Bài giảng các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường chương 5 hồ sinh học và các hệ thống xử lý tự nhiên

Các yếu tố tự nhiên như nhiệt độ cao và giàu ánh sáng mặt trời cĩ khả năng thúc đẩy sự phát triển nhanh của các loại vi sinh vật chủ yếu vi khuẩn và vi tảo Hồ sinh học cĩ khả năng x

Trang 1

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

GVHD: TS Lê Hoàng Nghiêm

Email: hoangnghiem72@gmail.com

hoangnghiem72@yahoo.com

Trang 2

XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG

Trang 3

HỒ ỔN ĐỊNH CHẤT THẢI

Hệ thống hồ sinh học ổn định nước thải (thường gọi là

hồ sinh học) là các hồ nhân tạo lớn, khơng sâu, thường

là hình chữ nhật sử dụng để xử lý nước thải

Hồ sinh học được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Nam

Mỹ, đây là loại cơng trình xử lý nước thải phù hợp với các nước đang phát triển ở vùng khí hậu nĩng

Các yếu tố tự nhiên như nhiệt độ cao và giàu ánh sáng mặt trời cĩ khả năng thúc đẩy sự phát triển nhanh của các loại vi sinh vật (chủ yếu vi khuẩn và vi tảo )

Hồ sinh học cĩ khả năng xử lý các chất hữu cơ ( BOD) trong nước thải theo cả hai cách hiếu khí và kỵ khí

Các quá trình chuyển hố sinh học diễn ra trong hồ là

Trang 4

Quá trình XLNT thường diễn ra trong hai hoặc nhiều hồ

Sự xắp xếp bố trí và kích thước, độ sâu thiết kế của hồ

cĩ thể tạo ra các điều kiện hiếu khí ở hồ này hoặc kỵ khí

Hệ thống hồ sinh học ổn định nước thải dễ xây dựng, giá thành thấp, tính đệm lớn và hiệu quả xử lý cao.

Trang 5

Ưu điểm của hồ sinh học

Dễ xây dựng: cơng tác xây dựng chủ yếu là đào đất, ngồi ra cũng cĩ thể tận dụng các ao hồ tự nhiên phù hợp để làm hồ sinh học

Chi phí thấp: Do cấu tạo đơn giản, hồ ổn định nước thải là loại cơng trình

rẻ nhất so với các cơng trình XLNT khác.

Tính đệm: Hồ sinh học ổn định nước thải cĩ thể chịu được hàm lượng kim loại nặng cao (đến khoảng 30mg/l) Hồ cịn cĩ thể tự điều tiết được các hiện tượng sốc hữu cơ hoặc thuỷ lực khơng ổn định của dịng nước thải đầu vào [Mara & Pearson, 1986]

Hiệu quả cao: Các hệ thống hồ được thiết kế đúng cĩ thể đạt hiệu suất

xử lý theo BOD > 90%, nitơ từ 70 ÷ 90% và phơtpho là 30 ÷ 50%

HSH cĩ khả năng xử lý các loại sinh vật gây bệnh cao mà khơng cần

sử dụng các biện pháp xử lý bậc cao khác như clo hố, ozon hố, UV,…

cĩ thể diệt được vi khuẩn gây bệnh và cĩ thể đáp ứng được các quy định của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đối với chất lượng nước tưới cây

Trang 6

Hàm lượng các chất lơ lửng trong nước thải ra khỏi hồ cao hơn so với các cơng trình xử lý sinh học khác do sự

xuất hiện tảo trong dịng nước thải ra khỏi hồ.

Thời gian lưu thuỷ lực lâu đi đơi với thể tích hồ lớn để XLNT cĩ thể là yếu tố hạn chế đối với quá trình này do yêu cầu diện tích và chi phí đất sử dụng cao

Phát sinh mùi hơi

Khĩ kiểm sốt quá trình

Trang 7

Hồ sinh học kỵ khí cĩ ưu điểm chính là xử lý được nước thải ơ nhiễm hữu cơ cao cĩ hàm lượng chất lơ lửng lớn

Hồ sinh học tuỳ tiện và HSH hiếu khí cĩ quần thể tảo lớn Tảo đĩng vai trị chú yếu trong quá trình ổn định nước thải Các hồ này đơi khi cịn được gọi là HSH quang hợp hay là HSH làm thống

tự nhiên

Trang 8

Các quá trình lên men kỵ khí và oxy hố hiếu khí: Lên men kỵ khí

gồm hai giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất là sự thối rữa chất hữu cơ, tại đây vi khuẩn sẽ

lên men để tạo thành sinh khối mới và hình thành các sản phẩm

trung gian khác la axit hữu cơ

vi khuẩn Chất hữu cơ → tế bào vi khuẩn mới + hỗn hợp axit hữu cơ

Giai đoạn thứ hai là phân huỷ các CHC hình thành giai đoạn một

nhờ các loại vi khuẩn mêtan tạo thành khí mêtan và các sản phẩm

đơn giản khác

Vi khuẩn Hỗn hợp axit hữu cơ → tế bào VK mới + CH 4 + CO 2 + H 2 O + NH 3 , v.v…

Trang 9

giản như saU:

Vi khuẩn Chất hữu cơ + O2 → tế bào VK mới + H2O + CO2 + PO4 3- + NH3, v.v…

của tảo:

Vi khuẩn

H2O + CO2 → tế bào tảo mới + H2O + O2

Trang 10

HỒ SINH HỌC TỰ NHIÊN

HỒ KỴ KHÍ

HSH kỵ khí thường sâu từ 2 đến 5 m (cĩ thể lên đến 9 m) Hồ tiếp nhận

nước thải thơ cĩ tải lượng hữu cơ cao 220 – 560 kg BOD5/ha.ngày Hồ được sử dụng như một bể tự hoại hở để xử lý sơ cấp nước thải ơ nhiễm hữu cơ nặng

Các loại cặn trong nước thải lắng xuống đáy hồ tạo thành lớp bùn cặn, tại đây quá trình lên men kỵ khí nhờ các loại VK tạo axit, VK tạo axetat và

VK tạo mêtan thực hiện trong điều kiện nhiệt độ trên 15oC

HSH kỵ khí hoạt động rất tốt đối với vùng khí hậu ấm BOD được xử lý đạt hiệu suất cao, từ khoảng 40% ở 10oC hoặc thấp hơn cho đến trên 60% ở

> 20oC

Các lớp váng thường được hình thành trên bề mặt, các loại ruồi muỗi cĩ thể phát triển trên bề mặt trong mùa hè Vì vậy cần cĩ các biện pháp xử lý thích hợp như phun nước sạch, nước sau xử lý hoặc một số trường hợp đặc biệt cĩ thể phun các hố chất diệt muỗi phù hợp, dễ phân huỷ sinh

Trang 11

HỒ KỴ KHÍ

Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong hị kỵ khí.

Trang 12

Sự phân bố hàm lượng H2S, HS- và S2- trong nước phụ thuộc vào pH trong HSH kỵ khí cao sẽ làm giảm mức độ bốc mùi hơi thối

Mùi sinh ra khơng phải là vấn đề lớn nếu như thơng số thiết kế theo tải lượng BOD cho phép được chọn đúng và nồng độ SO4 2- trong nước thải đầu vào khơng vượt quá 500 mg/L [Mara và cs., 1992]

Đơi khi trong HSH kỵ khí xuất hiện các vẫn bùn màu đỏ sẫm hoặc màu

đỏ tía Đây là các dạng VK quang hợp oxy hố sunfua kỵ khí Sự xuất

Trang 13

HỒ SINH HỌC TÙY TIỆN

Cĩ hai dạng hồ sinh học tùy tiện:

Hồ sinh học tùy tiện sơ cấp thu nhận trực tiếp nước thải từ nguồn thải;

Hồ sinh học thứ cấp thu nhận nước thải sau khi xử lý một phần (thường sau hồ sinh học kỵ khí, bể tự hoại, hồ sinh học tùy tiện sơ cấp)

Các hồ tùy tiện thường cĩ độ sâu từ 1 đến 2m (trung bình là 1,5 m).

HSH tuỳ tiện được thiết kế để xử lý tải trọng BOD bề mặt tương đối nhỏ (100 ÷ 400 kg BOD/ha.ngđ) nhằm thúc đẩy sự phát triển của tảo

Lượng oxy hồ tan cung cấp cho các loại VK trong hồ để xử lý BOD do các hoạt động quang hợp của tảo cung cấp Ư hoạt động của HSH tuỳ tiện dựa vào sự phát triển tự nhiên của tảo

HSH tuỳ tiện thường cĩ màu lam thẫm do mật độ đậm đặc của tảo, các

Trang 14

Đối với HSH tuỳ tiện sơ cấp cĩ hai cơ chế xử lý BOD như sau [Mara và Pearson, 1987]:

• Lắng cặn và tiếp theo đĩ là lên men kỵ khí bùn cặn lắng; đến 30% lượng BOD trong nước thải đầu vào cĩ thể chuyển thành khí mêtan

• VK hiếu khí oxy hố các hợp phần hữu cơ khơng lắng được trong nước thải cũng như sản phẩm của quá trình lên men kỵ khí

• Lượng oxy cần thiết cho quá trình này một phần được tạo thành từ quá trình quang hợp của vi tảo Chúng phát triển mạnh và làm cho hồ cĩ màu xanh thẫm

• Tảo hấp thụ được phần lớn cacbon diơxit là sản phẩm trao đổi chất cuối cùng của VK

Trong HSH tùy tiện thứ cấp, Các hợp phần hữu cơ theo BOD cịn lại khơng lắng được oxy

hố bởi các loại VK dị dưỡng (Pseudomonas, Flavobacter và Alcaligenes…) Lượng oxy

cần thiết cho quá trình xử lý BOD do hoạt động quang hợp của vi tảo trong HSH tuỳ tiện cung cấp

Giĩ tác động quan trọng trong hoạt động của HSH tuỳ tiện vì nĩ làm tăng sự khuyếch tán oxy khơng khí vào nước và xáo trộn các tầng nước trong hồ Sự xáo trộn này tạo điều kiện phân bố đồng nhất BOD, oxy hồ tan, VK, tảo và làm tăng cường độ ổn định chất thải

Trang 15

Hồ tuỳ tiện

Tồn tại 03 vùng:

9 (1) ở bề mặt, vi khuẩn và tảo sống cộng sinh;

9 (2) đáy hồ, tích lũy cặn lắng và cặn này bị phân hủy nhờ vi khuẩn kỵ khí;

9 (3) khu vực trung gian, chất hữu cơ chịu sự phân hủy của vi khuẩn tùy tiện

Sử dụng máy khuấy tạo điều kiện hiếu khí trên bề mặt khi tải trọng cao

Trang 16

CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA HỒ TÙY TIỆN

Trang 17

Trang 18

Trang 19

HỒ SINH HỌC HIẾU KHÍ

Có diện tích rộng, nông

Chất hữu cơ được xử lý nhờ sự cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn

dưới dạng lơ lửng

Ôxy cung cấp cho vi khuẩn nhờ sự khuếch tán qua bề mặt và quang hợp của tảo Chất dinh dưỡng và CO2 sinh ra được tảo sử dụng

Hồ hiếu khí có hai dạng : (1) tối ưu sản lượng tảo , chiều sâu hồ cạn 0,15 – 0,45 m; (2) tối ưu lượng ôxy cung cấp cho vi khuẩn , chiều sâu hồ 1,5m

Tăng cường cung cấp ôxy bằng cách thổi khí nhân tạo

Hồ hiếu khí cĩ chức năng chính là xử lý BOD và diệt các loại VK gây bệnh Ngồi ra hồ cĩ thể tách được một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng ra khỏi nước.

Trang 20

HỒ SINH HỌC HIẾU KHÍ

Cơ chế chính của quá trình khuẩn feacal coliform trong HSH

tuỳ tiện và HSH xử lý triệt để như sau:

• Thời gian và nhiệt độ;

• pH cao (>9) cùng với ánh sáng mặt trời;

• Cường độ bức xạ ánh sáng lớn kết hợp với nồng độ oxy hồ

tan cao

Giá trị pH cao (khoảng 9) trong nước hồ do quá trình quang

hợp của tảo diễn ra mạnh, đĩ là sự tiêu thụ CO2 nhanh hơn so

với sự hình thành từ quá trình hơ hấp của VK Kết quả là:

2HCO3 - → CO3 2- + H2O + CO2 (4.1)

CO3 2- + H2O → 2OH- + CO2 (4.2)

Sự cố định CO2 của tảo tích luỹ ion hydroxyl trong nước

thường làm cho giá trị pH tăng lên đến 9

Trang 21

HỒ SINH HỌC HIẾU KHÍ - Diệt VK gây bệnh

Các yếu tố chính tác động đến quá trình diệt khuẩn gây bệnh là

Mức độ diệt khuẩn tăng lên trong điều kiện nhiệt độ cao, pH lớn, thời gian lưu nước lâu và cường độ bức xạ ánh sáng mạnh [Mara và

cs, 1992].

Trong HSH ổn định nước thải, VK faecal (với trường hợp cá biệt là

VK tả Vibrio cholerae) chết rất nhanh khi pH lớn hơn 9 [Pearson và

cs, 1987]

Năng lượng mặt trời đĩng vai trị quan trọng trong việc xử lý các loại VK gây bệnh : Giữ ấm → cung cấp đầy đủ năng lượng để thúc đẩy quá trình quang hợp của tảo → tăng pH và hình thành oxy với nồng độ lớn → bù đắp cho sự oxy hố quang hố.

Quá trình lắng đọng bùn cặn kéo theo các lồi động vật nguyên sinh

và trứng giun sán xuống đáy hồ

Trang 22

HỒ SINH HỌC HIẾU KHÍ - Diệt VK gây bệnh

Các yếu tố chính tác động đến quá trình diệt khuẩn gây bệnh là

Mức độ diệt khuẩn tăng lên trong điều kiện nhiệt độ cao, pH lớn, thời gian lưu nước lâu và cường độ bức xạ ánh sáng mạnh [Mara và

cs, 1992].

Trong HSH ổn định nước thải, VK faecal (với trường hợp cá biệt là

VK tả Vibrio cholerae) chết rất nhanh khi pH lớn hơn 9 [Pearson và

cs, 1987]

Năng lượng mặt trời đĩng vai trị quan trọng trong việc xử lý các loại VK gây bệnh : Giữ ấm → cung cấp đầy đủ năng lượng để thúc đẩy quá trình quang hợp của tảo → tăng pH và hình thành oxy với nồng độ lớn → bù đắp cho sự oxy hố quang hố.

Quá trình lắng đọng bùn cặn kéo theo các lồi động vật nguyên sinh

và trứng giun sán xuống đáy hồ

Trang 23

Hồ xử lí bổ sung

sinh học hoặc sau hồ sinh học hiếu khí, tùy tiện)

Trang 24

THIẾT KẾ HỒ SINH HỌC

1 Diện tích hồ sinh học tính theo công thức: A = L/Ls (5.1)

A – diện tích cần thiết của hồ (ha)

L – tổng BOD trong dòng vào (chất hòa tan và các hạt) (kg BOD5/ngày)

Ls – tải trọng bề mặt (kg BOD5/ha.ngày)

9 Vùng có mùa đông ấm và nhiều nắng: L s = 240 đến 350 kgBOD 5 /ha.ngày

9 Vùng có mùa đông ôn hòa và có nắng: L s = 120 đến 240 kgBOD 5 /ha.ngày

9 Vùng có mùa đông lạnh và ít nắng: L s = 100 đến 180 kgBOD 5 /ha.ngày

2 Thể tích hồ sinh học tính theoo công thức: V = L/Lv (5.2)

V – thể tích cần thiết của hồ (m3)

L – tổng tải trọng dòng vào (chất hòa tan và các hạt) BOD (kg BOD5/ngày)

Lv– tải trọng thể tích (kg BOD5/m3.ngày)

Trang 25

= 1

0 (5.4) Khuấy trộn hoàn toàn (chuỗi nhiều bể phản ứng)

n

n Kt

S S

) / 1

(

0

+

= (5.5) Dòng chảy phân tán

d t K a

e a e

a

ae S

4 1

) 1 ( )

1 (

4 2 2 / 1/2 2 /2

(5.6)

Trong đó:

S o – tổng nồng độ BOD đầu ra (mg/l); S – nồng độ BOD đầu ra (mg/l)

K – hệ sô xử lý BOD (ngày-1); t – tổng thời gian lưu trong hệ thống (ngày) ;

Trang 26

Giá trị K

Trang 27

(m/ngày).

Trang 28

L – chiều dài của hồ (m); B – chiều rộng của hồ (m); H – chiều sâu của hồ (m);

t – thời gian lưu (ngày); ν – hệ số nhớt động học của nước (m2/ngày)

Hệ số nhớt động học của nước là một hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ:

) (

.

).

.(

,

) / , , ( ,

10 5 4

2 3

102 0

385 1 981 0 41

B

H L

H H

B L

t H B

()

/.(

,)/.(

,,

)/

(

11

5014

1254

0261

B L d

++

−

=

)

( )

/

1

B L

d =

) (

, 325 , 5 13

0 −0 45

ν

Trang 29

0,1 – 0,4 0,1 – 0,5

0,03 – 0,17 0,02 – 0,22

2,5

0,6 – 1,1 0,7 – 1,3

0,2 – 0,5 0,2 – 0,7

0,07 – 0,23 0,1 – 0,3

Trang 30

Bảng: Các thông số thiết kế đặc trưng cho hệ thống hồ ổn định

Thông số thiết kế Kỵ khí Tùy tiện Tùy tiện

– thổi khí

Thổi khí

hòa trộn hoàn toàn

Lắng Kỵ khí bổ

sung

Thời gian lưu t (ngày)

Tải trọng bề mặt Ls(kg BOD5/ha.ngày)

Tải trọng thể tı́ch Lv(kgBOD5/m 3 ngày)

Độ sâu H (m)

Tỉ số L/B

3 – 6 - 0,1 – 0,35

3 – 5

1 – 3

15 – 45

100 – 350 - 1,5 – 2

2 – 4

5 – 10 - - 2,5 – 4 2-4

2 – 4 - - 2,5 – 4

1 – 2

~2 - -

3 – 4 -

(*) - - 0,8 – 1,2 (**) Hiệu quả xử lý BOD K(trộn hoàn toàn, 20 0 C,

1/ngày)

Hệ số nhiệt độ (khuấy trộn hoàn toàn)

-

-0,25 – 0,4 1,05 – 1,085

0,6 – 0,8 1,035

1 – 1,5 1,035

-

-Hiệu quả xử lý BOD K(dòng chảy phân tán,

20 0 C, 1/ngày)

Hệ số nhiệt độ (dòng chảy phân tán )

-

-0,13 – 0,17 1,035

-

-Số phân tán d (L/B = 1)

Số phân tán d (L/B = 2 – 4 )

Số phân tán d (L/B = ≥ 5)

- -

-0,4 – 1,3 0,1 – 0,7 0,02 – 0,3

- -

-0,4 – 1,1 0,1 – 0,5 0,03 – 0,23 BOD đầu ra (mg BOD5/mgSS) - 0,3 – 0,4 0,3 – 0,4 0,3 – 0,6 - -

O2 cần thiết (kgO2/kgBOD5 xử lý)

Mức năng lượng (W/m 3 )

-

-Hệ số xử lý Coliform Kb (trộn hoàn toàn,

20 0 C,1/ngày)

Hệ số nhiệt độ (khuấy trộn hoàn toàn)

-

-0,4 – 5 1,07

-

-0,6 – 1,2 (***) 1,07

Tiêu đề	Hồ Sinh Học Và Các Hệ Thống Xử Lý Tự Nhiên
Người hướng dẫn	TS. Lê Hoàng Nghiêm
Trường học	Trường Đại Học Môi Trường Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật Môi trường
Thể loại	Bài giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	1,5 MB