Đề tài Phương pháp sinh học xử lý môi trường

THÀNH PHẦN LÝ - HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI Tính chất vật lý Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: màu sắc, mùi, nhiệt độ và lưu lượng. Màu: nước thải mới có màu nâu hơi sáng, tuy nhiên thường là có màu xám có vẩn đục. Màu sắc của nước thải sẽ thay đổi đáng kể nếu như bị nhiễm khuẩn, khi đó sẽ có màu đen tối. Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hay do một số chất được đưa thêm vào. Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải thường cao hơn so với nguồn nước sạch ban đầu, do có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máy móc sản xuất. Lưu lượng: thể tích thực của nước thải cũng được xem là một đặc tính vật lý của nước thải, có đơn vị m3/người.ngày. Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo ngày. Tính chất hóa học Các thông số thể hiện tích chất hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ, vô cơ và khí. Hay để đơn giản hóa, người ta xác định các thông số như: độ kiềm, BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (hữu cơ, vô cơ, huyền phù và không tan) và nước. Độ kiềm: thực chất độ kiềm là môi trường đệm để giữ pH trung tính của nước thải trong suốt quá trình xử lý sinh hóa. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh hóa trong nước thải, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 200C. BOD5 trong nước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100 – 300 mg/l. Nhu cầu oxy hóa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hóa trong nước thải. COD thường trong khoảng 200 – 500 mg/l. Tuy nhiên, có một số loại nước thải công nghiệp BOD có thể tăng rất nhiều lần. Các chất khí hòa tan: đây là những chất khí có thể hòa tan trong nước thải. Nước thải công nghiệp thường có lượng oxy hòa tan tương đối thấp. Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi đối với mỗi loại nước thải khác nhau. pH: đây là cách nhanh nhất để xác định tính axit của nước thải. Nồng độ pH khỏang 1 – 14. Để xử lý nước thải có hiệu quả pH thường trong khoảng 6 – 9,5 (hay tối ưu là 6,5 – 8). Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa. P thường trong khoảng 6 – 20 mg/l. Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chất rắn. Nước: luôn là thành phần cấu tạo chính của nước thải. Trong một số trường hợp, nước có thể chiếm từ 99,5% - 99,9% trong nước thải (thậm chí ngay cả ngay cả trong những loại nước thải ô nhiễm nặng nhất các chất ô nhiễm cũng chiếm 0,5%, còn đối nguồn nước thải được xem là sạch nhất thì nồng độ này là 0,1%). CƠ SỞ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ Cơ sở sự phân hủy kỵ khí. Sự phân hủy kỵ khí là một loạt quá trình VSV phân hủy các hợp chất hữu cơ thành khí metan – CH4 Từ lâu quá trình xử lý kỵ khí được áp dụng để ổn định bùn trong các công trình xử lý bùn. Hiện nay, đã được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Quá trình phân hủy kỵ khí Lên men Yếm khí Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy CHC của vsv trong điều kiện không có oxy Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như sau: Methane (CH4) 55¸65% Carbon dioxide (CO2) 35¸45% Nitrogen (N2) 0¸3% Hydrogen (H2) 0¸1% Hydrogen Sulphide (H2S) 0¸1% Biogas có trị nhiệt cao 4,500-6000kcal/m3 tùy vào thành phần % methan có trong biogas. (Methane có trị nhiệt cao 9.000 kcal/m3) Quá trình phân hủy yếm khí ( quá trình tạo methanol) được chia thành 3 giai đoạn chính như sau: Giai đoạn thủy phân và lên men: Giai đoạn này được thực hiện trong những điều kiện khác nhau: ấm hay nóng, kị khí hoàn toàn, không hoàn toàn. Giai đoạn này thực hiện việc phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các acid béo dễ bay hơi ( đặc biệt là acid acetic), các chất khí (CO2, H2) và amoniac. Thời gian sinh trưởng của các vi khuẩn ở giai đoạn này ngắn hơn so với các giai đoạn khác. Giai đoạn này được gọi là “ pha hóa nước” hay “ pha axit hóa”. Gọi là hóa nước có nghĩa là nó thủy phân các vật chất hữu cơ phức tạp để có sản phẩm bùn lỏng. Giai đọan aceton: Đây là giai đoạn đặc biệt với các vi khuẩn được gọi là “ khử bắt buộc proton” hoặc “ vi khuẩn sản sinh đòi hỏi hydro”. Sản phẩm của giai đoạn này là acetat Giai đoạn tạo methane (lên men metan) Người ta tìm thấy 2 nhóm có khả năng thực hiện 2 phản ứng đặc trưng bởi hô hấp kị khí. CH3COOH CH4 + CO2 Nhóm thứ nhất gọi là acetoclastes, tạo metan từ phân hóa acid acetic. Phản ứng này rất chậm và rất ít năng lượng. Khoảng 70% metan được sản xuất ra từ phản ứng này. CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O Nhóm thứ hai gọi là hydrogenophiles, suy giảm CO2, tạo metan Phản ứng này nhiều năng lượng hơn và xảy ra nhanh hơn phản ứng trên. Sơ đồ biểu diễn toàn bộ quá trình phân hủy kị khí Giai đoạn 1:Thủy phân và lên men Giai đoạn 3:Lên men methanol Giai đoạn 2Tạo axid acetic, H2 và sinh CH4 Nguyên lý của quá trình methane: 60% Chất hữu cơ tổng hợp 100% Sự lên men và thủy phân 20% 5% Quá trình trung gian Propionate 15% Acetate 50% H2 10% Acetogenic phase 13% CH4 Methanogenicphase 72% Methanogenicphase 28% 2% Ba giai đoạn của quá trình phân hủy yếm khí Nguyên lý xử lý kỵ khí Các nhóm vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý kỵ khí Nhóm vi khuẩn thủy phân - Hydrolytic bacteria Thủy phân Protein, cellulose, lignin, lipid thành acid amin, glucose, acid béo, glycerol. Quá trình có sự xúc tác của enzyme ngoại bào: cellulase, protease, lipase Nhóm VK lên men acid – Fermentative acidogenic bacteria Đường, acid amin, acid béo Acid hữu cơ.Acetic, formic, propionic, lactic, butylic, succinic 2. Alcol và ketonEthanol, methanol, glycerol, aceton, acetate, CO2 và H2. Nhóm VK acetic – Acetogenic bacteria Chuyển hóa acid béo, alcol → acetate, CO2 và H2. Đòi hỏi thế Hydro thấp. Thế hidro cao: acetate tạo thành giảm, các chất chuyển hóa thành acid propionic, butyric, ethanol → metan giảm. Mối quan hệ cộng sinh giữa VK acetic và VK metan. Nhóm VK metan – Methanogens VK metan chia thành 3 nhóm phụ. VK metan hydrogenotrophic: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Vk metan acetotrophic: CH3COOH → CH4 + CO2 Methylotrophic methanogens: 3CH3OH + 6H+ → 3CH4 + 3H2O (3.10) 4(CH3)3 – N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Nhóm VK metan bao gồm cả gram âm và gram dương, tăng trưởng chậm. Thời gian thế hệ: 3 ngày ở 350C. 50 ngày ở 100C Một số nhóm vi khuẩn metan QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ BẰNG BỂ UASB Khái niệm: UASB ( Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là bể phản ứng kị khí, dòng nước chuyển động thẳng đứng từ dưới lên trên đi qua đệm bùn trong đó bao gồm các sinh khối được hình thành dưới dạng hạt nhỏ hay lớn. Giải pháp này cho phép nước thải tiếp xúc với hạt bùn. Các khí sinh ra trong quá trình thủy phân lại là nguyên nhân tạo nên sự chuyển động bên trong đệm bùn. Bể lắng sau bể phản ứng có thể hợp khối hoặc tách riêng. Dựa trên nguyên lí đệm này nên hiện nay có nhiều kiểu thiết bị khác nhau. Nguyên tắc: Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên với vận tốc 0.6 – 0.9 m/h. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí xảy ra (bùn + nước thải) tạo ra khí (70 – 80% CH4). Cấu tạo bể UASB Bể phản ứng có thể làm bằng bê tông, thép không gỉ được cách nhiệt bên ngoài. Để tách khí khỏi nước thải, trong bể có gắn thêm các tấm phẳng đặt nghiêng so với phương ngang ≥350. Sơ đồ thiết bị phản ứng UASB trong phòng thí nghiệm Nguyên lý hoạt động của bể UASB Bể phản ứng có thể làm bằng bê tông, thép không gỉ được cách nhiệt bên ngoài. Trong thiết bị này thì nước thải thô được bơm từ phía dưới của thiết bị qua lớp đệm bùn (gồm các sinh khối dạng hạt) [1,2] . Sự xử lý xảy ra khi nước thải đến và tiếp xúc với các hạt sinh khối và sau đó đi ra khỏi thiết bị từ phía trên của thiết bị. Trong suốt quá trình này thì sinh khối với đặc tính lắng cao sẽ được duy trì trong thiết bị. Một trong những bộ phận quan trọng của thiết bị UASB đó là bộ phận tách khí - lỏng - rắn ở phía trên của thiết bị. Trong quá trình xử lý nước thải, lượng khí tạo ra chủ yếu là CH4 và CO2 tạo nên sự lưu thông bên trong giúp cho việc duy trì và tạo ra hạt sinh học. Các bọt khí tự do và các hạt khi thoát lên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thu khí. Dịch lỏng chứa một số chất còn lại và hạt sinh học chuyển vào ngăn lắng, ở đó chất rắn được tách khỏi chất lỏng và quay trở lại lớp đệm bùn, nước thải sau đó được thải ra ngoài ở phía trên của thiết bị. Hỗn hợp khí – lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này, bùn tiếp xúc được nhiều với các chất hữu cơ có trong nước thải và quá trình thủy phân xảy ra tích cực. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kị khí sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ, giúp cho việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Một số bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên trên mặt hỗn hợp phía trên bể. Khi va chạm phải lớp lưới chắn phía trên, các bọt khí bị vỡ ra và hạt bùn được tách ra lại lắng xuống dưới bể. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, vận tốc hướng dòng lên phải giữ ở khoảng 0,6 -0,9 m/h. Tải trọng và năng suất của bể được thể hiện ở bảng sau: Quá trình Nhu cầu oxy hóa học, COD vào (mg/l) Thời gian lưu nước trong bể (h) Tải trọng chất hữu cơ ( kg COD/m3.ngày) Hiệu suất khử COD (%) Quá trình tiếp xúc kị khí 1500 – 5000 2 - 10 0,48 – 2,4 75 - 90 Quá trình với nền bùn kị khí dòng hướng lên 5000 – 15000 4 – 12 4 – 12,01 75 – 85 Vật liệu cố định 10000 – 20000 24 – 48 1 – 5 75 – 85 Vật liệu trương nở 5000 - 10000 5 – 10 4,8 – 9,6 80 – 85 Quá trình phân hủy các chất nền tạo ra hai vùng riêng biệt trong bể: lớp bùn và đệm bùn. Lớp bùn chiếm khoảng ¼ dưới đáy bể ( theo chiều cao) là một lớp hạt bùn với nồng độ 5 -7%. Đệm bùn nằm ở phía trên lớp bùn với nồng độ chất rắn rất cao từ 1000-3000mg/l bao gồm những hạt bùn nhỏ luôn chuyển động. không gian của đệm bùn kể từ phía trên lớp bùn đến một phần ở phía dưới của ngăn lắng. lằng là giai đoạn kết thúc của quá trình xử lí. Bề mặt của bể phản ứng có nồng độ chất rắn thấp nhất. Nước chuyển động từ dưới lên trên và được tiếp xúc với lớp bùn và xảy ra quá trình phân hủy sinh học. Trước khi vào ngăn lắng, nước chảy qua những tấm chắn để tách khí. Các bọt khí khi bám vào các hạt bùn được giữ lại trong những túi nằm phía dưới tấm chắn và cuối cùng thì được thoát ra ngoài khi áp suất đã đủ lớn. Nước trong ngăn lắng tràn qua máng thu để đưa ra ngoài, bùn lắng lại trong ngăn lắng tuần hoàn ở phía dưới ngăn lắng. Vì Sinh khối ở dạng hạt nên quá trình lắng xảy ra rất có hiệu quả, thêm vào đó là việc bố trí rất nhiều vách ngăn làm thay đổi dòng chảy nhiều lần tạo thuận lợi cho việc tách khí và do đó khí không gây cản trở cho quá trình lắng. Từ nguyên lý hoạt động của thiết bị có thể thấy rằng chìa khóa thành công của UASB là vấn đề tạo hạt bùn. Lý thuyết spaghetti trong việc tạo thành bùn hạt: Sự hình thành bùn hạt trong thực tế là một quá trình tự nhiên. Hiện tượng này thường xuất hiện trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải dùng công nghệ sinh học đáp ứng được những điều kiện cơ bản. Một trong những lý thuyết để giải thích quá trình tạo hạt của bùn là lý thuyết “spaghetti”, trong đó vi sinh vật dạng sợi đan xen vào nhau tạo thành một viên nấm (viên spaghetti). 1 – 1.5 mm Các viên ban đầu này có thể hình thành một bề mặt lôi kéo các vi sinh vật khác tham gia vào quá trình phân huỷ kỵ khí và hình thành bùn hạt. Quá trình tạo hạt bùn: Trong nước thải có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng, các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào và phát triển thành các hạt bông cặn. Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo sẽ lơ lửng ở trong nước và lớn dần lên do hấp phụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh vật và các chất độc. Những hạt bông này khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước cạn kiệt sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ thành bùn. Hạt bùn Ưu và nhược điểm của bể UASB: Ưu điểm Giảm lượng bùn sinh học, do đó giảm được chi phí xử lí bùn.Khí sinh ra là khí biogas (CH4) mang tính kinh tế cao. Ba quá trình: phân hủy - lắng bùn - tách khí diễn ra trong cùng một công trình; Vì bùn kỵ khí có thể hồi phục và hoạt động được sau một thời gian ngưng không hoạt động nên bể có khả năng hoạt động theo mùa. Xử lí được hàm lượng chất hữu cơ cao, tối đa là 4000 mg/l, BOD 500 mg/l, điều này không thể thực hiện được ở các bể sinh học hiếu khí hay chỉ áp dụng ở những bể đặc biệt như Aerotank cao tải. So với Aerotank (0.3 – 0.5 kgBOD/m3/ngày) thì bể UASB chịu được tải trọnggấp 10 lần khoảng 3 – 8 kgBOD/m3/ngày, từ đó giảm được thể tích bể. Không tốn năng lượng cho việc cấp khí vì đây là bể xử lí sinh học kị khí , đối với các bể hiếu khí thì năng lượng này là rất lớn. Xử lí các chất độc hại, chất hữu cơ khó phân hủy rất tốt. Khả năng chịu sốc cao do tải lượng lớn. Ít tốn diện tích. Nhược điểm Khởi động lâu, phải khởi động một tháng trước khi hoạtđộng. Hiệu quả xử lí không ổn định vì đây là quá trinh sinh học xảy ra tự nhiên nênchúng ta không thể can thiệp sâu vào hệ thống. Lượng khí sinh ra không ổn địnhgây khó khăn cho vận hành hệ thống thu khí. Xử lí không đạt hiệu quả khi nồng độBOD thấp. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí Nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu cho bể UASB là 30 -350C. Thời gian lưu: Tùy thuộc nước thải và điều kiện môi trường. Đủ lâu cho phép các hoạt động trao đổi kỵ khí xảy ra. pH: pH hoạt động: 6.7 – 7.4 pH tối ưu: 7.0 – 7.2 Quá trình thất bại nếu pH → 6. Bổ sung CaCO3, NaOH, NaHCO3 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý và sự tạo khí Cạnh tranh giữa VK metan và vi khuẩn khử sulfat Vi khuẩn metan và VK khử sulfate rất cạnh tranh ở tỷ số COD/ SO4 = 1.7 – 2.7 Tỷ số này tăng có lợi cho VK metan. ỨNG DỤNG BỂ UASB ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN THỦY SẢN Khảo sát và phân tích mẫu nước thải chưa qua hệ thống xử lý tại một số nhà máy chế biến thủy sản cho thấy: Hàm lượng ô nhiễm hữu cơ (BOD) cao gấp 20 đến 40 lần; Hàm lượng vi sinh (coliform) vượt gấp ngàn lần và hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước (SS) vượt hơn 100 lần tiêu chuẩn nước thải công nghiệp cho phép thải vực nước dùng làm mục đích sinh hoạt (TCVN 5945:2005 cột A). Thành phần Đơn vị đo Hàm lượng Chất rắn lơ lửng mg/l 800 – 1200 COD mg/l 700 – 1500 BOD5 mg/l 600 – 1300 Tổng Nitơ mg/l 100 – 350 Photpho mg/l 30 - 70 Công nghệ xử lý: Quy trình xử lý nước thải lựa chọn theo phương án xử lý 3 bậc nhằm hạn chế đến mức tối đa hàm lượng chất thải Bậc xử lý Quá trình xử lý Sơ bộ Tách rác, lắng cát, cân bằng, tuyển nổi Bậc 1 Xử lý kỵ khí trong bể UASB Bậc 2 Xử lý hiếu khí Aeroten Bậc 3 Keo tụ, lắng lọc, khử trùng Bao gồm các công đoạn như sau: Lọc rác bằng máy lọc rác tự động Thu gom, cân bằng nước thải và tách dầu mở Xử lý bậc 1 bằng phương pháp sinh học yếm khí trong bể UASB Xử lý bậc 2 bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong bể AEROTEN Xử lý bậc 3 bằng phương pháp hóa lý: keo tụ, lắng lọc và khử trùng. Bùn lắng tụ được hút vào ngăn chứa bùn, bể phân hủy bùn và cuối cùng được hút thải vào bãi rác hoặc dùng để bón cây. Diễn giải công nghệ: Nước thải trước khi đi vào bể gom được tách các chất rắn thô bằng lưới chắn rác. Nước thải sau khi qua SCR sẽ tự chảy qua bể tách dầu kết hợp bể lắng cát Nước sau khi qua bể tách dầu kết hợp bể lắng cát sẽ tự chảy vào bể điều hòa, máy khuấy trộn chìm sẽ hòa trộn đồng đều nước thải trên toàn diện tích bể, ngăn ngừa hiện tượng lắng cặn ở bể sinh ra mùi khó chịu. Nước sau bể điều hòa được bơm lên bể UASB. Đây là công trình sinh học hoạt động trong điều kiện kỵ khí, xử lý các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm cao. Nước thải sau khi qua bể UASB sẽ tự chảy vào cụm bể anoxic và bể aerotank. Nước sau cụm bể anoxic - aerotank tự chảy vào bể lắng. Nước được phân phối vào ống trung tâm của bể lắng và được hướng dòng từ trên xuống. Các bông cặn vi sinh sẽ va chạm, tăng kích thước và khối lượng trong quá trình chuyển động trong ống tung tâm. Bùn lắng xuống đáy bể. Một phần được tuần hoàn lại bể anoxic, một phần được đưa đến bể chứa bùn. Nước trong chảy tràn qua máng răng cưa của bể lắng và tự chảy vào bể trung gian lưu giữ nước trong khoảng thời gian nhất định. Sau đó, nước được bơm vào bể lọc áp lực để loại bỏ triệt để các cặn còn sót lại trong nước trước khi đi vào bể khử trùng. Tại bể khử trùng, nước thải được được khử trùng trước khi xả thải vào nguồn tiếp nhận, để xử lý triệt để các vi trùng gây bệnh trong nước như E.Coli, Coliform … Phần bùn dư trong bể lắng được đưa tới bể chứa bùn để lưu trữ trong khoảng thời gian nhất định, sau đó được hút định kì.