CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI - LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

trình bày CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI - LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI - LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý nước thải :

2.1.1 Phương pháp xử lý cơ học

Xử lý cơ học (hay còn gọi là xử lý bậc I) nhằm mục đích loại bỏ các tạp chất không tan (rác, cát nhựa, dầu mỡ, cặn lơ lửng, các tạp chất nổi…) ra khỏi nước thải; điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải

Các công trình xử lý cơ học xử lý nước thải thông dụng:

2.1.1.1 Song chắn rác:

Song chắn rác thường đặt trước hệ thống xử lý nước thải hoặc có thể đặt tại các miệng xả trong phân xưởng sản xuất nhằm giữ lại các tạp chất có kích thước lớn như: nhánh cây, gỗ, lá, giấy, nilông, vải vụn và các loại rác khác, đồng thời bảo vệ các công trình bơm, tránh ách tắc đường ống, mương dẫn

Hình 1.1: Song chắn rác cơ giới

Dựa vào khoảng cách các thanh, song chắn được chia thành 2 loại:

● Song chắn thô có khoảng cách giữa các thanh từ 60 ÷100mm.

● Song chắn mịn có khoảng cách giữa các thanh từ 10 ÷25mm.

2.1.1.2 Lưới lọc

Lưới lọc dùng để khử các chất lơ lửng có kích thước nhỏ, thu hồi các thành phần quý không tan hoặc khi cần phải loại bỏ rác có kích thước nhỏ Kích thước mắt lưới từ 0,5÷1,0mm

Lưới lọc thường được bao bọc xung quanh khung rỗng hình trụ quay tròn (hay còn gọi là trống quay) hoặc đặt trên các khung hình dĩa

2.1.1.3 Bể lắng cát

Bể lắng cát đặt sau song chắn, lưới chắn và đặt trước bể điều hòa, trước bể lắng đợt I Nhiệm vụ của bể lắng cát là loại bỏ cặn thô nặng như cát, sỏi, mảnh vỡ thủy tinh, kim loại, tro tán, thanh vụn, vỏ trứng… để bảo vệ các thiết bị cơ khí dễ bị mài mòn, giảm cặn nặng ở các công đoạn xử lý tiếp theo Bể lắng cát gồm 3 loại:

● Bể lắng cát ngang

Hình 1.2: Bể lắng cát ngang

● Bể lắng cát thổi khí

● Bể lắng cát ly tâm

2.1.1.4 Bể tách dầu mỡ

Các loại công trình này thường được ứng dụng khi xử lý nước thải công nghiệp, nhằm loại bỏ các tạp chất có khối lượng riêng nhỏ hơn nước Các chất này sẽ bịt kín lỗ hổng giữa các hạt vật liệu lọc trong các bể sinh học…và chúng cũng phá hủy cấu trúc bùn hoạt tính trong bể Aerotank, gây khó khăn trong quá trình lên men cặn

2.1.1.5 Bể điều hòa

Bể điều hòa được dùng để duy trì dòng thải và nồng độ vào công trình xử lý ổn định, khắc phục những sự cố vận hành do sự dao động về nồng độ và lưu lượng của nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình xử lý sinh học Bể điều hòa có thể được phân loại như sau:

●Bể điều hòa lưu lượng

●Bể điều hòa nồng độ

●Bể điều hòa cả lưu lượng và nồng độ.

2.1.1.6 Bể lắng

Dùng để tách các chất không tan ở dạng lơ lửng trong nước thải theo nguyên tắc trọng lực Các bể lắng có thể bố trí nối tiếp nhau Quá trình lắng tốt có thể loại bỏ đến

90 ÷ 95% lượng cặn có trong nước thải Vì vậy đây là quá trình quan trọng trong xử lý nước thải, thường bố trí xử lý ban đầu hay sau khi xử lý sinh học Để có thể tăng cường quá trình lắng ta có thể thêm vào chất đông tụ sinh học

Bể lắng được chia làm 3 loại:

● Bể lắng ngang (có hoặc không có vách nghiêng):

Hình 1.3: Bể lắng ngang

● Bể lắng đứng: mặt bằng là hình tròn hoặc hình vuông Trong bể lắng hình tròn

nước chuyển động theo phương bán kính (radian)

● Bể lắng li tâm: mặt bằng là hình tròn Nước thải được dẫn vào bể theo chiều từ

tâm ra thành bể rồi thu vào máng tập trung rồi dẫn ra ngoài

2.1.1.7 Bể lọc

Công trình này dùng để tách các phần tử lơ lửng, phân tán có trong nước thải với kích thước tương đối nhỏ sau bể lắng bằng cách cho nước thải đi qua các vật liệu lọc như cát, thạch anh, than cốc, than bùn, than gỗ, sỏi nghiền nhỏ… Bể lọc thường làm việc với hai chế độ lọc và rửa lọc Quá trình lọc chỉ áp dụng cho các công nghệ xử

lý nước thải tái sử dụng và cần thu hồi một số thành phần quí hiếm có trong nước thải Các loại bể lọc được phân loại như sau:

● Lọc qua vách lọc

● Bể lọc với lớp vật liệu lọc dạng hạt

● Thiết bị lọc chậm

● Thiết bị lọc nhanh.

Hình 1.4 : Bể lọc 2.1.2 Phương pháp xử lý hoá học

2.1.2.1 Đông tụ và keo tụ

Phương pháp đông tụ-keo tụ là quá trình thô hóa các hạt phân tán và nhũ tương,

độ bền tập hợp bị phá hủy, hiện tượng lắng xảy lắng

Sử dụng đông tụ hiệu quả khi các hạt keo phân tán có kích thước 1-100µm Để tạo đông tụ, cần có thêm các chất đông tụ như:

● Phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O Độ hòa tan của phèn nhôm trong nước ở 200C là

362 g/l pH tối ưu từ 4.5-8

● Phèn sắt FeSO4.7H2O.Độ hòa tan của phèn sắt trong nước ở 200C là 265 g/l Quá trình đông tụ bằng phèn sắt xảy ra tốt nhất ở pH >9

● Các muối FeCl3.6H2O, Fe2(SO4)3.9H2O, MgCl2.6H2O, MgSO4.7H2O, …

● Vôi.

Khác với đông tụ, keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử vào Chất keo tụ thường sử dụng như: tinh bột, ester, cellulose, … Chất keo tụ có thể sử dụng độc lập hay dùng với chất đông tụ để tăng nhanh quá trình đông tụ và lắng nhanh các bông cặn Chất đông tụ có khả năng làm mở rộng phạm vi tối ưu của quá trình đông tụ, làm tăng tính bền và độ chặt của bông cặn, từ đó làm giảm được lượng chất đông tụ, tăng hiệu quả xử lý Hiện tượng đông tụ xảy ra không chỉ do tiếp xúc trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ theo các hạt lơ lửng Khi hòa tan vào nước thải, chất keo tụ có thể ở trạng thái ion hoặc không ion, từ đó ta có chất keo tụ ion hoặc không ion

Hình 1.5: Quá trình tạo bông cặn của các hạt keo 2.1.2.2 Trung hòa

Nước thải của một số ngành công nghiệp, nhất là công nghiệp hóa chất, do các quá trình công nghệ có thể có chứa các acid hoặc bazơ, có khả năng gây ăn mòn vật liệu, phá vỡ các quá trình sinh hóa của các công trình xử lý sinh học, đồng thời gây các tác hại khác, do đó cần thực hiện quá trình trung hòa nước thải

Các phương pháp trung hòa bao gồm:

● Trung hòa lẫn nhau giữa nước thải chứa acid và nước thải chứa kiềm.

● Trung hòa dịch thải có tính acid, dùng các loại chất kiềm như: NaOH, KOH,

NaCO3, NH4OH, hoặc lọc qua các vật liệu trung hòa như CaCO3, dolomit,…

● Đối với dịch thải có tính kiềm thì trung hòa bởi acid hoặc khí acid.

Để lựa chọn tác chất thực hiện phản ứng trung hòa, cần dựa vào các yếu tố:

● Loại acid hay bazơ có trong nước thải và nồng độ của chúng.

● Độ hòa tan của các muối được hình thành do kết quả phản ứng hóa học.

2.1.2.3 Oxy hoá khử

Đa số các chất vô cơ không thể xử lý bằng phương pháp sinh hóa được, trừ các trường hợp các kim loại nặng như: Cu, Zn, Pb, Co, Fe, Mn, Cr,…bị hấp phụ vào bùn hoạt tính Nhiều kim loại như : Hg, As,…là những chất độc, có khả năng gây hại đến sinh vật nên được xử lý bằng phương pháp oxy hóa khử Có thể dùng các tác nhân oxy hóa như Cl2, H2O2, O2 không khí, O3 hoặc pirozulite ( MnO2) Dưới tác dụng oxy hóa, các chất ô nhiễm độc hại sẽ chuyển hóa thành những chất ít độc hại hơn và được loại

ra khỏi nước thải

2.1.2.4 Điện hóa

Cơ sở của sự điện phân gồm hai quá trình: oxy hóa ở anod và khử ở catod Xử lý bằng phương pháp điện hóa rất thuận lợi đối với những loại nước thải có lưu lượng nhỏ và ô nhiễm chủ yếu do các chất hữu cơ và vô cơ đậm đặc

Ưu điểm :

● Không cần pha loãng sơ bộ nước thải.

● Không cần tăng thành phần muối của chúng.

● Có thể tận dụng lại các sản phẩm quý chứa trong nước thải.

● Diện tích xử lý nhỏ.

Nhược điểm:

● Tốn kém năng lượng.

● Phải tẩy sạch bề mặt điện cực khỏi các tạp chất.

2.1.3 Phương pháp xử lý hóa lý

Trong dây chuyên công nghệ xử lý, công đoạn xử lý hóa lý thường được áp dụng sau công đoạn xử lý cơ học Phương pháp xử lý hóa lý bao gồm các phương pháp hấp phụ, trao đổi ion, trích ly, chưng cất, cô đặc, lọc ngược,… Phương pháp hóa lý được

sử dụng để loại khỏi dịch thải các hạt lơ lửng phân tán, các chất hữu cơ và vô cơ hòa tan, có một số ưu điểm như:

Loại được các hợp chất hữu cơ không bị oxi hóa sinh học

● Không cần theo dõi các hoạt động của vi sinh vật.

● Có thể thu hồi các chất khác nhau.

● Hiệu quả xử lý cao và ổn định hơn.

2.1.3.1 Tuyển nổi

Là quá trình dính bám phân tử của các hạt chất bẩn đối với bề mặt phân chia của hai pha khí-nước và xảy ra khi có năng lượng tự do trên bề mặt phân chia, đồng thời cũng do các hiện tượng thấm ướt bề mặt xuất hiện theo chu vi thấm ướt ở những nơi tiếp xúc khí-nước

● Tuyển nổi dạng bọt: được sử dụng để tách ra khỏi nước thải các chất không tan

và làm giảm một phần nồng độ của một số chất hòa tan

● Phân ly dạng bọt: được ứng dụng để xử lý các chất hòa tan có trong nước thải,

ví dụ như chất hoạt động bề mặt

Ưu điểm của phương pháp tuyển nổi là có thể thu cặn với độ ẩm nhỏ, có thể thu tạp chất Phương pháp tuyển nổi được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như: tơ sợi nhân tạo, giấy cellulose, thực phẩm,…

Hình 1.6: Bể tuyển nổi kết hợp với cô đặc bùn 2.1.3.2 Hấp phụ

Hấp phụ là thu hút chất bẩn lên bề mặt của chất hấp phụ, phần lớn là chất hấp phụ rắn và có thể thực hiện trong điều kiện tĩnh hoặc động

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là chất bị hấp phụ có thể

bị giải hấp và chuyển ngược lại vào chất thải Các chất hấp phụ thường được sử dụng

là các loại vật liệu xốp tự nhiên hay nhân tạo như tro, mẫu vụn than cốc, than bùn, silicagen, keo nhôm, đất sét hoạt tính,… và các chất hấp phụ này còn có khả năng tái sinh để tiếp tục sử dụng

2.1.3.3 Trích ly

Phương pháp tách chất bẩn hữu cơ hòa tan chứa trong nước bằng cách trộn lẫn với dung môi nào đó, trong đó, chất hữu cơ hòa tan vào dung môi tốt hơn vào nước

2.1.3.4 Trao đổi ion

Các chất cấu thành pha rắn, mà trên đó xảy ra sự trao đổi ion, gọi là ionit Các ionit có thể có nguồn gốc nhân tạo hay tự nhiên, là hữu cơ hay vô cơ và có thể được tái sinh để sử dụng liên tục Được sử dụng để loại các ion kim loại trong nước thải

2.1.4 Phương pháp xử lý sinh học

Thực chất của phương pháp sinh học để xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải Chúng chuyển hóa các chất hữu cơ hòa tan và những chất dễ phân hủy sinh học thành những sản phẩm cuối cùng như : CO2, H2O,NH4, Chúng sử dụng một số hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng nhằm duy trì quá trình, đồng thời xây dựng tế bào mới

Công trình xử lý sinh học thường được đặt sau khi nước thải đã được xử lý sơ bộ qua các quá trình xử lý cơ học, hóa học, hóa lý

2.1.4.1 Công trình xử lý trong điều kiện tự nhiên

Ao hồ sinh học ( ao hồ ổn định nước thải)

Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất và đã được áp dụng từ xưa Phương pháp này cũng không yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu tư ít, chí phí hoạt động rẻ tiền, quản lý đơn giản và hiệu quả cũng khá cao.Quy trình được tóm tắt như sau:

Nước thải® loại bỏ rác, cát sỏi, ® Các ao hồ ổn định® Nước đã xử lý

● Hồ hiếu khí

Ao nông 0,3-0,5m có quá trình oxi hoá các chất bẩn hữu cơ chủ yếu nhờ các vi sinh vật Gồm 2 loại: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo

● Hồ kị khí

Ao kị khí là loại ao sâu, ít hoặc không có điều kiện hiếu khí Các vi sinh vật kị khí hoạt động sống không cần oxy của không khí Chúng sử dụng oxi từ các hợp chất như nitrat, sulfat để oxi hoá các chất hữu cơ, các loại rượu và khí CH4, H2S,CO2,… và nước Chiều sâu hồ khá lơn khoảng 2-6m

● Hồ tùy nghi

Là sự kết hợp hai quá trình song song: phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hoà tan có đều ở trong nước và phân hủy kị khí (chủ yếu là CH4) cặn lắng ở vùng đáy

Ao hồ tùy nghi được chia làm 3 vùng: lớp trên là vùng hiếu khí, vùng giữa là vùng kị khí tùy tiện và vùng phía đáy sâu là vùng kị khí

Chiều sâu hồ khoảng 1-1,5m

Hình 1.7: Hồ tùy nghi

● Hồ ổn định bậc III

Nước thải sau khi xử lý cơ bản ( bậc II) chưa đạt tiêu chuẩn là nước sạch để xả vào nguồn thì có thể phải qua xử lý bổ sung (bậc III) Một trong các công trình xử lý bậc III là ao hồ ồn định sinh học kết hợp với thả bèo nuôi cá

2.1.4.2 Phương pháp xử lý qua đất

Thực chất của quá trình xử lý là: khi lọc nước thải qua đất các chất rắn lơ lửng

và keo sẽ bị giữ lại ở lớp trên cùng Những chất này tạo ra một màng gồm rất nhiều vi sinh vật bao bọc trên bề mặt các hạt đất, màng này sẽ hấp phụ các chất hữu cơ hòa tan

trong nước thải Những vi sinh vật sẽ sử dụng ôxy của không khí qua các khe đất và chuyển hóa các chất hữu cơ thành các hợp chất khoáng

 Cánh đồng tưới

 Cánh đồng lọc

Hình 1.8 : Xử lý nước thải bằng đất 2.1.4.3 Công trình xử lý sinh học hiếu khí.

● Xử lý sinh học trong điều kiện hiếu khí có thể kể đến hai quá trình cơ bản :

–Quá trình xử lý sinh trưởng lơ lửng

–Quá trình xử lý sinh trưởng bám dính

Các công trình tương thích của quá trình xử lý sinh học hiếu như: bể Aerotank bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng), bể thổi khí sinh học tiếp xúc (vi sinh vật dính bám),

bể lọc sinh học, tháp lọc sinh học, bể sinh học tiếp xúc quay…

Bể phản ứng sinh học hiếu khí – Aerotank

Quá trình xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí Trong bể Aerotank, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân đế cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là các bông cặn có mầu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển của vô số vi khuẩn và vi sinh vật sống khác Các vi sinh vật đồng hoá các chất hữu cơ có trong nước thải thành các chất dinh dưỡng cung cấp cho sự sống Trong quá trình phát triển vi sinh vật sử dụng các chất để sinh sản và giải phóng năng lượng, nên sinh khối của chúng tăng lên nhanh Như vậy các

chất hữu cơ cĩ trong nước thải được chuyển hố thành các chất vơ cơ như H2O, CO2

khơng độc hại cho mơi trường

Quá trình sinh học cĩ thể diễn tả tĩm tắt như sau :

Chất hữu cơ + vi sinh vật + ơxy Þ NH3 + H2O + năng lượng + tế bào mới hay cĩ thể viết :

Chất thải + bùn hoạt tính + khơng khí Þ Sản phẩm cuối + bùn hoạt tính dư

Một số loại bể aerotank thường dùng trong xử lý nước thải:

● Bể Aerotank truyền thống :

Xả bùn tươi

Nước thải

Tuần hoàn bùn hoạt tính

Bể lắng đợt 2 Bể Aerotank

nguồn tiếp nhận Xả ra

Xả bùn hoạt tính thừa

Bể lắng đợt 1

Hình 1.9: sơ đồ cơng nghệ đối với bể Aerotank truyền thống

● Bể Aerotank tải trọng cao:

Hoạt động của bể aerotank tải trọng cao tương tự như bể cĩ dịng chảy nút, chịu được tải trọng chất bẩn cao và cho hiệu suất làm sạch cũng cao, sử dụng ít năng lượng, lượng bùn sinh ra thấp

Nước thải đi vào cĩ độ nhiễm bẩn cao, thường là BOD>500mg/l tải trọng bùn hoạt tính là 400 – 1000mg BOD/g bùn (khơng tro) trong một ngày đêm

● Bể Aerotank cĩ hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dịng chảy (bể cĩ dịng chảy nút )

Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đĩ nhu cầu cung cấp ơxy cũng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ Ưu điểm :

máy thổi khí

sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa Nitơ

- Cĩ thể áp dụng ở tải trọng cao (F/M cao), chất lượng nước ra tốt hơn

● Bể Aerotank cĩ ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Contact Stabilitation)

Bể cĩ 2 ngăn : ngăn tiếp xúc và ngăn tái sinh

Tuần hoàn bùn

Bể Aerotank Ngăn tái sinh bùn hoạt tính Ngăn tiếp xúc

Bể lắng

đợt 1

Nước thải

Xả bùn tươi

nguồn tiếp nhận

Bể lắng đợt 2

Xả bùn hoạt tính thừa

Xả ra

Hình 1.10 : Sơ đồ làm việc của bể Aerotank cĩ ngăn tiếp xúc.

Ưu điểm của dạng bể này là bể Aerotank cĩ dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải, cĩ thể ứng dụng cho nước thải cĩ hàm lượng keo cao

● Bể thơng khí kéo dài

Khi nước thải cĩ tỉ số F/M ( tỉ lệ giữa BOD5 và bùn hoạt tính-mgBOD5/mg bùn hoạt tính) thấp, tải trọng thấp, thời gian thơng khí thường là 20-30h

Tuần hoàn bùn hoạt tính

Bể Aerotank làm thoáng kéo dài

20 -30 giờ lưu nươc trong bể Nước thải

Lưới chắn rác

Bể lắng đợt 2

Xả ra nguồn tiếp nhận

Định kỳ xả bùn hoạt tính thừa

Hình 1.11: Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thống kéo dài.

● Bể Aerotank khuấy trộn hồn chỉnh :