Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR trong xử lý nước rỉ rác

Vì lý do nêu trên, khi xây dựng một công nghệ xử lý nước thải cần phải biết tỉ mỉ từng quá trình xảy ra và quan trọng hơn cả là sự tương tác giữa các thành phần trong nước thải với nhau

1

MỞ ĐẦU

Hiện nay, xử lý chất thải đô thị bằng phương pháp chôn lấp vẫn đang được

áp dụng rất phổ biến tại các nước phát triển cũng như các nước đang phát triển Bãi chôn lấp là khâu cuối cùng chưa có giải pháp thay thế trong hệ thống quản lý chất thải rắn Xử lý rác bằng phương pháp chôn lấp là giải pháp có chi phí thấp nhất so với các phương pháp xử lý khác như đốt, hóa rắn Do đó, chôn lấp vẫn là giải pháp sẽ được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam trong nhiều chục năm tới [4] Tuy nhiên, bãi chôn lấp chất thải cũng được xem là nguồn tiềm tàng gây ô nhiễm môi trường

do nước rác, khí thải bãi chôn lấp và khuếch tán mầm bệnh ra xung quanh nếu không quản lý chặt chẽ

Vấn đề ô nhiễm môi trường do nước rác đang là vấn đề thời sự tại hầu hết các bãi rác không chỉ ở Hà Nội mà là trên toàn quốc bởi vì nước rác là một loại hình nước thải có độ ô nhiễm nặng và có tác động mạnh, thường xuyên đối với không khí, đất đai, nước mặt và nước ngầm Xử lý nước rác đạt tiêu chuẩn thải vào môi trường là vấn đề cần thiết nhằm giải quyết triệt để tình trạng ô nhiễm môi trường do chôn lấp rác

Một hệ thống xử lý nước rỉ rác nói riêng và xử lý nước thải nói chung bao gồm nhiều quá trình được thực hiện trong các đơn vị công nghệ Trong một đơn vị công nghệ có thể xảy ra đồng thời nhiều quá trình (ví dụ keo tụ, kết tủa, lắng trong

bể sơ cấp, oxy hóa đồng thời chất hữu cơ và amoni và cả khử nitrit và nitrat một phần trong bể xử lý hiếu khí) Tuy vậy, để thực hiện một quá trình nào đó có thể sử dụng nhiều đơn vị công nghệ biệt lập với nhau (tách loại chất hưu cơ trong xử lý yếm khí, thiếu khí hay hiếu khí)

Vì lý do nêu trên, khi xây dựng một công nghệ xử lý nước thải cần phải biết

tỉ mỉ từng quá trình xảy ra và quan trọng hơn cả là sự tương tác giữa các thành phần trong nước thải với nhau và với các điều kiện công nghệ, từ đó để lựa chọn sơ đồ công nghệ và phối hợp các đơn vị công nghệ với nhau

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước rỉ rác tập trung vào quá trình keo tụ (tách căn không tan), oxy hóa hóa học, xử lý vi sinh yếm khí, thiếu khí và hiếu khí [1,4]

2

Đối tượng cần được quan tâm chủ yếu trong xử lý nước rỉ rác là hợp chất nitơ Xử lý hợp chất nitơ có thể được thực hiện bằng các biện pháp hóa lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước Thường thì một hệ thống xử lý được đánh giá bởi hiệu quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ BOD, nitơ hay photpho, khả năng

áp dụng của chúng như giá thành của hệ thống, giá thành của một m3 nước được xử

lý hay độ phức tạp của công nghệ, quá trình vận hành và bảo dững thiết bị Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học đang được sử dụng phổ biến nhất trong hầu hết các hệ thống xử lý nước thải do chi phí thấp và hiệu quả khá cao

Bể phản ứng sinh học sử dụng đệm chuyển động MBBR (moving bed biofilm

reactor) được thiết kế dựa trên mô hình động học xử lý BOD, nitrat hóa (nitrification) và khử nitrat hóa (denitrification) của Kaldnes được phát triển ở Na

Uy những năm cuối 1980 và đầu 1990 là công nghệ cải tiến của quá trình bùn hoạt tính và bể lọc sinh học [12, 14, 20, 26] Công nghệ MBBR có thể áp dụng cả ba quá

trình thiếu khí (anoxic), hiếu khí (aerobic) và yếm khí (anaerobic) với tốc độ và

hiệu quả quá trình xử lý cao Ứng dụng công nghệ MBBR sẽ đơn giản hóa hệ thống

xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành Hơn nữa, MBBR có thể xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ (COD, BOD), nitơ (N)

và phốt pho (P) cao Vì vậy, trong khuôn khổ luận văn này tác giả sử dụng mô hình công nghệ MBBR để nghiên cứu xử lý nước rỉ rác

3

CHƯƠNG 1 NƯỚC RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RÁC 1.1 NƯỚC RÁC

1.1.1 Khái niệm nước rác và quá trình phân hủy rác trong BCL

Nước rỉ rác (còn gọi là nước rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất ở dưới BCL [8]

Nước rác là một loại hình nước thải có đặc thù riêng, có tính “dang dở” về mặt phân hủy Bãi chôn lấp rác là một lò ủ vi sinh yếm khí tự nhiên, tạp chất ô nhiễm trong nước rác là kết quả tác động của một loạt các quá trình tự nhiên của vi sinh, hóa học, quang hóa, thời tiết cũng như các tác động chủ quan của con người như tập quán sinh hoạt, khả năng phân loại rác, kỹ thuật xây dựng và vận hành bãi rác Thông thường sự chuyển hóa các chất diễn ra trong BCL gồm bốn giai đoạn [4] sau:

- Giai đoạn phân hủy hiếu khí

- Bước chuyển tiếp thứ nhất (từ hiếu khí sang kị khí)

- Bước chuyển tiếp thứ 2

- Quá trình metan hóa

Giai đoạn phân hủy hiếu khí ban đầu: Quá trình này chỉ diễn ra trong khoảng

thời gian từ vài ngày đến vài tuần kể từ khi rác được đem chôn Trong khoảng thời gian này oxy từ không khí khuếch tán xâm nhập vào chất thải hoặc oxy tồn tại trong chất thải được sử dụng cho phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ

Quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ là một quá trình tổng hợp có sự tham gia của vi khuẩn, nấm, men Phản ứng sinh hóa quá trình phân hủy chất hữu

cơ như sau:

CHC + O2 + dinh dưỡng Vi khuẩn Tế bào sinh học mới + chất hữu cơ bền + CO2

+ H2O + NH3 + SO42- + năng lượng Sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học hiếu khí rác thải hữu cơ là những

tổ chức tế bào sinh học mới, chất hữu cơ bền, khí CO2, khí NH3 và nhiệt năng

4

Do hàm lượng oxy trong đống chất thải giảm xuống nên quá trình phân hủy hiếu khí tiếp tục diễn ra nhưng chậm lại và giai đoạn chuyển tiếp từ phân hủy sinh học bằng quá trình hiếu khí sang quá trình kị khí

Giai đoạn chuyển tiếp thứ nhất: Giai đoạn này được gọi là giai đoạn axit hóa

và gia trị pH biến đổi trong khoảng từ 4 đến 6 do sự hình thành các axit hữu cơ mà ban đầu là axit béo được biến đổi thành các axit béo bay hơi (axit axetic) Quá trình này thường kết thúc từ vài tuần tới vài tháng

Quá trình chuyển tiếp thứ 2: Trong giai đoạn này vi khuẩn tạo khí metan bắt

đầu phát triển và bắt đầu chu trình chuyển hóa các axit đơn giản như axit axetic hoặc axit formic và metanol thành khí metan(CH4) Quá trình này không ổn định, thường diễn ra từ 3 – 5 năm, cho tới khi sự cân bằng giữa lượng axit sinh ra và lượng khí metan được tạo thành

Quá trình metan hóa: Là quá trình chuyển hóa các axit hữu cơ do vi khuẩn kị

khí tạo thành CH4, quá trình như sau:

CHONS + H2O vi khuẩn kị khí H2O + CO2 + CH4 + H2 + NH4+ + H2S

Sự có mặt của nước trong bãi chôn lấp rác có cả mặt tích cực lẫn mặt tiêu cực cho hoạt động của bãi rác Nước rất cần cho một số quá trình hóa học và sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp để phân hủy rác Mặt khác, nước có thể tạo ra xói mòn trên tầng đất nén và những vấn đề lắng đọng trong dòng nước mặt chảy qua Nước rác có thể chảy vào các tầng nước ngầm và các dòng nước sạch và từ đó gây ô nhiễm đến nguồn nước uống Vì vậy, vấn đề cần quan tâm khi thết kế, xây dựng cho hoạt động của một bãi chôn lấp là kiểm soát nước rác

5

Trong đó bốn nguồn đầu là chính, nguồn sau nhỏ hoàn toàn có thể bỏ qua Lượng nước rác hình thành tại một khu vực trước hết phụ thuộc vào diện tích bãi chôn lấp: tiết diện để nước mưa thấm xuống hoặc dòng chảy bề mặt (do mưa) chảy tràn qua Lượng nước bốc hơi cũng tỷ lệ thuận với bề mặt bãi chôn lấp nhưng

do lớp đất phủ bề mặt và chiều sâu khá cao nên tốc độ bay hơi chậm Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước rác được trình bày trong hình 1.1[4]

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp[4]

Lượng nước rác hình thành chủ yếu từ nước mưa (thấm và chảy tràn) chiếm trên 70% và từ độ ẩm của rác chiếm dưới 30% Từ các số liệu trên cho thấy có thể giảm thiểu đáng kể lượng nước rác sinh ra khi thiết kế đúng và vận hành bãi chôn lấp rác một cách hợp lý

Nước mưa là nguồn chính hình thành nước rác, tại một vùng nhất định lượng mưa thay đổi theo mùa Với lượng mưa trung bình của Hà Nội là 1600 mm/năm, 70 – 80 % lượng mưa tập trung vào bốn tháng giữa năm (6, 7, 8, 9) phần còn lại phân

bố vào các tháng khác trong năm Vì vậy sự dao động nước rác theo mùa là rất lớn: nhiều về mùa mưa, ít về mùa khô, mức độ chênh lệch giữa các mùa có thể lệch nhau tới 300%[1, 4]

Dự đoán khối lượng nước rác: Khối lượng nước rác và đặc tính địa chất của tầng đất nằm dưới đáy bãi là những yếu tố chính, quyết định khả năng pha loãng tự

Nước gia nhập

từ ngoài (RI)

Nước trong CTR

Bay hơi (E)

Dòng chảy mặt (RO)

Nước chứa trong lớp vật liệu phủ

Nước trong bùn

Nước rác (LC) Nước mưa (R)

6

nhiên các chất ô nhiễm trong nước rác trước khi các chất này chảy đến nguồn nước ngầm Việc dự báo lượng nước rác tạo thành được dựa vào “Phương pháp cân bằng nước” Sơ đồ cân bằng nước được thể hiện ở hình dưới đây:

Hình 1.2 Sơ đồ cân bằng nước [4, 8]

Phương trình cân bằng nước [8] có thể biểu diễn như sau:

∆Ssw = Wsw + Wts + Wcm + War - Wlg - Wwv - We - WblTrong đó:

∆Ssw = lượng nước tích trữ trong rác ở bãi rác (kg/m3)

Wsw = độ ẩm ban đầu của rác thải (kg/m3)

Wts= độ ẩm ban đầu của bùn từ trạm xử lý (kg/m3

)

Wcm = độ ẩm ban đầu của vật liệu phủ (kg/m3)

War = lượng nước thấm từ phía trên (nước mưa) (kg/m3)

Wlg = lương nước thất thoát trong quá trình hình thành khí thải (kg/m3)

Wwv = lượng nước thất thoát do bay hơi theo khí thải (kg/m3)

We = lượng nước thất thoát do quá trình hóa hơi bề mặt (kg/m3)

Wbl = lượng nước thoát ra từ phía đáy bãi rác (kg/m3)

Trên cơ sở phương trình cân bằng nước, các số liệu về lượng mưa, độ bốc hơi, hệ số giữ nước của rác sau khi nén trong bãi rác, lượng nước rò rỉ có thể tính

Nước thải phía trên bãi rác

Nước bay hơi Rác đã phân hủy

Nước thoát ra từ phía đáy

7

theo mô hình vận chuyển một chiều của nước rò rỉ xuyên qua rác nén và đất bao phủ như sau:

Q = M(W1 -W2) + [P(1 - R) - E].A Trong đó:

Q: lưu lượng nước rò rỉ sinh ra trong bãi rác ( m3

/ngày);

M: khối lượng rác trung bình ngày (tấn/ngày);

W1: độ ẩm của rác trước khi nén (%);

W2: độ ẩm của rác sau khi nén (%);

P: lượng mưa ngày trong tháng lớn nhất (mm/ngày);

R: hệ số thoát nước bề mặt (0,1 ÷ 0,3);

E: lượng nước bốc hơi lấy bằng 5 mm/ngày (thường 5 - 6 mmm/ngày)

Phương trình cân bằng nước ở trên áp dụng cho một ô chôn lấp cho thấy: lượng nước rác của ô chôn lấp bằng tổng lượng nước đến và lượng nước sinh ra do phân hủy rác trừ đi lượng nước bay hơi

1.1.3 Thành phần của nước rác

Việc tổng hợp và đặc trưng hóa thành phần nước rác là rất khó vì một loạt các điều kiện tác động lên sự hình thành của nước rác Thời gian chôn lấp, khí hậu, mùa, độ ẩm của bãi rác, mức độ pha loãng với nước mặt và nước ngầm và loại rác chôn lấp, tất cả đều tác động lên thành phần của nước rác Độ nén, loại và độ dày của nguyên liệu phủ trên cùng cũng tác động lên thành phần của nước rác Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác từ các bãi chôn lấp mới và lâu năm được trình bày ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác từ các bãi chôn

lấp mới và lâu năm [4, 8]

Thành phần Bãi mới (< 2 năm) Bãi lâu năm

( >10 năm) Khoảng T.Bình

Nhu cầu oxi hóa sinh hóa (BOD5) mg/l

Tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC), mg/l

Nhu cầu oxi hóa hóa học, (COD), mg/l

50 - 200

100 - 400

20 - 200

20 - 50 Như vậy, sự hình thành khí và nước rác trong quá trình chôn lấp là những mối quan tâm lớn trong công tác vận hành và quản lý các bãi chôn lấp ở các đô thị

Thành phần của nước rác thay đổi theo các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học Sau giai đoạn háo khí ngắn (một vài tuần), tiếp đến là hai giai đoạn phân hủy: Giai đoạn phân hủy yếm khí tùy tiện tạo ra axit và giai đoạn phân hủy yếm khí tuyệt đối tạo ra khí metan

Trong giai đoạn tạo axit các hợp chất đơn giản được hình thành như axit béo, amoni axit và cacboxilic axit Giai đoạn axit có thể kéo dài vài năm sau khi chôn lấp, phụ thuộc vào bản chất không đồng nhất của rác Đặc trưng của nước rác trong giai đoạn này:

- Nồng độ cao các axit béo dễ bay hơi;

- pH nghiêng về tính axit;

- BOD cao;

- Tỷ lệ BOD/COD cao;

- Nồng độ NH4 và nitơ hữu cơ cao

Trong giai đoạn tạo metan, vi khuẩn tạo ra khí metan là nổi trội nhất Chúng thay thế các axit bằng các sản phẩm cuối cùng là khí metan và cacbonic Giai đoạn tạo thành khí metan có thể tiếp tục đến 100 năm hoặc lâu hơn nữa Đặc trưng chất lượng của nước rác trong giai đoạn này là:

- Nồng độ cao các axit béo dễ bay hơi rất thấp;

hóa

2.000 - 30.000 KPH- 195.000 30.000- 48.000 800 - 12.000 Nhu cầu oxy hóa học 3.000 -

45.000 6,6 - 299.000 38.500- 65.000 1.000- 25.000 Tổng carbon hữu cơ 1.500 -

SO42- 100 - 1.500 KPH - 1.850 1.400 - 1.600 30 - 100

Thành phần nước rác có phạm vi dao động rất lớn từ nồng độ rất thấp tới rất cao Nước rác có thể phân làm hai loại với đặc trưng về thành phần ô nhiễm khác nhau:

10

- Nước rác mới: thu được từ các ô đang vận hành, có thành phần chất hữu cơ cao (COD có thể tới hàng chục g/l), BOD/COD lớn (0,7 - 0,8), pH thấp do các hợp chất VFA (4 - 6), các hợp chất nitơ chủ yếu ở dạng hữu cơ[1]

- Nước rác cũ: thu được từ bãi chôn lấp lâu năm và đã đóng, có lượng ít hơn

so với nước rác mới Do đã bị phân hủy sâu nên nước rác có pH cao (7 - 9), COD thấp và BOD/COD nhỏ (0,2 - 0,3), hầu như không còn VFA, hợp chất nitơ chủ yếu

Độ lệch chuẩn

Đặc trưng ô nhiễm của nguồn thải có tính đặc thù cao và là yếu tố cơ bản cần

có khi xây dựng công nghệ xử lý vì vậy nên cần được đánh giá kỹ lưỡng trước khi cân nhắc xác lập hệ xử lý nước rác

1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RÁC

1.2.1 Sự cần thiết phải xử lý nước rác

Nước rác là một loại hình nước thải có độ ô nhiễm nặng Thành phần nước thải đa dạng: chất hữu cơ không tan, dạng keo có kích thước không lớn lắm (cỡ 10-4 cm) như các mảnh vụn hữu cơ, vi khuẩn (đang sống hoặc đã chết), các chất hữu cơ

có phân tử lượng lớn như axit humic, fulvic, lignin với phân tử lượng từ vài vạn đến vài triệu đơn vị (Dalton)[1] Các chất thải hữu cơ dạng không tan hoặc có phân

tử lượng cao sẽ tiếp tục được phân hủy (đặc biệt là xác vi sinh vật) trong môi trường nước nhận hoặc gây đục, gây màu hạn chế sự phát triển các loài thủy thực vật và thủy động vật sống trong nước

Thành phần chất hữu cơ tan trong nước rác rất phong phú với các tỷ lệ nồng

độ rất khác nhau: các chất hữu cơ khá thông dụng (COD, BOD) lượng lớn với nồng

12

độ từ vài chục tới vài chục ngàn mg/l, đến các chất hữu cơ vi lượng (dưới g/l) có tác hại rất lớn đến môi trường, đặc biệt đối với các loài thủy sinh như khả năng gây đột biến gen, làm rối loạn chức năng tế bào

Ngoài các thành phần chất hữu cơ, nước rác còn chứa một loạt các muối vô

cơ có hàm lượng lớn: clorua, bicarbonat(HCO3-), sunfat, natri, magie, và một loạt các kim loại nặng chủ yếu nằm ở dạng phức với chất hữu cơ

Với thành phần nước rác có độ ô nhiễm nặng, trước khi thải ra môi trường nước rác phải được xử lý

Việc quản lý và xử lý nước rác không đúng quy trình sẽ gây ra nhiều tác hại cho môi trường và phải chi phí nhiều tiền của để làm sạch và khôi phục lại các điều kiện cân bằng sinh thái

1.2.2 Khái quát về công nghệ xử lý nước rác

Nước rác là một loại nước thải Công nghệ xử lý nước thải rất phong phú với

cỡ vài chục biến hình công nghệ đang được sử dụng trong thực tiễn trên nền của các quá trình công nghệ cơ bản theo từng cấp

Hai phương pháp xử lý cơ bản áp dụng trong xử lý nước rác là phương pháp hóa học và vi sinh [1, 4]

Phương pháp hóa học, hóa lý gồm: Keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxy hóa, kết tủa và phương pháp màng lọc, lắng

Phương pháp sinh học: Xử lý vi sinh yếm khí, hiếu khí, thiếu khí và các tổ hợp của chúng

Mỗi phương pháp nhằm một mục tiêu xử lý cho một đối tượng, nhưng một phương pháp cũng có thể áp dụng xử lý đồng thời cho nhiều đối tượng và để xử lý một đối tượng cũng có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên trong thực tế một phương pháp hay một tổ hợp thường chỉ nhằm vào một đối tượng chính, các đối tượng khác chỉ được xem là cộng thêm

Trước hết cần điểm qua các phương pháp - còn gọi là các đơn vị công nghệ của một hệ thống xử lý với các chức năng chính của chúng

13

Keo tụ: Sử dụng các loại hóa chất keo tụ (phèn nhôm, phèn sắt, poly nhôm

clorua) kết hợp với các chất trợ keo tụ (polyme hữu cơ tích điện âm, dương hay trung hòa có dạng mạch thẳng) để tách loại các chất cặn không tan trong nước Trong quá trình keo tụ nước rác, các cặn không tan chủ yếu là thành phần hữu cơ, vì vậy keo tụ sẽ làm giảm COD ở dạng không tan Oxit - hydroxit nhôm, sắt tạo thành qua phản ứng thủy phân có khả năng hấp phụ trong chừng mực nào đó đối với chất hữu cơ tan vì vậy cũng loại bỏ thêm được một phần nhỏ thành phần COD trong nước rác, chủ yếu là các chất hữu cơ có phân tử lượng cao (> 5000) và một vài hợp chất gây màu

Quá trình keo tụ làm giảm lượng photphat trong nước rác (hàm lượng photphat thấp) do tạo thành muối nhôm, sắt photphat khó tan, làm giảm độ kiềm và

pH của nước rác

Hấp phụ: Chất hấp phụ sử dụng trong xử lý nước thải chủ yếu là than hoạt

tính hoặc một số loại nhựa tổng hợp có tính chất bề mặt là kỵ nước Than hoạt tính dạng hạt hoặc bột được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhay với số loại lên tới trên 400 nhãn hiệu thương phẩm Do cấu trúc xốp của từng loại than rất khác nhau nên khi sử dụng cần chọn lựa được loại than có kích thước lỗ xốp thích hợp Loại than có diện tích bề mặt lớn hơn 1000m2/g không thích hợp đối với xử lý nước rác do lỗ xốp nhỏ

Than hoạt tính chỉ có khả năng hấp phụ chất hữu cơ tan có phân tử lượng thấp và có khả năng hấp phụ màu cao khi chọn được loại thích hợp

Trao đổi ion: ít được sử dụng trong xử lý nước rác trừ trường hợp cần thu hồi

một số ion đối với nước rác sau quá trình thiêu đốt

Lọc màng: Giải pháp kỹ thuật gần đây được sử dụng ngày càng tăng ở các

nước công nghiệp Loại màng sử dụng thường là màng siêu lọc (ultrafitration) hoặc màng nano Các loại màng trên ngoài tác dụng tách lọc cặn không tan còn có khả năng tách được một phần chất tan Màng lọc dễ bị tắc, bị hư hỏng và phân cực trong môi trường nước rác, chu kỳ hoạt động thấp nên giá thành vận hành và bảo dưỡng cao

14

Oxy hóa: Sử dụng một số chất oxy hóa như clo hoạt động, ozon, hợp chất

Fenton để phân hủy chất hữu cơ và màu trong nước rác, phương pháp oxy hóa ít được sử dụng trừ khi cần phải xử lý một số dạng chất hữu cơ đặc biệt

Xử lý vi sinh yếm khí: Phương pháp xử lý vi sinh yếm khí chỉ có tác dụng

làm giảm BOD, nó thích hợp với nước rác có BOD cao (nhằm tiết kiệm năng lượng) trong điều kiện ấm nóng

Xử lý vi sinh hiếu khí: Phương pháp hiếu khí chỉ xử lý được BOD và oxy hóa

amoni thành nitrit và nitrat

Xử lý vi sinh thiếu khí: Phương pháp thiếu khí được sử dụng để khử nitrat và

xử lý một phần BOD trong nước rác

Để lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp, trước hết phải có được các số liệu về thành phần và tính chất của nước rác Các thành phần của nước rác cần phải được xác định khi thiết kế trạm xử lý Cơ chế khử COD, BOD và kim loại nặng trong nước rác được trình bày ở bảng 1.4; bảng 1.5; bảng 1.6 và bảng 1.7

Bảng 1.4 Các thành phần của nước rác cần được xác định

khi thiết kế trạm xử lý nước rác [8]

pH, Coliform Yêu cầu đối với các công trình xử lý để

đạt chất lượng của dòng xả theo tiêu chuẩn quy định

Fe2+, Mn2+, các loại kim loại nặng, màu,

mùi

Không nhất thiết phải xem xét khi thiết lập các thông số thiết kế vì những chất này sẽ được khử trong quá trình xử lý các thành phần khác

Bảng 1.5 Tóm tắt phương pháp khử BOD trong nước rác [8]

Nguyên tắc

(1) Xử lý sinh học (2) Hấp phụ

cacbon hoạt tính (3) Tuyển nổi

Phân hủy sinh học các chất hữu cơ

Hấp phụ các chất hữu cơ hòa tan bởi

Tuyển nổi và tách các chất lơ lửng và

15

bởi hoạt động của các vi sinh vật

các hạt cacbon hoạt tính

các chất hữu cơ hòa tan

Ứng dụng

Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ cao

Hiệu suất > 90%

Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ thấp

Sử dụng khi nồng

độ SS trong nước rác rất cao

Bảng 1.6 Tóm tắt phương pháp khử COD và độ màu trong nước rác [8]

Nguyên tắc

(1) Hấp phụ cacbon hoạt tính (2) Xử lý sinh học (3) Ozon hóa

Hấp phụ các chất hữu cơ hòa tan bởi các hạt cacbon hoạt tính

Phân hủy sinh học các chất hữu cơ bởi hoạt động của các vi sinh vật

Oxy hóa, phân hủy các chất ô nhiễm bởi tác nhân oxy hóa mạnh

Ứng dụng

Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ thấp

Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ cao

Hiệu suất >90%

Xử lý mầu và các chất hữu cơ khó hoặc không phân hủy sinh học

Bảng 1.7 Tóm tắt phương pháp khử kim loại nặng trong nước rác [8]

Nguyên tắc

(1) Xử lý keo tụ (Kiềm)

(2) Hấp phụ cacbon hoạt tính

(3) Keo tụ bằng chất hoạt tính

Tạo ra dạng hydroxyt của kim loại sau đó lắng (môi trường kiềm)

Hấp phụ các ion kim loại hòa tan bởi các hạt cacbon hoạt tính

Tách ion kim loại khỏi nước rác sau lắng

Ứng dụng

Thích hợp với nước rác có nồng

độ đậm đặc

Giá thành xử lý cao, thích hợp khử kim loại trong nước rác có nồng

độ thấp

Sử dụng khi nồng

độ SS trong nước rác rất cao

1.2.3 Công nghệ xử lý nước rác ở các nước tiên tiến [1, 4]

Có thể tóm tắt một số phương pháp và công nghệ hiện hành trên thế giới như sau:

16

Với lượng nước rác ít, không bị ô nhiễm bởi kim loại nặng và các hóa chất độc hại thì nước rác được bơm trở lại bãi chôn lấp để giúp quá trình phân hủy rác hoặc sử dụng để tưới cho các vùng cây công nghiệp

Nếu không có các ô nhiễm đặc biệt, nước rác được đưa vào xử lý chung với

hệ thống xử lý nước thải đô thị (nếu gần vị trí trạm xử lý) như nguồn cung cấp hữu

cơ Phương pháp này được áp dụng nhiều ở các nước như Hà Lan, Thụy Điển

Tại các nước công nghiệp thì nước rác được xử lý tại chỗ và sau khi đạt tiêu chuẩn thì xả ra hệ thống thoát nước chung Có rất nhiều công nghệ được triển khai

áp dụng, phụ thuộc vào thành phần nước rác cần xử lý và yêu cầu của tiêu chuẩn thải Các hệ xử lý này có giá thành đầu tư, chi phí vận hành cao, vận hành phức tạp

và đòi hỏi kỹ sư vận hành phải có tay nghề cao Nói chung hệ xử lý gồm 2 phần:

+ Khối xử lý sinh học: Nhằm xử lý các hợp chất hữu cơ (BOD, COD, NH4+) như hệ xử lý hiếu khí, hệ xử lý kị khí, hệ xử lý kị khí ngược dòng (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB)

+ Khối xử lý sử dụng phương pháp hóa-lý và ứng dụng công nghệ cao: nhằm

xử lý các chất ô nhiễm đặc biệt, chất vô cơ Tùy công nghệ mà gồm các modun khác nhau như: oxy hóa - khử, keo tụ - kết tủa, lọc (vi lọc, thẩm thấu ngược), hấp phụ, khử trùng

Xử lý nước rác tại Mỹ

Để xây dựng hệ thống xử lý nước rác, công ty DEQ (Mỹ) đã thực hiện:

Đánh giá lưu lượng nước thải sinh ra từ bãi rác

Đánh giá đặc trưng ô nhiễm của nước rác, dự báo diễn biến ô nhiễm theo thời gian Đối với các bãi rác chưa vận hành sẽ thu thập các số liệu của các bãi rác gần nhất và so sánh với điều kiện khí hậu, thời tiết, công nghệ chôn lấp rác của từng bãi chôn lấp

Xác định tình trạng của nguồn nước nhận, giá thành xử lý, hậu quả đối với môi trường, khó khăn về phương diện kỹ thuật, tiêu chuẩn thải, tính tương hợp với các thành phần thiết bị và vận hành của bãi chôn lấp rác

Xác định các chỉ tiêu thải chung và đặc thù

17

Xác định giá thành xây dựng và vận hành hệ xử lý nước rác

Lựa chọn phương pháp xử lý tổng thể (nước, bùn ) tối ưu trên cơ sở giá thành xây dựng và vận hành hệ thống

Trên cơ sở đặc trưng của nguồn nước nhận sẽ tiến hành các giải pháp công nghệ khác nhau, ví dụ hòa trộn lẫn với hệ nước thải sinh hoạt, sử dụng để tưới tiêu,

xử lý tại chỗ và xả vào nguồn nước mặt hoặc một phương thức nào khác

Xử lý nước rác tại Nhật Bản

Công nghệ xử lý nước rác của Nhật có đặc thù riêng so với các nước tiên tiến khác Từ năm 1965 trong chương trình hành động khẩn cấp về cải thiện điều kiện môi trường sống (Emergency Establisment Act for Improvement Facilities) quy định: Lượng rác thải sinh hoạt được xử lý bằng phương pháp đốt Nước rác thấm từ tro đốt và chứa độc tố hữu cơ hình thành trong quá trình đốt (hợp chất hữu cơ chứa clo và dioxin) Cho đến năm 1988, lượng rác được đốt ở Nhật không thấp hơn 78% (240 triệu tấn rác/năm) Do lượng dioxin sinh ra khá cao nên năm 1997 hình thành điều luật: Hành động kiểm soát dioxin (dioxin control act)

Đặc thù ô nhiễm nước rác trên quyết định công nghệ xử lý nước rác của các hãng trên cơ sở thế mạnh của mình

Công nghệ xử lý nước rác của hãng Tsukishima Kikali (TSK)

Công nghệ tách ion canxi

Công nghệ xử lý vi sinh sử dụng các thiết bị: Tiếp xúc sinh học, đĩa quay sinh học, tấm sục khí Các thiết bị xử lý sinh học trên thích hợp cho nước thải loãng, tiết kiệm năng lượng, không xử lý hợp chất nitơ (vì không có)

Tách loại muối: Sử dụng kỹ thuật thẩm thấu ngược hoặc điện thẩm tách

Kỹ thuật ngưng tụ và kết tủa (bốc hơi chân không, kết tinh thu hồi muối, ly tâm, sấy bốc hơi)

Công nghệ xử lý nước rác của hãng Kubota Corporation

Công nghệ chống kết tủa các chất lắng đọng từ nước rác trong đường ống hoặc trong nguồn nước nhận

Công nghệ thuận lợi cho giai đoạn vận hành, bảo trì, tiết kiệm năng lượng Phân hủy dioxin

Đó là những nét chung nhất của công nghệ xử lý nước rác tại Nhật Bản và nét riêng so với các nước tiên tiến khác

102 cơ sở tự xử lý hoàn toàn rồi cho thoát ra ngoài Do qui định cho chỉ tiêu nitơ và amoni, từ năm 2001 thì phần lớn các trạm xử lý nước rác từ bãi rác sinh hoạt đã được bổ xung hoặc lắp đặt mới các thiết bị xử lý nitơ, trong đó phần lớn công nghệ

xử lý nitơ vận hành theo kiểu MLE (Modified Ludzack – Ettiger) Cũng có hơn 10 bãi rác nhỏ dùng phương pháp RO sau công nghệ sinh học

Dây chuyền xử lý nước rác ở SodoKwon (trạm xử lý nước rác lớn nhất thế giới, có công suất thiết kế 6.700m3/ngày) gồm ba công đoạn: (1) khử nitrat/nitrat hóa bằng công nghệ MLE để xử lý nitơ; (2) đông keo tụ bằng hóa chất để xử lý các chất hữu cơ khó tan còn lại trong nước đã xử lý qua khử nirat/nitrat hóa; (3) oxy hóa fenton và cuối cùng là các bể lọc cát và than hoạt tính để lọc và đưa nước qua xử lý vào tái sử dụng Từ 12/2003, công đoạn oxy hóa fenton được chuyển thành công đoạn đông keo tụ bằng phương pháp hóa học và hiện đang hoạt động với hai công đoạn đông keo tụ

19

1.2.4 Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam [1, 4]

Do xử lý nước rác ở Việt Nam mới được quan tâm khoảng 10 năm trở lại đây, nên những nghiên cứu về công nghệ chưa nhiều Các hệ thống được xây dựng

để xử lý nước rác được hình thành chủ yếu là do tính bức xúc của xã hội tại địa phương của nơi có bãi chôn lấp rác Do tính chất địa phương nên công nghệ xử lý nước rác cũng có tính đặc thù rất cao được xác lập bởi đơn vị thực hiện công nghệ, năng lực công nghệ và điều kiện khả thi trong thực hiện của địa phương đó

Dưới đây là một số công nghệ xử lý nước rác tại các bãi chôn lấp rác đã được xây dựng vận hành:

Công trình đầu tiên ở Việt Nam về xử lý nước rác

Trạm xử lý nước tại bãi chôn lấp Tây Mỗ, Hà Nội

Được xây dựng từ năm 1998 do Trung tâm môi trường đô thị và khu công nghiệp(CEETIA), Trường Đại học Xây dựng thiết kế với công nghệ sinh học đơn giản bao gồm các bước:

Hồ chứa nước rác → Bể UASB → Bãi lọc cát sỏi → Sông Nhuệ

Trạm xử lý đã hoạt động không hiệu quả ngay sau khi vận hành khởi động, thành phần nước thải đầu vào và đầu ra hầu như không thay đổi và từ đó đến nay trạm không được vận hành Nguyên nhân trạm vận hành không hiệu quả là công nghệ đưa ra quá đơn giản không phù hợp với tính chất phức tạp của nước rác

Các công trình xử lý nước rác tại TP Hồ Chí Minh

Trạm xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Gò Cát, TP Hồ Chí Minh

i Trạm xử lý nước rác bằng màng lọc của Công ty VerMeer, Hà Lan

Đây là một trạm xử lý nước rác theo công nghệ Hà Lan khá hiện đại với công nghệ chủ yếu được áp dụng là công nghệ màng vi lọc (UF) Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của bãi chôn lấp Gò Cát được trình bày tóm tắt:

20

Hình 1.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của Công ty VerMeer Sau một thời gian rất ngắn vận hành hiệu quả thì trạm xử lý nước rác này đã phải ngưng hoạt động Nguyên nhân của sự cố này như sau:

- Trong nước rác chứa một khối lượng lớn VFA (Volatile fatty acids) Lượng VFA này chiếm khoảng 50% hàm lượng COD có trong nước rác và có thể

xử lý dễ dàng bằng các thiết bị sinh học kỵ khí hoặc hiếu khí, trong khi đó các loại thiết bị lọc màng lại có hiệu quả rất kém khi xử lý VFA

- Bể kỵ khí lên men chỉ được vận hành như bể điều hòa, không có vi sinh vật,

vì vậy hiệu quả xử lý hầu như không đáng kể

- Cán bộ vận hành không có kinh nghiệm

- Công trình xử lý sinh học thiết kế không hợp lý, sử dụng quá trình sinh học

kỵ khí tải trọng thấp

ii Trạm xử lý nước rác của Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường (CENTEMA)

Hình 1.4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của CENTEMA

Sau một thời gian vận hành khoảng 6 - 8 tháng thì chất lượng nước sau xử lý giảm dần Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích dựa trên những lý do sau:

- Độ cứng cao của nước rác

- Nồng độ cao của các hợp chất nitơ

Nước rác

Nước ra

Trạm bơm Bể kị khí lên men Bể lọc áp lực

Thiết bị lọc màng màng

21

- Nồng độ cao của các hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học

Xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Phước Hiệp

i Qui trình công nghệ xử lý nước rác của công ty Quốc Việt

Hình 1.5 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước rác của Công ty Quốc Việt Công suất 200m3/ngày.đêm, hiệu suất xử lý không ổn định, cần nhiều diện tích và xả nhiều bùn từ quá trình xử lý hóa lý

ii Qui trình công nghệ xử lý nước rác của công ty TNHH Đức Lâm

về nước thải công nghiệp

Các công trình xử lý nước rác tại Nam Sơm, Hà Nội

i Trạm xử lý nước rác tại bãi rác của Viện Cơ học

Qui trình công nghệ như sau:

Bể thu → Trạm bơm → Tuyển nổi → Bể UASB → Bể aeroten → Bể lắng

→ Hồ sinh học → Xả ra ngoài

Sau khoảng hai tháng vận hành trạm xử lý hoạt động hiệu quả thấp và sau khi đã có những hiệu chỉnh lại nhưng hệ thống hoạt động vẫn không hiệu quả và ngưng hoạt động để chờ hoàn thiện công nghệ Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới hệ thống hoạt động kém hiệu quả là do hệ thống hồ sinh học không được xây dựng

ii Trạm xử lý nước rác do Xí nghiệp Điện lạnh và Môi trường, Công ty cơ khí thủy sản

Nước rác

Xử lý hóa lý

Hồ hiếu khí

Hồ sinh học Nguồn tiếp nhận (COD < 100mg/l) (COD = 1.000-2.000 mg/l)

Mặc dù có nhiều đơn vị thực hiện nghiên cứu và xử lý nước rác với những công nghệ khác nhau nhưng nói chung nước rác sau xử lý đều chưa đạt QCVN 25:2009/BTNMT (Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn) cột B1 Để nước rác sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải vào môi trường cần phải tiến hành những nghiên cứu một cách bài bản, tổng thể từ quá trình phát sinh, thu gom, xử lý nước rác

1.2.5 Xây dựng tổ hợp công nghệ xử lý [4]

Từ các đặc trưng của nước rác và các kết quả nghiên cứu thu được từ các quá trình xử lý đơn lẻ đối với nước rác cho thấy:

Tại các bãi chôn lấp luôn tồn tại hai loại nước rác: nước rác mới (nước rác

“tươi”) và nước rác lưu(nước rác “cũ”)

Nước rác lưu cữu (nước rác “cũ”) có tỷ lệ BOD/COD thấp, khả năng phân hủy sinh học khó khăn Trong khi đó, lượng nitơ cao và tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni

Nước rác mới có tỷ lệ BOD/COD cao hơn (khoảng 0,4 – 0,6) và COD có thể lên tới 10.000 – 20.000 Với tỷ lệ BOD/COD trên, khả năng phân hủy sinh học là có thể

Keo tụ là cần thiết trong một dây chuyền xử lý nhằm giảm tải và tránh sự cố cho các công trình xử lý tiếp theo

Xử lý bậc 3 (oxy hóa, lọc màng) có chi phí lớn

Xử lý sinh học thuận lợi với điều kiện khí hậu Việt Nam, chi phí thấp hơn

Do đó, dây chuyền công nghệ tổ hợp cho xử lý nước rác cần lấy xử lý sinh học làm nền tảng, cùng quá trình tiền xử lý là keo tụ Trên cơ sở đó, hai dây chuyền được thiết lập, bao gồm:

1.2.5.1 Dây chuyền tổ hợp thứ nhất – xử lý nước rác lưu cữu (cũ)

Nước rác lưu cữu có tỷ lệ BOD/COD thấp, khả năng phân hủy sinh học khó khăn Trong khi đó, lượng nitơ cao, tồn tại chủ yếu ở dạng amoni Vì vậy, với nước rác lưu quá trình xử lý thực chất là quá trình loại bỏ nitơ, amoni

Có nhiều phương pháp để xử lý amoni, nhưng các quá trình vi sinh thường được ưu tiên do chi phí thấp, hiệu quả khá cao và có khả năng tiết kiệm năng lượng do: oxy hóa amoni tới sản phẩm trung gian là nitrit sẽ giảm được lượng oxy tiêu thụ tới 25% Quá trình khử từ nitrit thuận lợi hơn khử nitrat do tốc độ nhanh hơn khoảng 40% và lượng chất hữu cơ tiêu thụ chỉ bằng khoảng 60% Điều này rất phù hợp với nước rác có hàm lượng chất hữu cơ sinh hủy thấp so với hàm lượng hợp chất nitơ

Nước rác có đặc trưng biến động rất lớn về lưu lượng và mức độ ô nhiễm nên kỹ thuật mẻ kế tiếp (Sequencing batch reactor – SBR) thích hợp hơn cả

Với những nhận xét trên, dây chuyền công nghệ xử lý nước rác thứ nhất được thiết lập trên cơ sở nước rác đầu vào là nước rác lưu và gồm hai công đoạn xử

lý riêng biêt

Keo tụ: nhằm loại bỏ cặn lơ lửng (chủ yếu là tảo)

Hệ xử lý sinh học: áp dụng kỹ thuật SBR và bao gồm các công đoạn chính

là hiếu khí và thiếu khí nhằm loại bỏ hữu cơ và nitơ

Hình 1.6 Sơ đồ khối xử lý nước rác cũ

hiếu khí – thiếu khí

24

SBR là kỹ thuật mới so với kỹ thuật dòng liên tục và được phát triển ban đầu

ở Australia vào giữ thập kỷ 80 của thế kỷ 20, sau đó được tiếp tục hoàn thiện ở Mỹ, Pháp, Anh và Đức, Nhật Bản Hiện tại SBR được sử dụng với tốc độ phát triển nhanh để xử lý hầu hết cho mọi loại nước thải Đặc trưng quan trọng nhất của kỹ thuật SBR là tiến hành tất cả các giai đoạn công nghệ trong cùng một thiết bị: tiếp nguyên liệu, sục khí (hiếu khí), khuấy (yếm khí, thiếu khí), lắng, gạn Các giai đoạn này nối tiếp nhau và kết thúc sau một mẻ Tính linh hoạt của kỹ thuật SBR cao hơn

so với hệ thống dòng liên tục do hệ được điều khiển theo thời gian, rất thích hợp cho các loại nước thải có độ ô nhiễm dao động mạnh Ví dụ, với nước thải có độ ô nhiễm cao thì kéo dài giai đoạn sục khí để tăng cường hiệu quả loại bỏ COD hay oxy hóa amoniac Khử nitrat có thể thực hiện sơ đồ hiếu khí trước hoặc sau thiếu khí bằng cách thay đổi thứ tự giai đoạn sục khí và khuấy trộn (không cần thực hiện hồi lưu hỗn hợp bùn và nước) Thải bùn dư và điều chỉnh mật độ bùn không cần tiến hành trong một mẻ mà được tiến hành theo từng đợt nên đơn giản hơn trong khâu vận hành

1.2.5.2 Dây chuyền tổ hợp thứ hai – xử lý nước rác tươi

Nước rác mới có tỷ lệ BOD/COD cao hơn (khoảng 0,4 – 0,6) và COD có thể lên tới 10.000 – 20.000 Với tỷ lệ BOD/COD trên, khả năng phân hủy sinh học là có thể Do đó quá trình xử lý yếm khí, kết hợp với hiếu khí là cần thiết

Để xử lý yếm khí có nhiều phương pháp nhưng kỹ thuật UASB được phổ biến hơn cả do có hiệu suất xử lý cao và thích hợp với các nước trong vùng nhiệt đới

Với mục đích xử lý COD, dây chuyền công nghệ xử lý nước rác thứ hai được tiến hành nghiên cứu trên cơ sở nước rác đầu vào là nước rác tươi lấy tại ô chôn lấp đang hoạt động và gồm hai công đoạn xử lý riêng biệt:

Keo tụ nhằm loại bỏ cặn lơ lửng

Hệ xử lý sinh học áp dụng : áp dụng kỹ thuật UASB kết hợp với hiếu khí nhằm loại bỏ hữu cơ

Tại các nước phát triển, ngoài xử lý riêng theo các phương pháp thông thường với công nghệ chủ động, tiên tiến, nước rác còn được xử lý theo nhiều các khác nhau phụ thuộc vào điều kiện của từng BCL nhằm giảm giá thành như:

 Tưới ngược lại ô chôn lấp nhằm tăng tốc độ phân hủy của rác thải chôn lấp Như vậy ô chôn lấp sẽ nhanh ổn định hơn nhưng nước rác thu được cũng khó

ở Việt Nam vẫn là xử lý tại chỗ đạt tiêu chuẩn trước khi xả ra ngoài

Ở Việt Nam, hiện nay hầu hết các BCL không hoặc chỉ xử lý sơ bộ nước rác Tại các BCL lớn ở Hà Nội và Tp Hồ Chí Minh có các hệ xử lý hoàn thiện hơn

26

Hệ xử lý hóa – lý

Trên thực tế, xử lý hóa lý được áp dụng là phương pháp keo tụ, kết hợp với oxy hóa Tuy nhiên, khi chỉ ứng dụng phương pháp này độc lập thì hầu như nước sau xử lý không đạt tiêu chuẩn thải do COD và nitơ còn lại cao Ngoài ra, giá thành

xử lý bằng phương pháp này cao vì phải sử dụng một lượng rất lớn hóa chất

Hệ xử lý sinh học kết hợp hóa lý

Thực tế xử lý nước rác trên địa bàn Tp.Hồ Chí Minh và Hà Nội cho thấy phương pháp xử lý sinh học kết hợp xử lý hóa lý đang được ứng dụng nhiều hơn Mỗi hệ thống đều qua bước xử lý sơ bộ là keo tụ rồi qua các công đoạn xử lý khác với mục tiêu (đối tượng) riêng và đều có những thành công, hạn chế Bao gồm:

UASB – hiếu khí/bãi lọc: hiệu quả xử lý không ổn định và chỉ cho hiệu quả trong thời gian đầu khi nước rác chưa bị phân hủy (nước rác mới) Với nước rác cũ

hệ hoạt động kém do mục tiêu xử lý là BOD trong khi đó tỷ lệ BOD/COD rất thấp

Hệ không có khả năng xử lý nitơ nên hàm lượng nitơ sau xử lý rất cao Thêm nữa các hệ UASB hoạt động không ổn định do ảnh hưởng bởi lượng canxi cao

Thiếu khí – hiếu khí (SBR): hoạt động hiệu quả cho xử lý nitơ trong nước rác lưu sau hệ hồ sinh học Tuy nhiên hàm lượng COD còn lại khá cao (>150) do lượng COD này “trơ” và không có khả năng phân hủy sinh học

Yếm khí - lọc màng: không hiệu quả do nồng độ chất ô nhiễm cao, phá vỡ quá trình màng

Oxy hóa – xử lý tự nhiên: đạt hiệu quả nhưng giá thành cao và cần diện tích lớn cho hệ tự nhiên phát triển

Stripping – sinh học – oxy hóa, lọc màng và hấp phụ: cho hiệu quả tốt nhưng chi phí lớn, lượng bùn sinh ra nhiều

Tóm lại

 Công nghệ xử lý nước rác của các nước phát triển cao hơn so với các nước đang phát triển thể hiện ở tiếp cận các công nghệ và thiết bị mới hơn Các nước nghèo ít có điều kiện tiếp cận do hạn chế về mặt đầu tư

28 men vsv

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ MÀNG SINH HỌC ĐỆM CHUYỂN ĐỘNG

2.1 Cơ sở quá trình xử lý nước thải bằng các phương pháp sinh học

2.1.1 Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa [7]

Người ta sử dụng các 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 như H2S, các sunfit, amoniac, nitơ

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của VSV để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải VSV 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 Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ VSV gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa

Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chất keo phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của VSV Theo quan điểm hiện đại nhất, quá trình xử lý nước thải gồm ba giai đoạn:

(1) Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào VSV

do khuếch tán, đối lưu và phân tử

(2) Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ ở trong và ngoài tế bào

(3) Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào VSV với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng

Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hóa các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải

Các hợp chất hóa học trải qua nhiều phản ứng chuyển hóa khác nhau trong nguyên sinh chất của tế bào Phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxy hóa sinh hóa ở điều kiện hiếu khí có dạng như sau:

CxHyOzN + (x+y/4+z/3+3/4)O2 xCO2 + (y-3)/2 H2O + NH3 + ΔH (2.1)

29

enzim men vsv

men vsv

Trong phản ứng trên, CxHyOzN là tất cả các chất hữu cơ của nước thải, còn

C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào VSV,

ΔH là năng lượng

Phản ứng (2.1) là phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, còn phản ứng (2.2) là phản ứng tổng hợp xây dựng tế bào Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải

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

Như vậy, nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bởi các chỉ tiêu BOD hặc COD Để có thể xử lý bằng phương pháp này nước thải sản xuất cần không chứa các chất độc và tập chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5

2.1.2 Các phương pháp xử lý sinh học

Người ta phân loại các phương pháp sinh học trên các cơ sở khác nhau Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai [7] loại chính:

(1) Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm VSV hiếu khí

Để bảo đảm hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 đến 400C

(2) Phương pháp yếm khí là phương pháp sử dụng các VSV yếm khí(kị khí) Các phản ứng trao đổi chất bởi VSV tiêu biểu và quan trọng [3] trong xử lý sinh học được trình bày tóm tắt như sau:

CxHyOzN + NH3 + O2 C5H7NO2 + CO2 + ΔH (2.2)

C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O + ΔH (2.3)

NH3 + O2 HNO2 + O2 HNO3 (2.4)

enzim

S2O32- + 2H2O + 2O2 → SO42- + 2H+

- Cố định nitơ:

N2 → Nitơ hữu cơ

* Các phản ứng kị khí (vi sinh vật kị khí)

- Khử nitrat (phản nitrat hóa):

5CH5COOH + 8NO3- → 10 CO2 + 6N2 + 8OH- 5S + 6NO3- + H2O → 5SO42- + 3N2 + 4H+

C6H12O6 + Vi khuẩn → 3CH3COOH

C6H12O6 + Nấm men → 2CH3CH2COOH + 2CO2

31

- Khử carbon dioxit(CO2):

CH3CH2COOH + CO2 → 2CH3COOH + CH44H2 + 2CO2 → 2CH3COOH + 2H2O

2.1.3 Sự phát triển của tế bào và động học trong quá trình xử lý sinh học

Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của VSV, quá trình phát triển của chúng được chia thành nhiều giai đoạn như minh họa trên hình

Trong giai đoạn tiềm phát, VSV chưa thích nghi với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi Đến cuối giai đoạn này tế bào VSV mới bắt đầu sinh trưởng Các tế bào mới tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng

Trong giai đoạn lũy tiến, VSV phát triển với tốc độ riêng không đổi Sau một thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng như trọng lượng tế bào tăng lên gấp đôi Khi dùng đồ thị lnX- I thì tốc độ sinh trưởng μ = tgα

Hình 2.1 Đường cong sinh trưởng của tế bào và việc sử dụng dinh dưỡng [7]

AB - giai đoạn tiềm phát; BC - giai đoạn phát triển lũy tiến; CD - giai đoạn tốc độ

chậm; DE - giai đoạn cân bằng; EF - giai đoạn suy tàn

Trong giai đoạn tốc độ chậm, tốc độ giảm dần tới mức cân bằng ở cuối pha

Ở các VSV cho sản phẩm trao đổi chất thì giai đoạn này chính là giai đoạn hình thành sản phẩm như các enzim, alcol, axit hữu cơ, vitamin…

Trong giai đoạn cân bằng, số lượng tế bào sống được giữ ở mức không đổi, nghĩa là số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới sinh ra Tính

Phương trình Michaelis – Menten (1913)[9] biểu diễn động học enzim (quan

hệ tốc độ phản ứng với nồng độ cơ chất) đã được nhiều người bổ sung và hoàn thiện thêm Phương trình cơ bản này vẫn được dùng rộng rãi trong lĩnh vực enzim học, kể

cả trong xử lý nước thải

Để tính toán được động học của quá trình, cần phải chú ý đến hàng loạt các chỉ số:

Sinh trưởng tế bào

Tốc độ tăng trưởng tế bào vi sinh vật có thể biểu diễn theo công thức sau:

Trong đó: rg – tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tich.thời gian (g/m3.giây))

μ – tốc độ sinh trưởng riêng.thời gian-1 (1/giây)

X – nồng độ vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích) hay nồng độ bùn hoạt tính, g/m3 = mg/l

Vì

Cơ chất sinh trưởng giới hạn

Trong nuôi cấy theo mẻ, nếu cơ chất và các chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng chỉ có một số lượng hạn chế trong môi trường thì sẽ bị vi sinh vật sử dụng đến cạn kiệt phục vụ cho sinh trưởng

Trong nuôi cấy liên tục, sinh trưởng sẽ bị giới hạn Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng hoặc cơ chất giới hạn tới sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy liên tục có thể tính theo công thức của Monod đề xuất trong các năm 1942 và 1949 dựa trên phương trình cơ bản về động học enzim của Michaelis – Menten:

33

Trong đó:

μ – tốc độ sinh trưởng riêng.thời gian-1

(1/giây)

μm – tốc độ sinh trưởng riêng cực đại.thời gian-1 (1/giây)

S – nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn trong dung dịch (khối lượng/đơn vị thể tích)

KS – hằng số tương ứng với 1/2 tốc độ cực đại, thể hiện sự ảnh hưởng của cơ chất ở thời điểm đạt 1/2 tốc độ cực đại (khối lượng/đơn vị thể tích = g/m3, mg/l), xem hình 2.2

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất giới hạn tới tốc độ sinh trưởng riêng [7]

Từ các phương trình trên ta có công thức tính tốc độ sinh trưởng:

Sinh trưởng tế bào và sử dụng cơ chất Trong nuôi cấy theo mẻ hay nuôi cấy liên tục một phần cơ chất được dùng cho việc tạo thành tế bào mới, phần khác được oxy hóa thành sản phẩm cuối cùng là chất vô cơ hoặc hữu cơ Số tế bào mới sinh ra lại sử dụng cơ chất tiếp tục phục vụ cho sinh trưởng, do vậy quan hệ giữa tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng là như sau:

rsu – tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.giây)

Từ hai phương trình trên ta có:

Với ta sẽ có:

rsu là tốc độ sử dụng cơ chất tính cho một đơn vị khối lượng (g) làm hoạt tính trong một đơn vị thời gian

Hô hấp nội bào (Endogenous Metabolism)

Quần thể vi khuẩn dùng trong xử lý nước thải không phải tất cả các tế bào đều có tuổi như nhau hoặc pha sinh trưởng logarit Trong đó, một số ở giai đoạn sinh trưởng chậm dần, một số khác thì bị chết Những dạng tế bào này sẽ bị phân hủy nội bào và sản phẩm phân hủy tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào Quá trình phân hủy nội bào (endogenous decay) được diễn tả đại thể như sau:

X – nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính), (g/m3)

Như vậy, cần phải kết hợp quá trình sinh trưởng và quá trình phân hủy nội bào để tính tốc độ sinh trưởng thực tế của tế bào:

35

- tốc độ sinh trưởng thực của quần thể vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích.thời gian), (1/giây)

Tốc độ sinh trưởng riêng thực của vi sinh vật tính theo công thức của Van Uden

2.1.4 Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên tốc độ oxy hóa sinh hóa [7, 9]

Tốc độ oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của dòng nước thải vào hệ thống xử lý

Ở một mức độ làm sạch nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng lên tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ,

pH, các nguyên tố chính cũng như các kim loại nặng và các muối khoáng

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xử lý sinh học Nhiệt độ không những chỉ ảnh hưởng đến hoạt tính enzim xúc tác các phản ứng hóa sinh trong tế bào vi sinh vật mà còn tác động rất lớn đến khả năng hòa tan các khí vào chất lỏng, cũng như khả năng lắng của chất rắn sinh học

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng của quá trình sinh học thường được thể hiện bằng công thức sau

trong đó:

rT – tốc dộ phản ứng ở T0C

r20 – tốc độ phản ứng ở 200C

θ – hệ số hoạt động do nhiệt độ (thường lấy bằng 1,047)

36

Tốc độ phản ứng oxy hóa sinh hóa tăng khi tăng nhiệt độ Song trong thực tế nhiệt độ nước thải trong hệ thống xử lý được duy trì trong khoảng 20 đến 300C Khi nhiệt độ tăng quá ngưỡng trên có thể làm cho các vi khuẩn bị chết, còn ở nhiệt độ quá thấp tốc độ làm sạch sẽ bị giảm và quá trình thích nghi của VSV với môi trường mới bị chậm lại, các quá trình nitrat hóa, hoạt tính keo tụ và lắng bùn bị giảm hiệu suất Còn trong phạm vi tối ưu trên, khi nhiệt độ tăng tốc độ quá trình phân hủy các chất hữu cơ tăng gấp 2 đến 3 lần Tuy nhiên khi nhiệt độ nước thải tăng thì độ hòa tan của oxy trong nước giảm

Ảnh hưởng của kim loại nặng

Theo mức độ độc hại, các kim loại nặng có thể sắp xếp theo thứ tự sau:

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

Muối của các kim loại này làm giảm tốc độ làm sạch Nồng độ cho phép của các chất độc để quá trình oxy hóa sinh hóa có thể xảy ra phụ thuộc vào bản chất các chất đó

Hàm lượng của các chất khoáng khi cao hơn nồng độ cho phép cực đại cũng

có thể ảnh hưởng xấu tới tốc độ làm sạch nước thải

Nhu cầu oxy

Để oxy hóa các chất hữu cơ, các VSV cần có oxy và nó chỉ có thể sử dụng oxy hòa tan Để cung cấp oxy cho nước thải người ta tiến hành quá trình thông khí, khuếch tán dòng không khí thành các bóng nhỏ phân bố đều trong khối chất lỏng

Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng

Để có phản ứng sinh hóa, nước thải cần chứa hợp chất của các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng Đó là các nguyên tố N, S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn,

Mo, Ni, Co, Zn, Cu trong đó N, P và K là các nguyên tố chủ yếu, cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong xử lý sinh hóa Hàm lượng các nguyên tố khác không cần phải định mức vì chúng có trong nước thải ở mức đủ cho nhu cầu của các VSV Hàm lượng các nguyên tố dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần của nước thải và tỷ

lệ giữa chúng được xác định bằng thực nghiệm Để tính toán sơ bộ người ta thường

2.1.5 Quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ sinh trưởng dính bám (cố định hay gắn kết) – Màng sinh học

2.1.5.1 Cơ chế xử lý nước thải theo nguyên lý lọc – dính bám [7, 9]

Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ (giá mang), các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt Trong số các vi sinh vật có những loài sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học), tạo thành màng (màng sinh học) Màng này cứ dầy dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang Màng này có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài

ra màng này còn khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán v.v

Hình 2.3 Sơ đồ cơ chế hoạt động của màng sinh vật [7]

Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng Màng này dầy từ

1 - 3mm và hơn nữa Mầu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến mầu nâu tối

38

Trên bề mặt giá mang (hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ, nhựa ) hình thành một màng nhầy như giêlatin và lớn dần lên được gọi là màng sinh học Màng này được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác và có cả động vật nguyên sinh Khác với quần thể vi sinh vật của bùn hoạt tính, thành phần loài và số lượng các loài ở màng lọc tương đối đồng nhất Mỗi màng lọc có một quần thể cho riêng mình Sự khác nhau không chỉ là số lượng mà cả chất lượng Khi nước thải chảy qua lọc màng sinh học, do hoạt động sống của quần thể vi sinh vật,

sẽ thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước Các chất hữu cơ

dễ phân giải được vi sinh vật sử dụng trước với vận tốc nhanh, đồng thời số lượng của quần thể tương ứng này phát triển nhanh Các chất hữu cơ khó phân giải sẽ được sử dụng sau với vận tốc cũng chậm hơn và quần thể vi sinh vật đồng hóa chúng phát triển muộn màng hơn

Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và các phin lọc sinh học là các công trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là

hệ tùy tiện Ngoài các vi khuẩn hiếu khí, màng còn có các vi khuẩn tùy tiện và kị

khí Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes,

Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus Lớp sâu bên trong màng là kị khí,

thấy có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio Như vậy, hệ vi

sinh vật trong màng sinh học của phin lọc là các thể tùy tiện

Màng vi sinh vật sẽ tăng dần lên và dầy thêm, các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận được oxy phải chuyển sang phân hủy kị khí Sản phẩm của biến đổi kị khí là các axit hữu cơ, các alcol Các chất này tạo ra chưa kịp khuếch tán ra ngoài đã bị các vi sinh vật khác sử dụng Với đặc điểm như vậy, màng sinh học có thể oxy hóa được tất cả các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải

2.1.5.2 Động học trong bể lọc sinh học đệm chuyển động[1]

Một hệ lọc sinh học bao gồm nhiều pha và bề mặt phân cách pha: giữa các khối chất mang (hạt) là pha khí (lọc khô) hoặc nước (lọc ngập nước) Trên bề mặt

39

chất mang là màng vi sinh có độ dày nhất định (0,5-1,0 mm) và khá đặc Phía ngoài lớp màng vi sinh là một lớp nước mỏng gọi là màng thủy lực, màng thủy lực có tính năng về phương diện chuyển khối khác với nước, không khí hay màng vi sinh Các quá trình chuyển khối xảy ra trong nước (khí), qua màng thủy lực, màng vi sinh Phản ứng hóa học (sinh hóa) xảy ra trong lớp màng sinh học Các quá trình chuyển khối sẽ làm chậm tốc độ phản ứng: tốc độ chuyển khối nhanh thì kìm hãm ít, tốc độ chuyển khối chậm thì kìm hãm nhiều

Trong một bể lọc sinh học tồn tại đồng thời nhiều quá trình động học và động lực: cơ chất được đưa từ ngoài vào do đối lưu, khuyếch tán của cơ chất qua màng thủy lực, khuyếch tán và phản ứng hóa học trong màng vi sinh vật Tất cả các quá trình trên xảy ra nối tiếp nhau và đều có ảnh hưởng đến tốc độ xử lý, tuy nhiên giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ khống chế toàn bộ quá trình lọc sinh học: quá trình chậm nhất thường được cho là quá trình khuyếch tán và hóa học xảy ra ở trong màng vi sinh và về mặt hình thức được đặc trưng bởi hằng số tốc độ có chứa cả quá trình khuyếch tán

- Phản ứng khi không bị khống chế bởi khuyếch tán thì phản ứng xảy ra theo bậc không, không phụ thuộc vào nồng độ

- Phản ứng bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán thì bậc của phản ứng là 0,5 Trong bể lọc sinh học có đặc trưng khuấy trộn lý tưởng (phản ứng dạng lưu thể, chất mang được đảo trộn đều trong nước), phản ứng dị thể trong bể lọc (sơ đồ hình 2.4) xảy ra như sau:

Hình 2.4 Bể lọc sinh học dạng khuấy trộn đều Lưu lượng nước thải vào và ra khỏi bể lọc là Q, nồng độ cơ chất tại đầu vào

và ra là S1, S2 V là thể tích của bể lọc, A* là diện tích tổng của màng vi sinh (diện tích tổng của chất mang) Nếu bỏ qua quá trình chuyển khối trong màng thủy lực

V, A*

(2.10) Tốc độ và hằng số động học phản ứng tính theo tổng diện tích của màng vi sinh tương ứng với bậc của phản ứng, ví dụ vs(0,5) và k0,5,s là tốc độ và hằng số tốc

độ của phản ứng bậc 0,5

Các phương trình (2.5) đến (2.10) có thể sử dụng để mô phỏng quá trình xảy

ra trong bể lọc sinh học đệm chuyển động (MBBR)

Quá trình xử lý tạp chất trong màng vi sinh vật có diễn biến giống như trong

kỹ thuật phản ứng dạng huyền phù[1]

2.2 Công nghệ màng sinh học đệm chuyển động

2.2.1 Giới thiệu

Bể phản ứng màng sinh học đệm chuyển động (moving bed biofilm reactor -

MBBR) là một công nghệ đơn giản nhưng hiệu quả, linh hoạt và nhỏ gọn để xử lý nước thải Công nghệ MBBR có hiệu quả cao trong việc loại bỏ BOD, oxy hóa amoni và các ứng dụng loại bỏ nitơ trong một loạt cấu hình xử lý khác nhau

Bể phản ứng màng sinh học đệm chuyển động sử dụng các giá thể nhựa được thiết kế đặc biệt cho vi sinh vật bám dính được giữ lơ lửng khắp nơi trong bể phản ứng bằng sục khí, tuần hoàn hoặc khuấy trộn cơ học Trong hầu hết các ứng dụng,