- Nhón sinh thỏ
2 Cỏc hệ thống xử lý nƣớc thải chi phớ thấp 1 Hồ sinh học ổn định nƣớc thả
2.1 Hồ sinh học ổn định nƣớc thải
Hệ thống hồ sinh học ổn định nước thải (thường gọi là hồ sinh học) là cỏc hồ lớn, khụng sõu, thường là hỡnh chữ nhật do người đào, để cho dũng nước thải vào và ra. Cỏc hồ này được sử dụng rộng rói ở chõu Âu và Nam Mỹ, là loại cụng trỡnh xử lý nước thải phự hợp với cỏc nước đang phỏt triển ở vựng khớ hậu núng. Cỏc yếu tố tự nhiờn như nhiệt độ cao và giàu ỏnh sỏng mặt trời đó thỳc đẩy sự phỏt triển nhanh của cỏc loại vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn và vi tảo) để xử lý cỏc chất hữu cơ trong nước thải, đặc trưng bằng BOD, theo cả hai cỏch hiếu khớ và kỵ khớ. Cỏc quỏ trỡnh diễn ra trong hồ sinh học là một chu trỡnh tự nhiờn, liờn tục và là hiện tưởng sống.
Quỏ trỡnh xử lý nước thải thường được diễn ra trong hai hoặc nhiều hồ. Sự sắp xếp thay thế về kớch thước và độ sõu hồ cú thể thỳc đẩy quỏ trỡnh hiếu khớ ở hồ này hoặc kỵ khớ ở hồ kia. Trong quỏ trỡnh xử lý kế tiếp, từng hồ cú chức năng riờng và chỳng được thiết kế phự hợp với mục đớch hoặc phần tử ụ nhiễm cần được tỏch ra khỏi nước thải. Dũng nước thải ra khỏi hồ sẽ giàu dinh dưỡng do nồng độ tảo lớn nhưng số lượng cỏc vi sinh vật gõy bệnh và cỏc sinh vật nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt khỏc giảm đỏng kể [Mara và cộng sự, 1992; Mara và Pearson, 1987; U.S. EPA, 1977a].
Hệ thống hồ sinh học ổn định nước thải dễ xõy dựng, giỏ thành thấp, tớnh đệm lớn và hiệu quả xử lý cao.
Dễ xõy dựng: Đào đất là cụng việc chủ yếu (cỏc hoạt động xõy dựng khỏc rất hạn chế). Sau khi đào, cỏc cụng việc xõy dựng hồ tiếp theo là hoàn thiện hố đào, xõy dựng cống nước thải vào và ra khỏi hồ, kố bờ bảo vệ hồ và nếu cần thiết, lút chống thấm hồ. Ngoài ra cũng cú thể tận dụng cỏc ao hồ tự nhiờn phự hợp để làm hồ sinh học.
Chi phớ thấp: Do cấu tạo đơn giản, hồ ổn định nước thải là loại cụng trỡnh rẻ nhất so với cỏc cụng trỡnh xử lý nước thải khỏc. Hồ khụng cần cú cỏc thiết bị cơ điện đắt tiền và khụng sử dụng nhiều điện năng. Cỏc cụng nhõn trỡnh độ thấp, nếu được giỏm sỏt chặt chẽ, cũng cú thể vận hành và duy tu cỏc hồ ổn định nước thải. Giỏ đất và yờu cầu sử dụng đất cú thể là yếu tố trở ngại chớnh đối với kỹ thuật hồ sinh học ổn định nước thải.
Tớnh đệm: Hồ sinh học ổn định nước thải cú thể chịu được hàm lượng kim loại nặng cao (đến khoảng 30 mg L-1). Hồ cũn cú thể hấp phụ được hiện tưởng sốc hữu cơ hoặc tải thủy lực trong dũng nước thải vào [Mara & Pearson, 1986].
Hiệu quả cao: Cỏc hệ thống hồ được thiết kế đỳng cú thể cú hiệu suất xử lý theo BOD trờn 90%, theo nitơ từ 70-90% và theo phụtpho là 30-50%.
Đặc biệt, hồ sinh học ổn định nước thải cú khả năng xử lý cỏc loại sinh vật bài tiết gõy bệnh cao. Ngược lại, cỏc biện phỏp xử lý bậc ba khỏc như clo húa, ozon húa, UV, tiờu diệt được cỏc loại vi khuẩn nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt (như feacal coliform). Thực tế, cỏc hồ sinh học được thiết kế đỳng cú thể diệt được 105
số vi khuẩn gõy bệnh và cú thể đạt tới ngưỡng quy định của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đối với nước tưới cõy [Mara và cộng sự, 1992; WHO, 2006; WHO, 1992]. Tuy nhiờn, hiệu quả xử lý chất lơ lửng của hồ sinh học thấp hơn cỏc cụng trỡnh xử lý nước thải khỏc do sự xuất hiện tảo trong dũng nước thải ra khỏi hồ. Mặc dự khụng đến mức bỏo động, nhưng hàm lượng cỏc chất lơ lửng trong nước thải ra khỏi hồ cao hơn so với cỏc cụng trỡnh xử lý thứ cấp truyền thống. Thời gian lưu thủy lực lõu đi đụi với thể tớch hồ lớn để xử lý nước thải cú thể là yếu tố hạn chế đối với quỏ trỡnh này do yờu cầu diện tớch và chi phớ đất sử dụng cao.
Cỏc loại hồ sinh học và cơ chế xử lý. Cú ba loại hồ sinh học:
Hồ kỵ khớ;
Hồ tựy tiện;
Hồ xử lý triệt để / hồ hiếu khớ.
Bản chất của hồ kỵ khớ và hồ tựy tiện là xử lý BOD và hồ xử lý triệt để là tiờu diệt cỏc loại vi khuẩn gõy bệnh (chỉ tiờu faecal coliform thường được sử dụng để chỉ thị cho quỏ trỡnh xử lý). Tất nhiờn, quỏ trỡnh xử lý BOD vẫn tiếp tục diễn ra trong hồ xử lý triệt để và quỏ trỡnh xử lý vi khuẩn gõy bệnh và cỏc chất dinh dưỡng vẫn cú trong cỏc hồ kỵ khớ và hồ tựy tiện.
Hồ sinh học kỵ khớ cú ưu điểm chớnh là xử lý được nước thải ụ nhiễm hữu cơ cao cú hàm lượng chất lơ lửng lớn. Trong hồ khụng cú ụxy hũa tan và khụng chứa hoặc chứa một lượng rất nhỏ vi tảo.
Hồ sinh học tựy tiện và hồ sinh học xử lý triệt để cú quần thể tảo lớn. Tảo đúng vai trũ chủ yếu trong quỏ trỡnh ổn định nước thải. Cỏc hồ này đụi khi cũn được gọi là hồ sinh học quang hợp hay là hồ sinh học làm thoỏng tự nhiờn. Cú một số phương ỏn bố trớ cỏc dạng hồ. Vớ dụ, hồ tựy tiện cú thể chia thành hồ tựy tiện sơ cấp và hồ tựy tiện thứ cấp, trong đú chỳng tiếp nhận nước thải mới và đó lắng, tỏch biệt (thường là dũng ra từ cỏc hồ kỵ khớ). Hồ xử lý triệt để đụi khi được sử dụng để tăng cường hiệu quả xử lý bằng vi sinh vật đối với dũng ra từ cỏc hệ thống xử lý nước thải truyền thống. Cũng vỡ vậy cỏc loại hồ này cũn được gọi là hồ xử lý bậc cuối.
Ba loại hồ sinh học chớnh thường được bố trớ thành cỏc chuỗi hồ nối tiếp hoặc song song theo cỏch cú một hồ tựy tiện sơ cấp sẽ kế tiếp một hoặc một số hồ xử lý triệt để; một hồ kỵ khớ theo sau là một hoặc một số hồ xử lý triệt để; hoặc một hồ kỵ khớ tiếp theo là hồ tựy tiện thứ cấp và một hay nhiều hồ xử lý triệt để (Hỡnh 2.1)). Mỗi loại chuỗi hồ đều cú tớnh một ưu việt khỏc nhau, phụ thuộc vào chức năng cũng như yờu cầu chất lượng nước thải đầu ra [Mara & Pearson, 1987].
Cỏc cơ chế xử lý nước thải chớnh của hồ sinh học như sau [Arthur, 1983]:
1. Sức chứa của hồ cho phộp hồ hấp phụ được cả độ sốc tải lượng hữu cơ lẫn tải lượng thủy lực của nước thải đầu vào;
2. Lắng sơ bộ nước thải, theo đú cỏc chất lơ lửng sẽ trầm tớch xuống đỏy hồ; 3. Xử lý cỏc chất hữu cơ trong nước thải bằng cỏc vi khuẩn ụxy húa hiếu khớ
(trong điều kiện cú ụxy tự do) và lờn men kỵ khớ (trong điều kiện khụng cú ụxy). Cỏc quỏ trỡnh lờn men kỵ khớ và ụxy húa hiếu khớ như sau:
Lờn men kỵ khớ gồm hai giai đoạn:
Giai đoạn thứ nhất là sự thối rữa chất hữu cơ, tại đõy vi khuẩn sẽ lờn men để tạo thành sinh khối mới và hỡnh thành cỏc sản phẩm trung gian khỏc là axit hữu cơ.
Chất hữu cơ vi khuẩn tế bào vi khuẩn mới + hỗn hợp axit hữu cơ
Giai đoạn thứ hai là phõn hủy cỏc chất hữu cơ hỡnh thành từ giai đoạn một nhờ cỏc loại vi khuẩn tạo mờtan thành khớ mờtan và cỏc sản phẩm đơn giản khỏc.
Hỗn hợp axit hữu
cơ vi khuẩn tế bào vi khuẩn mới + CHCO2 + H2O + NH3, v.v... 4 +
ễxy húa hiếu khớ cú thể biểu diễn bằng cỏc quỏ trỡnh đơn giản như sau: Chất hữu cơ + O2 vi khuẩn tế bào vi khuẩn mới + H2O +
CO2 + PO43- + NH3, v.v,…
Một lượng lớn ụxy được cung cấp nhờ quỏ trỡnh quang hợp của tảo: H2O + CO2 tảo+ỏnh sỏng tế bào tảo mới + H2O + O2
Hồ sinh học kỵ khớ
Hồ sinh học kỵ khớ thường sõu từ 2 đến 5 m. Hồ tiếp nhận nước thải mới cú tải lượng hữu cơ cao (>100g BOD5/m³ trong ngày), trong đú khụng cú ụxy hũa tan [Mara và cộng sự, 1992]. Hồ cú ý nghĩa giống như một bể tự hoại hở và được sử dụng để xử lý sơ cấp đối với nước thải ụ nhiễm hữu cơ nặng. Cỏc loại cặn trong nước thải lắng xuống đỏy hồ tạo thành lớp bựn cặn. Và tại đõy quỏ trỡnh lờn men kỵ
khớ nhờ cỏc loại vi khuẩn tạo axit, vi khuẩn tạo aceton và vi khuẩn tạo mờtan thực hiện trong điều kiện nhiệt độ trờn 15°C (xem hỡnh 2.2). Hồ sinh học kỵ khớ hoạt động rất tốt đối với cỏc vựng khớ hậu ấm. BOD tổng được xử lý cao, từ khoảng 40% ở 10°C hoặc thấp hơn cho đến trờn 60% ở 20°C và trờn đú. Cỏc lớp vỏng thường được hỡnh thành trờn bề mặt; nú khụng cần phải lấy đi, tuy nhiờn cỏc loại ruồi muỗi cú thể phỏt triển trờn bề mặt trong mựa hố. Vỡ vậy cần cú cỏc biện phỏp xử lý thớch hợp như phun nước sạch, nước sau xử lý hoặc trong một số trường hợp đặc biệt cú thể phun húa chất diệt muỗi phự hợp và dễ phõn hủy sinh học [Mara và Pearson, 1986; 1987].
Hỡnh 2.2. Phõn hủy cỏc chất hữu cơ trong hồ sinh học kỵ khớ
Nguồn: theo Ruihong, 2001.
Sự xuất hiện mựi (phần lớn là hydrụ sunfua) là một trong những nhược điểm chớnh của hồ sinh học kỵ khớ. Vỡ vậy, trước đõy cỏc nhà tư vấn thiết kế thường ớt thiện cảm khi chọn hồ sinh học kỵ khớ để xử lý nước thải [Mara và cộng sự, 1992]. Trong hồ sinh học kỵ khớ, cỏc loại vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio khử sunfat thành hydro sunfua cú mựi khú chịu như mựi trứng thối. Một phần hydrụ sunfua hũa tan trong nước sẽ tham gia vào một loạt cỏc phản ứng húa học. Đú là cỏc phản ứng phõn ly phõn tử H2S thành ion bisunfua (HS-) và phõn ly ion bisunfua thành ion sunfua (S2-). Sự phõn bố hàm lượng H2S, HS- và S2- trong nước phụ thuộc vào pH. Ở pH 7,5, trong giỏ trị bỡnh thường đối với hồ sinh học kỵ khớ, 75% sunfua dưới dạng bisunfua khụng mựi. Do đú, đối với cỏc trạng thỏi của sunfua, pH trong hồ sinh học kỵ khớ cao sẽ làm giảm mức độ bốc mựi hụi thối.
Mựi sinh ra khụng phải là vấn đề lớn nếu như thụng số thiết kế theo tải lượng BOD cho phộp được chọn đỳng và nồng độ SO42- trong nước thải đầu vào khụng vượt quỏ 500 mg/L [Mara và cộng sự, 1992]. Đụi khi trong hồ sinh học kỵ khớ xuất hiện cỏc vẩn bựn màu đỏ sẩm hoặc đỏ tớa. Đõy là cỏc dạng vi khuẩn quang hợp ụxy húa sunfua kỵ khớ. Sự xuất hiện của chỳng cú lợi và cú thể phũng ngừa được sự tạo mựi hydrụ sunfua [Mara & Pearson, 1987].
Hồ sinh học tựy tiện
Cú hai dạng hồ sinh học tựy tiện: hồ sinh học tựy tiện sơ cấp thu nhận trực tiếp nước thải từ mạng lưới thoỏt nước và hồ sinh học tựy tiện thứ cấp thu nhận nước thải sau khi được xử lý một phần (thường là sau hồ sinh học kỵ khớ, bể tự hoại, hồ sinh học tựy tiện sơ cấp và hệ thống kờnh mương thoỏt nước). Cỏc hồ sinh học tựy tiện thường cú độ sõu 1,5 m, tuy nhiờn hồ độ sõu từ 1 đến 2 m cũng được sử dụng. Cỏc vực nước độ sõu nhỏ hơn 0,9 m khụng nờn sử dụng vỡ rễ thực vật phỏt triển mạnh hạn chế dung tớch chứa nước của hồ cũng như búng tối do lỏ cõy tạo điều kiện cho muỗi phỏt triển. Hồ sinh học tựy tiện hoạt động với tải lượng hữu cơ thấp hơn so với hồ sinh học kỵ khớ.
Đối với hồ sinh học tựy tiện sơ cấp (tiếp nhận nước thải chưa xử lý) cú hai cơ chế xử lý BOD như sau [Mara và Pearson, 1987]:
Lắng cặn và tiếp theo đú là lờn men kỵ khớ bựn cặn lắng; đến 30% lượng BOD trong nước thải đầu vào cú thể chuyển thành khớ mờtan.
Vi khuẩn hiếu khớ ụxy húa cỏc hợp phần hữu cơ khụng lắng được trong nước thải cũng như sản phẩm của quỏ trỡnh lờn men kỵ khớ. Lượng ụxy cần thiết cho quỏ trỡnh này một phần được cấp từ quỏ trỡnh khuếch tỏn tự nhiờn bề mặt. Tuy nhiờn phần chớnh là lượng ụxy được tạo thành từ quỏ trỡnh quang hợp của vi tảo. Chỳng phỏt triển mạnh và làm cho hồ cú màu xanh thẩm. Tảo nhận được phần lớn cacbon diụxit là sản phẩm trao đổi chất cuối cựng của vi khuẩn (Hỡnh 2.3).
Trong hồ sinh học tựy tiện thứ cấp (tiếp nhận nước thải sau khi xử lý một phần trong hồ sinh học kỵ khớ), cơ chế xử lý BOD thứ nhất diễn ra khụng rừ ràng. Cỏc hợp phần hữu cơ theo BOD cũn lại khụng lắng được ụxy húa bởi cỏc loại vi khuẩn di dưỡng (Pseudomonas, Flavobacterium, Archromobacter and Alcaligenes spp). Lượng ụxy cần thiết cho quỏ trỡnh xử lý BOD do hoạt động quang hợp của vi tảo trong hồ sinh học tựy tiện cung cấp.
Giú cú tỏc động quan trọng trong hoạt động của hồ sinh học tựy tiện vỡ nú làm tăng sự khuếch tỏn ụxy khụng khớ vào nước và xỏo trộn cỏc tầng nước trong hồ. Sự xỏo trộn này tạo điều kiện phõn bố đồng nhất BOD, ụxy hũa tan, vi khuẩn và tảo và làm tăng cường độ ổn định chất thải.
Hồ sinh học tựy tiện được thiết kế để xử lý BOD theo tải lượng bề mặt tương đối nhỏ (100 – 400 kg BOD/ha.ngày) để cho tảo được phỏt triển mạnh. Lượng ụxy hũa tan cung cấp cho cỏc loại vi khuẩn trong hồ để xử lý BOD do cỏc hoạt động quang hợp của tảo cung cấp. Như vậy hoạt động của hồ sinh học tựy tiện dựa vào sự phỏt triển tự nhiờn của tảo. Hồ sinh học tựy tiện thường cú màu lam thẩm do mật độ đậm đặc của tảo. Trong hồ sinh học tựy tiện, cỏc loại tảo lam (Chlamydomonas và Euglena) chiếm ưu thế hơn so với tảo lục (Chlorella).
Hỡnh 2.3 Cỏc quỏ trỡnh xử lý BOD trong hồ sinh học tựy tiện
Nguồn: theo Ruihong, 2001.
Do quỏ trỡnh hoạt động quang hợp của tảo trong hồ, trong một ngày luụn luụn cú sự dao động hàm lượng ụxy hũa tan. Sau khi mặt trời mọc, hàm lượng ụxy hũa tan trong hồ tăng lờn và đạt giỏ trị lớn nhất vào đầu giờ buổi chiều và sau đú giảm xuống mức thấp nhất vào nửa đờm, khi quỏ trỡnh quang hợp ngừng và quỏ trỡnh hụ hấp tiờu thụ nhiều ụxy. Khi tảo hoạt động ở mức đỉnh điểm, cỏc ion carbonat và bicarbonat thực hiện cỏc phản ứng cung cấp nhiều dioxit carbon cho tảo, do đú nhiều ion hydrụxyl được giải phúng ra. Kết quả là pH của nước cú thể tăng lờn đến gần 9,4 [Mara, 2005]. Vi khuẩn faecal khụng bị diệt do tăng pH nhưng thực tế số lượng của chỳng lại giảm rừ rệt trong hồ ổn định nước thải [Curtis và cộng sự, 1992]. Thực ra quỏ trỡnh quang hợp làm pH tăng đi đụi với cường độ bức xạ trong hồ lớn. Đõy chớnh
là yếu tố kỡm hóm phỏt triển của vi khuẩn gõy bệnh [Mara, 2005]. Nước xỏo trộn tốt, thường do giú thổi trờn tầng mặt tạo nờn sự phõn bố đồng nhất BOD, ụxy hũa tan, vi khuẩn và tảo. Đú là cỏc yếu tố chớnh làm tăng mức độ ổn định chất thải trong hồ [Mara và Pearson, 1987].
Hồ sinh học xử lý triệt để
Hồ sinh học xử lý triệt để thường sõu từ 1-1,5 m. Hồ tiếp nhận nước thải từ hồ sinh học tựy tiện. Chức năng đầu tiờn của hồ là diệt cỏc loại vi khuẩn gõy bệnh. Mặc dự xử lý BOD ở mức thấp nhưng hồ cú thể tỏch được một lượng đỏng kể cỏc chất dinh dưỡng ra khỏi nước. Hiện tượng phõn tầng sinh học và phõn tầng húa lý ở hồ sinh học xử lý triệt để thường ở mức thấp và ụxy luụn được khuếch tỏn vào nước suốt ngày đờm. Quần thể tảo trong hồ sinh học xử lý triệt để phong phỳ hơn nhiều so với hồ sinh học tựy tiện, trong đú cỏc loại tảo phự du chiếm đa số. Sự đa dạng của tảo núi chung tăng dần từ hồ này đến hồ kia theo thứ tự trong chuỗi. Núi một cỏch khỏc, sự đa dạng loài tăng lờn khi tải lượng hữu cơ trong cỏc hồ giảm xuống [Mara và Pearson, 1986]. Mặc dự một phần vi khuẩn faecal được xử lý trong hồ sinh học tựy