L ỜI MỞ ĐẦU
2.4.2 Xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo
Xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí
Năm 1914 hai nhà bác học người Anh là Ardern và Lockett đã thành cơng trong việc tạo bùn hoạt tính và sử dụng bùn hoạt tính để xử lý nước thải. Cơng nghệ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được áp dụng từ đĩ đến nay. Hiện nay đã cĩ rất nhiều trạm xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính hoạt động trên khắp thế giới nhằm để xử lý các dịng nước thải từ các trung tâm đơ thị và các cơng ty chế biến thực phẩm. Hiệu quả khử COD, BOD cao, trong đa số các trường hợp đạt từ 78 ÷ 82% hoặc cĩ thể lớn hơn.
Các cơng trình tương thích của quá trình xử lý sinh học hiếu khí gồm: 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:
Phân loại bể aerotank theo sơ đồ vận hành
Bể Aerotank truyền thống
Sơ đồ vận hành của bể Aerotank truyền thống như sau:
Xả bùn tươi Nước thải Tuần hồn bùn hoạt tính Bể lắng đợt 2 Bể Aerotank nguồn tiếp nhận Xả ra Xả bùn hoạt tính thừa Bể lắng đợt 1
Hình 2.1 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 hoat tính Bể Aerotank Nước thải Bể lắng đợt 1 Xả bùn tươi Xả bùn hoat tính Bể lắng đợt 2 Tuần hồn bùn hoạt tính Bể Aerotank Xả ra nguồn tiếp nhận
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 đ iểm 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 (1000 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 hồn 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
Hình 2.3 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank cĩ ngăn tiếp xúc.
Bể làm thống kéo dài Tuần hồn bùn hoạt tính Bể Aerotank làm thống 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 2.4 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 hồn bùn Bể lắng đợt 2 nguồn tiếp nhận Xả ra Máy khuấy bề mặt
Hình 2.5 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 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 ÷ 15 mg/l với lưu lượng nước thải khơng quá 1000 m3/ngđ.
Bể lọc sinh học cao tải cĩ những đặc điểm: tải trọng nước tới 10 ÷ 30 m3/m2ngđ tức là gấp 10 ÷ 30 lần ở bể lọc nhỏ giọt.
Tháp lọc sinh học: những tháp lọc sinh học cĩ thể xử dụng ở các trạm xử lý với lưu lượng dưới 50.000m3/ngđ, với điều kiện địa hình thuận lợi và nồng độ nước thải sau khi làm sạch BOD là 20÷25 mg/l.
Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC)
Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC – Rotating Biological Contactors) được áp dụng đầu tiên ở CHLB Đức năm 1960 và hiện nay đã được sử dụng rộng rãi để xử lý BOD và Nitrat hĩa. RBC gồm các đĩa trịn polystyren hoặc polyvinyl chloride đặt gần sát nhau. Đĩa nhúng chìm khoảng 40% trong nước thải và quay ở tốc độ chậm. Khi đĩa quay, màng sinh khối trên đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ cĩ trong nước thải và sau đĩ tiếp xúc với ơxy. Đĩa quay tạo điều kiện chuyển hĩa ơxy và luơn giữ sinh khối trong điều kiện hiếu khí. Đồng thời đĩa quay cịn tạo nên lực cắt loại bỏ các màng vi sinh khơng cịn khả năng bám dính và giữ chúng ở dạng lơ lửng để đưa qua bể lắng đợt II.
Khác với quần thể vi sinh vật ở bùn hoạt tính, thành phần lồi và và số lượng các lồi là tương đối ổn định. Vi sinh vật trong màng bám trên đĩa quay gồm các vi khuẩn kị khí tùy tiện như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, … các vi sinh vật hiếu khí như: Bacillus (thường thì cĩ ở lớp trên của màng). Khi lượng khơng khí cung cấp khơng đủ thì vi sinh vật tạo thành màng mỏng gồm các chủng vi sinh vật yếm khí như: Desulfovibrio và một số vi khuẩu sunfua, trong điều kiện yếm khí vi sinh vật thường tạo mùi khĩ chịu. Nấm và vi sinh vật hiếu khí phát triển ở màng trên, và cùng tham gia vào việc phân hủy các chất hữu cơ. Sự đĩng gĩp nấm chỉ quan trọng trong trường hợp pH nước thải thấp, hoặc các loại nước
thải cơng nghiệp đặc biệt, vì nấm khơng thể cạnh tranh với các loại vi khuẩn về thức ăn trong điều kiện bình thường.
Bể sinh học theo mẻ SBR
Thực chất của bể sinh học hoạt động theo mẻ (SBR - Sequence Batch Reactor) là một dạng của bể Aerotank. Khi xây dựng bể SBR nước thải chỉ cần đi qua song chắn, bể lắng cát và tách dầu mỡ nếu cần, rồi nạp thẳng vào bể. Bể Aerotank làm việc theo mẻ liên tục cĩ ưu điểm là khử được các hợp chất chứa nitơ, photpho khi vận hành đúng các quy trình hiếu khí, thiếu khí và yếm khí.
Bể sinh học làm việc theo từng mẻ kế tiếp được thực hiện theo 5 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Đưa nước thải vào bể. Nước thải đã qua song chắn rác và bể lắng cát, tách dầu mỡ, tự chảy hoặc bơm vào bể đến mức định trước.
Giai đoạn 2: Tạo phản ứng sinh hĩa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thống bề mặt để cấp ơxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp. Thời gian làm thống phụ thuộc vào chất lượng nước thải, yêu cầu về mức độ xử lý.
Giai đoạn 3: Lắng trong nước. Quá trình diễn ra trong mơi trường tĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100%. Thời gian lắng trong và cơ đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ.
Giai đoạn 4: Tháo nước đã được lắng trong ở phần trên của bể ra nguồn tiếp nhận.
Giai đoạn 5: Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình trên và vào số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể. Ở những cơng ty cĩ dịng chảy đều cĩ thể bố trí lịch hoạt động để rút thời gian xuống cịn bằng 0.
Xử lý sinh học trong điều kiện kỵ khí
Phân hủy kỵ khí (Anaerobic Descomposotion) là quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành chất khí (CH4 và CO2) trong điều kiện khơng cĩ ơxy. Các động lực của quá trình kỵ khí và cân bằng vật chất nĩi chung là tương tự như các hệ thống
hiếu khí, tuy nhiên cĩ một vài khác biệt cần được cân nhắc. Việc chuyển hố các axit hữu cơ thành khí mêtan sản sinh ra ít năng lượng. Lượng chất hữu cơ chuyển hố thành khí vào khoảng 80 (90%).
Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nhiệt độ nước thải, pH, nồng độ MLSS. Nhiệt độ thích hợp cho phản ứng sinh khí là từ 32 (35 oC). Trong trường hợp nhiệt độ nhỏ hơn 30oC cĩ thể cung cấp thêm nhiệt độ để đạt được nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật lên men kị khí. Tuy nhiên khí mêtan sinh ra từ bình phản ứng cĩ thể được sử dụng để cung cấp nhiệt.
Ưu điểm nổi bật của quá trình xử lý kỵ khí là lượng bùn sản sinh ra rất thấp, vì thế chi phí cho việc xử lý bùn thấp hơn nhiều so với các quá trình xử lý hiếu khí.
Trong quá trình lên men kỵ khí, thường cĩ 4 nhĩm vi sinh vật phân hủy vật chất hữu cơ nối tiếp nhau:
Các vi sinh vật thủy phân (Hydrolytic) phân hủy các chất hữu cơ dạng polyme như các polysaccharide và protein thành các monomer. Kết quả của sự “bẻ gãy” mạch cacbon này chưa làm giảm COD.
Các monomer được chuyển hĩa thành các axit béo (VFA) với một lượng nhỏ H2 . Các axit chủ yếu là Acetic, propionic và butyric với những lượng nhỏ của axit Valeric. Ở giai đoạn axit hĩa này, COD cĩ giảm đi đơi chút (khơng quá 10%).
Tất cả các axit cĩ mạch carbon dài hơn axit acetic được chuyển hĩa tiếp thành acetac và H2 bởi các vi sinh vật Acetogenic, chẳng hạn như sự chuyển hĩa của axit propionic diễn ra theo phương trình:
C3H5COOH + 2H2O (C2H4O2 + CO2 + 3H2
Trong phản ứng này, việc giảm COD được biểu hiện thơng qua sự xuất hiện H2. Phản ứng này chỉ sẽ diễn ra nếu như nồng độ H2 rất thấp.
Axit acetic và H2 bị chuyển hĩa thành CH4 bởi các vi sinh vật methanogenic:
C2H4O2 CO2 + CH4
CH3COO- + H2O CH4 + HCO32-
Hydrogen:
HCO32- + 4H2 CH4 + OH- + 2H2O
Các cơng trình xử lý nước thải sử dụng phương pháp sinh học yếm khí:
Quá trình kỵ khí tiếp xúc (Anaerobic contact process)
Quá trình này cung cấp phân ly và hồn lưu các vi sinh vật giống, do đĩ cho phép vận hành quá trình ở thời gian lưu từ 6 ( 12 giờ).
Cần cĩ một thiết bị khử khí (Degasifier) để giảm thiểu tải trọng chất rắn ở bước phân ly.
Để xử lý ở mức độ cao, thời gian lưu chất rắn được xác định là 10 ngày ở nhiệt độ 32oC, nếu nhiệt độ giảm đi 11oC, thời gian lưu địi hỏi phải tăng gấp đơi.
Quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic filter process)
Lọc kỵ khí gắn với sự tăng trưởng các vi sinh vật kỵ khí trên các giá thể. Bể lọc cĩ thể được vận hành ở chế độ dịng chảy ngược hoặc xuơi.
Giá thể lọc trong quá trình lưu giữ bùn hoạt tính trên nĩ cũng cĩ khả năng phân ly các chất rắn và khí sản sinh ra trong quá trình tiêu hĩa.
Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Nước thải được đưa trực tiếp vào phía dưới đáy bể và được phân phối đồng đều, sau đĩ chảy ngược lên xuyên qua lớp bùn sinh học dạng hạt nhỏ (bơng bùn) và các chất hữu cơ bị phân hủy.
Các bọt khí mêtan và NH3, H2S nổi lên trên và được thu bằng các chụp thu khí để dẫn ra khỏi bể. Nước thải tiếp theo đĩ chuyển đến vùng lắng của bể và tại đĩ sẽ diễn ra sự phân tách 2 pha lỏng và rắn. Nước thải tiếp tục đi ra khỏi bể, cịn