3.4.1.1 Quá trình kỵ khí:
Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng:
Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc:
Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hồn (lắng 2). Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hồn tồn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng hoặc bể tuyển nổi để tách riêng bùn và nước. Bùn tuần hồn trở lại bể kỵ khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm.
Bể xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dịng nước đi từ dưới lên
(UASB)
Đây là một trong những quá 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.
- 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.
Bên cạnh đĩ, quá trình xử lý sinh học kỵ khí UASB cịn cĩ những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như :
- 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 quá 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 quá 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.
Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám
Bể lọc kỵ khí
Bể lọc kỵ khí là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ chứa carbon 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 kỵ 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).
Bể phản ứng cĩ dịng nước đi qua lớp cặn lơ lửng và lọc tiếp qua lớp vật liệu lọc cố định
Là dạng kết hợp giữa quá trình xử lý kỵ khí lơ lửng và dính bám.
3.4.1.2 Quá trình hiếu khí
Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng
Trong quá trình bùn hoạt tính, các chất hữu cơ hịa tan và khơng hịa tan chuyển hĩa thành bơng bùn sinh học – quần thể vi sinh vật hiếu khí – cĩ khả năng lắng dưới tác dụng của trọng lực. Nước chảy liên tục vào bể aeroten, trong đĩ khí được đưa vào cùng xáo trộn với bùn hoạt tính cung cấp ơxy cho vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ.
Dưới điều kiện như thế, vi sinh vật sinh trưởng tăng sinh khối và kết thành bơng bùn. Hỗn hợp bùn và nước thải chảy đến bể lắng đợt 2 và tại đây bùn hoạt tính lắng xuống đáy. Lượng lớn bùn hoạt tính (25 – 75% lưu lượng) tuần hồn về bể aeroten để giữ ổn định mật độ vi khuẩn, tạo điều kiện phân hủy nhanh chất hữu cơ. Lượng sinh khối dư mỗi ngày cùng với lượng bùn tươi từ bể lắng 1 được dẫn tiếp tục đến cơng trình xử lý bùn.
Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cần phải hiểu rõ vai trị quan trọng của quần thể vi sinh vật. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hĩa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị ơxy hĩa hồn tồn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-, … Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm :
Pseudomonas, Zoogloea, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium,…và
hai loại vi khuẩn nitrate hĩa Nitrosomonas, Nitrobacter. Yêu cầu chung khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưa vào hệ thống cần cĩ hàm lượng SS khơng vượt quá 50 mg/L, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ khơng quá 25 mg/L, pH từ 6,5 – 8,5 và nhiệt độ từ 6 – 370C. Một số dạng bể ứng dụng quá trình bùn hoạt tính lơ lửng như : Bể aeroten thơng thường, bể aeroten xáo trộn hồn chỉnh, mương ơxy hĩa, bể hoạt động gián đoạn, bể aeroten mở rộng, …
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 (ECKENFELDER W.W.,1989). 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.
Bùn Bể lắng 1 Nước chưa xử lý Bùn tuần hồn Bùn thải Bể lắng 2
Bể aerotank Nước thải
sau xử lý
Hình 3.1. Bể aeroten thơng thường
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 (motour và cánh khuấy) hoặc thiết bị khuếch tán khí thường được sử dụng. Bể này thường cĩ dạng trịn hoặc vuơng, hàm lượng bùn hoạt tính và nhu cầu ơxy đồng nhất trong tồn bộ thể tích bể. Bể này cĩ ưu điểm chịu được quá tải rất tốt. METCALF and 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 lắng
Bể lắng
Bùn thải Nước thải
trước xử lý Nước thải sau xử lý
Bùn tuần hồn Máy thổi khí
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 ơxy 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 ơxy hĩa cĩ thể kết hợp quá trình xử lý nitơ. METCALF and EDDY (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)
Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cạn. Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục, chỉ cĩ điều tất cả quá trình xảy ra trong cùng một bể và được thực hiện lần lượt theo các bước : (1) làm đầy, (2) phản ứng, (3) lắng, (4) xả cạn, (5) ngưng. Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám
Bể lọc sinh học
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 – 12 m. Nước thải được phân bố đều trên mặt lớp vật liệu bằng hệ thống quay hoặc vịi phun. 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.
Phần bên ngồi lớp màng nhầy (khoảng 0,1 – 0,2 mm) là loại vi sinh hiếu khí. Khi vi sinh phát triển, chiều dày lớp màng ngày càng tăng, vi sinh lớp ngồi tiêu thụ
hết lượng ơxy khuếch tán trước khi ơxy thấm vào bên trong. Vì vậy, gần sát bề mặt giá thể mơi trường kỵ khí hình thành. Khi lớp màng dày, chất hữu cơ bị phân hủy hồn tồn ở lớp ngồi, vi sinh sống gần bề mặt giá thể thiếu nguồn cơ chất, chất dinh dưỡng dẫn đến tình trạng phân hủy nội bào và mất đi khả năng bám dính. Nước thải sau xử lý được thu qua hệ thống thu nước đặt bên dưới. Hệ thống thu nước 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.
Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (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, mang sinh khối trên đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đĩ tiếp xúc với ơxy. Đĩa quay tạo điều kiện chuyển hĩa ơxy và luơn 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 khoảng 5 L/m2 diện tích vật liệu (METCALF and EDDY, 1991)
Bể FBR( Fix Bed Reactor):
Bể FBR áp dụng quá trình xử lý sinh trưởng bám dính, các lồi vi sinh vật sống bám dính lên giá thể tạo thành lớp màng vi sinh, lớp màng vi sinh này tập hợp thành quần thể vi sinh sống trên đĩ. Giá thể là mơi trường thuận lợi cho các vi sinh vật dính bám(màng vi sinh), các vi sinh vật dính bám lên bề mặt vật liệu một cách cĩ chọn lọc nên khả năng hấp thụ các chất hữu cơ trong nước thải cao hơn trong bể Aerotank.
3.4.2 Phương pháp sinh học tự nhiên
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nguồn nước. Việc xử lý nước thải được thực hiện trên các cơng trình :
Cánh đồng tưới
Dẫn nước thải theo hệ thống mương đất trên cánh đồng tưới, dùng bơm và ống phân phối phun nước thải lên mặt đất. Một phần nước bốc hơi, phần cịn lại thấm vào đất để tạo độ ẩm và cung cấp một phần chất dinh dưỡng cho cây cỏ sinh trưởng. Phương pháp này chỉ được dùng hạn chế ở những nơi cĩ khối lượng nước thải nhỏ, vùng đất khơ cằn xa khu dân cư, độ bốc hơi cao và đất luơn thiếu độ ẩm.
Ở cánh đồng tưới khơng được trồng rau xanh và cây thực phẩm vì vi khuẩn, virút gây bệnh và kim loại nặng trong nước thải chưa được loại bỏ sẽ gây tác hại cho sức khỏe của người sử dụng các loại rau và cây thực phẩm này.
Xả nước thải vào ao, hồ, sơng suối
Nước thải được xả vào những nơi vận chuyển và chứa nước cĩ sẵn trong tự nhiên để pha lỗng chúng và tận dụng khả năng tự làm sạch của các nguồn nước tự nhiên.
Khi xả nước thải vào nguồn tiếp nhận, nước của nguồn tiếp nhận sẽ bị nhiễm bẩn. Mức độ nhiễm bẩn phụ thộc vào : lưu lượng và chất lượng nước thải, khối lượng và chất lượng nước cĩ sẵn trong nguồn, mức độ khuấy trộn để pha lỗng. Khi lưu lượng và tổng hàm lượng chất bẩn trong nước thải nhỏ so với lượng nước của nguồn tiếp nhận, ơxy hịa tan cĩ trong nước đủ để cấp cho quá trình làm sạch hiếu khí các chất hữu cơ. Tuy nhiên, các chất lơ lửng, vi trùng gây bệnh và kim loại nặng, … nếu khơng loại bỏ trước vẫn đe dọa đến sức khỏe và sinh hoạt cộng đồng thơng qua hoạt động của các lồi cá, chim và các lồi sinh vật cĩ ích khác.
Hồ sinh học
Hệ hồ cĩ thể phân loại như sau : (1) hồ hiếu khí, (2) hồ tùy tiện, (3) hồ kỵ khí và (4) hồ xử lý bổ sung.
Hồ hiếu khí
Cĩ diện tích rộng, chiều sâu cạn. Chất hữu cơ trong nước thải được xử lý chủ yếu nhờ sự cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn sống ở dạng lơ lửng. Ơxy cung cấp cho vi khuẩn nhờ sự khuếch tán qua bề mặt và quang hợp của tảo. Chất dinh dưỡng và CO2 sinh ra trong quá trình phân hũy chất hữu cơ được tảo sử dụng. Hồ hiếu khí cĩ hai dạng : (1) cĩ
lượng ơxy cung cấp cho vi khuẩn, chiều sâu hồ này khoảng 1,5 m. Để đạt hiệu quả tốt cĩ thể cung cấp ơxy bằng cách thổi khí nhân tạo.
Tảo
Vi khuẩn Tảo mới
Chất hữu cơ
Năng lượng mặt trời
Vi khuẩn mới O2 CO ,NHPO ,H O 4 3 2 3- 2
Hình 3.3. Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí
Hồ tùy tiện
Trong hồ tùy tiện tồn tại 03 khu vực : (1) khu vực bề mặt, nơi đĩ chủ yếu vi khuẩn và tảo sống cộng sinh; (2) khu vực đáy, tích lũy cặn lắng và cặn này bị phân hủy nhờ vi khuẩn kỵ khí; (3) khu vực trung gian, chất hữu cơ trong nước thải chịu sự phân hủy của vi khuẩn tùy tiện. Cĩ thể sử dụng máy khuấy để tạo điều kiện hiếu khí trên bề mặt khi tải trọng cao. Tải trọng thích hợp dao động trong khoảng 70 – 140 kg BOD5/ha ngày.
Hồ kỵ khí
Thường được áp dụng cho xử lý nước thải cĩ nồng độ chất hữu cơ cao và cặn lơ lửng lớn, đồng thời cĩ thể kết hợp phân hủy bùn lắng. Hồ này cĩ chiều sâu lớn, cĩ thể sâu đến 9 m. Tải trọng thiết kế khoảng 220 – 560 kg BOD5/ha ngày
Hồ xử lý bổ sung
Cĩ thể áp dụng sau quá trình xử lý sinh học (aeroten, bể lọc sinh học hoặc sau hồ sinh học hiếu khí, tùy tiện, …) để đạt chất lượng nước ra cao hơn, đồng thời thực hiện quá trình nitrate hĩa. Do thiếu chất dinh dưỡng, vi sinh cịn lại trong hồ này sống ở giai đoạn hơ hấp nội bào và ammonia chuyển hĩa sinh học thành nitrate. Thời gian lưu nước trong hồ này khoảng 18 – 20 ngày. Tải trọng thích hợp 67 – 200 kg BOD5/ha ngày.
2 O Tế bào mới CO Vi khuẩn Tế bào mới Tảo 2 Tế bào chết Tế bào chết NH PO ,... 3- 4 3 Nước thải Chất rắn cĩ thể lắng
Chất thải hữu cơ
3 NH PO ,... 3-
4
Axit hữu cơ, rượu CO + NH + H S + CH
2 3 2 4
Bùn đáy
H S + 2O H SO2 2 2 4 Làm thống
O2
Giĩ (giĩ thúc đẩy quá trình hịa trộn và làm thống) O (các giờ chiếu sáng trong ngày)2 CO2 2 H S Nếu khơng cĩ O ở lớp phía trên của hồ cĩ thể
sinh ra khí cĩ mùi 2 Mặt trời