2.2. Phương pháp xử lý hóa học
2.2.1. Bể keo tụ tạo bông
Các hạt keo lơ lửng trong nước thải có kích thước từ 10-8 – 10-7 cm, nếu khơng có hóa chất keo tụ, các hạt keo này không thể khử ra khỏi nước bằng lắng lọc thông thường. Nếu trong nước thải có chứa nhiều loại keo và tạp chất lơ lửng làm ngăn cản quá trình xử lý sinh học, hoặc khó xử lý bằng sinh học thì nên áp dụng quá trình keo tụ tạo bơng cặn rồi lắng để giảm bớt hàm lượng của chúng. Nước thải có chứa dầu mỡ có dạng nhũ tương có thể kết tủa bằng keo tụ. Nước thải có chứa nhũ tương như xà phịng và các anion hoạt tính bề mặt có thể bị phá vỡ và kết tủa khi cho muối CaCl2 vào để keo tụ. Nhiều loại nước thải có chứa nhũ tương, các loại nhũ tương này có thể phá vỡ và kết tủa khi giảm pH của nước thải xuống khoảng axit.
Một số hóa chất dùng để keo tụ nước thải cơng nghiệp như: Vôi, phèn nhôm, FeCl3, FeCl2, FeSO4.7H2O, cation polyme, anion polyme, cặn tạo độ đục.
Nguyên tắc của quá trình keo tụ: cho vào trong nước thải các hạt keo mang điện tích trái dấu với các hạt lơ lửng có trong nước thải (các hạt có nguồn gốc silic và chất hữu cơ có trong nước thải mang điện tích âm, cịn các hạ nhơm hidroxit và săt hidroxit được đưa vào mang điện tích dương). Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện trái dấu này sẽ liên kết lại thành các bơng cặn có kích thước lớn hơn và dễ lắng hơn.
2.2.2. Bể trung hịa
Nhiều xí nghiệp có nước thải có chứa axit hoặc kiềm cần phải trung hịa trước khi thải ra nguồn tiếp nhận, hoặc cho tiếp vào các khâu xử lý hóa học, sinh học tiếp sau. Đối với xử lý sinh học pH cần phải giữ trong suốt quá trình từ 6,5 đến 8 để đảm bảo cho quá trình xử lý diễn ra bình thường.
Các q trình trung hịa
Khuấy trộn nước thải có chứa axit với nước thải kiềm (thường kết hợp với bể điều hòa). Kết quả được đo bằng máy đo pH tự động. Nếu pH còn lệch ra ngồi khoảng giá trị mong muốn thì tự động cho thêm axit để giảm pH hoặc cho thêm kiềm để tăng thêm pH.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
Trung hịa nước thải có chứa axit bằng cách lọc qua lớp đá vơi. Q trình lọc có thể là xi, nước đi từ trên xuống hay lọc ngược, nước đi từ dưới lên. Khi lọc xuôi: Tốc độ lọc v nên lấy ≤ 54 m/h để đảm bảo đủ thời gian tiếp xúc. Nồng độ axit H2SO4 trong nước thải phải lấy nhỏ hơn 0,6% để đảm bảo không tạo ra lớp cặn đóng vảy CaSO4 làm tắc, trít lớp lọc và giải phóng q nhiều CO2 làm ngăn cản quá trình trung hịa. Nếu áp dụng chế độ lọc ngược, nước đi từ dưới lên, có thể tăng tốc độ lọc đến 60 m/h vì sản phảm phụ của phản ứng trung hòa được dòng nước đẩy lên và đưa ra ngồi, chưa kịp dính bám vào lớp lọc. Do mức dộ tăng pH phụ thuộc vào chiều dày lớp lọc và tốc độ lọc nên việc lọc qua lớp đá vơi chỉ có kết quả ổn định khi nồng độ axit trong nước thải ổn định, không dao động theo lưu lượng và thời gian.
Hình 2.8: Sơ đồ trạm trung hịa axit bằng lọc qua đá vơi
Các hóa chất dùng để trung hịa:
- Trung hịa nước thải có tính axit có thể dùng vôi sữa 5-8% thời gian phản ứng kết thúc trong thời gian 10 phút, ngoài vơi cịn dùng NaOH, Na2CO3, NH4OH hoặc Mg(OH)2.
- Trung hịa nước thải có tính kiềm có thể dùng các axit mạnh, tuy nhiên vì lý do kinh tế, chỉ giới hạn dùng 2 loại axit H2SO4 và HCl. Ngồi axit có thể dùng khói lị có chứa lượng CO2 > 14% bằng cách sục khí khói lị đi từ dưới lên, khí CO2 tan vào nước tạo thành axit H2CO3 trung hòa độ kiềm của nước, phản ứng diễn ra chậm nhưng có thể giảm pH từ cao xuống đến 7 hoặc 8.
Khi chọn hóa chất để trung hịa phải căn cứ các chỉ tiêu sau:
- Tốc độ phản ứng, phản ứng nhanh thể tích cơng trình giảm.
- Lượng cặn tạo ra và biện pháp xử lý cặn.
- Đơn giản và an toàn trong quá trình pha chế, định lượng và lưu trữ.
- Giá thành các thiết bị chứa, pha chế định lượng và chi phí quản lý.
- Phản ứng phụ, tạo cặn, đóng vảy, ăn mịn, phát nhiệt,...
- Mức độ nguy hại khi định lượng thiếu hoặc quá liều lượng.
2.2.3. Tuyển nổi
Thiết bị tuyển nổi dùng để khử chất lơ lửng, dầu, mỡ có trong nước thải; để tách và cơ đặc bùn. Một phần của dịng nước thải hay nước đã được lắng trong, trộn đều với khơng khí và được nén với áp lực từ 3,4 đến 4,8 atm để khơng khí hịa tan bão hịa vào nước. Khi hỗn hợp nước bão hịa khơng khí được đưa vào buồng giảm áp lực đến áp
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
lực khí quyển, khí hịa tan trong nước sẽ tách ra dưới dạng các bọt nhỏ li ti, cặn lơ lửng, các giọt dầu dính vào bề mặt các bọt khí và nổi lên mặt nước cùng các bọt khí rồi được gạt ra ngồi, cặn nặng lắng xuống, cịn nước trong được thu vào ở phần dưới của thiết bị tuyển nổi. Một phần của nước trong được bơm vòng lại vào thùng áp lực hịa trộn với khơng khí để bão hịa khí.
Các loại bể tuyển nổi thường gặp:
- Tuyển nổi phân tán khơng khí bằng thiết bị cơ học, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khai khoáng cũng như lĩnh vực xử lý nước thải, các thiết bị kiểu này cho phép tạo bọt khí khá nhỏ.
- Tuyển nổi phân tán khơng khí bằng máy bơm khí nén: qua các vịi phun (xử lý nước thải chứa các tạp chất dễ ăn mòn vật liệu chế tạo các thiết bị cơ giới với các ci tiết chuyển động), qua các tấm xốp,…
- Tuyển nổi với tách khơng khí từ nước (tuyển nổi chân khơng, tuyển nổi khơng áp, tuyển nổi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí nước): được sử dụng rộng rãi với nước thải chứa chất bẩn kích thước nhỏ vì nó cho phép tạo bọt khí rất nhỏ.
- Tuyển nổi điện, tuyển nổi sinh học, tuyển nổi hóa học.
Hình 2.9: Bể tuyển nổi 2.3. Phương pháp xử lý sinh học 2.3. Phương pháp xử lý sinh học
2.3.1. Các cơng trình xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí a) Bể bùn hoạt tính (Aerotank)[9] a) Bể bùn hoạt tính (Aerotank)[9]
Chất thải hữu cơ được đưa vào bể phản ứng, ở đó các vi khuẩn hiếu khí được duy trì ở trạng thái lơ lửng. Trong bể phản ứng, các vi sinh vật thực hiện những biến đổi theo phương trình sau:
- Sự oxy hóa tổng hợp:
CxHyOzN + O2 + NH3 → C5H7NO2 + CO2 + ΔH (Chất hữu cơ) (Tế bào vi khuẩn)
- Hô hấp nội sinh:
C5H7NO2 + 5O2 → 5CO2 + NH3 + 2H2O + ΔH
Q trình bùn hoạt tính được thực hiện trong bể hiếu khí Aerotank. Q trình phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ hòa tan hoặc dạng keo xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
Việc cung cấp oxy nhằm đảm bảo các yêu cầu:
- Cung cấp lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng
- Xáo trộn đều vi sinh vật (bùn) và chất hữu cơ trong nước thải và chúng sử dụng chất hữu cơ như thức ăn.
- Khi vi sinh vật phát triển và được xáo trộn bởi khơng khí chúng sẽ kết lại thành khối với nhau tạo thành bùn hoạt tính – bơng bùn sinh học.
Các yếu tố ảnh hưởng đến bùn hoạt tính: các hợp chất hóa học, kim loại, nhiệt độ,…
Hiệu quả xử lý nước thải của bùn hoạt tính hiếu khí cao hơn bùn hoạt tính kỵ khí nhưng trong bể sử dụng bùn hoạt tính hiếu khí xảy ra q trình oxy hóa của NH4+ - N làm giảm pH của nước thải so với dịng chảy.
Có thể kiểm sốt q trình bùn hoạt tính bằng các thơng số sau: hàm lượng chất rắn MLVSS, tỉ số F/M, thời gian lưu bùn (SRT), thử nghiệm lắng và SVI, vi sinh.
Ưu điểm:
- Hiệu quả xử lý cao.
- Loại bỏ các chất hữu cơ.
- Giảm thiểu tối đa mùi hơi.
- Nitrat hóa sinh học mà khơng cần thêm hóa chất.
- Loại bỏ photpho sinh học.
- Mơi trường xử lý hiếu khí loại bỏ rất nhiều mầm bệnh chứa trong nước thải nông nghiệp.
- Ổn định bùn.
Nhược điểm: Nhược điểm chính của xử lý hiếu khí là tổn thất năng lượng cung cấp cho
khí với tốc độ đủ để duy trì nồng độ oxy hịa tan cần thiết để duy trì điều kiện hiếu khí trong nước thải được xử lý cho sự tăng trưởng hiếu khí.
b) Bể SBR[9]
Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn (do q trình làm thống và lắng trong được thực hiện trong cùng 1 bể). Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống như sau: 1- làm đầy, 2 – sục khí, 3 – lắng trong, 4 – xả cặn dư và xả nước ra, 5 – chờ tiếp nhận nước thải mới. Tiếp tục thực hiện xử lý theo chu kỳ mẻ nước thải khác.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
Hình 2.10: Các bước trong chu kỳ hoạt động của hệ thống SBR
Ưu điểm:
- Bể SBR là cơng trình xử lý sinh học, có thể xử lý các loại nước thải sinh hoạt, cơng nghiệp.
- Có khả năng khử nitơ, photpho cao, TSS đầu ra thấp.
- Khơng có bể lắng 2 cũng như tuần hồn bùn hoạt tính. Ít tốn diện tích xây dựng.
- Chi phí đầu tư, vận hành thấp.
- Có khả năng điều khiển tự động hoàn toàn.
Nhược điểm:
- SBR thích hợp với cơng trình xử lý nước thải < 5000 m3/ngày đêm.
- Cần có trình độ kỹ thuật cao cho cơng tác quản lý, vận hành bể.
c) Bể MBR [10]
Màng (Membrane): bất cứ vật liệu nào hình thành lớp mỏng và có khả năng chịu áp suất lớn để tách các thành phần trong dung dịch như chất lơ lửng, dung mơi, chất hịa tan.
Màng chia làm 3 loại:
- Lọc (Filtration): còn gọi là màng bán thấm. Màng này cho phép nước đi qua, những thành phần khác giữ lại ở bề mặt.
- Thấm (Permeation): hỗn hợp khí, nước được tách ra. Khí thấm qua màng, nước giữ lại.
- Thẩm tích (Dialysis): màng chì cho ion, nhưng khơng cho nước đi qua [10]. MBR (Membrane Bio Reactor) là công nghệ xử lý mới với sự kết hợp giữa công nghệ màng lọc với công nghệ xử lý nước thải theo phương pháp sinh học hiếu khí. Cơng nghệ phát triển lần đầu tiên vào thập niên những năm 1970 và hiện nay là công nghệ được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
Hình 2.11: Màng MBR
Cơng nghệ MBR sử dụng các màng lọc đặt ngập trong bể xử lý sinh học hiếu khí. Nước thải được xử lý bởi các bùn sinh học và bùn này sẽ được giữ lại qua quá trình lọc màng. Vì vậy nâng cao hiệu quả khử cặn lơ lửng trong nước sau xử lý. Hàm lượng cặn lơ lửng bên trong bể sinh học sẽ gia tăng nhanh chóng làm cho khả năng phân hủy sinh học các chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào cũng tăng theo. Ngoài ra, nước thải sau xử lý cịn loại bỏ cặn lơ lửng và có độ trong suốt cao.
Cơng nghệ màng lọc sinh học MBR (membrane bioreactor) là sự kết hợp q trình bùn hoạt tính sinh học và màng lọc. Đây là một trong những phương pháp tiên tiến, đã được áp dụng xử lý thành công nhiều loại nước thải khác nhau từ đô thị cho tới nước thải cơng nghiệp, y tế có thành phần phức tạp và khó xử lý [19].
Cấu tạo màng lọc MBR là các sợi rỗng hoặc các tấm phẳng với kích thước lỗ màng là 0,1 – 0,4 µm, màng chỉ cho nước sạch đi qua, cịn các chất rắn lơ lửng, hạt keo, vi khuẩn, một số virus và các phân tử hữu cơ kích thước lớn,… sẽ được giữ lại trên bề mặt màng. Nước sạch sẽ theo đường ống thốt ra ngồi nhờ hệ thống bơm hút. Bên cạnh đó, máy thổi khí sẽ cấp khí liên tục, nhằm cung cấp khí cho hệ vi sinh hoạt động và tạo áp lực lên thành sợi màng thổi bung các cặn bùn bám trên thân màng, đảm bảo màng sẽ khơng bị nghẹt trong suốt q trình hoạt động.
Ưu điểm:
- Hiệu suất xử lý của MBR tính theo COD, BOD đạt khoảng 90 – 95%.
- Thuận lợi khi nâng cấp công suất đến 20% mà khơng phải gia tăng thể tích bể.
- Tăng hiệu quả xử lý sinh học 10 – 30% do MLSS tăng 2 – 3 lần so với Aerotank truyền thống.
- Tiết kiệm diện tích xây dựng vì thay thế cho tồn cụm Bể lắng → Bể trung gian → Bể lọc → Bể khử trùng.
- Hệ thống tinh gọn, dễ quản lý do có ít cơng trình đơn vị.
- Có thể tái sử dụng nước sau màng lọc để tưới cây, rửa đường.
Nhược điểm:
- Màng có thể bị tắt nghẽn do bùn sinh học.
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất bia Sài Gịn Sóc Trăng cơng suất 400 m3/ngày đêm.
- Quy mô vừa và nhỏ đã được sử dụng tuy nhiên quy mơ lớn chưa được ứng dụng nhiều do chi phí đầu tư và vận hành.
- Bùn sinh ra khó khử nước hơn so với bùn hoạt tính thơng thường.
d) Bể MBBR [9]
MBBR là một dạng của quá trình XLNT bằng bùn hoạt tính bởi lớp màng sinh học (biofilm).
Bể MBBR gồm 2 loại: bể hiếu khí và bể kỵ khí.
Hình 2.12: Bể MBBR hiếu khí và thiếu khí [30]
Trong q trình MBBR, lớp màng biofilm phát triển trên giá thể lơ lửng trong lớp chất lỏng của bể phản ứng. Những giá thể này chuyển động trong chất lỏng nhờ hệ thống sục khí cung cấp oxy cho nước thải hay motor khuấy.
Nhân tố quan trọng của quá trình xử lý này là các giá thể động có lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt. Lớp màng biofilm là quần thể các vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể. Chủng loại vi sinh vật trong màng biofilm tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt tính lơ lửng. Hầu hết các vi sinh vật trên biofilm thuộc loại dị dưỡng (chúng sử dụng cacbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế. Các vi sinh vật tùy tiện có thể sư dụng oxy hịa tan trong hỗn hợp nước thải, nếu oxy hịa tan khơng có sẵn thì những vi sinh vật này sử dụng Nitrit/Nitrat như là chất nhận điện tử.
Nồng độ sinh khối dao động từ 3000 – 4000 gTSS/m3 → Tải trọng thể tích trong MBBR cao hơn gấp vài lần trong q trình xử lý bằng bùn hoạt tính.
Các quy trình màng sinh học được ưa chượng thay vì các quy trình bùn hoạt tính. Có một số lý do cho việc này, chẳng hạn như:
- Nhà máy xử lý cần ít khơng gian hơn (một yếu tố chi phí quan trọng).
- Kết quả xử lý cuối cùng ít bị ảnh hưởng bởi sự phân tách sinh khối do sự tập trung sinh khối được tách ra ít nhất 10 lần và có độ linh hoạt cao hơn so với lựa chọn phương pháp tách sinh khối (nghĩa là tuyển nổi hoặc lọc nhỏ giọt).
- Sinh khối kèm theo trở nên chuyên biệt hơn (nồng độ cao hơn của các sinh vật có liên quan) tại một điểm nhất định trong q trình đào tạo, bởi vì khơng có sinh