r = −K X
Kd: hệ số phân hủy nội bào, 1/t; X: sinh khối, mg/l (g/m3,….).
Kết hợp với quá trình phân hủy nội bào: Tốc độ tăng trưởng thực của tế bào như sau: / ax / . . . Yr . g m d s g s d S X r K X S K r K X µ = − + = − − / g
r : tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn, mg/l.t (mg/l.ngày, g/m3.ngày). Tốc độ tăng trưởng riêng thực:
0 d max. d s S K K S K µ = −µ =µ − + , 1/t (1/ngày).
Tốc độ tăng sinh khối bùn hoạt tính:
/ g b s r y r = −
5.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí
Ảnh hưởng của độ pH
Các hệ thống xử lý sinh học hiếu khí cĩ thể hoạt động được trong dải pH khá rộng từ 5 – 9. Tuy nhiên pH tối ưu trong khoảng 6,5 – 8,5. Nước thải cĩ pH ngồi ngưỡng cho phép được điều chỉnh trong bể điều hịa.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong xử lý sinh học, nhiệt độ cĩ vai trị quan trọng quyết định vận tốc của phản ứng ơxy hĩa, các quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Với đa số vi sinh vật, nhiệt độ trong các hệ thống xử lý cĩ thể biến động từ 16 – 370C, nhiệt độ tối ưu 25 – 300C. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh học thể hiện qua biểu thức:
( 20) 20 T T K =K θ − KT, K20: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ xử lý và ở 200C; θ: hệ số nhiệt độ (cĩ giá trị từ 1,00 – 1,04); T: nhiệt độ xử lý, 0C.
Nhiệt độ cịn ảnh hưởng tới việc hấp thụ ơxy vào nước thải.
Ảnh hưởng của thành phần và nguồn dinh dưỡng
Để duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo đảm bảo quá trình làm sạch nước thải cần đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật. Các nguyên tố ảnh hưởng quyết định tới quá trình ơxy hĩa là C, N và P. Thành phần dinh dưỡng phụ thuộc nhiều vào bản chất các chất dinh dưỡng cĩ trong nước thải. Thực nghiệm cho thấy tỉ lệ C:N:P tối ưu là 100:5:1. Các nguyên tố khống và vi lượng thường cĩ sẵn trong nước thải. Do đặc trưng cơng nghệ, một số loại nước thải nghèo N và P. Sự thiếu hụt này sẽ kìm hãm sự phát triển của một số vi sinh vật cĩ vai trị quan trọng trong quá trình ơxy hĩa.
Thiếu N và P trong một thời gian dài là một trong những nguyên nhân làm thay đổi tương tác giữa các nhĩm vi khuẩn cĩ trong bùn hoạt tính. Các vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh làm bùn xốp (>200µm). Hiện tượng này được gọi là sự phồng lên của
bùn. Bùn sẽ xốp, khĩ lắng. chỉ số thể tích lắng tăng gây khĩ khăn cho quá trình tách bùn ở bể lắng thứ cấp.
Ảnh hưởng của các chất độc đối với vi sinh vật
Các chất độc hữu cơ, vơ cơ, nhất là các kim loại nặng, các ion halogen cĩ khả năng ức chế thậm chí vơ hoạt hệ enzim ơxy hĩa khử ở vi sinh vật. Vì vậy cần kiểm tra và đảm bảo hàm lượng của chúng khơng quá giới hạn cho phép.
Ví dụ: Các kim loại nặng ≤ 2 mg/
Phenol và hợp chất chứa phenol < 140 mg/l Các muối xyanua < 60 mg/l.
Ảnh hưởng của độ ơxy hịa tan
Để thực hiện quá trình ơxy hĩa, vi sinh vật cần O2 dưới dạng hịa tan. Trong các hệ thống xử lý hiếu khí, ơxy được cung cấp liên tục để đáp ứng nhu cầu ơxy cho quá trình ơxy hĩa.
Thiếu O2 cũng là một trong những nguyên nhân làm phồng bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển. Việc cung cấp O2 cịn cĩ tác dụng tạo ra độ đồng nhất trong thiết bị, làm rã các khối bơng lớn, giảm các “điểm chết” trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu của nước trong hệ thống xử lý.
Hiệu suất sử dụng O2 trong thiết bị xử lý phụ thuộc khơng chỉ vào phương pháp cấp khí (cơng suất thiết bị, áp lực nén, đặc trưng của hệ thống phân phối khí, chiều cao lớp nước) mà cịn phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất nước thải, F/M (nguồn dinh dưỡng
– Food và lượng sinh khối – Microorganismes), tốc độ sinh trưởng, đặc trưng hình thái và sinh lý của vi sinh vật.
Để đảm bảo tốc độ ơxy hĩa, độ O2 hịa tan cần đạt ít nhất là 4 mg/l. Theo Edeline, nhu cầu O2 ở các bể cịn phụ thuộc tải trọng của hệ thống xử lý.
5.6. Các cơng trình xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên
Trong mơi trường tự nhiên, các quá trình lý, hĩa và sinh học diễn ra khi đất, nước, sinh vật và khơng khí tác động qua lại với nhau. Lợi dụng các quá trình này, người ta thiết kế các hệ thống tự nhiên để xử lý nước thải. Các quá trình xảy ra trong tự nhiên giống như các quá trình xảy ra trong các hệ thống nhân tạo, ngồi ra cịn cĩ thêm các quá trình quang hợp, quang oxy hĩa, hấp thu dưỡng chất của hệ thực vật. Trong các hệ thống tự nhiên các quá trình diễn ra ở vận tốc "tự nhiên" và xảy ra đồng thời trong cùng một hệ sinh thái, trong khi trong các hệ thống nhân tạo các quá trình diễn ra tuần tự trong các bể phản ứng riêng biệt.
5.6.1. Ao hồ sinh học
Ao sinh học là dãy ao gồm 3 – 5 bậc, qua đĩ nước thải chảy với vận tốc nhỏ, được lắng trong và xử lý sinh học. Các ao được ứng dụng để xử lý sinh học và xử lý bổ sung trong tổ hợp với các cơng trình xử lý khác. Ao được chia thành 2 loại: ao thơng khí tự nhiên và ao nhân tạo. Ao thơng khí tự nhiên khơng sâu (0,5 – 1m) được sưởi nĩng bằng mặt trời và các vi sinh vật nước. Để hoạt động bình thường cần phải đạt pH tối ưu và nhiệt độ khơng thấp hơn 6oC. Kích thước ao phải bảo đảm thời gian lưu cần thiết của nước thải và vận tốc oxy hĩa được đánh giá theo BOD của chất phân huỷ chậm nhất.
5.6.2. Ao hồ hiếu khí
5.6.2.1. Ao hồ sinh học (Ao hồ ổn định nước thải)
Xử lí nước thải trong các ao hồ ổn định là phương pháp xử lí đơn giản nhất và đã được áp dụng từ thời xa xưa. Phương pháp này khơng yêu cầu kĩ thuật cao, vốn đầu tư ít, chi phí hoạt động rẻ tiền, quản lí đơn giản và hiệu quả cũng khá cao9.
Qui trình xử lí theo phương pháp ao hồ sinh học khá đơn giản và được tĩm tắt như sau:
Nước thải loại bỏ rác, cát sỏi… Các ao hồ ổn định Nước đã xử lí.
Cơ sở khoa học của phương pháp là dựa vào khả năng tự nhiên làm sạch của nước, chủ yếu là vi sinh vật và các thủy sinh khác, các chất nhiễm bẩn bị phân hủy thành các chất khí và nước. Như vậy, quá trình làm sạch khơng phải thuần nhất là quá trình hiếu khí, mà cịn cĩ cả quá trình tùy tiện và kị khí.
− Đây là phương pháp rẻ nhất, dễ thiết kế và xây dựng, dễ vận hành, khơng địi hỏi cung cấp năng lượng (sử dụng năng lượng Mặt Trời).
− Cĩ khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh nhiễm trong nước thải xuống tới mức thấp nhất.
− Cĩ khả năng loại được các chất hữu cơ, vơ cơ tan trong nước thải xuống tới mức thấp nhất.
− Cĩ khả năng loại được các chất hữu cơ, vơ cơ tan trong nước
− Hệ vi sinh vật hoạt động ở đây chịu đựng được nồng độ các kim loại năng tương đối cao (>= 30 mg/l).
Đồng thời phương pháp này cũng cĩ những nhược điểm cơ bản như sau:
− Thời gian xử lí khá dài ngày
− Địi hỏi mặt bằng rộng
− Trong quá trình xử lí phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết tự nhiên, nhiệt độ thấp của mùa đơng kéo dài thời gian và hiệu quả làm sạch hoặc gặp mưa sẽ làm tràn ao hồ gây ơ nhiễm các đối tượng khác
Ngồi ra các ao hồ sinh học, đặc biệt là ao hồ kị khí thường sinh ra các mùi hơi thối khĩ chịu làm ảnh hưởng đến mơi trường sống xung quanh.
Phương pháp này vốn là phương pháp tự làm sạch nước đã được áp dụng từ xa xưa, đặc biệt là được dùng nhiều trong các nước phát triển từ thế kỉ trước cho đến nay.
5.6.2.2. Ao hồ hiếu khí
Ao hồ hiếu khí là loại ao nơng 0.3-0.5m cĩ quá trình oxi hĩa các chất bẩn hữu cơ chủ yếu nhờ các vi sinh vật hiếu khí. Loại ao hồ này gồm cĩ: hồ làm thống tự nhiên và hồ làm thống nhân tạo.
Hồ hiếu khí tự nhiên: Oxi từ khơng khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên
và ánh sáng Mặt Trời chiếu dọi, làm cho tảo phát triển, tiến hành quang hợp thải ra oxi. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiếu sâu của hồ phải nhỏ, thường là 30-40 cm. Do chiều sâu như vậy diện tích của hồ cũng lớn hơn càng tốt. Tải của hồ (BOD) khoảng 250-300 kg/ha.ngày. Thời gian lưu của nước từ 3-12 ngày.
Do ao nơng, diện tích lớn đảm bảo điều kiện hiếu khí cho tồn bộ nước trong ao (từ mặt thống đến đáy). Nước lưu trong ao tương đối dài, hiệu quả làm sạch cĩ thể tới 80-95% BOD, màu nước cĩ thể chuyển dần sang màu xanh của tảo.
Hồ cĩ sục khuấy: Nguồn oxi cung cấp cho vi sinh vật hiếu khí trong nước hoạt
động là các thiết bị khuấy cơ học hoặc khí khí nén (chủ yếu là khuấy cơ học). Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn, đều hơn và độ sâu của hồ cũng lớn hơn (2-4.5 m). Tải BOD của hồ khoảng 400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1-3 ngày cĩ khi dài hơn.
Quá trình xử lí nước thải trong hồ hiếu khí làm thống nhân tạo về cơ bản giống quá trình xử lí Aeroten, chỉ khác hai điểm:
+ Khơng dùng bùn hoạt tính hồi lưu từ lắng 2. Vì vậy, nồng độ bùn trong hồ là rất nhỏ. Cĩ thể coi phản ứng BOD ở đây là phản ứng bậc một xẩy ra trong điều kiện khuấy trộn hồn chỉnh.
+ Tuổi của bùn θc tính bằng thời gian lưu nước trong hồ t= V/Q. Thơi gian lưu gần đúng dựa trên áp dụng mơđen của Monod cho hồ khuấy trộn hồn tồn.
Khả năng khử BOD5 tính theo cơng thức:
S/S0 = 1/(1+ KT.t)
Trong đĩ: S0 và S là BOD5 trước và sau khi xử lí (vào và ra hồ) (tính bằng mg/l)
t: Thời gian lưu nước (ngày)
KT: Phụ thuộc vào nhiệt độ T0C: KT = K20 .θ(T-20)
Trong thực tế, xây ngăn hồ sục khí với trang bị bộ sục khí hợp lí sẽ cho hiệu quả xử lí cao. Ngược lại, sự phân tán bĩng kết tủa của bùn hoạt tính thấp (độ tuổi bùn hoạt tính nhỏ, mức độ ổn định bị hạn chế) cũng như sự phát triển của tảo làm cản trở sự phân tán các chất lơ lửng. Do vậy, khi xử lí nước thải đơ thị, nồng độ các chất huyền phù dao động trong khoảng 50 – 20 mg/l.
Sau hồ sục khí nên xây dựng 1 bể lắng (lắng 2) sẽ giảm được chỉ số này. Thời gian lưu nước ở hồ sục khí là 10 ngày, trong điều kiện khí hậu ơn hịa giảm BOD được 80 – 90%, nếu ở nhiệt độ cao hơn sẽ rút ngắn được thời gian. Hiệu quả khử vi khẩn phụ thuộc vào thời gian lưu nước ở trong hồ. Về mặt này, hồ cĩ sục khí khơng bằng các ao hồ tự nhiên khác. Chính vì vậy, các ao hồ tự nhiên cịn cĩ tên là các ao hồ ổn định.
Bể lắng 2 ở đây cĩ thể làm bằng đất, sâu từ 1 – 2 m, nên đất nện hoặc đáy lát đá hoặc tấm bê tơng, nếu nền đất yếu cĩ hiện tượng xĩi lở. Khơng nên để lưu nước trong bể lắng quá 2 ngày để tránh rong tảo phát triển.
5.6.2.3. Ao hồ kị khí
Ao hồ kị khí là loại ao sâu, ít cĩ hoặc khơng cĩ điều kiện hiếu khí. Các vi sinh vật kị khí hoạt động sơng khơng cần oxi của khơng khí. Chúng sử dụng oxi ở các hợp chất như nitrat, sulfat… để oxi hĩa các chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các loại rượu và khí CH4, H2S, CO2… và nước.
Ao hồ kị khí thường dùng để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy. Loại ao hồ này cĩ thể tiếp nhận loại nước thải (kể cả nước thải cơng nghiệp) cĩ độ nhiễm bẩn lớn, tải BOD cao và khơng cần vai trị quang hợp của tảo. Nước thải lưu ở hồ kị khí thường sinh ra mùi hơi thối khĩ chịu. Vì vậy khơng nên bố trí các loại ao hồ này gần khu dân cư và xí nghiệp chế biến thực phẩm.
Để duy trì điều kiện kị khí và giữ ấm nước trong hồ trong những ngày mùa đơng giá lạnh, chiều sâu là khá lớn (từ 2 – 6 m, thơng thường lấy ở khoảng 2,5 – 3,5 m).
Khi xây dựng hồ kị khí thường tính tốn theo kinh nghiệm: chiều sâu như trên đã đề cập, diện tích mặt thống khơng cần lớn (thường vào khoảng 10 – 20% diện tích ao hồ tùy nghi). Thời gian lưu nước cĩ thể là dài, nhưng cần tính tốn sao cho mùa hè chỉ cần lưu nước từ 1,5 đến 2 ngày vào mùa đơng là 5 ngày. BOD trong hồ này trong mùa hè cĩ thể khử tới 6,5 – 80 % và mùa đơng cĩ thể khử tới 45 – 65%.
Cấu tạo của hồ trên cĩ 2 ngăn: 1 ngăn làm việc và 1 ngăn dự phịng khi vét bùn cặn.
Cửa dẫn nước vào ao hồ nên đặt chìm đảm bảo cho việc phân phối cặn đồng đều các đầm hồ kị khí để xử lí nước thải. Trên thế giới đã cĩ thành phần xử lí nước thải trong hồ cĩ bề mặt tới 5km2.
Các hồ hiếu khí hoặc kị khí cĩ thể xây dựng một bậc hoặc nhiều bậc. Chiều sâu của bậc sau lớn hơn bậc trước. Hồ một bậc thường cĩ diện tích 0.5 – 7 ha, nhiều bậc diện tích mỗi bậc 2,25 ha. Tùy theo yêu cầu xử lí, cĩ thể xây dựng một hệ thống gồm nhiều hồ.
5.6.2.4. Ao hồ hiếu khí – kị khí (Ao hồ tùy nghi)
Loại ao hồ này rất phổ biến trong thực tế. Đĩ là loại kết hợp cĩ hai quá trình song song phân hủy các chất hữu cơ hịa tan cĩ đều ở trong nước và phân hủy kị khí (sản phẩm chủ yếu là CH4) cặn lắng ở vùng đáy.
Đặc điểm của ao hồ tùy nghi xét theo chiều sâu cĩ 3 vùng: lớp trền là vùng hiếu khí (vi sinh vật hiếu khí hoạt động), vùng giữa là vùng kị khí tùy tiện (vi sinh vật tùy nghi hoạt động) và vùng phía đáy sâu là vùng kị khí (vi khuẩn lên men metan hoạt động).
Nguồn oxi cần thiết cho quá trình oxi hĩa các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước nhờ khuếch tán qua mặt nước do sĩng giĩ và nhờ tảo quang hợp dưới tác dụng của ánh sáng Mặt Trời. Nồng độ oxi hịa tan ban ngày nhiều hơn ban đêm. Vùng hiếu khí chủ yếu ở lớp nước phía trên mặt ao hồ cĩ độ sâu tới 1m.
Vùng kị khí xẩy ra ở lớp đáy hồ. Ở đây các chất hữu cơ bị phân hủy kị khí sinh ra các khí CH4, H2S, H2, N2, CO2 (chủ yếu là CH4. Do quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ cịn gọi là quá trình lên men metan xẩy ra nhanh hơn. Phân hủy kị khí các chất hữu cơ thường sinh ra các sản phẩm dạng khí cĩ mùi thối khĩ chịu và cĩ thể cịn bị cháy nổ hoặc gây nhiễm độc bầu khơng khí, cĩ khi gây chết người khi ngửi phải hỗn hợp khí thốt ra từ các bể kị khí với nồng độ cao.
Trong hồ thường hình thành hai tầng phân cách nhiệt: tầng nước phía trên cĩ nhiệt độ cao hơn tầng dưới. Tầng trên cĩ tảo phát triển, tiêu thụ CO2 làm cho pH chuyển sang kiềm (cĩ khi tới 9,8). Tảo phát triển mạnh thành lớp dày rồi chết và tự phân làm
cho nước thiếu oxi hịa tan, ảnh hưởng đến vi sinh vật hiếu khí, cịn các vi sinh vật kị khí tùy tiện hoạt động manh. Trong trường hợp này nên khuấy đảo nước hồ để tránh cho hồ bị quá tải chất hữu cơ.
Xây dựng hồ nên chọn chiều sâu khoảng 1 – 1,5m, tỉ lệ chiều dài và chiều rộng là