+ Ưu điểm:
- Năng lượng cần thiết cho hệ thống UASB rất thấp.
- Lượng bùn tạo thành nhỏ (nhỏ hơn 3 – 20 lần xử lý hiếu khí). - Có thể tuần hoàn hay không tuần hoàn lại bùn.
- Tạo sản phẩm khí sinh học CH4 (70 – 80%), là nguồn năng lượng sạch, có thể sử dụng cho sinh hoạt.
- UASB rất thích hợp cho xử lý nước thải có nhiều cặn lơ lửng. - UASB có thể phân hủy các chất hữu cơ phức tạp: vòng, halogen… - UASB thích hợp cho xử lý nước thải công nghiệp có hàm lượng và
tải lượng ô nhiễm cao.
+ Nhược điểm:
- Các quá trình xảy ra trong thiết bị phức tạp.
- Tác nhân sinh học rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường. - Quá trình khởi động kéo dài.
- Yêu cầu cao sự tương thích giữa thức ăn và hàm lượng sinh khối. - Quá trình cố định vi khuẩn trên lớp đệm rất khó điều khiển.
Quá trình xử lý yếm khí tạo ra lượng bùn ít và chi phí năng lượng thấp. Nhược điểm của xử lý yếm khí là thời gian lưu nước thải lớn, thời gian ổn định công nghệ dài (3 – 6 tháng). Qui trình vận hành tương đối phức tạp, hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường, biến động lớn từ 60 – 90%.
II.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học hiếu khí [8, 10, 11]
Nguyên lý của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính
Sử dụng các vi sinh vật để oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng chuyển hoá sinh học được; đồng thời chính vi sinh vật cũng sử dụng một phần chất hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng.
+ Oxy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ (Gluxit, hyđrocacbua, pectin, axit hữu cơ, các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ khác…)
CxHyOz + ( 4 2 y z x+ − )O2 →vsv xCO2 + 2 y H2O + E
+ Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ (Protein, Peptit, axitamin…)
CxHyOzN + ( 4 2 y z x+ − + 3 4)O2 →vsv xCO2 + 3 2 y− H2O + NH3 + E
+ Quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ để tổng hợp sinh khối:
CxHyOz + NH3 + (
4 2
y z
x+ − - 5)O2→vsv C5H7NO2 +(x – 5)CO2+ 4
2
y−
H2O +E +Quá trình tự hủy của sinh khối:
C5H7NO2 + 5O2 →5CO2 + 2 H2O + NH3 + E
Ngoài ra trong hệ thống còn xảy ra các quá trình nitrit và nitrat hoá: + Nitrit hoá : NH4+ + 3/2 O2 + H2O→vsv NO2- + 2 H3O+ + E. + Nitrat hoá: NO2- + ½ O2 →vsv NO3-
Phương trình tổng quát : NH4+ +2O2+ H2O →vsv NO3- + 2H3O+ + Oxy hoá các hợp chất vô cơ:
24 4
S→SO − ; 34 4
P→PO −
Fe2+ →Fe3+ (Sự chuyển hoá thành Fe3+ giúp cho ezim tái tạo thường xuyên)
Tác nhân sinh học
Tác nhân sinh học được sử dụng trong quá trình xử lý hiếu khí có thể là vi sinh vật hô hấp hiếu khí hay tuỳ tiện, nhưng phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chuyển hoá nhanh các hợp chất hữu cơ.
- Có kích thước tương đối lớn để bông sinh học lắng nhanh (φ=50 – 200 µm).
- Có khả năng tạo nha bào.
- Không tạo ra các khí gây ô nhiễm môi trường như: H2S, Indol, Scatol... Dựa trên các yêu cầu đó thì các vi khuẩn hô hấp hiếu khí được sử dụng chủ yếu; ngoài ra còn có vi khuẩn hô hấp tùy tiện và nguyên sinh động vật.
• Vi khuẩn hô hấp hiếu khí: + Pseudomonas
+ Aerobacter aerogenes
+ Bacillus Subtilis (phát triển trong môi trường giàu protein) + Flavobacterium (phát triển trong môi trường giàu sắt) + Nitrosomonasvinogradski (vi khuẩn nitrit hoá).
+ Cellulosomonas bizotera (có khả năng oxy hoá xenlluloza)
+ Rhodospeudomonas (có màu hồng) + Nitrobacter (có khả năng nitrat hoá)
+ Microthrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng) + Thiothrix (vi khuẩn dạng sợi – có màu trắng)
• Nguyên sinh động vật: Bao gồm 2 dạng chủ yếu:
+ Trùng tơ (Cillatae) + Trùng roi (Flagellate)
Do có kích thước lớn khoảng 30 – 50µm nên trong bể xử lý nó có vai trò như sau:
+ Bám vào bùn làm cho bùn dễ lắng hơn + Ăn cặn lơ lửng góp phần làm trong nước + Là chỉ thị để đánh giá mức độ cấp khí cho bể
+ Là chỉ thị để đánh giá các chất độc có trong nước thải.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí [8]
- Oxi hòa tan (DO)
Đây là thông số quan trọng đối với hệ thống xử lý hiếu khí. DO được cấp liên tục để đáp ứng yêu cầu oxy hóa của vi sinh vật.
Nếu thiếu oxi hoà tan sẽ gây ra hiện tượng phồng bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển, làm cho bùn xốp, khó lắng. Việc cung cấp oxi còn có tác dụng tạo ra độ đồng nhất các pha trong thiết bị, làm rã các khối bông sinh học lớn, giảm các điểm chết trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu nước trong hệ thống.
Độ hoà tan của oxi vào trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, không chỉ phụ thuộc vào phương thức cấp khí (công suất máy nén, áp lực nén, đặc trưng của hệ thống phân phối khí), chiều cao cột nước mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất nước thải, tỷ số F/M (nguồn dinh dưỡng/lượng sinh khối), tốc độ sinh trưởng, đặc trưng hình thái và sinh lý vi sinh vật.
Để đảm bảo tốc độ oxi hoá các chất bẩn diễn ra tốt, nồng độ oxi hoà tan cần đạt 2 – 4mg/l, lượng khí cung cấp 45 – 90 m3/kg .
- pH
pH của nước thải có ảnh hưởng lớn đến các quá trình hóa sinh của vi sinh vật, quá trình tạo bùn và lắng. Dải pH tối ưu cho xử lý hiếu khí nước thải từ 6,5 - 8,5.
Để đảm bảo pH trong khoảng trên, trong thực tế trước khi cho nước thải vào bể xử lý sinh học hiếu khí, người ta thường điều hoà lưu lượng, điều chỉnh giá trị pH ở bể điều hoà.
Nhiệt độ ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật. Mỗi vi sinh vật cũng có một khoảng nhiệt độ tối ưu, nếu tăng nhiệt độ quá ngưỡng sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật hoặc bị tiêu diệt hay tạo bào tử.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến DO:
+ Khi nhiệt độ tăng DO giảm và vận tốc phản ứng tăng lên.
+ Khi nhiệt độ giảm DO tăng nhưng ngược lại vận tốc phản ứng giảm. Trong bể Aeroten nhiệt độ tối ưu là 20 – 27 0C, nhưng cũng có thể chấp nhận nhiệt độ 16 – 370C. [11]
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh học thể hiện qua biểu thức: RT = R20.θ(T – 20) Trong đó: + RT, R20: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T 0Cvà ở 200C + θ : hệ số nhiệt độ (có giá trị từ 1,00 – 1,04 ) + T: nhiệt độ xử lý (0C ). - Thành phần dinh dưỡng
Thành phần dinh dưỡng trong nước thải chủ yếu là nguồn Cacbon (thể hiện BOD), cùng với N (thường ở dạng NH4+) và P (ở dạng muối photphat) là những nguyên tố đa lượng; ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như: Mg, Fe, Mn...
Tỷ lệ các chất dinh dưỡng phù hợp là C : N : P = 100 : 5 : 1
Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của vi sinh vật, thể hiện bằng lượng bùn hoạt tính tạo thành giảm, kìm hãm và ức chế quá trình oxy hoá các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn.
Nếu thiếu N một cách kéo dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng, các hạt bông bị phồng lên trôi nổi theo dòng nước ra làm cho nước khó trong và chứa một lượng lớn vi sinh vật, làm giảm tốc độ sinh trưởng cũng như cường độ oxy hoá của chúng.
Nếu thiếu P, vi sinh vật dạng sợi phát triển và cũng làm cho bùn hoạt tính lắng chậm và giảm hiệu quả xử lý.
- Chất độc đối với VSV
Các chất độc hữu cơ, vô cơ, đặc biệt là các kim loại nặng, các ion halogen có khả năng ức chế thậm chí làm vô hoạt hệ enzym oxi hóa khử ở vi sinh vật. Vì thế, cần phải xử lý trước các chất độc này.
Nồng độ muối vô cơ cần khống chế sao cho < 10 g/l.
- Hàm lượng các chất rắn lơ lửng (SS ) ở dạng huyền phù
Nếu nồng độ chất lơ lửng không quá 100mg/l thì loại hình xử lý thích hợp là bể lọc sinh học và nồng độ không quá 150mg/l là xử lý bằng aeroten sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất. [8]
Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý. Vì vậy, cần phải qua lắng trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy đủ để loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng.
- Nồng độ chất bẩn hữu cơ trong nước thải
Nồng độ cơ chất trong môi trường ảnh hưởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật. Vi sinh vật sẽ bị ức chế và bị kìm hãm quá trình hoạt động sống trong trường hợp nồng độ chất bẩn hữu cơ cao hơn nồng độ cho phép.
Đối với Aeroten thông thường thì hàm lượng BOD = 500mg/l; đối với Aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh thì BOD < 1000mg/l. Nếu BOD cao quá thì cần pha loãng nước thải hoặc qua xử lý kị khí trước rồi qua xử lý hiếu khí sau.
- Hàm lượng sinh khối (MLSS ) và tỉ lệ F/M
Hàm lượng sinh khối trong bể sinh học hiếu khí thường dao động từ 500 – 3000mg/l. Tuỳ theo hàm lượng và bản chất của chất ô nhiễm trong nước thải cũng như hoạt lực của bùn hoạt tính mà hàm lượng sinh khối sẽ khác nhau:
+ Các hệ thống cao tải có thể sử dụng hàm lượng sinh khối cao từ 1500 – 3000mg/l.
+ Với hệ thống Aeroten thông thường thì hàm lượng sinh khối dao động trong khoảng từ 500 – 1500mg/l.
Tỷ lệ F/M (Food/ microorganism = chất thải/ vi sinh vật): là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật hiếu khí.
+ Nếu F/M << 1: Thiếu dinh dưỡng cho vi sinh vật hoạt động.
+ Nếu F/M >1 : Vi sinh vật phát triển sinh khối, không tạo nha bào nên không kết dính với nhau lại thành bông, kích thước bông bùn giảm, bùn khó lắng làm nước ra sau xử lý không đạt độ trong yêu cầu.
+ Tỷ lệ F/M = 0,2 ÷ 0,6 : Tạo độ ổn định trong quá trình xử lý hiếu khí.
Các dạng thiết bị thường gặp