7. Nội dung nghiên cứu
1.1.1. Cơ chế chung của quá trình xử lý hiếu khí
Bản chất của phương pháp xử lý hiếu khí là quá trình oxy hoá. Các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hoá các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ có trong nước thải để có thể chuyển hoá sinh học được, đồng thời chính các vi sinh vật sử dụng một phần hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxy hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng.
Cơ chế của quá trình oxy hoá:
- Oxy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ:
- Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ:
→ + − + + + − − + x y z O xCO y H O NH E N O H Cx y z 2 2 2 3 2 3 4 3 2 4
- Oxy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ tổng hợp sinh khối:
( ) → − + − + + + − − + +NH x y z O x CO y H O C H NO E O H Cx y z 3 2 2 2 5 7 2 2 4 5 5 2 4
- Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ tổng hợp sinh khối:
( ) → − + − + + + − − + +NH x y z O x CO y H O C H NO E N O H Cx y z 3 2 2 2 2 5 7 2 2 11 10 4 43 2 4 -
Quá trình tự huỷ của sinh khối vi khuẩn:
→ + + − + x y z O xCO yH O O H Cx y z 2 2 2 2 2 4
Vi sinh vật trong quá trình xử lý hiếu khí bao gồm 2 nhóm chính: Vi khuẩn (gồm các vi khuẩn hô hấp hiếu khí hoặc tuỳ tiện) và nguyên sinh vật.
* Các nhóm vi khuẩn hô hấp hiếu khí quan trọng là:
- Pseudomonas, đặc biệt là P.putida và P.stutzeri. - Aerobacter aerogenes.
- Nitrosomonas vinogradski (có khả năng nitrit hoá).
-Bacillus subtilis (vai trò quan trọng trong quá trình phân huỷ protein).
- Flavobacterium và Alcaligenes (đối với nước thải giàu Fe, S). * Các nhóm vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện gồm:
- Cellulomonas bizotera (có khả năng oxy hoá celluloza).
-Nitrobacter (có khả năng nitrat hoá).
-Rhodopseudomonas (sắc tố màu đỏ) làm bùn hoạt tính (trong hệ thống
aerotank) có màu hồng.
- Microthirix, Thiothrix (dạng sợi) làm bùn hoạt tính trắng, xốp.
* Các nguyên sinh vật: - Trùng roi (Euglena).
- Trùng tơ (Ciliatae).
Các nguyên sinh vật này có kích thước lớn (30 – 50A0), khả năng lắng nhanh, ăn được vi khuẩn, bông bùn kích thước nhỏ, làm nước trong.
* Quy luật phát triển của vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy:
Vi sinh vật chuyển hoá các hợp chất hữu cơ nhờ hệ enzym mà chúng tổng hợp được. Các hợp chất được chuyển hoá chính là nguồn nguyên liệu để tổng hợp sinh khối và khai thác năng lượng cho quá trình trao đổi chất.
Trong môi trường nước, vi sinh vật phát triển theo các giai đoạn khác nhau tuỳ thuộc vào đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của chúng. Quá trình phát triển của vi sinh vật được chia thành nhiều giai đoạn như minh hoạ trên hình 1.1.
- Giai đoạn tiềm phát (A-B): Vi sinh vật chưa thích nghi với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi. Đến cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng. Các tế bào mới tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng.
- Giai đoạn sinh trưởng luỹ tiến (pha logarit hay pha chỉ số) (B-C): Vi
sinh vật phát triển với tốc độ riêng không đổi. Sau một thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng như trọng lượng tế bào tăng lên gấp đôi.
- Giai đoạn giảm tốc độ (C-D): Do dinh dưỡng đã cạn kiệt, vi sinh vật
không còn sinh trưởng ở mức độ cực đại, nhiều tế bào đã già, tốc độ phát triển giảm dần tới mức cân bằng ở cuối pha.
- Giai đoạn cân bằng (giai đoạn dừng) (D-E): Số lượng tế bào sống được
giữ ở mức không đổi, nghĩa là số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới sinh ra. Tính chất vật lý của tế bào vi sinh vật bắt đầu thay đổi, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt.
- Giai đoạn suy vong (E-F): Sự tích luỹ sản phẩm trao đổi chất có tác
động ức chế và tiêu diệt vi sinh vật, tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần ngừng hẳn, dẫn đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự huỷ. C D E F (2) (1) Hàm lượng sinh khối X mg/l
Hình 1.1. Đường cong sinh trưởng của tế bào (1) và biến thiên BOD (2)
Trong pha logarit, sinh khối tăng theo biểu thức:
X dt dX . µ = Trong đó: dt dX
: tốc độ tăng trưởng của sinh khối, mg/l.t X: hàm lượng sinh khối, mg/l
μ: tốc độ sinh trưởng riêng, l/t t: thời gian, h.
Phương pháp hiếu khí xử lý nước thải bao gồm xử lý hiếu khí trong điều kiện tự nhiên và xử lý hiếu khí trong điều kiện nhân tạo. Tuy nhiên trong thực tế người ta thường sử dụng điều kiện nhân tạo để xử lý nước thải.
1.1.3. Xử lý hiếu khí trong điều kiện nhân tạo
Để tăng cường quá trình hoạt động sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật trong nước thải, con người cố gắng tạo ra các điều kiện thuận lợi nhất để thúc đẩy quá trình sinh trưởng phát triển như tăng cường DO, các chất dinh dưỡng như Nitơ, Phốt pho... quá trình này được gọi là xử lý hiếu khí trong điều kiện nhân tạo. Trong các phương pháp xử lý hiếu khí nước thải trong điều kiện nhân tạo gồm có: Quá trình sinh trưởng lơ lửng bùn hoạt tính, sinh trưởng gắn kết lọc sinh học và kết hợp quá trình sinh trưởng lơ lửng và gắn kết.
Bài luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu quá trình oxy hóa bằng bể aerotank (quá trình sinh trưởng lơ lửng bùn hoạt tính) và biến thể của nó là bể SBR (aerotank kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ) bởi vì đây là những biện pháp xử lý có hiệu quả cao, dễ vận hành và đã được áp dụng rất rộng rãi trong quá trình xử lý nước thải.
Aerotank là bể oxy hoá được cấp khí cưỡng bức. Trong hệ thống, các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại dưới dạng bông sinh học (bùn hoạt tính). Việc cấp khí đáp ứng 2 yêu cầu của quá trình:
- Đảm bảo độ oxy hoà tan, giúp cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hoá các chất ô nhiễm.
- Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước cần xử lý, tạo ra hỗn hợp lỏng - huyền phù, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình tiếp xúc giữa 3 pha: Rắn, lỏng, khí, đảm bảo hiệu quả oxy hoá.
Trong quá trình oxy hoá các chất hữu cơ trong nước thải, lượng sinh khối được tạo thành, một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể aerotank để ổn định hàm lượng sinh khối trong bể, phần còn lại được đưa về bể xử lý bùn dư.
Hiệu suất xử lý nước thải trong hệ thống phụ thuộc vào thành phần và tính chất nước thải, điều kiện thuỷ động học và điều kiện môi trường như: Nhiệt độ, pH của nước thải, sự có mặt của các nguyên tố dinh dưỡng,...
Phương pháp này vận hành tương đối đơn giản, ổn định, chi phí xây dựng tương đối thấp. Tuy nhiên một hạn chế rất lớn của hệ thống này là chi phí cho cấp khí khá lớn. Thực tế cho thấy, chi phí vận hành hệ thống chủ yếu là chi phí cho cấp khí. Mặc dù còn hạn chế, hệ thống aerotank là hệ thống xử lý có hiệu quả và đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và bước đầu đã được áp dụng tại một số nhà máy sản xuất đường, bia,..ở Việt Nam.
Để quá trình vận hành, hoạt động của bể aerotank đạt được hiệu quả cao nhất thì các yếu tố có ảnh hưởng kìm hãm đến quá trình phải được loại bỏ đến mức tối đa. Sau đây là các yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của bể xử lý hiếu khí aerotank.
a) Độ oxy hoà tan (DO)
cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu oxy hoá của sinh vật. Để đảm bảo tốc độ oxy hoá, độ oxy hoà tan trong bể cần đạt giá trị DO ≥ 4mg/l.
Thiếu oxy hoà tan cũng là một trong những nguyên nhân gây hiện tượng “phồng” của bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh. Việc cung cấp đủ oxy hoà tan còn có tác dụng làm phân giã các khối bông lớn do lắng đọng, tránh các điểm chết trong thiết bị phản ứng, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu của nước thải trong hệ thống xử lý.
Độ oxy hoà tan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như phương thức cấp khí (thổi khí hoặc nén khí), chiều cao cột nước, kết cấu thiết bị phân phối khí (đường kính hạt khí càng giảm thì bề mặt riêng càng lớn, hàm lượng DO càng tăng).
Hiệu suất sử dụng oxy hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ xử lý, tính chất nước thải, tỷ số F/M (Food/Microorganismes) là tỷ lệ giữa nguồn dinh dưỡng - chất hữu cơ và lượng sinh khối dùng để xử lý, tốc độ sinh trưởng, đặc tính sinh lý và đặc trưng của vi sinh vật.
b) Nhiệt độ và pH.
Nhiệt độ nước thải trong bể aerotank có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của các vi sinh vật. Tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng cực đại tại giá trị nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ này thường nằm trong khoảng 16 - 370C. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh hoá được thể hiện qua biểu thức sau:
rT = r20 . θ(T - 20)
Trong đó:
rT , r20:Tốc độ phản ứng ở T0C và 200C tương ứng
θ: Hệ số nhiệt độ (có giá trị trung bình 1,04 đối với hệ thống bùn + hoạt hoá)
Nhiệt độ cao có thể làm chết các vi sinh vật, còn nhiệt độ thấp, tốc độ oxy hoá sẽ giảm đáng kể và quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường bị chậm lại.
Giá trị pH tối ưu với hệ thống aerotank nằm trong khoảng từ 6,5 - 8,5. c) Hàm lượng sinh khối (MLSS) và tỷ lệ F/M
Để có tốc độ oxy hoá tối ưu, phải lựa chọn phương pháp xử lý, thiết bị và nồng độ sinh khối thích hợp nhằm duy trì sự trao đổi chất ổn định trong suốt quá trình xử lý. Trong các hệ thống aerotank, sinh khối được tách khỏi nước đã xử lý trong bể lắng thứ cấp và được tuần hoàn lại một phần vào bể aerotank. Tuy nhiên với các loại nước thải giàu chất hữu cơ, nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp sinh khối phong phú nên lượng sinh khối tạo thành lớn. Hàng ngày phải loại ra một tỷ lệ nào đó sao cho lượng sinh khối có trong bể ổn định, đảm bảo tốc độ oxy hoá và hiệu quả xử lý nước thải.
Đối với bể aerotank, hàm lượng sinh khối trong bể có thể từ 500 - 3000 mg/l. Tuỳ theo hàm lượng và bản chất của các chất ô nhiễm trong nước thải cũng như hoạt lực của bùn hoạt tính mà hàm lượng sinh khối sẽ khác nhau:
- Các hệ thống cao tải thường sử dụng hàm lượng sinh khối cao 1500 - 3000 mg/l
- Với các hệ thống aerotank thông thường, hàm lượng sinh khối giao động trong khoảng từ 500 - 1500 mg/l.
Tỷ lệ F/M (Food/Microorganism = Thức ăn/Vi sinh vật) cũng là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong bể aerotank.
- Nếu F/M < 1: Hàm lượng sinh khối tạo thành ít, kích thước bông bùn tối ưu, bùn lắng nhanh, bể hoạt động hiệu quả.
e) Thành phần dinh dưỡng
Để tăng tốc độ phản ứng sinh hoá, duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo quá trình làm sạch nước theo yêu cầu thì dòng thải phải được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng C, N, P và một số nguyên tố khoáng cho vi sinh vật phát triển. Các nguyên tố vi lượng thường có sẵn trong nước thải nhưng thành phần nitơ và photpho của nước thải sản xuất bia thường thấp. Thiếu nitơ và photpho trong thời gian dài là một trong những nguyên nhân thay đổi tương tác trong khu hệ vi sinh vật của hệ thống aerotank. Các vi khuẩn dạng sợi thuộc nhóm Mircrothrix, Thiothrix phát triển được trong nước thải nghèo nitơ, photpho. Vì chúng phát triển mạnh lấn át trực khuẩn làm cho khối bùn trong bể tăng lên. Hiện tượng này gọi là sự phồng lên của bùn. Khi đó bùn xốp, khó lắng, dễ bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý, làm giảm sự sinh trưởng của bùn hoạt tính, giảm cường độ quá trình oxy hoá. Chỉ số thể tích bùn lớn gây khó khăn cho quá trình lắng bùn ở bể lắng thứ cấp ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải.
Tương tác giữa các thành phần dinh dưỡng phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và tỷ lệ của chúng được xác định bằng thực nghiệm. Người ta thường lấy tỷ lệ COD: N: P = 100: 5: 1.
Trong xử lý sinh học, nguồn nitơ được sử dụng dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo tính chất của nước thải. Có thể dùng muối nitrat, muối amôn, urê...
Cũng như nitơ, photpho là thành phần không thể thiếu được trong quá trình phát triển của vi sinh vật. Ngoài tác dụng cung cấp nguồn dinh dưỡng, muối photpho còn tạo tính đệm ổn định cho môi trường, duy trì pH ổn định cho quá trình xử lý. Photpho thường được bổ xung dưới dạng muối photphat KH2PO4, (NH4)2HPO4 và supephotphat...
f) Các chất độc.
Việc kiểm soát hàm lượng các chất độc trong nước thải cũng là một trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo sự hoạt động của hệ thống
aerotank. Việc xác định này chỉ cho ta thấy loại nước thải nào có thể xử lý bằng bùn hoạt tính trong bể aerotank được hay không.
Nồng độ muối vô cơ trong nước thải không quá 10 g/l. Nếu là muối vô cơ thông thường, có thể pha loãng nước thải và xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính, còn nếu là các chất độc như kim loại nặng, các chất độc hữu cơ thì phải tiến hành phân tích cẩn thận và có biện pháp xử lý riêng biệt (hấp phụ, trao đổi ion,..) sau đó mới có thể xử lý bằng phương pháp sinh học.
(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003).
1.1.3.2. Bể Aerotank hoạt động gián đoạn (SBR)
Aerotank kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (Sequencing Batch
Reactor - SBR) là loại bể phản ứng hoạt động theo chu kì nối tiếp. Các giai
đoạn trong một chu kì được thực hiện sao cho trong cùng một bể phản ứng có thể thực hiện được tất cả 3 quá trình xử lí cơ bản là: 1- oxy hoá chất hữu cơ (phương trình 2); 2- oxy hoá amôni thành nitrat (phương trình 3); 3- khử nitrat thành N2, đồng thời giảm COD (phương trình 1). Như vậy, một chu kì phản ứng phải bao gồm ít nhất bốn giai đoạn như sau:
* Giai đoạn 1 (giai đoạn nạp + khuấy)
Trong giai đoạn nạp, nước thải vào chứa hàm lượng COD chưa được xử lý hết được khuấy trộn cùng với nước chứa Nitrat (NO3-) còn lại trong bồn SBR sau khi tách đi một phần nước. Phản ứng xảy ra trong giai đoạn này được thể hiện như sau:
NO3- + Hợp chất hữu cơ= C5H7NO2 + N2 + HCO3- (độ kiềm) (pt.1) Thời gian thực hiện cho cả nạp và khuấy là khoảng 3 h.
Nạp + Khuấy
Bùn ra Nước vào
Hình 1.2. Giai đoạn 1 : Nạp + Khuấy ( phản ứng khử nitrat)
* Giai đoạn 2 (giai đoạn sục khí)
Nước nạp và sau khi khuấy trộn, sẽ được sục khí nhằm tăng cường quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ còn thừa ở đầu ra sau giai đoạn 1, giảm nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ đầu ra đến mức TCVN cho phép. Đồng thời oxy hoá NH4+ thành NO3- (Nitrat) phục vụ cho quá trình khử nitrat diễn ra trong giai đoạn nạp và sục khí ở trước đó.
Quá trình phản ứng xảy ra trong giai đoạn này được thể hiện như sau: Chất hữu cơ + O2 + vi sinh HK = CO2 + H2O+ C5H7NO2 (pt.2)
NH4++1,83O2+1,98HCO3- = 0,021C5H7NO2+0,98NO3-+1,04H2O+1.88H2CO3
(pt.3)
Thời gian cho công đoạn sục khí là khoảng 5-6 giờ và có thể điều chỉnh