Bài giảng Các phương pháp xử lý sinh học tự nhiên - Phần 1+2

Phần I : Nội dung trình bày : Phần I : Khái quát về phương pháp xử lý sinh học tự nhiên Phần II : Một vài phương pháp xử lý sinh học tự nhiên 1. Cánh đồng tưới và bãi lọc sinh học 2. Hồ sinh học Phần III : Vi Sinh Vật trong xử lý nước thải 1. Các Vi Sinh Vật ảnh hưởng quá trình tự làm sạch. 2. Các Vi Sinh Vật khác trong quá trình xử lý nước thải.  Tài liệu tham khảo. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên Cánh đồng tưới và bãi lọc sinh học Hồ sinh học Hồ hiếu khí Hồ kị -hiếu khí Hồ kị khí Vi Sinh Vật Hợp Chất Hữu Cơ Nước Chất Vô Vơ Khí CO2, H2O Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Trong điều kiện tự nhiên Trong điều kiện nhân tạo Phân loại Phần II : Cánh đồng tưới  Mục đích : Tưới bón cây, xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp chứa nhiều chất hữu cơ không chứa chất độc và vi sinh vật gây bệnh.  Hiệu quả : BOD20 còn 10-15mg/l, NO 3- là 25mg/l, vi khuẩn giảm tới 99,9%. Nước thu không cần khử khuẩn có thể đổ vào các thủy vực A) Cánh đồng tưới và bãi lọc : Cánh đồng tưới và bãi lọc sinh học Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc Cánh đồng tưới nông nghiệp 1. Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp (đã loại bỏ các chất độc hại) ,chứa một hàm lượng các chất dinh dưỡng N:P:K =5:1:2 rất thích hợp làm phân bón cho thực vật. Nước thải Xử lí nước thải theo điều kiện tự nhiên Làm phân bón Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc 1. Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc Nguyên tắc hoạt động : Cặn Nước Nước thải Quá trình oxi hóa các chất hữu cơ Quá trình khử nitrat O2 nhiều O2 ít ( Đá nghiền nhỏ / sỏi) ( Ống dẫn nước có đục lỗ) ( buồng phân bố) (hố phân tự hoại) 1. Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc 1. Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc  Nguyên tắc xây dựng: Sơ đồ cánh đồng tưới 1. Mương chính và màng phân phối; 2. Máng, rãnh phân phối trong các ô; 3. Mương tiêu nước; 4. Ống tiêu nước; 5. Đường đi  Phải xem xét nhu cầu nước của cây trồng theo các yếu tố loại cây trồng, thời vụ, loại đất và giai đoạn sinh trưởng mà sử dụng nước thải để tưới .  Kích thước các ô tưới cũng >= 3 ha, nếu ô hình chữ nhật thì bố trí tỉ lệ chiều rộng/chiều dài khoảng 1: 4 đến 1: 8, chiều dài của ô khoảng 300 - 1.500 m để thuận lợi cho việc cơ giới hóa.  Độ dốc khu tưới chọn khoảng 0,02 và khu tưới nên để xa khu dân cư theo bảng sau:  Dựa vào tốc độ mà chia 3 hình thức xử lý nước thải qua đất (cánh đông lọc,tưới) là:  lọc chậm (slow rate)  tính mức tải thủy lực dựa vào tính thấm của đất  tính mức tải thủy lực dựa vào nhu cầu tưới  tính mức tải thủy lực dựa vào mức giới hạn Nitrogen  thấm nhanh (rapid infiltration)  chảy tràn mặt (overland flow). Tùy theo hiện trạng của đất (loại đất, hướng dốc, độ dốc, tầng nước ngầm, mục tiêu sử dụng đất,...) người ta có thể một phương thức xử lý hoặc kết hợp nhiều phương thức khác nhau. Hình 4.12: Xử lý nước thải bằng cách lọc chậm qua đất Hình 4.13: Xử lý bằng cách cho thấm nhanh qua đất Hình 4.14: Cánh đồng lọc bằng chảy tràn mặt Trong 3 phương cách làm sạch nước thải qua đất nói trên, cách thức cho tưới chảy tràn mặt cho hiệu quả cao hơn, xem bảng 4.6. Ngoài ra, một số nơi còn áp dụng việc xử lý nước thải qua các vùng đất ngập nước (wetland application), độ sâu ngập trong khoảng 0,1 - 1,8 m, hoặc dùng nước thải xả vào các vùng trũng thấp để nuôi trồng các thực vật thủy sinh nổi (floating aquatic plant) như hình 4.16 Hình 4.17 : Bên dưới là một kiểu kênh lọc bằng thực vật. Bằng cách cho nước thải qua các ống PVC có đục lỗ hoặc cưa chéo dẫn vào các đoạn kênh đổ đất cát sỏi,đáy kênh được trải các tấm nylon, trong lòng kênh các loại cỏ có thể hấp thu các độc chất trong nước thải như cỏ đuôi mèo (cattail), nước thải sau khi được xử lý qua thực vật có thể thu hồi bằng một ống PVC có đục lỗ ở đáy bên kia của kênh lọc. Khu đất chỉ dùng xử lý hoặc chứa nước thải thì gọi là bãi lọc. Bãi lọc trồng cây  Bãi lọc trồng cây gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ mới, xử lí nước thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi.  Khác với bãi đất ngập nước tự nhiên, thường là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý, với chất lượng đã đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn và chúng chỉ làm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, bãi lọc trồng cây là một thành phần trong hệ thống các công trình xử lý nước thải sau bể tự hoại hay sau xử lý bậc hai. Đặc điểm chung cu ̉a ba ̃i lo ̣c  Nhu cầu năng lượng thấp (lấy từ NL mặt trời)  Yêu cầu diện tích lớn hơn so với HT thông thường  Dễ xây dựng và bảo dưỡng  Có thể sử dụng nguyên vật liệu địa phương  Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp  Chịu được thay đổi tải trọng  Có giá trị thẩm mỹ và sinh học  Có thể áp dụng để xử lý nước thải,nước xám, NTCN hay nước Có 2 loại ba ̃i lọc được du ̀ng: FSW Bãi lọc trồng cây ngập nước SSF Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm SSF dòng chảy ngang SSF dòng chảy thẳng đứng FSW CW  FSW diện tích ~10-20 m2 /người để xử lí bậc 2  Dễ XD ,chủ yếu là đào lấp đất  XL sơ bộ trong hồ lắng, bể tự hoại hay bể lắng 2 vỏ  Vệ sinh : VK,muỗi  Lấy bùn ,thu hoạch cây SSF CW • Diện tích ~2-5 m2 /người để XL bậc 2 • Có thể cần có thêm đất XL sơ bộ trong bể tự hoại hay bể lắng 2 vỏ • Rủi ro về mặt VS thấp • Phải làm sạch ống phân phối thường xuyên • Có thể cần sử dụng bơm. Lựa cho ̣n loại ba ̃i lo ̣c :  Nên chọn SSF khi diện tích dất hạn chế  Để xử lý nước xám, nên dùng SSF ,lượng bốc hơi ít hơn  Khi yêu cầu mức độ xử lí cao,nên chọn hệ thống kết hợp (với dòng chảy thẳng đứng)  Để xử lí bậc 3 ,nên chọn FWS – rủi ro từ muỗi hạn chế việc áp dụng chúng cho XL bậc 2 ở khu vực đô thị .cần tiếp tục NC SSF dòng chảy ngang và SSF dòng chảy thẳng đứng:  Cả 2 loại bỏ được BOD &TSS  SSF dòng chảy ngang có lượng oxy hòa tan thấp nên không nitrat hóa được NT sau xử lý bậc 2  SSF dòng chảy thẳng đứng : hiếu khí ,thích hợp cho nitrat hóa  Loại bỏ P phụ thuộc vào thành phần hóa học và kích thước hạt dùng làm vật liệu trong bãi lọc  CW được thiết kế theo mức độ phản ứng trong mô hình dòng chày chảy đẩy  Chú ý : không xảy ra chế độ dòng chảy đẩy tối ưu trong CW. Đây là sự đơn giản hóa để thiết kế. Mô hình ứng dụng Constructed Wetland Dòng chảy ngang Dòng chảy đứng Cấu trúc SSF CW dòng chảy trong điển hình: sử dụng một cỡ hạt hay cấp phối ;dòng vào không liên tục giúp cho phân phối đều nước Cấu trúc SSF CW dòng chảy ngang điển hình Nguyên tắc thiết kế bãi lọc trồng cây ngập nước (FSW)  Mực nước nông (0.5 m ) để oxy xâm nhập vào nước  Chất rắn lắng được trong cả cùng nước sâu đầu bãi hay nơi cây mọc  Các vùng nước sâu lặp lại (> 1m ) bố trí vuông góc với dòng chảy để phân bổ lại dòng  Thường nông, trồng thực vật nhô lên mặt nước trước đầu ra. Nguyên tă ́c xây dựng ba ̃i lo ̣c trồng cây ngâ ̣p nước (FSW):  Xây dựng sao cho thuận tiện khi bảo dưỡng, SSF dòng chảy ngang :  Tiếp cận tới bể tự hoại hay bể lắng 2 vỏ dễ dàng lấy bùn  Trồng cây cẩn thận để tránh phải trồng lại  Đầu ra linh hoạt để chỉnh được mực nước trong bãi lọc – ban đầu giữ nước ngập để trồng cây và ngăn cỏ dại mọc.  Đầu dẫn NT vào phải được thiết kế để dễ làm sạch Các hằng số diện tích bậc 1 cho bãi lọc trồng cây ngập nước trên thế giới : Nguyên tă ́c thiê ́t kê ́ ba ̃i lo ̣c trồng cây do ̀ng cha ̉y ngầm (FSW)  XD nhằm bảo dưỡng dễ dàng.  Đầu vào với hố lắng sâu hơn  Dễ tiếp cận tới đầu vào để lấy bùn khi cần  Thiết kế hình dạng sao cho dễ thu hoạch cây  Đầu ra linh hoạt dể cho phép xả nước từ ô khi thu hoạch  Trồng các loại cây dự kiến từ đầu  Tránh ngập để chống muỗi 2. Cánh đồng tưới nông nghiệp :  Chủ yếu phục vụ cho nông nghiệp, sử dụng nước thải làm phân bón để tưới các cánh đồng nông nghiệp. Dực theo chế độ nước tưới phân thành 2 loại: - Thu nhận nước thải quanh năm - Thu nước thải theo mùa  Nguyên tắc hoạt động : - lợi dụng nước thải có sẵn sau khi thu hoạch hay sau mùa mưa rồi giữ trữ nước thải trong các đầm hồ (hồ nuôi cá, hồ sinh học, hồ điều hòa,) hoặc xả ra các cánh đồng ,các vùng dự trữ.  Nguyên tắc xây dựng : - tùy thuộc vào đặc điểm thoát nước của vùng và loại cây trồng hiện có mà lựa chọn loại cánh đồng thích hợp. 2. Cánh đồng tưới nông nghiệp : Song chắn rác Bể lắng cát XỬ LÍ SƠ BỘ Lưu ý: Trường hợp lưu lượng nước thải nhỏ hơn 5.000 m3 /ngày nhưng lượng BOD5 cao thì vẫn nên sử dụng bể mêtaten. Cấu tạo chung:  Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn gọi là hồ oxy hóa, hồ ổn định nước thải, Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác. Nguyên tắc hoạt động chung cu ̉a 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 được thấp hơn 60C.  Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch của hồ.  Ngoài việc xử lý nước thải còn có dùng đê ̉ : + Nuôi trồng thuỷ sản. + Nguồn nước để tưới cho cây trồng. + Điều hoà dòng chảy.  Gồm 3 loại : + Hồ kỵ khí. + Hồ kỵ hiếu khí + Hồ hiếu khí. Nguyên tắc hoạt động chung cu ̉a Hồ Sinh Học:  Mục đích : o Dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng bằng PP sinh học tự nhiên dựa trên sự phân giải của VSV kỵ khí. o Chuyên dùng xử lý nước thải CN nhiễm bẩn, có nồng độ chất hữu cơ và hàm lượng cặn cao. (Anaerobic pond- Metan pond)  Đặc điểm o Khoảng cách vệ sinh (cách XN thực phẩm): 1.5-2 km. o Chiều sâu: h = 2.4-3.6.m (có thể =9.1m)  thời gian lưu nước từ 2-5 ngày.(tối ưu là 5 ngày)  S << Shồ hiếu khí. (chỉ khoảng 10-20% Shồ hiếu khí)  Nhiệt độ tối ưu: 30-35oC  pH : 6,5-7,5 o Hiệu suất chuyển hóa BOD5 có thể đạt đến 70% - 85%. (Anaerobic pond- Metan pond)  Nguyên tắc xây dựng: chủ yếu là theo kinh nghiệm o Skỵ khí = (10-20%) Skỵ hịếu khí o thời gian lưu: + Mùa hè: 1.5 ngày + Mùa đông: > 5 ngày o E% BOD + Mùa hè: 65-80% + Mùa đông: 45-65%  Lưu ý : o Hồ có 2 ngăn để dự phòng (tháo bùn, ) o Cửa cho nước thải vào phải đặt chìm o S < 0.5 ha: 1 miệng xả o S > 0.5 ha: bổ sung thêm o Cửa lấy nước thiết kế giống thu nước bề mặt.  Độ sâu từ 0,7-1,8 m  Thời gian lưu nước khoảng 5 đến 30 ngày ; phụ thuộc vào hiệu suất xử lý (bao gồm nồng độ chất ô nhiễm đầu vào và đầu ra).  Nhiệt độ tối ưu: >15oC  Tải lượng BOD : 100-150 kg /ha/ngày.Có thể xử lý được 50-60% BOD.  Ưu điểm : chi phí vận hành = 0.  Nhược điểm:  Đòi hỏi S lớn  Nếu nước thải có hàm lượng ô nhiễm quá cao thì hiệu quả xử lý không triệt để, khó kiểm soát được mùi. (Facultative pond) 􀀹 Trong hồ xảy ra 2 quá trình song song: + Oxy hoá và ổn định hiếu khí.(ở lớp phía trên) + Phân hủy metan cặn lắng. (ở lớp dưới đáy) 􀀹 Có 3 lớp: + Hiếu khí + Trung gian + Kỵ khí 􀀹 Nguồn oxy cấp chủ yếu là do quá trình quang hợp rong (Facultative pond) Thiết kế : 1/ Chiều sâu của hồ: 0.9-1.5 m 2/ Tỷ lệ chiều dài và rộng: 3/ Vùng có gió:  S rộng Vùng ít gió:  Hồ có nhiều ngăn 4/ Nếu đáy dễ thấm  phủ lớp đất sét S = 15 cm 5/ Bờ hồ có mái dốc 6/ Trồng cỏ dọc hồ 7/Cấu tạo cửa vào và cửa ra 8/ Hiệu quả xử lý 9/ Thời gian lưu nước 10/ Tải lượng BOD5 Oxy hoá các chất HC nhờ VSV hiếu khí. Hồ làm thoáng tự nhiên Hồ làm thoáng nhân tạo Hồ hiếu khí tự nhiên (Aerobic pond) : cấp oxy chủ yếu do khuyếch tán không khí qua mặt nước và quang hợp của các thực vật. 􀀹 Chiều sâu của hồ: 30-50 cm. 􀀹 Diện tích đất rất lớn, chi phí vận hành gần như =0. 􀀹 Tải trọng BOD: 250-300 kg/ha.ngày (với Shồ =1ha) 􀀹 thời gian lưu nước: 3-12 ngày. 􀀹 Diện tích hồ lớn.  Nước thải được đưa vào và thoát ra theo đường chéo của hồ sẽ tăng hiệu suất xử lý.  Hồ làm thoáng nhân tạo: (hay còn gọi là hồ sục khí) cung cấp oxy bằng khí nén, máy khuấy, thúc đẩy quá trình phân hủy hiếu khí của các vi sinh vật hiếu khí. Tăng hiệu xuất xử lý và rút ngắn thời gian xử lý. 􀀹 Chiều sâu: h = 2-4.5 m. 􀀹 Tải trọng BOD: 400 kg/ha.ngày. 􀀹 Thời gian lưu: 1-3 ngày. 􀀹 Tuy nhiên hoạt động như hồ kỵ hiếu khí. DEEP MOOR , ENGLAND COMPTON BASSETT, ENGLAND HAREWOOD WHIN, ENGLAND SUMMERSTON, SCOTLAND Hồ Sinh Học Hiếu Khí