Xử lý sinh học thường là giai đoạn xử lý bậc hai, sau xử lý cơ học hoặc xử lý hóa học. Mục đích của việc xử lý sinh học là nhằm lọai bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học, có thể ứng dụng để làm sạch hoàn toàn các loại nước thải chứa chất hữu cơ hoà tan hoặc phân tán nhỏ. Phương pháp này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau. Quá trình xử lý sinh học gồm các bước:
- Chuyển hoá các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hoà tan thành
thể khí và thành các vỏ tế bào vi sinh
- Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải
- Loại các bông cặn ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng.
Và tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thết dùng hồ sinh học hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý. Có hai loại công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Xử lý trong điều kiện tự nhiên; Xử lý trong điều kiện nhân tạo
a. Xử lý bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của nguồn nước và đất. Để tách các chất bẩn hữu cơ dạng keo và hoà tan trong điều kiện tự nhiên người ta xử lí nước thải trong ao, hồ (hồ sinh vật) hay trên đất (cánh đồng tưới, cánh đồng lọc …).
Ưu điểm
- Đảm bảo hiệu suất xử lý cao và ổn định.
- Chi phí đầu tư xây dựng thấp. Yêu cầu kỹ năng vận hành không cao so với các
công trình thông thường khác.
- Tuổi thọ dài hơn so với tuổi thọ các công nghệ xử lý có sử dụng các thiêt bị điện,
cơ khí. Ít phụ thuộc các yếu tố như công tác xây dựng, các thiết bị điện, cơ khí.
GVHD: TS. Huỳnh Thị Ngọc Hân
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Linh 22
từ chất gây ô nhiễm.
- Có thiết kế đơn giản, phổ biến với bất kì quy mô nào từ nhỏ đến lớn. Tạo cảnh
quan
Nhược điểm
- Yêu cầu vệ sinh định kỳ bùn lắng. Giá thành xây dựng có thể tăng đáng kể.
- Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết. Các vấn đề về mùi
- Có thể mất khả năng xử lý do sự quá tải về chất rắn hoặc amonia.
Hồ sinh vật
Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên, còn gọi là hồ oxy hoá, hồ ổn định nước thải, xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học. Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hoá sinh hoá 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. Ngoài nhiệm vụ xử lý nước thải, hồ sinh học còn có thể đem lại những lợi ích:
- Nuôi trồng thủy sản. Cung cấp nguồn nước tưới cho cây trồng
- Điều hòa dòng chảy nước mưa trong hệ thống thoát nước đô thị.
Cánh đồng tưới - Cánh đồng lọc
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 sáng 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. Có 2 loại cánh đồng tưới :
- Cánh đồng tưới công cộng, chức năng chủ yếu là xử lý nước thải, còn phục vụ
cho nông nghiệp là thứ yếu.
- Cánh đồng tưới nông nghiệp, phục vụ nông nghiệp và xử lý nước thải là những
GVHD: TS. Huỳnh Thị Ngọc Hân
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Linh 23
Hình 2.10 Cơ chế xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. [8]
b. Xử lý bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo
Các màng sinh vật bao gồm các loại vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn tuỳ tiện, động vật nguyên sinh, hình thành xung quanh hạt vật liệu lọc hoặc trên bề mặt giá thể (sinh trưởng bám dính) sẽ hấp thụ chất hữu cơ. Các công trình chủ yếu là bể lọc sinh học, đĩa lọc sinh học, bể lọc sinh học có vật liệu lọc nước. Các công trình xử lý nước thải theo nguyên lý bám dính chia làm hai loại: Loại có vật liệu lọc tiếp xúc không ngập trong nước với chế độ tưới nước theo chu kỳ và loại có vật liệu lọc tiếp xúc ngập trong nước.
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 dẩn nước sau khi lọc, hệ thống phân phối khí cho bể lọc. Quá trinh oxy hoá chất thải trong bể lọc sinh học diển 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 hoá 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 có thể là nhựa Plastic, xỉ vòng gốm, đá Granit……
Bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập trong nước
Bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập trong nước hoạt động theo nguyên lý lọc dính bám. Công trình này thường được gọi là Bioten có cấu tạo gần giống với bể lọc sinh học và Aerotank. Vật liệu lọc thường được đóng thành khối và ngập trong nước. Khí được cấp với áp lực thấp và dẫn vào bể cùng chiều hoặc ngược chiều với nước thải. Khi nước thải qua lớp vật liệu lọc, BOD bị khử và NH4+ bị chuyển hoá thành
NO3- trong lớp màng sinh vật. Nước đi từ dưới lên, chảy vào máng thu và được dẫn ra
ngoài.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí
Dựa vào khả năng sống và hoạt động của các vi sinh để phân hủy – oxy hóa các chất hữu cơ ở dạng keo hòa tan có trong nước thải. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Oxi hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng
lượng của tế bào.
Giai đoạn 2: (quá trình đồng hóa): Tổng hợp để xây dựng tế bào
Giai đoạn 3: (quá trình dị hóa): Hô hấp nội bào. Khi không đủ cơ chất, quá trình
chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxi hóa chất liệu tế bào.
a. Bể hiếu khí bùn hoạt tính – Bể Aerotank
Là bể chứa hổn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở trạng thái lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxy cho vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải. Các chất lơ lửng đóng vai trò là các
GVHD: TS. Huỳnh Thị Ngọc Hân
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Linh 24
hạt nhân để cho các vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính. Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hoá chúng thành các chất trơ không hoà tan và thành các tế bào mới. Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể Aerotank của lượng nước thải ban đầu đi vào trong bể không đủ làm giảm nhanh các chất hữu cơ do đó phải sử dụng lại một phần bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy ở bể lắng đợt 2, bằng cách tuần hoàn bùn về bể Aerotank để đảm bảo nồng độ vi sinh vật trong bể. Phần bùn hoạt tính dư được đưa về bể nén bùn hoặc các công trình xử lý bùn cặn khác để xử lý.
Ưu điểm
- Hiệu suất xử lý BOD lên đến 90%. Loại bỏ được Nito trong nước thải
- Vận hành đơn giản an toàn. Thích hợp với nhiều loại nước thải
- Thuận lợi khi nâng cấp công suất lên đến 20% mà không phải tăng thể tích bể.
Nhược điểm
- Thể tích công trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng. Chi phí xây dựng công trình và
đầu tư thiết bị lớn. Chi phí năng lượng sục khí tương đối cao, không có khả năng thu hồi năng lượng.
- Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ.
Các yếu tố ảnh hưởng
- Lượng oxy hòa tan trong nước, pH, nhiệt độ, và nồng độ chất lơ lửng của nước
thải.
- Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật
- Nồng độ chất bẩn hữu cơ trong nước thải. Các chất độc tính trong nước thải
Hình 2.11 Cơ chế hoạt động của cụm bể Anoxic - Aerotank. [8]
b. Mương oxy hóa
Mương oxy hóa là dạng cải tiến của Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong điều kiệu hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính chuyển động tuần hoàn trong mương.
Nguyên lý hoạt động: nước thải từ bể lắng đợt I được dẫn vào mương oxy hóa.
Nước thải qua máy khuấy trộn vào vùng hiếu khí của mương oxy hóa và tại đây xảy ra quá trình oxy hóa chất hữu cơ và Nitrate hóa trong nước thải. Nước thải sau đó dịch chuyển đến vùng thiếu khí. Tại vùng này Nito có thể được loại bỏ với quá trình khử Nitrate hóa. Nước thải sau đó được dẫn qua bể lắng II và tiếp tục xả nước thải sau xử lý vào nguồn tiếp nhận. Bùn hoạt tính từ bể lắng II được tuần hoàn lại mương oxy hóa và bùn dư được thải ra sân phơi bùn.
GVHD: TS. Huỳnh Thị Ngọc Hân
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Linh 25 Ưu điểm
- Hiệu quả xử lý BOD, nito, photpho cao. Quản lí vận hành đơn giản
- Ít bị ảnh hưởng bởi sự dao động lớn về chất lượng và lưu lượng
Nhược điểm
- Đòi hỏi diện tích xây dựng lớn
- Thời gian lưu nước dài. Lượng oxy cung cấp cho mương lớn.
Hình 2.12 Mương oxy hóa. [8]
c. Bể sinh học theo mẻ SBR
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 môi trường thiếu khí, kị khí, hiếu khí để cho vi sinh tăng sinh khối, hấp thụ và tiêu hóa các chất thải hữu cơ trong nước thải. Chất thải hữu cơ (C, N, P) từ dạng hòa tan sẽ chuyển hóa vào sinh khối vi sinh và khi lớp sinh khối vi sinh này lắng kết xuống sẽ còn lại nước trong đã tách chất ô nhiễm, chu kỳ xử lý trên lại tiếp tục cho một mẻ nước thải mới. Quy trình hoạt động của hệ thống xử lý sinh học từng mẻ như sau:
Nạp nước thải vào bể phản ứng
Vừa nạp vừa tạo môi 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 ô 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
Hệ thống xử lý sinh học từng mẻ có những đặc trưng cơ bản sau đây:
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 có thể điều chỉnh được và là một quy trình có
thể điều khiển tự động bằng PLC.
Hiệu quả xử lý có độ tin cậy cao và độ linh hoạt
Công nghệ kỹ thuật cao, lập trình được và khả năng xử lý vượt mức hứa hẹn và
GVHD: TS. Huỳnh Thị Ngọc Hân
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Linh 26
Quá trình hoạt động của bể được chia làm 4 giai đoạn chính tạo nên một chu kỳ của bể sinh học từng mẻ
1. Giai đoạn làm đầy
2. Giai đoạn phản ứng oxy hóa sinh hóa
3. Giai đoạn lắng
4. Dẫn nước sau xử lý ra, lấy bớt bùn và để lại 25%
Hình 2.13 Sơ đồ quy trình phản ứng trong sinh học từng mẻ kết hợp khử N, P. [8]
Đây là quá trình tổng hợp có hiệu quả kết hợp khử BOD cacbon và các chất hữu cơ hòa tan N, P. Trong quá trình khử N có thể tăng cường nguồn cacbon bên ngoài bằng Metanol ở giai đoạn 4. Tuy nhiên với thành phần và tính chất nước thải chế biến thủy sản giàu cacbon hữu cơ và chất dinh dưỡng trong quá trình oxy hóa nên không cần sử dụng thêm hóa chất phụ trợ. Các quá trình sinh học trên diễn ra trong bể với sự tham gia của các vi sinh vật trong quá trình oxy hóa chất hữu cơ, đặc biệt là có sự tham gia của hai chủng loại Nitrosomonas và Nitrobacter trong quá trình nitrat hóa và khử nitrat kết hợp.
Ưu điểm
- Không cần xây dựng bể lắng 1, lắng 2 hay thậm chí là bể điều hòa.
- Chế độ hoạt động có thể thay đổi theo nước đầu vào nên rất linh động.
- Giảm được chi phí do giảm nhiều loại thiết bị so với qui trình cổ điển
Nhược điểm
- Kiểm soát quá trình khó khăn, đòi hỏi hệ thống quan trắc tự động và hiện đại.
- Do có nhiều phương tiện điều khiển hiện đại nên việc bảo trì bão dưỡng khó khăn
- Có khả năng nước đầu ra ở giai đoạn xả ra cuốn theo các bùn khó lắng.
- Do đặc điểm là không rút bùn ra nên hệ thống thổi khí dễ bị nghẹt bùn
- Nếu các công trình phía sau chịu sốc tải thấp thì phải có bể điều hòa phụ trợ.
d. Bể lọc màng MBR
MBR (Membrance Bio Reator) là công nghệ xử lý vi sinh nước thải bằng phương pháp lọc cơ học, đã được các chuyên gia trong nước, nước ngoài nghiên cứu và ứng dụng vào công nghệ xử lý nước thải. Công nghệ MBR là sự kết hợp của cả phương pháp sinh học và lý học. Mỗi đơn vị MBR được cấu tạo gồm nhiều sợi rỗng
GVHD: TS. Huỳnh Thị Ngọc Hân
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Linh 27
liên kết với nhau, mỗi sợi rỗng lại cấu tạo giống như một màng lọc với các lỗ lọc rất nhỏ mà một số vi sinh không có khả năng xuyên qua. Các đơn vị MBR này sẽ liên kết với nhau thành những module lớn hơn và đặt vào các bể xử lý. Cơ chế hoạt động của vi sinh vật trong công nghệ MBR cũng tương tự như bể bùn hoạt tính hiếu khí nhưng thay vì tách bùn sinh học bằng công nghệ lắng thì công nghệ MBR lại tách bằng màng
Ưu điểm
- Tăng hiệu quả xử lý sinh học 10-30% do MLSS tăng 2-3 lần so với Aerotank.