ĐẠI HỌC VINH BÀI GIẢNG Môn: Công nghệ Môi trường Chuyên đề: Xử lý nước thải HỒ THỊ PHƯƠNG Vinh - 2008 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG (2 tiết) Các thông số đánh giá chất lượng nước Để đánh giá chất lượng nước, người ta đưa tiêu chất lượng nước sau: • Chỉ tiêu vật lý: mùi vị, nhiệt độ, độ đục, độ màu, độ axit, độ kiềm, độ cứng, hàm lượng chất rắn tan nước… • Chỉ tiêu hóa học: độ pH, oxi hịa tan DO, nhu cầu oxi hóa học COD, nhu cầu oxi sinh học BOD, hàm lượng H2S, Cl-, SO42-, PO43-, F-, I-, Fe2+, Mn2+, hợp chất nitơ, phốtpho… • Chỉ tiêu sinh học: vi trùng gây bệnh, loại rong tảo… 1.1 Nhiệt độ (temperature) Nhiệt độ nước tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết lưu vực hay môi trường khu vực Nước thải công nghiệp, đặc biệt nước thải nhà máy điện nhiệt, nhà máy điện hạt nhân thường có nhiệt độ cao nước tự nhiên lưu vực nhận nước làm cho nước nóng lên (ô nhiễm nhiệt) Ảnh hưởng nhiệt độ cao nước: Nhiệt độ cao nước làm thay đổi q trình sinh, hóa, lý học thường hệ sinh thái nước biểu hiện: - Làm giảm nồng độ oxi nước; - Phân hủy yếm khí xảy mạnh mẽ, gây mùi thối khí H 2S, CO2, CH4, NH3 … gây ra; - Làm thay đổi màu nước Để đo nhiệt độ nước người ta dùng loại nhiệt kế khác 1.2 Độ màu (colour) Nước tự nhiên thường suốt không màu, nước có màu chất bẩn hịa tan nước tạo nên Nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp (nước thải nhà máy dệt, thuộc da, lò mổ, nhà máy giấy…) thường tạo màu xám đen cho nguồn nước Để đánh giá màu sắc nước, người ta dùng phương pháp so màu mắt phổ kế với dung dịch chuẩn 1.3 Độ đục (turbidity) Nước tự nhiên thường không chứa chất rắn lơ lửng nên suốt không màu Khi chứa hạt sét, mùn, vi sinh vật, hạt bụi, hóa chất kết tủa nước trở nên đục Nước đục ngăn cản trình chiếu ánh sáng mặt trời xuống đáy thủy vực Độ đục nước xác định máy đo độ đục Đơn vị độ đục: NTU (Nephelometric Turbidity Unit) Nước mặt thường có độ đục 20-100 NTU, mùa lũ có cao tới 500- 600 NTU Độ đục nước hồ thường mức 25 NTU Nước thải sinh hoạt phải có độ đục khơng lớn NTU, nước uống phải có độ đục khơng lớn 1NTU 1.4 Độ cứng (hardness) Độ cứng nước đại lượng biểu thị hàm lượng ion canxi, magie có nước Trong xử lý nước thường phân biệt thành loại độ cứng: độ cứng tạm thời độ cứng vĩnh cửu Độ cứng tạm thời độ cứng muối bicacbonat Mg Ca tạo thành Khi làm thoáng tốt nhiệt độ cao, muối bicacbonat tạo kết tủa cacbonat Ca(HCO3)2  CaCO3 ↓ + CO2 ↑ + H2O Đây nguyên nhân nước cứng gây tượng đóng cặn đường ống, dụng cụ, thiết bị tiếp xúc với nước, nước nóng Kết hợp với cặn chứa sắt, mangan, silic, cặn đường ống thường có màu trắng vàng gạch nâu Độ cứng vĩnh cửu muối Ca, Mg không cacbonat tạo nên (thường muối sunphat, clorua) Những muối bền nhiệt nên đun nóng khơng bị kết tủa Độ cứng nước xác định phương pháp chuẩn độ.Theo giá trị độ cứng tính mg/l CaCO3 phân loại nước thành: Bảng 1.1 Phân loại độ cứng nước Độ cứng nước Hàm lượng CaCO3 (mg/l) Nước mềm - 50 Nước cứng 50 - 150 Nước cứng 150 - 300 Nước cứng > 300 1.5 Độ pH Độ pH nước xác định dựa theo công thức: pH = - lg [H+] Nước tinh khiết điều kiện thường bị phân ly theo phương trình: H2O = H+ + OH – Và trung hịa điện tích, tức [H+] = [ OH-] Đối với nước tinh khiết pH = 7, chứa nhiều ion H+ OH- nước có tính axit pH < 7, chứa nhiều ion OH- H+ nước có tính kiềm pH > Ảnh hưởng độ pH: - Cá thường không sống nước có pH 10 - Sự thay đổi độ pH nước liên quan đến diện hóa chất axit kiềm, phân hủy chất hữu cơ, hòa tan số anion SO4 2-, NO3- Độ pH nước xác định máy pH – meter giấy đo pH Tiêu chuẩn pH cho nước sinh hoạt – 8,5, cho nước uống 6,5 – 8,5 1.6 Độ dẫn điện (electric conductivity) Độ dẫn điện nước liên quan đến diện ion kim loại muối NaCl, KCl, Na2SO4, KNO3, … nước Tác động ô nhiễm nước có độ dẫn điện cao thường liên quan đến độc tính độc hại ion tan nước Để xác định độ dẫn điện, người ta dùng máy đo điện trở cường độ dòng điện 1.7 Chất rắn lơ lửng (Suspended solids – SS) - TSS (total suspended solids): tổng hàm lượng cặn lơ lửng (mg/l) Để xác định TSS, người ta làm bay mẫu nước nồi cách thủy sấy khô 103oC tới trọng lượng không đổi - SS (Suspended solids): chất rắn lơ lửng (mg/l) Để xác định chất rắn lơ lửng, người ta thường để lắng sau lọc qua giấy lọc chuẩn tách phần chất lắng: sấy khô 103oC – 105oC - DS ( Dissolved Solid): chất rắn hịa tan (mg/l) Sấy khơ thể tích nước biết lọc sach cặn lơ lửng nhiệt độ 100 – 105 oC cân lượng cặn lại sau nước bốc hết gọi chất rắn hòa tan Đây chủ yếu khoáng chất lượng nhỏ chất hữu hịa tan Để xác định riêng phần muối khống hòa tan, cần nung lượng cặn 500 -800 oC để phần hữu cháy hết, lượng cặn lại tính mg/l tổng lượng muối khống hòa tan (TKHT) Bảng 2.2 Phân loại tự nhiên theo TKHT Loại nước TKHT, mg/L Ngọt < 1000 Lợ 1000 – 2500 Mặn 25000 – 50000 Nước muối >50000 1.8 Hàm lượng oxy hòa tan DO (dissolved Oxygen) Oxy tự hịa tan nước cần thiết cho hơ hấp sinh vật nước (cá, lưỡng cư, thủy sinh, trùng…) thường tạo hịa tan oxy từ khí quang hợp tảo Nồng độ oxy tự hòa tan nước khoảng 8-10 ppm (ppm = mg/l mg/1kg), dao động mạnh phụ thuộc vào nhiệt độ, phân hủy chất, quang hợp tảo Khi nồng độ DO thấp, loài sinh vật nước thiếu oxy giảm hoạt động chết Do DO số quan trọng để đánh giá ô nhiễm thủy vực Có nhiều phương pháp xác định giá trị DO mẫu nước phương pháp ion Winkler phương pháp điện cực 1.9 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD (biochemical oxygen demand – BOD) Nhu cầu oxy sinh hóa lượng oxy mà vi sinh vật dùng để oxy hóa chất hữu có nước theo phản ứng: Chất hữu + O2 CO2 + H2O + tế bào + sản phẩm trung gian Để xác định giá trị BOD mẫu nước người ta tìm giá trị oxy hịa tan DO mẫu nước trước sau ủ mẫu thời gian nhiệt độ 20oC Thông thường thời gian ủ ngày khoảng 70 – 80% chất hữu bị oxy hóa (BOD 5) Theo lý thuyết để oxy hóa gần hết hồn tồn chất hữu (98-99%) đòi hỏi sau 20 ngày 1.10 Nhu cầu oxy hóa học (chemical oxygen demand – COD) Nhu cầu oxy hóa học (COD) lượng oxy cần thiết cho q trình oxy hóa chất hữu có mẫu nước thành CO2 nước Như COD lượng oxy cần thiết để oxy hóa tồn hợp chất hữu có nước, cịn BOD lượng oxy cần thiết để oxy hóa hợp chất hữu dễ phân hủy sinh học Thông thường BOD5/COD = 0,5 – 0,7 1.11 Các hợp chất Nito, Photpho Các hợp chất Nito nước kết trình phân hủy hợp chất hữu tự nhiên, chất thải nguồn phân bón mà người trực tiếp gián tiếp đưa vào nguồn nước Các hợp chất tồn dạng amoniac, nitrit, nitrat dạng nguyên tố nito Các hợp chất Photpho tồn nước bao gồm hợp chất photphat nguồn nước bị nhiễm bẩn phân rác hợp chất hữu cơ, trình phân hủy giải phóng ion PO42- Khi nước hàm lượng nito, photpho cao thúc đẩy q trình phì dưỡng (cịn gọi phú dưỡng) 1.12 Chỉ tiêu vi sinh Sinh vật có mặt nước nhiều dạng khác Bên cạnh sinh vật có ích, có nhiều nhóm sinh vật gây bệnh truyền bệnh cho người động vật Trong số đáng ý loại vi khuẩn, siêu vi khuẩn, ký sinh trùng gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, sốt rét, viêm gan B, viêm não Nhật Bản, giun đỏ, trứng giun… Nguồn gây ô nhiễm sinh học cho môi trường nước chủ yếu phân, rác, nước thải sinh hoạt, xác chết sinh vật, nước rác thải bệnh viện… Để đánh giá mức độ ô nhiễm sinh học, người ta dùng số Coliform Đây số phản ánh số lượng vi khuẩn E.coli nước, thường không gây bệnh cho người sinh vật Để xác định số coliform, người ta nuôi cấy mẫu dung dịch đặc biệt đếm số lượng chúng sau thời gian định Người ta phân biệt trị số E.coli số E.coli Trị số E.coli đơn vị thể tích nước có chứa vi khuẩn E.coli, cịn số E.coli số lượng vi khuẩn E.coli có lít nước Tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt nước tiên tiến qui định trị số E.coli khơng nhỏ 100ml nước, nghĩa cho phép có vi khuẩn E coli 100ml nước, số E.coli tương ứng 10 Tiêu chuẩn vệ sinh Việt Nam qui định số E.coli nước thải sinh hoạt phải nhỏ 20 Tổng quan phương pháp xử lý nước thải 2.1 Các phương pháp xử lý chất ô nhiễm nước Để xây dựng hệ thống khép kín, nước thải phải làm phương pháp học, hóa học, hóa lí, sinh học nhiệt đến chất lượng cần thiết, tùy theo u cầu Phân loại phương pháp xử lí nhiễm nước tổng hợp sơ đồ sau: Bảng 2.1 Phân loại phương pháp xử lí nước thải cơng nghiệp Nước thải Xử lí tạp huyền phù nhũ tương Xử lí tạp chất thơ Xử lí tạp chất mịn Tiêu hủy tạp chất tan khơng tan Xử lí tạp hịa tan Xử lí tạp chất vơ Xử lí tạp chất hữu Xử lí khí Lắng Keo tụ Tiêu hủy Cô đặc Tái sinh Phân hủy Thổi khí Lọc Tạo bơng Bơm xuống giếng Trao đổi ion Trích li Hóa sinh Đun nóng Tuyển Tuyển điện Chơn Lọc ngược Chưng cất Oxi hóa pha lỏng Hóa học Lắng cặn lơ lửng Bơm xuống đáy biển Điện thẩm tách Háp phụ Oxi hóa pha Lọc li tâm Tiêu hủy nhiệt Đóng băng Lọc ngược siêu lọc Oxi hóa 2.2 Phân loại theo chất phương pháp làm nước • Phương pháp vật lý (cơ học)  Điều hòa  Song chắn rác  Quá trình lọc  Quá trình lắng  Quá trình tuyển  Ly tâm  Ép tách nước  Sử dụng xạ tử ngoại, sóng siêu âm • Phương pháp hóa lý  Keo tụ, tạo  Hấp phụ  Hấp thụ  Kết tủa  Trao đổi ion  Các phương pháp điện  Các phương pháp nhiệt • Phương pháp hóa học  Trung hịa  Trao đổi ion  Oxy hóa khử  Khử trùng hóa chất  Oxy hóa nhiệt • Phương pháp sinh học  Phân hủy hiếu khí  Bùn hoạt tính  Lọc sinh học  Mương oxi hóa  Đĩa tiếp xúc quay  Hồ sinh học hiếu khí Phân hủy kị khí   Lọc kị khí  Mê tan hóa  Phân hủy yếm khí ngược dịng  Hồ sinh học kỵ khí 2.3 Các giai đoạn xử lý nước  Tiền xử lý xử lý bậc (sơ cấp, sơ bộ): gồm cơng trình thu gom từ song chắn rác đến sau cơng trình lắng bậc Giai đoạn khử vật rắn có kích thước lớn tạp chất lắng để bảo vệ bơm đường ống Bao gồm:  Tiếp nhận nước  Ổn định lưu lượng nồng độ  Chắn rác  Tách hạt lơ lửng: lắng, lọc, ly tâm, keo tụ tạo bơng  Tuyển  Trung hịa  Xử lý bậc (thứ cấp): nhằm xử lý chất hịa tan chất keo phương pháp hóa lý, hầu hết chất hữu hòa tan phân hủy sinh học phương pháp sinh học  Xử lý chất hữu phân hủy sinh học  Xử lý bùn  Xử lý bậc cao (bậc 3): nhằm mục đích xử lý chất dinh dưỡng, chất hòa tan lại  Vi lọc, tủa hóa học, thẩm thấu, trao đổi ion…  Xử lý N, P  Khử mùi vị  Khử trùng CHƯƠNG CƠ SỞ CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ (CƠ HỌC) – PHYSICAL TREATMENT (4 tiết) Phương pháp vật lý dùng chủ yếu để loại tạp chất không tan nước 2.1 Lọc qua – screening Song chắn rác công đoạn tách tạp chất thô nước  Song chắn rác – bar rack Cơng trình có tác dụng thu vớt tạp chất rắn kích thước lớn Song chắn đặt trước cơng trình làm sạch, đặt miệng xả phân xưởng nước thải sản xuất chứa tạp chất thô dạng sợi  Lưới lọc, rây – screen Trước cho nước vào hệ thống xử lí, người ta dùng lưới rây để tách tạp chất thô, đặc biệt cần thiết thu hồi chất quý dòng nước thải Lưới chế tạo từ kim loại đặt đường chảy nước thải góc 60 – 750 Tạp chất lớn bị giữ lại lưới lấy máy cào Chiều rộng khe lưới 16 – 19 mm vận tốc nước kim loại 0,8 – 1m/s Để tách chất lơ lửng nhỏ người ta ứng dụng rây Rây có hai dạng: trống đĩa Rây dạng trống có lỗ 0,5-1mm Khi trống quay, nước lọc qua bề mặt Tạp chất giữ lại rửa nước chảy vào rãnh chứa 10 CHƯƠNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC – CHEMICAL PROCESSES (2 tiết) Phương pháp hóa học làm nước thải bao gồm trung hịa, oxi hóa khử Tất phương pháp liên quan đến việc tiêu hao tác chất, chi phí lớn Người ta ứng dụng phương pháp để loại chất hòa tan hệ thống nước khép kín 4.1 Trung hịa - neutralization  Mục đích: nước thải chứa axit vô kiềm cần trung hòa đưa pH khoảng 6.5 – 8.5 trước thải vào nguồn nhận  Cơ sở: phản ứng trung hòa 30 Acid + Bazờ  Muối + Nước  Ứng dụng: Nước thải acid + nước thải kiềm  trung hịa đến trung tính Nước thải acid + hóa chất kiềm  trung hịa đến trung tính Nước thải kiềm + hóa chất acid  trung hịa đến trung tính  Nước có tính axit (pH9) có hại khơng hệ thu gom, hệ xử lý mà môi trường tiếp nhận nước người sử dụng Đặc biệt nước có tính khơng ổn định:  Gây ăn mòn đường ống, thiết bị từ nguồn nước tới nhà máy xử lý toàn hệ phân phối người sử dụng, tính kiềm có hại vật liệu gốc polyeste  pH thấp hay cao yếu tố không tốt nhiều hệ xử lý nước thải phương pháp sinh học phổ biến phần lớn hệ vi khuẩn hiếu khí bị hoạt tính pH < pH >9  Cây trồng động vật, kể người phản ứng tiêu cực với pH cao thấp, điều dẫn đến đòi hỏi khắt khe pH tiêu chuẩn nước cấp nước thải đổ vào môi trường  pH cao thấp gây chuyển dịch số cân theo hướng không mong muốn, gây hại cho mơi trường 4.1.1 Trung hịa cách trộn Phương pháp ứng dụng nhà máy nhà máy lân cận có nước thải axit kiềm không bị ô nhiễm cấu tử khác Người ta trộn nước axit kiềm vào bình có cánh khuấy khơng có cánh khuấy (khuấy trộn khơng khí) 4.1.2 Trung hịa cách cho thêm tác chất Để trung hịa nước axit dùng: NaOH, KOH, Na 2CO3, Na2CO3, NH4OH, CaCO3, MgCO3, đolomit (CaCO3, MgCO3), xi măng Tuy nhiên tác nhân rẻ sữa vôi với nồng độ Ca(OH)2 5-10% Đôi để trung hòa người ta sử dụng chất thải khác Ví dụ, người ta dùng xỉ sản xuất hợp kim sắt – crôm , luyện thép luyện gang để trung hòa nước chứa axit sunfuric 31 Hình 4.1 Bể trung hịa nước thải có tính acid 4.1.3 Trung hịa khí acid Để trung hịa nước thải có tính kiềm sử dụng khí thải chứa CO 2, SO2, NO2, N2O3… Việc ứng dụng phương pháp cho phép vừa trung hòa nước thải vừa làm khí khỏi chất độc hại 4.2 Trao đổi ion – ion exchange  Bản chất trao đổi ion Đó q trình tương tác dung dịch với pha rắn có tính chất trao đổi ion chứa ion khác có dung dịch Các chất cấu thành pha rắn gọi ionit, không tan nước - ionit có khả hấp thu ion âm gọi cationit - ionit có khả hấp thu ion dương gọi anionit - ionit vừa trao đổi cation anion người ta gọi chúng ionit lưỡng tính  Ứng dụng Loại khỏi nước kim loại (kẽm, đồng, crom, niken, chì, thủy ngân, cadimi, vanadi ), hợp chất asen, photpho, xianua chất phóng xạ Phương pháp cho phép thu hồi chất có giá trị với độ làm nước cao Trao đổi ion ứng dụng rộng rãi để khử muối nước cấp  Tái sinh ionit 32 Người ta phục hồi catinit dung dịch axit 2-8%, chúng chuyển sang dạng H+ Sau xới tơi rửa, cationit tích điện cách cho dung dịch muối qua chúng Khi nhóm H+ thay nhóm Na+, cịn dung dịch muối axit hóa thành HCl Các anionit phục hổi dung dịch kiềm 4.3 Oxy hóa khử - Oxidation and Reduction Cơ sở: phản ứng oxy hóa khử Ứng dụng: - Khử sắt nước ngầm - Xử lý nước thải chứa hợp chất hóa học khó phân hủy - Khử trùng Quá trình khử trùng (disinfection): trình tiêu hủy sinh vật gây bệnh Khác với trình tiệt trùng (sterilization) trình tiêu hủy tồn vi sinh vật có nước nước thải, trình khử trùng chi tiêu diệt cách có chọn lọc sinh vật gây bệnh Trong lĩnh vực xử lý nước thải, ba nhóm vi sinh vật gây bệnh quan trọng vi khuẩn, vi trùng nang bào Các tác nhân hóa học dùng làm chất khử trùng bao gồm: clo hợp chất clo, brom, iot, ozon, phenol hợp chất phenol, rượu, H2O2… + Khử trùng clo: hợp chất clo thường dùng trạm xử lý nước thải bao gồm: Cl2, Ca(OCl)2, NaClO, ClO2 Cl2 + H2O ↔ HOCl + H+ + ClHOCl ↔ H+ + OClCa(OCl)2 + H2O → HOCl + Ca(OH)2 NaOCl + H2O → HOCl + NaOH + Khử trùng ozon: khử trùng ozon phương pháp tiên tiến ngày ứng dụng rộng rãi Cơ chế khử trùng ozon dựa khả phá hủy enzym nguyên sinh chất tế bào Trong môi trường nước, ozon phân ly tạo thành gốc tự HO2 HO có khả oxy hóa mạnh 4.4 Oxy hóa nhiệt 33 Trong phương pháp này, tất chất hữu làm ô nhiễm nước bị oxi hóa hồn tồn oxi khơng khí nhiệt độ cao, thành hợp chất khơng độc Phương pháp oxi hóa pha lỏng, phương pháp oxi hóa xúc tác pha phương pháp đốt cháy  Phương pháp oxi hóa pha lỏng Phương pháp dựa oxi hóa hợp chất hữu oxi nhiệt độ 100350oC áp suất 20-280 at Ở áp suất cao, độ hòa tan oxi nước tăng thúc đẩy q trình oxi hóa hữu  Phương pháp oxi hóa xúc tác pha Đây q trình oxi hóa xúc tác dị thể oxi khơng khí, nhiệt độ cao, chất hữu bay chứa nước thải cơng nghiệp Q trình xảy mạnh mẽ có xúc tác: đồng – crom, kẽm – crom, đồng – mangan…  Phương pháp đốt cháy Phương pháp hiệu phổ biến phương pháp nhiệt Bản chất phun bụi chất thải trực tiếp vào khí lị 900 - 1.000 oC, lúc nước bay hồn tồn cịn tạp chất hữu bị cháy Các chất vô nước thải tạo thành hạt rắn nóng chảy, thu hồi xiclon thiết bị lọc CHƯƠNG XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC – BIOLOGICAL PROCESSES (4 tiết) Phương pháp sinh học ứng dụng để xử lí nước thải sinh hoạt nước thải cơng nghiệp khỏi nhiều chất hữu hòa tan số chất vô (H2S, sunfua, NH3, 34 nitric…) Q trình xử lí dựa khả vi sinh sử dụng chất làm chất dinh dưỡng hoạt động sống – Các chất hữu vi sinh nguồn cacbon Bảng 5.1 Phân loại cơng trình xử lý sinh học • Xử lí nước thải điều kiện tự nhiên Các trình xử lí sinh học diễn điều kiện tự nhiên cơng trình nhân tạo Trong điều kiện tự nhiên việc xử lí xảy cánh đồng tưới , cánh đồng lọc sinh học ao sinh học Các cơng trình xử lí chọn phụ thuộc vị trí nhà máy, điều kiện khí hậu, nguồn cấp nước, thể tích nước thải công nghiệp sinh hoạt, thành phần nồng độ chất nhiễm • Xử lí nước thải cơng trình nhân tạo Trong cơng trình nhân tạo, q trình xử lí xảy với tốc độ lớn điều kiện tự nhiên Việc xử lí nước thải điều kiện nhân tạo tiến hành bể thơng khí (arerotank) thiết bị lọc sinh học 5.1 Cơ sở lí thuyết q trình phân hủy sinh học 5.1.1 Các số Nước thải đưa xử lí hóa sinh, đặc trưng BOD, COD Tiếp xúc với chất hữu cơ, vi sinh phân hủy chúng phần thành nước (H2O), khí carbonic, ion nitric ion sunfat…, phần khác tạo thành khối sinh học Sự phân hủy chất hữu gọi oxi hóa sinh học Một số chất hữu có khả oxi hóa dễ dàng, cịn số khác hồn tồn khơng bị oxi hóa oxi hóa chậm Để xác định khả nạp nước thải công nghiệp vào thiết bị xử lí sinh học người ta thiết lập nồng độ tối đa chất độc hại không ảnh hưởng đến q trình oxi hóa sinh hóa hoạt động cơng trình xử lí Nếu khơng có liệu khả oxi hóa sinh hóa thiết lập dựa theo tỉ lệ BOD COD Nếu tỉ lệ BOD/COD > 0,5, nước thải chịu oxi hóa sinh hóa Khi nước thải phải khơng chứa chất độc hại tạp chất muối kim loại nặng Khi nước thải phải khơng chứa chất độc hại tạp chất muối kim loại nặng 5.1.2 Quy luật phân hủy chất hữu 35 • Để cho q trình oxi hóa sinh học chất hữu có nước thải xảy ra, chất hữu hòa tan, chất keo chất phân tán nhỏ nước thải cần di chuyển vào bên tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn sau: - Chuyển chất nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật; - Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm chênh lệch nồng độ bên bên ngồi tế bào; - Chuyển hóa chất tế bào vi sinh vật, sản sinh lượng tổng hợp tế bào • Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động điều kiện cung cấp oxy liên tục Q trình xử lí sinh học hiếu khí nước thải gồm giai đoạn: - Oxy hóa chất hữu cơ: CxHyOz + O2 - enzim Tổng hợp tế bào mới: CO2 + H2O enzim CxHyOz + NH3 + O2 - Phân hủy nội bào C5H7NO2 + O2 • enzim CO2 + H2O + C5H7NO2 CO2+ H2O + NH3 Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động điều kiện khơng có oxy Phương trình phản ứng sinh hóa điều kiện kị khí biểu diễn đơn giản sau: Vi sinh vật Chất hữu CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào Một cách tổng qt, q trình phân hủy kỵ khí xảy theo giai đoạn : - Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch hợp chất cao phân tử; - Giai đoạn 2: Acid hóa; - Giai đoạn 3: Acetate hóa; - Giai đoạn 4: Methane hóa 36 Các chất hữu chứa chất hữu cao phân tử proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… giai đoạn thủy phân, cắt mạch tạo thành phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy Các phản ứng thủy phân chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, chất béo thành acid béo Trong giai đoạn acid hóa, chất hữu đơn giản lại tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 CO2 Bên cạnh đó, CO2 H2, methanol, rượu đơn giản khác hình thành trình cắt mạch carbohydrat Vi sinh vật chuyển hóa methane phân hủy số loại chất định CO2 + H2, fomate, acetate, methanol, methylamines CO 5.2 Phương pháp hiếu khí – aerobic digestion 5.2.1 Bùn hoạt tính – aerotank Aerotank bể chứa nước bê tông cốt sắt thơng khí Q trình xử lí aerotank diễn theo dịng nước thải sục khí trộn với bùn hoạt tính Hình 5.1 Sơ đồ cơng nghệ aerotank Nước thải cho vào bể lắng 1, để tăng cường lắng hạt lơ lửng cho vào phần bùn hoạt tính Sau nước vào bể aerotank có chứa bùn hoạt tính, nước thải sục khí sơ khoảng 15-20 phút Trong trường hợp cần thiết chất dinh dưỡng cho vào bể Từ bể aerotank nước chảy sang bể lắng 2, phần bùn lắng tuần hoàn bể aerotank, phần bùn cịn lại đưa xử lí, nước thải Trước bể aerotank nước thải không chứa lớn 150 mg/l hạt lơ lửng 25 mg/l sản phẩm dầu mỏ Nhiệt độ nước thải không thấp 6oC cao 30oC, pH khoảng 6,5 – NT vào 5.2.2 Lọc sinh học - biofiltration 3-Lắng cấp 37 Thiết bị lọc sinh học thiết bị mà bên thân bố trí đệm dạng thỏi cấu phân phối nước khơng khí Trong thiết bị lọc sinh học nước thải lọc qua lớp vật liệu bao phủ màng vi sinh vật Vi sinh màng sinh học oxi hóa chất hữu cơ, sử dụng làm nguồn dinh dưỡng lượng Như vậy, chất hữu tách khỏi nước khối lượng màng sinh học tăng lên Màng sinh vật chết trôi theo nước đưa khỏi thiết bị lọc sinh học vào bể lắng Tuy nhiên tính chất bùn vi sinh nặng hơn, dễ lắng bùn từ hệ bùn hoạt tính nên lắng cấp có u cầu khơng khắt khe hệ aerotank Mặt khác, lớp vi sinh vật đủ dày lớp vi sinh sát bề mặt vật liệu trở nên yếm khí, q trình xảy yếm khí thiếu khí, khí trình làm màng vi sinh dễ bong Khi màng vi sinh bong ra, bị rửa trôi lớp màng phát triển chu kì lặp lại Vật liệu lọc thường đá dăm khối vật liệu dẻo có hình thù khác Bể lọc vật liệu đá dăm thường có dạng trịn, kích thước dao động từ 25 – 100 mm Chiều sâu lớp vật liệu lọc khoảng 0,9 – 2,5 m, trung bình 1,8 m Hình 5.2 Lọc sinh học 5.2.3 Đĩa tiếp xúc sinh học quay – rotating biological contactor (RBC) Đĩa tiếp xúc sinh học quay (RBC) kĩ thuật màng bám dính, hệ xử lí bao gồm bồn/bể chứa, đĩa sinh học thực tế vật liệu mang ngập gần nửa vào nước thải, trục đĩa sinh học RBC gắn vào hệ mô tơ-hộp giảm tốc để quay tập đĩa Vật liệu làm RBC thường plastic có độ bền cao Khi quay nước vi khuẩn bám dính lên bề mặt đĩa, đồng thời quay nửa đĩa lấy oxi, ngập nước oxi tác dụng lớp màng sinh học bám đĩa tham gia phản ứng oxi hóa 38 hữu cơ, N- amoni để xử lí nước thải Đĩa sinh học thường chế tạo với bề mặt lồi lõm gấp nếp, điều vừa tăng diện tích bề mặt vừa tăng độ cứng đĩa Hình 5.3 Đĩa tiếp xúc sinh học quay 5.2.4 Oxyten - Ứng dụng oxi để thơng khí nước thải Hiện bắt đầu sử dụng oxi kỹ thuật để thơng khí nước thải thay cho oxi Quá trình gọi lắng sinh học Nó tiến hành thiết bị kín gọi oxiten Việc áp dụng oxi thay cho khơng khí để thơng khí nước thải có nhiều ưu điểm: - Hiệu suất sử dụng oxi tăng từ 8-9 đến 20-25% - Cường độ oxi hóa tăng 5-6 lần - Để đảm bảo nồng độ oxi nước thải yêu cầu vận tốc khuấy trộn thấp hơn, bùn tạo thành dạng bơng to chặt nên dễ lắng lọc, cho phép tăng nồng độ bùn đến 10g/l mà khơng cần tăng kích thước bể lắng đợt - Khi nồng độ oxi cao vi khuẩn không phát triển - Trong nước xử lí nồng độ oxi cịn dư lớn nên thúc đẩy q trình xử lí - Trong q trình xử lí khơng tạo mùi tiến hành thiết bị kín - Chi phí đầu tư nhỏ Tuy nhiên, phương pháp đắt tốn cho việc sản xuất oxi, ứng dụng trường hợp xí nghiệp có sẵn oxi Trong oxiten nồng độ CO2 cao aerotank nên pH giảm đáng kể Thời gian xử lí giảm gây cản trở q trình nitric 39 hóa Đồng thời hệ số tăng trưởng bùn giảm từ 0,6-1,2 aerotank 0,4-0,6 oxiten Phụ thuộc vào thành phần nước thải nồng độ oxi tối ưu nước thải oxiten 10-12 mg/l, liều lượng bùn 7-10g/l 5.2.5 Mương oxi hóa Đây biến thể hệ bùn hoạt tính sục khí kéo dài, bùn nên phù hợp cho điểm dân cư nhỏ, khơng có hệ xử lí tập trung Tương tự hệ ao hồ khơng cần xây dựng bê tơng, chi phí xây dựng thấp, yêu cầu vận hành, bảo trì mức thấp phí vận hành khơng cao Khác với hệ bùn hoạt tính, máy cấp khí trường hợp không dùng hệ phân tán lắp cố định đáy bể mà thường dùng hệ guồng vừa đẩy nước vừa cấp khí Mương oxi hóa chấp nhận tải cao nhiều so với hồ oxi hóa, nhờ guồng đẩy nước tạo dịng chảy tuần hồn với tốc độ khoảng 0,3 m/s nên giữ sinh khối lơ lửng, tăng hiệu xử lí Hình 5.4 Mương oxi hóa 5.2.6 Hồ sinh học Hồ sinh học dãy hồ gồm 3-5 bậc, qua nước thải chảy với vận tốc nhỏ, lắng xử lí sinh học Các hồ ứng dụng để xử lí sinh học xử lí bổ sung tổ hợp với cơng trình xử lí khác Hồ chia làm hồ với thơng khí tự nhiên nhân tạo Hồ với thơng khí tự nhiên khơng sâu (0,5-1m), đun nóng mặt trời gieo vi sinh vật nước 40 Vi khuẩn sử dụng oxi sinh từ rêu tảo trình quang hợp oxi từ khơng khí để oxi hóa chất ô nhiễm Rêu tảo tiêu thụ CO2, photphat nitrat amon, sinh từ phân hủy sinh học chất hữu Để hoạt động bình thường cần phải đạt giá trị pH nhiệt độ tối ưu Nhiệt độ khơng thấp 6oC Trong tính tốn hồ người ta xác định kích thước bảo đảm thời gian lưu cần thiết nước thải vận tốc oxi hóa đánh giá theo BOD chất phân hủy chậm Để tăng vận tốc hòa tan oxi người ta xây dựng hồ thơng khí Sự thơng khí tiến hành khí khí động Thơng khí cho phép tăng tải lượng chất nhiễm đến 3-3,5 lần tăng chiều sâu đến 3,5m 5.3 Phương pháp kỵ khí – anaerobic digestion Q trình yếm khí áp dụng để xử lí bùn dư, áp dụng để xử lí nước thải giàu hữu Vi khuẩn hoạt tính bao gồm vi khuẩn yếm khí vi khuẩn tùy nghi, điều kiện khơng có oxi chúng chuyển hóa chất hữu thành carbon dioxit metan, thường gọi biogas  So với q trình hiếu khí, yếm khí có ưu sau: - Hiệu suất tạo sinh khối yếm khí nhỏ nhiều so với hiếu khí; điều làm giảm nhu cầu dinh dưỡng, giảm chi phí xử lí bùn dư - Khơng có chi phí oxi, điều giảm chi phí thiết bị lẫn vận hành hệ cấp khí - Khí metan sinh có giá trị nhiệt lớn, thay khí đốt - Các q trình yếm khí chấp nhận tải đầu vào cao nhiều so với hiếu khí, khơng có cản trở yêu cầu khuếch tán oxi  Các nhược điểm q trình yếm khí: - Cần lượng để nâng nhiệt độ tới vùng hoạt động vi khuẩn tối ưu (thường 35oC) - Khó đạt hiệu suất xử lí cao q trình hiếu khí - Do chất q trình nước biogas ln có mùi H 2S mercaptan Điều hạn chế khả sử dụng thị - Bùn yếm khí khó lắng bùn hiếu khí, áp dụng kĩ thuật lắng chi phí cao - Điều khiển thiết bị khó hơn, hệ xử lí nhạy cảm shock tải hữu 41 5.3.1 Quá trình tiếp xúc kị khí (Anaerobic Contact Process) Đây trình với hệ vi sinh phân tán, tương tự q trình bùn hoạt tính, khác DO = Q trình tiếp xúc yếm khí bao gồm phần Phần tiếp xúc nghĩa hỗn hợp phản ứng bùn hồn tính khuấy trộn (trong điều kiện yếm khí), phần hai tách R/L để tuần hồn phần R bồn tiếp xúc Hai q trình tiếp xúc thương mại hóa Bioenergy Anamet Bioenergy q trình lắng tiếp xúc yếm khí thơng thường kết hợp tách R/L shock nhiệt kết hợp lắng cấp Khi hỗn hợp phản ứng khỏi bể phản ứng, trước vào bể lắng nhiệt độ 35oC giảm nhanh xuống 25oC nhờ hệ trao đổi nhiệt làm mát, q trình sinh khí metan dừng lại, nước vào lắng cấp bùn lắng dễ Trong hệ Anamet sau bồn yếm khí bồn hiếu khí để xử lí gần hồn tồn hữu Bùn tuần hồn bồn yếm khí bùn hiếu khí Q trình giảm lượng bùn dư phải xử lí, ngồi bùn dư chứa lượng N, P định giảm nhu cầu N, P tồn q trình 5.3.2 Phân hủy yếm khí ngược dịng - Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) Trong hệ UASB bùn phải phát triển thành lớp dày Trong lớp bùn tác động dòng nước từ lên hạt bùn tác động dòng nước từ lên hạt bùn lơ lửng tạo thành lớp đệm dạng hạt Hạt bùn bền với tác động dòng nước thải vào, đủ nhẹ để lơ lửng tác động dòng chảy đủ nặng để khơng bị dịng nước kéo khỏi bồn phản ứng Trong hệ UASB nước thải cấp vào từ đáy bồn, thu phía Trong q trình nước thải từ lên phải tiếp xúc với hạt bùn hoạt tính Khi xảy hai trình: (1) chất hữu BHT phân hủy yếm khí thành CO2 + CH4 (2) trình lọc nhờ lớp đệm dạng hạt Ưu điểm UASB so với hệ BHT  Ít tiêu tốn lượng vận hành  Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn  Bùn sinh dễ tách nước  Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng 42  Có khả thu hồi lượng từ khí metan Hình 5.5 Hệ phân hủy yếm khí ngược dịng (UASB) 5.3.3 Lọc yếm khí - Anaerobic Filter Process Bể lọc kỵ khí cột chứa vật liệu mang thường ngập lớp chất lỏng để xử lý chất hữu chứa carbon nước thải Nước thải dẫn vào cột từ lên, tiếp xúc với lớp vật liệu có VSV kỵ khí sinh trưởng, phát triển tạo màng, khe, lỗ khối vật liệu nơi vi sinh thích cư trú Lọc yếm khí hiệu xử lí nhiều loại nước thải cơng nghiệp có nồng độ hữu cao Ngồi ưu điểm q trình yếm khí, lọc yếm khí cịn có ưu điểm chịu đựng tốt trường hợp dừng hệ thống, khả phục hồi công suất tái khởi động tốt Bên cạnh lọc yếm khí gặp phải số khó khăn vận hành như: kiểm soát gia tăng mật độ sinh khối, cách tiến hành, mức độ rửa lọc để loại bớt không loại hết sinh khối bám dính 5.3.4 Hệ yếm khí với lớp đệm dãn nở - anaerobic fluidised bed reactor (AFBR) Hệ AFBR bồn phản ứng yếm khí với đệm giả lỏng, lớp đệm lớp vi khuẩn bám hạt vật liệu mang dạng hạt, gặp dòng nước thải từ lên chuyển động bồn phản ứng lớp đệm, tính linh động nên coi giả lỏng Vật liêu mang cát, than atraxit, than hoạt, cầu từ sợi thép không gỉ, bọt polyester Ưu điểm kĩ thuật AFBR loại trừ khả tắc trường hợp kĩ thuật lọc 43 5.3.5 Hồ yếm khí Hồ yếm khí dùng xử lí nước thải đậm đặc có SS cao Chúng cơng trình đào đất độ sâu tới m để đảm bảo điều kiện yếm khí giữ nhiệt Khi nước thải vào chất lắng tích lũy đáy hồ, nước lắng xử lí tiếp Điều kiện yếm khí đảm bảo suốt dọc độ sâu hồ, trừ lớp mỏng bề mặt Chất thải phân hủy thông qua chu trình chuyển hóa yếm khí, sản phẩm carbon dioxit, metan khí khác, axit hữu sinh khối Do chất q trình yếm khí gây mùi nên hồ yếm khí nên áp dụng yếu tố xung quanh đảm bảo không ảnh hưởng tới dân cư 44 ... - Tan khơng tan nước thải, khơng hình thành nhũ tương bền - Có trọng lượng riêng khác xa lượng riêng nước để tách nhanh hoàn toàn khỏi nước - Có hệ số khuếch tán lớn - Phục hồi đơn giản tốn -. .. cho khơng khí để thơng khí nước thải có nhiều ưu điểm: - Hiệu suất sử dụng oxi tăng từ 8-9 đến 2 0-2 5% - Cường độ oxi hóa tăng 5-6 lần - Để đảm bảo nồng độ oxi nước thải yêu cầu vận tốc khuấy... OH-] Đối với nước tinh khiết pH = 7, chứa nhiều ion H+ OH- nước có tính axit pH < 7, chứa nhiều ion OH- H+ nước có tính kiềm pH > Ảnh hưởng độ pH: - Cá thường khơng sống nước có pH 10 -