2.2.6.1. Xử lý nước thải bằng phương phỏp hiếu khớ
* Nguyờn lý chung của quỏ trỡnh xử lý sinh học hiếu khớ:
Khi nước thải tiếp xỳc với bựn hoạt tớnh, cỏc chất thải cú trong mụi trường như cỏc chất hữu cơ hũa tan, cỏc chất keo và phõn tỏn nhỏ sẽ được chuyển húa bằng cỏch hấp thụ vào keo tụ sinh học trờn bề mặt cỏc tế bào vi sinh vật. Tiếp đú là giai đoạn khuếch tỏn và hấp thụ cỏc chất bẩn từ mặt ngoài của tế bào vào trong tế bào qua màng bỏn thấm (màng nguyờn sinh), cỏc chất vào trong tế bào dưới tỏc dụng của hệ enzym nội bào sẽ được phõn huỷ.
Sự ụxy húa cỏc hợp chất hữu cơ và một số chất khoỏng trong tế bào vi sinh vật nhờ vào quỏ trỡnh hụ hấp, nhờ năng lượng do vi sinh vật khai thỏc được trong quỏ trỡnh hụ hấp mà chỳng cú thể tổng hợp cỏc chất để phục vụ cho quỏ trỡnh sinh trưởng, phỏt triển. Kết quả là số lượng tế bào vi sinh vật khụng ngừng tăng lờn. Quỏ trỡnh này liờn tục xảy ra và nồng độ cỏc chất xung quanh tế bào giảm dần. Cỏc thành phần thức ăn mới từ mụi trường bờn ngoài (nước thải) lại khuếch tỏn và bổ sung thay thế vào. Thụng thường quỏ trỡnh khuếch tỏn cỏc chất trong mụi trường xảy ra chậm hơn quỏ trỡnh hấp thụ qua màng tế bào, do vậy nồng độ cỏc chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp hơn nơi xa tế bào. Đối với cỏc sản phẩm của tế bào tiết ra thỡ ngược lại, nhiều hơn so với nơi xa tế bào.
* Yếu tố mụi trường ảnh hưởng đến quỏ trỡnh xử lý nước thải:
Để tạo điều kiện cho quỏ trỡnh xử lý nước thải bằng biện phỏp sinh học trong điều kiện hiếu khớ cần điều chỉnh cỏc yếu tố mụi trường sau:
+ ễxy (O2): Trong cỏc cụng trỡnh xử lý hiếu khớ, O2 là thành phần cực kỳ quan trọng của mụi trường, vỡ vậy cần đảm bảo đủ O2 liờn tục trong suốt quỏ trỡnh xử lý nước thải và hàm lượng O2 hũa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt hai khụng nhỏ hơn 2 mg/lớt.
+ Nồng độ cỏc chất bẩn hữu cơ phải thấp hơn ngưỡng cho phộp. Nếu nồng độ cỏc chất bẩn hữu cơ vượt quỏ ngưỡng cho phộp sẽ ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống của vi sinh vật, vỡ vậy khi đưa nước thải vào cỏc cụng trỡnh xử lý, cần kiểm tra cỏc chỉ số BOD, COD của nước thải. Hai chỉ số này phải cú nồng độ nhỏ hơn 500mg/lớt. Nếu dựng bể Aeroten, thỡ BODtp khụng được quỏ 1000mg/ lớt, nếu chỉ số BODtp vượt quỏ giới hạn cho phộp thỡ cần lấy nước ớt hoặc khụng bị ụ nhiễm để pha loóng.
+ Nồng độ cỏc chất dinh dưỡng cho vi sinh vật: Để vi sinh vật tham gia phõn giải nước thải một cỏch cú hiệu quả, thỡ cần phải cung cấp cho chỳng đầy đủ cỏc chất dinh dưỡng. Lượng chất dinh dưỡng cho vi sinh vật khụng được thấp hơn giỏ trị quy định (bảng 2.3).
Bảng 2.3: Nồng độ cỏc chất dinh dưỡng cho vi sinh vật để xử lý nước thải BODtP của nước thải
(mg/lớt)
Nồng độ nitrogen trong muối ammonium (mg/lit)
Nồng độ phosphor trong P2O5 (mg/lit)
< 500 15 3
500 - 1000 25 8
(M.X. Moxitrep, 1982)
Ngoài nguồn nitơ và photpho cú nhu cầu như đó nờu ở bảng trờn, cỏc nguyờn tố dinh dưỡng khoỏng khỏc như K, Ca, S….thường đó cú trong nước thải do đú khụng cần phải bổ sung.
Nếu thiếu nitơ ngoài việc khụng xỳc tiến nhanh quỏ trỡnh oxy húa, mà cũn làm cho bựn hoạt tớnh khú lắng và dễ trụi theo nước ra khỏi bể lắng.
Để xỏc định sơ bộ lượng cỏc chất dinh dưỡng cần thiết đối với nhiều loại nước thải cụng nghiệp, cú thể chọn tỷ lệ sau:
BODtP : N : P = 100 : 5 : 1
Ngoài ra cũn cú cỏc yếu tố khỏc của mụi trường xử lý như: pH, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đỏng kể đến quỏ trỡnh hoạt động sống của vi sinh vật trong cỏc thiết bị xử lý. Thực tế cho thấy pH tối ưu trong bể xử lý hiếu khớ là 6,5 - 8,6; nhiệt độ ở 6 - 370C.
* Cụng trỡnh xử lý hiếu khớ:
Để xử lý nước thải theo biện phỏp hiếu khớ, hiện nay cú khỏ nhiều phương phỏp, nhưng thường được sử dụng hai loại cụng trỡnh là: bể lọc sinh học (biofilter) và bể sục khớ (aeroten, oxyten).
- Bể lọc sinh học (biofilter):
Là thiết bị xử lý nước thải dựa trờn nguyờn tắc lọc với sự tham gia của vi sinh vật. Thiết bị này làm bằng bờ tụng cú dạng hỡnh trũn hay hỡnh chữ nhật cú hai đỏy (hỡnh 2.12). Đỏy trờn gọi là đỏy dẫn lưu, được cấu tạo bằng bờ tụng cốt thộp cú lỗ thủng với tổng diện tớch lỗ thủng nhỏ hơn 5 – 6 % diện tớch của đỏy. Đỏy dưới được xõy kớn, cú độ dốc nhất định để nước dễ dàng chảy về một phớa và thụng với bể lắng thứ cấp, là nơi chứa nước thải sau khi đó xử lý xong đổ ra.
Ở bể này nước được lưu lại một thời gian ngắn để được lắng cặn trước khi đổ ra ngoài hũa vào hệ thống thoỏt của cơ sở. Chiều cao của bể lọc hay của cột nguyờn liệu sẽ phụ thuộc vào thành phần của nước thải cũng như khả năng oxy húa của màng sinh vật. Lưu lượng dũng chảy của nước thải phụ thuộc vào khả năng oxy húa của màng sinh vật.
Hỡnh 2.12: Bể lọc sinh học Biofilter
Để tạo điều kiện hiếu khớ cho quỏ trỡnh xử lý, từ phớa dưới của đỏy dẫn lưu, người ta cho khụng khớ đi lờn qua vật liệu lọc hoặc tấm mang bằng thụng khớ tự nhiờn hay thổi khớ bằng quạt (hỡnh 2.13).
Hỡnh 2.13: Sơ đồ cấu trỳc bể lọc sinh học Biofilter
Vật liệu dựng trong bể lọc là cỏc loại đỏ cuội, đỏ dăm và xỉ than đỏ (theo phương phỏp cổ điển). Hiện nay để tăng diện tớch tiếp xỳc giữa vi sinh vật và nước thải, đồng thời trỏnh tỡnh trạng tắc nghẽn dũng chảy trong thiết bị lọc sinh học, người ta thay cỏc vật liệu lọc bằng những tấm màng làm bằng vật liệu nhẹ, xốp cú cấu tạo dạng ống hoặc dạng miếng, chỳng được thiết kế sao cho cú nhiều nếp gấp khỳc để tăng diện tớch bề mặt.
Nước thải cú chứa vi sinh vật tham gia xử lý được tưới từ trờn xuống lớp vật liệu lọc hay tấm mang theo nguyờn tắc chờnh lệch thế năng. Khi dũng nước thải chảy qua vật liệu lọc hay tấm mang, vi sinh vật sẽ phỏt triển tạo thành màng sinh vật bỏm vào khắp bề mặt của nguyờn liệu lọc và tấm mang, và khu trỳ ở đõy. Như vậy nước thải theo dũng chảy từ trờn xuống sẽ tiếp xỳc với màng sinh vật. Khi đú sẽ xảy ra quỏ trỡnh oxy húa cỏc chất bẩn cú trong nước thải, để cuối cựng khi đến bể lắng thứ cấp, nước thải sẽ cú chỉ số BOD5 giảm đi rất nhiều so với nước thải chưa xử lý.
Trong quỏ trỡnh vận hành của bể lọc sinh vật, sự sinh trưởng và chết của màng sinh vật xảy ra khụng ngừng. Khi màng sinh vật bị chết sẽ bị tỏch ra khỏi nơi bỏm và bị cuốn theo dũng nước chảy ra khỏi bể lọc, cuối cựng sẽ được lắng đọng ở bể lắng thứ cấp cựng với cặn bựn.
Hiệu quả của hệ thống bể lọc sinh học rất cao, nếu hoạt động tốt cú thể làm giảm 90 % chỉ số BOD5 của nước thải.
Một số sơ đồ xử lý triệt để nước thải bằng bể lọc sinh học (Biofilter) xử lý BOD, NH4+ và NO3- (hỡnh 2.14, 2.15). Biofilter 1 Biofilter 2 Biofilter 3 methanol
Hỡnh 2.14: Sơ đồ cụng nghệ xử lý triệt để nước thải riờng biệt bằng bể lọc sinh học (biofilter) - xử lý BOD, NH4+ và NO3
Hỡnh 2.15: Sơ đồ cụng nghệ xử lý triệt để nước thải riờng biệt bằng bể lọc sinh học (biofilter) - xử lý BOD và NH4+ cựng trong một bể biofilter, xử lý NO3 riờng
- Bể sục khớ (Aeroten):
Bể sục khớ là hệ thống bể ụ xy húa (hỡnh 2.16, 2.17) cú dạng hỡnh chữ nhật được ngăn ra làm nhiều buồng (3 - 4 buồng) nối với bể lắng.
Giống như ở bể lọc sinh học, quỏ trỡnh xử lý nước thải ở bể sục khớ được tiến hành nhờ hoạt động của hệ vi sinh vật ở bựn hoạt tớnh. Nhưng quỏ trỡnh sục khớ này được thực hiện trong điều kiện cú thụng khớ mạnh nhờ hệ thống sục khớ từ dưới đỏy bể lờn. Cường độ thụng khớ 5 m3/m2/giờ, bảo đảm oxygen tối đa cho quỏ trỡnh ụxy húa. Ở bể ụxy húa, bựn hoạt tớnh lấy từ bựn gốc sau khi qua giai đoạn khởi động hay sử dụng bựn lắng lấy từ bể lắng cặn chuyển vào. Ở đõy bựn hoạt tớnh gặp oxygen của khụng khớ được bơm vào bể sẽ tiến hành quỏ trỡnh ụxy húa và khoỏng húa cỏc chất bẩn trong nước thải một cỏch khỏ triệt để. Sau khi chảy suốt qua cỏc buồng của bể ụxy húa, nước thải sẽ chảy vào bể lắng. Ở đõy cũng xảy ra quỏ trỡnh lắng cặn xuống đỏy bể, phần nước ở trờn là nước đó được xử lý sẽ được dẫn ra ngoài.Trong quỏ trỡnh vận hành, ở bể ụxy húa, theo thời gian lượng bựn hoạt tớnh sẽ tăng lờn, đồng thời cũng tớch luỹ nhiều tế bào vi sinh vật già cỗi khiến hoạt tớnh của bựn sẽ giảm, “bựn bị già”. Vỡ vậy khi cho bựn hoạt tớnh thu ở bể lắng trở lại bể ụxy húa, khụng nhất thiết cho toàn bộ số bựn cú trong bể lắng, mà chỉ cho một phần để bảo đảm nồng độ bựn hoạt tớnh là 2 - 4 g/lớt.
Xlý BOD L L L Xlý + 4 NH Xlý − 3 NO Nước thải vào Nước sau xử lý Cấp khớ Xả bựn L: bể lắng Xlý BOD vàNH4+ Nước thải vào Biofilter 1 Xlý − 3 NO Biofilter 2 L L Nước sauxử lý methanol Xả bựn L: lắng Cấp khớ 6 7 Nước Thải Tuần hoàn bựn KK 11 2 3 4 v v v v v v
1. Song chắn rỏc 4. Bể lắng thứ cấp 5. Bơm bựn 2. Bể điều hoà và lắng sơ cấp. 6. Bể xử lý bựn.
3. Bể Aeroten. 7. Cửa thoỏt nước sau xử lý.
Hỡnh 2.17: Bể sục khớ Aeroten
Xử lý nước thải bằng bể Aeroten phức tạp hơn và đũi hỏi nhiều cụng sức hơn so với ở bể lọc sinh học. Người ta phải theo dừi liờn tục để kịp thời điều chỉnh cỏc chỉ số sau:
+ Nồng độ bựn hoạt tớnh. + Chế độ thụng khớ.
+ Nồng độ cỏc chất bẩn trong nước thải.
+ Nồng độ cỏc chất dinh dưỡng cho vi sinh vật.
2.2.6.2. Xử lý nước thải bằng phương phỏp kị khớ
* Nguyờn lý chung của quỏ trỡnh xử lý sinh học kị khớ:
Quỏ trỡnh xử lý yếm khớ là quỏ trỡnh phõn giải yếm khớ cỏc hợp chất hữu cơ, vụ cơ cú thể chuyển húa sinh nhờ vi khuẩn hụ hấp yếm khớ và hụ hấp tuỳ tiện. Phương phỏp yếm khớ chỉ ỏp dụng cho nước thải cú hàm lượng BOD và cặn lơ lửng cao (BOD >1800mg/l; SS ≥ 300 - 400mg/l). Sản phẩm phõn giải hoàn toàn cỏc hợp chất hữu cơ của quỏ trỡnh xử lý yếm khớ là khớ sinh học (Biogas), chủ yếu là CH4 và CO2 cú thể sử dụng làm khớ đốt.
3CH3-CHOH-COOH → 2CH3–CH2-COOH + CH3COOH + CO2 + H2O a. Lactic a. Propionic a. Axetic
CH3COOH → CH4 + CO2
- CH4 hỡnh thành do decacboxyl húa cỏc axit hữu cơ khỏc: 4 CH3 – CH2 – COOH + 2H2O 7 CH4 + 5CO2 2CH3–(CH2)2–COOH + 2H2O 5CH4 +3CO2 - CH4 cũng cú thể hỡnh thành do decacboxyl cỏc chất trung tớnh: 2C2H5OH 3CH4 + CO2 CH3 – CO – CH3 + H2O 2CH4 + CO2 - Khử bằng hydro phõn tử: CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
* Vi sinh vật tham gia:
- Vi sinh vật trong giai đoạn thủy phõn và lờn men axit hữu cơ:
+ Vi khuẩn Bacillus, Pseudomonas, Clostridium cú nhiều trong mụi trường giàu xenlulo.
+ Vi khuẩn Micrococus, Lactobacilus, Clostridium... cú trong mụi trường giàu tinh bột.
+ Vi khuẩn Bacilus, Bacterium coli... cú trong mụi trường giàu protein. + Vi khuẩn Bacteroides, Bacillus... cú trong mụi trường giàu lipit.
- Vi sinh vật trong giai đoạn lờn men tạo axit axetic:
Một số chủng vi khuẩn cú hiệu quả axetogen. Syntrophobacter wolonii, Syntro.wolfei và Syntro.buswellii.
- Vi khuẩn metan húa: gồm 2 nhúm chớnh sau:
+ Nhúm VK ưu ấm (Mesophyl): gồm Methanococcus, Methanobacterium, Methanosarcina, phỏt triển ở nhiệt độ tối ưu 35 - 37oC và pH = 6,8 - 8,5.
+ Nhúm VK ưa núng (Thermophyl): Methanobacillus, Methanothrix, Methano spirllum. Nhiệt độ tối ưu 55 – 60oC.
* Quy trỡnh này cú những ưu nhược điểm sau:
Ưu điểm:
- Nhu cầu về năng lượng khụng nhiều.
- Ngoài vai trũ xử lớ nước thải, bảo vệ mụi trường, quy trỡnh cũn tạo được nguồn năng lượng mới là khớ sinh học, trong đú CH4 chiếm tỷ lệ 70 – 75 %.
8 NADH+ 8 NAD
- Cũng như xử lý sinh học hiếu khớ, ở quy trỡnh này, bựn hoạt tớnh được sử dụng làm tỏc nhõn gõy biến đổi thành phần của nước thải. Bựn hoạt tớnh được sử dụng ở đõy cú lượng dư thấp, cú tớnh ổn định khỏ cao, để duy trỡ hoạt động của bựn khụng đũi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, bựn cú thể tồn trữ trong thời gian dài.
- Về mặt thiết bị: Cụng trỡnh cú cấu tạo khỏ đơn giản, cú thể làm bằng vật liệu tại chỗ với giỏ thành khụng cao.
Nhược điểm:
- Quy trỡnh nhạy cảm với cỏc chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng của cụng trỡnh, vỡ vậy khi sử dụng cần cú sự theo dừi sỏt sao cỏc yếu tố của mụi trường.
- Xử lý nước thải chưa triệt để, cần phải xử lý hiếu khớ sau đú mới xong. Cho tới nay những cụng trỡnh nghiờn cứu xử lý kị khớ cũn ớt, thiếu những hiểu biết về vi sinh vật tham gia vào quy trỡnh kị khớ này. Hiện nay biện phỏp này hóy cũn ở quy mụ Pilot cú khối tớch 6 m3, 30 m3, 200 m3...cho đến quy mụ lớn. Đến nay trờn thế giới đó cú trờn vài chục nhà mỏy xử lý nước thải theo kiểu này. Nhất là ở Hà Lan, Mỹ, Thuỵ Sĩ, Đức.
* Cỏc quỏ trỡnh chuyển húa chủ yếu trong kị khớ:
- Quỏ trỡnh thuỷ phõn (hydrolysis): Muốn hấp thụ được cỏc chất hữu cơ trong nước thải, vi sinh vật phải thực hiện cỏc cụng đoạn chuyển húa cỏc chất này. Việc đầu tiờn là phải thuỷ phõn cỏc chất cú phõn tử lượng cao thành cỏc polyme cú phõn tử lượng thấp và monome. Vỡ chỉ khi đú cỏc chất này mới cú khả năng được hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật. Để thực hiện quỏ trỡnh thuỷ phõn, cỏc vi sinh vật phải tiết ra hệ enzyme như proteinasa, lipasa, cellulasa…. Sau thuỷ phõn, cỏc sản phẩm sẽ được tạo thành như cỏc amino acid, đường, rượu, cỏc acid bộo mạch dài….
Quỏ trỡnh thuỷ phõn xảy ra khỏ chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, cấu trỳc của cỏc chất hữu cơ cần phõn giải.
- Quỏ trỡnh axit húa (acidogesis): Cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh thuỷ phõn sẽ được tiếp tục phõn giải dưới tỏc động của vi sinh vật lờn men axit để tạo thành axit bộo dễ bay hơi như axit acetic, axit formic, axit propionic. Ngoài ra cũn cú một số dạng khỏc như rượu, methanol, ethanol, aceton, NH3, CO2.….
- Quỏ trỡnh acetate húa (acetogenesis): Cỏc axit là sản phẩm của quỏ trỡnh trờn lại được tiếp tục thuỷ phõn để tạo lượng axit acetic cao hơn. Sản phẩm của quỏ trỡnh phụ thuộc vào ỏp suất riờng phần của H2 trong mụi trường. Áp suất riờng phần của H2
được giữ < 103 atm để vi sinh vật cú thể biến đổi H2 thành CH4 theo phản ứng sau: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
Thực tế cho thấy khi ỏp suất riờng phần của H2 lớn thỡ sản phẩm của quỏ trỡnh này chứa nhiều axit bộo trung gian như axit propionic, axit butyric… Do vậy làm chậm quỏ trỡnh tạo methane.
- Quỏ trỡnh methane húa (methangenesis): Đú là giai đoạn cuối cựng của quỏ trỡnh phõn huỷ cỏc sản phẩm hữu cơ đơn giản của cỏc giai đoạn trước để tạo CH4, CO2