+ Phương pháp xử lý nước thải nhờ tác dụng của các loại vi sinh vật. Các vi sinh vật
sử dụng một số chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Công trình thường đặt sau khi nước thải đã qua xử lý sơ bộ.
+ Có thể dựa vào hoạt động của vi sinh vật chia phương pháp sinh học thành 2 loại sau:
- Phương pháp hiếu khí: là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì ở nhiệt độ 20- 400C.
- Phương pháp yếm khí : là phương pháp sử dụng vi sinh vật yếm khí và trong môi trường không có oxy. Xử lý trong điều kiện tự nhiên hay nhân tạo.
2.3.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí
a. Xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên
+ Cơ sở của phương pháp này dựa vào khả năng tự làm sạch của nguồn đất và nguồn nước. Các công trình đặc trưng: cánh đồng tưới, bãi lọc trồng cây, hồ sinh học...
+ Cơ chế hoạt động: cho nước thấm qua lớp đất bề mặt thì cặn được giữ lại, nhờ có oxy và các vi khuẩn hiếu khí mà các quá trình oxy hóa diễn ra.
a.1 Cánh đồng tưới – cánh đồng lọc
Hình 2.14 Cánh đồng tưới bãi lọc. [15]
+ Cánh đồng tưới là những khoảng đất canh tác, có thể tiếp nhận và xử lý nước thải. Xử lý trong điều kiện này diễn ra dưới tác dụng của vi sinh vật, ánh nắng mặt trời, không khí và dưới ảnh hưởng của các hoạt động sống thực vật, chất thải bị hấp thụ và giữ lại trong đất, sau đó các loại vi khuẩn có sẵn trong đất sẽ phân huỷ chúng thành các chất đơn giản để cây trồng hấp thụ. Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng. Phần còn lại chảy vào hệ thống tiêu nước ra sông hoặc bổ sung cho nước nguồn.
a.2 Hồ sinh học (Mục 13.2/ [2])
+ Hồ sinh học là một trong những phương pháp xử lý đơn giản, ít tốn kém và dễ vận hành nhất. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ thích hợp với loại nước thải có lưu lượng nhỏ và nơi có diện tích mặt bằng lớn.
+ Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác, tương tự như quá trình làm sạch nguồn nước mặt. Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxy từ không khí để oxy hoá các chất hữu cơ, rong tảo lại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat
amon sinh ra từ sự phân huỷ, oxy hoá các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ không được thấp hơn 600C.
+ Theo bản chất quá trình sinh hoá, người ta chia hồ sinh vật ra các loại hồ hiếu khí, hồ sinh vật tuỳ tiện (Faculative) và hồ sinh vật yếm khí.
Hình 2.15 Quá trình hoạt động sinh học trong hồ sinh học. [16] b. Xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo:
+ Sử dụng các vi sinh vật để oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng chuyển hoá sinh học được; đồng thời chính vi sinh vật cũng sử dụng một phần chất hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng. + Có 2 phương pháp:
- Phương pháp bùn lơ lửng: gồm có một số bể aerotank, bể SBR, mương oxi hóa.. - Phương pháp bùn bám dính: gồm có một số bể lọc sinh học, bể MBBR, bể RBC…
b.1 Công nghệ ứng dụng bùn lơ lửng:
● Bể hiếu khí bùn hoạt tính - Bể Aerotank [8]
+ Bể Aerotank là một công trình sử dụng phương pháp sinh học hiếu khí để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải đô thị có chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ (H2S, các sunfua, nitric…)
+ Nước thải sau khi qua bể lắng 1 có chứa các chất hữu cơ hòa tan và các chất lơ lửng đi vào bể phản ứng hiếu khí (Aerotank). Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân để cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bông cặn có màu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển của vô số vi khuẩn và vi sinh vật sống khác.
Hình 2.16 Bể arotank [17]
+ Vi khuẩn và các vi sinh vật sống dung chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan thành các tế bào mới. + Để đảm bảo bùn hoạt tính ở trạng thải lơ lửng và đảm bảo chất lượng oxy dùng trong quá trình sinh hóa các chất hữu cơ thì phải luôn đảm bảo việc cung cấp oxy. Lượng bùn tuần hoàn và không khí cần cung cấp phụ thuộc vào độ ẩm và mức độ của yêu cầu xử lí nước thải.
Hình 2.17 Cấu tạo một số thiết bị khuếch tán không khí trong bể arotank. [4]
+ Tỷ lệ các chất dinh dưỡng: BOD5 : N : P = 100:5:1. Nước thải có pH từ 6,5 – 8,5 trong bể là thích hợp.Thời gian lưu nước trong bể không quá 12h.
+ Quá trình diễn ra như sau:
- Khuấy trộn đều nước thải với bùn hoạt tính trong thể tích V của bể phản ứng. - Làm thoáng bằng khí nén hay khuấy trộn bề mặt hỗn hợp nước thải và bùn họat tính có trong bể trong một thời gian đủ dài để lấy oxy cấp cho quá trình sinh hóa xảy ra trong bể.
- Làm trong nước và tách bùn hoạt tính ra khỏi hỗn hợp bằng bể lắng đợt
- Tuần hoàn lại một lượng bàn cần thiết từ đáy bể lăng đợt 2 vào bể Aerotank để hòa trộn với nước thải đi vào.
- Xả bùn dư và xử lý bùn
● Bể SBR [8]
+ SBR là một dạng của bể Aerotank, phát triển trên cơ sở xử lí bùn hoạt tính, vận hành theo từng mẻ liên tục và kiểm soát được theo thời gian, là một công trình xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, trong đó tuần tự diễn ra các quá trình thổi khí, lắng bùn và gạn nước thải. Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn tối thiểu của bể là 2.
+ Chia làm 5 pha (làm đầy – phản ứng, thổi khí – lắng – rút nước – chờ) và được sục khí bằng máy nén khí, máy sục khí dạng jet hoặc thiết bị khuấy trộn cơ học, chu kì hoạt động của ngăn bể được điều khiển bằng rơ le thời gian, trong bể có bố trí hệ thống vớt váng, thiết bị
Hình 2.18 Sơ đồ hoạt động bể SBR. [18]
- Pha làm đầy (filling): nước thải được đưa vào bể SBR đủ một lượng đã quy định trước, nước thải vào sẽ mang một lượng thức ăn cho các vi khuẩn trong bùn hoạt tính, tạo môi trường có các phản ứng sinh hóa xảy ra. Nước đưa vào bể có thể làm việc theo 3 chế độ: làm đầy tĩnh, khuấy trộn hoặc thông khí.
- Pha sục khí (khử BOD) (reaction): các quá trình nitrit hóa, nitrat hóa và phân giải các hợp chất hữu cơ được tiến hành nhờ vào việc cung cấp khí trong bể. Trong pha này còn xảy ra quá trình nitrat hóa, amoniac trong nước thải sẽ được chuyển hóa thành nitrit và nitrat.
- Pha lắng trong (settling): sau khi quá trình oxi hóa xảy ra, các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình lắng được diễn ra trong môi trường tĩnh hoàn toàn. Bông bùn được lắng xuống đáy bể và nước nổi lên trên tạo lớp màng phân các bùn và đặc trưng, đồng thời sẽ xảy ra quá trình phản nitrat, nitrat và nitrit được tạo ra ở pha trên sẽ bị khử nito. - Xả cặn dư và xả nước ra (discharge): nước nổi trên bề mặt sau một thời gian lắng sẽ được tháo ra khỏi bề SBR , lượng cặn dư cũng được xả ra theo.
- Chờ tiếp nhận nước thải mới, thời gian chờ có thể phụ thuộc vào thời gian vận hành, đo mức bùn.
+ SBR có thể thực hiện các quá trình khử carbon, nitrat hóa, khử nitrat và khử phosphor sinh hóa do có thể điều chỉnh được quá trình hiếu khí, thiếu khí, và kỵ khí trong bể bằng việc cung cấp oxy.Quá trình xử lý này cho hiệu quả xử lý nước thải rất cao. BOD5 của nước thải sau xử lý thường thấp hơn 20mg/l, hàm lượng cặn lơ lửng từ 3 – 25 mg/l và N-NH3 khoảng từ 0.3 – 12 mg/l.
+ Ưu điểm:
- Không cần bể lắng và tuần hoàn bùn
- Trong pha làm đầy, bể SBR đóng vai trò như bể cân bằng vì vậy bể SBR có thể chịu được tải trọng cao và sốc tải.
- Ít tốn diện tích xây dựng do các quá trình cân bằng cơ chất, xử lý sinh học và lắng được thực hiện trong cùng một bể.
- TSS đầu ra thấp, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và khử nitrat hóa cao. - Quá trình kết bông tốt do không có hệ thống gạt bùn cơ khí.
- Hệ thống có điều khiển hoàn toàn tự động. - Chi phí đầu tư và vận hành thấp.
- Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị (các thiết bị ít) mà không cần phải tháo nước cạn bể. Chỉ tháo nước khi bảo trì các thiết bị như: cánh khuấy, mô-tơ, máy thổi khí, hệ thống thổi khí.
+ Nhược điểm:
- Nếu như quá trình lắng bùn xảy ra sự cố thì sẽ dẫn bùn trôi ra theo đường ống. - Người vận hành phải có kỹ thuật cao.
- Có thể xảy ra quá trình khử nitrat trong pha lắng nếu thời gian lưu bùn dài. Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng bùn nổi do bị khí nito đẩy lên và xảy ra nghiêm trọng vào những ngày có nhiệt độ cao.
b.2 Công nghệ ứng dụng bùn bám dính ● Bể lọc sinh học
+ Bể lọc sinh học là công trình nhân tạo, trong đó nước thải được lọc qua vật liệu rắn có bao bọc một lớp màng vi sinh vật. Bể lọc sinh học gồm các phần chính như sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều lên toàn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống phân phối khí cho bể lọc.
+ Quá trình oxy hóa chất thải trong bể lọc sinh học diễn ra giống như trên cánh đồng lọc nhưng với cường độ lớn hơn nhiều. Màng vi sinh vật đã sử dụng và xác vi sinh vật chết theo nước trôi khỏi bể được tách khỏi nước thải ở bể lắng đợt 2. Để đảm bảo quá trình oxy hoá sinh hóa diễn ra ổn định, oxy được cấp cho bể lọc bằng các biện pháp thông gió tự nhiên hoặc thông gió nhân tạo. Vật liệu lọc của bể lọc sinh học có thể là nhựa Plastic, xỉ vòng gốm, đá Granit,...
+ Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxy hoá các chất bẩn hữu cơ trong nước. Các màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí và tuỳ tiện. Các vi khuẩn hiếu khí tập trung ở lớp ngoài của màng sinh học, ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng dính bám).
Hình 2.19 Bể lọc sinh học [19]
+ Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã làm sạch được thu gom xả vào bể lắng bậc 2. Nước thải vào bể lắng bậc 2 có thể kéo theo những mãnh vở của màng sinh học bị tróc ra khi lọc làm việc. Trong thực tế, một phần nước đã qua bể lắng được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc. + Các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bỡi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học. Màng này thường dày khoảng 0,1 – 0,4mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí, sau đó thấm sâu vào màng, nước hết oxi hòa tan và sẽ chuyển sang phân hủy bỡi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng dính kết cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Hiện tượng này gọi là tróc màng. Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện.
+ Lọc sinh học đang được dùng hiện nay chia làm 2 loại: Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước và lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước.
+ Phương pháp lọc có ưu điểm là: đơn giản, tải lượng chất gây ô nhiễm thay đổi trong giới hạn rộng trong ngày, thiết bị cơ khí đơn giản và tiêu hao ít năng lượng nhưng cũng có nhược điểm là hiệu suất quá trình phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ không khí, chiều dày màng sinh học, tốc độ oxi hóa, cường độ hô hấp của vi sinh vật, bản chất các chất hữu cơ, đặc tính bể lọc, độ thấm ướt của màng…
● Bể MBBR [8]
+ MBBR là từ viết tắt của cụm từ Moving Bed Biofilm Reactor, được mô tả một cách dễ hiểu là quá trình xử lý nhân tạo trong đó sử dụng các vật làm giá thể cho vi sinh dính bám vào để sinh trưởng và phát triển, là sự kết hợp giữa Aerotank truyền thống và lọc sinh học hiếu khí.
+ Công nghệ MBBR là công nghệ mới nhất hiện nay trong lĩnh vực xử lý nước thải vì tiết kiệm được diện tích và hiệu quả xử lý cao. Vật liệu làm giá thể phải có tỷ trọng nhẹ hơn nước đảm bảo điều kiện lơ lửng được, mật độ giá thể tối đa trong bể MBBR nhỏ hơn 67%. Các giá thể này luôn chuyển động không ngừng trong toàn thể tích bể nhờ các thiết bị thổi khí và cánh khuấy. Mật độ vi sinh ngày càng gia tăng, hiệu quả xử lý ngày càng cao.
+ Những giá thể này được thiết kế sao cho diện tích bề mặt đạt hiệu dụng lớn nhất, để lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động vi sinh vật khi những giá thể này lơ lửng trong nước và tiếp xúc với chất dinh dưỡng. Kaldnes Miljoteknologi AS đã phát triển những giá thể động có hình dạng và kích thước khác nhau. Tùy thuộc vào đặc tính quá trình tiền xử lý, tiêu chuẩn xả thải và thể tích thiết kế bể thì mỗi loại giá thể có hiệu quả xử lý khác nhau. Hiện tại trên thị trường có 5 loại giá thể khác nhau: K1, K2, K3, Natri và Biofilm Chip M.
● Màng sinh học MBR [8], [25]
+ Công nghệ màng lọc sinh học MBR là công nghệ triển vọng trong thập kỷ qua ứng dụng cho cả nước cấp và xử lý nước thải. Ngày nay, màng lọc sinh học MBR cũng được dùng trong xử lý nước cấp để loại bỏ chất rắn lơ lửng và màu đục của nước. Sự kết hợp giữa màng lọc sinh học MBR với quá trình bùn hoạt tính đã được đánh giá trên các công trình xử lý nước thải, tối ưu quá trình xử lý vi sinh và nước sau xử lý có thể dùng để tái sử dụng. Ba ưu điểm quan trọng và dẫn đầu của công nghệ MBR trong xử lý nước thải: - Nước sau xử lý bằng màng lọc sinh học MBR chất lượng và được diệt khuẩn và có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ.
- Kích thước mặt bằng được giảm thiểu tối đa so với công nghệ truyền thống. - Quá trình xử lý vi sinh hiệu quả và ổn định luôn được duy trì.
+ Hệ thống màng lọc sinh học MBR có thể sử dụng trong môi trường phản ứng vi sinh kỵ khí hoặc hiếu khí từ sinh khối.
+ Việc ứng dụng MBR kết hợp giữa công nghệ lọc màng và bể lọc sinh học như là một công đoạn trong quy trình xử lý nước thải có thể thay thế cho vai trò tách cặn của