Thiết kế bể xử lý bùn sinh học AEROTEN

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng hoạt động của vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn nước thải.. Vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải Trong các

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

I Nguyên tắc

Người ta sử dụng phương pháp sinh học để làm sạch nước thải sinh hoạt cũng như nước thải sản xuất khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng hoạt động của vi sinh vật hiếu khí

để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên Nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học

nước thải cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và tỉ số BOD/COD ≥ 0,5

II Ưu và nhược điểm của công nghệ xử lý nước thải sinh học hiếu khí:

 Ưu điểm:

So với công nghệ kỵ khí thì công nghệ hiếu khí có các ưu điểm là hiểu biết về quá trình xử lý đầy đủ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn Công nghệ hiếu khí không gây ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hóa học, hóa lý

 Nhược điểm:

Nhưng công nghệ hiếu khí cũng có nhược điểm là thể tích 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, đặc biệt 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 khi xử lý sinh ra một lượng bùn dư và lượng bùn này kém ổn định, do đó đòi hỏi về chi phí đầu tư

để xử lý bùn Xử lý nước thải có tải trọng không cao như phương pháp kỵ khí

III Mô tả quá trình sinh học hiếu khí:

Quá trình phân hủy chất bẩn hữu cơ bằng công nghệ sinh học hiếu khí là quá trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là CO , HO, NO - và

SO42- Trong quá trình xử lý hiếu khí các chất bẩn phức tạp như protein, tinh bột, chất béo… sẽ bị phân hủy bởi các men ngoại bào cho các chất đơn giản là các axit amin, các axit béo, các axit hữu cơ, các đương đơn… Các chất đơn giản này sẽ thấm qua màng tế bào và bị phân hủy tiếp tục hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Cơ chế quá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn :

1.Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu

năng lượng của tế bào:

CxHyOzN+ (x+ y/4 + z/3 + ¾) O2 men > xCO2 + [ (y-3)/2] H2O + NH3

2 Giai đoạn 2: Quá trình chuyển hóa cơ chất:

Oxy hóa và tổng hợp tế bào (quá trình đồng hóa):

CxHyOzN + NH3+ O2 men - > xCO2 + C5H7NO2

3 Giai đoạn 3: Quá trình hô hấp nội bào (Quá trình dị hóa):

C5H7NO2 + 5O2 men - > xCO2+H2O

Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng

sự tự oxy hóa chất liệu tế bào

Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải

Vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải

Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống

Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio,

Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter Ngoài ra còn các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothirix, Lecicothrix và Geotrichum Ngoài các vi khuẩn các vi sinh khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh

Khi các bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn có sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi sinh Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động gần đó cho thêm vào

bể mới như một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý Sự sinh trưởng của vi sinh vật được biểu thị bằng lượng bùn hoạt tính X(mg/l) theo thời gian t được biểu diễn bằng đường cong chia làm 5 vùng khác nhau:

Hình 1.1 Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật

Vùng 1: Giai đoạn làm quen/ pha tiềm phát/ pha lag

Pha lag bắt đầu từ lúc nuôi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trưởng Trong pha lag này nồng độ bùn X = Xo (Xo là sinh khối ở thời điểm t = 0)

Tốc độ sinh trưởng rt = = 0 (mg/l.s)

Gần cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng tức là tăng về

kích thước, thể tích, trọng lượng do tạo ra protein, axit nucleic, men proteinaza, amilaza nhưng chưa tăng về số lượng.

Vùng 2: Giai đoạn lũy tiến/ pha log

Trong pha log chất dinh dưỡng đáp ứng đầy đủ cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển theo luỳ thừa Sinh trưởng và sinh sản đạt mức độ cao nhất Sinh khối và khối lượng

tế bào tăng theo phương trình: N = N0.2n (n là số lần phân chia tế bào cùa N0 tế bào ban đầu) Tốc độ sinh trưởng tăng tỷ lệ thuận với X (từ đó có đường cong hàm mũ) theo phương trình: rg = dX/dt = µ.X

Trong đó rg là tốc độ sinh trưởng Vi sinh vật(mg/l.s); X là nồng độ sinh khối/ nồng độ

bùn (mg/1); µ là hằng số tốc độ sinh trưởng hay tốc độ sinh trưởng riêng Vi sinh vật(l/s)

Đường cong cho thấy sinh khối của bùn có xu hướng tăng theo cấp số nhân (đoạn a-b) thuộc pha tiềm phát và pha sinh trưởng logarit Trong pha sinh trưởng logarit tốc độ phân đôi tế bào trong bùn sẽ điều hòa đạt giá trị tối đa Phần giữa của đường cong (e-f) tốc độ sinh trưởng gần như tuyến tính với nồng độ sinh khối tương ứng với nồng độ chất dinh dưỡng dư thừa

Vùng 3: Giai đoạn sinh trưởng chậm dần/ pha sinh trưởng chậm dần.

Trong giai đoạn này (f- c) chất dinh dưỡng trong môi trường đã giảm sút và bắt đầu cạn kiệt cùng với sự biến mất của một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh

trưởng hoặc do môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế vi sinh vật được sinh ra trong quá trình chuyển hoá chất trong tế bào ở pha log Sự sinh sản của vi sinh vật dần đạt tới tiệm cận tùy thuộc vào sự giảm nồng độ chất dinh dưỡng X tiếp tục tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần dần khi chuyến dần dần từ pha sinh trưởng sang pha ổn định và đạt mức cân bằng ở cuối pha

Vùng 4: Giai đoạn sinh trưởng ồn định/ pha ồn định

Chất dinh dưỡng trong pha này có nồng độ thấp, nhiều sản phẩm của quá trình trao đôi chất được tích luỹ X đạt tối đa, số lượng tế bào đạt cân bằng Sự sinh trưởng dừng lại, cường độ trao đôi chất giảm đi rõ rệt (c- d)

Vùng 5: Giai đoạn suy tàn/ pha suy vong/ pha oxi hoá nội bào.

Phần đường cong (d-g) biểu thị sự giảm sinh khối bùn bơi quá trình tự oxy hóa diễn ra Trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo luỳ thừa, các tế bào

bị chết và tỷ lệ chết cứ tăng dần lên mà nguyên nhân là chất dinh dưỡng đã quá nghèo hoặc đã hết, sự tích luỹ sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế và đôi khi tiêu diệt cả

vi sinh vật Các tính chất lý, hoá môi trường thay đồi không có lợi cho tế bào, các tế bào

“bị già và bị chết” một cách tự nhiên

Hình 1.2 Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải

Amoebae thường xuất hiện trong nước thải đầu vào, nhưng không tồn tại lâu tại các

bể hiếu khí Amoebae chỉ sinh trưởng nhanh trong các bể hiếu khí có tải cao Chúng di chuyển chậm và khó cạnh tranh thức ăn, nhất là khi nguồn thức ăn bị hạn chế nên chúng chỉ chiếm ưu thế tại các bể hiếu khí trong một khoãng thời gian ngắn Thức ăn của Amoebae là các chất hữu cơ kích thước nhỏ Hệ thống bùn hoạt tính xuất hiện nhiều amoebae chứng tỏ đang bị sốc tải Khi đó DO thấp (amoebae tồn tại được trong môi trường có DO rất thấp)

Hình 1.3 : Amoebae

Flagellates: Ngay sau khi amoebae bắt đầu biến mất, nhưng nước thải vẫn còn chứa

hàm lượng hữu cơ cao, thì flagellates xuất hiện Phần lớn Flagellates hấp thu các chất dinh dưỡng hoà tan Cả flagellates và vi khuẩn đều sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn thức ăn Tuy nhiên, khi thức ăn giảm Flagellates khó cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn nên giảm số lượng Nếu Flagellates xuất hiện nhiều ở giai đoạn ổn định chứng tỏ nước thải vẫn còn chứa một lượng đáng kể các chất hữu cơ hòa tan

Hình 1.4: Flagellates

Ciliates: Thức ăn của ciliates là vi khuẩn và các chất đặc trưng Ciliate cạnh tranh

nguồn thức ăn với rotifer Sự hiện diện của ciliates chứng tỏ bùn hoạt tính tốt, đã tạo

bông và phần lớn các chất hữu cơ đã được loại bỏ Có 3 loại Ciliate: Các Ciliate bơi tự do xuất hiện khi flagellate bắt đầu biến mất, số lượng vi khuẩn tăng cao; chính vi khuẩn là nguồn thức ăn của các ciliate bơi tự do này Các loài Ciliate trườn, bò: khi kích thước bùn lớn và ổn định, loài ciliate này chui vào trong bùn, cạnh tranh thức ăn với loại ciliate bơi

tự do là nhờ vào khả năng này Các loài Ciliate có tiêm mao: xuất hiện ở bùn đã rất ổn định, trong các loại bùn này thì chúng và các loài ciliate trườn, bò cạnh tranh nhau về thức ăn Ciliates hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính là aspidisca costata; Carchesium polypinum, Chilodonella uncinata, Opercularia coarcta and O microdiscum,

Trachelophyllum pusillum, Vorticella convallaria and V microstoma (Curds and

Cockburn, 1970) Ciliates có nhiệm vụ loại bỏ Escherichia coli bằng cách ăn hoặc tạo cụm Trong thực tế, bùn hoạt tính có thể khử 91-99% E.Coli.

Hình 1.5: Ciliates

Rotifer là động vật đa bào có hai bộ tiêm mao chuyển động xoay tròn, làm cho hình

dạng của chúng như hai bánh xe xoay đối nhau Chúng di động nhanh trong nước, có khả

năng xáo trộn mạnh nguồn nước tìm nguốn thức ăn, giống protozoa đây là vi sinh vật

hiếu khí tuyệt đối, khá nhạy cảm với độc tính của nước thải Chúng thường xuất

hiện trong hệ thống bùn hoạt tính đã ổn định, nước có hàm lượng hữu cơ thấp Rotifer hiếm khi được phát hiện với số lượng lớn trong các hệ thống xử lý nước thải Vai trò chính của rotifer là loại bỏ vi khuẩn và kích thích sự tạo bông của bùn Chính rotifer sử dụng vi khuẩn không tạo bông, làm giảm độ đục của nước thải Các màng nhầy được rotifer tiết ra ở miệng và chân giúp bùn kết bông dễ dàng Rotifer cần thời gian khá dài để thích nghi trong quá trình xử lý.

Hình 1.6: Rotifer

Tác nhân sinh trưởng của vi sinh vật lên men hiếu khí trong hệ thống xử lý nước thải chia làm 2 tác nhân sinh trưởng là tác sinh trưởng lơ lửng và tác nhân sinh trưởng bám dính:

+ Tác nhân sinh trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính lơ lửng) gồm tất cả các loại vi khuẩn

và các eucarga cực nhỏ chia thành 5 nhóm chính: các sinh vật dạng bọt khí, thực vật hoại sinh, các vi khuẩn nitrat hóa, động vật ăn thịt và các sinh vật gây hại Trong nước thải có các hạt rắn lơ lửng khó lắng, các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu

cơ nhiễm bẩn trong nước thể hiện bằng BOD

+ Tác nhân sinh trưởng bám dính (màng sinh học) gồm có các thực vật sơ cấp và thứ cấp: achromobacterium, alcaligenes, flavobacterium, pseudomonas,

sphaerotilus và zooglea…Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn sẽ dím bám trên bề mặt Trong số những loài sinh vật

đó có những loài sinh ra polysacarit có tính chất như các chất dẻo tạo thành màng ( màng sinh học) Màng này cứ dày dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất màng Màng này có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này có khả năng hấp thụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng run sán…

Một số giống chính trong quần thể vi khuẩn có trong bùn hoạt tính

Trong các bể xử lý nước thải vi khuẩn đóng một vai trò quan trọng hàng đầu Do đó trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể Điều này có thể thực hiện thông qua quá trình thiết kế và vận hành Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác thời gian lưu tồn lưu của

vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn có thể sinh sản được Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn…) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn

Động học của quá trình tăng trưởng

- Sự phụ thuộc tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật vào nồng độ cơ chất được mô tả bởi phương trình Mono:

µ = µo

Mà rt = µX => rt = (1)

Trong đó: S là nồng độ cơ chất BOD, COD hạn định sinh trưởng trong dung dịch (mg/l)

Ks là hằng số bán bão hòa, nghĩa là nồng độ cơ chất khi µ = µo/2 (mg/l)

µo là tốc độ sinh trưởng cực đại (mg/l.s)

Hình 1.3 Ảnh hưởng của yếu tố dinh dưỡng chính lên tốc độ sinh trưởng

Khi S -> ∞ thì µ -> µo lấy điểm trên tung độ µ = µo/2 sẽ được điểm tương ứng trên hoành

độ Ks đặc trưng cho độ sử dụng cơ chất của vi sinh vật có giá trị nhỏ thường nằm trong

Để xác định Ks ta khảo sát quan hệ phụ thuộc µ=f(S) trên đồ thị 1/ µ - 1/S

1/ µ = 1/S Ks/ µo + 1/ µo

Hình 1.4 Xác định Ks và các thông số động học theo phương pháp Lineweave Burk Động học của quá trình chết của vi sinh vật

Quá trình chết của tế bào vi sinh vật được mô ta bởi phương trình:

Trong đó: rt là tốc độ sinh trưởng của tế bào (mg/ls)

Y là hệ số năng suất sử dụng chất nền được tiêu thụ, là tỷ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất định ở pha log

Tốc độ tăng trưởng riêng thực sẽ là:

µ’ = µo –kd

Tốc độ tăng sinh khối là:

Yb = r’t/rd

IV Các yếu tố ảnh hưởng đến các công trình xử lý nước thải sinh học hiếu khí:

- Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng nồng độ bùn hoạt tính, tức phụ thuộc vào chỉ số bù Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào công trình xử lý càng lớn hoặc ngược lại

- Nồng độ oxy cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này Khi tiến hành quá trình phải cung cấp đầy đủ lượng oxy vào liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II ≥ 2 (mg/l)

- Khác với quá trình kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua Aerotank có BOD toàn phần phải ≤ 1000 (mg/l), còn trong bể lọc sinh học thì BOD toàn phần của nước thải ≤ 500 (mg/l)

- Ngoài ra trong nước thải cũng cần có các nguyên tố vi lượng như K, Na, Mg, Fe,

Ca, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl… thường có đủ trong nước thải Tùy theo hàm lượng cơ chất trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết khác nhau Thông thuờng cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp: BODtoàn phần : N: P = 100: 5: 1

- Bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ muối các kim loại nặng Khi đó hoạt tính sinh học của bùn giảm, bùn sẽ bị trương phồng khó lắng do sự phát triển mãnh liệt của vi khuẩn dạng sợi Vì vậy nồng độ các chất độc và kim loại nặng trong nước thải phải nằm trong giới hạn cho phép

Yếu tố môi trường:

- pH : là một yếu tố chính trong sự phát triển của những vi sinh vật Phần lớn vi sinh vật không thể chịu được pH > 9 vì lúc này sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào

làm cho vi sinh vật chết và pH < 4 sẽ thúc đẩy nấm phát triển Thông thường pH tối ưu cho vi sinh vật phát triển tốt nhất trong khoảng 6,5 – 7,5.

- Nhiệt độ: cũng là yếu tố quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật Nước thải

có nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật tối ưu từ 25oC – 37oC hoặc từ 20 - 80 oC hoặc

từ 20 – 40oC ( tối ưu 25oC – 37oC)

- Ngoài ra quá trình xử lý hiếu khí còn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượng chất lơ lửng chảy vào bể xử lý cũng như các loài vi sinh vật và cấu trúc các chất bẩn hữu cơ

CHƯƠNG 2: BỂ BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ AEROTANK

II Quá trình bùn hoạt tính và phân loại bể bùn hoạt tính hiếu khí Aerotank:

1 Quá trình bùn hoạt tính:

Bùn hoạt tính bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%) Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là 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 kỵ khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen Những sinh vật 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 ấu trùng sâu bọ Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn, có thể chia ra làm 8 nhóm:

1 Alkaligenes- Achromobacter

2 Pseudomonas

3 Enterobacteriaceae