Mô tả quá trình hình thành sinh vật trên vật liệu hạt rắn

Mở đầu Rượu là đồ uống được sản xuất từ lâu trên thế giới. Hiện nay ở nước ta rượu thường được sản xuất từ tinh bột sắn vì các nguyên nhân như nguyên liệu rẻ tiền, phong phú và ổn định. Khi sản xuất rượu từ tinh bột sắn thì lượng nước thải là khá lớn và thường bị ô nhiễm hữu cơ như tinh bột sót. Do đó nước thải nhà máy rượu thường được xử lí bằng phương pháp sinh học như bể aroten, lọc sinh học.. Trong đồ án này em đưa ra phương pháp xử lí bằng lọc sinh học vì lọc sinh học có các ưu điểm: Xử lí nước có độ ô nhiễm cao Thời gian xử lí ngắn Đồng thời có thể xở lí hiệu quả nước cần có quá trình khử Nitrat và phản Nitrat. Tuy nhiên cũng có nhược điểm như phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, không khí có mùi hôi, có nhiều ruồi. I . Phương pháp 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 (môi trường lọc). Thường nước thải được tưới từ trên xuống qua lớp vật liệu lọc bằng đá hoặc các vật liệu khác nhau, vì vậy người ta còn gọi hệ thống này là bể lọc nhỏ giọt (trickling fillter). Tuy nhiên, gọi như vậy không thật chính xác vì đây thực chất là một quá trình chiết sinh học hơn là một quá trình lọc. Với sự phát triển của vật liệu làm môi trường lọc, các vật liệu tổng hợp thay thế cho vật liệu lọc bằng đá thì thuật ngữ tháp sinh học được dùng rộng rãi hơn và tháp thường cao tới 6m chứ không phải là 1,8m như bể lọc với vật liệu lọc bằng đá. I.1 Mô tả quá trình hình thành sinh vật trên vật liệu hạt rắn. Phần lớn vi khuẩn có khả năng sinh sống và phát triển trên bề mặt vật rắn, khi có đủ độ ẩm và thức ăn là các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và oxy. Chúng dính bám vào bề mặt vật rắn bằng chất gelatin do chính vi khuẩn tiết ra và chúng có thể dễ dàng di chuyển trong lớp gelatin dính bám này. Đầu tiên vi khuẩn cư trú hình thành tập trung ở một khu vực, sau đó màng vi sinh không ngừng phát triển, phủ kín toàn bộ bề mặt vật rắn bằng một lớp đơn bào. Chất dinh dưỡng (hợp chất hữu cơ, muối khoáng) và oxy có trong nước thải cần xử lý khuyếch tán qua màng biofilm vào tận lớp xenlulô đã tích luỹ ở sâu nhất mà ở lớp đó ảnh hưởng của oxy và chất dinh dưỡng không còn tác dụng. Sau một thời gian, sự phân lớp hoàn thành: lớp ngoài cùng là lớp hiếu khí, được oxy khuyếch tán thâm nhập, lớp trong là lớp yếm khí không có oxy. Bề dày của 2 lớp này phụ thuộc vào loại vật liệu đỡ (vật liệu lọc), cường độ gói và nước qua lớp lọc. Bề dày lớp hoạt tính hiếu khí thường khoảng 300 - 400mm. I.2.Cơ chế quá trình lọc sinh học Màng sinh học gồm các vi khuẩn, nấm và động vật bậc thấp được nạp vào hệ thống cùng với nước thải. Mặc dù lớp màng này rất mỏng song cũng có hai lớp: lớp yếm khí ở sát bề mặt đệm và lớp hiếu khí ở ngoài. Do đó quá trình lọc sinh học thường được xem như là quá trình hiếu khí nhưng thực thất là hệ thống vi sinh vật hiếu - hiếm khí. Khi dòng nước thải chảy trùm lên lớp màng nhớt này, các chất hữu cơ được vi sinh vật chiết ra còn sản phẩm của quá trình trao đổi chất (CO2) sẽ được thải ra qua màng chất lỏng. Oxy hoà tan được bổ sung bằng hấp thụ từ không khí. Theo chiều sâu từ mặt xuống dưới đáy bể lọc, nồng độ chất hữu cơ trong nước thải giảm dần và tại một vùng nào đó các vi sinh vật ở trạng thái đói thức ăn. Thường BOD được chiết ra chủ yếu ở 1,8m phần trên của lớp đệm. Phần sinh khối vi sinh vật thừa sẽ bị tróc ra, theo nước ra ngoài bể lọc. Nước thải được phun đều lên lớp đệm tạo ra lớp màng nhớt gọi là màng sinh học, phủ trên các đệm. Quá trình oxy hoá xảy ra như cơ chế nói trên. Sinh khối vi sinh vật tách ra khỏi nước trong thiết bị lắng thứ cấp. Lọc sinh học được ứng dụng để làm sạch một phần hay toàn bộ chất hữu cơ phân huỷ sinh học trong nước thải và có thể đạt chất lượng dòng ra với nồng độ BOD tới 15mg/l. Bể lọc sinh học có thể được vận hành theo một bậc hay nhiều bậc Hiệu suất làm sạch nước thải trong các bể lọc sinh học phụ thuộc vào các chỉ tiêu sinh hoá, trao đổi khối, chế độ thuỷ lực và kết cấu thiết bị. Trong đó cần chú ý các chỉ tiêu sau: BOD của nước cần làm sạch, bản chất các hợp chất hữu cơ, tốc độ oxy hoá, cường độ hô hấp của các vi sinh vật, khối lượng các chất được màng sinh học hấp thụ, chiều dày màng sinh học, thành phần các vi sinh vật sống trong màng, cường độ sục khí, diện tích và chiều cao bể lọc, các đặc tính của bể lọc (kích thước đệm, độ xốp và bề mặt riêng), các tính chất vật lý của nước thải, nhiệt độ quá trình và tải lượng thuỷ lực, cường độ tuần hoàn, mức độ phân bố đều nước thải theo diện tích tiết diện, độ thấm ướt của màng sinh học. I.3.Hiệu quả và phân loại: Phân loại theo đặc điểm kết cấu các bể lọc sinh học được chia thành: thiết bị lọc với đệm hình khối; thiết bị lọc với đệm hình tấm. Người ta còn phân bể lọc thành các loại: lọc loại giọt (thông khí tự nhiên); lọc tải lượng cao (thông khí nhân tạo) và tháp lọc. Trong thiết kế có thể sử dụng các thông số ở bảng 2.19 làm cơ sở tính toán. Loại thiết bị Chiều cao làm việc Hlv.m Tải lượng thuỷ lực q.m3/m2.ngày Tuần hoàn Loại giọt 1,5 - 2 1 - 3 Khi BOD5<220:Không Khi BOD5<300: Có Tải lượng cao 2 - 4 10 - 30 Khi BOD5<300:Không Khi BOD5>300: Có Vi khuẩn trong màng vi sinh dính bám hoạt động có hiệu quả cao hơn vi khuẩn trong môi trường thể tích (hạt cặn lơ lửng). Quá trình xử lý bằng vi sinh dính bám hiếu khí trong các bể lọc sinh học đang được dùng hiện nay cũng có thể lại phân làm hai loại. - Loại có vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước. Loại có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước. Trong tài liệu này em xin giới thiệu về loại vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước. II.Bể lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước. II.1.Cấu tạo Bể lọc sinh học nhỏ giọt Trong bể lọc, chất các lớp vật liệu có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thể tích lớn nhất trong điều kiện có thể. Nước thải được hệ thống phân phối phun thành giọt đều khắp trên bề mặt của lớp vật liệu. Nước sau khi chạm lớp vật liệu chia thành các hạt nhỏ chảy thành màng mỏng qua khe lớp vật liệu đi xuống dưới. Trong thời gian chảy như vậy nước thải tiếp xúc với màng nhầy gelatin tăng lên ngăn cản oxy của không khí thấm vào trong lớp màng nhầy được. Do không có oxy, tại lớp trong của màng nhầy sát với bề mặt cứng của vật liệu lọc, vi khuẩn yếm khí tp tạo ra sản phẩm phân huỷ yếm khí cuối cùng là khí metan và CO2 làm tróc lớp màng ra khỏi vật cứng rồi bị nước cuốn xuống phía dưới. Trên mặt hạt vật liệu lọc lại hình thành lớp màng mới, hiện tượng này được lập đi lập lại tuần hoàn và nước thải được làm sạch BOD và các chất dinh dưỡng. Để tránh hiện tượng tắc nghẽn trong hệ thống phun, trong khe rỗng lớp vật liệu, trước bể sinh học nhỏ giọt phải thiết kế song chắn, lưới chắn, bể lắng đợt 1. Nước sau bể lọc sinh học có nhiều bùn lơ lửng do các màng sinh học tróc ra nên phải xử lý tiếp bằng bệ lắng đợt 2. Cấu tạo bể lọc sinh học nhỏ giọt: Xem hình (11 - 1). II.1.1Vật liệu lọc: Vật liệu lọc tốt nhất là vật liệu có diện tích bề mặt tiếp xúc trong một đơn vị thể tích lớn, độ bền cao theo thời gian, giá rẻ và không bị tắc nghẽn. Tuỳ thuộc vào điều kiện địa phương có thể chọn: Than đá cục, đá cục, cuội sỏi lớn, đá ong có kích thước trung bình 60 - 100mm nếu kích thước vật liệu nhỏ hơn sẽ giảm độ rỗng, gây tắc nghẽn cục bộ nếu kích thước lớn hơn thì diện tích mặt tiếp xúc bị giảm nhiều, làm giảm hiệu quả xử lý. Chiều cao lớp vật liệu từ 1,5 - 2,5m. - Những thập niên gần đây, do kỹ thuật sản xuất nhựa PVC phát triển, những tấm nhựa đúc lượn sóng, gấp nếp và các dạng khác nhau của quả cầu nhựa đã được dùng làm lớp vật liệu lọc. Do vật liệu lọc nhẹ, dễ lắp đặt và tháo dỡ nên chiều cao bể lọc sinh học đã được tăng lên từ 6 - 9m gọi là tháp lọc sinh học tăng chiều cao làm giảm diện tích mặt bằng của bể lọc sinh học. II.1.2.Hệ thống phân phối nước Hệ thống phân phối nước làm bằng dàn ống tự quay đã được đưa vào tiêu chuẩn thiết kế bể lọc sinh học vì có cấu tạo đơn giản, làm việc ổn định, dễ quản lý. Hệ thống gồm ống đứng dẫn nước vào đặt ở tâm bể, đỉnh ống lắp khớp quay hình cầu đưa nước ra 2 hoặc 3 ống nhánh đặt nằm ngang song song với bán kính bể (xem hình 11.1). Trên ống nhánh lắp vòi phun hoặc lỗ thành đầy phun nước xuống mặt bể lọc. Các tia nước phun ra cùng trên 1 phía, vuông góc và ngược với chiều quay của ống nhánh. Động lượng của các tia nước biếnh thành lực làm cho dàn ống nhánh quay quanh trục. áp lực trước vòi hoặc lỗ phun từ 0,5 - 0,7m. Tốc độ quay thay đổi theo lưu lượng nước, thường tốc độ quay có giá trị khoảng 1 vòng trong 10 phút. Khi dùng dàn phun cố định phải bsố trí đều lỗ phun nước trên toàn diện tích bể. Phải có thùng chứa lắp xi phông hoạt động tự động để cấp nước cho dàn phun theo từng mẻ kế tiếp. Khoảng cách từ bể của lớp vật liệu đến vòi phun từ 0,2 - 0,3m để lấy không khí và để cho các tia nước phun ra vỡ đều thành các giọt nhỏ trên toàn diện tích bể. II.1.3.Sàn đỡ và thu nước. Sàn đỡ và thu nước trong bể lọc sinh học làm hai nhiệm vụ: 1. Thu đều nước có các mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra chảy từ trên xuống để dẫn sang bể lắng đợt 2. 2. Phân phối đều gió vào bể lọc để duy trì môi trường hiếu khí trong các khe rỗng. Sàn đỡ làm bằng tấm bê tông, tấm sành nung hay tấm nhựa tăng cường bằng sợi thuỷ tinh có khoan lỗ hoặc khe cho nước và khí đi qua. Đồng thời đỡ được lớp vật liệu lọc. Khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường 0,6 - 0,8m. Đáy bể có độ dốc 1 - 2% về máng thu trung tâm. - Xung quanh tường ở độ cao giữa đáy và sàn phân phối đặt các cửa sổ thông gió, tổng diện tích các cửa sổ thông gió bằng 20% diện tích sàn phân phối. - Gió đi vào bể lọc theo dòng đối lưu của không khí được tạo ra do chênh lệch nhiệt độ giữa nước thải và không khí quanh bể. - Nếu nhiệt độ nước thấp hơn nhiệt độ không khí, thì không khí trong các khe rỗng của lớp lọc lạnh hơn không khí bên ngoài, gió sẽ đi từ trên mặt bể lọc xuống đáy bể rồi thoát ra qua các cửa thông gió. Ngược lại, nếu nhiệt độ nước cao hơn nhiệt độ không khí, gió sẽ đi từ dưới lên. Khi nhiệt độ nước và không khí bằng nhau, không có gió đi vào bể lọc, vì vậy ở những bể diện tích và chiều cao lớn nên bố trí quat gió nhân tạo. II.2.Phân loại bể lọc sinh học nhỏ giọt. Bể lọc sinh học nhỏ giọt được phân loại theo tải trọng thuỷ lực hoặc tải trọng các chất hữu cơ, bể có tải trọng thấp, bể có tải trọng cao. Theo bảng (11.1). Bảng 11.1. Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinh học nhỏ giọt. (Các chỉ tiêu thiết kế) Thông số Đơn vị đo Tải trọng thấp Tải trọng cao Chiều cao lớp vật liệu (m) 1 - 3 0,9 - 2,4 (đá) 6 - 8 (nhựa tấm) Loại vật liệu Đá cục, than cục, đá ong, cuội lớn. Đá cục, than cục, sỏi lớn tấm nhựa đúc, cầu nhựa Tải trọng theo chất hữu cơ, theo thể tích vật liệu lọc Kg BOD5/1m3 vật liệu ngày 0,08 - 0,4 0,4 - 1,6 Tải trọng thuỷ lực theo diện tích bề mặt m3/m2 ngày 1 - 4,1 4,1 - 40,7 Hệ số tuần hoàn R = tuỳ chọn 0 - 1 0,5 - 2 Tải trọng thuỷ lực trên bề mặt của bể lắng đợt 2 m3/m2 ngày 25 16 Hiệu quả khử BOD sau bể lọc và bể lắng đợt 2 % 80 - 90 65 - 85 Ghi chú: Tải trọng thuỷ lực nêu trong bảng là tỷ số của lưu lượng nước xử lý Q (m3/ngày) cộng với lưu lượng tuần hoàn QT (m3/ngày) nếu có) chia cho diện tích bề mặt của bể lọc S (m2) - Bể lọc sinh học nhỏ giọt tải trọng thấp quản lý đơn giản, hiệu quả xử lý ổn định ngay cả khi nước nguồn có chất lượng dao động lớn, hiệu quả xử lý của bể lọc phụ thuộc vào chế độ tưới nước tức là phụ thuộc vào vòng quay của thiết bị tưới, hay thể tích thùng đo và tích nước rồi lấy ra bằng xi phông. Thời gian tưới gián đoạn khoảng Ê 5 phút. II.3.Tuần hoàn nước. Đối với bể lọc cải tạo muốn tăng hiệu quả xử lý phải tuần hoàn lại nước để tăng thời gian tiếp xúc của nước thải với vi sinh dính bám và giảm tải trọng hữu cơ. Khi tuần hoàn lại nước, tải trọng thuỷ lực tăng lên, đẩy mạnh quá trình tách màng vi sinh vật cũ và hình thành màng mới trên bề mặt vật liệu, làm giảm hiện tượng tắc nghẽn trong các lỗ rỗng của lớp vật liệu, tăng lưu lượng trong hệ phân phối để đảm bảo tốc độ quay của dàn ống. Có thể áp dụng một trong ba sơ đồ tuần hoàn sau: Bể lắng đợt 1 Bể lắng đợt 2 Xả nước ra nguồn tiếp nhận Xả ra khu xử lý cặn Xả cặn trở lại bể lắng 1 Bể lọc sinh học Nước thải vào Xả cặn Nước tuần hoàn Đường tuần hoàn dự phòng - Sơ đồ a: Bể lọc sinh học cao tải, chiều cao lớp lọc từ 0,9 đến 2,0m. Tuần hoàn nước liên tục, nước tuần hoàn lấy từ sau bể lắng đợt 2 hoặc có thể sau bể lọc, đưa về trước bể lắng đợt 1. Bùn lắng ở bể lắng đợt 2 cũng đưa về bể lắng đợt 1 để tăng cường quá trình keo tụ trong bể lắng đợt 1. Bùn xả ra từ bể lắng đợt 1 đưa đi xử lý tiếp. Bể lắng đợt 1 Bể lắng đợt 2 Xả nước ra nguồn tiếp nhận Xả ra khu xử lý cặn Xả cặn trở lại bể lắng 1 Bể lọc sinh học Nước thải vào Xả cặn Nước tuần hoàn - Sơ đồ b: Nước tuần hoàn lấy từ sau bể lọc đưa về trước bể lọc, sơ đồ này có thể áp dụng cho cả bể lọc tải trọng thấp và bể lọc tải trọng cao. Khi cần Nitrat hoá ( chuyển NH+4 thành NO3) triệt để nên dùng sơ đồ tuần hoàn này cho bể tải trọng thấp. Bể lắng đợt 1 Bể lắng đợt 2 Xả nước ra nguồn tiếp nhận Xả ra khu xử lý cặn Xả cặn trở lại bể lắng 1 Bể lọc sinh học Nước thải vào Xả cặn Nước tuần hoàn - Sơ đồ c: được sử dụng khi thiết kế dàn phân phối là dàn phun mưa liên tục đặt cao hơn lớp lọc 0,5 - 0,6m, các giọt mưa nhỏ trải đều khắp diện tích lớp lọc. - Khi áp dụng để lọc sinh học để xử lý nước thải cần quan tâm đến môi trường để loại trừ khả năng sinh sản của ruồi, giun sán, ốc, rêu…