TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

Để thiết kế và vận hành công trình đơn vị xử lý sinh học trong hệ thống xử lý nước thải cần phải am hiểu cơ chế hoạt động của vi sinh vật, qua mô hình xử lý sinh học chúng ta xác định th

Trang i Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC BẢNG ii

DANH MỤC HÌNH ii

1 MỞ ĐẦU 1

2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ 1

2.1 Cơ sở lý thuyết 1

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng 2

2.3 Định nghĩa phương pháp sinh học hiếu khí 3

2.4 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sinh trưởng lơ lửng 3

2.4.1 Sinh trưởng lơ lửng – Bùn hoạt tính 3

2.4.2 Các công trình hiếu khí xử lý nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng lơ lửng của vi sinh 4

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 7

3.1 Cấu tạo mô hình 7

3.2 Hướng dẫn vận hành mô hình 8

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

Trang ii Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

QCVN 14 : 2008/BTNMT Quy chuẩn nước thải sinh hoạt

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Các giai đoạn xử lý sinh học hiếu khí theo mẻ (SBR) 5 Bảng 2: Thông số kỹ thuật hố gom 7

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Mô hình bể sinh học lơ lửng 7

Trang 1 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

1 MỞ ĐẦU

Trước vấn đề môi trường ngày càng bức xúc, việc xây dựng hệ thống xử lý nước thải cho các doanh nghiệp có hàm lượng nước ô nhiễm chất hữu cơ và vô cơ cao là một vấn đề cấp thiết Một trong những công trình đơn vị không thể thiếu trong hệ thống xử lý nước thải là công trình xử lý sinh học

Để thiết kế và vận hành công trình đơn vị xử lý sinh học trong hệ thống xử lý nước thải cần phải am hiểu cơ chế hoạt động của vi sinh vật, qua mô hình xử lý sinh học chúng

ta xác định thời gian lưu nước và hiệu quả xử lý COD/BOD phù hợp với từng loại nước thải vì vậy việc nghiên cứu, chế tạo mô hình sinh học hiếu khí lơ lửng là một nghiên cứu hết sức cần thiết cho việc học tập của sinh viên và hoạt động nghiên cứu khoa học của giảng viên khoa Tài nguyên Môi trường

2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

2.1 Cơ sở lý thuyết

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải có đầy đủ oxi hòa tan ở nhiệt độ, pH thích hợp Quá trình phân hủy chất hữu cơ của Vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằng sơ đồ[2]:

(CHO)nNS + O2 ^ CO2 + H2O + NH4+ + H2S + Tế bào vi sinh vật+

Trong điều kiện hiếu khí NH4+ và H2S cũng bị phân huỷ nhờ quá trình Nitrat hóa, sunphat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng[2]:

NH4+ + 2O2 ^ NO3- + 2H+ H2O + AH ; H2S + 2O2 ^ SO42- + 2H+ + AH

Hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí bao gồm quá trình dinh dưỡng: Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các nguyên tố khoáng vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản Quá trình phân huỷ: Vi sinh vật oxi hoá phân huỷ các chất hữu cơ hoà tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và

CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác So với phương pháp kỵ khí thì phương pháp hiếu khí

có các ưu điểm là những hiểu biết về quá trình xử lý đầy đủ hơn Hiệu quả xử lý cao hơn

và triệt để hơn, không gây ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hoá học, hoá lý[5]

Nhưng phương pháp hiếu khí cũng có các nhược điểm là thể tích công trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng hơn Chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn hơn Chi phí vận hành cho năng lượng sục khí tương đối cao Không có khả năng thu hồi năng lượng Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ khi nguyên liệu khan hiếm Sau xử lý sinh ra một lượng bùn dư cao và lượng bùn này kém ổn định đòi hỏi chi phí đầu tư để xử lý bùn Xử lý với nước thải có tải trọng không cao như phương

Trang 2 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

pháp kỵ khí[5]

Mô tả quá trình:

Thực chất quá trình phân huỷ chất bẩn hữu cơ bằng phương pháp hiếu khí là quá trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxi để cho sản phẩm là CO2, H2O, NO3- và

SO42- Cũng như xử lý kỵ khí, khi xử lý hiếu khí các chất bẩn phức tạp như Protein, Tinh bột, Chất béo sẽ bị thuỷ phân bởi các men ngoại bào cho các chất đơn giản là các Axit amin, các Axit béo, các Axit hữu cơ, các đường đơn… Các chất đơn giản này sẽ thấm qua màng tế bào và bị phân huỷ tiếp tục hoặc chuyển hoá thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Cơ chế quá trình xử lý hiếu khí gồm 3 giai đoạn[15]:

+ Giai đoạn 1- Oxi hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào Men CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + %) O2 ^ xCO2 + [(y-3)/2] H2O+

NH3

+ Giai đoạn 2 (Quá trình đồng hóa)- Tổng hợp để xây dựng tế bào Men CxHyOzN +

NH3 + O2 ^ xCO2 + C5H7NO2

+ Giai đoạn 3 (Quá trình dị hóa)- Hô hấp nội bào

Khi không đủ chất dinh dưỡng quá trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy

ra bằng sự tự oxi hóa chất liệu tế bào

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng nồng độ bùn hoạt tính tức phụ thuộc vào chỉ

số bùn Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào công trình xử lý càng lớn hoặc ngược lại Nồng độ oxi cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này Khi tiến hành quá trình cần phải cung cấp đầy đủ lượng oxi một cách liên tục sao cho lượng oxi hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II > 2 (mg/l)[1]

Khác với quá trình xử lý kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua Aerotank có BOD toàn phần phải < 1000 (mg/l) còn trong bể lọc sinh học thì BOD toàn phần của nước thải < 500 (mg/l) Ngoài ra trong nước thải cũng cần có đủ các nguyên tố vi lượng, nguyên tố dinh dưỡng Thông thường các nguyên tố vi lượng như K, Na, Mg, Ca, Mn, Fe, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl thường có đủ trong nước thải Tùy theo hàm lượng cơ chất hữu cơ trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết là khác nhau Thông thường cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp: BOD toàn phần: N: P = 100: 5:1 hay COD: N: P = 150: 5: 1 Nếu thời gian xử lý là 20 ngày, đêm thì giữ ở tỷ lệ: BOD toàn phần: N: P = 200: 5: 1[14]

Trang 3 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

2.3 Định nghĩa phương pháp sinh học hiếu khí

Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật nhỏ bé, có thể tập hợp lại thành một nhóm lớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng không xác định, chúng có thể tồn tại dưới dạng đơn bào Có thể nói, phần lớn vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa sinh hóa, chúng có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dòng chảy Các loài vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dòng vào, điều kiện môi trường, quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống Do đó để tăng cường vai trò hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải phải thiết kế điều kiện môi trường phù hợp như: Cung cấp đủ lượng oxi cho quá trình xử lý,

đủ các chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ lượng nước thải chảy vào bể, đủ N và P (chất hữu cơ) để thúc đẩy sự oxi hóa, có pH phù hợp (6,5 – 9) và không có các chất gây độc[7] Tuy nhiên không phải các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hóa trong

xử lý nước thải Nếu như điều kiện môi trường không còn phù hợp của các loài sinh vật, hoặc số lượng các loài vi sinh vật trong hệ thống tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải[8]

Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí là phương pháp xử lý sử dụng các vi sinh vật

để oxi hóa các chất hữu cơ trong điều kiện có sự tồn tại của oxi Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải[7]

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải sinh hoạt của các trung tâm đô thị, các bệnh viện, nước thải của các ngành công nghiệp bị ô nhiễm hữu cơ ở mức độ trung bình (nước thải chăn nuôi, công nghệ thực phẩm…)

2.4 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sinh trưởng lơ lửng

2.4.1 Sinh trưởng lơ lửng – Bùn hoạt tính

Trong nước thải, sau một thời gian làm quen, các tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng, sinh sản và phát triển Nước thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng Các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước thể hiện bằng BOD5 Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo sẽ lơ lửng trong nước và dần được lớn dần lên

do hấp thụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc Những hạt bông này khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước cạn kiệt chúng sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ thành bùn Bùn này gọi là bùn hoạt tính[10]

Trang 4 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các chất rắn lơ lửng ở trong nước Ngoài ra, sống trong bông bùn còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, dòi, giun[3]… Bùn hoạt tính lắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích hợp có sục khí đầy đủ) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi[3]

Các chất keo dính trong hồi nhầy của bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu, mùi… trong nước thải Do vậy hạt bùn sẽ lớn dần và tổng lượng bùn cũng tăng lên, rồi từ từ lắng xuống đáy Kết quả là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước được làm sạch[11]

Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông Trong bùn hoạt tính ta có thể thấy các loài thuộc động vật nguyên sinh Chúng đóng vai trò quan trọng trong bùn Chúng cũng tham gia phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi cho quần thể sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu

Ta có thể tạo bùn hoạt tính trong phòng thí nghiệm với điều kiện là môi trường tương tự với thành phần nước thải với giống vi sinh vật ban đầu là ít bùn ở bể chứa nước thải sinh hoạt hoặc công nghiệp mà ta sau này cần phải xử lý[10]

Dùng một lượng bùn hoạt tính cho quay lại làm giống để xử lý cho mẻ kế tiếp Những kĩ thuật trong quá trình này là nguyên tắc cần giống như trong lên men hiếu khí dùng lại bùn hồi lưu như sử dụng lại men giống trong bể men bia[1]

Để tạo bùn hoạt tính phải chú ý đến một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật có trong bùn hoạt tính: Nhiệt độ nước thải (nếu nhiệt độ cao thì phải có thiết bị hạ nhiệt), cần phải điều chỉnh pH của nước thải về khoảng 6,5 – 7,5, xác định tỉ lệ N tổng và P tổng có trong nước thải Nếu tỉ lệ BOD5: N : P cách xa với tỉ lệ 100:5:1 thì bổ sung thêm P và N Thiếu Nitơ lâu dài, ngoài sự cản trở tạo tế bào mới và bùn, cản trở quá trình trao đổi chất còn làm cho bùn khó lắng thiếu phốtpho tạo sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, là nguyên nhân chính làm bùn phồng lên và khó lắng[12]

2.4.2 Các công trình hiếu khí xử lý nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng lơ

lửng của vi sinh

❖ Bể bùn hoạt tính (Aerotank)

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí thì không thể thiếu bùn hoạt tính, nó là phương pháp tập hợp những vi sinh vật tự nhiên tự hình thành khi thổi không khí vào bể nước thải Đó là những vi sinh vật hữu ích có khả năng hấp thụ và oxi hóa các hợp chất hữu cơ hoặc chất hữu cơ đơn lẻ có trong nước thải khi có mặt oxi Về khối

Trang 5 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

lượng, bùn hoạt tính được tính bằng khối lượng chất bay hơi có trong tổng hàm lượng bùn[4]

Nước thải chảy vào bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hòa tan và tăng cường quá trình oxi hóa chất bẩn hưu cơ có trong nước

Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân huỷ xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxi một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng[4]

Bản chất của phương pháp là phân huỷ sinh học hiếu khí với cung cấp oxi cưỡng bức và mật độ vi sinh vật được duy trì cao (2.000mg/L –5.000mg/L)[4] do vậy tải trọng phân huỷ hữu cơ cao và cần ít mặt bằng cho hệ thống xử lý Tuy nhiên hệ thống có nhược điểm là cần nhiều thiết bị và tiêu hao nhiều năng lượng[6]

Nồng độ oxi hoà tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt 2 không được nhỏ hơn 2 mg/l[4] Tốc độ sử dụng oxi hoà tan trong bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào:

- Tỷ số giữa lượng thức ăn/lượng vi sinh vật: tỷ lệ F/M

- Nhiệt độ

- Tốc độ sinh trưởng và hoạt động sinh lý của vi sinh vật

- Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất

- Lượng các chất cấu tạo tế bào

- Hàm lượng oxi hoà tan

❖ Công nghệ xử lý sinh học dạng mẻ (SBR) [9]

Bể sinh học hiếu khí - xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí: Mương oxi hóa, bể bùn hoạt tính từng mẻ (SBR), hồ sinh học thổi khí (là thuật ngữ chung để chỉ quá trình xử lý xảy ra trong các ao, hồ có chiều sâu và cường độ xử lý khác nhau)

Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cạn Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục chỉ có điều tất cả xảy ra trong cùng một bể và được thực hiện lần lượt theo các bước: (1) – Làm đầy; (2) – Phản ứng; (3) – Lắng; (4) – Xả cặn; (5) – Ngưng[13]

Bảng 1: Các giai đoạn xử lý sinh học hiếu khí theo mẻ (SBR) STT Giai đoạn Thời gian lưu Mục đích

1 Làm đầy 1 giờ Đưa nước thải vào bể có thể vận hành ở 3 chế độ:

làm đầy tĩnh, làm đầy khuấy trộn, làm đầy sục khí

Trang 6 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

2

Sục

khí/khử

Nito

4 giờ

Sục khí để tiến hành quá trình nitrit hóa, nitrat hóa

và phân hủy chất hữu cơ Trong giai đoạn này cần tiến hành thí nghiệm để kiểm soát các thông số đầu vào như: DO, BOD, COD, N, P, cường độ sục khí, nhiệt độ, pH… để có thể tạo bông bùn hoạt tính hiệu quả cho quá trình lắng sau này

3 Lắng cặn 1 giờ

Sau khi oxi hoá sinh học xảy ra, bùn được lắng và nước nổi trên bề mặt tạo lớp màng phân các bùn nước đặc trưng

4 Chắt nước 2 giờ

Nước nổi trên bề mặt sau thời gian lắng (nước đầu

ra đã xử lý) được tháo ra khỏi bể SBR mà không có cặn nào theo sau

Pha ngưng hay còn gọi pha chờ, thực ra là thời gian chờ nạp mẻ tiếp theo (pha này

có thể bỏ qua)

Trang 7 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Cấu tạo mô hình

a Hố gom b Bể sinh học lơ lửng

Hình 1: Mô hình bể sinh học lơ lửng

Mô hình thiết kế gồm có hố gom đầu vào, bơm hố gom và bể sinh học lơ lửng

Bảng 2: Thông số kỹ thuật hố gom

Bảng 3 Thông số kỹ thuật bể sinh học lơ lửng

Trang 8 Nghiên cứu chế tạo mô hình sinh học hiếu khí

3.2 Hướng dẫn vận hành mô hình

Hướng dẫn vận hành và khắc phục bể:

B1: khởi động hệ thống bật công tắc tổng (off ➔on)

B2: đóng van V/05

B3 : Mở bơm bể gom (off ➔on)

B4 : Mở van V/02

B5 : Mở bơm bể sinh học hiếu khí lơ lửng (off ➔on), nước thải được bơm đạt tới

đầu ống bơm qua bể sinh học hiếu khí lơ lửng

B6 : Mở van V/04

B7 : Bật bơm bể sinh học hiếu khí lơ lửng ( off ➔ on)

B8 : Bật nút bơm thổi khí (off ➔ on)

Sau thời gian chạy mô hình, ta sẽ tắt máy chạy bằng nút công tắt tổng (on ➔off) Nếu gặp sự cố và muốn tắt khẩn cấp thì tắt nút tổng (on ➔off)

Lưu ý: Trong thời gian hoạt động tùy thuộc vào mức độ yêu cầu sử dụng ta điều chỉnh nút bơm sinh học hiếu khí lơ lửng (off ➔on)