2.1.4.1. Khái niệm về bể lọc sinh học
Phương pháp lọc nước nói chung đã được loài người biết đến từ lâu, song đưa nó thành một biện pháp công nghệ xử lí nước nói chung và nước thải nói riêng mãi tới thế kỉ XIX mới được xác lập. Lọc sinh học lần đầu tiên được áp dụng ở Mĩ năm 1891 và ở Anh năm 1893. Khái niệm về lọc sinh học nhỏ giọt được phát triển từ khi dùng các bể lọc tiếp xúc được chứa đầy các hòn đá bị đập vỡ và cho nước đi qua. Nước chảy qua lọc, tiếp xúc với mọi vật liệu lọc trong khoảng thời gian ngắn.
Lọc sinh học là quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và dính bám trên bề mặt các vật liệu rắn để tiếp xúc thường xuyên hay di động đối với nước thải (Lâm Minh Triết và cs, 2010) [13].
2.1.4.2.Điều kiện làm việc của lọc sinh học
Lọc sinh học có thể làm việc trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. Đa số trường hợp cho lọc sinh học làm việc ở điều kiện hiếu khí với dòng khí bổ sung liên tục từ dưới lên ngược với dòng dịch chuyển của nước, cũng có thể cùng chiều dòng dịch chuyển của nước.
Nước thải đưa vào hệ thống lọc sinh học cần được xử lý sơ bộ để tránh tắc nghẽn các khe của vật liệu lọc.
2.1.4.3. Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học
Nguyên lí của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước.
Vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạng rắn tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms). Các màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kị khí và kị khí tùy tiện. Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở phần 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 bám dính) tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khoáng chất) làm sạch nước.
Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã được làm sạch được thu gom xả vào lắng 2. Nước vào lắng 2 có thể kéo theo những mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra khi lọc làm việc. Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng 2 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.
Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học. Màng này thường dày khoảng từ 0,1 – 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí. Sau khi thấm sâu vào màng, nước hết oxi hòa tan và sẽ chuyển sang phân hủy bởi 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 kết dính 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.
2.1.4.4. Cấu tạo bể lọc sinh học
- Bể biophin xây dựng dưới dạng hình tròn hay hình chữ nhật có tường đặc và đáy thép. Đáy trên là tấm đan đỡ lớp vật liệu lọc, đáy dưới liền khối không thấm nước. Chiều cao giữa hai lớp đáy lấy khoảng 0,4 - 0,6 m, độ dốc hướng về máng thu I ≥ 0,01. Độ dốc theo chiều dài của máng thu lấy theo kết cấu, nhưng không được nhỏ hơn 0,005. Tường bể làm cao hơn lớp vật liệu lọc 0,5 m.
- Đặc điểm riêng của bể Biophin nhỏ giọt là kích thước của vật liệu lọc không lớn hơn 25 - 30 mm và tải trọng tưới nước nhỏ 0,5 – 1,0 m3/( m3.VLL).
2.1.4.5. Thông khí và hiệu suất lọc ở bể lọc sinh học
* Thông khí:
- Lượng không khí cần thiết cho lọc sinh học tính theo công thức sau : Wkk = BOD20 (g/m3.ngày )/21
Trong đó: Wkk : Lượng không khí cần thiết ( m3/m3 nước thải.ngày). 21 : Tỉ lệ % của oxi trong không khí.
- Qua thực tế xác định lượng oxi sử dụng trong lọc sinh học và trong các công trình sinh học thường không quá 7 – 8% lượng oxi cung cấp. Khi nhiệt độ dưới 6 0C quá trình oxi hóa chất hữu cơ trong nước thải không xảy ra.
* Hiệu suất:
Qua thực nghiệm có thể dùng các công thức sau để tính hiệu suất làm sạch của lọc sinh học: S0 / Sf = kAs (H/Qn
)
Trong đó:
S0 : BOD5 của nước sau khi lắng 1 (mg/l).
Sf : BOD5 của nước ra khỏi lọc sau khi lắng 2 (mg/l). AS : Diện tích riêng của vật liệu lọc (m2/ m3).
H : Chiều cao chứa vật liệu (m).
Q: lưu lượng thủy lực tính bằng m3/ngày. Tiết diện của lớp đệm. Tải lượng này không tính đến tải lượng tuần hoàn, mà chỉ tính đến tải lượng đã xử lý.
n: Hệ số thực nghiệm : n = 0,91 – (21, 48/AS)
k: Hằng số thủy phân sinh học phụ thuộc vào bản chất của chất gây ô nhiễm đem xử lý và nhiệt độ.
Bảng 2.3. Hằng số k của một số nước thải
TT Nước thải Hằng số k
1 Lò mổ gia súc 0,0082 2 Lò mổ gia cầm 0,0189 3 Nhà máy sữa 0,0108 4 Nhà máy đồ hộp , rau quả 0,0153 5 Nhà máy bia 0,0101 6 Nhà máy dầu thực vật 0,0140 7 Nước thải đô thị 0,0226
- Một số lưu ý khi sử dụng công thức trên :
+ Khi nhiệt độ dưới 10 0C hiệu suất của nước chảy qua khe sẽ giảm đáng kể. Ở nhiệt độ cao ảnh hưởng của nhiệt độ không rõ rệt.
+ Để đạt hiệu quả cao nên dùng lọc có chiều cao, tiết diện nhỏ hơn là chiều cao nhỏ, tiết diện rộng.
+ Đối với lưu lượng thủy lực đã cho, tỉ số S0 / Sf thực tế không phụ thuộc vào nồng độ chất thải. Điều này đúng với vùng nồng độ là 200 – 1000 mg/l BOD5 .
- Vai trò của bể lắng 2 trong hệ thống xử lý:
Nước sau khi xử lý qua lọc được đưa vào lắng 2 để tách bùn khỏi nước. Tính toán thiết kế ở bể lắng 2 như ở bể 1 chỉ khác là tải trọng bề mặt của bể lắng tính với lượng nước vừa xử lý cộng với lưu lượng nước tuần hoàn. Tải trọng bề mặt thường lấy từ 16 - 25 m3/m2.ngày.
2.1.4.6. Phân loại bể lọc sinh học
Có thể phân biệt bể Biophin theo một số tiêu chí như sau:
1- Theo mức độ xử lý: Biophin xử lý hoàn toàn và không hoàn toàn. Biophin cao tải có thể xử lý hoàn toàn hoặc không hoàn toàn, còn Biophin nhỏ giọt dùng để xử lý hoàn toàn.
2- Theo biện pháp làm thoáng, Biophin làm thoáng tự nhiên và Biophin làm thoáng nhân tạo. Trong trường hợp làm thoáng nhân tạo thì bể Biophin thường gọi là Aerophin.
3- Theo chế độ làm việc: Biophin làm việc liên tục và Biophin làm việc gián đoạn có tuần hoàn và không tuần hoàn. Nếu nồng độ nhiễm bẩn của nước thải lên bể Biophin không cao lắm và với khối lượng đủ để có thể tự làm sạch thì việc tuần hoàn là không cần thiết. Trong trường hợp ngược lại thì tuỳ theo nồng độ của nước thải mà nên hoặc bắt buộc phải tuần hoàn.
4- Theo sơ đồ công nghệ: Bể Biophin một hay hai bậc.
Bể Biophin hai bậc thường được áp dụng khi điều kiện khí hậu không thuận lợi, khi không có điều kiện tăng chiều cao công tác của bể và khi cần nâng cao hiệu suất xử lý.
5- Theo khả năng chuyển tải: Biophin cao tải và Biophin nhỏ giọt (Biophin thông thường).
6- Theo đặc điểm cấu tạo của vật liệu lọc: Biophin chất liệu khối và Biophin chất liệu bản.
+ Biophin chất liệu khối có thể phân biệt như sau:
- Biophin nhỏ giọt có kích thước vật liệu lọc 40 - 60 mm, và chiều cao công tác 2 - 4 m.
- Biophin cao tải có kích thước vật liệu lọc 60 - 80 mm và chiều cao công tác 2 - 4 m.
- Biophin có chiều cao lớn (tháp lọc) có kích thước vật liệu lọc 60 - 80 mm, chiều cao công tác 8 - 16 m.
+ Biophin chất liệu bản có thể phân biệt:
- Biophin với chất liệu lọc dạng rắn: vòng ống hay những cấu tạo khác. Vật liệu có thể là sành, chất dẻo hay kim loại. Tuỳ thuộc vào loại vật liệu mà khối lượng lấy trong khoảng 100 - 600 kg/m3, độ rỗng 70 - 90%, chiều cao làm việc 1 - 6 m.
- Biophin với vật liệu rắn ở dạng đan lưới hay khối đặc được ghép từ các tấm hay các bản phẳng. Các khối đặc có thể làm bằng chất dẻo và cũng có thể là fibroximang. Khối lượng chất dẻo từ 40 - 100 kg/m3, độ rỗng 90 - 97%, chiều
cao 2 - 16 m. Khối lượng fibroximang 200 - 250 kg/m3, độ rỗng 80 - 90%, chiều cao làm việc 2 - 6 m.
- Biophin vật liệu mềm và rulô (cuộn) làm từ lưới thép, màng chất dẻo hay vải tổng hợp được cố định trên khung hay dưới dạng cuộn. Khối lượng 5 - 60 kg/m3, độ rỗng 94 - 99%, chiều cao cấp phối 3 - 8 m.
Đối với Biophin chất liệu bản cũng cần kể đến loại đĩa quay sinh học - là bể chứa đầy nước có đáy hình lõm. Dọc theo bờ ở chỗ cao hơn mực nước một ít có đặt trục gắn các đĩa bằng chất dẻo, xi măng amiăng hay kim loại với đường kính 0,6 - 0,3 m. Khoảng cách giữa các đĩa 10 - 20 mm, tốc độ quay của trục đĩa 1- 40 vòng/phút.
Biophin chất liệu mềm và rulô thường chỉ sử dụng khi lưu lượng nước thải đến 10.000 m3/ng.đêm, còn Biophin chất liệu rắn ở dạng khối q < 50.000 m3/ng.đêm, đĩa quay sinh học q < 500 m3/ng.đêm.
Theo khả năng chuyển tải ta có thể phân loại bể lọc sinh học như sau: a. Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước.
Bể lọc sinh học nhỏ giọt (lọc phun).
Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước. Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiên có thể. Nước đến lớp vật liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí và kị khí các chất hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO2 và nước, phân hủy kị khí sinh ra CH4 và CO2 làm tróc màng ra khỏi vật mang, bị nước cuốn theo. Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại hình thành lớp màng mới. Hiện tượng này được lặp đi lặp lại nhiều lần. Kết quả là BOD của nước thải bị sinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng và bị phân hủy kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch.
Nước thải trước khi đưa vào xử lí ở lọc phun ( nhỏ giọt) cần phải qua xử lí sơ bộ để tránh tắc nghẽn các khe trong vật liệu. Nước sau khi xử lí ở lọc sinh học thường nhiều chất lơ lửng do các mảnh vỡ của màng sinh học cuốn theo, vì vậy cần phải đưa vào lắng 2 và lưu ở đây thời gian thích hợp để lắng cặn. Trong trường hợp này, khác với nước ra ở bể Aeroten: Nước ra khỏi lọc sinh học thường ít bùn cặn hơn, nồng độ bùn cặn ở đây thường nhỏ hơn 500 mg/l, không xảy ra hiện tượng lắng hạn chế. Tải trọng bề mặt của lắng 2 sau lọc phun vào khoảng 16 - 25 m3/m2.ngày.
- Vật liệu lọc:
Khá phong phú: từ đá giăm, đá cuội, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo tấm uốn lượn,… Các loại đá nên chọn những cục có kích thước trung bình 60 - 100 mm. Chiều cao lớp vật liệu chọn khoảng 0,4 - 2,5 - 4 m, trung bình là 1,8 - 2,5 m. Nếu kích thước hạt, cục vật liệu nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc bị giảm nhiều dẫn đến giảm hiệu suất xử lí. Bể với vật liệu là đá giăm thường có dạng hình tròn. Nước thải được phân phối trên bề mặt lớp vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt.
Các thanh gỗ, đặc biệt là gỗ đỏ ở Mĩ, và các tấm dẻo (plastic) lượn sóng hoặc gấp nếp được xếp thành những khối bó chặt được gọi là modun vật liệu. Các modun này được xếp trên giá đỡ, khối lượng toàn bộ của vật liệu giảm đi nhiều và làm cho chiều cao của lọc có thể tăng đáng kể (tới 9 hoặc 12 – 16 m), giúp ta thiết kế những tháp lọc.
Những thập niên gần đây, do kĩ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC (polyvinyl Clorit), PP (Polypropylen) được làm thành tấm lượn sóng, gấp nếp, dạng cầu khe hở, dạng vành hoa, dạng vách ngăn,… có đặc điểm là rất nhẹ.
Bể lọc sinh học làm việc trong điều kiện thoáng khí. Ngoài việc cung cấp Oxi cho vi sinh vật ở màng sinh học hoạt động, thoáng khí còn có tác dụng loại ra khỏi lọc các khí tạo thành do quá trình phân hủy các chất hữu cơ có trong nước, như CO2 và có thể có cả CH4, H2S,…
Thông khí ở đây có thể bằng cách tự nhiên hoặc nhân tạo. Thông khí tự nhiên là do sự chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài bể lọc. Nếu nhiệt độ của nước thải lớn hơn nhiệt độ của không khí thì không khí sẽ đi từ cửa thông khí ở thành phía dưới gần đáy bể, qua lớp vật liệu lọc đi ngược lên. Ngược lại, nếu nhiệt độ của nước thải thấp hơn nhiệt độ của không khí thì không khí sẽ thâm nhập qua bề mặt lớp vật liệu lọc theo nước thải xuống đáy bể. Trường hợp nhiệt đọ nước thải và không khí bằng nhau thì bể lọc không thông khí. Trường hợp này ta khắc phục bằng thông khí nhân tạo.
Trong thông khí nhân tạo, người ta dùng quạt gió thổi vào khoảng trống ở dưới đáy bể và không khí từ đó đi lên qua các khe hở của lớp vật liệu.
- Phân loại lọc phun:
Lọc phun được phân loại theo tải trọng thủy lực hoặc tải trọng các chất hữu cơ. Do vậy, có lọc tải trọng thấp và lọc tải trọng cao (cao tải). Các loại lọc này được giới thiệu ở bảng:
Bảng 2.4. Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinh học nhỏ giọt
Thông số Đơn vị đo Tải trọng
thấp Tải trọng cao
Chiều cao lớp vật liệu m 1 - 3 0,9 – 2,4 (đá) 6 – 8 (nhựa tấm) Loại vật liệu Đá cục, than cục, đá ong, cuội lớn Đá cục, than cục, cuội lớn, tấm nhựa đúc, cầu nhựa Tải trọng theo chất hữu
cơ theo thể tích vật liệu lọc
kg BOD5/1m3
vật liệu.ngày 0,08 – 0,4 0,4 – 1,6 Tải trọng thủy lực theo
diện tích bề mặt m
3/m2.ngày 1 – 4,1 4,1 – 40,7
Hệ số tuần hoàn R = Tùy chọn 0 –
1 0,5 – 2
Tải trọng thủy lực trên
bề mặt của bể lắng đợt 2 m
3/m2.ngày 25 16
Hiệu quả khử BOD sau
bể lọc và bể lắng 2 % 80 - 90 65 - 85
(Nguồn: Lương Đức Phẩm, 2000) [9].
a. Lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước.
- Bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập trong nước hoạt động theo nguyên lý lọc dính bám. Bể có cấu tạo gần giống với bể lọc sinh học và aeroten. Vật liệu lọc thường được đóng thành khối và để ngập trong nước. Khí được cấp với áp lực