Giáo trình Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và sinh học 1 (Ngành: Kỹ thuật thoát nước và xử lý nước thải - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và sinh học 1 (Ngành: Kỹ thuật thoát nước và xử lý nước thải - Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm được các kiến thức về: Sơ đồ dây chuyền công nghệ của một nhà máy xử lý nước thải và phân khúc từng giai đoạn xử lý riêng; công đoạn xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo; các nguyên lý màng dính bám đặc biệt;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và sinh học 1 (Ngành: Kỹ thuật thoát nước và xử lý nước thải - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ – CTC1 GIÁO TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC VÀ SINH HỌC 1 NGÀNH: KỸ THUẬT THOÁT NƯỚC VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐXD1 ngày…….tháng….năm ......... …………........... của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Xây dựng số 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và sinh học 1” cung cấp những kiến thức về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên và nhân tạo, là một trong những nội dung quan trọng nhất trong chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật thoát nước và xử lý nước thải trình độ Cao đẳng, phần tiếp sau là giáo trình “Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và sinh học 2”. Giáo trình gồm 4 chương về các nội dung: tổng quan, phương pháp màng sinh học, phương pháp bùn hoạt tính, phương pháp bùn hoạt tính đặc biệt. Giáo trình do các giảng viên trong Bộ môn Cấp nước và Thoát nước, thuộc khoa Quản lý Xây dựng và đô thị, trường Cao đẳng Xây dựng số 1 biên soạn. Chúng tôi rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Vũ Linh Huyền Trang 2. Lương Thị Phương Thảo 3
Mục lục Chương 1: Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học................................... 7 1.1. Cơ sở và nhiệm vụ ............................................................................................................... 7 1.1.1. Phân loại vi sinh theo khả năng chuyển hóa chất ( nguồn năng lượng, hydro, cacbon), điều kiện môi trường, điều kiện sống ..................................................................... 15 1.1.2. Quá trình phân hủy chất hữu cơ của các bon, ni tơ và phốt pho................................ 17 1.2. Phân loại các phương pháp sinh học .................................................................................. 21 1.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo ...................... 21 1.2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên....................... 24 Chương 2 : Xử lý nước thải bằng phương pháp màng sinh học ............................................ 37 2.1. Qui trình kỹ thuật ............................................................................................................... 37 2.2. Bể lọc cố định .................................................................................................................... 38 2.2.1. Bể xử lý cố định nhỏ giọt (Lọc nhỏ giọt) .................................................................... 38 2.2.2. Bể xử lý cố định nhúng ngập....................................................................................... 42 2.3. Bể lọc xoay nhúng ngập ..................................................................................................... 43 2.3.1. Đĩa quay sinh học ....................................................................................................... 43 2.3.2.Thiết bị nhúng dạng bản .............................................................................................. 45 2.4. Giá thể chuyển động tự do ................................................................................................. 45 2.4.1. Giá thể lơ lửng (Trọng lượng khoảng 1g/cm3) ........................................................... 45 2.4.2. Giá thể đảo trộn/ trôi (Trọng lượng > 1 g/cm3) ......................................................... 46 2.5. Công nghệ kết hợp ............................................................................................................. 46 2.5.1. Giá thể lơ lửng kết hợp với lọc sinh học ..................................................................... 46 2.5.2. Kết hợp giữa màng sinh học và bùn hoạt tính ............................................................ 46 Chương 3: Xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp bùn hoạt tính (trong nguyên tắc dòng chảy liên tục) ...................................................................................................................... 49 3.1. Qui trình kỹ thuật ............................................................................................................... 49 3.1.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................ 49 3.1.2. Mô tả quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính ............................. 51 3.1.3. Phân hủy các chất hữu cơ ........................................................................................... 54 3.1.4. Xử lý Nitơ .................................................................................................................... 54 3.1.5. Xử lý Phốt-pho ............................................................................................................ 57 3.1.6. Thành phần và tính chất bùn hoạt tính ....................................................................... 58 3.1.7. Các chu trình cơ bản của công nghệ bùn hoạt tính .................................................... 59 3.2. Aeroten cấp khí nén từ đáy ................................................................................................ 60 3.2.1. Cấp khí dạng ống ........................................................................................................ 61 3.2.2. Cấp khí dạng màng ..................................................................................................... 62 3.2.3. Cấp khí dạng đĩa ......................................................................................................... 62 3.3. Aeroten cấp khí bề mặt ...................................................................................................... 63 3.3.1. Khuấy ly tâm bề mặt ............................................................................................... 63 3.3.2. Guồng quay trục ngang .......................................................................................... 64 3.4. Aeroten cấp khí dạng tia .................................................................................................... 64 4
3.4.1. Hệ thống cấp khí có thiết bị đảo trộn từng phần .................................................... 65 3.4.2. Bể có thiết bị cấp khí xoắn ốc ................................................................................. 65 3.5. Tính toán công trình ........................................................................................................... 66 3.5.1. Tính toán hệ thống bùn ............................................................................................... 66 3.5.2. Tính toán hệ thống cấp khí.......................................................................................... 66 3.5.3. Tính toán các đại lượng TSbùn, Vbùn, ISV, tải trọng thể tích bể, tải trọng bùn, lưu lượng bùn dư, lưu lượng bùn tuần hoàn và đánh giá ...................................................................... 66 3.6. Các sự cố thường gặp khi vận hành công trình .................................................................. 69 3.6.1. Khái niệm, nguyên nhân, quy trình xử lý sự cố vận hành ........................................... 69 3.6.2. Một số sự cố thường gặp............................................................................................. 71 Chương 4: Xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp bùn hoạt tính đặc biệt (nitơrát hóa, khử nitơ, phốt pho) ............................................................................................................. 75 4.1. Quá trình Nitơrát hóa và khử nitơ ...................................................................................... 75 4.1.1. Điều kiện ..................................................................................................................... 75 4.1.2. Cách thức hoạt động của quá trình khử nitơ .............................................................. 76 4.2. Quá trình khử phốt pho ...................................................................................................... 80 4.2.1. Điều kiện ..................................................................................................................... 81 4.2.2. Cách thức hoạt động của quá trình khử phố pho ....................................................... 82 4.3. Các công trình xử lý Nitơ, Phốt pho .................................................................................. 93 4.3.1. Công nghệ bể SBR ..................................................................................................... 93 4.3.2. Bể ASBR .................................................................................................................... 100 4.3.3. Bể MBR ..................................................................................................................... 103 4.4. Các sự cố cần chú ý khi vận hành công trình khử Nitơ và Phốt pho ............................... 111 Tài liệu tham khảo .................................................................................................................... 116 5
GIÁO TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC VÀ SINH HỌC 1 Tên môn học: Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và sinh học 1 Mã môn học: MH21 Vị trí, tính chất của môn học: - Vị trí: Môn học được phân bố vào năm thứ hai. - Tính chất: Là môn học chuyên ngành bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: Là môn học chuyên ngành cung cấp kiến thức về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên và nhân tạo, là một trong những nội dung quan trọng nhất trong chương trình đào tạo. Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Trình bày được tổng quan sơ đồ dây chuyền công nghệ của một nhà máy xử lý nước thải và phân khúc từng giai đoạn xử lý riêng. + Trình bày công đoạn xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo: các nguyên lý màng dính bám thông dụng (nguyên tắc dòng chảy liên tục): Biophin, phương pháp bùn hoạt tính: Aeroten, đông tụ sinh học, lắng thứ cấp. Xử lý ni tơ, phốt pho; Các nguyên lý màng dính bám đặc biệt: SBR, ASBR, MBR... - Về kỹ năng: + Nhận biết được cấu tạo các bộ phận và nguyên lý hoạt động của từng công trình. + Tính toán một số thông số cơ bản của công trình. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Nhận thức được ý nghĩa của môn học đối với chuyên ngành. + Có thái độ làm việc tự giác, + Khoa học, cẩn thận. 6
Chương 1: Tổng quan về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Giới thiệu: Chương 1 bao gồm các khái niệm cơ bản nước thải, xử lý nước thải, quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Mục tiêu: Trình bày được: - Trình bày được sự cần thiết của quá trình xử lý sinh học. - Nguyên lý hoạt động của vi sinh vật trong các công trình xử lý sinh học đối với nước thải sinh hoạt Nội dung chính: 1.1. Cơ sở và nhiệm vụ Một dây chuyền công nghệ xử lý nước thải được thể hiện trong ví dụ sau: Mô tả tổng quát qui trình xử lý nước thải Qui trình xử lý nước thải bao gồm các bước sau: + Xử lý cơ học và hóa lý + Xử lý sinh học + Xử lý hóa học Thuyết minh công nghệ 1.Xử lý bậc 1 Song chắn rác thô 7
Nước thải phát sinh từ các nguồn thải khác nhau được dẫn về hố bơm. Song chắn rác thô được lắp đặt trên kênh dẫn nước vào hố bơm nhằm tách bỏ rác hay chất lơ lửng kích thước lớn (>10mm) có khả năng phá hủy hệ thống bơm. Rác được giữ lại trên song chắn sẽ được thải bỏ định kì một cách hợp vệ sinh. Hệ thống bơm nước thải đầu vào (T101) Tại đây, nước thải được bơm sang Bể điều hòa bằng hệ thống bơm đặt chìm trong bể Song chắn rác tinh Nước thải từ hố bơm được bơm lên song chắn rác tinh 2mm để loại hố rác hay chất lơ lửng có kích thước nhỏ (> 2mm). Phần rác sau song chắn sẽ được thu gom tự động vào các thùng chứa rác bên dưới và thải bỏ định kì. Bể điều hòa (T102) Nước thải được bơm từ hố bơm sẽ chảy qua hệ thống lọc rác tinh dạng trống quay trước khi đổ vào hố điều hòa. Nước thải được điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm, 9và dưới tác dụng của khí nén từ máy thổi khí, các chất rắn lơ lửng trong nước thải sẽ tránh quá trình ràng cặn. Từ hố điều hòa nước thải sẽ được bơm sang bể keo tụ bằng hệ thống bơm chìm đặt trong hố. Sân phơi cát Cát trong nước thải lắng xuống tại đáy hố bơm sẽ được bơm định kỳ sang sân phơi cát để tách nước. 2. Xử lý hóa lý Bể keo tụ (T103) Tại hố keo tụ, nước thải được hòa trộn với hóa chất keo tụ được châm từ bồn chứa hóa chất thông qua bơm định lượng. Chất keo tụ giúp làm mất ổn định các hạt cặn có tính “keo” và kích thích chúng kết lại với các cặn lơ lửng khác để tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn. pH trong bể sẽ được tối ưu hóa cho quá trình keo tụ thông qua đầu dò pH tự động, đầu dò này sẽ xuất tín hiệu để điều khiển các bơm định lượng NaOH và H2SO4 nhằm duy trì pH trong khoảng 6.5 đến 7.5. Sau quá trình keo tụ, nước thải chảy vào bể tạo bông. Bể tạo bông (T104) Nước thải từ hố keo tụ được tiếp tục dẫn qua bể tạo bông. Tương tự như bể keo tụ, tại bể tạo bông, polymer anion sẽ được châm vào để kích thích quá trình tạo thành các bông cặn lớn hơn. Polymer này có tác dụng hình thành các “cầu nối” liên kết các bông cặn lại với nhau tạo thành các bông cặn có kích thước lớn hơn nhằm nâng cao hiệu quả của bể lắng phía sau. Nước thải từ bể tạo bông sẽ được dẫn qua bể lắng sơ cấp nhằm tách các bông cặn ra khỏi nước thải Bề lắng 1 (T105) Quá trình keo tụ sẽ làm phát sinh và gia tăng liên tục lượng bùn. Do đó, bể lắng 1 (hay còn gọi là bể lắng hóa lý) được thiết kế để thu gom lượng bùn này. Bể lắng bùn được thiết kế đặc biệt tạo môi trường tĩnh cho bông bùn lắng xuống đáy bể và được gom vào tâm nhờ hệ thống thu gom bùn lắp đặt dưới đáy bể. Bùn sau khi lắng được đưa về bể chứa bùn. Phần nước trong sau lắng được thu hồi lại bằng hệ thống máng thu nước răng cưa được hố trí trên bề mặt bể và tiếp tục được dẫn sang hệ thống xử lý sinh học. Dầu mỡ ở dạng nổi sẽ được tách khỏi nước một cách dễ dàng thông qua quá trình nổi dựa trên sự chênh lệch tỉ trọng giữa các hạt dầu và nước; phần dầu mỡ ở dạng nhũ tương sau khi qua quá trình chỉnh pH và keo tụ tạo bông, các hạt nhũ tương sẽ bị phá vỡ và kết hợp lại thành các hạt dầu có kích thước lớn hơn nên sẽ dễ dàng nổi lên bề mặt của bể lắng 1. Lớp váng nổi này sẽ được gạt và thu gom vào hố chứa váng nổi. Bùn lắng 1 sẽ được bơm định kỳ sang bể chứa bùn để ổn định trước khi bơm sang máy ép bùn. Bùn này chứa nồng độ chất rắn cao (2-3%); vì vậy nó có thể được bơm trực tiếp sang bể chứa bùn mà không cần thiết phải nén. 8
Trong hệ thống xử lý nước thải, bể tách dầu không được thiết kế độc lập bởi vì nồng độ dầu mỡ khoáng rất thấp. Sau bể keo tụ tạo bông, dầu sẽ nổi lên trên bề mặt bể lắng 1 tạo thàng váng dầu, tại đây dầu mỡ được loại bỏ thủ công bằng cách thu vào bể gom, sau đó bơm sang bể chứa bùn. 3. Xử lý sinh học Nước từ bể lắng sẽ được chảy qua bể thiếu khí và sẽ được trộn lẫn với dòng tuần hoàn từ bể hiếu khí. Bể thiểu khí (T201) Trong trường hợp thiếu oxy và sự hiện diện của nitrat từ dòng tuần hoàn, vi khuẩn sử dụng các chất hữu cơ (BOD) như là nguồn carbon hay nguồn electron cho phản ứng khử NO3- thành nitơ tự do N2 bay lên. Phản ứng như sau: C10H19O3N + 10NO-3 —> 5N2 ↑+ 10CO2↑+ 3H2O + NH3↑ + 10OH- Bể hiếu khí (T202A, B): Oxy được cung cấp để ôxi hóa BOD và ammonia. BOD được chuyển hóa thành tế bào mới và carbon dioxide. Amoniac được chuyển hóa thành nitrite và sau đó nitrite sẽ nhanh chóng chuyển hóa sang nitrate. Cơ chế của quá trình sinh học ở bể này như sau: Ammonia (NH4-N) được oxy hoá thành nitrite (NO2-N): NH4+ 1.5O2 —> NO2- + H2O + 2H+ Nitrite được oxy hoá thành (NO3-N): NO2 + 0.5O2 —> NO3- Về tổng thể, giai đoạn này không hề có sự giảm nồng độ nitơ tổng trong nước thải (bao gồm NH4+, NO2- và NO3-). Nitơ tổng chỉ giảm ở giai đoạn thiếu khí do sự chuyển hóa từ NO3- sang N2↑. Nước thải từ bể hiếu khí được tuần hoàn về bể thiếu khí và 1 phần tự chảy đến bể lắng 2. Bể lắng 2 (T203) Quá trình xử lý sinh học sẽ làm gia tăng liên tục lượng bùn vi sinh trong bể đồng thời lượng bùn ban đầu sau thời gian sinh trưởng phát triển sẽ giảm khả năng xử lý chất ô nhiễm trong nước thải và chết đi. Do đó, bể lắng sinh học được thiết kế để thu gom lượng bùn này và giữ lại lượng bùn có khả năng xử lý tốt để tuần hoàn về lại bể thiếu khí. Phần nước trong sau lắng được thu lại bằng hệ thống máng thu nước được bố trí trên bề mặt bể và tiếp tục được dẫn sang bể khử trùng. 4. Xử lý hoàn thiện Bể khử trùng (T301) Tại Bể khử trùng, nước thải được hòa trộn với chất khử trùng bằng hệ thống bơm định lượng nhằm tiêu diệt Coliforms. Hệ vách ngăn trong Bể khử trùng tạo điều kiện xáo trộn hoàn toàn nước thải với chất khử trùng. Nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường và được xả vào nguồn tiếp nhận gần nhất - Hồ hoàn thiện. Hồ hoàn thiện (T302) Hồ hoàn thiện được xây dựng để cải thiện chất lượng nước thải đầu ra từ đơn vị xử lý cuối cùng là Bể khử trùng, chất lượng nước sau xử lý đáp ứng các tiêu chuẩn và yêu cầu pháp lý. Dư lượng hợp chất hữu cơ và hàm lượng chất rắn lơ lửng được giảm thiểu, tuy nhiên nhiệm vụ chính của hồ hoàn thiện là cải thiện chất lượng vệ sinh bằng cách đo đạc nồng độ của hệ vi sinh vật chỉ thị: trứng giun và coliform Việc loại bỏ conforms thông thường là quy trình xử lý chậm nhất, vì vậy đó là tiêu chí chính cho việc thiết kế hồ hoàn thiện. 5. Xử lý bùn Bể nén bùn (T401) Bể nén bùn là cần thiết để làm tăng hàm lượng chất rắn trong bùn và giảm khối lượng nước. Quá trình này giúp giảm thiểu tải cho quá trình khử nước của bùn trong máy ép bùn băng tải. Váng nổi trên bề mặt của bể nén bùn sẽ được tuần hoàn về hố bơm để tái xử lí. Bể chứa bùn (T402) Vì máy ép bùn băng tải hoạt động gián đoạn, nên cần thiết phải xây dựng hố chứa bùn để hiệu chỉnh thể tích bùn giữa quy trình tách nước và qui trình nén bùn. 9
Bể chứa bùn được trang bị hệ thống sục khí nhằm ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật kỵ khí, mùi hôi phát sinh từ bể này được cô lập tốt. Máy ép bùn băng tải Bùn từ bể chứa bùn được bom vào máy ép bùn băng tải để tách nước. Polymer sẽ được châm vào như là chất phụ trợ nhằm liên kết các hạt bùn lại với nhau để quá tình tách nước được dễ dàng hon và hiệu quả hon với các hạt bùn nhỏ. Bánh bùn sau khi ép có thể dễ dàng đóng bao và vận chuyển đến bãi chôn lấp để xử lý. Nước từ quá trình ép bùn sẽ chảy về hố bơm T101 để tái xử lý. Một số thông số cơ bản trong xử lý nước thải TOC: các bon hữu cơ tổng số, mg/l. COD: nhu cầu oxy hóa học, mg/l. BOD: nhu cầu oxy sinh học, mg/l. Tỷ lệ COD/BOD: biểu thị lượng chất thải hữu cơ trong nước thải có thể bị phân hủy bằng các vi sinh vật: thông thường, COD/BOD nằm trong khoảng 2-3,5; COD/BOD3,5: khó phân hủy. DO: oxy hòa tan, mg/l. Là chỉ số đo lượng oxy từ không khí hòa tan vào trong nước. DO phụ thuộc nhiệt độ, độ sâu, hoạt chất bề mặt. Nhiệt độ: rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa chất, nhiệt độ nước thải tăng 6-100C thì tốc độ quá trình sinh hóa tăng gấp đôi. Độ kiềm: mg CaCO3/lit, là thước đo khả năng chống lại sự thay đổi pH của nước thải bằng axit, thường nước thải có độ kiềm > 100mg/l. Độ pH: biểu thị nồng độ axit hoặc kiềm của nước. Tổng phốt pho: trong nước thải thường tồn tại dạng phốt phát. Có thể tồn tại dạng dung dịch, dạng hạt, hoặc trong cơ thể sinh vật dưới nước. Nito: gồm Nito vô cơ: NH4-N, NO3-N, NO2-N và N hữu cơ. Chất rắn: TS: chất rắn tổng số: lượng cặn còn lại sau khi nước bốc hơi và làm khô đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 103-1050C VS: chất rắn bay hơi: lượng cặn có thể bay hơi và cháy hết khi TS bị đốt cháy ở khoảng nhiệt độ 5000C. SS: Chất rắn lơ lửng: một phần của TS bị giữ lại trên giấy lọc, (cỡ lọc ~1,5 micromet). DS: chất rắn hòa tan: lượng chất rắn đi qua giấy lọc. Chất rắn bay hơi tổng số (TVS), chất rắn bay hơi lơ lửng (SSV), chất rắn bay hơi hòa tan (DVS): TVS = SSV+ DVS Chất rắn cố định tổng số (TFS), chất rắn cố định lơ lửng (SFV), chất rắn cố định hòa tan (DFS): TFS = SFV+ DFS 10
Các phương pháp xử lý: Xử lý sinh học: phù hợp loại bỏ chất hữu cơ. Xử lý hóa lý: phù hợp loại bỏ chất vô cơ. Xử lý sinh học sau khi loại bỏ các chất độc hoặc chất khó phân hủy. Các chất ô nhiễm chính trong nước thải: Các hợp chất C hữu cơ Các hợp chất nito, phot pho Các hợp chất lưu huỳnh Kim loại nặng, chất độc hữu cơ bền vững Vi sinh vật (gây bệnh) Môi trường xử lý bao gồm: - Hiếu khí: oxy tự do và oxy liên kết; phù hợp quá trình: Phân hủy các bon, Nitrat hóa - Thiếu khí: oxy liên kết; phù hợp quá trình: khử Nitrat - Kị khí: Không có oxy; phù hợp quá trình: Bio-P, ủ bùn. Quá trình xử lý phụ thuộc các yếu tố, điều kiện như: lượng vi sinh vật, nguồn dinh dưỡng, lượng oxy, nhiệt độ, pH. Các bậc xử lý nước thải, bùn thải Xử lý sơ bộ và xử lý bậc 1: tách chất rắn lớn bằng phương pháp cơ học (song chắn rác, lưới chắn rác, bể lắng. Xử lý bậc 2 (sinh học): phân hủy và chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi sinh vật. Xử lý bậc 3 (xử lý triệt để): loại bỏ các hợp chất N, P Khử trùng: loại bỏ virut, vi khuẩn gây bệnh Xử lý bùn cặn: bùn cặn chứa nhiều nước, nhiều chất hữu cơ gây thối rữa, cần xử lý. Các cơ sở pháp lý trong xử lý nước thải XLNT phải đảm bảo các quy chuẩn, tiêu chuẩn hiện hành. 11
A1 - Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (sau khi áp dụng xử lý thông thường), bảo tồn động thực vật thủy sinh và các mục đích khác như loại A2, B1 và B2. A2 - Dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp hoặc các mục đích sử dụng như loại B1 và B2. B1 - Dùng cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự hoặc các mục đích sử dụng như loại B2. B2 - Giao thông thuỷ và các mục đích khác với yêu cầu nước chất lượng thấp. 12
Cột A Bảng 2 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị khi xả ra nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; Cột B Bảng 2 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị khi xả ra nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; 13
QCVN 40:2011/BTNMT -QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Cột A Bảng 1 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; Cột B Bảng 1 quy định giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; Nếu nước thải có các chỉ tiêu vượt quá thì cần xử lý để đảm bảo quy định. Ví dụ một số chỉ tiêu nước thải tại một số nhà máy tại Việt Nam Nghị định 155/2016/NĐ-CP có hiệu lực 01/02/2017 quy định: 14
Điều 13. Vi phạm các quy định về xả nước thải có chứa các thông số môi trường thông thường vào môi trường 2. Hành vi xả nước thải vượt quy chuẩn kỹ thuật về chất thải từ 1,1 lần đến dưới 1,5 lần hoặc xả nước thải vượt quy chuẩn kỹ thuật về chất thải dưới 1,1 lần trong trường hợp tái phạm, vi phạm nhiều lần bị xử phạt như sau: y) Phạt tiền từ 270.000.000 đồng đến 300.000.000 đồng trong trường hợp thải lượng nước thải từ 5.000 m³/ngày (24 giờ) trở lên. 3. Hành vi xả nước thải vượt quy chuẩn kỹ thuật về chất thải từ 1,5 lần đến dưới 03 lần bị xử phạt như sau: y) Phạt tiền từ 650.000.000 đồng đến 700.000.000 đồng trong trường hợp thải lượng nước thải từ 5.000 m³/ngày (24 giờ) trở lên. 4. Hành vi xả nước thải vượt quy chuẩn kỹ thuật về chất thải từ 03 lần đến dưới 05 lần bị xử phạt như sau: y) Phạt tiền từ 700.000.000 đồng đến 750.000.000 đồng trong trường hợp thải lượng nước thải từ 5.000 m³/ngày (24 giờ) trở lên. 5. Hành vi xả nước thải vượt quy chuẩn kỹ thuật về chất thải từ 05 lần đến dưới 10 lần bị xử phạt như sau: y) Phạt tiền từ 750.000.000 đồng đến 850.000.000 đồng trong trường hợp thải lượng nước thải từ 5.000 m³/ngày (24 giờ) trở lên. 6. Hành vi xả nước thải vượt quy chuẩn kỹ thuật về chất thải từ 10 lần trở lên bị xử phạt như sau: y) Phạt tiền từ 850.000.000 đồng đến 950.000.000 đồng trong trường hợp thải lượng nước thải từ 5.000 m³/ngày (24 giờ) trở lên. 1.1.1. Phân loại vi sinh theo khả năng chuyển hóa chất ( nguồn năng lượng, hydro, cacbon), điều kiện môi trường, điều kiện sống 1.1.1.1. Khái niệm, đặc điểm Vi sinh vật là các sinh vật đơn bào hoặc đa bào, nhân sơ hoặc nhân thực, có kích thước rất nhỏ và thường chỉ quan sát được qua kính hiển vi. Vi sinh vật bao gồm cả vi khuẩn, virus, nấm, tảo và nguyên sinh động vật. Đặc điểm của vi sinh vật là: - Kích thước rất nhỏ bé, thường được đo bằng micromet; - Hấp thu nhiều và chuyển hóa nhanh; - Sinh trưởng nhanh và phát triển mạnh so với các sinh vật khác; - Năng lực thích ứng mạnh, dễ phát sinh biến dị; - Chủng loại nhiều: Số lượng và chủng loại vi sinh vật thay đổi theo thời gian. - Phân bố rộng: Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất, ngay cả ở những điều kiện khắc nghiệt nhất như miệng núi lửa, Nam cực, đáy đại dương,... Vsv được ứng dụng nhiều trong y học, chế biến thực phẩm, … và trong xử lý nước thải. 1.1.1.2. Môi trường sống của vi sinh vật Có 4 loại môi trường sống tự nhiên của vsv: Môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí (không khí không phải là môi trường sống của vsv, nhưng trong không khí có rất nhiều bụi trên đó có vsv bám vào) và môi trường sinh vật. 15
Trong phòng thí nghiệm, người ta sử dụng các môi trường nuôi cấy: là dung dịch (đặc hay lỏng) chứa các chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật, bao gồm: +Môi trường tự nhiên: Đây là loại môi trường chứa các chất hữu cơ khác nhau không biết rõ thành phần hóa học vì vậy còn được gọi là môi trường không xác định về mặt hóa học. Môi trường tự nhiên chứa dịch chiết thịt bò, hoặc dịch chiết nấm men. +> Ví dụ: Môi trường mạch nha, môi trường cao thịt Pepton +Môi trường tổng hợp: Đây là loại môi trường biết rõ về các thành hóa học nên còn được gọi là môi trường xác định. Môi trường chứa các dung dịch pha loãng của hóa chất tinh khiết, không có nấm men, động vật hoặc mô thực vật, thường được sử dụng cho các mục đích nghiên cứu hơn là sản xuất. +> Ví dụ: Môi trường Gause sử dụng trong xạ khuẩn +Môi trường bán tổng hợp: Môi trường tự nhiên như một số thành phần hóa học đã được xác định rõ. 1.1.1.3. Phân loại vi sinh vật theo các kiểu dinh dưỡng +Quang tự dưỡng +Hóa tự dưỡng +Quang dị dưỡng +Hóa dị dưỡng. 1.1.1.4. Hô hấp và lên men Trong môi trường có ôxi phân tử, một số vi sinh vật tiến hành hô hấp hiếu khí. Còn khi môi trường không có ôxi phân tử, thì vi sinh vật tiến hành lên men hoặc hô hấp kị khí. Hô hấp là một hình thức hóa dị dưỡng các hợp chất cacbohiđrat. *) Hô hấp hiếu khí -Là quá trình oxi hóa các phân tử hữu cơ, chất nhận electron cuối cùng là Oxi phân tử. -Sản phẩm tạo thành: CO2, H2O, Năng lượng *) Hô hấp kị khí -Là quá trình phân giải cacbohidrat để thu năng lượng cho tế bào, chất nhận electron cuối cùng của chuỗi chuyền điện tử không phải là O2 (NO3-, SO42-,CO2..) -Sản phẩm tạo thành: năng lượng. *) Lên men 16
Là quá trình chuyển hóa kị khí diễn ra trong tế bào chất, chất cho electron và chất nhận electron đều là phân tử hữu cơ. -Sản phẩm: Chất hữu cơ vd: Rượu, bia, dấm, sữa chua 1.1.2. Quá trình phân hủy chất hữu cơ của các bon, ni tơ và phốt pho Các quá trình xử lý sinh học nước thải về cơ bản diễn ra tương tự như những quá trình tự làm sạch trong nguồn nước mặt tự nhiên. Thông qua việc cung cấp cưỡng bức ôxy và tăng mật độ vi sinh vật mức nhất định, quá trình xử lý sẽ được tăng cường rất mạnh mẽ và thời gian cần thiết để xử lý sẽ được rút ngắn xuống còn vài giờ. Ở đó, các chất hữu cơ với sự phân hủy nhanh hơn và chuyển hóa nhiều hơn thành sinh khối để sau đó tách ra trong bước lắng thứ cấp. Chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải là nguồn thức ăn cho các cơ thể sống nhỏ bé (vi sinh vật). Chúng hấp thụ những phần tử nhỏ với kích thước phù hợp vào tế bào và tiêu hóa chúng nhờ enzym. Các chất hữu cơ phân tử lượng lớn cũng bị phân tách nhờ enzym. Các sản phẩm phân tách không sử dụng của vi sinh vật này có thể được các vi sinh vật khác tiếp nhận làm nguồn thức ăn và tiếp tục phân tách. Sản phẩm cuối cùng chỉ còn các liên kết đơn giản như nước, carbonic và các muối dưới dạng Nitorat, sunphat …Người ta gọi đây là quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ. Sự phát triển của vi sinh vật phụ thuộc vào thành phần thức ăn. Bên cạnh các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng khác như Nitơ, Phốt pho hay môt loạt các dưỡng chất và nguyên tố vi lượng khác cũng cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật. Trong nước thải sinh hoạt chứa những chất này với tỷ lệ khoảng C:N:P=20:4:1. Nước thải công nghiệp ngược lại có thể có thành phần thay đổi, ít dinh dưỡng, vì vậy có thể phải bổ sung Phốtpho hoặc Nitơ. Do nước thải có các thành phần khác nhau, phù hợp nhất cho quá trình xử lý là một quần thể sống của các vi sinh vật, quần thể sinh vật hỗn hợp. Phân hủy liên kết Cacbon Các chất hữu cơ có cấu trúc liên kết Cacbon. Các chất hữu cơ dễ bị vi khuẩn phân hủy là hydrat Cacbon, Protein và chất béo. Đây là các chất bị chuyển hóa đầu tiên trong quá trình xử lý nước thải. Nhu cầu Ôxy của nước thải mới (theo Theriault) [6] 17
Bằng thí nghiệm tĩnh, các quá trình phân hủy xảy ra trong nhà máy xử lý có thể được ước đoán dựa trên đường biểu thị BOD5 (Hình 4.31). Diễn biến đầu tiên là sự tăng trưởng mạnh mẽ của các vi khuẩn phân hủy Cacbon và theo đó nhu cầu Ôxy tăng theo đường dốc đứng. Khi các chất hữu cơ đã chuyển hóa hầu hết, trong môi trường thiếu thức ăn cho vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ, chúng sử dụng các chất dự trữ trong tế bào để chuyển hóa thành năng lượng và đồng thời trở thành thức ăn của sinh vật ăn vi khuẩn. Xử lý Nitơ Nitơrat hóa Sau quá trình oxy hóa các chất hữu cơ, sự chuyển hóa các các hợp chất Nitơ có thể thực hiện bởi các loại vi khuẩn đặc trưng (Hình 4.31). Để chuyển hóa chúng, cần lượng Ôxy nhiều gấp 4 lần so với khi oxy hóa các chất hữu cơ. Trong nước thải sinh hoạt, Nitơ (N) phần lớn có nguồn gốc từ nước tiểu, dưới dạng urê do con người thải ra. Urê và Nitơ hữu cơ đã bắt đầu phân hủy thành nitơ amoni (NH4-N) trong cống thoát nước. Quá trình này gọi là amon hóa. Tuyến đường tới trạm xử lý càng dài, quá trình này diễn ra càng triệt để. Trong bước xử lý cơ học, N hữu cơ tiếp tục chuyển thành NH4-N, vì vậy trong đầu ra của bể lắng sơ cấp phần lớn Nitơ ở dạng nitơ amoni (Hình 4.32). Tổng của nitơ hữu cơ và nitơ amoni được gọi là nitơ Kjeldahl: TKN=N hữu cơ + NH4-N Ngược với các liên kết Cacbon (chất hữu cơ), nitơ amoni không bị phân hủy, mà bị oxy hóa thành Nitrit (NO2-N) và Nitơrat (NO3-N). NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + H+ Quá trình này gọi là nitơrát hóa. Sự giảm NH4-N phụ thuộc vào tuổi bùn Trong kỹ thuật xử lý nước thải, người ta chỉ sử dụng phần Nitơ trong các hợp chất nitơ để tính toán, nghĩa là ammonium-nitơ (NH4-N) hoặc Nitơrat nitơ (NO3-N) tính bằng mg N/l với các giá trị sau: 1,29 mg/l NH4 tương đương 1 mg/l NH4-N 4,43 mg/l NO3 tương đương 1 mg/l NO3-N 3,29 mg/l NO2 tương đương 1 mg/l NO2-N Vi khuẩn nitơrat hóa thường nhạy cảm hơn vi khuẩn oxy hóa chất hữu cơ, có hệ số sinh trưởng thấp hơn và do đó dễ dàng bị vi khuẩn dị dưỡng kiềm chế. Bên cạnh đó, hoạt động của chúng bị ảnh hưởng bởi nồng độ oxy hòa tan và nhiệt độ. Chúng bị ức chế mạnh với nồng độ oxy dưới 1,5 mg/l (tại bể bùn hoạt tính hoặc trong nguồn nước) và nhiệt độ dưới 10ºC. Độ pH cũng ảnh hưởng rõ rệt tới hoạt động của chúng. Do đó, điều kiện để nitơrat hóa bên cạnh có đủ lượng ôxy và nhiệt độ nước thải cao, là sự phân hủy hầu hết các chất hữu cơ, nghĩa là thời gian sục khí đủ dài với tải lượng bùn thấp. Như vậy tuổi bùn sẽ cao. Trong môi trường này, các vi khuẩn nitơrat hóa sinh trưởng chậm 18
lại và có thể phát triển ở giai đoạn sục khí sau. Như vậy, tuổi bùn là thông số đo của quá trình nitơrát hóa. Hình 4.32 cho thấy mối quan hệ giữa tuổi bùn và sự giảm NH 4-N dựa trên kinh nghiệm vận hành công trình xử lý nước thải. Khử Nitơrat Nitơrát hình thành trong quá trình Nitơrát hóa tác động tới nguồn nước dưới dạng muối dinh dưỡng, vì vậy cần phải được loại bỏ khỏi nước thải. Quá trình này có thể xảy ra khi nước thải chứa các chất hữu cơ cùng với bùn tuần hoàn chứa Nitơrát hoặc nước đầu ra chứa Nitơrát được đưa vào chung một bể. Vi khuẩn phân hủy Cacbon trong bùn sẽ tách ôxy cần cho sự sống của chúng từ nitơrát, khi trong nước không có ôxy hòa tan. Quá trình này gọi là quá trình khử nitơrat. Khí Nitơ thoát vào không khí. 4 NO3- + 4 H+ + 5C → 2 N2 (↑) + 2 H2O + 5 CO2 Để thực hiện quá trình này là phải có ngăn bể phía trước bể bùn hoạt tính, trong đó không khí không được thổi vào và không có nước chứa Ôxy cấp vào (vùng thiếu khí). Ngoài ra, phải có càng nhiều càng tốt các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học được đưa vào vùng bể này. Các chất này là nguồn thức ăn cho vi khuẩn dị dưỡng. Các quy trình xử lý Nitơ khác nhau được mô tả trong mục 4.3.4 – khử Nitơ Quá trình khử Nitơrat về mặt vận hành có ưu điểm: tiết kiệm một phần năng lượng thổi khí được sử dụng để Nitơrát hóa, quá trình khử nitơrat không mong muốn tại bể lắng thứ cấp được loại bỏ, thể tích bể điều hòa giảm và tính chất lắng của bùn hoạt tính cũng được cải thiện. Cân bằng Nitơ Các quá trình chuyển hóa Nitơ xảy ra trong mạng lưới thoát nước và trong trạm xử lý nước thải tuần tự theo những bước riêng kế tiếp nhau nêu trên Hình 4.33. Cân bằng Nitơ trong nước thải Đối với nước thải sinh hoạt, nồng độ Nitơ trong nước thô TKN= N hữu cơ + NH4-N nằm trong khoảng từ 50 - 60 mg/l. Trong đó, về nguyên tắc, hàm lượng NH4-N lớn hơn N hữu cơ. Tỷ lệ giữa N hữu cơ và NH4-N phụ thuộc vào quá trình ammon hóa trong mạng lưới thoát nước. Thông thường nước thải sinh hoạt không chứa NO3-N. Nếu có, thì nguyên nhân nằm ở đâu đó, ví dụ do lượng nước lạ từ nguồn nước ngầm bị ô nhiễm nitơrat xâm nhập nhiều. Tuy nhiên sự ảnh hưởng từ nước thải công nghiệp cũng có thể là nguyên nhân. Sau xử lý cơ học, tỷ lệ giữa N hữu cơ và NH4-N thay đổi do nitơ ammon tăng lên. Khoảng 5mg/l TKN được giữ lại trong bùn sơ cấp. Khi quá trình xử lý sinh học chỉ chuyển hóa 19
Cacbon, khoảng 10 mg/l TKN chuyển vào bùn dư. Quá trình chuyển hóa TKN thành NO3- N – nghĩa là quá trình Nitơrat hóa – chỉ bắt đầu trong bể xử lý sinh học tải lượng thấp. Tổng TKN + NO3-N không đổi là 40 mg/l. Sự tách bỏ thực sự của Nitơ ra khỏi nước thải xảy ra thông qua quá trình khử nitơrat trong bước xử lý sinh học, trong đó Nitơ dưới dạng khí N2 bay vào không khí. Nitơ còn lại trong điều kiện này gồm lượng nhỏ N hữu cơ, NH4- N và NO3-N. Hàm lượng NO2-N không đáng kể. Với quá trình xử lý Nitơ hiệu quả, Ntổng nhỏ hơn 12 mg/l. Để làm rõ hơn, các bước xử lý được đơn giản hóa trong các phương trình cân bằng và biểu đồ hóa. Tải lượng đỉnh có thể xảy ra do lượng nước bùn từ bước xử lý bùn (cô đặc bùn, tách nước bùn) cũng như sự pha loãng một phần, ví dụ do nước lạ và nước mưa, những lượng nước này, ngược lại, có thể làm giảm thiểu nồng độ Nitơ, không được đề cập ở đây. Nồng độ Nitơ chủ yếu phụ thuộc vào sự dao động thông thường của các thành phần ô nhiễm trong nước thải. Hiệu quả của quá trình Nitơrat hóa và khử Nitơrat cũng thay đổi, phụ thuộc vào nhiệt độ của các quá trình xử lý sinh học. Trong trường hợp không có số liệu phân tích nước thải, để thiết kế một trạm xử lý, có thể tính toán với giá trị 11 g TKN một ngày cho 1 người (ATV-DVWK-A 131 [35]). Với giả thiết lượng nước thải mỗi ngày là 200 l (bao gồm cả nước dịch vụ), sẽ cho ra nồng độ tính toán: 11.000 mg TKN/(người ∙ ngày) : 200 l/(người ∙ ngày) = 55 mg/l TKN (Nitơ Kjedahl – là tổng của Nitơ hữu cơ và ammonium nitơ (Nhữu cơ + NH4-N). Nitơ tổng (N tổng) trong nước thải đầu ra Tổng Nitơ bao gồm cả Nitơ hữu cơ ( N tổng ). Tuy nhiên trong nước thải đầu ra theo quy định về nước thải (AbwV) và các quy chuẩn xả nước thải (AbwAG) được định nghĩa là tổng của NH4-N, NO3-N và NO2-N. Trong khu vực dân cư, theo phụ lục 1 của AbwV tại cấp độ 4 (10.001 đến 100.000 người), giá trị yêu cầu của Ntổng tại nước đầu ra là 18 mg/l phải được tuân thủ. Với trạm ở cấp độ 5 (lớn hơn 100.000 người) giá trị yêu cầu là 13 mg/l. Hấp thụ Phốt-pho sinh học cưỡng bức Vi khuẩn cần thức ăn để hình thành các tế bào. Do đó, một phần nhất định các liên kết Phốt-pho và Nitơ hòa tan trong nước thải được sử dụng cho mục đích này và tích lũy trong sinh khối. Trong nước thải, Phốt-pho luôn tồn tại dưới dạng các liên kết hóa học với các nguyên tố khác, ví dụ với Ôxy dưới dạng PO4 (Phốt-phát). Khi có sự chuyển đổi liên tục giữa các điều kiện yếm khí và hiếu khí, vi khuẩn có thể tiếp nhận Phốt-pho nhiều hơn bình thường, cụ thể là tới 5% khối lượng khô. Nguyên tắc này được sử dụng để khử P bằng phương pháp sinh học. Trong bể đặt phía trước hoặc trong một phần của bể bùn hoạt tính, điều kiện yếm khí được tạo ra. Phần phía sau được thổi khí là phần hiếu khí, một lượng P cao sẽ được bùn hoạt tính hấp thụ. Trong khu vực yếm khí xảy ra hiện tượng tái hòa tan photpho vào nước. Như vậy trái ngược với đầu vào, nồng độ Phốt-pho cao hơn hẳn trong ngăn yếm khí và thấp hơn hẳn trong phần hiếu khí của bể hoạt tính (hình 4.34). Phốt-phát được tách khỏi nước thải được rút ra khỏi chu trình theo bùn dư. 20