Xử lý nước bằng sinh học dựa vào các dạng lên men khác nhau. Lên men là sự phân hủy một số chất thải hữu cơ, chúng thường kèm theo sự thoát khí dưới tác dụng của các enzim do các vi sinh tiết ra.
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 là môi trường sống của vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải.
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 này có hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
Hồ hiếu khí tự nhiên: oxy 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 oxy. 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) khoảng 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 oxy 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.ngay. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày có khi dài hơn.
Ao hồ kỵ khí là loại ao sâu, ít có hoặc không có điều kiện hiếu khí. Các vi sinh vật hoạt động sống không cần oxy không khí. Chúng sử dụng oxy ở dạng các hợp chất như nitrat, sulfat… để oxy hóa các chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các loại rượu và khí CH4, H2S, CO2…và nước.
Ao hồ kỵ 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 kỵ khí thường sinh ra mùi hôi thối khó chịu.
Ao hồ hiếu – kỵ khí
Loại ao 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 kỵ 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 kỵ khí tùy tiện và vùng phía đáy sâu là vùng kỵ khí.
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 oxy trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật hiếu khí hoạt động phân hủy các hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống lượng oxy càng ít và quá trình oxy 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 oxy 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 hơn 1.5m so với mặt đất.
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 bioligical contactor), AGWSP (Attached growth Waste
Stabilization Pond), bể phản ứng nitrate hóa 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. Ơû 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 4-3 ngày. Giá thể sinh vật dính bám là các sợi nhựa tổng hợp khá cứng được quấn xung quanh một lõi thép tráng kẽm. Kích thước loại nhựa tổng hợp tính từ lõi kẽm dài khoảng 50 –70mm. Mỗi lõi kẽm được quấn tròn có đường kính 80-100mm. Hệ thống phân phối khí là các đá bọt hoặc các đường ống nhựa dẫn khí. Cột sinh học chứa đầy vật liệu bám sính 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, công trùng. Phần bên trong 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 kho 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 nhiều hay ít tùy thuộc vào tải trọng hữu cơ và tải trọng thủy lực. Tải trọng hữu cơ ảnh hưởng đến tốc độ trao đổi chất trong màng nhầy. Tải trọng thủy 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.
Bùn hoạt tính
Nguyên lý chung của quá trình bùn hoạt tính là oxy hóa sinh hóa hiếu khí với sự tham gia của bùn hoạt tính.
Bùn hoạt tính là loại bùn xốp chứa nhiều vi sinh có khả năng oxy hóa và khoáng hóa các chất hữu cơ chứa trong nước thải.
Ngày nay, trong xử lý nước thải công nghiệp, người ta thường sử dụng: bể Aeroten va bể phản ứng sinh học từng mẻ liên tục (SBR).
Trong bể Aeroten diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ trong nước thải. Vai trò ở đây là nhữg 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 hóa sống và hoạt động bình thường phải thường xuyên cung cấp oxy vào bể, oxy sẽ được sử dụng trong các quá trình sinh hóa. Sự khuếch tán tự nhiên qua mặt thoáng của nước trong bể không đảm bảo 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 hóa có khả năng hấp thụ và oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải với sự có mặt của oxy. Để bùn hoạt tính 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 hòa tan, các chất keo phân tán nhỏ sẽ được chuyển hóa 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 những men nội bào, các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy. Quá trình xử lý này gồm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn khuếch tán và chuyển chất từ dịch thể tới bề mặt các tế nào 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 hóa 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 2.6: Bể Aerotank đang sục khí
Hình 2.7:Hệ sục khí trong bể Aerotank
Quá trình phản ứng từng mẻ liên tục là quy trình tuần hoàn với chu kỳ thời gian sinh trưởng gián đoạn mà khả năng thích ứng với một sự đa dạng của quá trình bùn hoạt tính – như là khuấy trộn hoàn chỉnh theo lối thông thường, tháo lưu
lượng, tiếp xúc ổn định và các chu trình sục khí kéo dài. Mỗi bể SBR một chu kỳ tuần hoàn bao gồm “cấp nước”, “sục khí”, “lắng”, “xả nước”, và “nghỉ”. Bởi thao tác vận hành như trường hợp gián đoạn này, cũng có nhiều khả năng khử nitrir và photpho. Phản ứng bể SBR không phụ thuộc đơn vị xử lý khác và rất thường xuyên chúng hoạt động liên tục trong chu trình đem lại lợi ích kinh tế.
Quy trình hoạt động của bể SRB như sau:
- Giai đoạn “cấp nước”: đưa nước thải đủ lượng đã qui định trước vào bể SBR và nó bắt đầu các chất ô nhiễm sinh học bị thối rữa
- Giai đoạn “sục khí”: các phản ứng sinh hóa hoạt động nhờ vào việc cung cấp khí, sinh khối tổng hợp BOD, aniniac và nito hữu cơ.
- Giai đoạn “lắng”: sau khi oxy hóa sinh học xảy ra, bùn được lắng và nước nổi trên bề mặt tạo lớp màng phân cách bùn, nước đặc trưng.
- Giai đoạn “xả nước”: nước nổi trên bề mặt sau thời gian lắng (nước đầu ra đã xử lý) được tháo ra khỏi bể SBR mà không có cặn cào nào theo sau.
- Giai đoạn “nghỉ”: thời gian nghỉ trong khi đợi nạp mẻ mới.
Cấp nước Sục khí Lắng
Xả nước Nghỉ
Bể lọc sinh học
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 I nước thải được cho qua bể lọc sinh học. Ơû đó màng sinh học sẽ hấp phụ các chất phân tán nhỏ, chưa kịp lắng, cả các chất ở dạng keo và hòa tan. Các chất hữu cơ bị màng sinh vật giữ lại sẽ bị oxy hóa 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 khối 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 hóa 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 hóa sinh hóa trong các bể sinh vật diễn ra mạnh hơn nhiều do đó kích thước công trình cũng nhỏ hơn nhiều.
Bể Biophin được phân loại theo tính chất như sau:
- Theo mức độ xử lý: Biophin xử lý hoàn toàn và không hoàn toàn. Biophin cao tải có thể xử lý hoàn toàn hoặc không hoàn toàn, còn Biophin nhỏ giọt dùng để xử lý hoàn toàn.
- Theo biện pháp làm thoáng: Biophin làm thoáng tự nhiên và Biophin làm thoáng nhân tạo.
- Theo chế độ làm việc: Biophin làm việc liên tục và Biophin làm việc gián đoạn tuần hoàn và không tuần hoàn.
- Theo khả năng chuyển tải: Biophin cao tải và Biophin nhỏ giọt .
- Theo đặc điểm cấu tạo của vật liệu lọc: Biophin chất liệu khối và Biophin chất liệu bản.
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 đi qua. Môi trường lọc có thể là đá, kích thước thay đổi từ 25 – 100mm đường kính, chiều sâu lớp đá tùy theo thiết kế nhưng thông thường từ 0.9 –2.0m trung bình là 1.8m. 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 – 12m. Bể lọc hình tròn 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. Ơû lớp ngoài của lớp màng nhầy sinh học (0.1 – 0.2mm), chất hữu cơ sẽ được phân hủy 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 sâu lớp màng nhầy. Do đó, môi trường kỵ khí sẽ nằm gần bề mặt lớp vật liệu lọc.
Khi độ dày màng nhầy tăng, các chất hữu cơ hấp phụ được chuyển hóa 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.
Hình 2.9: Bể lọc sinh học
Bể lọc khô
Bể lọc thô là bể lọc sinh học được thiết kế đặc biệt để vận hành ở tải trọng thủy lực cao. Lọc thô được dùng chủ yếu để loại bỏ chất hữu cơ bằng quá trình xuôi dòng.
Các loại bể lọc thô hiện nay sử dụng vật liệu lọc tổng hợp hay gỗ gõ với độ sâu trung bình 3.7 – 12m. cũng như quá trình lọc sinh học khác, lọc thô rất nhạy cảm với nhiệt độ. Lọc thô được dùng để loại bỏ một phần chất hữu cơ, làm tăng quá trình Nitrate hóa xuôi dòng.
Roatating Biological Cotactor ( RBC)
RBC gồm một loại đĩa tròn xếp liền nhau bằng polystylen hay PVC. Những đĩa này được nhúng chìm trong nước thải và quay từ từ.
Trong khi vận hành, sinh vật tăng trưởng sẽ dính bám vào bề mặt đĩa và hình thành một lớp màng nhầy trên toàn bộ mặt ướt của đĩa.
Đĩa quay làm cho sinh khối luôn tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với không khí để hấp thụ oxy, đồng thời tạo sự trao đổi oxy và duy trì sinh khối trong điều kiện hiếu khí. Sự quay cũng là cơ chế tách những chất rắn dư thừa bằng sức trượt và duy trì chất rắn bị rửa trôi trong huyền phù, do vậy thực hiện được quá trình làm sạch. RBC có thể được sử dụng như công trình xử lý thứ cấp, và có thể được vận hành cho những công trình nitrate hóa và khử nitrate liên tục theo mùa.