Giáo trình Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1 PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Mục đích của xử lý nước thải là loại trừ những chất ô nhiễm có thể gây hại nếu chúng được thải vào môi trường nước. Bởi vì nồng độ DO thấp gây ảnh hưởng xấu đối với thủy sinh, người kỹ sư xử lý nước thải trước đây thường tập trung vào việc loại bỏ những chất ô nhiễm có thể làm giảm DO. Hầu hết các chất ô nhiễm có tác động đến nhu cầu oxy thường là những hợp chất hữu cơ, nhưng hợp chất vô cơ như N-NH3 cũng có tác động tương tự. Vì thế, những hệ thống xử lý nước thải xa xưa thường được thiết kế nhằm mục đích khử chất hữu cơ và đôi khi oxy hóa N-NH3 thành N-NO3, thậm chí cả những hệ thống xử lý được xây dựng gần đây cũng như vậy. Khi dân số và quá trình công nghiệp hóa ngày càng gia tăng lại nảy sinh một vấn đề khác, quá trình phú dưỡng hóa – thường xảy ra trong hồ và cửa sông . là sự phát triển ồ ạt của các loại rêu và tảo được thừa hưởng quá nhiều chất dinh dưỡng. ðây là kết quả của quá trình thải ra quá nhiều N và P. Kể từ đó những người kỹ sư mới bắt đầu quan tâm và thiết kế hệ thống xử lý nước thải có thể loại bỏ được các chất ô nhiễm dạng này với giá thành chấp nhận được mà vẫn đảm bảo tính hiệu quả, và trong suốt 2 thập kỷ qua đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào vấn đề này. Gần đây, con người ngày càng liên quan đến việc thải những hóa chất hữu cơ độc hại vào môi trường. Nhiều chất này ở dạng hữu cơ và vì thế những quá trình được áp dụng để loại bỏ các tác nhân ảnh hưởng đến nhu cầu oxy cũng có hiệu quả đối với các chất này. Các chất ô nhiễm trong nước thải có thể được xác định bởi những đặc tính khác nhau. Chẳng hạn, chúng có thể được phân loại dựa trên: - Tính chất vật lý (tan hoặc không tan); - Tính chất hóa học (vô cơ hay hữu cơ); - Tính nhạy cảm của chúng đối với vi sinh vật(có thể hoặc không thể phân hủy sinh học). - Ảnh hưởng của chúng: độc hoặc không độc . Dĩ nhiên một chất không phải chỉ có 1 đặc điểm mà chúng có thể mang nhiều đặc điểm khác nhau, có thể có chất hữu cơ hòa tan, dễ phân hủy sinh học hoặc chất hữu cơ không hòa tan, dễ phân hủy sinh học. Nhiệm vụ của người kỹ sư xử lý nước thải là phải đề ra được một quy trình có thể lọai bỏ được toàn bộ các chất này một cách hiệu quả và kinh tế. Vận hành hệ thống nói chung thường được phân chia dựa trên cơ sở của những hoạt động cơ bản diễn ra bên trong chúng. Ví dụ như: cơ học, hóa học và hóa sinh. Có ba quan điểm để phân chia quá trình sinh hóa: Sự chuyển đổi sinh hóa. Môi trường sinh hóa. Sự định hình phản ứng sinh học [2]
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI .......... 7
1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI..................................................... 7
1.2 THÀNH PHẦN LÝ HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI .......................................... 9
1.2.1 Tính chất vật lý ............................................................................................. 10
1.2.2 Tính chất hóa học .......................................................................................... 10
1.3 NGUỒN GỐC PHÁT SINH CÁC LOẠI NƯỚC THẢI ðẶC TRƯNG............ 12
1.4 CÁC THÔNG SỐ ðÁNH GIÁ Ô NHIỄM VÀ YÊU CẦU CẦN THIẾT
PHẢI XỬ LÝ NƯỚC THẢI .................................................................................. 19
1.4.1. Các thông số ñánh giá ô nhiễm..................................................................... 19
1.4.2 Yêu cầu cần thiết phải xử lý nước thải........................................................... 25
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI ........................................................................................................ 26
2.1 PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC.................................................. 26
2.1.1 Biến ñổi sinh hóa........................................................................................... 27
2.1.2 Môi trường sinh hóa ...................................................................................... 28
2.1.3 Trình tự phản ứng của quá trình..................................................................... 29
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH........................................................ 29
2.3 CÂN BẰNG HÓA HỌC VÀ ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC .... 32
2.3.1 ðộng học phản ứng lên men quá trình xử lý nước thải .................................. 32
2.3.2. ðộng học chuyển hóa cơ chất hữu cơ trong quá trình xử lý theo sinh khối
bùn và thời gian. .................................................................................................... 34
CHƯƠNG III: VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI .... 35
3.1 KHÁI NIỆM .................................................................................................... 35
3.2 SINH THÁI, SINH LÝ, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT...................................... 35
3.2.1 Sinh thái, sinh lý vi sinh vật .......................................................................... 35
3.2.2 Phân loại vi sinh vật ...................................................................................... 39
3.2.2.1 Vi khuẩn..................................................................................................... 46
3.2.2.2 Eukarya (Sinh vật nhân thực) ..................................................................... 50
3.2.2.3 Archaea (cổ khuẩn) .................................................................................... 55
3.3 SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT ....................................... 56
3.3.1 Nuôi cấy tĩnh/ nuôi cấy theo mẻ. .................................................................. 56
3.3.2 Nuôi cấy liên tục/ dòng liên tục. ................................................................... 58
3.4 ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG ........................................ 59
3.4.1 Các ñặc trưng ñộng học của quá trình sinh trưởng......................................... 59
3.4.2 Các giai ñoạn phát triển của vi sinh vật trong quá trình sinh trưởng............... 60
WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON
WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM
WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM
Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú
3.4.2.1. Giai ñoạn chậm phát triển (giai ñoạn cảm ứng): ........................................ 61
3.4.2.2. Giai ñoạn phát triển theo hàm số mũ của vi sinh vật: ................................. 61
3.4.2.3. Giai ñoạn phát triển tuyến tính: ................................................................. 62
3.4.2.4. Giai ñoạn ổn ñịnh: ..................................................................................... 62
3.4.3 Sự phụ thuộc tốc ñộ phát triển của vi sinh vật vào nồng ñộ cơ chất: .............. 63
3.4.3.1 Phương trình Mono: ................................................................................... 63
3.4.3.2 Xác ñịnh KS và các thông số ñộng học theo phương pháp Lineweaver
Burk:...................................................................................................................... 64
3.4.4 ðộng học quá trình chết của vi sinh vật:........................................................ 65
3.5 CHỈ THỊ VI SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI 66
3.5.1 Vi sinh vật lên men kỵ khí ............................................................................. 66
3.5.2 Vi sinh vật lên men hiếu khí .......................................................................... 67
3.5.2.1 Tác nhân sinh trưởng lơ lửng:..................................................................... 67
3.5.2.2 Tác nhân sinh trưởng bám dính: ................................................................. 69
3.5.3 Vi sinh vật trong các hồ ổn ñịnh .................................................................... 73
3.6 ỨNG DỤNG.................................................................................................... 74
3.6.1 Thực phẩm .................................................................................................... 74
3.6.2 Nông nghiệp.................................................................................................. 75
3.6.3 Khai thác nguyên liệu.................................................................................... 75
3.6.4 Bảo vệ môi trường......................................................................................... 75
CHƯƠNG IV: ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC............................ 77
4.1 MÔ HÌNH ðỘNG HỌC HÌNH THỨC ............................................................ 77
4.1.1Phản ứng bậc 1............................................................................................... 77
4.1.2Phản ứng bậc 2............................................................................................... 78
4.1.3Phản ứng bậc bất kỳ ....................................................................................... 78
4.2MÔ HÌNH DỰA TRÊN CƠ CHẾ LÊN MEN XÚC TÁC ................................. 80
4.2.1 Phương trình ñộng học – phương trình Michaelis-Menten:........................... 80
4.2.2 Xác ñịnh các thông số ñộng học .................................................................... 82
4.3 MÔ HÌNH DỰA TRÊN CƠ CHẾ LÊN MEN SINH KHỐI.............................. 86
4.3.1 Mô hình dựa trên cơ chế lên men sinh khối ................................................... 86
4.3.2 Phương pháp xác ñịnh các thông số của mô hình........................................... 88
4.3.2.1 Phương pháp vi phân................................................................................. 88
4.3.2.2 Phương pháp tích phân............................................................................... 89
4.4 PHƯƠNG TRÌNH MICHAELIS-MENTEN TRONG DẠNG TÍCH PHÂN: ... 93
CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ ............................................ 96
5.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................... 96
5.2 CÁC CÔNG TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ ...................................................... 97
WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON
WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM
WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM
Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú
5.2.1 Các dạng bể xử lý kỵ khí............................................................................... 97
5.2.2 Sinh học kỵ khí hai giai ñoạn: ....................................................................... 98
5.2.3 Bể kỵ khí kiểu ñệm bùn dòng chảy ngược - UASB (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket reactor).......................................................................................... 99
5.2.4 Bể phản ứng khuấy liên tục - CSTR (Continuously stirred tank reactor)...... 102
5.2.5 Bể phản ứng dòng chảy ñều - PFR (plug flow reactor) ................................ 104
5.2.6 Lọc kỵ khí bám dính cố ñịnh - AFR (anaerobic filter reactor)...................... 104
5.2.7 Bể phản ứng kỵ khí có ñệm giãn - FBR, EBR (fluidized and expanded bed
reactor) ................................................................................................................ 105
5.3 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH .................................................................................... 106
5.4 YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ................................................................................ 108
5.5 THÔNG SỐ THIẾT KẾ ................................................................................. 109
5.6 THÔNG SỐ VẬN HÀNH.............................................................................. 111
5.7 ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG .......................................................................... 115
CHƯƠNG VI: CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIẾU KHÍ .................................... 116
6.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................... 116
6.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ....................................................................... 117
6.3 CÁC DẠNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIẾU KHÍ...................................... 119
6.3.1 Bùn hoạt tính............................................................................................... 119
6.3.1.1 Khuấy trộn hoàn toàn ............................................................................... 127
6.3.1.2 Dòng chảy nút (Bể bùn hoạt tính cấp khí giảm dần) ................................. 128
6.3.1.3 Thổi khí nhiều bậc (Bể bùn hoạt tính nạp nước thải theo bậc) .................. 129
6.3.1.4 Mương oxy hóa: ....................................................................................... 130
6.3.1.5 Thiết bị khí nâng (Airlift reactor) ............................................................. 133
6.3.1.6 Tăng trưởng hiếu khí của sinh khối trong các tháp kín A – B (Aerobic
growth of biomass in packed towers) ................................................................... 137
6.3.1.7 Bể hiếu khí gián ñoạn - SBR (Sequencing Batch Reactor)........................ 138
6.3.1.8 Unitank .................................................................................................... 140
6.3.2 Lọc sinh học................................................................................................ 142
6.3.2.1 RBC (Roltating Biological Contactor - ðĩa quay sinh học): ..................... 145
6.3.2.2 Lọc nhỏ giọt: ............................................................................................ 146
6.3.2.3 Lọc sinh học ngập nước (ñệm cố ñịnh, ñệm giãn nở)................................ 148
6.4 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN.............................................................................. 149
6.4.1 Tính toán bể Aerotank ................................................................................. 149
6.4.1.1 Aerotank năng suất cao với sự khoáng hóa bùn hoạt tính tách biệt............ 149
6.4.1.2 Tối ưu hóa công nghệ bể aerotank năng suất cao ...................................... 156
6.4.1.3 Kết cấu aerotank năng suất cao................................................................ 158
WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON
WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM
WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM
Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú
6.4.1.4 Aerotank sục khí kéo dài .......................................................................... 161
6.4.1.5 Ví dụ tính toán công nghệ hệ thống xử lý ................................................ 163
6.4.2 Các thông số thiết kế cụ thể......................................................................... 169
6.4.2.1 Quá trình phân hủy hiếu khí ..................................................................... 169
6.4.2.2 Các thông số thiết kế cho bể Aerotank:..................................................... 170
6.4.2.3 Các thông số thiết kế mương oxy hóa....................................................... 171
6.4.2.4 Thiết kế bể lọc sinh học nhỏ giọt .............................................................. 171
6.4.2.5 Thông số thiết kế bể lọc sinh học ngập nước ........................................... 172
6.5 THÔNG SỐ VẬN HÀNH.............................................................................. 174
6.5.1 Vận hành hệ thống xử lý hiếu khí ................................................................ 174
6.5.1.1 Các thông số kiểm tra trong quá trình vận hành........................................ 175
6.5.1.2 Kiểm soát quá trình xử lý ........................................................................ 176
6.5.1.3 Quan sát vận hành .................................................................................... 177
6.5.1.4 Ngừng hoạt ñộng...................................................................................... 177
6.5.1.5 Giải quyết sự cố ...................................................................................... 177
6.5.1.6 Những sự cố thường gặp .......................................................................... 178
6.5.2 Vận hành hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt ..................................................... 179
6.5.2.1 Theo dõi vận hành .................................................................................... 179
6.5.2.2 Kiểm soát các quá trình thử mẫu và kiểm tra ............................................ 180
6.5.2.3 Các vấn ñề thường gặp trong quá trình vận hành và cách khắc phục......... 180
6.5.3. Vận hành hệ thống bùn hoạt tính: ............................................................... 183
6.5.3.1 Các thông số vận hành hệ thống: .............................................................. 185
6.5.3.2 Kiểm soát vận hành hệ thống; .................................................................. 186
6.5.3.3 Các vấn ñề có thể xảy ra khi vận hành và cách khắc phục: ....................... 186
6.6 ỨNG DỤNG.................................................................................................. 195
CHƯƠNG VII: HỒ SINH HỌC........................................................................ 196
7.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................... 196
7.2 CÁC DẠNG HỒ SINH HỌC......................................................................... 196
7.2.1 Hồ tự nhiên, hồ nhân tạo: ............................................................................ 197
7.2.1.1 Hồ tự nhiên .............................................................................................. 197
7.2.1.2 Hồ nhân tạo.............................................................................................. 197
7.2.2 Hồ kỵ khí: ................................................................................................... 198
7.2.3 Hồ tùy tiện: ................................................................................................. 199
7.2.4 Hồ hiếu khí: ................................................................................................ 202
7.2.5 Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước: .......................................... 203
7.3 VI SINH VẬT HIỆN DIỆN ........................................................................... 204
7.3.1 Vi khuẩn hiếu khí: ....................................................................................... 205
WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON
WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM
WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM
Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú
7.3.2 Vi khuẩn kỵ khí: .......................................................................................... 206
7.3.3 Các vi sinh vật quang hợp: .......................................................................... 206
7.3.4 ðộng vật nguyên sinh và ñộng vật không xương sống:................................ 207
7.3.5 Hồ thực vật: ................................................................................................ 207
7.4 THÔNG SỐ THIẾT KẾ ................................................................................. 207
7.4.1 Thiết kế hồ kỵ khí ....................................................................................... 208
7.4.2 Thiết kế hồ tùy tiện ..................................................................................... 209
7.4.3 Thiết kế hồ hiếu khí..................................................................................... 213
7.4.4 Thiết kế hồ thực vật nước: ........................................................................... 214
7.5 THÔNG SỐ VẬN HÀNH.............................................................................. 215
7.6 ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG .......................................................................... 216
CHƯƠNG VIII: CÔNG NGHỆ SINH HỌC LAI HỢP ................................... 217
8.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................... 217
8.2 CÁC DẠNG HỆ THỐNG SINH HỌC LAI HỢP........................................... 218
8.2.1 Công nghệ kỵ khí hai giai ñoạn (acid hóa + lọc kỵ khí) ............................... 218
8.2.2 UASB + lọc kỵ khí...................................................................................... 218
8.2.4 Hệ thống hybrid kị khí tăng trưởng lơ lửng. ............................................... 221
8.2.5 Bùn hoạt tính + lọc màng ............................................................................ 224
8.2.6 Bùn hoạt tính + lọc sinh học........................................................................ 226
8.3 ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH ................................................................... 228
8.4 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN.............................................................................. 228
8.5 CÁC ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG ................................................................. 229
CHƯƠNG IX: XỬ LÝ CÁC CHẤT DINH DƯỠNG (N,P) BẰNG CÔNG
NGHỆ SINH HỌC............................................................................................. 230
9.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH...................................................... 230
9.2 ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH ................................................................... 236
9.2.1 ðộng học quá trình Nitrat hóa sinh học ....................................................... 236
9.2.2 ðộng học quá trình khử Nitrat sinh học....................................................... 239
9.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ....................................................................... 244
9.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ................................................................................ 246
9.4.1 Nitrat hóa và khử nitrat kết hợp................................................................... 246
9.4.2 Nitrat hóa và khử nitrat riêng biệt................................................................ 254
9.4.3 Khử P.......................................................................................................... 254
9.5 ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG .......................................................................... 255
CHƯƠNG X: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC CHO XỬ LÝ CÁC
LOẠI NƯỚC THẢI ........................................................................................... 257
10.1 BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ..................................................... 257
WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON
WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM
WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM
Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú
10.2 CƠ SỞ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ............................................................. 257
10.3 CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
