Phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học hiếu khí và thiếu khí gồm có hai phần
Phần 1: gồm có hai chương
- Chương 1: giới thiệu về công nghệ sinh học hiếu khí và thiếu khí.
- Chương 2: công nghệ USBF – Upflow sludge blanket filtration
Phần 2: ứng dụng công nghệ USBF vào xử lý nước thải
Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu phần 1 ở bài viết này, phần ai các bạn xem tại đây: https://maybomnuoc99.com/nghien-cuu-ung-dung-cong-nghe-usbf/
Chương 1: Công nghệ sinh học hiếu khí và thiếu khí
Công nghệ sinh học hiếu khí – bể Aerotank
Phân hủy hiếu khí: là quá trình sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ thích hợp có trong nước thải trong điều kiện được cung cấp oxy liên tục.
Bể aerotank là bể phản ứng sinh học được làm hiếu khí bằng cách thổi khí nén và khuấy đảo cơ học làm cho các VSV tạo thành các hạt bùn hoạt tính lơ lửng trong khắp pha lỏng. Còn có chức năng loại bỏ Nito trong nước thải.
Công nghệ sinh học thiếu khí – bể Anoxic
Phân hủy thiếu khí: Một quá trình sinh học trong đó một nhóm các vi sinh vật sử dụng kết hợp oxy hóa như được tìm thấy trong nitrit và nitrat. Những sinh vật tiêu thụ chất hữu cơ để hỗ trợ chức năng sống. Chúng sử dụng các chất hữu cơ, kết hợp oxy từ nitrat, và chất dinh dưỡng để sản sinh khí nitơ, carbon dioxide, chất rắn ổn định và sản sinh ra nhiều sinh vật hơn.
Bể Anoxic hay còn gọi là bể lên men, là hệ thống bể xử lý Nito trong nước thải bằng các phương pháp sinh học. Công nghệ xử lý được áp dụng trong bể Anoxic thường là Nitrat hóa và khử Nitrat. Bể thiếu khí Anoxic còn có cả chức năng xử lý Photpho. Ở bể này việc xử lý chất thải sẽ diễn ra các quá trình như lên men, cắt mạch, khử Nitrat thành Nito,…
Chương 2: Công nghệ USBF – Upflow sludge blanket filtration
Công nghệ USBF- Upflow Sludge Blanket Filtration
Mô tả công nghệ
Công nghệ lọc dòng ngược bùn sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filter) được thiết kế dựa trên trên mô hình xử lý BOD, nitrate hoá (nitrification) và khử nitrate hóa (denitrification) của Lawrence và McCarty, Inc. lần đầu tiên được giới thiệu ở Mỹ những năm 1990 sau đó được áp dụng ở châu Âu từ những năm 1998 trở lại đây. Mô hình công nghệ USBF, là công nghệ cải tiến của quá trình bùn hoạt tính trong đó kết hợp ba quá trình Anoxic, Aerotank và lọc sinh học dòng ngược trong một đơn vị xử lý nước thải. Đây chính là điểm khác biệt với các quá trình xử lý bùn hoạt tính kinh điển thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp. Với sự kết hợp này sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống. Quá trình sinh học loại bỏ chất dinh dưỡng trong nước thải thông qua việc sử dụng vi sinh vật trong các điều kiện môi trường khác nhau, vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để oxy hóa, sinh hóa, đồng hóa các chất dinh dưỡng và chất nền (C, N, P). Nhờ đó mà loại bỏ được các chất ô nhiễm ra khỏi nước.
Cấu tạo mô hình
Mô hình gồm ba phần chính: ngăn thiếu khí (Anoxic), ngăn hiếu khí (Aerobic), ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF). Nước thải từ bể điều hòa, được kiểm soát lưu lượng để bơm vào hệ thống kết hợp với dòng bùn tuần hoàn. Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này. Sau đó, nước thải từ ngăn thiếu khí (Anoxic) tự chảy đến ngăn hiếu khí theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở ở phần dưới mô hình. Không khí được cấp vào ngăn hiếu khí nhờ thiết bị sục khí phân bố dưới đáy ngăn hiếu khí. Nước thải tiếp tục đi qua ngăn lắng nhờ khe hở giữa vách ngăn và di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng. Đây chính là giai đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học, dùng chính khối bùn hoạt tính. Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy lên máng thu nước đặt phía trên ngăn USBF và dẫn nước sau xử lý ra ngoài. Bùn lắng đọng dưới đáy ngăn lắng sẽ được bơm tuần hoàn lại ngăn hiếu khí, một phần sẽ được thải bỏ qua van xả.
Các quá trình diễn ra trong hệ thống
Quá trình khử C
Đây là một trong các quá trình chính được thiết kế cho mô hình USBF. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải vì nó ảnh hưởng đến các quá trình khác. Các vi sinh vật sử dụng nguồn C từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất cần thiết cung cấp cho sinh trưởng và phát triển, sinh sản tế bào mới… Trong mô hình USBF, quá trình khử C được diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn USBF.
Quá trình nitrat hóa và khử nitrat
Trong tất cả các phương pháp được sử dụng để loại bỏ nito, kết hợp hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat là phương pháp có hiệu suất cao, ổn định và giảm giá thành xử lý do đơn giản được hệ thống, hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat được kết hợp trong một hệ thống nhưng diễn ra trong hai ngăn khác nhau là ngăn hiếu khí và ngăn thiếu khí.
Quá trình diễn ra qua hai giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn nitrit hóa và giai đoạn nitrat hóa.
- Giai đoạn nitrit hóa: NH4+ sẽ được oxi hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas và Nitrosospira) theo phương trình phản ứng sau:
NH4+ + 1,5O2 -> NO2– + 2H+ + H2O
- Giai đoạn nitrat hóa: NO2- sẽ được chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrat hóa (Nitrobacteria) theo phương trình phản ứng sau:
NO2– + 1,5O2 -> NO3–
Để khử Cacbonat, vùng thiếu được xem như vùng mà ở đó có sự pha trộn dòng thải sẽ làm tăng khả năng lắng và khống chế quá trình tăng trưởng vi sinh vật. Quá trình nitrat là quá trình tách oxi ra khỏi nitrat dưới tác dụng của vi sinh vật thiếu khí. Oxy được tách ra từ nitrit được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ. Nên quá trình khử nitrat diễn ra chủ yếu trong ngăn thiếu khí và tạo ra sản phẩm cuối cùng là nito phân tử.
NO2– -> N2
Trong quá trình này dòng tuần hoàn hoàn bùn từ ngăn hiếu khí đến ngăn thiếu khí đóng vai tròn rất lớn về mặt cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể cả NO3- (sản phẩm của quá trình nitrat hóa diễn ra trong ngăn hiếu khí). Đồng thời dòng tuần hoàn bùn sẽ mang theo các vi sinh vật, nguồn C tham gia vào quá trình. Đây cũng là một trong những ưu điểm của mô hình này là do sự liên kết giữa các module thực hiện các chức năng khác nhau trong cùng một hệ thống đơn giản.
Quá trình khử Photpho
Photpho xuất hiện trong nước thải ở dạng PO43- hoặc polyphophat P2O7 hoặc dạng photpho liên kết hữu cơ. Hai dạng sau chiếm khoảng 70% trong nước thải, để duy trì hoạt động, dự trữ và vận chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới…
Trong mô hình USBF, việc kết hợp 3 module thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học cùng với dòng tuần hoàn bùn tạo nên dòng liên tục. Quá trình khử P được kết hợp với quá trình khử C, quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Việc kết hợp cả 3 module cũng như các quá trình hỗ trợ của các vi sinh vật được luân phiên trong các điều kiện thiếu khí và hiếu khí, từ đó thúc đẩy các quá trình xử lý diễn ra vượt trội hơn mức bình thường.
Nước thải vào ngăn thiếu khí đầu tiên, ở đây trong môi trường thiếu khí, các vi khuẩn Acinetobater sẽ tác động phân giải các hợp chất chứa P trong nước thải để giải phóng P. Dòng P hòa tan từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn ưa P hấp thụ và tích lũy. Các vi khuẩn này hấp thụ P cao hơn mức bình thường vì ngoài việc phục vụ cho việc tồng hợp và duy trì tế bào, vận chuyển năng lượng, chúng còn tích lũy một lượng dư vào trong tế bào để sử dụng cho giai đoạn hoạt động sau. Trong ngăn USBF, nhờ quá trình lắng của bùn tuần hoàn trở lại nên một số vi khuẩn ưa P sẽ được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí sẽ tiếp túc phát triển và hấp phụ các P hòa tan có trong ngăn hiếu khí. P sau đồng hóa sẽ được loại bỏ khỏi hệ thống như xác vi sinh hay bùn dư.
Quá trình lọc sinh học và lắng trong ngăn USBF
Ngăn USBF là một module đóng vai trò cực kỳ quan trọng, ưu điểm chính của mô hình được thể hiện ở module này. Quá trình lọc dòng ngược với quá trình lắng diễn ra ở đây. Ngăn USBF có dạng hình tam giác úp ngược, với mặt bên là hình chữ nhật. Từ trên xuống dưới, ngăn USBF có thể chia thành 3 vùng: vùng nước trong trên cùng, vùng có lớp bùn lơ lững chưa lắng đóng vai trò như một lớp lọc sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng nén bùn lắng. Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn USBF từ dưới di chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ lửng lâu hơn do các lý do sau:
- Do hình dạng của ngăn USBF có thể tích tăng dần từ dưới lên làm cho vận tốc di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng.
- Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra một lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc. Khi các bông bùn đủ nặng chúng sẽ lắng từ trên xuống ngược với dòng dịch chuyển của nước.
- Sự tuần hoàn bùn hoạt tính ở đáy ngăn USBF tạo ra vận tốc hướng xuống. Điều này thật ý nghĩa cho hiệu suất lọc và tiếp tục xử lý sinh học sẽ nâng cao hơn so với bể lọc truyền thống.
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý sinh học
Ảnh hưởng của chế độ thủy động
Chế độ thủy động là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình xử lý vì nó ảnh hưởng tới sự tiếp xúc của bông bùn hoạt tính với nước thải, trạng thái lơ lửng và sự phân bố bùn lơ lửng đồng đều,… Yêu cầu phải đảm bảo dòng thủy động như yêu cầu thiết kế, nếu không thì hệ thống sẽ không vận hành được hoặc hiệu quả xử lý không cao.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ trong hệ thống ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật và khả năng hòa tan của oxy trong nước. Nhiệt độ quá cao thì vi sinh vật có thể bị chết. Ngược lại nếu nhiệt độ quá thấp, quá trình thích nghi, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật sẽ bị chậm lại, quá trình nitrat, lắng,… bị giảm hiệu suất rõ rệt. Nhiệt độ tối ưu là khoảng từ 20 -30% là phù hợp.
Nồng độ oxy cần thiết
Là một trong các thông số quan trọng nhất trong xử lý nước thải. Để xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải thì vi sinh vật phải xử dụng oxy và nó chỉ xử dụng được oxy hòa tan trong nước. Nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu thiếu khí, kỵ khí hay hiếu khí. Trong mô hình này, DO trong ngăn thiếu kí khoảng 0,2 mg/l, và trong ngăn hiếu khí khoảng 2-4mg/l. Như vậy ngăn thiếu khí không cần sục khí, còn ngăn hiếu khí phải sục khí. Các bóng khí phải thật mịn để có thể dễ dàng hòa tan vào trong nước thải. Để cung cấp oxy cho nước thải ta có thể tiến hành quá trình sục khí thông qua máy thổi khí Tsurumi hoặc máy khuấy chìm Faggiolati (không khuyến khích sử dụng máy khuấy).
Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng
Để tạo môi trường cho các vi sinh vật có thể hoạt động tốt, nước thải cần chứa các hợp chất của các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng. Đó là các nguyên tốt N. S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Co, Zn, Cu… Trong đó N, P, K là các nguyên tố cần thiết chủ yếu, cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong xử lý vi sinh. Ở một số hệ thống xử lý nước thải người ta thường bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật. Tuy nhiên trong mô hình USBF thì không cần thiết phải thêm vào do thiết jees quá trình đặc biệt đã đảm bảo các điều kiện dinh dưỡng hỗ trợ nhau của các công đoạn của vi sinh vật, mặt khác nước thải hầu như đã chứa đủ những chất dinh dưỡng cần thiết.
Như khi thiếu photpho sẽ dẫn tới sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi là nguyên nhân dẫn tới bông bùn vi sinh to, khó lắng và nổi trên bề mặt bể lắng dẫn tới bị cuốn theo dòng nước thải ra khỏi hệ thống xử lý.
Các nguyên tố dinh dưỡng được vi sinh vật hấp thu một các tốt nhất khi chúng ở dạng tương tự như trong tế bào vi sinh vật. Ví dụ như: Nito ở dạng Amoni (NH4+) còn photpho ở dạng muối tan của axit Photphoric.
Hàm lượng các nguyên tố dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần của nước thải và tỷ lệ chúng được xác định bằng thực nghiệm. Để tính toán sơ bộ người ta chọn tỷ lệ BOD: N: P cần thiết cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động là 100:5:1 (Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt, 2009). Tỷ lệ này có thể được thay đổi khi kết quả kiểm tra đầu vào của 3 thông số này không thỏa tỷ lệ, khi đó nước thải sẽ được bổ sung thêm hàm lượng thiếu để cân bằng lại.
Yếu tố môi trường
pH ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của hệ enzyme vi sinh vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn,… ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý vi sinh vật. pH: > 9 – vi sinh vật bị chết, pH < 4 thúc , đẩy nấm phát triển. pH tối ưu cho sinh vật phát triển tốt nhất trong khoảng 6,5-7,5.
Ưu điểm, nhược điểm của bể USBF
Ưu điểm
- Giảm chi phí đầu tư: USBF kết hợp tất cả các công đọan xử lý vào một bể làm giảm kích thước các bể và giảm chi phí đầu tư công trình.
- Chi phí vận hành và bảo trì thấp: Với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ, các thiết bị cơ động, vận hành theo chế độ tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình và hạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành và bảo trì.
- Hiệu suất xử lý cao: Là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu cơ dạng carbon (BOD, COD) và chất dinh dưỡng (N,P) nên chất lượng nước thải sau khi xử lý luôn đảm bảo tiêu chuẩn thải theo yêu cầu nhất là hàm lượng chất dinh dưỡng mà các công trình xử lý sinh học thông thường khác khó đạt được.
- Lượng bùn thải bỏ ít: Lượng bùn sản sinh ít hơn với hệ thống sinh học hiếu khí thông thường.
- Hạn chế mùi: Dưới điều kiện phân hủy hiếu khí và nồng độ bùn lớn làm giảm những tác nhân gây mùi.
- Tiết kiệm mặt bằng sử dụng: Công nghệ USBF kết hợp tất cả các quá trình khử nitrat, nitrat hóa, lắng và ổ định bùn trong một công trình làm giảm kích thước chung của công trình dẫn đến tiết kiệm mặt bằng sử dụng.
- Áp dụng cho nhiều loại nước thải.
- Xử lý các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao, COD=15000mg/l nhằm đạt quy chuẩn kỹ thuật môi trường.
- Không cần bổ sung nguồn chất hữu cơ.
Nhược điểm
- Khó khăn trong việc tuần hoàn bùn.
- Khó khăn cho việc bảo trì do bể hoạt động là một hệ thống kết hợp
- Hàm lượng nitơ đầu vào thấp, cần phải hồi lưu nước thải từ bể aerotank về bể anoxic.
