Xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ vi sinh

Thành phần nước thải đô thị:

Nước thải đô thị gồm có:

- Nước dư thừa, nước dùng cho sinh hoạt, chủ yếu từ các gia đình, trường học, khu vui chơi giải trí . Trong nước thải đô thị có tỉ lệ:

+ Nước thải sinh hoạt : 50 -60%

+ Nước mưa thấm qua đất khoảng 10 -14%

+ Nước sản xuất khoảng 30 -36% do các đơn vị sản xuất thủ công nghiệp, công nghiệp thải ra.

Lượng nước thải đô thị thường tính theo đầu người và phụ thuộc vào từng địa phương, thành phố cũng như từng nước. Ơ các nước đang phát triển khoảng 150 l/người.ngày, ở Pháp khoảng 200 l/người.ngày.

- Thành phần của nước thải đô thị :

+ Hàm lượng BOD trong nước thải đô thị cho một đầu người trong ngày sau khi đã xử lý sơ bộ:

Hệ thống thoát nước riêng :50 -70 g

Hệ thống thoát nước chung: 60 -80 g

Khoảng 1/3 chất ô nhiễm này là hòa tan, còn 2/3 ở dạng hạt (có thể lắng gạn được hoặc không). Trong hệ thoát nước chung, tỉ lệ phần trăm chất ô nhiễm lắng gạn được thường lơn hơn ở hệ thống riêng.

+ Tỉ lệ COD:BOD của nước thải đô thị nằm trong khoảng 2 -2.5. Vì vậy cần phải qua lắng sơ bộ để loại bỏ chất ô nhiễm có thể lắng gạn được, làm giảm tỉ lệ này xuống dưới 2 và như vậy nước thải đưa vào xử lí sinh học mới có hiệu quả.

+ Nitơ: trong nước thải sinh hoạt, nồng độ nitơ tổng khoảng 15- 20% của nồng độ BOD 5 , phần bổ sung hàng ngày của nitơ nằm giữa khoảng 10 -15 g/đầu người.

+ Photpho : bổ sung khoảng 4 g/ đầu người.ngày

+ Các chất hoạt động bề mặt: xà phòng, bột giặt , và các chất tẩy rửa

+ Các nguyên tố vi lượng, các nguyên tố độc hại như các kim loại nặng: đồng, kẽm, thuỷ ngân, chì, cadimi, hàm lượng các chất này thường nhỏ hơn 9mg/l, trong ống dẫn có tỉ lệ lớn hơn trong môi trường thiên nhiên

Nghiên cứu lí thuyết quá trình xử lý nước thải trong SBR:
1. Các quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ trong nước thải:

Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động cần có oxi của không khí để phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào trong nước.

Theo Eckenfelder W.W và Conon D.J (1961) quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn biểu hiện bằng các phản ứng :

- Oxi hoá các chất hữu cơ : tốc độ oxi hoá bằng tốc độ tiêu thụ oxi.

enzim

CxHyOz + O2 à CO2 + H2O + H

Các hợp chất hidratcacbon bị phân huỷ hiếu khí chủ yếu theo phương trình này.

- Tổng hợp xây dựng tế bào: enzim

CxHyOz + O2 à Tế bào VSV + CO2 + H2O + C5 H7NO2 - H

Vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi cũng ở mức gần như ít thay đổi. Chính ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân huỷ nhiều nhất.

Hoạt lực enzim của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéo dài trong một thời gian tiếp theo. Điểm cực đại của enzim oxi hoá của bùn hoạt tính (sinh khối vi sinh vật) tới mức ổn định.

Qua các thông số hoạt động cho thấy ở giai đoạn thứ nhất tốc độ tiêu thụ oxi (hay tốc độ oxi hoá) rất cao, có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2.

Đây là phương trình sơ giản tóm tắt quá trình sinh tổng hợp tạo thành tế bào vi sinh vật.

- Tự oxi hoá chất liệu tế bào (tự phân hủy) enzim

C5 H7NO2 + 5O2 à 5 CO2 + 2 H2O + NH3 ± H

Sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hoá cầm chừng (hầu như ít thay đổi ) và có chiều hướng giảm dần, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây là giai đoạn nitrat hoá các muối amon.

Trong 3 loại phản ứng H là năng lượng được sinh ra hay hấp thụ vào. Các chỉ số x,y,z tuỳ thuộc vào dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị oxi hoá. Đối với các hợp chất hữu cơ chứa N và S có thể được theo các kiểu phương trình trên.

Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nông sản , thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuôi… rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3 nhóm chất: protein 40-50%, hidratcacbon 50% và chất béo 10%. Protein là polymer của các acidamin, là nguồn dinh dưỡng chính cho vi sinh vật . Hidratcacbon là các chất đường bột và xenlullo.Tinh bột và đường rất dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật , còm xenllulozo bị phân huỷ muộn hơn và tốc độ phân huỷ chậm hơn. Chất béo ít tan và vi sinh vật phân giải với tốc độ rất chậm. Việc thay thế xà phòng bằng các chất tẩy rửa tổng hợp cũng làm giảm lượng chất béo có trong nước thải. Trong nước thải có khoảng 20 -40% hàm lượng chất hữu cơ không bị phân huỷ bởi vi sinh vật .

2.2 Thời gian thổi khí và cường độ thổi khí :

Lưu lượng không khí đi qua 1 m3 nước thải cần xử lý (lưu lượng riêng của không khí) khi xử lý sinh học hiếu khí ở SBR :

La : BOD20 của nước thải .

K : hệ số sử dụng không khí

+ K = 6 7 g/m4 khi sử dụng thiết bị khuếch tán không khí là đường ống châm lỗ

+ K= 14 18 g/m4 khi sử dụng thiết bị khuếch tán không khí là tấm plastic xốp

H : chiểu sâu công tác của SBR

Thời gian cần thiết thổi không khí vào SBR

Lượng không khí thổi vào SBR trong một đơn vị thời gian :

V= D.Q , (m3/h)

Q : lưu lượng của nước thải , m3/h

+ Nếu Kch (hệ số không điều hoà chung) của nước thải chảy vào SBR 1.25 thì Q = lưu lượng trung bình giờ của nước thải trong ngày đêm.

+ Nếu K > 1.25 Q= lưu lượng trung bình của nước thải chảy vào SBR những giờ lớn nhất.

2.3 Tỷ lệ F/M:

Là tỷ số khối lượng cơ chất trên khối lượng bùn hoạt tính

Tỷ số này biểu hiện mối quan hệ của tải trọng với trạng thái trao đổi chất của hệ thống.

Tỷ số F/M về bản chất là đồng nhất với tốc độ sử dụng cơ chất tính cho một đơn vị khối lượng bùn hoạt tính trong một đơn vị thời gian :

E: hiệu quả xử lí (%), tốc độ sử dụng cơ chất (m3/h)

Tỉ lệ bùn hoạt tính sinh ra so với tiêu hao cơ chất :

Trong đó :

rt : tốc độ tăng trưởng thực của sinh vật (1/s)

rd : tốc độ sử dụng cơ chất (g/m3.s)

Y : hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại (mg/mg). Tính theo tỉ số giữa sinh khối và khối lượng cơ chất tiêu thụ trong thời gian nhất định ở pha sinh trưởng chỉ số (logarit)

2.4 Tải trọng thuỷ lực và tải trọng chất bẩn :

Tải trọng thủy lực: là lượng BOD được khử trong 1 đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian, tính theo kg BOD/m3.ngày

Tải trọng chất bẩn: là lượng BOD được khử trong một đơn vị thời gian, kgBOD/ngày

Đối với việc xử lý nước thải bằng SBR , nồng độ BOD

2.5 Ảnh hưởng của pH và các yếu tố hoá học :

Oxi hòa tan

Phải đủ lượng oxi hoà tan ở trong nước để cung cấp cho đời sống vi sinh vật và các phản ứng oxi hoá -khử.

Các chất hữu cơ có trong nước, trước hết là các chất hoà tan sẽ được phân huỷ hoặc các VSV sử dụng, sau đó mới đến các chất khó tan hoặc không tan (các chất này cũng dần dần sang dạng tan).

Oxi hoà tan để cung cấp cho quá trình sống của vi sinh vật trong nước ,ngoài lượng hoà tan tự nhiên còn cần phải bổ sung trong các công trình xử lí đạt kết quả.

Oxi cung cấp cho quá trình phân huỷ chất hữu cơ có thể chia thành hai pha : pha cacbon – phân huỷ các hợp chất hydrat cacbon giống như quá trình hô hấp nói chung, giải phóng năng lượng, CO2 và nước cùng một số vật liệu tế bào; pha nito – phân huỷ các hợp chất hữu cơ có chứa N trong phân tử , như các chất protein các sản phẩm phân huỷ trung gian (các peptit, pepton, các acid amin ) và giải phóng ra NH3. NH3 hay NH4+ là nguồn dinh dưỡng được vi sinh vật sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào.

b. Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật :

Trong nước thải , thành phần dinh dưỡng chủ yếu là ngu6ồn cacbon (đươc gọi là cơ chất hoặc chất nền được thể hiện bằng BOD) – Chất bẩn hữu cơ dễ bị phân huỷ (hoặc bị oxi hoá) bởi VSV .Ngoài BOD, cần lưu ý tới 2 thành phần khác: nguồn nitơ (thường ở dạng NH4+) và nguồn phos pho (ở dạng muối phosphat). Những trường hợp này là những chất dinh dưỡng tốt nhất đối với VSV. VSV phát triển còn cần tới một loạt các chất khoáng, như Mg, K, Ca, Mn, Fe, Mn, Co… Thường các nguyên tố này ở dạng ion đều có mặt trong nước thải, không những chúng đủ đáp ứng cho nhu cầu sinh lý của VSV mà trong nhiều trường hợp còn quá dư thừa.

Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của VSV, thể hiện bằng lượng bùn hoạt tính tạo thành giảm, kìm hãm và ức chế quá trình oxi hoá các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn.

Nói chung, thiếu dinh dưỡng hai nguồn N và P lâu dài sẽ ảnh hưởng nhiều tới cấu tạo tế bào mới, giảm mức độ sinh trưởng, ảnh hưởng không tốt tới di truyền và các thế hệ sau của VSV. Trong thực tế nếu dùng hồi lưu lại nhiều lần các quần thể vi khuẩn này trong bùn hoạt tính sẽ làm giảm hiệu suất làm sạch của nước thải. Để khắc phục điều này người ta đề xuất một tỉ lệ các chất dinh dưỡng cho xử lí nước thải bằng phương pháp hiếu khí như sau: BOD: N: P = 100: 5:1. Tỉ số này thường chỉ đúng cho 3 ngày đầu.Trong thời gian này VSV phát triển mạnh và bùn hoạt tính cũng được tạo thành nhiều nhất. Còn quá trình xử lí kéo dài thì tỉ số này thường 200:5:1 (tính thời gian xử lý có thể kéo đến 20 ngày).Để cân đối dinh dưỡng có thể dùng các muối photphat và amon bổ sung vào nước thải để tăng nguồn N,P.

Trong trường hợp dư thừa N,P , phải khử các thành phần này bằng ao hồ ổn định …

c. Nồng độ cho phép của chất bẩn hữu cơ trong nước thải để bể SBR hoạt động có hiệu quả .

d. Các chất có độc tính ở trong nước thải ức chế đến đời sống của vi sinh vật.

Để đảm bảo cho bùn hoạt tính được tạo thành và hoạt động bình thường trong nước thải cần phải xác định xem nước thải làm môi trường dinh dưỡng để nuôi VSV có thích hợp không, có kìm hảm, ức chế đến sinh trưởng và tăng sinh khối hay không. Nồng độ muối vô cơ trong nước thải không quá 10g/l. Nếu là muối vô cơ thông thường có thể pha loãng nước thải và xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính, còn nếu là các độc như kim loại nặng, các chất độc hữu cơ phải tiến hành phân tích cẩn thận và có biện pháp xử lý riêng (hấp phụ , trao đổi ion..), sau đó mới có thể xử lý bằng phương pháp sinh học.

e. pH

pH của nước thải có ảnh hưởng nhiều đến các quá trình sinh hoá của VSV , quá trình tạo bùn và lắng. Nói chung , pH thích hợp cho xử lí nước thải ở SBR là 6.5 – 8.5 . Trong thời gian cuối , nước thải trong SBR có pH chuyển sang kiềm, có thể là các hợp chất nitơ được chuyển thành NH3 hoặc muối amon.

f. Nhiệt độ :

Nhiệt độ nước thải trong SBR có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của VSV . Hầu hết các VSV có trong nước thải là các thể ưa ẩm (mesophile): chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 40 độ C và tối thiểu là 5oC. Vì vậy, nhiệt độ xử lí nước thải chỉ trong khoảng 6- 37oC, tốt nhất là 15-35oC.

Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến chuyển hoá của VSV mà còn ảnh hưởng nhiều tới quá trình hoà tan oxi vào nước cũng như khả năng kết lắng của các bông cặn bùn hoạt tính. ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hoá theo phương trình :

rT = r20. (T - 20)

Trong đó : rT : tốc độ phản ứng ở T oC

r20 : tốc độ phản ứng ở 20oC

: hệ số hoạt động do nhiệt độ

g. Nồng độ các chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù

Nếu nồng độ chất lơ lửng không quá 150 mg/l thì xử lý bằng SBR sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất.

2.6 Chỉ số bùn SVI (Sludge Volume Index)

Chỉ số SVI được định nghĩa là số mililit nước thải đang xử lí lắng được 1 gram bùn (theo chất khô không tro) trong 30 phút và được tính :

+ V: thể tích mẫu thử (nước thải đang xử lí đem lắng)

+ MLSS : số gram bùn khô (không tro) , nếu tính chính xác mẫu số = MLSS - độ tro

MLSS: Chất rắn trong hỗn hợp chất lỏng – rắn huyền phù, gồm bùn hoạt tính và chất rắn lơ lửng còn lại chưa được VSV kết bông. Thực chất, đây là hàm lượng bùn cặn (có cả bùn hoạt tính và chất rắn vô cơ dạng lơ lửng chưa được tạo thành bùn hoạt tính.

Bùn lắng đem sấy khô ở 105oC đến khối lượng không đổi ta được MLSS và tiếp tục nung ở 600±50oC ta được lượng tro. Bùn hoạt tính không tro = MLSS - độ tro

Trong xử lí hiếu khí , độ tro của bùn hoạt tính thường là 30% và khi hiếu khí kéo dài 35%.

Bùn hoạt tính phải có lực oxi hóa- khư cao các chất hữu cơ, nhưng phải lắng tốt. Nếu lắng quá nhanh cũng làm giảm hoạt tính của bùn. Bùn dễ lắng là loại bùn có chỉ số SVI từ 80 -150 (tốt nhất từ 100 -120). Trong điều kiện bất lợi, khi lượng bùn quá tải hoạc không đủ, có sự thay đổi vế nhiệt độ hoặc thành phần nước thải…, bùn sẽ bị trương hoặc phồng lên. Trong môi trường dư photpho, các vi khuẩn hình sợi phát triển hoặc khi thổi khí quá dư, bùn dễ vón cục với nhau. Những hiện tượng này đều ảnh hưởng đến khả năng lắng của bùn.

Nếu chỉ số lớn hơn 200, bùn trương phồng khó kết lắng, trôi nổi ở trong nước, có hoạt tính bề mặt cao, đồng thời hiệu quả xử lí rất lớn , song nước đã xử lý không trong và bùn khó lắng, bể sục khí làm việc không ổn định.

2.7 Hiệu quả xử lý N,P của SBR :

a. Xử lý nitơ:

Từ các acid amin và NH3, vi sinh vật có thể tổng hợp thành các protein mới, các enzim và tạo thành tế bào mới. Lượng NH3 dư không được dùng hết cho việc xây dựng tế bào sẽ được vi khuẩn Nitromonas chuyển thành nitrit và từ nitrit chuyển thành nitơ phân tử bay vào không khí. Pha nito này cũng cần phải có oxi , tuy rằng lượng oxi cung cấp cho các vi khuẩn nitrat hóa này không bằng pha cacbon, song tổng lượng oxi cung cấp là lớn. Các vi khuẩn khử nitat cần điều kiện hiếu khí thấp (thiếu khí). Do vậy, quá trình khử nitrat thành nitơ phân tử nhờ các vi khuẩn khử nitrat ở điều kiện thiếu khí là Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Psedomonas, Spirillum. Những vi khuẩn này đều là dị dưỡng và có khả năng khác nhau trong sự khử nitrat theo 2 bước :

- Chuyển hoá nitrat thành nitrit.

- Tạo ra nito oxit, dinito oxit và khí nito.

Sản phẩm của bước sau là dạng khí, có thể được bay vào khí quyển. Những vi khuẩn nitrat hoá rất mẫn cảm và chịu đựng được nhiều chất kìm hãm, chúng hoạt động mạnh ở khoảng pH = 7,5 -8,6; nhưng các vi khuẩn nitrit – nitrat hóa có thể phát triển ở pH thấp. Chúng cần một lượng oxi hoà tan trong nước dưới giá trị tới hạn (nếu quá sẽ là tác nhân ức chế quá trình.)

Điều kiện chung cho các vi khuẩn nitrat hoálà pH: 5,5 – 9; nhưng tốt nhất là 7,5; khi pH<7 vi khuẩn phát triển chậm lại, oxi hòa tan cần là 0,5 mg/l, nhiệt độ từ 5 -40 oC . Nhiều vi khuẩn ,xạ khuẩn, nấm mốc có hoạt tính proteaza đều phân huỷ được protein, trong đó có các loài thuộc giống vi khuẩn Bacillus,Proteus, Pseudomonas, Chromobacterium Clostridium, E.Coli…,nhiều xạ khuẩn thuộc giống Streptomyces và Actinomyces; nhiều loài nấm mốc thuộc các giống Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus…Sản phẩm tạo thành là NH4+ .

Khi sử dụng SBR để loại bỏ nitơ sẽ tối ưu hoá được 2 tiêu chuẩn quan trọng sau :

+ Nồng độ oxi

+ Thời gian thổi khí dưới những tải trọng hữu cơ khác nhau.

Hiệu quả loại bỏ nitơ phụ thuộc vào chất lượng nước đầu vào và điều kiện vân hành (nồng độ oxi, thời gian thổi khí, thời gian lắng). Điều kiện tối ưu để laọi bỏ nitơ, loại bỏ chất ô nhiễm, và chất thải rắn sẽ đạt được hiệu quả xử lý cao và tiêu tốn năng lượng thấp.

Việc sử dụng bể SBR có thể khử nitơ tới nồng độ thấp hơn 5 mg/l giúp cho việc xử lí nước thải và tái sử dụng.

b . Hiệu quả khử P :

Các điều kiện yếm khí trong giai đoạn nạp nước thải và khuấy trộn sẽ giúp thực hiện quá trình khử nitrate và phân giải photpho.

Trong giai đoạn sục khí sẽ thực hiện quá trình nitrate hóa và quá trình hấp thụ photpho vào sinh khối.

Quá trình xử lý photpho trong bể SBR phụ thuộc nhiều vào lượng chất hữu cơ đầu vào và lượng nitrate có trong bùn được giữ lại từ chu trình làm việc trước đó.

Các quá trình nitrate hóa, khử nitrate và xử lý photpho đều có liên quan chặt chẽ đến tải lượng hữu cơ thấp đối với hệ thống SBR.

Nếu hàm lượng chất hữu cơ đầu vào tương đối ổn định, thì tải lượng hữu cơ sẽ phụ thuộc lớn vào hàm lượng bùn trong bể phản ứng.

Tổng hợp: Nguyễn Hữu Tuyên, Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường.

Điện thoại: 094.222.6986, Tư vấn miễn phí.