Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống và hoạt
động sống của vi sinh vật cĩ tác dụng phân hĩa chất hữu cơ. Do quá trình phân hĩa phức tạp nhưng chất bẩn cĩ được kháng hĩa và trở thành nước , chất vơ cơ và những chất khí như : H2S , Sunfit , Amoniac , Nitơ …
Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của các vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ cĩ trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số
muối khống làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy chất hữu cơ nhờ sinh vật gọi là quá trình oxy hĩa sinh hĩa. Như vậy nước thải cĩ thể xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ đặc
trưng bằng các chỉ tiêu BOD, COD. ðể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiệu quả thì tỷ số BOD/COD ≥ 0.5
Các phương pháp xử lý sinh học cĩ thể phân loại trên cơ sở khác nhau, dựa vào quá trình hơ hấp của sinh vật cĩ thể chia ra làm 2 loại : quá trình hiếu khí và kỵ khí. Các cơng trình áp dụng phương pháp này như :
Bể Aerotank
Bể lọc sinh học
Mương oxy hĩa
Bể mêtan
Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
2.2 CÁC CƠNG TRÌNH THỰC TẾ
Bể lọc sinh học nhỏ giọt
Bể lọc sinh học nhỏ giọt là thiết bị phản ứng sinh học trong đĩ các vi sinh vật sinh trưởng cốđịnh trên lớp vật liệu lọc. Bể lọc hiện đại gồm một lớp vật liệu dễ thấm nước với vi sinh vật dính kết trên đĩ. Nước thải đi qua lớp vật liệu này sẽ thấm hoặc nhỏ
giọt trên đĩ. Vật liệu lọc thường là đá dăm hoặc các khối vật liệu dẻo cĩ hình thù khác nhau. Nước thải phân phối trên lớp vật liệu lọc nhờ bộ phận phân phối.
Chất hữu cơ sẽ bị phân hủy bởi quần thể vi sinh vật dính kết trên lớp vật liệu lọc. Các chất hữu cơ trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 -0,2 mm và bị
phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, do đĩ, oxy đã bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày màng sinh vật. Như vậy mơi trường kỵ khí được hình thành ngay sát bề mặt vật liệu lọc.
Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hĩa chất hữu cơ xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu lọc. Kết quả là vi sinh vật bị phân hủy nội bào, khơng cịn khả năng dính bám trên bề mặt vật liệu lọc và bị rửa trơi.
Hình 2.1. Cấu tạo bể lọc sinh học nhỏ giọt
ðĩa sinh học
ðĩa sinh học gồm hàng loạt đĩa trịn phẳng bằng polystyren hoặc PVC lắp trên một trục. Các đĩa được đặt ngập trong nước một phần và quay chậm. Trong quá trình vận hành vi sinh vật sinh trưởng, phát triển trên bề mặt đĩa hình thành một lớp màng mỏng bám trên bề mặt đĩa. Khi đĩa quay lớp màng sinh học sẽ tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với khí quyển để hấp thụ oxy. ðĩa quay sẽảnh hưởng đến sự vận chuyển oxy và đảm bảo cho vi sinh vật tồn tại trong điều kiện hiếu khí.
Hình 2.2. ðĩa sinh học ( RBC )
Bể UASB
- Cả 3 quá trình phân hủy, lắng bùn, tách khí được lắp đặt trong cùng một cơng trình - Tạo thành các loại bùn hạt cĩ mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Hình 2.3. Upflow Anaerobic Sludge Blanket(UASB)
Nguyên tắc hoạt động:
Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các hợp chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kỵ khí sẽ tạo nên dịng tuần hồn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ dính bám và các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên bề mặt bể. Tại đây, quá trình tách pha khí- lỏng- rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5% – 10%. Bùn sau khi tách bọt khí lại lắng xuống.
Bể bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng lơ lửng
Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Nồng độ oxy hịa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt 2 khơng nhỏ hơn 2 mg/l. Tốc độ sử dụng oxy hịa tan trong bùn hoạt tính phụ thuộc vào:
− Tỷ lệ F/M
− Nhiệt độ
− Tốc độ sinh trưởng và hoạt động sinh lý của vi sinh vật
− Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất
− Lượng các chất cấu tạo tế bào
− Hàm lượng oxy hịa tan
ðể thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí cĩ hiệu quả cần phải hiệu rõ vai trị quan trọng của quần thể vi sinh vật. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hĩa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị phân hủy thành CO2, H2O, NO3-, SO42-,…Một cách tổng quát, vi sinh vật tỏng hệ thống bùn hoạt tính gồm: Pseudomonas, zoogloea, Achromobacter, flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, và 2 loại vi khuẩn nitrate hĩa Nitrosomonas và Nitrobacter. Thêm vào đĩ, nhiều loại vi khuẩn dạng sợi như: Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix, và Geotrichum cũng tồn tại.
Yêu cầu khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưa vào hệ thống cần cĩ hàm lượng SS khơng vượt quá 150 mg/l, hàm lượng snr phẩm dầu mỏ khơng quá 25 mg/l. pH = 6,5 – 8,5, nhiệt độ 60C < t0C < 370C.
Hình 2.4. Sơđồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí
Bể sinh học bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính
Nguyên lý hoạt động của bể này tương tự như trường hợp vi sinh vật sinh trưởng lơ
lửng, chỉ khác là vi sinh vật phát triển dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong bể. Sơ đồ cấu tạo bể bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính được minh họa trong hình dưới đây:
Cũng theo Van Huyssteen và cộng sự (1990), sự kết hợp của hai quá trình nitrat hĩa và khử nitrat hĩa trong việc xử lý Nitơ trong nước thải cĩ thểđược giải thích theo hai cơ
chế sau.
ðầu tiên, hỗn hợp bùn sinh học và nước thải di chuyển ra xa khỏi hệ thống sục khí trong bể sinh học theo dịng vận chuyển của chất lỏng kéo theo hàm lượng oxy hịa tan trong nước (DO - Dissolved Oxygen) thấp dần, tạo điều kiện thích hợp cho các phản
ứng xảy ra trong mơi trường thiếu khí. Tiếp đĩ, các bơng bùn hoạt tính cĩ thể chứa
đồng thời hai vùng hiếu khí và thiếu khí do hàm lượng DO trong nước thải khơng thể
khuếch tán vào tồn bộ bơng bùn . Mơ hình bơng bùn hoạt tính với cả hai vùng hiếu khí và thiếu khí được mơ tả như ở hình 5. Nitrat sinh ra từ quá trình nitrat hĩa trong
điều kiện hiếu khí cĩ thể khuếch tán vào vùng thiếu khí bên trong cùng với cơ chất, tạo
điều kiện thích hợp cho quá trình khử nitrat hĩa xảy ra trong cùng một bơng bùn. Với sự kết hợp của quá trình nitrat hĩa và khử nitrat hĩa, nồng độ Nitơ trong nước thải
đầu vào được xử lý hiệu quả với bùn hoạt tính và màng vi sinh trên vật liệu tiếp xúc.[8][7][13].
Hình 2.6. Hình biểu diễn hạt bùn hoạt tính với sự kết hợp của vùng hiếu khí và vùng thiếu khí
Bể USBF
Mơ hình được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ carbon (COD, BOD), quá trình nitrat hố/khử nitrat và quá trình loại bỏ dinh dưỡng (N và P). Nước thải được loại bỏ rắn, sau đĩ, được bơm vào mương chảy tràn thu nước đầu vào cùng trộn lẫn với dịng tuần hồn bùn. Hồn hợp nước thải và bùn hoạt tính chảy vào ngăn thiếu khí. Ngăn này cĩ vai trị như là ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector) thực hiện hai cơ
chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi chất (Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động của vi sinh vật tạo bơng nhằm tăng cường hoạt tính của bơng bùn và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật hình sợi gây vĩn bùn và nổi bọt. Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này. Sau
đĩ, nước thải chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưỡi đáy ngăn USBF. Ở đây ơxy
được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua một máy bơm. Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển tử dưới lên, ngược chiều với dịng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng. ðây chính là cơng đoạn thể hiện ưu điểm của hệ
thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính. Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy tràn vào mương thu nước đầu ra. Một phần hỗn hợp nước thải và bùn trong ngăn này được tuần hồn trở laị ngăn thiếu khí.[7]
Hình 2.7. Sơđồ nguyên lý hoạt động của bể USBF
Bể khử trùng
− Khử trùng bằng các chất oxi hố mạnh: Cl2, các hợp chất Clo, O3, KMnO4. − Khử trùng bằng các tia vật lý: tia cực tím.
− Khử trùng bằng siêu âm.
− Khử trùng bằng phương pháp nhiệt. − Khử trùng bằng các ion kim loại nặng.
Khử trùng bằng các chất oxi hố mạnh: Cl2, các hợp chất Clo, O3, KMnO4. Khử trùng bằng Clo lỏng:
Khi dùng Clo lỏng để khử trùng , tại nhà máy phải lắp đạt thiết bị chuyên dùng để đưa Clo vào nước gọi là Cloratơ. ðây là thiết bị cĩ chức năng pha chế và định lượng Clo hơi và nước.
Khử trùng bằng Clorua vơi và canxihyphocloit
Clorua vơi được sản xuất bằng cách cho Clo + vơi tơi Cloruavơi. Trong Cloruavơi thì lượng Clo hoạt tính chiếm 20 – 25%. Canxi hypơclorit Ca (OCl)2 là sản phẩm của quá trình làm bão hịa dung dịch vơi sữa bằng Clo. Hàm lượng Clo hoạt tính chiếm 30 – 45%.
Khử trùng bằng Natri hypoclorit (nước zaven): NaClo là sản phảm của quá trình
điện phân dung dịch muối ăn . Nước zaven cĩ nồng độ Clo hoạt tính từ 6 – 8g/l.
Dùng Ơzơn để khử trùng:
+ ðộ hịa tan của Ơzơn gấp 13 lần của oxy. Khi vừa cho vào trong nước khả năng tiệt trùng là rất ít , khi Ơzơn đã hịa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ oxy hố hữu cơ và vi khuẩn trong nước, lúc đĩ tác dụng khử trùng mạnh nhanh gấp 3100 lần so với Clo, thời gian tiệt trùng xảy ra trong khoảng 3 – 8 giây.
+ Liều lượng cần thiết cho nước ngầm là 0,75 – 1mg/l; 1,0 – 3,0 mg/l nước mặt; sau bể lắng 2 trong xử lý nước thải từ 5 – 15mg/l.
Khử trùng bằng tia cực tím:
+ Tia cự tím UV là tia bức xạđiện từ cĩ bước sĩng khoảng 4 – 400nm. Dùng tia cực tím để tiệt trùng khơng làm thay đổi tính chất hĩa học và lý học của nước.
+ Tia cực tím tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, tia cực tím cĩ độ dài bước sĩng 254nm khả năng diệt khuẩn cao nhất. Trong các nhà máy xử lý nước thải, dùng đèn thuỷ ngân áp lực thấp để phát tia cực tím cĩ bước sĩng 253,7nm.
+ Lớp nước đi qua đèn cĩ độ dày khoảng 6mm, năng lượng tiêu thụ từ 6000 – 13000(mocrowat/s), độ bền 3000 giờ đến 8000 giờ.
Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này thì chi phí rất cao. Các thực nghiệm gần đây cho thấy nước thải cĩ hàm lượng cặn lơ lửng SS < 50mg/l sau khi đi qua hộp đèn cực tím với tiêu chuẩn năng lượng nêu trên thì nước cịn 200 Colifrom/100ml.
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN