CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT – PHẦN 1
CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Xử lý sinh học hiếu khí được xem là một trong những phương pháp xử lý nước thải hiệu quả và đang được ứng dụng một cách rộng rãi. Mặt khác, phương pháp xử lý sinh học hiếu khí có rất nhiều hệ thống và mỗi hệ thống lại có cơ chế, khả năng xử lý và các đặc điểm riêng biệt. Tùy thuộc vào điều kiện, mục đích xử lý mà người ta sẽ áp dụng các loại hệ thống khác nhau cho hợp lý. Nhìn chung, phương pháp xử lý sinh học hiếu khí là một quá trình tương đối giản đơn, nó dựa trên nguyên lý phân hủy chất bẩn có trong nước thông qua các loại vi sinh vật (VSV) hiếu khí được con người chủ ý điều tiết nhằm làm sạch nước thải. Trong đó, không thể không kể đến công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt trong xử lý nước thải.
Mục tiêu
- Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt.
- Đề xuất và xây dựng mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt.
- Tạo cơ sở cho các nghiên cứu liên quan.
Nội dung nghiên cứu
- Nội dung 1: Tổng hợp, biên hội các tài liệu liên quan đến thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi và công nghệ xử lý nước thải; Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt, ứng dụng và yếu tố ảnh hưởng và các nghiên cứu liên quan.
- Nội dung 2: Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên mô hình lọc sinh học nhỏ giọt với vật liệu lọc là Bio-ball và Xốp đen.
Tổng quan lý thuyết
Khái niệm về lọc nhỏ giọt
Lọc là quá trình tách các hạt rắn ra khỏi pha lỏng hoặc pha khí bằng cách cho dòng khí hoặc lỏng có chứa hạt chất rắn chảy qua lớp vật ngăn xốp. Các hạt rắn sẽ bị giữ lại trên bề mặt lớp vật ngăn còn khí hoặc chất lỏng sẽ thấm qua vật ngăn.(Theo Trịnh Thị Thanh, Giáo trình công nghệ môi trường, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2004). Lọc nhỏ giọt là lọc với vận tốc rất nhỏ từ 0,1-0.5 m/h.
Bể lọc sinh học nhỏ giọt đã được dùng để xử lý nước thải hơn 100 năm qua. Bể lọc nhỏ giọt đầu tiên xuất hiện ở Anh năm 1893, hiện nay được sử dụng ở hầu khắp các nước với các trạm xử lý nước thải công nghiệp công suất nhỏ. Ở nước ta bể lọc sinh học nhỏ giọt đã được xây dựng tại nhà máy cơ khí Hà Nội, xí nghiệp chế biến thuốc thú y Hà Tây, bệnh viện đa khoa Gia Lâm v.v…
Có hai loại là lọc nhỏ giọt có vật liệu ngập trong nước thải và lọc nhỏ giọt biophin (vật liệu lọc không ngập trong nước thải):
√ Lọc nhỏ giọt có lớp vật liệu ngập không trong nước thải
Cấu tạo: Có vật liệu tiếp xúc không ngập nước.
- Các vật liệu có độ rỗng và diện tích lớn nhất (nếu có thể).
- Nước thải được phân phối đều trên bề mặt vật liệu.
- Nước thải sau khi tiếp xúc với vật liệu tạo thành các hạt nhỏ chảy thành màng nhỏ luồng qua khe hở của lớp vật liệu lọc.
- Ở bề mặt vật liệu lọc các khe hở giữa chúng các cặn bẩn được giữ lại tạo thành màng – Màng sinh học.
- Lượng oxi cần thiết để oxi hóa chất bẩn đi từ đáy lên.
- Những màng vi sinh đã chết sẽ đi cùng nước thải ra khỏi bể.
√ Lọc nhỏ giọt có lớp vật liệu không ngập trong nước thải
Cấu tạo: Có vật liệu tiếp xúc không ngập nước.
- Các vật liệu có độ rỗng và diện tích lớn nhất (nếu có thể).
- Nước thải được phân phối đều trên bề mặt vật liệu.
- Nước thải sau khi tiếp xúc với vật liệu tạo thành các hạt nhỏ chảy thành màng nhỏ luồng qua khe hở của lớp vật liệu lọc.
- Ở bề mặt vật liệu lọc các khe hở giữa chúng các cặn bẩn được giữ lại tạo thành màng – Màng sinh học.
- Lượng oxi cần thiết để oxi hóa chất bẩn đi từ đáy lên.
- Những màng vi sinh đã chết sẽ đi cùng nước thải ra khỏi bể.
√ Lọc nhỏ giọt có lớp vật liệu không ngập trong nước thải
Cấu tạo: Có lớp vật liệu ngập trong nước thải
- Nước thải được đưa vào bể lọc theo phương nằm ngang chảy qua khe hở của lớp vật liệu lọc.
- Đáy bể được thiết kế các lỗ để thu nước thải sau khi chảy qua lớp vật liệu lọc.
- Trong lớp vật liệu lọc BOD bị khử chuyển hóa NH4+ NO3-.
Vị trí của lọc nhỏ giọt trong hệ thống xử lý nước thải: Trong hầu hết các hệ thống xử lý nước thải, các bộ lọc nhỏ giọt thường xếp giữa bể lắng thứ cấp và hệ thống làm trong nước như hình dưới đây. Quá trình này là phương pháp xử lý màng sinh học cố định được thiết kế để triệt tiêu BOD và chất rắn lơ lửng.
Nguyên lý hoạt động
Trong hoạt động, nước thải được phân bố đều trên bề mặt của môi trường trung gian thông qua bộ lọc nhỏ giọt. Khi nước thải chảy trên bề mặt của các môi trường trung gian, các sinh tiết ra các chất nhờn tăng cường kết dính các chất hữu cơ trong dòng chảy.
Các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất rắn tạo ra thêm nhiều vi sinh và làm ổn định chất thải. Hai loại này hoặc trở thành một phần của màng sinh học hoặc được thải trở lại vào nước thải chảy qua các môi trườg trung gian. Nước thải tiếp tục thông qua các bộ lọc rồi qua hệ thống rãnh, nơi mà nước thải được thu thập vào các bộ lọc. Giai đoạn này, đồng thời không khí cũng thoát qua bộ lọc (dưới lên hoặc trên xuống tùy thuộc vào nhiệt độ). Oxy được chuyển từ không khí vào nước thải để duy trì các điều kiện hiếu khí. Theo thời gian, các chất nhờn trên môi trường trung gian trở nên quá nặng nề và được xả ra ngoài. Vật liệu này được gọi là sloughings (bùn lầy) được pha lẫn trong những bộ lọc cùng với lưu lượng nước thải và được loại bỏ trong bể lắng sau bộ lọc.
Bể lọc sinh học rất hiệu quả trong việc phá BOD và loại bỏ amoniac từ nước thải, và ít tốn kém chi phí. Chi phí để loại bỏ BOD chỉ là một vài đô la mỗi tấn.
Các quá trình sinh học diễn ra trong lọc sinh học nhỏ giọt
Quá trình sinh học hiếu khí
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí gồm 3 giai đoạn:
√ Giai đoạn 1: Oxi hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào.
CxHyOzN + (x+ + + ) O2 → xCO2 + H2O + NH3
√ Giai đoạn 2 (quá trình đồng hóa): Tổng hợp để xây dựng tế bào
CxHyOzN + NH3 + O2 → xCO2 + C5H7NO2
√ Giai đoạn 3 (quá trình dị hóa): Hô hấp nội bào
C5H7NO2 + 5O2→ xCO2 + H2O NH3 + O2 → O2 + HNO2 → HNO3
Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxi hóa chất liệu tế bào.
Các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Tùy theo từng loại VSV khác nhau quá mà quá trình sinh học hiếu khí nhân tạo được chia thành:
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám
Ở đây công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt là ứng dụng của phương pháp xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám.
- Màng sinh học
Quá trình vi sinh dính bám là một trong những quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá, sành, sứ, nhựa,…
- Cấu tạo màng vi sinh vật
Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý lẫn vi sinh, cấu trúc cơ bản của màng vi sinh vật gồm:
- Vật liệu đệm (như đá, sỏi, than,…với nhiều kích cỡ khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật.
- Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh được chia thành 2 lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt.
Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại bào (gelatin) do vi sinh vật ( cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất, do quá trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các polymer ngoại tế bào này là polysaccharides, proteins.
Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia thành 2 lớp: lớp màng kị khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài. Trong màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kị khí và hiếu khí, do chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hòa tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở thành hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớp màng kị khí.
Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của màng trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng.
Quá trình sinh học kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí. Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình:
- Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysacearide, chất béo.
- Lên men các amino acid và đường.
- Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu (alcohols).
- Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic).
- Hình thành khí methane từ acid acetic.
- Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2.
Các quá trình này có thể hợp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:
- Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid,acid béo). Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
- Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0.
- Acetic hoá (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới.
- Methane hóa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới.Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, CO2 hầu như không giảm, CO2 chỉ giảm trong giai đoạn methane.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc sinh học nhỏ giọt
Quá trình lọc sinh học nhỏ giọt hoạt động dựa trên sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Do đó những yếu tố tác động lên nhóm vi sinh vật này cũng ảnh hưởng không nhỏ để quá trình lọc sinh học nhỏ giọt như:
- Chất dinh dưỡng: Tùy thuộc vào loại nước thải như thế nào mà người ta có quyết định có sử dụng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt hay không. Điều kiện nước thải để áp dụng công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt là: Có nồng độ chất hữu cơ cao.
- pH: Ảnh hưởng đến tính thấm qua màng, hoạt động chuyển hóa vật chất trong tế bào, hoạt tính enzim, sự hình thành ATP. Đối với các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải độ pH thích hợp vào khoảng 6,5 – 7,5 ( Vi khuẩn không chịu được pH>9 và pH<4)
- Độ ẩm: Để vi sinh vật sinh trưởng và phát triển tốt cần có độ ẩm cao.
- Nồng độ oxi hòa tan: (DO) tối ưu > 4mg/l
- Nhiệt độ: Mỗi loại vi sinh vật thích hợp với nhiệt độ khác nhau để sinh trưởng và phát triển tốt. Đối với hệ vi sinh vật trong công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt nhiệt độ tối ưu trong khoảng 20 – 270C.
- Kim loại nặng: Khi áp dụng xử lý nước thải bằng công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt cần cân nhắc xem trong nước thải có tồn tại kim loại nặng hay không. Vì vi sinh vật không thể sinh trưởng và phát triển trong điều kiện môi trường có chất gây ức chế sinh trưởng như kim loại nặng.
Vật liệu lọc
Vật liệu lọc phong phú: từ đá giăm, đá cuội, đá ông, vòng kim loại, than đá, than cốc, chất dẻo tấm uốn lượn, gỗ mảnh….
Các loại đá nên chọn các cục có kích thước trung bình 60-100mm. Chiều cao vật liệu dá chọn khoảng 0,4-2,5-4m. Nếu kích thước hạt, cục vật liệu nhỏ sẽ làm giảm dộ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì làm diện tích tiếp xúc bị giảm nhiều dẫn đến giảm hiệu suất xử lý.
Với bể lọc là vật liệu đá giăm thường có dạng hình tròn. Nước thải được phân bố trên bề mặt vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt.
Các thanh gỗ( đặc biệt là gỗ đỏ ở Mỹ) và các tấm chất dẻo được xếp thành từng khối bó chặt được gọi là modun vật liệu. Các modun này dược xếp trên giá đỡ, khối lượng vật liệu được giảm đi rất nhiều làm cho chiều cao của lớp lọc tăng lên đáng kể(9-16m). Tạo nên những mô hình tháp lọc.
Vật liệu chất dẻo có tuổi thọ trung bình khoảng chục năm. Việt thay chúng do nhiều nghuyên nhân: quá bẩn, bị vỡ, giá đỡ bị hổng…
Phần lớn các vật liệu lọc trên thị trường hiện nay đáp ứng được yêu cầu:
- Diện tích riêng lớn
- Nhẹ, có thể sử dụng ở độ cao lớn.
- Có độ bền cơ học đủ lớn
- Ổn định hóa lý
Bảng 1.4.5.1 Tính chất vật lý của một số vật liệu dùng cho lọc nhỏ giọt
| Vật liệu | Kích thước(in) | Khối lượng/đơn vị thể tích(1b/ft3) | Diện tích bề mặt(ft2/ft3) | Độ thông thoáng(%) |
| Đá cuội
– Lớn – Nhỏ |
4 – 5 1 – 2,5 |
50 – 62 78 – 90 |
12 – 50 17 – 21 |
50 – 60 40 – 50 |
| Xỉ lò cao
– Lớn – Nhỏ |
3 – 5 2 – 3 |
14 – 18 17 – 21 |
14 – 18 17 – 21 |
50 – 60 40 – 50 |
| Chất dẻo(tấm)
– Thông thường – Bề mặt riêng cao |
24 x 24 x 48
24 x 24 x 48 |
2 – 6
2 – 6 |
24 – 30
30 – 60 |
94 – 97
94 – 97 |
| Gỗ đỏ | 24 x 24 x 20 | 9 – 11 | 12 – 15 | 70 – 80 |
| Quả cầu chất dẻo | 1 – 3,5 | 3 – 6 | 38 – 85 | 90 – 95 |
Ghi chú:
(PGS.TS. LươngĐức Phẩm, Công nghệ xử lý nước thải 2007)
1in = 25,4 mm
1b/ft3 x 16,0185 = 1g/m3
1ft2/ft3 x 3,2808 = 1m2/m3
Thông khí ở bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học làm việc trong điều kiện thoáng khí. Ngoài việc cung cấp oxi cho vi sinh vật ở màng sinh học hoạt động, thoáng khí còn có tác dụng loại ra khỏi lọc các khí tạo thành do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước như CO2, CH4, H2S… Thông khí ở đây có thể bằng cách tự nhiên hoặc nhân tạo.
- Thông khí tự nhiên: là do sự chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài bể lọc. Quá trình phun nước cũng cung cấp 1 lượng oxi trong không khí hòa tan vào nước.
- Thông khí nhân tạo: Dùng quạt gió thổi vào khoảng trống ở đáy bể và không khí từ đó đi lên qua các khe hở của các lớp vật liệu.
Phân loại lọc phun
Lọc phun được phân loại theo tải trọng thủy lực hoặc tải trọng hữu cơ. Do vậy, có lọc tải trọng thấp và lọc tải trọng cao.
| Thông số | Đơn vị đo | Tải trọng thấp | Tải trọng cao |
| Chiều cao lớp vật liệu | m | 1 – 3 | 0,9 – 2,4 (đá)
6 – 8 (nhựa tấm) |
| Loại vật liệu | Đá cục, than cục, đá ong, cuội lớn | Đá cục, than cục, sỏi lớn, tấm nhựa đúc, cầu nhựa… | |
| Tải trọng chất hữu cơ theo thể tích vật liệu lọc | KgBOD5/m3.ngày | 0,08 – 0,4 | 0,4 – 1,6 |
| Tải trọng thủy lực theo diện tích tiếp xúc | m3/m2.ngày | 1 – 1,4 | 4,1 – 40,7 |
| Hệ số tuần hoàn | Tùy chọn 0 – 1 | 0,5 – 2 | |
| Tải trọng thủy lức trên bề mặt của bể lắng đợt 2 | m3/m2.ngày | 25 | 16 |
| Hiệu quả khử BOD sau bể lọc và bể lắng 2 | 80 – 90 | 65 – 85 |
(PGS.TS. LươngĐức Phẩm, Công nghệ xử lý nước thải 2007)
Lọc sinh học trong hệ thống xử lý
Nước sau khi qua lọc phun hoặc nhỏ giọt có thể chưa đặt yêu cầu, có thể cho nước tuần hoàn trở lại với mục đích tăng cường thời gian tiếp xúc giữa nước thải với màng sinh học để tăng hiệu quả xử lý.
Một số quy trình tuần hoàn nước qua lọc:
Sơ đồ a) bể lọc phun cao tải đặt sau lắng 1 và trước lắng 2, đóng vai trò công trình xử lý bậc2. Tuần hoàn nước liên tục từ sau lắng 2 đưa trở lại vào trước lắng 1. Bùn cặn ở lắng 2 cũng được đưa về lắng 1 để keo tụ ở đây.
b)
Sơ đồ b) nước khỏi lọc sau đó đưa lại vào trước bể lọc.
c)
Sơ đồ c) Có giàn phun nước thành nhuwngc giọt mưa nhỏ liên trục. Gian phun đặt cao hơn bề mặt lớp vật liệu là 0,5 – 0,6m . Nước được phân phối đều khắp diện tích lớp lọc.
d)
Sơ đồ d) Hệ thống xử lý với hai lọc liên tiếp và tuần hoàn nước từ sau lọc về trước lọc
e)
Sơ đồ e) Hệ thống xử lý với hai lọc liên tiếp và một lắng trung gian(lắng 2 đợt 1). Nước tuần hoàn từ sau lắng về trước lọc.
Ưu điểm, nhược điểm của công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt
Ưu điểm
- Nước được tuần hoàn liên tục nên giảm được tắt nghẽn và áp lực lên công trình.
- Phù hợp với những nơi có điện tích đất ít
- Linh hoạt trong xử lý chất hữu cơ tùy thuộc vào loại vật liệu
- Thích hợp cho cộng đồng dân cư vừa và nhỏ -Giảm nhanh BOD5 hòa tan có trong nước thải -Tiết kiệm năng lượng.
- Chi phí đầu tư thấp.
- Không yêu cầu chuyên môn cũng như kỹ năng cao để quản lý và vận hành
Nhược điểm
- Yêu cầu vốn xây dựng cao hơn các phương pháp khác
- Xử lý chất dòng thải có nồng độ chất hữu cơ thấp
- Chi phí vận hành và bảo trì cao do có hệ thống nước tuần hoàn và đòi hỏi hóa chất
- Yêu cầu kiểm tra giám sát thường xuyên.
- Có khả năng xảy ra tắc nghẽn
- Thiếu linh hoạt và kiểm soát vẫn hạn chế so với quá trình bùn hoạt tính
- Mùi hôi
- Rất nhạy cảm với nhiệt độ.
