Xử lý nước thải theo phương pháp sinh học là việc dựa trên cơ sở hoạt động phân huỷ các chất hữu cơ cĩ trong nước thải của các vi sinh vật. Các vi sinh vật sử dụng một số chất hữu cơ và một số chất khống làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng tự sinh trưởng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên khối lượng sinh khối tăng lên.
Phương pháp này được sử dụng để phân hủy các chất cĩ khả năng phân hủy sinh học trong nước thải. Cơng trình xử lý sinh học thường được đặt sau khi nước thải đã được xử lý sơ bộ qua các quá trình xử lý cơ học, hố học, hố lý.
Do vi sinh vật đĩng vai trị chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học nên căn cứ vào tính chất, hoạt động và mơi trường sống của chúng, ta cĩ thể chia phương pháp sinh học thành những dạng sau:
Xử lý trong điều kiện tự nhiên.
Xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo
Phương pháp xứ lý nước thải bằng vi sinh vật được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý nước thải của ngành chế biến cao su thiên nhiên vì hiệu quả xử lý tốt và tốn ít kinh phí.
Mục tiêu:
Xử lý các chất hữu cơ bằng phương pháp hiếu khí (như bùn hoạt tính- hiếu khí, sinh trưởng bám dính) hoặc phương pháp kỵ khí (như UASB, AF).
Xử lý chất dinh dưỡng: Nitơ, Phốt pho.
a) Xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên. Phương pháp xử lý qua đất:
Thực chất của quá trình xử lý là khi lọc qua đất thì các chất rắn lơ lửng và keo sẽ bị giữ lại ở lớp trên cùng. Những chất này tạo ra một màng gồm rất nhiều vi sinh vật bao bọc trên bề mặt các hạt đất. Những vi sinh vật này sẽ sử dụng oxy của khơng khí qua các khe đất và chuyển hĩa các chất hữu cơ thành các hợp chất khống. Các cơng trình sử dụng phương pháp này là:
Cánh đồng tưới.
Cánh đồng lọc.
Cánh đồng tưới cơng cộng và cánh đồng lọc: Là những mảnh ruộng được san bằng hay dốc khơng đáng kể và được ngăn bằng những bờ đất. Nước thải được phân phối vào những mảnh ruộng nhờ cĩ mạng lưới và sau khi lọc qua đất lại được qua một mạng lưới khác để tiêu đi.
Cánh đồng tưới nơng nghiệp: Nước thải của thành phố, thị trấn, xí nghiệp cơng nghiệp nếu khơng chứa các chất độc hại hay chứa với nồng độ cho phép là nguồn lợi cĩ thể sử dụng để tưới cho cây trồng. Vì vậy, cánh đồng tưới nơng nghiệp vừa để phục vụ cho nơng nghiệp, vừa để xử lý nước thải.
Hồ sinh học:
Hồ sinh vật là hồ xử lý sinh học và nĩ cĩ nhiều tên gọi khác nhau: hồ oxy hố, hồổn định nước thải, hồ hồn thiện…
Các quá trình diễn ra trong hồ sinh vật cũng tương tự như quá trình tự làm sạch diễn ra ở các sơng hồ chứa nước tự nhiên. Các sản phẩm tạo thành sau khi phân hủy lại được rong tảo sử dụng.
Hồ sinh vật cĩ thể chia làm hai loại chính như sau:
- Loại 1: nước thải sau khi lắng sơ bộ qua các bể lắng được pha lỗng với nước sơng theo tỷ lệ 1:3 đến 1:5 và cho chảy vào hồ. Trong hồ cũng diễn ra quá trình đơng tụ sinh học, oxy hố các chất hữu cơ và do đĩ BOD của nước thải giảm xuống.
- Loại 2: hồ khơng pha lỗng với thời gian nước lưu lại trong hồ từ 1 đến 6 tuần. Theo cơ chế của quá trình xử lý nước thải ngưới ta phân biệt ba loại hồ sinh vật:
Hồ yếm khí. Hồ tùy tiện.
Hồ hiếu khí : hồ làm thống tự nhiên và hồ làm thống nhân tạo.
b) Xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo: Xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí:
Quá trình hiếu khí dựa trên nguyên tắc là vi sinh vật hiếu khí phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện cĩ oxy hịa tan theo phương trình sau:
Chất hữu cơ + O2 + vi khuẩn CO2 + NH3 + C5H7NO2 + các sản phẩm khác. Ngồi việc phân huỷ các chất hữu cơ để tạo ra tế bào mới, vi sinh vật cịn thực hiện quá trình hơ hấp nội sinh để tạo ra năng lượng theo phương trình:
C5H7NO2 + 5O2 + vi khuẩn 5CO2 + 2H2O + NH3 + năng lượng.
Các vi khuẩn ở trên cịn gọi là bùn hoạt tính và chúng tự sinh ra khi thổi khí vào nước thải. Về khối lượng, bùn hoạt tính được tính bằng khối lượng chất bay hơi cĩ trong tổng hàm lượng bùn (cặn khơ), đơi khi cịn gọi là sinh khối.
Ta cĩ thể áp dụng nhiều quá trình khác nhau khi xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong mơi trường hiếu khí.
Quá trình sinh trưởng lơ lửng hiếu khí (aeroic sus pended-growth process)
Đây là quá trình vi sinh vật phát triển và tăng trưởng trong các bơng cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước ở các bể xử lý sinh học. Bể sinh học này luơn cần phải được làm thống để cung cấp đầy đủ oxy cho vi sinh vật tiến hành phân huỷ chất hữu cơ và phát triển. Ngồi bể sinh học ta cũng cần phải bố trí thêm bể lắng để tách các bơng bùn hoạt tính ra khỏi nước, tuần hồn một phần bùn trở lại bể sinh học nhằm duy trì nồng độ bùn cần thiết trong bể sinh học và xả bớt lượng bùn dư sinh ra trong quá trình phát triển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong một số trường hợp, ta cũng cĩ thể gộp chung hai bể sinh học và lắng thành một cơng trình duy nhất. Khi đĩ, ta khơng cịn phải tuần hồn bùn mà chỉ cần xả bùn dư. Loại này cịn gọi là bể sinh học hoạt động theo mẻ, là một dạng của bể aerotank. Nĩ cĩ ưu
điểm là khử được các hợp chất chứa nitơ, phốt pho khi vận hành đúng các quy trình hiếu khí, thiếu khí và yếm khí.
Quá trình sinh trưởng hiếu khí bám dính (aerobic attached-growth process)
Là quá trình xử lý sinh học trong đĩ quần thể vi sinh vật hoạt động để chuyển hĩa các chất hữu cơ và các thành phần khác trong nước thải thành khí cịn vỏ tế bào được dính bám vào một vài giá thể dạng tấm hay hạt cĩ tính trơ như: nhựa, sỏi, xỉ, sành,…
Các cơng trình xử lý nước thải theo nguyên tắc vi sinh vật dính bám được chia thành 2 loại: loại cĩ vật liệu lọc tiếp xúc khơng ngập trong nước với chế độ tưới nước theo chu kỳ và loại cĩ vật liệu lọc tiếp xúc ngập trong nước.
Trong dịng nước thải cĩ những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽ dính trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật cĩ nhhững lồi sinh ra các polysacarit cĩ tính chât dính như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học) tạo thành màng. Màng này cứ dày lên theo thời gian và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cĩ định trên các chất mang. Màng này cĩ khả năng oxy hĩa các chất hữu cơ cĩ trong nước thải khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngồi ra màng cịn cĩ khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng cĩ trong nước thải hoặc giun sán,…
Màng sinh học là tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau, cĩ hoạt tính oxy hĩa các chất hữu cơ cĩ trong nước khi tiếp xúc với màng. Màng này dày từ 1 – 3 mm và hơn nữa. Màu của màng thay đổi theo thành phần tính chất nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối.
Với đặc điểm như vậy, màng sinh học cĩ khả năng oxy hĩa được tất cả các chất hữu cơ dễ phân hủy cĩ trong nước thải. Nĩ hấp phụ giữ lại các vi khuẩn cũng như các tạp chất hĩa học. Nĩ oxy hĩa các hợp chất hữu cơ cĩ trong nước và nước được dần dần làm sạch.
c) Xử lý sinh học trong điều kiện kỵ khí.
Phân huỷ kỵ khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành chất khí (CH4 và CO2) trong điều kiện khơng cĩ oxy. Quá trình phân huỷ kỵ khí các hợp chất hữu cơ thường xảy ra theo 3 giai đoạn chính sau:
Giai đoạn lên men acid: là quá trình thủy phân các hydrocacbon dễ phân hủy sinh hĩa như lipids, polysacharides, protein, nucleic acid thành acid béo, monosacharides, amino acid, pyrinidines. Các hợp chất được chuyển hĩa này được vi khuẩn sử dụng làm năng lượng và tổng hợp tế bào.
Giai đoạn chấm dứt lên men acid: vi khuẩn tiếp tục chuyển hĩa hầu hết các sản phẩm sinh ra từ giai đoạn trước thành các hợp chất trung gian cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn như các hợp chất amin, acid acetic, CO2, N2, CH4, H2,… và pH mơi trường cũng tăng lên.
Quá trình lên men kiềm: các sản phẩm trung gian chủ yếu là celluloze, acid béo, các hợp chất chứa nitơ tiếp tục bị phân huỷ và tạo thành CH4, CO2, N2, H2,… và pH mơi trường tiếp tục tăng lên và chuyển sang dạng kiềm.
Cĩ thể tĩm tắt như sau:
Các chất hữu cơ pha phân hủy các chất dễ tan trong nước pha acid các acid hữu cơ, acid béo, rượu … pha kiềm CH4 + CO2 + N2 + H2 …
Trong pha acid, cĩ vi sinh vật tạo thành acid gồm cả vi sinh vật kỵ khí và tuỳ tiện. Trong pha kiềm các vi sinh vật sinh mê tan đích thực mới hoạt động, chúng là những vi sinh vật kỵ khí cực đoan.
Tương tự như phương pháp xử lý hiếu khí, phương pháp kỵ khí cũng sử dụng một trong hai quá trình khác nhau để xử lý chất thải. Đĩ là quá trình tăng trưởng kỵ khí lơ lửng và quá trình tăng trưởng kỵ khí dính bám.
Quá trình tăng trưởng kỵ khí lơ lửng: cơng trình tiêu biểu cho quá trình này là bể kỵ khí kiểu đệm bùn dịng chảy ngược hay cịn gọi là bể UASB. Nước thải cần xử lý sẽđược đưa vào từđáy bể và chảy ngược lên, xuyên qua một lớp bùn ở dạng hạt nhỏ. Khí sinh ra trong quá trình xử lý gây nên sự lưu thơng bên trong. Giúp cho việc hình thành, duy trì lớp bùn sinh học tạo sự khuấy trộn đều bùn với nước thải. Để duy trì trạng thái lơ lửng của bùn, người ta thường đưa nước thải vào từđáy bể phản ứng với vận tốc 0,6-0,9 m/h.
Quá trình tăng trưởngkỵ khí dính bám: tương tự như quá trình tăng trưởng hiếu khí dính bám. Các vi sinh vật được dính bám vào các giá thể dạng tấm hay hạt cĩ tính trơ. Nước thải cũng được dẫn từ dưới đáy bể lên, xuyên qua lớp vật liệu lọc. Hai quá trình phổ biến của phương pháp này là lọc kỵ khí và lọc với lớp vật liệu trương nở. Được dùng để xử lý nước thải chứa các chất cacbon hữu cơ, nitrat.
Ngồi ra ta cũng cĩ thể phối hợp cả hai quá trình: kỵ khí lơ lửng và kỵ khí bám dính bám vào cùng một bể sinh học nhằm tăng cường khả năng xử lý.
Phương pháp xử lý kỵ khí thường sử dụng để sơ bộ xử lý nước thải cĩ độ ơ nhiễm hữu cơ cao (COD > 1-3 g/l) trước khi sử dụng phương pháp hiếu khí. Điều này giúp tiết kiệm được lượng ơxy cần thiết phải cung cấp cho vi sinh vật trong quá trình hiếu khí nên giảm được chi phí điện năng đối với thiết bị cấp khí.
Khi xử dụng phương pháp sinh học để xử lý nước thải cần lưu ý:
Nước thải khơng được chứa các kim loại nặng, muối vơ cơ mà nồng độ của chúng ngồi mức cho phép.
BOD/COD >= 0,5
- Đối với quá trình hiếu khí:
Độ pH từ 6,5 đến 8,5. Nhiệt độ nước thải 15 - 35 0C. Nồng độ SS khơng quá 150 mg/l. BOD : N : P = 150 : 5 : 1. - Đối với quá trình kỵ khí: Khơng cĩ oxy. PH = 6,6-7,6.
Duy trì độ kiềm 1000 - 5000 mg/l làm dung dịch đệm để pH khơng hạ xuống dưới 6,2 vì methanogenic khơng thể hoạt động dưới mức này.
Acid béo bay hơi < 250 mg/l. COD : N : P = 350 : 5 : 1