Bài giảng Xử lý nước thải - Hồ Thị Phương

úc tác pha hơi và phương pháp đốt cháy.  Phương pháp oxi hóa pha lỏng Phương pháp này dựa trên sự oxi hóa hợp chất hữu cơ bằng oxi ở nhiệt độ 100- 350oC và áp suất 20-280 at. Ở áp suất cao, độ hòa tan của oxi trong nước tăng và do đó thúc đẩy quá trình oxi hóa hữu cơ.  Phương pháp oxi hóa xúc tác pha hơi Đây là quá trình oxi hóa xúc tác dị thể bằng oxi trong không khí, nhiệt độ cao, các chất hữu cơ bay hơi chứa trong nước thải công nghiệp. Quá trình xảy ra mạnh mẽ khi có xúc tác: đồng – crom, kẽm – crom, đồng – mangan  Phương pháp đốt cháy Phương pháp này hiệu quả và phổ biến nhất trong các phương pháp nhiệt. Bản chất của nó là phun bụi chất thải trực tiếp vào khí lò 900 - 1.000oC, lúc đó nước bay hơi hoàn toàn còn tạp chất hữu cơ bị cháy. Các chất vô cơ trong nước thải tạo thành các hạt rắn hoặc nóng chảy, được thu hồi trong các xiclon hoặc thiết bị lọc. CHƯƠNG 5. XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC – BIOLOGICAL PROCESSES (4 tiết) Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lí nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ (H2S, các sunfua, NH3, các 34 nitric). Quá trình xử lí dựa trên khả năng của vi sinh sử dụng các chất này làm chất dinh dưỡng trong hoạt động sống – Các chất hữu cơ đối với vi sinh là nguồn cacbon. Bảng 5.1. Phân loại các công trình xử lý sinh học • Xử lí nước thải trong điều kiện tự nhiên Các quá trình xử lí sinh học có thể diễn ra trong điều kiện tự nhiên và trong các công trình nhân tạo. Trong điều kiện tự nhiên việc xử lí xảy ra trên các cánh đồng tưới , cánh đồng lọc sinh học và các ao sinh học. Các công trình xử lí được chọn phụ thuộc vị trí nhà máy, điều kiện khí hậu, nguồn cấp nước, thể tích nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thành phần và nồng độ chất ô nhiễm. • Xử lí nước thải trong các công trình nhân tạo Trong các công trình nhân tạo, các quá trình xử lí xảy ra với tốc độ lớn hơn trong điều kiện tự nhiên. Việc xử lí nước thải trong điều kiện nhân tạo được tiến hành trong các bể thông khí (arerotank) hoặc thiết bị lọc sinh học. 5.1. Cơ sở lí thuyết quá trình phân hủy sinh học 5.1.1. Các chỉ số cơ bản Nước thải được đưa đi xử lí hóa sinh, được đặc trưng bởi BOD, COD. Tiếp xúc với các chất hữu cơ, các vi sinh phân hủy chúng một phần thành nước (H2O), khí carbonic, ion nitric và ion sunfat, phần khác tạo thành khối sinh học. Sự phân hủy chất hữu cơ được gọi là oxi hóa sinh học. Một số chất hữu cơ có khả năng được oxi hóa dễ dàng, còn một số khác hoàn toàn không bị oxi hóa hoặc oxi hóa rất chậm. Để xác định khả năng nạp nước thải công nghiệp vào thiết bị xử lí sinh học người ta thiết lập nồng độ tối đa các chất độc hại không ảnh hưởng đến quá trình oxi hóa sinh hóa và hoạt động của công trình xử lí. Nếu không có các dữ liệu này khả năng oxi hóa sinh hóa được thiết lập dựa theo tỉ lệ BOD và COD. Nếu tỉ lệ BOD/COD > 0,5, nước thải chịu sự oxi hóa sinh hóa. Khi đó nước thải phải không chứa các chất độc hại và các tạp chất muối kim loại nặng. Khi đó nước thải phải không chứa các chất độc hại và các tạp chất muối kim loại nặng. 5.1.2. Quy luật phân hủy các chất hữu cơ 35 • Để cho quá trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ có trong nước thải xảy ra, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn chính như sau: - Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật; - Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào; - Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. • Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Quá trình xử lí sinh học hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn: - Oxy hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 CO2 + H2O - Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + NH3 + O2 CO2 + H2O + C5H7NO2 - Phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5 O2 5 CO2+ 2 H2O + NH3 • Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kị khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn : - Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử; - Giai đoạn 2: Acid hóa; - Giai đoạn 3: Acetate hóa; - Giai đoạn 4: Methane hóa. 36 enzim enzim enzim Vi sinh vật Các chất hữu cơ chứa các chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin, trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, fomate, acetate, methanol, methylamines và CO. 5.2. Phương pháp hiếu khí – aerobic digestion 5.2.1. Bùn hoạt tính – aerotank Aerotank là bể chứa nước bằng bê tông cốt sắt được thông khí. Quá trình xử lí trong các aerotank diễn ra theo dòng nước thải được sục khí và trộn với bùn hoạt tính. 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 Hình 5.1. Sơ đồ công nghệ aerotank Nước thải được cho vào bể lắng 1, để tăng cường sự lắng của các hạt lơ lửng có thể cho vào đây một phần bùn hoạt tính. Sau đó nước đi vào bể aerotank có chứa bùn hoạt tính, ở đây nước thải được sục khí sơ bộ trong khoảng 15-20 phút. Trong trường hợp cần thiết các chất dinh dưỡng cũng được cho vào bể này. Từ bể aerotank nước chảy sang bể lắng 2, tại đây một phần bùn lắng được tuần hoàn về bể aerotank, phần bùn còn lại được đưa đi xử lí, nước trong được thải ra ngoài. Trước bể aerotank nước thải không được chứa lớn hơn 150 mg/l các hạt lơ lửng và 25 mg/l sản phẩm dầu mỏ. Nhiệt độ nước thải không được thấp hơn 6oC và cao hơn 30oC, còn pH trong khoảng 6,5 – 9. 5.2.2. Lọc sinh học - biofiltration 37 Thiết bị lọc sinh học là thiết bị mà bên trong thân của nó được bố trí đệm dạng thỏi và cơ cấu phân phối nước cũng như không khí. Trong thiết bị lọc sinh học nước thải được lọc qua lớp vật liệu được bao phủ bởi màng vi sinh vật. Vi sinh trong màng sinh học oxi hóa các chất hữu cơ, sử dụng 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 sinh vật chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học và đi vào bể lắng. Tuy nhiên do tính chất của bùn vi sinh ở đây là nặng hơn, dễ lắng hơn bùn từ hệ bùn hoạt tính nên lắng cấp 2 có yêu cầu không khắt khe như hệ aerotank. Mặt khác, khi lớp vi sinh vật đủ dày lớp vi sinh sát bề mặt vật liệu sẽ trở nên yếm khí, các quá trình xảy ra sẽ là yếm khí hoặc thiếu khí, khí thoát ra do các quá trình này sẽ làm màng vi sinh dễ bong hơn. Khi màng vi sinh bong ra, bị rửa trôi lớp màng mới sẽ phát triển và chu kì lặp lại. Vật liệu lọc thường là đá dăm hoặc các khối vật liệu dẻo có hình thù khác nhau. Bể lọc vật liệu là đá dăm thường có dạng tròn, kích thước dao động từ 25 – 100 mm. Chiều sâu lớp vật liệu lọc khoảng 0,9 – 2,5 m, trung bình là 1,8 m. Hình 5.2. Lọc sinh học 5.2.3. Đĩa tiếp xúc sinh học quay – rotating biological contactor (RBC) Đĩa tiếp xúc sinh học quay (RBC) là kĩ thuật màng bám dính, hệ xử lí bao gồm bồn/bể chứa, các đĩa sinh học thực tế là vật liệu mang ngập gần nửa vào nước thải, trục của các đĩa sinh học RBC được gắn vào hệ mô tơ-hộp giảm tốc để quay tập đĩa. Vật liệu làm các RBC thường là plastic có độ bền cao. Khi quay trong nước vi khuẩn sẽ bám dính lên bề mặt đĩa, đồng thời khi quay nửa trên của đĩa lấy oxi, khi ngập nước oxi dưới tác dụng của lớp màng sinh học bám trên đĩa sẽ tham gia phản ứng oxi hóa 38 hữu cơ, N- amoni để xử lí nước thải. Đĩa sinh học thường được chế tạo với bề mặt lồi lõm hoặc gấp nếp, điều này vừa tăng diện tích bề mặt vừa tăng độ cứng của đĩa. Hình 5.3. Đĩa tiếp xúc sinh học quay 5.2.4. Oxyten - Ứng dụng oxi để thông khí nước thải Hiện nay đã bắt đầu sử dụng oxi kỹ thuật để thông khí nước thải thay cho oxi. Quá trình này được gọi là lắng sinh học. Nó được tiến hành trong thiết bị kín và được gọi là oxiten. Việc áp dụng oxi thay cho không khí để thông khí nước thải có nhiều ưu điểm: - Hiệu suất sử dụng oxi tăng từ 8-9 đến 20-25% - Cường độ oxi hóa tăng 5-6 lần - Để đảm bảo cùng nồng độ oxi trong nước thải yêu cầu vận tốc khuấy trộn thấp hơn, do đó bùn tạo thành ở dạng bông to và chặt nên dễ lắng và lọc, cho phép tăng nồng độ bùn đến 10g/l mà không cần tăng kích thước bể lắng đợt 2. - Khi nồng độ oxi cao các vi khuẩn chỉ không phát triển - Trong nước đã xử lí nồng độ oxi còn dư lớn nên thúc đẩy các quá trình xử lí tiếp theo. - Trong quá trình xử lí không tạo ra mùi vì tiến hành trong thiết bị kín - Chi phí đầu tư nhỏ hơn. Tuy nhiên, phương pháp này đắt do tốn kém cho việc sản xuất oxi, vì vậy nó được ứng dụng trong trường hợp xí nghiệp có sẵn oxi. Trong oxiten do nồng độ CO2 cao hơn trong aerotank nên pH giảm đáng kể. Thời gian xử lí giảm gây cản trở quá trình nitric 39 hóa. Đồng thời hệ số tăng trưởng của bùn cũng giảm từ 0,6-1,2 đối với aerotank còn 0,4-0,6 đối với oxiten. Phụ thuộc vào thành phần nước thải nồng độ oxi tối ưu trong nước thải của oxiten là 10-12 mg/l, còn liều lượng bùn 7-10g/l. 5.2.5. Mương oxi hóa Đây là biến thể của hệ bùn hoạt tính sục khí kéo dài, ít bùn nên phù hợp cho những điểm dân cư nhỏ, không có hệ xử lí tập trung. Tương tự hệ ao hồ có thể không cần xây dựng bằng bê tông, vì vậy chi phí xây dựng sẽ thấp, yêu cầu vận hành, bảo trì cũng ở mức thấp nên chi phí vận hành không cao. Khác với hệ bùn hoạt tính, máy cấp khí trong trường hợp này không dùng hệ phân tán lắp cố định dưới đáy bể mà thường dùng hệ guồng vừa đẩy nước vừa cấp khí. Mương oxi hóa có thể chấp nhận tải cao hơn nhiều so với hồ oxi hóa, nhờ guồng đẩy nước tạo dòng chảy tuần hoàn với tốc độ khoảng trên 0,3 m/s nên giữ được sinh khối lơ lửng, tăng hiệu quả xử lí. Hình 5.4. Mương oxi hóa 5.2.6. Hồ sinh học Hồ sinh học là dãy hồ gồm 3-5 bậc, qua đó nước thải chảy với vận tốc nhỏ, được lắng trong và xử lí sinh học. Các hồ được ứng dụng để xử lí sinh học và xử lí bổ sung trong tổ hợp với các công trình xử lí khác. Hồ được chia ra làm hồ với sự thông khí tự nhiên và nhân tạo. Hồ với sự thông khí tự nhiên không sâu (0,5-1m), được đun nóng bởi mặt trời và được gieo các vi sinh vật nước. 40 Vi khuẩn sử dụng oxi sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxi từ không khí để oxi hóa các chất ô nhiễm. Rêu tảo tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon, sinh ra từ sự phân hủy sinh học các chất hữu cơ. Để hoạt động bình thường cần phải đạt giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ không được thấp hơn 6oC. Trong tính toán hồ người ta xác định kích thước bảo đảm thời gian lưu cần thiết của nước thải và vận tốc oxi hóa được đánh giá theo BOD của chất phân hủy chậm nhất. Để tăng vận tốc hòa tan oxi người ta xây dựng các hồ thông khí. Sự thông khí được tiến hành bằng cơ khí hoặc khí động. Thông khí cho phép tăng tải lượng chất ô nhiễm đến 3-3,5 lần và tăng chiều sâu đến 3,5m. 5.3. Phương pháp kỵ khí – anaerobic digestion Quá trình yếm khí đầu tiên áp dụng để xử lí bùn dư, hiện nay áp dụng cả để xử lí nước thải giàu hữu cơ. Vi khuẩn hoạt tính ở đây bao gồm các vi khuẩn yếm khí và cả vi khuẩn tùy nghi, trong điều kiện không có oxi chúng sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ thành carbon dioxit và metan, thường gọi là biogas.  So với các quá trình hiếu khí, yếm khí có các ưu thế sau: - Hiệu suất tạo sinh khối yếm khí nhỏ hơn nhiều so với hiếu khí; điều này làm giảm nhu cầu dinh dưỡng, giảm chi phí xử lí bùn dư. - Không có chi phí oxi, điều này giảm cả chi phí thiết bị lẫn vận hành hệ cấp khí. - Khí metan sinh ra có giá trị nhiệt năng lớn, có thể thay thế khí đốt. - Các quá trình yếm khí chấp nhận tải đầu vào cao hơn nhiều so với hiếu khí, đó là vì không có cản trở do yêu cầu khuếch tán oxi.  Các nhược điểm của quá trình yếm khí: - Cần năng lượng để nâng nhiệt độ tới vùng hoạt động vi khuẩn tối ưu (thường là 35oC). - Khó đạt được hiệu suất xử lí cao như quá trình hiếu khí. - Do bản chất quá trình trong nước ra và biogas luôn có mùi do H2S và mercaptan. Điều này sẽ hạn chế khả năng sử dụng ở đô thị. - Bùn yếm khí khó lắng hơn bùn hiếu khí, vì vậy nếu áp dụng kĩ thuật lắng thì chi phí sẽ cao hơn. - Điều khiển thiết bị sẽ khó hơn, hệ xử lí nhạy cảm hơn đối với shock tải hữu cơ. 41 5.3.1 Quá trình tiếp xúc kị khí (Anaerobic Contact Process) Đây là quá trình với hệ vi sinh phân tán, tương tự như quá trình bùn hoạt tính, chỉ khác DO = 0. Quá trình tiếp xúc yếm khí bao gồm 2 phần. Phần tiếp xúc nghĩa là hỗn hợp phản ứng và bùn hoàn tính được khuấy trộn đều (trong điều kiện yếm khí), phần hai là sự tách R/L để tuần hoàn phần R về bồn tiếp xúc. Hai quá trình tiếp xúc đã thương mại hóa là Bioenergy và Anamet. Bioenergy là quá trình lắng tiếp xúc yếm khí thông thường kết hợp sự tách R/L bằng shock nhiệt kết hợp lắng cấp 2. Khi hỗn hợp phản ứng ra khỏi bể phản ứng, trước khi vào bể lắng nhiệt độ là 35oC được giảm nhanh xuống 25oC nhờ các hệ trao đổi nhiệt làm mát, khi đó quá trình sinh khí metan sẽ dừng lại, nước vào lắng cấp 2 bùn sẽ lắng dễ hơn. Trong hệ Anamet ngay sau bồn yếm khí là bồn hiếu khí để xử lí gần hoàn toàn hữu cơ. Bùn tuần hoàn về bồn yếm khí là bùn hiếu khí. Quá trình này giảm lượng bùn dư phải xử lí, ngoài ra bùn dư chứa một lượng N, P nhất định sẽ giảm nhu cầu N, P đối với toàn bộ quá trình. 5.3.2 Phân hủy yếm khí ngược dòng - Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) Trong hệ UASB bùn phải được phát triển thành một lớp dày. Trong lớp bùn này dưới tác động của dòng nước từ dưới lên các hạt bùn này dưới tác động của dòng nước từ dưới lên các hạt bùn nổi lơ lửng tạo thành một lớp đệm dạng hạt. Hạt bùn bền với tác động của dòng nước thải vào, đủ nhẹ để nổi lơ lửng do tác động của dòng chảy và đủ nặng để không bị dòng nước kéo ra khỏi bồn phản ứng. Trong hệ UASB nước thải được cấp vào từ dưới đáy bồn, thu ở phía trên. Trong quá trình nước thải đi từ dưới lên nó phải tiếp xúc với các hạt bùn hoạt tính. Khi đó sẽ xảy ra hai quá trình: (1) chất hữu cơ được BHT phân hủy yếm khí thành CO2 + CH4 và (2) quá trình lọc trong nhờ lớp đệm dạng hạt. Ưu điểm của UASB so với hệ BHT  Ít tiêu tốn năng lượng vận hành  Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn  Bùn sinh ra dễ tách nước  Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng 42  Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí metan Hình 5.5. Hệ phân hủy yếm khí ngược dòng (UASB) 5.3.3. Lọc yếm khí - Anaerobic Filter Process Bể lọc kỵ khí là một cột chứa vật liệu mang thường ngập trong lớp chất lỏng để xử lý chất hữu cơ chứa carbon trong nước thải. Nước thải được dẫn vào cột từ dưới lên, tiếp xúc với lớp vật liệu trên đó có VSV kỵ khí sinh trưởng, phát triển và tạo màng, ngoài ra các khe, lỗ trong khối vật liệu cũng là nơi vi sinh thích cư trú. Lọc yếm khí hiệu quả trong xử lí nhiều loại nước thải công nghiệp có nồng độ hữu cơ cao. Ngoài những ưu điểm của quá trình yếm khí, lọc yếm khí còn có ưu điểm là chịu đựng tốt những trường hợp dừng hệ thống, khả năng phục hồi công suất khi tái khởi động rất tốt. Bên cạnh đó lọc yếm khí gặp phải một số khó khăn khi vận hành như: kiểm soát sự gia tăng mật độ sinh khối, cách tiến hành, mức độ rửa lọc để loại bớt nhưng không loại hết sinh khối đã bám dính. 5.3.4. Hệ yếm khí với lớp đệm dãn nở - anaerobic fluidised bed reactor (AFBR) Hệ AFBR là bồn phản ứng yếm khí với đệm giả lỏng, lớp đệm ở đây chính là lớp vi khuẩn bám trên các hạt vật liệu mang dạng hạt, khi gặp dòng nước thải từ dưới lên sẽ nổi và chuyển động ở giữa bồn phản ứng như lớp đệm, do tính linh động của nó nên được coi là giả lỏng. Vật liêu mang có thể là cát, than atraxit, than hoạt, quả cầu từ sợi thép không gỉ, và bọt polyester....Ưu điểm của kĩ thuật AFBR là loại trừ khả năng tắc như trường hợp kĩ thuật lọc. 43 5.3.5. Hồ yếm khí Hồ yếm khí được dùng khi xử lí nước thải đậm đặc có SS cao. Chúng là các công trình đào bằng đất độ sâu tới 9 m để đảm bảo các điều kiện yếm khí và giữ được nhiệt. Khi nước thải vào các chất lắng được sẽ tích lũy dưới đáy hồ, nước lắng đi xử lí tiếp. Điều kiện yếm khí được đảm bảo suốt dọc độ sâu của hồ, trừ lớp mỏng bề mặt. Chất thải sẽ được phân hủy thông qua các chu trình chuyển hóa yếm khí, các sản phẩm sẽ là carbon dioxit, metan và các khí khác, các axit hữu cơ và sinh khối. Do bản chất quá trình yếm khí là gây mùi nên hồ yếm khí chỉ nên áp dụng khi các yếu tố xung quanh đảm bảo không ảnh hưởng tới dân cư. 44