Bài giảng Kỹ thuật xử lý nước thải - Chương: Phương pháp sinh học xử lý nước thải

NƯỚC THẢI XL CƠ HỌC XL HOÁ HỌC XL SINH HỌC A. Dây chuyền công nghệ xử lý nuớc thải Nuớc thải có thể đuợc xử lý qua 5 khối sau: KHỬ TRÙNG XL CẶN NGUỒN TIẾP NHẬN X C I X ỌCXL CƠ HỌC B. Phương Pháp Sinh Học Xử Lý Nuớc Thải I. Nguyên tắc:  Dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây ô nhiễm có trong nước thải  Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh truởng và phát triển.  Tách các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng ra khỏi nuớc thải.(làm khoáng hoá các chất hữu cơ gây bẩn thành chất vô cơ và các khí đơn giản ) II. Cơ chế chung :  Hấp phụ và kết tụ cặn lơ lửng và chất keo không lắng thành bông sinh học hay màng sinh học .  Chuyển hoá (oxy hoá) các chất hoà tan và các chất dễ phân huỷ sinh học thành những sản phẩm cuối cùng.  Chuyển hoá / khử chất dinh dưỡng (N,P) .  Khử những hợp chất và thành phần hữu cơ dạng vết . III. Vai trò của vsv trong xử lý nước thải  Phân huỷ các chất hữu cơ  Xử lý mùi của nước thải:  Methyl sulfide, dimethyl sulfide được phân hủy bởi các chủng Thiobacillus và Hyphomicrobium oxy hóa sulfat.  Xử lý bằng tháp lọc: VK quang hợp như Chlorobium có thể lọai bỏ đến 95% khí H2S từ nước thải sau xử lý của một bể kị khí. Pseudomonas green Chlorobium  Xử lý một số kim loại nặng: Hg, Cd, Pb, Se, As...  Các nguyên sinh động vật có ý nghĩa trong việc vận hành các hồ sinh vật : rotifera, cladocera, và copepoda Các lòai Cladocera thì lọc các tế bào vi khuẩn và cả chất hữu cơ chết, lọc tảo sợi, có ích trong việc làm giảm độ đục của nước thải sau xử lý. chladoceraaspergillus niger. Vai trò của vsv trong xử lý nước thải Các yếu tố ảnh huởng đến hoạt động của vsv:  Chất dinh dưỡng :  Những chất vi lượng  pH của vk: 6.5 – 7.5 (vk không chịu đuợc pH >9 và pH<4  Phân loại nhiệt độ của quá trình xử lý sinh học: Dạng Khoảng nhiệt độ Khoảng tối ưu Psychrophilic (ưa lạnh) 10 – 30 12 – 18 Mesophilic (ưa ấm) 20 – 50 25 – 40 Thermophilic (ưa nóng) 35 – 75 55 - 65  Các vsv tham gia trong bùn hoạt tính: Pseudomonas, Achromobacter, Desulfovibrio và Nitrosomonas, Notrobacter, cùng một số protozoa  Yêu cầu chung khi vận hành bùn hoạt tính: SS đầu vào không quá 150 mg/l Hàm lượng dầu không quá 25mg/l pH = 6.5 – 8.5 (tối ưu : 6.5 – 7.5) Nhiệt độ: 6oC – 37oC Quá trình sinh trưởng lơ lửng _bùn hoạt tính (bông sinh học) Quá trình sinh trưởng bám dính _Màng sinh học CẤU TẠO CỦA MÀNG VI SINH VẬT Khả năng oxi hoá các chất hữu cơ có trong nước thải khi chảy qua hoặc tiếp xúc. Có màu vàng xám hay màu nâu tối, dày từ 1–3 mm hoặc hơn do sinh khối của vsv bám trên màng. Màng sinh học được coi là một hệ tuỳ tiện, với vsv hiếu khí là chủ yếu. IV. Các quá trình sinh học trong xử lý nuớc thải: a) Quá trình phân huỷ hiếu khí : Quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn:  Oxy hoá các chất hữu cơ : enzym CxHyOz + O2 CO2 + H20 + ΔH  Tổng hợp tế bào mới: enzym CxHyOz + NH3 + O2 CO2 +H2O + C5H7NO2 - ΔH  Phân huỷ nội bào: enzyme C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ΔH b) Quá trình phân huỷ thiếu khí : Chuyển hoá Nitơ trong quá trình xử lý sinh học Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrat hoá  pH : 7,2 – 9.0 ; tốt nhất là 7,5  Nhiệt độ : 5 – 40oC  Độc tính : nồng độ HCH độc hại thấp,Tanin, phenol, benzen, rượu, ete, xianua  Kim loại: quá trình bị ức chế ở nồng độ 0.25 mg/l Ni, 0.25mg/l Cr và 0.1mg/l Pb  Amonia: bị ức chế ở nồng độ 5 – 20 mg/l  DO: _ Tốc độ nitrat hoá tốt khi DO= 4 – 7mg/l _ Tốc độ nitrat hoá trong bùn hoạt tính tăng gấp đôi khi DO tăng từ 1– 3mg/l Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat  Dạng và nồng độ chất nền chứa cacbon: chứa cacbon tan, phân huỷ sinh học nhanh  Nồng độ DO: _ Loài Pseudomonas bị ức chế ở: ≥ 0.2 mg/l _ Tốc độ khử nitrat : DO = 0.2 mg/l chỉ bằng ½ tốc độ ở DO = 0 mg/l  Độ kiềm và pH: 6.5 – 8.5  Thời gian lưu cặn (SRT): lâu thì lượng nitrat sẽ bị khử nhiều hơn kị khí vk phân hủy các chất hữu cơ như sau: vi sinh vật Chất HC H2 + CO2 + H2S + NH3 + CH4 + tb mới +ΔH Quá trình xảy ra theo 4 giai đoạn: _ Giai đoạn 1: Thuỷ phân _ Giai đoạn 2: Acid hoá _ Giai đoạn 3: Acetat hoá _ Giai đoạn 4: Methane hoá c) Quá trình phân huỷ kị khí : Quá trình phân huỷ kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn: Vi sinh vật tham gia vào quá trình phân huỷ kị khí  Nhóm vsv thuỷ phân: Clodtridium, Peptococcus, lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus, Desulfobrio..  Nhóm vSV methane hoá: Methanobacterium, Methanococcus, Methanothrix, Methanosarina Quá trình kị khí so với quá trình hiếu khí Thuận lợi _ Nhu cầu năng luợng thấp _ Bùn sinh ra ít _ Nhu cầu chất dinh dưỡng thấp _ Sinh khí metan, tận dụng nguồn năng lượng thể tích bể phản ứng nhỏ Bất lợi _ Quá trình khởi động lâu _ Có thể yêu cầu thêm độ kiềm _ Không thực hiện khử N và P được _ Nhạy cảm với chất độc _ Khả năng sinh mùi và khí gây ăn mòn Công trình xử lý ứng dụng các quá trình phân huỷ  Nồng độ chất hữu cơ: BOD5:N:P = 100: 5:1 hoặc 200:5:2 (bùn hoạt tính)  Hàm lượng tạp chất  Nhiệt độ, pH, các nguyên tố vi lượng, kim loại  Hàm lượng oxy trong nước thải  Lưu lượng nứơc thải  Hệ thống xử lý: chế độ thuỷ động V. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lí sinh học :  Không có chất độc làm chết hay ức chế hệ vsv trong nước thải. Đặc biệt là hàm lượng các kim loại nặng như: Sb >Ag >Cu >Hg >Co >Ni >Pb >Cr+3 >V >Cd >Zn >Fe  Chất hữu cơ trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng cho vsv như : hidratcacbon, protein, lipit hoà tan  COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5 mới có thể đưa vào xử lí sinh học(hiếu khí), nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozơ, hemixenlulozơ, prottein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lí sinh học kị khí Điều kiện nước thải đưa vào XLSH : V. Vai trò của vsv trong xử lý nước thải Sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý C. Các công trình xử lý nứơc thải bằng phương pháp sinh học 1. Công trình xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên:  Cánh đồng tưới và bãi lọc  Hồ sinh học : - Hồ kị khí - Hồ hiếu khí - Hồ kị khí và hiếu khí Sơ đồ cánh đồng tưới công cộng Cánh đồng tưới và bãi lọc:  Cánh đồng tưới công cộng chủ yếu là xử lý nước thải còn phục vụ cho nông nghiệp là thứ yếu.  Cánh đồng tưới nông nghiệp phục vụ nông nghiệp và xử lý nước thải là những mục tiêu thống nhất.Theo chế độ nước tưới chia làm 2 loại: > Thu nhận nuớc thải quanh năm > Thu nước thải theo mùa  Khu đất chỉ dùng xử lý hoặc chứa nước thải thì gọi là bãi lọc.  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 Cánh đồng tưới và bãi lọc:  Trong hồ, diễn ra quá trình tự làm sạch của nước. Các loài vi khuẩn, tảo và các loại thuỷ sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ.  Ngoài việc xử lý nước thải, hồ sinh vật còn có nhiệm vụ: _ Nuôi trồng thuỷ sản _ Nguồn nước để tưới cho cây trồng _ Điều hoà dòng chảy  Tuỳ theo nồng độ oxy hoà tan có trong hồ,hồ sinh vật phân loại thành :  Hồ kỵ khí  Hồ hiếu khí tuỳ tiện  Hồ hiếu khí Hồ sinh học: Hồ kỵ khí  Hồ kỵ khí có độ sâu lớn hơn 2,4m và có thể đạt đến 9,1m với thời gian lưu nước dao động trong khoảng 20-50 ngày.  Quá trình ổn định nước thải trong hồ xảy ra dưới tác dụng kết hợp của quá trình kết tủa và quá trình chuyển hóa chất hữu cơ thành CO2, CH4, các khí khác, các acid hữu cơ và tế bào mới do vsv kỵ khí phân giải.  Được sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và hàm lượng cặn cao.  Hiệu suất chuyển hóa BOD5 có thể đạt đến 70% - 85%. Hồ hiếu khí tuỳ tiện Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí Có hai loại hồ hiếu khí : _Hồ nuôi tảo nhằm tạo điều kiện để tảo phát triển mạnh nhất, có độ sâu từ 150 – 450 mm _Hồ hiếu khí nhằm đạt được lượng oxy hoà tan trong hồ lớn nhất, có độ sâu 1,5 m. Hồ hiếu khí  Lọc sinh học (Biofilter): - Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập nước (lọc nhỏ giọt) - Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước  Đĩa quay sinh học RBC  Bể Aerotank (bể bùn hoạt tính)  Mương oxy hoá  Bể lắng 2  Bể UASB 2. Công trình xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo : Lọc sinh học  Bể lọc sinh học ứng dụng cho quá trình nitrat hoá, bố trí sau bể Aeroten, hoặc bể lọc sinh học bậc 1 khi nước thải đã bị loại bỏ hầu hết chất hữu cơ (BOD).  Xử lý hợp chất hữu cơ (BOD), nitơ và chất lơ lửng SS.  Ứng dụng trong các công trình xử lý vừa và nhỏ trong công nghiệp  Lọc sinh học được chia làm 2 loại : - Lọc sinh học với lớp vật liệu không ngập trong nước (lọc nhỏ giọt) - Lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước (lọc cao tải). Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập nước (lọc nhỏ giọt) Öu ñieåm: Đieàu chænh ñöôïc thôøi gian löu nöôùc ôû loïc vaø toác ñoä doøng chaûy Quaù trình oxy hoa dieãn ra raát nhanh neân tieát kieäm ñöôïc thôøi gian xöû lyù, Xöû lyù hieäu quaû nöôùc caàn coù quaù trình khöû nitrat hoaëc phaûn nitrat hoùa . Nöôùc ra khoûi beå loïc sinh hoïc thöôøng ít buøn caën hôn ra töø beå Aerotank Nhöôïc ñieåm: Khoâng khí khi ra khoûi beå loïc thöôøng coù muøi hoâi thoái Khu vöïc xung quanh beå thöôøng coù nhieàu ruoài muoãi. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước Öu ñieåm: - Chieám ít dieän tích -Ñôn giaûn deã daøng cho vieäc bao che coâng trình, khöû ñoäc vaø ñaûm baûo myõ quan. - Khoâng caàn phaûi röûa loïc - Phuø hôïp vôùi nöôùc thaûi pha loaõng. - Ñöa vaøo hoaït ñoäng raát nhanh - Deã daøng töï ñoäng hoùa. Khuyeát ñieåm: - Taêng toån thaát taûi löôïng, - Giaûm löôïng nöôùc thu hoài - Toån thaát khí caáp cho quaù trình - Giaûm khaû naêng giöõ huyeàn phuø Đĩa quay sinh học RBC  Gồm nhiều đĩa tròn bằng polystyren hoặc PVC lắp trên 1 trục. Các đĩa đặt ngập trong nước 1 phần và quay chậm.  vsv sinh trưởng phát triển trên bề mặt đĩa hình thành 1 lớp màng mỏng tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và oxi khí quyển khi đĩa quay (đk hiếu khí).  70% khử BOD của các hợp chất carbon, 25% khử BOD của các hợp chất carbon kết hợp với nitrate hoá nước thải, 5% dùng để nitrate hoá nước thải sau quá trình sử lí thứ cấp. Bể Aerotank (Aeration tank)  Bể Aerotank thường được đặt sau lắng 1 và truớc lắng 2  Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hoà tan và quá trình oxi hoá chất bẩn hữu cơ trong nước bẩn  Xử lí nước thải công nghiệp chế biến, sinh hoạt, có thể thực hiện hiếu khí kéo dài và khử BOD gần như hoàn toàn. Mương oxy hoá  Gồm 2 vùng : - Vùng hiếu khí : khử BOD và oxy hoá NH4 thành NO3 - Vùng thiếu khí : khử NO3 thành N2  Xử lý nước thải có độ nhiễm bẩn cao BOD20 = 1000 – 5000 mg/l  Bùn đuợc khoáng ngay trong mương -> bùn giảm khoảng 2,8 lần  Đối với nuớc thải sinh họat chỉ cần qua chắn rác, lắng cát và không qua lắng 1 là có thể đưa vào mương oxi hoá Bể lắng 2 Bể UASB  Kết hợp 3 quá trình phân hủy- lắng bùn-tách khí trong cùng 1 hệ thống.  Tạo thành các loại bùn hạt có mật độ vsv rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí.  Nhôø vaøo quaù trình hoaït ñoäng cuûa caùc vi sinh vaät kò khí nhaèm bieán ñoåi caùc chaát höõu cô phöùc taïp thaønh caùc chaát ñôn giaûn hôn vaø sinh ra khí sinh hoïc