Quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa trên toàn thế giới góp phần tăng trưởng nền kinh tế, nâng cao đời sống người dân. Tuy nhiên, sự phát triển này kéo theo vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng tăng, trong đó có ô nhiễm nguồn nước. Nước thải từ các nhà máy sản xuất, khách sạn, bệnh viện, hộ gia đình,...chưa qua xử lý đổ trực tiếp ra hệ thống sông ngòi, ao hồ,...khiến cho nguồn nước sạch bị thu hẹp nghiêm trọng, bệnh tật phát sinh, đe dọa đến sự tồn tại và phát triển của nhân loại.

78% nước thải ở Hà Nội chưa qua xử lý

Rất nhiều phương pháp xử lý nguồn nước thải như cơ học, hóa học,... được đưa ra nhưng phương pháp sinh học mang lại hiệu quả cao nhất, an toàn, thân thiện với môi trường. Vậy xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là như thế nào, quy trình xử lý ra sao. Cùng tìm hiểu thông tin chi tiết qua bài viết dưới đây.

1. Nguồn gốc hình thành nước thải

Nước thải là chất lỏng có chứa các tạp chất do quá trình sử dụng trước đó của con người với tính chất đã bị thay đổi.

Tùy thuộc vào nguồn gốc hình thành mà người ta chia ra thành các loại như sau:

Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp được hình thành từ các nhà máy sản xuất trong ngành công nghiệp. Nó được tạo thành bị ô nhiễm bởi các chất và sản phẩm phản ứng, nước rửa nguyên liệu, trang thiết bị, dụng cụ thực hiện, nước hấp thụ, làm nguội hoặc nước ở dạng âm tự do, liên kết trong nguyên liệu, chất ban đầu hay được tách ra trong quá trình xử lý.

Nước thải sinh hoạt

Được tạo thành tại các hộ gia đình, khách sạn, nhà hàng, trường học,…Trong nước thải sinh hoạt có chứa tới 58% chất hữu cơ, chủ yếu là cacbonhydrat, protein, mỡ, các chất dinh dưỡng, chất rắn, vi khuẩn và 42% chất khoáng.

Nước thải tự nhiên

Nước mưa chứa khói bụi, các chất độc hại do con người tạo ra được coi là nước thải tự nhiên.

Nước thải đô thị

Nước thải đô thị là hỗn hợp các loại nước thải phía trên, tồn tại trong hệ thống công thoát nước của khu vực đó.

2. Tính chất vật lý, hóa học đặc trưng của nước thải

2.1. Tính chất vật lý

- Màu: Thường là màu xám vẩn đục hoặc nâu sáng. Nếu bị nhiễm khuẩn, chúng sẽ chuyển sang màu đen

- Mùi: Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải khiến nước có mùi khó chịu.

- Nhiệt độ: Do sự gia nhiệt của các vật dụng, máy móc thiết bị mà nước thải có nhiệt độ lớn hơn nước sạch.

- Lưu lượng: Đơn vị của nước thải là m³/người.ngày. Vận tốc dòng chảy không giống nhau giữa các ngày.

2.2. Tính chất hóa học

- Độ kiềm: Là môi trường đệm giữ pH trung tính của nước thải trong toàn bộ quá trình xử lý hóa sinh.

- BOD (Nhu cầu sinh hóa): Thông thường người ta tiến hành xác định lượng chất bị phân hủy trong nước thải sau 5 ngày tại mức nhiệt độ 200^oC.

- COD (Nhu cầu oxy hóa): Xác định lượng chất bị oxy hóa trong nước thải, phổ biến trong khoảng 200-500mg/l. Tuy nhiên, chỉ số này có thể thấp hơn khi đó là nước thải công nghiệp.

- Các chất hòa tan: Thường là các chất khí có thể được hòa tan. Oxy tan ít nhất trong nước thải công nghiệp.

- Hợp chất chứa Nito: Mỗi loại nước thải khác nhau sẽ có một loai hợp chất chứa N tương ứng, không giống nhau.

- pH: Dùng để xác định tính axit của nước thải. Nước thải muốn được xử lý tốt nhất thì pH nên nằm trong khoảng 6- 9.5, hiệu quả nhất khi đạt mức 6.5- 8.

- Photpho: Dao động phổ biến trong khoảng 6- 20mg/l

- Nước: Nước thải bị ô nhiễm nặng nhất thì nước chiếm 99.5%, 0.5% tạp chất còn với nước ít ô nhiễm nhất thì tỉ lệ này là 99.9%, 0.1% là tạp chất.

- Chỉ thị về vi sinh E.Coli của nước: Đây là loại vi khuẩn gây tả lị, thương hàn, ngộ độc thực phẩm, các bệnh về đường tiêu hóa. Nó tồn tại nhiều nhất trong nước thải sinh hoạt, bệnh viện, khu chăn nuôi,…Chất lượng về mặt vi sinh của nước chủ yếu được thể hiện bằng nồng độ vi khuẩn chỉ thị- đó là nhóm trực khuẩn, những vi khuẩn không gây bệnh.

3. Quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Đây là quá tình chuyển hóa vật chất, lắng cạn dùng để xử lý những chất hữu cơ có khả năng hòa tan trong nước, hay một số chất vô cơ như amonia, nito,…nhờ khả năng tự đồng hóa.

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Có hai phương pháp được sử dụng chính là:

- Phương pháp kỵ khí

- Phương pháp hiếu khí

3.1. Phương pháp kỵ khí

Phương pháp kỵ khí là quá trình phân hủy các chất hữu cơ không có sự góp mặt của oxy với sản phẩm tạo ra là metan, cacbonic, nito, hidro,..

(CHO)_nNS → CO₂ +H₂O + CH₄ + NH₄ + H₂ + H₂S + tế bào vi sinh

Phương pháp kỵ khí được chia thành 2 loại chính là kỵ khí tự nhiên và kỵ khí nhân tạo

Kỵ khí tự nhiên

Diễn ra trên các ao hồ dưới sự hoạt động của các vi sinh vật, không có sự góp mặt của oxy, thường là các ao sâu.

Kỵ khí nhân tạo

- Bể UASB: Đưa nước thải với vận tốc 0.6- 0.9 m/h vào bể chứa UASB qua lớp bùn kỵ khí dưới đáy bể. Tại đây các vi sinh vật sẽ phân hủy các hợp chất hữu cơ. Phần nước, khí qua hệ thống tách pha di chuyển lên phía trên kéo theo các chất cặn bẩn. Khi gặp tấm chắn chúng bị cản lại và rơi xuống đáy còn khí thì đi qua tới ống dẫn khí. Nước được thu hồi qua ống dẫn sang hệ thống xử lý hiếu khí tiếp theo.

Bể UASB

- Lọc sinh học kỵ khí: Đưa nước thải vào bể lọc qua lớp vật liệu lọc dưới đáy bể chứa các vi sinh vật yếm khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Chất cặn bẩn sẽ bị giữ lại tại khe rỗng lớp lọc. Nước tiếp tục di chuyển tới ống thu để chuyển qua hệ thống xử lý hiếu khí.

Các giai đoạn của quá trình lọc sinh học kỵ khí

- Kỵ khí tiếp xúc: Nước thải được trộn lẫn trong một vòng tuần hoàn, phân hủy trong bể phản ứng không có không khí. Bùn lắng xuống đáy bể lắng và nước thì đi ra ngoài.

Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí tiếp xúc

3.2. Phương pháp hiếu khí

Phương pháp hiếu khí là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ với sự góp mặt của oxy, các vi sinh vật, đồng thời làm tăng sinh khối hoặc phân hủy nội bào nhờ một phần hữu cơ và năng lượng khai thác. Cơ chế quá trình diễn ra như sau:

- Hợp chất hữu cơ không có nito

C_xH_yO_z + ( x+ y/4 – z/2)O₂  -> xCO₂ + y/2 H₂0

- Hợp chất hữu cơ chứa nito

C_xH_yO_zN+ ( x+ y/4 – z/2- 3/4 )O₂  -> xCO₂ + (y/2 – 3/2) H₂0 + NH₃

- Tổng hợp sinh khối

C_xH_yO_zN+ ( x+ y/4 – z/2- 23/2 )O₂  + NH₃  -> 2C₅H₇NO₂ +  (x- 10)CO₂ + (y/2 – 7) H₂0 + NH₃

- Phân hủy nội bào

C₅H₇NO₂  + 5O₂ -> 5CO₂ + 2H₂0 + NH₃

Tốc độ của quá trình chịu ảnh hưởng của nồng độ chất hữu cơ, lượng tạp chất, mức độ ổn định của lưu lượng chất thải vào hệ thống xử lý.

Xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

Sinh trưởng tầng lơ lửng SBR

- Xử lý sinh học dạng mẻ

Nước thải đi vào pha làm đầy theo mức quy định ban đầu kéo theo thức ăn cho các vi sinh vật trong bùn hoạt tính của bể.

Sục khí, khử BOD để nitrat, nitrit hóa các amoniac thành nitrit và nitrat, đồng thời phân hủy các hợp chất hữu cơ.

Thiết bị sục khí dừng lại khi quá trình oxy hóa diễn ra để lắng cặn các chất rắn còn nước nổi lên tạo lớp phân cách bùn, nitrat, nitrit tiếp tục bị khử nito.

Nước sau khi lắng cặn cùng với phần cặn dư được tháo ra ngoài bể.

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dạng mẻ

- Bể bùn hoạt tính (bể aerotank)

Quá trình sử dụng khí nén và sự khuấy trộn cơ học khiến các vi sinh vật trở thành những hạt bùn hoạt tính lơ lửng trôi nổi trong pha lỏng. 

Các vi sinh vật này sẽ phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hoá thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hoá hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-, …

Nước thải phải đảm bảo hàm lượng SS không vượt quá 150 mg/l, hàm lượng sản phẩm dầu mỏ không  vượt quá 25mg/l, pH = 6.5 – 8.5, nhiệt độ nằm trong khoảng từ 6- 37 độ C.

Cơ chế hoạt động của bể Aerotank

Một số loại bể bùn aerotank hiện nay:

+ Bể bùn hoạt tính truyền thống

+ Bể bùn hoạt tính tiếp xúc ổn định

+ Bể bùn hoạt tính cấp khí kéo dài

+ Bể bùn hoạt tính cấp khí giảm dần

+ Bể bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn

+ Bể bùn hoạt tính nạp nước thải theo bậc (cấp khí nhiều bậc)

Bể Aerotank

Hồ sinh học hiếu khí

Là quá trình sử dụng ánh sáng mặt trời chiếu qua tầng nước vào ao hồ để tảo quang hợp tạo ra oxy.

Hồ sinh học trong xử lý nước thải- Cơ chế và nguyên tắc hoạt động

 

Sinh trưởng bám dính

- Lọc hiếu khí

Nước thải được đưa vào bể lọc. Các chất thải giữ lại khi tiếp xúc với lớp tấm chắn được bao phủ bởi lớp màng các vi sinh vật, phân hủy và lắng xuống đáy bể.

Bể lọc sinh học hiếu khí Biofor

- Lọc sinh học nhỏ giọt

Nước thải được phân thành các mảnh nhỏ đi qua lớp tấm chắn lọc đệm sinh học, chất thải rắn bị giữ lại và phân hủy bởi các vi sinh vật trước khi loại bỏ.

Phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt

- Đĩa quay sinh học

Các vi sinh vật có mặt trên đĩa quay tạo thành lớp màng mỏng nhầy. Khi hoạt động, các hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ va chạm với các vi sinh vật. Lực ly tâm giúp tách chất rắn thừa ra bay khỏi bề mặt đĩa quay.

 

Cấu tạo đĩa quay sinh học tiếp xúc