Nghiên cứu phương pháp tính toán trạm xử lý nước thải theo công nghệ AAO

ii LỜI CÁM ƠN Sau quá trình học tập, nghiên cứu được sự ủng hộ động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, cùng với sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tác giả đã hoàn thành luận văn thạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN DUY MẠNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN DUY MẠNH

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI THEO CÔNG NGHỆ A2/O

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ sở hạ tầng

Mã số: 1582580210007

HÀ NỘI, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tác giả: Nguyễn Duy Mạnh

Học viên cao học 23CTN21

Người hướng dẫn: TS Đặng Minh Hải

Tên đề tài Luận văn: “Nghiên cứu phương pháp tính toán trạm xử lý nước thải sinh

hoạt theo công nghệ xử lý A2/O”

Tác giả xin cam đoan các số liệu, kết quả trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả

Nguyễn Duy Mạnh

ii

LỜI CÁM ƠN

Sau quá trình học tập, nghiên cứu được sự ủng hộ động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, cùng với sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tác giả đã hoàn thành luận

văn thạc sĩ chuyên ngành Cơ sở kỹ thuật hạ tầng với đề tài: “Nghiên cứu phương

pháp tính toán trạm xử lý nước thải sinh hoạt theo công nghệ xử lý A2/O”

Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã có cơ hội học hỏi và tích lũy thêm được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu phục vụ cho công việc của mình

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, các thầy giáo, cô giáo Khoa

Kỹ thuật Tài nguyên nước, bộ môn Cấp thoát nước và các bộ môn khác đã truyền đạt những kiến thức chuyên môn trong suốt quá trình học tập

Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS Đặng Minh Hải, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho tác giả hoàn thành Luận văn này

Do còn thiếu về hiểu biết và kinh nghiệm nên nội dung trình bày trong Luận văn chắc chắn còn nhiều sai sót Vì vậy tác giả rất mong nhận được góp của các quý thầy cô, các đồng nghiệp để những khiếm khuyết sẽ được bổ sung, sai sót sẽ được chỉnh sửa

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả

Nguyễn Duy Mạnh

iii

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của Đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu của Đề tài 2

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

6 Kết quả nghiên cứu đạt được 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3

1.1 Các công nghệ xử lý nước thải đang sử dung trên thế giới 3

1.1.1 Xử lý nước thải bằng công nghệ UASB 3

1.1.2 Xử lý nước thải bằng công nghệ A/O 5

1.1.3 Xử lý nước thải bằng công nghệ PhoStrip 6

1.1.4 Xử lý nước thải bằng công nghệ SBR 7

1.1.5 Xử lý nước thải bằng công nghệ A2/O 8

1.1.6 Xử lý nước thải bằng công nghệ Bardenpho 5 bậc 9

1.1.7 Xử lý nước thải bằng công nghệ UCT 9

1.1.8 Xử lý nước thải bằng công nghệ VIP 10

1.1.9 Phân tích thuận lợi và khó khăn các công nghệ nổi bật 10

1.2 Các công nghệ xử lý nước thải đang sử dụng tại Việt Nam 13

1.2.1 Xử lý nước thải sinh hoạt đô thị 13

1.2.2 Xử lý nước thải bệnh viện, cơ quan, trường học 16

1.2.3 Xử lý nước thải công nghiệp 16

1.2.4 Xử lý nước thải làng nghề 17

1.2.5 Đánh giá công nghệ và hoạt động vận hành xử lý nước thải 17

iv

1.2.6 Một số nhận xét 18

1.3 Đề xuất công nghệ A2/O cho trạm xử lý nước thải sinh hoạt ở Việt Nam 19

1.4 Các phần mềm tính toán trên thế giới 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT A2/O VÀ NGÔN NGỮ C# 22

2.1 Cơ sở lý thuyết công nghệ xử lý A2/O 22

2.1.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí (Anaerobic) 22

2.1.1.1 Quá trình thủy phân (Hydrolysis) 25

2.1.1.2 Quá trình Axit hóa (Acidogenesis) 26

2.1.1.3 Quá trình Acetic hóa (Acetogenesis) 26

2.1.1.4 Quá trình Mêntan hóa (Methanogenesis) 26

2.1.1.5 Vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy kỵ khí 27

2.1.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học thiếu khí (Anoxic) 28

2.1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí (Oxic) 30

2.2 Cơ sở lý thuyết xây dựng chương trình tính toán M-BiO 1.0 32

2.3 Cơ sở lý thuyết mô hình bùn hoạt tính ASIM 34

2.4 Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán công nghệ A2/O 38

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI THEO CÔNG NGHỆ A2/O 42

3.1 Xây dựng phần mềm tính toán M-BiO 1.0 42

3.1.1 Giao diện của M-BiO 1.0 42

3.1.2 Nguyên lý xây dựng M-BiO 1.0 42

3.1.3 Cách sử dụng M-BiO1.0 44

3.2 Áp dụng M-BiO1.0 tính toán trạm xử lý nước thải sinh hoạt Canon 04 44

3.2.1 Thông tin chung về trạm xử lý 44

3.2.2 Phương án công nghệ xử lý 45

3.2.2.1 Tham số và tiêu chuẩn thiết kế 45

3.2.2.2 Miêu tả công nghệ 45

v

3.2.3 Tính toán và kích thước các đơn vị xử lý bằng phần mềm M-BiO1.0 47

3.3 Ứng dụng ASIM kiểm tra diễn biến chất lượng nước Canon 04 53

3.3.1 Giao diện của ASIM (Activated Sludge Simulation Program) 54

3.3.2 Nhập dữ liệu cho ASIM 54

3.3.3 Kết quả chạy chương trình ASIM 58

3.4 Phân tích số liệu quan trắc thực tế trạm xử lý Canon 04 65

3.4.1 Đơn vị thực hiện việc đo đạc, lấy mẫu phân tích 65

3.4.2 Thời gian lấy mẫu 65

3.4.3 Phân tích số liệu quan trắc thực tế của Canon 04 65

3.5 So sánh số liệu quan trắc thực tế và kết quả chạy mô hình ASIM 72

3.5.1 Thảo luận kết quả mô phỏng 75

3.5.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ 76

3.5.3 Sự ảnh hưởng của Oxi đến kết quả xử lý trong bể 79

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

1 Kết luận 81

2 Kiến nghị 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 86

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bể UASB 4

Hình 1.2 Sơ đồ các dạng bể UASB 5

Hình 1.3 Quy trình xử lý theo công nghệ A/O 5

Hình 1.4 Quy trình xử lý theo công nghệ PhoStrip 7

Hình 1.5 Quy trình xử lý theo công nghệ SBR 7

Hình 1.6 Mô phỏng hoạt động của bể SBR để xử lý các bon, Nitơ và phốt pho 8

Hình 1.7 Quy trình xử lý theo công nghệ A2/O 9

Hình 1.8 Quy trình xử lý theo công nghệ Bardenpho 5 bậc 9

Hình 1.9 Quy trình xử lý theo công nghệ UCT 10

Hình 1.10 Quy trình xử lý theo công nghệ VIP 10

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả mối liên hệ 4 giai đoạn lên men kỵ khí 24

Hình 2.2 Sơ đồ 4 giai đoạn lên men kỵ khí và tỷ lệ phân hủy các chất hữu cơ 25

Hình 2.3 Phương pháp tính toán của ASIM 36

Hình 2.4 Cấu hình hệ xử lý bùn hoạt tính dùng để mô hình 37

Hình 3.1 Giao diện phần mềm M-BiO 1.0 42

Hình 3.2 Sơ đồ khối 43

Hình 3.3 Cách sử dụng phần mềm M-BiO1.0 44

Hình 3.4 Nhập dữ liệu thông số thiết kế trong M-BiO1.0 48

Hình 3.5 Tính toán thể tích bể Kỵ khí (Anaerobic) 49

Hình 3.6 Tính toán thể tích bể Thiếu khí (Anoxic) 49

Hình 3.7 Tính toán thể tích bể Hiếu khí (Oxic) 50

Hình 3.8 Tính toán kích thước bể Lắng (Sedimention) 51

Hình 3.9 Tỉ lệ tuần hoàn Nitrat 52

Hình 3.10 Tính toán tổng cộng lượng Oxy cần chuyển hóa thành oxy hòa tan 53

Hình 3.11 Giao diện ASIM 54

Hình 3.12 Sơ đồ công nghệ A2/O của CVN04 trong ASIM 55

Hình 3.13 Nhập thông số lưu lượng, tỉ lệ tuần hoàn, tuổi của bùn, nhiệt độ 56

Hình 3.14 Nhập thông số kích thước và lượng khí Oxy trong ASIM 57

Hình 3.15 Số liệu đầu vào các nguồn 57

Hình 3.16 Thông số đầu vào các nguồn 58

vii

Hình 3.17 Phân phối lưu lượng theo các giờ trong ngày 59

Hình 3.18 Sự thay đổi của các chất hòa tan theo giờ 60

Hình 3.19 Sự thay đổi của các chất dạng hạt theo giờ 60

Hình 3.20 Lưu lượng dòng chảy 61

Hình 3.21 Sự thay đổi COD trơ dạng hòa tan 62

Hình 3.22 Sự thay đổi COD nền dạng hòa tan 62

Hình 3.23 Sự thay đổi N-NH4 63

Hình 3.24 Sự thay đổi N-NO3 64

Hình 3.25 Sự thay đổi tổng lượng chất hòa tan TSS 65

Hình 3.26 Sự thay đổi lượng COD trong bể 1 (kỵ khí) theo nhiệt độ 76

Hình 3.27 Sự thay đổi lượng COD trong bể 4 (hiếu khí) theo nhiệt độ 77

Hình 3.28 Hiệu quả xử lý NH4 trong bể 3 (hiếu khí) thay đổi do yếu tố nhiệt độ 78

Hình 3.29 Hiệu quả xử lý NH4 trong bể 3 (thiếu khí) thay đổi do yếu tố nhiệt độ 78

Hình 3.30 Hiệu quả xử lý NO3trong bể 3 (hiếu khí) thay đổi do yếu tố nhiệt độ 79

Hình 3.31 Sự ảnh hưởng của Oxi vào bể 2 (bể thiếu khí) 79

Hình 3.32 Sự ảnh hưởng của Oxi vào bể 2 (bể thiếu khí) 80

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thuận lợi và khó khăn của xử lý Phốt pho bằng phương pháp sinh học 11

Bảng 1.2 Thuận lợi và khó khăn của quá trình xử lý kết hợp Nitơ và Phốt pho bằng phương pháp sinh học 12

Bảng 1.3 Tổng hợp tình hình thực tế các công trình XLNT đô thị 13

Bảng 1.4 Công suất vận hành thực tế một số trạm XLNT đô thị 14

Bảng 3.1 Thông số chất lượng nước 45

Bảng 3.1 Bảng thông số tiêu chuẩn cho các giá trị đầu vào 57

ix

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biều đồ 3.1 Phân tích số liệu quan trắc thông số pH 66

Biều đồ 3.2 Phân tích số liệu quan trắc thông số BOD5 67

Biều đồ 3.3 Phân tích số liệu quan trắc thông số COD 68

Biều đồ 3.4 Phân tích số liệu quan trắc thông số T-SS 69

Biều đồ 3.5 Phân tích số liệu quan trắc thông số T-N 70

Biều đồ 3.6 Phân tích số liệu quan trắc thông số T-P 71

Biều đồ 3.7 So sánh COD đầu ra giữa số liệu thực tế tại và kết quả ASIM từ 28/01-27/06/2015 73

Biều đồ 3.8 So sánh COD đầu ra giữa số liệu thực tế và kết quả của ASIM từ 27/07-24/12/2015 73

Biều đồ 3.9 So sánh T-N đầu ra giữa số liệu thực tế tại và kết quả ASIM từ 28/01-27/06/2015 74

Biều đồ 3.10 So sánh T-N đầu ra giữa số liệu thực tế và kết quả của ASIM từ 27/07-24/12/2015 74

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD: Nhu cầu oxy sinh hóa

Biochemical Oxygen Demand

COD: Nhu cầu oxy hóa học

Chemical Oxygen Demand

DO: Hàm lượng oxy hòa tan

Dissolved Oxygen

Dissolved Solid

TSS: Tổng chất rắn lơ lửng

Total Supended Solid

TOC: Tổng hàm lượng Carbon hữu cơ

Total Organic Carbon

MLSS: Cặn lơ lửng của hỗn hợp bùn

Mixed Liquor Suspended Solids

HRT: Thời gian lưu nước

Hydraulic Residence Time

SRT: Thời gian lưu bùn

Solid Retention Time

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

National Technical Regulation

BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường

Ministry of Natural Resources & Environment

1

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Trên thế giới, ở các nước phát triển và một số nước đang phát triển đã có nhiều dây chuyền công nghệ xử lý nước thải được áp dụng và đã đạt được kết quả về công tác bảo vệ môi trường Công nghệ xử lý A2/O viết tắt của các cụm từ Anaerobic (Kỵ khí) – Anoxic (Thiếu khí) – Oxic (Hiếu khí) là một trong những công nghệ có tính hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải thực phẩm, nước thải thủy sản, nước thải sản xuất bánh kẹo – thực phẩm Công nghệ xử lý nước thải A2/O được phát triển vào cuối những năm 90 của thế kỷ XX bởi các nhà khoa học Nhật Bản Công nghệ này là quy trình xử lý sinh học liên tiếp ứng dụng nhiều hệ vi sinh vật khác nhau: Hệ vi sinh vật Yếm khí, Thiếu khí, Hiếu khí để xử lý chất thải Dưới tác dụng phân giải các chất ô nhiễm của hệ vi sinh vật mà chất ô nhiễm được xử

lý trước khi thải ra môi trường

Cho đến nay đã có một số lượng lớn các nhà máy xử lý nước bằng phương pháp sinh học dùng bùn hoạt tính được xây dựng và đưa vào vận hành ở các khu công nghiệp và

ở các đô thị của Việt Nam Nhu cầu về việc nghiên cứu và biên soạn phương pháp tính toán công nghệ xử lý nước thải cho trạm xử lý nước thải sinh hoạt theo các công nghệ tiên tiến trên thế giới, phù hợp với điều kiện Việt Nam là cần thiết

Chính vì vậy, nghiên cứu phương pháp tính toán trạm xử lý nước thải sinh hoạt theo công nghệ xử lý A2/O là yêu cầu thiết thực để việc ứng dụng A2/O tại Việt Nam ngày càng được hoàn thiện về kỹ thuật và quy trình công nghệ

2 M ục tiêu nghiên cứu của Đề tài

1) Nghiên cứu phương pháp tính toán công nghệ xử lý A2/O và ứng dụng trong Trạm xử lý nước thải sinh hoạt công suất vừa và nhỏ

2) Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình C# để viết phần mềm M-BiO1.0 và ứng dụng tính toán thiết kế trạm xử lý nước thải theo công nghệ A2/O

2

• Đối tượng của đề tài

Nước thải sinh hoạt từ các các nhà máy sản xuất, từ các khu công nghiệp, nước thải

bệnh viện, nước thải thủy sản, nước thải sản xuất bánh kẹo – thực phẩm

• Phạm vi của nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã công bố trên thế giới

4 N ội dung nghiên cứu của Đề tài

1) Nghiên cứu và kế thừa phương pháp tính toán công nghệ A2/O;

2) Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình C#, từ đó viết phần mềm tính toán M-BiO cho công nghệ xử lý A2/O;

3) Ứng dụng tính toán cho một trạm xử lý cụ thể, kết quả tính toán của M-BiO1.0

sẽ là thông số đầu vào cho phần mềm ASIM (Activated Sludge Simulation Program), từ đó dùng phần mềm ASIM mô phỏng diễn biến các thông số chất lượng nước tại trạm xử lý cụ thể;

4) So sánh kết quả quan trắc thực tế tại trạm xử lý cụ thể và so sánh với kết quả chạy chương trình phần mềm ASIM, từ đó tìm ra bộ thông số chạy tối ưu cho trạm xử lý và kiểm nghiệm lại tính chính xác của phần mềm tính toán M-BiO

• Phương pháp tổng hợp lý thuyết

• Phương pháp kế thừa

• Phương pháp phân tích so sánh

6 K ết quả nghiên cứu đạt được

Kết quả nghiên cứu đạt được là xây dựng được phần mềm tính toán (M-BiO1.0) cho công nghệ xử lý A2/O và ứng dụng tính toán thiết kế công nghệ A2/O cho trạm xử lý nước thải sinh hoạt cụ thể

3

1.1.1 Xử lý nước thải bằng công nghệ UASB

Vào những năm 1970, GS.TS Gatze Lettinga (người Hà Lan) cùng các cộng sự của ông thuộc Bộ môn công nghệ môi trường – Trường Đại học Nông nghiệp Wageningen phát minh công nghệ xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao bằng quá trình bùn hoạt tính kỵ khí lơ lửng dòng chảy từ dưới lên – Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

Một tính chất quan trọng hàng đầu của UASB là khả năng duy trì một lượng vi sinh khối kỵ khí lớn trong hệ thống, và vì vậy cho phép bể UASB hoạt động với tải trọng cao Bể UASB cũng được phát triển tiếp với một số biến thể, chẳng hạn EGSB (Expanaded Granular Sludge Bed, Van lier-1994) hay USBF (Upflow Sludge Bed Filter, Guiot-1984)

Sinh khối trong bể UASB và các biến thể của nó thường được phát triển thành các hạt hình cầu có đường kính từ 1-3mm, vì thế có tên là bùn hạt (granular sludge) Mặc dù việc hình thành bùn hạt không phải là yếu tố quyết định đối với sự hoạt động của bể UASB nhưng nó vẫn là một điều mong muốn để đạt được tải trọng cao

Hiện nay, bể UASB được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và cả trong nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bể UASB và tác giả được giới thiệu như hình dưới:

4

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bể UASB

(Nguồn: Vi sinh vật nước và nước thải, L.M.Triết, L.H.Việt, NXB XD, 2009)

1.Dẫn Nước vào; 2 Tầng bùn; 3 Chụp thu khí sinh học; 4 Khí sinh học;

5 Nước thải sau xử lý; 6 Tấm chắn hướng dòng

Nước thải (1) được dẫn từ dưới lên trên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng (2), các chất hữu cơ

bị phân hủy trong điều kiện kỵ khí Sản phẩm quá trình là khí sinh học (biogas) được tập trung tại chụp thu khí sinh học (3) Nước thải sau xử lý (5) được dẫn tới các công trình xử lý tiếp theo Tấm chắn hướng dòng (6) để hướng dòng khi sinh học tập trung

về chụp thu khí mà không xâm nhập vào phần nước Vùng (7) là vùng lắng bùn Bùn chết vùng đáy bể được xả ra từ ống (8)

Các dạng bể UASB được ứng dụng trong thực tế:

a UASB nguyên thủy;

b UASB có bể lắng và có bùn tuần hoàn;

c UASB có lớp giá thể

5

Rất nhiều công trình xử lý nước thải tập tủng ở các khu công nghiệp, các cơ sở sản xuất: chế biến thủy sản, các nhà máy chế biến mù cao su, ngành chăn nuôi gia súc, chế biến tinh bột sắn có áp dụng công nghệ UASB và đều do các kỹ sư Việt Nam thiết kế

và lắp đặt Hiệu quả làm việc đều rất ổn định, một số dạng bể UASB được trình bày như trong hình dưới

1.1.2 Xử lý nước thải bằng công nghệ A/O

Quy trình A/O – Anaerobic/ Oxic (Kị khí/ Hiếu khí) thường được sử dụng để xử lý kết hợp các hợp chất hữu cơ gốc C và Phốt pho Đây là quá trình xử lý đơn bậc (một bậc bùn) theo phương pháp sinh trưởng lơ lửng như hình dưới

Hình 1.3 Quy trình xử lý theo công nghệ A/O

6

Việc tiếp xúc luân phiên của vi sinh vật với các bể phản ứng hiếu khí và kỵ khí sẽ đẩy mạnh hoạt động của vi sinh vật từ đó tăng thêm hiệu suất xử lý Phốt pho không những cần thiết cho quá trình tổng hợp, sửa chữa, vận chuyển năng lượng của tế bào mà còn được tích trữ để sử dụng các hoạt động khác của vi sinh vật Lượng bùn có chứa Phốt pho dư sẽ được thải bỏ bằng dòng chảy bên (side stream) Việc tiếp xúc luân phiên giữa các điều kiện kỵ khí và hiếu khí là điều kiện bắt buộc trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, hay còn gọi là “dòng chảy chính”, hoặc cũng có thể thực hiện trong dòng bùn dòng tuần hoàn, hay “dòng chảy bên”

Nước thải đi qua 2 giai đoạn kỵ khí và hiếu khí rồi sang bể Lắng Bùn lắng sẽ được tuần hoàn về đầu bể và hòa trộn với nước thải dòng vào Dưới điều kiện kỵ khí, Phốt pho trong nước thải và sinh khối tuần hoàn sẽ được giải phóng dưới dạng phốt phát hòa tan Ở giai đoạn này một lượng lớn BOD sẽ được xử lý Phốt pho sẽ được tiêu tiệu thụ trở thành sinh khối trong bể hiếu khí Quy trình xử lý này cũng sẽ hỗ trợ thêm cho quá trình Nitrat hóa bằng cách thiết kế thời gian lưu thích hợp trong bể hiếu khí

1.1.3 Xử lý nước thải bằng công nghệ PhoStrip

Quá trình PhoStrip (xử lý Phốt pho theo dòng chảy bên), một phần bùn hoạt tính được tuần hoàn sang bể tách Phốt pho kỵ khí Thời gian lưu trong bể thường dao động trong khoảng 8-12 giờ Lượng Phốt pho giải phóng từ bể tách sẽ theo phần vàng nổi thoát ra ngoài, phần bùn hoạt tính có chưa Phốt pho nông độ thấp còn lại sẽ được dẫn ngược lại

bể hiếu khí Phần váng nổi có nồng độ Phốt pho cao sẽ được xử lý bằng vôi hoặc keo

tụ khac trong một bể riêng và sau đó được dẫn vào bể lắng sơ cấp Phốt pho được loại

bỏ dưới dạng keo tụ Các hệ thống PhoStrip và bùn hoạt tính nếu được thiết kế và vận hành đúng cách có thể xử lý đạt nồng độ Phốt pho ở đầu ra dưới 1,5 mg/l (trước lọc)

7

Hình 1.4 Quy trình xử lý theo công nghệ PhoStrip

1.1.4 Xử lý nước thải bằng công nghệ SBR

Bể SBR có thể xử lý kết hợp các các hợp chất hữu cơ gốc C, Ni tơ và Phốt pho như hình dưới:

Hình 1.5 Quy trình xử lý theo công nghệ SBR

1.Pha làm đầy; 2, 3, 4 Pha phản ứng; 5 Pha lắng; 6 Pha xả nước;

Việc xử lý các thành phần trên có thể kèm theo hoặc không kèm theo xử lý hóa học bằng cách thay đổi phương thức vận hành của bể phản ứng Theo hình 1.5, lượng Phốt

8

pho giải phóng và BOD tiêu thụ sẽ xảy ra ở pha khuấy trộn kỵ khí và lượng Phốt pho

sẽ được tiêu thụ ở pha khuấy hiếu khí sau đó

Bằng cách thay đổi thời gian lưu như hình 1.6 thì quá trình nitrat hóa và xử lý nitrat cũng có thể đạt được thực hiện đạt yêu cầu Thời gian của toàn bộ chu trình là nằm trong khoảng 3-24 giờ Ngoài ra, cần phải có nguồn bổ sung C trong pha thiếu khí dưới dạng C hô hấp nội bào của sinh khối hoặc bổ sung từ bên ngoài

Hình 1.6 Mô phỏng hoạt động của bể SBR để xử lý các bon, Nitơ và phốt pho

1.1.5 Xử lý nước thải bằng công nghệ A2/O

Quy trình A2/O là phiên bản cải tiến của quá trình A/O và có thêm phần thiếu khí cho quá trình khử Nitrat Thời gian lưu trong khu vực thiếu khí trường dao động khoảng 1 giờ Khu vực thiếu khí thường chưa ít hàm lượng ôxy hòa tan Ôxy tồn tại chủ yếu dạng liên kết hóa học trong nitrat và nitrit Nông độ Phốt pho đầu ra sau xử lý và chưa qua lọc có thể đạt 2 mg/l; nếu qua lọc thì có thể đạt 1,5 mg/l

9

Hình 1.7 Quy trình xử lý theo công nghệ A2/O

1.1.6 Xử lý nước thải bằng công nghệ Bardenpho 5 bậc

Quá trình Bardenpho 5 bậc bao gồm các bậc kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí để xử lý carbon, nitơ và Phốt pho Bậc phản ứng thiếu khí thứ hai thường là quá trình khử nitrat

bổ sung với chất nhận điện tử là nitrat từ quá trính hiếu khí trước đó và chất cho điện

tử là các bon hữu cơ Bậc phản ứng hiếu khí cuối cùng thường được dùng để đuổi lượng khí nitơ còn dư và hạn chế sự phóng thích Phốt pho trong bể lắng ở cuối quá trình Bùn từ bể hiếu khí đầu tiên sẽ được tuần hoàn về thiếu khí đầu tiên Quá trình sử dụng thời gian lưu bùn dài hơn so với quá trình A2/O với mục đích tăng cường khả năng oxi hóa các hợp chất hữu cơ gốc C

Hình 1.8 Quy trình xử lý theo công nghệ Bardenpho 5 bậc

1.1.7 Xử lý nước thải bằng công nghệ UCT

Quá trình UCT được phát triển bởi trường đại học Cape Town – Nam Phi cũng tương

tự quá trình A2/O nhưng có hai sự khác biệt là bùn hoạt tính được tuần hoàn về bậc hiếu khí thay vì bậc hiếu khí như quá trình A2/O và quá trình nội tuần hoàn từ bậc

Hình 1.9 Quy trình xử lý theo công nghệ UCT

1.1.8 Xử lý nước thải bằng công nghệ VIP

Quá trình VIP (Virginia Initiative Plant thuộc vùng Norfolk, bang Virginia-USA) cũng mang nhiều nét tương đồng với A2/O và UCT Tuy nhiên, sự khác biệt cơ bản ở cách tuần hoàn bùn Bùn hoạt tính được tuần hoàn sẽ được tuần hoàn về bậc thiếu khi với bùn đã qua Nitrat hóa từ bể hiếu khí Theo thực tế quan sát được, các thành phần hữu

cơ trong đầu vào sẽ được ổn định trong bậc kỵ khí từ đó giảm nhu cầu oxy tiêu thụ

Hình 1.10 Quy trình xử lý theo công nghệ VIP

1.1.9 Phân tích thuận lợi và khó khăn các công nghệ nổi bật

So sánh các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được trình bày dưới:

11

Bảng 1.1 Thuận lợi và khó khăn của xử lý Phốt pho bằng phương pháp sinh học

A/O Quá trình hoạt động đơn giản hơn

các quá trình khác

Bùn chứa nồng độ Phốt pho cao

(3-5%) và có thể dùng làm phân

bón

Thời gian lưu nước tương đối ngắn

Quá trình Nitrat hóa có thể xảy ra

Phostrip Có thể kết hợp dễ dàng với quá

trình bùn hoạt tính có sẵn

Quá trình linh hoạt, xử lý Phốt pho

không cần phụ thuộc tỷ số BOD/P

Ít sử dụng hóa chất hơn quá trình

Chất lượng dòng ra phụ thuộc vào thiết bị lắng gạn

hiệu suất cùng nhau

Bùn chứa nồng độ Phốt pho cao (3-5%) và có thể dùng làm phân bón

Quá trình khử Nitrat tốt hơn A/O

Hoạt động không ổn định trong điều kiện khí hậu lạnh

Cần các thiết bị cung cấp oxy tốc độ cao

Hàm lượng Nitơ tổng đạt nồng độ thấp so với các phương pháp khác

Kiềm được tuần hoàn lại hệ thống nên không cần sử dụng thêm hóa chất

Có dữ liệu thiết kế hệ thống đa dạng

Quá trình tuần hoàn nội bộ lớn dẫn đến năng lượng bơm và đòi hỏi bảo trì cao

Định lượng hóa chất không ổn định Thể tích bể lớn hơn quá trính A2/O Lắng sơ cấp làm giảm khả năng xử

lý Nitơ và Phốt pho

Đòi hỏi tỉ số BOD/P cao Chưa đánh giá được ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình

UCT Tuần hoàn về vùng thiếu khí hạn

chế sự tuần hoàn của Nitrat và tạo điều kiện xử lý Phốt pho tốt hơn trong vùng kỵ khí

Thể tích bể phản ứng nhỏ hơn quá trình Bardenpho

Quá trình tuần hoàn nội bộ lớn dẫn đến năng lượng bơm và đòi hỏi bảo trì cao

Định lượng hóa chất không ổn định Đòi hỏi tỉ số BOD/P cao

Chưa đánh giá được ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình

VIP Tuần hoàn về vùng thiếu khí giảm

lượng Oxy và kiềm tiêu thụ

Tuần hoàn đầu ra của vùng thiếu khí về vùng kỵ khí giảm tải lượng nitrate cho vùng hiếu khí

Thích ứng với điều kiện khí hậu thay đổi quanh năm

Quá trình tuần hoàn nội bộ lớn dẫn đến năng lượng bơm và đòi hỏi bảo trì cao

Nhiệt độ thấp làm giảm hiệu suất xử

lý Nitơ

13

Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải đô thị và công nghiệp

1.2.1 Xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

Đối với nước thải đô thị, khu dân cư, hầu hết sử dụng bể tự hoại xử lý tại chỗ thuộc các hộ gia đình Các bể tự hoại được xây dựng thời Pháp thuộc đều có ngăn lọc hiếu khí, sau ngày miền Bắc hoàn toàn giải phóng, người chỉ dùng bể tự hoại không có ngăn lọc và được gọi là bể bán tự hoại Tới nay có khoảng 10 nhà máy xử lý nước thải

đô thị đã được xây dựng và đưa vào hoạt động tại Hà Nội, Đà Nẵng, Buôn Ma thuột,

Đà Lạt và TP Hồ Chí Minh Đa số các các đô thị Việt Nam chưa có nhà máy/trạm xử

lý nước thải tập trung

Hiện nay đã có một số thành phố khác đang thực hiện dự án thoát nước và vệ sinh môi trường như TP Huế, Hạ Long, Việt trì, Thanh Hoá, Đồng Hới, Nha Trang, Quy Nhơn Công nghệ xử lý nước thải là công nghệ sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính hoặc áp dụng công nghệ xử lý đơn giản là hồ sinh học Các đô thị nhỏ hầu như chưa có dự án thoát nước và xử lý nước thải

Tính đến cuối năm 2015, Việt Nam có 6 loại hình đô thị, với tổng cộng khoảng 780

đô thị, dân số đô thị khoảng 35 triệu người Tổng hợp tình hình thực tế XLNT đô thị

14

1 Nhà máy XLNT

4 Nhà máy XLNT Bình Hưng Hòa TP Hồ Chí Minh 30,000 26,000 - 28,000 87 - 93%

5 Nhà máy XLNT Bình Hưng TP Hồ Chí Minh 141,000 116,728 - 124,638 83 - 88%

6 Nhà máy XLNT hà

7 Nhà máy XLNT

8 Nhà máy XLNT Hòa Cường Đà Nẵng 47,626 34,095 - 35,520 71.5 - 74.5%

Từ kết quả tình hình đầu tư xây dựng và hoạt động của các Nhà máy xử lý nước thải

đô thị cho thấy:

(1) Hiện nay có khoảng hơn 40 nhà máy xử lý nước thải đô thị tập trung đã đi vào hoạt động với tổng công suất thiết kế khoảng 800.000 m3/ngđ

Các công nghệ đã được áp dụng:

SBR - Bùn hoạt tính (Bể phản ứng theo mẻ);

CAS - Bùn hoạt tính (Bể thổi khí truyền thống);

A2/O - Bùn hoạt tính (kỵ khí - thiếu khí - hiếu khí);

AO+Nitri - Bùn hoạt tính (kỵ khí - hiếu khí);

Aero+Mat.P - Chuỗi hồ (hiếu khí - lắng - hoàn thiện);

16

(5) Để ngành thoát nước đô thị phát triển đáp ứng được nhu cầu của xã hội, cần tiếp tục có những nghiên cứu đánh giá cụ thể về hiệu quả của các dự án đầu tư xây dựng các công trình nhà máy xử lý nước thải đô thị hiện nay, từ đó đề xuất những biện pháp khắc phục những điểm yếu kém

(6) Tiếp tục hoàn thiện cơ chế chính sách, quy hoạch chuyên ngành và có những giải pháp đột quá trong quản lý xây dựng và thu hút đầu tư cho lĩnh vực thoát nước đô thị (7) Cần có kế hoạch điều tra, khảo sát nguồn nhân lực đang làm việc tại các cơ quan, doanh nghiệp thoát nước để biết được nhu cầu đào tạo, bồi dưỡng nguồn nhân lực hoạt động trong lĩnh vực này, đáp ứng cho nhu cầu trước mắt và cho cả trong tương lai

1.2.2 Xử lý nước thải bệnh viện, cơ quan, trường học

Tại các bệnh viện như BV Quân đội 108, BV Bạch Mai, BV Hai Bà Trưng, Hà Nội

(Xây dựng mới), BV Việt-Tiệp , BV Nhi TP Hải Phòng, BV Đa khoa TP Huế,

BV Nhi Thuỵ Điển Hà nội và BV Uông Bí, BV Nhi TP HCM … có trạm xử lý nước

thải với công nghệ xử lý sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính hoặc kết hợp xử lý bằng phương pháp hóa học, Viện KHVN nay là Viện KH & CN Quốc Gia đã xây dựng và vận hành trạm xử lý nước thải bằng hóa học và sinh học Hiện có khoảng 100-150

trong số 1100 bệnh viện (hay khoảng 10-15% số bệnh viện) có trạm xử lý nước thải bệnh viện đưa vào hoạt động

1.2.3 Xử lý nước thải công nghiệp

Hiện tại ở nước ước tính đã có khoảng 60-70 nhà máy xử lý nước thải tập trung tại các KCN-KCX, trong số 171 KCN-KCX đưa vào hoạt động (tổng số có 223 KCN-KCX

có quyết định thành lập)

Cũng khoảng 60% số khu công nghiệp và nhiều cụm cụng nghiệp, nhà máy, cơ sở sản xuất, các làng nghề chưa có trạm XLNT, có nơi đã xây dựng trạm XLNT nhưng không hoạt động Công nghệ XLNT thường dùng là phương pháp bùn hoạt tính và lọc sinh học

17

Công nghệ xử lý nước thải công nghiệp khá đa dạng và đặc biệt có xuất xứ từ nhiều nước Do đô các thiết bị cũng có xuất xứ từ nhiều nguồn cung cấp Kết quả sẽ gây nhiều khó khăn cho việc sửa chữa, thay thế khi cần thiết

1.2.4 Xử lý nước thải làng nghề

Trong vòng 10 năm lại đây vấn đề môi trường làng nghề đã được nhiều chương trình NCKH quan tâm như Làng nghề Việt Nam và Môi trường và nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng khác Cho đến nay một số cơ sở ở làng nghề dệt nhuộm Dương Nội, Hà Đông, Giấy Yên Phong, Bắc Ninh, Cơ sở mạ kim loại, dùng công nghệ hóa học-keo

tụ, kết tủa + lắng nước thải Một số cơ sở chế biến giấy còn áp dụng keo tụ kết hợp tuyển nổi … Một số cơ sở chế biến bún-bánh đa đã áp dụng bãi lọc sinh học ngập nước, một số khác dùng bãi lọc trồng cây … Nhìn chung công nghệ xử lý nước thải các làng nghề, tùy thuộc từng ngành sản xuất, tùy thuộc điều kiện từng làng xóm mà

áp dụng các công nghệ đa dạng khác nhau

1.2.5 Đánh giá công nghệ và hoạt động vận hành xử lý nước thải

Do khả năng kinh tế của Việt Nam còn có hạn, nên việc đầu tư xử lý nước thải đô thị chưa được nhiều Việc hút bùn từ bể tự hoại cũng chưa thực hiện đúng thời hạn

Trong khoảng 10-15 năm lại đây các cơ quan nghiên cứu và các trường đại học đã nghiên cứu theo hướng công nghệ xử lý chi phí thấp và đang áp dụng ở một số nơi và thu được kết quả ban đầu

Việc quản lý vận hành và bảo dưỡng ở các nhà máy xử lý nước thải với mọi cấp độ và quy mô đang là một vấn đề lớn không chỉ đối với nước mà cả các nước đang phát triển Đây không chỉ đơn thuần là quản lý kỹ thuật, mà còn liên quan đến chi phí kinh

tế Do vậy nhiều nhà máy/trạm xử lý nước thải, khi xây dựng với kinh phí đầu tư lớn nhưng không hoạt động Hệ quả là hiệu suất xử lý rất thấp Đây là một vấn đề cần được nghiên cứu đánh giá một cách nghiêm túc

Hiện nay công nghệ, thiết bị xử lý nước thải ở nước có xuất xứ từ nhiều nước như Nhật, Pháp, Ý, Hà Lan, Đan Mạch, Anh, Mỹ … Trong khi nước còn chưa có công nghiệp sản xuất, chế tạo thiết bị chuyên dụng Đây sẽ là thách thức lớn đối với nước trong những năm tới

18

Đối với các làng nghề, đã đang áp dụng một số công nghệ khác nhau, tùy thuộc lĩnh vực sản xuất và điều kiện cụ thể của địa phương Vấn đề là với công nghệ hóa học hay hóa lý các cơ sở có vận hành một cách thường xuyên hay không hay vận hành có hiệu quả hau không lại là chuyện khác

1.2.6 Một số nhận xét

Phát triển cấp thoát nước, xử lý nước, nước thải đô thị, công nghiệp, bệnh viện, làng nghề, đáp ứng các mục tiêu đề ra là những cơ hội và thách thức rất lớn Hướng tới phát triển công nghệ và công nghiệp môi trường trong đó có ngành công nghệ và công nghiệp Nước

Hoạt động môi trường, bên cạnh khu vực dịch vụ công nghệ môi trường, trong đó có công nghệ xử lý nước, nước thải đã có sự tham gia của khối tư nhân trong và ngoài nước, dưới nhiều hình thức cá nhân, tổ chức, công ty, liên danh, liên kết với quy mô ngày càng lớn

Các dịch vụ của ngành nước và công nghiệp môi trường của Việt Nam cũng ngày càng

đa dạng, năng lực và giá cả ngày càng cạnh tranh Trong lĩnh vực xử lý nước, nước

thải, có nhu cầu rất lớn

Một số kiến nghị:

Đẩy mạnh nghiên cứu và áp dụng:

+ Các công nghệ xử lý nước, nước thải sinh hoạt cho đô thị và nông thôn

+ Các công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi, nuôi trồng thuỷ-hải sản

+ Các công nghệ xử lý nước thải công nghiệp chế biến nông, thuỷ-hải sản

+ Các công nghệ xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm

+ Công nghệ xử lý nước thải doanh nghiệp sơn, mạ

+ Các công nghệ hỗ trợ công nghệ xử lý nước, nước thải (hoá chất, vật liệu, thiết bị, đo lường-điều khiển-tự động hoá)

+ Các công nghệ tái sử dụng nước thải trong hệ tuần hoàn

19

Việc lựa chọn công nghệ môi trường thích hợp có ý nghĩa quan trọng trong công tác bảo vệ môi trường, phục vụ cho phát triển bền vững tại Việt Nam Tiêu chí lựa chọn công nghệ là tính hiện đại, tính hiệu quả, tính phù hợp, tính phổ biến

Theo quan điểm phát triển công nghệ môi trường, một số tiêu chí cơ bản để lựa chọn công nghệ môi trường là:

Ngày nay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của nền kinh tế, lượng nước thải tăng lên đã để lại nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước Đây là mối nguy đáng lo ngại không riêng gì của Việt Nam

Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ Sau khi

sử dụng thì nước trở thành nước thải và chúng sẽ bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau Ở Việt Nam hiện nay, toàn bộ nước thải sinh hoạt chưa được xử lý và được thải

bỏ ra sông, hồ, ao các con kênh, rạch Vì vậy, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước

và bốc mùi khó chịu, làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người và các loài động thực vật sống gần khu vực xả thải

Trước hiện trạng này, nhiều nghiên cứu xử lý nước thải đã được các nhà khoa học, chuyên gia môi trường đưa ra Công nghệ xử lý A2/O, hiệu quả xử lý cao làm giảm nồng độ ô nhiễm của nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng

Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của người dân như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vui chơi giải trí… Nước thải sinh hoạt của hộ gia đình thường được chia làm 2 loại: Nước thải từ nhà vệ sinh chứa các chất ô nhiễm chủ yếu là các chất hữu cơ, các loại vi sinh vật gây bệnh và nước thải từ các quá trình tắm, giặt, nấu ăn với các thành phần chất ô nhiễm không đáng kể Các thành phần

20

ô nhiễm chính đặc trưng của nước thải sinh hoạt thường là COD, N, P Trong đó hàm lượng N và P là rất lớn trong nước thải sinh hoạt, nếu không được loại bỏ thì chúng sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa

Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng

Việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải, căn cứ dựa vào chất thải sinh hoạt sau khi đã phân loại

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý thông dụng nhưng vẫn còn gặp những hạn chế nhất định như: chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô lớn, các hệ thống xử lý hoá lý thì lại quá phức tạp và khó vận hành…

Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra không quá khắt khe đối với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học thường được ứng dụng nhất

Công nghệ A2/O là một trong những công nghệ kết hợp các phương pháp sinh học để

xử lý nước thải sinh hoạt: sau khi xử lý cấp 1 nước thải sẽ được chảy vào bể bùn hoạt tính yếm khí (Anaerobic), tiếp đến sẽ chảy vào bể vi sinh hiếu khí (Oxic), vi sinh vật sống bám trên các hạt bùn trong các bể, tại đây sẽ diễn ra quá trình vi sinh vật oxi hoá chất hữu cơ tốc độ cao, sau quá trình này thì các chất vô cơ và hữu cơ có trong nước thải vì thế mà giảm dần, quá trình này đặc biệt giảm đi đáng kể hàm lượng Nitơ tổng (Tol- Nitrogen) và Photpho tổng (Tol – Phosphase)

Mặc dù nước thải sinh hoạt có nồng độ chất ô nhiễm thấp nhưng lưu lượng thải ra lớn nên mức độ gây ô nhiễm rất cao Công nghệ A2/O có ưu điểm xử lý triệt để đồng thời COD, T-N, T-P trong một hệ thống nhằm đáp ứng yêu cầu xả thải nghiêm ngặt theo tính chất môi trường Việt Nam hiện tại và trong tương lai Áp dụng thích hợp cho các

21

công trình xử lý nước thải sinh hoạt vừa và nhỏ, chi phí đầu tư vận hành thấp, tiết kiệm diện tích xây dựng, chi phí xây dựng

Hiện nay trên thế giới có khá nhiều phần mềm nổi tiếng về thiết kế công nghệ xử lý

như: Bio Win (Enviro Sim Associates Ltd, 482 Anthony Drive Oakaville, Ontario

L6J2K5, Canada); EFOR (EFOR, 1 Kruger AS, Gladsaxevej 363, DX-2860 Soborg, Demark); GPS-X & Sim Works (Hydromantics Inc 1685 Main St West, Suite 302, Hamilton, Ontario L 8S 1G5, Canada) Tuy nhiên các phần mềm trên đều được bán dưới dạng thương phẩm Tại Việt Nam đã có một số phần mềm tính toán từng hạng mục công trình nhưng chưa có một phần mềm kết hợp các công thức tính đã có để tính toán toàn bộ công nghệ A2/O một cách đầy đủ

22

2.1.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí (Anaerobic)

Phân hủy sinh học kỵ khí đã được ứng dụng từ rất lâu trong cuộc sống của nhân loại,

bể tự hoại một ngăng là loại công trình phân hủy kỵ khí tiêu biểu được sử dụng cách đây vài nghìn năm Quá trình phân hủy chất thải nhờ các vi sinh vật kỵ khí (không cần cung cấp oxy), tuy nhiên vào thời kỳ cổ đại khoa học chưa phát triển còn người chưa

có điều kiện và cơ sở để hiểu biết về bản chất của quá trình phân hủy kỵ khí Ngày nay con người đã có đủ các điều kiện để xem xét và nghiên cứu có cơ sở khoa học về quá trình phân hủy kỵ khí và ứng dụng công nghệ xử lý kỵ khí vào nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó xử lý chất thải rắn, nước thải, bùn thải, từ những thập niên 80 thế kỷ

XX Quá trình xử lý sinh học kỵ khí thường được ứng dụng xử lý sơ bộ các loại nước thải có hàm lượng COD, BOD cao làm giảm giảm tải trọng hữu cơ và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý hiếu khí tiếp theo diễn ra có hiệu quả

Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kỵ khí và sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp bao gồm các khí (đôi khi được gọi là hỗn hợp khí Biogas): CH4, CO2, H2, các dạng khí có chứa Nito, nhưng chiếm phần lớn là khí CH4 nên đôi khi được gọi

là quá trình lên men

Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một số các chất hữu cơ và một số khoáng chất là chất ô nhiễm hiện diện trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng (thức ăn) và tạo năng lượng, xây dựng tế bào vi sinh vật, giúp vi sinh vật sinh trưởng và sinh sản vi sinh vật kỵ khí mới nên sinh khối (bùn, nồng độ bùn, mật độ bùn) của chúng tăng lên, từ đó chúng tham gia tiếp vào chu trình nêu trên góp phần làm giảm COD, BOD trong nước thải

Xử lý sinh học kỵ khí còn được áp dụng để xử lý các loại bùn, cặn (cặn tươi từ bể lắng

I, bùn hoạt tính dư sau khi nén cặn, ) trong nước thải đô thị, xử lý nước thải ngành nghề chế biện thủy sản, ngành sơ chế mủ cao su, ngành thực phẩm, ngành chăn nuôi

và một số ngành công nghiệp khác có nồng độ COD và BOD cao

23

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh học phức tạp tạo ra hằng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian trong điều kiện kỵ khí Tuy nhiên, bằng phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Chất hữu cơ  CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Hoặc:

(CHO)nNS  CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

Hỗn hợp khí sinh ra thường gọi là khí sinh học hay Biogas Thành phần của biogas sinh ra từ quá trình lên men kỵ khí như sau:

Quá trình lên men sinh học kỵ khí nước thải gồm 2 dạng phổ biến:

a) Quá trình sinh trưởng lơ lửng, các quần thể vi sinh vật kỵ khí (bùn) ở trạng thái

lơ lửng là nhờ quá trình xáo trộn thủy lực, xáo trộn bằng khí hỗn hợp khí biogas, xáo trộn bằng cơ khí

b) Quá trính sinh trưởng dính bám, các quần thể vi sinh vật kỵ khí (bùn) dính bám vào một loại vật liệu (vật liệu dính bám sinh học, vật liệu đệm sinh học), vật liệu này do quá trình thiết kế đưa vào trong bể kỵ khí ở dạng cố định hay dạng không cố định có thể xáo trộn hoặc lơ lửng Vật liệu này phải “trơ” với môi trường tiếp xúc, nghĩa là phải có độ bền cơ học cao, không gây phản ửng môi trường nước thải, không n trong môi trường nước thải, có khối lượng càng nhẹ càng tốt, sẵn có tại địa phương để giá thành đầu tư giảm

24

Các quá trình chuyển hóa trong phân hủy kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải xảy ra theo 4 giai đoạn như hình 2.1 Hình 2.1 trình bày sơ đồ mô tả mối liên hệ 4 giai đoạn lên men

kỵ khí, cụ thể như sau:

- Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử mạch carbon dài, mạch vòng (các hợp chất cao phân tử này khó bị phân hủy bằng phương pháp sinh học hiếu khí) thành các hợp chất mạch ngắn, hợp chất đơn giản;

- Giai đoạn 2: Axit hóa các sản phẩm của giai đoạn 1

- Giai đoạn 3: Acet hóa các sản phẩm của giai đoạn 2

- Giai đoạn 4: Mên hóa các sản phẩm của giai đoạn 3 thành dạng khí, nghĩa là các chất ô nhiễm có trong nước dạng CxHyOxNtShchuyển hóa thành một số khí bay hơi đi vào cơ thể vi sinh vật, một số vi sinh vật này chết hình thành bùn lắng xuống đáy công trình xử lý Hỗn hợp khí bay ra ngoài khỏi môi trường nước và lượng bùn chết được thu ra nên các thành phần CxHyOxNtSh có trong nước thải bị mất đi, nước thải sẽ giảm mức độ ô nhiễm so với ban đầu

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả mối liên hệ 4 giai đoạn lên men kỵ khí

25

Các chất hữu cơ gồm nhiều chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, hydrat cacbon, senlulo, lignin, trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amin axit, hydrat cacbon thành đường đơn, và chất béo thành các axit béo Trong giai đoạn axit hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành axit acetic, H2 và CO2 .Các axit béo dễ bay hơi chủ yếu là axit propionic và axit lactic Bên cạnh đó, CO2 và H2, mênol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch hydrat cacbon Vi sinh vật chuyển hóa mên chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acet, mênol, metylamin và

CO Hình 2.2 mô tả sơ đồ 4 giai đoạn lên men và tỷ lệ các chất hữu cơ phức tạp

Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ 4 giai đoạn lên men kỵ khí và tỷ lệ phân hủy các chất hữu cơ

2.1.1.1 Quá trình thủy phân (Hydrolysis)

Trong giai đoạn này các chất thải hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, senlulo, lignin, chúng bị thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn,

dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thanh amino axit, hydrat cacbon thành đường đơn, và chất béo thành các axit béo

26

Muốn hấp thụ được các chất hữu cơ trong nước thải, vi sinh vật phải thực hiện các công đoạn chuyển hóa các chất này Việc đầu tiên là phải thủy phân các chất có phân

tử lượng cao thành các polyme có phân tử lượng thấp và monome Khi đó các polyme

có phân tử lượng thấp và monome này mới có khả năng được hấp thụ qua màng tế bào

vi sinh vật Để thực thiện quá trình thủy phân, các vi sinh vật này phải có hệ enzym các loại như protein, lipase, senlulas, Sau thủy phân, các sản phẩm đó sẽ được tạo thành các amin axit, đường rượu, các axit béo mạch dài, Quá trình thủy phân xảy ra khá chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố của môi trường như nhiệt độ, pH, cấu trúc của các chất hữu cơ phân giải

2.1.1.2 Quá trình Axit hóa (Acidogenesis)

Các sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ được tiếp tục phân giải dưới tác động của các

vi sinh vật lên men axit béo dễ bay hơi như axit acetic, axit fomic, axit propionic Ngoài ra còn có một số dạng như rượu mênol, enol, actol, NH3, CO2, H2,

2.1.1.3 Quá trình Acetic hóa (Acetogenesis)

Các axit là sản phẩm của quá trình trên lại được tiếp tục thủy phân để tạo lượng axit acetic cao hơn Sản phẩm của quá trình này phụ thuộc vào áp suất riêng phần H2 trong môi trường Áp suất riêng phần của H2 được giữ < 10-3 atm để vi sinh vật có thể thực hiện biến đổi H2 thành CH4theo phản ứng sau:

4H2 + CO2  CH4 + 2H2O

Thực tế cho thấy khi áp suất riêng phần của H2 lớn thì sản phẩm của quá trình này chứa nhiều axit béo trung gian như axit propionic (C3), axit butyric (C4), Do vậy, làm chậm quá trình tạo mên

2.1.1.4 Quá trình Mêntan hóa (Methanogenesis)

Do là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy các sản phẩm hữu cơ đơn giản của những giai đoạn trước để tạo thành CH4 và CO2 nhờ các vi khuẩn lên men mên Chúng có hai nhóm:

27

- Nhóm biến đổi Acet: Nhóm này có tốc độ phát triển chậm và đây là nguyên nhân đòi hỏi công trình xử lý kỵ khí phải có thời gian lưu chất thải ở công trình lâu

CH3COOH  CH4 + CO2

- Nhóm biến đổi Hydro: Nhóm này có tốc độ phát triển nhanh hơn nhiều, do đó

có khả năng giữ áp suất riêng phần của H2 thấp, tạo điều kiện tốt cho quá trình biến đổi acet từ các axit béo

4H2 + CO2  CH4 + 2H2O Trong giai đoạn này, khoảng 72% lượng CH4 được chuyển hóa từ H2 và CO2, còn 28% từ Axit acetic

2.1.1.5 Vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy kỵ khí

Có bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình lên men kỵ khí:

• Nhóm 1: vi khuẩn thủy phân-Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số VSV)

Chuyển hóa protein, senlulo, lignin, lipid  axit amin, gluco, axit béo, glycerol

Quá trình này có sự xúc tác của enzym ngoại bào: senlulas, proteas, lipas

• Nhóm 2: vi khuẩn lên men axit-Fermetive aciddogenic bacteria

Chuyển hóa Đường, axit amin, axit béo  axit hữu cơ (acetic, formic, propionic, lactic, butylic, succinic), alcol và kenton (enol, menol, glycerol, acetol, acet, H2 và CO2)

• Nhóm 3: vi khuẩn acetic-Acetogenic bacteria

Chuyển hóa axit béo, alcol  acet, CO2 và H2

• Nhóm 4: vi khuẩn men-Methanogens

Vi khuẩn (VK) men chia thành 3 nhóm phụ:

+ VK men hydrogenotrophic: