Các vi sinh vật trong Aeroten chủ yếu ở dạng hiếu khí. Chúng cần oxi để duy trì hoạt động sống: tăng trưởng số lượng tế bào và oxi hóa các chất hữu cơ nhiễm bẩn
nước. Trong nước thải có một ít oxi hòa tan được vi sinh vật sử dụng trong thời gian đầu của quá trình sinh trưởng, sau đó lượng oxi này cạn kiệt. Nhu cầu oxi của vi khuẩn hiếu khí trong Aeroten rất lớn. Các nguồn oxi do không khí khuếch tán vào nước và có thể do tảo sinh ra trong quá trình quang hợp cũng không thể đáp ứng được nhu cầu này. Do vậy, việc cung cấp oxi cho Aeroten – bể phản ứng sinh học hiếu khí và các dạng công trình hiếu khí khác như các sinh học, mương oxi hóa…là vô cùng quan trọng.
Trong một số quyển sách về vấn đề này thường được gọi là “Hệ thống làm thoáng” Thực chất ở đây là cung cấp oxi, mà chủ yếu là oxi hòa tan pha lỏng (nước), cho nhu cầu sinh lí của v Trong một số quyển sách về vấn đề này thường được gọi là “Hệ thống làm thoáng” Thực chất ở đây là cung cấp oxi, mà chủ yếu là oxi hòa tan pha lỏng (nước), cho nhu cầu sinh lí của vi sinh vật.
Cung cấp oxi có các biện pháp: + Thổi, nén khí.
+ Làm thoáng cơ học
+ Thổi nén khí kết hợp với khuấy đảo cơ hoc.
Các trạm xử lí lớn cần hiếu khí tích cực cho các Aeroten, người ta thường trang bị một trạm khí nén. Không khí được nén qua các máy nén khí (Compressor) và đưa vào bình chứa với áp lực cao rồi xả dần qua các ống dẫn khí vào hệ thống phân phối khí trong Aeroten.
Hệ thống khí nén cần có bình tách dầu mỡ để tránh làm tắc các lỗ phân phối khí thành tia hoặc bọt nhỏ, cũng có thể có bình làm nguội khí nén để tránh hiện tượng làm cho nước thải trong Aeroten tăng nhiệt độ quá giới hạn làm việc.
Việc phân phối khí đều trong các lớp nước ở Aeroten có ý nghĩa rất lớn. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ hòa tan của oxi, hệ số sử dụng oxi của vi sinh vật, đến hiệu quả xử lí và công suất sử dụng điện năng, chi phí quản lí…Để phân phối khí người ta hay dùng hệ thống ống lắp theo hình xương cá đặt trong lòng Aeroten; ống có đục lỗ nhỏ để phun thành tia khí hoặc không đục lỗ mà cho phun thành dong bọt lớn; lắp ở đầu khí ra là các ống xốp, tấm xốp hình vòng tròn, hình nón..
Kích thước các lỗ phân phối khí như sau: − d <= 0,1 mm cho bọt khí nhỏ
− d từ 2 đến 5 mm cho bọt khí trung bình, − d từ 5 đến 25 mm cho bọt khí lớn.
Phổ biến nhất là phương pháp phân phối khí qua tấm xốp. Khí ra khỏi các lỗ nhỏ của tấm xốp thành tia bọt khí làm cho hỗn hợp nước bùn chuyển động thành vòng xoắn. Diện tích các tấm xốp chiếm tới 6 – 10% diện tích đáy bể.
Tấm xốp vuông thường có kích thước 0,3 x 0,3 x 0,04m. Đĩa xốp có đường kính khoảng gần như thế. Vật liệu xốp được chế bằng oxit nhôm trộn với keramzit, đá thạch anh, than cốc, backelit và bột thủy tinh rồi nung chảy.
Dùng tấm xốp có nhiều ưu điểm hơn so với ống đục lỗ: hệ số sử dụng không khí tăng 1,75 lần. Song, biện pháp này cũng có nhược điểm là các lỗ của tấm xốp dễ bị kín
làm tắc dòng khí do cac nguyên nhân: bụi bẩn dầu mỡ trong không khí, gỉ sắt hoặc vi khuẩn, nấm mốc phát triển ở trong các lỗ đó.
Phân phối khí bằng ống đục lỗ, sau một thời gian sử dung các lỗ này có thể bị vít kín với các nguyên nhân giống như trên. Trong số ống đục lỗ người ta có thể dùng ống có lỗ khoan với d = 2,5 mm. Các ống này đặt lơ lửng cách mặt nước là 0,8 – 1 m. Hoặc có thể dùng quạt gió thổi mạnh thay máy nén khí.
Làm thoáng (hiếu khí) bằng các máy khuấy đảo cơ học. Các loại máy khuấy đảo cơ học có thể là rất khác nhau, nhưng nguyên lí công tác đều giống nhau: khi thiết bị làm việc sẽ tạo ra vùng áp thấp để không khí thâm nhập vào nước.
Các thiết bị làm thoáng cơ học có thể phân theo:
+ Hiệu ứng: loại xâm nhập sâu, loại xâm nhập bề mặt;
+ Mặt phẳng đặt trục quay của cánh khuấy: loại nằm ngang, loại đứng; + Cấu tạo của cánh khuấy: loại nón, đĩa, trục, bánh xe, tuốc bin và xoắn ốc.
Lắp hệ thống khuấy cơ học với các thiết bị thường không ngập quá sau trong nước. Phần môtơ điện ở phía trên mặt nước làm quay hệ thống khuấy đảo để không khí thâm nhập vào nước. Trong thời gian gần đây người ta chế tạo thiết bị làm thoáng cơ học di động để khuấy đảo nước thải trong các hồ sinh học.
Với máy khuấy cơ học, có ý kiến cho rằng, nếu đảm bảo độ hiếu khí thì bùn hoạt tính trong Aeroten sẽ lắng đọng tốt hơn, giá thành quản lí thấp hơn 15% so với khí nén. Khuấy đảo cơ học có thể áp dụng cho Aeroten có công suất 800 – 3000 m3/ngày.
Hệ thống hiếu khí kết hợp gồm sục khí nước bằng khí nén và khuấy đảo bằng cơ hoc. Hệ thống này có thể là các thiết bị tách rời: hệ thống khí nén và khuấy đảo riêng biệt như đã giới thiệu ở trên hoặc đưa khí nén vào trục máy khuấy đứng có một hoặc vài tua bin. Ở dưới tuốc bin cuối cùng ngập sâu ở trong nước, người ta gắn một vành đục lỗ phân tán khí. Không khí đi ra khỏi lỗ nhỏ của vành thành tia kết hợp khuấy trộn của cánh tuốc bin sẽ được hòa tan tốt hơn.
Hiếu khí khuấy trộn hòan chỉnh gồm hai hệ thống: sục khí nén và khuấy trộn bề mặt tích cực thường trang bị cho các Aeroten xử lí các loại nước thải có chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng và có thể là nước thải có BOD cao cần pha loãng ngay tức khắc trong toàn thể tích bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ.
6.7.2. Mương oxi hóa
Năm 1950, lần đầu tiên ở Hà Lan, công trình đưa mương oxi hóa vào xử lí nước thải do tiến sĩ Pasveer công tác tại Viện nghiên cứu Pulic Engineering chủ trì. Đến nay mương oxi hóa có nhiều cải tiến và được áp dụng rộng rãi, đặc biệt ở các trạm xử lí với quy mô nhỏ.
Mương oxi hóa là một dạng cải tiến của Aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính (sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật trong nước thải) chuyển động tuần hoàn trong mương. Nước thải có độ nhiễm bẩn cao BOD20 = 1000 – 5000mg/l có thể đưa vào xử lí ở mương oxi hóa. Đối với nước thải sinh hoạt chỉ cần qua chắn rác, lắng cát và không qua lắng 1 và có thể đưa vào mương oxi hóa. Tải trọng của mương tính theo bùn hoạt tính vào khoảng 200g BOD5/kg.ngày.
Một phần bùn được khoáng hóa ngay trong mương. Do đó, số lượng bùn giảm khoảng 2,8 lần. Thời gian xử lí hiếu khí 1 – 3 ngày.
Hình 6.15: Cấu tạo mương oxi hóa
Mương oxi hóa có dạng hình chữ nhật, hình tròn hay hình elíp. Đáy và bờ có thể làm bằng bê tông cốt thép hoặc đào (đắp) đất có gia cố. Chiếu sâu công tác từ 0,7 đến 1,0 m. Tốc độ chuyển động nước trong mương >= 0,3m/s, làm thoáng (khuấy đảo) bằng thiết bị cơ học với trục nằm ngang.
6.7.3. Lọc sinh học 6.7.3.1. Nguyên lý
Phương pháp lọc nước nói chung loài người đã biết từ lâu, song đưa đưa nó thành một biện pháp công nghệ xử lí nước nói chung và nước thải nói riêng mãi tới thể kỷ XIX mới được xác lập. Lọc sinh học lần đầu tiên được áp dung ở Mĩ năm 1891 và ở Anh năm 1893. Khái niệm về sinh học lọc nhỏ giọt được phát triển từ khi dùng các bể lọc tiếp xúc được chứa đầy các đá hòn bị đập vỡ và cho nước đi qua. Nước chảy qua lọc, tiếp xúc với mọi vật liệu lọc trong khoảng thời gian ngắn.
Về nguyên lí của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các màng sinh học, là tập thể các vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các màng sinh học, là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kị khí và kị khí tùy tiện. Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá màng là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng gắn kết hay sinh trưởng dính bám).
Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã làm sạch được thu gom xả vào lắng 2. Nước vào lắng 2 có thể theo những mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra khi lọc làm việc. Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng 2 được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trướ khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc.
Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học. Màng này thường dầy khoảng 0,1 – 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bở vi sinh vật hiếu khí. Sau khi thấm sâu vào màng, nước hết oxi hòa tan và
sẽ chuyển sang phân hủy bởi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng kết dính cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Hiện tượng này gọi là “tróc màng”. Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện.
6.7.3.2. Phân loại
Lọc sinh học đang được dùng hiện này chia làm hai loại: + Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước + Lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước.
6.7.3.3. Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nướca. Lọc phun hay nhỏ giọt (Trickling filter) a. Lọc phun hay nhỏ giọt (Trickling filter)
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động
Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước. Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện có thể. Nước đến lớp vật liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí và kị khí các chất hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO2 và nước, phân hủy kị khí sinh ra CH4 và CO2 làm tróc màng ra khỏ vật mang, bị nước cuốn theo. Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại hình thành lớp màng mới. Hiện tượng này được lặp đi lặp lại nhiều lần. Kết quả là BOD của nước thải vi sinh vật sử dụng làm chết chất dinh dưỡng và bị phân hủy kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch.
Hình 6.16: Nguyên lý cấu tạo bể lọc sinh học nhỏ giọt
Nước thải trước khi đưa vào xử lí ở lọc phun (nhỏ giọt) cần phải xử lí sơ bộ để tránh tắc nghẽn các khe trong vật liệu. Nước sau khi xử lí ở lọc sinh học thường nhiều chất lơ lửng do các mảnh vỡ của màng sinh học cuốn theo, vì vậy cần phải đưa vào lắng 2 và lưu ở đây thời gian thích hợp để lắng cặn. Trong trường hợp này, khác với nước ra ở bể Aeroten: nước ra khỏi lọc sinh học thường ít bùn cặn hơn ra từ Aeroten. Nồng đọ bùn cặn ở đây thường nhỏ hơn 500 mg/l, không xảy hiện tượng lắng hạn chế. Tải trọng bề mặt của lắng 2 sau lọc phun vào khoảng 16 – 25m3/m2.ngày.
Vật liệu lọc
Vật liệu lọc khá phong phú: từ đá dăm, đá cuội, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo tấm uốn lượn…Các loại đá nên chọn các cục có kich thước trung bình 60 – 100mm. Chiều cao lớp đá chọn khoảng 0,4 – 2,5 – 4m, trung bình là 1,8 – 2,5m, kích thước hạt, cục vật liệu nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc bị hở giảm nhiều dẫn đến giảm hiệu suất xử lí. Bể với vật liệu là đá dăm thường có dạng hình tròn. Nước thải được phân phối trên bề mặt lớp vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt.
Các thanh gỗ, đặc biệt là gỗ đỏ ở Mĩ, và các tấm chất dẻo (plastic) lượn sóng hoặc gấp nếp được xếp thành những khối bó chặt được gọi là môđun vật liệu. Các modun này được xếp trên giá đỡ, khối lượng toàn bộ của vật liệu giảm đi nhiều và làm cho chiều cao của lọc có thể tăng đáng kể (tới 9 hoặc 12 – 16m), giúp ta thiết kế những tháp lọc
Những thập niên gần đây, do kĩ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC (polyvinyl clorit), PP ( polypropylen) được làm thành tấm lượn sóng, gấp nếp, dạng cầu khe hở, dạng vành hoa (plasdek), dạng vách ngăn…có đặc điểm là rất nhẹ
Phần lớn các vật liệu lọc có trên thị trường đáp ứng các yêu cầu sau: + Diện tích riêng lớn, thay đổi từ 80 – 220 m2/m3
+ Chỉ số chân không cao để tránh lắng đọng ( thường cao hơn 90%) + Nhẹ có thể sử dụng ở độ cao lớn ( từ 4 đến 10 m hoặc cao hơn)
+ Có độ bền cơ học đủ lớn. Khi làm việc, vật liệu dính màng sinh học và ngậm nước nặng tới 300 – 350kg/m3. Để tính toán, giá đỡ thường lấy giá trị an toàn là 500 kg/m3
+ Quán tính sinh học cao + Ổn định hóa học
Vật liệu là chất dẻo khác nhau về hình dạng được xác định bằng tỉ số giữa diện tích bề mặt/thể tích; trọng lượng/ thể tích; tính xốp của vật liệu, bản chất của vật liệu.
Tuổi thọ trung bình của vật liệu chất dẻo vào khoảng chục năm. Việc thay chúng do nhiều nguyên nhân: do quá bẩn, giá đỡ bị hỏng…
Hệ thống lọc sinh học được thiết lập đầu tiên tại trại thực nghiệm Lawrence, bang Matsachusét, nước Mĩ năm 1891. Đến năm 1940 ở nước này đã có 60% hệ thống xử lí nước thải áp dụng công nghệ lọc sinh học. Năm 1946 Hội đồng nghiên cứu của liên bang về vấn đề lọc nước đã khuyến cáo dùng toán học để thiết kế các hệ thống lọc sinh học. Sự phát triển các chất polime đã tạo điều kiện cho biện pháp công nghệ xử lí nước thải bằng lọc sinh học được sử dụng rộng rãi.
Trước đây vật liệu lọc thường là đá dăm, đá cuội có kích thước 25x100mm với bể lọc cao khoảng 1 – 25m, đến nay, nhờ có plastic làm vật liệu lọc, bể lọc có thể cao tới 9 – 10m hoặc 12 – 18m (tháp lọc). Tùy thuộc vào đặc tính cũng như hàm lượng các chất nhiễm bẩn ở trong nước, người ta thiết kế hệ đưa nước thải vào lọc bằng hệ thống phun hoặc nhỏ giọt quay có điều chỉnh được thời gian nước ở lọc và tốc độ dòng chảy.
Với quần thể vi sinh vật bám vào các vật liệu lọc như đá granit, vòng gốm, nhựa plastic…Qúa trình oxi hóa diễn ra rất nhanh. Do vậy, hệ thống này có những ưu điểm:
+ Rút ngắn được thời gian xử lí
+ Đồng thời có thể xử lí hiệu quả nước cần có quá trình khử nitrat hoặc phản nitrat hóa.
Tuy vậy, hệ thống này có tác nhược điểm là không khí ra khỏi lọc thường có mùi hôi thối và xung quang lọc có nhiều ruồi muỗi.
Thông khí ở bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học làm việc trong điều kiện thoáng khí. Ngoài việc cấp oxi cho vi sinh vật ở màng sinh học hoạt động, thoáng khí còn có tác dụng loại ra khỏi lọc các khí tạo thành do quá trình phân hủy các chất hữu cơ có trong nước, như CO2 và có thể