CÔNG NGHỆ SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI AO

I. CHỨC NĂNG CỦA CÁC BỂ XỬ LÝ

1. BỂ THU GOM:

Chức năng:

Thu gom, tập trung các nguồn nước thải của dự án;
Kết hợp với một song chắn rác để giữ lại toàn bộ các tạp chất kích thước lớn.

2. BỂ ĐIỀU HÒA:

a) Chức năng:

Điều hòa lưu lượng, nồng độ pH;
Giúp cho lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm tại mọi thời điểm là như nhau;
Ổn định hệ thống, tránh hiện tượng sốc tải do thiếu hụt hoặc quá tải hệ thống.

b) Cơ chế hoạt động:

Sử dụng máy đo pH hoạt động độc lập và liên tục để điều hòa nồng độ pH;
Đáy bể được lắp đặt hệ thống sục khí liên tục nhằm tránh tình trạng lắng cặn, phân hủy và tách mùi hôi cho các bể xử lý phía sau.

3. BỂ THIẾU KHÍ (ANOXIC):

a) Chức năng: (sử dụng chủng loại vi sinh vật phù hợp).

Xử lý Nito và phốtpho.

b) Cơ chế hoạt động:

Nước thải từ bể điều hòa được dẫn vào bể thiếu khí Anoxic để tham gia các phản ứng Nitrat hóa và Photphorit. Nguyên lý bể Anoxic được mô tả cụ thể như sau:

Quá trình phản ứng Nitrat được mô tả bằng phương trình:

NH3 → NO3 → NO2 → NO → N2O → N2 (gas)

Tổng hợp của quá trình khử Nitrat là sự kết hợp của một vài phản ứng như dưới đây:

NO3− + 2 H+ + 2 e−→ NO2− + H2O (Nitrate reductase)

NO2− + 2 H+ + e− → NO + H2O (Nitrite reductase)

2 NO + 2 H+ + 2 e− → N2O + H2O (Nitric oxide reductase)

N2O + 2 H+ + 2 e− → N2 + H2O (Nitrous oxide reductase)

Quá trình hoàn chỉnh có thể được biểu thị dưới dạng phản ứng oxi hóa khử cân bằng, trong đó nitrat (NO3−) được khử hoàn toàn thành Nitơ tự do (N2):

2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O

Quá trình phản ứng Photphorit:

PO4-3 Microorganism (PO4-3)salt => sludge

Hầu hết vi khuẩn khử nitrate là dị dưỡng, nghĩa là chúng lấy carbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ. Bên cạnh đó, vẫn có một số loài tự dưỡng, chúng nhận carbon cho tổng hợp tế bào từ các hợp chất vô cơ. Ví dụ loài Thiobacillus denitrificans oxy hóa nguyên tố S tạo năng lượng và nhận nguồn carbon tổng hợp tế bào từ CO2 tan trong nước hay HCO3-

Phương trình sinh hóa của quá trình khử nitrate sinh học: Tùy thuộc vào nước thải chứa carbon và nguồn nitơ sử dụng.

Phương trình năng lượng sử dụng methanol làm chất nhận electron:

6 NO3- + 5 CH3OH => 5 CO2 + 3 N2 + 7 H2O + 6 OH-

Toàn bộ phản ứng gồm cả tổng hợp sinh khối:

NO3- + 1,08 CH3OH + 0,24 H2CO3 => 0,056 C5H7O2N + 0,47N2 + 1,68 H2O + HCO3-

O2 + 0,93 CH3OH + 0,056 NO3- => 0,056 C5H7O2N + 0,47 N2 + 1,04 H2O + 0,59 H2CO3 + 0,56 HCO3-

Phương trình năng lượng sử dụng metanol, amoniac-N làm chất nhận electron:

NO3- + 2,5 CH3OH + 0,5 NH4+ + 0,5 H2CO3 => 0,5 C5H7O2N + 0,5 N2 +4,5 H2O + 0,5 HCO3-

Phương trình năng lượng sử dụng metan làm chất nhận electron:

5 CH4 + 8NO3- => 4 N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8 OH-

Toàn bộ phản ứng gồm cả tổng hợp sinh khối sử dụng nước thải làm nguồn cacbon, amoniac-N, làm chất nhận electron:

NO3- + 0,345 C10H19O3N + H+ + 0,267 NH4+ + 0,267 HCO3- => 0,612 C5H7O2N + 0,5 N2 +2,3 H2O + 0,655 CO2

c) Thiết bị cần thiết giúp bể Anoxic hoạt động tốt và hiệu quả nhất:

Máy bơm khuấy trộn nước đảm bảo hoạt động đủ lưu lượng dòng chảy để đẩy hoàn toàn N2 ra không khí (đảo trộn nước thải và vi sinh trong bể thiếu khí; bơm hoạt động gián đoạn theo rơ le thời gian);
Hệ thống có chức năng hồi lưu bùn vi sinh từ bể lắng thứ cấp về bể Anoxic (bơm hoạt động gián đoạn theo rơ le thời gian);
Hệ thống cung cấp dinh dưỡng cho vi sinh vật thiếu khí phát triển. (Chất dinh dưỡng: Mật rỉ đường, methanol, soda,…).

4. BỂ HIẾU KHÍ (AEROTEN):

a) Chức năng: (sử dụng chủng loại vi sinh vật phù hợp).

Xử lý triệt để chất ô nhiễm hữu cơ (là cơ chất mà vi sinh vật hiếu khí sử dụng để phát triển lên sinh khối)
Nitrit, amoni, amin được chuyển hóa thành nitrat để khử nito ở công đoạn tuần hoàn.

b) Cơ chế hoạt động:

Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí, chúng sẽ sử dụng oxy hòa tan có trong nước để phân giải chất hữu cơ (chất ô nhiễm cần xử lý). Các vi sinh vật sẽ khử nitrat thành N2 và thải vào không khí. Điều kiện chung cho vi khuẩn nitrat hóa pH = 5,5 – 9 nhưng tốt nhất là 7,5. Khi pH < 7 thì vi khuẩn phát triển chậm, oxy hòa tan cần là 0,5 mg/l, nhiệt độ từ 5 – 40℃.
Quá trình này diễn ra mạnh mẽ nếu dùng biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của vi sinh vật. Ngoài ra, nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý là 20 – 40℃, tối ưu là 25 – 30℃.

Đầu tiên là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ:

CxHyOz + O2 – Enzym —–> CO2 + H2O + ΔH

Trong giai đoạn này, những bùn hoạt tính được hình thành và phát triển nhanh chóng. Tốc độ oxy hóa càng cao thì tốc độ tiêu thụ oxy cũng diễn ra càng nhanh. Ở thời điểm này, lượng dinh dưỡng trong các chất thải cao nên tốc độ sinh trưởng phát triển của vi sinh vật lớn. Cũng vì vậy mà nhu cầu tiêu thụ oxy trong bể Aeroten rất lớn.

Quá trình tổng hợp tế bào mới:

CxHyOz +NH3 + O2 – Enzym —-> CO2 + H2O + C5H7NO2 + ΔH

Ở quá trình này, vi sinh vật phát triển ổn định và nhu cầu tiêu thụ oxy của chúng cũng không có sự thay đổi quá nhiều. Cũng tại đây, các chất hữu cơ được phân hủy nhiều nhất. Đồng thời, hoạt lực của Enzym trong bùn hoạt tính cũng đạt mức cực đại.

Quá trình phân hủy nội bào:

C5H7NO + 5O2 – Enzym —-> 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ΔH

Trong giai đoạn này, tốc độ tiêu thụ oxy trong bể lại tiếp tục tăng cao. Theo nguyên lý làm việc của bể Aeroten thì giai đoạn này là lúc Nitrat hóa các muối Amoni. Ngay sau đó nhu cầu tiêu thụ oxy lại tiếp tục giảm xuống.

Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO2(dạng vô cơ) hơn là các nguồn các bon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng.

Bước 1. NH4+ + 1,5 O2 –> NO2- + 2H+ + H2O

Bước 2. NO2- + 0,5 O2 –> NO3-

Khi vận hành bể Aeroten, cần lưu ý nếu sau quá trình oxy hóa được khoảng 80-90 % mà không khuấy đều thì bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy nên phải mất thời gian để lấy bùn cặn ra khỏi nước. Trong trường hợp không kịp tách bùn thì nước ở trong bể sẽ bị ô nhiễm.

c) Thiết bị cần thiết giúp bể Anoxic hoạt động tốt và hiệu quả nhất:

Đáy bể được lắp đặt hệ thống sục khí liên tục nhằm cung cấp đầy đủ lượng oxy cho vi sinh vật.
Giá thể vi sinh, nơi sinh vật bám dính để sinh trưởng và phát triển. Dựa vào diện tích tiếp xúc của giá thể, vi sinh sẽ dính bám trên bề mặt tạo thành lớp màng nhầy có tác dụng phân hủy sinh học.

Quá trình dính bám của giá thể vi sinh có thể chia thành 4 giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1 : Kết dính ban đầu. Là quá trình vi sinh bám vào bề mặt của giá thể tạo thành lớp màng. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng.
Giai đoạn 2 : Phát triển. Vi sinh vật bắt đầu phát triển trên lớp màng bắt đầu quá trình phân hủy sinh học
Giai đoạn 3 : Trưởng thành. Là giai đoạn vi sinh đã phát triển, lớp màng đã dày lên, hiệu suất phân hủy sinh học cao nhất. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối.
Giai đoạn 4 : Phân tán. Sau khi phát triển đến độ dày nhất định, lớp màng không dày lên nữa và trở nên ổn định. vi sinh sẽ tróc ra khỏi bề mặt của giá thể. Sự trao đổi chất diễn ra để phân hủy chất hữu cơ thành CO2 và nước. Lượng vi sinh vật không thay đổi do chiều dày lớp màng hiệu quả không thay đổi và không có sự gia tăng sinh khối trong giai đoạn này. Lượng cơ chất phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không vi sinh sẽ thiếu dinh dưỡng và bắt đầu phân hủy nội bào để cân bằng với cơ chất và sinh khối.

Các giai đoạn trên sẽ diễn ra cùng lúc xen kẽ với nhau giúp quá trình phân hủy sinh học diễn ra liên tục. quá trình phân hủy nội bào và quá trình trao đổi chất sẽ diễn ra đồng thời với nhau. Khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào.

5. BỂ KỴ KHÍ (UASB)

c) Chức năng:

Chủ yếu xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ (BOD, COD) rất cao (lên tới hàng ngàn mg/l).

b) Cơ chế hoạt động:

Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí:

Chất hữu cơ + Vi sinh vật → CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới

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

Quá trình phân hủy sinh học của vi sinh vật kỵ khí phức tạp:

c) Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kỵ khí trong bể UASB

Điều kiện kỵ khí bên trong bể là 100% không được có oxy hòa tan trong nước thải. Có nghĩa là chỉ số DO phải bằng không hoặc là tiệm cận 0;
Chất dinh dưỡng: bao gồm carbon, nitơ, phốt pho và những nguyên tố vi lượng khác. Tất cả phải có một tỷ lệ phù hợp; Nếu không có đủ lượng nito thì sẽ ảnh hưởng tới quá trình hình thành các enzym để thực hiện phân giải. Nhưng nếu cung cấp quá nhiều nito thì sự phát triển của vi sinh vật sẽ bị hạn chế;
Nhiệt độ trung bình 20-32℃;
Nồng độ pH: 6,7-7,4. Quá trình phân hủy kỵ khí sẽ không được diễn ra nếu độ pH nhỏ hơn 6, lúc này cần phải bổ sung thêm CaC03, NaOH, NaHCO3.
Thời gian lưu nước;
Sự cạnh tranh giữa vi khuẩn metan và vi khuẩn sunfat: 2 loại vi khuẩn này cạnh tranh nhau khá mạnh trong nước thải. Dựa vào tỷ số COD/SO4 để khống chế vi khuẩn khử sunfat. Tỷ số này trong khoảng 1,7 tới 2,7 là tốt nhất, lúc này vi khuẩn Metan hoạt động mạnh hơn.
Những yếu tố gây độc: có thể kể tới như: Amoni, Hydrocarbon có Clo, hợp chất vòng benzen,. axit bay hơi, chất khử trùng, chất sát trùng, kim loại nặng, sulfic, tanin,…
Tỷ lệ C/N: C/N = 30/1 là tỷ số thích hợp; C/N > 30: N nhỏ do đó dinh dưỡng không đủ để vi sinh vật tổng hợp tế bào vì vậy kéo dài thời gian xử lý;

C/N < 30 trở thành chất độc kìm hãm vi sinh vật cho nên hiệu quả xử lý giảm.

d) Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí:

HẦM BIOGAS: Biogas là khí sinh học do một số vi khuẩn phân giải kỵ khí chất hữu cơ tạo ra. Các chất hữu cơ được ủ trong điều kiện kỵ khí để sinh ra các chất khí như H2S, CO2, N2 và CH4, trong đó CO2 và CH4 có thể cháy được.

Hầm biogas là một hệ thống tự động, khi mà khí được sinh ra trong điều kiện kỵ khí sẽ đẩy cặn bã vào bể áp lực và ống nạp nhiên liệu. Khi mở van thì các cặn bã trong bể áp lực và ống nạp nhiên liệu sẽ đẩy khí ra để sử dụng.

BỂ TỰ HOẠI: Bể tự hoại là công trình xử lý nước thải bậc I (xử lý sơ bộ) có nhiệm vụ làm sạch sơ bộ hoặc hoàn toàn nước thải trước khi thải ra sông, hồ hay mạng lưới thoát nước bên ngoài.

Bể tự hoại hoạt động theo nguyên lý tạo ra trong hai quá trình là quá trình lắng nước thải và quá trình lên men cặn lắng. Bể tự hoại thường được dùng trong các hộ gia đình có thể thống cấp thoát nước bên trong nhưng bên ngoài là hệ thống thoát nước chung không có trạm xử lý, thời gian lưu nước trong bể từ 1 đến 3 ngày. Bể tự hoại cũng được sử dụng trong xử lý cặn bùn của hệ thống xử lý nước thải chế biến thủy sản, với thời gian lưu bùn từ 1-2 tháng. Bùn được nâng nhiệt đến 35℃ và có van tháo cặn dưới đáy bể.