Ứng dụng công nghệ nén ép xử lý nước rỷ

CO2, mùi và hydrogen với hàm lượng ít hơn.- Giai đoạn 3 – Giai đoạn lên men metan: Sự phát triển của vi khuẩn methane dần dần trở nên chiếm ưu thế và bắt đầu phân huỷ những hợpchất đơn g

VÀ TƯ VẤN XÂY DỰNG Aptco VIETNAM

ƯNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC NÉN ÉP

XỬ LÝ NƯỚC RỈ TẠI BÃI CHÔN LấP CHấT THảI RắN KIÊU KỴ - GIA LÂM -

HÀ NỘI

Hà nội, Tháng 5 năm 2008

MỤC LỤC

1 Tên dự án 2

2 Giới thiệu khái quát bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ 2

3 Hiện trạng xử lý nước rỉ tại bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ 3

4 Phương án xử lý nước rỉ rác bằng công nghệ sinh học nén ép của công ty phát triển và đầu tư công nghệ APT 4

4.1 Nguyên lý cơ bản 4

4.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nén ép sinh học 5

4.2.1.Xử lý yếm khí nén ép bằng trọng lực 6

4.2.2 Xử lý hiếu khí cưỡng bức 8

4.2.3 Ruộng chảy tràn 8

4.3 Phương án cụ thể cho trường hợp bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ 11

5 Khái toán của phương án 13

6 Phân tích kinh tế 15

6.1 Giá xử lý nước rỉ rác chưa tính đến khấu hao 15

6.2 Giá xử lý nước rỉ rác có tính đến khấu hao 16

7 Đánh giá hiệu quả tổng thể 16

1 TÊN DỰ ÁN

Ứng dụng công nghệ sinh học nén ép xử lý nước rỉ tại bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ - Gia Lâm - Hà Nội

2 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT BÃI CHÔN LấP CHấT THảI RắN KIÊU KỴ

Bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ có diện tích 14 ha nằm tại xã Kiêu Kỵ,huyện Gia Lâm được sử dụng phục vụ cho việc chôn lấp rác thải hàng ngày của 2thị trấn: Gia Lâm, Yên Viên, và các xã của huyện Gia lâm Bãi chôn lấp chất thảirắn Kiêu kỵ Gia lâm là khu chôn lấp rác lớn thứ hai, sau khu liên hợp xử lý chấtthải Nam Sơn của thành phố Hà Nội Hiện nay, lượng rác thải tập kết vào bãimỗi ngày vào khoảng 70 – 80 m3 với lưu lượng nước rỉ rác trung bình là 150 m3.Tuy nhiên, lượng nước rỉ rác được sinh ra mỗi ngày phụ thuộc vào nhiều yếu tốkhác nhau Đặc biệt vào những ngày mưa bão, lượng nước rác sinh ra từ rác tăngcao so với những ngày nắng ráo do một lượng lớn nước mưa thấm vào bãi chônlấp Nhìn chung, lưu lượng nước rác dao động trong khoảng 50 - 300 m3/ngày.

3 Thành phần và tính chất nước rác :

Quá trình phân huỷ chất thải rắn trải qua 3 giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1 - Phân huỷ hiếu khí: Giai đoạn này xảy ra nhanh, khoảng

thời gian đặc trưng ít hơn 1 tháng Khi oxy có sẵn trong rác được sử dụnghết (trừ những vùng gần bề mặt) thì pha phân huỷ hiếu khí sẽ dừng lại.Giai đoạn này cũng có thể kéo dài một vài ngày hoặc một tuần Vớikhoảng thời gian lâu, các bãi chôn lấp chất thải rắn sẽ tạo ra một lượng đáng

kể CO2 và H2 (lên đến 20% thể tích), đặc biệt là những nơi chôn lấp khôráo Sau một thời gian oxy cạn dần và điều kiện kỵ khí bắt đầu phát triển,nitrat và sunphat đóng vai trò chất nhận electron trong các phản ứngchuyển hoá sinh học, thường bị khử đến khí N2 và H2S

- Giai đoạn 2 – Giai đoạn phân hủy kị khí: Trong giai đoạn này

các chất hữu cơ bị phân hủy (thủy phân và lên men) để tạo ra các hợpchất đơn giản, hoà tan như là axit béo bay hơi (làm tăng giá trị BOD5) vàamonia nhờ các vi sinh vật kỵ khí và tùy tiện Trong giai đoạn này pH củanước rác bắt đầu giảm do sự hiện diện của các axit hữu cơ và ảnh hưởngcủa sự gia tăng nồng độ CO2 trong bãi chôn lấp chất thải rắn Giai đoạn 2

có thể kéo dài sau một vài năm, thậm chí cả thập niên Nước rò rỉ tạo ratrong giai đoạn này có giá trị BOD5 cao (thường lớn hơn 10.000 mg/l),

pH 5-6, nước rỉ đậm đặc, có mùi, nồng độ amonia cao (=< 1000 mg/l) Đặctính hoá học này, giúp hoà tan các thành phần khác trong rác dẫn đến nồng

CO2, mùi và hydrogen với hàm lượng ít hơn.

- Giai đoạn 3 – Giai đoạn lên men metan: Sự phát triển của vi khuẩn

methane dần dần trở nên chiếm ưu thế và bắt đầu phân huỷ những hợpchất đơn giản, tạo ra các hỗn hợp khí CO2 và CH4 (cộng với một sốthành phần dạng vết khác) tạo nguồn khí của bãi chôn lấp chất thải rắn.Chúng sử dụng những hợp chất hữu cơ hoà tan (chủ yếu là những axitbéo) là thành phần chính trong nước rò rỉ ở giai đoạn 2 Những vi khuẩnnày là loại kỵ khí và chuyển đổi các hợp chất hữu cơ hoà tan thànhmethane (CH4) và CO2, mà sau đó thoát ra ngoài Lúc này tốc độ sinhkhí giảm đáng kể do phần lớn các chất dinh dưỡng đã dùng hết qua cácpha trước và chất nền còn lại thì khả năng phân huỷ sinh học khá chậm.Suốt pha này, nước rác chứa các chất hữu cơ trơ như axit humic vàfulvic rất khó phân huỷ sinh học Nước rò rỉ tạo ra trong suốt giai đoạn 3thường ổn định Trong giai đoạn này hoạt động về mặt sinh học được xem

là hiệu quả nhất Nước rò rỉ tạo ra trong giai đoạn 3 có hàm lượng BOD5tương đối thấp, tỷ số BOD5/COD thấp Tuy nhiên ammonia vẫn tiếp tụcsinh ra từ quá trình lên men axit theo bậc 1 và có nồng độ rất cao trongnước rò rỉ Các chất vô cơ như: Fe, Na, K, SO42- và Cl- tiếp tục tan và rỉ ra

từ bãi chôn lấp trong nhiều năm

3.2 Thành phần và tính chất của nước rác

Thành phần nước rác thay đổi rất nhiều, từ bãi chôn lấp chất thải rắnnày đến bãi chôn lấp chất thải rắn khác Thành phần của nước rác chịu ảnhhưởng các yếu tố sau:

 Thành phần rác

 Tuổi bãi chôn lấp chất thải rắn

 Chế độ vận hành của bãi chôn lấp chất thải rắn, chiều cao chất rác

 Thời tiết

 Điều kiện thuỷ văn khu vực

 Hoạt động hoá học, sinh học, lượng ẩm, nhiệt độ, pH, mức độ ổn

mg/l CaCO3 mg/l CaCO3 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

7.500 – 28.000 10.000 – 40.000 5,2 – 6,4

800 – 4.000 3.500 – 5.000

25 – 35

56 – 482 0,2 – 0,8

10 - 30

4.000 8.000 6,3 5.810 2.200 12 _ 0,5 1.330 308 6,3 450 0,06

< 0,5 0,4

80 400 _ 2.250 540 8 _ 1,6 70 109 0,6 90 0,06

< 0,5 0,1

Nguồn : Chian và DeWalle 1976, 1977

Nhìn chung ở những bãi chôn lấp chất thải rắn mới (giai đoạn axit), nướcrác thường có pH thấp, nồng độ BOD5, TOC, COD và kim loại nặng cao Ởnhững bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm (giai đoạn methane của quá trìnhphân huỷ), pH = 6,5 – 7,5 Nồng độ chất ô nhiễm cũng giao động theo mùatrong năm (mùa mưa và mùa khô)

Thành phần nước rác từ chất thải rắn sinh hoạt có hàm lượng chất ônhiễm sinh học và vi sinh gây bệnh cao Trong khi đó nước rò rỉ từ bãichôn lấp chứa chất thải công nghiệp thường có hàm lượng ô nhiễm vô cơ

và kim loại nặng cao Nói cách khác , thành phần tính chất nước rò rỉ liênquan chặt chẽ với thành phần đặc trưng của rác

mg/l mg/l mg/l

50 - 1500

200 - 3000

50 - 1200

10000 18000 200 200 25 30 3000 6 250 500 60

50 – 200

100 – 400

20 - 200

Nguồn : Tchobanoglous et.al 1993

Thành phần rác thải bao gồm cả hữu cơ và vô cơ vì vậy nồng độ các chấttrong nước rỉ rác cao, mức độ nguy hại lớn Kết quả phân tích mẫu nước rỉ rác lấyngày 5/10/2009 tại bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ như sau:

Bảng 3 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ sinh học

Ghi chú: KPH: Không phát hiện thấy

Phân tích từ các bảng số liệu cho thấy rằng sau một thời gian phân huỷ,hàm lượng BOD, COD đã giảm nhiều so với thời gian trước đây, tuy vậy hàmlượng các chất ô nhiễm vẫn còn khá cao (COD, BOD5 gấp nhiều lần tiêu chuẩncho tiêu chuẩn cho phép) Hàm lượng SS cũng giảm vì nước rác đã lắng khá lâu.Hiện nay pH dao động trong khoảng 4,5 – 5,5 do các axit humic, fulvic,ammonia và một số hợp chất khác được tạo ra trong quá trình thủy phân các chấthữu cơ Tóm lại, nước rác lưu chứa trong các hồ và ứ đọng ở một số chỗ bị ônhiễm rất nặng, mùi hôi khó chịu Nước có hàm lượng chất hữu cơ khó phân huỷsinh học, độ kiềm, ammonia và vi sinh gây bệnh cao

3 HIỆN TRẠNG XỬ LÝ NƯỚC RỈ TẠI BÃI CHÔN LẤP CHẤT THẢI RẮN KIÊU KỴ

Tại các bãi tập kết, rác sau đó được chôn lấp và sinh ra một lượng lớn nướcrác Bãi chôn lấp chất thải rắn chưa có hệ thống xử lý nước rác, hàng ngày lượngnước này thấm dần vào đất gây suy giảm chất lượng nước ngầm từ đó đe doạ đếnsức khoẻ người dân

Bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ hiện có hệ thống xử lý nước rác với giaiđoạn chính là:

- Nước rác từ các hố chôn rác được quy tụ, đưa vào hồ sinh học có diệntích 6000 m2, với độ sâu 2 - 3 m => thể tích hồ sinh học là:

6000 m2 * 2 - 3 m = 12.000 - 18.000 m3Với lưu lượng nước rác 150 m3/ngày, hồ sinh học có thể chứa nước rác tối

đa trong thời gian:

18.000 m3 : 150 m3/ngày = 120 ngày

Thời gian lưu nước rỉ rác tối thiểu trong hồ sinh học là:

12.000 m3 : 150 m3/ngày = 80 ngàyNhư vậy, trung bình nước rác lưu lại trong hồ sinh học trong vòng 100ngày Với khoảng thời gian này, một phần chất hữu cơ trong nước rác đã đượcphân hủy Tuy nhiên, do hàm lượng các chất trong nước rác quá cao nên lượngoxi cần thiết để phân huỷ các chất không được cung cấp đủ Vì vậy, để tăng

cường khả năng phân huỷ các chất ô nhiễm, tại bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu kỵngười ta đã tăng cường một số giải pháp bổ sung:

+ Gia tăng chế phẩm EM nhằm khử mùi hôi, tiêu diệt các vi sinh vật có hại

và thúc đẩy quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước rác

+ Lắp đặt các thiết bị sục khí kiểu guồng quay nửa nổi nửa chìm nhằm tănglượng oxi hòa tan để các vi sinh vật hiếu khí hoạt động hỗ trợ tiếp tục cho quátrình phân hủy

Tuy nhiên, theo kết quả đo, hàm lượng COD trong hồ sinh học vẫn có giátrị trong khoảng 1538 mg/l, vượt nhiều lần so với TCVN 5945 - 2005 Lượngnước này sau đó được đổ ra sông Cầu Bây Rõ ràng, nước rác đã trở thành mộtnguồn gây ô nhiễm nước sông, ảnh hưởng đến cuộc sống người dân xung quanhkhu vực

Qua đó có thể thấy các ảnh hưởng do bãi tập kết rác đem lại đã được cácnhà quản lý quan tâm Nhiều phương án khắc phục được áp dụng nhằm cải thiệnmôi trường xung quanh khu vực xử lý rác Tuy nhiên, kết quả đạt được chưa khảquan Vì vậy, vấn đề đặt ra đó là cần thiết nghiên cứu, xây dựng một hệ thống xử

lý nước rác mang lại hiệu quả cao với chi phí lắp đặt và vận hành thấp, có tínhhiệu quả cao cả về kinh tế và xã hội

4 PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC NÉN ÉP CỦA CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ VÀ TƯ VẤN XÂY DỰNG APTCO VIỆT NAM

4.1 Nguyên lý cơ bản

Sơ đồ nguyên lý cơ bản của hệ thống xử lý nước rỉ bãi chôn lấp chất thảirắn bằng công nghệ sinh học nén ép như trình bày trong hình 1

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý cơ bản của công nghệ sinh học nén ép

Quá trình hoạt động của hệ thống được giải thích như sau Nước rỉ bãi

Thiết bị xử lý yếm khí (UASB) Thiết bị keo tụ

Hồ sinh học

Thiết bị lọc sinh học

Bể lắng 2

Bể Aerotank

Xử lý thiếu khí (anoxic)

Bể nén bùn

Nguồn tiếp nhận

Bùn tuần hoàn

Nước tách bùn

Chôn lấp Bùn dư

chôn lấp chất thải rắn được gom tại hồ sinh học đã xây dựng trong các giai đoạntrước Hồ này có dung tích khoảng 6000m3

Như kết quả phân tích cho thấy tỉ lệ BOD5/COD = 1538/930 = 0,6 chothấy rằng nước rác có thể xử lý bằng các biện pháp sinh học Tuy nhiên, do trongnước rác có chứa nhiều chất độc (như KLN, các hợp chất khó phân hủy, NH4+ ởnồng độ cao) sẽ ức chế hoạt động phân hủy các hợp chất hữu cơ của vi sinhvật.Chính vì vậy, đòi hỏi phải làm giảm nồng độ NH4+ có trong nước rác trướckhi xử lý bằng biện pháp sinh học

Nước thải tại hồ được bơm lên được đưa vào bể phản ứng Tại đây chúngtôi sử dụng phenton để oxy hóa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (axithumic, fuvic ) thành các hợp chất đơn giản dễ phân hủy sinh học

Gốc •OH của phenton tham gia vào phản ứng ôxi hóa các hợp chất hữu cơ cótrong nước cần xử lý: chuyển chất hữu cơ từ dạng cao phân thành các chất hữu cơ

có khối lượng phân tử thấp

CHC (cao phân tử) +•HO → CHC (thấp phân tử) +CO2 +H2O+ OH

-• Trung hòa và keo tụ

Sau khi xảy ra quá trình oxi hóa cần nâng pH dung dịch lên >7 để thực hiệnkết tủa Fe3+ mới hình thành:

Fe3+ + 3OH-→Fe(OH)3Kết tủa Fe(OH)3 mới hình thành sẽ thực hiện các cơ chế keo tụ, đông tụ, hấpphụ một phần các chất hữu cơ chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử

bể điều chỉnh pH và keo tụ nhằm làm giảm nồng độ chất rắn lơ lửng và kết tủacác ion kim loại nặng có trong nước rác Tại đây chúng tôi sử dụng sữa vôi đểđiều chỉnh pH đạt tới 10,5-11,5 nhằm kết tủa hoàn toàn các ion kim loại có trongnước thải Chúng ta biết rằng ammonia (NH4+) có thể bị tách ra khỏi nước thảibằng quá trình tách khí dựa trên cơ sở cân bằng hoá học:

NH4+ + OH- → NH3 + H2OPhần lớn ammonia chuyển sang dạng khí ở pH cao, thường trongkhoảng 10,5 -11,5 Do đó, pH là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả quá

trình Bên cạnh đó quá trình còn rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, nhiệt

độ cảng giảm thì độ hoà tan ammonia càng tăng Vì vậy, nhiệt độ giảm thì lượngkhông khí cần cung cấp tăng đáng kể nhu cầu năng lượng sử dụng Tuy nhiên, donước ta là nước nhiệt đới, nhiệt độ trung bình năm 20-25oC nên mức độ ảnhhưởng của nhiệt độ đến quá trình là không lớn

Các bông keo sau khi hình thành sẽ lắng xuống khiến làm giảm COD,mầu, mùi, làm tăng tỉ lệ BOD5/COD trong nước thải Sau quá trình lắng các chấthữu cơ còn lại (nếu có) trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ có khốilượng phân tử thấp sẽ được xử lý bổ sung bằng phương pháp sinh học hoặc bằngcác phương pháp khác Các cặn lắng sẽ được xả định kỳ và đưa trở lại bãi chônlấp chất thải rắn để chôn lấp

Tiếp đó nước rác sẽ được bơm lên hệ thống xử lý sinh học yếm khí.Tháp này sẽ xử lý khoảng 80% hàm lượng ô nhiễm Tháp xử lý sinh học yếm khínày cao 6m, có đường kính 3,2m, làm bằng thép cường độ cao dày 3mm Sơnphủ chống ăn mòn cả trong và ngoài bằng composite cao cấp Nước rác được bốphân phối một cách đồng đều trên toàn bộ tiết diện tháp Nước rác được đưa từdưới lên nhằm tận dụng áp lực của nước để khuấy trộn nhằm tăng khả năng tiếpxúc của nước rác với vi sinh vật dẫn đến làm tăng tốc độ phân hủy chất hữu cơ.Sản phẩm của quá trình phân hủy là khí gas CH4, có thể được dùng như một sảnphẩm phụ của quá trình xử lý

Sau khi ra khỏi tháp nén ép sinh học thì nước rác được đưa vào bộ phận

xử lý thiếu khí (anoxic) để khử nitơ

Phương trình năng lượng sử dụng methanol, ammonia-N làm chất nhậnelectron được viết như sau:

NO3- + 2,5CH3OH + 0,24H2CO3 → 0,5C5H7O2N + 0,5N2 + 4,5 H2O + 0,5HCO3

-Sử dụng methanol làm nguồn carbon chuyển nitrate thành khí nitơ: Nhu cầu oxy

bị giảm 2,86 g / g nitrate bị khử Độ kiềm (CaCO3) sinh ra là 3,57 g / gnitrate bị khử nếu nitrate là nguồn nitơ cho tổng hợp tế bào Còn nếuammonia-N có sẳn, độ kiềm sinh ra thấp hơn từ 2,9 - 3 g/l CaCO3/ g nitrate bịkhử

Tiếp đó nước rác được dẫn xuống bể xử lý hiếu khí (aerotank) Tại đây,nước rác được bổ sung oxy thông qua các đĩa phân phối khí đặt ở dưới đáy bể đểtạo ra khí oxy dạng bọt nhằm làm tăng khả năng hòa tan của oxy trong nước Các

vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan trong nước để oxy hóa các chất hữu cơ còn lạitrong dòng thải

Bể phản ứng sinh học hiếu khí – Aeroten là công trình bê tông cốt théphình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp người ta chế tạo cácAerotan bằng sắt thép hình khối trụ Thông dụng nhất hiện nay là các Aerotenhình bể khối chữ nhật Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí,khuấy nhằm tăng cường lượng khí oxi hòa tan và tăng cường quá trình oxi hóachất bẩn hữu cơ có trong nước

Nước thải còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hòa tan cùng các chất

lơ lửng đi vào Aeroten Các chất lơ lửng này là một số chất rắn và có thể là cácchất hữu cơ chưa phải là dạng hòa tan Các chất lơ lửng làm nơi vi khuẩn bámvào để cư trú, sinh sản và phát triển, dần thành các hạt cặn bông Các hạt này dầndần to và lơ lửng trong nước Chính vì vậy xử lý nước thải ở Aeroten được gọi làquá trình xử lý với sinh vật lơ lửng của quần thể vi sinh vật Các bông cặn nàycũng chính là bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là loại bùn xốp chứa nhiều vi sinh vật

có khả năng oxi hóa và khoáng hóa các chất hữu cơ chứa trong nước thải Để giữcho bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng và để đảm bảo oxi dung cho quá trình oxihóa các chất hữu cơ thì phải luôn luôn đảm bảo việc thoáng gió Số lượng bùntuần hoàn và số lượng không khí cần cấp lấy phụ thuộc vào độ ẩm vào mức độyêu cầu xử lý nước thải.Thời gian nước lưu trong bể aeroten không lâu quá 12giờ (thường là 4 -8 giờ)

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

- Giai đoạn thứ nhất: 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 sinhvật sinh trưởng, đặc biệt ở thời gian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trongnước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này rất Sau khi

vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng sinh trưởng rất mạnh theocấp số nhân Vì vậy, lượng tiêu thụ oxi tăng cao dần.

- Gian đoạn hai: 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 bịphân hủy nhiều nhất

Hoạt lực enzym của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cựcđại và kéo dài trong một tời gian tiếp theo Điểm cực đại của enzym oxi hóacủa bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính (sinhkhối vi sinh vật) tới mức ổn định

Qua các thông số hoạt động của aeroten cho thấy ở gian đoạn thứ nhất tốc độtiêu thụ oxi (hay tốc độ oxi hóa) rất cao, có khi gấp 3 lần ở giai đoạn thứ hai

- Giai đoạn thứ ba: 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 oxităng lên Đây là giai đoạn nitrat hóa các muối amon

Sau cùng, nhu cầu oxi lại giảm và cần phải kết thúc quá trình làm việc củaaeroten (làm việc theo mẻ) Ở đây cần lưu ý rằng, sau khi oxi hóa được 80-95%BOD trong nước thải, nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí, bùn hoạt tính sẽ lắngxuống đáy, cần phải lấy bùn cặn ra khỏi nước Nếu không kịp thời tách bùn, nước

sẽ bị ô nhiễm thứ cấp, nghĩa là 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 có các hợp chất chứa chất béo,hidratcacbon, các chất khoáng…khi bị tự phân sẽ làm ô nhiễm nguồn nước

Tại đây cũng xảy ra quá trình nitrat hóa (Nitrification) Quá trình nitrathoá là quá trình oxy hóa hợp chất chứa nitơ, đầu tiên là ammonia được chuyểnhoá thành nitrit sau đó nitrit được oxy hóa thành nitrat Quá trình nitrat hoáđược diễn ra theo hai bước liên quan đến hai chủng loại vi sinh vật tựdưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter

Bước 1: Ammonia được chuyển hoá thành nitrit được thực hiện bởi loài Nitrosomonas:

NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + 2 H+ + H2O (1)Bước 2 : Nitrit được chuyển hoá thành nitrat được thực hiện bởi loài Nitrobacter:

NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2 H+ + H2O (3)

Từ phương trình (3), lượng oxy tiêu thụ là 4,57 g/g NH4+-N bị oxyhoá, trong đó3,43 g/g sử dụng cho tạo nitrit và 1,14 g/g sử dụng cho tạo nitrat, 2 đương lượngion H+ tạo ra khi oxy hoá 1 mol ammonium, ion H+ trở lại phản ứng với 2đương lượng ion bicacbonate trong nước thải Kết quả là 7,14 g độ kiềmCaCO3 bị tiêu thụ/g NH4+ bị oxyhoá Phương trình (3) sẽ thay đổi chút ít khi quátrình tổng hợp sinh khối được xem xét đến, nhu cầu oxy sẽ ít hơn 4,57 g dooxy còn nhận được từ sự cố định CO2, một số ammonia và bicacbonate đivào trong tế bào Cùng với năng lượng đạt được, ion ammonium được tiêuthụ vào trong tế bào Phản ứng tạo sinh khối đươc viết như sau:

4 CO2 + HCO3- + NH4 + H2O → C5H7O2N + 5 O2

- Theo U.S.EPA Nitrogen Control Manual (1975): toàn bộ phản ứng oxy hoá vàtổng hợp sinh khối được viết như sau:

NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3- → 0,021 C5H7O2N + 0,98 NO3- + 1,041 H2O +1,88 H2CO3

Nhu cầu oxy là 4,2 g/g NH4+-N bị oxy hoá

- Theo Gujer và Jenkins (1974) : toàn bộ phản ứng oxy hoá và tổng hợp sinhkhối được viết như sau:

1,02 NH4+ + 1,89 O2 + 2,02 HCO3- → 0,021 C5H7O2N + NO3- + 1,06 H2O +1,92 H2CO3

Nhu cầu oxy giảm xuống còn 4,3 gO2/gNH4+ bị oxy hoá, độ kiềm tiêu thụ tănglên 7,2 g/g NH4+ bị oxy hoá

Nước thải với bùn hoạt tính tuần hoàn sau khi qua bể aeroten cho qua bểlắng đợt 2 Bể lắng đợt hai có nhiệm vụ chắn giữ các bông bùn hoạt tính đã qua

xử lý ở bể Aerotank và các thành phần tính chất không hoà tan Hỗn hợp nước –bùn hoạt tính từ bể Aerotank được đưa liên tục sang bể lắng đứng để loại bỏ bùnhoạt tính trước khi dẫn đến công trình xử lý tiếp theo Nước thải đươc dẫn vàoống trung tâm Ống trung tâm ở thiết bị lắng đứng được thiết kế sao cho nước khi

ra khỏi ống trung tâm có vận tốc nước đi lên trong thiết bị chậm nhất (trạng tháitĩnh), khi đó các bông cặn hình thành có tỉ trọng đủ lớn để thắng được vận tốc củadòng nước thải đi lên sẽ lắng xuống đáy của thiết bị lắng Nước thải ra khỏi thiết

bị có nồng độ COD giảm 70 – 80% Bùn lắng một phần được tuần hoàn trở lạiAeroten để đảm bảo nồng độ bùn hoạt tính trong bể, phần khác đưa tới bể nénbùn

Tiếp đó, nước rác được đưa tới bể lọc sinh học nhỏ giọt (biophin) Lọcnhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước Bể biophinxây dựng dưới dạng hình tròn có tường đặc và đáy kép Đáy trên là tấm đan đỡlớp vật liệu lọc, đáy dưới liền khối không thấm nước Chiều cao giữa hai lớp đáylấy khoảng 0,4-0,6 m, độ dốc hướng về máng thu I >= 0,01 Dộ dốc theo chiềudài của máng thu lấy theo kết cấu, nhưng không được nhỏ hơn 0,005 Tường bểlàm cao hơn lớp vật liệu lọc 0,5 m

Đặc điểm riêng của bể biophin nhỏ giọt là kích thước của vật liệu lọc không lớnhơn 25-30 mm và tải trọng tưới nước nhỏ 0,5-1,0 m3/(m3.VLL)

Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thểtích là lớn nhất trong điều kiện có thể Nước đến lớp vật liệu lọc chia thành cácdòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếpxúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm do vi sinh vật củamàng phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ có trong nước Các chất hữu cơ phânhủy hiếu khí sinh ra CO2 và nước Khi lớp màng sinh học dày lên thì các vi khuẩn

ở lớp trong sẽ thiếu oxy nên sẽ chết đi làm tróc màng ra khỏi vật liệu mang, bịnước 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 bị visinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng và nước thải được làm sạch

Nước thải trước khi đưa vào xử lý ở lọc phun (nhỏ giọt) cần phải qua xử lý

sơ bộ để tránh tắc nghẽn các khe trong vật liệu Nước sau khi xử lý ở lọc sinh họcthường nhiều chất lơ lửng do các mảnh vỡ của màng sinh học cuốn theo, vì vậycần phải được lắng trước khi thải ra Bể biophin được thiết kế với ngăn lắng ởđáy nhằm hạn chế lượng chất rắn lơ lửng trước khi thải ra

Cuối cùng trước khí thải ra ngoài, nước được đưa qua một ruộng chảytràn Ruộng chảy tràn là một kênh xây bằng gạch, có độ rộng 2,5m, sâu 0,5, dài100m Trong ruộng xếp các lớp vật liệu lọc thành 3 lớp, tạo ra các khe kẽ làmchậm dòng chảy để lắng bùn hiếu khí Trên mặt ruộng có trồng cây sậy họ CaulisBambues in Taniis Đây là một loại cây có khả năng hấp phụ mạnh các kim loạinặng như Ni, Cr, Mn, Hg, Zn,… Ngoài ra cây sậy còn phân huỷ nhanh Nitơ vàPhôt pho, cũng như Lưu huỳnh tồn dư của các quá trình trước đó Ruộng chảytràn có thể phân huỷ được gần 10% chất ô nhiễm, đặc biệt các thành phần khóphân huỷ như kim loại nặng

5 Cơ sở khoa học của công nghệ nén ép sinh học

Nước rỉ rác có chứa nhiều các chất vô cơ và hữu cơ Thành phần hoá họccủa nước rỉ rác rất phức tạp và không đồng nhất, do việc phân loại rác ở nước tachưa được thực hiện tốt Có nhiều công nghệ xử nước rỉ rác khác nhau Côngnghệ xử lý nước rác tiên tiến hiện nay trên thế giới là sử dụng màng lọc Nano

Công nghệ này đã từng được ứng dụng tại bãi chôn lấp chất thải rắn Gò Cátnhưng chỉ sau vài ngày vận hành, thiết bị đã bị hỏng và không thể hoạt động như

dự kiến Nguyên nhân chủ yếu đó là các chuyên gia nước ngoài chưa tiến hànhkhảo sát kỹ thành phần rác và ở Việt Nam, rác được phân loại chưa tốt như cácquốc gia khác

Hệ thống xử lý nước rỉ tại bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ là hồ sinh học

có bổ sung chế phẩm EM và các thiết bị sục khí Tuy nhiên hiệu quả đạt đượcchưa cao, do nồng độ các chất ô nhiễm cao nên nhu cầu oxi hòa tan lớn Hệ thống

xử lý này chưa cung cấp đủ lượng oxi cần thiết để có thể phân huỷ được hết cácchất vô cơ và hữu cơ trong nước rác

Một hệ thống xử lý nước rác khác đã được lắp đặt tại khu liên hiệp xử lýrác Nam Sơn với chi phí xây dựng lên đến trên 20 tỉ VNĐ và giá thành xử lý là35.000đ/m3 nước rác Rõ ràng, kể cả khi hiệu quả xử lý của hệ thống tốt, nhưngvới chi phí lắp đặt và chi phí vận hành cao như trên thì khả năng nhân rộng của

hệ thống cũng rất khó khăn

Vì vậy, công nghệ sinh học nén ép đã được nghiên cứu áp dụng nhằm tớicác mục tiêu :

- Xử lý nước rác đạt hiệu quả cao

- Chi phí đầu tư lắp đặt nhỏ

5.1 Xử lý yếm khí nén ép bằng trọng lực

Nguyên tắc yếm khí nén ép bằng trọng lực dựa trên cơ sở kích hoạt sự pháttriển cực nhanh của các vi khuẩn yếm khí đặc biệt trong môi trường lớp bùn bịnén ép cường độ cao Trong lớp bùn đó được cấy một số chủng vi sinh đặc biệtgiúp thúc đẩy nhanh quá trình phân huỷ các chất ô nhiễm Nước thải sẽ được đưa

vào đáy giếng, rồi chảy ngược dòng lên miệng giếng tràn ra ngoài Vì nước đingược nên theo trọng lực các phần tử lơ lửng tan trong dòng nước có xu hướngrơi tự do xuống Người ta phải thiết kế modul nén ép sao cho lực đẩy nước đi lêncân bằng dương với trọng lực rơi xuống để nén ép thành lớp bùn đặc quánh Suốtquá trình nước thải ngược dòng dưới lên trên thì có 3 quá trình sinh hoá xảy raliên tục là thuỷ phân, axetat hóa và metan hóa

Các vi sinh vật sử dụng trong xử lý nước thải.

Vi sinh vật sử dụng trong xử lý nước thải có các yêu cầu sau:

- Có khả năng oxy hoá mạnh các chất hữu cơ

- Kích thước của vi sinh vật lớn, không phải dạng sợi, tảo nha bào, có khảnăng tạo bông hạt kết dính với nhau để tạo thành bùn sinh học

- Trong một số trường hợp, nước thải có chứa các chất hữu cơ phức tạpnhư các hợp chất Clo hữu cơ cần chọn các chủng loại vi sinh vật đặc biệt cóenzym phân huỷ được chúng

Các vi khuẩn thường được sử dụng để tạo bùn hoạt tính trong xử lý nướcthải: Pseudomonas, Nitrobacter, Flavobacterium, Alcaligenes…Vi khuẩn hiếu khítuỳ tiện bao gồm các chi: Cellulomonas, Rodopseudomonas, Nitromonas

Ngoài ra, tuy không mong muốn nhưng trong bùn hoạt tính sử dụng trongquá trình xử lý nước thải thường gặp vi khuẩn dạng sợi (vi hiếu khí) nhưMicrothrix, Thiothrix, Besgiata…

Trong bùn hoạt tính còn có một thành phần quan trọng đó là nguyên sinhđộng vật (Flagellata, Cillata…) Các thành phần nguyên sinh động vật có tácdụng làm cho bùn xốp dễ kết lắng và một số loại sử dụng xác vi khuẩn chết lànguồn thức ăn tạo cho bùn có tỉ lệ vi khuẩn sống cao, hoạt tính mạnh Khi sửdụng polime keo tụ thì các chất lơ lửng sẽ lắng xuống đáy Quá trình metan hoá

là khâu quan trọng nhất trong tháp nén ép Nó được viết như sau:

C x H y O z N + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O 2  menvisinh vat→ xCO 2 + 2

Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì khi không đủ chất dinh dưỡng,quá trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng việc oxy hoá chấtliệu tế bào (tự oxy hoá).

C 5 H 7 NO 2 + 5O 2  menvisinh vat→ 5CO 2 + NH 3 + 2H 2 O + ∆H

NH 3 + O 2 menvisinh  vat→ HNO 2 + O 2  visinhvat→ HNO 3

Quá trình này sẽ tạo ra nhiều bùn, có thể làm giảm tới 85% tải lượng ô nhiễm

5.2 Xử lý hiếu khí cưỡng bức

Khi nước đi ra khỏi tháp yếm khí nén ép sinh học thì đa số các thành phầnhữu cơ đã bi ba quá trình yếm khi phân huỷ Khi đó chỉ còn các hạt bùn kíchthước nhỏ, mà bao ngoài nó là các vi khuẩn hiếu khí, chúng đang trong trạng tháicực kỳ thiếu ô xy Để thúc đẩy quá trình oxy hóa cần phải bổ sung cấp tập mộtlượng lớn ô xy Vì nếu đủ ô xy thì các vi khuẩn hiếu khí sẽ sinh trưởng bùng phátsau một thời gian bị ức chế trong tháp nén ép yếm khí

bị hấp thụ bởi rễ cây và được biến thành sinh khối Trong các loại cây được trồngtrong ruộng chảy tràn thì cây sậy là chủng có tác dụng chống ô nhiễm cao nhất.Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về khả năng xử lý của các loại cây khácnhau Mỗi loài cây lại có một ưu điểm riêng, thích nghi với một hoàn cảnh nhấtđịnh Tuy nhiên, có thể nhìn thấy một cách tương đối rõ ràng rằng rễ cây sẽ làmgiảm tốc độ nước, qua đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắng bùn thải được hìnhthành trong quá trình xử lý hiếu khí Rễ cây lấy chất dinh dưỡng từ các chất hữu

cơ có trong nước thải để tổng hợp nên các tế bào của chúng qua đó làm giảm chỉ

số BOD5 Chúng ta biết rằng thực vật được sử dụng trong xử lý chất ô nhiễm đòihỏi phải đáp ứng một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyểncác chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu được với nồng độ các chất ô

chất ô nhiễm đặc trưng (ví dụ như gần đây các nhà khoa học Việt Nam đã pháthiện ra một loài cây dại có tên là thơm ổi thường mọc hoang dại ở Việt Nam cũng

có khả năng đặc biệt đó Loài cây này có khả năng hấp thu kim loại nặng gấp 100lần bình thường và sinh trưởng rất nhanh Khả năng “ăn” kim loại nặng của thơm

ổi, tuy chưa bằng các loài dây leo, nhưng bù lại chúng lớn nhanh như thổi, rất dễtrồng và chăm sóc Loài cây này hút lượng chì khá lớn, trung bình cao gấp 500-1.000 lần, thậm chí còn lên tới 5.000 lần so với cây đối chứng mà không bị ảnhhưởng Chúng được xem là loài siêu hấp thụ kim loại nặng là chì và cađimi )

Ở đây chúng tôi sử dụng cỏ Vertive để xử lý nước thải Đây là một loại cây

có khả năng tăng trưởng mạnh, chống chịu tốt trong điều kiện nồng độ chất hữu

cơ cao Việc sử dụng cỏ Vertive để sử lý nước thải đã được nghiên cứu và ứngdụng thành công trong thực tế ở điều kiện Việt Nam

Nước thải sau khi ra khỏi hệ thống xử lý hiếu khí sẽ được đưa vào ruộngchảy tràn Các loài thực vật làm giảm nhiều chất ô nhiễm, bao gồm các chất hữu

cơ, chất rắn lơ lửng, N2, P, kim loại, các vi sinh vật gây bệnh Việc làm giảm cácchất này được thực hiện bởi các cơ chế xử lý đa dạng

Hình 3: Mô hình bố trí các lớp của thảm thực vật trên ruộng chảy tràn

Cơ chế xử lý chất ô nhiễm của ruộng chảy tràn

Các chất hữu cơ lắng đọng được loại bỏ nhanh chóng dưới những điều kiệnnhất định do phân huỷ và thấm lọc Sự sinh trưởng của các vi sinh vật bám dính

và lơ lửng loại bỏ các hợp chất hữu cơ hoà tan Các hợp chất hữu cơ được phânhuỷ kị khí và hiếu khí Oxy cần đến cho sự phân huỷ hiếu khí và nó được cungcấp trực tiếp từ khí quyển bằng cách khuyếch tán hoặc ngấm sâu vào bầu rễ

Cát vàng Sỏi