1.5.1. Công nghệ lọc sinh học dòng bùn ngƣợc – USBF
1.5.1.1. Giới thiệu chung về công nghệ USBF
Công nghệ USBF, lần đầu tiên đƣợc giới thiệu tại Mỹ vào cuối những năm 1970 của thế kỷ XX, với thiết kế dựa trên mô hình học xử lý BOD, nitrat hóa, và khử nitrat hóa của công ty Lawrence và McCarty, sau đó đƣợc áp dụng ở Châu Âu từ những năm 1998 trở lại đây. Hiện nay, trên thế giới từ mô hình ban đầu của Lawrence và McCarty đã đƣợc áp dụng kết hợp trên nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của nƣớc thải của mỗi nƣớc, công nghệ này chƣa đƣợc sử dụng nhiều ở Việt Nam.
Công nghệ USBF là công nghệ cải tiến quy trình xử lý bằng bùn hoạt tính, tuy nhiên có sự kết hợp liên hoàn 3 phân vùng chọn lọc thiếu khí (Anoxic Sector), vùng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
hiếu khí (Aerobic Sector) và vùng lọc bùn sinh học dòng ngƣợc (USBF). Đây chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển, thƣờng tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp. Quá trình USBF có thể áp dụng để: Loại bỏ chất hữu cơ dạng hydratcacbon (BOD), nitrat hóa/khử nitrat và loại bỏ phospho [4].
1.5.1.2. Mô hình và nguyên tắc hoạt động của công nghệ USBF
Mô hình cấu tạo của hệ thống xử lý nƣớ ệ USBF thể hiện ở hình 1.2 [4], [21].
Hình 1.2. Mô hình cấu tạo của hệ thống xử lý nƣớ ệ USBF Quá trình hoạt động: Đầu tiên hỗn hợp nƣớc thải và bùn hoạt tính (tuần hoàn từ đáy của ngăn lắng lọc dòng ngƣợc USBF) chảy vào ngăn thiếu khí, dòng chảy đƣợc khuấy trộn để đảm bảo dòng thải đƣợc đảo trộn hoàn toàn và giữ cho chất rắn ở trạng thái lơ lửng. Quá trình chuyển hóa nitơ trong ngăn thiếu khí đƣợc thực hiện nhƣ sau:
N-NO3→ N-NO2 →NO → N2O→ N2
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Ít O2 – thiếu khí
Trong phản ứng này, BOD đầu vào đƣợc xem nhƣ nguồn cacbon hay nguồn năng lƣợng để khử nitrat, nitrit (và các hợp chất nitơ có hóa trị dƣơng) thành khí nitơ (hóa trị không). Giai đoạn biến đổi từ N-NO3 đến N2 là giai đoạn cần ít oxy do ở đây các vi khuẩn nitrat hoạt động cần ít oxy. Ngoài ra, trong bùn tuần hoàn khi có một số tế bào vi sinh vật bị chết và tự phân, các chất dinh dƣỡng của tế bào đƣợc hòa tan dùng làm thức ăn cho vi khuẩn khử nitrat và vi sinh vật nói chung. Khử nitrat cũng có thể do chuyển hóa nội sinh của sinh khối vi sinh vật đƣợc tạo ra.
Quá trình xử lý phospho đồng thời cũng đƣợc xử lý tại ngăn anoxic, tƣơng tự nhƣ các quá trình xử lý theo phƣơng pháp Araerobic/anoxic/oxic (AA/O) và Phostrip. Trong quy trình USBF, sự lên men của BOD hòa tan xảy ra trong vùng anoxic. Sản phẩm của quá trình lên men cấu thành thành phần đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lƣu giữ phospho (bio-P). Tổng lƣợng phospho đƣợc xử lý sinh học phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ BOD/P của dòng nƣớc thải vào [31], [32]. Nhƣ vậy, ngăn anoxic có vai trò loại bỏ C, khử nitơ và loại bỏ P. Sau đó nƣớc thải chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dƣới đáy ngăn USBF. Tại ngăn này có bố trí hệ thống phân phối khí cung cấp oxy cho quá trình trao đổi chất của vi sinh vật.
Trong quy trình công nghệ công nghệ USBF, quá trình amon oxy hóa thành nitrit và sau đó thành nitrat bởi vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong từng vùng sục khí riêng biệt. Vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng nguồn cacbon vô vơ (chủ yếu là HCO3-
và CO2) cùng với các chất dinh dƣỡng (N, P, vi lƣợng…) để xây dựng tế bào. Thành phần nitơ đƣợc ƣa chuộng nhất để xây dựng tế bào là amoni. Quá trình chuyển hóa hợp chất N gồm: Các chất hữu cơ chứa N → N-NH4 →N-NO2→ N-NO3
Giai đoạn xử lý hiếu khí, phospho hòa tan đƣợc hấp thu bởi phospho lƣu trữ trong vi sinh khuẩn (Acinetobacter) mà chúng đã sinh trƣởng trong vùng anoxic, để xây dựng tế bào. Hàm lƣợng phospho trong tế bào chiếm khoảng 2% khối lƣợng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
khô. Trong ngăn hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu phospho cao hơn mức bình thƣờng, khoảng 2 - 7%. Loại vi sinh vật này phát triển trong điều kiện vận hành kế tiếp chu trình thiếu khí - yếm khí, tham gia vào quá trình tách loại phospho.
Phospho sau đồng hóa sẽ đƣợc loại bỏ khỏi hệ thống nhƣ xác vi sinh hay bùn dƣ. Bùn gồm sinh khối vi sinh vật và một số cặn lơ lửng lắng xuống đáy và đƣợc xả đi tại ngăn thứ ba (ngăn lắng - lọc USBF). Nhƣ vậy, khử phospho là xả cặn bùn giầu phospho. Dịch bùn giầu phospho này có thể dùng nƣớc vôi kết tủa [32].
Hỗn hợp bùn nƣớc sau ngăn hiếu khí chảy tiếp vào ngăn lắng bùn và lọc theo sự di chuyển từ dƣới lên, ngƣợc chiều với dòng bùn lắng xuống theo phƣơng thẳng đứng và đi ra ngoài. Quy trình USBF đƣợc thiết lập trên nguyên lý bể lắng dòng chảy lên có lớp bùn lơ lửng. Ngăn này có dạng hình thang, nƣớc thải sau khi đƣợc xáo trộn đi từ dƣới đáy bể lắng qua hệ thống vách ngăn thiết kế đặc biệt mà ở đó xảy ra quá trình tạo bông thủy lực. Bể lắng hình thang tạo ra tốc độ dâng dòng chảy ổn định trên toàn bề mặt từ đáy đến mặt trên bể lắng, điều này cho phép sự giảm gradient vận tốc dần dần trong suốt bể lắng. Nhƣ vậy, với sự kết hợp ba ngăn này sẽ đơn giản hóa hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lƣợng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống. Đồng thời, hệ thống có khả năng xử lý nƣớc thải có tải lƣợng hữu cơ, N và P cao [4], [17].
Trong quá trình vận hành hệ thống, có một phần bùn dƣ (là hỗn hợp của sinh khối tạo thành và một phần xác vi sinh vật chết) thu đƣợc từ ngăn lắng USBF tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí anoxic, để cung cấp hệ vi sinh vật cho quá trình khử nitrat hóa, đồng thời có tác dụng giúp hệ nhanh chóng ổn định và thích nghi với dòng thải vào. Phần bùn lắng còn lại đƣợc rút ra định kỳ sau một khoảng thời gian nhất định, tùy thuộc tuổi bùn và công suất của hệ xử lý. Lƣợng bùn dƣ này đƣợc xả thẳng vào bể chứa bùn, định kỳ khoảng 3 - 5 tháng tiến hành chôn lấp hoặc đóng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
rắn hoặc sử dụng máy ép bùn để xử lý phần bùn thải. Bùn lắng đọng ở bể chứa có thể đƣa trở lại hệ thống xử lý [4].
1.5.1.3. Ƣu điểm của công nghệ USBF
Các ứng dụng tại các nƣớc tiên tiến cho thấy, công nghệ USBF có thể áp dụng trên quy mô công nghiệp trong dây chuyền xử lý nƣớc thải của nhà máy chế biến thực phẩm (thủy sản; đồ hộp thịt, cá...), nhà máy giết mổ gia súc gia cầm, nhà máy bia, rƣợu...; nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải của các nhà hàng, khách sạn. Các ƣu điểm của hệ thống USBF nhƣ sau [4]:
- Giảm chi phí đầu tư: USBF kết hợp tất cả các công đọan xử lý vào một bể làm
giảm kích thƣớc các bể và giảm chi phí đầu tƣ công trình.
- Chi phí vận hành và bảo trì thấp: Với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ,
các thiết bị cơ động, vận hành theo chế độ tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình và hạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành và bảo trì.
- Hiệu suất xử lý cao: Là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu cơ dạng carbon (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(BOD, COD) và chất dinh dƣỡng (N, P) nên chất lƣợng nƣớc thải sau khi xử lý luôn đảm bảo tiêu chuẩn thải theo yêu cầu nhất là hàm lƣợng chất dinh dƣỡng mà các công trình xử lý sinh học thông thƣờng khác khó đạt đƣợc. Nồng độ BOD5 và TSS (Tổng chất rắn) sau xử lý nhỏ hơn 10 mg/l và N-NH4 nhỏ hơn 0,5 mg/l. USBF xử lý chất hữu cơ dạng carbon và cả nitơ và phospho.
- Lượng bùn thải bỏ ít: Hệ thống đƣợc thiết kế với tuổi bùn khoảng 10 ngày nên
lƣợng bùn sản sinh ít hơn với hệ thống sinh học hiếu khí thông thƣờng.
- Hạn chế mùi: Dƣới điều kiện phân hủy hiếu khí và nồng độ bùn lớn làm giảm
những tác nhân gây mùi. Bể USBF có thể lắp đặt tại những khu vực đông dân cƣ mà không sợ ảnh hƣởng bởi mùi.
- Thay đổi thể tích linh động: Bể lắng hình côn trong bể tạo không gian trống để
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
tích linh động, tác động lên thể tích của các công đoạn còn lại. Bể USBF cũng có thể chịu đƣợc sự quá tải lƣu lƣợng, khi lƣu lƣợng tăng cao, lớp bùn họat tính dâng cao hình thành diện tích lọc lớn hơn nên cũng ít ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc đầu ra.
- Thiết kế theo đơn nguyên: Do kết hợp nhiều quá trình xử lý trong một công trình nên USBF gần nhƣ một công trình thiết kế hoàn chỉnh, mặt khác có kiểu dáng là hình khối chữ nhật nên rất thuận tiện để thiết kế thành từng đơn nguyên. Việc đơn nguyên hóa công trình giúp việc thiết kế công trình linh động hơn về mặt bằng, công suất hệ thống. Chính vì kiểu dáng đơn giản nên có thể thiết kế công nghệ USBF để cải tạo các công trình cũ hay lắp đặt trong những không gian có sẵn [4].
1.5.2. Các nhóm vi sinh vật ứng dụng trong hệ thống USBF
1.5.2.1.Nhóm vi khuẩn Pseudomonas
Pseudomonas là một trực khuẩn hiếu khí Gram (-) đƣợc sử dụng nhƣ một tác
nhân có thể chuyển hóa các chất ô nhiễm hóa học trong môi trƣờng, vì nó có thể phân hủy các hợp chất hydratcacbon đa vòng thơm do có hoạt tính amylaza và proteaza, đồng thời cũng lên men đƣợc nhiều loại đƣờng. Ngoài ra, Pseudomonas,
Acetobacter và Bacillus là các chủng vi sinh vật phân giải lân chủ yếu [1], [13].
1.5.2.2. Nhóm vi khuẩn Nitrobacter và Nitrsomonas
Vi khuẩn tự dƣỡng trong bùn hoạt tính làm giảm các hợp chất carbon bị oxy hóa nhƣ CO2 cho sự tăng tế bào. Các vi khuẩn này thu năng lƣợng bằng cách oxy hóa NH4+ thành NO3- theo một quá trình chuyển hóa hai giai đoạn thƣờng gọi là quá trình nitrat hóa.
Đầu tiên là giai đoạn oxy hóa NH3 thành nitrit bởi một số đại diện thuộc nhóm vi khuẩn nitrat hóa: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus,
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Nitrosolobus...Tất cả chúng đều giống nhau về mặt sinh lý, sinh hóa, chỉ khác nhau
về mặt hình thái học và cấu trúc tế bào. Các đại diện của giống Nitrosomonas
không sinh nội bào tử, tế bào nhỏ bé hình bầu dục. Trên môi trƣờng lỏng,
Nitrosomonas trải qua một số pha, phát triển tùy thuộc một số điều kiện. Hai pha
chủ yếu là pha di động - tế bào có 1 hay chùm tiên mao và pha tạp đoàn khuẩn keo - các tế bào không di động.
2 NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H++2H2O+ năng lƣợng
Giai đoạn 2 của quá trình nitrat hóa oxy hóa nitrit thành nitrat bởi một số vi khuẩn: Nitrobacter winogradski, Nitrospina gracilis, Nitrococcus mobilis. Tế bào đặc trƣng của Nitrobacter trong dịch nuôi thƣờng có dạng hình que tròn, hình hạt đậu, hoặc hình trứng, có thể di động hoặc không di động. Khi điều kiện không thuận lợi chúng có thể hình thành những tập đoàn khuẩn keo. Nitrospina gracilis là những trực khuẩn thẳng, mảnh dẻ, thỉnh thoảng có dạng hình cầu, không di động và có đặc trƣng là hình thành những tập đoàn khuẩn keo. Nitrococcus mobilis có dạng hình tròn, có tiên mao [1], [13].
1.5.2.3. Nhóm vi khuẩn Bacillus
Bacillus là tên của một chi gồm các vi khuẩn hình que, Gram dƣơng, hiếu
khí thuộc về họ Bacillaceae. Vi khuẩn Bacillus phân bố rất rộng trong tự nhiên, nhất là trong đất và trong môi trƣờng nƣớc, chúng tham gia tích cực vào sự phân hủy vật chất hữu cơ nhờ vào khả năng sinh nhiều loại enzyme ngoại bào. Chi
Bacillus đã phát hiện đƣợc gần 500 loài, là vi khuẩn hình que, Gram dƣơng, sinh
trƣởng hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, tất cả đều hình thành nội bào tử. Do sự đa dạng sinh thái và loài nên các hoạt chất sinh học của chúng cũng rất phong phú. Triển vọng ứng dụng của vi khuẩn Bacillus trong nhiều lĩnh vực đời sống, đặc biệt là trong xử lý nƣớc thải vì khả năng sinh nhiều enzyme ngoại bào. Một số loài thuộc nhóm vi khuẩn Bacillus nhƣ: B. cereus, B. subtilis và B. licheniformis đã (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
đƣợc ứng dụng trong xử lý nƣớc thải đặc biệt là nƣớc thải giàu dinh dƣỡng do có khả năng sinh nhiều nhóm enzyme nhƣ protease để phân hủy protein, amylase phân hủy tinh bột, cellulase phân hủy celluloza, lipase phân hủy lipit…[1], [9], [13].
Hầu hết các vi khuẩn thuộc chi Bacillus là vi khuẩn dinh dƣỡng hóa hữu cơ, thu năng lƣợng dự trữ từ quá trình acid hóa các hợp chất hữu cơ và chúng có thể phát triển trong môi trƣờng có nhƣng nguồn carbon là năng lƣợng duy nhất. Khi có mặt của không khí phần lớn các vi khuẩn Bacillus đều có thể phát triển và sinh bào tử và phần lớn trong chúng có enzyme catalase. Các thành viên của nhóm Bacillus
ít phát triển kị khí khi không có các chất nhận điện tử ngoại sinh. B. subtilis đƣợc xem là một vi khuẩn hiếu khí hoàn toàn nhƣng chúng có thể phát triển trong điều kiện không có oxy và sản sinh acetoin, acetate, các acid và 2,3-butadiendiol từ pyrovate thông qua acetolactate [13], [14].
1.5.3. Một số kết quả ứng dụng công nghệ USBF trong xử lý nƣớc thải tại Việt Nam
Hiện nay công nghệ lọc dòng ngƣợc bùn sinh học USBF chỉ mới bƣớc đầu đƣợc nghiên cứu tìm hiểu tại Việt Nam. Năm 2006 một nhóm nghiên cứu thuộc Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng ngược USBF (The
Upflow Sludge Blanket Filter)” và kết quả xử lý trên mô hình thực nghiệm nhận
đƣợc hết sức khả quan.
Nghiên cứu sử dụng mô hình công nghệ USBF để xử lý nƣớc thải đô thị, là công nghệ cải tiến của của quá trình bùn hoạt tính trong đó kết hợp 3 modul chính: quá trình thiếu khí, hiếu khí và quá trình lọc bùn sinh học ngƣợc trong cùng một đơn vị xử lý nƣớc thải. Đây chính là công đoạn thể hiện ƣu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính một cách rất hiệu quả. Hiệu quả xử lý COD, BOD5, N và P tƣơng ứng vào khoảng 85%, 90%, 94% và 75%. Bùn hoạt tính thích nghi rất nhanh với đặc tính của nƣớc thải và điều kiện vận hành của mô hình. Chất lƣợng nƣớc thải đầu ra đạt tiêu chuẩn cho phép.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Nghiên cứu của Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM về công nghệ USBF trong xử lý nƣớc thải đô thị mới chỉ dừng ở bƣớc khẳng định hiệu quả xử lý cao. Hiệu quả này cũng đã đƣợc khẳng định qua nhiều nghiên cứu ngoài nƣớc trong suốt 30 năm trở lại đây. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chƣa đánh giá đƣợc các yếu tố ảnh hƣởng tới hiệu quả xử lý của công nghệ USBF và thông số của thiết bị tại điều kiện ở nƣớc ta. Do đó, kết quả nghiên cứu chƣa thực sự đƣợc áp dụng vào thực tế sản xuất.
Bằng thực tế tìm hiểu sơ bộ cho thấy, ở miền Bắc nƣớc ta hiện chƣa có cơ sở sản xuất nào áp dụng công nghệ này trong hệ thống xử lý nƣớc thải của mình, công nghệ sử dụng phổ biến vẫn là công nghệ bùn hoạt tính. Một số công ty cũng đã bắt đầu giới thiệu sơ bộ về công nghệ USBF, nhƣng mới chỉ dừng ở giới thiệu mô hình,