1.3.1 Những vấn đề chung về nước thải
Nước thải là nước đã qua sử dụng cho các hoạt động của con người (ăn uống, tắm giặt, vệ sinh, giải trí, sản xuất công nghiệp – nông nghiệp,…) chứa các chất bẩn (vô cơ, hữu cơ,..) làm thay đổi tính chất hóa- lý- sinh so với ban đầu.
Tùy vào nguồn gốc phát sinh mà người ta phân biệt các loại nước thải trong đó bảo gồm:
- Nước thải sinh hoạt.
- Nước thải công nghiệp.
- Nước thải nông nghiệp hay chảy tràn đồng ruộng.
Về mặt quản lý môi trường người ta chia nước thải ra làm 2 nhóm nguồn:
- Các nguồn thải xác định hay nguồn thải điểm.
- Các nguồn thải phân tán hay nguồn thải không điểm.
Trong quá trình đánh giá chất lượng nước thải người ta thường đánh giá các chỉ tiêu như: BOD, COD, DO, SS, TN, TP….và so sánh với các quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam cụ thể là QCVN 40:2011/BTNMT để đánh giá chất lượng nước thải.
Chỉ số BOD (nhu cầu oxy sinh hóa – Biochemical Oxy Demand)
Nhu cầu oxy sinh hóa là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học có trong nước nhờ các VSV. Quá trình này gọi là quá trình oxy hóa sinh học.
• Bản chất các chất hữu cơ • Số lượng các chất hữu cơ • Số lượng loại VSV tham gia. • Các chất độc kìm hãm VSV.
Mục đích của việc xác định nhu cầu oxy sinh hóa là:
• Dùng để tính toán lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải.
• Làm cơ sở cho việc tính toán các công trình xử lý ô nhiễm nước và nước thải. Đánh giá chất lượng nước trước và sau xử lý.
• Đánh giá hiệu suất xử lý của một quá trình
• Làm cơ sở cho việc tính toán các công trình xử lý ô nhiễm nước và nước thải đánh giá chất lượng nước trước và sau khi xử lý.
Trong thực tế, người ta ít khi xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học, mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối (để tránh hiện tượng quang hợp trong nước), chỉ số này được gọi là BOD5.
Chỉ số COD (nhu cầu oxy hóa học – Chemical Oxygen Demand)
Chỉ số này được sử dụng rộng rãi như là tiêu chuẩn cho hàm lượng chất hữu cơ trong xử lý chất thải. COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hóa, được xác định khi sử dụng một tác nhân hóa học có tính oxy hóa mạnh.
COD là một trong những chỉ tiêu đặc trưng dùng để kiểm tra mức độ ô nhiễm của nguồn nước thải sinh hoạt và công nghiệp.
Hàm lượng TN
Hàm lượng TN trong nước thải giúp ta xác định khả năng sử dụng phương pháp sinh học để xử lý nước thải và mức độ ô nhiễm của nguồn nước đấy. Vì thế, thông số TN là thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng nước. N thường tồn tại trong ở các dạng hợp chất protein và các sản phẩm phân hủy như N hữu cơ,
nitrit, nitrat, ammoniac. Đặc biệt trong nước thải tỉ lệ BOD5 với N và P có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xử lý nước thải.
Người ta thường sử dụng chỉ số TN để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải. Phương pháp thường dùng là Kjeldahl.
Hàm lượng TP
Trong môi trường nước, phospho tồn tại ở dạng: PO43-, Poly-P, và P-hữu cơ. Chỉ tiêu TP có ý nghĩa quan trọng trong xử lý nước để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ, ăn mòn và khả năng xử lý bằng sinh học.
TP được đo bằng cách chuyển tất cả về dạng PO43- và sau đó sẽ phản ứng với amoniummolydate tạo phức màu xanh và đo ở bước sóng 880nm.
Khi thải vào nguồn nhận, nước thải có N và P cao sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng. Hậu quả của phú dưỡng là sự phát triển bùng nổ của các loại tảo, làm phá vỡ chuổi thức ăn ổn định của hệ sinh thái thủy vực nguồn nhận. Một khi nước bị bùng nổ tảo, sẽ gây ra tác động bất lợi như suy giảm DO ở giai đoạn suy tàn của tảo, gây ra mùi tanh cho nước, gây khó khăn cho việc xử lý nước cấp. Vì vậy việc xử lý loại N, P trong nước thải là một nhu cầu cần thiết.
1.3.2 Các phương pháp xử lý nước thải1.3.2.1 Phương pháp xử lý cơ học 1.3.2.1 Phương pháp xử lý cơ học
Phương pháp xử lý cơ học sử dụng nhằm mục đích tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Những công trình xử lý cơ học gồm: • Song chắn rác • Thiết bị nghiền rác • Bể lắng • Bể điều hòa • Lọc
Thông thường thì xử lý cơ học chỉ là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi đi vào xử lý sinh học, tránh lắng cặn gây tắc nghẽn các công trình phía sau.
Hầu hết các công trình xử lý nước thải đều có sử dụng phương pháp cơ học ở giai đoạn đầu (xử lý bậc 1).
1.3.2.2 Phương pháp hóa - lý
Phương pháp xử lý hóa-lý là đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hóa học, tạo thành chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hòa tan nhưng không độc hại hay gây ô nhiễm môi trường, ví dụ phương pháp trung hòa nước thải chứa axit hay kiềm, phương pháp oxy hóa,….
Căn cứ vào loại nước thải, yêu cầu xử lý mà xử lý hóa lý có thể áp dụng như là giải pháp cuối cùng hoặc là giai đoạn xử lý sơ bộ cho các giai đoạn xử lý tiếp theo. Các phương pháp xử lý hóa lý là:
• Phương pháp trung hòa • Phương pháp keo tụ •
• •
• Phương pháp tuyển nổi •
• •
• Phương pháp hấp phụ
Ngoài những phương pháp vừa nêu trên còn có rất nhiều phương pháp khác như: phương pháp trích ly, phương pháp trao đổi, xử lý bằng màng, phương pháp làm thoáng và chưng bay hơi, phương pháp oxy hóa khử.
Ưu điểm của phương pháp hóa lý
- Có khả năng loại các chất độc hữu cơ không bị oxy hóa sinh học.
- Hiệu quả xử lý cao hơn.
- Kích thước hệ thống xử lý nhỏ.
- Độ nhạy với sự thay đổi tải trọng thấp hơn.
- Có thể tự động hóa hoàn toàn.
- Có thể thu hồi những chất khác nhau.
Nhược điểm của phương pháp hóa lý
- Thiết kế và trang thiết bị phức tạp.
- Đòi hỏi hiểu biết về kỹ thuật khá cao.
- Chi phí hóa chất rất tốn kém.
Chất thải hữu cơ
1.3.2.3 Phương pháp sinh học
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Sinh vật sống nhờ vào các chất hữu cơ có trong nước thải, hay nói cách khác, vi sinh vật đồng hóa những chất bẩn trong nước thải làm thức ăn cho mình và nước thải được làm sạch.
Sản phẩm của quá trình phân hủy sinh hóa các chất ô nhiễm này sẽ là CO2, H2O, N2, SO42-, các chất vô cơ và tế bào mới.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu bao gồm các quá trình sau: • Quá trình hiếu khí
Trong quá hiếu khí, xẩy ra 3 quá trình chuyển hóa nội bào được biểu diễn bằng các phương trình phản ứng như sau:
- Quá trình oxy hóa (dị hóa):
(C,H,O,N) CO2 + H2O +NH3 +…+ Năng lượng
- Quá trình tổng hợp tế bào (đồng hóa)
(C,H,O,N) + O2 C5H7NO2
- Quá trình hô hấp nội sinh
(C5H7NO2) + 5CO2 5CO2 + 2H2O + NH3+ Năng lượng
Như vậy sự chuyển hóa của chất hữu cơ qua hệ xử lý hiếu khí có thể tóm tắt như sau:
Hình 1.13 Sơ đồ chuyển hóa các chất hữu cơ qua hệ xử lý hiếu khí • Quá trình kị khí
Vi khuẩn
Vi khuẩn
Năng lượng Tế bào vi khuẩn mới
Chất hữu cơ (NT vào)
Vi khuẩn
O2
CO2 + NH3+…(giải phóng khỏi NT)
Sinh khối (tách lắng khỏi NT)
Chất hữu cơ
Vi khuẩn
Chất thải hữu cơ
Vi khuẩn
Tế bào vi khuẩn mới
Vi khuẩn
Các phản ứng biểu thị cho các quá trình xảy ra trong một hệ xử lý kỵ khí gồm:
- Quá trình phân hủy (dị hóa):
C,H,O,N,S) CH4 + CO2 + H2S + NH3+..+ Năng lượng
- Quá trình tổng hợp tế bào (đồng hóa)
(C,H,O,N,S) C5H7NO
- Quá trình phân hủy nội sinh:
C5H7NO2 CH4 + CO2 + NH3 + Năng lượng
Như vậy sự chuyển hóa của chất thải hữu cơ qua hệ xử lý kỵ khí có thể tóm tắt:
Hình 1.14 Sơ đồ chuyển hóa các chất hữu cơ qua hệ xử lý kỵ khí • Quá trình thiếu khí
Quá trình xử lý thiếu khí là quá trình xử lý sinh học xảy ra với sự vắng mặt của oxy (O2) nhưng nguồn nhận electron thay cho O2 trong sự oxy hóa sinh học là các chất vô cơ có oxy (NO3-, NO2-).
CO2 + NH3+…(giải phóng khỏi NT) Chất hữu cơ
(NT vào)
CO2 + NH3+…(giải phóng khỏi NT)
Sinh khối (tách lắng khỏi NT)
Vi khuẩn
1.3.2.4 Những công trình xử lý sinh học thường sử dụng
Bảng 1.2 Một số công trình xử lý nước thải tiêu biểu thường gặp
Dạng Ví dụ tiêu biểu Mục đích sử dụng chính
Quá trình hiếu khí
Sinh trưởng thể lơ lửng Bùn hoạt tính Loại C – BOD Sinh trưởng thể dính bám Lọc nhỏ giọt Loại C – BOD
Quá trình thiếu khí (sinh trưởng
thể lơ lửng hoặc thể bám) Denitrat hóa Loại N
Quá trình kỵ khí
Phân hủy kỵ khí Loại C – BOD Sinh trưởng lơ lửng
UASB Loại C – BOD
Sinh trưởng thể bám Hệ lọc kỵ khí Loại C – BOD
A/O Loại P
A2O Loại đồng thời N và P
Quá trình tổ hợp (hiếu khí, thiếu
khí, kỵ khí) Bardenpho 5 giai
đoạn
Loại đồng thời C, N, và P
Ao hiếu khí Loại C – BOD Ao kỵ khí Loại C – BOD
Quá trình xử lý bằng ao sinh học
Ao tùy nghi Loại C – BOD
Tùy điều kiện cụ thể như địa hình, tính chất, khối lượng chất thải, khí hậu, mặt bằng nơi cần xử lý, và kinh phí cho phép với công nghệ thích hợp, người ta sẽ chọn một trong những phương pháp trên hay kết hợp với nhau để xử lý đạt hiệu quả cao nhất.
Ưu điểm của phương pháp sinh học
- Có thể xử lý nước thải ô nhiễm ở các mức độ khác nhau.
- Thiết kế và thiết bị đơn giản.
- Vận hành đơn giản và chi phí thấp hơn các phương pháp khác.
- Hiệu quả xử lý tương đối cao.
Nhược điểm của phương pháp sinh học
Nitrosomonas Nitrobacter
- Phải có công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh.
- Các chất hữu cơ khó phân hủy và vô cơ có độc tính đều ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả làm sạch. Các chất độc còn tác động lên cả quần thể sinh vật làm giảm hiệu quả xử lý của công trình.
- Bị ảnh hưởng mạnh bởi sự thay đổi bất thường của thời tiết, khí hậu.
- Để xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao ta cần pha loãng, điều này làm tăng thêm lưu lượng gây tốn nước và diện tích để xây mặt bằng xử lý.
Tuy vậy, các phương pháp sinh học vẫn được áp dụng phổ biến rộng rãi và tỏ ra rất thích hợp cho quá trình làm sạch nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy.
1.3.3 Các phương pháp xử lý sinh học loại N, P 1.3.3.1 Xử lý sinh học loại N 1.3.3.1 Xử lý sinh học loại N
Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý loại N là các quá trình chuyển hóa sinh học trong chu trình N tự nhiên.
Nitơ trong nước thải thường ở dạng N hữu cơ (Org-C), amoni (NH4), hoặc nitrit (NO2). Mục tiêu xử lý loại N là chuyển các dạng N này thành N2, giải phóng vào không khí. Ngoài ra, trong chuyển hóa sinh học, một phần N cũng sẽ bị loại dưới dạng sinh khối của vi sinh vật.
Giai đoạn nitrat hóa
Là quá trình hiếu khí, bởi các vi khuẩn tự dưỡng
NH4- bị oxy hóa đến NO3- theo 2 bước (nitrit hóa và oxi hóa nitrit) qua trung gian NO2-:
2NH4+ + 3O2 2 NO2- + 4H+ + 2H2O 2 NO2- +2O2 2 NO3-
NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O
Giai đoạn khử nitrat
Là quá trình thiếu khí, thực hiện bởi các vi khuẩn dị dưỡng thuộc các chi
Nitrobacter Nitrosomona
s
Vì đây là vi khuẩn dị dưỡng nên cần cung cấp nguồn cacbon từ bên ngoài, thường dùng CH3OH.
NO3- được khử đến N2 qua 2 bước:
6 NO3- + 2 CH3OH 6 NO2- + 2 CO2 + 4 H2O 6 NO2- + 3 CH3OH 3N2 + 3 CO2 + 3 H2O + 6 OH- 6 NO3 + 5 CH3OH 3N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH-
Các quá trình xử lý loại N trên cơ sở Anamox
Anammox là quá trình sinh học trong đó NH4+ được oxy hóa dưới điều kiện kỵ khí với NO2- là phần tử nhận điện tử và tạo thành N2.
NH4+ + NO2- N2 + 2 H2O
Vi sinh vật đóng vai trò trong phản ứng anammox là các vi khuẩn mới được phát hiện, tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, ví dụ Candidatus Brocadia anammoxidants, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Cơ chế chuyển hóa nội bào của phản ứng anammox đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn. Các vi khuẩn anammox sinh trưởng rất chậm.
1.3.3.2 Xử lý sinh học loại P
P trong nước thải tồn tại ở các dạng: PO43-, polyphosphate, P hữu cơ.
Nguyên tắc loại P liên quan đến vi khuẩn Acinettobacter với khả năng đặc biệt nhả- hấp thụ P:
• Trong điều kiện kỵ khí, các vi khuẩn này đồng hóa các hợp chất hữu cơ dưới dạng hòa tan.
• Khi chuyển tiếp sang điều kiện hiếu khí, các vi khuẩn này sẽ hấp thụ P trở lại để dự trữ năng lượng vào dạng liên kết P. Lượng P hấp thụ lần này sẽ cao hơn mức bình thường được gọi là “sự hấp thụ xa xỉ P” dẫn đến sẽ hấp thụ thêm P từ nước thải.
• Bùn chứa lượng dư P được thải bỏ hoặc được xử lý trong điều kiện thiếu khí để nhả lượng P rồi xử lý tiếp bằng phương pháp hóa học.
1.3.3.3 Một số hệ thống xử lý sinh học loại N, P
Xử lý loại N kết hợp nitrat hóa- khử nitrat
Với ưu điểm là hiệu suất xử lý cao, ổn định, tương đối dễ kiểm soát, cần ít mặt bằng và chi phí đầu tư vừa phải. Sử dụng nguồn cacbon hữu cơ có trong nước thải.
Hình 1.15 Hệ thống Bardenpho 4 giai đoạn
Hình 1.16 Mương oxy hóa
Các quá trình xử lý P
• Quá trình A/O hay quá trình loại P ở dòng chính
Thường sử dụng kết hợp oxi hóa carbon và loại P quá trình tạo một bùn. Tổ hợp các vùng kỵ khí và hiếu khí tiếp nhau.
Nồng độ P sau xử lý phụ thuộc vào tỷ lệ BOD5/P
- Nếu BOD5/P >10/1 có thể đạt ≤ 1mg/L PO4-P.
- Nếu BOD5/P < 10/1 cần thêm muối kim loại để giảm PO4-P xuống thấp. Vùng khử nitrat (thiếu khí) Vùng tổ hợp oxy hóa và nitrat hóa(hiếu khí ) Vùng khử nitrat (thiếu khí) Vùng hiếu khí Bể lắng Nước thải sau xử lý Bùn thải Bùn hồi lưu NT vào
Hình 1.17 Quá trình A/O
Quá trình PhoStrip hay quá trình loại P ở dòng phụ
Ta có phần bùn hồi lưu được dẫn qua một bể kỵ khí để giải phóng P với thời gian lưu 8h – 12h.
Phần nước phía trên giàu P được xử lý với vôi hay muối kim loại trong 1 bể khác. Phần bùn đã loại bớt P được thải bỏ.
1.3.3.4 Các hệ thống loại đồng thời N, P
- A2/O: bố trí liên tiếp 3 giai đoạn kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí.