AAO là quy trình xử lý sinh học liên tục ứng dụng nhiều hệ vi sinh vật khác nhau: Hệ vi sinh vật Yếm khí, Thiếu khí, Hiếu khí để xử lý chất thải.
Dưới tác dụng phân hủy chất ô nhiễm của hệ vi sinh vật mà chất thải được xử lý trước khi xả ra môi trường.
Trong đó:
+ Yếm khí: để khử hydrocacbon, kết tủa kim loại nặng, kết tủa photpho, khử clo hoạt động…
+ Thiếu khí: để khử NO3 thành N2 và tiếp tục giảm BOD và COD + Hiếu khí: để chuyển hóa NH4 thành NO3, khử BOD, COD….
1/ Bể yếm khí (Anaerobic)
Trong các bể yếm khí xảy ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và các chất dạng keo trong nước thải với sự tham gia của hệ vi sinh vật yếm khí. Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, vi sinh vật yếm khí sẽ hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành các hợp chất ở dạng khí. Bọt khí sinh ra bám vào các hạt bùn cặn. Các hạt bùn cặn này nổi lên trên làm xáo trộn, gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng.
Quá trình phân hủy chất hữu cơ của hệ vi sinh vật yếm khí rất phức tạp, tuy nhiên chúng ta cũng có thể đơn giản hóa quá trình phân hủy yếm khí bằng các phương trình hóa học như sau:
Chất hữu cơ + VK yếm khí → CO2 + H2S + CH4 + các chất khác + năng lượng Chất hữu cơ + VK yếm khí + năng lượng → C5H7O2N (Tế bào vi khuẩn mới) [C5H7O2N là công thức hóa học thông dụng để đại diện cho tế bào vi khuẩn]
Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas, có thành phần như sau:
Metan (CH4): 55 ÷ 65%; Carbon dioxyde (CO2): 35 ÷ 45%; Nitrogen (N2): 0 ÷ 3%; Hydrogen (H2): 0 ÷ 1% và Hydrogen Sulphide (H2S): 0 ÷ 1%.
Metan có nhiệt trị cao (gần 9000 Kcal/m3). Do đó, nhiệt trị của khí Biogas khoảng 4500 ÷ 6000 Kcal/m3 (tùy thuộc vào % lượng khí metan). Nên trong quá trình yếm khí ở các công trình lớn người ra có thể tận thu khí Biogas làm chất đốt.
Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính: phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử, tạo các axit, tạo metan.
Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí:
a. Phân hủy các chất hữu cơ phân tử
Giai đoạn thủy phân:
+ Giai đoạn phân hủy các chất hữu cơ phức tạp như: protein, xenlulozo, lipit thành những đơn phân tử hòa tan như axit amin, glucozo, axit béo và glyxerol.
+ Quá trình này xảy ra chậm và có thể giới hạn khả năng phân hủy yếm khí của một số chất thải nguồn gốc xenlulo có chứa lignin.
+Có các vi sinh vật như: Hydrolitic bacteria, Clostriclicum, Thermocelem. Giai đoạn lên men axit:
+ Giai đoạn này có các quá trình chuyển hóa các sản phẩm của các giai đoạn thủy phân tạo ra axit hữu cơ như: axetic, propionic, butyric, lactic vv…các ancol và xetol như: etanol, metanol, glyxerol, axetol, axetat, CO2 và H2.
+ Axetat là sản phẩm chính của quá trình lên men cacbohydrat các sản phẩm tạo thành khác nhau tùy theo loại vi khuẩn và các điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa-khử).
+ Có sự tham gia của các vi sinh vật: Bacteroides, Suminiccola, Bifidobacterium.
b. Tạo nên các axit
+ Giai đoạn chuyển hóa các axit hữu cơ, các ancol, xetol từ giai đoạn 2 tạo thành axetic + Phương trình phản ứng: CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2 CH3CH2COOH +2H2O → CH3COOH + CO2 + 2H2 CH3CH2CH2COOH + H2O → 2CH3COOH + 2H2 c. Tạo metan
Là giai đoạn quan trọng nhất, dưới tác dụng của vi sinh vật axetic được chuyển thành metan. Nhóm vi khuẩn metan chia làm 2 nhóm:
+ Nhóm vi khuẩn Metan hydrogenotrophic, sử dụng hydrogen tự dưỡng chuyển hydro và cacbon thành metan:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
+ Nhóm vi khuẩn Metan acetotrophic: còn gọi là vi khuẩn phân giải axetat, chúng chuyển axetat thành metan và cacbondioxit.
CH3COOH → CH4 + CO2
Hình 6: Quá trình phân hủy yếm khí
2/ Bể thiếu khí (Anoxic)
Trong nước thải, có chứa hợp chất nitơ và photpho, những hợp chất này cần phải được loại bỏ ra khỏi nước thải. Tại bể Anoxic, trong điều kiện thiếu khí hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển xử lý N và P thông qua quá trình Nitrat hóa và Photphorit.
Quá trình Nitrat hóa xảy ra như sau:
+ Hai chủng loại vi khuẩn chính tham gia vào quá trình này là Nitrosomonas và Nitrobacter. Trong môi trường thiếu oxy, các loại vi khuẩn này sẽ khử Nitrat (NO3
-
) và Nitrit (NO2
-) theo chuỗi chuyển hóa: + NO3- → NO2- → N2O → N2↑
+ Khí nitơ phân tử N2 tạo thành sẽ thoát khỏi nước và ra ngoài. Như vậy là nitơ đã được xử lý.
+ Quá trình Photphorit hóa:
+ Chủng loại vi khuẩn tham gia vào quá trình này là-Acinetobacter. Các hợp chất hữu cơ chứa photpho sẽ được hệ vi khuẩn Acinetobacter chuyển hóa thành các hợp chất mới không chứa photpho và các hợp chất có chứa photpho nhưng dễ phân hủy đối với chủng loại vi khuẩn hiếu khí.
+ Để quá trình Nitrat hóa và Photphoril hóa diễn ra thuận lợi, tại bể Anoxic bố trí máy khuấy chìm với tốc độ khuấy phù hợp. Máy khuấy có chức năng khuấy trộn dòng nước tạo ra môi trường thiếu oxy cho hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển. Ngoài ra, để tăng hiệu quả xử lý và làm nơi trú ngụ cho hệ vi sinh vật thiếu khí, tại bể Anoxic lắp đặt thêm hệ thống đệm sinh học được chế tạo từ nhựa PVC, với bề mặt hoạt động 230 ÷ 250 m2
/m3. Hệ vi sinh vật thiếu khí bám dính vào bề mặt vật liệu đệm sinh học để sinh trưởng và phát triển.
3/ Bể hiếu khí (Oxic)
Đây là bể xử lý sử dụng chủng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất thải. Trong bể này, các vi sinh vật (còn gọi là bùn hoạt tính) tồn tại ở dạng lơ lửng sẽ hấp thụ oxy và chất hữu cơ (chất ô nhiễm) và sử dụng chất dinh dưỡng là nitơ và photpho để tổng hợp tế bào mới, CO2, H2O và giải phóng năng lượng. Ngoài quá trình tổng hợp tế bào mới, tồn tại phản ứng phân hủy nội sinh (các tế bào vi sinh vật già sẽ tự phân hủy) làm giảm số lượng bùn hoạt tính. Tuy nhiên quá trình tổng hợp tế bào mới vẫn chiếm ưu thế do trong bể duy trì các điều kiện tối ưu vì vậy số lượng tế bào mới tạo thành nhiều hơn tế bào bị phân hủy và tạo thành bùn dư cần phải được thải bỏ định kỳ.
+ Các phản ứng chính xảy ra trong bể Aerotank (bể xử lý sinh học hiếu khí) như:
+ Quá trình Oxy hóa và phân hủy chất hữu cơ:
Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + năng lượng
Chất hữu cơ + O2 + NH3 → Tế bào vi sinh vật + CO2 + H2O + năng lượng
+ Quá trình phân hủy nội sinh:
C5H7O2N + O2 → CO2 + H2O + NH3 + năng lượng
Nồng độ bùn hoạt tính duy trì trong bể Aeroten: 3500 mg/l, tỷ lệ tuần hoàn bùn 100%. Hệ vi sinh vật trong bể Oxic được nuôi cấy bằng chế phẩm men vi sinh hoặc từ bùn hoạt tính. Thời gian nuôi cấy một hệ vi sinh vật hiếu khí từ 45 đến 60 ngày. Oxy cấp vào bể bằng máy thổi khí đặt cạn hoặc máy sục khí đặt chìm.
Hình 7: Sơ đồ xử lý nước thải bằng công nghệ AAO Ưu điểm của công nghệ:
- Đáp ứng được những biến động của nước thải đầu vào chất lượng nước sau xử lý ổn định và đạt hiệu quả cao.
- Xử lý cao với cả chất hữu cơ, cặn, các hợp chất N, P vi sinh vật gây bệnh…. Cho phép xả nước thải sau xử lý ra môi trường hoặc tái sử dụng lại.
- Xử lý được mùi rất tốt.
Hệ thống thu gom nước thải
Bể thiếu khí
Bể kỵ khí
Bể hiếu khí
Bể lắng
Nước thải đầu ra Sục khí
- Xử lý dễ dàng các sản phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm nước với chất lượng đảm bảo sạch về mặt hóa chất độc hại và ổn định về hoạt tính sinh học.
CHƢƠNG 2
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu các đối tượng chính như sau:
- Thiết bị kỵ khí - thiếu khí – hiếu khí (AAO), thiết bị thiếu khí – hiếu khí (AO).
- Xử lý chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt.
2.1.2. Mục đích nghiên cứu
Nguồn nước thải sinh hoạt được thải ra môi trường nếu không được xử lý có hàm lượng chất hữu cơ cao ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, vì vậy nhiệm vụ đặt ra là nghiên cứu và xử lý chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ AAO, AO cải tiến để góp phần làm sạch môi trường, tránh gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cộng đồng.
Đánh giá khả năng xử lý chất hữu cơ của phương pháp sinh học kỵ khí - thiếu khí – hiếu khí, thiếu khí – hiếu khí.
Đánh giá tính ổn định của hệ thống và khả năng ứng dụng của phương pháp trong điều kiện Việt Nam.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về nước thải sinh hoạt và các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt.
- Xác định ảnh hưởng của tải lượng ô nhiễm đến hiệu suất xử lý COD trong quá trình xử lý.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng COD đầu vào, nhiệt độ đến hiệu suất xử lý COD của nước thải sinh hoạt phân tán bằng hệ thống AO.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độc sục khí đến hiệu suất xử lý COD.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Thu thập thông tin về nước thải sinh hoạt: Nguồn gốc, tính chất, lưu lượng...
Tìm hiểu về một số công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt trên thế giới và Việt Nam.
Phân tích ưu, nhược điểm của công nghệ.
2.3.2. Phương pháp khảo sát
Khảo sát tính chất, thành phần nước thải, đặc điểm lý, hoá, sinh của nước thải đầu vào.
2.3.3. Phương pháp mô phỏng
Xây dựng mô hình mô phỏng ở quy mô phòng thí nghiệm, vận hành mô hình để xử lý nước thải.
2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm
Thí nghiệm xử lý COD trong nước thải với quá trình sinh trưởng bám dính được thực hiện trên hệ thống thiết bị thí nghiệm sử dụng vật liệu mang nhựa gấp nếp như hình 8.
Hệ thống được khởi động bằng phương pháp cấp nước thải liên tục cho hệ thống. Nguồn vi sinh vật dùng để cấy vào hệ là bùn từ hệ thiết bị thí nghiệm xử lý nitơ trong phòng thí nghiệm.
Hình 9: Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm AAO
- Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm gồm: thể tích ngăn điều hòa là 16l và kỵ khí là 12l, thể tích ngăn thiếu khí và hiếu khí là 25l, ngăn lắng thể tích 3,6l.
- Nguyên lý hoạt động của thiết bị:
Nước thải được chứa trong thùng chứa V=120 lít. Nước thải được cấp vào ngăn điều hòa và yếm khí bằng một bơm định lượng, sau khi nước được cấp đầy ngăn yếm khí nước thải sẽ chảy tràn sang ngăn thiếu khí và hiếu khí kết hợp và ngăn lắng. Ở ngăn hiếu khí dưới đáy có bộ phận cấp khí liên tục làm tăng lượng oxy trong nước thải, và tạo dòng tuần hoàn sang ngăn thiếu khí đồng thời kéo vào tuần hoàn bùn ở ngăn lắng. Nước thải sau khi qua ngăn lắng sẽ chảy tràn ra
ngoài vào thiết bị chứa. Bùn trong ngăn lắng khi xử lý sẽ tự động được kéo ngược trở lại sang ngăn hiếu khí rồi sang ngăn thiếu khí.
- Điều kiện thí nghiệm: pH đầu vào: 6,8 – 8,0 Nhiệt độ: 18 – 30o C
- Sau một bước đầu phân tích thấy hiệu suất xử lý của ngăn yếm khí chỉ đạt khoảng 10% nên các chế độ nghiên cứu chỉ tập trung ở 2 ngăn thiếu khí – hiếu khí nước thải cấp trực tiếp vào ngăn thiếu khí với các chế độ sau:
Chế độ 1: Q=1L/h; sục/dừng=60 phút/30 phút, nhiệt độ 18 – 23o C Chế độ 2: Q=1,5L/h; sục/dừng=60 phút/30 phút, nhiệt độ 18 – 23o C Chế độ 3: Q=2L/h; sục/dừng=60 phút/30 phút, nhiệt độ 18 – 23o C Chế độ 4: Q=2L/h; sục/dừng=60 phút/30 phút, nhiệt độ 23 – 26o C Chế độ 5: Q=2L/h; sục/dừng=60 phút/45 phút, nhiệt độ 23 – 26o C DO khi sục = 8,0 – 8,5 mg/L
Nhiệt độ được lấy theo nhiệt độ môi trường tại thời điểm thực nghiệm
NT vào (Q) Ngăn lắng + Khử trùng 2 1 QR Máythổi khí (cóthể kết hợp hút bùn vàsục khí) Ngăn thiếu khí, hiếu
khí theo chu kỳ
NT ra
Bùn thải
Hệ module dự kiến
Hình 10: Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm AO
- Mỗi ngày của các chế độ thí nghiệm lấy mẫu ở dòng vào và dòng ra xác định COD.
2.5. Phƣơng pháp phân tích
Phương pháp xác định COD và nghiên cứu xử lý COD trong nước thải sinh hoạt phân tán bằng phương pháp Kalidicromat theo ISO 6060 : 1989 Standard Method. Trên thiết bị Thermoreactor TR320, Merck- Đức.
2.5.1. Cơ sở lý thuyết
Để đánh giá một cách đầy đủ lượng oxy cần thiết để oxy hóa tất cả các chất hữu cơ trong nước thải người ta sử dụng chỉ tiêu nhu cầu oxy hóa học.
Nhu cầu ôxy hóa học (COD - viết tắt từ tiếng Anh: chemical oxygen demand) là lượng oxy có trong Kali bicromat (K2Cr2O7) đã dùng để oxy hoá chất hữu cơ trong nước. Chỉ số COD được sử dụng rộng rãi để đo gián tiếp khối lượng các hợp chất hữu cơ có trong nước. Phần lớn các ứng dụng của COD xác định khối lượng của các chất ô nhiễm hữu cơ tìm thấy trong nước bề mặt (ví dụ trong các con sông hay hồ), làm cho COD là một phép đo hữu ích về chất lượng nước. Nó được biểu diễn theo đơn vị đo là miligam trên lít (mg/L), chỉ ra khối lượng oxy cần tiêu hao trên một lít dung dịch.
2.5.2. Nguyên lý
Khi đun sôi trong môi trường axit sunfuric đặc, bicromat sẽ chuyển hóa phần lớn các chất vô cơ và hữu cơ trong nước. Để oxi hóa hoàn toàn ta sử dụng chất xúc tác Ag2SO4.
Phản ứng oxy hóa của bicromat diễn ra theo phương trình sau: + 14 + 6e → 2 + 7
Lượng dư kalibicromat thêm vào mẫu được xác định bằng cách chuẩn độ bằng muối Morth với chỉ thị là axit n-phenylantranylic hoặc feroin.
2.5.3. Phạm vi ứng dụng
Đây là phương pháp áp dụng đối với các loại nước có nồng độ COD từ 30 đến 700 mg/l, nếu như nồng độ COD cao vượt quá 700 mg/l thì cần phải pha loãng mẫu. Giá trị COD nằm trong khoảng 300-600 mg/l đạt độ chính xác cao nhất, hàm lượng Cl-
< 1000mg/l.
- Dụng cụ:
+ Bình tam giác 100 ml. + Pipet: 1 ml; 2 ml; 5 ml.
+ Ống đun COD có nắp vặn kín.
+ Bếp đun COD (có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và thời gian theo yêu cầu). - Hóa chất:
+ Nước cất 2 lần
+ Kalibicromat ( : Hòa tan 80g HgS + 800 ml nước
cất + 100 ml S đặc, để nguội sau đó hòa tan vào đấy 11,76g đã
xấy khô ở C trong 2 giờ. Định mức đến 1000 ml bằng nước cất (dung dịch bền ít nhất 1 tháng).
+ Dung dịch muối Morth: Fe .6 O: Cân 47g muối Morth
+ 20 ml đặc, sau đó định mức đến 1000 ml bằng nước cất .
+ Dung dịch (4M): Dùng ống đong lấy 500 ml nước cất + 220 ml
hòa tan để nguội rồi định mức đến 1000 ml bằng nước cất.
+ Dung dịch .: Cân 10g hòa tan với 35 ml nước cất, định
mức 1000 ml bằng đặc. Dùng con từ bỏ trong bình định mức và đặt lên
máy khuấy từ để hòa tan hoàn toàn Ag.
+ Chỉ thị Feroin: Cân 1g muối Morth hòa tan với 1,5g (1,10 – phenan
trolin: ) lắc cho tan hết hoặc cho con từ đặt lên máy khuấy từ cho
đến lúc các hóa chất tan hết rồi định mức lên 100 ml bằng nước cất.