Thực tế cho thấy thành phần nước thải từ chế biến thủy sản có chứa chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học, hợp chất N và P cao, vì thế áp dụng phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có chi phí rẻ mà hiệu quả lại rất cao.
Phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải cũng như một số chất ô nhiễm vô cơ khác như H2S, sunfit, ammonia, nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển.
Phương pháp sinh học có thể xử lý hoàn toàn các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải.
Quá trình sinh học gồm các bước:
- Chuyển các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hòa tan thành thể khí và các vỏ tế bào vi sinh.
- Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải.
- Loại các bông cặn sinh học ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng trọng lực.
a. Phương pháp xử lý hiếu khí:
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong điều kiện tự nhiên, quá trình diễn ra với hiệu suất thấp và chậm hơn so với quá trình xử lý trong điều kiện nhân tạo.
Phương pháp này thường áp dụng với những loại chất thải có hàm lượng COD = 500-2000 mg/l.
Nguyên tắc xử lý: Phương pháp này lợi dụng khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí. Do đó trong điều kiện xử lý nhân tạo, để nâng cao hiệu suất xử lý người ta bổ sung liên tục oxi và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20-400C. Có nhiều phương pháp xử lý hiếu khí như: bể aerotank, lọc sinh học, mương oxy hóa,…
Các yếu tố ảnh hưởng.
- Ảnh hưởng của độ oxy hòa tan (DO)
Quá trình xử lý hiếu khí đòi hỏi phải cấp đủ lượng oxy cho quá trình oxy hóa của vi sinh vật. Lượng DO thích hợp 2-4 mg/l. Nhu cầu oxy cũng phụ thuộc rất lớn vào bản chất của các chất ô nhiễm và được thể hiện qua hệ số oxy hóa (koxh) của mỗi đối tượng: kCOD = 0,68; kBOD = 1,45; kNhữucơ = 4,57
- Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Mỗi vi sinh vật thích hợp với một dải nhiệt độ nhất định. Nước thải có nhiệt độ T = 160 ÷ 370C là phù hợp cho quá trình xử lý hiếu khí. Nhiệt độ tối ưu là Topt = 200 ÷ 300C.
- Ảnh hưởng của pH:
pH có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt lực của hệ enzim oxi hóa khử, và do đó ảnh hưởng rất lớn đến quá trình oxy hóa. Nước thải đưa vào xử lý sinh học hiếu khí có pH = 5 ÷ 9 là phù hợp, giá trị tối ưu là pHopt = 7÷ 8.
- Ảnh hưởng của dinh dưỡng:
Vi sinh vật sử dụng các chất ô nhiễm trong nước thải như là chất dinh dưỡng cung cấp nguyên liệu và năng lượng cho quá trình trao đổi chất. Trong xử lý hiếu khí tỷ lệ C : N : P = 100 : 5 : 1 là phù hợp. Nếu C : N < 20 :1 là dư thừa nitơ, vi sinh vật sẽ phát triển quá nhanh, làm bùn có màu trắng, còn nếu C : N > 20 : 1 nghĩa là thiếu nitơ, vi khuẩn sẽ bị chết, cản trở quá trình sinh hóa các chất bẩn hữu cơ, tạo bùn hoạt tính khó lắng.
F/M ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý.Nếu F/M > 1 là dư thừa chất dinh dưỡng, F/M <1 là môi trường nghèo dinh dưỡng.
- Ảnh hưởng của một số chất ức chế:
Chất ức chế làm thay đổi áp suất thẩm thấu và ức chế tế bào vi sinh. Các kim loại nặng như đồng, crom, kẽm, niken, chì, thủy ngân và các ion như xyanua, florua, bicacbonat tồn tại trong quá trình phân hủy sẽ gây phản ứng hoặc giữ nguyên một số enzim hoặc phá hủy bản chất làm biến đổi tính thẩm thấu của tế bào vi sinh, gây rối loạn sự sinh trưởng của vi khuẩn. Khi hàm lượng kim loại vượt quá mức cho phép thì chính bản thân các chất chuyển hóa trở thành chất ức chế hoạt động vi sinh.
Xử lý bằng phương pháp hiếu khí trong điều kiện nhân tạo bao gồm: bể thông khí sinh học (Bể Aerotank), lọc sinh học hoặc đĩa sinh học.
Xử lý trong các bể xử lý Aerotank:
Bể phản ứng sinh học hiếu khí Aerotank là công trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, hình khối trụ. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hòa tan và tăng cường quá trình oxi hóa chất bẩn hữu cơ có trong nước. Bể Aerotank là công trình xử lý sinh học sử dụng bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bông cặn có màu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú và phát triển của các vi sinh vật hiếu khí.
Quá trình oxi hóa các chất hữu cơ xảy ra trong bể Aerotank qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Tốc độ oxi hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxi. Giai đoạn này bùn hoạt tính được hình thành và phát triển. Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng phát triển rất mạnh theo cấp số nhân. Vì vây, lượng oxi tiêu thụ giảm dần.
Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định và tôc độ tiêu thụ oxi cũng ở mức gần như ít thay đổi. Giai đoạn này các chất hữu cơ được phân giải mạnh nhất. Hoạt lực enzim cảu bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt mức cực đại và kéo dài trong một khoảng thời gian tiếp theo.
Giai đoạn 3: Sau một khoảng thời gian khá dài tốc độ oxi hóa chuyển sang mức cầm chừng và có chiều hướng giảm. Giai đoạn này xảy ra quá trình nitrat
90% BOD trong nước thải. Nếu khuấy đảo hoặc sục khi thì bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy (Hoàng Văn Huệ, 2005)
Bể Aerotank có nhiều loại: Hệ thống bể Aerotank truyền thống, bể Aerotank có hệ thống cấp khí theo chiều dòng chảy, cấp khí theo tầng và hệ thống bể Aerotank có thể tái sinh bùn.
Các yếu tố ảnh hường đến khả năng làm sạch của bể Aerotank:
- Nồng độ oxi hòa tan (DO): Trong quá trình xử lý luôn phải giữ nồng độ DO trong nước thải lớn hơn 1 mg/l và khoản giá trị mong đợi là 1 – 3 mg/l. Hàm lượng DO thấp vào khoảng 0,5 mg/l hoặc thấp hơn, vi sinh vật sữ không đủ khả năng hô hấp, làm cho bùn hoạt tính trở nên có mùi khó chịu. Khi nồng độ oxi hòa tan cao, bùn sinh học phân tán ra, dẫn kết quả bùn khó lắng trong bể và theo nước ra ngoài, dẫn đến hiệu quả xử lý giảm.
- Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật: Phải cân đối các nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật, quan tâm đến nguồn dinh dưỡng N và P, chất khoáng, Magie, Kali, Canxi, Mangan, Fe,....
- Nồng độ cho phép của các chất bẩn hữu cơ trong nước thải để đảm bảo bể Aerotank làm việc hiệu quả: Nước thải xử lý trong bể Aerotank có BOD5 khoảng 500 mg/l. Nếu trong khoảng 500 – 1000 mg/l thì phải sử dụng bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh. Nếu BOD5 lớn hơn 1000 mg/l thì cần phải xử lý yếm khí trước khi xử lý hiếu khí
- Các chất có độc tính ở trong nước thải ức chế đến đời sống của vi sinh vật - pH ảnh hưởng đến quá trình sinh hóa của vi sinh vât: Quá trình tạo bùn và lắng, pH thích hợp la 6,5 – 8,5.
- Nhiệt độ: Các vi sinh vật trong nước thải là các vi sinh vật ưa ẩm, nhiệt độ để vi sinh vật tồn tại, phát triển tối đa là 400C, tối thiểu là 50C. Nhiệt độ xử lý nước thải tối ưu là từ 15 – 350C.
Nồng độ các chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù: SS nhỏ hon 150 mg/l xử lý bằng bể Aerotank mang lại hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất. (Lương Đức Phẩm, 2009)
•Ưu điểm:
- Hiệu quả xử lý cao và triệt để. - Tiết kiệm diện tích.
•Nhược điểm:
- Chi phí xây dựng và chi phí vận hành lớn. - Không có khả năng thu hồi năng lượng.
- Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ. - Tạo lượng bùn dư lớn.
Xử lý bằng bể lọc sinh học:
Nguyên lý hoạt động: Hệ thống lọc thường làm việc theo nguyên tắc ngược chiều. nước thải được phân bố đều trên bề mặt và thấm qua lớp vật liệu đã cố định màng sinh học, tại đây các chất hữu cơ bị giữu lại và được vi sinh vật hiếu khí phân hủy thành CO2 và H2O. Oxy được cung cấp vào đáy thiết bị nhằm giúp quá trình oxi hóa được tốt hơn.
Màng sinh học chứa 3,75% chất khô có độ dày 50-700µ (độ dày tối ưu 150µ), lớp màng chia làm 2 vùng:
- Vùng yếm khí
- Vùng hiếu khí
Vùng yếm khí càng nhỏ thì hiệu quả oxy hóa càng cao, thời gian lưu của màng thường 10÷ 14 ngày. Khi các tế bào vùng yếm khí chết đi, màng sẽ tách khỏi vật liệu lọc và cuốn theo nước.
Vật liệu lọc sử dụng trong các bể lọc sinh học yêu cầu phải có diện tích bề mặt/Đơn vị diện tích lớn như: Đá cục, than đá cục, cuội sỏi lớn, đá ong (kích thước 60 - 100mm) hoặc sử dụng vật liệu lọc bằng nhựa PVC đúc sẵn.
Có thể chia bể lọc sinh học thành :
- Bể lọc sinh học có lớp vật liệu lọc không ngập trong nước (Lọc phun, lọc nhỏ giọt)
Bảng 2.2 Ưu nhược điểm của bể lọc sinh học Lớp vật liệu lọc không ngập trong nước Lớp vật liệu lọc ngập trong nước Ưu điểm:
- Tiết kiệm chi phí nhân công (giảm việc trông coi)
- Tiết kiệm năng lượng (Có thể sử dụng cách thông gió tự nhiên)
- Dễ dàng trong vận hành.
Ưu điểm:
- Đơn giản, chiếm ít diện tích dễ dàng cho việc bao che công trình
- Đảm bảo mỹ quan, ít có khả năng sinh mùi
- Không cần phải rửa lọc (Vì quần thể vi sinh vật được cố định trên giá đỡ cho phép chống lại sự thay đổi tải lượng của nước thải)
- Dễ dàng trong vận hành, có khả năng tự động hóa
Nhược điểm:
- Hiệu suất làm sạch nhỏ hơn bể lọc có lớp vật liệu lọc ngập trong nước với cùng một tải lượng khối
- Dễ bị tắc nghẽn
- Rất nhạy cảm với nhiệt độ (ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình sinh trưởng và phát triển của hệ vi sinh vật trong bể)
- Không khống chế được quá trình thông khí, dễ sinh mùi
Nhược điểm:
- Làm tăng tổn thất tải lượng, giảm lượng nước thu hồi
- Tiêu tốn năng lượng cho việc thông khí nhân tạo
- Khí phun lên tạo nên dòng chuyển động xoáy, làm giảm khả năng giữ huyền phù
Hiệu suất làm sạch nước thải trong các bể lọc sinh học phụ thuộc vào các chỉ tiêu sinh hoá, trao đổi khối, chế độ thủy lực và kết cấu thiết bị. trong đó cần chú ý: BOD của nước cần làm sạch, bản chất các hợp chất hữu cơ, chiều dày màng sinh học, độ thấm ướt của màng, cường độ sục khí, tính chất của nước thải, mức độ phân bố đều nước thải theo diện tích tiết diện.
Mương oxy hóa
nước thải chuyển động tuần hoàn liên tục trong mương. Hàm lượng bùn trong mương oxy hóa tuần hoàn duy trì từ 4000-6000 mg/l. Hàm lượng oxy hòa tan được cung cấp bởi thiết bị cấp khí bề mặt. Hàm lượng DO trong vùng hiếu khí trên 2,2 mg/l diễn ra quá trình oxy hóa các chất hữu cơ và nitrat hóa. Trong vùng thiếu khí hàm lượng DO thấp hơn từ 0,5-0,8 mg/l diễn ra quá trình khử nitrat.
Hỗn hợp bùn và nước thải khi đã trải qua thời gian xử lý trong mương oxy hóa được dẫn qua bể lắng nhằm tiến hành tách bùn ra khỏi nước thải bằng phương pháp lắng trọng lực.Bùn được tuần hoàn lại mương oxy hóa nhằm duy trì nồng độ bùn nhất đinh trong bể.
•Ưu điểm:
- Xử lý hiệu quả BOD, nito và photpho. - Quản lý đơn giản.
- Ít bị ảnh hưởng bởi sự dao động lớn về chất lượng và lưu lượng của nước thải.
- Không cần xử lý ổn định bùn.
•Nhươc điểm:
- Diện tích xây dựng lớn Hồ hiếu khí
Là loại hồ cạn, độ sâu lớp nước trong hồ 0,4-0,8m để cho ánh sáng mặt trời xâm nhập sâu vào lớp nước. Lượng oxy cho các quá trình sinh hóa chủ yếu là oxy trong không khí xâm nhập qua bề mặt và hoạt động quang hợp của thực vật trong nước.Tải lượng của hồ khoảng 250-300 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước khoảng 3-12 ngày. Do độ sâu nhỏ và thời gian lưu nước lớn do đó hồ hiếu khí có thể kết hợp xử lý nước thải và nuôi trồng thủy sản.
Đối với hồ hiếu khí nhân tạo (cung cấp oxy cưỡng bức) thì chiều sâu hồ có thể 2-4,5m; tải lượng 400 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước 1-3 ngày.
b. Phương pháp kị khí:
Phương pháp kị khí được dùng để xử lý nước thải ô nhiễm chất hữu cơ cao cũng như lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học. Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định cặn trong đó các vi khuẩn yếm khí phân hủy các chất hữu cơ.
Quá trình xử lý yếm khí là quá trình phân giái yếm khí các hợp chất hữu co, vô cơ có thế chuyển hóa nhờ vi sinh vật hô hấp yếm khí và hô hấp tùy tiện. phương pháp này chỉ áp dụng cho nước thải có hàm lượng BOD và cặn lơ lửng cao (BOB >1800 mg/l; SS nằm trong khoảng 300÷400mg/l). Sản phẩm phân giải hoàn toàn các hợp chất hữu cơ của quá trình này là khí sinh học(Biogas), chủ yếu là CH4 và CO2.
Mô tả quá trình chuyển hóa yếm khí.
Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thải bằng vi sinh vật yếm khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
•Giai đoạn 1: Thủy phân.
- Các hợp chất hữu cơ phức tạp: protein, gluxit, lipit… được vi sinh vật thủy phân tạo thành các hợp chất hữu cơ đơn giản: các axit a.min, đường đơn giản,..
- Tác nhân sinh học của quá trình thủy phân: Bacillus, proteus, pseudomonas, microcoscus.
•Giai đoạn 2: lên men các axit hữu cơ.
Các sản phẩm thủy phân sẽ được vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa. Trong điều kiện yếm khí, sản phẩm phân giải là các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ: axit propionic, axit butyric, axit lactic, các chất trung gian như rượu, andehit, axeton.
- Tác nhân sinh học: Clotridium, bacteriodes, bacillus.
• Giai đoạn 3: giai đoạn lên men tạo axit axetic.
Các sản phẩm lên men phân tử lượng lớn: axit béo, axit lactic,...sẽ được chuyển hóa thành axit axetic.
Axit lactic axit propionic + axit axetic
•Giai đoạn 4: Giai đoạn metan hóa.
Nhóm vi khuẩn tạo khí metan chuyển hóa hydro và axit axetic thành khí metan và khí cacbonic.
CH3COOH CH4 + CO2( tạo 70% CH4 ); 4H2 + CO2CH4 + H2O.( tạo 30% CH4 ).
Tác nhân sinh học: Lên men trong nhiệt độ ấm từ 25-35oC (Methanocoscus, methanosarcina, methanobacteridium). Lên men trong nhiệt độ nóng từ 37-55oC ( Methanobacilus, methanospirillum, methanothix).
•Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Nếu nhiệt độ lớn quá vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt. Nếu nhiệt độ quá nhỏ sẽ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, vi sinh vật kết bào tử và không