Mục đích cơ bản của phương pháp xử lý sinh học là lợi dụng các hoạt động sống và sinh sản của vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ, làm keo tụ các chất keo lơ lửng khơng lắng được trong nước thải. Các vi sinh vật dùng một số chất hữu cơ và một số chất khống làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận được các chất làm vật liệu xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên khối lượng sinh khối tăng lên.
Quá trình xử lý sinh học gồm các bước:
Bước 1: Chuyển hĩa các hợp chất hữu cơ cĩ nguồn gốc Cácbon ở dạng keo và dạng hịa tan thành thể khí và thành vỏ các tế bào vi sinh.
Bước 2: Tạo ra các bơng cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vơ cơ trong nước thải.
Do vi sinh vật đĩng vai trị chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học nên tùy vào tính chất hoạt động và mơi trường sống của chúng, ta cĩ thể chia phương pháp xử lý sinh học thành:
- Xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí: Là phương pháp sử dụng các nhĩm vi sinh vật yếm khí.
- Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí: Là phương pháp sử dụng các nhĩm vi sinh vật hiếu khí, để đảm bảo điều kiện sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 – 40 0C.
Nước thải ngành chế biến sữa cĩ chứa nhiều chất hữu cơ cĩ thành phần: đường, sữa, protein, chất béo động vật, cácbonhydrat, acid amin, các acid hữu cơ. Các chất hữu cơ này là các chất chứa cacbon cơ bản để vi sinh vật tăng trưởng và phát triển. Trong quá trình hoạt động sống của vi sinh vật hình thành nên sinh khối và CO2.
Trong thiết kế hệ thống xử lý, tùy thuộc vào điều kiện thực tế, đặc trưng, lưu lượng nước thải…mà ta cĩ thể xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Nước thải nhà máy sữa cĩ chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao nên quá trình xử lý tự nhiên khơng cĩ hiệu quả thậm chí cĩ thể gây ơ nhiễm, tác động xấu đến mơi trường. Chính vì vậy mà phương pháp xử lý nước thải cần phải được áp dụng là các phương pháp xử lý sinh học nhân tạo.
1. Xử lý sinh học trong điều kiện kỵ khí [4]
Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong điều kiện khơng cĩ oxy, sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2, ..., và sinh khối. Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí bao gồm 3 giai đoạn chính: Thuỷ phân, axit hĩa và tạo khí methane với sự tham gia của các vi sinh vật yếm khí, trong đĩ giai đoạn tạo khí methane là giai đoạn quan trọng nhất quyết định hiệu suất của cả quá trình.
Ưu điểm của phương pháp xử lý kỵ khí:
- Cĩ thể xử lý được nước thải cĩ hàm lượng chất ơ nhiễm rất cao và cĩ khả năng phân hủy được các chất hữu cơ phân tử lượng lớn, phức tạp mà phương pháp hiếu khí khơng xử lý được.
- Hiệu suất xử lý cao.
- Sản phẩm của quá trình xử lý này cĩ khí sinh học (biogas) thành phần chủ yếu là CH4 và CO2 cĩ thể dùng làm nhiên liệu.
Bên cạnh những ưu điểm trên thì phương pháp này cĩ nhược điểm:
- Thời gian lưu nước thải trong thiết bị lâu nên chi phí xây dựng cơ bản ban đầu khá lớn.
- Thời gian ổn định cơng nghệ dài.
- Nếu thiết bị hở, khí thốt ra gây ơ nhiễm mơi trường khơng khí.
Nhận xét: Xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí là một trong những phương pháp xử lý nước thải giàu chất hữu cơ cĩ hiệu quả. Tuy nhiên do yêu cầu thiết bị cao, khĩ vận hành và sinh mùi gây khĩ chịu nên ít được sử dụng hơn phương pháp hiếu khí.
Các dạng xử lý yếm khí
a. Thiết bị yếm khí tiếp xúc
Thiết bị gồm 2 bộ phận: thiết bị lên men yếm khí và thiết bị lắng. Thiết bị lên men được trang bị mơtơ khuấy vận hành liên tục. Nước thải sau xử lý được đưa vào thiết bị lắng để tách bùn và bùn lại được tuần hồn trở lại thiết bị yếm khí.
Thiết bị cĩ nhược điểm là dung tích lớn, cần thiết cĩ thiết bị lắng và nhu cầu năng lượng lớn.
b. Thiết bị xử lý chảy ngược qua lớp bùn kỵ khí (UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Nước thải đưa vào thiết bị từ dưới lên. Ở đáy thiết bị là lớp đệm (đá, nhựa…) đĩng vai trĩ như lớp lọc cĩ chứa các vi sinh vật, chúng thuỷ phân các chất hữu cơ phân tử lượng lớn. Quá trình thủy phân và lên men acid hữu cơ xảy ra ở vùng đệm. Sự lên men tạo khí sinh học xảy ra ở lớp nước phía trên. Phía trên thiết bị cĩ kết cấu để tách 3 pha: rắn - lỏng - khí.
- Khí thốt ra ở phễu thu khí.
- Chất rắn được giữ lại nhờ các vách ngăn.
- Nước sau xử lý, chảy tràn ra khỏi bể sau khi đã tách pha rắn.
Do khí biogas thu được là hỗn hợp khí dễ cháy (thậm chí nổ) nên khi thiết kế xây dựng phải cách xa khu dân cư và các cơng trình quan trọng.
c. Thiết bị dạng tháp đệm
Vật liệu đệm được sử dụng cĩ thể ở dạng khối hoặc dạng làm bằng sứ xốp, chất dẻo…cĩ độ rỗng cao và lớp vật liệu này chiếm đầy tháp hoặc chiếm 50 – 70% dung tích tháp. Lớp đệm đĩng vai trị chất mang cố định màng sinh học. Nước thải được đưa vào đáy thiết bị qua lớp đệm, các chất ơ nhiễm được chuyển hố yếm khí.
Thiết bị cĩ ưu điểm là vận hành đơn giản, tốn ít năng lượng. Tuy nhiên khi nước thải cĩ lượng cặn lơ lửng lớn sẽ gây tắc trong lớp đệm.
d. Thiết bị yếm khí giả lỏng
Trong thiết bị dạng này vi sinh vật được cố định trên chất mang dạng hạt (thuỷ tinh xốp, gốm xốp, nhựa nhân tạo…). Thiết bị cĩ ưu điểm là bề mặt tiếp xúc pha lớn (1000 – 2000 m2/m3), 95% số tế bào được cố định trên chất mang. Thiết bị cĩ một bơm tuần hồn để hạn chế sự cuốn trơi của các hạt chất mang.
2. Xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí [4]
Là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi các vi sinh vật trong điều kiện cĩ oxy, sản phẩm tạo ra C5H7NO2 (sinh khối tế bào), CO2, H2O. Bản chất của quá trình hiếu khí là vi sinh vật sử dụng O2 để chuyển hĩa các hợp chất hữu cơ và vơ cơ trong nước thải tạo sinh khối và khai thác năng lượng. Để duy trì ổn định hàm lượng vi sinh vật trong bể, tiến hành tuần hồn sinh khối trở lại bể trước khi thải ra ngồi. Trong xử lý hiếu khí thì cung cấp đủ oxy là một yếu tố quyết định đến hiệu quả xử lý của cơng trình. Oxy được vi sinh vật sử dụng để oxy hĩa hợp chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời duy trì bùn ở trạng thái lơ lửng bảo đảm luơn cĩ sự tiếp xúc giữa 3 pha khí - rắn - lỏng đảm bảo cho quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra với hiệu suất cao nhất.
Phương pháp hiếu khí cĩ những ưu điểm sau:
- Thời gian xử lý ngắn, tốc độ oxy hĩa mạnh, hiệu quả khử BOD cao. - Do thời gian lưu nước thải xử lý ngắn nên chi phí xây dựng cơ bản thấp. - Khơng gây mùi như xử lý yếm khí.
- Vận hành đơn giản.
Nhược điểm:
- Tốn năng lượng để cấp khí.
- Lượng bùn dư sinh ra sau xử lý nhiều cần cĩ giải pháp xử lý bùn.
Các bể xử lý hiếu khí thường được sử dụng
a. Bể hiếu khí bùn hoạt tính - Bể Aeroten
Là bể chứa hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở trạng thái lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxy cho vi sinh vật oxy hĩa các chất hữu cơ cĩ trong nước thải. Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đĩng vai trị là các hạt nhân để cho các vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bơng cặn gọi là bùn hoạt tính. Vi khuẩn và các vi sinh vật sống, dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hĩa chúng thành các chất trơ khơng hịa tan và thành các tế bào mới.
b. Mương oxy hĩa
Đây là loại cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hồn tồn. Là mương dẫn dạng vịng cĩ sục khí để tạo dịng chảy trong mương với vận tốc thiết kế thường > 3 m/s để xáo trộn bùn hoạt tính và tránh lắng cặn. Mương oxy hĩa cĩ thể cĩ hình chữ nhật hoặc hình trịn.
c. Bể lọc sinh học hiếu khí
Là cơng trình nhân tạo trong đĩ nước thải được lọc qua vật liệu rắn được bọc bởi một lớp màng vi sinh. Bể lọc sinh học hiếu khí gồm các phần chính là: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều lên tồn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống cấp khí cho bể.
d. Đĩa quay sinh học
Hệ thống đĩa quay sinh học gồm các đĩa trịn, phẳng được lắp trên một trục. Các đĩa này được đặt ngập một phần trong nước và quay chậm khi hoạt động. Khi quay màng sinh vật bám dính trên bề mặt đĩa tiếp xúc với các chất hữu cơ trong nước thải sau đĩ tiếp xúc với oxy khi ra khỏi nước thải. Nhờ trục quay liên tục nên màng vi sinh liên tục tiếp xúc với chất hữu cơ và oxy giúp cho quá trình phân hủy diễn ra nhanh.