vào thành phần thải [16]
Cơ chất V tạo thành, cm3/g Biogas
%CH4 %CO2 Thiêu nhiệt kWh/m3(d)
Cacbonhyđrata 746,7 50 50 4,95
Chất béob 1434 71 29 7,02
Đạm 636 60 40 5,93
aTính cho đường hexoza; bTính cho triglixerit với 3 mol axit palmitic; cTính cho polyalanin với sự phân huỷ N thành NH4+ rồi thành (NH4)2CO3
Để so sánh với q trình chuyển hóa hiếu khí ta cũng xét sơ đồ chuyển hố chất chuẩn là glucơ Hình 1.2.
Hình 1. 2. Cân bằng chất và năng lượng trong q trình vi sinh yếm khí. [16]
Theo sơ đồ 1.2 thì từ 1 mol (180g) glucơ có dự trữ nhiệt = 2870 kJ khi chuyển hóa sẽ tạo thành 2,85 mol CH4 (dự trữ nhiệt = 891,6 kJ/mol×2,85mol =
2541 kJ) + 2,85 mol CO2 (dự trữ nhiệt = 0) + 9 gam sinh khối (dự trữ nhiệt 22 kJ/gam × 9 gam
= 198 kJ); tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt xảy ra trong q trình chuyển hóa ATP chỉ bằng 131 kJ = 4,6%. Như vậy, quá trình yếm khí là q trình từ chất thải sinh ra năng lượng chủ yếu ở dưới dạng biogas là hỗn hợp khí CH4 + CO2 (~88,5% tổng năng lượng đầu vào). Ngồi ra cịn một lượng nhỏ tích lũy dưới dạng 9 gam sinh khối mới (~6,9%), tổn thất dưới dạng nhiệt năng chiếm khoảng 4,6%. So sánh hai q trình Yếm khí và Hiếu khí ta thấy:
20
-Yếm khí khơng xử lí được tới chất lượng đầu ra cao, chỉ áp dụng như phương tiện tiền xử lí
- Yếm khí thuận lợi vì sinh ít bùn, giảm chi phí xử lí bùn
-Yếm khí thu hồi năng lượng, rất quan trọng trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng, biogas được coi là nguồn năng lượng tái tạo
- Yếm khí sinh ra amoni, photphat nên khơng phải là phương tiện xử lí N, P; có
tiềm năng thu hồi N, P.
(iii) Các q trình thiếu khí:
Về khía cạnh xử lí nước các q trình thiếu khí (DO ~ 0 mg/L) rất quan trọng về khía cạnh khử nitrat, nitrit. Trước hết quá trình này cần chất khử (cho điện tử), ví dụ:
CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e– (6)
CH3COOH + 2H2O 2CO2 + 8H+ + 8e– (7)
N-nitrat sẽ nhận điện tử và lần lượt qua các trạng thái sau:
2e- e- e- e-
NO3– NO2– NO 0,5N2O 0,5N2 (8)
Như vậy tuỳ chất cho điện tử, ta có các phương trình ví dụ như sau:
5CH3OH + 6HNO3 5CO2 + 3N2 + 13H2O (9)
5CH3COOH + 8HNO3 10CO2 + 4N2 + 14H2O (10)
Chất cho điện tử cũng có thể là chính hữu cơ trong nước thải.
b.Về khía cạnh kỹ thuật xử lý:
Các kỹ thuật xử lý nước thải: Tùy yêu cầu chất lượng nước sau xử lí, cơng nghệ vi sinh xử lí nước thải thường được phân cấp như sau: (i’) Xử lí cấp 1 (bao gồm cả tiền xử lí); (ii’) Xử lí cấp 2; và (iii’) Xử lí cấp 3 (nâng cao).
(i’) Xử lí cấp 1: (bao gồm cả tiền xử lí) thường là các cơng đoạn, đôi khi rất đơn giản như lược rác, lắng cát mang tính hỗ trợ, loại bỏ những yếu tố cơ học (rác, cát sạn có thể gây tắc, hỏng bơm và hệ van, ống), điều hòa làm tăng độ tin cậy và ổn định của các đơn vị xử lí đi sau. Lắng cấp 1, trong trường hợp nước thải đầu vào quá đậm đặc (COD trên 1000 mg/L) có thể áp dụng cả các kĩ thuật yếm khí làm giảm tải cho xử lí cấp hai. Xử lí cấp 1 khó đạt các QCVN về mơi trường.
21
(ii’) Xử lí cấp 2 thường là cơng nghệ sinh học để xử lí các ơ nhiễm hữu cơ. Cơng nghệ sinh học là cơng nghệ xử lí ơ nhiễm sinh thái nhất, hầu như khơng sử dụng hố chất, nước thải sau xử lý có thể đạt chất lượng rất cao. Q trình thường dùng là quá trình sinh học hiếu khí. Chất thải duy nhất là bùn vi sinh (sinh khối). Xử lí cấp 2 thường đạt QCVN loại B, đôi khi đạt loại A về các chỉ tiêu hữu cơ (BOD/COD) nhưng khơng xử lí được N, P và một số thơng số khác. Kĩ thuật xử lí cấp 2 thường là kĩ thuật bùn hoạt tính cổ điển (bùn hoạt tính).
Với q trình hiếu khí, vi sinh hiếu khí thực hiện đồng thời hai quá trình:
Đồng hố sử dụng các cơ chất chứa các nguyên tố C,H,O,N,P, vi lượng có trong
nước thải để tổng hợp tế bào với công thức gần đúng C5H7NO2 và Dị hố là ơxi hố
các chất hữu cơ và các chất có khả năng ơxi hố khác để tạo năng lượng sử dụng cho các hoạt động sống. Các nội dung này được thể hiện ở cân bằng cacbon như
Hình 1.3. Kết quả là nước giảm các chất ô nhiễm và sinh khối tăng. Để thực hiện
điều này trong thực tế xử lí nước thải phải áp dụng các kĩ thuật sao cho hệ vi sinh có điều kiện thực hiện tốt các chức năng đã nêu, đồng thời phải tách được lượng bùn dư hình thành. Kĩ thuật bùn hoạt tính ra đời đáp ứng được các yêu cầu này, quá trình bùn hoạt tính được nghiên cứu phát triển bắt đầu khoảng năm 1913 bởi Clark and Gage tại Lawrence Experiment Station tại Massachusetts và Ardern and Lockett (1914) tại Davyhulme Sewage Works, Manchester (nước Anh) [17].
Các q trình vi sinh hiếu khí bao gồm hai q trình chính được thể hiện ở
hai phương trình dưới đây:
(i) Q trình ơxi hóa phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ:
(4/100)C10H19NO3 + (25/100)O2 + (1/100)NH4+ + (1/100)HCO3
(16/100)CO2 + (23/100)H2O + (5/100)C5H7NO2 (11) Ở đây: C10H19NO3 là công thức nước thải sinh hoạt gần đúng, C5H7NO2 là công thức vi sinh gần đúng. Nghiên cứu nhận thấy ở vế trái của phương trình là nhu cầu tối thiểu các chất mà vi sinh cần có để thực hiện q trình, vế phải của phương trình là các sản phẩm CO2 + H2O không gây ô nhiễm nước và sản phẩm phụ C5H7NO2
22
Hình 1. 3. Cân bằng vật chất cacbon (BOD5) trong sinh học hiếu khí(ii) Q trình nitrat hóa (ơxi hóa) N-amoni: (ii) Q trình nitrat hóa (ơxi hóa) N-amoni:
Nếu phản ứng hiếu khí phân hủy hữu cơ (pt.1) được thực hiện đủ sâu sẽ xảy ra q trình tiếp theo là nitrat hóa:
(11/20)NH4+ + (15/20)O2 + (4/20)CO2 + (1/20)HCO3
(10/20)NO3 + (20/20)H+ + (9/20)H2O + (1/20)C5H7NO2 (12)
Nghiên cứu nhận thấy sản phẩm của quá trình là N-NO3 và sinh khối đi kèm. Điều kiện của phản ứng này là phải cấp đủ DO (ơxi hịa tan) và nguồn cácbon vơ cơ (độ kiềm). Nếu xem xét kĩ hơn sẽ thấy (12) là tổng của hai quá trình: trước tiên NH4+ sẽ được ơxi hóa thành NO2 (q trình nitrit hóa được thực hiện bởi tập hợp các chủng Nitrosomonas), tiếp theo NO2 sẽ được ơxi hóa tiếp thành NO3 (q trình nitrat hóa được thực hiện bởi tập hợp các chủng Nitrobacter). Để đơn giản hóa ta thể hiện hai q trình này dưới dạng phương trình tổng (12).
Trong thực tế N-amơni được xử lí qua hai giai đoạn: nitrat hóa (pt.2) và tiếp theo khử nitrat sinh ra theo (pt.3), ở đây khơng có ơxi nên q trình này được gọi là q trình thiếu khí:
23
thải :
(1/5)NO3 + (0,5/50)NH4+ + (2/50)C10H19NO3 + (0,5/50)HCO3 + (1/5)H+
(8/50)CO2 + (5/50)N2 + (16,5/50)H2O + (2,5/50)C5H7NO2 (13)
Trong các hệ bùn hoạt tính, ba phương trình trên là đủ khái qt q trình xử lí nước thải đối với các thành phần hữu cơ (thể hiện qua COD và BOD5) và N (thể
hiện qua N-amơni và N-nitrat). Nếu thực hiện cả q trình khử nitrat nghĩa là làm giảm tổng N (pt.3) ta có mức xử lí cấp 3 về khía cạnh T-N.
Kết quả của q trình hiếu khí ở (11) là các chất ô nhiễm hữu cơ bị phân hủy thành CO2 + H2O, giảm các thông số BOD/COD nghĩa là q trình (11) chỉ xử lí ơ nhiễm hữu cơ, q trình này chỉ được thực hiện tốt khi DO 2mg/L. Nếu tiếp tục
sục khí cấp ơxi, q trình nitrat hóa sẽ được thực hiện (12), khi đó N-amơni sẽ chuyển hóa thành N-nitrit rồi thành N-nitrat. Để thực hiện phản ứng (12) hệ cần được cấp đủ DO như trên và độ kiềm (HCO3-). Một số hệ xử lí cấp 2 cũng đạt đến mức độ nitrat hóa này.
Các q trình đã nêu sẽ được VSV thực hiện hồn hảo khi các điều kiện sống của chúng được đảm bảo, đó là các điều kiện về: pH (phải trung tính hoặc gần); khơng có chất độc hoặc có ở mức khơng nguy hiểm (các kim loại nặng, nhiều loại hóa chất); tỷ lệ các chất (tỷ lệ C:N:P) tạo nên tế bào vi sinh, mật độ vi sinh phải phù hợp; phải có đầy đủ các nguyên tố vi lượng; nồng độ ôxi (DO), nhiệt độ phù hợp… Trong các điều kiện kể trên thì nước thải từ q trình ni tơm STC đáp ứng hầu hết các yêu cầu đối với q trình VSV. Ở đây nhu cầu hóa chất là tối thiểu, chi phí cơ bản là điện năng thực hiện các cơng tác cấp khí và vận hành các bơm, máy khuấy, chi phí xử lí bùn … Đây là lí do chính để lí giải tại sao cơng nghệ vi sinh luôn là sự lựa chọn hàng đầu. Chi phí vận hành chủ yếu là chi phí nhân cơng, điện năng, chi phí sát trùng và xử lí sản phẩm phụ (ln có) là bùn – chủ yếu là sinh khối dư phát sinh do bản chất q trình chuyển hóa.
Để hiện thực hóa các q trình trên một cách hiệu quả nhất người ta đã phát minh ra hàng loạt các kĩ thuật, trong đó thuộc lâu đời nhất, hồn chỉnh nhất về mặt lí luận và phổ biến nhất là cơng nghệ bùn hoạt tính. Bản thân cơng nghệ là khái niệm bao gồm các quá trình cần thực hiện và hệ thống thiết bị, kĩ thuật phù hợp để thực hiện các q trình đó. Về khía cạnh này bùn hoạt tính sẽ được thực hiện theo sơ đồ cơng nghệ Hình 1.4.
Theo sơ đồ Hình 1.4, nước thải lần lượt phải trải qua các bước (các đơn vị xử lí) sau: 1) Tách rác, 2) Tách cát, dầu mỡ và rác nổi (điều hịa khơng thể hiện trên hình, đây được coi là các bước tiền xử lí) 3) Bể lắng cấp một (quy mơ nhỏ có
qua, đây được coi là xử lí cấp 1) 4) Bể phản ứng vi sinh 5) Bể lắng cấp hai
6) Sát trùng (khơng thể hiện trên hình). Đến đây, về nguyên tắc, nước thải đã đạt các tiêu chuẩn về hữu cơ, về sinh học.
Để các quá trình vi sinh trong hệ bùn hoạt tính được thực hiện hồn hảo, mật
độ vi sinh X cần có trong Bồn phản ứng (4) phải ổn định (X thường có các giá trị nằm trong khoảng 2-3 g/L, tối đa là 5g/L). Để ổn định X, bùn lắng từ Bể lắng cấp hai (5) phải được tuần hoàn một phần về đầu vào Bể phản ứng (4), phần bùn dư từ (5) sẽ được tách ra và cùng với bùn từ Bể lắng cấp một (2) đi xử lí bùn hoặc thải bỏ đúng cách.
Hình 1. 4. Sơ đồ cơng nghệ bùn hoạt tính .
Như vậy, trong cơng nghệ bùn hoạt tính cũng như các cơng nghệ vi sinh khác
chất thải là bùn (phần lớn là sinh khối dư, Vbùn thường = 1-2% tổng thể tích nước
thải, chi phí xử lí bùn có thể lên tới 50% tổng chi phí [18]). Tuy nhiên, nếu chỉ thực hiện q trình như Hình 1.4 thì ngồi tiêu chuẩn về nồng độ hữu cơ (BOD, COD), bùn hoạt tính thơng thường khơng thể đạt được các tiêu chuẩn về N, P. Để xử lý được N, P, q trình bùn hoạt tính được nâng cấp thành cơng nghệ bùn hoạt tính tiên tiến (advanced treatment) hoặc xử lí cấp 3.
(iii’) Xử lí cấp 3 Khử nitrat:
Để khử N-nitrat và ở mức độ ít hơn nhiều là N-nitrit theo quá trình - phương trình (13) thì DO cần tiệm cận 0, vì lí do này q trình này cịn được gọi là thiếu khí (anoxic). Phản ứng sẽ sinh ra độ kiềm, tiêu thụ các hợp chất cho điện tử (các chất hữu cơ có sẵn trong nước thải hoặc bổ sung, trong một số trường hợp có thể dùng CH4, S, H2). Như vậy, các quá trình (pt.11-13) sẽ đảm bảo xử lí BOD/COD và N.
Khi đó, phải thực hiện hai nội dung: Một là, trước Bể phản ứng hiếu khí (4) phải bố trí thêm Bể phản ứng thiếu khí để thực hiện quá trình khử nitrat (pt.3); Hai là, mở rộng Bể phản ứng hiếu khí (4) để phản ứng nitrat hóa (pt.2) thực hiện được sâu hơn, sau đó một phần nước thải sau nitrat hóa sẽ được tuần hồn trở về Bể thiếu khí để thực hiện phản ứng (pt.3) với chất khử-cho điện tử là chất hữu cơ sẵn có trong nước thải đầu vào. Một số mơ hình hệ thống được áp dụng như Hình 1.5.
Dùng anoxic phía sau được thiết kế như một bước khử nitrat tăng cường. Trong quá trình Bardenpho, trên 75% nitrat được loại bỏ ở vùng anoxic phía trước [18]. Nitrat trong nước đầu ra của hệ thống xử lý theo quá trình NdN (nitrat → denitrat) dao động từ 3,0 đến 4,8 mg/L, tổng nồng độ nitơ (TN) dưới 8,0 mg/L [19].
Hình 1.5 là một phương án xử lí COD và TN, kèm theo bể yếm khí phân hủy bùn và
Hình 1. 5. Sơ đồ quá trình loại bỏ COD và ni tơ bằng vi sinh: (a) anoxic trước; (b)
anoxic sau; (c) 2 giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat độc lập; (d) quá trình Bardenpho.
Hình 1. 6. Sơ đồ cơng nghệ bùn hoạt tính xử lí COD và TN.
Trong q trình nitrat hóa, 80% năng lượng (giải phóng từ q trình oxy hóa Amoni thành nitrit) được sử dụng để tạo thành CO2, 2 – 11% được sử dụng cho quá trình tổng hợp sinh khối, điều này giải thích cho lý do vì sao hiệu suất tạo sinh khối của q trình nitrat hóa nhỏ. Hiệu suất sinh khối tối đa của vi khuẩn nitrat hóa khoảng 0,1 – 0,15 g/g NH4+-N [20].
(iv)Các biến thể:
Mục đích chính của các cải biến này là: (1) ổn định mật độ vi sinh; (2) ổn định hệ thống cũng như chất lượng nước sau xử lý; và (3) khởi động hệ thống đơn giản hơn. Ngày nay có nhiều biến thể cơng nghệ trên cơ sở Hình 1.5 và Hình 1.6, các nghiên cứu công bố cho thấy, cho đến nay các cải tiến chủ yếu liên quan đến sử dụng vật liệu mang vi sinh, với cách thức sử dụng vật liệu mang trong bể khác nhau (cố định, di động, . . .) sẽ sinh ra các kiểu và thuật ngữ khác nhau của hệ thống này
hạn: giá thể cố định hoặc di động đều có thể gọi là q trình hoặc cơng nghệ màng sinh học; với vật liệu mang cố định có thuật ngữ Fixed Bed- FBBR; với vật liệu
mang di động cịn có thuật ngữ là màng vi sinh chuyển động- Moving Bed –MBBR).
1.2.4. Giá thể sinh học
1.2.4.1. Kỹ thuật dính bám
Là kỹ thuật mà ở đó, vi khuẩn được tạo điều kiện dính bám và phát triển trên bề vật mang rắn (vật liệu rắn này còn được gọi là đệm, vật liệu mang vi sinh). Có ba kiểu kĩ thuật này:
a) Kĩ thuật lọc nhỏ giọt thường dùng để xử lí nước thải sinh hoạt: nước thải được rải đều từ trên xuống lớp vật liệu mang vi sinh có chiều cao ít nhất là 2 m, ơxi khơng khí tự được cấp nhờ dịng khí đối lưu.
b) Kĩ thuật đĩa sinh học quay: vật liệu mang vi sinh được chế tạo dưới dạng các đĩa đồng trục để ngập nước phần dưới trục gắn các đĩa, cả xếp đĩa này được quay liên tục, khi đó lớp vi sinh trên mặt đĩa lúc phơi ra khơng khí sẽ lấy ơxi, lúc ngập vào trong nước sẽ dùng ơxi ơxi hóa chất bẩn. Hai kĩ thuật này chỉ thích hợp cho nước thải loãng (kiểu nước thải sinh hoạt) nên sẽ không đề cập tiếp ở đây.
c) Kỹ thuật lọc sinh học ngập nước với lớp vật liệu mang vi sinh cố định (fixed filter):
được ra đời vào năm 1957 bởi Coulter và năm 1969 bởi Young and McCarty [21]. Lọc sinh học ngập nước (với lớp vật liệu mang vi sinh cố đinh) có thể chia thành 02 loại khác nhau theo chiều dòng nước thải vào: (1) lọc sinh học ngập nước
với dòng nước vào đi từ trên xuống; (2) lọc sinh học ngập nước với dòng nước vào đi từ dưới lên; tải hữu cơ đầu vào 13 kgCOD/m3/ngày (Anderson et al.,1994). Hiệu
quả xử lý tăng khi diện tích bề mặt riêng của vật liệu lọc vi sinh lớn.
Các kĩ thuật lọc sinh học ngập nước sử dụng vật liệu cố định vi sinh dạng khối rỗng tổ ong, dạng cầu, trụ rỗng … khá hiệu quả. Tuy nhiên chúng sẽ có ba nhược điểm: thứ nhất là chi phí: ngồi chi phí xây dựng bể phản ứng thể tích V sẽ phải chi thêm (0,5÷0,6)V thể tích vật liệu mang (giá nước ngồi khoảng US$ 200÷300/m3; giá vật liệu sản xuất trong nước ~2÷8 triệu/m3); thứ hai là khả năng mang vi sinh tỷ lệ
thuận với diện tích bề mặt riêng của vật liệu A (thường A~100÷200m2/m3 vật liệu) mà A là giới hạn, khi đó nếu muốn lưu giữ mật độ sinh khối cao là khơng thể, vi sinh thốt ra sẽ tồn tại dưới dạng lơ lửng, trường hợp này ta có hệ phản ứng hỗn hợp (vi sinh lơ lửng + vi sinh dính bám) và vi sinh sẽ có khả năng thốt ra khỏi bồn; thứ