Chương 3: Xử lý nước thải BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO

3.1. Giới thiệu chung
Phương pháp dựa trên cơ sở : hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ
gây nhiễm bẩn trong NT. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm
chất dinh dưỡng và tạo năng lượng. Chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh
trưởng, sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi
sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa.

Tags:

loc nuoc
xu ly nuoc
khoan gieng
xu ly nuoc thai
day chuyen loc nuoc tinh khiet

NT được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bằng chỉ tiêu COD và
BOD.
Tự làm sạch: do trong môi trường có các vi khuẩn giúp cho quá trình chuyển hóa, phân
hủy chất hữu cơ nên khi XLNT cần xem xét NT có các vi sinh vật hay không để lợi dụng sự có
mặt của nó và nếu có thì tạo điều kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển.
Phân loại:
+Phương pháp hiếu khí:
+Phương pháp kỵ khí
3.2. Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa
Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo phân tán
nhỏ trong NT cần được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật. Quá trình này gồm 3
giai đoạn:
1.Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do
khuếch tán đối lưu và phân tử.
2.Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự
chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào.
3.Quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và
quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng.
Ba giai đoạn này có quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình 3 đóng vai trò quan trọng
trong XLNT. Nồng độ các chất ở xung quanh tế bào sẽ giảm dần. Các phần thức ăn mới từ môi
trường bên ngoài ( NT) lại khuếch tán trong môi trường chậm hơn quá trình hấp thụ thông qua
màng tế bào cho nên nồng độ các chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp. Đối
11
với các sản phẩm do tế bào tiết ra thì ngược lại lại cao hơn so với nơi xa tế bào. Mặc dù hấp
thụ và hấp phụ là giai đoạn cần thiết trong việc tiêu thụ chất hữu cơ của vi sinh vật song không
phải có ý nghĩa quyết định trong việc XLNT. Đóng vai trò chủ yếu quyết định là các quá trình
diễn ra bên trong tế bào vi sinh vật (giai đoạn 3).
Các quá trình sinh hóa:
+QT hiếu khí: chất hữu cơ + O2 vsv CO2, H2O
+QT kỵ khí: chất hữu cơ + O2 vsv CH4, H2S, NH3, CO2 , H2O(có mùi, hàm
lượng phụ thuộc vào chất hữu cơ) (coi oxy ở trong các liên kết như NO3
-, SO4
2-,…) (ngoài các
khí này còn có 1 ít chất hữu cơ không phân hủy gọi là chất trơ ).
3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên tốc độ oxy hóa sinh hóa
3.3.1. Các quy định đối với NT
3.3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
3.3.1.2. Hàm lượng cặn lơ lửng
3.3.1.3. Hàm lượng oxy hòa tan
3.3.1.4. Ảnh hưởng của kim loại nặng
3.3.1.5. Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng
3.3.1.6. Giá trị pH
3.3.1.7. Nồng độ các muối hòa tan
3.3.2. Các điều kiện công nghệ
-Tiếp xúc tốt giữa nước thải và vi khuẩn trong tập hợp các bông bùn hoạt tính, màng
sinh vật hoặc lớp bùn lơ lửng.
-Trong điều kiện xử lý sinh học hiếu khí, oxy luôn được duy trì và đảm bảo để các quá
trình oxy hóa sinh học các chất hữu cơ diễn ra. Hàm lượng oxy hòa tan trong bể bùn hoạt tính
thường duy trì ở mức 4 mg/l. Hàm lượng oxy hòa tan trong NT sau bể lắng đợt 2 không nhỏ
hơn 2 mg/l.
-Quá trình khuấy trộn bùn với NT hoặc thổi khí qua bể lọc sinh học không được phá vỡ
cấu trúc bùn hoạt tính hoặc màng sinh vật.
-Thời gian lưu của nước thải và bùn hoạt tính trong hệ thống các công trình xử lý phải
đủ để hấp thụ các chất hữu cơ và oxy hóa các chất hữu cơ.
12
3.4. Các phương pháp yếm khí
3.4.1. Cơ chế phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí
Trong điều kiện không có oxy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ vi sinh vật và
sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2. Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kỵ khí chủ
yếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các bước sau:
Bước 1:Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn
giản hơn như monosacarit, amino axit hoặc các muối khác. Đây là nguồn dinh dưỡng và năng
lượng cho vi khuẩn hoạt động.
Bước 2:Các nhóm vi khuẩn kỵ khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hóa các chất
hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit axetic, glixerin, axetat,...
CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2
Axit prifionic
CH3CH2 CH2COOH + 2H2O 2 CH3COOH + 2H2
Axit butinic
Bước 3:Các nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩn
lên men metan như methanosarcina và methanothrix) đã chuyển hóa axit axetic và hydro thành
CH4, CO2.
3.4.2. Các loại công trình XLNT trong điều kiện yếm khí
-Các loại bể lắng NT kết hợp lên men bùn cặn lắng: Trong các công trình này diễn ra
quá trình lắng cặn NT (Xử lý sơ bộ hoặc xử lý bậc một) và lên men bùn cặn lắng, đó là các
công trình: bể tự hoại, bể lắng 2 vỏ, bể lắng trong kết hợp với ngăn lên men đạng được ứng
dụng để XLNT SH và các loại NT khác có thành phần tương tự.
-Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc: NT chưa được xử lý được trộn đều với bùn yếm khí
tuần hoàn theo sơ đồ
-Bể lọc yếm khí: Bể này có lắp đặt các giá thể vi sinh vật kỵ khí dính bám là các loại vật
liệu hình dạng, kích thước khác nhau, đóng vai trò như vật liệu lọc. Dòng nước thải có thể đi từ
dưới lên hoặc trên xuống. Các chất hữu cơ được vi khuẩn hấp thụ và chuyển hóa để tạo thành
CH4 và các chất khí khác. Các khí sinh học được thu gom tại phần trên bể.
-Bể phản ứng yếm khí có dòng NT đi qua tầng cặn lơ lửng
13
3.5. Các phương pháp hiếu khí
3.5.1. Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí
Các quá trình hiếu khí có thể xảy ra trong điều kiện tự nhiên hay trong các điều kiện xử
lý nhân tạo. Trong điều kiện xử lý nhân tạo người ta tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình
oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ cao và hiệu suất cao hơn.
Quá trình chuyển hóa vật chất:
+Qúa trình oxy hóa chất hữu cơ :(đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào)
CxHyOzN + O2 vsv CO2 + NH3 + H2O + Q (1)
+Qúa trình tổng hợp tế bào:(tổng hợp xây dựng tế bào)
CxHyOz + NH3 + O2 vsv C5H7NO2 + CO2 + H2O + Q (2)
(C5H7NO2: Công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh
vật)
+Qúa trình oxy hóa nội bào (tự oxy hóa): nếu tiếp tục tiến hành QT oxy hóa thì khi
không đủ chất dinh dưỡng, Qúa trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra qúa trình
tự oxy hóa:
C5H7NO2 + O2 vsv CO2 + NH3 +H2O + Q (3)
Trong quá trình oxy hóa sinh hóa hiếu khí, các chất hữu cơ chứa N, S, P cũng được
chuyển thành NO3
-, SO4
2-, PO4
3-, CO2, H2O.
NH3 + O2 vsv HNO2 + O2 +vsv HNO3 (4)
và (2): lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của NT.
(1), (2), (3), (4): lượng oxy tiêu tốn gần gấp 2 lần lượng oxy cho 2 phản ứng đầu.
Khi môi trường cạn nguồn C hữu cơ, các loại vi khuẩn nitơrít hóa (nitrosomonas) và
nitơrat hóa (nitrobater) thực hiện quá trình nitơrat hóa theo 2 giai đoạn:
55NH4
+ + 76O2 + 5CO2 nitrosomonas C5H7NO2 + 54NO2
- + 52H2O + 109 H+
400 NO2
- + 19 O2 + NH3 + 2 H2O + 5CO2 nitrobater C5H7NO2 + 400 NO3
-
3.5.2. Các công trình nhân tạo (XLNT theo nguyên tắc lọc-dính bám, XLNT bằng bùn hoạt
tính)
3.5.2.1. Lọc sinh học
-Cơ chế XLNT theo nguyên tắc lọc-dính bám:
+Sau một thời gian, màng sinh vật được hình thành và chia thành 2 lớp: lớp ngoài
cùng là lớp hiếu khí được oxy khuếch tán xâm nhập, lớp trong là lớp thiếu oxy (anoxic). Bề
14
dày màng sinh vật từ 600-1000 micromet trong đó phần lớn là vùng hiếu khí. Do đó quá trình
lọc sinh học thường được xem như là quá trình hiếu khí nhưng thực chất là hệ thống vi sinh vật
hiếu-yếm khí.
+Thành phần: vi khuẩn (chủ yếu), dộng vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn,…Sau
một thời gian hoạt động, màng sinh vật dày lên, các chất khí tích tụ phía trong tăng lên và
màng bị bóc khỏi VLL. Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước tăng lên. Sự hình thành các lớp
màng sinh vật mới lại tiếp diễn.
+Các công trình XLNT theo nguyên tắc này chia làm 2 loại: loại có VLL tiếp xúc
không ngập trong nước với chế dộ tưới theo chu kỳ và loại có VLL tiếp xúc ngập trong nước
giàu oxy.
-Bể lọc sinh học nhỏ giọt:
-Bể lọc sinh học cao tải:
-Đĩa lọc sinh học:
-Bể lọc sinh học có VLL ngập trong nước (bể bioten):
3.5.2.2. XLNT bằng bùn hoạt tính
Các vi sinh vật thường tồn tại ở trạng thái huyền phù. Bể được sục khí để đảm bảo yêu
cầu oxy và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Huyền phù lỏng của các vi sinh vật trong
bể thông khí được gọi chung là chất lỏng hỗn hợp và sinh khối (MLSS)
Khi NT đi vào bể thổi khí (bể aeroten), các bông bùn hoạt tính được hình thành mà hạt
nhân của nó là các phần tử cặn lơ lửng.
Các loại vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, phát triển dần cùng với các động vật nguyên sinh,
nấm, xạ khuẩn,… tạo nên các bông bùn màu nâu sẫm, có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa
tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ.
Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất hữu cơ và chất ding dưỡng (N, P) lam thức ăn
để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành tế bào mới.
Dẫn đến trong bể aeroten lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, sau đó được tách ra tại bể
lắng đợt 2, một phần được quay trở lại đầu bể aeroten để tham gia xử lý NT theo chu trình mới
Quá trình cứ tiếp diễn đến khi chất thải cuối cùng không thể là thức ăn của các vi sinh vật được
nữa.
Nếu trong NT đậm đặc chất hữu cơ khó phân hủy, cần có thời gian để chuyển hóa thì
phần bùn hoạt tính tuần hoàn phải được tách riêng và sục khí oxy cho chúng tiêu hóa thức ăn
15
đã hấp thụ. Quá trình này gọi là tái sinh bùn hoạt tính.Như vậy quá trình XLNT bằng bùn HT
bao gồm các giai đoạn sau:
+Khuấy trộn tạo điều kiện tiếp xúc NT với bùn HT
+Cung cấp oxy để vi khuẩn và vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ
+Tách bùn HT ra khỏi NT
+Tái sinh bùn HT tuần hoàn và đưa chúng về bể aeroten
Yêu cầu chung về vận hành:
+Các bể aeroten phải đảm bảo bề mặt tiếp xúc lớn giữa không khí, NT và bùn.
+Không khí được cấp vào NT bằng: nén khí qua bộ phận khuếch tán ngập trong nước
bằng sục khí hoặc dùng khuấy cơ học thổi vào chất lỏng bằng thông khí cơ học.
+NT đưa vào DO 2mg/l, SS 150mg/l (đối với hàm lượng sản phẩm dầu mỏ thì 
25mg/l), pH 6,5-9, nhiệt độ 6-30oC, độc tố: GHCP, khoáng hòa tan: đầy đủ, BOD (chất hữu cơ
dễ bị phân hủy), nồng độ các chất dinh dưỡng khác: đảm bảo.
Phân loại bể aeroten:
+Theo chế độ thủy động lực có: bể aeroten đẩy, khuấy trộn, trung gian
+Theo phương pháp tái sinh bùn hoạt tính: loại có tái sinh tách riêng, loại không có tái
sinh tách riêng
+Theo tải lượng bùn: loại tải trọng cao, trung bình, thấp
+Theo số bậc: 1 bậc, 2 bậc, nhiều bậc
+Theo chiều dẫn NT vào: xuôi chiều, ngược chiều
3.6. Các công trình loại bỏ các chất dinh dưỡng (muối nitơ và phốtpho) và ổn định
bùn bằng phương pháp sinh học
3.6.1. Cơ chế quá trình
3.6.1.1. Các quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng nitơ
Để giảm nguy cơ phú dưỡng trong sông hồ do xả nước thải, cần thiết phải giảm muối
nitơ và phốt pho trong đó. N có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau trong NT. Loại bỏ N nghĩa
là chuyển nóvề dạng khí bay lên.
-Đối với quá trình XLNT bằng sinh học hiếu khí thì
55NH4
+ +76O2 +5CO2 nitrosomonas C5H7NO2+54NO2
-+52H2O+109 H+
400NO2
- + 10 O2 + NH3 + 2H2O + 5CO2 nitrobacter C5H7NO2+ 400NO3
-
16
-Trường hợp thiếu oxy, các loại vi khuẩn khử nitơrat denitrificans (dạng kỵ khí tùy tiện)
sẽ tách oxy của nitơrat và nitrit để oxy hóa chất hữu cơ. Nitơ phân tử tạo thành trong quá trình
này sẽ thoát ra khỏi nước. Quá trình chuyển
NO3
- NO2
- NO N2O N2 (NO, N2O, N2: dạng khí)
Nhưng cũng đòi hỏi có nguồn C để tổng hợp tế bào.
-Do NT đã được nitrit hóa thường chứa ít vật chất chứa C nên đòi hỏi phải bổ sung
thêm nguồn C từ ngoài vào. Trong một số hệ khử nitrit sinh học, NT chảy tới hoặc tế bào chất
thường là nguồn cung cấp C cần thiết. Khi XLNT công nghiệp thường thiếu C hữu cơ nên
người ta thường dung CH3OH rượu metylic làm nguồn C bổ sung. NT công nghiệp nếu nghèo
chất dinh dưỡng nhưng lại chứa C hữu cơ thì cũng có thể hòa trộn vào.
Như vậy để công trình XLNT cần:
+Điều kiện yếm khí (thiếu oxy tự do)
+có nitơrat và nitrit
+có vi khuẩn kỵ khí tùy tiện khử nitơrat
+có nguồn C hữu cơ
+nhiệt độ NT không thấp.
Ưu điểm:
+Khử được nitơ trong NT dòng ra
+Hiệu suất khử BOD tăng do các chất hữu cơ tiếp tục bị oxy hóa trong quá trình khử
nitơrat.
+Giảm được lượng bùn dư trong bể lắng đợt hai.
+Làm tăng khả năng lắng và hạn chế độ trương của bùn HT
+Làm tăng pH của NT sau xử lý
3.6.1.2. Quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng phốt pho
-P xuất hiện trong NT ở dạng PO4
3- hoặc poli photphat P2O7 hoặc dạng photpho liên kết
hữu cơ. Hai dạng sau chiếm khoảng 70% trong NT.
-Các dạng tồn tại của P thường dùng các loại hợp chất keo tụ gốc Fe, Al,…để loại bỏ
nhưng giá thành đắt, tạo thành bùn chứa tạp chất hóa học,…
-Vi khuẩn Acinetobater là 1 trong những sinh vật đầu tiên có trách nhiệm khử P, chúng
có khả năng tích lũy poliphotphat trong sinh khối tương đối cao (2-5%).
Khả năng lấy P của vi khuẩn kỵ khí tùy tiện Acinebacter sẽ tăng lên rất nhiều khi cho
nó luân chuyển các điều kiẹn hiếu khí, kỵ khí.
17
3.6.1.3. Quá trình thổi khí kéo dài trong aeroten
-Ưu điểm: (XLNT có quy mô vừa, nhỏ)
+Có thể giảm 85-95% BOD và cặn lơ lửng trong NT
+ 1 phần chất hữu cơ dễ gây thối rửa trong bùn được khử nhờ quá trình hô hấp
nội bào
+ Hiệu quả làm sạch cao, lượng bùn dư ít nhưng diện tích công trình lớn
3.6.2. Một số công trình
3.6.2.1. Kênh oxy hóa tuần hoàn
-Áp dụng: dùng cho vùng có 200 -15000 người.
3.6.2.2. Aeroten hoạt động gián đoạn theo mẻ(Sequencing Batch Reactor-SBR)
+1.Nước thải cho vào bể được trộn với BHT (được lưu lại trong chu kỳ trước)
+2.Hỗn hợp NT và bùn được suc khí ở bước này với thời gian đúng yêu cầu. Các chất
hữu cơ được oxy hóa hoàn toàn ở giai đoạn này.
+3.Quá trình lắng bùn trong điều kiên tĩnh
+4.Sau lắng, nước nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể
+5.Xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể, các ngăn
được hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp NT đến trạm XLNT liên tục.
-Ưu điểm:
+Hiệu quả xlý Nt cao
+BOD NT sau XL < 20 mg/l, CLL 3-25 mg/l; N-NH3 0,3-12 mg/l
+Không cần bể lắng đợt 2, trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua bể điều hòa, bể
lắng đợt 1
+Có thể loại bỏ được N, P do có thể điều chỉnh được quá trình hiếu khí, thiếu khí, kỵ
khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp oxy.