CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY CỒN TÙNG LÂM
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT
2.1.3. Phương pháp sinh học và thiết bị xử lý
Xử lý sinh học có thể ứng dụng để làm sạch hoàn toàn các loại nước thải chứa chất hữu cơ hoà tan hoặc phân tán nhỏ. Do vậy phương pháp này thường là giai đoạn xử lý bậc hai (thứ cấp) sau xử lý cơ học hoặc sau xử lý hóa học.
Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học là dựa vào khả năng oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải của vi sinh vật trong điều kiện tự nhiên hoặc trong điều kiện nhân tạo. Các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản vì thế sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Phương pháp xử lý sinh học có thể thực hiện trong điều kiện hiếu khí (với sự có mặt của oxy) hoặc trong điều kiện kỵ khí (khơng có oxy).
Q trình xử lý sinh học gồm các bước:
- Chuyển hoá các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hoà tan thành thể khí và thành các vỏ tế bào vi sinh.
- Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải.
Các quá trình sinh học có thể diễn ra trong điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong điều kiện tự nhiên việc xử lý xảy ra trên các bể thơng khí (aerotank) và các thiết bị lọc sinh học. Kiểu cơng trình xử lý được chọn phù thuộc vào vị trí của nhà máy, điều kiện khí hậu, nguồn cấp nước, thể tích nước thải cơng nghiệp và sinh hoạt, thành phần và nồng độ chất ơ nhiễm. Trong các q trình nhân tạo, các quá trình xử lý xảy ra với tốc độ lớn hơn trong điều kiện tự nhiên.
Ưu điểm:
- Hiệu quả cao, ổn định về tính sinh học.
- Nguồn nguyên liệu dễ kiếm, hầu như là có sẵn trong tự nhiên. - Thân thiện với mơi trường.
- Chi phí xử lý thấp.
- Ít tốn điện năng và hố chất.
- Thường khơng gây ra chất ô nhiễm thứ cấp.
Nhược điểm:
- Thời gian xử lý lâu và phải hoạt động liên tục, chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, ánh sáng, pH, DO, hàm lượng các chất dinh dưỡng, các chất độc hại khác.
- Chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện thời tiết, do đó việc vận hành và quản lý khó, hầu như chỉ sử dụng ở giai đoạn xử lý bậc 2, 3.
- Hiệu quả xử lý không cao khi trong nước thải chứa nhiều thành phần khác nhau.
- Hạn chế khi thành phần nước đầu vào biến động trong một dải rộng. - Yêu cầu diện tích khá lớn để xây dựng các cơng trình.
- Phương pháp này hạn chế đối với nước thải có độc.
Q trình xử lý sinh học hiếu khí bao gồm các công nghệ : Aerotank, SBR, MBR, MBBR, FBR.
- Q trình xử lý sinh học thiếu khí : Bể sinh học thiếu khí Anoxic. - Q trình xử lý sinh học kỵ khí : UASB, biogas, kỵ khí tiếp xúc.
2.1.3.1. Phương pháp xử lý bằng sinh học hiếu khí
Thực chất của phương pháp này là dựa vào khả năng sống và hoạt động của các vi sinh để phân hủy – oxy hóa các chất hữu cơ ở dạng keo và hồ tan có trong nước thải. Q trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau:
- Oxy hoá các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 => CO2 + H2O + DH
- Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + NH3 + O2 => CO2 + H2O + DH - Phân huỷ nội bào: C5H7NO2 + 5O2 => 5CO2 + 5 H2O + NH3 ± DH
Những cơng trình trong đó q trình xử lý thực hiện trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng tưới, bãi lọc, hồ sinh học… thường quá trình xử lý diễn ra chậm.
Những cơng trình trong đó q trình xử lý thực hiện trong điều kiện nhân tạo: bể lọc sinh học (bể Biophin), bể làm thoáng sinh học (bể aerotank),… Do các điều kiện tạo nên bằng nhân tạo mà quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn, cường độ mạnh hơn. Quá trình xử lý sinh học có thể đạt được hiệu suất khử trùng 99,9% (trong các cơng trình trong điều kiện tự nhiên), theo BOD tới 90 – 95%.
Quá trình sinh trưởng lơ lửng
a. Bể Arotank
Bể Aerotank là cơng trình làm bằng bê tơng, bê tông cốt thép, với mặt bằng thơng dụng là hình chữ nhật. Nước thải sau khi xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hoà tan cùng các chất lơ lửng đi vào Aerotank. Các chất lơ lửng này là một số chất rắn và có thể là các hợp chất hữu cơ chưa phải là dạng hoà tan. Các chất lơ lửng làm nơi vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển dần thành các hạt cặn bông. Các hạt này dần to và lơ lửng trong nước.Chính vì vậy, xử lí nước thải ở Aerotank được gọi là q trình xử lí với sinh trưởng lơ lửng của quần thể vi sinh vật. Các bông cặn này cũng chính là bơng bùn hoạt tính thời gian lưu nước trong bể Aerotank là từ 4 - 8 giờ, không quá 12 giờ.
Yêu cầu chung khi vận hành là nước thải đưa vào Aerotank cần có hàm lượng SS khơng vượt quá 150 mg/l, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ không quá 25mg/l, pH = 6,5-9, nhiệt độ không nhỏ hơn 30oC.
Hình 2.7 Cơ chế hoạt động của bể Aerotank. [12]
Cơ chế Aerotank:
Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.
Nước thải với bùn hoạt tính tuần hồn sau khi qua bể Aerotank cho qua bể lắng II. Ở đây bùn lắng một phần đưa trở lại bể Aerotank, phần lại đưa vào bể nén bùn. Số
lượng bùn tuần hồn và số lượng khí cần cấp lấy phụ thuộc vào độ ẩm và mức độ yêu cầu xử lý nước thải.
b. Mương Oxy hóa
Mương oxy hóa là dạng cải tiến của Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính chuyển động tuần hoàn trong mương.
Nguyên lý hoạt động: Nước thải từ bể lắng đợt I được dẫn vào mương oxy hóa. Nước thải qua máy khuấy trộn vào vùng hiếu khí của mương oxy hóa và tại đây xảy ra q trình oxy hóa chất hữu cơ có trong nước thải. Nước thải sau đó dịch chuyển đến vùng thiếu khí. Tại vùng này Nito có thể loại bỏ bởi q trình Nitrat. Nước thải sau đó được dẫn qua bể lắng II và tiếp tục xả nước thải sau xử lý vào nguồn tiếp nhận. Bùn hoạt tính từ bể lắng II được tuần hồn lại mương oxy hóa và bùn dư được thải ra sân phơi bùn.
Mương oxy hóa có thể được xây dựng bằng bê tơng cốt thép, hoặc bằng mương thành đất, mặt trong ốp đá, láng xi măng hoặc nhựa đường.
Hình 2.8 Mương oxy hóa [6]
c. Bể SBR
SBR (Sequencing Batch Reactor): Bể phản ứng theo mẻ là dạng cơng trình xử lí 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 sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao. Chu kì vận hành của bể SBR gồm 5 pha cơ bản: pha làm đầy - pha phản ứng - pha lắng - pha xả nước - pha chờ.
Chu kỳ hoạt động của bể với 5 pha được tiến hành như sau:
(1) Pha làm đầy: Nước thải được bơm vào bể xử lý trong khoảng từ 1-3 giờ. Trong bể phản ứng hoạt động theo mẻ nối tiếp nhau, tùy thuộc theo mục tiêu xử lý, hàm lượng BOD đầu vào mà q trình làm đầy có thể thay đổi linh hoạt: Làm đầy – tĩnh, làm đầy- hòa trộn, làm đầy- sục khí.
(2) Pha sục khí: Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thống bề mặt để cấp oxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp. Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, yêu cầu về mức độ xử lý, thường khoảng 2 giờ. Trong pha phản ứng, q trình nitrat hóa có thể thực hiện, chuyển Nitơ từ dạng N-NH3 sang N-NO22- và nhanh chóng chuyển sang dạng N-NO3-
(3) Pha lắng: Lắng trong nước. Q trình diễn ra trong mơi trường tĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100%. Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ. Pha rút nước: tháo nước đã được lắng trong ở phần trên của bể ra nguồn tiếp nhận. trung bình thời gian xả cạn là 45 phút.
(4) Pha chờ: Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình trên và vào số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn do người thiết kế quyết định. Ở nhà máy có dịng chảy đều có thể bố trí lịch hoạt động để rút thời gian xuống gần bằng 0.
Hệ thống SBR yêu cầu vận hành theo chu kỳ để điều khiển quá trình xử lý. Hoạt động chu kỳ kiểm sốt tồn bộ các giai đoạn của chu kỳ xử lý. Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học.
Một số ưu điểm nổi bật của bể SBR là hiệu quả xử lý chất ô nhiễm cao, khả năng khử được N, P cao và kết cấu đơn giản, hoạt động dễ dàng.
Ưu điểm:
- Không cần xây dựng bể lắng 1, lắng 2 hay thậm chí là cả bể điều hịa. - Chế độ hoạt động có thể thay đổi theo nước đầu vào nên rất linh động. - Giảm được chi phí do giảm thiểu nhiều loại thiết bị so với qui trình cổ điển.
Nhược điểm:
- Kiểm sốt q trình rất khó, địi hỏi hệ thống quan trắc các chỉ tiêu tinh vi, hiện đại.
- Do có nhiều phương tiện điều khiển hiện đại nên việc bảo trì bảo dưỡng trở nên rất khó khăn.
- Có khả năng nước đầu ra ở giai đoạn xả ra cuốn theo các bùn khó lắng, váng nổi.
- Do đặc điểm là ko rút bùn ra nên hệ thống thổi khí dễ bị nghẹt bùn.
- Nếu các cơng trình phía sau chịu sốc tải thấp thì phải có bể điều hịa phụ trợ.
Q trình sinh trưởng dính bám
Các màng sinh vật bao gồm các loại vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn tùy tiện, động vật nguyên sinh, giun, bọ,... hình thành xung quanh hạt vật liệu lọc hoặc trên bề mặt giá thể (sinh trưởng bám dính) sẽ hấp thụ chất hữu cơ. Các cơng trình chủ yếu là lọc sinh học, đĩa lọc sinh học, bể lọc sinh học có vật liệu lọc nước...Các cơng trình xử lý nước thải theo nguyên lý bám dính chia làm hai loại: loại có vật liệu lọc tiếp xúc không ngập trong nước với chế độ tưới nước theo chu kỳ và loại có vật liệu lọc tiếp xúc ngập trong nước ngập oxy.
d. Bể lọc sinh học nhỏ giọt
Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc khơng 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 kiện có thể. Nước đến lớp vật liệu lọc chia thành các dòng hoacjwhatj nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật lệu, 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 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 vi sinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng và bị phân hủy kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch.
e. Đĩa lọc sinh học
Đĩa lọc sinh học được dùng để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo nguyên lý bám dính. Đĩa lọc là các tấm nhựa, gỗ, … hình trịn đường kính 2 – 4 m dày dưới 10 mm ghép với nhau thành khối cách nhau 30 – 40 mm và các khối này được bố trí thành dãy nối tiếp quay đều trong bể nước thải. Đĩa lọc sinh học được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt với công suất không hạn chế. Tuy nhiên người ta thường sử dụng hệ thống đĩa để cho các trạm xử lý nước thải công suất dưới 5000 m3/ngày.
f. Bể lọc sinh học có vật liệu ngập trong nước
Nước thải qua bể lắng đợt I được bơm lên máng phân phối, theo dàn ống phân phối đề lên diện tích đáy bể, nước được trộn đều với khơng khí cấp từ ngồi vào qua dàn ống phân phối. Hỗn hợp khí nước đi cùng chiều từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc.
Trong lớp vật liệu lọc xảy ra q trình khử BOD và chuyển hóa NO3-, lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng. Nước trong được thu vào máng và theo ống đi ra ngoài. Nếu muốn khử BOD, NO3- và P, nên lọc từ 2 bậc trở lên, ở bậc lọc cuối, dàn phân phối khí đặt vào giữa lớp vật liệu lọc ở độ cao sao cho lớp vật liệu nằm dưới dàn phân phối khí có đủ thể tích là vùng thiếu khí (Anoxic) để khử NO3-, và P.
g. Bể MBBR
MBBR là từ viết tắt của cụm từ Moving Bed Biofilm Reactor, là một dạng 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 oxi cho nước thải hay motor khuấy.
Nhân tố quan trọng của q trình xử lí này là các giá thể động có lớp màng biofilm bám dính trên bề mặt. Hiện tại trên thị trường có 5 loại giá thể khác nhau: K1, K2, K3, Natrix và Biofin Chip M.
Công nghệ MBBR là công nghệ mới nhất hiện nay trong lĩnh vực xử lý nước thải vì tiết kiệm được diện tích và hiệu quả xử lý cao. Vật liệu làm giá thể phải có tỷ trọng nhẹ hơn nước đảm bảo điều kiện lơ lửng được. Các giá thể này luôn chuyển động khơng ngừng trong tồn thể tích bể nhờ các thiết bị thổi khí và cánh khuấy. Mật độ vi sinh ngày càng gia tăng, hiệu quả xử lý ngày càng cao.
Thể tích của màng MBBR so với thể tích bể được điều chỉnh theo tỷ lệ phù hợp, thường là <50% thể tích bể. Nồng độ sinh khối dao động từ 3000-4000mg TSS/m3 => tải trọng thể tích trong MBBR cao hơn gấp vài lần trong q trình xử lí bùn hoạt tính.
Bể MBBR có 2 loại: MBBR hiếu khí và MBBR thiếu khí, đảm bảo cho q trình xử lý Nitơ trong nước thải.
Ưu điểm:
- Hệ vi sinh bền: các giá thể vi sinh tạo cho màng sinh học một mơi trường bảo vệ, do đó, hệ vi sinh xử lý dễ phục hồi.
- Mật độ vi sinh cao: so với bể thổi khí thơng thường, mật độ vi sinh xử lý trong mỗi đơn vị thể tích cao hơn, vì vậy tải trọng hữu cơ của bể MBBR cao hơn.
- Mặt bằng của MBBR nhỏ hơn so với hệ thống xử lí nước thải hiếu khí bùn hoạt tính đối với nước thải đơ thị và khu công nghiệp.
- Chủng vi sinh đặc trưng: các nhóm vi sinh khác nhau phát triển giữa các lớp màng vi sinh, điều này giúp cho các lớp màng sinh học phát triển theo xu hướng tập