Việc phân loại các quá trình xử lý sinh học phụ thuộc vào đặc tính của từng loại bể phản ứng. Các bể phản ứng nước thải bằng phương pháp sinh học chia làm 2 nhĩm chính, theo cách thức sinh trưởng của vi sinh vật trong mơi trường sinh trưởng hay bám dính.
Bảng 3.13 Các thiết bị xử lý sinh học thơng dụng
Bể phản ứng với tác nhân sinh trưởng lơ lửng
Bể phản ứng với tác nhân sinh trưởng bám dính
Bùn hoạt tính
Loai bỏ chất dinh dưỡng bằng pp sinh học Phân hủy hiếu khí
Tiếp xúc kị khí UASB Phân hủy kị khí
Hồ sinh học
Kị khí cĩ đện giãn Đĩa quay sinh học
Lọc nhỏ giọt Tháp kín Thiết bị lọc kị khí
Do vi sinh vật đĩng vai trị chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học nên căn cứ vào tính chất, hoạt động và mơi trường của chúng, ta cĩ thể chia phương pháp sinh học thành 2 dạng chính là sinh học kị khí và sinh học hiếu khí.
Bảng 3.14 Các cơng trình xử lý sinh học
Hiếu khí Kị khí
Nhân tạo Aerotank, SBR, Unitank Metan
Lọc sinh học UASB
Đĩa tiếp xúc sinh học quay Lọc kị khí Oxyten
Mương oxy hĩa
Tự nhiên Ao sinh học hiếu khí Ao sinh học kị khí Cánh đồng lưới
• Phương pháp kị khí:
Sử dụng nhĩm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện khơng cĩ oxy. Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hĩa phứt tạp phân hủy các chất hữu cơ, tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian.
Quá trình phân hủy kị khí xảy ra theo 4 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. Phân lọai:
Hình 3.1 Các phương pháp xử lý nước thải theo phương pháp kị khí
Quá trình tăng trưởng kị khí:
Đặc trưng cho quá trình tăng trưởng lơ lửng kị khí là bể UASB (Upflow anaerobic sludge blanket).
Nước thải được nạp từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kị khí ( chủ yếu là methane và CO2) sex tạo nên dịng tuần hồn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ bám dính vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây quá trình pha khí-lỏng-rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH (5%-10%). Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại
Cơng nghệ kị khí
Sinh trưởng bám dính Sinh trưởng lơ lửng
Xáo trộn hồn tồn Tiếp xúc kị khí UASB Lọc kị khí Tầng lơ lửng Vách ngăn
lắng xuống. Nước thải theo máng tràn răng cưa dẫn đến cơng trình xử lý tiếp theo. Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0.6-0.9 m/h.
Ưu điểm:
Chi phí đầu tư vận hành thấp. Lượng hĩa chất cần bổ sung ít. Bùn sinh ra dễ tách nước.
Khơng địi hỏi cấp khí, đỡ tốn năng lượng. Cĩ thể thu hồi, tái sử dụng năng lượng biogas.
Lượng bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao. Giảm diện tích cơng trình.
Khuyết điểm:
Giai đoạn khởi động kéo đài. Phát sinh mùi.
Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động. Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại.
Khĩ hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động. Quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hồn tồn:
Bể phân hủy kị khí xáo trộn hồn tồn là một bể xáo trộn liên tục, khơng tuần hồn bùn. Bể này thích hợp để xử lý nước thải cĩ hàm lượng chất hữu cơ hịa tan dễ phân hủy nồng độ cao hoặc xử lý bùn hữu cơ. Thiết bị xáo trộn dùng trong bể cĩ thể là cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hồn khí biogas. Trong quá trình phân hủy, lượng sinh khối mới sinh ra phân bố đều trên tồn thể tích bể. Hàm lượng
chất lơ lửng ở dịng ra phụ thuộc vào thành phần nước thải vào và yêu cầu xử lý. Do bể phân hủy kị khí xáo trộn hồn tồn nên khơng cĩ biện pháp nào lưu giữ sinh khối bùn, nên thời gian lưu sinh khối chính là thời gian lưu nước. Thời gian lưu bùn phân hủy kị khí thường từ 12-30 ngày. Như vậy thể tích bể xáo trộn hồn tồn địi hỏi lớn hơn nhiều so với cơng nghệ xử lý kị khí khác.
Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp và thời gian lưu nước lớn, bể kị khí xáo trộn hồn tồn cĩ thể chịu đựng tốt trong trường hợp cĩ độc tố hoặc khi tải tăng đột ngột.
Tiếp xúc kị khí:
Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hồn. 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 kị khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm
Quá trình tăng trưởng kị khí bám dính (Anaerobic attached –growth process):
Tương tự như quá trình tăng trưởng hiếu khí dính bám, các vi sinh vật kị khí dính bám vào các giá thể dạng tấm hoặc hạt cĩ tính trơ. Nước thải cũng được dẫn từ dưới đáy bể lên, xuyên qua lớp vật liệu lọc. Sau quá trình xử lý, nước và khí được dẫn ra ngồi qua hệ thống ống dẫn đặt phía trên lớp vật liệu lọc. Ở quá trình này, ta cũng cĩ thể cho nước thải chảy từ trên đỉnh bể phản ứng xuống rồi thu nước ở đáy bể, cịn khí vẫn được thu ở trên bể.
Ngồi ra, ta cũng cĩ thể phối hợp cả hai quá trình kị khí lơ lửng và kị khí bám dính vào cùng một bể sinh học nhằm tăng cường khả năng xử lý.
Phương pháp xử lý kị khí thường được sử dụng để sơ bộ xử lý nước thải cĩ độ ơ nhiễm hữu cơ cao ( COD > 1-3 g/l) trước khi sử dụng phương pháp hiếu khí.
Điều này giúp tiết kiệm được lượng oxy cần thiết phải cung cấp cho vi sinh vật trong quá trình hiếu khí nên giảm được chi phí điện năng đối với các thiết bị cấp khí và giảm lượng bùn sinh ra.
Lọc kị khí:
Bể lọc kị khí là cột chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho vi sinh vật sống bám trên bề mặt. Giá thể đĩ cĩ thể là đá sỏi, than, vịng sứ, tấm nhựa, … dịng thải phân bố đều từ dưới lên tiếp xúc với lớp màn sinh vật trên giá thể. Do khả năng bám dính tốt của lớp màng vi sinh dẫn đến lượng vi sinh trong bể tăng lên và thời gian lưu nước bùn kéo dài. Vì vậy thời gian lưu nước nhỏ, cĩ thể vận hành ở tải lượng cao.
Trong bể lọc kị khí, do dịng chảy quanh co đồng thời tích lũy sinh khối vì vậy dễ gây ra vùng chết và dịng chảy ngắn. Để khắc phục tình trạng này, cĩ thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas thơng qua hệ thống phân phối bố trí dưới lớp vật liệu. Sau thời gian vận hành, các chất rắn khơng bám dính gia tăng trong bể.
Ưu điểm:
• Đơn giản trong vận hành.
• Cĩ khả năng chịu biến động về tải lượng ơ nhiễm.
• Khơng kiểm sốt bùn nổi như trong bể UASB. Khuyết điểm:
• Phát sinh mùi.
• Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán, vật liệu làm giá thể phải cĩ diện tích bề mặt riêng lớn. Thêm vào đĩ, vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn.
Kị khí tầng giá thể lơ lửng:
Trong quá trình này, nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu hạt giá thể cho vi sinh bám vào. Vật liệu này cĩ đường kính nhỏ vì vậy tỉ lệ diện tích mặt/ thể tích rất lớn ( cát, than hoạt tính,…) tạo sinh khối bám dính lớn. Dịng thải ra tuần hồn trở lại tạo vận tốc nước đi đủ lớn tạo cho lớp vật liệu hạt ở dạng lơ lửng, giãn nở khoảng 15-30% hay lớn hơn. Hàm lượng sinh khối cĩ thể lớn 10.000- 40.000 mg/l. Do lượng sinh khối lớn và thời gian lưu nước nhỏ, quá trình này cĩ thể ứng dụng xử lý nước thải sinh hoạt.
• Phương pháp hiếu khí:
Các giai đoạn:
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn sau: Oxy hĩa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz + NH3 + O2 TB vi khuẩn + CO2 + H2O + C5H7NO2 Phân hủy nội bào:
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ∆H
Phân loại:
Hình 3.2 Các phương pháp xử lý nước thải theo cơng nghệ hiếu khí
Quá trình tăng trưởng hiếu khí lơ lửng:
Bể bùn họat tính với vi sinh vật tăng trưởng (Aerotank) :
Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân huỷ xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Nồng độ oxy hồ tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt 2 khơng được nhỏ hơn 2 mg/L. Tốc độ sử dụng oxy hồ tan trong bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào:
Tỉ số giữa lượng thức ăn và lượng vi sinh vật: tỉ số F/M. Nhiệt độ.
Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật.
Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất. Lượng các chất cấu tạo tế bào.
Hàm lượng oxy hồ tan..
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 huỷ các chất hữu cơ cĩ trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hố thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hố hồn tồn thành CO2,
Cơng nghệ hiếu khí Lọc hiếu khí Lọc sinh học nhỏ giọt Hiếu khí tiếp xúc Xử lý sinh học theo mẻ
Hồ sinh học hiếu khí Sinh trưởng dính bám Sinh trưởng lơ lửng
Đĩa quay sinh học Aerotank
tính bao gồm: Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, và hai loại vi khuẩn Nitrate hố
Nitrosomonas và Nitrobacter. Thêm vào đĩ, nhiều loại vi khuẩn dạng sợi như
Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix, và Geotrichum cũng tồn tại.
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 150 mg/L, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ khơng quá 25 mg/L, pH = 6,5 – 8,5, nhiệt độ t = 6 – 37 0C.
Hệ thống bể bùn hoạt tính (Aerotank) gồm các loại: Bể bùn hoạt tính truyền thống.
Bể bùn hoạt tính tiếp xúc - ổn định. Bể bùn hoạt tính thơng khí kéo dài.
Bể bùn hoạt tính thơng khí cao cĩ khuấy đảo hồn chỉnh. Bể bùn hoạt tính chọn lọc.
Trong quá trình bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng lơ lửng, các vi sinh vật phát triển và tăng trưởng trong các bơng cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước ở các bể xử lý sinh học. Bể sinh học này luơn cần phải được làm thống để cung cấp đầy đủ oxy cho vi sinh vật tiến hành quá trình phân hủy chất hữu cơ và phát triển. Ngồi bể sinh học, ta cũng cần phải bố trí thêm bể lắng để tách các bơng bùn hoạt tính ra khỏi nước, tuần hồn một phần bùn trở lại bể sinh học nhằm duy trì nồng độ bùn cần thiết trong bể sinh học và xả bỏ bớt lượng bùn thừa sinh ra trong quá trình phát triển. Trong một số trường hợp ta cũng cĩ thể gộp chung 2 bể sinh học và lắng thành một cơng trình duy nhất. Khi đĩ, ta khơng cần phải tuần hồn bùn mà chỉ phải xả bùn.
Ưu điểm:
• Sử dụng phổ biến trong lĩnh vực xử lí nước thải
• Khơng sinh mùi Nhược điểm:
• Nhu cầu dinh dưỡng, chất dinh dưỡng cao
• Bùn sinh ra nhiều, phải tuần hồn bùn
• Phải cĩ bể lắng đợt hai
• Địi hỏi trình độ vận hành cao
Ngồi ra, hiện nay cịn cĩ thêm một số loại bể cũng sử dụng quá trình bùn hoạt tính, là những cải tiến so với Aerotank như bể hiếu khí gián đoạn SBR, bể Unitank.
Bể họat động gián đọan (SBR):
Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cạn. Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục, chỉ cĩ điều tất cả quá trình xảy ra trong cùng một bể và được thực hiện lần lượt theo các bước: (1) làm đầy, (2) phản ứng, (3) lắng, (4) xả cạn, (5) ngưng.
Bản chất quá trình xử lý sinh học từng mẻ:
Hệ thống xử lý sinh học từng mẻ bao gồm đưa nước thải vào bể phản ứng và tạo các điều kiện cần thiết như mơi trường thiếu khí (khơng cĩ oxy, chỉ cĩ NO3-), kị khí (khơng cĩ oxy), hiếu khí (cĩ oxi, NO3-) để cho vi sinh tăng sinh khối, hấp thụ và tiêu hĩa các chất thải hữu cơ trong nước thải.
Chất thải hữu cơ ( C, N, P) từ dạng hịa tan sẽ chuyển hĩa vào sinh khối vi sinh và khi lớp sinh khối vi sinh này lắng kết xuống sẽ cịn lại nước trong đã tách
Quy trình hoạt động của hệ thống xử lý sinh học từng mẻ đơn giản, bao gồm các chuỗi chu kỳ như sau:
• Nạp nước thải vào bể phản ứng.
• Vừa nạp vừa tạo mơi trường thiếu khí hay kị khí.
• Vừa nạp vừa tạo điều kiện cho vi sinh xử lý chất thải hữu cơ.
• Xử lý tách loại chất ơ nhiễm hữu cơ , nitơ, photpho bằng vi sinh.
• Để lắng, tách lớp bùn.
• Gạn lấy nước sạch đã xử lý
• Lập lại chu kỳ mới
• Cho phép thiết kế hệ đơn giản với các bước xử lý cơ bản theo quy trình “từng mẻ”.
• Khoảng thời gian cho mỗi chu kỳ cĩ thể điều chỉnh được và là một quy trình cĩ thể điều khiển tự động bằng PLC.
• Hiệu quả xử lý cĩ độ tin cậy cao và độ linh hoạt
• Cơng nghệ kỹ thuật cao, lập trình được và khả năng xử lý vượt mức hứa hẹn và đây là quy trình xử lý bằng vi sinh đầy triển vọng trong tương lai.
Ưu điểm:
• Vận hành linh hoạt, dễ dàng
• Lắng tĩnh tạo nồng độ SS đầu ra thấp
• Hiệu quả xử lí cĩ độ tin cậy cao
• Cặn hỗn hợp khơng thể tràn ra ngồi bằng sự tràn thuỷ lực vì lưu lượng được cung cấp phù hợp
Nhược điểm:
• Quá trình thiết kế phức tạp.
• Chất lượng nước đầu ra phụ thuộc khả năng gạn lớp nước phía trên.
• Ít được áp dụng tại Việt Nam. Bể Unitank:
Cấu trúc chắc gọn, là một khối bê tơng liền nhau, chi phí xây dựng và vật liệu xây dựng giảm. Tổng diện tích mặt bằng cho xây dựng chỉ cần khoảng 50% so với cơng nghệ bùn hoạt tính thơng thường. Trong giới hạn về mặt bằng của bệnh viện thì đây là một trong những ưu điểm nổi bật của Unitank.
Quá trình xử lí linh hoạt theo chương trình và cĩ thể điều chỉnh nên rất phù hợp với các loại nước thải cĩ tính chất đầu vào và lưu lượng thay đổi.
Unitank cĩ cấu trúc module nên rất dễ dàng nâng cơng suất bằng cách ghép các module liền nhau, tận dụng phần xây dựng đã cĩ.
Unitank vận hành tự động đảm bảo chất lượng ổn định của nước thải đã xử