Xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo cĩ thể kể đến hai quá trình cơ bản: + Quá trình xử lý sinh trưởng lơ lủng.
+ Quá trình xử lý sinh trưởng bám dính.
Các cơng trình tương thích của quá trình xử lý sinh học hiếu khí như: Aeroten bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng), bể thổi khí sinh học tiếp xúc (vi sinh vật bám dính), bể lọc sinh học, tháp lọc sinh học, bể sinh học tiếp xúc quay...
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
GVHD: Th.s Lâm Vĩnh Sơn Trang 34
Quá trình xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính dựa sào sự hoạt động sống của si sinh vật hiếu khí. Trong bể Aeroten, các chất lơ lửng đĩng vai trị là các hạt nhân để cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bơng cặn gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bơng cặn cĩ mầu nâu sẩm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển của vơ số vi khuẩn và vi sinh vật khác. Các vi sinh vật đồng hĩa các chất hữu cơ cĩ trong nước thải thành các chất dinh dưỡng cung cấp cho sự sống. trong quá trình phát triển vi sinh vật sử dụng các chất để sinh sản và giải phĩng năng lượng, nên sinh khối của chúng tăng lên nhanh. Như vậy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải được chuyển hĩa thành các chất vơ cơ như H2O, CO2 khơng độc hại cho mơi trường.
Quá trình sinh học cĩ thể diễn ra tĩm tắt như sau:
Chất hữu cơ + Vi sinh vật + oxy NH3 + H2O + Năng lượng + Tế Bào mới Hay cĩ thể viết:
Chất thải + Bùn hoạt tính + Khơng khí Sản phẩm cuối + Bùn hoạt tính dư.
Hình 2.21: Các vi sinh vật hình sợi tiêu biểu trong bể bùn hoạt tính
Một số loại bể Aeroten thường dùng trong xử lý nước thải: a. Bể Aeroten truyền thống
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
Xả bùn tươi Nước thải
Tuần hoàn bùn hoạt tính
Bể lắng đợt 2 Bể Aerotank nguồn tiếp nhận Xả ra Xả bùn hoạt tính thừa Bể lắng đợt 1
Hình 2.22: Sơ đồ cơng nghệ bể Aeroten truyền thống.
b. Bể Aeroten tải trọng cao
Hoạt động của bể Aeroten tải trọng cao tương tự như bể cĩ dịng chảy nút, chịu được tải trọng chất bẩn cao và cĩ hiệu suất làm sạch cũng cao, sử dụng ít năng lượng, lượng bùn sinh ra thấp.
Nước thải đi vào cĩ đọ nhiễm bẩn cao, thường là BOD>500mg/l. tải trọng bùn hoạt tính là 400 – 1000mg BOD/g bùn (khơng cho) trong một ngày đêm.
c. Bể Aeroten cĩ hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dịng chảy
Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aeroten được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đĩ nhu cầu cung cấp oxy cũng tỷ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ.
Ưu điểm:
- Giảm được lương khơng khí cấp vào bể tức là giảm cơng suất của máy thổi khí
- Khơng cĩ hiện tượng làm thống quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất Nitơ.
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
GVHD: Th.s Lâm Vĩnh Sơn Trang 36 SVTH: Huỳnh Thị Kim Anh
d. Bể Aeroten cĩ ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Contact Stabilitation) Bể cĩ 2 ngăn: ngăn tiếp xúc và ngăn tái sinh.
Tuần hoàn bùn Bể Aerotank
Ngăn tái sinh bùn hoạt tính Ngăn tiếp xúc Bể lắng đợt 1 Nước thải Xả bùn tươi nguồn tiếp nhận Bể lắng đợt 2 Xả bùn hoạt tính thừa Xả ra
Hình 2.23: Sơ đồ làm việc của Bể Aeroten cĩ ngăn tiếp xúc. Ưu điểm của dạng bể này là Bể Aeroten cĩ ngăn tiếp xúc cĩ dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải, cĩ thể ứng dụng cho nước thải cĩ hàm lượng keo cao.
e. Bể Aeroten làm thống kéo dài
Khi nước thải cĩ tỉ số F/M (Tỉ lệ giữa BOD5 và bùn hoạt tính mg BOD5/mg bùn hoạt tính) thấp, tải trọng thấp, thời gian thơng khí thường 20-30h
Tuần hoàn bùn hoạt tính Bể Aerotank làm
thoáng kéo dài 20 -30 giờ lưu nươc trong bể Nước thải Lưới chắn rác Bể lắng đợt 2 Xả ra nguồn tiếp nhận Định kỳ xả bùn hoạt tính thừa
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ f. Bể Aeroten khuấy trộn hồn chỉnh Xả bùn tươi Bể lắng đợt 1 Nước thải Xả bùn hoạt tính thừa Tuần hoàn bùn Bể lắng đợt 2 nguồn tiếp nhận Xả ra Máy khuấy bề mặt
Hình 2.25 : Sơ đồ làm việc của Bể Aeroten khuấy trộn hồn chỉnh
Ưu điểm: pha lỗng ngay tức khác nồng độ các chất ơ nhiễm trong tồn thể tích bể, khơng xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải cĩ chỉ số bùn cao, cặn khĩ lắng.
g. Oxytank
Dựa trên nguyên lý làm việc của Aeroten khuấy đảo hồn chỉnh người ta thay khơng khí nén bằng sục khí oxy tinh khiết.
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
GVHD: Th.s Lâm Vĩnh Sơn Trang 38 SVTH: Huỳnh Thị Kim Anh
Ưu điểm:
Hiệu suất cao nên tăng được tải trọng BOD.
Giảm thời gian sục khí.
Lắng bùn dễ dàng.
Giảm bùn đáng kể trong quá trình xử lý. h. Mương oxy hĩa
Mương oxy hĩa là dạng cải tiến của bể Aeroten khuấy trộn hồn chỉnh cĩ dạng vịng hình chữ O làm viếc trong chế độ làm thống kéo dài với dung dịch bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động tuần hồn liên tục trong mương.
i. Bể lọc sinh học – Biofilter
Là cơng trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải nhờ quá trình oxy hĩa diễn ra trên bề mặt vật liệu tiếp xúc. Trong bể chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Cĩ 2 dạng:
+ Bể lọc sinh học nhỏ giọt: là bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu lọc khơng ngập nước. giá trị BOD của nước thải sau khi làm sạch đạt tới 10 ÷ 15mg/lvới lưu lượng nước thải khơng quá 1000 m3/ngày
+ Bể lọc sinh học cao tải: lớp vật liệu lọc đặt ngập trong nước. tải trọng nước thải tới10 ÷ 30m3/m2ngđ tức là gấp 10 ÷ 30 lần ở bể lọc sinh học nhỏ giọt
Tháp lọc sinh học cũng cĩ thể được xem như là một bể lọc sinh học nhưng cĩ chiều cao khá lớn.
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
Hình 2.27: Bể lọc sinh học cao tải.
j. Đĩa quay sinh học RBC ( Rotating biological contactors)
RBC gồm một loại đĩa trịn xếp liện nhau bằng polystyren hay PVC.những đĩa này được nhúng chìm trong nước thải và quay từ từ. trong khi vận hành, sinh vật tăng trưởng sẽ bám dính vào bề mặt đĩa và hình thành một lớp màng nhày trên tồn bộ bề mặt ướt của đĩa.
Đĩa quay làm cho sinh khối luơn tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và khơng khí để hấp thụ oxy, đồng thời tạo sự trao đổi oxy và duy trì sinh khối trong điều kiện hiếu khí.
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
GVHD: Th.s Lâm Vĩnh Sơn Trang 40
Hình 2.28: Đĩa quay sinh học RBC
k. Bể sinh học theo mẻ SBR( Sequence Batch Reactor)
SBR là một bể dạng của bể Aeroten. Khi xây dựng bể SBR nước thải chỉ cần đi qua song chắn rác, bể lắng cát và tách dầu mỡ nếu cần, rồi nạp thẳng vào bể. Ưu điểm là khử được các hợp chất Nitơ, photpho khi vận hành đúng quy trình hiếu khí, thiếu khí và yếm khí.
Bể SBR hoạt động theo 5 pha:
+ Pha làm đầy (fill): Thời gian bơm nước vào bể kéo dài từ 1 – 3 giờ. Dịng nước thải được đưa vào bể trong suốt thời gian diễn ra pha làm đầy. Trong bể phản ứng hoạt động theo mẻ nối tiếp nhau, tùy thuộc vào mục tiêu xử lý, hàm lượng BOD đầu vào, quá trình làm đầy cĩ thể thay đổi linh hoạt: Làm đầy – tĩnh, làm đầy – hịa trộn, làm đầy sục khí.
+ Pha phản ứng, thổi khí( React ): Tạo phản ứng sinh hĩa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thống bề mặt để cung cấp oxy vào nước và khuấy trộng đều hỗn hợp. Thời gian làm thống phụ thuộc vào chất lượng nước thải, thường khoảng 2 giờ. Trong pha phản ứng, quá trình nitrat hĩa cĩ thể thực hiện, chuyển nitơ từ dạng N-NH3 sang N-NO22- và nhanh chĩng chuyển sang dạng N- NO3-.
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
+ Pha lắng(settle): lắng trong nước. Quá trình diễn ra trong mơi trường tĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100%. Thời gian lắng trong và cơ đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ.
+ Pha rút nước ( draw): Khoảng 0.5 giờ.
+ Pha chờ: chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình trên và số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể.
Xả bùn dư là một giai đoạn quan trọng khơng thuộc 5 giai đoạn cơ bản trên, nhưng nĩ cũng ảnh hưởng lớn đến năng suất của hệ. Lượng và tần xuất xả bùn được xác định bởi năng suất yêu cầu, cũng giống như hệ hoạt động liên tục thơng thường. Trong hệ hoạt động gián đoạn, việc xả thường được thực hiện ở giai đoạn lắng hoặc giai đoạn tháo nước trong. Đặc điểm duy nhất là ở bể SBR khơng cần tuần hồn bùn hoạt hĩa. Hai quá trình làm thống và lắng đều diễn ra ở ngay trong một bể, cho nên khơng cĩ sự mất mát bùn hoạt tính ở giai đoạn phản ứng và khơng phải tuần hồn bùn hoạt tính để giữ nồng độ.
Hình 2.29: Quá trình vận hành bể SBR
2.4.2.2. Các cơng trình xử lý sinh học kị khí
Phân hủy kị khí (Anaerobic Descomposotion) là quá trình phân hủy chất hữu cơ thành các chất khí (CH4 và CO2) trong điều kiện khơng cĩ oxy. Việc chuyển hĩa các acid hữu cơ thành khí mêtan sản sinh ra ít năng lượng. năng lượng hữu cơ chuyển hĩa thành khí vào khoảng 80 90%.
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
GVHD: Th.s Lâm Vĩnh Sơn Trang 42 SVTH: Huỳnh Thị Kim Anh
Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nhiệt độ nước thải, pH, nồng độ MLSS. Nhiệt độ thích hợp cho phản ứng sinh khí là từ 32 35 oC.
Ưu điểm nổi bật của quá trình xử lý kị khí là lượng bùn sinh ra rất thấp, vì thế chi phí cho việc xử lý bùn thấp hợn nhiều so với các quá trình xử lý hiếu khí.
Trong quá trình lên men kị khí, thường cĩ 4 nhĩm vi sinh vật phân hủy vật chất hữu cơ nối tiếp nhau:
- Thủy phân: Các vi sinh vật thủy phân (Hydrolytic) phân hủy các chất hữu cơ dạng polyme như các polysaccharide và protein thành các các phức chất đợn giản hoặc chất hịa tan như amino acid, acid béo.... Kết quả của sự bẻ gãy mạch cacbon chưa làm giảm COD.
- Acid hĩa: ở giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hĩa các chất hịa tan thành chất đơn giản như acid beo dễ bay hơi, alcohols các axít lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. sự hình thành các acid cĩ thể làm ph giảm xuống 4.0.
- Acetic hĩa (acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hĩa các sản phẩm của giai đoạn acid hĩa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới.
- Mêtan hĩa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy kị khí. Axít acetic, H2, CO2 , axít formic và methanol chuyển hĩa thành mêtan, CO2 và sinh khối.
a. Phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng
* Phương pháp tiếp xúc kị khí
Bể lên men cĩ thiết bị trộn và bể lắng riêng.
Quá trình này cung cấp phân ly và hồn lưu các vi sinh vật giống, do đĩ cho phép vận hành quá trình ở thời gian lưu từ 6 – 12 giờ.
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
Thiết bị khử khí giảm thiểu tải trọng chất rắn ở bước phân ly. Để xử lý ở mức độ cao, thời gian lưu chất rắn được xác định là 10 ngày ở nhiệt độ 32oC, nếu nhiệt độ giảm đi 11oC, thời gian lưu địi hỏi phải tăng gấp đơi.
* Bể UASB ( Upflow anaerobic Sludge Blanket)
Nước thải được đưa trực tiếp vào phía dưới đáy bể và được phân phối đồng đều, sau đĩ chảy ngược lên xuyên qua lớp bùn sinh học dạng hạt nhỏ (bơng bùn) và chất hữu cơ bị phân hủy.
Các bọt khí mêtan và NH3, H2S nổi lên trên và được thu bằng các chụp thu khí để dẫn ra khỏi bể. nước thải thiếp theo đĩ chuyển đến vùng lắng của bể phân tách 2 pha lỏng và rắn. sau đĩ ra khỏi bể, bùn hoạt tính thì hồn lưu lại vùng lớp bơng bùn. Sự tạo thành bùn hạt và duy trì được nĩ rất quan trọng khi vận hành UASB.
Thường cho thêm vào bể 150 mg/l Ca2+ để đẩy mạnh sự tạo thành hạt bùn và 5 10 mg/l Fe2+ để giảm bớt sự tạo thành các sợi bùn nhở. Để duy trì lớp bơng bùn ở trạng thái lơ lửng, tốc độ dịng chảy thường lấy khoảng 0,6 0,9 m/h.
Hình 2.30: Bể UASB.
1. Đầu vào, 2. Đầu ra, 3. Biogas 4. Thiết bị giữ bùn (VSV), 5. Khu vực cĩ ít bùn hơn
Luận văn tốt nghiệp TT – TK trạm XLNT sinh hoạt khu dân cư P. Phước Hịa, Tp. Tam Kỳ
GVHD: Th.s Lâm Vĩnh Sơn Trang 44 SVTH: Huỳnh Thị Kim Anh
b. Phương pháp kị khí với sinh khối gắn kết
* Lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá màng hữu cơ (ANAFIZ)
Lọc kị khí với sự tăng trưởng các vi sinh vật kỵ khí trên các giá thể. Bể lọc cĩ thể được vận hành ở chế độ dịng chảy ngược hoặc xuơi. Giá thể trong quá trình lưu giữ bùn hoạt tính trên nĩ cũng được phân ly các chất rắn và khí sản sinh ra trong quá trình tiêu hĩa.
* Bể kị khí với lớp vật liệu giả lỏng trương nở (ANAFLUX)
Vi sinh vật được cố định trên lớp vật liệu hạt được giãn nở bở dịng nước dâng lên sao cho sự tiếp xúc của màng sinh học với các chất hữu cơ trong một đơn vị thể tích là lớn nhất.
Ưu điểm:
+ Ít bị tắc nghẽn trong quá trình làm việc với vật liệu lọc. + Khở động nhanh chĩng.
+ Khơng tẩy trơi các quần thể sinh học bám dính trên vật liệu. + Cĩ khả năng thay đổi lưu lượng trong giới hạn tốc độ chất lỏng.