Chương 1. Công nghệ xử lý khí thải
2.2. Các phương pháp xử lý nước thải
2.2.3. Các phương pháp xử lý sinh học
Ao, hồ sinh học hay còn gọi là ao hồ ổn định (Waste Water Stabilization ponds and lagoons) là loại hồ chứa nước thải trong nhiều ngày phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng oxy trong nước. Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất và được áp dụng từ thời xa xưa. Quy trình xử lý tóm tắt như sau:
Nước thải → loại bỏ rác lớn, sỏi, cát... → Các ao hồ ổn định → Nước đã xử lý
Nguyên lý: dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là do hoạt động của vi sinh vật và các thủy sinh khác, các chất hữu cơ bị phân hủy tạo thành các sản phẩm đơn giản hơn, khí CO2, nước.
Ưu điểm:
- Không yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu tư ít, chi phí vận hành rẻ tiền, dễ xây dựng, dễ vận hành, không đòi hỏi cung cấp năng lượng (sử dụng năng lượng Mặt trời);
- Có khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh trong nước thải xuống mức thấp nhất;
- Làm giảm hàm lượng BOD, COD trong nước;
Nhược điểm:
- Thời gian xử lý dài ngày;
- Đòi hỏi phải có mặt bằng xử lý rộng;
- Quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, vào mùa đông quá trình kéo dài hơn, khi có mưa to và dài ngày có khả năng tràn ao và gây ô nhiễm các đối tượng khác;
- Các loại ao hồ kị khí dễ tạo ra mùi khó chịu do quá trình phân hủy kị khí thường tạo ra H2S...
Phân loại:
Có các loại hồ ổn định: Ao, hồ hiếu khí; Ao, hồ tùy nghi; Ao, hồ kị khí.
(a) Ao, hồ hiếu khí là loại ao, hồ nông với độ sâu từ 0,3 – 0,5m, quá trình oxy hóa các chất hữu cơ chủ yếu nhờ các vi sinh vật hiếu khí. Loại ao hồ này gồm có: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
Hồ làm thoáng tự nhiên: Oxy từ không khí khuếch tán vào lớp nước phía trên, cùng với ánh sáng mặt trời là điều kiện thuận lợi cho tảo phát triển, tiến hành quá trình quang hợp tạo ra oxy. Để đảm bảo cho ánh sáng thâm nhập vào nước với hiệu suất lớn nhất thì chiều sâu hồ phải nhỏ, thường là 30 – 40cm. Do chiều sâu như vậy nên diện tích bề mặt hồ phải lớn. Tải của hồ vào khoảng 250 – 300 kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước thường là từ 3 – 12 ngày. Hiệu quả làm sạch của hồ có thể đạt tới 85 – 90% BOD, màu của nước có thể chuyển dần sang màu xanh của tảo.
Hồ làm thoáng nhân tạo (hồ có sục khí): Trong các công trình này có sử dụng thiết bị khuấy cơ học hoặc khí nén (chủ yếu là khuấy cơ học). Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn, đều hơn và độ sâu của hồ cũng lớn hơn (2 – 4,5m). Tải BOD của hồ vào khoảng 400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày hoặc dài hơn.
(b) Ao, hồ kị khí là loại ao, hồ sâu, ít có hoặc không có điều kiện hiếu khí. Nguyên lý của phương pháp là dựa vào hoạt động của vi sinh vật kị khí để phân hủy các chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các loại rượu và khí CH4, H2S, CO2... và nước.
Ao hồ kị khí thường được dùng để xử lý các loại nước thải có độ nhiễm bẩn lớn, hàm lượng BOD cao không cần vai trò quang hợp của tảo. Nước thải lưu ở hồ kị khí thường sinh ra mùi khó chịu, vì vậy cần bố trí các loại ao, hồ này xa khu dân cư và các xí nghiệp chế biến thực phẩm.
Để duy trì điều kiện kị khí và giữ ấm nước trong hồ trong những ngày mùa đông giá lạnh, chiều sâu hồ là khá lớn (từ 2 – 6m, thông thường lấy ở khoảng 2,5 – 3,5m). Khi xây dựng hồ kị khí thường tính toán theo kinh nghiệm: chiều sâu như trên đã dề cập, diện tích mặt thoáng không cần lớn (thường vào khoảng 10 – 20% diện tích ao hồ tùy nghi). Thời gian lưu nước có thể là dài, nhưng cần tính toán sao cho mùa hè chỉ lưu nước từ 1,5 đến 2 ngày và mùa đông là 5 ngày. Hiệu suất xử lý BOD trong mùa hè có thể đạt tới 65 – 80% và mùa đông là 45 – 65%.
Cấu tạo của hồ thường có hai ngăn: một ngăn làm việc và một ngăn dự phòng khi vét bùn cặn.
Cửa dẫn nước vào ao, hồ nên đặt chìm nhằm đảm bảo cho việc phân bố cặn đồng đều trong hồ. Cửa xả nước ra khỏi hồ theo kiểu thu nước bề mặt và có tấm ngăn bùn không cho ra cùng với nước.
Các khu vực có không gian rộng và nhiều đầm, phá trũng có thể cải tạo thành các đầm hồ kị khí để xử lý nước thải.
(c) Ao hồ tùy nghi
Nguyên lý: là loại hồ kết hợp hai quá trình song song phân hủy hiếu khí và phân hủy kị khí các chất hữu cơ trong nước. Đây là loại hồ được sử dụng phổ biến nhất.
Đặc điểm: theo chiều sâu hồ, được chia làm ba vùng: lớp trên cùng là vùng hiếu khí (vi sinh vật hiếu khí hoạt động), vùng giữa là vùng kị khí tùy tiện (vi sinh vật tùy nghi hoạt động) và vùng đáy sâu là vùng kị khí toàn phần (vi khuẩn lên men hoạt động).
Trong hồ thường hình thành hai tầng phân cách nhiệt: tầng nước phía trên có nhiệt độ cao hơn tầng phía dưới. Tầng trên có tảo phát triển, tiêu thụ CO2 làm cho pH chuyển sang độ kiềm (có khi lên tới 9,8). Tảo phát triển mạnh tạo thành lớp dày rồi chết và tự phân hủy làm cho hàm lượng oxy hòa tan trong nước giảm xuống (với hai lý do chính là: quá trình tự phân hủy sử dụng oxy hòa tan trong nước, lớp xác tảo dày trên bề mặt làm giảm quá trình khuếch tán oxy từ không khí vào nước, tảo chết làm mất đi một nhân tố tạo oxy trong nước), ảnh hưởng tới hoạt động của các loài vi sinh vật hiếu khí, tạo điềukiện cho vi sinh kị khí tùy tiện phát triển mạnh. Trong trường hợp này phải tiến hành đảo khuấy để tránh cho hồ bị quá tải chất hữu cơ.
Nếu trong trường hợp ở trong nước có nồng độ kim loại nặng cao thì cần phải dùng biện pháp hấp phụ, trao đổi ion... hoặc các biện pháp thích hợp khác để loại chúng hoặc làm giảm nồng độ của chúng. Kim loại nặng cũng như các chất có độc tính khác ảnh hưởng, ức chế hoặc tiêu diệt trước hết là các vi sinh vật, sau đến là các giới thủy sinh khác và cuối cùng ảnh hưởng đến môi trường sống của con người. Nếu các chất độc này nhiễm vào nước sinh hoạt, nước uống sẽ gây độc rất nguy hiểm cho người và độc vật. Quần thể vi tảo trong nước rất mẫn cảm với độ độc của các ion kim loại. Người ta đã đề ra phương pháp dùng tảo chỉ thị mức độ nhiễm độc của các ion kim loại nặng trong nước.
Khả năng áp dụng các công trình ao, hồ sinh học: Các loại ao, hồ sinh học có thể áp dụng thích hợp ở nước ta nếu diện tích mặt bằng và các điều kiện khác cho pháp. Các ao, hồ có thể làm một bậc hoặc nhiều bậc xử lý. Chiều sâu của hồ bậc sau thường sâu hơn bậc trước. Thiết bị đưa nước vào hồ phải có cấu trúc thích hợp để phân phối đều hỡn hợp bùn nước trên toàn bộ diện tích hồ. Hồ một bậc thường có diện tích 0,5 – 7ha, nhiều bậc thì mỗi bậc là 2,25 – 2,5ha.
(2) Phương pháp bùn hoạt tính
Khái niệm: Bùn hoạt tính là tập hợp hệ vi sinh vật phức tạp bao gồm: vi khuẩn, nguyên sinh động vật, nấm, tảo, virus... kết lại thành dạng hạt bông, trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước, các hạt bông này thường có màu vàng nâu, kích thước 3 - 150àm. Cỏc hạt bụng này cú khả năng hấp phụ lờn bề mặt của nú và oxy hoỏ phõn huỷ các chất hữu cơ có trong nước với sự có mặt của oxy hoà tan trong nước".
Hay nói một cách khác: Bùn hoạt tính là tập hợp của rất nhiều hạt bông vi sinh vật có khả năng hấp phụ, oxy hoá chất hữu cơ trong nước. Trong bùn hoạt tính có khoảng từ 108 - 1012 vi sinh vật/mg chất khô.
Cơ chế hoạt động có 3 bước:
- Khuếch tán và vận chuyển các chất từ trong nước thải đến bề mặt tế bào sinh vật.
- Khuếch tán và hấp phụ các chất từ bề mặt qua màng tế bào để vào bên trong;
- Chuyển hoá (oxy hoá và khử) các chất bên trong tế bào sinh vật tạo ra năng lượng, sản phẩm và tiến hành tổng hợp chất mới của tế bào.
Các loại nước thải phù hợp xử lý bằng bùn hoạt tính
Các loại nước thải phù hợp cho việc xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính cần đảm bảo các điều kiện sau:
- Có hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (BOD) cao, thể hiện qua tỷ lệ BOD/COD > 0,5. Ngoài ra còn phải đảm bảo hàm lượng Nitơ, Phốt pho trong nước cao và duy trì tỷ lệ BOD5: N : P = 100: 5 :1;
- Không chứa chất độc hại cho vi sinh vật như: kim loại nặng, thuốc bảo vệ thực vật, dầu, mỡ...
Do đó, phương pháp này phù hợp để xử lý các loại nước thải: từ các ngành công nghiệp thực phẩm: nước thải sản xuất bia, nước thải cơ sở làm bún, nước thải lò mổ, nước thải cơ sở sản xuất kẹo đường, nước thải cơ sở đóng đồ hộp thủy sản - tôm cá đông lạnh, nước thải từ cơ sở sản xuất sữa...; Nước thải sinh hoạt (sau bể mêtan); Nước thải nông nghiệp: từ các trại chăn nuôi...
Quy trình công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính
Xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính là một mắt xích trong hệ thống xử lý nước thải, bắt buộc phải có 3 bể:
Hình 2.14. Quy trình công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính
Bể lắng 1 (bể lắng sơ cấp): chỉ có tác dụng phụ để tách, loại bớt hàm lượng chất rắn lơ lửng kích thước lớn (chủ yếu ở dạng vô cơ).
Bể hiếu khí (aeroten): môi trường ưa khí của vi sinh vật hiếu khí đạt được bằng cách sử dụng một máy sục khí. Tại đây, tế bào vi sinh vật và các chất trong nước ở trạng thái khuấy trộn hoàn toàn, từ đó hình thành các hạt bông vi sinh vật.
Bể lắng 2 (bể lắng thứ cấp): bùn hữu cơ lắng xuống có vi sinh vật (bùn hoạt tính). Tái sử dụng bùn (bùn quay vòng) với một lượng nào đó (lượng còn lại dùng làm phân bón hoặc tiêu huỷ) đưa vào bể hiếu khí, bể hiếu khí lúc này được gọi là bể bùn hoạt tính. Trong trường hợp bùn hoạt tính chưa đủ để sử dụng (thường sau 30 ngày mới cho bùn tối ưu), thì đi theo cống dẫn nước thải đổ ra ao, hồ, lấy bùn ao ngay dưới miệng cống nơi có vi sinh vật phát triển đưa về và đem kích hoạt vi sinh vật rồi mới đem đổ vào bể hiếu khí.
Các điều kiện ảnh hưởng đến chất lượng của bùn hoạt tính
Để tạo ra bùn với khối lượng sao cho đủ và có độ hoạt tính cao để xử lý hiệu quả cần đảm bảo tốt các điều kiện ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng của vi sinh vật:
Duy trì tỉ lệ BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 (tạo cân bằng dinh dưỡng cho hoạt động của vi sinh vật);
Nồng độ kim loại nặng nằm trong giới hạn cho phép, bởi đây là yếu tố cản trở quá trình sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật. Mức độ ảnh hưởng của các kim loại xếp theo chiều giảm dần: Ag, Cu, Hg, Co, Ni, Pb, Cr, Zn, Fe....
Giá trị pH tối ưu cho đa số vi sinh vật là: 6,5 - 8,5. Nếu pH thấp thì thúc đẩy nấm phát triển. Nếu pH > 9 thì phá hủy tế bào sinh vật làm cho vi sinh vật chết. pH còn ảnh hưởng đến quá trình tạo men trong tế bào, đến sự hấp phụ chất dinh dưỡng vào tế bào;
Duy trì nồng độ oxy hòa tan (DO) trong khoảng: 5 - 6 mg/l, nếu thấp sẽ làm giảm tốc độ làm sạch của bùn hoạt tính;
Ngưỡng nhiệt độ thích hợp: 20 - 30 0C;
Nồng độ muối không vượt quá 10g/l.
Vai trò của vi sinh vật
Các vi sinh vật trong bùn hoạt tính đều có các chức năng, nhiệm vụ riêng nhưng kết hợp hài hòa tạo thành một hệ thống hoạt động thống nhất.
1. Các vi khuẩn vỏ nhầy Đại diện: Zooglea ranigoza.
Chức năng: có khả năng tiết chất nhầy (một dạng polime sinh học, thành phần là polysaccarit). Chất nhầy này có tác dụng là để liên kết các tế bào sinh vật thành sợi bông hoặc hạt nhỏ. Các hạt này lại kéo theo các hạt lơ lửng chứa nhiều vi sinh vật hiếu khí, các chất huyền phù khó lắng, thậm chí cả các ion kim loại nặng, tạo thành khối nhầy hoạt tính (vừa có sẵn chất dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển, vừa có nhiều vi sinh vật năng động tập trung) có khả năng oxy hóa nhanh chất hữu cơ trong nước, sau một thời gian được duy trì ở trạng thái lơ lửng trong nước sẽ làm giảm hàm lượng chất hữu cơ trong nước. Khối nhầy phát triển to dần rồi lắng xuống đáy tạo bùn dưới tác dụng của trọng lực.
2. Vi sinh vật oxy hoá (vi khuẩn)
Trong quá trình dinh dưỡng, vi sinh vật nhận các chất để xây dựng tế bào, sinh năng lượng nên sinh khối của nó tăng lên.
Quá trình oxy hóa là công đoạn quan trọng nhất, phụ thuộc vào thành phần, số lượng vi sinh vật, nồng độ oxy hòa tan, lượng chất dinh dưỡng (Các quá trình oxy hóa chất hữu cơ đã được giới thiệu ở phần trên).
3. Động vật nguyên sinh
Chức năng: - Tham gia phân huỷ chất hữu cơ;
- Ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết;
- Tăng cường loại bỏ vi sinh vật gây bệnh;
- Kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào để phân huỷ chất hữu cơ và kết lắng bùn nhanh.
Do các chức năng trên động vật nguyên sinh còn có các chức năng thứ sinh như:
- Điều chỉnh loài, độ tuổi cho quần thể vi sinh vật trong bùn;
- Giữ cho bùn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu;
- Làm đậm đặc màng nhầy;
- Làm xốp cho bùn.
Đại diện cho động vật nguyên sinh là: Protozoa.
Bùn có chất lượng cao thì cứ 1 triệu tế bào vi khuẩn phải có từ 10 - 15 Protozoa.
Áp dụng ở Việt Nam Thuận lợi:
- Việt Nam là một nước nhiệt đới nên thuân lợi cho sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí;
- Chi phí xử lý thấp, dễ vận hành, không cần sử dụng nhiều vật liệu, hóa chất phức tạp;
- Với đặc thù kinh tế - xã hội như hiện nay ở Việt Nam thì có nhiều loại nước thải phù hợp xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính;
- Có thể tận dụng các sản phẩm sau quá trình xử lý như: nước thải sau khi xử lý có thể dùng để tưới cây, bùn tạo ra sau bể lắng 2 có thể dùng làm phân bón.
Bất lợi:
Bắt buộc phải có sự theo dõi, vận hành thường xuyên;
Phải luôn đảm bảo các điều kiện môi trường cho sự phát triển của vi sinh vật (nhiệt độ, pH, hàm lượng oxy hòa tan trong nước...);
Nước thải trước khi đưa vào hệ thống xử lý cần đảm bảo các điều kiện: chứa nhiều chất hữu cơ, không có chất độc hại cho vi sinh vật...
(3) Cánh đồng tưới và bãi lọc
Nguyên lý: kỹ thuật cánh đồng tưới, bãi chôn lấp lọc tận dụng các đặc tính tự nhiên của nền đất, cụ thể là:
Đặc tính hóa lý của tầng đất: lọc, hấp phụ, trao đổi ion, khả năng thấm nước và giữ nước, giữ cặn bẩn và các cá thể sinh vật nhỏ;
Đặc tính sinh học của nền đất: hoạt động của hệ vi sinh vật đất và cây cỏ.
Dựa vào khả năng giữ cặn nước ở trên bề mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua một bề mặt lọc, sau đó tiếp tục được vi sinh vật hiếu khí oxy hoá nhờ sự có mặt của oxi trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt. Càng đi sâu xuống lòng đất, lượng oxi tự do càng giảm và quá trình oxy hóa hiếu khí các chất hữu cơ giảm dần. Cuối cùng đến một độ sâu mà ở đó chỉ diễn ra quá trình khử nitrat (bằng thực nghiệm người ta đã xác định được quá trình oxy hóa chất hữu cơ chỉ xảy ra ở lớp đất mặt có độ sâu tới 1,5m).
Chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng. Tùy thuộc vào chức năng nào là chính, cánh đồng tưới sẽ là cánh đồng tưới công cộng hay cánh đồng tưới nông nghiệp hoặc chỉ làm chức năng xử lý nước thải gọi là bãi lọc (hay cánh đồng lọc).
Trong trường hợp sử dụng cho cánh đồng tưới nông nghiệp thì ngoài yêu cầu làm ẩm đất còn phải đáp ứng yêu cầu về chất dinh dưỡng (N, P, K) của cây trồng. Trong nước thải sinh hoạt và đô thị thường chứa đủ các thành phần dinh dưỡng cho cây trồng. Hàm lượng Nitơ vào khoảng 15 – 60mg/l, Photpho vào khoảng 3 – 12mg/l, Kali vào khoảng 6 – 25mg/l.
Những hợp chất chứa các nguyên tố này chủ yếu ở dạng hòa tan, một phần ở dạng chất rắn lơ lửng: Nitơ có 85% ở dạng hòa tan, 15% ở dạng chất lơ lửng; Photpho là 60% và 40%;
Kali là 95% và 5%. Như vậy, tỉ lệ N:P:K trong nước thải sinh hoạt là 5:1:2. So với phân chuồng (tỉ lệ N:P:K là 2:1:2) thì nước thải sinh hoạt là nguồn phân đạm rất tốt đối với nhiều loại cây trồng. Đối với nước thải một số ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm để có thể xử lý theo phương pháp này thì yêu cầu cần phải không có chất độc (kim loại nặng) hoặc các chất có tác dụng ức chế sinh trưởng thực vật.
Quy trình công nghệ ứng dụng cánh đồng tưới:
Hình 2.15. Quy trình công nghệ ứng dụng cánh đồng tưới, bãi lọc
Nước thải trước khi được đưa ra cánh đồng tưới hay bãi lọc cần qua bước xử lý sơ bộ: qua song chắn rác để loại bỏ rác, các vật thô cứng; qua lắng cát để loại bỏ cát, sỏi, loại bỏ dầu mỡ. Loại bỏ dầu, mỡ và một phần các chất huyền phù tránh cho các lỗ hổng và mao quản lớp đất mặt bị bít kín làm giảm độ thoáng khí, ảnh hưởng xấu tới khả năng oxy hóa chất hữu cơ của vi sinh vật. Trong trường hợp lượng nước thải lớn cần phải có bể điều hòa sau khi xử lý sơ bộ. Thời gian lưu nước ở đây là 6 – 8giờ. Trường hợp tưới cây theo vụ, khi không cần nước tưới, nước thải được đưa vào xử lý ở hệ ao hồ ổn định. Ngoài chức năng loại bỏ rơm rác, các vật thô cứng, bước xử lý sơ bộ còn đảm nhiệm chức năng loại bỏ một phần các vi sinh vật gây bệnh có trong nước thải (đặc biệt là nước thải sinh hoạt), trong đó có trứng giun sán (có thể loại bỏ được 50 – 60% các sinh vật này). Chính vì vậy, các loại nước thải chưa qua xử lý sơ bộ không được dùng để tưới cho các loại rau ăn sống.
Cấu tạo cánh đồng tưới: