Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính tốn để đạt được một mức xử lý nào đĩ thơng qua quá trình lý, hố và sinh học tự nhiên của hệ đất – nước – thực vật của hệ thống.
Việc xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới và bãi lọc dựa trên khả năng giữ các cặn nước ở trên mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua lọc, nhờ có oxy trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật hoạt động phân hủy các hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống lượng oxy hóa càng ít và quá trình oxy hóa các chất hữu cơ giảm xuống dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đó chỉ diễn ra quá trình khử nitrate. Đã xác định được quá trình oxy hóa nước thải chỉ diễn ra ở lớp đất mặt sâu tới 1.5m. Vì vậy các cánh đồng tưới và bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi có mực nước ngầm thấp hơn 1.5m so với mặt đất.
Cánh đồng tưới có 2 chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng. Tùy vào từng chức năng mà cánh đồng được sử dụng cho phù hợp.
Các loại nước thải trước khi đưa vào cánh đồng tưới và bãi lọc cần phải được xử lý sơ bộ: qua song chắn rác để loại bỏ các vật khô cứng, qua bể lắng cát loại bỏ một phần các hợp chất rắn và chất kim loại nặng, loại bỏ dầu mỡ và một phần các chất huyền phù tránh cho các lớp đất mặt bị bịt kín làm giảm sự thoáng khí và ảnh hưởng xấu đến khả năng oxy hóa các chất bẩn của hệ vi sinh vật.
Trong phương pháp này có gặp rất nhiều khó khăn khi xây dựng như: diện tích tưới cố định phải lớn và nhu cầu tưới đều đặn trong năm.
Sau khi lắng ở bể lắng đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng, ở đĩ diễn ra quá trình oxy hố sinh hố các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở đây, quá trình oxy hố sinh hố chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại sinh vật, vi sinh vật, chủ yếu là các vi sinh vật đất. Những quần thể sinh vật đất cũng bao gồm: vi khuẩn, nấm, vi tảo và các lồi nguyên sinh động vật. Những cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải.
- Vi khuẩn: trong cánh đồng lọc cĩ chứa 2 loại vi khuẩn: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào, lượng vi khuẩn từ nước thải đưa vào bằng 1% lượng vi khuẩn của đất. Hai nhĩm vi khuẩn này đồng thời cĩ quan hệ đối kháng và cộng sinh. Cấu trúc đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những yếu tố quyết định đến sự hình thành uần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải.
Những quá trình oxy hố sinh hố diễn ra chủ yếu ở lớp đất trên cùng với chiều dày khoảng 40 cm. Trong lớp này sẽ tồn tại “màng sinh vật”, chúng thực hiện quá trình oxy hố sinh hố. Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn, mỗi mét vuơng diện tích đất cĩ tổng diện tích hấp phụ là 5 ha. Số vi khuẩn ở màng sinh vật là rất lớn: với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40 cm thì tổng diện tích hấp phụ của tế bào vi khuẩn là 48.000 m2. Vì vậy tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất chậm, chỉ khoảng 1 cm/giờ.
- Nấm: đa số là loại hiếu khí, vì nấm khơng cĩ khả năng quang hợp nên nguồn cacbon chủ yếu lấy từ các chất hữu cơ chứa cacbon (tinh bột, xenluloza, acid béo, rượu cao phân tử, paraphin…), nguồn nitơ là muối amon, nitrate, đơi khi cả peptone, acid amin
- Tảo: chủ yếu là tảo lam và tảo lục. Lượng tảo cũng rất nhiều khoảng 100.000 – 3.000.000/cm3 đất. Vai trị của tảo là tạo ra oxi nên sự phát triển của tảo trong đất là rất cần thiết đặc biệt là đối với đất kém thống khí.
- Nguyên sinh động vật: cĩ vai trị tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là tế bào vi khuẩn già, tạo điều kiện dễ dàng cho các tế bào vi khuẩn khác phát triển và xuất hiện nhiều thế hệ vi khuẩn trẻ cĩ hoạt tính sinh hố mạnh hơn, do đĩ quá trình oxi
hố sinh hố được tăng cường. Ngồi ra các nguyên sinh động vật cịn giúp cho lớp đất lọc được tơi xốp.
Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời cĩ thể đạt được 3 mục tiêu: - Xử lý nước thải.
- Tái sử dụng các chất dinh dưỡng cĩ trong nước thải để sản xuất. - Nạp lại nước cho các túi nước ngầm.
So với các hệ thống khác thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc chỉ cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hồn lưu nước thải và bùn… Do ít sử dụng các thiết bị cơ khí nên việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn.
Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cũng cĩ nhiều hạn chế như: cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc nhiều vào cấu trúc đất và điều kiện khí hậu.
Tuỳ theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia cánh đồng lọc ra làm 3 loại:
- Cánh đồng lọc chậm.
- Cánh đồng lọc nhanh
- Cánh đồng lọc chảy tràn 4.6.1.2 Hồ sinh học hiếu khí
Ao hồ hiếu khí là loại ao hồ nông 0.3 – 0.5m có quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ nhờ vào các vi sinh vật hiếu khí. Loại ao hồ này gồm có hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
Vi sinh vật trong hồ sinh học chủ yếu là vi khuẩn và tảo, ngồi ra cịn cĩ Protozoa,
giả túc Rotifers.
- Vi khuẩn chủ yếu là Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, vi khuẩn
Coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các vi khuẩn tiết ra.
- Tảo: sự phát triển tuỳ thuộc vào các loại chất dinh dưỡng và mức dinh dưỡng.
cao. Những loại tảo nhỏ địi hỏi năng lượng nhiều và chiếm ưu thế chu đạo hơn. Tảo xanh thường sống ở nơi mức dinh dưỡng giảm và năng lượng khơng
đủ cho khối lượng lớn của Phytoflagellata hoạt tính.
Hồ hiếu khí tự nhiên : oxy từ không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên và ánh sáng mặt trời chiếu rọi, làm cho tảo phát triển, tiến hành quang hợp thải oxy. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiều sâu của hồ phải nhỏ thường là 30 – 40cm. Do vậy diện tích của hồ càng lớn càng tốt. Tải trọng của hồ (BOD) khoảng 250 – 300kg/ha.ngày, thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày. Do ao nông, diện tích lớn nên đảm bảo điều kiện hiếu khí cho toàn bộ nước trong ao. Nước lưu trong ao tương đối dài. Hiệu quả làm sạch có thể tới 80 – 95% BOD, màu nước có thể chuyển dần sang màu xanh của tảo.
Hồ sục khuấy: nguồn cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí trong nước hoạt động là các thiết bị khuấy cơ học hoặc khí nén. Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn, điều độ và độ sâu của hồ cũng nhỏ hơn tải trọng BOD của hồ khoảng 400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày có khi dài hơn.
4.6.2 Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo trong điều kiện nhân tạo
4.6.2.1 Bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học là công trình nhân tạo trong đó nước thải được lọc qua vật liệu rắn có bao bọc một lớp màng vi sinh vật.
Vi sinh vật trong bể lọc sinh học
- Vi khuẩn: gồm các vi khuẩn hiếu khí, tuỳ tiện và yếm khí. Ở mặt ngồi của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí, dễ nhận thấy là loại trực khuẩn tạo nha
Bacillus. Ở lớp yếm khí trung gian của màng chủ yếu là vi khuẩn yếm khí Desulfovibrio. Phần lớn vi khuẩn trong bể lọc là lồi tuỳ tiện gồm nhiều loại như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus.
- Nấm: là loại hiếu khí nên chỉ sống ở vùng cĩ oxi hồ tan, ở nước thải cĩ pH thấp thì nấm và một số vi khuẩn chỉ thị phát triển mạnh.
- Tảo: khơng phát triển được nhiều mà chủ yếu chỉ tồn tại ở lớp bề mặt của bể lọc mà thơi.
- Động vật nguyên sinh: ở các lớp vật liệu phía trên cĩ các loại bền vững chịu
được trạng thái oxi như: Paramecium, Putrium, P. caudatum, Colpidium colpada…
Bể lọc sinh học gồm các phần chính như sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều lên toàn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống phân phối khí cho bể lọc.
Quá trình oxy hoá chất thải trong bể lọc sinh học diễn ra giống như trên cánh đồng lọc nhưng với cường độ lớn hơn nhiều. Màng vi sinh vật đã sử dụng và xác vi sinh vật chết theo nước trôi khỏi bể được tách khỏi nước thải ở bể lắng đợt 2. Để đảm bảo quá trình oxy hoá sinh hoá diễn ra ổn định, oxy được cấp cho bể lọc bằng các biện pháp thông gió tự nhiên hoặc thông gió nhân tạo. Vật liệu lọc của bể lọc sinh học có thể là nhựa Plastic, xỉ vòng gốm, đá Granit…
Các loại bể lọc sinh học:
Bể lọc sinh học nhỏ giọt
Bể có dạng hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình tròn trên mặt bằng, bể lọc sinh học nhỏ giọt làm việc theo nguyên tắc sau: Nước thải sau bể lắng đợt 1 được đưa về thiết bị phân phối theo chu kỳ tưới đều nước trên toàn bộ bề mặt bể lọc. Nước thải sau khi lọc chảy vào hệ thống thu nước và được dẫn ra khỏi bể. Oxy cấp cho bể chủ yếu qua hệ thống lỗ xung quanh thành bể. Vật liệu lọc của bể sinh học nhỏ giọt thường là các hạt cuội, đá… đường kính trung bình 20 – 30 mm. Tải trọng nước thải của bể thấp (0,5 – 1,5 m3/m3 vật liệu lọc /ngày đêm). Chiều cao lớp vật liệu
lọc là 1,5 – 2m. Hiệu quả xử lý nước thải theo tiêu chuẩn BOD đạt 90% . Dùng cho các trạm xử lý nước thải có công suất dưới 1000 m3/ngày đêm.
Bể lọc sinh học hoạt tính:
Giống như bể lọc sinh học nhỏ giọt cao tải, chỉ khác là bùn từ bể lắng thứ cấp được bơm hồn lưu vào bể lọc sinh học hoạt tính để tăng mật độ vi sinh vật trong bể này. Ưu điểm của bể này là hiệu suất khử BOD cao hơn, lưu lượng nạp BOD cĩ thể tăng 4 – 5 lần so với bể lọc sinh học nhỏ giọt thơng thường.
Bể lọc sinh học nhỏ giọt kết hợp với bể sục khí:
Hệ thống này gồm bể lọc sinh học nhỏ giọt, bể sục khí và bể lắng thứ cấp. Các bùn vi sinh vật từ bể lọc được đưa qua bể sục khí để tạo bơng cặn và khử các chất hữu cơ hồ tan.
Kết hợp bể lọc thơ với bùn hoạt tính:
Giống như bể lọc sinh học nhỏ giọt kết hợp với bể sục khí, tuy nhiên hệ thống này cĩ thể hoạt động được với lưu lượng nạp chất hữu cơ cao hơn. Bể lọc thơ dùng để khử chất hữu cơ của nước thải giúp cho hệ thống khỏi bị hoạt động quá tải hay dưới tải. Khi nước thải chảy qua, trên bề mặt các hạt vật liệu lọc sẽ hình thành, phát triển các vi sinh vật và sinh vật gọi là tạo màng sinh vật.
4.6.2.2 Bể Aerotank - bùn hoạt tính
Là bể chứa hổn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở trạng thái lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxy cho vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải.
Vi sinh vật trong bùn hoạt tính
- Vi khuẩn: là nhĩm vi sinh vật quan trọng nhất trong việc phân huỷ 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 loại chủ đạo.
Nước thải chứa protein sẽ kích thích các loại Alcaligenes, Flavobacterium và Bacillus phát triển. Nước thải chứa hydratcacbon hoặc hydrocacbon thì kích thích Pseudomonas.
- Nấm: được coi là khơng mong muốn tồn tại trong bùn hoạt tính. Nếu nước thải chứa hydratcacbon với nồng độ cao, pH thấp, thiếu chất dinh dưỡng sẽ kích thích nấm phát triển. Nấm trong bùn hoạt tín sẽ tạo dạng chỉ và ngăn cản việc tạo bơng và làm bùn khơ lắng.
- Protozoa: chỉ đĩng vai trị gián tiếp trong việc ổn định, phân huỷ chất hữu cơ mà thơi. Khi nồng độ chất hữu cơ thấp thì tạo điều kiện cho động vật nguyên sinh phát triển và chiếm chủ đạo trong bùn hoạt tính.
Nước thải sau khi qua bể lắng 1 cĩ chứa các chất hữu cơ hồ tan và chất lơ lửng đi vào bể Aerotank. Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đĩng vai trị là các hạt nhân để cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bơng cặn gọi là bùn hoạt tính.
Vi khuẩn và các vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng N, P làm thức ăn để chuyển hố chúng thành các chất trơ khơng hồ tan và thành các tế bào mới. Quá trình chuyển hố thực hiện theo từng bước xen kẽ và nối tiếp nhau. Một vài loại vi khuẩn tấn cơng vào các hợp chất hữu cơ cĩ cấu trúc phức tạp, sau khi chuyển hố thải ra các hợp chất hữu cơ cĩ cấu trúc đơn giản hơn, một vài loại vi khuẩn khác dùng các chất này làm thức ăn và lại thải ra các hợp chất đơn giản hơn nữa, và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chất thải cuối cùng cung cấp vật liệu cho tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước.
Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể Aerotank của lượng nước thải đi vào bể khơng đủ để làm giảm nhanh các chất hữu cơ, do đĩ phải sử dụng lại bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy bể lắng đợt 2 bằng cách tuần hồn bùn ngược trở lại đầu bể Aerotank để duy trì nồng độ đủ của vi khuẩn trong bể. Bùn dư ở đáy bể lắng được xả ra khu xử lý bùn.
Để cung cấp oxy hồ tan cho bể Aerotank, người ta sử dụng các cách sau:
- Khuấy cơ học với các dạng khuấy ngang, khuấy đứng. Song, biện pháp này khơng hồn tồn đáp ứng được nhu cầu oxy.
- Thổi và sục khí bằng hệ thống khí nén với các hệ thống phân tán khí thành các dịng hoặc tia lớn nhỏ khác nhau.
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm sạch nước thải của bể Aerotank
- Lượng oxy hồ tan trong nước.
- Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật.
- Nồng độ cho phép của các chất bẩn hữu cơ cĩ trong nước thải để đảm bảo cho Aerotank làm việc cĩ hiệu quả.
- Các chất cĩ độc tính ở trong nước thải ức chế đến đời sống của vi sinh vật. - pH và nhiệt độ của nước thải.
Phân loại Aerotank
- Aerotank tải trọng thấp (Aerotank truyền thống): - Aerotank tải trọng cao một bậc
- Aerotank tải trọng cao nhiều bậc
- Aerotank cĩ ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Aerotank ổn định – tiếp xúc)
- Aerotank thơng khí kéo dài
- Aerotank thơng khí cao cĩ khuấy đảo hồn chỉnh
4.7 CÁC THƠNG SỐ TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH XỬ LÝ