COD vào, mg/l BOD5/COD Hiệu quả xử lý (%)
HRT
(ngày) Nguồn
10.000 0,79 93 10 Boyle & Ham (1974)
12.900 0,45 92 10 Foree & Reid (1972)
16.500 0,62 99 15 Karr (1972)
5.500 0,78 93 10 Karr (1972)
1.300 0,81 87 12 Rodgers (1973)
30.000 0,65 97 27 Chian & DeWalle
(1976)
(Nguồn: [12])
Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu sử dụng q trình xử lý kị khí đã được thực hiện. Các nghiên cứu ứng dụng q trình kị khí trên mơ hình pilot UASB xử lý nước rác mới của CENTEMA cho hiệu quả xử lý cĩ thể đạt 93,57% ở tải trọng chất hữu cơ 3 – 4 kgCOD/m3.ngđ. Nồng độ COD giảm từ 1.824 – 4.381mg/l xuống cịn 214 mg/l, HRT = 24h, pH tăng từ 6,41 – 7,77. Ở tải trọng 6 kgCOD/m3.ngđ hiệu quả đạt 94,63 – 95,54%, nồng độ giảm từ 63.000 mg/l xuống cịn 260 mg/l. Khi tải trọng từ 40 – 50 kgCOD/m3.ngđ hiệu quả đạt 92 – 94% theo COD, HRT = 12h, nồng độ COD từ 20.844 – 24.848mg/l giảm xuống cịn 1.196 – 2.027mg/l.
Tĩm tại, q trình sinh học kị khí áp dụng để xử lý nước rác, đặc biệt là nước rác mới đạt được hiệu quả rất đáng khích lệ, phần lớn chất ơ nhiễm hữu cơ trong nước rác được loại bỏ. Nước rác sau khi xử lý bằng phương pháp kị khí cĩ thể xử lý hiếu khí hoặc hĩa học tùy vào chất hữu cơ cĩ khả năng phân hủy cịn lại nhiều hay ít.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
3.2.2 Phương Pháp Sinh Học Hiếu Khí
Q trình xử lý sinh học hiếu khí là q trình sử dụng các vi sinh oxy hố các chất hữu cơ trong điều kiện cĩ sự tồn tại của oxy.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn sau:
Oxy hĩa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + H
Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz + O2 + NH3 (C5H7NO2) + CO2 + H2O – H
Phân hủy nội bào:
C5H7NO2 + O2 5CO2 + 2H2O + NH3 H
Xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí nhân tạo dựa trên nhu cầu oxy cần cung cấp cho vi sinh vật hiếu khí cĩ trong nước thải hoạt động và phát triển. Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng các chất hữu cơ, các nguồn nitơ và photpho cùng với một số nguyên tố vi lượng khác làm nguồn dinh dưỡng để xây dựng tế bào mới, phát triển tăng sinh khối. Bên cạnh đĩ q trình hơ hấp nội bào cũng diễn ra song song giải phĩng ra CO2 và nước. Cả hai q trình dinh dưỡng và hơ hấp của vi sinh vật đều cần oxy. Các hệ thống sục khí bề mặt bằng cách khuấy đảo hoặc sử dụng hệ thống khí nén được sử dụng để đáp ứng nhu cầu oxy hồ tan trong nước. Các cơng trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí gồm các bể phản ứng sinh học hiếu khí aeroten, mương oxy hố, các bể lọc sinh học, các loại đĩa quay sinh học…
a. Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng (bùn hoạt tính)
Xử lý nước thải theo q trình bùn hoạt tính bao gồm rất nhiều hệ thống khác nhau với cách thức xây dựng khác nhau. Mặc dù vậy, tất cả các cơng trình cĩ cùng chung một đặc điểm là: sử dụng bùn hoạt tính dạng lơ lửng để xử lý các chất hữu cơ hịa tan hoặc các chất hữu cơ dạng lơ lửng. Bùn hoạt tính được cung cấp thường là bùn
Enzym Enzym
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
29
tự hoại hoặc bùn hoạt tính lấy từ các nhà máy xử lý nước thải đang hoạt động. Sau một thời gian thích nghi, các tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng và phát triển. Trong nước rác cĩ những hạt lơ lửng , các hạt lơ lửng được các tế bào vi sinh vật bám lên và phát triển thành các bơng cặn cĩ hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ mạnh. Các hạt bơng cặn này sẽ dần dần lớn lên do được cung cấp oxy và hấp thụ các chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển.
Một số cơng trình hiếu khí phổ biến xây dựng trên cơ sở xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính cĩ thể áp dụng trong xử lý nước rác:
Bể aeroten thơng thường
Địi hỏi chế độ dịng chảy nút (plug – flow), khi đĩ chiều dài bể rất lớn so với chiều rộng. Trong bể này nước thải vào cĩ thể phân bố ở nhiều điểm theo chiều dài, bùn hoạt tính tuần hồn đưa vào đầu bể. Ở chế độ dịng chảy nút, bơng bùn cĩ đặc tính tốt hơn, dễ lắng. Tốc độ sục khí giảm dần theo chiều dài bể. Quá trình phân hủy nội bào xảy ra ở cuối bể. Tải trọng thích hợp vào khoảng 0,3 – 0,6 kg BOD5/m3 .ngày với hàm lượng MLSS 1.500 – 3.000 mg/l, thời gian lưu nước từ 4 – 8 giờ, tỷ số F/M = 0,2 – 0,4, thời gian lưu bùn từ 5 – 15 ngày.
Bể aeroten xáo trộn hồn tồn
Địi hỏi chọn hình dạng bể, trang thiết bị sục khí thích hợp. Thiết bị sục khí cơ khí (mơtơ và cánh khuấy) hoặc thiết bị khuếch tán khí thường được sử dụng. Bể này thường cĩ dạng trịn hoặc vng, hàm lượng bùn hoạt tính và nhu cầu oxy đồng nhất trong tồn bộ thể tích bể. Bể này cĩ ưu điểm chịu được quá tải rất tốt. Metcalf và Eddy (1991) đưa ra tải trọng thiết kế khoảng 0,8 – 2,0 kg BOD5/m3 ngày với hàm lượng bùn 2.500 – 4.000 mg/l, tỷ số F/M = 0,2 –0,6.
Bể aeroten mở rộng
Hạn chế lượng bùn dư sinh ra, khi đĩ tốc độ sinh trưởng thấp, sản lượng bùn thấp và chất lượng nước ra cao hơn. Thời gian lưu bùn cao hơn so với các bể khác (20 – 30 ngày). Hàm lượng bùn thích hợp trong khoảng 3.000 – 6.000 mg/l.
Mương oxy hĩa
Là mương dẫn dạng vịng cĩ sục khí để tạo dịng chảy trong mương cĩ vận tốc đủ xáo trộn bùn hoạt tính. Vận tốc trong mương thường được thiết kế lớn hơn 3 m/s để tránh cặn lắng. Mương oxy hĩa cĩ thể kết hợp q trình xử lý nitơ. Metcalf và Eddy
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác (1991) đề nghị tải trọng thiết kế 0,10 – 0,25 kg BOD5/m3 ngày, thời gian lưu nước 8 – 16 giờ, hàm lượng MLSS khoảng 3.000 – 6.000 mg/l, thời gian lưu bùn từ 10 – 30 ngày là thích hợp.
Bể hoạt động gián đoạn (SBR)
Hệ thống aerotank làm việc theo mẻ kế tiếp (SBR) là quá trình bùn hoạt tính hay được sử dụng để xử lý nước rác. Quá trình gồm 5 giai đọan: cho nước vào, phản ứng (kị khí, hiếu khí, thiếu khí), lắng, tháo nước ra, nạp mẻ mới được thực hiện trong cùng 1 bể phản ứng, do đĩ rất tiết kiệm diện tích xây dựng. Đồng thời, bùn hoạt tính khơng cần tuần hồn để duy trì nồng độ bùn trong bể như các q trình bùn hoạt tính khác. SBR cĩ hiệu quả cao khi xử lý nước rác cĩ hàm lượng chất hữu cơ hịa tan và chất dinh dưỡng cao. Nĩ cịn được áp dụng để xử lý nước thải nhiễm phenol, benzoic axit, các chất béo… Các nghiên cứu và cơng trình thực tế cho biết rằng hiệu quả xử lý nước rác của SBR khoảng 72-79% COD, 98% BOD5 và khử được hơn 72% tổng nitơ, hơn 98% sắt và hơn 82% mangan, đồng thời kẽm cũng được giảm xuống cịn rất thấp (0,02mg/l).
Hiệu quả xử lý kim loại của các cơng trình sinh học bùn hoạt tính khi xử lý nước rác mới rất cao. Tuy nhiên, khi các kim loại như Fe, Mn, Al, Cr, Ca, Pb, Ni bị loại ra khỏi nước thải sẽ lắng trong các cơng trình xử lý sinh học cũng như hấp phụ trong bùn hoạt tính, thì tỉ lệ MLVSS/MLSS sẽ giảm xuống rất thấp ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý sinh học. Do vậy cần cĩ những cơng trình sơ bộ giảm nồng độ kim loại trước khi xử lý sinh học.
Những thuận lợi và khĩ khăn khi ứng dụng q trình hiếu khí sinh trưởng lơ
lửng để xử lý nước rác là:
Thuận lợi:
Bùn hoạt tính thích nghi nhanh.
Hiệu quả khử BOD và COD cao (90 – 99%), hiệu quả khử kim loại đạt từ 88 – 99%.
Khĩ khăn:
Hao tốn nhiều năng lượng trong quá trình xử lý.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
31
Mặt bằng cơng trình lớn và các thiết bị sử dụng đắt tiền. Lượng bùn dư sinh ra nhiều nên chi phí xử lý bùn tốn kém. Áp dụng đối với nồng độ và tải trọng thấp.
Một số điều kiện và các yếu tố ảnh hưởng tới q trình bùn hoạt tính:
- Phải đảm bảo cung cấp đủ oxy một cách liên tục và sao cho lượng oxy hịa tan trong nước ra khỏi bể lắng 2 khơng nhỏ hơn 2 mg/l.
- Nồng độ độc chất gây hại cho vi sinh ở trong ngưỡng cho phép.
- Lượng các nguyên tố dinh dưỡng để các q trình sinh hĩa diễn ra bình thường khơng được thấp hơn giá trị cần thiết (BOD5:N:P = 100:5:1).
- pH vào nằm trong khoảng 6.5 – 8.5. pH ảnh hưởng lớn đến quá trình lên men trong tế bào và hấp thu các chất dinh dưỡng vào tế bào.
- Nhiệt độ nước thải khơng dưới 60C và khơng quá 370C. - Nồng độ của muối vơ cơ trong nước thải khơng quá 10 g/l.
- SS vào khơng quá 100 mg/l khi dùng bể lọc sinh học và 150 mg/l khi dùng aerotank.
Một số nghiên cứu ứng dụng bùn hoạt tính xử lý nước rác
Đối với nước rác rác mới thì hiệu quả xử lý của q trình bùn hoạt tính cĩ thể khử 95,2% BOD5; với BOD5 vào 5294 mg/l giảm cịn 254mg/l; trên 87% COD được loại bỏ, nồng độ COD vào từ 12359 mg/l giảm cịn 1566 mg/l (After Ehrig, 1989). Q trình bùn hoạt tính cĩ thể khử 90 – 99% BOD5 và COD và loại bỏ 80 – 90% kim loại; ứng với nồng độ MLVSS khoảng 5.000 – 10.000 mg/l; tỉ số F/M khoảng 0,02 – 0,06 ngày-1, thời gian lưu nước từ 1 – 10 ngày, thời gian lưu bùn 15 – 60 ngày và nhu cầu dinh dưỡng BOD5:N:P = 100 : 3,2 : 0,5).[12]
b. Q trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám
Q trình sinh học dính bám là q trình phát triển của vi sinh vật trên bề mặt các vật liệu rắn trong mơi trường hiếu khí hoặc kị khí. Vi sinh vật sẽ tiết ra chất gelatin và chúng cĩ thể di chuyển trong lớp genlatin dính bám này. Đầu tiên, vi khuẩn chỉ hình thành ở một khu vực, sau đĩ màng vi sinh vật sẽ khơng ngừng phát triển phủ kín tồn bộ bề mặt vật liệu tiếp xúc. Chất dinh dưỡng (chất hữu cơ, muối
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác khống) và oxy cĩ trong nước thải sẽ khuếch tán vào lớp màng biofilm và từ đĩ quá trình ổn định chất hữu cơ sẽ diễn ra làm giảm nồng độ các chất ơ nhiễm cĩ khả năng phân hủy sinh học trong nước rác.
Màng sinh học là tập hợp các lồi vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, ngồi ra cịn cĩ các vi sinh vật tuỳ tiện và kị khí. Ở ngồi cùng của lớp màng là lớp hiếu khí, cĩ rất nhiều tế bào của loại trực khuẩn Bacillus. Lớp trung gian là lớp vi khuẩn tuỳ tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là lớp kị khí gồm các loại vi khuẩn khử lưu huỳnh, khử nitrat. Ngồi ra cịn cĩ một quần thể ngun sinh động vật và một số sinh vật khác bám trên lớp màng. Chúng sử dụng màng sinh học làm thức ăn và tạo thành các lỗ nhỏ trên bề mặt của màng. Lớp màng vi sinh dính bám sau thời gian hoạt động sẽ ngày càng dày thêm, các lớp bên trong do ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận được oxy sẽ chuyển sang phân huỷ kị khí, sản phẩm của biến đổi kị khí là các acid hữu cơ, các alcol… Các chất này chưa kịp khuếch tán ra ngồi đã bị các vi sinh vật khác sử dụng. Kết quả là lớp sinh khối ngồi phát triển liên tục nhưng lớp bên trong lại phân hủy liên tục.
Quá trình lọc sinh học được chia làm 3 loại: lọc sinh học hiếu khí dạng ngập nước, lọc sinh học hiếu khí dạng khơng ngập nước với hệ thống quạt giĩ cưỡng bức, quá trình lọc nhỏ giọt và đĩa quay sinh học.
Bể lọc sinh học ngập nước
Bể lọc sinh học chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Vật liệu tiếp xúc thường là đá cĩ đường kính trung bình 25 – 100 mm, hoặc vật liệu nhựa cĩ hình dạng khác nhau cĩ chiều cao từ 4 – 12m. Nước thải được phân bố đều trên mặt lớp vật liệu bằng hệ thống quay hoặc vịi phun, cĩ thể từ dưới lên hoặc từ trên xuống. Quần thể vi sinh vật sống bám trên giá thể tạo nên màng nhầy sinh học cĩ khả năng hấp phụ và phân hủy chất hữu cơ chứa trong nước thải. Quần thể vi sinh vật này cĩ thể bao gồm vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và tùy tiện, nấm, tảo và các động vật nguyên sinh… trong đĩ vi khuẩn tùy tiện chiếm ưu thế.
Tháp lọc sinh học
Khác với bể lọc sinh học ngập nước, tháp lọc sinh học được xây dựng với hệ thống quạt giĩ cưỡng bức từ dưới lên, nước thải được phân phối từ phía trên, chảy qua lớp màng vi sinh bám trên các giá thể và xuống bể thu ở phía dưới. Hệ thống thu nước
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
33
này cĩ cấu trúc rỗ để tạo điều kiện khơng khí lưu thơng trong bể. Sau khi ra khỏi bể, nước thải vào bể lắng đợt hai để loại bỏ màng vi sinh tách khỏi giá thể. Nước sau xử lý cĩ thể tuần hồn để pha lỗng nước thải đầu vào bể lọc sinh học, đồng thời duy trì độ ẩm cho màng nhầy.
Đối vớp tháp lọc sinh học: lượng khơng khí được cung cấp nhiều nên sinh khối phát triển rất nhanh, thời gian nước thải chảy xuống thường ngắn nên vi sinh vật khĩ oxy hố hết lượng hữu cơ cĩ trong nước thải đến mức tối đa, do đĩ thường phải tuần hồn lại nước đầu ra hoặc kết hợp với bể aeroten.
Tháp lọc sinh học nhỏ giọt
Tháp lọc sinh học nhỏ giọt cĩ kết cấu giống như tháp lọc sinh học. Tuy nhiên, vận tốc của nước thải đi qua giá thể nhỏ hơn nhiều, cấu trúc của giá thể cũng được thay đổi sao cho cĩ thể lưu nước được trên giá thể lâu hơn. Trong tháp lọc sinh học nhỏ giọt thường tận dụng khí trời để khuyếch tán oxy vào màng sinh học thay vì dùng quạt giĩ cưỡng bức. Bể lọc sinh học nhỏ giọt cho phép giảm hàm lượng chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải xuống mức thấp nhất. Mặc dù vậy nĩ ít được sử dụng do chi phí đầu tư ban đầu lớn, chiếm diện tích rộng.
Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (Rotating Biological Contactor- RBC)
RBC bao gồm các đĩa trịn polystyren hoặc polyvinyl chloride đặt gần sát nhau. Đĩa nhúng chìm một phần trong nước thải và quay ở tốc độ chậm. Tương tự như bể lọc sinh học, màng vi sinh hình thành và bám trên bề mặt đĩa. Khi đĩa quay, màng sinh khối trên đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đĩ tiếp xúc với oxy. Đĩa quay tạo điều kiện chuyển hĩa oxy và ln giữ sinh khối trong điều kiện hiếu khí. Đồng thời, khi đĩa quay tạo nên lực cắt loại bỏ các màng vi sinh khơng cịn khả năng bám dính và giữ chúng ở dạng lơ lửng để đưa sang bể lắng đợt hai. Trục RBC phải tính tốn đủ đỡ vật liệu nhựa và lực quay. Chiều dài tối đa của trục thường 8m. Vật liệu nhựa tiếp xúc thường cĩ hình dạng khác nhau tùy thuộc vào nhà chế tạo. Diện tích bề mặt trung bình khoảng 9.300 – 16.700 m2/trục dài 8m. Thể tích bể thích hợp