Tài liệu Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI I.1. Lý do hình thành đề tài: Lên men sinh metan là hình thức biến đổi sinh khối thành năng lượng đã được biết từ lâu. Về bản chất đó là quá trình lên men kỵ khí các dạng nguyên liệu rất khác nhau: phế thải nông nghiệp, phế thải các nhà máy thực phẩm, nhà máy đường, nước thải sinh hoạt của các thành phố cụm dân cư thành năng lượng tái sinh là CH4 và CO2. Quá trình lên men tạo CH4 được thực hiện bởi quần thể của nhiều loài vi sinh vật khác nhau ở điều kiện kỵ khí. Theo tính toán nếu tận dụng hết các nguồn phế thải trên trái đất thì hang năm chúng ta có thể tạo được khoảng 200 tỉ m3 khối khí sinh học, tương đương khoảng 150 - 200 triệu tấn nhiên liệu và khoảng 20 triệu tấn bã là nguồn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Việt Nam là nước có mật độ dân số cao. Dân số chủ yếu là sản xuất nông nghiệp. Trong những năm gần đây công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa được xem là chìa khóa để phát triển đất nước. Do đó, hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất và các cơ sở sản xuất đã và đang được hình thành. Từ đó các vấn đề ô nhiểm môi trường cũng phát sinh và ngày càng nóng bỏng. Trong quá trình sản xuất nông nghiệp ngoài những sản phẩm thu được còn tạo ra một lượng chất thải cũng như nước thải khá lớn. Phần lớn lượng nước thải này chưa được xử lý. Đặc biệt là nước thải chăn nuôi có chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao, có thể xử lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí để thu hồi khí sinh học tạo năng lượng là biogas và phân hữu cơ để bón cho cây trồng. Ngược lại nếu nước thải loại này không được xử lý triệt để sẽ dể dàng gây ra mùi hôi thối, khó chịu, ô nhiễm môi trường xung quanh. Mặt khác sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa cũng phát sinh ra nhiều loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ rất cao, như nước thải từ các nhà máy sản suất chế biến thực phẩm. Các loại nước thải này không thể xử lý đạt hiệu quả bằng các phương pháp sinh học hiếu khí, hay các phương pháp cơ học, hóa học và hóa lý do đặc trưng ô nhiểm chất hữu cơ nồng độ cao của chúng. Để giải quyết những khó khăn trên thì phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí là một lựa chọn khá phù hợp, xét trên cả chi phí đầu tư và chi phí vận hành. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này đã và đang áp dụng tại một số hệ thống xử lý nước thải và chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao, nhưng tài liệu lý thuyết của phương pháp vẫn còn rất hạn chế, chưa được nghiên cứu nhiều, tài liệu còn rời rạc chưa sắp xếp lại thành hệ thống có tính logic chặt chẽ. Do đó, đề tài “bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí” được hình thành với mong muốn bổ sung và hoàn chỉnh hơn cơ sở lý thuyết có liên quan về quá trình phân hủy kỵ khí nước thải sinh hoạt và công nghiệp. I.2. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu: I.2.1. Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng bổ sung, biên hội, sắp xếp, lựa chọn tài liệu làm cơ sở lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí. I.2.2. Nội dung nghiên cứu:  Tổng quan về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải.  Tổng quan quá trình sinh học trong xử lý nước thải.  Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí: hóa sinh học của quá trình, vi sinh vật học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình,… I.2.3. Phương pháp nghiên cứu:  Do đề tài chỉ hình thành trên cở sở lý thuyết mà không tiến hành thí nghiệm hay tiến hành làm thực nghiệm nên phương pháp nghiên cứu ở đây chủ yếu là phương phương pháp hồi cứu:  Trong quá trình thực hiện đề tài, tiến hành thu thập, sưu tầm các thông tin, tài liệu, số liệu, có liên quan đến nội dung nghiên cứu từ các tạp chí, sách báo, giáo trình, internet,…từ đó các kiến thức sẽ được lựa chọn và tổng hợp lại làm cơ sở cho quá trình thực hiện đề tài. I.2.4. Giới hạn của đề tài: Thời gian nghiên cứu: 12 tuần. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI II.1. Tổng quan về nước thải: II.1.1. Khái niệm: Nước thải là nước đã qua sử dụng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc nước chảy tràn qua các vùng ô nhiễm. tùy vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải là nước mưa chảy tràn. Như vậy nước bị ô nhiễm các có nguồn gốc từ tự nhiên và do con người gây ra:  Nguồn gốc tự nhiên: do mưa, lũ lụt, gió bão,…các tác nhân trên đưa vào nguồn nước các chất thải bẫn, các vi sinh vật có hại, kể cả xác chết của chúng.  Nguồn gốc con người: là các chất thải độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng do các hoạt động của con người gây ra như: nước thải sau khi đã dùng trong sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, bệnh viện,… II.1.2. Phân loại nước thải: II.1.2.1. Nước thải sinh hoạt: Là nước thải sau khi được con người sử dụng vào các mục đích như tắm, giặt, nhà vệ sinh, nước rửa, hồ bơi…Chúng chứa khoảng 52% chất hữu cơ và 48% chất khoáng. Ngoài ra, trong nước thải sinh hoạt còn chứa nhiều loài sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng. Phần lớn các virut, vi khuẩn gây bệnh tả, vi khuẩn gây bệnh lỵ, vi khuẩn gây bệnh thương hàn. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng chất hữu cơ cao và không bền sinh học. Nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hộ dân cư, có lưu lượng nhỏ nhưng bố trí trên địa bàn rộng lớn, khó thu gom triệt để được xếp vào nguồn phát tán. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydratcacbon (40 – 50%); và các chất béo (5 – 10%). Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường trầm trọng. Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và các thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước cấp. Nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt quá cả yêu cầu cho xử lý sinh học. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các hợp chất hữu cơ đều có thể phân hủy sinh học và khoảng 20 – 40% BOD thoát ra khỏi quá trình xử lý sinh học cùng với bùn lắng. Bảng 2.1: Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng Tải lượng ô nhiễm (g/người.ngày) (kg/ngày) Chất rắn lơ lửng 70 – 145 89 – 184,5 Amoni (N-NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 – 54 57,2 – 68,7 Nitơ tổng 6 – 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 – 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO – 1992. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Bảng 2.2: Thành phần trung bình của nước thải sinh hoạt. Mức độ ô nhiễm STT Các chất có trong nước thải (mg/l) Nặng Trung bình Nhẹ 1 Tổng chất rắn 1.000 500 200 2 Chất rắn hòa tan 700 350 120 3 Chất rắn không hòa tan 300 150 8 4 Tổng chất rắn lơ lửng 600 350 120 5 Chất rắn lắng 12 8 4 6 Oxy hòa tan 0 0 0 7 Ni tơ tổng 85 50 25 8 Ni tơ hữu cơ 35 20 10 9 N-NH3 50 30 15 10 N-NO2 0,1 0,05 0 11 N-NO3 0,4 0,2 0,1 12 Clorua 175 100 15 13 Độ kiềm (mg CaCO3) 200 100 50 14 Chất béo 40 20 0 15 Tổng photpho - 8 - Nguồn: Nguyễn Văn Phước - xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh hoc - 2007. II.1.2.2. Nước thải công nghiệp: Là nước thải sau quá trình sản xuất, phụ thuộc vào loại hình công nghiệp xuất hiện khi khai thác và chế biến các nguyên liệu hữu cơ và vô cơ. Nước thải công nghiệp thường có lưu lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm cao và có mức độ rất khác nhau tùy thuộc vào từng loại hình công nghiệp và công nghệ lựa chọn. Nhìn chung, nước thải của các nhà máy thực phẩm chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng thích hợp cho xử lý sinh học. Còn nước thải của các nhà máy hóa chất lại chứa rất nhiều các chất không thích hợp cho phương pháp sinh học. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Bảng 2.3: Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải một số ngành công nghiệp. Ngành công nghiệp Nhà máy luyện thép Xi mạ Nhựa dẻo Hồ thải từ công đoạn dán gỗ Phân bón Các chất ô nhiễm NH3-N 200 N hữu cơ 100 Phenol 2.000 Cr+6 3 – 550 COD 23.000 TOD 8.800 COD 2.000 Phenol Bột giấy và giấy Thuộc da 200 – 2.000 P-PO4 9 – 15 BOD5 4.500 Chất rắn lơ lửng Giết mổ gia xúc Nồng độ (mg/l) BOD5 10.000 400 – 2.500 Chất rắn lơ lửng 400 – 1.000 BOD5 100 – 350 Chất rắn lơ lửng 75 – 300 BOD5 700 – 7.000 Chất rắn lơ lửng 4.000 – 20.000 Nguồn: Nguyễn Văn Phước - xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học - 2007. II.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải: Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và những hợp chất tan trong nước. Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng. Để đạt được những mục đích đó chúng ta thường dựa vào đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Thông thường có các phương pháp xử lý nước thải sau:  Xử lý bằng phương pháp cơ học.  Xử lý bằng phương pháp hóa lý và hóa học.  Xử lý bằng phương pháp sinh học.  Xử lý bằng phương pháp tổng hợp. II.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học: Trong nước thải thường có các loại tạp chất cỡ khác nhau cuốn theo, như rơm cỏ, gỗ mẩu, bao bì chất dẻo, giấy, giẻ, dầu mỡ nổi, cát sổi, các vụn gạch ngói,…Ngoài ra còn có các loại hạt lơ lửng ở dạng huyền phù rất khó lắng. Tùy theo kích cỡ, các hạt huyền phù được chia thành hạt chất rắn lơ lửng có thể lắng được, hạt chất rắn keo được khử bằng đông tụ. Các loại tạp chất trên dùng các phương pháp xử lý cơ học là thích hợp nhất (trừ hạt dạng chất rắn keo). Phương pháp này dùng để tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Sau đây là một số công trình xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học phổ biến. II.2.1.1. Song chắn rác: Có chức năng giữ lại những rác thô, như giẻ, giấy, rác,vỏ hợp, mẩu đất đá, gỗ,… nhằm đảm bảo cho máy bơm, các công trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định. Tùy vào kích thước mà ta phân loại song chắn rác thô, trung bình, hay song chắn rác tinh. Song chắn rác làm bằng sắt tròn hoặc vuông (sắt tròn có đường kính từ 8 – 10mm), hai thanh cách nhau một khoảng bằng 60 – 100mm để chắn vật liệu thô và 10 – 20mm để chắn vật liệu nhỏ hơn, đặt nghiêng theo dòng chảy một góc 60 – 75o. Vận tốc dòng chảy thường lấy từ 0,8 – 1m/s để tránh lắng cát. II.2.1.2. Lưới lọc: Sau chắn rác, để có thể loại bỏ các tạp chất có kích thước nhỏ hơn, mịn hơn ta có thể đặt thêm lưới lọc. Các vật thải được giữ lại trên mặt lọc, phải cào lấy ra khỏi làm tắt dòng chảy. Người ta còn thiết kế lưới lọc hình tang trống cho nước chảy từ ngoài vào hay từ trong ra. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Trước chắn rác còn có khi lắp thêm máy nghiền để nghiền nhỏ các tạp chất. II.2.1.3. Thiết bị nghiền rác: Dùng để cắt và nghiền rác thành các hạt, mảnh nhỏ hơn để trành làm tắc ống không gây hại cho bơm. Tuy nhiên trong thực tế việc dùng máy nghiền rác thay cho xong chắn rác gặp nhiều khó khăn cho các công trình xử lý tiếp theo do lượng cặn tăng lên gây tắc nghẽn hệ thống phân phối khí và các thiết bị làm thoáng khí trong các bể ( đĩa, lỗ phân phối khí và các tuabin…). II.2.1.4. Bể lắng cát: Dựa vào nguyên lý trọng lực, dòng nước thải được cho chảy qua bể lắng. Bể lắng là các loại bể, hố, giếng,…cho nước thải chảy vào theo nhiều cách khác nhau : theo tiếp tuyến, theo dòng chảy ngang, theo dòng từ trên xuống và tỏa ra chung quanh,…Nước qua bể lắng dưới tác dụng của trọng lực cát nặng sẽ lắng xuống đáy và kéo theo một phần chất đông tụ. Cát lắng ở đáy bể thường ít chất hữu cơ. Sau khi lấy ra khỏi bể lắng cát, sỏi được loại bỏ. II.2.1.5. Tách dầu mỡ: Nước thải của một số xí nghiệp ăn uống, chế biến bơ sữa, các lò mổ, xí nghiệp ép dầu,…thường có lẫn dầu mỡ. Các chất này thường nhẹ hơn nước và nổi lên trên mặt nước. Nước thải sau khi xử lý không có lẫn dầu mỡ mới được phép cho chảy vào các thủy vực. Hơn nữa, nước thải có lẫn dầu mỡ khi vào xử lý sinh học sẽ làm bít các lỗ hổng ở vật liệu lọc, ở pin lọc sinh học và còn làm hỏng cấu trúc bùn hoạt tính trong aeroten… Ngoài cách làm các gạt đơn giản bằng các tấm sợi quét trên mặt nước, người ta chế tạo ra các thiết bị tách dầu, mỡ đặt trước dây chuyền công nghệ xử lý nước thải. II.2.1.6. Lọc cơ học: Lọc được dùng trong xử lý nước thải để tách các tạp chất phân tán nhỏ khỏi nước mà bể lắng không lắng được. Trong các loại phin lọc thường có loại phin lọc dùng vật liệu lọc dạng tấm và loại hạt. Vật liệu lọc dạng tấm có thể làm bằng tấm thép có đục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken, đồng thau,…và cả các loại vải khác nhau (thủy tinh, amiăng, bông, len, sợi tổng hợp. Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủ bền và dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Vật liệu lọc dạng hạt là các thạch anh, than gầy, than cốc, sỏi, đá nghiền, thậm chí cả than nâu, than bùn hay than gỗ. II.2.2. Phương pháp hóa lý: Cơ sở của phương pháp hóa lý để xử lý nước thải là dựa vào các phản ứng hóa học và các quá trình hóa lý diễn ra giữa chất bẩn trong nước thải và hóa chất thêm vào. II.2.2.1. Trung hòa: Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau. Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về vùng 6,6 – 7,6. Trung hòa bằng cách dung dung dịch axit hoặc kiềm để trung hòa dịch nước thải. II.2.2.2. Keo tụ: Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước ≥10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lằng được. Bằng phương pháp keo tụ ta có thể làm tăng kích thước các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết lại với nhau để có thể lắng được. Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt có nguồn gốc silic và các hợp chất hữu cơ mang diện tích âm, các hạt hydroxit sắt và hydroxit nhôm mang điện tích dương. Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các hạt bông keo, các hạt bông keo này có tác dụng làm tăng tốc độ lắng và giảm thời gian lắng. Các chất keo tụ thường dung là muối sắt (Fe2(SO4)3.2H2O, FeSO4.7H2O,…), muối nhôm (Al2(SO4)3.18H2O,…) hoặc hỗn hợp của chúng. II.2.2.3. Hấp phụ: Phương pháp hấp phụ được dùng để loại bỏ hết các chất bẩn hòa tan trong nước mà phương pháp sinh học và các phương pháp khác không thể loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hay các chất có màu và mùi vị khó chịu. Các chất hấp phụ thường dung là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất, như xỉ tro, xỉ mạt sắt,…Trong đó than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất. Lượng chất hấp phụ tùy SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có thể hấp phụ được 58 – 95% các chất hữu cơ và màu. II.2.2.4. Tuyển nổi: Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt nước. Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước. Thực chất đây là quá trình tách bọt hoặc làm đặc bọt. Trong một số trường hợp, quá trình này cũng được dung để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Phương pháp tuyển nổi được dung rộng rãi trong luyện kim, thu hồi khoáng sản quý và cũng được dung trong lĩnh vực xử lý nước thải. II.2.2.5. Trao đổi ion: Phương pháp này được dung làm sạch nước nói chung, trong đó có nước thải, loại ra khỏi nước các ion kim loại như: Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd,…cũng như các hợp chất chứa asen, phosphor, xianua và chất phóng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca+2 và Mg+2 ra khởi nước cứng. Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp. II.2.2.6. Phương pháp trích ly: Trích ly là phương pháp tách các chất bẩn hoà tan ra khỏi nước thải bằng dung môi nào đó nhưng với điều kiện dung môi đó không tan trong nước và độ hoà tan chất bẩn trong dung môi cao hơn trong nước. II.2.2.7. Xử lý bằng màng: Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khác nhau. Nó có thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung môi hoặc thậm chí cả một chất lỏng. Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm của các hợp chất đó qua màng. Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương tự khác ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải. II.2.2.8. Khử khuẩn: Dùng các hóa chất có tính độc đối với vi sinh vật, tảo , động vật nguyên sinh, gian, sán,… để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn hoặc tái SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI sử dụng. Khử khuẩn hay sát khuẩn có thể dùng hóa chất hoặc các tác nhân vật lý như: ozon, tia tử ngoại,… Hóa chất sử dụng để khử khuẩn phải đảm bảo có tính độc đối với vi sinh vật trong một thời gian nhất định, sau đó phải được phân hủy hoặc bay hơi, không còn dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào các mục đích sử dụng khác. Các chất khử khuẩn hay dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước javel, vôi clorua,… II.2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải và một số hợp chất vô cơ như H2S, sunfit, nitơ,…dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm, vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Có hai loại công trình trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:  Trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng lọc, hồ sinh học. Các quá trình biến đổi hiếu khí và kỵ khí đều xảy ra đan xen lẩn nhau trong các công trình tự nhiên.  Trong điều kiện nhân tạo: có thể chia thành 2 loại: + Phương pháp hiếu khí (nhân tạo): sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Gồm các công trình như: bể lọc sinh học, bể aerotank… + Phương pháp kỵ khí (nhân tạo): sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Gồm các công trình như: bể UASB, sinh học kỵ khí hai giai đoạn, lọc kỵ khí bám dính cố định,…(như đã trình bày ở trong phần IV.7) II.2.3.1. Cánh đồng lọc: Trong môi trường tự nhiên, các quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra khi đất, nước, sinh vật và không khí tác động qua lại với nhau. Lợi dụng các quá trình này, người ta thiết kế các hệ thống tự nhiên để xử lý nước thải. Các quá trình xảy ra trong tự nhiên giống như các quá trình xảy ra trong các hệ thống nhân tạo, ngoài ra còn có thêm các quá trình quang hợp, quang oxy hóa, hấp thu dưỡng chất của hệ thực vật. Trong các hệ thống tự nhiên các quá trình diễn ra ở vận tốc "tự nhiên" và xảy ra đồng thời trong cùng một hệ sinh thái, trong khi trong các hệ thống nhân tạo các quá trình diễn ra tuần tự trong các bể phản ứng riêng biệt. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính toán để đạt được một mức xử lý nào đó thông qua quá trình lý, hóa và sinh học tự nhiên của hệ đất - nước - thực vật của hệ thống. Ở các nước đang phát triển, diện tích đất còn thừa thải, giá đất còn rẻ do đó việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc được coi như là một biện pháp rẻ tiền. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt được ba mục tiêu:  Xử lý nước thải.  Tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để sản xuất.  Nạp lại nước cho các túi nước ngầm. So với các hệ thống nhân tạo thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hoàn lưu nước thải và bùn... Do ít sử dụng các thiết bị cơ khí, việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cũng có những hạn chế như cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc vào cấu trúc đất và điều kiện khí hậu. Tùy theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia cánh đồng lọc ra làm 3 loại:  Cánh đồng lọc chậm (SR).  Cánh đồng lọc nhanh (RI).  Cánh đồng chảy tràn (OF). II.2.3.2. Hồ sinh học: Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxy hóa từ không khí để oxy hóa các chất hữu cơ, rong tảo lại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân hủy, oxy hóa các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ không đ ư ợ c thấp hơn 60C. Hồ sinh học được ứng dụng trong xử lý nước thải đô thị hoặc nước thải công nghiệp. Với ưu điểm chi phí thấp, vận hành đơn giản, ở những nới có diện tích mặt bằng lớn việc áp dụng công trình này là rất thích hợp. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Hồ sinh học còn được dùng trong công đoạn tiền xử lý đối với các công trình xử lý công nghiệp, do đó khi đưa nước thải vào xử lý không cần qua giai đoạn xử lý sơ bộ. Ngoài việc xử lý nước thải còn có nhiệm vụ:  Nuôi trồng thuỷ sản.  Nguồn nước để tưới cho cây trồng.  Điều hoà dòng chảy. Có các loại hồ sinh học sau đây:  Hồ kỵ khí.  Hồ kỵ hiếu khí  Hồ hiếu khí. II.2.3.3. Bể lọc sinh học: Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp vật liệu lọc. Bể lọc hiện đại bao gồm một lớp vật liệu dễ thấm nước với vi sinh vật dính kết trên đó. Nước thải đi qua lớp vật liệu này sẽ thấm hoặc nhỏ giọt trên đó. Vật liệu lọc thường là đá dăm hoặc các khối vật liệu dẻo có hình thù khác nhau. Nếu vật liệu lọc là đá hoặc sỏi thì kích thước hạt dao động trong khoảng 25 – 100 mm, chiều sâu lớp vật liệu dao động trong khoảng 0,9 – 2,5 m, trung bình là 1,8m. Bể lọc với vật liệu đá dâm thường có dạng tròn. Nước thải được phân phối trên lớp vật liệu lọc nhờ bộ phận phân phối. Bể lọc với vật liệu lọc là chất dẻo có thể có dạng tròn, vuông hoặc nhiều dạng khác nhau với chiều cao biến đổi từ 4 – 12 m. Các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 – 0.2 mm và bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, do đó oxy đã bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày lớp màng sinh vật. Như vậy, môi trường kỵ khí được hình thành ngay sát bề mặt vật liệu lọc. Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hoá chất hữu cơ xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu liệu lọc, và bị rửa trôi. Bể lọc sinh học có các loại sau:  Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước.  Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước.  Bể lọc sinh học có lớp vật liệu là các hạt cố định. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI  Đĩa quay sinh học RBC. II.2.3.4. Bể bùn hoạt tính: Là bể chứa hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở tình trạng lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxi cho vi sinh vật oxy hoá chất hữu cơ có trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng tổng hợp các chất hữu cơ thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong bể bùn hoạt tính như: các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh. Quá trình sinh học xảy ra theo 3 giai đoạn:  Giai đoạn 1: hình thành bùn hoạt tính.  Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzyme đạt tối đa và kéo dài trong thời gian tiếp theo.  Giai đoạn 3: tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Bể bùn hoạt được phân loại theo nhiều cách: chế độ thủy động lực dòng chảy vào, chế độ làm việc của bùn hoạt tính, cấu tạo của bể bùn,… II.3. Vai trò của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn và nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó mỗi phương pháp xử lý hiệu quả đối với các chất nhiểm bẩn khác nhau. Do đó ta không thể chỉ sử dụng một phương pháp để xử lý hiệu quả cho một loại nước thải nào đó. Phương pháp cơ học có khả năng loại bỏ các tạp chất rắn không tan như bao bì, rơm cỏ, giấy, giẻ, dầu mở, cát sỏi, vụn gạch ngói,…Ngoài ra còn có các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù. Đây là một bước đệm để đảm bảo cho các công trình sau được xử lý dễ dàng hơn, tránh tắt nghẽn thiết bị. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI Phương pháp hóa lý và hóa học có thể loại bỏ được các hạt nhỏ hơn mà phương pháp cơ học không thể loại bỏ được, điều chỉnh giá trị pH của nước thải và khử khuẩn nước sau xử lý để đảm bảo tiêu chuẩn đầu ra. Nhìn chung, bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học và phương pháp hóa lý là quá trình chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác chứ không xử lý triệt để. Cho nên nếu xử lý nước thải bằng phương pháp cơ hay phương pháp hoá lý thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao. Do đó, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học để xử lý các chất hữu cơ là phương pháp mang lại hiệu quả cao và chi phí thấp. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sản sinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hoà tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sulfite, muối amon, nitrate…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của quá trình phân huỷ này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat… SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI CHƯƠNG III: TỒNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI III.1. Nguyên tắc chung của quá trình: Cở sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hóa vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có thể chia thành hai loại:  Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.  Phương pháp kỵ khí: sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng các vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ và mức độ ổn định của lưu lượng nước vào hệ thống. Đồng thời cũng chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: chế độ thủy động, hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ, các chất dinh dưỡng,… Để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đạt hiệu quả thì nước thải đưa vào phải đạt được các điều kiện sau:  Nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải.  Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải (Sb > Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb > Cr+3 > Cd > Zn > Fe).  Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và năng lượng cho vsv (hydratcarbon, protein, lipit hòa tan).  Tỉ số COD/BOD≤2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5 thì áp dụng phương pháp xử lý sinh học hiếu khí.  Nếu nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ quá cao hoặc có chứa các chất hữu cơ khó phân hủy (cellulose, hemixenlulose, protein, tinh bột chưa tan) thì xử lý bằng phương pháp sinh học kị khí. III.2. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải: Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là nước thải công nghiệp đã qua công đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn cũng đủ điều kiện để vi sinh vật SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S VÕ HỒNG THI thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, chất ức chế hoặc diệt vi sinh vật, như các loại nước thải có hàm lượng các kim loại nặng, các chất hữu cơ và vô cơ có tính độc,…). Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thủy sinh. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu để xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, indol, mecaptan, scatol, N2,…). Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào để chuyển vào quá trình phân hủy nội bào (hô hấp hay oxy hóa tiếp) hay chuyển sang quá trình đồng hóa. Quá trình tự làm sạch trong nước xảy ra rất phức tạp. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn.  Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật.  Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. SVTH : TRẦN PHÚ ĐIỀN 20