CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
2.3. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo
2.3.3. Phương pháp xử lý sinh học
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 cơng trình khác nhau. Và tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng hồ sinh học hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý.
Hình 2.2 Các cơng trình xử lý bằng phương pháp sinh học.2.3.3.1. Phương pháp xử lý hiếu khí. 2.3.3.1. Phương pháp xử lý hiếu khí.
Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện có oxy. Q trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn:
Oxy hóa các chất hữu cơ:
CxHyOz+ O2 Emzyme CO2+ H2O + ΔH Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz+ O2+ NH3 Emzyme Tế bào vi khuẩn (C5H7O2N) + CO2+ H2O - ΔH Phân hủy nội bào:
C5H7O2N + O2 Emzyme 5CO2+ 2H2O + NH3± ΔH.
a. Hiếu khí tự nhiên.
Cánh đồng tưới.
- Mục đích: Dùng để tưới bón cho cây trồng cung cấp chất hữu cơ, khi nước nước thải đã được loại bỏ và không chứa chất độc cùng vi sinh vật gây bệnh.
- Hiệu quả: Làm giảm nồng độ BOD cũng như giảm nồng độ nitơ và vi khuẩn. Nước thải không cần khử khuẩn mà có thể đổ vào nguồn tiếp nhận.
- Nguyên lý hoạt động:
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của Cánh đồng tưới.
Hình 2.5 Xử lý nước thải bằng cách lọc chậm qua đất.
Hình 2.7 Cánh đồng lọc bằng chảy tràn mặt.
Hình 2.8 So sánh chất lượng nước thải xử lý qua 3 phương pháp lọc chậm, thấm nhanh và chảy tràn mặt của hệ thống xử lý tự nhiên qua đất.
Tùy theo hiện trạng của đất (loại đất, hướng dốc, độ dốc, tầng nước ngầm, mục tiêu sử dựng đất,…) người ta có thể một phương thức xử lý hoặc kết hợp nhiều phương thức khác nhau.
Hồ sinh học hiếu khí.
- Hồ sinh học là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn lại là hồ oxy hóa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra q trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác.
- Oxy được cung cấp cho quá trình oxy hóa chất hữu cơ chủ yếu do sự khuếch tán khơng khí qua mặt nước và q trình quang hợp của các thực vật nước (rong, tảo,...). Chiều sâu hồ phải bể (thường khoảng 30 - 40 cm) để đảm bảo cho điều kiện hiếu khí có thể duy trì tới đấy hồ. Trong hồ, nước thải được xử lý bởi quá trình cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn, các động vật bậc cao hơn như nguyên sinh động vật cũng xuất hiện trong hồ và nhiệm vụ của chúng là làm sạch nước thải (ăn các vi khuẩn). Các nhóm vi khuẩn, tảo hay nguyên sinh động vật hiện diện trong hồ tùy thuộc vào các yếu tố như lưu lượng nạp chất hữu cơ, khuấy trộn, pH, dưỡng chất, ánh sáng và nhiệt độ. Thời gian lưu nước từ 3 đến 12 ngày. Nước thải được đưa vào và thoát ra theo đường chéo của hồ sẽ tăng hiệu suất xử lý.
- Hiệu suất chuyển hóa BOD5 của hồ rất cao, có thể lên đến 95%. Tuy nhiên, chỉ có BOD5 dạng hịa tan mới bị loại khỏi nước thải đầu vào và trong nước thải đầu ra chứa nhiều tế bào tảo và vi khuẩn, do đó nếu phân tích tổng BOD5 có thể sẽ lớn hơn cả tổng BOD5của nước thải đầu vào. Nhiều thống số không thể khống chế được nên hiện nay người ta thường thiết kế theo lưu lượng nạp đạt từ các mơ hình thử nghiệm. Việc điều chỉnh lưu lượng nạp phản ánh lượng oxy có thể đạt được từ quang hợp và trao đổi khí qua bề mặt tiếp xúc nước, khơng khí.
- Do độ sâu nhỏ, thời gian lưu nước dài nên diện tích của hồ lớn. Vì thế hồ chỉ thích hợp khi kết hợp việc xử lý nước thải với ni trồng thủy sản cho mục đích chăn ni và cơng nghiệp.
Hình 2.9 Hồ hiếu khí làm thống tự nhiên. b. Hiếu khí nhân tạo.
Xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí nhân tạo dựa trên nhu cầu oxy cần cung cấp cho vi sinh vật hiếu khí có trong nước thải hoạt động và phát triển. Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng các chất hữu cơ, các nguồn N và P cùng với một số nguyên tố vi lượng khác làm nguồn dinh dưỡng để xây dựng tế bào mới, phát triển tăng sinh khối. Bên cạnh đó q trình hơ hấp nội bào cũng diễn ra song song, giải phóng CO2và nước. Cả hai q trình dinh dưỡng và hơ hấp của vi sinh vật đều cần oxy. Để đáp ứng nhu cầu oxy hòa tan trong nước, người ta thường sử dụng hệ thống sục khí bề mặt bằng cách khuấy đảo hoặc bằng hệ thống khí nén.
Q trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng (bùn hoạt tính).
Q trình này sử dụng bùn hoạt tính dạng lơ lửng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất hữu cơ dạng lơ lửng. Sau một thời gian thích nghi, các tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng và phát triển. Các hạt lơ lửng trong nước thải được các tế bào vi sinh vật bám lên và phát triển thành các bơng cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ. Các hạt bông cặn dần dần lớn lên do được cung cấp oxy và hấp thụ các chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển.
Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, bên cạnh đó cịn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, nguyên sinh động vật, gian, sán,... kết thành dạng bông với trung tâm là các hạt lơ lửng trong nước. Trong bùn hoạt tính ta thấy có
lồi Zoogelea trong khối nhầy. Chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy xung quanh tế bào, bao nhầy này là một polymer sinh học với thành phần là polysaccharide có tác dụng kết các tế bào vi khuẩn lại tạo thành bơng.
Hồ hiếu khí làm thống nhân tạo.
- Hồ hiếu khí làm thống nhân tạo: hay cịn gọi là hồ sục khí cung cấp oxy bằng khí nén, máy khuấy,… thúc đẩy q trình phân hủy hiếu khí của các vi sinh vật hiếu khí. Tăng hiệu xuất xử lý và rút ngắn thời gian xử lý. Chiều sâu của hồ từ 2 đến 4,5 m. Thời gian lưu nước từ 1 đến 3 ngày.
- Hồ hiếu khí làm thống nhân tạo do có chiều sâu hồ lớn, mặt khác việc làm thống cũng khó đảm bảo tồn phần vì thế một phần lớn của hồ làm việc như hồ hiếu - kỵ khí, nghĩa là phần trên hiếu khí, phần dưới kỵ khí.
Hình 2.10 Hồ hiếu khí làm thống nhân tạo.
Lọc sinh học.
- Bể lọc sinh học là cơng trình nhân tạo, nước thải được lọc qua lớp vật liệu rắn có bao bọc lớp màng vi sinh vật. Bể lọc sinh học bao gồm các thành phần như:
+ Phần chứa vật liệu lọc.
+ Hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều nước trên toàn bộ bề mặt bể. + Hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc.
- Có 2 loai bể lọc sinh học: Bể lọc sinh học nhỏ giọt và Bể lọc sinh học cao tải.
Bảng 2.2 So sánh 2 loại bể lọc sinh học.
Bể lọc sinh học nhỏ giọt Bể lọc sinh học cao tải Cấu tạo Có dạng hình vng, hình
chữ nhật hoặc hình trịn trên mặt bằng.
Bể có dạng hình trong trên mặt bằng.
Ngun tắc
hoạt động Nước thải sau bể lắng đợt Iđược đưa về thiết bị phân phối theo chu kỳ tưới đều nước trên toàn bộ bề mặt bể lọc. Nước thải sau khi lọc chảy vào hệ thống thu nước ra khỏi bể. Oxy cấp cho bể chủ yếu là hệ thống lỗ xung quang thành bể.
Nước thải tưới lên mặt bể nhờ hệ thống phân phối phản lực. BOD quá cao người ta phải tiến hành pha loãng bằng nước thải sạch (tuần hoàn nước). Nếu chiều cao vật liệu lọc lớn hơn 2 m bể phải được cấp khí cưỡng bức bằng hệ thống thơng gió từ phía dưới đáy bể. Được áp dụng xử lý nước thải công suất dưới 50000 m3/ngày đêm.
Vật liệu lọc Thường là các hạt cuội, đá,… có đường kính trung bình 20 - 30 mm.
Thường là các loại cuội, đá,… có đường kính trung bình từ 40 - 70 mm. Ngồi ra cịn dùng vât liệu lọc bằng nhựa tổng hợp hoặc xi măng aminang tấm, ống, tạo thành từng lớp.
Dùng đĩa lọc sinh học đối với lưu lượng nước thải nhỏ hơn 500 m3/ngày đêm.
Tải trọng
nước thải Tải trọng của bể thấp 0,5 -1,5 m3nước thải trên 1 m3. Tải trọng thủy lực cao, thích hợp khiBOD của nước thải cao. Aerotank.
- Bể Aerotank thông thường.
Đòi hỏi chế độ dòng chảy nút (plug - flow), khi đó chiều dài bể rất lớn so vói chiều rộng. Trong bể, nước thải vào có thể phân bố ở nhiều điểm theo chiều dài, bùn hoạt
tính tuần hồn đua vào đầu bể. Tốc độ sục khí giảm dần theo chiều dài bể. Quá trình phân hủy nội bào xảy ra ở cuối bể.
- Bể Aerotank xáo trộn hoàn tồn.
Địi hỏi chọn hình dạng bể, trang thiết bị sục khí thích hợp. Thiết bị sục khí cơ khí (motor và cánh khuấy) hoặc thiết bị khuếch tán khí thường được sử dụng. Bể này thường có dạng trịn hoặc vng, hàm lượng bùn hoạt tính và nhu cầu oxy đồng nhất trong tồn bộ thể tích bể.
- Bể Aerotank mở rộng.
Hạn chế lượng bùn dư sinh ra, khi đó tốc độ sinh trưởng thấp, sản lượng bùn thấp và chất lượng nước ra cao hơn. Thời gian lưu bùn cao hơn so với các bể khác (20 - 30 ngày).
Sinh học dạng mẻ (SBR).
Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học SBR nước thải là dựa vào khả năng oxy hóa các liên kết hữu cơ dạng hịa tan và khơng hịa tan của vi sinh vật, chúng sử dụng các liên kết đó như là nguồn thức ăn của chúng. Để có thể xử lý bằng phương pháp này thì nước thải khơng chứa các chất độc và tạp chát, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD >= 0,5.
Cơng nghệ SBR là một cơng trình xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, trong đó tuần tự diễn ra các q trình thổi khí, lắng bùn và gạn nước thải. Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn tối thiểu của bể là 2.
Công nghệ SBR: Bể phản ứng theo mẻ là dạng cơng trình xử lý nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một kết cấu.
Hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao.
Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình làm đầy nước thải → phản ứng → làm tĩnh → chắt nước → xả bùn hoạt tính; trong đó q trình phản ứng hay cịn gọi q trình tạo hạt (bùn hạt hiếu khí), q trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, đặc điểm chất nền trong nước thải đầu vào.
Công nghệ SBR đã chứng tỏ được là một một hệ thống xử lý có hiệu quả do trong q trình sử dụng:
Ít tốn năng lượng.
Dễ dàng kiểm soát các sự cố xảy ra.
Xử lý với mọi lưu lượng lớn nhỏ.
Ít tốn diện tích rất phù hợp với điều kiện mặt bằng.
Ngồi ra cơng nghệ SBR có thể xử lý với hàm lượng chất ơ nhiễm có nồng độ cao hơn.
Q trình thay đổi ln phiên trong cơng nghệ SBR không làm mất khả năng khử COD trong khoảng 90% - 92%.
Các giai đoạn xử lý sinh học bùn hoạt tính từng mẻ:
Hình 2.12 Quy trình cơng nghệ SBR.
Giai đoạn 1: Làm đầy nước thải (Fill - Mix).
Hình 2.13 Giai đoạn làm đầy.
(Ở giai đoạn này nước thải được dẫn vào bể và đường ống cấp khí có thể mở và có thể đóng. Thời gian làm đầy bể chiếm 25% của một mẻ xử lý.)
Giai đoạn 2: Phản ứng (React).
Hình 2.14 Q trình phản ứng cơng nghệ SBR.
(Ở giai đoạn này bể được sục khí liên tục - van ở ống cấp khí ln mở. Tiến hành thí nghiệm để kiểm sốt các thơng số đầu vào để có thể tạo bơng bùn hoạt tính hiệu quả
cho quá trình lắng sau này, thời gian ở giai đoạn này chiếm 35%). Giai đoạn 3: Lắng tĩnh (Settle).
Hình 2.15 Q trình lắng trong bể SBR.
(Q trình chuyển hóa, trong điều kiện thiếu oxy, các vi khuẩn khử nitrat denitrificans - dạng kỵ khí tùy tiện - sẽ tách oxy của nitrat và nitrit để oxy hóa chất hữu cơ, nitơ
Giai đoạn 4: Chắt nước (Decant).
Hình 2.16 Quá trình chắt nước hệ thống SBR.
(Thực hiện xả bùn hoạt tính - thời gian 5% - nhưng giữ lại một phần bùn trong bể như lượng bùn hoàn lưu trong bể Aerotank truyền thống. Các van nước và khí đều
đóng và chu kỳ (mẻ) mới sẽ được bắt đầu). Giai đoạn 5: Xả bùn hoạt tính (Idle).
Lưu ý: Số lượng tối thiểu của loại bể này ít nhất khơng nhỏ hơn 2 với lưu lượng >1000 m3/ngày. Dùng cho hệ thống xử lý nước có diện tích giới hạn.
Bài báo về đặc tính loại bỏ photpho của bùn hạt và flocculent trong SBR.[13]
Aerobic granulation technology has become a novel biotechnology for wastewater treatment. However, the distinct properties and characteristics of phosphorus removal between granules and flocculent sludge are still sparse in enhanced biological phosphorus removal process. Two identical sequencing batch reactors (SBRs) were operated to compare phosphorus removal performance with granular sludge (R1) and flocculate activated sludge (R2). Results indicated that the start-up period was shorter in R2 than R1 for phosphorus removal, which made R2 reach the steady-state condition on day 21, while R1 was on day 25, and R2 released and took up more phosphorus than R1. As a result, the phosphorus removal was around 90% in R2 while 80% in R1 at the steady-state system. The special phosphorus release rate and special phosphorus uptake rate were 8.818 mg P/g volatile suspended solids (VSS)/h and
9.921 mg P/g VSS/h in R2, which were consistently greater than those (0.999 and 3.016 mg P/g VSS/h) in R1. The chemical oxygen demand removal in two reactors was similar. The granular SBR had better solid-separation performance and higher removal efficiency of NH4+–N than flocculent SBR. Denaturing gradient gel electrophoresis of PCR-amplified 16S rDNA fragment analysis revealed that the diversity and the level of phosphorus-accumulating bacteria in flocculent sludge were much more than those in the granular sludge.
Sinh học tăng trưởng bám dính.
Khi dịng nước đi qua những lớp vật liệu rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽ bám dính lên bề mặt. Trong số các vi sinh vật này có lồi sinh ra các polysaccaride có tính chất như là một polymer sinh học có khả năng kết dính tạo thành màng. Màng này cứ dày thêm với sinh khối của vi sinh vật dính bám hay cố định trên màng. Màng được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, với mật độ vi sinh vật rất cao. Màng có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ, trong đó ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận được O2sẽ chuyển sang phân hủy kỵ khí, sản phẩm của biến đổi kỵ khí là các acid hữu cơ, các alcol,… Các chất này chưa kịp khuếch tán ra ngoài đã bị các vi sinh vật khác sử dụng. Kết quả là lớp sinh khối ngoài phát triển liên tục nhưng lớp bên trong lại bị phân hủy hấp thụ các chất bẩn lơ lửng có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc với