Chương 2:TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải
2.4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
Phương pháp xử lý sinh học dựa trên nguyên tắc hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẫn nước. Do vậy, điều kiện đầu tiên và vô cùng quan trọng là nước thải phải là môi trường sống của xi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải.
Hình 2.9 Các phương pháp sinh học xử lý nước thải
Các phương pháp sinh học xử lý nước thải
Kị khí (anaerobic) Thiếu khí
(anoxic) Hiếu khí
(aerobic)
Bùn họat tính
Khử nitrat
Đĩa quay sinh học
Màng lọc sinh
học
Ao, hồ ổn định
nước thải
Bể lọc kị khí UASB Bể kị
khí
2.4.1 Ao hồ sinh học:
Xử lý nước thải trong các ao hồ ổn định là phương pháp xử lí nước đơn giản nhất. Phương pháp này không yêu cầu kĩ thuật cao, vốn đầu tư ít, chi phí hoạt động rẽ tiền, quản lý đơn giản và hiệu quả cũng khá cao.
Quá trình xử lí theo phương pháp ao hồ sinh học khá đơn giản và được tóm tắt như sau:
Cơ sở khoa học của phương pháp là dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là vi sinh vật và các thủy sinh vật, các chất nhiễm bẩn bị phân hủy thành các chất khí và nước. Như vậy, quá trình tự làm sạch không phải đơn thuần nhất là quá trình hiếu khí, mà còn có quá trình tùy tiện và kị khí.
Hình 2.10 Ao hồ sinh học
Nước thải Loại bỏ cát, sỏi Các ao, hồ ổn định Nước đã xử lý
2.4.2 Ao hồ hiếu khí.
Ao hồ hiếu khí là loại ao nông 0,3 – 0,5 m có quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ chủ yếu nhờ vào các vi sinh vật hiếu khí. Loại ao hồ này có hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
Hồ hiếu khí tự nhiên: oxi từ không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên và ánh sáng Mặt Trời chiếu rọi, làm cho tảo phát triển, tiến hành quang hợp thải oxi. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiều sâu của hồ phải nhỏ, thường là 30 – 40 cm. Do vậy diện tích của hồ càng lớn càng tốt. Tải trọng của hồ (BOD) khỏang 250 – 300 kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước từ 3- 12 ngày.
Do ao nông, diện tích lớn đảm bảo điều kiện hiếu khí cho toàn bộ nước trong ao. Nước lưu trong ao tương đối dài, hiệu quả làm sạch có thể tới 80- 95% BOD, màu nước có thể chuyển dần sang màu xanh của tảo.
Hồ sục khuấy: nguồn cung cấp oxi cho vi sinh vật hiếu khí trong nước hoạt động là các thiết bị khuấy cơ học hoặc khí nén. Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn, điều độ và độ sâu của hồ cũng lớn hơn. Tải trọng BOD của hồ khoảng 400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1- 3 ngày có khi dài hơn.
Hình 2.11 Hồ hiếu khí tùy tiện 2.4.3 Ao hồ kị khí.
Ao hồ kị khí là loại ao sâu, ít có hoặc không có điều kiện hiếu khí. Các vi sinh vật hoạt động sống không cần oxi không khí. Chúng sử dụng oxi ở dạng các hợp chất như nitrat, sulfat… để oxi hóa các chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các loại rượu và khí CH4, H2S, CO2 … và nước.
Ao hồ kị khí thường dùng để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy. Loại ao hồ này có thể tiếp nhận loại nước thải có độ nhiễm bẩn lớn, tải trọng BOD cao và không cần vai trò quang hợp của tảo. Nước thải lưu ở hồ kị khí thường sinh ra mùi hôi thối khó chịu.
2.4.4 Ao hồ hiếu- kị khí.
Loại ao hồ này rất phổ biến trong thực tế. Đó là loại kết hợp hai quá trình song song: phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan có ở trong nước và phân hủy kị khí cặn lắng ở vùng đáy.
Đặc điểm của ao hồ này gồm có 3 vùng xét theo chiều sâu: lớp trên là vùng hiếu khí, vùng giữa là vùng kị kí tùy tiện và vùng phía đáy sâu là vùng kị khí.
2.4.5 Cánh đồng tưới và bãi lọc.
Việc xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới và bãi lọc dựa trên khả năng giữ các cặn nước ở trên mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua lọc, nhờ có oxi trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống lượng oxi càng ít và quá trình oxi hóa các chất hữu cơ càng giảm xuống dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đó chỉ diễn ra quá trình khử nitrat. Đã xác định được quá trình oxi hóa nước thải chỉ xảy ra ở lớp đất mặt sâu tới 1,5m.Vì vậy các cánh đồng tưới và bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi có mực nước nguồn thấp hợn 1,5m so với mặt đất.
2.4.6 Quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính với vật liệu tiếp xúc (Attached growth processes).
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí Attached Growth (AG) được sử dụng để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải. Quá trình AG bao gồm: lọc sinh học, lọc thô, RBC (Rotating biological contactor), AGWSP (Attached growth Waste Stabilization Pond), bể phản ứng nitrate hoá fixed-bed,…
Đây là một dạng hồ sinh học kết hợp với bể lọc sinh học. Những vật liệu tiếp xúc được bố trí dọc theo chiều dài hồ tạo điều kiện cho vi khuẩn sinh trưởng trên bề mặt. Ơ tải trọng cao, sục khí có thể được tiến hành một phần hoặc trên toàn bộ thể tích bể. Thời gian lưu nước thay đổi 4 giờ -3 ngày. Giá thể sinh vật dính bám là các sợi nhựa tổng hợp khỏ cứng được quấn xung quanh một lừi thộp trỏng kẽm. Kớch thước loại nhựa tổng hợp tớnh từ lừi kẽm dài khoảng 50-70mm. Mỗi lừi kẽm được quấn tròn có đường kính 80-100 mm. Hệ thống phân phối khí là các đá bọt hoặc các đường ống nhựa dẫn khí. Cột sinh học chứa đầy vật liệu bám dính là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Nước thải được phân bố đều trên bề mặt lớp vật liệu bằng hệ
thống khuấy hoặc vòi phun. Quần thể sinh vật sống bám trên giá thể tạo nên màng nhầy sinh học có khả năng hấp phụ và phân hủy chất hữu cơ trong nước thải. Quần thể vi sinh vật này có thể là vi sinh vật hiếu khí, nấm, tảo và động vật nguyên sinh.
Ngoài ra còn có giun, ấu trùng, côn trùng. Phần bên ngoài lớp màng nhầy (khoảng 0.1- 0.2mm) là loài vi sinh hiếu khí. Khi vi sinh vật phát triển, chiều dày ngày càng tăng. Vi sinh vật lớp ngoài tiêu thụ hết lượng oxy khuếch tán trước khi oxy thẩm thấu vào bên trong. Vì vậy gần sát bề mặt giá thể, môi trường kỵ khí hình thành.
Khi lớp màng dày, chất hữu cơ bị phân hủy ở lớp ngoài, vi sinh sống gần bề mặt giá thể thiếu nguồn thức ăn và mất đi khả năng dính bám. Màng vi sinh tách khỏi giá thể nhiều hay ít tuỳ thuộc vào tải trọng hữu cơ và tải trọng thuỷ lực. Tải trọng hữu cơ ảnh hưởng đến tốc độ trao đổi chất trong màng nhầy. Tải trọng thuỷ lực ảnh hưởng đến rửa trôi màng. Phương pháp này có thể sử dụng trong điều kiện hiếu khí hoặc trong điều kiện yếm khí.
2.4.7 Bùn hoạt tính:
Nguyên lý chung của quá trình bùn hoạt tính là oxy hoá sinh hoá hiếu khí với sự tham gia của bùn hoạt tính.
Trong bể Aeroten diễn ra quá trình oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ trong nước thải. Vai trò ở đây là những vi sinh vật hiếu khí, chúng tạo thành bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính và nước thải tiếp xúc với nhau được tốt và liên tục, người ta khuấy trộn bằng máy khí nén hoặc các thiết bị cơ giới khác. Để các vi sinh vật khoáng hoá sống và hoạt động bình thường phải thuờng xuyên cung cấp oxy vào bể. Oxy sẽ được sử dụng trong các quá trình sinh hoá. Sự khuếch tán tự nhiên qua mặt thoáng của nước trong bể không bảo đảm đủ lượng oxy cần thiết, vì vậy phải bổ sung lượng không khí thiếu hụt bằng phương pháp nhân tạo: thổi khí nén vào hoặc tăng diện tích mặt thoáng.
Trong thực tế người ta thường thổi không khí nén vào bể vì như vậy sẽ đồng thời giải quyết tốt hai nhiệm vụ; vừa khuấy trộn bùn hoạt tính với nước thải vừa bảo
đảm chế độ oxy cần thiết trong bể. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khoáng hoá có khả năng hấp thụ và oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải với sự có mặt của oxy. Để bùn hoạt tính và nước thải tiếp xúc với nhau được tốt và liên tục, chúng có thể được khuấy trộn bằng khí nén hoặc các thiết bị cơ giới khác. Các chất hữu cơ hoà tan, các chất keo phân tán nhỏ sẽ được chuyển hoá và hấp phụ vào keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào vi sinh vật. Tiếp đó trong quá trình trao đổi chất, dưới tác dụng của nnhững men nội bào, các chất hữu cơ sẽ bị phân huỷ. Quá trình xử lý này gồm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn khuếch tán và chuyển chất từ dịch thể tới bề mặt các tế bào vi sinh vật.
- Hấp phụ: khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ bề mặt ngoài các tế bào qua màng bán thấm.
- Quá trình chuyển hoá các chất đã được khuếch tán và hấp phụ ở trong tế bào sinh vật sinh ra năng lượng và tổng hợp các chất mới của tế bào.
Hình 2.12 Bể Arotank 2.4.8 Bể lọc sinh học (biofilter):
Bể lọc sinh học là công trình trong đó nước thải được lọc qua lớp vật liệu có kích thước hạt lớn. Bề mặt các hạt vật liệu đó được bao bọc bởi một màng sinh vật do loại vi sinh vật hiếu khí tạo thành.
Sau khi lắng trong các bể lắng đợt 1 nước thải được cho qua bể lọc sinh vật. Ơ đó màng sinh học sẽ hấp phụ các chất phân tán nhỏ, chưa kịp lắng, cả các chất ở dạng keo và hoà tan. Các chất hữu cơ bị màng sinh vật giữ lại sẽ bị oxy hoá bởi các vi sinh vật hiếu khí. Chúng sử dụng các chất hữu cơ, một phần để sinh ra năng lượng cần thiết cho sự sống và hoạt động, một phần để xây dựng tế bào ( nguyên sinh chất) và tăng kối lượng cơ thể. Như vậy một phần các chất bẩn hữu cơ bị loại khỏi nước thải, mặt khác khối lượng màng sinh vật hoạt tính trong vật liệu lọc đồng thời cũng tăng lên. Màng đó sau một thời gian già cỗi, chết đi và bị dòng nước mới và xói cuốn đi khỏi bể lọc.
Thực chất quá trình oxy hoá diễn ra trong bể lọc sinh vật cũng tương tự như các quá trình diễn ra ở cánh đồng tưới, cánh đồng lọc. Song nhờ những điều kiện nhân tạo thuận lợi đối với sự sống hoạt động của vi sinh vật hiếu khí nên các quá trình oxy hoá sinh hoá trong các bể sinh vật diễn ra mạnh hơn nhiều do đó kích thước công trình cũng nhỏ hơn nhiều.
Theo chế độ làm việc các bể lọc chia ra làm 2 loại: bể lọc hoạt động theo chu kỳ và bể lọc hoạt động liên tục. Bể lọc hoạt động theo chu kỳ do công suất nhỏ, giá thành lại cao nên hiện nay hầu như được sử dụng. Theo công suất và cấu tạo, những bể lọc hoạt động liên tục được chia ra làm các loại: bể lọc sinh vật nhỏ giọt, bể lọc sinh vật cao tải (hay Aerophin); bể lọc sinh vật có chiều cao lớn (tháp lọc sinh vật).
Theo phương thức cung cấp không người ta chia ra các bể lọc với thông gió tự nhiên và nhân tạo.
Bể lọc sinh học hiện đại gồm những lớp vật liệu tiếp xúc có khả năng thấm cao cho phép vi sinh vật bám dính và nước thải có thể đi qua. Môi trường lọc có thể là đá, kích thước thay đổi từ 25 – 100 mm đường kính, chiều sâu lớp đá tuỳ theo thiết kế nhưng thông thường từ 0,9 – 2,0 m trung bình là 1,8 m. Lọc sinh học có thể dùng vật liệu lọc cải tiến là plastic, có thể hình vuông hoặc hình khác với chiều sâu thay đổi từ 9 –12 m. Bể lọc hình tròn nước được phân phối trên bằng thiết bị phân phối quay.
Chất hữu cơ trong nước thải được phân hủy bởi quần thể sinh vật bám dính và chất liệu lọc. Chất hữu cơ trong nước thải được hấp phụ lên màng sinh học hoặc lớp nhầy. Ở lớp ngoài của lớp màng nhầy sinh học (0,1 –0,2 mm), chất hữu cơ sẽ được phân huỷ hiếu khí. Khi sinh vật tăng trưởng thì lớp màng nhầy tăng lên, và oxy khuếch tán được tiêu thụ trước khi nó có thể thấm và chiều sau lớp màng nhầy. Do đó môi trường kị khí sẽ nằm gần bề mặt lớp vật liệu lọc.
Khi độ dày màng nhầy tăng, các chất hữu cơ hấp phụ được chuyển hoá trước khi nó tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu. Kết quả vi sinh vật gần bề mặt vật liệu phải hô hấp nội bào do không có nguồn chất dinh dưỡng thích hợp của chất hữu cơ nước thải, và do đó mất khả năng bám dính. Sau đó màng nhầy này bị rửa trôi, màng nhầy mới được hình thành.
Một số hình ảnh về hệ thống xử lý nước thải bằng bể lọc sinh học nhỏ giọt
Hình 2.13 Bể lọc có một lớp vật liệu lọc với nước chảy từ trên xuống
Hình 2.14 Bể lọc có hai lớp vật liệu lọc
CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XLNT