Dựa trên nguyên tắc hoạt động của vi sinh vật bio - p, quá trình tách loại photpho trong một hệ thống xử lý nước thải có thể thực hiện phối hợp với oxy hóa BOD, với khử hợp chất nitơ theo các phương án kỹ thuật khác nhau.
Quá trình AO.
Quá trình AO là sơ đồ phối hợp xử lý yếm khí (anaerobic) và hiếu khí (oxic) được bố trí thể hiện trên (hình 1):
Hình 1: Quá trình xử lý photpho AO
Bùn từ bể lắng thứ cấp được bơm trở lại trộn với dòng thải tại đầu vào. Trong quá trình xử lý yếm khí, photphat được tách ra khỏi vi sinh vật từ dòng bùn hồi lưu dưới dạng photphat đơn. M ột phần chất hữu cơ cũng được xử lý tại đây bởi các quá trình lên men yếm khí, khử nitrat và do vi sinh bio - p hấp thu. Trong quá trình xử lý hiếu khí, photphat đơn được vi sinh sử dụng để tổng hợp tế bào và được tích lũy bởi loại vi sinh bio - p. Sinh khối lắng trong bể thứ cấp chứa hàm lượng photpho cao được tách loại photpho trong quá trình AO phụ thuộc vào tỉ lệ BOD:P, nếu tỉ lệ trên lớn hơn 1 0, hiệu quả tách loại tốt, nếu tỉ lệ trên thấp có thể bổ xung thêm muối sắt, nhôm để giảm nồng độ photpho tại đầu ra. Quá trình AO là quá trình tách loại photpho trực tiếp, không ghép thêm công đoạn tách phụ vào hệ xử lý nước thải
thông dụng. Trong trường hợp nước thải chứa hợp chất nitơ, hệ trên cũng có tác dụng xử lý, tuy nhiên cần phải tính toán đủ thời gian lưu cho giai đoạn hiếu khí để oxy hóa amoni.
Quá trình Phostrip
Phostrip là quá trình tách loại photpho có ghép thêm công đoạn phụ để kết tủa photphat tan sau khi xử lý yếm khí (hình 2 ):
B ù n thải
Hình 2. Sơ đồ phostrỉp tách loại photpho
Trong sơ đồ công nghệ Phostrip, một phần bùn thải từ bể lắng thứ cấp được đưa vào xử lý yếm khí với thời gian lưu thủy lực từ 8 - 12 giờ. Photphat đơn tách ra từ xử lý yếm khí tan trong nước, phần nước này được tách ra để kết tủa với hóa chất. Sinh khối sau khi tách photpho được đưa về cùng với sinh khối từ bể lắng thứ cấp hòa trộn với dòng vào để xử lý hiếu khí.
K ỹ thuật mé kế tiếp giai đoạn
Sừ dụng kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn cũng có thể tách loại đồng thời BO D, hợp chất nitơ, photpho bằng cách thay đổi thời gian vận hành đối với từng chu kỳ. Trong giai đoạn sục khí xảy ra các quá trình oxy hóa BOD, amoni và tích lũy photpho.
Trong giai đoạn khuấy trộn xảy ra quá trình khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối. Tách photpho ra khỏi nước thải có thể thực hiện với hóa chất hay trực tiếp (ngay sau xử lý hiếu khí). Đe khử nitrat và tách photpho ra khỏi sinh khối cần bổ xung thêm BO D hoặc sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh.
Quá trình AAO
AAO là một biến hình công nghệ của sơ đồ AO bao gồm các công đoạn xử lý yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic), trong đó giai đoạn xử lý thiếu khí dành cho quá trình khử nitrat với thời gian lưu thủy lực khoảng một giờ. Khoang xử lý thiếu khí được bổ xung nitrat, nitrit từ bể hiếu khí (quay vòng), bùn từ bể lắng thứ cấp được hồi lưu về bể yếm khí. Sơ đồ AAO có khả năng xử lý đồng thời hợp chất nitơ và photpho.
Quá trình B ardenpho năm giai đoạn
Quá trình được sử dụng để xử lý đồng thời hợp chất nitơ, photpho. Giai đoạn yếm khí được ghép thêm vào để tách loại photpho. Giai đoạn xử lý thiếu khí thứ hai nhằm tăng cường khử nitrat từ giai đoạn hiếu khí đầu với chất hữu cơ phân hủy nội sinh. Bê hiếu khí cuối cùng có tác dụng sục đuổi khí nitơ hình thành từ bể thiếu khí hai, oxy hóa phần amoni, BO D dư và đê hạn chế quá trình tách loại photpho từ vi sinh trong bể lắng thứ cấp. Hỗn hợp bùn - vi sinh được quay vòng từ bể hiếu khí đầu về bề thiếu khí thứ nhất. So với AAO thì thời gian lưu tế bào của Bardenpho năm giai đoạn dài hơn ( 1 0 - 4 0 ngày).
Quá trình UCT
UCT là tên viết tắt của University o f Cape Town, nơi thiết lập sơ đồ công nghệ xử lý có khả năng đồng thời loại bỏ B O D, hợp chất nitơ và photpho . Sơ đồ UCT tương tự sơ đồ công nghệ AAO, tuy vậy có hai điểm khác biệt: vi sinh được quay vòng về bể xử lý thiếu khí và có hai vòng quay hỗn hợp nước - bùn nội bộ từ thiếu khí về hiếu khí và từ thiếu khí về yếm khí.
Quay vòng bùn từ bể lắng về bể thiếu khí sẽ hạn chế được sự có mặt của nitrat trong bể yếm khí, thúc đẩy quá trình tách photpho từ vi sinh trong giai đoạn yếm khí. Hai chu trình nội bộ giúp tăng cường khả năng xử lý chất hữu cơ.
Chất hữu cơ có trong dòng quay vòng từ bể xử lý thiếu khí là loại dễ sinh hủy và hàm lượng nitrat trong đó thấp vì vậy thích hợp cho quá trình tách photpho từ vi sinh vật. Dòng quay vòng nội bộ thứ hai và bùn từ bể lắng thứ cấp có tác dụng khử nitrat.
a
b
d
Hình 3. Sơ đồ xử lý nito’, photpho: a) AA O ; b) Bardenpho năm giai đoạn; c) Quá trình UCT; d) quá trình VIP
Quá trình VIP
VIP là tên viết tắt của Virginia Initiative Plant in Norfork, Virginia) tương tự như AAO và UCT, điểm khác biệt là chu trình quay vòng bùn và hỗn hợp bùn - nước (hình 3. d). Bùn từ bể lắng cùng với hỗn hợp bùn nước từ bể hiếu khí được đưa về bể xử lý thiếu khí, còn hỗn hợp bùn - nước từ bể thiếu khí được quay vòng về bể yếm khí. Do một phần chất hữu cơ của dòng vào được xử lý qua hai giai đoạn yếm khí và thiếu khí nên tiết kiệm được lượng oxy tiêu thụ tại bể hiếu khí.
1.3.3. Đặc thù của quá trình x ử lý photpho
Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ bùn. Dòng bùn quay vòng cùng với nước thải được đưa về bể xử lý yếm khí. Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí. Trong môi trường yếm khí, nơi giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí chúng tích lũy photphat tan trong nước thải. Do thay đổi về điều kiện cơ chất từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên bề yếm khí còn đóng vai trò của bể chọn lọc vi sinh: thúc đẩy sự phát triên của vi
sinh tích lũy photpho và hạn chế vi sinh dạng sợi phát triển, tạo điều kiện lắng bùn tốt hơn trong bể lắng thứ cấp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thông thường thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí có ảnh hưởng không lớn lắm đến quá trình giải phóng photpho, quá trình này chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và các thông số vận hành: bản chất và nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan, nitrat, pH, nhiệt độ. Vì lý do đó, thiết kế hệ xử lý photpho đạt hiệu quả cao là việc không dễ dàng. Trong thiết kế cũng phải đảm bảo cho yếu tố và điều kiện vận hành sao cho điều kiện yếm khí được duy trì, ví dụ giảm lượng oxy hòa tan từ dòng vào và từ dòng hồi lưu bùn. Quá trình giải phóng photpho cũng xảy ra trong bể lắng và cũng cần được hạn chế khi quay vòng bùn. Do biến động của nhiều yếu tố nên hệ xử lý được thiết kế rất cần yếu tố linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu.
M ục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ trong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải. Hệ xử lý photpho có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc thiết kế đòi hỏi gọn, ít thay đôi cơ cấu của hệ cũ. Ví dụ với hệ xử lý bùn hoạt tính theo kỹ thuật dòng lý tưởng khi chuyển đổi một phần thể tích bể sang chế độ hoạt động yếm khí thì có thể xây dựng vách ngăn để tách riêng hai vùng, ngăn chặn sự lưu thông ngược lại từ vùng hiếu khí sang yếm khí. Tất nhiên, ngay trong vùng yếm khí cũng cần được khuấy trộn để tạo điều kiện cho sinh khối ở trạng thái lơ lừng. Hệ được bố trí như vậy kèm thêm các điều kiện khác như cấp đầy đủ chất hữu cơ thích hợp, kiểm soát được oxy hòa tan, nitrat, nitrit thì hệ sẽ hoạt động có hiệu quả.
M ột số mô hình có thể sử dụng để tính toán thiết kế hệ xử lý photpho: ASM 2, A S M 2d (IW A 1994, 2000) hoặc E A W A G Bio - p module (phiên bản của ASM 3), mô hình kinh nghiệm.
Đe có thể thiết kế hiệu quả một hệ thống xử lý photpho, yếu tố cực kỳ quan trọng là đánh giá đầy đủ các đặc trưng của nước thải cần xử lý, đặc biệt là nguồn chất hữu cơ trong đó mà vi sinh vật có thể hấp thu trong môi trường yếm khí.
Đe hệ xử lý photpho hoạt động có hiệu quả cần đáp ứng các điều kiện: - Điều kiện môi trường yếm khí, hiếu khí kế tiếp n h a u .
- Đủ lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể hấp thu. - Lượng photpho trong nước thải cao hơn mức nhu cầu tổng hợp tế bào vi sinh. - Đủ hàm lượng kali và magie.
- V ùng pH thích hợp.
Đó là các điều kiện để vi sinh vật PAO phát triển trong môi trường yếm khí, tất nhiên để đạt tới mức độ ổn định về mật độ vi sinh vật cần có thời gian. D òng hồi lưu bùn từ bể lắng thứ cấp về bể yếm khí cần được hòa trộn liên tục với dòng đầu vào. Sau một thời gian nhất định, mật độ vi sinh PAO phát triển đạt mức cực đại.
Sự biến động của tập đoàn vi sinh tích lũy photpho
Trong sinh khối của hệ xử lý tồn tại nhiều tập đoàn vi sinh vật, loại có mật độ (tỷ lệ) cao nhất trong sinh khối là loại có tốc độ phát triển nhanh nhất trong điều kiện vận hành của hệ. Dưới điều kiện hiếu khí, vi sinh vật PAO không phát triển, mật độ thấp và vì vậy hệ xử lý bùn hoạt tính thông dụng không có khả năng “tăng cường xử lý photpho” . Vi sinh vật PAO khi gặp điều kiện yếm khí và chất hữu cơ sẽ sử dụng năng lượng tích trữ trong liên kết photphat (Adenosin triphotphat) để cô lập (bắt giữ) và polyme hóa một số các loại chất hữu cơ, tạo ra các phân tử polyme (polyhydroxybutyrate, PH B, polyhydroxyvalerate hoặc gọi chung là polyhydroxyalkanoate) và tích lũy chúng trong tế bào. Loại vi sinh vật khác trong sinh khối không có khả năng tích lũy chất hữu cơ nên không thể phát triển trong điều kiện đó. Tỉ lệ vi sinh PAO trong sinh khối tỉ lệ thuận với lượng chất hữu cơ được hấp thụ theo cơ chế trên và vi vậy trở thành yếu tố kiểm soát mật độ vi sinh PAO cùng với photpho.
Tỉ lệ vi sinh PAO trong sinh khối phụ thuộc vào tỉ lệ giữa chất hữu cơ và photphat trong môi trường yếm khí, tỉ lệ trên càng lớn thì sự phát triển của PAO càng thuận lợi. Chất hữu cơ dễ hấp thụ đối với vi sinh PAO là họ chất axit béo dễ bay hơi (VFA), họ chất trung gian của quá trình lên men yếm khí.
Cơ chất trong môi trường yếm khí
Yeu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý photpho là lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật PAO có khả năng hấp thụ. N ồng độ chất hữu cơ trước hết phải đáp ứng đủ cho quá trình khử oxy (từ dòng vào và hồi lưu bùn) cũng như các chất oxy hóa khác có mặt như N O3", N O2 vì vi sinh vật ưa sử dụng cơ chất để chuyển hóa thành năng lượng hơn là tích lũy, đồng nghĩa với tốc độ chuyển hóa cơ chất để sản xuất năng lượng xảy ra nhanh hơn, phần chất hữu cơ dư sau đó mới được vi sinh PAO sử dụng cho mục đích tích lũy. Bản chất của chất hữu cơ cũng có vai trò quan trọng, khác với phần lớn các chủng loại vi sinh khác, chất hữu cơ sau khi được hấp thụ còn được chuyển hóa thành polyme vi vậy chất hữu cơ không những cần phải có tính năng “hấp thụ đư ợ c” mà còn phải có đặc trưng “ dễ polym e hóa” . Hợp chất axit béo dễ bay hơi có mạch carbon từ 2 - 5 nguyên tử được coi là thích hợp để vi sinh PAO hấp thụ, tuy nhiên hiệu suất hấp thu và giải phóng photphat của từng cấu tử là khác nhau. Trình bày hiệu quả hấp thu photpho trong giai đoạn hiếu khí R(P/CO D) và tỉ lệ COD sử dụng để loại bỏ photpho R (COD/P) trong cả hệ. Phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ (tính theo COD) trong điều kiện: thời gian lưu tế bào là 13 ngày, xử lý hiếu khí với nồng độ oxy tan cao, COD sau xử lý rất thấp:
Bảng 2. Ảnh hưởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho Co’ chất R (P/COD), g/g R (CO D/P), g/g
Axit formic 0 0 0
Axit propionic 0 , 1 0 24,4 Axit butyric 0 , 1 2 27,5 Axit isobutyric 0,14 29,1 Axit valeric 0,15 6 6 , 1 Axit isovaleric 0,24 18,8
N ước thải sinh hoạt
0,05 1 0 2
Axit formic tuy dễ hấp thụ nhưng khó polyme hóa nên không có tác dụng tích lũy trong vi sinh PAO, loại axit có từ 2 - 5 nguyên tử carbon tỏ ra thích hợp, trong đó axit axetic có hiệu quả cao nhất và rất may m ắn lại là thành phần chủ yếu của quá trình lên men yếm khí chất hữu cơ. Thật ra các thành phần chất hữu cơ trong đều là sản phẩm của quá trình lên men, tỷ lệ của từng hợp chất phụ thuộc vào nguồn hữu cơ nguyên liệu. Từ số liệu của bảng 3 cho thấy chỉ có axit valeric trong số các V F A là có tỉ lệ sử dụng cao, tức là hiệu suất giải phóng photpho thấp: 6 8 g axit valeric tính theo COD để giải phóng 1 g photpho, đó cũng là số liệu thường thấy đối với các hệ xử lý nước thải (50 : 1) sinh hoạt.
Sự hình thành các axit béo dễ bay hơi xảy ra không những tại các bể xử lý yếm khí mà còn xảy ra tại các cống rãnh thu gom nước thải, đặc biệt là nước thải đô thị với thời gian lưu tương đối dài miễn là không (ít) có mặt của oxy hòa tan và nitrat. Đó là điều kiện thuận lợi để tiết kiệm chi phí xây dựng (thể tích) bể xử lý yếm khí. Quá trình lên men yếm khí và hàm lượng VFA hình thành phụ thuộc vào tỉ lệ
BO D /C O D , trong thành phần CO D bao gồm cả CO D không tan có nguồn gốc từ cặn hữu cơ không tan trong nước thải.
Số liệu thường được chấp nhận là lượng chất hữu cơ trong bể xử lý yếm khí phải lớn hơn 25 mg/1 tính theo VFA mới có khả năng duy trì quá trình hoạt động của vi sinh PAO. Khi nguồn hữu cơ cao hơn giá trị trên sẽ tăng cường hiệu quả giải phòng photpho và tích lũy chất hữu cơ trong môi trường yếm khí và tích trữ photpho trong môi trường hiếu khí sau đó, hiệu quả tiếp tục tăng đến một giá trị nhất định đối với một tỉ lệ V FA/P, giá trị VFA/P tối ưu phụ thuộc vào thành phần của VFA. Trên mức VFA/P tối ưu, khả năng tích lũy photpho của vi sinh không tăng tiếp tục và BOD của dòng ra khỏi bể yếm khí tăng theo. BO D vào bể hiếu khí cao sẽ thúc đẩy sự phát triển của loại vi sinh dị dường không có khả năng tích lũy photpho, làm giảm m ật độ (tỷ lệ) của vi sinh PAO trong sinh khối, kéo theo hàm lượng photphat trong bể hiếu khí giảm. Tuy vậy có những trường hợp cho thấy: khi nồng độ axit axetic cao hơn 400 mg/1 thì hiệu quả xử lý photpho của hệ giảm.
Lượng photpho dư
Thiếu photpho cũng có ảnh hưởng tiêu cực như thiếu chất hữu cơ. Thực tế vận