7. Ý nghĩa đề tài
3.4.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo
3.4.2.1. Xử lý trong điều kiện kỵ khí
Trong điều kiện không có oxy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy bởi VSV và sảnphẩm cuối cùng của quá trình này là khí Metan (CH4) và cacbonic (CO2) được tạo thành. Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kị khí chủ yếu diễn ra theo nguyên lý lên men.
Quá trình lên men diễn ra trong 2 điều kiện nhiệt độ: lên men ấm ở nhiệt độ 29ᵒC - 38ᵒC và lên men nóng ở 49ᵒC - 57ᵒC. Khi lên men nóng tốc độ phân hủy chất hữu cơ tăng gấp 2 lần.
Độ pH thích hợp nằm trong khoảng 6.6 – 7.6 và giá trị tối ưu xấp xỉ 7. Trong quá trình lên men pH thay đổi từ thấp lên cao.
Yêu cầu nồng độ chất dinh dưỡng trong nước thải là COD: N: P = 350: 5: 1. Hàm lượng kim loại nặng như Cu, Zn, Ni phải ở mức thấp.
❖ Quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic digester process) Nguyên lý hoạt động của bể gồm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ.
- Giai đoạn 2: Lắng (hoặc tuyển nổi) tách phần bùn sinh học. Một số thông số đặc trưng: Hàm lượng VSS trong bể dao động: 4000 - 6000 mg/l.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
39
Thời gian lưu nước: 5h - 5 ngày.
❖ Bể kỵ khí theo mẻ (Anaerobic Sequencing Batch Reactor - ASBR)
Các giai đoạn chính của bể kỵ theo mẻ gồm 4 pha: pha làm đầy nước thải, pha phản ứng kỵ khí, pha lắng hay tách nổi, pha chắt nước.
❖ Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Nước thải được đưa trực tiếp vào phía dưới đáy bể và được phân phối đồng đều, sau đó chảy ngược lên xuyên qua lớp bùn sinh học dạng hạt nhỏ (bông bùn) và các chất hữu cơ bị phân hủy.
Các bọt khí CH4 và NH3, H2S nổi lên trên và được thu bằng các chụp thu khí để dẫn ra khỏi bể. Nước thải tiếp theo đó chuyển đến vùng lắng của bể và tại đó sẽ diễn ra sự phân tách 2 pha lỏng và rắn. Nước thải tiếp tục đi ra khỏi bể, còn bùn hoạt tính thì hoàn lưu lại vùng lớp bông bùn. Sự tạo thành bùn hạt và duy trì được nó là vô cùng quan trọng khi vận hành UASB.
Thường cho thêm vào bể 150 mg/1 Ca2+ để đẩy mạnh sự tạo thành hạt bùn và 5 - 10 mg/1 Fe2+ để giảm thiểu sự tạo thành các sợi bùn nhỏ. Để duy trì lớp bông bùn ở trạng thái lơ lửng, tốc độ dòng chảy thường lấy khoảng 0.6 – 0.9 m/h. Sự ổn định chất thải diễn ra đồng thời với việc chuyển dịch chất thải xuyên ra lớp bùn.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
40
3.4.2.2. Xử lý sinh học trong môi trường hiếu khí 3.4.2.2.1. Quá trình bùn hoạt tính
Năm 1914 hai nhà bác học người Anh là Ardem và Lockett đã thành công trong việc tạo bùn hoạt tính và sử dụng bùn hoạt tính để xử lý nước thải. Công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được áp dụng từ đó đến nay. Hiện nay đã có rất nhiều trạm xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính hoạt động trên khắp thế giới nhằm để xử lý các dòng nước thải từ các trung tâm đô thị và các công ty chế biến thực phẩm. Hiệu quả khử COD, BOD cao, trong đa số các trường hợp đạt từ 78 - 82% hoặc có thể lớn hơn.
Các công trình tương thích của quá trình xử lý sinh học hiếu khí có thể kể đến như: bể Aerotank bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng), bể thổi khí sinh học tiếp xúc (vi sinh vật dính bám), bể lọc sinh học, tháp lọc sinh học, bể sinh học tiếp xúc quay... Quá trình xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Trong bể Aerotank, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân giúp vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển tạo thành các bông bùn gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bông bùn có mầu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển của vô số vi khuẩn và vi sinh vật sống khác. Các vi sinh vật đồng hoá các chất hữu cơ có trong nước thải thành các chất dinh dưỡng cung cấp cho sự sống. Trong quá trình phát triển vi sinh vật sử dụng các vật chất để sinh sản và giải phóng ngăn lượng, nên sinh khối tăng nhanh. Như vậy các chất hữu cơ có trong nước thải được chuyển hoá thành các chất vô cơ như H2O, CO2 không độc hại cho môi trường. Quá trình sinh học có thể diễn tả tóm tắt như sau:
Chất hữu cơ + Vi sinh vật + Oxy → NH3 + H2O + Năng lượng + Tế bào mới Hay: Chất thải + Bùn hoạt tính + Không khí → Sản phẩm cuối + Bùn hoạt tính dư
❖ Bể Aerotank truyền thống
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
41
❖ Bể Aerotank với sơ đồ nạp nước thải vào theo bậc
Sơ đồ vận hành:
❖ Bể Aerotank có hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dòng chảy
Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đó nhu cầu cung cấp oxy cũng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ. Ở đầu vào của bể cần lượng oxy lớn hơn do đó phải cấp không khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần về sau để đáp ứng cường độ tiêu thụ oxy không đều trong toàn bể. Ưu điểm của bể dạng này là:
- Giảm được lượng không khí cấp vào tức giảm công suất của máy nén.
- Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa Nitơ.
❖ Bể Aerotank tải trọng cao
Có thể áp dụng khi yêu cầu xử lý để nước đầu ra có chất lượng loại C hoặc dưới loạiB. Nước qua bể lắng đợt I hoặc chỉ qua lưới chắn rác, sau đó trộn đều với 10 - 20% bùn tuần hoàn, đi vào bể Aerotank để làm thoáng trong khoảng thời gian từ l - 3 giờ. Bằng cách điều chỉnh lượng khí cấp vào và lượng bùn hoạt tính tuần hoàn, có thể thu được hiệu quả xử lý đạt loại C và gần loại B.
❖ Bể Aerotank có ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Contact Stabilitation)
Nước từ bể lắng đợt 1 được trộn đều với bùn hoạt tính đã được tái sinh (bùn đã được xử lý đến ổn định trong ngăn tái sinh) đi vào ngăn tiếp xúc của bể, ở ngăn tiếp xúc bùn hấp phụ và hấp thụ phần lớn các chất keo lơ lửng và chất bẩn hòa tan có trong nước thải với thời gian rất ngắn khoảng 0.5 - 1 giờ rồi chảy sang bể lắng đợt 2. Bùn lắng ở
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
42
đáy bể lắng 2 được bơm tuần hoàn lại bể tái sinh. Ở bể tái sinh, bùn được làm thoáng trong thời gian từ 3 - 6 giờ để oxy hóa hết các chất hữu cơ đã hấp thụ. Bùn sau khi tái sinh rất ổn định. Bùn dư được xả ra ngoài trước ngăn tái sinh. Ưu điểm của dạng bể này là bể Aerotank có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải.
❖ Bể làm thoáng kéo dài
❖ Bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh
Ưu điểm: pha loãng ngay tức khắc nồng độ của các chất ô nhiễm trong toàn thể tích bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ xảy ra trong bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải có chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
43
3.4.2.2.2. Mương oxy hóa
Mương oxy hóa là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh có dạng vòng hình chữ O làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài với hỗn hợp bùn hoạt tính lơ lửng và chuyển động tuần hoàn liên tục trong mương.
Hình 3.8: Mương oxy hóa 3.4.2.2.3. Quá trình vi sinh dính bám
Phần lớn vi khuẩn có khả năng sinh sống và phát triển trên bề mặt vật rắn, khi có đủ độ ẩm và thức ăn là các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và oxy. Chúng dính bám vào bề mặt vật rắn bằng chất Gelatin do chính vi khuẩn tiết ra và chúng có thể dễ dàng di chuyển trong lớp Gelatin dính bám này. Đầu tiên vi khuẩn cư trú hình thành tập trung ở một khu vực, sau đó màng vi sinh không ngừng phát triển, phủ kín toàn bộ bề mặt vật rắn bằng một lớp tế bào. Chất dinh dưỡng (hợp chất hữu cơ, muối khoáng) và oxy có trong nước thải khuếch tấn qua màng biofilm vào tận lớp xenlulô.
Sau một thời gian, sự phân lớp hoàn thành: lớp ngoài cùng là lớp hiếu khí, được oxy khuếch tán xâm nhập, lớp giữa là lớp tùy nghi, lớp trong là lớp yếm khí không có oxy. Bề dày của các lớp này phụ thuộc vào loại vật liệu đỡ (vật liệu lọc). Bề dày lớp hoạt tính hiếu khí thường khoảng 300 - 400 μm.
3.4.2.2.4. Bể lọc sinh học
Là công trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các vật chất hữu cơ có trong nước thải nhờ quá trình oxy hóa diễn ra trên bề mặt vật liệu tiếp xúc. Trong bể thường chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
44
Bể lọc sinh học thường được phân chia thành hai dạng: bể lọc sinh học nhỏ giọt và bể lọc sinh học cao tải. Tháp lọc sinh học cũng có thể được xem như là một bể lọc sinh học nhưng có chiều cao khá lớn.
Bể lọc sinh học nhỏ giọt thường dùng để xử lý sinh học hoàn toàn nước thải, giá trị BOD của nước thải sau khi làm sạch đạt tới 10 - 15 mg/l với lưu lượng nước thải không quá 1000 m3/ngàyđêm.
Bể lọc sinh học cao tải có những đặc điểm: tải trọng thuỷ lực từ 10 – 30 m3/m2ngàyđêm tức gần gấp 10 - 30 lần ở bể lọc nhỏ giọt.
Tháp lọc sinh học: những tháp lọc sinh học có thể xử dụng ở các trạm xử lý với lưu lượng dưới 50000 m3/ngàyđêm, với điều kiện địa hình thuận lợi và nồng độ BOD nước thải sau khi xử lý từ 20 - 25 mg/l.
3.4.2.2.5. Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC)
Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC - Rotating Biological Contactors) được ấp dụng đầu tiên ở CHLB Đức năm 1960 và hiện nay đã được sử dụng rộng rãi để xử lý BOD và Nitrat hóa. RBC bao gồm các đĩa tròn polystyren hoặc polyvinyl chloride đặt gần sát nhau. Đĩa nhúng chìm khoảng 40% trong nước thải và quay ở tốc độ chậm. Khi đĩaquay, màng sinh khối trên đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ có trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxy. Đĩa quay tạo điều kiện chuyển hóa oxy và luôn giữ sinh khối trong điều kiện hiếu khí. Đồng thời dĩa quay còn tạo nên lực cắt loại bỏ các màng vi sinh không còn khả ngăn bám dính và giữ chúng ở dạng lơ lửng để đưa qua bể lắng đợt II. Khác với quần thể vi sinh vật ở bùn hoạt tính, thành phần loài và và số lượng các loài là tương đối ổn định. Vi sinh vật trong màng bám trên đĩa quay gồm các vi khuẩn kị khí tùy tiện như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium... các vi sinh vật hiếu khí như: Bacillus (thường thì có ở lớp trên của màng). Khi lượng không khí cung cấp không đủ thì vi sinh vật tạo thành màng mỏng gồm các chủng vi sinh vật yếm khí như: Desulfovibrio và một số vi khuẩu sunfua, trong điều kiện yếm khí vi sinh vật thường tạo mùi khó chịu. Nấm và vi sinh vật hiếu khí phát triển ở màng trên, và cùng tham gia vào việc phân hủy các chất hữu cơ. Sự đóng góp nấm chỉ quan trọng trong trường hợp pH nước thải thấp, hoặc các loại nước thải công nghiệp đặc biệt, vì nấm không thể cạnh tranh với các loại vi khuẩn về thức ăn trong điều kiện bình thường.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
45
Hình 3.9: Trickling Filter 3.4.2.2.6. Bể sinh học theo mẻ SBR
Thực chất của bể sinh học hoạt động theo mẻ (SBR - Sequence Batch Reactor) là một dạng của bể Aerotank. Khi xây dựng bể SBR nước thải chỉ cần đi qua song chắn, bể lắng cát và tách dầu mỡ nếu cần, rồi nạp thẳng vào bể. Bể Aerotank làm việc theo mẻ liên tục có ưu điểm là khử được các hợp chất chứa nitơ, photpho khi vận hành đúng các quy trình hiếu khí, thiếu khí và kị khí. Bể sinh học làm việc theo từng mẻ kế tiếp được thực hiện theo 5 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Đưa nước thải vào bể. Nước thải đã qua song chắn rác và bể lắng cát, tách dầu mỡ, tự chảy hoặc bơm vào bể đến mức định trước.
- Giai đoạn 2: Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thoáng bề mặt để cấp oxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp. Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, yêu cầu về mức độ xử lý.
- Giai đoạn 3: Lắng trong nước. Quá trình diễn ra trong môi trường tĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100%. Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường dưới 2 giờ.
- Giai đoạn 4: Tháo nước đã được lắng trong ở phần trên của bể ra nguồn tiếp nhận.
- Giai đoạn 5: Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình trên và vào số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể. Ở những công ty có dòng chảy đều có thể bố trí lịch hoạt động để rút thời gian xuống còn bằng không.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
46
Hình 3.10: Bể SBR 3.4.2.3. Xử lý sinh học trong điều kiện thiếu khí
Nguyên tắc của phương pháp này là trong điều kiện thiếu oxy (hàm lượng oxy hòa tan được giữ trong nước là 0,5 mg/1), các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho có trong nước thải sẽ bị các vi sinh vật tùy nghi phân hủy.
Phương pháp chủ yếu là khử Nitrat:
NO3- → NO2-
NO2- + chất hữu cơ →N2 + CO2 + H2O