-
3.1 Các phương pháp xử lý nước thải sản xuất
3.1.1 Xử lý cơ học: nhằm mục đích
Tách các chất khơng hịa tan, những vật chất lơ lửng cĩ kích thước lớn (rác, nhựa, dầu mỡõ, cặn lơ lửng, các tạp chất nổi…) ra khỏi nước thải.
Loại bỏ cặn nặng như sỏi, cát, mảnh kim loại, thuỷ tinh…
Điều hồ lưu lượng và nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải.
Xử lý cơ học là giai đoạn chuẩn bị và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý hố lý và sinh học.
a. Song chắn rác hoặc thiết bị nghiền rác
- Nước thải dẫn vào hệ thống xử lý nước trước hết phải qua song chắn rác hoặc thiết bị nghiền rác. Tại đây, các thành phần rác cĩ kích thước lớn như : vải vụn, vỏ đồ hộp, lá cây, bao nilơng, đá cuội… sẽ được giữ lại. Nhờ đĩ tránh làm tắt bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo an tồn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử lý nước thải.
Song chắn rác: thường được làm bằng kim loại, đặt ở cửa vào kênh dẫn. Tùy theo kích thước khe hở, song chắn rác được phân thành loại thơ, trung bình và mịn. Song chắn rác thơ cĩ khoảng cách giữa các thanh từ 60 – 100 mm và song chắn rác mịn cĩ khoảng cách giữa các thanh từ 10 – 25 mm. Rác cĩ thể lấy bằng phương pháp thủ cơng hoặc thiết bị cào rác cơ khí. Thiết bị nghiền rác: cĩ thể thay thế song chắn rác, được dùng để nghiền, cắt vụn rác ra các mảnh nhỏ hơn và cĩ kích thước đều hơn, khơng cần tách rác ra khỏi dịng chảy. Rác vụn này được giữ lại ở cơng trình phía sau như bể lắng cát, bể lắng đợt 1. Thiết bị này cĩ bất lợi khi rác nghiền chủ yếu là vải vụn vì cĩ thể gây nguy hại đến cánh khuấy, tắc nghẽn ống dẫn bùn, hoặc dính chặt trên các ống khuếch tán khí trong xử lý sinh học.
b. Bể điều hịa.
- Cĩ bể điều hồ trong cơng nghệ xử lý là hết sức cần thiết, nhất là đối với ngành cơng nghiệp mì ăn liền, vì các quá trình chiên, hấp… là làm việc gián đoạn nên chế độ xả nước thải là gián đoạn hay lưu lượng khơng ổn định và thành phần nước thải thay đổi theo các cơng đoạn sản xuất.
- Việc điều hồ lưu lượng nước thải ngành cơng nghiệp mì ăn liền cĩ ý nghĩa quan trọng đối với các quá trình xử lý hố lý và sinh học. Điều hồ nước thải giúp cho việc giảm thiểu kích thước các bể xử lý, đơn giản hố cơng nghệ, tăng hiệu quả xử lý. Đồng thời cĩ ý nghĩa lớn trong việc điều hồ nhiệt độ từ cơng đoạn nấu nhuộm trước khi vào hệ thống xử lý.
- Bể điều hồ được tiến hành sụt khí hay khuấy trộn cơ khí để ngăn cản quá trình lắng của hạt rắn và các chất cĩ khả năng tự phân huỷ.
c. Bể lắng
- Bể lắng cĩ nhiệm vụ lắng các hạt cặn lơ lửng cĩ sẵn trong nước thải, cặn hình thành trong quá trình keo tụ tạo bơng (bể lắng đợt 1) hoặc cặn sinh ra trong quá trình xử lý sinh học (bể lắng đợt 2). Theo chiều dịng chảy, bể lắng được phân thành : bể lắng ngang và bể lắng đứng. - Trong bể lắng ngang, dịng nước chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc khơng lớn hơn 0,01 m/s và thời gian lưu nước từ 1,5 – 2,5 giờ. Đối với bể lắng đứng, nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với vận tốc 0,5 – 0,6 m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động trong khoảng 0,75 – 2 giờ.
3.1.2 Xử lý hĩa lý:
a. Keo tụ
- Các hạt cặn cĩ kích thước nhỏ hơn 10-4 mm thường khơng thể tự lắng được mà luơn tồn tại ở trạng thái lơ lửng. Muốn loại bỏ các hạt cặn lơ lửng phải dùng biện pháp xử lý cơ học kết hợp với biện pháp hĩa học, tức là cho vào nước cần xử lý các chất phản ứng để tạo ra các hạt keo cĩ khả năng kết dính lại với nhau và dính kết các hạt cặn lơ lửng trong nước, tạo thành các
bơng cặn lớn hơn cĩ trọng lượng đáng kể. Do đĩ, các bơng cặn mới tạo thành dễ dàng lắng xuống ở bể lắng. Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào trong nước các chất keo tụ thích hợp như : phèn nhơm Al2(SO4)3, phèn sắt loại FeSO4, Fe2(SO4)3 hoặc loại FeCl3. Các loại phèn này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hịa tan.
Dùng phèn nhơm : Khi cho phèn nhơm vào nước chúng phân li thành các ion Al3+, sau đĩ các ion này bị thủy phân thành Al(OH)3
Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+
Trong phản ứng thủy phân trên, ngồi Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ được tạo thành, cịn giải phĩng ra các ion H+. Các ion H+ này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá bằng HCO3-). Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, khơng đủ để trung hịa ion H+ thì cần phải kiềm hĩa nước. Chất dùng để kiềm hĩa thơng dụng nhất là vơi (CaO). Một số trường hợp khác cĩ thể dùng sơđa (Na2CO3) hoặc xút (NaOH). Thơng thường phèn nhơm đạt hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước cĩ pH = 5,5 – 7,5.
Dùng phèn sắt(II): Phèn sắt (II) khi cho vào nước phân ly thành Fe2+ và bị thủy phân thành Fe(OH)2
Fe2+ + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H+
Fe(OH)2 vừa tạo thành vẫn cịn độ hịa tan trong nước lớn, khi trong nước cĩ ơxy hịa tan, Fe(OH)2 sẽ bị ơxy hĩa thành Fe(OH)3
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
Quá trình ơxy hĩa chỉ diễn ra tốt khi pH của nước đạt được trị số từ 8 – 9 và nước phải cĩ độ kiềm cao. Vì vậy, thường dùng loại phèn này khi cần kết hợp vơi làm mềm nước.
Dùng phèn sắt (III) : Phèn sắt (III) loại FeCl3 hoặc Fe2(SO4)3 khi cho vào nước phân ly thành Fe3+ và bị thủy phân thành Fe(OH)3
Vì phèn sắt (III) khơng bị ơxy hĩa nên khơng cần nâng cao pH của nước như sắt (II). Phản ứng thủy phân xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chĩng khi pH = 5,5 – 6,5.
b. Tuyển nổi
- Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ vào pha lỏng. Các bọt khí này sẽ kết dính với các hạt cặn. Khi khối lượng riêng của tập hợp bọt khí và cặn nhỏ hơn khối lượng riêng của nước, cặn sẽ theo bọt khí nổi lên bề mặt. Tùy theo phương thức cấp khơng khí vào nước, quá trình tuyển nổi bao gồm các dạng sau :
Tuyển nổi bằng khí phân tán (Dispersed Air Flotation) : Khí nén được thổi trực tiếp vào bể tuyển nổi để tạo thành các bọt khí cĩ kích thước từ 0,1 – 1 mm, gây xáo trộn hỗn hợp khí – nước chứa cặn. Cặn tiếp xúc với bọt khí, kết dính và nổi lên bề mặt.
Tuyển nổi chân khơng (Vacuum Flotation) : Bão hịa khơng khí ở áp suất khí quyển, sau đĩ thốt khí ra khỏi nước ở áp suất chân khơng. Hệ thống này ít sử dụng trong thực tế vì khĩ vận hành và chi phí cao.
Tuyển nổi bằng khí hịa tan (Dissolved Air Flotation) : Sục khơng khí vào nước ở áp suất cao (2 – 4 at), sau đĩ giảm áp giải phĩng khí. Khơng khí thốt ra sẽ tạo thành bọt khí cĩ kích thước 20 – 100 μm.
3.1.3 Xử lý hĩa học:
a. Phương pháp trung hịa:
- Nhằm trung hịa nước thải cĩ pH quá cao hoặc quá thấp, tạo điều kiện cho các quá trình xử lý hĩa lý và sinh học :
H+ + OH-→ H2O
- Mặt dù quá trình rất đơn giản về mặt nguyên lý, nhưng vẫn cĩ thể gây ra một số vấn đề trong thực tế như : giải phĩng các chất ơ nhiễm dễ bay hơi, sinh nhiệt, làm sét rỉ thiết bị máy mĩc …
- Vơi (Ca(OH)2) thường được sử dụng rộng rãi như một bazơ để xử lý các nước thải cĩ tính axit, trong khi axit sulfuric (H2SO4) là một chất tương đối rẻ tiền dùng trong xử lý nước thải cĩ tính bazơ.
b. Phương pháp khử trùng nước thải
- Khử trùng nước thải là nhằm mục đích phá huỷ, tiêu diệt các loại vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm hoặc chưa được hoặc khơng thể khử bỏ trong quá trình xử lí nước thải. Một số phương pháp khử trùng nước thải bằng: Clorua vơi, Clo nước, Ozon, . . .
3.1.4 Xử lý sinh học:
- Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hịa tan cĩ trong nước thải cũng như một số chất vơ như : H2S, sulfide, ammonia, … dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khống chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học cĩ thể phân thành 2 loại :
Phương pháp kỵ khí : Sử dụng nhĩm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện khơng cĩ ơxy.
Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hĩa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phương trình phản ứng sinh hĩa trong điều kiện kỵ khí cĩ thể biểu diễn đơn giản như sau :
Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 04 giai đoạn :
Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử.
Giai đoạn 2: Acid hĩa.
Giai đoạn 3: Acetate hĩa.
Giai đoạn 4: Methane hĩa. Vi sinh vật
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều hợp chất cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin, … trong giai đoạn thủy phân sẽ cắt mạch tạo thành các phân tử đơn giản hơn, dễ thủy phân hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hĩa protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hĩa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hĩa thành acetic acid, H2 và CO2 . Vi khuẩn methane chỉ cĩ thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2 , formate, acetate, methanol, methylamine và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau :
4H2 + CO2→ CH4 + 2H2O
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH → CH4 + CO2
4 CH3OH → 3CH4 + CO2 + H2O
4(CH3)3N + H2O → 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Phương pháp hiếu khí: Sử dụng nhĩm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp ơxy liên tục.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 03 giai đoạn sau :
Ơxy hĩa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ΔH
Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz + O2 + NH3 Tế bào vi khuẩn (C5H7NO2)+CO2+H2O–ΔH
Phân hủy nội bào:
C5H7O2 + O2 5CO2 + 2H2O + NH3± ΔH
Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp kỵ khí và hiếu khí cĩ thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các cơng trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu
Enzyme
Enzyme
cho quá trình ơxy sinh hĩa nên quá trình xử lý cĩ tốc độ và hiệu suất cao hơn xử lý sinh học tự nhiên.
3.1.4.1 Phương pháp sinh học nhân tạo
a. Quá trình kỵ khí:
Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng:
¾ Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc:
- Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hồn (lắng 2). Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hồn tồn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng hoặc bể tuyển nổi để tách riêng bùn và nước. Bùn tuần hồn trở lại bể kỵ khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm.
¾ Bể xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dịng nước đi từ dưới lên (UASB)
- Đây là một trong những quá trình kỵ khí ứng dụng rộng rãi nhất trên thế do hai đặc điểm chính sau :
• Cả ba 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.
- Bên cạnh đĩ, quá trình xử lý sinh học kỵ khí UASB cịn cĩ những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như :
• Ít tiêu tốn năng lượng vận hành. • Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn. • Bùn sinh ra dễ tách nước.
• Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng. • Cĩ khả năng thu hồi năng lượng từ khí Methane.
- Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9 m/h, pH thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đĩ cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để đảm bảo pH của nước luơn lớn hơn 6,2 vì ở pH < 6,2 vi sinh vật chuyển hĩa Methane khơng hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu kì sinh trưởng của vi sinh vật acid hĩa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hĩa (2 – 3 giờ ở 350C so với 2 – 3 ngày ở điều kiện tối ưu). Do đĩ, trong quá trình vận hành ban đầu tải trọng chất hữu cơ khơng được quá cao vì vi sinh vật acid hĩa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hĩa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hĩa.
Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám
¾ Bể lọc kỵ khí: Bể lọc kỵ khí là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ chứa carbon trong nước thải. Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên hoặc từ trên xuống, tiếp xúc với lớp vật liệu trên đĩ cĩ vi sinh vật kỵ khí sinh trưởng và phát triển. Vì vi sinh vật được giữ trên bề mặt vật liệu tiếp xúc và khơng bị rửa trơi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu của tế bào sinh vật rất cao (khoảng 100 ngày).
¾ Bể phản ứng cĩ dịng nước đi qua lớp cặn lơ lửng và lọc tiếp qua lớp vật liệu lọc cố định: Là dạng kết hợp giữa quá trình xử lý kỵ khí lơ lửng và dính bám.
b. Quá trình hiếu khí
Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng
- Trong quá trình bùn hoạt tính, các chất hữu cơ hịa tan và khơng hịa tan chuyển hĩa thành bơng bùn sinh học – quần thể vi sinh vật hiếu khí – cĩ khả năng lắng dưới tác dụng của trọng lực. Nước chảy liên tục vào bể aeroten, trong đĩ khí được đưa vào cùng xáo trộn với bùn hoạt tính cung cấp ơxy cho vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ. Dưới điều kiện như thế, vi sinh vật sinh trưởng tăng sinh khối và kết thành bơng bùn. Hỗn hợp bùn và nước thải chảy đến bể lắng đợt 2 và tại đây bùn hoạt tính lắng xuống đáy. Lượng lớn bùn hoạt tính (25 – 75% lưu lượng) tuần hồn về bể aeroten để giữ ổn định mật độ vi khuẩn, tạo điều kiện phân hủy nhanh chất
hữu cơ. Lượng sinh khối dư mỗi ngày cùng với lượng bùn tươi từ bể lắng 1 được dẫn tiếp tục đến cơng trình xử lý bùn.
- Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cần phải hiểu rõ vai trị quan trọng của quần thể vi sinh vật. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hĩa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị ơxy hĩa hồn tồn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-, … Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm : Pseudomonas, Zoogloea, Flacobacterium, Nocardia,
Bdellovibrio, Mycobacterium,…và hai loại vi khuẩn nitrate hĩa Nitrosomonas, Nitrobacter.
Yêu cầu chung 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 50 mg/L, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ khơng quá 25 mg/L,