Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ DHS (downflow hanging sponge) dạng tấm treo tự do

Với những ưu điểm trên, hệ thống DHS thích hợp áp dụng cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt vừa và nhỏ yêu cầu chi phí đầu tư, vận hành và quản lý thấp, tiết kiệm được năng lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phước Dân

Tp HCM, ngày 5 tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 12.01.1982 Nơi sinh: TP HCM

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG

CÔNG NGHỆ DHS (DOWNFLOW HANGING SPONGE) DẠNG TẤM

TREO TỰ DO

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu tổng quan nước thải sinh hoạt và các phương pháp xử lý

- Tìm hiểu công nghệ DHS (Downflow Hanging Sponge)

- Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD, nitơ, SS, coliform của mô hình DHS trên

nước thải sinh hoạt

- Khảo sát nồng độ DO, sinh khối bùn trong mô hình

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05.11.2007

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Phước Dân, thầy đã hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện Luận văn Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Môi trường đã giúp

đỡ cho tôi rất nhiều trong thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị, các bạn đồng nghiệp tại khoa Công nghệ Môi trường và Viện Công nghệ Sinh học – Môi trường Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM, các bạn Cao học khóa 2005 ngành Công nghệ Môi trường đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học Cao học và thực hiện Luận văn này Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ, gia đình và những người thân của tôi đã động viên, giúp đỡ và cùng tôi bước trên những chặng đường học tập đã qua

Tp.Hồ Chí Minh, 11/2007

Võ Thanh Thủy

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ DHS dạng tấm treo tự do (curtain – type) theo 5 tải trọng tăng dần 0.5, 1, 1.5, 2 và 3 kgCOD/m3ngày DHS ứng dụng quá trình xử lý sinh học bám dính trên giá thể là mút xốp polyurethane mềm DHS có cấu tạo hình dáng bên ngoài đặc biệt nên không cần sục khí Qua thời gian nghiên cứu, DHS thể hiện hiệu quả xử lý COD rất tốt có thể đạt tới 98%, loại bỏ được 84% SS, 94% NH4+, xử lý 55% Nitơ tổng với thời gian lưu nước là 9,6 giờ Ngoài ra, DHS còn có khả năng xử lý coliform giảm được 2,89lg Nồng độ sinh khối trong DHS lớn nhờ đó thời gian lưu bùn dài, quá trình hô hấp nội bào là chủ đạo nên lượng bùn dư sinh ra ít Với những ưu điểm trên, hệ thống DHS thích hợp áp dụng cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt vừa và nhỏ yêu cầu chi phí đầu tư, vận hành và quản lý thấp, tiết kiệm được năng lượng sục khí, diện tích xây dựng DHS có cấu tạo đơn giản dễ lắp đặt, quản lý và vận hành

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT LUẬN VĂN i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH CÁC BẢNG iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

Chương 1 MỞ ĐẦU 1 U 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2 U 1.3 ĐỐI TƯỢNG – PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 U 1.4.1 Phương pháp nghiên cứu biên hội 3

1.4.2 Phương pháp phân tích 3

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình 3

1.4.4 Phương pháp xử lý số liệu, nhận xét 3

1.5 TÍNH MỚI – Ý NGHĨA KHOA HỌC – THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.5.1 Tính mới của đề tài 3

1.5.2 Ý nghĩa khoa học 4

1.5.3 Tính thực tiễn của đề tài 4

Chương 2 TỔNG QUAN 5

2.1 TỔNG QUAN NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 5

2.1.1 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt 5

2.1.2 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đối với môi trường 10

2.1.3 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 11

2.2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC BÁM DÍNH

HIẾU KHÍ 20

2.2.1 Quá trình VSV sinh trưởng bám dính 20

2.2.2 Các công trình xử lý nước áp dụng quá trình sinh trưởng bám dính 23

2.3 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP DHS 28

2.3.1 Giới thiệu 28

2.3.2 Các kết quả nghiên cứu về DHS trong xử lý nước thải sinh hoạt .31

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39 U 3.1 TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 39

3.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 39 U 3.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 42

3.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 44

Chương 4 KẾT QUẢ - BÀN LUẬN 46

4.1 KHẢ NĂNG XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ 46

4.2 KHẢ NĂNG XỬ LÝ NITƠ TRONG DHS 53

4.3 KHẢ NĂNG LOẠI BỎ COLIFORM 65

4.4 SỰ KHUẾCH TÁN OXY VÀO BỂ 68

4.5 SINH KHỐI TRONG BỂ 70

Chương 5 KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

5.1 KẾT LUẬN 73

5.2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 74

5.3 KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

PHỤ LỤC A: MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU 84 U PHỤ LỤC B: SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU 91

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Khối lượng chất bẩn có trong 1 m3 nước thải sinh hoạt 6

Bảng 2.2:Khối lượng chất bẩn có trong nước thải sinh hoạt cho 1 người 6

Bảng 2.3: Thành phần nước thải trước xử lý của 1 khu dân cư điển hình 7

Bảng 2.4 Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt chưa xử lý 8

Bảng 2.5: Tải lượng và nồng độ chất bẩn trong nước thải sinh hoạt từ các ngôi nhà hoặc cụm dân cư độc lập 8

Bảng 2.6: Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt 9

Bảng 2.7:Thông số thiết kế của bể lọc sinh học nhỏ giọt 24

Bảng 3.1: Kết quả phân tích các chỉ tiêu hoá lý của nước thải sinh hoạt ở KTX 39

Bảng 3.2:Thông số thiết kế mô hình DHS .41

Bảng 3.3.Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 44

Bảng 4.1 Tóm tắt kết quả xử lý COD của DHS theo các tải trọng 48

Bảng 4.2 Tóm tắt kết quả xử lý coliform theo tải trọng 66

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Các nguồn nước thải sinh hoạt 5

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải lưu vực kênh Tàu Hũ – Bến Nghé, Đôi – Tẻ, công suất Q = 512.000 m3/ngày đêm (ECO, 2006) 17

Hình 2.3.Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải Bình Hưng Hòa, công suất Q = 30.000 m3/ngày đêm 18

Hình 2.4 Mô hình xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ (ECO, 2006) 19

Hình 2.5 Cơ chế trao đổi chất của màng VSV 21

Hình 2.6 Sơ đồ các công trình áp dụng quá trình sinh trưởng bám dính 23

Hình 2.7 Sơ đồ phác họa hình ảnh của các dòng hệ thống DHS .30

Hình 2.8 Hình ảnh chụp của bể DHS xây dựng tại Ấn Độ .38

Hình 3.1 Mô hình DHS dạng tấm treo 40

Hình 3.2 Sơ đồ khối quá trình thí nghiệm 42

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn nồng độ COD trong thời gian khảo sát .46

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD trong thời gian khảo sát 46

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD theo tải trọng tăng dần 48

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn SS trong quá trình khảo sát .50

Hình 4.5 Đồ thị thể hiện hiệu suất xử lý SS trong quá trình khảo sát 50

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn COD theo tải trọng .51

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn hiệu suất khử COD theo tải trọng .52

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện nồng độ NH4+ và hiệu suất xử lý NH4+ 53

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn nồng độ NO2- trong thời gian khảo sát 55

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn nồng độ NO3- trong thời gian khảo sát 55

Hình 4.11 Mối liên hệ giữa TKN mất đi và NOx sinh ra của toàn bể (4m) 56

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn hàm lượng TKN và hiệu suất xử lý 58

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn Tổng lượng Nitơ trong suốt quá trình khảo sát 59

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý tổng Nitơ trong thời gian khảo sát 59

Hình 4.15 Đồ thị thể hiện nồng độ NH4+, NO2-, NO3- ở vị trí 2m 60

Hình 4.16 Đồ thị thể hiện nồng độ NH4+, NO2-, NO3- ở vị trí 4m 60

Hình 4.17 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý NH3 theo tải trọng 61

Hình 4.18 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý TKN theo tải trọng 62

Hình 4.19 Đồ thị biểu diễn Nitơ tổng theo tải trọng 63

Hình 4.20 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý Nitơ tổng theo tải trọng .63

Hình 4.21 Đồ thị biểu diễn pH của hệ thống trong thời gian khảo sát .64

Hình 4.22 Đồ thị biểu diễn số lượng coliform trong thời gian khảo sát .65

Hình 4.23 Đồ thị biểu diễn hiệu suất khử Coliform trong thời gian khảo sát 67

Hình 4.24 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý coliform theo tải trọng 68

Hình 4.25 Đồ thị biểu diễn nồng độ DO trong thời gian khảo sát .69

Hình 4.26 Đồ thị thể hiện nồng độ DO theo tải trọng 70

Hình 4.27 Đồ thị thể hiện phân phối sinh khối dọc theo chiều cao bể DHS .71

Hình 4.28 Phân tích sinh khối bùn 72

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh hóa - Biochemical Oxygen Demand

COD: Nhu cầu oxy hóa học - Chemical Oxygen Demand

DO: Oxy hòa tan - Dissolved Oxygen

DHS: Bể sinh học mút xốp treo dòng từ trên - Downflow hanging sponge

H: Hiệu suất

HRT: Thời gian lưu nước - Hydraulic Retention Time

MBR: Bể sinh học màng - Membrane Bioreactor

MLSS: Tổng chất rắn lơ lửng trong hệ bùn lỏng - Mixed liquor suspended solids MLVSS: Tổng chất rắn lơ lửng bay hơi trong hệ bùn lỏng - Mixed liquor volatile

suspended solids

OLR: Tải trọng chất hữu cơ - Organic loading rate

RBCs: Đĩa lọc sinh học quay - Rotating Biological Contactors

SBBR: Bể lọc sinh học mẻ - Sequential Batch Biofilm Reactor

SRT: Thời gian lưu bùn - Sludge Retention Time

SS: Chất rắn lơ lửng - Suspended Solids

SVI: Chỉ số thể tích bùn - Sludge Volume Index

TKN: Tổng nitơ Kjeldal - Total Kjeldal Nitrogen

TN: Tổng nitơ - Total Nitrogen

TS: Tổng chất rắn - Total solids

TVS: Tổng chất rắn bay hơi - Total volatile solids

UASB: Bể phản ứng có lớp bùn lơ lửng dòng chảy ngược - Upflow Anaerobic

Sludge Blanket

VSS: Chất rắn dễ bay hơi - Volatile Suspended Solids

Mặt khác, theo chương 6, Luật Bảo vệ Môi trường 2005, Quy định về bảo vệ Môi trường trong khu đô thị, bắt buộc các khu dân cư, đô thị phải xử lý nước thải

đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường Với thực trạng như hiện nay, việc nghiên cứu các công nghệ thích hợp để cải thiện tình hình ô nhiễm do nước thải sinh hoạt trong điều kiện Việt Nam hiện nay là vấn đề cấp thiết

Để giải quyết vấn đề trên, các nghiên cứu theo hướng tìm kiếm các kỹ thuật đơn giản, có hiệu quả và giá thành thấp thích hợp cho các nước đang phát triển được tiến hành và một loại bể hiếu khí mới có tên gọi là DHS (downfow hanging sponge)

đã được đề xuất bởi Machdar et al 1997 DHS sử dụng các mút xốp có vai trò như

vật cố định sinh khối Nước thải đầu vào được phân phối đều và thấm tự nhiên vào các miếng mút được treo theo chiều của trọng lực Đặc điểm quan trọng nhất của bể DHS là không phải sục khí từ bên ngoài và thời gian lưu bùn (SRT) khá dài

DHS sau đó được phát triển bởi nhóm giáo sư Harada ở Đại học Nagaoka, Nhật Bản Ông tiến hành nghiên cứu hàng loạt các thí nghiệm về hệ thống DHS từ khả năng khử COD và quá trình nitrat hóa đồng thời, sự ảnh hưởng của các tác nhân hóa lý và sinh học tới sự khử coliform, hành vi của nhóm vi khuẩn nitrat hóa trong

bể, sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình xử lý…

DHS đã được ứng dụng tại trạm xử lý nước thải sinh hoạt Karnal, Ấn Độ với lưu lượng 1000m3/ngày, Harada tiến hành thí nghiệm dài trong 3 năm và đều cho kết quả tốt Điều này chứng tỏ hệ thống DHS là một kỹ thuật khả thi đối với nước thải sinh hoạt ở các nước đang phát triển như Việt Nam

Do đó, đề tài này nhằm nghiên cứu khả năng xử lý của DHS đối với nước thải sinh hoạt tại thành phố Hồ Chí Minh

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu hiệu quả xử lý nhu cầu oxy hóa học COD, khảo sát sự chuyển hóa của các dạng Nitơ (Nitơ Kjeldhal TKN, amonium NH4+,nitrit NO2-,nitrat NO3-), khảo sát nồng độ oxy hòa tan DO, hiệu quả khử Coliform, khử SS của nước thải sinh hoạt theo tải trọng tăng dần bằng Công nghệ DHS (downflow hanging sponge) dạng màn treo tự do (curtain – type DHS)

1.3 ĐỐI TƯỢNG – PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu là nước thải sinh hoạt từ bể tự hoại cùng với nước từ các nguồn khác như: nhà bếp, tắm, giặt qua mô hình curtain – type DHS

Trong đề tài này, tác giả sử dụng nước thải sinh hoạt khu ký túc xá An Giang thuộc trường Đại học Nông Lâm TP.HCM làm đối tượng nghiên cứu thực tế Sử dụng bùn hoạt tính lấy từ bể bùn hoạt tính của Nhà máy bia Việt Nam quận 12 để nuôi cấy vi khuẩn lên giá thể mút xốp

Nghiên cứu mô hình DHS dạng màn (curtain-type DHS) hay còn gọi DHS thế hệ thứ 2; xác định tải trọng thích hợp bằng cách thay đổi lưu lượng qua vận tốc dòng vào, từ đó đánh giá hiệu quả khử COD, SS, coliform, diễn biến các dạng Nitơ, nồng độ DO

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu biên hội

Tham khảo, tổng hợp số liệu về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt theo các tài liệu trong và ngoài nước Tìm hiểu các nghiên cứu và công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt đã được thực hiện ở Việt Nam và nước ngoài

Thu thập, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực hiện về công nghệ DHS cũng như các công trình đã áp dụng ngoài thực tế ở nước ngoài để có cở sở và phương hướng cho đề tài áp dụng trên nước thải tại Việt Nam

1.4.2 Phương pháp phân tích

Các chỉ tiêu lý, hóa được phân tích hàng ngày là pH, DO, SS, COD, TKN,

NH4, NO2-, NO3- Các chỉ tiêu sinh học như Coliform, sinh khối cũng được khảo sát

Các chỉ tiêu pH, DO được đo bằng máy đo nhanh, các chỉ tiêu còn lại được phân tích theo Standard Method, Hoa Kỳ

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình

Xây dựng mô hình thí nghiệm curtain – type DHS, tiến hành nuôi cấy vi sinh lên giá thể mút xốp, chạy các tải trọng tăng dần, lấy mẫu và đem phân tích các chỉ tiêu

1.4.4 Phương pháp xử lý số liệu, nhận xét

Từ số liệu thô, tính toán hiệu suất xử lý, hiệu suất chuyển hóa, vẽ đồ thị và đưa ra những phân tích, nhận xét và kết luận về đề tài

1.5 TÍNH MỚI – Ý NGHĨA KHOA HỌC – THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

1.5.1 Tính mới của đề tài

Tại Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào về khả năng xử lý của bể curtain – type DHS (downflow hanging sponge reactor) trong xử lý nước thải sinh hoạt hay

1.5.2 Ý nghĩa khoa học

Xác định được tải trọng của bể DHS để xứ lý nước thải sinh hoạt đạt tiêu chuẩn TCVN 6772:2000

1.5.3 Tính thực tiễn của đề tài

Kích thước công trình nhỏ gọn do là những tấm treo thắng đứng chiếm ít diện tích, giá thể là mút xốp polyurethane vụn rẻ tiền nên chi phí đầu tư thấp

Trong quá trình xử lý không cần năng lượng cấp khí từ bên ngoài, lượng bùn sinh ra ít nên không phải rút bùn dư, vì vậy chi phí vận hành và quản lý thấp, quy trình vận hành đơn giản

Với những đặc điểm trên, tác giả tin rằng bể DHS có thể được ứng dụng để

xử lý nước thải cho các công trình dịch vụ công cộng, khu dân cư nhỏ như cao ốc,

chung cư, ký túc xá…

Nước thải sinh hoạt phát sinh trong quá trình hoạt động của con người, chủ yếu do các hoạt động sau:

NGUỒN NƯỚC THẢI TỪ CÁC NGÔI NHA Ø

NƯỚC THẢI PHÂN NƯỚC TIỂU NƯỚC RỬA

TẮM GIẶT NƯỚC THẢI NHÀ BẾP

CÁC LOẠI NƯỚC THẢI KHÁC

Hình 2.1 Các nguồn nước thải sinh hoạt

Các loại nước thải được hình thành cĩ lưu lượng, thành phần và tính chất khác nhau Tuy nhiên, để thuận tiện cho xử lý và tái sử dụng, người ta chia chúng thành ba loại:

- Nước thải khơng chứa phân, nước tiểu và các loại thực phẩm từ các thiết bị

vệ sinh như bồn tắm, chậu giặt, chậu rửa mặt Loại nước thải này chủ yếu

chứa chất lơ lửng, các chất tẩy giặt thường gọi là “nước xám” Nồng độ

các chất hữu cơ trong loại nước thải này thấp và thường khĩ phân hủy sinh

- Nước thải chứa phân, nước tiểu từ các khu vệ sinh gọi là “nước đen”

Nước thải này tồn tại các loại vi khuẩn gây bệnh và gây mùi hôi thối Hàm lượng các chất hữu cơ (BOD5) và các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt-pho cao Các loại nước thải này thường gây nguy hại đến sức khoẻ và dễ làm nhiễm bẩn nguồn nước mặt Tuy nhiên chúng thích hợp cho việc xử lý làm phân bón hoặc tạo khí sinh học

- Nước thải nhà bếp chứa dầu mỡ và phế thải thực phẩm từ nhà bếp, máy rửa bát Các loại này có hàm lượng lớn các chất hữu cơ (BOD5,COD) và các nguyên tố dinh dưỡng khác (nitơ, phốt-pho)

Nước thải sinh hoạt thường không ổn định lượng xả ra theo thời gian như: ngày, tháng hoặc mùa Lượng nước thải sinh hoạt thường được tính gần đúng dựa vào kinh nghiệm đánh giá qua qui mô khu vực sinh sống (thành thị, ngoại ô, nông thôn), chất lượng cuộc sống (cao, trung bình, thấp) Lượng nước thải sinh hoạt và tính chất ô nhiễm thường biến động cao

Bảng 2.1: Khối lượng chất bẩn có trong 1 m3 nước thải sinh hoạt

Chất bẩn (g/m 3 ) Chất

Khoáng Hữu cơ Tổng cộng BOD 5

Khoáng Hữu cơ Tổng cộng BOD 5

Bảng 2.3: Thành phần nước thải trước xử lý của 1 khu dân cư điển hình

Bảng 2.4 Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt chưa xử lý

Hàm lượng Thành phần

Theo các nghiên cứu trong nước thì thành phần đặc trưng của nước thải như

sau:

Bảng 2.5: Tải lượng và nồng độ chất bẩn trong nước thải sinh hoạt từ các ngôi nhà

hoặc cụm dân cư độc lập

Bảng 2.6: Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt

Nồng độ (mg/l) Chât ô nhiễm trong nước thải

Loại mạnh*

Loại yếu* Trung

bình*

Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) ≥ 300 ≤ 100 200

Nhu cầu oxy hóa học (COD) ≥ 1500 ≤ 250 500

*: có thể phân biệt theo ô nhiễm cao (mạnh), vừa (trung bình) và nhẹ (yếu)

Kim Thái, Hiền Thảo, 1999

Thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt ở nước ta khác xa so với nước thải

ở các thành phố hiện đại của các nước công nghiệp phát triển do: 1) Mức sống trung bình của xã hội trong các đô thị còn thấp nên lượng chất thải hữu cơ theo đầu người không cao; 2) Hầu hết các nhà đều có bể tự hoại (cho dù hoàn thiện hay chưa hoàn thiện), do đó trước khi xả vào cống, nước thải cũng đã được xử lý một phần bằng sinh học kỵ khí Vì những lý do này dẫn đến có một số đặc trưng: 1) Nồng độ nhiễm bẩn thấp hơn nhiều so với nước thải ở các nước công nghiệp phát triển Ở những thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, BOD5 thường là 150-200 mg/l trong khi ở các đô thị khác là 100-150 mg/l; 2) Nồng độ các chất rắn lơ lửng (SS) thường dao động rất lớn; 3) Nồng độ NH3 và H2S cao

Đối với những nguồn thải đã qua bể tự hoại thì mức độ ô nhiễm giảm, COD của nước thải trong bể tự hoại giảm từ 25% đến 50% Nồng độ các chất bẩn trong dòng nước thải ra khỏi bể tự hoại nằm ở trong giới hạn: BOD5: 120- 140 mg/l; Tổng các chất rắn: 50-100 mg/l; Nitơ amôn (N-NH3): 20-50 mg/l; Nitơ nitơrat (N-NO3):

<1 mg/l; Tổng Nitơ: 25-80 mg/l; Tổng phôt pho: 10-20 mg/l; Tổng coliorm: 106MPN/100ml

103-2.1.2 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đối với môi trường

Khi nước thải sinh hoạt xử lý chưa đạt yêu cầu xả vào sông hồ, nguồn nước

có thể bị ô nhiễm và chất lượng nước giảm sút do các quá trình sau đây:

- Lắng cặn khu vực miệng xả: cặn lắng phần lớn là chất hữu cơ nên dễ bị

oxy hoá sinh hoá, làm oxy trong nguồn nước bị giảm Trong lớp cặn lắng phía dưới diễn ra quá trình lên men, các chất khí như H2S, CH4 tạo thành, thoát ra xâm nhập vào trong nước, gây mùi và nổi váng bọt lên bề mặt Cặn lắng còn làm giảm tiết diện miệng xả, thay đổi đáy sông hồ, cản trở dòng chảy…

- Chế độ oxy trong sông hồ: Nồng độ oxy hoà tan là yếu tố giới hạn nên độ

giảm của nó sẽ ảnh hưởng xấu đến sự ổn định hệ sinh thái sông hồ Thời gian tính theo chiều dòng chảy khi nồng độ oxy trong mức sông hồ thấp nhất gọi là thời gian tới hạn Tại thời điểm tới hạn, nguồn nước bị ô nhiễm nặng nhất Thông thường trong tính toán xử lý nước thải, bảo vệ nguồn nước không được lớn hơn hai ngày

- Hiện tượng phú dưỡng: các nguyên tố dinh dưỡng có trong nước thải sinh

hoạt như Nitơ (N), Photpho (P), Kali (K) và các chất khoáng khác khi vào nguồn nước sẽ được phù du thực vật, nhất là các loài tảo lam hấp thụ tạo nên sinh khối trong quá trình quang hợp Sự phát triển đột ngột của tảo lam làm cho nước có mùi và độ màu tăng lên, chế độ oxy trong nguồn nước không ổn định Hiện tượng này được gọi là hiện tượng nước nở hoa

do phú dưỡng Sau quá trình phát triển, phù du thực vật bị chết, xác của chúng tạo nên sự nhiễm bẩn lần hai trong nguồn nước

- Vi khuẩn gây bệnh: Một số loại vi khuẩn gây bệnh tồn tại trong nước thải

khi ra sông hồ sẽ thích nghi dần và phát triển mạnh Theo con đường nước

nó sẽ gây bệnh dịch cho người và các động vật khác Ước tính có khoảng

7.000 vi khuẩn Salmoella, 6.000 - 7.000 vi khuẩn Shigella và 1.000 vi khuẩn Vibrio cholera trong 1 lít nước thải Các loại vi khuẩn Shigella và

Vibrio cholera nhanh chóng bị tiêu diệt trong môi trường nước thải nhưng

vi khuẩn Salmoella có khả năng tồn tại lâu dài trong đất Các loại vi rút

cũng xuất hiện nhiều trong nước thải Ngoài ra trong nước thải sinh hoạt

còn có nhiều các loại trứng giun sán như Ancylostoma, Ascaris, Trichuris

và Taenia… Trong 1 gam bùn cặn chứa từ 5 đến 67 trứng giun sán Trứng

giun sán có thể tồn tại trong đất đến 1,5 năm

Chính vì vậy giải quyết tốt vấn đề thoát nước và xử lý nước thải trước khi xả ra nguồn là một yêu cầu cấp bách, nhằm bảo vệ môi trường, đảm bảo sức khỏe nhân dân và tạo điều kiện cho đô thị phát triển ổn định, lâu bền

2.1.3.Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

2.1.3.1 Một số nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt trong những năm gần đây

Khi con người chú trọng đến môi trường và tiến hành xử lý các nguồn ô nhiễm trước khi thải ra môi trường thì nước thải sinh hoạt là đối tượng đầu tiên Cho đến nay việc xử lý nước thải sinh hoạt vẫn được các cá nhân, tổ chức nghiên cứu để tìm ra các công nghệ thích hợp, hiệu suất cao, chi phí phù hợp Xử lý nước thải sinh hoạt là nhằm loại bớt hàm lượng chất rắn và khoáng hoá chất hữu cơ có trong nước thải Trong đó biện pháp xử lý sinh học được áp dụng rộng rãi và hiệu quả trong xử lý nước thải sinh hoạt

Linping et al 1999 nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp

lắng tăng cường kết hợp với bể lọc sinh học nhỏ giọt thông khí tự nhiên Để xử lý nước thải sinh hoạt, một mô hình với quy mô phòng thí nghiệm đã được dựng nên gồm bể lắng sơ bộ và lọc sinh học nhỏ giọt Trong bể lắng Linping cho các chất đa điện phân vào như chất keo tụ để tăng cường quá trình xử lý sơ bộ và than củi được

sử dụng như chất mang trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Oxy được cung cấp cho bể lọc nhỏ giọt bằng cách thông gió tự nhiên Quá trình xử lý sơ bộ tăng cường hiệu quả xử lý lên đến 91 % đối với chất rắn lơ lửng và 79% đối với tổng nhu cầu oxy hóa học Bể lọc nhỏ giọt phía sau cho quá trình nitrate hóa hoàn toàn ở tải trọng thể

cùng khoảng 55 và 15 mg/l Khoảng 46 – 62% tổng P được loại bỏ Toàn hệ thống cũng cho hiệu quả xử lý tương đối tốt về vi sinh Tổng coliform, coliform phân và liên cầu khuẩn phân giảm từ 2 – 4 log đơn vị Bùn sinh ra trong toàn hệ thống chiếm khoảng 1,7% nước thải đã được xử lý Lượng bùn sinh ra trong quá trình xử lý sơ

bộ là chính còn lượng bùn sinh ra tại bể lọc nhỏ giọt là không đáng kể Giá thành tiết kiệm được về mặt giảm thiểu lượng bùn sinh ra và năng lượng cấp khí ước tính

là rất lớn (khoảng 50%) so với quá trình bùn hoạt tính thông thường (Linping, 1999)

Hiras et al 2004 nghiên cứu xử lý chất hữu cơ và nitơ khi áp dụng đĩa quay sinh học 2 bậc đối với nước thải sinh hoạt Một hệ thống tiền khử nitrate đĩa quay sinh học (RBC) ở quy mô phòng thí nghiệm kết hợp xử lý hiếu khí và thiếu khí được nghiên cứu để xử lý nước thải sinh hoạt nồng độ cao Hệ thống được vận hành

ở bốn tỉ số tuần hoàn khác nhau 1, 2, 3, và 4 lần với tải trọng chất hữu cơ từ 38 –

182 gCOD/m2.ngày và 0,22 – 14 g oxit nitơ/m2.ngày trong vùng thiếu khí và từ 3,4 – 18 gCOD/m2.ngày; 0,24 – 14 gNH4-N/m2ngày trong vùng hiếu khí Hiệu quả xử

lý COD, BOD5, TSS và TN lần lượt là 82%, 86%, 63% và 54%, nước thải đầu ra của RBC cho qua lắng hiệu quả khử COD và TSS là 94% và 97% Khi tăng tải trọng thủy lực bằng cách tăng dòng tuần hoàn làm giảm hiệu quả khử chất hữu cơ nhưng tăng khả năng loại Nitơ, và hiệu quả khử Nito tổng tăng khi tăng tỉ lệ tuần hoàn đến 3 sau đó lại giảm khi tăng tiếp tỉ lệ tuần hoàn

Evans et al 2004 nghiên cứu hiệu quả nitrat hóa trong bể lọc sinh học nhỏ

giọt của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô thực tế Trong thập kỷ trước,

Hệ thống xử lý nước thải của các thành phố Ames và Iowa sử dụng bể lọc nhỏ giọt đều đạt quá trình nitrate hóa hoàn toàn Vào giai đoạn 1, nhu cầu oxy sinh hóa cacbon (CBOD) đều được loại khỏi bể lọc nhỏ giọt (TF) và giai đoạn 2 xảy ra quá trình nitrate hóa loại đáng kể ammonia trong nước thải Dựa vào số liệu vận hành từ tháng 1/1999 đến tháng 12/2001, tốc độ xử lý ammonia trung bình đối với bể lọc nhỏ giọt là 1,5.10-4 kgN/m2.ngày Phương pháp MPN khẳng định sự có mặt của các

vi khuẩn nitrate hóa tại lớp trên cùng của bề mặt lớp vật liệu lọc của tất cả giai đoạn của bể lọc nhỏ giọt

Iaconi et al 2005 nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể lọc sinh học

từng mẻ (SBBR) mà không tạo ra bùn dư Một mô hình quy mô thí nghiệm được thiết lập, nghiên cứu trên nước thải sinh hoạt sau quá trình xử lý sơ bộ lấy tại trạm

xử lý nước thải tại phía Nam Italia Tải trọng hữu cơ cao nhất mà hệ thống còn hiệu quả xử lý là 7 kgCOD/m3.ngày, COD đầu ra có giá trị thấp hơn 60 mg/l Hiệu quả khử TKN cao 90 – 95% tương ứng với tải lượng hữu cơ 5,7 kg COD/m3.ngày, tải lượng nitơ là 0,8 kg TKN/m3.ngày Nồng độ N-NO3- của nước thải sau xử lý nhỏ hơn 6 mg/l mặc dù trong chu kỳ xử lý của bể SBBR không có pha thiếu khí chứng

tỏ quá trình khử nitrate diễn ra mãnh liệt trong bể lọc Quá trình có ưu điểm là hiệu quả khử SS cao đạt 90% và lượng bùn dư sinh ra không đáng kể 0,01 kgVSS/kgCODbị khử Mật độ sinh khối có kết quả rất cao khoảng 200 gTSS/lsinh khối,

và nồng độ sinh khối cao tương ứng là 40 gTSS/lgiá thể Nồng độ sinh khối như vậy vẫn không làm giảm hoạt động tổng hợp sinh khối bằng chứng là qua kết quả đo tổng hàm lượng protein của sinh khối 29% chất hữu cơ và giá trị tiêu thụ oxy cực đại (50 mgO2/ gVSS.giờ)

Cũng năm 2005, Hanhan et al tiến hành đánh giá khả năng khử nitrat của

đĩa quay sinh học trong xử lý nước thải sinh hoạt Hanhan nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian lưu và tốc độ quay đến quá trình khử nitrate trong hai mô hình đĩa quay sinh học (RBC) được vận hành song song cho nước thải sinh hoạt Các đĩa quay sinh học được bao phủ để cản trở oxy xâm nhập và được đặt ngập 40% trong nước thải Trên trục quay của một đĩa quay sinh học bố trí các tấm kim loại mỏng (RBC1) Trong suốt quá trình nghiên cứu thì khả năng khử Nitrate của đĩa quay sinh học có các tấm mỏng nhỏ hơn so với đĩa quay sinh học không có các tấm mỏng (RBC2) do các tấm mỏng gây ra sự khuếch tán oxy trong quá trình chuyển động Tốc độ khử nitrate lớn nhất đạt được là 2,06 g/m2.ngày với thời gian tiếp xúc là 28,84 phút và lưu lượng tuần hoàn là 1 l/s Hiệu quả khử nitrate của RBC1 giảm khi

quá trình khử nitrate không bị ảnh hưởng khi tốc độ quay nằm trong khoảng 0,67 – 2,1/phút Nếu được vận hành trong điều kiện thích hợp thì quá trình khử nitrate trong RBC là giải pháp thích hợp để loại nitơ nhằm giảm thiểu các chất dinh dưỡng

ở các vùng ven biển bởi vì các đĩa quay sinh học thì rất lợi về mặt kinh tế và vận hành đơn giản

Tawkif et al 2006 nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng đĩa sinh học

quay Hệ thống RBC bao gồm hai bậc nối tiếp nhau Hệ thống được vận hành ở các tải trọng hữu cơ khác nhau và thời gian lưu nước khác nhau để tìm ra điều kiện vận hành tối ưu Hiệu quả xử lý nhu cầu oxy hóa học (COD tổng, COD lơ lửng và COD dạng keo) của toàn hệ thống giảm mạnh khi giảm HRT từ 10 giờ xuống 2,5 giờ và tăng OLR từ 11 – 47 gCOD/m2.ngày, tuy nhiên phần COD hòa tan đầu ra không bị ảnh hưởng Hầu hết COD bị khử ở bậc một và quá trình nitrate hóa diễn ra ở bậc hai trong hệ thống Hiệu quả nitrate hóa toàn hệ thống đạt được 49% với OLR là 11 gCOD/m2.ngày Với tổng thời gian lưu nước là 10, 5 và 2,5 giờ thì nồng độ E.coli giảm tương ứng là 1,6; 1,5 và 0,8 log10 Chỉ số thể tích bùn (SVI) giảm khi tăng OLR nhưng chỉ số thể tích bùn SVI của bùn dư sinh ra trong RBC với OLR khác nhau thì luôn nhỏ hơn 74 ml/gTS, chứng tỏ bùn có khả năng lắng tốt Hiệu suất xử

lý cũng được đánh giá khi so sánh RBC hai bậc và RBC một bậc vận hành ở cùng OLR là 22 gCOD/m2.ngày và cùng HRT là 5h Kết quả thể hiện hàm lượng COD và E.coli đầu ra của RBC hai bậc thấp hơn so với RBC một bậc Hơn nữa, hiệu quả của quá trình nitrate hóa hai bậc cũng cao hơn so với một bậc

Năm 2006, Zhiquiang et al cũng có một báo cáo khác về nghiên cứu xử lý

đồng thời cacbon và nitơ trong nước thải tổng hợp có tính chất tương tự nước thải sinh hoạt bằng phương pháp đĩa quay sinh học dạng lưới (net-like RBC: NRBC) Kết quả đạt được so sánh với đĩa quay sinh học thông thường (RBC) thì NRBC có một số ưu điểm như thời gian thích nghi nhanh, nồng độ sinh khối cao và có thể chịu được tải trọng chất hữu cơ lớn Khả năng khử COD đạt 78,8 – 89,7% và nitơ tổng đạt 40,2 – 61,4% khi xử lý hiếu khí với nước thải có tính chất giống nước thải sinh hoạt có COD thấp với thời gian lưu nước từ 5 – 9h Tốc độ khử COD đạt được

80 -95% khi tải trọng chất hữu cơ nằm trong khoảng 16 – 40gCOD/m2.ngày Một số lượng lớn giun tròn được phát hiện trong hệ thống NRBC, điều này làm cho hệ thống NRBC sản sinh ra rất ít bùn trong quá trình vận hành do sự tiêu thụ của chúng

Quá trình tiền khử nitrate trong bể lọc sinh học bị giới hạn bởi lượng chất hữu cơ dễ phân hủy, điều này có thể dẫn đến nhu cầu cacbon bên ngoài bổ sung cần nhiều hơn Sự kết hợp quá trình tiền khử nitrate, nitrate hóa và khử nitrate rất thích hợp đối với nước thải sinh hoạt do tỉ lệ tuần hoàn có thể giảm và nguồn cacbon bên ngoài có thể được tiết kiệm Để sử dụng nguồn cacbon bên ngoài ít nhất, tỉ lệ tuần hoàn không vượt quá 100 – 150% Khi đó, khoảng 50-60% tổng N-NO3 giảm trong giai đoạn tiền khử nitrate Quá trình khử nitrate trong quy mô phòng thí nghiệm và quy mô thực tế cần 10 gCOD tổng/ g N-NO3 trong giai đoạn tiền khử nitrate (pre – DN) và có thể đạt được tải trọng 0,4 – 0,5 kg N-NO3/ m3.ngày khi không cần nguồn cacbon bên ngoài Chỉ khoảng 40 – 70% tải lượng COD được khử trong giai đoạn tiền khử nitrate, phần COD còn lại được khử trong giai đoạn nitrate hóa Với tải trọng 1 kg COD/m3.ngày ngăn cản quá trình nitrate hóa xuống đến khoảng 0,1 kg N-NH4/m3.ngày Đối với tốc độ nitrate hóa lớn hơn 0,5 kg N-NH4/m3.ngày ở 120C thì tốc độ khử COD nhỏ hơn 2 kgCOD/m3.ngày trong quá trình nitrate hóa

(Degussa et al 2007)

Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng các loại thực vật sống dưới nước

đã và đang được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới với ưu điểm là rẻ tiền, dễ vận hành, đồng thời mức độ xử lý ô nhiễm cao Các hệ thống bãi lọc khác nhau bởi dạng dòng chảy, môi trường và các loại thực vật trồng trong bãi lọc Các loài thực vật được trồng phổ biến nhất trong bãi lọc là Cỏ nến, Sậy, Cói, Bấc, Lách Qua các thí nghiệm và ứng dụng thực tế cho thấy bãi lọc trồng cây có thể loại bỏ các chất hữu

cơ có khả năng phân huỷ sinh học, chất rắn, Nitơ, Phốtpho, kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ, kể cả vi khuẩn và vi rút Các chất ô nhiễm trên được loại bỏ nhờ nhiều

cơ chế đồng thời trong bãi lọc như lắng, kết tủa, hấp phụ hóa học, trao đổi chất của

Tại miền Bắc Thụy Điển, bãi lọc trồng cây ngập nước được sử dụng để xử lý

bổ sung nước thải sau các trạm xử lý nước thải đô thị với mục đích chính là khử nitơ, mặc dù hiệu quả xử lý tổng Phốtpho và BOD cũng khá cao Năm 1991, bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm xử lý nước thải sinh hoạt đầu tiên đã được xây dựng ở

Na Uy Ngày nay, tại những vùng nông thôn ở Na Uy, phương pháp này đã trở nên rất phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt, nhờ các bãi lọc vận hành với hiệu suất cao thậm chí cả vào mùa đông và yêu cầu bảo dưỡng thấp Mô hình quy mô nhỏ được

áp dụng phổ biến ở Na Uy là hệ thống bao gồm bể tự hoại, tiếp đó là bể lọc sinh học hiếu khí dòng chảy thẳng đứng và một bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang Bể lọc sinh học hiếu khí trước bãi lọc ngầm để loại bỏ BOD và thực hiện quá trình nitrat hóa trong điều kiện khí hậu lạnh, nơi thực vật "ngủ" vào mùa đông Tại Đan Mạch, hướng dẫn chính thức mới gần đây về xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt đã được Bộ Môi trường Đan Mạch công bố, áp dụng bắt buộc đối với các nhà riêng ở nông thôn Trong hướng dẫn này, người ta đã đưa vào hệ thống bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng, cho phép đạt hiệu suất loại bỏ BOD tới 95% và nitrat hóa đạt 90% Hệ thống này bao gồm cả quá trình kết tủa hóa học để tách Phốtpho trong bể phản ứng -lắng, cho phép loại bỏ 90% Phốtpho (Hoàng Đàn)

Ngoài các công năng như đã kể trên, các nghiên cứu khác tại Đức, Thái Lan, Thụy Sỹ, Bồ Đào Nha còn cho thấy bãi lọc trồng cây có thể loại bỏ vi sinh vật gây bệnh trong nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị; xử lý phân bùn bể phốt và xử lý nước thải công nghiệp, nước rò rỉ bãi rác Không những thế, thực vật nước từ bãi lọc trồng cây còn có thể được chế biến, sử dụng để thức ăn cho gia súc, phân bón cho đất, làm bột giấy, làm nguyên liệu cho sản xuất đồ thủ công mỹ nghệ và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường

2.1.3.2 Quy trình xử lý nước thải sinh hoạt hiện nay tại TP Hồ Chí Minh

• Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung (nước thải đô thị)

Rất nhiều công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt đã được ứng dụng thành công, trong đó các công nghệ được áp dụng cho các trạm xử lý có công suất lớn hồ sinh

học Đa số các nước khí hậu nhiệt đới và bán nhiệt đới đều có điều kiện rất lý tưởng

để xử lý nước thải bằng hệ thống tự nhiên theo phương pháp hồ ổn định nước thải

và đất trũng Chủ yếu là do điều kiện xung quanh (nhiệt đới và bức xạ cao) trong các quốc gia này

Hình 2.2Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải lưu vực kênh Tàu Hũ – Bến Nghé, Đôi –

Tẻ, công suất Q = 512.000 m3/ngày đêm (ECO, 2006) Tại Việt Nam, phương pháp xử lý nước thải bằng các bãi lọc ngầm trồng cây còn khá mới mẻ, bước đầu đang được một số trung tâm công nghệ môi trường và trường đại học áp dụng thử nghiệm Các đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phương pháp này tại Việt Nam như "Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam" của Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu công nghiệp (Trường Đại học Xây dựng Hà Nội); "Xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại các

xã Minh Nông, Bến Gót, Việt Trì" của Trường Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho thấy hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp này trong điều kiện của Việt Nam

Hình 2.3.Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải Bình Hưng Hòa, công suất Q = 30.000

m3/ngày đêm Theo GS.TSKH Nguyễn Nghĩa Thìn (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) thì Việt Nam có đến 34 loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sức sống khá mạnh mẽ PGS TS Nguyễn Việt Anh, Chủ nhiệm Đề tài hợp tác nghiên cứu giữa Trường Đại học Tổng hợp Linkoeping (Thụy Điển) và Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu công nghiệp về "Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây" cho biết đang tiến hành thử nghiệm Bãi lọc ngầm trồng cây có dòng chảy thẳng đứng sử dụng các vật liệu sỏi, gạch để xử lý nước thải sau

bể tự hoại, trồng các loại thực vật dễ kiếm, phổ biến ở nước ta như Cỏ nến, Thủy trúc, Sậy, Phát lộc, Mai nước Kết quả rất khả quan, nước thải ra đạt tiêu chuẩn xả

ra môi trường hay tái sử dụng lại Đây là công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện

tự nhiên, thân thiện với môi trường, cho phép đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường, hệ sinh thái của địa phương Sinh khối thực vật, bùn phân hủy, nước thải sau xử lý từ

bãi lọc trồng cây còn có giá trị kinh tế Công nghệ này rất phù hợp với điều kiện của Việt Nam, nhất là cho quy mô hộ, nhóm hộ gia đình, các điểm du lịch, dịch vụ, các trang trại, làng nghề " (Hoàng Đàn) http://www.nea.gov.vn/tapchi/toanvan/04-2k6-30.htm)

• Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt vừa và nhỏ

Thành phố Hồ Chí Minh quỹ đất xây dựng cho định cư ngày càng cạn kiệt chính vì vậy mà xu hướng xây dựng chung cư và các khu dân cư mới là giải pháp tiết kiệm đất và phục vụ được nhu cầu của người dân thành phố Do vậy mà nhu cầu

về công nghệ xử lý nước thải tại chỗ là rất cần thiết

Hình 2.4Mô hình xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ (ECO, 2006)

Một số ví dụ về xử lý quy mô nhỏ như : bể tự hoại, lọc sinh học kị khí, hồ ổn định nước thải, mương oxy hóa, lọc nhỏ giọt, phản ứng liên tục theo từng mẻ…Một trong các công nghệ thích hợp đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam là FBR (fixed bed bio- Reator) để xử lý nước thải cho các khu dân cư tập

trung Ưu điểm của hệ thống này diện tích nhỏ gọn, chi phí đầu tư, vận hành thấp, quy trình vận hành đơn giản

Nguyên lý của các bể FBR là quá trình cố định vi sinh lên vật liệu hình thành lớp màng vi sinh và ứng dụng khả năng xử lý của vi sinh vật Vi sinh được cố định

có khả năng đẩy nhanh tốc độ phản ứng bởi tăng được mật độ vi sinh trên đơn vị thể tích và tăng quá trình trao đổi chất của tế bào cũng như tốc độ thấm qua thành tế

bào (Affolter and Hall, 1986; Brouers and Hall, 1986; Kerby et al., 1986; Tamponnet et al., 1988) Có rất nhiều loại vật liệu thích hợp cho sự dính bám của

vi sinh vật Huysman (1983) đã thử rất nhiều vật liệu khác nhau và phát hiện

polyurethane foam có không gian rất tốt cho sự cố định vi sinh vật Zaiat (1996) kết

luận rằng mút xốp polyurethane hoàn toàn thích hợp cho quá trình cố định bùn kỵ

khí (Varesche et al.,1997)

2.2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC BÁM DÍNH HIẾU KHÍ

2.2.1 Quá trình VSV sinh trưởng bám dính

Quá trình VSV bám dính là quá trình xử lý nước thải thông qua hoạt động của các VSV tồn tại ở trạng thái bám dính lên bề mặt các giá thể tạo thành các lớp màng vi sinh Màng vi sinh là một cấu trúc không đồng nhất, bao gồm những cụm tế bào rời rạc trên bề mặt giá thể như ma trận được kết dính với nhau bằng polymer ngoại bào (gelatin) do chính các VSV sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất và tiêu huỷ tế bào Giữa các cụm tế bào hình thành các lỗ rỗng theo chiều ngang và chiều đứng tạo ra các kênh vận chuyển

Lớp VSV ngày càng dày lên nên các VSV nằm ở phía trong ít có cơ hội tiếp xúc với O2, trên màng VSV hình thành hai vùng hiếu khí (lớp bên ngoài) và kị khí (lớp bên trong) Lớp màng này dày dần lên và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang Màng VSV có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng

hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán, Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước từ màu vàng xám đến màu nâu tối Khi lớp màng quá dày, cơ chất khơng thể khuếch tán vào lớp bên trong, các tế bào này sẽ già và chết đi gây ra hiện tượng trĩc màng

màng Biofilm

SO42

khí nước

vùng Aerobic vùng Anoxic

vật liệu lọc

Hình 2.5 Cơ chế trao đổi chất của màng VSV

ƒ Tính chất của quá trình sinh trưởng bám dính

o Đặc tính dính bám của màng sinh học: là một trong những nhân tố quan trọng của quá trình màng sinh học vì nĩ ảnh hưởng đến tốc độ phát triển

và những khĩ khăn liên quan đến việc tẩy rửa màng sinh học Đặc tính vật lý của bề mặt giá thể cĩ thể ảnh hưởng đến khả năng dính bám của màng vi sinh

o Sự tồn tại đồng thời của vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí trong màng vi sinh vật: Màng vi sinh vật luơn cĩ lồi kỵ khí, ít hay nhiều ngay cả trong quá

trình hiếu khí Một trong những vai trị của lớp kỵ khí là hĩa lỏng những chất rắn do màng sinh ra, gĩp phần làm giảm lượng bùn dư Ngồi ra, cịn xảy ra quá trình khử nitrat để loại bỏ nitơ trong nước

o Khởi động nhanh chóng: Thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với lọc

sinh học ngập nước và thiết bị tiếp xúc quay, cần một thời gian dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt

o Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm: Khi nhiệt độ

nước thải xuống thấp, tốc độ tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật không ảnh hưởng lớn bằng bản thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại Ngược lại, khi nhiệt độ nước thải tăng, tốc độ tiêu thụ cơ chất cũng không tăng nhiều như phản ứng sinh học nội tế bào nên hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật

ổn định, ít phụ thuộc vào sự biến thiên nhiệt độ Tương tự, hiệu quả xử lý cũng ổn định khi tải lượng ô nhiễm biến đổi

o Hiệu quả cả đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp:Đối với quá trình màng vi sinh vật, chỉ cần nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết để duy trì sự trao đổi chất (giá trị rất thấp)

o Không có khả năng điều khiển sinh khối

o Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán: Các yếu tố điều

khiển quá trình làm sạch nước là sự vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh Trong đa số trường hợp, sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán trở thành yếu tố hạn chế tốc

độ phản ứng (sự hạn chế khuếch tán), nồng độ cơ chất trở thành yếu tố điều khiển phản ứng làm sạch

ƒ Hệ vi sinh vật trên màng

Hệ sinh vật trên màng thực chất là một hệ tùy tiện Vùng ngoài cùng của màng có sinh khối nhiều nhất, dày nhất và mỏng dần khi vào bên trong Phần nông bên ngoài tiếp xúc với oxy là lớp vi sinh vật hiếu khí, với sự có mặt của

trực khuẩn Bacillus, nitrosomonas, nitrobacter Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobaterium, Micrococcus cả Bacillus Lớp sâu bên trong màng không tiếp xúc với oxy có sự xuất hiện của các loại vi khuẩn kỵ khí khử lưu huỳnh và khử nitrate Desulfovibrio

2.2.2 Các công trình xử lý nước áp dụng quá trình sinh trưởng bám dính

Công trình ứng dụng quá trình sinh trưởng bám dính có thể chia ra như sau:

Hình 2.6 Sơ đồ các công trình áp dụng quá trình sinh trưởng bám dính (Metcalf & Eddy, 2003)

ƒ Quá trình sinh trưởng bám dính không ngập chìm

o Lọc sinh học nhỏ giọt (Trickling filters)

Lọc sinh học nhỏ giọt (trickling filter) Đĩa lọc sinh học (RBC)

Sinh trưởng

lơ lửng với sinh trưởng bám dính

Sinh trưởng bám dính không ngập chìm

Kaldnes ® (MBBR)

Đĩa lọc sinh học nhúng chìm (SRBC)

Bio-2-Sludge ® Ringlace ®

Giá thể

lơ lửng

Bề phản ứng tầng sôi (FBBR) Biostyr ®

Biofor ® Biocarbone ®

Giá thể

cố định

Dòng từ dưới lênDòng từ trên xuống

Lọc sinh học nhỏ giọt là quá trình xử lý sinh trưởng bám dính cổ điển nhất, nó được ứng dụng trong xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp gần 100 năm nay Nó sử dụng các giá thể là đá hay nhựa plastic và nước thải được phân phối từ trên xuống liên tục Bể lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước Lớp màng sinh học keo hình thành trên đá hoặc nhựa plastic, ở đó vi khuẩn sẽ phân hủy các vật chất hữu cơ Lớp màng dày lên, cuối cùng rơi xuống, và một lớp màng mới bắt đầu phát triển Quá trình rơi này gọi là “tróc màng” và nó xảy liên tục nếu hệ thống vận hành đúng Nếu không xảy ra “tróc màng”, vật liệu sẽ bị lấp kín sinh ra điều kiện kỵ khí Nước đầu ra thu được sẽ dẫn vào bể lắng tại đây các chất rắn sẽ được loại bỏ

Bảng 2.7:Thông số thiết kế của bể lọc sinh học nhỏ giọt Thông số thiết kế Thấp tải Trung tải Cao tải Cao tải Siêu cao

Không nitrat hóa

Không nitrat hóa Năng lượng,

kW/103.m3

2 – 4 2 – 8 6 – 10 6 – 10 10 – 20 Metcalf & Eddy, 2003; WEF, 2000

Lọc sinh học nhỏ giọt thông thường có dạng tròn và tay quay đặt ở giữa

để phân phối nước thải Các đầu phun trên tay quay sẽ phun nước thải qua vật liệu Các dòng khí tự nhiên được tạo ra bởi sự thay đổi nhiệt độ giữa không khí bên ngoài và bên trong bể lọc, khi các tháp lọc sâu yêu cầu cung

cấp thêm không khí Lọc sinh học nhỏ giọt cho độ tin cậy cao nếu các điều kiện vận hành vẫn ổn định và nhiệt độ nước thải không xuống dưới 550F trong khoảng thời gian dài Lọc sinh học nhỏ giọt xử lý hiệu quả các vật liệu

lơ lửng tuy nhiên không hiệu quả trong loại bỏ hữu cơ hòa tan

o Đĩa lọc sinh học (RBCs: rotating biology contactors)

RBCs được sử dụng đầu tiên ở Đức vào những năm 1960, và do chứng minh rất hiệu quả trong xử lý nước thải nên hàng trăm hệ thống như vậy đã được xây dựng ở Mỹ vào những năm 1970 Hệ thống RBCs gồm chuỗi các đĩa nhựa, hình tròn đặt cách nhau với khoảng trống nhỏ được lắp trên trục Các đĩa được nhúng không ngập trong nước thải và quay chậm Bề mặt đĩa cung cấp mặt bám dính cho vi khuẩn hiếu khí Oxy được cung cấp vào nước khi các đĩa quay tiếp xúc với không khí rồi tiếp xúc với nước Các chất rắn được giữ lại ở trạng thái lơ lửng bởi sự xáo trộn khi đĩa quay Lượng bùn dư trên các đĩa sẽ tróc theo thời gian như lọc sinh học nhỏ giọt

Các đĩa hầu hết được làm từ polyethylene hoặc xốp cứng polystyren thiết

kế có rãnh hoặc dạng mắt lưới để tăng diện tích bề mặt RBCs có thể sắp xếp theo nhiều cách khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm dòng ra, bể lắng thứ cấp

và được thiết kế đặc biệt để loại bỏ BOD hoặc nitrat hóa

ƒ Bùn hoạt tính kết hợp với giá thể cố định màng vi sinh

Những loại vật liệu làm giá thể được cho vào bể BHT Những vật liệu này có thể lơ lửng hoặc được cố định trong bể BHT Quá trình này làm tăng nồng độ sinh khối trong bể BHT nhờ đó có thể giảm kích thước bể Chúng cũng tăng quá trình nitrat hóa và đạt được quá trình khử nitrat bên trong sâu lớp màng

o Captor® và Linpor®

Bể BHT này sử dụng mút xốp polyurethane, có khối lượng riêng khoảng 0,95g/m3 chiếm 20 – 30% thể tích bể Ưu điểm chính của hệ thống giá thế

lắng II vì hầu hết sinh khối được duy trì trong bể Tải trọng hữu cơ từ 1,5 – 4 kgBOD/m3.d, MLSS 5000 – 9000mg/l (WEF, 2000)

o Kaldnes®

Hệ thống được cho thêm vào chất mang polyethylene hình trụ (0,96 g/m3)

có đường kính bằng 10mm, dài 7mm có diện tích bề mặt riêng 500m2/m3chiếm 25 – 50% thể tích bể Bể được khuấy trộn bằng khí hoặc bằng cơ khí tạo cho giá thể xáo trộn theo vòng tròn Hệ thống không cần tuần hoàn bùn

và rửa ngược và có khả năng giảm tải trọng cho bể lắng II (Rusten, 1998)

o Ringlace®

Vật liệu tiếp xúc là những tấm polyvinyl chloride đường kính 5mm, chiếm 25 – 35% thể tích bể thành những mô-đun với từng bó riêng lẻ từ 40 – 100mm Diện tích bề mặt riêng 120 – 500m2/m3 của thể tích bể Cách đặt vật liệu trong bể rất quan trọng, để tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu và nước thải, vật liệu phải đặt dọc theo một cạnh của bể BHT Vị trí đặt dọc theo chiều dài bể cũng quan trọng cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat

o Bio-2-Sludge®

Vật liệu tiếp xúc là những bó giá thể PVC đặt cố định trong bể bùn hoạt tính có diện tích bề mặt riêng 90 - 165 m2/m3 Hệ thống khuếch tán khí được thiết kế để tạo dòng tuần hoàn qua giá thể (WEF, 2000)

o Đĩa lọc sinh học nhúng ngập

Hệ thống gồm đĩa lọc sinh học RBC nhúng chìm khoảng 85% trong bể BHT Đường kính đĩa 5,5m cung cấp diện tích bề mặt lên tới 28800m2 Đĩa quay bằng khí đẩy hoặc cơ khí Vận hành nhúng chìm như vậy sẽ giảm được tải trọng lên trục

ƒ Quá trình sinh trưởng bám dính nhúng chìm

Quá trình gồm 3 pha: giá thể, màng vi sinh và dung dịch nước thải Oxy được phân phối bằng khuếch tán khí trong bể hay hòa tan oxy vào nước thải đầu vào Loại và kích thước giá thể là yếu tố chính ảnh hưởng hiệu suất và đặc điểm vận hành của quá trình Không cần bể lắng bậc II, bùn dư và SS đầu vào được giữ lại trong bể và phải được thải bỏ định kỳ Hầu hết các hệ thống này đều phải rửa ngược để loại bỏ chất rắn

o Biocarbone®

Quá trình này xuất phát tại Pháp 1980 (WEF, 2000) và hiện nay hơn 100 công ty trên toàn thế giới đang sử dụng Trước đây sử dụng giá thể là than hoạt tính, sau này thì dùng hạt sét khô 3 – 5mm Ống phân phối khí phải xếp đồng nhất dọc theo bể để chắc rằng oxy được phân phối toàn bể Rửa ngược

1 lần/1 ngày khi tổn thất áp lực đạt 1,8m Tải trọng thủy lực từ 2,4 – 4,8m3/m2.h Nhiệm vụ là khử BOD, khử BOD kết hợp với nitrat hóa, nitrat hóa bậc ba, hoặc cũng có thể khử nitrat Đầu ra BOD và TSS 10mg/l, NH4 1 – 4 mg/l

o Biostyr®

Cũng là quá trình có dòng vào đi từ dưới lên Giá thể là những hạt polystyrene có đường kính 2 – 4mm, diện tích bề mặt riêng 1000m2/m3 và khối lượng riêng nhỏ hơn nước Vật liệu có độ rỗng 40%, cung cấp diện tích hiệu quả (4000m2/m3) cho màng vi sinh bám dính, lớp vật liệu dày 1,5 – 3m

Bể có thể được vận hành trong điều kiện hiếu khí hoàn toàn khi cấp khí ở

vùng thì đầu ra được tuần hoàn Giá thể được giữ bằng những tấm đục lỗ và được nén khi dòng nước thải chảy lên Nhiệm vụ: khử BOD, khử BOD và nitrat hóa, nitrat hóa bậc 3 và khử nitrat Quá trình nitrat hóa bậc 3 yêu cầu tải trọng cao hơn (Payraudeau, 2000) Tại tải trọng 1,5 – 1,8kgN/m3.d, có 85 – 90% nitơ được oxy hóa BOD, TSS, NH4 đầu ra khoảng 7, 11, 18mg/l

o Bể phản ứng tầng sôi (FBBR: fluidized – Bed Bioreactors)

Nước thải cũng được cho vào dưới bể Vật liệu tiếp xúc là cát hoặc than hoạt tính 0,4 – 0,5mm Chiều cao bể 3 – 4m Diện tích bề mặt riêng 1000m2/m3 thể tích bể Vận tốc dòng lên khoảng 30 – 36m/h Yêu cầu tuần hoàn đầu ra và được làm thoáng oxy trước khi cho vào Thời gian lưu nước

từ 5 – 20 phút Khi lớp màng phát triển kích thước sẽ dần nhẹ hơn và tích tụ bên trên bề mặt bể tại đó có thể loại bỏ định kỳ

Trong xử lý nước thải sinh hoạt, bể FBBR được sử dụng chính cho khử nitrat Ưu điểm của FBBR là: (1) thời gian lưu bùn dài cần thiết phân hủy xenobiotic và độc chất; (2) sốc tải và độc chất không có khả năng phân hủy hấp phụ và cacbon hoạt tính; (3) nước đầu ra chất lượng cao TSS, COD thấp; (4) oxy hóa ngoài tránh hiện tượng tróc màng và phát tán chất độc hữu cơ vào không khí; (5) vận hành hệ thống đơn giản, ổn định

2.3 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP DHS

2.3.1 Giới thiệu

DHS được đề xuất lần đầu tiên năm 1997 bởi Machdar để xử lý nước thải sinh hoạt, là DHS thế hệ thứ 1: dạng khối lập phương “first generation: cube-type DHS” (Agrawal, 1997; Machdar, 1997) Hệ thống gồm hàng trăm khối lập phương

có kích thước từ 2 – 3mm được mắc nối tiếp với nhau thành môđun dài 2 – 4m treo

tự do trong không khí DHS dạng này đã cho thấy hiệu quả xử lý tốt khi khử BOD

và hợp chất nitơ Tuy nhiên, hình dạng của nó lại không thích hợp cho áp dụng ngoài thực tế về yêu cầu diện tích và phân phối nước vào Sau đó, nó được hiệu

chỉnh hình dạng để đơn giản hơn, hiệu quả về chi phí và xử lý cao hơn khi áp dụng ngoài thực tế nhưng vẫn dựa trên đặc tính là sử dụng mút xốp polyurethane hoặc cách thức đặt giá thể trong bể Các dạng này khác nhau cơ bản ở hình dạng và cách sắp xếp của vật liệu mút xốp và đều là quá trình sinh học hiếu khí nhưng không cần năng lượng cung cấp khí

DHS thế hệ thứ 2 dạng màn “second generation: curtain type DHS (Machdar, 2000; Harada, 2005) gồm những tấm mút xốp hình lăng kính tam giác có kích thước

3 x 3cm được đính lên 2 mặt của tấm plastic thẳng đứng

DHS thế hệ thứ ba dạng tương tự như lọc sinh học nhỏ giọt “third generation: trickling filter type DHS” (Tawfik, 2006; Harada, 2005) được thiết kế tương tự như bể lọc sinh học nhỏ giọt với giá thể là những mút xốp được cắt thành những khối trụ hoặc lập phương có kích thước 27 x 27 mm, bên ngoài được bọc khung plastic dạng lưới sau đó được cho ngẫu nhiên trong bể

Và DHS thế hệ thứ 4 “ fourth generation” (Tanduka, 2005; Harada, 2005)

Hệ thống gồm những thanh mút xốp dài hình chữ nhật kích thước 2,5 x 2,5 x 50 cm được bọc trong lớp khung plastic dạng lưới Sau đó các thanh được sát liền nhau thành nhiều hàng, mỗi hàng thì chéo nhau một góc 900 Thiết kế này sẽ tăng sự

khuyếch tán oxy vào nước thải và tránh hiện tượng nghẹt hệ thống (Tandukar et al

2006)

Nguyên lý của hệ thống DHS là sử dụng mút xốp polyurethane như là giá thể cho nhiều loại vi sinh vật cư trú và phát triển, tăng thời gian lưu bùn và đồng thời tăng cường sự khuếch tán không khí vào nước thải, tiết kiệm năng lượng cấp khí Các mút xốp có hệ số rỗng lớn hơn 90%, diện tích bề mặt riêng lớn 600 – 1000

m2/m3 (Machdar, 1997; Harada, 2005), nhờ đó cung cấp không gian cho sinh khối dính bám phát triển tạo màng vi sinh không chỉ trên bề mặt mút xốp mà lưu trú cả bên trong vật liệu, do đó có thời gian lưu bùn SRT dài, lượng bùn sinh ra ít, bùn có thể tự phân hủy trong hệ thống DHS không nhúng chìm trong nước mà được treo tự

do, Oxy trong không khí sẽ khuếch tán tự nhiên vào nước thải vì thế không cần hệ thống sục khí

Về mặt khử Nitơ, DHS cũng như các hệ thống sinh trưởng bám dính khác có thể có cả hai hoạt động nitrat hóa và khử nitrat Với lớp vi sinh bám trên bề mặt vật liệu được cung cấp đầy đủ Oxy và vùng sâu trong vật liệu sẽ là môi trường thiếu khí, ở đó sẽ diễn ra quá trình khử nitrat Ở 1/2 bể phía trên thì hoạt động nitrat hóa

sẽ cao hơn 1/2 bể phía dưới (Harada, 2005)

Araki (2005) nghiên cứu thấy sự xuất hiện của vi khuẩn Nitrosomonas là 1,4% và vi khuẩn Nitrobacter là 0,18% trên tổng tế bào và môi trường sống của các

vi khuẩn này bên trong các mút xốp hơn màng vi sinh bám bên ngòai bề mặt vật liệu Nhờ đó bể DHS có thể thực hiện cả 2 chức năng là loại chất hữu cơ C và NH4+

Hình 2.7 Sơ đồ phác họa hình ảnh của các dòng hệ thống DHS

(Tandukar, 2006; Tawfik, 2006; Tandukar, 2005)