Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Trong trường hợp xử lý nước thải theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ cĩ với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt và quá trình sinh trưởng ngừng lại. Ở trường hợp xử lý trong bể cĩ dịng cấp chất nền và chất dinh dưỡng liên tục thì ảnh hưởng của việc giảm bớt dần chất nền và chất dinh dưỡng cĩ thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất (1942, 1949)
K S S s max . (4.2) Trong đĩ:
μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/s)
μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s)
S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế
Ks: hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l)
Thay giá trị μ ở phương trình (4.2) vào phương trình (4.1) ta cĩ:
K S S X t s r max. . (4.3) 4.5.2 Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền
Trong cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ và xử lý trong bể cĩ dịng chảy liên tục, một phần chất nền được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hố thành chất vơ cơ và hữu cơ ổn định. Bởi vì số tế bào mới được sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên cĩ thể thiết lập quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình sau:
rt = -Yrd (4.4) Trong đĩ:
rt: tốc độ tăng trưởng của tế bào (g/m3.s)
Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) (là tỉ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trưởng logarit)
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng rd: tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) Từ phương trình (4.4) và (4.3) ta rút ra được: K S S X K S K Y S X d s s r . . ) ( . . max (4.5) (K Ymax ) 4.5.3 Ảnh hưởng của hơ hấp nội bào
Trong các cơng trình xử lý nước thải, các tế bào sinh vật ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau. Khi tắnh tốn tốc độ tăng trưởng của tế bào phải tắnh tốn tổ hợp các hiện tượng này, để tắnh tốn giả thiết rằng: sự giảm khối lượng của các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỉ lệ với nồng độ vi sinh vật cĩ trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng này là do phân huỷ nội bào. Qúa trình hơ hấp nội bào cĩ thể biểu diễn đơn giản bằng phản ứng sau:
C5H7O2N + 5O2 5 CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng (4.6)
rd = -KdX (4.7) Trong đĩ:
Kd: hệ số phân huỷ nội bào (1/s)
X: nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tắnh) (g/m3)
Kết hợp với quá trình phân huỷ nội bào, tốc độ tăng trưởng thực tế của tế bào là:
rtỖ = K XSS Kd X s. . . max (4.8) Hay rtỖ = Yrd Ờ KdX (4.9) Trong đĩ:
RtỖ: tốc độ tăng gtrưởng thực của vi khuẩn (1/s) Tốc độ tăng trưởng riêng thực là:
Vi khuẩn Tế bào
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng μỖ = K S d S K s. max (4.10)
Tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tắnh) sẽ là:
d t r r b y , (4.11)
4.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ của nước cĩ ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng sinh hố trong quá trình xử lý nước thải, ngồi ra cịn ảnh hưởng quá trình hấp thụ khắ oxy vào nước thải và quá trình lắng các bơng cặn vi sinh vật ở bể lắng đợt 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hố trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn bằng cơng thức: rT = r20θ(T Ờ 20) (4.12) Trong đĩ: rt: tốc độ phản ứng ở ToC r20: tốc độ phản ứng ở 20oC θ: hệ số hoạt động do nhiệt độ T: nhiệt độ nước đo bằng oC
Trong quá trình xử lý sinh học thì θ = 1,02 ọ1,09, thường lấy θ = 1,04
4.6 CÁC DẠNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC HIẾU KHÍ
4.6.1 Bùn hoạt tắnh
Cơng nghệ bùn hoạt tắnh hay bể hiếu khắ (Aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khắ, trong đĩ nồng độ cao của vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải trong bể hiếu khắ. Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tắnh được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914, và đã được duy trì và phát triển đến ngày nay với phạm vi ứng dụng
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải cơng nghiệp. Bùn hoạt tắnh bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bơng với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%). Chất nền trong bùn hoạt tắnh cĩ thể đến 90% là phần chết rắn của rêu, tảo và các phần sĩt rắn khác nhau. Bùn hiếu khắ ở dạng bơng bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vơ định hình cịn bùn kỵ khắ ở dạng bơng hoặc dạng hạt màu đen. Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dịi, giun, đơi khi là các ấu trùng sâu bọ. Vai trị cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tắnh là vi khuẩn cĩ thể chia ra làm 8 nhĩm: 1. Alkaligenes - Achromobacter 2. Pseudomonas 3. Enterobacteriaceae 4. Athrobacter baccillus 5. Cytophaga - Flavobacterium
6. Pseudomonas - Vibrio aeromonas 7. Achrobacter
8. Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micrococus
Trong nước thải các tế bào của lồi Zooglea cĩ khả năng sinh ra bao nhầy xung quanh tế bào cĩ tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khĩ lắng các chất màu chất gây mùiẦ và phát triển thành các hạt bơng cặn. Các hạt bơng cặn này khi được khuấy đảo và thổi khắ sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc. Những hạt bơng này khi ngừng thổi khắ hoặc khi các cơ chất cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống tạo ra bùn hoạt tắnh. Trong bùn hoạt tắnh luơn cĩ mặt động vật nguyên sinh mà đại diện là Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác. Quan hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn là quan hệ ỘMồi - thúỢ thuộc cân bằng động chất hữu cơ vi khuẩn Ờ động vật nguyên sinh. Khi bùn lắng xuống là Ộbùn giàỢ hoạt tắnh bùn bị giảm. Hoạt tắnh của bùn cĩ thể được hoạt hố trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ. Phần lớn các vi sinh vật đều cĩ khả năng xâm chiếm, bám dắnh trên bề mặt vật rắn khi cĩ cơ chất, muối khống và oxi tạo nên màng sinh học dạng nhầy cĩ màu thay đổi theo thành phần nước thải từ vàng xám đến nâu tối. Trên màng lọc sinh
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
học cĩ chứa hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và một số động vật nguyên sinh khác. Tuy nhiên khác với hệ quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tắnh thành phần lồi và số lượng các lồi trong màng sinh học tương đối đồng nhất. Cơng thức bùn hoạt tắnh thường dùng trong các tắnh tốn là C5H7O2N. [2]; [8]
Hệ thống xử lý nước thải trong bể bùn hoạt tắnh (Aerotank) được mơ tả ở hình 4.3.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống xử lý hiếu khắ nước thải
Aerotank được phân loại theo chế độ thuỷ động lực dịng chảy vào; Chế độ làm việc của bùn hoạt tắnh; Cấu tạo Aerotank; Ầ
Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Bùn hoạt tắnh hình thành và phát triển. Lúc này, cơ chất và chất dinh
dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn cịn ắt. Theo thời gian, quá trình thắch nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh. Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần vào cuối giai đoạn này rất cao. Tốc độ tiêu thụ oxy vào cuối giai đoạn này cĩ khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần.
Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzym đạt Max và kéo dài trong
thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt Max, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như khơng thay đổi sau một thời gian khá dài.
Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy cĩ chiều hướng giảm dần và sau đĩ lại tăng lên.
Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ giảm dần và quá trình Nitrat hĩa amoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 4.4: Bể bùn hoạt tắnh
Hệ thống bể bùn hoạt tắnh gồm các loại: bể bùn hoạt tắnh truyền thống, bể bùn hoạt tắnh tiếp xúc - ổn định, bể bùn hoạt tắnh thơng khắ kéo dài, bể bùn hoạt tắnh thơng khắ cao cĩ khuấy đảo hồn chỉnh, bể bùn hoạt tắnh chọn lọc. [2]
Bể bùn hoạt tắnh truyền thống: Bùn hoạt tắnh dịng truyền thống đầu tiên được sử
dụng là các bồn hiếu khắ dài, hẹp. Lượng oxy cần dùng thay đổi dọc theo chiều dài của bể phản ứng sinh hĩa. Do đĩ hệ thống này sử dụng các thiết bị thơng giĩ làm thống bề mặt để lượng oxy cung cấp phù hợp với nhu cầu sử dụng dọc theo chiều dài bể. Bể phản ứng thường cĩ dạng hình chữ nhật, với dịng vào và tuần hồn bùn hoạt tắnh đi vào bể ở 1 đầu và chất lỏng trong bể được hịa trộn (dịng thải) sẽ đi ra ở đầu đối diện. Mơ hình dịng chảy gần giống như hệ thống dịng chảy đều, với sự phân bố thời gian lưu chất phụ thuộc vào tỷ lệ chiều dài và chiều rộng của bồn chứa, hỗn hợp trong bể gồm oxy do thiết bị cung cấp, các chất nền cĩ sẵn trong dịng vào và dịng ra.
Lượng giĩ cấp vào từ 55 m3/1kg BOD5 đến 65 m3/1kg BOD5 cần khử. Chỉ số thể tắch bùn thường dao động từ 50 Ờ 150 ml/g, tuổi của bùn thường từ 3 Ờ 15 ngày. Nồng độ BOD đầu vào thường < 400mg/l, hiệu quả làm sạch thường từ 80 Ờ 95%.
Bể bùn hoạt tắnh tiếp xúc-ổn định: Hệ thống này chia bể phản ứng thành 2
vùng: vùng tiếp xúc là nơi xảy ra quá trình chuyển hĩa các vật chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, và vùng ổn định là nơi bùn hoạt tắnh tuần hồn từ thiết bị lọc được sục khắ
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
để ổn định vật chất hữu cơ. Do nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước khá cao trong bể ổn định (tương đương với nồng độ bùn hoạt tắnh tuần hồn), tổng thể tắch bể phản ứng sinh hĩa (vùng tiếp xúc và ổn định) cĩ thể nhỏ hơn, giống như ở loại bể bùn kiểu truyền thống, trong khi vẫn duy trì thời gian lưu bùn như cũ. Vì vậy, bể bùn loại này được sử dụng để cĩ thể vừa làm giảm thể tắch bể phản ứng, hoặc cĩ thể làm gia tăng khả năng lưu chứa của bể bùn truyền thống.
Trong vùng tiếp xúc, thời gian tiếp xúc từ 20 Ờ 60 phút (phụ thuộc lưu lượng dịng vào). Dịng bùn tái sinh thường chiếm 25 Ờ 75% dịng nước thải đầu vào để xử lý. Thể tắch của vùng ổn định chiếm 50 Ờ 60% tổng thể tắch của tồn hệ thống, với thời gian lưu nước thường từ 0,5 Ờ 2 giờ, trong khi thể tắch vùng tiếp xúc là 30 Ờ 35% tổng thể tắch chung, với thời gian lưu nước là 4 Ờ 6 giờ tùy thuộc vào dịng bùn hoạt tắnh tuần hồn. Hiệu quả xử lý của hệ thống này thường đạt 85 Ờ 95% khả năng loại bỏ BOD5 và các chất rắn lơ lửng khỏi nước thải xử lý.
Bể bùn tiếp xúc-ổn định thường dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt với số lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ dưới dạng các phân tử chất rắn.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Bể bùn hoạt tắnh thơng khắ kéo dài: Thường cĩ thời gian lưu bùn kéo dài để ổn định
lượng sinh khối rắn từ quá trình chuyển hĩa của các vật chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi khuẩn. Thời gian lưu bùn thường kéo dài từ 20 Ờ 30 ngày, đồng nghĩa với việc cần thời gian lưu nước khoảng 24 giờ để duy trì khả năng pha trộn nồng độ các chất rắn lơ lửng trong nước. Thời gian lưu nước kéo dài cĩ 2 tác dụng: làm giảm lượng chất rắn bị loại bỏ và làm tăng sự ổn định của quá trình. Tuy nhiên, đối với bể phản ứng loại lớn thì yếu tố này sẽ gây một số bất lợi, đĩ là làm hạn chế khả năng pha trộn.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 4.6: Hệ thống bể bùn hoạt tắnh thơng khắ kéo dài
Bể bùn hoạt tắnh thơng khắ cao cĩ khuấy đảo hồn chỉnh: Bể hiếu khắ cĩ tốc
độ thơng khắ cao và khuấy đảo hồn chỉnh là loại Aerotank tương đối lý tưởng để xử lý nước thải cĩ độ ơ nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng cao. Aerotank loại này sẽ cĩ thời gian làm việc ngắn. Rút ngắn được thời gian thơng khắ bằng vận hành ở tỷ số F/M cao, giảm tuổi thọ bùn hoạt tắnh (thời gian lưu nước trong bể ngắn). Trong bể Aerotank khuấy đảo hồn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tắnh, oxy hịa tan được khuấy trộn đều, tức thời. Do vậy, nồng độ bùn hoạt tắnh và ox hịa tan được phân bố đều ở mọi nơi trong bể và dẫn đến quá trình oxy hĩa được đồng đều, hiệu quả cao. Ưu điểm của cơng nghệ này là:
Pha lỗng ngay tức khắc nồng độ các chất nhiễm bẩn, kể cả các chất độc hại (nếu cĩ).
Khơng xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở một nơi nào trong bể.
Thắch hợp cho xử lý các loại nước thải cĩ tải trọng cao, chỉ số thể tắch bùn cao, cặn khĩ lắng.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 4.7:. Bể Aerotank thơng khắ cao cĩ khuấy đảo hồn chỉnh
Dựa trên nguyên lý làm việc của aerotannk khuấy đảo hồn chỉnh, người ta thay khơng khắ nén bằng cách sục oxy tinh khiết. Bể phản ứng thường cĩ nhiều ngăn, kắn, và cung cấp các dịng nước giàu oxy ở dạng khắ hịa trộn trong chất lỏng. Dịng nước thải vào và dịng bùn hoạt tắnh tuần hồn chỉ được đưa vào ở ngăn đầu tiên cùng với oxy (thường tinh khiết 98%). Ở mỗi ngăn cĩ sự pha trộn hồn tồn trong từng ơ. Sự pha trộn các chất rắn lơ lửng và oxy hịa tan được cung cấp cho mỗi ngăn. Các loại máy mĩc sử dụng trong loại bể này là: máy thổi khắ bề mặt tốc độ nhỏ và tua bin đặt trong nước. Việc sử dụng nguồn oxy cĩ độ tinh khiết cao sẽ cĩ tác dụng làm gia tăng áp suất oxy tham gia trong mỗi ngăn, vì vậy sẽ làm tăng tỷ lệ chuyển hĩa thể tắch oxy hơn so với hệ thống sử dụng khơng khắ. Điều này sẽ làm cho thể tắch bể phản ứng sinh hĩa cần sử dụng nhỏ lại, vì vậy thời gian lưu nước chỉ cịn khoảng 2 Ờ 4 giờ. Thời gian lưu bùn tối thiểu từ 1 Ờ 2 ngày thường được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, cịn đối với nước thải cơng nghiệp cần thời gian lưu bùn dài hơn.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
O2
Dịng vào Dịng ra
Bùn hoạt tắnh tuần hồn (sau lắng) Bùn dư
Hình 4.8: Aerotank là việc với khắ nén là oxy
Bể bùn hoạt tắnh chọn lọc: Bể bùn hoạt tắnh này chỉ mới được phát minh gần đây,
được dùng để kiểm sốt sự tăng trưởng quá mức của các vi khuẩn lên men, cĩ thể gồm các lồi gây hại. Nĩ cung cấp điều kiện mơi trường cĩ lợi cho sự tăng trưởng của các vi