Xử lý sinh học là phương pháp dùng vi sinh, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy sinh hĩa các hợp chất hữu cơ, biến các hợp chất cĩ khả năng thối rữa thành các chất ổn định với sản phẩm cuối cùng là cacbonic, nước và các chất vơ cơ khác.
Phương pháp xử lý sinh học cĩ thể chia ra làm hai loại: xử lý hiếu khí và xử lý yếm khí trên cơ sở cĩ oxy hịa tan và khơng cĩ oxy hịa tan.
Những cơng trình xử lý sinh hĩa phân thành 2 nhĩm:
- Những cơng trình trong đĩ quá trình xử lý thực hiện trong điều kiện tự nhiên. - Những cơng trình trong đĩ quá trình xử lý thực hiện trong điều kiện nhân tạo. Những cơng trình xử lý sinh học thực hiện trong điều kiện tự nhiên là: cánh đồng tưới, bãi lọc, hồ sinh học… Quá trình xử lý diễn ra chậm, dựa chủ yếu vào ơxy và vi sinh cĩ ở trong đất và nước. Do đĩ, những cơng trình này địi hỏi diện tích lớn và thời gian xử lý dài.
Những cơng trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo là: Bể lọc sinh học (Biophin), bể làm thống sinh học (Aerotank). Do các điều kiện nhân tạo, cĩ sự tính tốn và tác động của con người và máy mĩc mà quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn, cường độ mạnh hơn, diện tích nhỏ hơn.
Đa phần nhà máy sản xuất được xây dựng tại các Khu Chế Xuất, Khu Cơng Nghiệp của các thành phố lớn, diện tích cho hệ thống xử lý nước thải là hạn chế. Do đĩ, cơng trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo thường được sử dụng nhiều hơn.
Quá trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo cĩ thể đạt mức hồn tồn (xử lý sinh học hồn tồn) với BOD giảm tới 90 – 95% và khơng hồn tồn với BOD giảm tới 40 – 80%.
Giai đoạn xử lý sinh học tiến hành sau giai đoạn xử lý cơ học. Bể lắng sau giai đoạn xử lý cơ học gọi là bể lắng đợt 1. Cịn bể được gọi là bể lắng đợt 2 là để chắn giữ màng sinh học (sau bể Biophin) hoặc bùn hoạt tính (sau bể Aerotank). Nước thải sau khi được xử lý sinh học luơn được qua bể khử trùng trước khi xả vào nguồn thải nhằm tiêu diệt triệt để các loại vi khuẩn, vi trùng gây bệnh.
Mục đích của quá trình xử lý nước thải là loại bỏ cặn lơ lửng, các hợp chất hữu cơ, các chất độc hại, vi khuẩn và vi rút gây bệnh đến nồng độ cho phép theo tiêu chuẩn xả và nguồn tiếp nhận.
a. Cơng trình XLNT bằng phương pháp sinh học kị khí - Bể tự hoại
Bể tự hoại là cơng trình xử lý đồng thời làm hai chức năng: lắng nước thải và phân hủy cặn lắng. Trong mỗi bể tự hoại đều cĩ hai phần: phần trên là nước thải lắng, phần dưới là cặn lắng. Cặn lắng giữ lại ở trong bể từ 3 – 6 tháng, dưới tác động của các vi sinh vật kỵ khí các chất hữu cơ được phân hủy, một phần tạo thành các khí (CH4, CO2, H2S…), phần khác tạo thành các chất vơ cơ.
Nước thải lắng trong bể tự hoại với thời gian từ 13 ngày, do vận tốc bé nên phần lớn cặn lơ lửng lắng lại. Vì vậy, đạt hiệu suất lắng cao, cĩ thể đạt từ 40 60%, phụ thuộc vào nhiệt độ, chế độ quản lý và vận hành trong bể.
Bể tự hoại cĩ thể cĩ hình chữ nhật hoặc nhiều giếng trịn liên kết. Chúng được xây dựng bằng gạch, đá, hay bê tơng cốt thép. Bể cĩ thể cĩ một hay nhiều ngăn. Để chất lượng nước thải sau khi qua bể tự hoại tốt hơn, thơng thường bể thiết kế hai đến ba ngăn. Với ngăn đầu tiên là ngăn chứa, dung tích chiếm từ 50 75% dung tích tồn bể. Cịn ngăn thứ hai và ngăn thứ ba chiếm khoảng 25% dung tích tồn bể.
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo bể tự hoại
a) Bể tự hoại hai ngăn; b) Bể tự hoại ba ngăn
Để dẫn nước thải vào và ra khỏi bể người ta phải nối ống bằng ống nối chữ T với đường kính tối thiểu là 100mm với một đầu ống đặt dưới lớp màng nổi, đầu kia được nhơ lên phía trên để tiện việc kiểm tra, tẩy rửa và khơng cho lớp cặn nổi trong bể chảy ra đường cống. Cặn trong bể tự hoại được lấy theo định kì. Mỗi lần lấy phải
để lại khoảng 20% lượng cặn đã lên men lại trong bể để làm giống men cho bùn cặn tươi mới lắng, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân huỷ cặn.
b. Cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên
Phương pháp xử lý qua đất: Thực chất của quá trình xử lý là: Khi lọc nước
thải qua đất các chất rắn lơ lửng và keo sẽ bị giữ lại ở lớp trên cùng. Những chất này tạo ra một màng gồm rất nhiều vi sinh vật bao bọc trên bề mặt các hạt đất, màng này sẽ hấp phụ các chất hữu cơ hịa tan trong nước thải. Những vi sinh vật sẽ xử dụng ơxy của khơng khí qua các khe đất và chuyển hĩa các chất hữu cơ thành các hợp chất khống. Các cơng trình xử dụng phương pháp xử lý qua đất là: Cánh đồng tưới,cánh đồng lọc
Cánh đồng tưới cơng cộng hoặc cánh đồng lọc: Là những mảnh ruộng
được san bằng hoặc dốc khơng đáng kể và được ngăn bằng những bờ đất. Nước thải được phân phối vào những mảnh ruộng đĩ nhờ mạng lưới tưới và sau khi lọc qua đất lại được qua một mạng lưới khác để tiêu đi.
Hồ sinh học: Là hồ xử lý sinh học, cĩ nhiều tên gọi khác như: Hồ oxy hĩa,
hồ ổn định nước thải v.v…
Các quá trình diễn ra trong hồ sinh vật cũng tương tự như quá trình tự làm sạch diễn ra ở các sơng hồ chứa nước tự nhiên: Đầu tiên các chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi sinh vật. Các sản phẩm tạo thành sau khi phân hủy lại được rong, tảo sử dụng. Do kết quả hoạt động sống của vi sinh vật oxy tự do lại được tạo thành và hịa tan trong nước rồi lại được vi sinh vật sử dụng để trao đổi chất. Sự hoạt động của rong tảo khơng phải là quá trình chính mà chỉ tạo điều kiện thuận lợi cung cấp cho quá trình mà thơi. Vai trị xử lý chủ yếu ở đây vẫn là vi sinh vật.
c. Cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí
Các cơng trình tương thích của quá trình xử lý sinh học hiếu khí cĩ thể kể đến như: Bể Aerotank bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng), bể thổi khí sinh học tiếp xúc (vi sinh vật dính bám), bể lọc sinh học, tháp lọc sinh học, bể sinh học tiếp xúc quay…
Quá trình bùn hoạt tính
Quá trình xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Trong bể Aerotank, các chất lơ lửng đĩng vai trị là các hạt nhân đế cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bơng cặn gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bơng cặn cĩ mầu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ
hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển của vơ số vi khuẩn và vi sinh vật sống khác. Các vi sinh vật đồng hố các chất hữu cơ cĩ trong nước thải thành các chất dinh dưỡng cung cấp cho sự sống. Trong quá trình phát triển vi sinh vật sử dụng các chất để sinh sản và giải phĩng năng lượng, nên sinh khối của chúng tăng lên nhanh. Như vậy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải được chuyển hố thành các chất vơ cơ như H2O, CO2 khơng độc hại cho mơi trường.
Quá trình sinh học cĩ thể diễn tả tĩm tắt như sau:
Chất hữu cơ + vi sinh vật + ơxy (NH3 + H2O + năng lượng + tế bào mới) Hay cĩ thể viết:
Chất thải + bùn hoạt tính + khơng khí (Sản phẩm cuối + bùn hoạt tính dư)
Bể Aerotank
Bể Aerotank là cơng trình làm bằng bê tơng, bê tơng cốt thép, với mặt bằng thơng dụng là hình chữ nhật. Hỗn hợp bùn và nước thải cho chảy qua suốt chiều dài bể.
Nước thải sau khi xử lý sơ bộ cịn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hồ tan cùng các chất lơ lửng đi vào Aerotank. Các chất lơ lửng này là một số chất rắn và cĩ thể là các hợp chất hữu cơ chưa phải là dạng hồ tan. Các chất lơ lửng làm nơi vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển dần thành các hạt cặn bơng. Các hạt này dần to và lơ lửng trong nước. Chính vì vậy, xử lí nước thải ở Aerotank được gọi là quá trình xử lí với sinh trưởng lơ lửng của quần thể vi sinh vật. Các bơng cặn này cũng chính là bơng bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bơng cặn màu nâu sẫm, là bùn xốp chứa nhiều vi sinh cĩ khả năng oxy hĩa và khống hĩa các chất hữu cơ chứa trong nước thải. Thời gian lưu nước trong bể Aerotank là từ 18 giờ, khơng quá 12 giờ.
Yêu cầu chung của các bể Aerotank là đảm bảo bề mặt tiếp xúc lớn giữa khơng khí, nước thải và bùn.
Yêu cầu chung khi vận hành là nước thải đưa vào Aerotank cần cĩ hàm lượng SS khơng vượt quá 150 mg/l, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ khơng quá 25mg/l, pH = 6,59, nhiệt độ khơng nhỏ hơn 30oC.
Phân loại bể aerotank theo sơ đồ vận hành
Bể Aerotank truyền thống
Xả bùn tươi Nước thải
Tuần hoàn bùn hoạt tính
Bể lắng đợt 2 Bể Aerotank nguồn tiếp nhận Xả ra Xả bùn hoạt tính thừa Bể lắng đợt 1
Hình 2. 2 Sơ đồ làm việc của bể Aeroatnk truyền thống
Bể Aerotank với sơ đồ nạp nước thải vào theo bậc
Bể lắng đợt 1 Bể lắng đợt 2 Bùn hoạt tính Xả bùn tươi Xả ra nguồn tiếp nhận Nước thải Xả bùn hoạt tính Bể Aerotank Nước thải Bể lắng đợt 1 Xả bùn tươi Xả bùn hoạt tính Bể lắng đợt 2
Tuần hoàn bùn hoạt tính Bể Aerotank
Xả ra
nguồn tiếp nhận
Hình 2.3 Sơ đồ làm việc của Aerotank nạp theo bậc.
Bể Aerotank cĩ hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dịng chảy
Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đĩ nhu cầu cung cấp ơxy cũng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ. Ở đầu vào của bể cần lượng ơxy lớn hơn do đĩ phải cấp khơng khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ơ tiếp sau để đáp ứng cường độ tiêu thụ khơng đều ơxy trong tồn bể. Ưu điểm của bể dạng này là:
- Giảm được lượng khơng khí cấp vào tức giảm cơng suất của máy nén. - Khơng cĩ hiện tượng làm thống quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa Nitơ.
Bể Aerotank tải trọng cao.
Những bể Aerotank cao tải được coi là những bể cĩ sức tải chất bẩn cao và cho hiệu suất làm sạch cũng cao. Cĩ thể áp dụng khi yêu cầu xử lý để nước đầu ra cĩ chất lượng loại C hoặc dưới loại B. Nước qua bể lắng đợt I hoặc chỉ qua lưới chắn rác, sau đĩ trộn đều với 10 ÷ 20% bùn tuần hồn, đi vào bể Aerotank để làm thống trong khoảng thời gian từ 1÷3 giờ. Nồng độ bùn hoạt tính trong bể (1.000 mg/l. Bằng cách điều chỉnh lượng khí cấp vào và lượng bùn hoạt tính tuần hồn, cĩ thể thu được hiệu quả xử lý đạt loại C và gần loại B.
Bể Aerotank cĩ ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Contact Stabilitation)
Nước từ bể lắng đợt 1 được trộn đều với bùn hoạt tính đã được tái sinh (bùn đã được xử lý đến ổn định trong ngăn tái sinh) đi vào năng tiếp xúc của bể, ở ngăn tiếp xúc bùn hấp phụ và hấp thụ phần lớn các chất keo lơ lửng và chất bẩn hịa tan cĩ trong nước thải với thời gian rất ngắn khoảng 0,5 (1 giờ rồi chảy sang bể lắng đợt 2. Bùn lắng ở đáy bể lắng 2 được bơm tuần hồn lại bể tái sinh. Ở bể tái sinh, bùn được làm thống trong thời gian từ 3 (6 giờ để ơxy hĩa hết các chất hữu cơ đã hấp thụ. Bùn sau khi tái sinh rất ổn định. Bùn dư được xả ra ngồi trước ngăn tái sinh. Ưu điểm của dạng bể này là bể Aerotank cĩ dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải.
Tuần hoàn bùn Bể Aerotank
Ngăn tái sinh bùn hoạt tính Ngăn tiếp xúc Bể lắng đợt 1 Nước thải Xả bùn tươi nguồn tiếp nhận Bể lắng đợt 2 Xả bùn hoạt tính thừa Xả ra
Bể làm thống kéo dài
Tuần hoàn bùn hoạt tính Bể Aerotank làm
thoáng kéo dài 20 -30 giờ lưu nươc trong bể Nước thải Lưới chắn rác Bể lắng đợt 2 Xả ra nguồn tiếp nhận Định kỳ xả bùn hoạt tính thừa
Hình 2.5 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thống kéo dài.
Bể Aerotank khuấy trộn hồn chỉnh Xả bùn tươi Bể lắng đợt 1 Nước thải Xả bùn hoạt tính thừa Tuần hoàn bùn Bể lắng đợt 2 nguồn tiếp nhận Xả ra Máy khuấy bề mặt
Hình 2.6 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank khuấy trộn hồn chỉnh.
Ưu điểm chính của sơ đồ làm việc theo nguyên tắc khuấy trộn hồn chỉnh là: Pha lỗng ngay tức khắc nồng độ của các chất ơ nhiễm trong tồn thể tích bể, khơng xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải cĩ chỉ số thể tích bùn cao, cặn khĩ lắng.
Mương ơxy hĩa
Mương ơxy hĩa là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hồn chỉnh cĩ dạng vịng hình chữ O làm việc trong chế độ làm thống kéo dài với dung dịch bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động tuần hồn liên tục trong mương.
Quá trình vi sinh dính bám
Phần lớn vi khuẩn cĩ khả năng sinh sống và phát triển trên bề mặt vật rắn, khi cĩ đủ độ ẩm và thức ăn là các hợp chất hữu cơ, muối khống và ơxy. Chúng dính bám vào bề mặt vật rắn bằng chất Gelatin do chính vi khuẩn tiết ra và chúng cĩ thể dễ dàng di chuyển trong lớp Gelatin dính bám này. Đầu tiên vi khuẩn cư trú
hình thành tập trung ở một khu vực, sau đĩ màng vi sinh khơng ngừng phát triển, phủ kín tồn bộ bề mặt vật rắn bằng một lớp tế bào. Chất dinh dưỡng (hợp chất hữu cơ, muối khống) và ơxy cĩ trong nước thải cần xử lý khuếch tán qua màng biofilm vào tận lớp xenlulơ.
Sau một thời gian, sự phân lớp hồn thành: lớp ngồi cùng là lớp hiếu khí, được ơxy khuếch tán xâm nhập, lớp giữa là lớp tùy nghi, lớp trong là lớp yếm khí khơng cĩ ơxy. Bề dày của các lớp này phụ thuộc vào loại vật liệu đỡ (vật liệu lọc). Bề dày lớp hoạt tính hiếu khí thường khoảng 300 ÷ 400 m.
Bể Aerotank dính bám
Bể Aerotank dính bám là một loại bể Aerotank cải tiến. Cấu tạo và chức năng của bể Aerotank dính bám cũng giống bể Aerotank bùn hoạt tính. Bên trong bể Aerotank cĩ các vật liệu làm giá thể tiếp xúc cho các vi sinh vật dính bám và phát triển, các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O làm giảm nồng độ bẩn trong nước thải.
Bể lọc sinh học
Là cơng trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các vật chất hữu cơ cĩ trong nước thải nhờ quá trình ơxy hĩa diễn ra trên bề mặt vật liệu tiếp xúc. Trong bể thường chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám.
Bể lọc sinh học thường được phân chia thành hai dạng: bể lọc sinh học nhỏ giọt và bể lọc sinh học cao tải. Tháp lọc sinh học cũng cĩ thể được xem như là một bể lọc sinh học nhưng cĩ chiều cao khá lớn.
Bể lọc sinh học nhỏ giọt thường dùng để xử lý sinh học hồn tồn nước thải, giá trị BOD của nước thải sau khi làm sạch đạt tới 10 ÷ 15mg/l với lưu lượng nước