Nước thải sau khi qua các công trình xử lý phía trước vẫn chứa một lượng lớn các chất hữu cơ hòa tan và các chất lơ lửng đi vào bể hiếu khí. Trong bể, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân để cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính có màu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp phụ từ nước thải và là nơi cứ trú phát triển của vi khuẩn và vi sinh vật. Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và hình thành nên các tế bào mới. Quá trình chuyển hóa thực hiện theo từng bước xen kẽ, nối tiếp nhau. Một số loài vi khuẩn
tấn công vào các hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp để chuyển hóa chúng thành các hợp chất đơn giản hơn. Một số vi khuẩn khác dùng các chất này làm thức ăn và lại chuyển hóa thành các hợp chất đơn giản hơn nữa. Và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi nước thải không thể dùng làm thức ăn cho bất kỳ loại sinh vật nào nữa.
III.3.1.6. Ưu nhược điểm của bể Aeroten
Ưu điểm:
o Cấu tạo đơn giản
o Dễ điều chỉnh các thông số vận hành
o Xử lý được nước thải có hàm lựợng chất ô nhiễm dao động trong khoảng
rộng
o Hiệu quả xử lý COD, BOD cao
Nhược điểm:
o Chi phí xây dựng cao
o Cần cấp đủ khí cho quá trình hô hấp của vi sinh vật
o Phải thường xuyên theo dõi hoạt động sống của vi sinh vật
III.3.2. Hồ sinh học hiếu khí
Đây là các thủy vực tự nhiên hoặc nhân tạo được thiết kế để xử lý nước thải bằng các tác nhân sinh học chủ yếu có ở trong hồ với nguyên lý dựa trên quá trình tự làm sạch.
Quá trình làm sạch trong hồ chủ yếu là do quan hệ cộng sinh của tảo và vi sinh vật. Một phần oxy cung cấp cho vi sinh vật trong hồ được lấy từ quá trình quang hợp của tảo. Các chất vô cơ do vi khuẩn thải ra lại được tảo sử dụng.
Hồ hiếu khí được chia làm hai loại: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
Hồ hiếu khí và làm thoáng tự nhiên: Oxy cung cấp cho vi sinh vật hô hấp do quá trình khuếch tán qua mặt thoáng vào nước. Hồ rộng và nông (độ sâu ≤ 1,5m), thời gian lưu nước trong hồ 3 – 7 ngày. Hồ có thể xử lsy nước thải với tải trọng BOD = 300kg/ha.ngày.
Hồ hiếu khí và làm thoáng nhân tạo: Việc cung cấp oxy cho vi sinh vật đựợc thực hiện nhờ máy bơm hay các thiết bị làm thoáng bề mặt. Độ sâu của hồ H = 1,5 – 5m, thời gian lưu nước 1 – 3 ngày. Hồ có thể xử lý được tải trọng BOD = 400 kg/ha/ngày.
Ưu điểm:
o Có thể kết hợp nuôi trồng thủy hải sản và dùng nước tưới tiêu cho nông nghiệp
o Dễ vận hành
Nhược điểm:
o Diện tích lớn
o Chỉ xử lý được nước thải có hàm lượng BOD không cao nên thường chỉ
dùng để xử lý nước thải ở các khu dân cư và các vùng có yêu cầu xử lý nước thải không cao
o Gây mùi khó chịu
III.3.3. Mương oxy hóa
Là dạng đặc biệt của bể Aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài
Hoạt động: Nước thải và bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng chuyển động tuần hoàn và liên tục trong bơm. Trong bể tồn tại cả vùng hiếu khí và vùng hiếm khí thậm chí cả vùng kỵ khí. Có thể xử lý được nước thải có hàm lượng sinh khối lớn (2000 – 5000 mg/l). Thời gian lưu nước 1 – 3 ngày.
Ưu điểm:
o Xử lý được nước thải có hàm lượng ô nhiễm cao
o Quá trình vận hành tạo ra ít bùn thải
o Lượng oxy cần cung cấp ít hơn bể Aeroten
III.3.4. Màng sinh học hiếu khí
Nguyên tắc làm việc: Tạo ra bề mặt giá thể trong thiết bị dạng tháp bằng cách cho vào tháp các vật liệu đệm (đá cuội , gỗ, các vật liệu đệm bằng vật liệu PVC…).. Ban đầu các vi khuẩn tập trung ở một số khu vực trên giá thể và dần phủ kín toàn bè mặt giá thể. Tiếp đó các tế bào mới được sinh ra và phủ lên làm dày thêm lớp màng. Khi lớp màng dày lên diễn ra sự phân lớp của màng vi sinh vật: ngoài cùng là lớp hiếu khí, tiếp theo là lớp yếm khí. Như vậy quá trình lọc sinh học thực chất được xem như quá trình hiếu khí và yếm khí.
Khi nước thải đi vào bể tùy theo dạng bể mà nước đi từ dưới lên (bể lọc sinh học ngập nước) hay từ trên xuống (bể lọc sinh học nhỏ giọt tải trọng cao). Theo chiều chuyển động của dòng nước, khi nước thải chảy qua lớp màng vi sinh thì các chất hữu cơ được vi sinh vật tiếp nhận, sản phẩm của quá trình trao đổi chất được vi sinh vật thải ra qua màng chất lỏng đồng thời oxy hòa tan được bổ sung bằng hấp thụ không khí.
Theo chiều sâu của lớp đệm nồng độ chất hữu cơ giảm dần và phần sinh khối thừa của màng sinh học bị tróc ra khỏi giá thể và trôi theo dòng nước ra khỏi bể và được tách nhờ bể lắng bậc II
Ưu điểm:
o Tốn ít diện tích, năng lượng
o Dễ vận hành
o Điều chỉnh lượng khí cấp vào dễ dàng
Nhược điểm:
o Chi phí đầu tư cao
o Thiết bị phải luôn được vệ sinh sạch sẽ
III.3.5. Bể UASB
III.3.5.1. Nguyên tắc
Nguyên tắc xử lý yếm khí nước thải là thực hiện phân giải yếm khí thu biogas. Nước thải được dẫn chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính yếm khí của thiết bị UASB (Up Flow Anaerobic Sludge Blanket). Quá trình xử lý nhằm thu biogas.
III.3.5.2. Cơ chế phân giải yếm khí các chất hữu cơ bằng lên men sinh khí
Quá trình phân giải yếm khí các chất hữu cơ trong thiết bị UASB xảy ra theo 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân.
Dưới tác dụng của các enzim hydrolaza của vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ phức tạp như: gluxit, lipit và protein… được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản, dễ tan trong nước như: đường, peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin,…
Tinh bột →amilaza Đường glucoza Protein →proteaza Peptit peptitdaza→ Axit amin Lipit Lipaza →
Rượu + Axit béo Zenllulozenlulaza →
Zenllobiozazenlobiaza→
đường glucoza
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men các axit hữu cơ và các chất trung tính
Các sản phẩm dễ phân huỷ sau đó sẽ được phân giải yếm khí tạo thành:
• Các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ hơn như: axit butyric
(CH3(CH2)2COOH), axit propionic (CH3CH2COOH), axit axetic
(CH3COOH), axit foocmic (HCOOH), axit lactic (CH3CHOHCOOH).
Ngoài ra, một số axit béo phân tử lượng lớn được chuyển hóa tạo axit axetic dưới tác dụng các vi khuẩn axetogen.
• Các chất trung tính như: rượu (CH3OH, C2H5OH…), axeton (CH3COCH3).
• Các chất khí CO2, H2, NH3,H2S, và một lượng nhỏ khí Indol, Scatol, mercaptan…
Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo khí metan
Sự hình thành khí metan có thể theo hai cơ chế sau: * Decacboxyl hóa
• Các axit hữu cơ:
CH3COOH VK →CH4 CH4 + CO2 4CH3CH2COOH →2H2O 7CH4 + 5CO2 2CH3(CH2)2COOH →2H2O 5CH4 + 3 CO2 • Chất trung tính: CH3COCH3 →H2O 2 CH4 + CO2 2CH3CH2OH VK →CH4 3 CH4 + CO2
Khoảng 70% khí metan hình thành theo cơ chế này. * Khử CO2:
• Khử CO2 bằng H2:
O2 + 4 H2 VK →CH4 CH4 + 2 H2O
• Khử CO2 bằng quá trình khử:
CO2 CH4 + 2 H2O
Khoảng 30% CH4 hình thành theo cơ chế này.
III.3.5.3. Tác nhân sinh học
* Giai đoạn 1, 2 là các vi khuẩn hô hấp yếm khí hay tùy tiện.
• Môi trường giàu các chất gluxit: Micrococcus, Clostridium, Bacillus,
Pseudomonas…
• Môi trường giàu protein: Clostridium, Proteus, Bacillus.
* Giai đoạn 3 : Vi khuẩn tạo metan (2 nhóm chính) :
• Nhóm vi khuẩn ưa ấm (mesophyl, Topt = 35÷37οC):
Methanobacterium.
Methanococcus.
Methanosarcina.
• Nhóm vi khuẩn ưa nóng (thermophyl, Topt = 55÷60οC):
Methanobacillus.
Methanospirillium.
Methanothrix.
III.3.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng
Nhiệt độ
Ở dải nhiệt độ 55÷60οC, quá trình tạo khí biogas xảy ra nhanh, khả năng cầm khí
kém nên hàm lượng CH4 thấp. Ở dải nhiệt độ 35÷37οC, biogas tạo ra chậm hơn nhưng
khả năng cầm khí tốt nên CO2 được giữ lại trong nước và được thực hiện tiếp quá trình
khử nhờ H2 nên hàm lượng CH4 cao hơn. Thực tế người ta vẫn có thể xử lý ở nhiệt độ
cao nếu muốn tốc độ xử lý nhanh mà không cần thu hồi khí. Nhiệt độ quyết định hiệu quả thu CH4.
pH
Các vi khuẩn thuỷ phân và axit hoá ưa dải pH tương đối rộng (pH < 7), ở pH trung tính hoặc kiềm nhẹ vi khuẩn này vẫn hoạt động.
Các vi khuẩn metan hoá ưa môi trường trung tính hoặc kiềm nhẹ. pH tối ưu cho
quá trình pHopt = 7 – 7,8. pH thấp gây ức chế vi khuẩn metan hoá làm hoạt lực của
chúng giảm. pH <6,4 thì hiệu quả thu khí sẽ giảm tới 30%. Khi pH < 4,5, sau 2 ngày 30% vi khuẩn metan hoá sẽ chết, và sau 7 ngày thì vi khuẩn metan hoá sẽ chết toàn bộ.
pH quyết định hiệu quả quá trình khí hóa.
Tỷ lệ C:N
Tỷ lệ C:N đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý yếm khí. C:N=30:1 là giá trị tối ưu.
C:N<30:1: dư thừa Nitơ và tồn tại dưới dạng NH4+ gây ức chế vi khuẩn metan
hoá.
C:N>30:1: thiếu Nitơ, tế bào sinh trưởng chậm, sinh khối tạo ra ít, còn các tế bào già chết đi, hàm lượng sinh khối ít dần làm giảm hiệu quả quá trình metan hóa.
Thời gian lưu
Thời gian lưu của nước thải phụ thuộc vào COD, BOD và bản chất của chất ô nhiễm là dễ hay khó phân huỷ. Thời gian lưu nhỏ làm cho vi sinh vật chưa kịp thích nghi với môi trường dẫn đến hiệu quả xử lý kém. Mặt khác, thời gian lưu lớn lại đòi hỏi dung tích của thiết bị phải lớn. Do đó, tuỳ loại nước thải và hoạt lực của vi sinh vật
III.3.5.5. Nguyên tắc hoạt động của bể
Hình. Sơ đồ cấu tạo bể UASB
1. Vùng phản ứng kị khí; 2. Vùng lắng cặn; 3. Cửa dẫn hỗn hợp bùn nước sau khi đã tách khí đi vào ngăn lắng; 4.Cửa tuần hoàn cặn; 5.Máng thu nước;6.Nước sang Aeroten; 7. Khí sản phẩm thu được; 8. Ống dẫn hỗn hợp khí.
Nước thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn vào hệ thống phân phối đều trên diện tích đáy bể. Nước thải từ dưới lên với vận tốc 0,6 – 0,9 m/s để giữ cho lớp bùn luôn ở trạng thái lơ lửng. Hỗn hợp bùn kị khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí( 70 – 80% mêtan, 20 – 30% cacbonic ) và nước. Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí được sinh ra nổi lên trên bề mặt làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Khi hạt cặn nổi lên va phải tấm chắn phía trên bị vỡ ra, khí thoát lên trên cặn rơi xuống dưới. Hỗn hợp bùn nước đã tách hết khí được chuyển vào ngăn lắng. Hạt cặn trong ngăn lắng tách bùn lắng xuống đáy và tuần hoàn lại vùng phản ứng kị khí. Nước trong được thu vào máng và được dẫn sang bể xử lý đợt II ( Aeroten). Khí biogas được thu về bình chứa rồi theo ống dẫn ra ngoài.
Bùn trong bể được hình thành 2 vùng rõ rệt: ở chiều cao khoảng 1/4 tính từ đáy lên, lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ có nồng độ từ 5000 – 7000 mg/l, phía trên lớp này là lớp bùn lơ lửng có nồng độ 1000 – 3000 mg/l gồm các bông cặn chuyển động giữa lớp bùn đáy và bùn tuần hoàn từ ngăn lắng rơi xuống. Bùn trong bể là sinh khối đóng vai trò quyết định trong việc phân hủy và chuyển hóa chất hữu cơ. Nồng độ cao của bùn hoạt tính trong bể cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao.
Để hình thành khối bùn hoạt tính đủ nồng độ, làm việc hiệu quả đòi hỏi thời gian vận hành khởi động từ 3 – 4 tháng. Nếu cấy vi khuẩn tạo axit và vi khuẩn tạo mê tan trước với nồng độ thích hợp và vận hành với chế độ thủy lực nhỏ hơn 1/2 công suất thiết kế, thời gian khởi động có thể rút xuống còn 2 – 3 tuần.
Lượng cặn dư bằng 0,15 – 0,2% lượng COD, tức bằng một nửa cặn sinh ra so với xử lý hiếu khí. Cặn dư định kì xả ra bên ngoài và có thể tiếp tục đưa đi làm khô.