắng cát hoặc bể lắng. Tiêu chuẩn tưới lấy thấp hơn cánh đồng cơng cộng và cĩ ý kiến chuyên gia nơng nghiệp.
Hồ sinh học
Cấu tạo: Hồ sinh vật là các ao hồ cĩ nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, cịn gọi là hồ oxy hĩa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hĩa sinh hĩa các chất hữu cơ nhờ các lồi vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác.
Nguyên tắc hoạt động: Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxy hĩa từ khơng khí để oxy hĩa các chất hữu
cơ, rong tảo lại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân hủy,
oxy hĩa các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ khơng được thấp.
Cơng trình xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo
- Bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học là cơng trình nhân tạo, trong đĩ nước thải được lọc qua
vật liệu rắn cĩ bao bọc một lớp màng vi sinh vật. Bể lọc sinh học gồm các phần chính như sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều lên tồn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống phân phối khí cho bể lọc.
Quá trình oxy hĩa chất thải trong bể lọc sinh học diễn ra giống như trên
cánh đồng lọc nhưng với cường độ lớn hơn nhiều. Màng vi sinh vật đã sử
dụng và xác vi sinh vật chết theo nước trơi khỏi bể được tách khỏi nước thải ở bể lắng đợt hai. Để đảm bảo quá trình oxy hĩa sinh hĩa diễn ra ổn định, oxy được cung cấp cho bể lọc bằng các biện pháp thơng giĩ tự nhiên hoặc thơng giĩ nhân tạo. Vật liệu của bể lọc sinh học cĩ thể là nhựa plastic, đá granit.
+ Bể lọc sinh học nhỏ giọt
Bể lọc sinh học nhỏ giọt dùng để xử lý sinh học hồn tồn nước thải, đảm
bảo BOD5 trong nước thải ra khỏi bể lắng đợt hai dưới 15 mg/l. Tải trọng thủy
lực q của bể thấp (1 – 3 m3 nước thải/m2 bề mặt bể.ngày. Tải trọng chất bẩn
hữu cơ Lv của bể là 0,1 đến 0,2 kg BOD5/m3 vật liệu lọc. Vì vậy các loại bể lọc này thường được gọi là bể lọc sinh học tải trọng thấp. Bể thường dùng cho
các trạm xử lý nước thải cơng suất dưới 1500 m3/ngày.
Bể cĩ cấu tạo hình chữ nhật hoặc hình trịn trên mặt bằng. Do tải trọng thủy lực và tải trọng chất bẩn hữu cơ thấp nên kích thước hạt vật liệu lọc khơng lớn hơn 30 mm, thường là các loại đá cục, cuội, than cục. Chiều cao lớp vật liệu lọc trong bể từ 1,5 đến 2,0m. Bể được cấp khí tự nhiên, qua cửa thu khí xung quanh thành hoặc lấy từ dưới đáy. Khoảng khơng giữa đáy bể và sàn
đỡ vật liệu lọc cao 0,4 đến 0,6m. Nước thải được tưới trên bề mặt bể nhờ hệ
thống ống phân phối vịi phun, khoan lỗ hoặc máng răng cưa. Thiết bị định
lượng nước thải cĩ thể là dạng thùng xiphơn (trường hợp tưới nước bằng vịi phun) hoặc các loại máng tự lật. Thời gian tưới theo chu kì (gián đoạn) trong 5
phút, cường độ tưới nhỏ (0,5 – 1,5 m3 nước thải/m3 vật liệu lọc.ngày) nên người ta thường khơng cho tuần hồn nước thải sau xử lý về. Tuy nhiên bể
làm việc hiệu quả khi BOD5 của nước thải dịng vào dưới 220 mg/l.
+ Bể lọc sinh học cao tải
Bể lọc sinh học cao tải dùng để xử lý sinh học hiếu khí nước thải với tải
trọng thủy lực từ 10 đến 30 m3 nước thải/m2 bề mặt bể.ngày. Hiệu quả khử
BOD của bể từ 60 đến 85%. Bể thường dùng để xử lý nước thải sinh hoạt hoặc các loại nước thải khác cĩ thành phần tính chất tương tự, cơng suất từ 500 đến
hàng chục nghìn m3 trong ngày. Tải trọng chất bẩn hữu cơ theo BOD5 của bể
Lv thường từ 0,2 đến 1,5 kg BOD/m3.ngày. Để đảm bảo tải trọng thủy lực vật
liệu lọc của bể lọc sinh học cao tải thường là than đá, đác cục, cuội sỏi, đá ong lớn,… kích thước trung bình từ 40 đến 80 mm, chiều cao lớp vật liệu lọc cĩ thể tăng lên đến 6 – 9m.
Bể cấu tạo hình trịn trên mặt bằng để đảm bảo cho dàn ống phân phối
nước tự quay. Áp lực tại các lỗ phun từ 0,5 đến 0,7m. Tốc độ quay một vịng từ 8 đến 12 phút. Khoảng cách từ bề mặt lớp vật liệu đến dàn ống là 0,2 đến 0,3m để lấy khơng khí và nước phun ra vỡ thành các hạt nhỏ đều trên mặt bể.
Bể lọc được cấp khí tự nhiên nhờ các cửa thơng giĩ xung quanh bể với tổng diện tích bằng 20% diện tích sàn thu nước. Bể lọc sinh học cao tải hoạt
động cĩ hiệu quả khi BOD5 của nước thải dưới 300 mg/l. Để tăng hiệu quả xử
lý nước thải người ta thường tuần hồn nước sau bể lọc để xử lý lại.
Hình 2.4: Sơ đồ làm việc bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học
Cấp khí
Nước tuần hồn
- Bể aerotank
Bể aerotank được phân thành các loại sau + Bể aerotank truyền thống
Hình 2.5: Sơđồ làm việc của aerotank truyền thống
Nước thải sau bể lắng đợt 1 được trộn đều với bùn hoạt tính tuần hồn ở ngay đầu bể aerotank. Đối với nước thải sinh hoạt cĩ mức độ nhiễm bẩn trung
bình, lưu lượng tuần hồn thường từ 20% - 30% lưu lượng nước thải đi vào.
Dung tích bể được thiết kế với thời gian lưu nước để làm thống trong bể từ 6 đến 8 giờ khi dùng hệ thống sục giĩ và từ 9 đến 12 giờ khi dùng thiết bị khuấy cơ khí làm thống bề mặt.
Lượng giĩ cấp vào từ 55 m3/1kg BOD5 đến 65 m3/1kg BOD5 cần khử.
Chỉ số thể tích bùn SVI thường dao động từ 50 – 150 ml/g, tuổi của bùn từ 3
đến 15 ngày. Nồng độ BOD đầu vào thường nhỏ hơn 400 mg/l, hiệu quả làm
sạch từ 80 – 95%. Hiệu quả xử lý của bể phụ thuộc mạnh vào sự dao động lưu lượng và nồng độ các chất độc (kim loại nặng) do nước thải cơng nghiệp chưa xử lý xả vào. Nước ra Nước vào Bể lắng đợt 2 Bể lắng đợt 1 Xả bùn tươi Bể Aerotank Bùn hoạt tính tuần hồn Xả bùn hoạt tính dư
+ Bể aerotank với sơ đồ nạp nước thải vào theo bậc
Hình 2.6: Sơ đồ làm việc của Bể aerotank nạp theo bậc
Nước thải từ bể lắng đợt 1 đi vào bể aerotank ở một số điểm dọc theo 50 – 65% chiều dài tính từ đầu bể cịn bùn tuần hồn thì đi vào đầu bể. Nạp theo bậc cĩ tác dụng làm cân bằng tải trọng BOD theo thể tích bể và làm giảm độ
thiếu hụt oxy ở đầu bể và lượng oxy cần thiết được trải đều theo dọc bể làm
cho hiệu suất sử dụng oxy tăng lên, hiệu quả xử lý đạt cao hơn. + Bể aerotank tải trọng cao
Áp dụng khi yêu cầu xử lý để nước đầu ra cĩ chất lượng loại C hoặc dưới loại B. Nước đã qua bể lắng đợt 1 hoặc chỉ qua lưới chắn rác, sau đĩ trộn đều với 10% đến 20% bùn tuần hồn, đi vào bể aerotank để làm thống trong
khoảng thời gian từ 1 đến 3 giờ. Nồng độ bùn hoạt tính trong bể X <= 1000
mg/l. Bằng cách điều chỉnh lượng khí cấp vào và lượng bùn hoạt tính tuần hồn, cĩ thể thu được hiệu quả xử lý đạt loại C và gần loại B. Lượng BOD khử được từ 60 đến 85%.
+ Bể aerotank cĩ ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định
Nước từ bể lắng đợt 1 được trộn đều với bùn hoạt tính đã được tái sinh (bùn đã được xử lý đến ổn định trong ngăn tái sinh) đi vào ngăn tiếp xúc của bể, ở ngăn tiếp xúc bùn hấp phụ và hấp thụ phần lớn các chất keo lơ lửng và chất bẩn hịa tan cĩ trong nước thải với thời gian rất ngắn khoảng 0,5 – 1 giờ rồi chảy sang bể lắng đợt 2. Bùn lắng ở đáy bể lắng đợt 2 được bơm tuần hồn
Nước ra Bể lắng đợt 2 Bể lắng đợt 1 Xả bùn tươi BểAerotank Xả bùn hoạt tính Nước vào Bùn hoạt tí h
lại bể tái sinh. Ở bể tái sinh, bùn được làm thống trong thời gian từ 3 đến 6 giờ để oxy hĩa hết các chất hữu cơ đã hấp thụ, bùn sau khi tái sinh trở thành ổn định. Bùn dư được xả ra ngồi trước ngăn tái sinh.
Ưu điểm của bể aerotank cĩ ngăn tiếp xúc là dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải.
+ Bể aerotank làm thống kéo dài
Bể làm thống kéo dài được thiết kế với tải trọng thấp, tỷ số F/M thấp, thời gian làm thống từ 20 – 30 giờ để hệ vi sinh trong bể làm việc ở giai đoạn hơ hấp nội bào. Bể chỉ áp dụng cho các nhà máy xử lý nước thải cĩ cơng suất
nhỏ hơn 3500 m3/ngày. Trong sơ đồ xử lý khơng xây bể lắng đợt 1, nước chỉ
cần qua lưới chắn đi thẳng vào bể. Tồn bộ cặn lắng ở bể lắng đợt 2 được tuần
hồn lại bể aerotank, bùn dư định kỳ được xả ra ngồi, bùn dư là bùn đã ổn
định khơng cần cơng đoạn xử lý ổn định bùn mà xả thẳng vào sân phơi bùn
hoặc vào thiết bị làm khơ bùn.
+ Bể aerotank khuấy trộn hồn chỉnh
Trong bể aerotank khuấy trộn hồn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxy hịa tan được khuấy trộn đều tức thời sao cho nồng độ các chất được phân bĩn đều ở mọi phần từ trong bể.
Ưu điểm bể aerotank khuấy trộn hồn chỉnh là pha lỗng ngay tức khắc nồng độ của các chất độc hại (kim loại nặng) trong tồn thể tích bể, khơng xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải cĩ chỉ số thể tích bùn cao, cặn khĩ lắng.
+ Bể aerotank hoạt động gián đoạn theo mẻ
Đây là một dạng cơng trình xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, trong đĩ tuần tự diễn ra các quá trình thổi khí, lắng bùn và gạn nước thải. Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn của bể tối thiểu là hai ngăn.
Bể cĩ hình chữ nhật dài trên mặt bằng. Nước thải chảy vào bể được hịa với bùn hoạt tính tuần hồn. Để cung cấp oxy cho vi sinh vật – bùn hoạt tính và khuấy trộn đều hỗn hợp, người ta dùng thiết bị khuấy trộn bằng khơng khí nén hoặc cơ khí.
Thơng thường khơng khí nén được dẫn vào dọc theo một phía của bể. Nước vào đầu bể và ra ở cuối bể. Thời gian lưu nước lại trong bể thường từ 2 đến 12 giờ, đơi khi 20 giờ.
Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, dễ lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư.
Cơng trình hoạt động gián đoạn, cĩ chu kỳ. Các quá trình trộn nước thải
với bùn, lắng bùn cặn…., diễn ra gần giống với điều kiện lý tưởng nên hiệu
quả xử lý nước thải cao. BOD5 của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 20
mg/l, hàm lượng cặn lơ lửng từ 3 đến 25 mg/l và N-NH3 khoảng từ 0,3 đến 12
mg/l. Bể aerotank hoạt động gián đoạn theo mẻ làm việc khơng cần bể lắng
đợt hai. Trong nhiều trường hợp, người ta cũng bỏ qua bể điều hịa và bể lắng đợt một.
Hệ thống aerotank hoạt động gián đoạn SBR cĩ thể khử được Nitơ và
Photpho sinh hĩa do đĩ cĩ thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu
khí và kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp oxy. Các ngăn bể được sục khí bằng máy nén khí, máy sục khí dạng Jet hoặc thiết bị khuấy trộn
cơ học. Chu kỳ hoạt động của ngăn bể được điều khiển bằng rơle thời gian.
Trong ngăn bể cĩ thể bố trí hệ thống vớt váng, thiết bị đo mức bùn…
Bể UASB
Quá trình xử lý nước thải bằng các biện pháp sinh học kỵ khí là một quá trình phát triển tương đối gần đây trong lĩnh vực cơng nghệ mơi trường.