V. Phạm vi nghiên cứu
3.2 Lọc sinh học bởi lớp vật liệu lọc ngập trong nước
3.2.1 Cấu tạo và quy trình vận hành
Được sử dụng ở Pháp, Mỹ, Úc trong những năm 90 của thế kỷ XX, dùng để xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghệ thực phẩm. Hiện nay trên thế giới đã cĩ nhiều loại bể lọc với vật liệu ngập trong nước được sử dụng. Vật liệu lọc thường là các vật liệu nhẹ, dễ nổi.
Ơû Việt Nam áp dụng thành cơng loại bể lọc vật liệu lọc nổi để xử lý nước cấp đến quy mơ 10000m3/ ngày. Với nước thải loại bể này đã áp dụng để xử lý nước thải của một số bệnh viện.
-
Hình 3.4: Cấu tạo bể lọc sinh học cĩ vật liệu ngập nước
1: Máng phân phối nước thải sau khi qua lắng 1 2: Giàn ống khoan lỗ phân phối vào và thu nước xả rửa
3: Ống xả nước rửa lọc 4: Máng thu nước lọc
5: Ống dẫn nước đã lọc sang bể lọc đợt 2 hoặc vào bể tiếp xúc khử trùng nước thải.
6: Ống dẫn và giàn ống phân phối khí 7: Hộp ngăn nước trở lại máng giĩ
8: Ống dẫn giĩ từ máy nén tới
9:Hạt vật liệu nổi polystyrol( hạt mĩp) đường kính 2- 5 mm, diện tíh bề mặt 700- 800 m2/ m3 vật liệu lọc.
10: Lưới chắn inox, mắt lưới 1,5x 1,5 mm 11: Khoang trống để lớp vật liệu lọc giãn nở,khi rửa thường lấy bằng 1/ 2 chiều dày lớp lọc. 12: Chiều cao lớp nước để rửa lọc thường lấy từ 1,2- 2,4 m
Nước sau khi qua bể lắng 1 được bơm lên máng phân phối(1) theo ống dẫn (2) phân phối đều trên diện tích đáy bể, nước được trộn đều với khơng khí cấp từ ngồi vào qua giàn ống phân phối (6). Hỗn hợp khí- nước thải đi cùng chiều từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc. Trong lớp vật liệu lọc xảy ra quá trình khử BOD và chuyển hố NH4+ thành NO3-, lớp vật liệu lọc cĩ khả năng giữ lại cặn lơ lửng. Nước trong được thu vào máng (4) theo ống (5) đi ra ngồi.
Nếu muốn khử BOD, Nito và P thì nên sử dụng loại bể lọc sinh học cĩ từ hai lớp trở lên. Ơû bậc lọc cuối, giàn phân phối khí đặt ở giữa lớp vật liệu lọc sao cho
lớp vật liệu lọc nằm dưới dàn ống phân phối khí cĩ đủ thể tích vùng kỵ khí để khử No3- và P. độ chênh mực nước giữa các bể lọc sinh học làm việc nối tiếp khoảng 0,5 m.
Khi tổn thất trong lớp vật liệu lọc đến 0,5 m thì xả bể lọc bằng cách đĩng van nước, van cấp khí và đĩng mở van xả rửa 3 lần, mỗi lần từ 30- 40s. cuờng độ rửa lọc 12- 14 l/ sm2. độ giãn nở của vật liệu bằng 40%. Quy trình giĩ, nước cùng chiều và đi từ dưới lên cho hiệu quả xử lý cao, tổn thất ít. Khác với quy trình giĩ nước ngược chiều, nước thải di từ trên xuống, giĩ đi từ dưới lên, tổn thất thuỷ lực qua lớp lọc tăng cao, hiệu quả xử lý khơng tốt hơn quy trình cùng chiều. Điều này cĩ thể giải thích là khi nước và khí chuyển động cùng chiều thì cĩ điều kiện để chất bẩn chứa trong nước thải tiếp xúc nhiều hơn với khí.
Hình 3.5 : sơ đồ chi tiết bể lọc sinh học 3.2.2 Tính chất của vật liệu lọc nổi
Vật liệu lọc nổi thơng thường gọi là Polystyrol, ở Việt nam gọi là “ xốp” Các tính chất lý hố của hạt vật liệu phụ thuộc vào tính chất nguyên liệu và phương pháp sản xuất các hạt. Các hạt vật liệu nổi gồm các lớp cở sở polymer tạo nên các vách tường kín cĩ hình dạng khác nhau chứa nay khí, thể tích các lỗ kín bean trong vào khoảng 96- 98%.
Các hạt Polystyrol cĩ độ bền hố học cao, loại nhãn hiệu PSV và PSV- S cịn bền vững dưới tác dụng của axit mạnh( trừ axit nitric) và mơi trường khống xâm thực. Các hạt cĩ độ bền cao trong nước biển và chỉ bị phá huỷ dưới tác dụng của estehydrocacbua thơm. Vì vậy, các hạt nổi cho phép ứng dụng để lọc sinh học nước thải của đa số các ngành cơng nghiệp khác nhau thậm chí cả nước thải chứa dầu.
H3.6:hạt lọc nổi PS H3.7:vật liệu đệm cho vsv dính bám Các hạt vật liệu nổi cĩ thể tăng độ bào mịn khi xử lý loại nước thải cơng nghiệp cĩ chứa các vẩy lồi nhọn như oxit trong nước thải xí nghiệp luyện kim. Khi lọc nước lần đầu và khơng đủ thời gian rửa lọc bằng nước nĩng thì các hạt vật liệu nổi bị vảy dầu làm giảm hiệu suất lọc. Độ trương nở của của các hạt vật liệu nổi khơng quá 2- 3%.
Các hạt vật liệu nổi khơng bị mục nát, cĩ độ bền cao dưới tác dụng của các loại nấm và các vi sinh vật. Cĩ thể áp dụng tốt ở điều kiện nhiệt đới. Vật liệu nổi chỉ bị phủ một lớp phù du trong điều kiện ngừng lọc lâu ngày ở ngồi trời nắng.
Tính chất độc hại của hạt vật liệu nổi được xác định bởi số lượng chất hố dẻo styrol dư thừa. Sự chuyển hố các styrol tăng tỷ lệ với việc tăng nhiệt độ và số lượng hạt trong thể tích nước. Nồng độ styrol trong nước đã lọc là cĩ hạn, điều đĩ dược giả thích bởi độ hồ tan thấp của styrol trong nước và hàm lượng hạn chế của chất hố dẻo khi polymer ở dạng polystyrol. Nhìn chung polystyrol khơng cĩ độc hại khi dùng để xử lý nước thải.
Khi nước thải chảy qua, trên bề mặt các hạt vật liệu lọc sẽ hình thành, phát triển các vi sinh vật và sinh vật gọi là tạo màng sinh vật. Bể lọc sinh vật là cơng trình làm sạch hiếu khí và đa số các lồi vi sinh vật đều cần thiết oxy. Mặc dầu là cơng trình làm sạch hiếu khí, nhưng bể lọc sinh vật phải được coi là hệ tuỳ tiện. Vì khi bắt đầu thì vi sinh vật gồm hệ hiếu khí nhưng khi màng sinh vật đã hình thành thì sẽ tạo ra lớp yếm khí nằm giữa bề mặt hạt vật liệu và lớp hiếu khí hoạt tính ở mặt ngồi màng sinh vật.
Những quần thể sinh vật, vi sinh vật của màng này sẽ hấp thụ từ nước thải những chất dinh dưỡng cần thiết và sử dụng những chất đĩ trong quá trình trao đổi kiến tạo và năng lượng. Ơû phần trên của lớp vật liệu, nồng độ các chất dinh dưỡng cao hơn hàng chục lần so với nồng độ của nước khi qua lớp vật liệu dưới. Kết quả là ở các lớp vật liệu phía trên, màng sinh vật phát triển mạnh hơn và các chất hữu cơ cũng bị oxy hố mạnh hơn, do đĩ tiêu thụ cũng mạnh hơn. Vai trị chủ đạo trong quần thể sinh vật ở lớp vật liệu phía trên là những vi sinh vật dinh dưỡng bởi các chất hữu cơ tan: vi khuẩn, nấm và một số xạ khuẩn khơng màu.
Trong bể lọc, vai trị chính là những vi khuẩn hiếu khí, tuỳ tiện và yếm khí. Ơû mặt ngồi của màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy lợi trực khuẩn tạo nha bào
Bacillus. Ơû lớp yếm khí trung gian của màng( tức là lớp giữa hạt vật liệu và lớp hiếu khí mặt ngồi) gồm chủ yếu vi khuẩn yếm khí Desulfvibrio. Ơû đĩ hồn tồn khơng cĩ oxy, phần lớn vi khuẩn trong bể là loại tuỳ tiện- sống trong điều kiện cĩ oxy hồ tan hoặc thiếu oxy cũng được. Những vi khuẩn tuỳ tiện gồm: nhiều loại như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Mcrococcus- là những giống thuộc họ Enterobacteriaceae.
Nấm: cũng cĩ trong bể lọc, chúng là loại hiếu khí nên chỉ sống ở vùng cĩ oxy hồ tan. Nấm cạnh tranh với vi khuẩn để lấy thức ăn, nhưng khơng nổi so với vi khuẩn. Do đĩ ở điều kiện mơi trường bình thường thì sự phát triển của nấm cũng bị hạn chế. Với nước thải cơng nghiệp, đặc biệt là với pH thấp thì nấm và
một số lồi vi khuẩn dạng chỉ phát triển mạnh. Nhưng đĩ là điều khơng mong muốn.
Tảo: trên bề mặt bể lọc thường phát triển tảo. Tảo khơng đĩng vai trị nhiều cho quá trình phân huỷ chất hữu cơ vì chúng sống chủ yếu nhờ các ion vơ cơ trong nước thải. Aùnh sáng m,ặt trời cũng cần cho quá trình năng lượng của tảo thì bị hạn chế, nên ở bể lọc, tảo khơng phát triển được nhiều, mà chủ yếu tồn tại ở lớp bề mặt của bể mà thơi. Tuy nhiên chúng cũng phát triển và cĩ khi phủ dầy trên bề mặt đĩ, nhưng rồi lại bị nước xối đi xuống lớp dưới.
Động vật nguyên sinh và động vật khơng xương: cũng cĩ trong bể lọc. Ơû các lớp vật liệu phía trên cĩ các loại bền vững chịu được với trạng thái oxy. Đĩ là cá lồi Paramecium, Putrium, P. Caudatum, Colpidium Colpoda,… Nĩi chung
Protozoa cĩ đủ lồi từ Phytomastigophora đến Suctoria. Phytomastigophora tồn tại ở các lớp phía trên khi chất dinh dưỡng đủ cao và cho phép chúng cạnh tranh được với vi khuẩn. Ciliata cĩ thể thấy ở mọi nơi ở các vùng hiếu khí. Lồi Ciliata
cĩ tiên mao, chân thì sống ở những lớp dưới bể. Ơû các bộ lọc, Protozoa rất đa dạng, thậm chí trong một bể chúng rất dễ biến đổi tuỳ thuộc sự biến đổi thức ăn và điều kiện mơi trường.
Ngồi ra cịn cĩ các lồi động vật bậc cao: Dịi, bọ và các loại cơn trùng, giun sán như: Podura, Psychoda… Những lồi này ăn vi sinh vật, động vật hạ đẳng và sống ở các vùng hiếu khí.
Nhìn chung ở mặt trên cùng của bể lọc cĩ sinh khối nhiều nhất và màng lọc cũng dày nhất, vùng giữa ít hơn và vùng dưới ít hơn nữa. Màng vi sinh vật sẽ tăng dần lên và dày thêm, các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận được oxy phải chuyển sang phân huỷ kỵ khí. Sản phẩm của biến đổi kỵ khí là các axit hữu cơ và các alcol…Các chất này tan ra chưa kịp khuyếch tán ra ngồi đã bị các vi sinh vật khác sử dụng và nước lọc qua bể khơng ảnh hưởng gì lớn.
Với đặc điểm như vậy, màng sinh học cĩ thể oxy hố được tất cả các chất hữu cơ dễ phân huỷ trong nước thải. Màng này dần dần bịt các khe giữa các hạt vật liệu lọc, phin lọc giữ lại tạp chất, các thành phần sinh học cĩ trong nước làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và phin làm việc cĩ hiệu quả hơn. Nĩ hấp phụ giữ lại các vi khuẩn cũng như hố học. Nĩ oxy hố các chất hữu cơ cĩ trong nước và nước đã được dần làm sạch. Nếu lớp màng quá dày ta cĩ thể dùng nước rửa, sục nước để loại bỏ màng và phin sẽ chảy nhanh hơn, hiệu quả xử lý giảm nhưng dần dần được hồi phục. Vận tốc lọc tốt nhất là 11000m3/ 0,4 ha.ngày.
Bảng 3.1 Một số giống chính trong quần thể vi khuẩn
Vi khuẩn Chức năng P.Seudomonas Arthrobacter Bacillus Cytophaga Zooglea Acinetobacter Nitrosomonas Nitobacter Sphaerotilus Alcaligenes Flavobacterium Nitrococcus Denitrificans Thiobacillus Denitrificans
Phân huỷ cacbohydrat, protein, các hợp chất hữu cơ khác, phản nitrat hố.
Phân huỷ cacbohydrat, protein, các hợp chất hữu cơ khác, phản nitrat hố.
Phân huỷ cacbohydrat, protein, các hợp chất hữu cơ khác, phản nitrat hố.
Phân huỷ polymer
Tạo thành chất nhầy, hình thành chất keo tụ. Tích luỹ Polyphosphat, phản nitrat
Nitrit hĩa Nitrat hố
Sinh nhiều tiên mao phân huỷ chất hữu cơ Phân huỷ protein, phản nitrat hố
Phân huỷ protein, phản nitrat hố Phản nitrat hố
Phản nitrat hố Phản nitrat hố Phản nitrat hố
Acinetobacter Hyphomicrobium Desulfovibrio
Khử sunphat, khử nitrat
( Nguồn: PGS: Nguyễn Văn Phước)
3.2.4 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật
3.2.4.1 Cấu tạo màng vi sinh:
Màng vi sinh vật bao gồm một tổ hợp vi sinh vật và một số dạng vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại bào( gelatin) do vi sinh vật( gồm cả vi khuẩn và protozoa) tiết ra trong quá trình trao đổi chất và phân huỷ tế bào. Thành phần chủ yếu của polymer ngoại bào là polysaccharide và protein.
Màng vi sinh vật cĩ cấu trúc phức tạp về vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản của một màng vi sinh vật gồm:
Vật liệu đệm ( đá, sỏi, chất dẻo, than…với kích thước và hình dạng khác nhau) cĩ bề mặt rắn làm mơi trường dính bám cho vi sinh vật. Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh vật chia thành 2 lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt.
Hầu hết các mơ hình tính tốn về hệ thống màng vi sinh vật khơng quan tâm đúng tới vai trị của lớp màng bề mặt, và hầu như chỉ chú ý tới lớp màng nền. Nhờ sự phát triển của các cơng cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra. Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc khơng đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại bào, tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng. Những khoảng trống này đĩng vai trị như những lỗ rỗng theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang. Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật khơng đồng nhất. Và quan trọng
trong màng khơng bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những hoạ thuyết về màng vi sinh trước đĩ. Chất lỏng cĩ thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi quá trình thẩm thấu và khuếch tán. Nhờ 2 quá trình đĩ, vật chất được đem tới “ cụm sinh khối vi sinh vật” và quá trình khuyếch tán cĩ thể xảy ra theo mọi hướng trong đĩ. Do đĩ, hệ số khuếch tán hiệu quả mơ tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử ( chất oxy hố)… giữa pha lỏng và màng vi sinh vật thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hệ số khuếch tán hiệu quả là khơng hợp lý.
Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật cịn cĩ thể chia làm 2 lớp ( chỉ đúng trong trường hợp màng vi sinh hiếu khí): Lớp màng kỵ khí bên trong và lớp màng hiếu khí bên ngồi. Trong màng vi sinh luơn tồn tại đồng thời vi sinh vật hiếu khí và vi sinh vật kỵ khí. Vì chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với kích thước vi sinh vật, oxy hồ tan trong nước chỉ khuyếch tán lại gần bề mặt màng làm cho màng phía ngồi trở thành lớp hiếu khí, bên trong hầu như khơng tiếp xúc được với oxy nên trở thành lớp màng kỵ khí.
3.2.4.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất và làm sạch nước thải
Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết ( các chất vi lượng)…cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng.
3.2.4.2.1 Quá trình tiêu thụ cơ chất diễn ra như sau:
Đầu tiên, cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đĩ vận chuyển vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử.
Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và tiêu thụ cơ chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những dạng cơ chất ở thể rắn, lơ lửng, hoặc cĩ phân tử khối lớn chúng sẽ bị phân huỷ thành những phân tử cĩ kích thước nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đĩ mới tiếp tục vân chuyển vào bên trong màng vi
sinh vật. Sản phẩm cuối của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mơ tả theo cơng thức sau:
Màng hiếu khí:
Chất hữu cơ + O2 + nguyên tố vết sinh khối vi khuẩn + sản phẩm cuối
Màng kỵ khí:
Chất hữu cơ + nguyên tố vết sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối Khi bất kỳ một thành phần nào cần thiết cho vi sinh vật bị thiếu, những phản ứng sinh hố sẽ xảy ra khơng đồng đều. Nếu như một trong những cơ chất bị hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật , thì tại đĩ những phản ứng sinh học sẽ khơng xảy ra, cơ chất đĩ được gọi là cơ chất giới hạn của quá trình