Xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học

Phương pháp xử lý nước thải bằng CÔNG NGHỆ SINH HỌCđược ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải cũng như một số chất ô nhiễm vô cơ khác như H2S, Sunfit, Ammonia, Nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất có trong nước thải làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển.

Phân loại:

I. CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIẾU KHÍ 

Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí là phương pháp sử dụng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước thải có điều kiện Oxy đầy đủ, nhiệt độ, pH … thích hợp.

(CHO)_nNS + O₂ ® CO₂ + H₂O + NH₄ + H₂S + Tế bào sinh vật + DH

Trong điều kiện hiếu khí NH₄+ và H₂S cũng bị phân hủy nhờ quá trình Nitrat hóa, Sunfat hóa bởi sinh vật tự dưỡng.

NH₄ + 2O₂ ® NO₃^- + 2H⁺ + H₂O + DH

H₂S + 2O₂ ® SO₄^2- + 2H⁺ +DH

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải trải qua ba giai đoạn sau:

• Giai đoạn 1: Oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào.

C_xH_yO_zN + O₂ ® CO₂ + H₂O + NH₃ + DH

•  Giai đoạn 2: Tổng hợp tế bào mới

C_xH_yO_zN + NH₃ + O₂ ® CO₂ + C₅H₇NO₂

•  Giai đoạn 3: Phân huỷ nội bào

C₅H₇NO₂ + 5O₂ ® 5CO₂ + 5 H₂O + NH₃

NH₃ + O₂ ® O₂ + HNO₂ ® HNO₃

1.1.  Công nghệ xử lý nước thải bùn hoạt tính hiếu khí (AEROTANK)

Công nghệ aerotank truyền thống là công nghệ được sử dụng nhiều nhất và lâu đời nhất bởi tính hiệu quả của nó. 

Aerotank truyền thống là qui trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo, các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học được vi sinh vật hiếu khí sử dụng như một chất dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển. Qua đó thì sinh khối vi sinh ngày càng gia tăng và nồng độ ô nhiễm của nước thải giảm xuống. Không khí trong bể Aerotank được tăng cường bằng các thiết bị cấp khí: máy sục khí bề mặt, máy thổi khí…

Bản chất của phương pháp là phân huỷ sinh học hiếu khí với cung cấp ôxy cưỡng bức và mật độ vi sinh vật được duy trì cao (2.000mg/L –5.000mg/L) do vậy tải trọng phân huỷ hữu cơ cao và cần ít mặt bằng cho hệ thống xử lý. Tuy nhiên hệ thống có nhược điểm là cần nhiều thiết bị và tiêu hao nhiều năng lượng.

Qui trình phân hủy được mô tả như sau:

Chất hữu cơ + Vi sinh vật hiếu khí   Þ   H₂O + CO₂ + sinh khối mới

Trong qui trình này, bể thiếu khí (Anoxic) được bổ sung nhằm xử lý triệt để hàm lượng Nitơ trong nước thải, đảm bảo nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải.

•  Ưu điểm:

• Hiệu suất xử lý tính theo BOD đạt khoảng 90-95%.
• Loại bỏ được Nito trong nước thải.
• Vận hành đơn giản, an toàn.
• Thích hợp với nhiều loại nước thải.
• Thuận lợi khi nâng cấp công suất đến 20% mà không phải gia tăng thể tích bể.
• Không gây ô nhiễm thứ cấp.
• Phạm vi áp dụng

Ứng dụng cho hầu hết các loại nước thải có ô nhiễm hữu cơ: Nước thải sinh hoạt, nước thải thủy hải sản, nước thải y tế,  nước thải công nghiệp, nước thải chế biến thực phẩm…

•  Một số yếu tố quan trọng

• Yếu tố quan trọng bậc nhất là hàm lượng DO cấp vào.
• Tỷ lệ BOD:COD = 0,5
• BOD:N = 100:5:1,
• Hàm lượng SS trong nước thải không vượt quá 150 mg/l, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ không quá 25mg/l, pH = 6,5 – 8,5, nhiệt độ: 6^oC< t^oC< 37^oC.

1.2.  Công nghệ xử lý sinh học dạng mẻ (SBR)

•  Giới thiệu

SBR (sequencing batch reactor): Bể phản ứng theo mẻ là dạng công trình xử lí nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí, nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một kết cấu.

Hệ thống SBRlà hệ thống dùng để xử lý nước thải sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao. Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm nước thải – phản ứng – lắng – hút nước thải ra; trong đó quá trình phản ứng hay còn gọi là quá trình tạo hạt ( bùn hạt hiếu khí), quá trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, đặc điểm chất nền trong nước thải đầu vào.

Nói chung, Công nghệ SBRđã chứng tỏ được là một hệ thống xử lý có hiệu quả do trong quá trình sử dụng ít tốn năng lượng, dễ dàng kiểm soát các sự cổ xảy ra, xử lý với lưu lượng thấp, ít tốn diện tích rất phù hợp với những trạm có công suất nhỏ, ngoài ra công nghệ SBR có thể xử lý với hàm lượng chất ô nhiễm có nồng độ thấp hơn.

•  Các giai đoạn xử lý bằng SBR

Qui trình hoạt động: gồm 4 giai đoạn cơ bản:

1. Đưa nước vào bể (Filling): đưa nước vào bể có thể vận hành ở 3 chế độ: làm đầy tĩnh, làm đầy khuấy trộn, làm đầy sục khí .
2. Giai đoạn phản ứng (Reaction): sục khí để tiến hành quá trình nitrat hóa và phân hủy chất hữu cơ. Trong giai đoạn này cần tiến hành thí nghiệm để kiểm soát các thông số đầu vào như: DO, BOD, COD, N, P, cường độ sục khí, nhiệt độ, pH… để có thể tạo bông bùn hoạt tính hiệu quả cho quá trình lắng sau này.
3. Giai đoạn lắng (Settling): Các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình lắng diễn ra trong môi trường tĩnh hoàn toàn, thời gian lắng thường nhỏ hơn 2 giờ.
4. Giai đoạn xả nước ra (Discharge):Nước đã lắng sẽ được hệ thống thu nước tháo ra đến giai đoạn khử tiếp theo; đồng thời trong quá trình này bùn lắng cũng được tháo ra.

Ngoài 4 giai đoạn trên, còn có thêm pha chờ, thực ra là thời gian chờ nạp mẻ tiếp theo (pha này có thể bỏ qua).

Ưu điểm

• Hệ thống SBR linh động có thể xử lý nhiều loại nước thải khác nhau với nhiều thành phần và tải trọng.
• Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị (các thiết bị ít) mà không cần phải tháo nước cạn bể. Chỉ tháo nước khi bảo trì các thiết bị như: cánh khuấy, motor, máy thổi khí, hệ thống phân phối khí.
• Hệ thống có thể điều khiển hoàn toàn tự động.
• TSS đầu ra thấp, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và khử nitrat hóa cao.
• Quá trình kết bông tốt do không có hệ thống gạt bùn cơ khí.
• Ít tốn diện tích do không có bể lắng 2 và quá trình tuần hoàn bùn.
• Chi phí đầu tư và vận hành thấp (do hệ thống motor, cánh khuấy… hoạt động gián đoạn)
• Quá trình lắng ở trạng thái tĩnh nên hiệu quả lắng cao.
• Có khả năng nâng cấp hệ thống.

Nhược điểm

• Do hệ thống hoạt động theo mẻ, nên cần phải có nhiều thiết bị hoạt động đồng thời với nhau.
• Công suất xử lý thấp.

1.3.  Công nghệ sinh học tăng trưởng dính bám

Bể bùn hoạt tính với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám: Nguyên lý hoạt động của bể này tương tự như trường hợp vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chỉ khác là vi sinh vật phát triển dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong bể.

Do có nhiều ưu điểm vượt trội về hiệu quả xử lý cũng như giảm chi phí đầu tư & vận hành nên hiện nay việc áp dụng công nghệ sinh học tăng trưởng dính bám đang được ứng dụng khá rộng rãi.

1.4.  Công nghệ lọc sinh học (Trickling Filter)

•  Giới thiệu

Bể lọc sinh học trong xử lý nước thải là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp vật liệu lọc. Nước thải đi qua lớp vật liệu này sẽ thấm hoặc nhỏ giọt trên đó.

Chất hữu cơ sẽ bị phân huỷ bởi quần thể vi sinh vật dính kết trên lớp vật liệu lọc. Các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 – 0,2 mm và bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, do đó, oxy đã bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày lớp màng sinh vật. Như vậy, môi trường kị khí được hình thành ngay sát bề mặt vật liệu lọc.

Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hoá chất hữu cơ xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu lọc. Kết quả là vi sinh vật ở đây bị phân huỷ nội bào, không còn khả năng dính bám lên bề mặt vật liệu lọc và bị rửa trôi.

•  Cấu tạo bể lọc sinh học

Cấu tạo gồm các phần chính:

• Thiết bị phân phối nước trên bề mặt bể lọc.
• Phần chứa vật liệu lọc.
• Hệ thống thu nước sau xử lý.
• Hệ thống cấp khí cho bể lọc.

•  Phân loại

Dựa vào cách bố trí lớp vật liệu lọc, có thể phân bể lọc sinh học thành 2 loại chính:

• Bể lọc sinh học có lớp vật liệu lọc không ngập trong nước.
• Bể lọc sinh học có lớp vật liệu lọc ngập trong nước.

• Vật liệu lọc

Vật liệu lọc sử dụng trong các bể lọc sinh học yêu cầu phải có diện tích bề mặt/Đơn vị diện tích lớn như: Đá cục, than đá cục, cuội sỏi lớn, đá ong (kích thước 60 - 100mm) hoặc nhựa PVC đúc sẵn.

• Ưu nhược điểm

	Lọc sinh học có lớp vật liệu lọc không ngập trong nước	Lọc sinh học với lớp vật liệu lọc ngập trong nước
Ưu điểm	Tiết kiệm chi phí nhân công . Tiết kiệm năng lượng (thông gió tự nhiên).	Tiết kiệm diện tích xây dựng. Đảm bảo mỹ quan, không ô nhiễm mùi. Không cần phải rửa lọc. Thời gian khởi động hệ thống nhanh. Dễ dàng trong vận hành và khả năng tự động hóa.
Nhược điểm	Hiệu suất làm sạch nhỏ hơn. Dễ bị tắc nghẽn. Rất nhạy cảm với nhiệt độ. Có khả năng gây mùi hôi. Bùn dư không ổn định. Giá thành xây dựng cao. Khối lượng vật liệu lớn.	Làm tăng tổn thất tải lượng, giảm lượng nước thu hồi. Tiêu tốn năng lượng cho việc thông khí nhân tạo. Khí phun lên tạo nên dòng chuyển động xoáy, làm giảm khả năng giữ huyền phù.

II. CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ

 Quá trình phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hoá phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hoá trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

(CHO)_nNS ®CH₄ + CO₂ + H₂ + NH₃ + H₂S + tế bào mới

      Quá trình phân huỷ kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Thuỷ phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử.
• Giai đoạn 2: Acid hoá.
• Giai đoạn 3: Acetate hoá.
• Giai đoạn 4: Methane hoá.

      Tuỳ theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:

• Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như:

• Tiếp xúc kỵ khí
• Xử lý bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB).

• Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như:

• Lọc kỵ khí.

Ưu điểm:

• Không tốn nhiều năng lượng.
• Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỷ thuật phức tạp.
• Tạo ra lượng bùn có hoạt tính cao, nhưng lượng bùn sản sinh không nhiều giảm chi phí xử lý.
• Loại bỏ chất hữu cơ với lượng lớn,hiệu quả  Xử lý BOD đạt từ 80-95%.
• Có thể xử lý một số chất khó phân hủy.
• Tạo ra khí có ích.

2.1.  Công nghệ UASB

UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí. UASB được thiết kế cho nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp. Nồng độ COD đầu vào được giới hạn ở mức thấp nhất là 100mg/l; nếu SS>3000mg/l thì không thích hợp để xử lý bằng UASB.

UASB là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từ dưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp (0,6-0,9m/h). Cấu tạo của bể UASB thông thường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha.

Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kỵ khí, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng vi sinh này. Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng – khí, các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo.

Điều kiện áp dụng UASB:

• Bùn nuôi cấy ban đầu: nồng độ tối thiểu là 10 kg VSS/m3. Lượng bùn cho vào không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.
• Hàm lượng chất hữu cơ: COD 50.000mg/l thì cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra.
• Chất dinh dưỡng: nồng độ nguyên tố N, P, S tối thiểu có thể tính theo biểu thức sau:

(COD/Y) : N :P : S = (50/Y) : 5: 1 :1

Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào loại nước thải. Nước thải dễ acid hóa Y= 0,03, khó acid hóa Y= 0,15.

• Hàm lượng cặn lơ lửng: nước thải có hàm lượng SS lớn không thích hợp cho mô hình này. SS > 3.000 mg/l khó phân hủy sinh học sẽ lưu lại trong bể làm ngăn cản quá trình phân hủy nước thải.
• Nước thải chứa độc tố: UASB không thích hợp với loại nước thải có hàm lượng amonia > 2.000 mg/l hoặc hàm lượng sulphate > 500 mg/l. Khi nồng độ muối cao cũng gây ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn methane. Khi nồng độ muối nằm trong khoảng  5.000 – 15.000 mg/l thì có thể xem là độc tố.
• Hiệu suất của bể UASB bị phụ thuộc vào các yếu tố như: nhiệt độ, pH, các chất độc hại trong nước thải,…
•  Ưu điểm nổi bật:
• Không tốn nhiều năng lượng.
• Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp.
• Tạo ra lượng bùn có hoạt tính cao nhưng lượng bùn sản sinh không nhiều, giảm chi phí xử lý.
• Loại bỏ chất hữu cơ với lượng lớn, hiệu quả. Xử lý BOD trong khoảng 600 ÷ 15000 mg/l đạt từ 80-95%;
• Có thể xử lý một số chất khó phân hủy;
• Có thể thu hồi nguồn khí sinh học sinh ra từ hệ thống;
• Nhược điểm:
• Cần diện tích và không gian lớn để xử lý chất thải;
• Quá trình tạo bùn hạt tốn nhiều thời gian và khó kiểm soát.

2.2.  Công nghệ lọc sinh học kỵ khí  (UAF/ADF)

Công nghệ lọc sinh học kỵ khílà một công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo. Bể lọc kỵ khí là các loại bể lọc kín, phía trong có chứa các vật liệu đóng vai trò như giá thể của vi sinh dính bám.

Các giá thể là các loại vật liệu có hình dạng, kích thước khác nhau (Sỏi, than đá, xỉ, ống nhựa, tấm nhựa, giá thể vi sinh dạng bánh xe,  giá thể vi sinh dạng sợi ...) hoạt động như vật liệu lọc. Các dòng nước thải có thể đi từ dưới lên hoặc từ trên xuống. Nước thải được phân phối đều theo diện tích đáy bể đi từ dưới lên (hoặc trên xuống) chảy qua lớp vật liệu lọc, các chất hữu cơ sẽ bám lại tại vật liệu lọc có chứa vi khuẩn yếm khí và tạo thành lớp màng vi sinh vật. Tại đây các chất hữu cơ sẽ được hấp thụ và phân hửi, bùn cặn sẽ được giữ lại trong khe rỗng của lớp vật liệu lọc. Sau 2-3 tháng sẽ xả bùn dư một lần. Phần nước sau khi qua lớp vật liệu lọc sẽ được chảy vào máng thu và tiếp tục được xử lý bởi các công trình phía sau.

• Bể lọc kỵ khí dòng chảy ngược (Upflow anaerobic filter – UAF)
• Bể lọc kỵ khí dòng chảy xuôi (Downflow anaerobic filter – ADF)

Kích thước và chủng loại Vật liệu lọc được xác định dựa vào công suất xử lý, hiệu quả khử COD, tổn thất áp lực cho phép, ... Các loại vật liệu lọc cần đảm bảo độ rỗng lớn (từ 90-300 m³/m² bề mặt).

• Ưu điểm

• Khả năng xử lý nồng độ ô nhiễm cao.
• Thời gian lưu ngắn, vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải.
• Quản lý vận hành đơn giản.
• Ít tốn năng lượng và dễ kết hợp với những công nghệ xử lý nước thải khác.
• Nhược điểm
• Thời gian khởi động hệ thống dài.
• Hay bị tắc nghẽn.
• Hàm lượng cặn lơ lửng trong nguồn nước thải đầu ra lớn.
• Vật liệu lọc đạt tiêu chuẩn thường có giá thành cao.