4. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.4.1. Công nghệ xử lý nƣớc thải chế biến cao su
Nƣớc thải chế biến mủ cao su chứa nồng độ chất ô nhiễm rất lớn, đòi hỏi công
nghệ xử lý qua nhiều bậc. Việc áp dụng các công nghệ xử lý ở các nƣớc đều dựa trên
đặc điểm, tính chất nƣớc thải, hiệu quả kinh tế, nhu cầu đất đai và năng lƣợng, kỹ thuật
vận hành… Từ những năm cuối thập kỷ 70 và đầu 80, các nhà khoa học trên thế giới
đã nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ xử lý nƣớc thải vào thực tế sản xuất. Kết quả
công nghệ xử lý bằng hồ sinh học qua nhiều bậc đƣợc hoặc sử dụng công nghệ kết hợp
hóa lí với sinh học để xử lí nƣớc thải coi là phù hợp và đƣợc áp dụng tại nhiều nhà máy
chế biến cao su, cụ thể nhƣ:
- Hệ thống hồ kị khí - Hồ tùy nghi.
- Hệ thống hồ kị khí - Hồ làm thoáng.
- Hệ thống hồ làm thoáng.
- Hệ thống mƣơng oxy hóa.
- Hệ thống yếm khí UASB
- Hệ thống bùn hoạt tính (màng biofilm) kết hợp với tháp khử nitơ
- Hệ thống kết hợp xử lý UASB và anoxic - aerotank
a. Hệ thống hồ kị khí - Hồ tùy nghi
Công nghệ này đƣợc áp dụng xử lý loại nƣớc thải có nồng độ BOD khoảng
3.000 mg/l thích hợp cho nhà máy sản xuất cao su tờ. Phản ứng phân hủy các chất hữu
cơ trong hồ kị khí xảy ra qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1 (giai đoạn axit hóa): Vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ phức tạp
thành axit và các chất hữu cơ mạch ngắn.
- Giai đoạn 2: Các sản phẩm là các chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản tiếp tục
đƣợc các vi khuẩn metan phân hủy thành cacbon dioxit và metan.
Các hồ kị khí thƣờng có độ sâu từ 3,5m đến 5m, tùy thuộc vào các điều kiện đất
đai và chiều sâu của mạch nƣớc ngầm. Tải trọng hữu cơ tối đa là 0,15 kg
BOD/m
3/ngày, thể tích trung bình của hồ khoảng 15.000 m
3. Thời gian lƣu nƣớc trong
hồ từ 13 đến 15 ngày. Hiệu quả xử lý BOD đạt 80%. Lớp váng tạo trên mặt không ảnh
hƣởng nhiều đến các hoạt động phân hủy xảy ra trong hồ.
Sau hồ kỵ khí, nƣớc thải có nồng độ BOD khoảng 600 - 800mg/l, hàm lƣợng
nitơ cao, đƣợc tiếp tục dẫn đến hồ tùy nghi, tại đây cơ chế xử lý chất thải diễn ra bao
gồm cả hai quá trình hiếu khí và kỵ khí. Hồ có chiều sâu từ 1m đến 2m, thích hợp cho
việc phát triển của tảo và các quá trình phân hủy của sinh vật tùy nghi. Nitơ trong nƣớc
thải khi đó đƣợc tảo, thực vật hấp thu tạo thành protein. Vào ban ngày hoặc khi nhiều
nắng, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh liệt. Khi quang hợp tảo hấp thụ khí
CO
2hoặc bicarbonat (HCO
3-) trong nƣớc và nhả ra khí oxy, pH của nƣớc tăng nhanh,
vào thời điểm cuối buổi chiều, pH của hồ có thể đạt trên 10. Nồng độ oxy tan trong
nƣớc thƣờng ở mức siêu bão hòa, có thể đạt tới 20mg/l. Song song với quá trình quang
hợp là quá trình hô hấp (phân hủy chất hữu cơ để tạo ra năng lƣợng, ngƣợc với quá
trình quang hợp) xảy ra. Trong khi hô hấp, tảo thải ra khí CO
2, tác nhân làm giảm pH
của nƣớc. Vào ban đêm hoặc ngày ít nắng, quá trình hô hấp chiếm ƣu thế có thể gây
thiếu oxy trong nƣớc và làm giảm pH.
Nhƣ vậy có thể thấy ban ngày, quá trình phân hủy các chất hữu cơ xảy ra ở phần
trên mặt hồ là hiếu khí, phần dƣới đáy là kị khí. Ban đêm, quá trình phân hủy các chất
hữu cơ chính xảy ra trong hồ là kỵ khí. Trong hồ vi khuẩn và rong, tảo sống cộng sinh
với nhau. Vi khuẩn sử dụng oxy để thực hiện quá trình phân hủy chất hữu cơ tạo thành
khí CO
2. Tảo sử dụng CO
2thực hiện quá trình quang hợp tạo oxy. Trong các loài tảo
thì chlorella chiếm ƣu thế. Tải trọng hữu cơ tối ƣu đối với hồ tùy nghi là 0,03 kg
BOD/m
3/ngày. Thời gian lƣu nƣớc từ 20 đến 25 ngày. Thể tích trung bình của hồ
khoảng 1.000m
3. Hiệu quả xử lý BOD của hồ đạt 45%. Nồng độ oxy hòa tan trong
nƣớc quyết định hiệu xuất xử lý của hồ. Đối với hồ tùy nghi ngƣời ta phải vớt thƣờng
xuyên lớp váng trên bề mặt để cho ánh sáng mặt trời thâm nhập vào lớp nƣớc nhiều
nhất, tạo điều kiện cho tảo phát triển làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong nƣớc.
Tóm lại hệ thống hồ kị khí - hồ tùy nghi có khả năng làm giảm khoảng 98%
nồng độ BOD trong nƣớc thải cao su. Ƣu điểm của hệ thống này là có khả năng chịu
đƣợc khi nồng độ chất hữu cơ tăng đột ngột. Không tốn chi phí bảo dƣỡng. Nhƣợc
điểm là đòi hỏi phải có diện tích rộng. Phát sinh khí mêtan, H
2S, mùi hôi,... ảnh hƣởng
tới môi trƣờng xung quanh.
b. Hệ thống hồ kị khí - hồ làm thoáng
Công nghệ xử lý theo hệ thống này thƣờng đƣợc áp dụng với loại nƣớc thải có
nồng độ BOD khoảng 2.000 mg/l, thích hợp cho nhà máy chế biến mủ nƣớc. Về cơ bản
hoạt động của hệ thống này tƣơng tự nhƣ hồ kị khí - hồ tùy nghi, nhƣng ƣu việt hơn là
hồ tùy nghi đƣợc thay thế bằng hồ làm thoáng. Oxy đƣợc cung cấp vào hệ thống bằng
các phƣơng tiện cơ giới nhƣ thiết bị làm thoáng bề mặt. Sự tăng cƣờng oxy, nâng cao
hiệu quả xử lý dẫn đến rút ngắn thời gian lƣu trong hồ. Kết quả là kích thƣớc hồ làm
thoáng nhỏ hơn hồ tùy nghi. Thời gian lƣu nƣớc lý tƣởng cho hồ làm thoáng là 4 ngày.
Sau hồ làm thoáng thƣờng bố trí thêm các hồ lắng, nhằm tạo điều kiện cho chất rắn
lắng tụ và quá trình tạo sinh khối. Thời gian lƣu nƣớc trong hồ lắng khoảng 3 ngày. Ƣu
điểm của hệ thống là hiệu quả xử lý BOD rất cao từ 95% đến 98%, cần ít diện tích đất
xử lý so với hệ thống hồ kị khí - hồ tùy nghi. Nhƣợc điểm là chi phí vận hành lớn hơn
so với hệ thống hồ kị khí - hồ tùy nghi do sử dụng thiết bị làm thoáng tiêu tốn năng
lƣợng.
c. Hệ thống hồ làm thoáng
Hệ thống này thích hợp cho xử lý nƣớc thải có nồng độ COD nhỏ hơn 1.000
mg/l. Đặc điểm của hồ có độ sâu khoảng 3 m. Tỷ lệ chiều dài/chiều rộng tối thiểu là
2:1. Thời gian lƣu nƣớc trong hồ là 4 ngày. Hồ đƣợc cung cấp oxy nhờ các thiết bị làm
thoáng bề mặt. Chất thải hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật có mặt trong bùn. Bùn
chứa hệ vi sinh vật phức tạp bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm, động vật nguyên
sinh, vi tảo... Vai trò cơ bản của các vi sinh vật là làm sạch nƣớc. Quá trình sinh học
diễn ra trong môi trƣờng hiếu khí là chất hữu cơ hòa tan trong nƣớc thải đƣợc các loại
vi sinh vật oxy hóa tổng hợp tế bào mới và tạo thành NO
3-
.
Nƣớc thải sau hồ làm thoáng có nồng độ chắt rắn lơ lửng lớn khoảng 900mg/l.
Do đó đƣợc tiếp tục xử lý ở hồ hoàn thiện. Thời gian lƣu nƣớc trong hồ là 3 ngày. Thể
tích hồ khoảng 3500 m
3. Hiệu quả xử lý loại BOD khoảng 50%, SS 80%. Chất lƣợng
nƣớc thải sau khi xử lý đạt cao hơn hệ thống hồ làm thoáng ở trên.
d. Hệ thống mƣơng oxy hóa
Công nghệ này thƣờng áp dụng cho nƣớc thải có nồng độ BOD khoảng
1.500mg/l. Đặc điểm của hệ thống mƣơng oxy hóa là có quá trình làm thoáng kéo dài
và cƣờng độ cao hơn so với bể làm thoáng thông thƣờng. Hệ thống hoạt động theo
nguyên lý làm thoáng mở rộng, sử dụng các thiết bị làm thoáng đặt nằm ngang. Nƣớc
thải lƣu thông trong hồ hình bầu dục ở tốc độ 30 cm/s. Thiết bị làm thoáng cung cấp
oxy để thực hiện quá trình phân hủy hiếu khí. Trong một số trƣờng hợp ngƣời ta sục
khí nén trực tiếp vào nƣớc thải thay thiết bị làm thoáng. Nguyên tắc xử lý là phản ứng
phân hủy hiếu khí đƣợc thực hiện bởi các vi sinh vật chứa trong bùn hoạt tính. Quá
trình phân hủy đƣợc thực hiện giống nhƣ hồ làm thoáng. Sự khác biệt là bùn hoạt tính
có số lƣợng và mật độ lớn hơn, nồng độ MLSS lên đến 4.000 mg/l. Tỷ lệ F/M dao động
trong khoảng 0,05 đến 0,1. Các chất hữu cơ đƣợc phân hủy nhanh và cho hiệu suất xử
lý cao, chỉ trong một vài giờ tải lƣợng ô nhiễm hữu cơ có thể giảm xuống từ 60% đến
80%. Quá trình vận hành có sự tuần hoàn bùn để duy trì ổn định nồng độ MLSS. Hiệu
quả quá trình xử lý BOD đạt đến 90% - 96%. Bùn thu đƣợc sẽ đƣợc ép hết nƣớc và sử
dụng làm phân bón. Ƣu điểm của hệ thống là làm việc ổn định. Khi vận hành ít mùi
hôi. Kích thƣớc công trình xử lý nhỏ thích hợp đối với nhà máy gần khu dân cƣ, những
nơi có sự hạn chế về đất đai. Nhƣợc điểm là khả năng chịu sự biến đổi đột ngột tải
trọng kém và tiêu tốn nhiều năng lƣợng. Chi phí vận hành và bảo trì lớn.
e. Hệ thống UASB
Bể UASB là một bể xử lý với lớp bùn dƣới đáy, có hệ thống tách và thu khí,
nƣớc ra ở phía trên. Khi nƣớc thải đƣợc phân phối từ phía dƣới lên sẽ đi qua lớp bùn,
các vi sinh vật kỵ khí có mật độ cao trong bùn sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong
nƣớc thải. Bên trong bể UASB có các tấm chắn có khả năng tách bùn bị lôi kéo theo
nƣớc đầu ra. Về đặc điểm, cả ba quá trình phân hủy - lắng bùn - tách khí đƣợc lắp đặt
trong cùng một công trình. Sau khi hoạt động ổn định trong bể UASB hình thành loại
bùn hạt có mật độ vi sinh rất cao, hoạt tính mạnh và tốc độ lắng vƣợt xa so với bùn
hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Cơ chế phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ là một quá trình phức tạp gồm
các giai đoạn chủ yếu sau [16]
- Giai đoạn 1 - Giai đoạn thuỷ phân: Dƣới tác dụng của các enzim hyđrolaza do
vi sinh vật tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp có phân tử lƣợng lớn nhƣ protein,
gluxit, lipit,…. đƣợc phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lƣợng nhỏ
nhƣ đƣờng, peptit, glyxerin, axit amin, axit béo…. Trong giai đoạn thuỷ phân, phần lớn
các hợp chất gluxit đƣợc phân huỷ nhanh, các hợp chất protein đƣợc phân huỷ chậm
hơn, các hợp chất hữu cơ phân tử lƣợng lớn nhƣ xenlulo thƣờng đƣợc phân huỷ chậm
và không triệt để do cấu trúc phức tạp.
- Giai đoạn 2 - giai đoạn lên men axit hữu cơ: Các sản phẩm thuỷ phân sẽ đƣợc
các vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá, các sản phẩm thuỷ phân sẽ đƣợc phân giải yếm
khí tiếp tục tạo thành axit hữu cơ phân tử lƣợng nhỏ nhƣ axit propionic, axit butyric,
axetic, … các rƣợu, anđehit, axeton và cả một số axit amin. Đặc biệt trong giai đoạn
này các axit amin hình thành trong thuỷ phân protein cũng sẽ đƣợc khử amin, một phần
các amin (- NH
2) đƣợc vi sinh vật sử dụng cho sinh trƣởng và phát triển, phần còn lại
trong nƣớc thải đƣợc chuyển hoá thành amon NH
4+
