Phương pháp trao đổi ion ứng dụng trong nước rác nhằm khử các kim loại nặng, các hợp chất của Asen, Photpho, Cyanua và đặc biệt để khử ammonia. Phương pháp này cĩ ưu điểm thực hiện ở nhiệt độ thấp (khơng thích hợp cho q trình cho q trình nitrat hố/ khử nitrat sinh học hay tách khí), dịng ra cĩ nồng độ ammonia và TDS thấp, khí NH3 thu hồi được tuần hồn sử dụng cho sản xuất. Một trong những loại nhựa tự nhiên dùng để khử ammonia tốt nhất là clinoptilolite (một dạng zeolit) bởi tính chọn lọc của nĩ đối với ion NH4+ hơn là ion Ca2+, Mg2+, Na+. Năng suất của nhựa này tương đối ổn định trong khoảng pH từ 4 – 8.
Tuy nhiên phương pháp trao đổi ion cĩ một số nhược điểm sau:
Hệ thống tái sinh phức tạp và vấn đề liên quan đến vịng đời của nhựa trao đổi,
Nồng độ của các cation khác nhau như Ca2+, Mg2+, Na+ cao làm giảm hiệu suất của quá trình,
Yêu cầu phải tiền xử lý bằng lọc để ngăn ngừa tích luỹ cặn lơ lửng, Chi phí đầu tư và vận hành cao.
3.2 XỬ LÝ SINH HỌC
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là việc sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất bẩn hữu cơ trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng một số hợp chất hữu cơ và một số chất khống làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng chúng nhận được các chất làm vật liệu xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên khối lượng sinh khối được tăng lên.
Phương pháp sinh học thường được sử dụng để làm sạch hồn tồn các loại nước thải cĩ chứa các chất hữu cơ hịa tan hoặc các chất phân tán nhỏ, keo. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh hĩa các chất bẩn sẽ là: khí CO2, nitơ, H2O, ion sulfate, sinh khối vi sinh vật… Cho đến nay, người ta đã biết nhiều loại vi sinh vật cĩ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
23
thể phân hủy hầu hết các chất hữu cơ cĩ trong thiên nhiên và rất nhiều chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo.
Các pha sử dụng chất nền bởi vi sinh vật khi xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học bao gồm:
Carbonhydrat Axit béo Amino axit
Các chất humic, carbonhydrat cĩ phân tử lượng lớn
Các chất hữu cơ trong pha (4) chủ yếu cĩ phân tử lượng trong khoảng từ 500- 10.000 nên rất khĩ phân hủy sinh học. Ta thấy rằng nước rác mới chứa nhiều axit béo bay hơi VFA cĩ phân tử lượng thấp nên dễ xử lý sinh học.
Giải pháp xử lý bằng biện pháp sinh học cho nước rác trạm trung chuyển cĩ thể được xem là tốt nhất trong các phương pháp trên với các lý do sau:
Chi phí thấp.
Cĩ thể xử lý được độc tố.
Khả năng xử lý sinh học của nước rác rất cao: BOD/COD > 0,8. Khử được các dạng nitơ, đặc biệt là N-NH3.
Tính ổn định cao.
3.2.1 Phương Pháp Xử Lý Sinh Học Kị Khí
Sự phân hủy kị khí cĩ thể được định nghĩa là sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện khơng cĩ mặt của oxy. Q trình phân hủy kị khí là q trình bao gồm nhiều phản ứng sinh hĩa phức tạp phân huỷ các chất hữu cơ, tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian.
Sự phân hủy kị khí của các hợp chất hữu cơ cĩ thể được chia làm 6 q trình:
- Quá trình thủy phân các polymer, protein, polysaccharide, chất béo; - Lên men các amino acid và các đường,
- Oxy hĩa kị khí các acid béo và alcohol,
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
- Tạo thành metan từ acid acetic,
- Tạo thành metan từ hydro và carbon dioxide.
Các quá trình này cĩ thể nhĩm lại thành 4 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1 : Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử. Giai đoạn 2 : Acid hĩa.
Giai đoạn 3 : Acetate hĩa. Giai đoạn 4 : Methane hĩa. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều hợp chất cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin, … trong giai đoạn thủy phân sẽ cắt mạch tạo thành các phân tử đơn giản hơn, dễ thủy phân hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hĩa protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hĩa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hĩa thành acetic acid, H2 và CO2 . Vi khuẩn methane chỉ cĩ thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2 , formate, acetate, methanol, methylamine và CO.
Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2
4 CH3OH 3CH4 + CO2 + H2O
4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Trong 3 giai đoạn thủy phân, acid hĩa và acetic hĩa, COD trong dung dịch hầu như khơng giảm, COD chỉ giảm trong q trình metan hĩa.
a. Q Trình Xử Lý Kị Khí Với Vi Sinh Vật Sinh Trưởng Dạng Lơ Lửng
Bể xử lý bằng lớp bùn kị khí với dịng nước đi từ dưới lên (UASB)
Đây là một trong những q trình kỵ khí ứng dụng rộng rãi nhất trên thế do hai đặc điểm chính sau :
- Cả ba quá trình phân hủy – lắng bùn – tách khí được lắp đặt trong cùng một cơng trình.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
25
- Tạo thành các loại bùn hạt cĩ mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Ưu điểm của UASB so với q trình bùn hoạt tính hiếu khí :
Ít tiêu tốn năng lượng vận hành. Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn. Bùn sinh ra dễ tách nước.
Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng. Cĩ khả năng thu hồi năng lượng từ khí Methane.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9 m/h, pH thích hợp cho q trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đĩ cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để đảm bảo pH của nước luơn lớn hơn 6,2 vì ở pH < 6,2 vi sinh vật chuyển hĩa Methane khơng hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu kì sinh trưởng của vi sinh vật acid hĩa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hĩa (2 – 3 giờ ở 350C so với 2 – 3 ngày ở điều kiện tối ưu). Do đĩ, trong quá trình vận hành ban đầu tải trọng chất hữu cơ khơng được q cao vì vi sinh vật acid hĩa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hĩa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hĩa.
Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc
Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn được trộn đều bằng các phương tiện khuấy trộn. Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hồn tồn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng để tách riêng bùn và nước. Bùn tuần hồn trở lại bể kị khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm. Bể phản ứng tiếp xúc thực sự là một bể biogas cải tiến với cánh khuấy tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp xúc với các chất ơ nhiễm trong nước thải. So với bể UASB, bể phản ứng yếm khí tiếp xúc cĩ chi phí xây dựng thấp hơn, tuy vậy cần phải xây dựng thêm bể lắng và phải hồn lưu bùn. Vấn đề vận hành bể yếm khí tiếp xúc đơn giản hơn.
b. Q trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác Bể lọc kị khí là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ chứa nhiều cacbon trong nước thải. Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên hoặc từ trên xuống, tiếp xúc với lớp vật liệu trên đĩ cĩ vi sinh vật kị khí sinh trưởng và phát triển. Vì vi sinh vật được giữ trên bề mặt vật liệu tiếp xúc và khơng bị rửa trơi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu của tế bào sinh vật rất cao (khoảng 100 ngày), mật độ vi sinh vật tập trung lớn.
Ưu điểm của bể lọc kị khí:
Bể lọc kị khí cĩ khả năng chịu sốc tải lớn, thích nghi nhanh. Pha nghỉ chiếm thời gian ngắn.
Vi sinh vật thích nghi nhanh chĩng trong giai đoạn khởi động, Cĩ khả năng giảm hàm lượng hữu cơ xuống mức rất thấp. Giảm diện tích lắp đặt, cấu tạo đơn giản.
Vận hành đơn giản.
Nhược điểm của bể lọc kị khí:
Chi phí xây dựng khá cao (do giá thành của các giá thể). Tải trọng hữu cơ (kg/m3.ngđ) thấp hơn.
Một số kết quả nghiên cứu xử lý nước rác bằng quá trình sinh học kị khí được trình bày ở bảng 2.3.
Các nghiên cứu cho thấy rằng nước rác mới từ các bãi chơn lấp sau khi xử lý kị khí cĩ tính chất tương tự nước rác từ bãi chơn lấp sau một thời gian đĩng cửa, thể hiện qua tỷ lệ BOD/COD giảm đáng kể. Điều này chứng tỏ quá trình sinh học kị khí cĩ hiệu quả rất tốt khi được sử dụng để xử lý nước rác mới cĩ nồng độ chất hữu cơ cao, đặc biệt là nước ép rác tại các trạm trung chuyển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh q trình kị khí cĩ thể khử 90 – 99 % BOD5; tỉ số BOD5/COD tương ứng là 0,68 (Boyle và Ham 1974; Pohlvà 1975; Chian và DeWalle 1977).
Schafer (1986) đã nghiên cứu xử lý nước rác mới với nồng độ cao (BOD5 = 38.500 mg/l và COD = 60.000mg/l) bằng bể phản ứng màng cố định dịng hướng lên, khử được 95% BOD5 và TSS.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 3: Các phương pháp xử lý nước rác
27
Bảng 3.1. Một số kết quả xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học kị khí
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. Q trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng (bùn hoạt tính) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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. Q 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.