Cơng trình xử lý sinh học hiếu khí (nhân tạo)

TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚCTHẢ

2.4.2. Cơng trình xử lý sinh học hiếu khí (nhân tạo)

Xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí cĩ thể kể đến hai quá trình cơ bản :

 Quá trình xử lý sinh trưởng lơ lửng.

 Quá trình xử lý sinh trưởng bám dính.

Các cơng trình tương thích của quá trình xử lý sinh học hiếu 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 hiếu khí gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng phản ứng sau : ∗ Oxi hố các chất hữu cơ :

CXHYOX + O2 = CO2 + H2O ∗ Tổng hợp xây dựng tế bào :

CXHYOX + O2 = tế bào vsv + CO2 + H2O + C5H7O2N ∗ Tự oxi hố chất liệu tế bào ( tự phân huỷ ) :

CXHYOX + O2 = CO2 + H2O + NH3

2.4.2.1. Bể phản ứng sinh học hiếu khí – Aerotank

• Quá trình tăng sinh khối của VSV

• Quá trình hoạt động của enzim hay quá trình phân giải vật chất hữu cơ trong nước thải

Nguồn VSV cĩ trong nước thải:

Nguồn giống VSV vật được nuơi cấy riêng (bùn hoạt tính) trong các cơ sở tạo giống và đưa vào để tăng thêm khả năng chuyển hố vật chất hữu cơ trong nước thải.

Khi vào bể Aerotank, VSV trải qua một số giai đoạn phát triển với tốc độ khác nhau.

Ở trạng thái tĩnh, mơi trường nước thải chứa những chất hữu cơ tương đối đồng nhất, dễ phân huỷ như nhau, VSV sẽ phát triển theo một qui luật riêng biệt. Lúc đầu, chúng trải qua giai đoạn thích nghi, sau đĩ là giai đoạn tăng sinh rất nhanh, sau một thời gian nhất định chúng sẽ tạo được trạng thái cân bằng (ổn định) và kết thúc bằng giai đoạn suy vong, lượng sinh khối tạo ra nhiều hay ít, thời gian của quá trình tăng sinh dài hay ngắn cịn tuỳ thuộc vào các quá trình bên ngồi tác động vào vsv.

Đối với những VSV vật được nuơi cấy trong mơi trường nhân tạo thì giai đoạn thích nghi thường ngắn hơn so với những VSV cĩ trong mơi trường nước thải. Bởi vì trong mơi trường nhân tạo bao gồm những thành phần dinh dưỡng cĩ kiểm sốt và dễ tiêu hủy, cịn trong mơi trường nước thải các chất dinh dưỡng thường lẫn với các chất độc hại, muốn phát triển được thì vsv khơng chỉ phải trải qua giai đoạn quá trình thích nghi với chất dinh dưỡng mới phức tạp mà cịn phải thích nghi mới với các chất độc hại.

VSV phát triển trong bể Aerotank thường rất chậm và sinh khối tạo ra thường khơng bằng sinh khối tạo ra trong mơi trường nhân tạo. Nguyên nhân chủ yếu là do các vsv cĩ xu thế sử dụng các thành phần dinh dưỡng dễ phân huỷ trước, sau đĩ mới phân huỷ các thành phần khĩ phân huỷ.

Trong trạng thái chảy đầu vào liên tục và nước qua xử lý ra liên tục, sự tăng sinh sẽ khơng tuân theo qui luật trên. Quá trình tăng chỉ giống giai đoạn thích nghi và

giai đoạn tăng sinh ban đầu khi hệ thống xử lý bắt đầu làm việc. Sau khi đã đạt được giá trị ổn định của quá trình cân bằng thì đồ thị tăng sinh của quá trình lúc đĩ sẽ là hình sin. Mức độ lên xuống của đường cong biểu thị mức độ ổn định của chất dinh dưỡng cĩ trong nước thải.

Quá trình oxi hố các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong Aerotank Qua 3 giai đoạn:

∗ Giai đoạn 1: tốc độ oxi hố bằng tốc độ tiêu thụ oxi. Ơ giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Hàm lượng oxi cần cho vsv sinh trưởng, đặc biệt ở giai đoạn đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này rất ít. Sau khi vsv thích nghi với mơi trường,chúng sinh trưởng mạnh theo cấp số nhân. Vì vậy lượng tiêu thụ oxi tăng cao dân.

∗ Giai đoạn 2: vsv phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi cũng ít thay đổi. Chính giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân huỷ nhiều nhất. Hoạt lực enzyme của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Điểm cực đại của enzyme oxi hố của bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính tới mức ổn định.

∗ Giai đoạn 3: sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hố cầm chừng (hầu như khơng thay đổi) và cĩ chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây là giai đoạn nitrat hố các muối amoni.

Sau cùng, nhu cầu oxi hố lại giảm và cần phải kết thúc quá trình làm việc của bể Aerotank. Sau khi oxi hố 80% - 90% BOD trong nước thải nếu khơng khuấy trộn và thổi khí thì bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy. Cần phải lấy bùn cặn ra khỏi nước, nếu khơng kịp thời tách nươc sẽ bị ơ nhiễm thứ cấp; nghĩa là sinh khối của vsv trong bùn sẽ tự phân hủy. Ngồi ra cịn cĩ các hợp chất chứa chất béo, hydratcacbon, các chất khống,…khi tự phân hủy sẽ làm ơ nhiễm nguồn nước.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của Aerotank: Lượng oxi hồ tan trong nước:

Để đảm bảo cho Aerotank cĩ khả năng oxi hố chất bẩn hữu cơ với hiệu suất cao cần phải đủ lượng oxi đáp ứng yêu cầu hiếu khí của vsv trong bùn hoạt tính, chủ yếu là oxi hịa tan trong mơi trường lỏng. Lượng oxi được coi là đủ khi nước thải ra khỏi bể lắng đợt 2 là 2mg/l.

Thành phần dinh dưỡng đối với VSV:

Thành phần dinh dưỡng chủ yếu trong nước thải là nguồn cacbon (được gọi là cơ chất hay chất nền được thể hiện bằng BOD). Ngồi ra cần lưu ý với nguồn nitơ (thường ở dạng NH4+) và nguồn photpho (ở dạng muối photphat) và một số các thành phần khống khác như: magiê, kali, canxi,…thiếu dinh dưỡng sẽ làm ảnh hưởng đến mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của vsv, thể hiện bằng bùn hoạt tính giảm, ức chế các quá trình oxi hố chất hữu cơ gây nhiễm bẩn. Nồng độ cho phép của chất hữu cơ cĩ trong nước thải:

Để đảm bảo cho Aerotank làm việc cĩ hiệu quả. Các chất độc tính cĩ trong nước thải sẽ ức chế hoạt động sống của VSV.

pH của nước thải

Cĩ ảnh hưởng nhiều đến quá trình hố sinh của vsv, pH thích hợp cho quá trình xử lý nước thải Aerotank là 6,5 – 8,5.

Nhiệt độ

Anh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của vsv. Hầu hết các vsv trong nước là ưa ấm, chúng cĩ nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 400C và tối thiểu là 500C. Vì vậy, nhiệt độ xử lý nước thải chỉ trong khoảng 60 – 370C, 150C – 350C.

Nồng độ chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù.

Sau khi xử lý sơ bộ, tuỳ thuộc nồng độ chất lơ lững cĩ trong nước thải mà xác định cơng trình xử lý cơ bản thích hợp như lọc sinh học (SS khơng quá 100mg/l) hoặc Aerotank (SS khơng quá 150mg/l).

Bùn hoạt tính:

Bùn hoạt tính là tập hợp các vsv khác nhau (chủ yếu là vi khuẩn) kết lại thành dạng hạt bơng với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lững ở trong nước.

Trong bùn hoạt tính cĩ rất nhiều vi khuẩn dao động khoảng 108 - 1012 trên 1mg chất khơ. Ngồi ra cịn cĩ các lồi động vật nguyên sinh, chúng tham gia phân huỷ chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, chúng ăn các vi khuẩn già hay đã chết, làm xốp khối bùn, giúp loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, kích thích vsv tiết enzym ngoại bào để phân huỷ chất hữu cơ nhiễm bẩn và các chất keo dính trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu,..trong nước thải. Do vậy, bùn sẽ lớn dần và từ từ lắng xuống đáy, kết quả làm giảm lượng ơ nhiễm, nước được làm sạch.

Các vi khuẩn là các vsv dùng các chất hữu cơ (BOD) và chất dinh dưỡng (N,P) làm thức ăn để tạo tế bào mới đồng thời chuyển hố chúng thành các chất trơ khơng tan. Trong bể Aerotank thường lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, sau đĩ được tách ra ở bể lắng 2; một phần được tuần hồn lại vào bể Aerotank để tham gia xử lý nước thải theo chu trình mới.

Tuỳ thuộc vào điều kiện bên trong cũng như bên ngồi của chất thải, các nhĩm vsv tồn tại trong bùn sẽ khác nhau. Thành phần nước thải thay đổi sẽ làm thay đổi chủng loại, thành phần, tăng giảm số lượng từng lồi trong quần thể vsv của bùn hoạt tính.

Hệ thống xử lý mới đưa vào hoạt động chưa cĩ bùn hoạt tính, người ta phải tạo ra bùn hoạt tính. Để tạo bùn hoạt tính phải chú ý đến một số yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vsv cĩ trong bùn hoạt tính:

Nhiệt độ nước thải nếu cao thì phải điểu chỉnh về 25 – 300C. Điều chỉnh pH của nước thải về 6,5 – 7,5.

Nếu cĩ các yếu tố cĩ tính độc kìm hãm sự sinh trưởng của vsv hoặc diệt được vsv thì cần cĩ biện pháp loại bỏ riêng.

Đảm bảo tỷ lệ BOD : N : P = 100 : 5: 1

Một số loại bể aerotank thường dùng trong xử lý nước thải:

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 2.9: Sơ đồ cơng nghệ đối với bể Aerotank truyền thống

 Bể Aerotank tải trọng cao

Hoạt động của bể aerotank tải trọng cao tương tự như bể cĩ dịng chảy nút, chịu được tải trọng chất bẩn cao và cho hiệu suất làm sạch cũng cao, sử dụng ít năng lượng, lượng bùn sinh ra thấp.

Nước thải đi vào cĩ độ nhiễm bẩn cao, thường là BOD>500mg/l. tải trọng bùn hoạt tính là 400 – 1000mg BOD/g bùn (khơng tro) trong một ngày đêm.

 Bể Aerotank cĩ hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dịng chảy (bể cĩ dịng chảy nút)

Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đĩ nhu cầu cung cấp ơxy cũng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ. Ưu điểm :

Giảm được lượng khơng khí cấp vào tức 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 chứa Nitơ.

Cĩ thể áp dụng ở tải trọng cao (F/M cao), chất lượng nước ra tốt hơn.

 Bể Aerotank 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 2.10: Sơ đồ làm việc của bể Aerotank cĩ ngăn tiếp xúc.

Ưu điểm của dạng bể này là bể Aerotank 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.

 Bể thơng khí kéo dài

Khi nước thải cĩ tỉ số F/M (tỉ lệ giữa BOD5 và bùn hoạt tính-mgBOD5/mg bùn hoạt tính) thấp, tải trọng thấp, thời gian thơng khí thường là 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

Hình 2.11: Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thống kéo dài.

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 2.12 : Sơ đồ làm việc của bể Aerotank khuấy trộn hồn chỉnh.

Ưu điểm: pha lỗng ngay tức khắc nồng độ của 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 thể tích bùn cao, cặn khĩ lắng.

 Oxytank

Dựa trên nguyên lý làm việc của aerotank khuấy đảo hồn chỉnh người ta thay khơng khí nén bằng cách sục khí oxy tinh khiết

Hình 2.13: Oxytank 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 quátrình xử lý

2.4.2.2. Mương oxy hĩa (oxidation ditch):

Là dạng cải tiến của Aerotank khuấy trộn hồn chỉnh làm việc trong điềm kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính (sinh trưởng lơ lững của vsv trong nước thải)

Mương oxi hố cĩ dạng hình chữ nhật, hình trịn hay hình elip. Đáy và bờ cĩ thể làm bằng bê tơng cốt thép hoặc đào đất cĩ gia cố. Chiều sâu cơng tác từ 0.7 – 1m.

2.4.2.3. Lọc sinh học – Biofilter

Là cơng trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các vật chất hữu cơ cĩ trong nước thải nhờ quá trình ơxy 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 vật liệu lọc khơng ngập trong nước. Giá trị BOD của nước thải sau khi làm sạch đạt tới 10 ÷ 15mg/l với lưu lượng nước thải khơng quá 1000 m3/ngđ.

Bể lọc sinh học cao tải: lớp vật liệu lọc được đặt ngập trong nước. Tải trọng nước tới10 ÷ 30m3/m2ngđ tức là gấp 10 ÷ 30 lần ở bể lọc nhỏ giọt.

Tháp lọc sinh học cũng cĩ thể được xem như là một bể lọc sinh học nhưng cĩ chiều cao khá lớn.

Hình 2.14 : Bể lọc sinh học nhỏ giọt

2.4.2.4. Đĩa quay sinh học RBC ( Rotating biological contactors)

Đĩa quay sinh học gồm hàng loạt các đĩa trịn, phẳng được làm bằng PVC (polyvinylclorit) hoặc PS (polystyren) được lắp trên một trục. Các đĩa này được đặt ngập vào nước một phần (khoảng 30 – 40% theo đường kính) và quay chậm khi làm việc. Khi quay màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đĩ tiếp xúc với oxi sau khi ra khỏi nước thải, đĩa quay được nhờ moteur hay sức giĩ.

Nhờ quay liên tục mà chất hữu cơ vừa tiếp xúc với khơng khí vừa tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải vì vậy chất hữu cơ được phân hủy nhanh. VSV trên màng bám trên đĩa quay gồm các vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus, các VSV hiếu như: Desulfovibrio, và một số vi khuẩn sulfua.

2.4.2.5. Bể sinh học theo mẻ SBR ( Sequence Batch Reactor)

SBR 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. Ưu điểm là khử được các hợp chất chứa nitơ, photpho khi vận hành đúng các 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 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, tuỳ theo 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 cấp ơxy vào nước và khuấy trộn 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-NO2 và nhanh chĩng chuyển sang dạng N-NO3.

- 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 đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình trên và vào 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 suất xả bùn được xác định bởi năng sất yêu cầu, cũng giống như hệ hoạt động liên tục thơng thường. Trong hệ hoạt động gián đoạn, việc xả bùn 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