CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI NGÀNH BIA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
2.2. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH BIA 13 1. Phương pháp cơ học và thiết bị xử lý
2.2.3. Phương pháp sinh học và thiết bị xử lý
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như: H2S, sulfide, ammonia,... dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển.
Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:
a. Phương pháp hiếu khí
Là phương pháp xử lý các nhóm vi sinh vật hiếu khí hoạt động trong điều kiện được cung cấp ôxi liên tục để oxi hóa các chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải. Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu:
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 21 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
- Cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.
- Xáo trộn đều vi sinh vật và chất hữu cơ trong nước thải và chúng sử dụng chất hữu cơ như nguồn thức ăn.
Khi vi sinh vật phát triển và được xáo trộn bởi không khí chúng sẽ kết thành khối với nhau tạo thành bùn hoạt tính – bông bùn sinh học.
Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả như sau:
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + NH4+ + H2S + Tế bào vi sinh vật …+ năng lượng.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải đáp ứng nhu cầu năng lượng tế bào:
- Giai đoạn 2 (quá trình đồng hoá): tổng hợp và xây dựng tế bào.
- Giai đoạn 3 (quá trình dị hoá): hô hấp nội bào.
Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxi hoá chất liệu tế bào.
❖ Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng [3], [4], [5], [19]
Bùn hoạt tính – bùn vi sinh là những quần thể sinh vật, vi sinh vật bao gồm: vi khuẩn, nấm, Protozoa, tích trùng và các loại động vật không xương, động vật bậc cao khác (giun, dòi, bọ). Bùn có dạng bóng, màu nâu xám.
Nguồn dinh dưỡng cho những vi sinh vật, sinh vật là những chất bẩn hữu cơ. So với ở sông, hồ tự nhiên, thì quần thể trong bể bùn hoạt tính không đa dạng bằng; cụ thể là: hoàn toàn không có tảo, giun, bọ và các loại hạ đẳng thì nghèo hơn. Riêng về quần thể vi sinh vật thì bùn hoạt tính rất đa dạng.
Vi khuẩn là những nhóm vi sinh vật quan trọng nhất trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ và là thành phần cấu tạo chủ yếu của bùn hoạt tính. Bản chất của hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ xác định loại vi khuẩn nào là chủ đạo: Nước thải chứa protein sẽ kích thích các loài Alcaligenes, Flavobacterrium và Bacillus phát triển.
Trong khi đó, nếu nước thải chứa hydrat cacbon hoặc cacbua hydro thì kích thích Pseudomonas.
Quá trình vi sinh vật lơ lửng (bùn hoạt tính) được sử dụng rộng rãi cho xử lý sinh học nước thải sinh hoạt, ngàng công nghiệp ô nhiễm chất hữu cơ cao như thực phẩm,
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 22 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
bia, thuộc da, thủy sản..., bao gồm các công trình như bể Aerotank, mương oxy hoá, bể phản ứng hiếu khí dạng mẻ (SBR)…
• Bể Aerotank
Bể Aerotank là công trình làm bằng bê tông cốt thép với mặt bằng thường là hình chữ nhật. Hỗn hợp bùn và nước thải cho chảy qua suốt chiều dài bể. Bùn hoạt tính là loại bùn xốp chứa nhiều vi sinh vật có khả năng oxi hóa và khoáng hóa các chất hữu cơ có trong nước thải.
Để đảm bảo bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng và đảm bảo lượng oxi dùng trong quá trình sinh hóa các chất hữu cơ thì luôn đảm bảo việc cung cấp khí oxi. Lượng bùn tuần hoàn và không khí cần cung cấp phụ thuộc vào độ ẩm và mức độ yêu cầu xử lý nước thải.
Nước thải với bùn hoạt tính sau khi qua bể cho qua bể lắng II. Ở đây bùn lắng một phần được đưa trở lại bể Aerotank, phần bùn dư đưa về bể nén bùn. Tải trọng thích hợp vào khoảng 0,3–0,6 kgBOD5/m3.ngày với hàm lượng MLSS khoảng từ 1.500 – 3.000 mg/l, thời gian lưu nước từ 3 - 8 giờ, tỷ số F/M = 0,2 - 0,6; thời gian lưu bùn từ 5 - 15 ngày.
Hệ thống bể bùn hoạt tính gồm các loại: bể bùn hoạt tính truyền thống, bể bùn hoạt tính tiếp xúc-ổn định, bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài, bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh, bể bùn hoạt tính chọn lọc. [5]
Ưu điểm:
- Hiệu suất xử lý BOD lên đến 90% ; - Loại bỏ được Nitơ trong nước thải;
- Vận hành đơn giản, an toàn;
- Thích hợp với nhiều loại nước thải;
- Thuận lợi khi nâng cấp công suất đến 20% mà không phải gia tăng thể tích bể.
Nhược điểm:
- Thể tích công trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng hơn;
- Chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn hơn;
- Chi phí vận hành đặc biệt chi phí cho năng lượng sục khí tương đối cao, không có khả năng thu hồi năng lượng;
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 23 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
- Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ.
• Bể SBR (Sequencing batch reactor)
Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn (do quá trình làm thoáng và lắng trong được thực hiện trong cùng 1 bể). Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống như sau: 1- làm đầy, 2- sục khí (khử BOD), 3- lắng trong, 4- xả cặn dư và xả nước ra, 5- nghỉ. Tiếp tục thực hiện xử lý theo chu kỳ mẻ nước thải khác. [5]
Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản, - Hiệu quả xử lý cao,
- Khử được các chất dinh dưỡng nitơ, dễ vận hành.
- Sự dao động lưu lượng nước thải ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.
Nhược điểm
- Công suất xử lý nước thải nhỏ.
- Để bể hoạt động có hiệu quả người vận hành phải có trình độ và theo dõi thường xuyên các bước xử lý nước thải.
Hình 2.5 Các giai đoạn hoạt động của bể SBR. [5]
• Mương oxy hóa
Là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh, làm thoáng kéo dài với
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 24 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
bùn hoạt tính lơ lửng chuyển động tuần hoàn trong mương. Có dạng hình chữ nhật hoặc hình chữ nhật kết hợp với hình tròn.
Chiều sâu mương phụ thuộc vào công suất bơm của thiết bị làm thoáng để đảm bảo trộn đều bọt khí và tạo vận tốc tuần hoàn chảy trong mương v > 0,25 - 0,3 m/s;
H= 1 - 4m. Chiều rộng trung bình 2 - 6m; thời gian lưu nước từ 8 - 16 giờ, thời gian lưu bùn từ 10 - 30 ngày. [4]
Ưu điểm:
- Hiệu quả xử lý BOD, nito, photpho cao;
- Quản lí vận hành đơn giản;
- Ít bị ảnh hưởng lớn bởi sự dao động lớn về chất lượng và lưu lượng.
Nhược điểm:
- Đòi hỏi diện tích xây dựng lớn;
- Thời gian lưu nước dài;
- Lượng oxy cung cấp cho mương lớn.
Hình 2.6 Mương oxy hóa. [5]
❖ Quá trình xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám [5], [6]
• Bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước cũng như không khí.
Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi màng vi sinh vật. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tuỳ tiện. Ở ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí, lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 25 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
khử S và nitrat. Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxi hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy, chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học tăng lên. Màng vi sinh chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học.
Ưu điểm:
- Khởi động nhanh : 2 tuần
- Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm
- Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm.
- Sự đa dạng về thiết bị xử lí
- Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp.
Nhược điểm
- Không có khả năng điều khiển sinh khối
- Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán: vật liệu làm giá thể phải có diện tích bề mặt riêng lớn. Thêm vào đó vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn.
Hình 2.7 Bể lọc sinh học nhỏ giọt. [5]
• Đĩa quay sinh học RBC (Roltating Biological Contactor)
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 26 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
RBC gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng làm bằng polystyren (PS) hoặc polyvinylclorua (PVC) lắp trên một trục bằng thép có đường kính tới 3,5m. Các đĩa được đặt ngập một phần trong nước thải (40%) và quay từ từ với tốc độ 1 – 3 vòng/phút. Trong quá trình vận hành, các vi sinh vật sẽ sinh trưởng gắn kết trên bề mặt đĩa và hình thành lớp màng mỏng nhầy trên bề mặt ướt của đĩa (1 – 4mm). Khi đĩa quay, lần lượt làm cho lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với không khí để hấp thụ oxy. Đĩa quay cũng là cơ chế để tách các chất rắn thừa ra khỏi bề mặt các đĩa nhờ lực ly tâm.
Hình 2.8 Đĩa quay sinh học. [5]
• Bể MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)
Trong bể hiếu khí dính bám MBBR, hệ thống cấp khí được cung cấp để tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng và phát triển. Đồng thời quá trình cấp khí phải đảm bảo được các vật liệu luôn ở trạng thái lơ lửng và chuyển động xáo trộn liên tục trong suốt quá trình phản ứng.
Ngoài nhiệm vụ xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước thải, thì trong bể sinh học hiếu khí dính bám lơ lửng còn xảy ra quá trình Nitritrat hóa và Denitrate, giúp loại bỏ các hợp chất nito, photpho trong nước thải, do đó không cần sử dụng bể Anoxic.
Ngoài ra, để tăng cường khả năng xử lý nito của bể sinh học thiếu khí người ta thêm vào bể giá thể MBBR. Thể tích của vật liệu MBBR so với thể tích bể được điều chỉnh theo tỷ lệ phù hợp, thường là <50% thể tích bể.
Bể sinh học kết hợp giá thể lơ lửng MBBR gồm 2 loại: bể hiếu khí và bể thiếu khí.
Trong bể hiếu khí sự chuyển động của các giá thể được tạo thành do sự khuyếch tán
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 27 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
của những bọt khí có kích thước trung bình từ máy thổi khí. Trong khi đó ở bể thiếu khí thì quá trình này được tạo ra bởi sự xáo trộn của các giá thể trong bể bằng cánh khuấy.
Hình 2.9 Bể MBBR hiếu khí và thiếu khí.
b. Phương pháp kị khí [5]
Đây là phương pháp sinh học sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy để phân hủy chất ô nhiễm.
Cơ chế của quá trình phân hủy kị khí: Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình phức tạp, tạo ra nhiều sản phẩm và trải qua nhiều phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn tóm tắt như sau:
Chất hữu cơ CO2 + H2O + CH4 + H2 + NH4 + H2S + Tế bào mới Tổng quát cơ chế chuyển hóa yếm khí có thể giải thích theo 4 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Thủy phân
Dưới tác động của Enzym hyđrolaza do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ có phân tử lượng lớn như protein, gluxit, lipit, hyđrocacbon.v.v. sẽ bị phân hủy thành các chất hữu cơ có phân tư lượng nhỏ hơn và phần lớn là đều dễ tan trong nước như đường, axit amin, axit hữu cơ.v.v.
- Giai đoạn 2: Axit hóa
Các sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ được vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa thành các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ, các rượu và các chất trung tính khác do quá trình lên men đường, phân giải axit và khử amin. Ngoài ra, một số khí cũng được tạo thành như CO2, H2S, H2, NH3 và một lượng nhỏ CH4. Nếu trong nước thải giàu protein
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 28 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
thì còn sinh ra các khí độc như mercaptan, scatol, indol... Trong quá trình lên men các axit hữu cơ, các axit amin sẽ được khử amin bằng khử hoặc bằng thủy phân để tạo NH3 và NH4+, một phần sẽ được vi sinh vật sử dụng để tạo sinh khối, phần còn lại thường tồn tại dưới dạng NH4+.
- Giai đoạn 3: Acetate hóa
Vi khuẩn Acetic chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn acid hoá thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới.
- Giai đoạn 4: Methane hóa
Đây là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình xử lý yếm khí đặc biệt là trong điều kiện xử lý có thu biogas. Acid acetic, H2, CO2, acid formic và methanol chuyển hoá thành metan, CO2 và sinh khối mới.
Trong ba giai đoạn đầu, COD trong dung dịch hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn metan hoá.
❖ Quá trình xử lý với vi sinh vật sinh trưởng lơ lửng.[4], [7]
• Bể UASB
Bể sinh học kị khí UASB là bể kỵ khí lớp bùn chảy ngược dòng. Nước thải sau khi điều chỉnh pH theo ống dẫn nước thải vào hệ thống phân phối đảm bảo phân phối đều nước trên diện tích đáy bể. Nước thải đi từ dứới lên với vận tốc v=0,6-0,9 m/s, hỗn hơp bùn yếm khí hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (khoảng 70-80% là mêtan và 20-30% là cacbonic). Bọt khí sinh ra bám chặt vào hạt bùn cặn nổi lên làm xáo trộn và va phải tấm chắn hạt cặn bị vỡ, khí thoát lên trên, cặn rơi xuống dưới. Hỗn hợp bùn nước đã tách hết khí qua cửa vào ngăn lắng. Nước thải trong ngăn lắng tách bùn lắng xuống dưới đáy qua cửa tuần hoàn lại sang vùng phản ứng yếm khí. Nước trong dâng lên và được thu vào máng theo ống dẫn sang bể làm sạch yếm khí. Khí biogas được dàn ống thu về bình chứa rồi theo ống dẫn khí đốt ra ngoài.
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 29 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
Hình 2.10 Cấu tạo bể sinh học kỵ khí UASB. [5]
• Bể phản ứng tiếp xúc kị khí
Đối với nước thải BOD cao, xử lý bằng phương pháp kị khí tiếp xúc rất hiệu quả.
Công trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hoàn.
Hình 2.11 Tiếp xúc kị khí.
Cơ chế hoạt động: Nước thải chưa xử lý được khuấy trộn với vòng tuần hoàn và sau đó được phân hủy trong bể phản ứng kín không cho không khí vào. Sau khi phân hủy, hỗn hợp bùn nước đi vào bể lắng, nước trong đi ra và bùn được lắng xuống đáy.
❖ Quá trình xử lý kị khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám.
SVTH: Huỳnh Kim Khánh 30 GVHD: TS. Bùi Thị Thu Hà
Đây là phương pháp xử lý kị khí nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám với vi khuẩn kị khí trên các giá mang. Hai quá trình phổ biến của quá trình này là lọc kị khí và lọc với lớp vật liệu bị trương nở, được dùng để xử lý nước thải chứa các chất cacbon hữu cơ. Quá trình xử lý với sinh trưởng gắn kết cũng được dùng để khử Nitrat.
• Bể lọc kỵ khí
Bể lọc kị khí là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ chứa cacbon trong nước thải. Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên hoặc từ trên xuống, tiếp xúc với lớp vật liệu trên đó có vi sinh vật kị khí sinh trưởng và phát triển. Vì vi sinh vật được giữ trên bề mặt vật liệu tiếp xúc và không bị rửa trôi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu của tế bào sinh vật rất cao (khoảng 100 ngày).
Bể phản ứng có dạng nước đi qua lớp cặn lơ lửng và lọc tiếp qua lớp vật liệu lọc cố định. Đây là dạng kết hợp giữa quá trình xử lý kị khí lơ lửng và dính bám.