10000 ÷ 40000 20000 Bể lắng sơ cấp cĩ hồn lưu bùn hoạt tính
SƠ LƯỢC VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH TRONG BỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢ
Như đã nĩi ở các chương trước quá trình xử lý sinh học thường theo sau quá trình xử lý cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩn. Tùy theo nhĩm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế các cơng trình khác nhau. Tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta cĩ thể dùng ao hồ cĩ sẵn hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý.
Sơ lược về các quá trình vi sinh trong việc xử lý nước thải
Quá trình hiếu khí và hiếu khí khơng bắt buộc (tùy nghi)
Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học cĩ hiệu quả chúng ta phải nắm vững các kiến thức sinh học cĩ liên quan đến quá trình xử lý. Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng hàng đầu vì nĩ chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí khơng bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ cịn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio,
Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hĩa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngồi ra
cịn cĩ cácloại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngồi các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đĩng vai trị quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh.
Khi bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn cĩ sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi khuẩn. Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định cĩ thể dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đĩ cho thêm vào bể mới như là một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý. Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với mơi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào.
Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong mơi trường.
Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là (a) các chất dinh dưỡngcần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi.
Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đĩ mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này cĩ thể do các lồi cĩ kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của mơi trường.
Cũng cần nĩ thêm rằng đồ thị trên chỉ mơ tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc. Thực tế trong bể xử lý cĩ nhiều quần thể khác nhau và cĩ đồ thị tăng trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của đồ thị. Trong một giai đoạn bất kỳ nào đĩ sẽ cĩ một lồi cĩ số lượng chủ đạo do ở thời điểm đĩ các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ... phù hợp cho lồi đĩ. Sự biến động về các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lý được biểu diễn trong hình bên dưới. Khi thiết kế và vận hành hệ thống xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật này, khơng nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật.
Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải
Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991
Như đã nĩi ở trên vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý nước thải. Do đĩ trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng các chất ơ nhiễm đưa vào bể. Điều này cĩ thể thực hiện thơng qua quá trình thiết kế và vận hành. Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính tốn chính xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn cĩ thể sinh sản được. Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn...) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn.
Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của cơng trình
Bùn hoạt tính Loại bể phản ứng
Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí
Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M)
Tỉ lệ bùn bơm hồn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng
Các yếu tố mơi trường (nhiệt độ, pH) Bể lọc sinh học nhỏ
giọt
Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Hiệu suất thơng khí Tỉ lệ hồn lưu
Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước Đĩa quay sinh học Số bể, đĩa
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động
Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay
Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hồn lưu
Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của cơng trình
Bùn hoạt tính Loại bể phản ứng
Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M)
Tỉ lệ bùn bơm hồn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng
Các yếu tố mơi trường (nhiệt độ, pH) Bể lọc sinh học nhỏ
giọt
Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Hiệu suất thơng khí Tỉ lệ hồn lưu
Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước Đĩa quay sinh học Số bể, đĩa
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động
Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay
Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hồn lưu
Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991
Quá trình yếm khí
Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện khơng cĩ oxy. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hĩa chúng bằng phương trình sau đây:
Chất hữu cơ lên men--->
yếm khí CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S
Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas như sau:
Methane (CH4) 55 ¸ 65%
Carbon dioxide (CO2) 35 ¸ 45%
Nitrogen (N2) 0 ¸ 3%
Hydrogen (H2) 0 ¸ 1%
Hydrogen Sulphide (H2S) 0 ¸ 1%
Methane cĩ nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m3). Do đĩ, nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500 ÷
6.000 kcal/m3, tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong Biogas. Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau:
1. Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử. 2. Tạo nên các axít.
Giai đoạn I
Thủy phân và lên men Tạo axid acetic, HGiai đoạn II 2
Giai đoạn III Sinh CH4
Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981)
Ba nhĩm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình là nhĩm vi sinh vật thủyphân ch6át hữu cơ, nhĩm vi sinh vật tạo acid bao gồm các lồi Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus,
Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli, và nhĩm vi sinh vật sinh methane gồm các lồi dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng hình cầu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(Methanococcus, Methanosarcina).
Bấm chuột vào đây để xem một đoạn phim ngắn về cơ chế hoạt động của các vi khuẩn
(thuyết minh bằng tiếng Anh)
Các nhân tố mơi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí
Quá trình lên men yếm khí cĩ thể được khởi động một cách nhanh chĩng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ). Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 ÷ 10%, 90 ÷ 95% cịn lại là nước.
Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thơng thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí:
25 ÷ 40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm.
50 ÷ 65oC: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt.
Nĩi chung khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 ÷ 45oC
thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này khơng thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hồn tồn ở 65oC trở lên.
Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ
(Price and Cheremisinoff, 1981, trích dẫn bởi Chongrak, 1989)
Bấm chuột vào đây để xem ảnh động về ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh khí (thuyết minh bằng tiếng Anh)
Ở các nước vùng ơn đới nhiệt độ mơi trường thấp; do đĩ tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta cĩ thể dùng Biogas đun nĩng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nĩng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lịng hầm ủ. Ngồi ra người ta cịn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ mơi trường từ 5 ÷ 10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được
đun nĩng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với mơi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ.
Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity)
pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 ÷ 7,6 tối ưu trong khoảng 7 ÷ 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid cĩ thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đĩ. pH của hầm ủ cĩ khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngồi ra người ta cĩ thể dùng vơi để trung hịa pH của hầm ủ.
Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 ÷ 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp.
Ảnh hưởng của độ mặn
Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. TTNLM đã tìm hiểu khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane cĩ khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí khơng bị giảm đáng kể. Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khơ khơng gặp trở ngại nhiều (Lê Hồng Việt, 1988).
Các chất dinh dưỡng
Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 ÷ 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25 ÷ 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định.
Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp
Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp cĩ thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:
Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT
Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 khơng sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane.
Ảnh hưởng của các chất khĩang trong nguyên liệu nạp
Các chất khĩang trong nguyên liệu nạp cĩ tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí.
Các chất khĩang này cịn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự cĩ mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự cĩ mặt của một nguyên tố khác.
Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá trình lên men yếm khí (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(EPA, 1979, trích dẫn bởi Chongrak, 1989)
Cations gây độc Cations cộng hưởng Cations đối kháng
Ammonium - N Ca, Mg, K Na Ca Ammniu - N, Mg K, Na Mg Ammonium - N, Ca K, Na K K, Na Na Ammonium - N, Ca, Mg K Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Nĩ cịn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ.