Quỏ trỡnh xử lý nước thải bằng phương phỏp hiếu khớ bao gồm 3 giai đoạn:
- Oxy húa cỏc chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 Enzyme CO2 + H2O + H - Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz+ O2 + NH3 Enzyme Tế bào vi khuẩn (C5H7O2N)+CO2 + H2O - H
- Phõn hủy nội bào:
C5H7O2N + O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 H 2.3.2. Cỏc cụng trỡnh hiếu khớ cú triển vọng ỏp dụng cho XLNT chăn nuụi
a. Aerotank: Hệ thống xử lý bằng bựn hoạt tớnh được phỏt minh bởi Arden và
Lockett năm 1914 tại Anh. Vi khuẩn dớnh bỏm lờn cỏc bụng cặn cú trong nước thải
và phỏt triển sinh khối tạo thành bụng bựn cú hoạt tớnh phõn hủy chất hữu cơ. Cỏc bụng bựn này được cấp khớ cưỡng bức đảm bảo lượng oxy cần thiết cho hoạt động
phõn hủy và giữ cho bụng bựn ở trạng thỏi lơ lửng. Cỏc bụng bựn lớn dần lờn do hấp phụ cỏc chất rắn lơ lửng, tế bào VSV, động vật nguyờn sinh... qua đú nước thải được làm sạch.
Theo nghiờn cứu của Lõm Quang Ngà (1998) ở trại chăn nuụi 3/2 TP. HCM: ứng với tải trọng 0,6-1,5kgCOD/m3.ngày, nồng độ COD đầu vào 200-500 mg/l và thời gian lưu nước 8-10 giờ thỡ hiệu quả xử lý đạt được 80-85%. Khi tăng thời gian
xử lý lờn thỡ hiệu quả xử lý khụng tăng nữa.
XLNT chăn nuụi bằng bể Aerotank cú ưu điểm là tiết kiệm được diện tớch và hiệu quả xử lý cao, ổn định nhưng chi phớ đầu tư xõy dựng và chi phớ vận hành khỏ lớn so với cỏc phương phỏp xử lý hiếu khớ khỏc như: ao hồ sinh học, mương oxy húa... Do đú tựy điều kiện kinh tế, quỹ đất mà lựa chọn hỡnh thức xử lý phự hợp.
b. Lọc sinh học hiếu khớ: Sử dụng hệ VSV dớnh bỏm trờn cỏc VLL để xử lý cỏc
chất hữu cơ trong nước thải. Vi sinh vật cú thể dớnh bỏm lờn giỏ thể vỡ cú nhiều loại
thành màng. Lớp màng này dày lờn và cú khả năng oxy húa, hấp phụ: chất hữu cơ,
cặn lơ lửng hoặc trứng giun sỏn.
+ Bể lọc nhỏ giọt: vật liệu lọc là sỏi nhẹ, than... đường kớnh hạt 20 - 50 mm. Chiều dày lớp vật liệu lọc từ 1,5 - 2,0 m. Bể được cấp khớ tự nhiờn nhờ cỏc cửa
thụng giú xung quanh bể hoặc cấp khớ cưỡng bức. Tải trọng của bể lọc sinh học nhỏ
giọt thấp 0,1-0,2 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 1-3m3 nước thải/m2 bề mặt
bể.ngày. Thụng thường hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học nhỏ giọt E=75-90% [19].
+ Bể lọc sinh học cao tải: chiều dày lớp vật liệu lọc khoảng 2,0 - 4,0 m. Bể được cấp khớ cưỡng bức với lưu lượng 8-12 m3 khớ/m3 nước thải. Tải trọng của bể
lọc sinh học cao tải 0,2-1,5 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 10-30m3 nước
thải/m2 bề mặt bể.ngày. Hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học cao tải E=60-85% [19].
c. Hồ sinh học: Cỏc quỏ trỡnh diễn ra trong hồ sinh học tương như quỏ trỡnh tự làm sạch ở sụng hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn. Trong hồ cú thể nuụi
trồng thủy thực vật, tảo, vi sinh vật, cỏ.... để tăng hiệu quả xử lý. Quần thể động thực vật trong hồ đúng vai trũ rất quan trọng trong quỏ trỡnh chuyển húa cỏc hợp
chất hữu cơ của nước thải. Đầu tiờn VSV phõn hủy cỏc chất hữu cơ phức tạp thành cỏc chất đơn giản, đồng thời trong quỏ trỡnh quang hợp chỳng lại giải phúng ra oxy
cung cấp cho động thực vật. Cỏ bơi khuấy trộn nước cú tỏc dụng tăng sự tiếp xỳc
của oxy với nước, thỳc đẩy sự họat động, phõn hủy của vi sinh vật...
Ngoài nhiệm vụ xử lý nước thải, hồ sinh học cũn cú cỏc lợi ớch: nuụi trồng
thủy sản và cõy trồng, điều hũa lưu lượng, dự trữ nước cho cỏc mục đớch sử dụng nước khỏc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Căn cứ vào đặc tớnh tồn tại của cỏc nhúm VSV và cơ chế xử lý mà cú thể chia
ra cỏc loại hồ: hồ hiếu khớ; hồ kỵ khớ; hồ tựy tiện.
+ Hồ hiếu khớ:Là loại hồ cạn, độ sõu lớp nước trong hồ 0,4-0,8m để cho ỏnh sỏng mặt trời xõm nhập sõu vào lớp nước. Lượng oxy cho cỏc quỏ trỡnh sinh húa chủ yếu
là oxy trong khụng khớ xõm nhập qua bề mặt và hoạt động quang hợp của thực vật trong nước. Tải lượng của hồ khoảng 250-300 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước
khoảng 3-12 ngày. Do độ sõu nhỏ và thời gian lưu nước lớn do đú hồ hiếu khớ cú
thể kết hợp xử lý nước thải và nuụi trồng thủy sản.
Đối với hồ hiếu khớ nhõn tạo (cung cấp oxy cưỡng bức) thỡ chiều sõu hồ cú thể
2-4,5m; tải lượng 400 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước 1-3 ngày.
+ Hồ tựy tiện: được sử dụng rộng rói trong XLNT, trong hồ xảy ra song song hai
quỏ trỡnh: oxy húa hiếu khớ chất hữu cơ và phõn hủy methane cặn lắng. Chiều sõu
của hồ tựy tiện thường lấy 1,0-1,5m. Theo chiều sõu của hồ phõn ra thành ba vựng: Lớp nước phớa trờn cú nhiều oxy hũa tan nờn quỏ trỡnh oxy húa xảy ra ở mụi trường
hiếu khớ; Lớp giữa là lớp trung gian; Lớp dưới cựng quỏ trỡnh phõn hủy cỏc chất
hữu cơ ở mụi trường yếm khớ.
Hỡnh 2.3. Cỏc quỏ trỡnh sinh húa XLNT trong hồ sinh học
d. Xử lý nước thải chăn nuụi lợn bằng thuỷ sinh thực vật
Trong XLNT, thực vật thủy sinh (TVTS) cú vai trũ rất quan trọng. TVTS tham
gia loại bỏ cỏc chất bẩn hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nitơ, phốtpho, kim loại nặng và 2 2 H S Maởt trụứi 2 CO
Neỏu khoõng coự O ụỷ lụựp
phớa treõn cuỷa hoà coự theồ
sinh ra khớ coự muứi
2
O (caực giụứ chieỏu
saựng trong ngaứy)
Vuứng hieỏu khớ 4 2 Vuứng tuứy tieọn 2 4 2 2 CO 3 NH PO ,... 3- Teỏ baứo mụựi H S + 2O H SO Vuứng kợ khớ 2 3 2 4 CO + NH + H S + CH 2 O
Teỏ baứo cheỏt
Vi khuaồn
Teỏ baứo cheỏt
3- 4 3 Teỏ baứo mụựi NH PO ,... Axit hửừu cụ, rửụùu Taỷo 2 O Laứm thoaựng Nửụực thaỷi Buứn ủaựy
Gioự (gioự thuực ủaồy quaự trỡnh
hoứa troọn vaứ laứm thoaựng) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chaỏt thaỷi hửừu cụ
Chaỏt raộn coự
VSV gõy bệnh. Trong quỏ trỡnh XLNT thỡ sự phối hợp chặt chẽ giữa TVTS và cỏc sinh vật khỏc (động vật phự du, tảo, vi khuẩn, vi nấm, động vật nguyờn sinh, nhuyễn thể, ấu trựng, cụn trựng…) cú ý nghĩa quan trọng. Vi sinh vật tham gia trực
tiếp vào quỏ trỡnh phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ và tạo nguyờn liệu dinh dưỡng (N, P và cỏc khoỏng chất khỏc…) cho thực vật sử dụng. Đõy chớnh là cơ chế quan trọng để TVTS loại bỏ cỏc hợp chất vụ cơ N, P. Hiện nay việc sử dụng TVTS trong cụng
tỏc bảo vệ mụi trường ngày càng được chỳ ý hơn vỡ chỳng cú những ưu điểm nổi
bật:
- Xử lý được nhiều tỏc nhõn gõy ụ nhiễm;
- Thõn thiện với mụi trường;
- Tốc độ tăng trưởng sinh khối nhanh: sinh khối của TVTS sau xử lý cú thể sử
dụng làm thức ăn chăn nuụi, sản xuất khớ mờtan, phõn bún…; - Giỏ thành xử lý thấp hơn so với cỏc phương phỏp sinh học khỏc.
+Xử lý nước thải bằng tảo: Tảo cú khả năng quang hợp, chỳng cú tốc độ sinh trưởng nhanh, chịu được cỏc thay đổi của mụi trường, cú khả năng phỏt triển trong nước thải, cú giỏ trị dinh dưỡng cao. Do đú người ta đó lợi dụng cỏc đặc điểm này của tảo để: chuyển đổi năng lượng mặt trời và chất dinh dưỡng trong nước thải thành năng lượng sinh khối tảo. Thụng thường người ta kết hợp việc XLNT với sản
xuất và thu hoạch tảo để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải,
Cỏc yếu tố cần thiết cho quỏ trỡnh xử lý nước thải bằng tảo:
Dưỡng chất: Ammoni là nguồn đạm chớnh cho quỏ trỡnh tổng hợp nờn protein của tế bào thụng qua quỏ trỡnh quang hợp của tảo. Cỏc nguyờn tố vi lượng ảnh hưởng đến sự phỏt triển của tảo, trong tế bào tảo tỷ lệ P: Mg: K là 1,5:1:0,5 [18].
Độ sõu của tảo:độ sõu của tảo được lựa chọn trờn cơ sở tối ưu húa khả năng
sử dụng ỏnh sỏng trong quỏ trỡnh quang hợp của tảo, độ sõu thường là 40 - 50cm.
Thời gian lưu chất thải trong ao:thường chọn lớn hơn 2-8 ngày [18].
Lượng BOD nạp cho hồ tảo: ảnh hưởngđến năng suất tảo vỡ nếu lượng BOD
của tảo và vi khuẩn. Một số thớ nghiệm ở Thỏi lan cho thấy trong điều kiện
nhiệt đới thỡ lượng BOD nạp vào là 336 kg/ha.ngày (33,6 g/m2.ngày) [18].
+ Xử lý bằng thực vật thủy sinh cú kớch thước lớn: Thực vật thủy sinh kớch thước
lớn cú thể sử dụng trong xử lý nước thải chia làm 3 nhúm :
- Nhúm nổi: bốo tấm (Lemna minor), bốo Nhật bản (Eichhornia crassipes), loại này cú thõn, lỏ nổi trờn mặt nước, chỉ cú phần rễ là chỡm trong nước.
- Nhúm nửa chỡm, nửa nổi: sậy (Pharagmites communis), lau (Cirpus lacustris). Loại này cú bộ rễ cắm vào đất, bựn cũn phần thõn chỡm trong nước,
phần cũn lại và lỏ ở phớa trờn. Mực nước thớch hợp của cõy là >1,5m.
- Nhúm chỡm:rong xương cỏ (Potamogeton crispus), rong đuụi chú (Littorella umiflora), thực vật loại này chỡm hẳn trong nước, rễ của chỳng bỏm chặt vào
bựn đất, cũn thõn và lỏ ngập trong nước.
Bảng 2.7. Một số loại thuỷ sinh vật tiờu biểu
Loại Tờn thụng thường Tờn khoa học
Thuỷ sinh vật sống chỡm Hydrilla Hydrilla verticilata (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Water milfoil Myriophyllum spicatum
Blyxa Blyxa aubertii
Thuỷ sinh vật sống trụi
nổi
Lục bỡnh Eichhornia crassipes
Bốo tấm Wolfia arrhiga
Bốo tai tượng Pistia stratiotes
Salvinia Salvinia spp
Thuỷ sinh thực vật sống
nổi
Cattails Typha spp
Bulrush Scirpus spp
Sậy Phragmites communis
2.4. Xử lý N, P trong nước thải chăn nuụi lợn bằng phương phỏp sinh học
Trong nước thải chăn nuụi hàm lượng cỏc hợp chất N, P trong nước thải là rất
cao (Ntổng= 200-350mg/l; N-NH4+=180-280mg/l; N-NO2-=1-3mg/l; N-NO3-= 15- 60mg/l; BOD5=800-1400mg/l; COD=1300-3500mg/l; Ptổng=60-100mg/l). Hợp chất nitơ bền và khụng cú hậu quả xấu với mụi trường là khớ N2. Xử lý hợp chất N trong
nước thải với mục tiờu cao nhất về phương diện cụng nghệ là chuyển chỳng về dạng khớ nitơ.
Khả năng loại bỏ N, P qua cỏc quỏ trỡnh XLNT:
- Trong quỏ trỡnh xử lý sơ bộ lắng nồng độ N giảm khoảng 5-10% do hợp chất N được giữ lại ở trong cỏc hợp chất lắng.
- Trong quỏ trỡnh xử lý yếm khớ quỏ trỡnh oxy húa amoni hầu như khụng diễn
ra chỉ một phần nhỏ tham gia tổng hợp sinh khối. Trong quỏ trỡnh yếm khớ chỉ
chuyển húa từ dạng N-hữu cơ về dạng N-vụ cơ qua quỏ trỡnh thủy phõn.
- Trong quỏ trỡnh xử lý hiếu khớ so với quỏ trỡnh phõn hủy COD thỡ quỏ trỡnh oxy húa N-amoni thành Nitrit và Nitrat diễn ra chậm hơn nhiều. Như vậy đối
với nước thải chăn nuụi lợn cú hàm lượng N, P cao – thành phần N, P luụn dư
so với nhu cầu tổng hợp tế bào. Vậy cần cú quỏ trỡnh thiếu khớ để thực hiện
quỏ trỡnh khử nitrat.
Bảng 2.8. Hiệu quả xử lý N bằng cỏc cụng trỡnh xử lý thụng thường
Đơn vị cụng nghệ Hiệu quả xử lý (%)
Nhữa cơ N-NH4+ N-NO3- Tổng N
Lắng 1 10 – 20 - - 5 – 10 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Xử lý bậc 2 10 - 50 <10 ớt 10 - 30 Tổng hợp tế bào - 40-70 ớt 3-70
Nitrat húa ớt ->NO3- ớt 5-20
Khử Nitrat - - 80-90 70-95
Hồ oxy húa ớt Bay hơi ớt nitrat 20-90 Trong quỏ trỡnh XLNT luụn tồn tại nhiều chủng loại VSV cú khả năng cựng sống trong một mụi trường. Tỷ lệ của cỏc loại VSV trong quần thể phụ thuộc vào thành phần nước thải. Trong cựng điều kiện hiếu khớ, tỷ lệ VSV hiếu khớ dị dưỡng
(oxy húa Chữa cơ) và loại VSV hiếu khớ tự dưỡng (oxy húa NH4+), tỷ lệ cỏc VSV trờn phụ thuộc vào tỷ lệ BOD/N được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ BOD/TKN đến (%) VSV tự dưỡng trong hệ hiếu khớ Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự dưỡng (%) Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự dưỡng (%) 0,5 35,0 5 5,4 1 21,0 6 4,3 2 12,0 7 3,7 3 8,3 8 3,3 4 6,4 9 2,9
2.4.1. Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N trong nước thải
Quỏ trỡnh khử hợp chất N cú thể được sơ đồ húa như sau:
Hỡnh 2.4. Sơ đồ quỏ trỡnh khử hợp chất N
a. Quỏ trỡnh oxy húa amoni
Cụng thức tổng hợp mụ tả sự oxy húa và tổng hợp tế bào:
1,02NH4++1,89O2+2,02HCO3- 0,021C5H7NO2 + 1,06 H2O+ 1,92 H2CO3 + NO3-
Cú khoảng 20-40% NH4+được tiờu thụ trong quỏ trỡnh tổng hợp tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh khối cú thể viết như sau:
4 CO2 + HCO3 - + NH4 + + H2O C5H7O2N (tế bào vi khuẩn) + 5 O2
Oxy húa amoni bao gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nờn tốc độ oxy húa của quỏ
trỡnh bị khống chế bởi gian đoạn cú tốc độ thấp hơn. Tốc độ phỏt triển của
Nitrosomonas chậm hơn Nitrobacter do đú nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn ổn định. Vỡ vậy trong quỏ trỡnh động học người ta chỉ sử dụng cỏc thụng số liờn
quan đến vi khuẩn Nitrosomonasđể đặc trưng cho quỏ trỡnh oxy húa amoni. Khử nitrat Nitrat húa Amụn hoỏ ( NO2 N2 ) ( NO2- NO3-) NH4+ nước NH4+ Nước N-hữu cơ
Tốc độ phỏt triển của VSV tự dưỡng tuõn theo quy luật động học của Monod.
Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phỏt triển của VSV tự dưỡng là nồng độ NH4+ và DO. DO N N N m K DO DO K S S . .
Trong đú: : hằng số phỏt triển riờng của VSV tự dưỡng m: hằng số phỏt triển cực đại của VSV tự dưỡng
SN: nồng độ NH4+
DO: nồng độ oxy hũa tan
KN: hằng số bỏn bóo hũa của NH4+ KDO: hằng số bỏn bóo hũa của oxy
Phương trỡnh trờn cú 3 thụng số động học (m, KN, KDO), cỏc thụng số (KN, KDO) được xỏc định bằng thực nghiệm KN=0,256-1,84mgN-NH4+/l, KDO=0,15-2,0 mgO2/l. Tại nhiệt độ 200C nờn chọn KN=1,0 mgN-NH4+/l, KDO=0,4mgO2/l [20].
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh phỏt triển của VSV tự dưỡng:
+ DO: DO cần thiết cho quỏ trỡnh nitrat hoỏ xảy ra ớt nhất là 0,3 mg/l
(Downing và Scragg, 1958). Tốc độ nitrat hoỏ đối với Nitrosomonas khụng phụ
thuộc vào DO nếu DO>1mg/l và đối với Nitrobacter khi DO>2mg/l (Schoberl và Angel, 1964). Theo Boon và Laudeluot (1962) nghiờn cứu tốc độ sinh trưởng của (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nitrobacter ở DO=1 mg/l và DO bóo hoà ở nhiệt độ 30 - 350C cho thấy: ở DO =
1mg/l tốc độ sinh trưởng bằng 97%, 80%, 70%, 58% ở DO bóo hoà; tương ứng với
cỏc nhiệt độ 20; 23,7; 29; 350C. Cỏc nghiờn cứu trờn thể hiện ảnh hưởng của DO đến quỏ trỡnh nitrat húa.
+ Nhiệt độ: tốc độ sinh trưởng riờng cực đại của vi khuẩn nitrat hoỏ suy giảm
khi giảm nhiệt độ. Một số nghiờn cứu đề xuất mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riờng cực đại của VSV tự dưỡng được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của VSV nitrat húa
Nguồn n,max theo nhiệt độ n,max theo nhiệt độ
100C 150C 200C
Downing (1964) 0,47.e0,098(T-15) 0,29 0,47 0,77
Nguồn n,max theo nhiệt độ n,max theo nhiệt độ
100C 150C 200C
Barnard (1975) 0,33.(1,127)T-20 0,10 0,18 0,37
Painter (1983) 0,18.e0,0729(T-15) 0,12 0,18 0,26
Nhiệt độ ảnh hưởng đến hệ số bỏn bóo hũa Kn của quỏ trỡnh nitrat húa: - Theo (Knowles và cs..,1965) mối quan hệ giữa Kn và nhiệt độ: Kn = 10(0,051.t-1,148)