2.5. Tổng quan về mô hình xử lý nước thải PTN tại Viện KHSS
2.5.2. Sơ lược về công nghệ sử dụng trong mô hình
* Phương pháp kỵ khí (Anaerobic):
Phương pháp này thích hợp cho việc xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao (COD > 2000mg/l), có khả năng thu hồi năng lượng (biogas), chi phí vận hành thấp, thể tích công trình nhỏ,…tuy nhiên, nó có những nhược điểm là sinh ra nhiều các dạng khí độc, các loại khí gây mùi hôi thối làm ô nhiễm không khí, thời gian xử lý kéo dài.
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy hòa tan trong cặn và trong nước thải ở điều kiện nhiệt độ thích hợp. Sản phẩm của quá trình này là các chất khí CH4, CO2, H2S, N2,…quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra trong vòng từ 3 đến 6 tháng ở điều kiện bình thường, khi nhiệt độ lên tới 400C – 500C thời gian phân hủy sẽ rút ngắn (Lê Quốc Tuấn, 2002) [20].
Quá trình lên men kỵ khí diễn ra theo các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Lên men axit.
Các vi sinh vật lên men kỵ khí thực hiện quá trình lên men, chủ yếu là lên men ngoại bào để phân hủy các hợp chất có kích thước lớn như tinh bột, celullose, cacbuahydro. Các chất hòa tan có nhóm định chức thành axit béo, các rượu, axit nucleic,… các chất phân tử nhỏ hòa tan ấy sẽ được các vi khuẩn cùng loại hấp phụ và sử dụng cho quá tình trao đổi chất của mình. Sự thủy phân có tạo ra các axit béo và glyxerin do đó là giảm pH của nước thải.
Giai đoạn 2: Lên men trung gian.
Giai đoạn này xảy ra sự thủy phân các hợp chất chứa Nitơ, amon tạo thành CO2, NO2, CH4, H2 các nitrat cũng có thể bị khử thành N2, thậm chí một số tạo thành amon, pH dần tăng lên đến mức trung hòa, các loại khí gây mùi thối H2S,… tạo ra nhiều đẩy hỗn hợp lên phía trên tạo thành váng bọt nhớt.
Giai đoạn 3: Lên men metan.
Quá trình này tiếp tục phân cách các sản phẩm trung gian nói trên, các phân tử lớn hơn đã tạo ra dịch nhớt như pectorin, teatirin,… sinh ra chủ yếu là khí CH4 và CO2 (CO2 chiếm từ 20 - 30%). Đặc điểm của quá trình này là phân hủy dần axit cùng với các sản phẩm có tính khử mạnh do đó môi trường có tính kiềm. Quá trình lên men kỵ khí tỏa nhiệt mạnh, lượng nhiệt tỏa ra lớn, nhiệt độ bể lên men vào mùa hè có thể lên tới 500C – 600C. Điều này cũng giúp cho quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn.
Quá trình lên men metan là một quá trình phức tạp nhờ một loạt các tác động qua lại của quá trình trao đổi chất trong các nhóm vi sinh vật khác nhau. Đạt được điều này là do có sự phân tích sinh hóa liên tiếp các hợp chất hữu cơ cao phân tử thành CH4 và CO2.
Phản ứng quá trình kỵ khí và các sản phẩm của nó:
(CHO)n CO2 + H2O + tế bào VSV mới + sản phẩm trung gian + CH4 + NH4+ + H2S + H2 + năng lượng
Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí phổ biến hiện nay là bể tiếp xúc kỵ khí, bể USAB, lọc kỵ khí, hố gas, hố sinh học,… (Lê Quốc Tuấn, 2002) [20].
Hình 2.1. Sơ đồ phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
* Phương pháp thiếu khí (Anoxic):
Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan, việc khử nitrat sẽ xảy ra. Oxy được giải phóng từ nitrat sẽ oxy hóa các chất hữu cơ và Nitơ tạo thành.
Các phản ứng Nitrat hóa:
NO3- vi sinh vật NO2 + O2
O2 chất hữu cơ N2 + CO2 + H2O
* Phương pháp hiếu khí:
Phương pháp này dựa trên hoạt động của các quần thể vi sinh vật hiếu khí có sẵn trong nước thải. Chúng oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy hòa tan liên tục vào trong nước thải ở nhiệt độ khoảng 20 0C – 40 0C. Kết quả là các chất bẩn trong nước thải bị phân hủy và nước được làm sạch, sản phẩm của quá trình này là CO2 và H2O. Các chất hữu cơ trong nước thải được oxy hóa và phân giải theo 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào.
CxHyOzN + O2 Vi sinh vật CO2 + H2O + NH3
Giai đoạn 2: Phản ứng tổng hợp để tăng số lượng vi sinh vật.
CxHyOz + NH3 + O2 (C5H7NO2)n + CO2 + H2O Chất hữu cơ đơn giản (Đường, peptit, axit amin,…)
Axid bay hơi (Propionic, butyric,…)
H2, CO2 CH4, CO2 Axetat
Chất hữu cơ phức tạp (hydratcarbon, protein, lipit,…)
Giai đoạn 3: Tiếp tục quá trình oxy hóa đến khi không còn đủ chất dinh dưỡng thì diễn ra quá trình hô hấp nội bào hay oxy hóa các chất liệu tế bào.
(C5H7NO2)n + O2 CO2 + NH3 + H2O
Tất cả các phản ứng hóa học trên đều xảy ra dưới tác dụng của các enzym ngoại bào hay nội bào do vi sinh vật sinh tổng hợp ra. Trong quá trình oxy hóa khử các chất hữu cơ được phân hủy theo thứ tự lần lượt là đường, protein, tinh bột, chất béo, các hợp chất hữu cơ cao phân tử (cellulose, lignin,…).
Các công trình xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí thường dùng:
Bể phản ứng sinh học hiếu khí Aeroten.
Cánh đồng sinh học.
Mương oxy hóa Oxydationditch.
Lọc sinh học Biofilter.
Sinh trưởng lơ lửng - kỹ thuật bùn hoạt tính
Nước thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng, các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ thể hiện bằng BOD.
Bùn hoạt tính là một tập hợp phức tạp các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nguyên sinh động vật, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, virus, các chất rắn lơ lửng,…
nhưng chủ yếu là vi khuẩn (Lương Đức Phẩm, 2000) [16].
Bựn tốt cú bụng màu vàng nõu dễ lắng, cú kớch thước 3 – 5 àm, cú khả năng hấp thụ lên bề mặt của chúng và oxy hóa các chất bẩn có trong nước thải.
Vi sinh vật trong bùn hoạt tính gồm hai nhóm là nhóm chủ động và nhóm thụ động, nhóm vi sinh vật thụ động không có khả năng chủ động nuôi cấy được, chúng thường có trong các lớp đất hay nước kênh mương. Nhóm vi sinh vật chủ động là bùn hoạt tính hay quần thể vi sinh vật hình thành từ tự nhiên, được thay đổi tùy thuộc vào thành phần nước thải của từng ngành sản xuất và chế độ làm sạch nước được lựa chọn (Lê Quốc Tuấn, 2009) [25].
Hoạt hóa bùn hoạt tính: Là tạo điều kiện cho quẩn thể vi sinh vật trong bùn phát triển trở lại để hồi lưu vào bể xử lý. Hoạt hóa bùn làm tăng số lượng vi sinh vật trong bùn, từ đó làm tăng khả năng sử dụng các chất hữu cơ trong nước thải.
Đây là biện pháp công nghệ được sử dụng để xử lý nước thải đô thị và nước
thải công nghiệp mà có tỷ lệ COD/BOD > 2.
Để phát huy được vai trò của bùn hoạt tính trong xử lý nước thải cần phải quan tâm đến nồng độ oxy hòa tan trong nước, nồng độ và tuổi của bùn; pH, nhiệt độ, các chất độc có trong nước thải (Lương Đức Phẩm, 2000) [15].
Ta có sơ đồ của biện pháp:
Lắng sơ bộ Máy Lắng bổ sung (lắng 1) sục khí (lắng 2)
Nước thải Nước ra
Song chắn rác
Sỏi, cát, bùn thô
Bùn hồi lưu
Bùn thải Hình 2.2. Sơ đồ xử lý nước thải bằng kỹ thuật bùn hoạt tính có sục khí.
* Phương pháp hấp phụ:
- Phương pháp hấp phụ là giữ chất hòa tan trên bề mặt chất rắn.
- Chất hấp phụ là chất rắn: than hoạt tính, oxit nhôm, chất tổng hợp tro xỉ zeolit.
- Chất bị hấp phụ thường là các chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học hoặc xử lý cục bộ nằm trong pha lỏng.
- Hiệu suất của quá trình phụ thuộc và nồng độ, bản chất, cấu trúc chất tan đặc tính hấp phụ (Dư Ngọc Thành, 2010)[21].
* Phương pháp khử trùng bằng máy ôzôn:
Khả năng tiệt trùng của ozon:
Độ hòa tan vào nước của ozon gấp 13 lần so với độ hòa tan của oxy. Khi vừa mới cho ozon vào nước, tác dụng tiệt trùng xảy ra rất ít, khi ozon hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ để oxy hóa chất hữu cơ và vi khuẩn có trong nước.
Lúc đó tác dụng tiệt trùng của ozon mạnh và nhanh gấp 3.100 lần so với clo, và thời gian tiệt trùng xảy ra trong khoảng thời gian 3 – 8 giây.
Khả năng sử dụng ozon trong quy trình xử lý nước thải
Ozon có khả năng xử lý chất rắn trong nước thải nhờ tác dụng oxy hóa và tuyển nổi lên khi cho ozon hòa tan vào nước thải, các bọt này trong quá trình nổi lên hấp thụ phần lớn căn cứng, hợp chất Nito và photpho. pH của nước thải tăng lên chút ít do CO2 được thoát ra. Khử màu và độ đục do tác dụng của oxy hóa của ozon với hợp chất tạo màu, chuyển hóa NH4+ thành NO3-.
* Phương pháp lọc:
Lọc sinh học là quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và dính bám trên bề mặt các vật liệu rắn để tiếp xúc thường xuyên hay di động đối với nước thải (Lâm Minh Triết và cs, 2010) [22].
Lọc sinh học có thể làm việc trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí, đa số trường hợp cho lọc sinh học làm việc ở điều kiện hiếu khí với dòng khí bổ sung liên tục từ dưới lên ngược với dòng dịch chuyển của nước, cũng có thể cùng chiều dòng dịch chuyển của nước.
Nước thải đưa vào hệ thống lọc sinh học cần được xử lý sơ bộ để tránh tắc nghẽn các khe của vật liệu lọc.
Nguyên lí của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước.
Vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạng rắn tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms). Các màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kị khí và kị khí tùy tiện. Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng bám dính) tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khoáng chất) làm sạch nước.
Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã được làm sạch, thu gom xả vào ngăn lắng 2. Nước vào ngăn lắng 2 có thể kéo theo những mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra khi lọc làm việc. Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng 2 được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc.
Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học. Màng này thường dày khoảng từ 0,1 – 0,4 mm, các chất hữu cơ
trước hết bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí. Sau khi thấm sâu vào màng, nước hết oxy hòa tan và sẽ chuyển sang phân hủy bởi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng kết dính cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Hiện tượng này gọi là “tróc màng”. Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện (Lâm Minh Triết và cs, 2010) [22].
PHẦN 3