Nguyên tắc chung

4. Nội dung của đồ án

3.5.1. Nguyên tắc chung

Bản chất của biện pháp sinh học là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất bền hữu cơ trong nước thải. Chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng.

Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối được tăng lên. Phương pháp này thường được sử dụng để làm sạch các loại nước thải có chứa các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất phân tán nhỏ, keo. Do vậy, chúng thường được dùng sau khi loại các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh hóa các chất bẩn sẽ là CO2, H2O, N2.

3.5.2. Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo 3.5.2.1. Phương pháp hiếu khí

Bản chất:là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật hô hấp hiếu khí hoặc tùy tiện có sự tham gia của oxy cho sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O, NO3-, SO42-. Xử lý sinh học hiếu khí chỉ áp dụng khi có COD không quá lớn, COD < 2000 mg/l, tỷ lệ BOD/COD > 0,5 và không chứa các chất độc hại cho VSV, pH của nước thải có thể dễ dàng điều chỉnh. Dưới tác dụng của VSV các chất ô nhiễm được oxy hóa hoàn toàn.

Tác nhân sinh học: thường là các chủng vi sinh vật có khả năng oxy hóa mạnh,

kích thước không lớn, dễ lắng như: pseudomonas, putida, Bacterium terogenes, Cellulomunas...

Các yếu tố ảnh hưởng

Độ oxy hoà tan (DO): Điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho quá trình xử lý hiếu khí hoạt động có hiệu quả là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy hòa tan trong môi trường lỏng một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu oxy tự do cho hoạt động của VSV. Để đảm bảo tốc độ oxy hoá, DO trong bể oxy hoá cần đạt giá trị ≥ 2 mg/l. Hiệu xuất sử dụng oxy hoà tan còn phụ thuộc nhiệt độ xử lý, tính chất nước thải, tỷ số F/M ( Food/ Micoorganismes) là tỷ lệ giữa nguồn dinh dưỡng và chất hữu cơ và lượng sinh khối dùng để xử lý, tốc độ sinh trưởng, đặc tính sinh lý và đặc trưng của vi sinh vật.

Nhiệt độ và pH: Trong quá trình xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học, ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng giữ một vai trò rất quan trọng và phải đ- ược quan tâm rất cẩn thận. Tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng cực đại tại giá trị nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ thường khoảng 300C đối với đa số hệ thống xử lý chất thải bằng

phương pháp hiếu khí. Nhiệt độ không những làm ảnh hưởng đến tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ của vi sinh vật mà còn gây ảnh hưởng tới sự tồn tại và phát triển của chúng. pH ảnh hưởng lớn đến hoạt lực enzyme có trong tế bào. Giới hạn pH cho hoạt động của các VSV trong xử lý hiếu khí biến động từ 5-9.

Hàm lượng sinh khối (MLSS): Với các loại nước thải giàu chất hữu cơ, nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp sinh khối phong phú nên lượng sinh khối tạo thành lớn. Hàng ngày phải loại ra một tỷ lệ nào đó sao cho lượng sinh khối có trong bể ổn định, đảm bảo tốc độ oxy hoá và hiệu quả xử lý nước thải.

Thời gian lưu của nước thải: Thời gian lưu của nước thải trong thiết bị được tính dựa trên lưu lượng dòng vào.Trong quá trình oxy hoá, thời gian lưu cần được duy trì ổn định để tránh làm việc quá tải cho bể xử lý, tạo sự ổn định cho khu hệ vi sinh vật trong hệ thống và đảm bảo chất lượng dòng ra.

Nguồn dinh dưỡng N, P: Để tăng tốc độ phản ứng sinh hoá, duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo quá trình làm sạch nước theo yêu cầu của dòng thải phải cung cấp đầy đủ dinh dưỡng C, N, P và một số nguyên tố khoáng cho vi sinh vật phát triển. Sự thiếu hụt các thành phần này sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, hạn chế quá trình oxy hoá sinh học. Hàm lượng các nguyên tố dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần của nước thải và tỷ lệ của chúng được xác định bằng thực nghiệm. Người ta thường lấy tỷ lệ COD: N: P = 100: 5: 1.

Các chất độc: Kiểm soát các chất độc có trong nước thải là một trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo quá trình xử lý sinh học. Cần kiểm tra đảm bảo hàm lượng của chúng không vượt quá giới hạn cho phép: Kim loại nặng < 2 (mg/l), Phenol <140 (mg/l), Xianua <60 (mg/l).

Ưu điểm: Công nghệ hiếu khí không gây ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hóa học hóa lý.

Nhược điểm: là công trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng hơn. Chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn hơn. Chi phí vận hành và đặc biệt là chi phí cho năng lượng sục khí tương đối cao. Không có khả năng thu hồi năng lượng. Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ. Sau xử lý sinh ra một số

bùn dư lớn và lượng bùn này kém ổn định do đó đòi hỏi chi phí đầu tư để xử lý bùn. Xử lý với nước thải có tải trọng không cao như phương pháp yếm khí.

Xử lý nước thải theo nguyên lý lọc dính bám: Các màng sinh học bao gồm các loại vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn tùy tiện, động vật nguyên sinh, … hình thành xung quanh hạt vật liệu lắng hoặc trên bề mặt giá thể (sinh trưởng dính bám) sẽ hấp thụ các chất hữu cơ. Vi khuẩn sẽ lấy oxy tự do trong điều kiện tự nhiên hoặc nhờ cấp cưỡng bức để oxy hóa các chất hữu cơ. Các công trình chủ yếu là các bể lọc sinh học, đĩa lọc sinh học, bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập nước…

Bể lọc sinh học nhỏ giọt: Được dùng để xử lý sinh học hoàn toàn nước thải, đảm bảo nước thải ra khỏi bể lắng đợt hai dưới 15mg/l, tải trọng chất bẩn hữu cơ của bể là 0.1-0.2 kgBOD/m3vật liệu lọc.ngày, tải trọng thủy lực của bể thấp (1-3 m3 nước thải/m2 bề mặt bể. ngày. Vì vậy loại bể lọc này còn gọi là bể lọc sinh học tải trọng thấp. Do tải trọng thủy lực và tải trọng chất bẩn hữu cơ thấp nên kích thước hạt vật liệu lọc không lớn hơn 30mm thường là các loại đá cục, cuội, than cục. Chiều cao lớp vật liệu lọc trong bể từ 1.5-2m. Bể được cấp khí tự nhiên nhờ các cửa thông gió xung quanh thành. Bể làm việc hiệu quả khi BOD5 của nước thải vào bể dưới 220mg/l. Bể thường dùng cho các trạm xử lý nước thải dưới 1500m3/ngày.

Bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập trong nước (bể bioten): có cấu tạo gần giống với bể lọc sinh học và bể aretank, vật liệu lọc thường được đóng thành khối và để ngập trong nước. Khí được cấp với áp lực thấp và dẫn vào bể cùng chiều hoặc ngược chiều với nước thải. Khi nước thải qua lớp vật liệu lọc BOD bị khử và NH4+ được chuyển hóa thành NO3- trong lớp màng sinh vật. Nước đi từ dưới lên, chảy vào máng thu và được dẫn ra ngoài.

Đĩa lọc sinh học : hệ thống gồm bể chứa và bộ đĩa đồng trục quay với vận tốc 2,05 vòng/phút. Màng sinh học bám trên đĩa và đặt ngập sâu trong nước chiếm 3/4 bán kính đĩa. Khi đĩa quay phần trên tiếp xúc với không khí và lấy O2 oxy hóa các chất ô nhiễm, phần ngập trong nước hấp thụ chất ô nhiễm.

Ưu điểm: hiệu quả xử lý COD tốt >90%. Xử lý được một phần nitơ. Không tốn năng lượng cho quá trình cấp khí.

Nhược điểm: có hiệu quả xử lý chất hữu cơ thấp hơn hệ thống Aeroten và chỉ áp dụng với nước thải có độ ô nhiễm thấp COD≤300 mg/l. Tải trọng khối BOD5 có thể đạt 15-60g/m2.

Phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính:

Bùn hoạt tính bao gồm những VSV sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng. Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là phần chất rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn kị khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen. Những VSV sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là các ấu trùng sâu bọ.

Phương pháp có ưu điểm là vận hành đơn giản, hiệu suất làm sạch cao hơn so với các quá trình xử lý sinh học khác, chi phí xây dựng thấp. Nhưng cũng có nhược điểm là đòi hỏi diện tích xây dựng lớn và tạo ra nhiều bùn.

Bể Aerotank: Bể aerotank là công trình bê tông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn cũng có trường hợp người ta chế tạo bể aerotank bằng sắt thép hình khối trụ. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan và tăng cường quá trình oxy hóa chất bẩn hữu cơ có trong nước. Nước thải sau khi đã được xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hòa tan cùng với các chất lơ lửng đi vào bể Aerotank. Các chất lơ lửng này là một số chất rắn và có thể là các chất hữu cơ chưa phải là dạng hòa tan. Các chất lơ lửng là nơi mà vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển dần thành các cặn bông. Các hạt này dần dần to và lơ lửng trong nước. Các hạt bông cặn này cũng chính là bùn hoạt tính. Trong nước thải có những hợp chất hữu cơ hòa tan, loại chất dễ bị vi sinh vật phân hủy nhất. Ngoài ra còn có hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy hoặc loại hợp chất chưa hòa tan, khó hòa tan ở dạng keo- các dạng hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được vi khuẩn tiết ra enzim ngoại bào phân hủy thành các chất đơn giản hơn rồi thẩm thẩu qua màng tế bào và bị oxy hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2, nước. Các hợp chất hữu cơ ở dạng keo hoặc ở dạng lơ lửng khó hòa tan là các hợp chất bị oxy hóa bằng vi sinh vật khó khăn hoặc xảy ra chậm hơn.

3.5.2.2. Phương pháp sinh học yếm khí

Cơ chế: Sử dụng các VSV hô hấp yếm khí và tùy tiện để loại bỏ các chất hữu cơ, vô cơ có thể chuyển hóa sinh học được. Phương pháp yếm khí được áp dụng với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao (COD>2000 mg/l, BOD>1800mg/l, SS≥300-400mg/l). Có thể tận thu sinh học với thành phần chủ yếu là CH4 dùng làm nhiên liệu cho sản xuất và sinh hoạt.

Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí, đây là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn. Quá trình này có thể mô tả như hình vẽ sau:

Giai đoạn thủy phân

↓

Giai đoạn axit hóa

Hình 3.1. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí.

Giai đoạn I: Giai đoạn thủy phân. Các chất hữu cơ phức tạp: gluxit, lipit, protein được chuyên hóa thành các chất hữu cơ đơn giản hơn: amino axit, đường, axit béo dưới tác dụng của các enzym thủy phân.

Giai đoạn II: Lên men axit hữu cơ. Các sản phẩm thủy phân được VSV hấp thụ và phân giải thành các axit hữu cơ và các chất trung tính có dạng phân tử lượng thấp: rượu, axit béo, andehit, axit amin… đặc biệt giai đoạn này một phần gốc axit amin được VSV sử dụng cho sự sinh trưởng và một phần được vô cơ hóa thành NH4+.Trong giai đoạn I, II này pH giảm mạnh, còn COD giảm không đáng kể.

CH4, CO2, H2O

Chất hữu cơ phức tạp (gluxit, protein, lipit)

Chất hữu cơ đơn giản (đường đơn,peptit, axitamin, glixerin, axit béo)

Các axit béo dễ bay hơi (propionic, butyric, lactic…), etanol…

Giai đoạn III: giai đoạn lên men axit axetic. Các sản phẩm axit béo phân tủ lượng lớn được chuyển hóa thành axit axetic.

Giai đoạn IV: giai đoạn lên men sinh khí CH4. Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý yếm khí, nhất là quá trình được thực hiện có thu Biogas. Hiệu quả xử lý sẽ cao khi các sản phẩm trung gian được khí hóa hoàn toàn Tác nhân sinh học: Giai đoạn I, II, III chủ yếu là các vi khuẩn: Bacillus, pscsidomonas, prodeus, monococus, …Vi khuẩn metan thuộc hai nhóm chính: ưa ẩm có các chủng: methanobacterium, methanocous. Ưa nhiệt gồm có các chủng methanobacillus, methanospirillium, và methanothrix.

Các yếu tố ảnh hưởng.

Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng chủ yếu đến các vi khuẩn metan hóa. Vùng nhiệt độ để quá trình yếm khí xảy ra là khá rộng và nhiệt độ mỗi vùng thích hợp cho từng nhóm vi sinh vật kị khí khác nhau. Vùng nhiệt độ ẩm-trung bình 20oC-45oC và vùng nhiệt độ cao 45-65oC sẽ thích hợp cho sự hoạt động của nhóm vi sinh vật lên men metan.

pH: Trong quá trình xử lý yếm khí các giai đoạn phân hủy có ảnh hưởng trực tiếp qua lại lẫn nhau làm thay đổi quá trình phân hủy chung. Với nước thải mới nạp vào nhóm vi sinh vật axit hóa thích nghi hơn nhóm vi sinh vật metan hóa. Khi pH giảm mạnh làm cho khí metan sinh ra giảm đi. Khoảng pH tối ưu dao động trong một khoảng hẹp từ 6.5-8.5.

Thời gian lưu bùn: là thông số quan trọng thường được lựa chọn làm thông số thiết kế bể phân hủy. Giá trị thông thường được chọn là 12-15 ngày. Nếu thời gian này nhỏ hơn 10 ngày sẽ xảy ra hiện tượng cạn kiệt vì sinh vật lên men metan tức là vi sinh vật loại bỏ lớn hơn vi sinh vật tạo thành.

Thời gian lưu nước: cũng là một thông số quan trọng. Nếu thời gian lưu nước ngắn áp suất riêng phần của khí hydro tăng lên gây ức chế vi sinh vật sinh metan và ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học.

Tỷ số C/N: tỷ số tối ưu cho quá trình là (25-30)/l, thấp hơn so với quá trình xử lý hiếu khí.

Các nguyên tố vi lượng: Các nguyên tố vi lượng rất cần cho các vi khuẩn metan hóa bao gồm: Zn, Co, Mo, Fe, Se, Wo, Ni. Mỗi nhóm vi sinh vật có chức năng khác nhau yêu cầu các nguyên tố vi lượng ở các nồng độ khác nhau.

Các chất độc: các chất độc trong môi trường ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vi sinh vật kị khí. Các chất độc đó bao gồm: Oxy, Amon (hợp chất của amoni hoặc ion NH4+), hydrocacbua halogen hóa, hydrocacbua vòng thơm, kim loại

Ưu điểm: hiệu suất xử lý cao, chi phí đầu tư và vận hành thấp, lượng hóa chất cần bổ sung ít, không đòi hỏi cấp khí, do đó ít tiêu hao năng lượng, chi phí vận hành về năng lượng thấp, khả năng thu hồi năng lượng Biogas cao, không đòi hỏi cung cấp nhiều về chất dinh dưỡng, lượng bùn sinh ra ít hơn 10-20 lần so với phương pháp hiếu khí, có thể tồn tại trong một thời gian dài và là một nguồn phân bón có giá trị, tải trọng phân hủy chất hữu cơ cao.

Nhược điểm: Thời gian lưu lớn, thời gian ổn định bùn lớn, các khí như H2S, NH3 gây mùi. Giai đoạn khởi động kéo dài, dễ bị sốc tải khi lựợng nước thải vào biến động, bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại, khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động, rất nhạy cảm với các chất độc hại với sự thay đổi bất thường về tải trọng của công trình, xử lý nước thải chưa triệt để, vận hành tương đối phức tạp.

Các công trình sinh học kị khí

Bể bùn kị khí dòng chảy ngược – UASB (upflow anaerobbic sludge