Việc phân loại các quá trình xử lý sinh học phụ thuộc vào đặc tính của từng loại bể phản ứng. Các bể phản ứng nước thải bằng phương pháp sinh học chia làm 2 nhóm chính, theo cách thức sinh trưởng của vi sinh vật trong môi trường sinh trưởng hay bám dính.
Bảng 3.13 Các thiết bị xử lý sinh học thông dụng
Bể phản ứng với tác nhân sinh trưởng lơ lửng
Bể phản ứng với tác nhân sinh trưởng bám dính
Bùn hoạt tính
Loai bỏ chất dinh dưỡng bằng pp sinh học Phân hủy hiếu khí
Tiếp xúc kị khí UASB Phân hủy kị khí
Hồ sinh học
Kị khí có đện giãn Đĩa quay sinh học
Lọc nhỏ giọt Tháp kín Thiết bị lọc kị khí
Do vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học nên căn cứ vào tính chất, hoạt động và môi trường của chúng, ta có thể chia phương pháp sinh học thành 2 dạng chính là sinh học kị khí và sinh học hiếu khí.
Bảng 3.14 Các công trình xử lý sinh học
Hiếu khí Kị khí
Nhân tạo Aerotank, SBR, Unitank Metan
Lọc sinh học UASB
Đĩa tiếp xúc sinh học quay Lọc kị khí Oxyten
Mương oxy hóa
Tự nhiên Ao sinh học hiếu khí Ao sinh học kị khí Cánh đồng lưới
• Phương pháp kị khí:
Sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phứt tạp phân hủy các chất hữu cơ, tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian.
Quá trình phân hủy kị khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử. Giai đoạn 2: acid hóa.
Giai đoạn 3: acetate hóa. Giai đoạn 4: methane hóa. Phân lọai:
Hình 3.1 Các phương pháp xử lý nước thải theo phương pháp kị khí
Quá trình tăng trưởng kị khí:
Đặc trưng cho quá trình tăng trưởng lơ lửng kị khí là bể UASB (Upflow anaerobic sludge blanket).
Nước thải được nạp từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều kiện kị khí ( chủ yếu là methane và CO2) sex tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ bám dính vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây quá trình pha khí-lỏng-rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH (5%-10%). Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại
Công nghệ kị khí
Sinh trưởng bám dính Sinh trưởng lơ lửng
Xáo trộn hoàn toàn Tiếp xúc kị khí UASB Lọc kị khí Tầng lơ lửng Vách ngăn
lắng xuống. Nước thải theo máng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo. Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0.6-0.9 m/h.
Ưu điểm:
Chi phí đầu tư vận hành thấp. Lượng hóa chất cần bổ sung ít. Bùn sinh ra dễ tách nước.
Không đòi hỏi cấp khí, đỡ tốn năng lượng. Có thể thu hồi, tái sử dụng năng lượng biogas.
Lượng bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao. Giảm diện tích công trình.
Khuyết điểm:
Giai đoạn khởi động kéo đài. Phát sinh mùi.
Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động. Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại.
Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động. Quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn:
Bể phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn là một bể xáo trộn liên tục, không tuần hoàn bùn. Bể này thích hợp để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy nồng độ cao hoặc xử lý bùn hữu cơ. Thiết bị xáo trộn dùng trong bể có thể là cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hoàn khí biogas. Trong quá trình phân hủy, lượng sinh khối mới sinh ra phân bố đều trên toàn thể tích bể. Hàm lượng
chất lơ lửng ở dòng ra phụ thuộc vào thành phần nước thải vào và yêu cầu xử lý. Do bể phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn nên không có biện pháp nào lưu giữ sinh khối bùn, nên thời gian lưu sinh khối chính là thời gian lưu nước. Thời gian lưu bùn phân hủy kị khí thường từ 12-30 ngày. Như vậy thể tích bể xáo trộn hoàn toàn đòi hỏi lớn hơn nhiều so với công nghệ xử lý kị khí khác.
Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp và thời gian lưu nước lớn, bể kị khí xáo trộn hoàn toàn có thể chịu đựng tốt trong trường hợp có độc tố hoặc khi tải tăng đột ngột.
Tiếp xúc kị khí:
Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hoàn. Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hoàn toàn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng hoặc bể tuyển nổi để tách riêng bùn và nước. Bùn tuần hoàn trở lại bể kị khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm
Quá trình tăng trưởng kị khí bám dính (Anaerobic attached –growth process):
Tương tự như quá trình tăng trưởng hiếu khí dính bám, các vi sinh vật kị khí dính bám vào các giá thể dạng tấm hoặc hạt có tính trơ. Nước thải cũng được dẫn từ dưới đáy bể lên, xuyên qua lớp vật liệu lọc. Sau quá trình xử lý, nước và khí được dẫn ra ngoài qua hệ thống ống dẫn đặt phía trên lớp vật liệu lọc. Ở quá trình này, ta cũng có thể cho nước thải chảy từ trên đỉnh bể phản ứng xuống rồi thu nước ở đáy bể, còn khí vẫn được thu ở trên bể.
Ngoài ra, ta cũng có thể phối hợp cả hai quá trình kị khí lơ lửng và kị khí bám dính vào cùng một bể sinh học nhằm tăng cường khả năng xử lý.
Phương pháp xử lý kị khí thường được sử dụng để sơ bộ xử lý nước thải có độ ô nhiễm hữu cơ cao ( COD > 1-3 g/l) trước khi sử dụng phương pháp hiếu khí.
Điều này giúp tiết kiệm được lượng oxy cần thiết phải cung cấp cho vi sinh vật trong quá trình hiếu khí nên giảm được chi phí điện năng đối với các thiết bị cấp khí và giảm lượng bùn sinh ra.
Lọc kị khí:
Bể lọc kị khí là cột chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho vi sinh vật sống bám trên bề mặt. Giá thể đó có thể là đá sỏi, than, vòng sứ, tấm nhựa, … dòng thải phân bố đều từ dưới lên tiếp xúc với lớp màn sinh vật trên giá thể. Do khả năng bám dính tốt của lớp màng vi sinh dẫn đến lượng vi sinh trong bể tăng lên và thời gian lưu nước bùn kéo dài. Vì vậy thời gian lưu nước nhỏ, có thể vận hành ở tải lượng cao.
Trong bể lọc kị khí, do dòng chảy quanh co đồng thời tích lũy sinh khối vì vậy dễ gây ra vùng chết và dòng chảy ngắn. Để khắc phục tình trạng này, có thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas thông qua hệ thống phân phối bố trí dưới lớp vật liệu. Sau thời gian vận hành, các chất rắn không bám dính gia tăng trong bể.
Ưu điểm:
• Đơn giản trong vận hành.
• Có khả năng chịu biến động về tải lượng ô nhiễm.
• Không kiểm soát bùn nổi như trong bể UASB. Khuyết điểm:
• Phát sinh mùi.
• 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.
Kị khí tầng giá thể lơ lửng:
Trong quá trình này, nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu hạt giá thể cho vi sinh bám vào. Vật liệu này có đường kính nhỏ vì vậy tỉ lệ diện tích mặt/ thể tích rất lớn ( cát, than hoạt tính,…) tạo sinh khối bám dính lớn. Dòng thải ra tuần hoàn trở lại tạo vận tốc nước đi đủ lớn tạo cho lớp vật liệu hạt ở dạng lơ lửng, giãn nở khoảng 15-30% hay lớn hơn. Hàm lượng sinh khối có thể lớn 10.000- 40.000 mg/l. Do lượng sinh khối lớn và thời gian lưu nước nhỏ, quá trình này có thể ứng dụng xử lý nước thải sinh hoạt.
• Phương pháp hiếu khí:
Các giai đoạn:
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn sau: Oxy hóa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz + NH3 + O2 TB vi khuẩn + CO2 + H2O + C5H7NO2 Phân hủy nội bào:
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ∆H
Phân loại:
Hình 3.2 Các phương pháp xử lý nước thải theo công nghệ hiếu khí
Quá trình tăng trưởng hiếu khí lơ lửng:
Bể bùn họat tính với vi sinh vật tăng trưởng (Aerotank) :
Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân huỷ xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Nồng độ oxy hoà tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt 2 không được nhỏ hơn 2 mg/L. Tốc độ sử dụng oxy hoà tan trong bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào:
Tỉ số giữa lượng thức ăn và lượng vi sinh vật: tỉ số F/M. Nhiệt độ.
Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật.
Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất. Lượng các chất cấu tạo tế bào.
Hàm lượng oxy hoà tan..
Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả, cần phải hiểu rõ vai trò quan trọng của quần thể vi sinh vật. các vi sinh vật này sẽ phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hoá thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hoá hoàn toàn thành CO2,
Công nghệ hiếu khí Lọc hiếu khí Lọc sinh học nhỏ giọt Hiếu khí tiếp xúc Xử lý sinh học theo mẻ
Hồ sinh học hiếu khí Sinh trưởng dính bám Sinh trưởng lơ lửng
Đĩa quay sinh học Aerotank
tính bao gồm: Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium, và hai loại vi khuẩn Nitrate hoá
Nitrosomonas và Nitrobacter. Thêm vào đó, nhiều loại vi khuẩn dạng sợi như
Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix, và Geotrichum cũng tồn tại.
Yêu cầu chung khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưa vào hệ thống cần có hàm lượng SS không vượt quá 150 mg/L, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ không quá 25 mg/L, pH = 6,5 – 8,5, nhiệt độ t = 6 – 37 0C.
Hệ thống bể bùn hoạt tính (Aerotank) 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.
Trong quá trình bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng lơ lửng, các vi sinh vật phát triển và tăng trưởng trong các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước ở các bể xử lý sinh học. Bể sinh học này luôn cần phải được làm thoáng để cung cấp đầy đủ oxy cho vi sinh vật tiến hành quá trình phân hủy chất hữu cơ và phát triển. Ngoài bể sinh học, ta cũng cần phải bố trí thêm bể lắng để tách các bông bùn hoạt tính ra khỏi nước, tuần hoàn một phần bùn trở lại bể sinh học nhằm duy trì nồng độ bùn cần thiết trong bể sinh học và xả bỏ bớt lượng bùn thừa sinh ra trong quá trình phát triển. Trong một số trường hợp ta cũng có thể gộp chung 2 bể sinh học và lắng thành một công trình duy nhất. Khi đó, ta không cần phải tuần hoàn bùn mà chỉ phải xả bùn.
Ưu điểm:
• Sử dụng phổ biến trong lĩnh vực xử lí nước thải
• Không sinh mùi Nhược điểm:
• Nhu cầu dinh dưỡng, chất dinh dưỡng cao
• Bùn sinh ra nhiều, phải tuần hoàn bùn
• Phải có bể lắng đợt hai
• Đòi hỏi trình độ vận hành cao
Ngoài ra, hiện nay còn có thêm một số loại bể cũng sử dụng quá trình bùn hoạt tính, là những cải tiến so với Aerotank như bể hiếu khí gián đoạn SBR, bể Unitank.
Bể họat động gián đọan (SBR):
Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cạn. Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục, chỉ có điều tất cả quá trình xảy ra trong cùng một bể và được thực hiện lần lượt theo các bước: (1) làm đầy, (2) phản ứng, (3) lắng, (4) xả cạn, (5) ngưng.
Bản chất quá trình xử lý sinh học từng mẻ:
Hệ thống xử lý sinh học từng mẻ bao gồm đưa nước thải vào bể phản ứng và tạo các điều kiện cần thiết như môi trường thiếu khí (không có oxy, chỉ có NO3-), kị khí (không có oxy), hiếu khí (có oxi, NO3-) để cho vi sinh tăng sinh khối, hấp thụ và tiêu hóa các chất thải hữu cơ trong nước thải.
Chất thải hữu cơ ( C, N, P) từ dạng hòa tan sẽ chuyển hóa vào sinh khối vi sinh và khi lớp sinh khối vi sinh này lắng kết xuống sẽ còn lại nước trong đã tách
Quy trình hoạt động của hệ thống xử lý sinh học từng mẻ đơn giản, bao gồm các chuỗi chu kỳ như sau:
• Nạp nước thải vào bể phản ứng.
• Vừa nạp vừa tạo môi trường thiếu khí hay kị khí.
• Vừa nạp vừa tạo điều kiện cho vi sinh xử lý chất thải hữu cơ.
• Xử lý tách loại chất ô nhiễm hữu cơ , nitơ, photpho bằng vi sinh.
• Để lắng, tách lớp bùn.
• Gạn lấy nước sạch đã xử lý
• Lập lại chu kỳ mới
• Cho phép thiết kế hệ đơn giản với các bước xử lý cơ bản theo quy trình “từng mẻ”.
• Khoảng thời gian cho mỗi chu kỳ có thể điều chỉnh được và là một quy trình có thể điều khiển tự động bằng PLC.
• Hiệu quả xử lý có độ tin cậy cao và độ linh hoạt
• Công nghệ kỹ thuật cao, lập trình được và khả năng xử lý vượt mức hứa hẹn và đây là quy trình xử lý bằng vi sinh đầy triển vọng trong tương lai.
Ưu điểm:
• Vận hành linh hoạt, dễ dàng
• Lắng tĩnh tạo nồng độ SS đầu ra thấp
• Hiệu quả xử lí có độ tin cậy cao
• Cặn hỗn hợp không thể tràn ra ngoài bằng sự tràn thuỷ lực vì lưu lượng được cung cấp phù hợp
Nhược điểm:
• Quá trình thiết kế phức tạp.
• Chất lượng nước đầu ra phụ thuộc khả năng gạn lớp nước phía trên.
• Ít được áp dụng tại Việt Nam. Bể Unitank:
Cấu trúc chắc gọn, là một khối bê tông liền nhau, chi phí xây dựng và vật liệu xây dựng giảm. Tổng diện tích mặt bằng cho xây dựng chỉ cần khoảng 50% so với công nghệ bùn hoạt tính thông thường. Trong giới hạn về mặt bằng của bệnh viện thì đây là một trong những ưu điểm nổi bật của Unitank.
Quá trình xử lí linh hoạt theo chương trình và có thể điều chỉnh nên rất phù hợp với các loại nước thải có tính chất đầu vào và lưu lượng thay đổi.
Unitank có cấu trúc module nên rất dễ dàng nâng công suất bằng cách ghép các module liền nhau, tận dụng phần xây dựng đã có.
Unitank vận hành tự động đảm bảo chất lượng ổn định của nước thải đã xử