CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
2.3 Phương pháp xử lý sinh học
Dịch lọc cĩ thể được điều chỉnh đến độ pH cĩ lợi về mặt sinh học và chảy đến phần đầu tiên của hồ sinh học để xử lý sinh học trong điều kiện anoxic. Một số phương án cĩ thể khơng cần điều chỉnh pH. Tất cả nitrat cịn lại trong nước thải được xử lý, nước thải được khử nitrat trong mơi trường nuơi cấy anoxic. Vi khuẩn trong mơi trường nuơi cấy anoxic khử nitrat dịch lọc. Dịch lọc sau đĩ chảy lực đến phần kỵ khí của đầm sinh học nơi vi sinh vật kỵ khí chuyển đổi các hợp chất hữu cơ hịa tan cuối cùng thành carbon dioxide. Phần kỵ khí bị cản đến kênh cấm và đảm bảo tiếp xúc sinh học đầy đủ.
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 14 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
Từ phần kỵ khí, dịch lọc chảy đến Phần hiếu khí của hồ sinh học. Ở đây, các chu trình lọc từ hiếu khí đến điều kiện thiếu khí để tiếp tục loại bỏ nitơ và các hợp chất hữu cơ. Trong phần hiếu khí, khơng khí được đẩy thêm vào bằng máy thổi để tăng cường sự phát triển của các vi khuẩn hiếu khí, nitrat hĩa. Việc kiểm sốt khơng khí được điều khiển trên các máy tính và trên một chu kỳ gần 2 giờ để tạo ra các điều kiện thiếu khí và phát triển các vi khuẩn khử nitrat. Vùng hiếu khí cũng bị cản trở kênh cấm. Cuối cùng, dịch lọc sau đĩ chảy từ mơi trường hiếu khí đến bể lắng, cĩ hộp tràn đập để tăng cường dịng chảy đồng nhất, khơng bị xáo trộn. Dịch lọc đã được tinh lọc sau đĩ được bơm để trả lại một nửa lượng dịch lọc đã được tinh lọc vào chuồng lợn để xả sàn, và máy bơm tưới trở lại một nửa lượng dịch lọc đã được tinh lọc để tưới.
Phương pháp này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật cĩ khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khống làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Tùy theo nhĩm 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 cĩ thể dùng hồ sinh học hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý. [10]
Hồ sinh học: (Waste Stabilization Ponds) là các ao hồ cĩ nguồn gốc tự
nhiên hoặc nhân tạo, cịn gọi là hồ ổn định nước thải. Đây là một trong những hình thức lâu đời nhất để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.
Nguyên tắc hoạt động: Vi sinh vật sử dụng oxy từ rêu tảo trong hĩa trình
quang hợp cũng như oxy từ khơng khí để oxy hĩa các chất hữu cơ và rong tảo trong hồ lại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân hủy, oxy hĩa các chất hữu cơ của vi sinh vật. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ pH và nhiệt độ tối ưu, nhiệt độ khơng được thấp hơn 6oC.
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 15 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động hồ sinh học
Tùy theo quá trình sinh hĩa, người ta chia hồ sinh học ra làm nhiều loại hồ: hồ hiếu khí, hồ kỵ khí và hồ tùy tiện.
Ngồi chức năng xử lý nước thải, hồ sinh học cịn cĩ thể sử dụng cho mục đích: - Nuơi trồng thủy sản.
- Là nơi tích trữ nguồn nước tưới tiêu cho cây trồng.
- Điều hịa dịng chảy nước mưa trong hệ thống thốt nước đơ thị hoặc các khu cơng nghiệp, khu dân cư.
- Giúp tạo cảnh quan.
Ở nước ta hiện này hồ sinh học chiếm vị trí đặc biệt quan trọng trong các biện pháp xử lý nước thải vì cĩ nhiều thuận lợi:
- Khơng địi hỏi nhiều vốn đầu tư.
- Bảo trì, vận hành đơn giản, khơng địi hỏi cĩ người quản lý thường xuyên. - Hầu hết các đơ thị, các khu dân cư cĩ nhiều ao, hồ hay khu ruộng trũng cĩ thể sử dụng mà khơng cần cải tạo, xây dựng nhiều.
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 16 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
- Cĩ các điều kiện kết hợp mục đích xử lý nước thải với việc nuơi trồng thủy sản và điều hịa nước mưa.
Hồ sinh học hiếu khí:
Hoạt động dựa trên quá trình oxy hĩa các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí.Hiện nay người ta phân hồ sinh học hiếu khí thành hai loại:
- Hồ làm thống tự nhiên: Ơ xy cung cấp cho quá trình ơ xy hĩa chủ yếu do sự khuyếch tán khơng khí qua mặt nước và q trình quang hợp của thực vật nước (rong, tảo,…). Để đảm bảo cho ánh sáng cĩ thể xuyên qua, thì chiều sâu của hồ phải nhỏ, tốt nhất là từ 0,3 - 0,5 m. Sức chứa tiêu chuẩn lấy theo chỉ tiêu BOD vào khoảng 250 - 300 kg/ha/ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 3 - 12 ngày.
Tuy nhiên do độ sâu cần nhỏ, thời gian lưu nước lâu nên diện tích của hồ địi hỏi phải đủ lớn. Vì thế nĩ chỉ hợp lý về kinh tế khi kết hợp với việc nuơi trồng thủy sản với chăn nuơi và hồ chứa nước cho cơng nghiệp.
- Hồ hiếu khí làm thống nhân tạo: Loại này nguồn ơ xy cung cấp cho quá trình sinh hĩa là bằng các thiết vị như bơm khí nén hay máy khuấy cơ học. Do được tiếp khí nhân tạo nên chiều sâu của hồ cĩ thể từ 2 - 4,5 m, sức chứa tiêu chuẩn theo chỉ tiêu BOD khoảng 400 kg/ha/ngày. Thời gian lưu nước trong hồ chỉ cần từ 1 - 3 ngày.
Cấu tạo của hồ:
Các loại hồ sinh học hiếu khí cĩ thể làm một hoặc nhiều bậc, chiều sâu của các bậc sau sâu hơn các bậc phía trước. Thiết bị đưa nước vào hồ phải cĩ cấu tạo thích hợp để phân phối, điều hịa nước trên tồn bộ diện tích hồ. Thơng thường, hồ một bậc thường được thiết kế với diện tích 0,5 - 0,7 ha; hồ nhiều bậc thì mỗi bậc 2,25 ha; tùy theo cơng suất mà cĩ thể xây dựng làm nhiều hồ.
Hầm Biogas
Xử lý chất thải bằng Biogas dựa trên nguyên tắc hoạt động kỵ khí của các nhĩm vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kị khí. Các nhĩm vi sinh vật phân hủy các chất hữu
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 17 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
cơ tạo ra các axit hữu cơ, các axit hữu cơ tiếp tục được loại bỏ nhờ các nhĩm vi sinh loại axit tạo metan và khí cacbonic. Các hoạt động diễn ra trong bể Biogas như sau:
Lượng khí từ q trình biogas được tân thu cùng làm nguyên liệu đốt phục vụ cho hoạt động sinh hoạt, lị đốt xác heo tại trại. Nếu sau khi sử dụng cho hoạt động trong trại mà vẫn cịn dư thì Cơng ty sẽ tiến hành đốt bỏ khí gas dư, đốt an tồn, đốt từ từ và đốt cĩ kiểm sốt.
Cấu tạo: Bể Biogas sẽ được đào đắp đất thành hồ chứa. Thành và đắt bể đều được lĩt bạt chống thấm đảm bảo khơng để rị rỉ nước thải ra ngồi.
Ưu điểm:
- Chất thải từ quá trình chăn nuơi sẽ được đưa vào hầm biogas một cách trực tiếp nên khơng gây nên những ảnh hưởng tiêu cực tới mơi trường. Mùi hơi của chất thải sẽ bị hạn chế, khơng gây ảnh hưởng đến mơi trường đất, nước như khi xả thải trực tiếp ra mơi trường như trước đây.
- Những chất cĩ ảnh hưởng tới mơi trường trong chất thải sẽ được giải quyết một cách triện để, làm giảm đi hiệu ứng nhà kính tưởng chừng như chỉ xuất hiện ở thành phố lớn.
- Tạo ra lượng khí sinh học đặc biệt, cĩ thể thay thế cho chất đốt truyền thống hoặc biến đổi thành điện năng sử dụng hàng ngày. Với những hộ chăn nuơi quy mơ lớn thì cĩ thể tiết kiệm tối đa chi phí điện năng, chất đốt cần thanh tốn nhờ lượng khí sinh ra nhiều.
- Đàn vật nuơi cĩ diều kiện phát triển khỏe mạnh, tránh được những dịch bệnh nguy hiểm cĩ thể xảy ra, nâng cao năng suất và thu được lợi ích kinh tế cho bà con.
- Chất thải được xử lý tốt, lượng phân cịn thừa sau biogas khi được xử lý thích hợp sẽ là nguồn nguồn phân bĩn cĩ lợi cho cấy trồng.
Chất hữu cơ Axit hữu cơ CH4,CO2,một lượng nhỏ khí H2S Vi sinh tạo axit Vi sinh tạo khí metan
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 18 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
Nhược điểm:
- Sử dụng hầm biogas phải kết hợp nhiều yếu tố, và tốn rất nhiều nước. - Cần cĩ khoảng đất rộng để xây dựng hầm ủ.
- Khơng thực sự an tồn khi sử dụng cũng như yếu tố vệ sinh khơng đạt chuẩn. - Quá trình sử dụng dễ bị tắc nghẽn, thường xuyên dọn hầm tốn kém về chi phí.
Bể Aerotank – Bể hiếu khí bùn hoạt tính
Hình 2.5 Bể Aerotank.
Bể Aerotank là cơng trình là bằng bê tơng, bê tơng cốt thép, với mặt bằng thơng dụng là hình chữ nhật, là cơng trình sử dụng bùn hoạt tính để xử lý các chất ơ nhiễm trong nước.
Bùn hoạt tính là loại bùn xốp chứa nhiều vi sinh cĩ khả năng oxy hĩa và khống hĩa các chất hữu cơ cĩ trong nước thải.
Để giữ cho bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng, và để đảm bảo oxy dùng cho quá trình oxy hĩa các chất hữu cơ thì phải luơn luơn đảm bảo việc làm thống giĩ. Số lượng bùn tuần hồn và số lượng khơng khí cần cấp phụ thuộc vào độ ẩm và mức độ yêu cầu xử lý nước thải. Thời gian nước lưu trong bể Aerotank khơng lâu quá 12 giờ (thường là mình chọn 8 giờ).
Bể được phân loại theo nhiều cách: theo nguyên lý làm việc cĩ bể thơng thường và bể cĩ ngăn phục hồi; theo phương pháp làm thống là bể làm thống bằng khí nén, máy khuấy cơ học, hay kết hợp…
Cấu tạo của bể phải thoả mãn 3 điều kiện: Giữ được liều lượng bùn cao trong bể.
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 19 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
Cho phép vi sinh phát triển liên lục ở giai đoạn “bùn trẻ”. Đảm bảo oxy cần thiết cho vi sinh ở mọi điểm của bể.
Nguyên lý hoạt động: Nước thải sau khi qua bể lắng đợt 1 cĩ chứa các chất hữu cơ hịa tan và các cất lơ lửng đi vào bể Aerotank. Khi nước thải vào bể thổi khí (Bể Aerotank), các bơng bùn hoạt tính được hình thành mà các hạt nhân của nĩ là các phân tử cặn lơ lửng. Các loại vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, phát triển dần, cùng với các động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn,… tạo nên các bơng bùn màu nâu sẫm, cĩ khả năng hấp thụ chất hữu cơ hịa tan, keo và khơng hịa tan phân tán nhỏ. Vi khuẩn và sinh vật sống dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hố chúng thành các chất trơ khơng hồ tan và thành tế bào mới. Quá trình chuyển hĩa thực hiện theo từng bước xen kẽ và nối tiếp nhau.
Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể Aerotank của lượng nước thải đi vào bể khơng đủ làm giảm nhanh các chất hữu cơ, do đĩ phải sử dụng lại bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy bể lắng đợt 2 bằng cách tuần hồn bùn ngược trở lại đầu bể Aerotank để duy trì nồng độ đủ vi khuẩn trong bể. Bùn dư ở đáy bể lắng được xả ra khu xử lí bùn.
Ưu điểm:
- Hiệu suất xử lý BOD lên đến 90% - Loại bỏ được nitơ trong nước thải - Vận hành đơn giản, an tồn
- Thích hợp với nhiều loại nước thải
- Thuận lợi khi nâng cấp cơng suất đến 20% mà khơng phải gia tăng thể tích bể Nhược điểm:
- Thể tích cơng trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng hơn - Chi phí xây dựng cơng trình và đầu tư thiết bị lớn
- 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.
Phạm vi áp dụng: Ứng dụng cho hầu hết các loại nước thải cĩ ơ nhiễm hữu cơ như bệnh viện, khu dân cư, thủy sản,…
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 20 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
Hình 2.6 Bể Anoxic.
Cấu tạo: Vật liệu xây dựng bê tơng hoặc bê tơng cốt thép.
Bể Anoxic là bể quan trọng trong quá trình xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học. Cơng nghệ khử nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học phổ biến nhất hiện nay là: Nitrat hĩa và khử Nitrat.
Trong nước thải, cĩ chứa hợp chất nitơ và photpho, những hợp chất này cần phải được loại bỏ ra khỏi nước thải. Tại bể Anoxic, trong điều kiện thiếu khí hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển xử lý N và P thơng qua quá trình Nitrat hĩa và Photphoril.
Quá trình Nitrat hĩa xảy ra như sau:
Hai chủng loại vi khuẩn chính tham gia vào quá trình này là Nitrosonas và Nitrobacter. Trong mơi trường thiếu oxy, các loại vi khuẩn này sẽ khử Nitrat (NO3–) và Nitrit (NO2–) theo chuỗi chuyển hĩa:
NO3- → NO2- → N2O → N2↑
Khí nitơ phân tử N2 tạo thành sẽ thốt khỏi nước và ra ngồi. Như vậy là nitơ đã được xử lý.
Quá trình Photphorit hĩa:
Chủng loại vi khuẩn tham gia vào quá trình này là Acinetobacter. Các hợp chất hữu cơ chứa photpho sẽ được hệ vi khuẩn Acinetobacter chuyển hĩa thành các hợp chất mới khơng chứa photpho và các hợp chất cĩ chứa photpho nhưng dễ phân hủy đối với chủng loại vi khuẩn hiếu khí.
Để q trình Nitrat hĩa và Photphoril hĩa diễn ra thuận lợi, tại bể Anoxic bố trí máy khuấy chìm với tốc độ khuấy phù hợp. Máy khuấy cĩ chức năng khuấy trộn dịng nước tạo ra mơi trường thiếu oxy cho hệ vi sinh vật thiếu khí phát triển.
Ngồi ra, để tăng hiệu quả xử lý và làm nơi trú ngụ cho hệ vi sinh vật thiếu khí, tại bể Anoxic lắp đặt thêm hệ thống đệm sinh học được chế tạo từ nhựa PVC, với bề mặt hoạt động 230 ÷ 250 m2/m3. Hệ vi sinh vật thiếu khí bám dính vào bề mặt vật liệu đệm sinh học để sinh trưởng và phát triển.
GVHD: Th.S Trần Ngọc Bảo Luân 21 SVTH: Nguyễn Thị Tuấn Phương
Ưu điểm:
- Khử được nitơ trong nước thải dịng ra.
- Hiệu suất khử BOD tăng do các chất hữu cơ tiếp tục bị oxy hĩa trong quá trình khử.
- Giảm được lượng bùn dư trong bể lắng đợt hai.
- Làm tăng khả năng lắng và hạn chế độ trương của bùn hệ thống. - Làm tăng pH của nước thải sau xử lý.
Bể sinh học MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)
MBBR là một dạng của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bởi lớp màng sinh học (biofilm). Trong quá 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 được trong chất lỏng là nhờ hệ thống sục khí cung cấp oxy cho nước thải hay motor khuấy. Trái với hầu hết các bể bùn hoạt tính, bể MMBR khơng cần phải tuần hồn bùn như các bể bùn hoạt tính khác. Điều này đạt được nhờ vào sinh khối phát triển trên các giá thể trong bể. Do khơng cĩ quá trình tuần hồn bùn diễn ra nên chỉ cĩ lượng sinh khối dư được tách ra – một lợi thế đáng kể cho q trình bùn hoạt tính.
Bể MBBR cĩ 2 loại: MBBR hiếu khí và MBBR thiếu khí (Anoxic), đảm bảo cho quá trình xử lý nitơ trong nước thải.
Nguyên lý cấu tạo: bể MBBR tương tự bể Aerotank truyền thống và cĩ thêm các giá thể sinh học. Mật độ giá thể tối ưu trong khoảng 25÷50% và khơng vượt quá 67% thể tích bể. Các giá thể sinh học trong bể MBBR cĩ các đặc điểm sau:
- Tính kị nước và khả năng bám dính cao.