CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH SẢN XUẤT BIA
2.2 Các phương pháp xử lý nước thải ngành sản xuất bia
2.2.3 Phương pháp sinh học
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước.
Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp kị khí và hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình ôxy sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn xử lý sinh học tự nhiên.
a. Phương pháp hiếu khí.
Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải có chứa các chất hữu cơ thì chúng sẽ phát triển dần dần (tăng sinh khối). Tốc độ phát triển của chúng tỷ lệ nghịch với nồng độ ôxy hòa tan trong nước. Nếu chất hữu cơ có quá nhiều, nguồn ôxy không đủ sẽ tạo ra môi trường kị khí. Như vậy trong quá trình phân hủy hiếu khí thì tốc độ trao đổi của vi sinh vật phải luôn thấp hơn
GVHD: Th.S. Mạc Duy Hưng 28 SVTH: Trần Ngọc Sơn tốc độ hòa tan của ôxy trong nước. Thực vật phù du và các sinh vật tự dưỡng khác sử dụng CO2 và khoáng chất để tổng hợp chất hữu cơ làm tăng sinh khối và làm giàu ôxy trong nước thải.
Trong hoạt động sống của vi sinh vật, thực vật phù du và động vật nguyên sinh… làm tiêu hao chất dinh dưỡng, chất khóang và cả kim loại độc hại. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong hồ sinh học dựa trên quan hệ cộng sinh của vi sinh vật.
Trong hồ sinh học được chia làm 3 phần: phần hiếu khí là phần tiếp giáp với mặt thoáng xuống sâu vài chục centimet, phần tiếp theo là phần kị khí tùy nghi và phần cuối cùng là khu vực kị khí.
Ở phần hiếu khí, ôxy luôn có khuynh hướng khuếch tán vào nước, dưới tác dụng của gió góp phần làm tăng khả năng hòa trộn ôxy vào nước. Ở vùng này vào ban ngày, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, tảo và các vi sinh vật tự dưỡng sử dụng CO2 và các chất vơ cơ khác tổng hợp vật chất cho tế bào phục vụ cho quá trình sinh trưởng, đồng thời thải ôxy vào nước. Các vi sinh vật hiếu khí đặc biệt là vi khuẩn hiếu khí, chúng sẽ sử dụng ôxy này để phân giải chất hữu cơ có trong nước thải.
Các vi sinh vật Pseudomonas Denitrificans, Baccillus licheniforms,…sẽ khử nitrat thành N2 và thải vào không khí. Điều kiện chung cho vi khuẩn nitrat hóa pH= 5.5 ÷ 9 nhưng tốt nhất là 7.5. Khi pH < 7 thì vi khuẩn phát triển chậm, ôxy hòa tan cần là 0.5mg/l, nhiệt độ từ 5 – 400C.
Các hoạt động của vi sinh vật hiếu khí thải ra môi trường CO2, nguồn CO2 cung cấp cho hoạt động của tảo và thực vật phù du khác phát triển.
Quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra mạnh mẽ nếu dùng các biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật làm sạch nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí và ưa ấm. Vì vậy mà nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của vi sinh vật, nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý là 20 – 40 0C, tối ưu là 25 – 30 0C.
GVHD: Th.S. Mạc Duy Hưng 29 SVTH: Trần Ngọc Sơn Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải gồm 3 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1 : ôxy hóa chất hữu cơ.
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H - Giai đoạn 2: Tổng hợp xây dựng tế bào.
CxHyOz + O2 tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H - Giai đoạn 3: ôxy hóa chất liệu tế bào.
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH2 ± ∆H’
Các công nghệ sử dụng phương pháp phân hủy hiếu khí.
Bể Aeroten
Lọc sinh học
Hồ sinh học
Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc
Bể Aeroten
Bể Aeroten thông thường.
Đòi hỏi phải ở chế độ dạng chảy nút (plug – flow) khi đó chiều dài bể rất lớn so với chiều rộng. Trong bể này nước thải có thể phân bố ở nhiều điểm theo chiều dài, bùn hoạt tính tuần hoàn đưa vào đầu bể. Ở chế độ dạng chảy nút, bông bùn có 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.
Hình 2.1: Bể Aeroten thông thường
Buứn Beồ laộng 1 Nước chưa
xử lý
Bùn tuần hoàn
Bùn thải Beồ laộng 2
Bể aerotank Nước thải
sau xử lý
GVHD: Th.S. Mạc Duy Hưng 30 SVTH: Trần Ngọc Sơn
Bể Aeroten mở rộng: Hạn chế lượng bùn dư sinh ra, khi đó 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 3000 – 6000 mg/l.
Bể Aeroten khuấy trộn hoàn toàn.
Bể này thường có dạng tròn hoặc vuông, hàm lượng bùn hoạt tính và nhu cầu ôxy đồng nhất trong toàn bộ thể tích bể. Đòi hỏi chọn hình dạng bể, trang thiết bị sục khí thích hợp.
Thiết bị sục khí cơ khí (motor và cánh khuấy) hoặc thiết bị khuếch tán khí thường được sử dụng. Bể này có ưu điểm chịu được quá tải rất tốt.
Hình 2.2: Bể Aeroten khuấy trộn hoàn toàn
Ưu, nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm:
+ Giảm thiểu tối đa mùi hôi
+ Hiệu quả xử lý chất thải và nước thải cao + Loại bỏ phốtpho sinh học
+ Loại bỏ các chất hữu cơ
+ Loại bỏ rất nhiều mầm bệnh chứa trong nước thải nông nghiệp + Lượng bùn được ổn định
+ Có khả năng loại bỏ khoảng 97% chất rắn lơ lửng
Beồ laộng
Beồ laộng
Bùn thải Nước thải
trước xử lý Nước thải
sau xử lý
Bùn tuần hoàn Máy thổi khí
GVHD: Th.S. Mạc Duy Hưng 31 SVTH: Trần Ngọc Sơn + Nhu cầu oxy sinh hóa lớn (BOD) loại bỏ ô nhiễm cung cấp một dòng nước chất
lượng tốt
Nhược điểm:
+ Giảm thiểu tối đa mùi hôi
+ Hiệu quả xử lý chất thải và nước thải cao + Loại bỏ phốt pho sinh học
+ Loại bỏ các chất hữu cơ
+ Loại bỏ rất nhiều mầm bệnh chứa trong nước thải nông nghiệp + Lượng bùn được ổn định
+ Có khả năng loại bỏ khoảng 97% chất rắn lơ lửng
+ Nhu cầu oxy sinh hóa lớn (BOD) loại bỏ ô nhiễm cung cấp một dòng nước chất lượng tốt
b. Phương pháp kị khí.
Quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra trong điều kiện không có ôxy nhờ sự hoạt động của hệ vi sinh vật sống thích nghi ở điều kiện kị khí. Các sản phẩm của quá trình phân hủy kị khí là axit hữu cơ, các amol, NH3, H2S và CH4 vì vậy quá trình này gọi là quá trình lên men kị khí sinh mêtan hay lên men mêtan.
Công nghệ UASB
Cấu tạo bể UASB
Xử lý nước thải UASB là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từ dưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp (v < 1m/h). Cấu tạo của bể UASB thông thường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha.
Nguyên tắc hoạt động
UASB được thiết kế cho nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp. Nồng độ COD đầu vào được giới hạn ở mức min là 100mg/l, nếu SS>3000mg/l không thích hợp để xử lý bằng UASB.
GVHD: Th.S. Mạc Duy Hưng 32 SVTH: Trần Ngọc Sơn Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kị khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng vi sinh này. Hệ thống tách pha phía trên bê làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, qua đó thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo.
Hiệu suất của bể UASB bị phụ thuộc vào các yếu tố như: nhiệt độ, pH, các chất độc hại trong nước thải.... Với nước thải nhà máy bia, quá trình lên men acid xảy ra nhanh chóng vì vậy vào bể UASB chỉ thực hiện công việc lên men methane, mà điều kiện để quá trình xảy ra tốt nhất là pH > 6 (tốt nhất là 7,5).
Ưu, nhược điểm Ưu điểm
- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành.
- Lượng bùn sinh ra không nhiều → giảm chi phí xử lý bùn.
- Xử lý nước thải có hàm lượng chất hửu cơ cao lên tới 50.000mg/l.
- Tạo Biogas 60-70% khí CH4, khí Biogas có nhiệt trị lớn, năng lượng sạch có thể sử dụng được.
- Bể UASB có chiều cao lớn nên có khả năng xử lý SS, SS được giữ lại và vô cơ hóa qua bùn yếm khí.
- Có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tap như 60 – 70% Hidrocacbua, Halogen…
Nhược điểm
- Nhạy cảm với các yếu tố nhiệt độ, pH, các chất độc.
- Khởi động lâu, nuôi cấy bùn yếm khí khó và thời gian thích nghi lâu (3-6 tháng).
- Hiệu quả xử lí không ổn định vì đây là quá trinh sinh học xảy ra tự nhiên nên chúng ta không thể can thiệp sâu vào hệ thống.
- Lượng khí sinh ra không ổn định.
- Diện tích xây dựng mặt bằng tương đối lớn.
- Dễ mất ổn định.
GVHD: Th.S. Mạc Duy Hưng 33 SVTH: Trần Ngọc Sơn c. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học
Ảnh hưởng của pH đến quá trình xử lý nước thải: Đối với từng nhóm, từng lồi vi sinh vật, có một khoảng pH tối ưu; VD: Trong xử lý kị khí sinh mêtan thì có 2 nhóm vi sinh vật thực hiện.
+ Nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình axit hóa làm cho giá trị pH môi trường giảm đi. Khi pH xuống thấp thì quá trình axit hóa chậm lại.
+ Nhóm thứ hai thực hiện quá trình mêtan hóa phát triển tốt ở giá trị pH gần trung tính hoặc trung tính.
+ pH là yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất của quá trình xử lý nước thải.
o pH = 7, hiệu suất xử lý đạt giá trị cao nhất (88.3%) o pH = 6, hiệu suất xử lý thấp nhất
+ Ở pH kiềm tính, vi sinh vật ít chịu ảnh hưởng hơn so với pH axit
+ Ở pH axit, vi sinh vật hoạt động kém hiệu quả, do các vi sinh vật sinh axit bị ức chế mạnh hơn trong mơi trường axit so với trong môi trường kiềm và ở giá trị kiềm nhẹ, nhiễm vi khuẩn sinh mêtan cũng ít bị ảnh hưởng hơn so với ở giá trị pH axit.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý nước thải.
Xử lý nước thải trong điều kiện kị khí do quần thể vi sinh vật hoạt động, mỗi chủng loại vi sinh vật sẽ sinh trưởng và phát triển tốt ở miền nhiệt độ thích hợp. Nhiệt độ tối ưu cho quần thể vi sinh vật sinh mêtan là 35 - 550C; dưới 100C, các chủng này hoạt động rất kém.
+ Việc điều chỉnh chính xác nhiệt độ là rất khó khăn.
+ Vào mùa hè với nhiệt độ cao, các vi sinh vật hoạt động mạnh do đó quá trình xử lý cũng tốt hơn.
+ Vào mùa đông, nhiệt độ giảm xuống thấp, các vi sinh vật bị ức chế hoạt động, do đó hiệu suất xử lý thấp.
GVHD: Th.S. Mạc Duy Hưng 34 SVTH: Trần Ngọc Sơn Như vậy, trong hệ thống xử lý nước thải cơng suất lớn, có thể tận dụng khí mêtan để gia nhiệt dạng nước thải đầu vào, làm tăng nhiệt độ môi trường vào mùa đông, hiệu quả xử lý của hệ thống sẽ tốt hơn.
Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ đến quá trình xử lý nước thải.
+ Khi hàm lượng chất hữu cơ tăng cao thì hiệu suất xử lý cũng tăng theo.
+ Đối với nước thải có độ ô nhiễm COD khoảng 5000 – 7000 mg/l thì hiệu suất xử lý đạt gần 90%, và hiệu suất xử lý giảm dần khi COD đầu vào giảm dần.
Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực đến quá trình xử lý nước thải.
+ Thời gian lưu thủy lực là yếu tố quyết định hiệu suất của hệ thống + Nếu thời gian lưu thủy lực ngắn, hiệu suất sẽ thấp và ngược lại
+ Nếu kéo dài quá thời gian xử lý thì chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống sẽ lớn.
+ Trong ngành Bia thường phải sử dụng một số hóa chất (NaOH, Cloramin B, Javen..) để vô trùng các dụng cụ, nhằm đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Đối với các hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, các chất sát trùng gây ảnh hưởng không tốt đến hoạt động của vi sinh vật vì thế làm giảm hiệu suất xử lý của hệ thống.