Nước thải sinh hoạt (SH) có thể được coi là loại nước thải “chuẩn” nhất, cả về mặt lưu lượng lẫn về thành phần. Thuật ngữ “chuẩn” ở đây được hiểu theo hai nghĩa. Một là thành phần được xác định khá chính xác nhờ quá trình nghiên cứu thống kê lâu dài. Hai là nước thải SH có thành phần rất thích hợp cho các quá trình xử lí vi sinh, vì vậy công nghệ VS, đặc biệt VS hiếu khí được coi là chủ đạo.
Bản chất tóm tắt của công nghệ vi sinh hiếu khí:
Trong quá trình xử lí nước thải vi sinh thực hiện đồng thời hai quá trình chính:
một là sử dụng nguồn C và các chất dinh dưỡng (N, P) và các nguyên tố để sinh tổng hợp tế bào (sinh khối ) mới; hai là chuyển hoá (ôxi hoá) các chất C thành CO2 đồng thời sử dụng năng lượng của phản ứng này cho các hoạt động sống của tế bào.
Cân bằng C của quá trình này được mô tả trong hình 3.7.
Nước thải 100%C
Aerotank Sinh khối (vi khuẩn)
= 2 – 3 g/L DO ~ 2 mg/L
Nước ra ~ 5%C CO2~ 45%C
~ 50%C
Bùn
Ôxi không khí Nước thải 100%C
Aerotank Sinh khối (vi khuẩn)
= 2 – 3 g/L DO ~ 2 mg/L
Nước ra ~ 5%C CO2~ 45%C
~ 50%C
Bùn
Ôxi không khí
Hình 3.7- Cân bằng C trong quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ VS hiếu khí Để thực hiện quá trình vi sinh hiếu khí cần có kĩ thuật thích hợp. Khi nghiên cứu về động học vi sinh ta sẽ thấy tốc độ quá trình xử lí tỷ lệ thuận với nồng độ vi sinh có trong bồn phản ứng. Vì vậy hệ phản ứng phải đảm bảo mấy yêu cầu:
Thứ nhất là hệ vi sinh trong bồn phản ứng phải được cấp ôxi, dinh dưỡng đầy đủ, pH của hệ phải phù hợp (gần 7);
Thứ hai, hệ phải được thiết kế sao cho kiểm soát được nồng độ bùn hoạt tính (sinh khối vi sinh hoạt động) trong bồn ở mức đủ cao để quá trình xảy ra đủ nhanh.
Thứ ba, đây là hệ quả của yêu cầu thứ hai, hệ cần có cơ cấu tách lỏng/rắn thích hợp – đây là bể lắng cấp 2, một mặt để thực hiện vế thứ hai của quá trình xử lí là làm trong nước sau phản ứng bằng quá trình “keo tụ vi sinh”, mặt khác hệ lắng cho phép thu gom bùn để thực hiện quá trình tuần hoàn về bồn phản ứng nhằm duy trì nồng độ sinh khối trong bồn phản ứng ở mức thích hợp.
Đây chính là nội dung chủ yếu của kĩ thuật xử lí vi sinh phổ biến nhất và được nghiên cứu kĩ nhất, có lí luận chặt chẽ nhất hiện nay. Hầu hết các lí thuyết về hệ xử lí vi sinh được phát triển từ đây.
Sơ đồ công nghệ tiêu chuẩn – Công nghệ BHT Giải trình sơ đồ công nghệ BHT
Công nghệ BHT có nguồn gốc từ nước Anh (03/04/1914, Edward Ardern &
William Lockett, Experiments on the oxidation of sewage without the aid of filters (Những thí nghiệm về ôxi hoá nước thải không dùng bộ lọc). J. of Soc. Chem.
Ind. Vol. 33, pp. 523-539) lần đầu dùng BHT có tuần hoàn bùn.
Hình 3.8- Sơ đồ công nghệ bùn hoạt tính Ghi chú: 1, 2- chắn rác và lắng cát
Nước thải SH hoặc tương đương trước hết qua các đơn vị xử lí 1, 2, 3, được gọi là xử lí cấp 1.
NT vào Nước ra
Bùn dư đi xử lí Bùn tuần hoàn
3-Lắng cấp 1 4-Bồn sục khí - Aerotank 5-Lắng cấp 2
1, 2
NT vào Nước ra
Bùn dư đi xử lí Bùn tuần hoàn
3-Lắng cấp 1 4-Bồn sục khí - Aerotank 5-Lắng cấp 2
1, 2
Chức năng của xử lí cấp 1 là: tách rác, cặn thô; lắng cặn lắng được, đồng thời giảm một phần COD, BOD tại đây. Nhiều trường hợp trước toàn hệ hoặc trước khi vào lắng cấp 1 nước cần qua bể điều hoà, chủ yếu để điều hoà lưu lượng và phần nào chất lượng.
Sau lắng cấp 1 nước lắng thường tự chảy vào bể phản ứng là bồn sục khí (4). Ở đây nước thải được trộn lẫn với sinh khối vi sinh hoạt động-bùn hoạt tính và ôxi từ máy nén khí để thực hiện quá trình xử lí chất ô nhiễm. Đây là đơn vị xử lí trung tâm của hệ, hầu hết các chất hữu cơ sinh huỷ được sẽ phân huỷ thành CO2 tại đây, nếu thiết kế đầy đủ ở (4) còn xảy ra quá trình ôxi hoá tự dưỡng N-amôni thành nitrat.
Nước ra khỏi (4) tự chảy vào bể lắng C2 (5), tại đây sinh khối vi khuẩn sẽ tạo bông và lắng xuống, trong quá trình tách R/L tại bể lắng C2 song song với keo tụ sinh học còn xảy ra quá trình hấp phụ sinh học, các quá trình này góp thêm với quá trình sinh hoá ở (4) làm nước ra trong và thường đạt các tiêu chuẩn hiện hành về hữu cơ.
Nước lắng trong sẽ đi vào (6- không vẽ) là hệ sát trùng bằng clo hoặc một tác nhân sát trùng khác (ví dụ, ozôn hoặc UV).
Đến đây nước thải về cơ bản đạt các tiêu chuẩn thải, trừ N, P nên thường được gọi là xử lí cấp 2.
Đối với các hệ BHT hiện đại, với những thay đổi nhất định có thể xử lí đến đạt các tiêu chuẩn khắt khe về N, P.
Hệ BHT hoạt động dựa trên nguyên lí hoạt động của hệ vi sinh: một lượng vi sinh nhất định (M- mass) để tồn tại và phát triển cần tiêu thụ một lượng thức ăn (F- food) tức là các chất ô nhiễm nhất định. Để duy trì hoạt động của hệ thống BHT cũng như bất cứ hệ xử lí sinh học nào khác cần duy trì tỷ lệ F/M = hằng số. Tuy nhiên do nước ra chứa một lượng lớn sinh khối nên M trong (4) có thể giảm, F/M có thể tăng làm hệ xử lí hoạt động không ổn định. Để khắc phục điều này, trong hệ BHT luôn bố trí hệ tuần hoàn bùn về (4) để duy trì mật độ sinh khối trong bồn phản ứng ổn định suốt thời gian làm việc. Lượng sinh khối dư được thải ra và đưa vào hệ xử lí bùn (không nêu ở đây). Ta gọi là xử lí cấp 3 hay xử lí nâng cao.
Các sơ đồ công nghệ khác
Theo (http://www.sanicon.net), có thể áp dụng các công nghệ sau để xử lí nước thải sinh hoạt:
1) Ao hồ ổn định - Wastewater Stabilization Ponds (WSP)
2) Hồ chứa và xử lí - Wastewater Storage and Treatment Reservoirs (WSTR) 3) Đất ngập nước có thiết kế - Constructed Wetlands (CW)
4) Xử lí hoá chất tăng cường - Chemically Enhanced Primary Treatment (CEPT) 5) Hệ xử lí yếm khí ngược dòng qua lớp bùn dạng hạt - Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors (UASBs)
Ngoài ra còn có thể kể đến hệ lọc nhỏ giọt với giá thể/vật liệu mang xốp treo (downflow hanging sponge-cube reactor) và các biến thể của hệ sục khí (modified aeration process).
(1) Công nghệ hồ chứa (WSTR-Wastewater Storage & Treatment Reservoir) Khi muốn tái sử dụng nước để tưới ruộng, ví dụ, ở Israel, người ta thường sử dụng các bồn yếm khí (WSTR) có độ sâu tới 5-15 m (H. 3.9(a)). Nếu mùa cần tưới là 4-6 tháng thì WSTR phải đủ chứa 6-8 tháng nước thải. Đầu mùa tưới thì hồ đầy, cuối mùa thì vừa cạn. Thiết kế chi tiết xem Juanico and Shelef (1991,
1994) and Juanico (1995). Nhược điểm của hệ WSTR là hiệu quả xử lí: lúc đầu mùa nước thải tương đối tốt do lưu lâu, càng về cuối nước càng cạn, thời gian lưu nước càng giảm, chất lượng nước càng xấu (Liran et al., 1994).
Hình 3.9- Sơ đồ công nghệ hệ WSTR (2) Hệ WSTR theo mẻ
Để tránh nhược điểm đã nêu của hệ WSTR đơn người ta bố trí ít nhất hai hồ chứa hoạt động nối tiếp (H. 3.9(b)). Với hệ đơn hồ nước ra chứa không lớn hơn 1 trứng giun đường ruột/L (Hướng dẫn WHO (1989) đối với hệ tưới tiêu giới hạn). Nếu áp dụng để tưới tiêu không hạn chế thì hệ trên (H. 3.9(a)) không đạt chuẩn đầu ra theo WHO là ≤1,000 fecal coliform bacteria/100 mL (Table 7.1_3.24).
Bảng 3.24- ……….
Đểm xả C(x) và tại cống rãnh C(R) tước thải sinh hoạt, tính theo khối lượng khôi tiêu không hạt, tính theo khối lượng khôn chế có hai phương án xây dựng WSTR:
(a) 3 hoặc trưng ô nhiễm nước thải sinh hoạtc 4 hồ chức độ ô nhiễm nước thải sinh hoạt, tính theo khối lượng khôa WSTR song song hoạt, tính theo khối lượng khôt độ ô nhiễm nước thải sinh hoạt, tính theo khối lượng không theo mẻ, vày tại điểm xả C(x) và tại cống rãnh C(R) (b) hệ ”lai-hỗn hợng khôp” (“hybrid”) WSP-WSTR.
Hệ WSTR hoạt động theo mẻ (Fig. 7.1 (b)) bao gồm 1 hồ yếm khí, thể tích hồ phụ thuộc vào độ dài thời gian tưới (Mara and Pearson, 1992; Mara et al., 1997).
Mỗi hồ WSTR hoạt động theo chu kì làm đầy - chứa - sử dụng (Table 7.2_3.25), khi đó fecal coliform giảm tới < 1000/100 mL ngay trong hai giai đoạn đầu là làm đầy - chứa (Pearson et al., 1996). Thus a whole year’s wastewater is available for unrestricted irrigation during the irrigation season. This system is, therefore, suitable in situations (a) where local farmers are engaged in essentially horticultural production, or (b) when local control is imperfect and wastewater treated for restricted irrigation is in fact likely to be used for unrestricted irrigation.
Bảng 3.25- ………..
(3) Hệ lai hồ chứa - xử lí WSP-WSTR
Hệ lai WSP-WSTR mô tả trong H. 3.9(c). Nước thải được xử lí trong hồ yếm khí và hồ tuỳ tiện (facultative). Vào thời gian không cần tưới, nước từ hồ tuỳ tiện chảy vào hồ xử lí WSTR; được xử lí trong vài tháng trong hồ WSTR để chỉ tiêu FC coli đạt 1.000/100 mL. Trong mùa tưới nước lấy nước từ hồ tuỳ tiện trong trường hợp tưới hạn chế, để tưới không hạn chế cần lấy nước từ hồ WSTR.
Trong trường hợp nước thải xấu (số lượng trứng giun cao), do hiệu quả xử lí phụ thuộc vào thời gian lưu trong hồ yếm khí và tuỳ tiện và sôốlượng trứng giun đầu vào, khi đó cần thêm một hồ bổ xung trước hồ xử lí WSTR để chắc chắn đạt tiêu chuẩn ≤ 1 trứng giun/L.
Đây là hệ rất tốn đất, ví dụ, nếu mùa tưới tiêu là 6 tháng thì hệ lai WSP-WSTR cần 1 diện tích để tưới 2 diện tích, một nửa để tưới hạn chế, một nửa để tưới không hạn chế.
Để chắc chắn về chất lượng nước tưới nước từ hồ tuỳ tiện (hoặc hồ bổ xung) chỉ sử dụng để tưới hạn chế, trừ khi FC < 1.000/100 mL trong mùa tưới.
(4) Hệ đất ngập nước có thiết kế [703 Guideline for Using Free Water Surface Constructed Wetlands to Treat Municipal Sewage, Sinclair Knight Merz, pp. 8-11, 17, 21-22, & 62-69, September 2000]
Hệ đất ngập nước khá phổ biến, ví dụ ở Úc có khoảng 40 hệ đã được xây dựng trong mười năm cuối. Phần lớn các hệ được thiết kế theo kiểu chảy bề mặt - Free Water Surface (FWS) (Fig. 7.2_3.10), chiếm diện tích từ 400 m2 đến 85 ha.
Số đơn vị xử lí (dưới dạng hồ hay kênh) từ 1 đến 15. Khoảng 30% nước có thể được tái sử dụng để tưới tiêu.
Để sử dụng hệ này cần tiền xử lí nước thải: lắng hoặc sục khí thời gian ngắn. Hệ đất ngập nước cũng có thể được áp dụng để đánh bóng nước sau xử lí cấp 2 để đạt các tiêu chuẩn cao hơn [704 Metcalf and Eddy, Wastewater Engineering – Treatment, Disposal and Reuse (Third Edition), McGraw-Hill, Inc., pp.993, 1991].
Các loại cây sử dụng để xử lí có thể là bất kì, ví dụ ở Queensland, Canada đã liệt kê đươc 120 loại: sậy, sen, lili nước, và các loại thân mềm nổi là phổ biến.
Hình 3.10- Cấu tạo hệ lọc ngập nước chảy bề mặt (trái) và chảy ngầm (phải) (1) Cơ sở khoa học của xử lí nước thải bằng hệ đất ngập nước
Mô hình hệ đất ngập nước nêu trên hình Fig. 3.10. Các yếu tố xử lí bao gồm:
• Các thành phần cố định, đó là đất, đá, cát trong hệ, hệ thực vật, các hạt cặn nhỏ, rác, và màng vi sinh kể cả tảo, vi khuẩn ... bám vào hệ rễ và đất đá.
• Nước thải là nguồn dinh dưỡng.
• Không khí vừa là nguồn vừa chất thải vừa là nguồn ôxi.
Trong một hệ phức tạp như vậy sẽ xảy ra hàng loạt các quá trình hoá, lí, sinh. Về khía cạnh xử lí nước thải có quá trình là cần mà cũng có quá trình không cần.
Quá trình cần là những quá trình cho phép chuyển hoá các thành phần thải có hại thành vô hại hoặc cố định dưới dạng các thành phần của hệ ngập nước (các kết tủa) hoặc vào sinh khối.
Các quá trình cần thiết thường gặp: sa lắng, tập hợp, lắng đọng, hấp phụ, bay hơi, các quá trình chuyển hoá sinh hoá ... và nhiều quá trình cần thiết khác nữa.
Các quá trình không cần thiết thường bao gồm các quá trình chuyển khối ngược từ các pha rắn tĩnh vào pha nước. Khi đó các thành phần có hại sẽ theo nước thải ra khỏi hệ xử lí vào môi trường. Quá trình thứ hai là quá trình tái phân tán các hạt cặn làm nước bị đục khi tốc độ dòng chảy quá lớn, độ đục còn được gây ra bởi sự phát triển thái quá hệ vi sinh phù du (ví dụ tảo) (H. 3.11).
Ngoài vấn đề tăng độ đục của nước sau xử lí, sinh khối trong nước còn mang theo các thành phần thải tích luỹ trong sinh khối, điều này có nghĩa là sự giảm hiệu quả xử lí của hệ xử lí.
Mục đích thiết kế hệ ngập nước là giảm các thành phần thải tới tiêu chuẩn nước ra môi trường, giảm thiểu các quá trình bất lợi.
Hình 3.11- Các quá trình trong hệ lọc ngập nước (2) Cơ chế xử lí chất ô nhiễm
Đây là hệ xử lí tự nhiên, vì vậy các quá trình xảy ra ở đây là những quá trình tự nhiên gần với những quá trình xảy ra trong các hệ sinh thái nhất. Điều cần đảm
bảo để hệ hoạt động tốt là cân bằng giữa tải chất thải đầu vào và khả năng xử lí của hệ. Về phần mình khả năng xử lí của hệ phụ thuộc vào khả năng của các cơ chế xử lí cơ bản xảy ra trong hệ.
Chất hữu cơ được xử lí bằng hai con đường chính là yếm khí và hiếu khí. Đóng góp của mỗi quá trình phụ thuộc tải hữu cơ đầu vào và mức độ cấp ôxi.
Trong hệ đất ngập nước tải hữu cơ đầu vào phụ thuộc trước tiên vào nước thải vào. Nguồn cung ôxi có hai: một là ôxi từ không khí thông qua sự trao đổi bề mặt khí/nước, hai là ôxi do quá trình quang hợp của thực vật thuỷ sinh, nhất là tảo sinh ra. Hệ quả là nước trở nên oxic (hiếu khí) ban ngày và anoxic (thiếu khí) ban đêm. Thông thường ôxi khó vận chuyển tới lớp bùn đáy nên các quá trình ở lớp nước dưới, trên và trong lớp bùn đáy là yếm khí. Lớp 2-3 mm trên cùng của bùn thường thể hiện tính chất của lớp nước đáy. Thực vật có rễ thường làm cấp ôxi cho môi trường thông qua hệ rễ của chúng.Khi hệ rễ phát triển lớp đất bùn xung quanh trở nên hiếu khí hơn. Tuy nhiên lượng ôxi cấp vào qua hệ rễ cây thường không đủ so với tải hữu cơ (BOD) nên không quyết định cơ chế xử lí hữu cơ. Cơ chế xử lí xung quanh hệ rễ cây có giá trị hơn đối với một số quá trình ôxi hoá khác, ví dụ quá trình nitrat hoá.
Các cơ chế xử lí quan trọng nhất được tổng hợp trong bảng 7.3_7.26. Nhiều cơ chế xử lí chất ô nhiễm mang tính chuỗi các quá trình nối tiếp. Ví dụ, trong hệ vi khuẩn thông dụng phần lớn BOD sẽ được xử lí và nối tiếp là quá trình ôxi hoá amôni. Thế mạnh cơ bản của hệ đất ngập nước là tính sinh thái của hệ xử lí:
đồng thời xảy ra hàng loạt các quá trình xử lí tự nhiên, nhất là sự tham gia của hệ thực vật nước.
Bảng 3.26- ………
(3) Hiệu quả xử lí của hệ đất ngập nước
Có thể tham khảo các số liệu về hoạt động của các hệ đất ngập nước trong cơ sở dữ liệu NADB (the North American Wetland Treatment System Database).
Đây là tập hợp dữ liệu từ 120 hệ ngập nước chảy bề mặt từ Mỹ và Canada, bao gồm cả hệ tự nhiên lẫn hệ thiết kế. Tập hợp các số liệu cho trong bảng 7.4_3.27.
Bảng 3.27- Kết quả xử lý theo NADB và pilot ở Queensland, Úc
Chỉ tiêu % xử lý theo NADB Kết quả pilot wet land ở Queensland
% xử lí trung bình Khoảng % xử lí được BOD
SS Amôni
71 68 38
64 60 72
-9 – 79 11 – 90 -36 – 100
T-N
P hoạt tính lọc được T-P
55 41 34
77 28 25
26 – 97 -38 – 61 -38 – 62
(4) Các quá trình đất ngập nước Wetland process
• Thời gian l ư u thuỷ lực , là thời gian nước lưu trong hệ xử lí là tối quan trọng.
• Các quá trình xử lí bao gồm nhiều quá trình.
• Đóng góp của mỗi quá trình hiếu khí/yếm khí, màng vi sinh, thấm ướt ... là quan trọng và quyết định hiệu quả xử lí chung.
(5) Quy hoạch, ứng dụng đất ngập nước Wetland planning
• Hàng loạt yếu tố quyết định sự lựa chọn đất ngập nước: có diện tích, vị trí so với khu dân cư và các quy hoạch khu vực, mục tiêu xử lí, thuỷ văn nước mặt và nước ngầm, địa hình khu vực, tính chất của đất, các vùng đệm và khả năng lụt.
• Quyết định xây dựng hệ xử lí đất ngập nước cần được xem xét đồng bộ với các luật về các khu bảo tồn tự nhiên và các di sản.
• Các dự án về hệ đất ngập nước cần được xem xét trên cơ sở điều kiện khu vực cụ thể.
• Nước đã xử lí sau đất ngập nước có thể tái sử dụng vào nhiều mục đích: tưới tiêu, hồ chứa, rửa khí thải từ một số công nghiệp ....
• Có thể sử dụng đất ngập nước để nuôi bèo tấm, động vật phù du, các loài giáp xác làm thức ăn nuôi cá, gia súc, xử lí nước nuôi thuỷ sản tuần hoàn.
• Vì đây là hệ tự nhiên nên hiệu quả thay đổi mạnh, nếu yêu cầu chất lượng nước ra yêu cầu cao thì không nên áp dụng do độ tin cậy thấp.
(6) Các nguyên lí và thông số thiết kế Design principles
• Để xác định kích thước cánh đồng lọc FWS sử dụng phương pháp Reed và Kadlec - Knight.
• Tải BOD đầu vào lấy < 75 kg BOD/ha/d.
• Có thể sử dụng các phương pháp kinh nghiệm.
• Các tính toán cần tính đến khả năng xử lí của loại cây sẽ trồng.
• Nên sử dụng nhiều loại cây thay vì một loại.
• Cố gắng thiết kế hệ xử lí thành một thành phần trong phong cảnh khu vực, khi đó có thể biến thành địa điểm cư trú của sinh vật hoang, nơi du ngoạn, giải trí.
(7) Nguyên lí xây dựng Construction principles
• Cần có lớp lót chống thấm để bảo vệ nước ngầm.
• Đất trong hệ phải đủ chặt để cây có thể bám, không bón phân cho cây trong hệ xử lí.
• Trong qua trình trồng cây, khi cây đang bén rễ, mức nước vào không được ngập cây, thấp hơn cây khoảng 150 mm.
• Mật độ cây từ 1 đến 10 cây/m2. Luống cây bố trí vuông góc với chiều dòng nước.
(8) Nguyên lí vận hành
• Cần có khả năng điều chỉnh mức nước.