Khóa luận Xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

đảm bảo thì quá trình xử lý diễn ra như sau: Tăng trưởng tế bào: ở cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ hay trong các bể có dòng chảy liên tục, nước thải trong các bể này phải được khuấy trộn một cách hoàn chỉnh và liên tục. Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh có thể biểu diễn bằng công thức sau: rt = μX (4.1) Trong đó: rt: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (khối lượng/đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian, g/m3.s) μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/thời gian = 1/s) X: nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 = mg/l) 4.5.1 Chất nền – Giới hạn của tăng trưởng Trong trường hợp xử lý nước thải theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ có với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt và quá trình sinh trưởng ngừng lại. Ở trường hợp xử lý trong bể có dòng cấp chất nền và chất dinh dưỡng liên tục thì ảnh hưởng của việc giảm bớt dần chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất (1942, 1949) (4.2) Trong đó: μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/s) μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s) S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế Ks: hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l) Thay giá trị μ ở phương trình (4.2) vào phương trình (4.1) ta có: (4.3) 4.5.2 Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền Trong cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ và xử lý trong bể có dòng chảy liên tục, một phần chất nền được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hoá thành chất vô cơ và hữu cơ ổn định. Bởi vì số tế bào mới được sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình sau: rt = -Yrd (4.4) Trong đó: rt: tốc độ tăng trưởng của tế bào (g/m3.s) Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) (là tỉ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trưởng logarit) rd: tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) Từ phương trình (4.4) và (4.3) ta rút ra được: (4.5) () 4.5.3 Ảnh hưởng của hô hấp nội bào Trong các công trình xử lý nước thải, các tế bào sinh vật ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau. Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của tế bào phải tính toán tổ hợp các hiện tượng này, để tính toán giả thiết rằng: sự giảm khối lượng của các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỉ lệ với nồng độ vi sinh vật có trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng này là do phân huỷ nội bào. Qúa trình hô hấp nội bào có thể biểu diễn đơn giản bằng phản ứng sau: Vi khuẩn Tế bào C5H7O2N + 5O2 5 CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng (4.6) rd = -KdX (4.7) Trong đó: Kd: hệ số phân huỷ nội bào (1/s) X: nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính) (g/m3) Kết hợp với quá trình phân huỷ nội bào, tốc độ tăng trưởng thực tế của tế bào là: rt’ = (4.8) Hay rt’ = Yrd – KdX (4.9) Trong đó: Rt’: tốc độ tăng gtrưởng thực của vi khuẩn (1/s) Tốc độ tăng trưởng riêng thực là: μ’ = (4.10) Tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tính) sẽ là: (4.11) 4.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng sinh hoá trong quá trình xử lý nước thải, ngoài ra còn ảnh hưởng quá trình hấp thụ khí oxy vào nước thải và quá trình lắng các bông cặn vi sinh vật ở bể lắng đợt 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hoá trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn bằng công thức: rT = r20θ(T – 20) (4.12) Trong đó: rt: tốc độ phản ứng ở ToC r20: tốc độ phản ứng ở 20oC θ: hệ số hoạt động do nhiệt độ T: nhiệt độ nước đo bằng oC Trong quá trình xử lý sinh học thì θ = 1,02 ÷1,09, thường lấy θ = 1,04 CÁC DẠNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIẾU KHÍ 4.6.1 Bùn hoạt tính Công nghệ bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (Aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó nồng độ cao của vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải trong bể hiếu khí. Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914, và đã được duy trì và phát triển đến ngày nay với phạm vi ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Bùn hoạt tính bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%). Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là phần chết rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn kỵ khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen. Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là các ấu trùng sâu bọ. Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn có thể chia ra làm 8 nhóm: 1. Alkaligenes - Achromobacter 2. Pseudomonas 3. Enterobacteriaceae 4. Athrobacter baccillus 5. Cytophaga - Flavobacterium 6. Pseudomonas - Vibrio aeromonas 7. Achrobacter 8. Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micrococus Trong nước thải các tế bào của loài Zooglea có khả năng sinh ra bao nhầy xung quanh tế bào có tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khó lắng các chất màu chất gây mùi… và phát triển thành các hạt bông cặn. Các hạt bông cặn này khi được khuấy đảo và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt 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 khi các cơ chất cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống tạo ra bùn hoạt tính. Trong bùn hoạt tính luôn có mặt động vật nguyên sinh mà đại diện là Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác. Quan hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn là quan hệ “Mồi - thú” thuộc cân bằng động chất hữu cơ vi khuẩn – động vật nguyên sinh. Khi bùn lắng xuống là “bùn già” hoạt tính bùn bị giảm. Hoạt tính của bùn có thể được hoạt hoá trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ. Phần lớn các vi sinh vật đều có khả năng xâm chiếm, bám dính trên bề mặt vật rắn khi có cơ chất, muối khoáng và oxi tạo nên màng sinh học dạng nhầy có màu thay đổi theo thành phần nước thải từ vàng xám đến nâu tối. Trên màng lọc sinh học có chứa hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và một số động vật nguyên sinh khác. Tuy nhiên khác với hệ quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính thành phần loài và số lượng các loài trong màng sinh học tương đối đồng nhất. Công thức bùn hoạt tính thường dùng trong các tính toán là C5H7O2N. [2]; [8] Hệ thống xử lý nước thải trong bể bùn hoạt tính (Aerotank) được mô tả ở hình 4.3. 1- bể lắng đợt 1; 2- bể sục khí sơ bộ; 3- aerotank; 4- bể phục hồi; 5- bể lắng đợt hai. Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống xử lý hiếu khí nước thải Aerotank được phân loại theo chế độ thuỷ động lực dòng chảy vào; Chế độ làm việc của bùn hoạt tính; Cấu tạo Aerotank; … Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Lúc này, cơ chất và chất dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn còn ít. Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh. Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần vào cuối giai đoạn này rất cao. Tốc độ tiêu thụ oxy vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần. Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzym đạt Max và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt Max, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi sau một thời gian khá dài. Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ giảm dần và quá trình Nitrat hóa amoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc. Hình 4.4: Bể bùn hoạt tính Hệ thống bể bùn hoạt tính gồm các loại: bể bùn hoạt tính truyền thống, bể bùn hoạt tính tiếp xúc - ổn định, bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài, bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh, bể bùn hoạt tính chọn lọc. [2] Bể bùn hoạt tính truyền thống: Bùn hoạt tính dòng truyền thống đầu tiên được sử dụng là các bồn hiếu khí dài, hẹp. Lượng oxy cần dùng thay đổi dọc theo chiều dài của bể phản ứng sinh hóa. Do đó hệ thống này sử dụng các thiết bị thông gió làm thoáng bề mặt để lượng oxy cung cấp phù hợp với nhu cầu sử dụng dọc theo chiều dài bể. Bể phản ứng thường có dạng hình chữ nhật, với dòng vào và tuần hoàn bùn hoạt tính đi vào bể ở 1 đầu và chất lỏng trong bể được hòa trộn (dòng thải) sẽ đi ra ở đầu đối diện. Mô hình dòng chảy gần giống như hệ thống dòng chảy đều, với sự phân bố thời gian lưu chất phụ thuộc vào tỷ lệ chiều dài và chiều rộng của bồn chứa, hỗn hợp trong bể gồm oxy do thiết bị cung cấp, các chất nền có sẵn trong dòng vào và dòng ra. Lượng gió cấp vào từ 55 m3/1kg BOD5 đến 65 m3/1kg BOD5 cần khử. Chỉ số thể tích bùn thường dao động từ 50 – 150 ml/g, tuổi của bùn thường từ 3 – 15 ngày. Nồng độ BOD đầu vào thường < 400mg/l, hiệu quả làm sạch thường từ 80 – 95%. Bể bùn hoạt tính tiếp xúc-ổn định: Hệ thống này chia bể phản ứng thành 2 vùng: vùng tiếp xúc là nơi xảy ra quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, và vùng ổn định là nơi bùn hoạt tính tuần hoàn từ thiết bị lọc được sục khí để ổn định vật chất hữu cơ. Do nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước khá cao trong bể ổn định (tương đương với nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn), tổng thể tích bể phản ứng sinh hóa (vùng tiếp xúc và ổn định) có thể nhỏ hơn, giống như ở loại bể bùn kiểu truyền thống, trong khi vẫn duy trì thời gian lưu bùn như cũ. Vì vậy, bể bùn loại này được sử dụng để có thể vừa làm giảm thể tích bể phản ứng, hoặc có thể làm gia tăng khả năng lưu chứa của bể bùn truyền thống. Trong vùng tiếp xúc, thời gian tiếp xúc từ 20 – 60 phút (phụ thuộc lưu lượng dòng vào). Dòng bùn tái sinh thường chiếm 25 – 75% dòng nước thải đầu vào để xử lý. Thể tích của vùng ổn định chiếm 50 – 60% tổng thể tích của toàn hệ thống, với thời gian lưu nước thường từ 0,5 – 2 giờ, trong khi thể tích vùng tiếp xúc là 30 – 35% tổng thể tích chung, với thời gian lưu nước là 4 – 6 giờ tùy thuộc vào dòng bùn hoạt tính tuần hoàn. Hiệu quả xử lý của hệ thống này thường đạt 85 – 95% khả năng loại bỏ BOD5 và các chất rắn lơ lửng khỏi nước thải xử lý. Bể bùn tiếp xúc-ổn định thường dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt với số lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ dưới dạng các phân tử chất rắn. Hình 4.5: Bể bùn hoạt tính tiếp xúc - ổn định Bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài: Thường có thời gian lưu bùn kéo dài để ổn định lượng sinh khối rắn từ quá trình chuyển hóa của các vật chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi khuẩn. Thời gian lưu bùn thường kéo dài từ 20 – 30 ngày, đồng nghĩa với việc cần thời gian lưu nước khoảng 24 giờ để duy trì khả năng pha trộn nồng độ các chất rắn lơ lửng trong nước. Thời gian lưu nước kéo dài có 2 tác dụng: làm giảm lượng chất rắn bị loại bỏ và làm tăng sự ổn định của quá trình. Tuy nhiên, đối với bể phản ứng loại lớn thì yếu tố này sẽ gây một số bất lợi, đó là làm hạn chế khả năng pha trộn. Hình 4.6: Hệ thống bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài Bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh: Bể hiếu khí có tốc độ thông khí cao và khuấy đảo hoàn chỉnh là loại Aerotank tương đối lý tưởng để xử lý nước thải có độ ô nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng cao. Aerotank loại này sẽ có thời gian làm việc ngắn. Rút ngắn được thời gian thông khí bằng vận hành ở tỷ số F/M cao, giảm tuổi thọ bùn hoạt tính (thời gian lưu nước trong bể ngắn). Trong bể Aerotank khuấy đảo hoàn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn đều, tức thời. Do vậy, nồng độ bùn hoạt tính và ox hòa tan được phân bố đều ở mọi nơi trong bể và dẫn đến quá trình oxy hóa được đồng đều, hiệu quả cao. Ưu điểm của công nghệ này là: Pha loãng ngay tức khắc nồng độ các chất nhiễm bẩn, kể cả các chất độc hại (nếu có). Không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở một nơi nào trong bể. Thích hợp cho xử lý các loại nước thải có tải trọng cao, chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng. Hình 4.7:. Bể Aerotank thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh Dựa trên nguyên lý làm việc của aerotannk khuấy đảo hoàn chỉnh, người ta thay không khí nén bằng cách sục oxy tinh khiết. Bể phản ứng thường có nhiều ngăn, kín, và cung cấp các dòng nước giàu oxy ở dạng khí hòa trộn trong chất lỏng. Dòng nước thải vào và dòng bùn hoạt tính tuần hoàn chỉ được đưa vào ở ngăn đầu tiên cùng với oxy (thường tinh khiết 98%). Ở mỗi ngăn có sự pha trộn hoàn toàn trong từng ô. Sự pha trộn các chất rắn lơ lửng và oxy hòa tan được cung cấp cho mỗi ngăn. Các loại máy móc sử dụng trong loại bể này là: máy thổi khí bề mặt tốc độ nhỏ và tua bin đặt trong nước. Việc sử dụng nguồn oxy có độ tinh khiết cao sẽ có tác dụng làm gia tăng áp suất oxy tham gia trong mỗi ngăn, vì vậy sẽ làm tăng tỷ lệ chuyển hóa thể tích oxy hơn so với hệ thống sử dụng không khí. Điều này sẽ làm cho thể tích bể phản ứng sinh hóa cần sử dụng nhỏ lại, vì vậy thời gian lưu nước chỉ còn khoảng 2 – 4 giờ. Thời gian lưu bùn tối thiểu từ 1 – 2 ngày thường được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, còn đối với nước thải công nghiệp cần thời gian lưu bùn dài hơn. O2 Dòng vào Dòng ra Bùn hoạt tính tuần hoàn (sau lắng) Bùn dư Hình 4.8: Aerotank là việc với khí nén là oxy Bể bùn hoạt tính chọn lọc: Bể bùn hoạt tính này chỉ mới được phát minh gần đây, được dùng để kiểm soát sự tăng trưởng quá mức của các vi khuẩn lên men, có thể gồm các loài gây hại. Nó cung cấp điều kiện môi trường có lợi cho sự tăng trưởng của các vi sinh vật kết bông, kết quả là làm gia tăng khả năng lắng đọng của bùn hoạt tính. Bể bùn hoạt tính chọn lọc sử dụng 2 cơ chế để chọn lọc các vi sinh vật: động học và trao đổi chất. Bể bùn hoạt tính chọn lọc thường chia thành từng khối thể tích nhỏ, chứa trong các ngăn riêng biệt. Dòng chảy xuống từ bể phản ứng có thể được pha trộn hoàn toàn hay chỉ là dòng chảy kín. Hình 4.9: Bể bùn hoạt tính chọn lọc 4.6.1.1 Khuấy trộn hoàn toàn Loại bể bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn đã được phát minh vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, mục đích là để xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ đậm đặc, đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân hủy. Việc xử lý loại nước thải này thường khó thực hiện trong bể bùn hoạt tính truyền thống do nồng độ các chất hữu cơ đầu vào quá cao, nó sẽ ngăn chặn sự tạo thành sinh khối, khiến cho quá trình xử lý kém hiệu quả. Hình 4.9 mô tả 2 mô hình bể phản ứng sinh hóa thường được sử dụng để khuấy trộn hoàn toàn. Loại thứ nhất được sử dụng với hệ thống thông gió khuếch tán, khuấy trộn hoàn toàn một cách có hiệu quả bằng cách bổ sung dòng vào dọc theo chiều dài, phần hẹp của bể phản ứng, còn dòng ra được đưa ra ở phía đối diện. Loại thứ hai, bể phản ứng sinh hóa dạng ô vuông được sử dụng với dòng vào và dòng ra được bố trí trên cùng một đường thẳng để đạt được sự khuấy trộn có hiệu quả nhất. Trong cả 2 trường hợp, nước thải, bùn hoạt tính và oxy hòa tan được khuấy trộn đều tức thời sao cho nồng độ các chất được phân bố đều ở mọi phần tử trong bể. Ưu điểm chính của hệ thống này là pha loãng ngay tức khắc nồng độ của các chất độc hại (kim loại nặng) trong toàn thể tích bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải có chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng. [2] Hình 4.10: Bể bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn 4.6.1.2 Dòng chảy nút (Bể bùn hoạt tính cấp khí giảm dần) Sơ đồ này áp dụng khi thấy rằng ở đầu vào của bể cần lượng oxy lớn hơn (do nồng độ chất hữu cơ vào bể aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể), do đó phải cung cấp không khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp theo để đáp ứng cường độ tiêu thụ không đều oxy trong toàn bể. [10] Ưu ñiểm: + Giảm được không khí cấp vào, nghĩa là giảm công suất của máy thổi khí. + Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa Nito. + Có thể áp dụng ở tải trọng cao (F/M cao), chất lượng nước ra tốt hơn. 4.6.1.3 Thổi khí nhiều bậc (Bể bùn hoạt tính nạp nước thải theo bậc) Hình 4.11 : Hệ thống bể bùn hoạt tính nạp nước thải theo bậc Không giống với dạng bùn hoạt tính truyền thống, dòng nước vào được đưa vào hệ thống này ở những vị trí khác nhau dọc theo chiều dài bể. Có nhiều dạng bể bùn hoạt tính loại này với việc phân bố vị trí cung cấp dòng vào tuỳ thuộc vào hình dạng thiết kế. Thông thường bể bùn loại này có 4 ngăn, và nhu cầu cơ chất đầu vào cung cấp cho từng ngăn là như nhau và bằng ¼ tổng lưu lượng nước thải cần xử lý. Thời gian phản ứng hay thời gian thông khí của hệ thống thường từ 4 – 8 giờ (phụ thuộc lưu lượng dòng chảy), thời gian lưu ở từng ngăn là 4 – 12 ngày. Nạp theo bậc có tác dụng làm cân bằng tải trọng BOD theo thể tích và làm giảm độ thiếu hụt oxy ở đầu bể và lượng oxy cần thiết được trải đều theo dọc bể, làm cho hiệu suất sử dụng Oxy tăng lên, kết quả vận hành hệ thống này thường loại bỏ được từ 80 – 95% BOD5 và các chất rắn lơ lửng khỏi nước thải. [2] 4.6.1.4 Mương oxy hóa: Hình 4.12 : Mương oxy hóa Lần đầu tiên được ứng dụng xử lý nước thải tại Hà Lan (1950) do tiến sỹ Pasveer chủ trì. Đây là một dạng Aerotank cải tiến khuấy trộn hoàn chỉnh trong điều kiện hiếu khí kéo dài chuyển động tuần hoàn trong mương. [12] a) Mương oxy hóa pasver, hoạt động gián đoạn (1- nước vào; 2- máy thổi khí; 3- nước ra) b) Mương oxy hóa có hai mương bên hông, hoạt động luân phiên aerotank và lắng (1- nước vào; 2,7,8- máy thổi khí; 3- cửa chặn bùn; 4- hào bên hông số 1; 5- hào bên hông số 2; 6- nước thải luân phiên) c) Mương oxy hóa có hai hành lang, dùng để lắng nước luân phiên (1- nước vào; 2- máy thổi khí; 3- cửa bùn; 4- cửa kiểm soát trong mương, làm việc luân phiên; 5- cửa thải; 6- nước ra) d) Mương oxy hóa có bể lắng riêng (1- nước vào; 2- máy thổi khí; 3- bể lắng trong; 4- máy bơm để tuần hoàn bùn; 5- tách bùn dư; 6- nước ra) Hình 4.13: Các mương oxy hóa cơ bản Mương oxy hóa đơn giản, không tốn nhiều công sức, với chi phí đầu tư nhỏ hơn 2 lần so với lọc sinh học. Nếu áp dụng đúng, mương oxy hóa có thể xử lý nước thải đảm bảo đạt yêu cầu. Tuy nhiên, do các yêu cầu kỹ thuật trong vận hành làm hạn chế việc ứng dụng các mương oxy hóa – chứa nước cho các xí nghiệp nhỏ làm việc 1 – 2 ca và các khu dân cư dưới 700 người. Ngoài ra, ngay cả khi vận tốc nước 0,3m/s vẫn có sự sụp lở đất của mương oxy hóa tại điểm gần máy thổi khí và ở các khúc quanh. Do đó, cần phải bao phủ sườn dốc mương ít nhất 0,6m thấp hơn mực nước cao nhất. Đối với vùng đất sét chặt có thể phủ bằng tấm lót, còn đối với vùng cát phải bêtông hóa thành hoàn toàn. Đồng thời, mương phải có cấu trúc đơn giản nhất (hình chữ O) để tăng hiệu quả xử lý. Mương oxy hóa có thể được phân thành 2 nhóm chính: liên tục và gián đoạn. Mương oxy hóa gián đoạn có hình vành khăn, sâu từ 0,9 – 1,5m, hoạt động luân phiên thổi khí và lắng. Vì vậy, quá trình xử lý có dạng bậc và thu được nước đã xử lý có chất lượng tốt (do quá trình lắng trong diễn ra với chiều sâu không lớn). Mương oxy hóa liên tục loại 1 giống mương oxy hóa gián đoạn nhưng nước vào và ra liên tục, quá trình lắng diễn ra trong 2 mương bên hông luân phiên nhau. Mương oxy hóa liên tục dạng 2 rất gọn, lắng và thải nước sạch tiến hành trong khoảng 30 – 40 phút. Trong thời gian này, lượng nước thải trong hào tăng và độ sâu ngập nước máy thổi khí cũng tăng. a) Dạng còng kéo dài (dạng vành khăn); b) Có mương lắng bên hông; c) Có hai mương lắng bên hông; d) Có phần vòng tròn để đo hướng chuyển động của nước; e) Dạng chữ U; f) Dạng chữ L; g) Dạng quả lê; h) Dạng số 1; i) Dạng số 8 Hình 4.14: Dạng mặt bằng các mương oxy hóa Khó khăn nhất trong thiết kế mương oxy hóa là tính đúng máy thổi khí; thông thường máy thổi khí có đường kính 700mm với tần số quay 80 vòng/phút, độ ngập nước 18 – 25cm là tốt nhất. Nước thải trước khi vào mương phải qua lưới chắn rác đường kính 25mm và đôi khi qua bể lắng cát. Một số sơ đồ mương oxy hóa áp dụng tại Ba Lan, nơi có nhiều kinh nghiệm trong áp dụng các mương oxy hóa tuần hoàn, trình bày trên hình 6.11. Thể tích mương oxy hóa tuần hoàn từ 100 – 1.235m2; dài 60 – 400m; độ sâu trung bình là 1m; độ nghiêng thành 1:1 và 1:1,5; lưu lượng nước thải từ 30 – 584m3. Các kết quả xử lý tốt nhất cho nước thải nhà máy sữa, nông nghiệp, nấu bia, … Nước sau xử lý nhà máy sữa có BOD5 = 8 – 10mg/l; còn nước thải sinh hoạt BOD5 = 20 – 25mg/l. - Ưu điểm : + Hiệu quả xử lý BOD, nitơ, photpho cao. + Quản lí vận hành đơn giản. + Ít bị ảnh hưởng bởi sự dao động lớn về chất lượng và lưu lượng - Nhược điểm : + Đòi hỏi diện tích xây dựng lớn. + Thời gian lưu nước dài + Lượng oxy cung cấp cho mương lớn. + Mương oxy hoá có thể áp dụng để xử lí nước thải cao su sau giai đoạn xử lí kị khí 4.6.1.5 Thiết bị khí nâng (Airlift reactor) Mô hình thiết bị khí nâng được thể hiện như hình 4.11. Đường kính trong của downcomer là 6,25 cm. Riser có chiều cao là 90 cm, có đường kính trong là 4cm, thiết bị này nằm cách đáy của downcomer 1,25cm. Bể phản ứng này hoạt động như bể phản ứng gián đoạn nên còn được gọi là thiết bị khí nâng gián đoạn (SBAR). Thời gian lưu nước trong hệ thống là 5 - 6 giờ và tải lượng các chất lơ lửng đầu vào là 2,5 kg COD/m3.ngày. Không khí được cung cấp bởi thiết bị thổi khí nhỏ nằm ở đáy với vận tốc 80m/giờ, và tốc độ dòng khí này được kiểm soát bởi mass-flow controller. Nhiệt độ của bể phản ứng được duy trì ở 20oC bằng cách sử dụng các thiết bị ổn nhiệt, và pH luôn được duy trì ở giá trị 7,0 ± 0,2. Bể phản ứng đạt sự pha trộn tốt và mức độ hỗn loạn cao với thời gian tuần hoàn chất lỏng khoảng 0,6 giây. Hình 4.15: Mô hình thiết bị khí nâng Bể phản ứng hoạt động hiệu quả với chu kỳ 3 giờ/lần. Trong mỗi chu kỳ hoạt động, cần 2 phút để đưa chất lỏng vào hệ thống, 170 phút thông gió, 3 phút để lắng đọng và 5 phút để thu hồi dòng ra. Dòng thải ra được thu hồi tới vị trí cách đáy bể 50cm. Bùn hoạt tính từ quá trình loại bỏ các chất dinh dưỡng trong hệ thống xử lý sẽ được inoculum. DO, pH và khí CO2 thoát ra từ hệ thống sẽ được kiểm tra liên tục. Trọng lượng khô của bể phản ứng (dw), phần tro của sinh khối, tổng C hữu cơ trong dòng ra (TOC), sinh khối trong bể phản ứng và mật độ sinh khối (r) sẽ được tính toán mỗi ngày. Hình thái của các hột nhỏ sẽ được đo một cách đều đặn bằng phương pháp IA (phân tích hình ảnh). Acetate, NH4+, NO2-, và NO3- đôi khi sẻ được tính toán trong mỗi chu kỳ vận hành ñể xác định chu kỳ tuần hoàn của chúng. Bể phản ứng này vận hành trong khoảng 140 ngày. Ở ngày thứ 42, một vài mg bùn hoạt tính nitrat hóa sẽ được thêm vào bể để thúc đẩy sự tích lũy nitrifiers trong hệ thống. Quá trình Nitrat hóa và khử nitrat luôn được chú ý trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống. Để đánh giá sự tối ưu của quá trình khử nitrat hóa, từ ngày 66 đến ngày thứ 71, DO trong bể phản ứng sẽ được giảm xuống đến mức không đổi bằng cách pha trộn thêm vào dòng khí cung cấp ban đầu một lượng khí N2, nhưng vẫn duy trì tốc độ dòng khí như cũ, và trong những ngày tiếp theo, DO của hệ thống vẫn không được điều chỉnh lại. Hoạt động của bể phản ứng này cũng cần sự tham gia của các chất trung gian, như: Medium A: NaAc 97,7mM, MgSO4.7H2O: 3,7mM. Medium B: K2HPO4: 20mM, KH2PO4 10mM, KCl 4,8mM, NH4Cl 30 mM; các yếu tố vi lượng tan như Vishniac và Santer 10 ml/l. Trong mỗi chu kỳ hoạt động, khoảng 150 ml medium A, 150 ml medium B và 1300 ml nước máy được thêm vào trong bể phản ứng. Hình 4.16 Mô hình quá trình lắng đọng và mật độ các hạt bùn trong bể phản ứng Các hạt bùn bắt ñầu xuất hiện và phát triển trong bể phản ứng trong vòng 1 tuần đầu sau khi được gắn kết vào bể, và trong các ngày phản ứng tiếp theo, các hạt bùn này sẽ bắt đầu tăng kích thước dần dần. Quá trình chọn lọc các hạt bùn từ hỗn hợp sinh khối trong bể phản ứng dựa vào tốc độ lắng đọng khác nhau giữa các hạt bùn (tốc độ lắng đọng nhanh) và các sợi tảo (tốc độ lắng đọng chậm). Những yếu tố có thời gian lắng đọng khoảng 10 m/giờ sẽ được giữ lại trong bể phản ứng. Sau 3 phút, những phần tử nào không kịp lắng xuống sẽ bị đưa ra ngoài theo dòng thải. Sau 1 tháng vận hành, các hạt bùn sẽ đạt được đường kính 2,5mm. Đồng thời, mật độ bùn trong bể gia tăng tỷ lệ thuận với sự gia tăng sinh khối, mật độ cao nhất mà nó đạt được là khoảng 60 g VSS/l. [5] Hình 4.17 Kích thước hạt bùn trong trong thiết bị khí nâng theo thời gian 4.6.1.6 Tăng trưởng hiếu khí của sinh khối trong các tháp kín A – B (Aerobic growth of biomass in packed towers) Bể phản ứng dạng tháp kín là loại bể sinh học với tác nhân sinh trưởng bám dính được sử dụng phổ biến nhất, nó chứa các vi sinh vật tăng trưởng trên các giá đỡ cố định và để cho dòng nước thải chảy qua lớp màng bám trên giá đỡ này. Gần đây, các tháp kín thường sử dụng lớp plastic như giá đỡ cố định trong hệ thống. Người ta thường sử dụng 2 loại tháp chính: random packing, hình dạng thường thấy là hình trụ với đường kính xấp xỉ 5 cm và chiều dài là 5 cm; loại thứ hai là bundle media, thường là lớp màng ngăn dạng bán cố định đàn hồi với bề mặt phẳng thẳng đứng. Lớp trung gian này được đặt trong hệ thống để làm nhiệm vụ lọc tự nhiên đối với random packing, nhưng đối với bundle media thì nó chỉ có nhiệm vụ làm giảm lượng nước trào ra và hạn chế ảnh hưởng của gió. Những vòi phun được lắp đặt cố định có thể hoạt động một cách liên tục hoặc gián đoạn với chuyển động thủy lực quay vòng. Sau khi đi qua màng giá đỡ, nước thải đã xử lý sẽ được tập trung lại tại hệ thống cống thoát ngầm rồi chảy vào bể lắng để loại bỏ sinh khối. Khi nước thải chứa các chất hữu cơ, N hoặc những tác nhân cung cấp năng lượng chảy qua tháp kín, các vi sinh vật sẽ tiêu thụ các chất nền và tăng trưởng bám dính vào lớp màng tạo thành màng vi sinh. Sinh khối lơ lửng sau khi lắng đọng tự nhiên, phần còn lại sẽ được thải ra ngoài theo dòng nước đã xử lý. Trong một số trường hợp, dòng thải từ tháp xử lý sẽ được tuần hoàn lại ở đỉnh tháp, điều này cho phép kiểm soát được tốc độ dòng chảy qua tháp và chi phối nồng độ của chất nền. Dòng tuần hoàn này thường được lọc sau khi xả thải ra, nhưng không phải là luôn luôn. Mặc dù tháp kín là hệ thống có cấu tạo đơn giản nhất trong hệ thống các tác nhân tăng trưởng lơ lửng, nhưng mô hình hoạt động của nó lại phức tạp nhất, nguyên nhân là do:. - Thứ nhất: là cả tác nhân cho và nhận điện tử của hệ thống cần phải được cung cấp vào màng sinh học để thực hiện các phản ứng chuyển hóa. - Thứ hai: mặc dù dòng thải thường được xem là chảy bình thường qua lớp màng mỏng ở hầu hết các hệ thống, nhưng thực tế thì hình thái của dòng chảy lại thực sự khá phức tạp. - Thứ ba: các chủng vi khuẩn khác nhau sẽ phải cạnh tranh về chất dinh dưỡng và không gian sống ở màng sinh học nhiều hơn so với các tác nhân sinh trưởng lơ lửng đồng nhất. - Thứ tư: màng sinh học không được hình thành một cách đồng đều trên toàn bộ lớp phủ, nói đúng hơn là sự hình thành lớp màng này phụ thuộc vào cả hình thái dòng chảy của chất lỏng và nồng độ chất nền trong đó. [2] 4.6.1.7 Bể hiếu khí gián đoạn - SBR (Sequencing Batch Reactor) Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn (do quá trình làm thoáng và lắng trong được thực hiện trong cùng 1 bể). Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống như sau: 1- làm đầy, 2- sục khí (khử BOD), 3- lắng trong, 4- xả cặn dư và xả nước ra, 5- nghỉ. Tiếp tục thực hiện xử lý theo chu kỳ mẻ nước thải khác. [8] Hình 4.18: Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống SBR Pha làm đầy có thể là các trạng thái: tĩnh, khuấy trộn hoặc thông khí, tùy thuộc vào đối tượng cần xử lý. Trạng thái tĩnh là do năng lượng đầu vào thấp và nồng độ các chất nền cao ở cuối giai đoạn. trạng thái khuấy trộn là do có sự khử nitrat (khi có sự hiện diện của nitrat) các chất lơ lửng sẽ làm giảm nhu cầu oxy và năng lượng đầu vào, và cần phải có điều kiện thiếu hoặc kỵ khí cho quá trình loại bỏ sinh hóa P. Trạng thái thông khí là do các phản ứng hiếu khí ban đầu, làm giảm thời gian tuần hoàn và giư nồng độ chất nền ở mức thấp, điều này là quan trọng nếu tồn tại thành phần các chất hữu cơ dễ bị phân hủy với nồng độ độc tính cao. Nếu không có phản ứng sinh hóa xảy ra trong suốt pha làm đầy tĩnh, nồng độ chất nền trong bể SBR sẽ đạt tối đa ở cuối pha này. Nếu trạng thái khuấy trộn được chọn, nồng độ chất nền, nồng độ oxy hòa tan và nồng độ nitrat sẽ thay đổi trong suốt quá trình. Khi không có oxy hiện diện, nitrat sẽ trở thành tác nhân nhận điện tử và phản ứng sinh hóa thiếu khí sẽ làm giảm chất nền. cuối cùng, sự lên men hoặc các phản ứng sinh hóa kỵ khí sẽ bắt đầu một khi oxy và nitrat được lấy hết ra. Trạng thái thông khí được tiến hành khi khí được cung cấp trong suốt quá trình làm đầy. tốc độ phân hủy chất nền được giới hạn bởi tốc độ phản ứng sinh hóa là hàm của sinh khối, và nồng độ chất nền khi nồng độ oxy hòa tan cao hơn so với nồng độ tối thiểu, hoặc là hàm của tốc độ với oxy được cung cấp từ thiết bị thổi khí. Trong trường hợp đầu tiên, kích thước bể SBR thường nhỏ hơn, nhưng thiết bị thổi khí lớn hơn và năng lượng cung cấp lớn hơn. Trong trường hợp thứ hai, đòi hỏi có bể phản ứng lớn hơn, nhưng hệ thống thông gió nhỏ hơn và năng lượng cần cung cấp ít hơn. Khi các phản ứng sinh hóa bị giới hạn bởi tốc độ thông gió, nồng độ oxy hòa tan tiến gần tới 0. Hình 4.19: Bể SBR 4.6.1.8 Unitank Cấu tạo đơn giản nhất của một hệ thống Unitank là một khối bể hình chữ nhật được chia là 3 ngăn, 3 ngăn này thông thủy nhau bằng cửa mở ở phần tường chung. Kích thước mỗi ngăn là 20,5m x 20,5m x 5m; chiều cao 5m nhưng mực nước được giữ ở mức 4,5m. Trong mỗi ngăn có 1 máy sục khí bề mặt công suất 75KW và cánh khuấy. Hai ngăn ngoài có thêm hệ thống máng tràn nhằm thực hiện cả 2 chức năng: vừa là bể Aerotank (sục khí) và bể lắng. Nước thải được đưa vào từng ngăn. Nước sau xử lý theo máng tràn ra ngoài; bùn sinh học dư cũng được đưa ra khỏi hệ từ hai ngăn ngoài. Hoạt động của bể gồm 2 pha chính và 2 pha trung gian. Pha chính thứ nhất: Nước thải được nạp vào ngăn A. lúc này ngăn A đang sục khí. nước thải vào sẽ được hòa trộn với bùn hoạt tính. Các hợp chất hữu cơ được hấp thụ và phân hủy một phần, quá trình này gọi là sự tích lũy. Từ ngăn A, hỗn hợp bùn lỏng (nước + bùn) chảy qua ngăn B và tiếp tục được sục khí. bùn sẽ phân hủy nốt các chất hữu cơ đã được hấp thụ ở ngăn A, quá trình này gọi là sự tái sinh. Cuối cùng hỗn hợp bùn lỏng tới ngăn C, ở đây không sục khí và không khuấy trộn. trong điều kiện tĩnh lặng, các hạt bùn lắng xuống do trọng lực, còn nước trong được thu ra bằng máng tràn. Bùn sinh học dư được loại bỏ tại ngăn C. để tránh sự lôi cuốn bùn từ A, b và tích lũy ở C, hướng dòng chảy sẽ được thay đổi sau 120 – 180 phút (sự chuyển pha). Pha trung gian thứ nhất: Mỗi pha chính được tiếp nối bằng một pha trung gian. Chức năng của pha này là chuyển đổi ngăn sục khí thành ngăn lắng. nước thải được nạp vào ngăn B và cả 2 ngăn A, C đều đang trong quá trình lắng. trong thời gian này, pha chính tiếp theo (với hướng dòng chảy ngược lại) được chuẩn bị, đảm bảo cho sự phân tách tốt, dòng ra sạch. Pha chính thứ hai: Pha này tương tự như pha chính thứ nhất nhưng với dòng chảy ngược lại. nước thải được nạp vào ngăn C, chảy qua B tới A. Ngăn A bây giờ đóng vai trò là ngăn lắng (không sục khí, không khuấy trộn). Pha trung gian thứ hai: Pha này đối nghịch với pha trung gian thứ nhất. ngăn sục khí C bây giờ sẽ chuyển thành ngăn lắng trong khi ngăn A đang ở phần cuối của quá trình lắng và ngăn B sục khí. pha này chuẩn bị cho hệ thống bước vào pha chính thứ nhất và bắt đầu chu trình mới. Hình 4.20: Sơ đồ hoạt động của Unitank 4.6.2 Lọc sinh học Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước cũng như không khí. Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi màng vi sinh vật. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tuỳ tiện. Ở ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ thấy là trực khuẩn Bacillus ở giữa là các vi khuẩn tuỳ tiện như Alkaligenes, Pseudomonas, Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử S và nitrat như Desulfovibrio. Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxi hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy, chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học tăng lên. Màng vi sinh chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học. Vật liệu đệm là vật liệu có độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và bề mặt riêng phần lớn như sỏi, đá, ống nhựa, sợi nhựa, xơ dừa.... Màng sinh học đóng vai trò tương tự như bùn hoạt tính. Nó hấp thụ và phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Cường độ oxi hóa trong thiết bị lọc sinh học thấp hơn trong aerotank. Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt vật rắn nhờ polimer ngoại bào, tạo thành một lớp màng nhầy. Việc phân hủy chất hữu cơ diễn ra ngay trên bề mặt và ở trong lớp màng nhầy này. Quá trình diễn ra rất phức tạp. Ban đầu, oxy và thức ăn được vận chuyển tới bề mặt lớp màng. Khi này, bề dày lớp màng còn tương đối nhỏ, oxy có khả năng xuyên thấu vào trong tế bào. Theo thời gian, bề dày lớp màng này tăng lên, dẫn tới việc bên trong màng hình thành một lớp kỵ khí nằm dưới lớp hiếu khí. Khi chất hữu cơ không còn, các tế bào bị phân hủy, tróc thành từng mảng, cuốn theo dòng nước. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí trong thiết bị lọc sinh học là: bản chất của chất hữu cơ ô nhiễm, vận tốc oxi hóa, cường độ thông khí, tiết diện màng sinh học, thành phần vi sinh, diện tích và chiều cao thiết bị, đặc tính vật liệu đệm (kích thước, độ xốp và bề mặt riêng phân), tính chất vật li của nước thải, nhiệt độ của quá trình, tải trọng thủy lực, cường độ tuần hoàn, sự phân phối nước thải... [8], [10] - Ưu điểm: Hình 4.21: Cấu tạo màng sinh học + Khởi động nhanh : 2 tuần + Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm + Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm. + Sự đa dạng về thiết bị xử lí + Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp. - Nhược điểm + Không có khả năng điều khiển sinh khối + Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán: vật liệu làm giá thể phải có diện tích bề mặt riêng lớn. Thêm vào đó vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn. Hình 4.22: Lọc sinh học 4.6.2.1 RBC (Roltating Biological Contactor - Đĩa quay sinh học): Được áp dụng đầu tiên ở Cộng hoà liên bang Đức năm 1960 sau đó ở Mỹ và Canaña để khử BOD và Nitrat rất hiệu quả. RBC được sử dụng nhiều để xử lý nước thải chế biến thủy sản. RBC gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng làm bằng polystyren (PS) hoặc polyvinylclorua (PVC) lắp trên một trục bằng thép có đường kính tới 3,5m. Các đĩa được đặt ngập một phần trong nước thải (40%) và quay từ từ với tốc độ 1 – 3 vòng/phút. Trong quá trình vận hành, các vi sinh vật sẽ sinh trưởng gắn kết trên bề mặt đĩa và hình thành lớp màng mỏng nhầy trên bề mặt ướt của đĩa (1 – 4mm). Khi đĩa quay, lần lượt làm cho lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và với không khí để hấp thụ oxy. Đĩa quay cũng là cơ chế để tách các chất rắn thừa ra khỏi bề mặt các đĩa nhờ lực ly tâm. [8] 4.6.2.2 Lọc nhỏ giọt: Hình 4.23: Đĩa quay sinh học Bể lọc sinh học nhỏ giọt rất đa dạng, gồm các loại: lọc sinh học nhỏ giọt quay; biophin nhỏ giọt gồm các nửa ống hình trụ được bố trí ngang thành hàng song song với nhau và có bề mặt lõm quay lên; bể lọc sinh học thô; xử lý nước thải triệt để, thường có hình trụ hoặc chữ nhật. [2]; [8] Thiết bị lọc nhỏ giọt thường bao gồm 5 thành phần chính: môi trường lọc đệm, bể chứa, hệ thống cung cấp nước thải, cống thoát ngầm, và hệ thống thông gió. - Môi trường lọc đệm thường cung cấp cho bề mặt của hệ thống các vi sinh vật tăng trưởng, tồn tại trong các loại vật chất như đá, gỗ, chất dẻo tổng hợp với nhiều loại và hình dạng khác nhau, nhưng thường dùng nhất là đá có đường kính 25 – 100mm. - Bể chứa dùng để chứa môi trường đệm và nước thải cần xử lý, đồng thời kiểm soát ảnh hưởng của gió. Bể chứa thường xây bằng bêtông hoặc vật liệu làm bằng sợi thủy tinh, thép có sơn ngoài, … - Hệ thống cung cấp nước thải cung cấp nước thải cho môi trường đệm. Việc cung cấp đều đặn là cần thiết để duy trì tình trạng ẩm ướt cho toàn bộ phần đệm. - Cống thoát ngầm có 2 chức năng. + Thứ nhất là để tập trung dòng chảy thoát ra để chuyển đi xử lý tiếp ở nơi khác hay thải bỏ ra môi trường. + Thứ hai là tạo ra một khoảng trống để không khí bên ngoài có thể lưu thông vào tầng đệm, do đó cung cấp lượng oxy cần thiết cho sự chuyển hóa hiếu khí. - Hệ thống thông gió cung cấp không khí cho hệ thống lọc bằng các thiết kế thồi gió tự nhiên hay được cung cấp một cách thụ động. Hình 4.24: Thiết bị lọc sinh học nhỏ giọt quay Bể lọc sinh học nhỏ giọt dùng để xử lý nước thải triệt để, thường có hình trụ hoặc chữ nhật. Đặc điểm riêng của bể là kích thước hạt vật liệu lọc nhỏ hơn 25 - 30mm, tải trọng thủy lực 0,5 - 1 m3/m3 vật liệu lọc.ngày. Hiệu suất xử lý rất cao, có thể lên đến 90% (theo BOD). Công suất oxy hoá, là lượng oxy tính theo BOD trong ngày trên 1 m3 vật liệu lọc, được xác định dựa trên nhiệt độ nước thải, mức độ nhiễm bẩn, vật liệu lọc và phương pháp thông khí. [2]; [8] Hình 4.25: Bể biophin thông khí Hình 4.21 trình bày thiết bị thông khí - lọc sinh học. Thiết bị này có các nửa ống trụ đường kính 80mm được bố trí nằm ngang xen kẽ nhau. Nước thải đi vào từ trên, đổ đầy các ống nửa trụ và chảy tràn xuống dưới. Ở mặt ngoài của ống hình thành các màng sinh học, còn bên trong ống là khối sinh vật giống như bùn hoạt tính. Nước được bão hòa oxy khi chảy từ trên xuống. Thiết bị này có năng suất và hiệu quả xử lý cao. [11] 4.6.2.3 Lọc sinh học ngập nước (đệm cố định, đệm giãn nở) Được sử dụng ở Pháp, Mỹ, Úc trong những năm 90 của thế kỷ XX dùng để xử lý nước thải sinh hoạt và công nghệ thực phẩm. Bể lọc hoạt động theo chu kỳ: nước thải và không khí cùng chiều hay ngược chiều, đi từ dưới lên hay từ trên xuống tiếp xúc với vật liệu lọc. - Nước sau khi qua bể lắng đợt 1 được bơm lên máng phân phối, theo ống dẫn phân bố đều trên diện tích đáy bể. Nước được trộn đều với không khí cấp từ ngoài vào qua dàn phân phối. Hỗn hợp khí- nước thải đi cùng chiều từ dưới lên, qua lớp vật liệu lọc. Tại đây xảy ra quá trình khử BOD và chuyển hoá NH4+ thành NO3 . Lớp vật liệu lọc cũng có khả năng khử cặn lơ lửng trong nước thải. Khi bể lọc đạt đến tổn thất áp lực yêu cầu, ta tiến hành rửa bể lọc. Đóng van cấp nước và khí, đóng, mở van xả rửa liên tục nhiều lần. Có 2 cách tiến hành xả rửa: cùng chiều và đi từ dưới lên; ngược chiều: nước thải đi từ trên xuống, gió đi từ dưới lên sẽ gây tổn thất thủy lực qua lớp lọc cao, hiệu quả xử lý thấp. Quy trình cùng chiều cho hiệu quả cao và tổn thất áp lực nhỏ. [2] CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH XỬ LÝ stt Đại lượng cần tính Biểu thức Giải thích đại lượng 1 Tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s) X: nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 = mg/l) S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế Ks: hằng số bán tốc độ, (g/m3; mg/l) Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) 2 Tyû soá F/M:Tyû lệ thöùc aên trên số lượng vi khuẩn ngaøy-1 F/M= S0: noàng ñoä COD ñaàu vaøo (mg/l) q: thôøi gian löu nöôùc trong beå phản ứng hiếu khí ( ngaøy) X: noàng ñoä chaát raén lô löûng bay hôi trong beå phản ứng hiếu khí ( mg/l) 3 Thôøi gian löu nöôùc: q (ngaøy) q= V: theå tích beå phản ứng hiếu khí (m3) Q: löu löôïng nöôùc thaûi (m3/ ngaøy) 4 Thôøi gian löu buøn: qb(ngaøy) qb = MLSS: haøm löôïng chaát raén lô löûng trong beå phản ứng hiếu khí (mg/l) V: theå tích beå phản ứng hiếu khí ( m3) SSe: haøm löôïng chaát raén lô löûng trong nöôùc thaûi ñaàu ra (mg/l) Qe: löu löôïng nöôùc thaûi ra (m3/ngaøy) SSw: haøm löôïng chaát raén lô löûng trong buøn thaûi (mg/l) Qw: löu löôïng buøn thaûi (m3/ngaøy) 5 Chæ soá theå tích buøn SVI (mg/l) SVI = x 1000 V30’: thể tích bùn lắng sau 30 phút. 6 Hiệu quả xử lý: E - Xử lý theo COD: - Xử lý theo BOD: - Hiệu quả xử lý toàn bộ: c: lượng cặn theo COD S: lượng BOD5 hoà tan ra khỏi bể lắng BOD5ra = BOD5hoà tan + BOD5 lơ lửng 7 Thể tích bể:V( m3) θc: thời gian lưu bùn (ngày) S0: chất nền trong nước thải (mg/l) S: nồng độ chất nền còn lại sau khi ra khỏi bể (mg/l) 8 Tốc độ tăng trưởng của bùn :Yb(ngày-1) Yb = 9 Lượng bùn hoạt tính sinh ra trong ngày: Px (kg/ngày) Px = Yb.Q.(S0 - S) 10 Tổng lượng cặn lưu lượng sinh ra:Px1 Px1= z: độ tro của cặn 11 Lượng cặn dư hằng ngày xả ra:Pxả Pxả = Px1 – Pra Pra = Q.SSra.10-3 12 Lưu lượng xả bùn: Qxả Qxả = Qr = Qv Xt = (1 – z).Xbùn Xr = (1 – z).c (ml/ngày) 13 Thời gian tích luỹ cặn khi không xả cặn ban đầu:T (ngày) T = 14 Khi hệ thống ổn định, lượng bùn hữu cơ xả ra hằng ngày: B (kg/ngày) B = Qxả. Xb 15 Lưu lượng bùn tuần hoàn: QT 16 Lượng oxy cần thiết: OCo(kg/ngày) OCo=- 1,42.Px + N0: tổng nitơ ban đầu (sau khi bổ sung dinh dưỡng) N: tổng nitơ ra (5-6mg/l) 17 Lượng oxy thực tế: OCt (kg/ngày) OCt= OCo + Cs:oxy bão hoà trong nước (9.08mg/l) C:lượng oxy cần duy trì trong bể (2 – 3 mg/l) α: 0.6 – 0.94 18 Lượng không khí cần thiết: Ok OU: công suất hoà tan thiết bị f = 1.5 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI VẬN HÀNH HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.8.1 Những vấn đề trong phân tích bùn hoạt tính 4.8.1.1 Söï coá Bông buøn : Trong moät heä thoáng buøn hoaït tính hoaït ñoäng toát, vi khuaån khoâng dính keát vôùi boâng buøn thöôøng bò tieâu dieät bôûi caùc protozoa. Söï hieän dieän cuûa chuùng döôùi daïng caùc teá baøo rieâng reõ khieán cho nöôùc thaûi bò ñuïc. Vieäc phaùt trieån nhieàu vi khuaån phaân taùn coù nghóa laø quaù trình taïo boâng thaát baïi. Hieän töôïng naøy xaûy ra do taûi löôïng BOD cao vaø do giôùi haïn oxy. Bông buøn khoâng coù sôïi: Hieän töôïng naøy ñoâi khi ñöôïc goïi laø bông buøn zooglea vaø xaûy ra do vieäc saûn sinh quaù möùc nhöõng exopoly saccharides bôûi vi khuaån ( ví duï zooglea ) thöôøng ñöôïc tìm thaáy trong buøn hoaït tính. Noù khieán cho tính neùn vaø tính laéng giaûm. Loaïi bông buøn naøy ít gaëp vaø ñöôïc ñieàu chænh baèng chlor hoaù. Bông buøn coù sôïi: Nguyeân nhaân bông buøn laø do tính laéng keùm vaø tính neùn keùm cuûa chaát raén trong beå laøm trong cuûa heä thoáng buøn hoaït tính. Hieän töôïng bung buøn coù sôïi thöôøng do nhieàu vi sinh vật daïng sôïi gaây ra vaø laø hieän töôïng khaù phoå bieán. Boâng buøn ñieåm (pinpoint flocs) : Boâng buøn ñieåm xuaát hieän do vieäc phaù huyû nhöõng boâng buøn thaønh nhöõng maûnh raát nhoû ñi vaøo nöôùc thaûi ra buøn hoaït tính. Moät soá nhaø quan saùt tin raèng nhöõng vi khuaån sôïi taïo ra xöông soáng cuûa boâng buøn hoaït tính khi xuaát hieän vôùi soá löôïng thaáp seõ khieán cho boâng buøn maát caáu truùc, gaây neân keùm laéng vaø cho ra nöôùc ñuïc. Leân buøn ( Rising sludge) : Thænh thoaûng buøn coù khaû naêng laéng toát cuõng coù xuaát hieän hieän töôïng noåi leân maët nöôùc sau moät khoaûng thôøi gian laéng töông ñoái ngaén. Nguyeân nhaân thoâng thöôøng laø do quaù trình khöû nitrat hoùa (nitrir vaø nitrat trong nöôùc thaûi chuyeån thaønh khí nitô). Caùc khí nitô seõ bò giöõ laïi trong lôùp buøn cho ñeán moät luùc naøo ñoù seõ, ñuû nhieàu seõ loâi cuoán buøn noåi leân maët nöôùc. Ta coù theå phaân bieät hieän töôïng buøn noåi vôùi hieän töôïng buøn keát cuïm baèng caùch ñoái vôùi hieän töôïng buøn noåi khi caùc boâng buøn noåi leân coù keøm theo caùc boït khí nhoû li ti phía treân beà maët beå laéng 2 Hieän töôïng taïo boït vaø vaùng (foaming/scum formation) : Hieän töôïng naøy do 2 loaøi vi khuaån gaây ra laø Nocardia vaø Microthrix parvicella, hai loaiï vi khuaån naøy coù beà maët teá baøo khoâng öa nöôùc vaø coù hình thaønh nhöõng boït bong boùng treân beà maët teá baøo, chính nhöõng boït bong boùng naøy gaây neân hieän töôïng taïo boït . Ñaây laø 2 vi khuaån coù daïng hình sôïi vaø coù theå ñöôïc phaùt hieän qua kính hieån vi. Boït ñöôïc taïo ra raát daøy ( ñoä daøy coù theå ñaït töø 0,5 ñeán 1m) vaø coù maøu naâu. Hieän töôïng buøn tröông : Khi tải lượng hữu cơ (BOD) trong bể tăng, bùn hoạt tính có theå bị trương. Dễ tạo thành các hạt nhỏ rời rạc và khó lắng gọi là hiện tượng trương bùn. Baûng 4.1: Toùm taét nguyeân nhaân vaø haäu quaû cuûa nhöõng söï coá trong buøn hoaït tính Sự cố Nguyeân nhaân Haäu quaû Söï phaùt trieån phaân taùn Vi sinh vaät khoâng taïo thaønh boâng nhöng khueách taùn, taïo thaønh nhöõng cuïm nhoû hoaëc teá baøo ñôn leû Nöôùc ra ñuïc, khoâng coù vuøng laéng trong buøn Nhaøy: bông buøn coù nhôùt ( bông buøn khoâng sôïi ) Vi sinh vaät hieän dieän vôùi soá löôïng lôùn trong lôùp maøng ngoaïi baøo Giaûm tính laéng vaø toác ñoä neùn. Treân thöïc teá khoâng coù vieäc phaân taùch trong nhöõng tröôøng hôïp nghieâm troïng, taïo neân chaûy traøn cuûa lôùp buøn trong beå laéng ñôït 2 Boâng buøn ñieåm Nhöõng boâng buøn nhoû, chaéc, yeáu, coù caáu hình ñöôïc taïo thaønh laéng nhanh. Nhuõng khoái tuï nhoû hôn laéng chaäm Chæ soá theå tích buøn SVI thaáp vaø nöôùc thaûi ra ñuïc Bông buøn Nhöõng vi sinh vaät baønh tröôùng khoûi boâng buøn vaø caûn trôû vieäc neùn vaø laéng cuûa buøn Chæ soá theå tích SVI cao, nöôùc thaûi ra trong Leân buøn Vieäc khöû nitrat trong beå laéng ñôït 2 taïo ra nhöõng boùng khí Nitô, baùm dính vôùi nhöõng boâng buøn hoaït tính vaø noåi leân treân beà maët beå laéng 2 Lôùp vaùng cuûa buøn hoaït tính ñöôïc taïo thaønh treân maët cuûa beå laéng ñôït 2 Söï taïo thaønh boït vaø vaùng Nhöng chaát hoaït dieän beà maët khoâng bò thoaùi bieán vaø söï hieän dieän cuûa nhöõng loaøi Nocardia, ñoâi khi bôûi söï hieän dieän cuûa Microthrixparvicella. Löôïng lôùn buøn noåi cuûa chaát raén trong buøn hoaït tính tôùi beà maët cuûa ñôn vò xöû lí. Boït ñöôïc tích luyõ vaø coù theå bò thoái. Chaát raén coù theå chaûy traøn vaøo beå laéng ñôït 2 . 4.8.1.2 Cách khắc phục: Hieän töôïng bông buøn Xöû lyù baèng chaát oxy hoaù maïnh : duøng chlorine hoaëc H2O2 ñeå xöû lyù vi khuaån coù choïn loïc sôïi trong buøn tuaàn hoaøn. Xöû lyù baèng chaát keo tuï : caùc polymer höõu cô toång hôïp, voâi vaø caùc muoái saét coù theå theâm vaøo hoãn dòch ñeå laøm taêng tính laéng cuûa buøn. Ñieàu chænh löôïng buøn tuaàn hoaøn: gia taêng vieäc thaûi buøn. Hieän töôïng leân buøn Taêng tyû leä buøn tuaàn hoaøn töû beå laéng veà beå Aerotank ñeå giaûm thôøi gian löu buøn trong beå laéng. Taêng nhanh toác ñoä ruùt buøn dö ôû beå laéng Giaûm thôøi gian löu buøn ñeå traùnh quaù trình nitrat hoùa Hieän töôïng boït vaø vaùng Coù theå khaéc phuïc hieän töôïng boït vaø vaùng baèng caùch : duøng chlorine phun leân treân beà maët hay söû duïng caùc cation polymer ñeå kieåm soaùt Hieän töôïng buøn tröông Tăng cường sục khí. Xả bùn dư. Tạm thời giảm tải trọng thủy lực của beå. Pha loãng nước thải bắng nước sông, hồ. Tháo kiệt, cọ sạch và xả đợt nước thải mới vào bể. 4.8.2 Những vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Nguyeân nhaân: Coâng trình bò quaù taûi. Löôïng nöôùc thaûi ñoät xuaát chaûy vaøo quaù lôùn. Nguoàn cung caáp ñieän bò ngaét. Tôùi kì haïn nhöng khoâng kòp söûa chöõa, ñaïi tu. Caùn boä, coâng nhaân quaûn lí khoâng tuaân theo nguyeân taéc quaûn lí kó thuaät an toaøn. Caùch khaéc phuïc: Nöôùc thaûi saûn xuaát coù löu löôïng vaø noàng ñoä dao ñoäng lôùn trong ngaøy vaø ñeâm, thì chæ ñöôïc pheùp xaû vaøo maïng löôùi thoaùt nöôùc ñoâ thò sau khi ñaõ qua xöû lí cuïc boä trong xí nghieäp coâng nghieäp. Ñieàu chænh cheá ñoä bôm cho phuø hôïp vôùi coâng suaát cuûa beå xöû lí. Tieán haønh taåy röûa keânh möông ñeàu ñaën. Caàn duøng 2 nguoàn ñieän ñoäc laäp ñeå traùnh bò taét ñieän ñoät ngoät. Caàn naâng cao trình ñoä quaûn lí kó thuaät cho caùc caùn boä trong quaù trình ñieàu haønh caùc coâng trình xöû lí. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Các vấn đề mà đề tài đã làm được trong thời gian thực hiện đề tài trong 7 tuần là: Bước đầu thu thâp và tìm tài liệu liên quan đến lĩnh vực xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí qua internet, sách vở, và tài liệu được học ở trường. Cùng với sự hướng dẩn của thầy Hoàng Hưng đả tạo điều kiện cho em tập hợp, biên hội, sắp xếp và cấu trúc lại các tài liệu có liên quan nằm phân tán, rải rác thành một hệ thống hoàn chỉnh về các vấn đề lý thuyết cơ sở có liên quan đến quá trình phân huỷ các chất trong nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí. Do đó, giúp các kỹ sư thiết kế cũng như công nhân vận hành hệ thống xử lý nước thải có thể nắm bắt một cách tổng thể về vai trò của các loại vi sinh vật hiếu khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học giúp phục vụ công tác thiết kế các công trình xử lý nước thải cũng như vận hành hệ thống có hiệu quả hơn. Trình bày rõ về các cơ chế, các giai đoạn, các bước phân huỷ của quá trình hoá sinh học trong quá trình phân giải các chất hữu cơ của các vi sinh vật hiếu khí, cũng như thành phần các vi sinh vật tương ứng trong các công trình xử lý sinh học. Nêu ra một số các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí giúp việc vận hành hệ thống xử lý nước thải không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bất lợi gây ra. Làm rõ được một số các vấn đề thường gặp khi vận hành hệ thống xử lý nước thải, đồng thời cũng đã nêu ra được cách khắc phục các vấn đề đó. 5.2 KIẾN NGHỊ Trong các tài liệu nghiên cứu xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học sử dụng vi sinh vật hiếu khí chủ yếu là nghiên cứu các phương pháp xử lý các chất hữu cơ đơn giản như các hydratcacbon, protein, lipid. Tuy nhiên, trong các nhà máy xử lý nước thải hiện nay, thành phần nước thải rất đa dạng và chứa những chất phức tạp, khó phân huỷ. Vì vậy cần tiếp tục thu thập và tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu sâu hơn về hướng xử lý sinh học các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp hơn (ví dụ như các hợp chất chứa vòng thơm), đặc biệt là một số hợp chất có nguồn gốc nhân tạo khó phân huỷ.