tổng quan các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải

1.3.1 Quá trình sinh trưởng lơ lửng bùn hoạt tính bông sinh học Các tế bào vi khuẩn tăng trưởng sinh sản và phát triển dính vào các hạt chất rắn lơlửng có trong nước thải và phát triển t

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI1.1 Vị trí của công nghệ xử lý sinh học

Chuyển hoá / khử chất dinh dưỡng (N,P)

Khử những hợp chất và thành phần hữu cơ dạng vết

1.3.1 Quá trình sinh trưởng lơ lửng bùn hoạt tính (bông sinh học)

Các tế bào vi khuẩn tăng trưởng sinh sản và phát triển dính vào các hạt chất rắn lơlửng có trong nước thải và phát triển thành các hạt bông cặn

Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo sẽ lơ lửng trong nước và lớndần

Bông bùn màu vàng nâu kích thước khoảng từ 50–200 μm Số lượng vi khuẩntrong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108-1012 trên 1mg chất khô

Các vsv tham gia trong bùn hoạt tính: Pseudomonas, Achromobacter,

Desulfovibrio và Nitrosomonas, Notrobacter, cùng một số protozoa…

 Yêu cầu chung khi vận hành bùn hoạt tính:

 SS đầu vào không quá 150 mg/l

 Hàm lượng dầu không quá 25mg/l

 pH = 6.5 – 8.5 (tối ưu : 6.5 – 7.5)

 Nhiệt độ: 6oC – 37oC

1.3.2 Quá trình sinh trưởng bám dính _Màng sinh học

Khả năng oxi hoá các chất hữu cơ có trong nước thải khi chảy qua hoặc tiếp xúc.

Có màu vàng xám hay màu nâu tối, dày từ 1–3 mm hoặc hơn do sinh khối củavsv bám trên màng

Màng sinh học được coi là một hệ tuỳ tiện, với vsv hiếu khí là chủ yếu

1.4 Các quá trình sinh học trong xử lý nước thải

1.4.1 Quá trình phân huỷ hiếu khí :

Quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn:

1.4.2 Quá trình phân huỷ thiếu khí :

Chuyển hoá Nitơ trong quá trình xử lý sinh học

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrat hoá

Tốc độ nitrat hoá trong bùn hoạt tính tăng gấp đôi khi DO tăng từ1– 3mg/l

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat

 Dạng và nồng độ chất nền chứa cacbon: chứa cacbon tan, phân huỷ sinhhọc nhanh

 Thời gian lưu cặn (SRT): lâu thì lượng nitrat sẽ bị khử nhiều hơn

1.4.3 Quá trình phân huỷ kị khí :

Kỵ khí vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ như sau:

Chất HC H2 + CO2 + H2S + NH3 + CH4 + tb mới +ΔH

Quá trình xảy ra theo 4 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Thuỷ phân

 Giai đoạn 2: Acid hoá

 Giai đoạn 3: Acetat hoá

 Giai đoạn 4: Methane hoá

SVTH: Nhóm 4

Trang 5

vi sinh vật

 Vi sinh vật tham gia vào quá trình phân huỷ kị khí

Nhóm vi sinh vật thuỷ phân: Clodtridium, Peptococcus, lactobacillus,

Nhóm vi sinh vật methane hoá: Methanobacterium, Methanococcus,

Methanothrix, Methanosarina

Công trình xử lý ứng dụng các quá trình phân huỷ

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lí sinh học :

 Nồng độ chất hữu cơ: BOD5:N:P = 100: 5:1 hoặc 200:5:2 (bùn hoạt tính)

 Hàm lượng tạp chất

 Nhiệt độ, pH, các nguyên tố vi lượng, kim loại…

 Hàm lượng oxy trong nước thải

 Lưu lượng nứơc thải

 Hệ thống xử lý: chế độ thuỷ động …

 Điều kiện nước thải đưa vào XLSH :

- Không có chất độc làm chết hay ức chế hệ vsv trong nước thải Đặc biệt

là hàm lượng các kim loại nặng như:

Sb >Ag >Cu >Hg >Co >Ni >Pb >Cr+3 >V >Cd >Zn >Fe

- Chất hữu cơ trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon vànăng lượng cho vsv như : hidratcacbon, protein, lipit hoà tan…

- COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5 mới có thể đưa vào xử lí sinhhọc(hiếu khí), nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozơ,hemixenlulozơ, prottein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lí sinh học kị khí.SVTH: Nhóm 4

Trang 7

1.6 Vai trò của vsv trong xử lý nước thải

 Phân huỷ các chất hữu cơ

 Xử lý mùi của nước thải:

 Methyl sulfide, dimethyl sulfide được phân hủy bởi các chủng

Thiobacillus và Hyphomicrobium oxy hóa sulfat.

 Xử lý bằng tháp lọc: VK quang hợp như Chlorobium có thể lọai

bỏ đến 95% khí H2S từ nước thải sau xử lý của một bể kị khí

Hình: Sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý

 Xử lý một số kim loại nặng: Hg, Cd, Pb, Se, As

 Các nguyên sinh động vật có ý nghĩa trong việc vận hành các hồ sinh vật :

rotifera, cladocera, và copepoda

 Các loài Cladocera thì lọc các tế bào vi khuẩn và cả chất hữu cơ

chết, lọc tảo sợi, có ích trong việc làm giảm độ đục của nước thải sau xử lý

Dạng Khoảng nhiệt độ Khoảng tối ưu

 Phân loại nhiệt độ của quá trình xử lý sinh học

CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG

PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Có 2 loại công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

- Điều kiện tự nhiên

- Điều kiện nhân tạo

2 1 XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN TỰ NHIỆN

2.1.1 Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc

Trong nước thải sinh hoạt chứa một hàm lượng N, P, K khá đáng kể Như vậy,nước thải là một nguồn phân bón tốt có lượng N thích hợp với sự phát triển của thựcvật Tỷ lệ các nguyên tố dinh dưỡng trong nước thải thường là 5:1:2 = N:P:K

Nước thải CN cũng có thể sử dụng nếu chúng ta loại bỏ các chất độc hại

Để sử dụng nước thải làm phân bón, đồng thời giải quyết xử lý nước thảitheo điều kiện tự nhiên người ta dùng cánh đồng tưới công cộng và cánh đồng lọc

Nguyên tắc xây dựng:

Cánh đồng tưới và bãi lọc là những mảnh đất được san phẳng hoặc tạo dốckhông đáng kể và được ngăn cách tạo thành các ô bằng các bờ đất Nước thải phân bốvào các ô bằng hệ thống mạng lưới phân phối gồm : mương chính, máng phân phối

và hệ thống tưới trong các ô Nếu khu đất chỉ dùng xử lý nước thải, hoặc chứa nướcSVTH: Nhóm 4

Trang 11

thải khi cần thiết gọi là bãi lọc.

Cánh đồng tưới, bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi có độ dốc tựnhiên, cách xa khu dân cư về cuối hướng gió Xây dựng ở những nơi đất cát, á cát,cũng có thể ở nơi đất á sét, nhưng với tiêu chuẩn tưới không cao và đảm bảo đất cóthể thấm kịp

Diện tích mỗi ô không nhỏ hơn 3 ha, đối với những cánh đồng công cộngdiện tích trung bình các ô lấy từ 5 đến 8 ha, chiều dài của ô nên lấy khoảng 300 -

1500 m, chiều rộng lấy căn cứ vào địa hình Mực nước ngầm và các biện pháp tướikhông vượt quá 10 - 200 m

Cánh đồng tưới công cộng và cánh động lọc thường xây dựng với i~0,02

2.1.2 Cánh đồng tưới nông nghiệp:

Từ lâu người ta cũng đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn phân bón

để tưới lên các cánh đồng nông nghiệp ở những vùng ngoại ô

Theo chế độ nước tưới người ta chia thành 2 loại:

- Thu nhận nước thải quanh năm

- Thu nước thải theo mùa

Khi thu hoạch, gieo hạt hoặc về mùa mưa người ta lại giữ trữ nước thải trongcác đầm hồ (hồ nuôi cá, hồ sinh học, hồ điều hòa,…) hoặc xả ra cánh đồng cỏ, cánhđồng trồng cây ưa nước hay hay vào vùng dự trữ

Chọn loại cánh đồng nào là tùy thuộc vào đặc điểm thoát nước của vùng vàloại cây trồng hiện có

Trước khi đưa vào cánh đồng , nước thải phải được xử lý sơ bộ qua song chắnrác, bể lắng cát hoặc bể lắng Tiêu chuẩn tưới lấy thấp hơn cánh đồng công cộng

và có ý kiến chuyên gia nông nghiệp

2.1.3 Hồ sinh học:

Cấu tạo:

Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn gọi là hồ oxyhóa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóacác chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác

Nguyên tắc hoạt động:

Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng nhưoxy hóa từ không khí để oxy hóa các chất hữu cơ, rong tảo lại tiêu thụ CO2,photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân hủy, oxy hóa các chất hữu cơ bởi vi sinhvật Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu Nhiệt

độ không được thấp hơn 60C Theo quá trình sinh hóa, người ta chia hồ sinh vật racác loại:hồ hiếu khí, hồ kỵ khí và hồ tùy nghi

Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làmsạch của hồ

Ngoài việc xử lý nước thải còn có nhiệm vụ:

+ Nuôi trồng thuỷ sản

+ Nguồn nước để tưới cho cây trồng

+ Điều hoà dòng chảy

Có các loại sau đây:

2.1.3.1 Hồ kỵ khí

 Đặc điểm

Dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng bằng phương pháp sinh học tự nhiên dựatrên sự phân giải của vi sinh học kỵ khí

Chuyên dùng xử lý nước thải công nghiệp nhiễm bẩn

Khoảng cách vệ sinh (cách xí nghiệp thực phẩm): 1.5-2 km

Chiều sâu: h = 2.4-3.6.m

 Tính toán: chủ yếu là theo kinh nghiệm

 Diện tích kỵ khí = (10-20%) Diện tích kỵ hịếu khí

 Thời gian lưu

+ Mùa hè: 1.5 ngày

+ Mùa đông: > 5 ngày

 Hiệu suất khử BOD

+ Mùa hè: 65-80%

+ Mùa đông: 45-65%

 Lưu ý

Hồ có 2 ngăn để dự phòng (tháo bùn, …)

Cửa cho nước thải vào phải đặt chìm

S < 0.5 ha: 1 miệng xả

S > 0.5 ha: bổ sung thêm

Cửa lấy nước thiết kế giống thu nước bề mặt

2.1.3.2 Hồ kỵ hiếu khí: thường gặp

Trong hồ xảy ra 2 quá trình song song

+ Oxy hoá hiếu khí

+ Phân hủy metan cặn lắng

Có 3 lớp:

+ Hiếu khí

+ Trung gian

+ Kỵ khí

Nguồn oxy cấp chủ yếu là do quá trình quang hợp rong tảo

Quá trình kỵ khí ở đáy phụ thuộc vào to

Chiều sâu của hồ kỵ hiếu khí: 0.9-1.5 m

SVTH: Nhóm 4

Trang 15Hình: Sơ đồ hồ kỵ hiếu khí

2.1.3.3 Hồ hiếu khí: Oxy hoá các chất hợp chất nhờ vi sinh vật hiếu khí

Có 2 loại hồ hiếu khí:

 Hồ làm thoáng tự nhiên: cấp oxy chủ yếu do khuyếch tán không khí

qua mặt nước và quang hợp của các thực vật

 Chiều sâu của hồ: 30-50 cm

 Tải trọng BOD: 250-300 kg/ha.ngày

 Thời gian lưu nước: 3-12 ngày

 Diện tích hồ lớn

 Hồ làm thoáng nhân tạo: cấp oxy bằng khí nén, máy khuấy, …

 Chiều sâu: h = 2-4.5 m

 Tải trọng BOD: 400 kg/ha.ngày

 Thời gian lưu: 1-3 ngày

 Tuy nhiên hoạt động như hồ kỵ hiếu khí

2 2 CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC NHÂN TẠO

2.2.1 Bể lọc sinh học

Lọc sinh học (biofiltration) là một công nghệ điều khiển sự ô nhiễm mới Nó bao gồm sự loại bỏ và ô xi hóa những hợp chất khí bị nhiễm bẩn nhờ vi sinh vật

Lọc sinh học được thiết lập rất tốt trong công nghệ điều khiển ô nhiễm ở Đức và

Hà Lan và nó cũng thu hút được sự quan tâm ở Bắc Mỹ

Lọc sinh học có thể xử lý những phân tử khí hữu cơ- những hợp chất hữu cơ bay hơi (Volatile Organic Compound- VOC's) hoặc các hợp chất cacbon, hay những chất khí độc vô cơ - amoniac hay H2S

Bể lọc sinh học là công trình nhân tạo, trong đó chất thải được lọc qua lớp vậtliệu lọc rắn có bao bọc lớp màng vi sinh vật

SVTH: Nhóm 4

Trang 17Hình: Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí

Bể lọc sinh học bao gồm các bộ phận chính sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thốngphân phối nước trên toàn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thốngdẫn và phân phối khí cho bể lọc

2.2.1.1 Bể lọc sinh học với vật liệu không ngập trong nước (lọc nhỏ giọt)

Ưu điểm:

- Giảm việc trông coi

- Tiết kiệm nhiên liệu

Nhược điểm:

- Hiệu suất làm sạch nhỏ

- Dễ bị tắt nghẽn

- Rất nhạy cảm với nhiệt độ

- Không khống chế được quá trình thông khí, dễ bốc mùi

- Chiều cao hạn chế

- Bùn dư không ổn định

- Giá thành xây dựng cao do vật liệu xây dựng nhiều

Cấu tạo:

Vật liệu tiếp xúc không ngập nước

Các lớp vật liệu có độ rỗng và diện tích lớn nhất (nếu có thể)

Nước thải được phân phối đều

Nước thải sau khi tiếp xúc vật liệu vật liệu VL lọc và các khe hở giữa chúng các cặn bẩn được giữ lại tạo thành màng - Màng sinh học

Lượng oxy cần thiết để cấp làm oxy hoá chất bẩn đi từ đáy lên

Những màng vi sinh đã chết sẽ cùng nước thải ra khỏi bể được giữ ở bể lắng 2

Một vài thông số phải được duy trì trong quá trình hệ thống lọc sinh học đang vận hành:

- Nhựa đúc sẵn PVC được sử dụng rộng rãi ngày nay Æ HVL = 6=9 m

Hệ thống phân phối nước:

- Dàn ống tự động qua (bể trộn, tháp lọc)

- Dàn ống cố định (lọc sinh học nhỏ giọt) cao tải Khoảng cách từ vòi phun đến

bề mặt vật liệu: 0.2-0.3m

 Sàn đỡ và thu nước: có 2 nhiệm vụ:

- Thu đều nước có các mảnh vở của màng sinh học bị tróc

- Phân phối đều gió vào bể lọc để duy trì MT hiếu khí trong các khe rỗng

- Sàn đỡ bằng bê tông và sàn nung

- Khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường 0.6-0.8 m, i =1-2 %

SVTH: Nhóm 4

Trang 19

 Phân loại bể lọc sinh học:

than cục,

Đá cục, than, đá ong, Tải trọng theo chất HC Kg BOD5/1

m3.ngày

0.08-0.4 0.4-1.6Tải trọng thuỷ lực theo

diện tích bề mặt

Hình: Bể lọc sinh học nhỏ giọt

2.2.1.2 Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước thải

Ưu điểm:

- Chiếm ít diện tích vì không cần bể lắng trong

- Đơn giản, dễ dàng cho việc bao che công trình

- Không cần phải rửa lọc, vì quần thể VSV được cố định trên giá đỡ cho phép chống lại sự thay đổi lượng của nước thải

- Phù hợp với nước thải loãng

- Đưa vào hoạt động nhanh và dễ dàng

- Có cấu trúc Modun dễ dàng tư động hóa

Nhược điểm:

- Làm tăng tổn thất tải lượng, giảm lượng nước thu hồi

- Tổn thất khí cấp cho quá trình, vì phải tăng lưu lượng khí không chỉ đáp ứng cho nhu cầu của vi sinh vật mà còn cho nhu cầu có thuỷ lực

- Phun khí mạnh tạo nên dòng chuyển động xoáy làm giảm khả năng giữ huyề phù

Nguyên tắc hoạt động:

SVTH: Nhóm 4

Trang 21

Trong lớp vật liệu lọc BOD bị khử và chuyển hoá NH4+ Æ

NO3-Khi tổn thất trong lớp vật liệu lọc = 0,5 m Æ đóng van và xả cặn (30-40 giây)Cường độ rửa lọc: 12-14 l/s.m2

2.2.2 Bể phản ứng sinh học hiếu khí – Aerotank

Bể Aerotank được đưa ra và nghiên cứu rất lâu (từ 1887-1914 áp dụng)

2 2.2.1 Cấu tạo

Bể phản ứng sinh học hiếu khí – Aerotank là công trình bê tông cốt thép hình khốichữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp người ta chế tạo các Aerotank bằng sắtthép hình khối trụ Thông dụng nhất hiện nay là các Aerotank hình bể khối chữ nhật

2.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong Aerotank qua ba giai đoạn:

Giai đoạn 1: tốc độ oxi hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxi Ở giai đoạn này bùn hoạt tính

hình thành và phát triển Hàm lượng oxi cần cho vi sinh vật sinhtrưởng, đặc biệt ở thờigian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trongthời gian này rất Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng sinh trưởng rấtmạnh theo cấp số nhân Vì vậy,lượng tiêu thụ oxi tăng cao dần

Gian đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi cũng ở mức gần

như ít thay đổi Chính ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất.Hoạt lực enzym của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéodài trong một tời gian tiếp theo Điểm cực đại của enzym oxi hóa của bùn hoạt tínhthường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính (sinh khối vi sinh vật) tới mức ổnđịnh Qua các thông số hoạt động của aeroten cho thấy ở gian đoạn thứ nhất tốc độ tiêuthụ oxi (hay tốc độ oxi hóa) rất cao, có khi gấp 3 lần ở giai đoạn thứ hai

Giai đoạn 3: sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hóa cầm chừng (hầu như ít thay

đổi) và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên Đây là giai đoạn

nitrat hóa các muối amon Sau cùng, nhu cầu oxi lại giảm và cần phải kết thúc quátrình làm việc của aeroten (làm việc theo mẻ) Ở đây cần lưu ý rằng, sau khi oxi hóađược 80-95% BOD trong nước thải, nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí, bùn hoạt tính

sẽ lắng xuống đáy, cần phải lấy bùn cặn ra khỏi nước Nếu không kịp thời tách bùn,nước sẽ bị ô nhiễm thứ cấp, nghĩalà sinh khối vi sinh vật trong bùn (chiếm tới 70%khối lượng cặn bùn) sẽ bị tự phân Tế bào vi khuẩn có hàm lượng protein rất cao (60-80% so với chất khô), ngoài ra còn cócác hợp chất chứa chất béo, hidratcacbon, cácchất khoáng…khi bị tự phân sẽ làm ô nhiễm nguồn nước

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm sạch nước thải của Aerotank

2.2.2.3 Phân loại bể Aerotank:

 Theo nguyên lý làm việc:

+ Bể Aerotank thông thường: công suất lớn

Bể Aerotank xử lý sinh hoá không hoàn toàn (BOD20 ra ~ 60 – 80 mg/l)

Bể Aerotank xử lý sinh hoá hoàn toàn (BOD20 ra ~ 15 – 20 mg/l)

+ Bể A sức chứa cao: BOD20 > 500 mg/l

 Phân loại theo sơ đồ công nghệ: