6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
3.2LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC ÉP RÁC
3.2.1 Cơ sở lựa chọn cơng nghệ xử lý
Nước ép rác tại các trạm trung chuyển cĩ nồng độ đậm đặc, pH thấp, nhu cầu oxy sinh hĩa BOD và nhu cầu oxy hĩa hĩa học COD cao, đồng thời cĩ mặt của các chất độc hại. Hơn nữa, chất lượng nước rác biến động rất khác nhau tùy thuộc từng khu vực và thời gian. Do vậy, cả quá trình xử lý sinh học và hĩa học đều chưa cĩ thể ứng dụng riêng lẻ để xử lý nước rác nhằm đạt tiêu chuẩn thải ra nguồn tiếp nhận.
Một số yếu tố quyết định đến mức độ và cách xử lý là: - Thành phần và tính chất nước rác.
- Tính độc hại. - Nguồn tiếp nhận.
- Điều kiện xây dựng, vận hành. - Chi phí xử lý.
Các vấn đề cần phải xem xét khi xử lý nước rác là: - Mức độ ơ nhiễm của nước rác.
- Sự thay đổi các đặc tính của nước rác làm cho cơng nghệ xử lý nước rác ở trạm trung chuyển này khơng thể áp dụng trực tiếp cho trạm trung chuyển khác. Cần cĩ những điều tra kỹ càng để xác định cơng nghệ xử lý thích hợp đối với từng trạm trung chuyển.
- Sự dao động của tính chất và lưu lượng nước rác là khá lớn, cần phải xem xét và nghiên cứu kỹ khi thiết kế hệ thống xử lý. Lưu lượng và tính chất của nước rác phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, biến động trong thời gian làm việc của trạm trung chuyển. Do đĩ, việc thiết kế hệ thống thu gom và hệ thống xử lý cần đảm bảo cho những biến động về lưu lượng và tính chất nước rác.
- Hệ thống xử lý phải cĩ tính kế thừa. Nghĩa là hệ thống xử lý phải cĩ khả năng thay đổi phù hợp khi cơng suất của trạm ép rác tăng lên, hay cĩ những biến động lớn về thành phần nước thải trong tương lai.
- Cơng nghệ xử lý đảm bảo khả năng xử lý khi nước rác cĩ những biến đổi theo thời gian. Việc lựa chọn và xây dựng hệ thống xử lý ban đầu phải xem xét đến việc cải tiến, sửa đổi một cách dễ dàng và thuận tiện cho cơng nghệ xử lý tiếp theo. Các cơng trình nên xây dựng theo module. Khi cơng nghệ này
trung chuyển khác hoặc cĩ thể tăng số lượng thiết bị khi lưu lượng và tính chất nước rác thay đổi…
- Cần xem xét đến yếu tố kinh tế trong việc xử lý. Cần đánh giá vịng đời hệ thống xử lý bằng cách xem xét các yếu tố như: lựa chọn cơng nghệ, ảnh hưởng của chi phí lên các thơng số xử lý, xem xét chi phí đầu tư và vận hành. Cơng nghệ xử lý nước rác được lựa chọn phải đạt được hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất cĩ thể.
- Các trạm trung chuyển khơng cĩ diện tích xây dựng lớn, do đĩ khối tích cơng trình bị hạn chế.
Phương pháp lựa chọn cơng nghệ xử lý nước rác cĩ thể tham khảo bảng sau:
Bảng 3.2 Tiêu chí lựa chọn cơng nghệ xử lý nước rác
Quá trình Kim
loại VOC Nitơ Chất rắn
Bay hơi Tốt Tốt Tốt Tốt Tuyển nổi - TB - Khử khí - - Tốt Tốt Lọc - Tốt - - Quá trình màng Tốt Tốt TB Tốt Keo tụ/Kết tủa Kém Tốt - Kém Oxy hĩa Kém - TB -
Trao đổi ion Kém Tốt - TB Hấp phụ than hoạt tính Kém - Tốt - Bùn hoạt tính hiếu khí Tốt Tốt Tốt TB Sinh trưởng dính bám hiếu khí Tốt Tốt Tốt TB Sinh trưởng lơ lửng kị khí Tốt Tốt Tốt TB Màng cố định kị khí Tốt Tốt Tốt TB
Ghi chú: TB: trung bình -: khơng áp dụng (Nguồn: [12] )
3.2.2 Cơng nghệ xử lý nước rác trạm trung chuyển
Nhiệm vụ chủ yếu trong xử lý nước rác mới là khử BOD và Nitơ hữu cơ. Căn cứ vào tỷ lệ giữa BOD/COD rất cao của nước ép rác thì việc ứng dụng phương pháp xử lý sinh học là hồn tồn hợp lý. Nhiều nghiên cứu cho thấy quá trình hĩa lý, hĩa học khi áp dụng xử lý nước rác cĩ tỷ lệ BOD/COD lớn khơng mang lại hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao, khơng xử lý triệt để các thành phần nitơ cĩ trong nước rác, chi phí xử lý lại rất cao. Trong khi đĩ, sử dụng các quá trình sinh học thì hiệu quả xử lý chất hữu cơ
sai đúng Nước ép rác Khử cặn, nâng pH Lọc sinh học kị khí Bùn hoạt tính Lọc sinh học kị khí BOD5/CO D cao Xử lý SH hiếu khí Xử lý hĩa học Xử lý hĩa học
tạp, tính chất khĩ xử lý của nước rác thì khơng thể sử dụng một phương pháp để xử lý mà địi hỏi phải cĩ một dây chuyền cơng nghệ xử lý kết hợp, bao gồm nhiều khâu xử lý. Nên sử dụng các pháp hĩa lý, hĩa học để xử lý triệt để các thành phần ơ nhiễm cịn lại của nước rác sau xử lý bằng các phương pháp sinh học để đạt tiêu chuẩn thải vào nguồn tiếp nhận. Phương án này thường mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với phương án sử dụng các phương pháp xử lý hĩa lý ngay từ đầu.
Dựa vào các cơng nghệ, quá trình xử lý nước rác được nêu ở chương 2, phương pháp nghiên cứu xử lý nước ép rác trạm trung chuyển đề xuất được trình bày sau:
Hình 3.1 Phương pháp nghiên cứu xử lý nước ép rác tại trạm trung chuyển
đĩ, đầu tiên sử dụng phương pháp sinh học kị khí xử lý các chất ơ nhiễm cĩ trong nước rác vì các cơng trình xử lý kị khí nhân tạo cĩ thể xử lý với tải trọng rất cao, hàm lượng hữu cơ lớn nhưng nhu cầu năng lượng tốn rất thấp.
Qua tìm hiểu và nghiên cứu các tài liệu tham khảo, quá trình lọc sinh học kị khí với giá thể xơ dừa được lựa chọn do những đặc điểm nổi bật như sau:
• Ưu điểm của bể lọc sinh học kị khí so với các cơng trình xử lý kị khí khác (bể UASB, bể Biogas):
- Vận hành đơn giản, khơng địi hỏi trình độ vận hành, chi phí quản lý và vận hành thấp.
- Bể lọc sinh học kị khí cĩ thời gian khởi động nhanh chĩng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hệ thống cĩ thể hoạt động gián đoạn, chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ơ nhiễm rất thích hợp với các loại nước thải cĩ thành phần và tính chất biến động như nước rác tại trạm trung chuyển.
- Thời gian lưu bùn dài hơn. Cĩ khả năng phân hủy các chất hữu cơ phân hủy chậm cĩ trong nước rác.
- Thể tích vùng phản ứng lớn hơn, diện tích đất sử dụng ít hơn phù hợp với hồn cảnh chật hẹp của các trạm trung chuyển như hiện nay.
- Giai đoạn nghỉ thường ngắn hơn và cĩ khả năng chịu sốc tải cao hơn do mật độ của vi sinh vật tập trung trên bề mặt vơ cùng lớn.
- Nước thải đầu vào của bể lọc sinh học kị khí với giá thể xơ dừa cũng khơng cần cĩ điều kiện về các thơng số ức chế quá ngặt nghèo như bể UASB: lưu lượng nước thải vào bể lọc kị khí cĩ thể thay đổi, pH khơng cần đạt đến mức tối ưu cho vi khuẩn metan hoạt động (6,5-7,5), nước thải đầu vào bể lọc kị khí khơng cần cĩ hàm lượng SS thấp đến mức tối thiểu…
• Ưu điểm của vật liệu xơ dừa:
- Xơ dừa cĩ bề mặt diện tích riêng rất lớn, bề mặt gồ ghề, độ xốp cao rất thích hợp cho sự dính bám của vi sinh vật. Với đặc điểm về bề mặt tiếp xúc và mật độ vi sinh vật tập trung rất cao cho phép cơng trình cĩ khả năng xử lý với tải lượng hữu cơ lớn. Ngồi ra, do xơ dừa cĩ khối lượng riêng nhỏ nên dễ vận chuyển và khơng gây áp lực lên thành bể.
- Xơ dừa là vật liệu tự nhiên cĩ sẵn trong nước với giá thành rẻ. Thời gian cĩ thể sử dụng của xơ dừa cũng khá cao, khoảng từ 3 – 5 năm. Sau thời gian sử dụng cĩ thể thải bỏ hoặc xử lý dễ dàng vì xơ dừa cĩ thành phần hữu cơ tự nhiên.
hưởng, gây ức chế, làm giảm hiệu suất, khả năng xử lý của bể lọc sinh học kị khí. Vì vậy, cần phải hạn chế một phần hàm lượng các cặn lơ lửng và đưa pH lên khoảng trung tính trước khi đưa vào bể lọc sinh học kị khí.
Bên cạnh quá trình phân hủy chất hữu cơ, khử BOD, quá trình sinh học kị khí cịn diễn ra quá trình chuyển hĩa các chất nitơ hữu cơ thành nitơ ammonia hay cịn gọi là quá trình ammon hĩa. Trong điều kiện kị khí, các chất hữu cơ chứa nitơ bị thủy phân và phân hủy thành các protein, tiếp tục chuyển hĩa thành các axit amin, và các axit amin này tiếp tục bị phân hủy kị khí thành các sản phẩm vơ cơ, thơng qua các phản ứng oxy hĩa khử, như trình bày trong bảng 3.3 dưới đây.
Bảng 3.3 Các phản ứng oxy hĩa khử trong quá trình phân hủy kị khí các aminoacids
Phản ứng oxy hĩa
1. Serine + 2H2O → Acetate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 2[H] 2. Alanine + 3H2O → Acetate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H] 3. Leucine + 3H2O → Isovalerate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H] 4. Isoleucine + 3H2O → 2 – Methylbutyrate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H] 5. Valine + 3H2O → Isobutyrate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H 6. Phenylalanine + 3H2O → Acetate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H] 7. Tryptophane + 3H2O → Indolacetate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H] 8. Histidine + 3H2O → Glutamate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H] 9. Glutamate- → Propionate- + 2HCO3- + NH4+ + H+ + 4[H] 10. Glutamate- → 2Acetate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 2[H] 11. Aspartate- → 2Acetate- + HCO3- + NH4+ + H+ + 2[H] 12. Glycine → 2HCO3- + NH4+ + H+ + 6[H] 13. Threonine → Propionate- + NH4+ + H+ + 2[H] Phản ứng khử 14. Glycine + 2[H] → Acetate- + NH4+ 15. Proline + 2[H] → 5 – Aminovalerate 16. Lucine + 2[H] → 4 – Methylvalerate- + NH4+ + H+ 17. Phenylalanine + 2[H] → Phenylpropionate- + NH4+ + H+
18. Tryptophane + 2[H] → Indolpropionate + NH4 + H 19. 2HCO3- + H+ + 8H] → Acetate-
20. Acetate- + HCO3- + 6[H] → Propionate-
21. Acetate- + H+ + 4[H] → Butyrate-
22. 2[H] → H2
23. HCO3- + 2[H] → Formate-
(Nguồn: Bitton G., 2003)
Cĩ thể thấy rằng NH4+ là một trong những sản phẩm cuối cùng chính của quá trình phân hủy kị khí các hợp chất nitơ hữu cơ. Quá trình này là cơ sở quan trọng cho mục đích khử nitơ trong nước rác trạm trung chuyển bằng các phương pháp sinh học.
3.2.2.2 Bùn hoạt tính
Các cơng trình kị khí cĩ đặc điểm chung là cĩ thể xử lý nước thải đậm đặc và ít tiêu tốn năng lượng và lượng bùn sinh ra khơng đáng kể nhưng quá trình này khơng cĩ khả năng khử chất hữu cơ triệt để, nĩi cách khác, quá trình xử lý kị khí chỉ cho phép giảm mức COD đến một mức nào đĩ, và quá trình xử lý hiếu khí tiếp theo để xử lý triệt để các chất hữu cơ trong nước thải Vì vậy, cần phải kết hợp cả hai quá trình xử lý hiếu khí và kị khí để xử lý các thành phần hữu cơ cĩ trong nước thải.
Mặt khác nước rác, sau khi xử lý bằng mơ hình lọc sinh học kị khí, cĩ hàm lượng ammonia cao sinh ra do quá trình ammon hĩa các hợp chất nitơ hữu cơ. Vì vậy, cần khử lượng ammonia này. Tại mơ hình bùn hoạt tính sẽ diễn ra quá trình nitrat hĩa, chuyển hĩa các ammonia thành nitrit và nitrat. Quá trình này được diễn ra theo hai bước liên quan đến hai chủng loại vi sinh vật tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter.
Bước 1: Ammonia được chuyển hố thành nitrit được thực hiện bởi lồi
Nitrosomonas:
NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + 2 H+ + H2O + 250kJ (3.1)
Bước 2: Nitrit được chuyển hố thành nitrat được thực hiện bởi lồi
Nitrobacter:
NO2- + 0,5 O2 → NO3- + 75kJ (3.2)
Phương trình phản ứng (3.1) và (3.2) tạo năng lượng. Theo Painter (1970), năng lượng tạo ra từ quá trình oxy hố ammonia khoảng 66-84 kcal/mol ammonia và từ oxy hố nitrit khoảng 17,5 kcal/mol nitrit. Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng lượng này cho sự sinh trưởng của tế bào và duy trì sự sống. Tổng hợp hai phản ứng được viết lại như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ phương trình (3.3), lượng oxy tiêu thụ là 4,57 g/g NH4+-N bị oxyhố, trong đĩ 3,43 g/g sử dụng cho tạo nitrit và 1,14 g/g sử dụng cho tạo nitrat, 2 đương lượng ion H+ tạo ra khi oxy hố 1 mol ammonium, ion H+ trở lại phản ứng với 2 đương lượng ion bicacbonate trong nước thải. Kết quả là 7,14 g độ kiềm CaCO3 bị tiêu thụ/g NH4+ bị oxyhố.
Phương trình (3.3) sẽ thay đổi chút ít khi quá trình tổng hợp sinh khối được xem xét đến, nhu cầu oxy sẽ ít hơn 4,57 g do oxy cịn nhận được từ sự cố định CO2, một số ammonia và bicacbonate đi vào trong tế bào. Cùng với năng lượng đạt được, ion ammonium được tiêu thụ vào trong tế bào. Phản ứng tạo sinh khối đươc viết như sau:
4 CO2 + HCO3- + NH4 + H2O → C5H7O2N + 5 O2
Theo U.S.EPA Nitrogen Control Manual (1975): tồn bộ phản ứng oxy hố và tổng hợp sinh khối được viết như sau:
NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3- → 0,021 C5H7O2N + 0,98 NO3- + 1,041 H2O + 1,88 H2CO3
Nhu cầu oxy là 4,2 g/g NH4+-N bị oxy hố.
Theo Gujer và Jenkins (1974): tồn bộ phản ứng oxy hố và tổng hợp sinh khối được viết như sau:
1,02 NH4+ + 1,89 O2 + 2,02 HCO3- → 0,021 C5H7O2N + NO3- + 1,06 H2O + 1,92 H2CO3
Nhu cầu oxy giảm xuống cịn 4,3 gO2/gNH4+ bị oxy hố, độ kiềm tiêu thụ tăng lên 7,2 g/g NH4+ bị oxy hố.
3.2.2.3 Lọc sinh học kị khí thứ hai
Tiếp tục sử dụng mơ hình lọc sinh học kị khí để khử hàm lượng nitrit và nitrat sinh ra sau quá trình bùn hoạt tính. Tại đây, các thành phần nitrit và nitrat sẽ được chuyển hĩa thành N2 thơng qua quá trình khử nitrat hĩa.
Khử nitrat là bước thứ hai theo sau quá trình nitrat hố, là quá trình khử nitrat- nitrogen thành khí nitơ, nitrous oxide (N2O) hoặc nitrit oxide (NO) được thực hiện trong mơi trường thiếu khí (anoxic) và địi hỏi một chất cho electron là chất hữu cơ hoặc vơ cơ.
Hai con đường khử nitrat cĩ thể xảy ra trong hệ thống sinh học đĩ là:
Đồng hố: Con đường đồng hố liên quan khử nitrat thành ammonia sử dụng cho tổng hợp tế bào. Nĩ xảy ra khi ammonia khơng cĩ sẵn, độc lập với sự ức chế oxy.
khử nitrat thành oxide nitrite, oxide nitrous và nitơ: NO3- → NO2- → NO(g) → N2O (g) → N2 (g)
Một số lồi vi khuẩn khử nitrat được biết như: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracoccus, Spirillum, Thiobacilus, Micrococcus, Denitrobacillus, Xanthomonas (Painter, 1970). Hầu hết vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng, nghĩa là chúng lấy cacbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ. Bên cạnh đĩ, vẫn cịn cĩ một số lồi tự dưỡng, chúng nhận cacbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất vơ cơ. Ví dụ lồi Thiobacillus denitrificans oxy hố nguyên tố lưu huỳnh tạo năng lượng và nhận nguồn cacbon tổng hợp tế bào từ CO2 tan trong nước hay HCO3-. Phương trình năng lượng sử dụng methanol làm chất nhận electron:
6 NO3- + 5 CH3OH → 5 CO2 + 3 N2 + 7 H2O + 6 OH-
Tồn bộ phản ứng gồm cả tổng hợp sinh khối:
NO3- + 1,08 CH3OH + 0,24 H2CO3 → 0,056 C5H7O2N + 0,47 N2 + 1,68H2O + HCO3-
Phương trình năng lượng sử dụng methanol, ammonia-N làm chất nhận electron: NO3- + 2,5 CH3OH + 0,5 NH4+ + 0,5 H2CO3 → 0,5 C5H7O2N + 0,5N2 +