TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN
2.4 PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
2.4.2 Xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo
Xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí
Năm 1914 hai nhà bác học người Anh là Ardern và Lockett đã thành công trong việc tạo bùn hoạt tính và sử dụng bùn hoạt tính để xử lý nước thải. Công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được áp dụng từ đó đến nay. Hiện nay đã có rất nhiều trạm xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính hoạt động trên khắp thế giới nhằm để xử lý các dòng nước thải từ các trung tâm đô thị và các công ty chế biến thực phẩm. Hiệu quả khử COD, BOD cao, trong đa số các trường hợp đạt từ 78 ÷ 82% hoặc có thể lớn hơn.
Các công trình tương thích của quá trình xử lý sinh học hiếu khí gồm: bể Aerotank bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng), bể thổi khí sinh học tiếp xúc (vi sinh vật dính bám), bể lọc sinh học, tháp lọc sinh học, bể sinh học tiếp xúc quay…
Quá trình bùn hoạt tính: quá trình xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Trong bể Aerotank, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân đế cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bông cặn có mầu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển của vô số vi khuẩn và vi sinh vật sống khác. Các vi sinh vật đồng hoá các chất hữu cơ có trong nước thải thành các chất dinh dưỡng cung cấp cho sự sống.
Trong quá trình phát triển vi sinh vật sử dụng các chất để sinh sản và giải phóng năng lượng, nên sinh khối của chúng tăng lên nhanh. Như vậy các chất hữu cơ có trong nước thải được chuyển hoá thành các chất vô cơ như H2O, CO2 không độc hại cho môi trường.
Quá trình sinh học có thể diễn tả tóm tắt như sau:
Chất hữu cơ + vi sinh vật + ôxy ( NH3 + H2O + năng lượng + tế bào mới Hay:
Chất thải + bùn hoạt tính + không khí ( Sản phẩm cuối + bùn hoạt tính dử
Phân loại bể aerotank theo sơ đồ vận hành Beồ Aerotank truyeàn thoỏng
Sơ đồ vận hành của bể Aerotank truyền thống như sau:
Xả bùn tươi Nước thải
Tuần hoàn bùn hoạt tính
laộngBeồ đợt 2 Beồ Aerotank
nguồn tiếp nhận Xả ra
Xả bùn hoạt tính thừa laộngBeồ
đợt 1
Hình 2.1 Sơ đồ làm việc của bể Aeroatnk truyền thống.
Bể Aerotank với sơ đồ nạp nước thải vào theo bậc
laộngBeồ đợt 1
laộngBeồ đợt 2
Bùn hoạt tính Xả bùn tươi
Xả ra
nguồn tiếp nhận Nước thải
Xả bùn hoạt tính Beồ Aerotank
Nước thải Bể laéng đợt 1
Xả bùn tươi
Xả bùn hoạt tính laộngBeồ đợt 2
Tuần hoàn bùn hoạt tính Beồ Aerotank
Xả ra
nguồn tiếp nhận
Hình 2.2 Sơ đồ làm việc của Aerotank nạp theo bậc.
Bể Aerotank có hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dòng chảy
Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đó nhu cầu cung cấp ôxy cũng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ. Ở đầu vào của bể cần lượng ôxy lớn hơn do đó phải cấp không khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp sau để đáp ứng cường độ tiêu thụ không đều ôxy trong toàn bể. Ưu đ iểm của bể dạng này là:
Giảm được lượng không khí cấp vào tức giảm công suất của máy nén.
Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa Nitơ.
Bể Aerotank tải trọng cao
Những bể Aerotank cao tải được coi là những bể có sức tải chất bẩn cao và cho hiệu suất làm sạch cũng cao. Có thể áp dụng khi yêu cầu xử lý để nước đầu ra có chất lượng loại C hoặc dưới loại B. Nước qua bể lắng đợt I hoặc chỉ qua lưới chắn rác, sau đó trộn đều với 10 ÷ 20% bùn tuần hoàn, đi vào bể Aerotank để làm thoáng trong khoảng thời gian từ 1 ÷ 3 giờ. Nồng độ bùn hoạt tính trong bể (1000 mg/l). Bằng cách điều chỉnh lượng khí cấp vào và lượng bùn hoạt tính tuần hoàn, có thể thu được hiệu quả xử lý đạt loại C và gần loại B.
Bể Aerotank có ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Contact Stabilitation)
Nước từ bể lắng đợt 1 được trộn đều với bùn hoạt tính đã được tái sinh (bùn đã được xử lý đến ổn định trong ngăn tái sinh) đi vào năng tiếp xúc của bể, ở ngăn tiếp xúc bùn hấp phụ và hấp thụ phần lớn các chất keo lơ lửng và chất bẩn hòa tan có trong nước thải với thời gian rất ngắn khoảng 0,5 (1 giờ rồi chảy sang bể lắng đợt 2. Bùn lắng ở đáy bể lắng 2 được bơm tuần hoàn lại bể tái sinh. Ở bể tái sinh, bùn được làm thoáng trong thời gian từ 3 (6 giờ để ôxy hóa hết các chất hữu cơ đã hấp thụ. Bùn sau khi tái sinh rất ổn định. Bùn dư được xả ra ngoài trước
ngăn tái sinh. Ưu điểm của dạng bể này là bể Aerotank có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải.
Tuần hoàn bùn Beồ Aerotank
Ngăn tái sinh bùn hoạt tính Ngaên tieáp xuùc laộngBeồ
đợt 1 Nước thải
Xả bùn tươi
nguồn tiếp nhận laộngBeồ
đợt 2
Xả bùn hoạt tính thừa
Xả ra
Hình 2.3 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank có ngăn tiếp xúc.
Bể làm thoáng kéo dài
Tuần hoàn bùn hoạt tính Bể Aerotank làm
thoáng kéo dài 20 -30 giờ lưu nửục trong beồ Nước thải
Lưới chắn rác
laộngBeồ đợt 2
Xả ra
nguồn tiếp nhận
Định kỳ xả bùn hoạt tính thừa
Hình 2.4 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thoáng kéo dài.
Bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh
Xả bùn tươi laộngBeồ đợt 1 Nước thải
Xả bùn hoạt tính thừa Tuần hoàn bùn
laộngBeồ
đợt 2 nguồn tiếp nhận Xả ra
Máy khuấy bề mặt
Hình 2.5 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh.
Ưu điểm chính của sơ đồ làm việc theo nguyên tắc khuấy trộn hoàn chỉnh là: pha loãng ngay tức khắc nồng độ của các chất ô nhiễm trong toàn thể tích bể,
không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải có chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng.
Mương ôxy hóa
Mương ôxy hóa là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh có dạng vòng hình chữ O làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài với dung dịch bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động tuần hoàn liên tục trong mửụng.
Quá trình vi sinh dính bám
Phần lớn vi khuẩn có khả năng sinh sống và phát triển trên bề mặt vật rắn, khi có đủ độ ẩm và thức ăn là các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và ôxy. Chúng dính bám vào bề mặt vật rắn bằng chất Gelatin do chính vi khuẩn tiết ra và chúng có thể dễ dàng di chuyển trong lớp Gelatin dính bám này. Đầu tiên vi khuẩn cư trú hình thành tập trung ở một khu vực, sau đó màng vi sinh không ngừng phát triển, phủ kín toàn bộ bề mặt vật rắn bằng một lớp tế bào. Chất dinh dưỡng (hợp chất hữu cơ, muối khoáng) và ôxy có trong nước thải cần xử lý khuếch tán qua màng biofilm vào tận lớp xenlulô.
Sau một thời gian, sự phân lớp hoàn thành: lớp ngoài cùng là lớp hiếu khí, được ôxy khuếch tán xâm nhập, lớp giữa là lớp tùy nghi, lớp trong là lớp yếm khí không có ôxy. Bề dày của các lớp này phụ thuộc vào loại vật liệu đỡ (vật liệu lọc). Bề dày lớp hoạt tính hiếu khí thường khoảng 300 ÷ 400 (m).
Bể lọc sinh học
Là công trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các vật chất hữu cơ có trong nước thải nhờ quá trình ôxy hóa diễn ra trên bề mặt vật liệu tiếp xúc. Trong bể thường chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám.
Bể lọc sinh học thường được phân chia thành hai dạng: bể lọc sinh học nhỏ giọt và bể lọc sinh học cao tải. Tháp lọc sinh học cũng có thể được xem như là một bể lọc sinh học nhưng có chiều cao khá lớn.
Bể lọc sinh học nhỏ giọt thường dùng để xử lý sinh học hoàn toàn nước thải, giá trị BOD của nước thải sau khi làm sạch đạt tới 10 ÷ 15 mg/l với lưu lượng nước thải không quá 1000 m3/ngđ.
Bể lọc sinh học cao tải có những đặc điểm: tải trọng nước tới 10 ÷ 30 m3/m2ngđ tức là gấp 10 ÷ 30 lần ở bể lọc nhỏ giọt.
Tháp lọc sinh học: những tháp lọc sinh học có thể xử dụng ở các trạm xử lý với lưu lượng dưới 50.000m3/ngđ, với điều kiện địa hình thuận lợi và nồng độ nước thải sau khi làm sạch BOD là 20÷25 mg/l.
Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC)
Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC – Rotating Biological Contactors) được áp dụng đầu tiên ở CHLB Đức năm 1960 và hiện nay đã được sử dụng rộng rãi để xử lý BOD và Nitrat hóa. RBC gồm các đĩa tròn polystyren hoặc polyvinyl chloride đặt gần sát nhau. Đĩa nhúng chìm khoảng 40% trong nước thải và quay ở tốc độ chậm. Khi đĩa quay, màng sinh khối trên đĩa tiếp xúc với chất hữu cơ có trong nước thải và sau đó tiếp xúc với ôxy. Đĩa quay tạo điều kiện chuyển hóa ôxy và luôn giữ sinh khối trong điều kiện hiếu khí. Đồng thời đĩa quay còn tạo nên lực cắt loại bỏ các màng vi sinh không còn khả năng bám dính và giữ chúng ở dạng lơ lửng để đưa qua bể lắng đợt II.
Khác với quần thể vi sinh vật ở bùn hoạt tính, thành phần loài và và số lượng các loài là tương đối ổn định. Vi sinh vật trong màng bám trên đĩa quay gồm các vi khuẩn kị khí tùy tiện như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium,
… các vi sinh vật hiếu khí như: Bacillus (thường thì có ở lớp trên của màng). Khi lượng không khí cung cấp không đủ thì vi sinh vật tạo thành màng mỏng gồm các chủng vi sinh vật yếm khí như: Desulfovibrio và một số vi khuẩu sunfua, trong điều kiện yếm khí vi sinh vật thường tạo mùi khó chịu. Nấm và vi sinh vật hiếu khí phát triển ở màng trên, và cùng tham gia vào việc phân hủy các chất hữu cơ.
Sự đóng góp nấm chỉ quan trọng trong trường hợp pH nước thải thấp, hoặc các
loại nước thải công nghiệp đặc biệt, vì nấm không thể cạnh tranh với các loại vi khuẩn về thức ăn trong điều kiện bình thường.
Bể sinh học theo mẻ SBR
Thực chất của bể sinh học hoạt động theo mẻ (SBR - Sequence Batch Reactor) là một dạng của bể Aerotank. Khi xây dựng bể SBR nước thải chỉ cần đi qua song chắn, bể lắng cát và tách dầu mỡ nếu cần, rồi nạp thẳng vào bể. Bể Aerotank làm việc theo mẻ liên tục có ưu điểm là khử được các hợp chất chứa nitơ, photpho khi vận hành đúng các quy trình hiếu khí, thiếu khí và yếm khí.
Bể sinh học làm việc theo từng mẻ kế tiếp được thực hiện theo 5 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Đưa nước thải vào bể. Nước thải đã qua song chắn rác và bể lắng cát, tách dầu mỡ, tự chảy hoặc bơm vào bể đến mức định trước.
Giai đoạn 2: Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thoáng bề mặt để cấp ôxy 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 lyù.
Giai đoạn 3: Lắng trong nước. Quá trình diễn ra trong môi 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.
Giai đoạn 4: Tháo nước đã được lắng trong ở phần trên của bể ra nguồn tiếp nhận.
Giai đoạn 5: Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình trên và vào số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể.
Ở những công ty có dòng chảy đều có thể bố trí lịch hoạt động để rút thời gian xuống còn bằng 0.
Xử lý sinh học trong điều kiện kỵ khí
Phân hủy kỵ khí (Anaerobic Descomposotion) là quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành chất khí (CH4 và CO2) trong điều kiện không có ôxy. Các động lực
của quá trình kỵ khí và cân bằng vật chất nói chung là tương tự như các hệ thống hiếu khí, tuy nhiên có một vài khác biệt cần được cân nhắc. Việc chuyển hoá các axit hữu cơ thành khí mêtan sản sinh ra ít năng lượng. Lượng chất hữu cơ chuyển hoá thành khí vào khoảng 80 (90%).
Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nhiệt độ nước thải, pH, nồng độ MLSS. Nhiệt độ thích hợp cho phản ứng sinh khí là từ 32 (35 oC). Trong trường hợp nhiệt độ nhỏ hơn 30oC có thể cung cấp thêm nhiệt độ để đạt được nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật lên men kị khí. Tuy nhiên khí mêtan sinh ra từ bình phản ứng có thể được sử dụng để cung cấp nhiệt.
Ưu điểm nổi bật của quá trình xử lý kỵ khí là lượng bùn sản sinh ra rất thấp, vì thế chi phí cho việc xử lý bùn thấp hơn nhiều so với các quá trình xử lý hiếu khí.
Trong quá trình lên men kỵ khí, thường có 4 nhóm vi sinh vật phân hủy vật chất hữu cơ nối tiếp nhau:
Các vi sinh vật thủy phân (Hydrolytic) phân hủy các chất hữu cơ dạng polyme như các polysaccharide và protein thành các monomer. Kết quả của sự
“bẻ gãy” mạch cacbon này chưa làm giảm COD.
Các monomer được chuyển hóa thành các axit béo (VFA) với một lượng nhỏ H2 . Các axit chủ yếu là Acetic, propionic và butyric với những lượng nhỏ của axit Valeric. Ở giai đoạn axit hóa này, COD có giảm đi đôi chút (không quá 10%).
Tất cả các axit có mạch carbon dài hơn axit acetic được chuyển hóa tiếp thành acetac và H2 bởi các vi sinh vật Acetogenic, chẳng hạn như sự chuyển hóa cuỷa axit propionic dieón ra theo phửụng trỡnh:
C3H5COOH + 2H2O (C2H4O2 + CO2 + 3H2
Trong phản ứng này, việc giảm COD được biểu hiện thông qua sự xuất hiện H2. Phản ứng này chỉ sẽ diễn ra nếu như nồng độ H2 rất thấp.
Axit acetic và H2 bị chuyển hóa thành CH4 bởi các vi sinh vật methanogenic:
Axit acetic:
C2H4O2 CO2 + CH4