Sơ Đồ Quá Trình Loại Bỏ Cod Và Ni Tơ Bằng Vi Sinh: (A) Anoxic Trước; (B) Anoxic

Hình 1. 5. Sơ đồ quá trình loại bỏ COD và ni tơ bằng vi sinh: (a) anoxic trước; (b) anoxic sau; (c) 2 giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat độc lập; (d) quá trình Bardenpho.

Hình 1. 6. Sơ đồ công nghệ bùn hoạt tính xử lí COD và TN.

Trong quá trình nitrat hóa, 80% năng lượng (giải phóng từ quá trình oxy hóa Amoni thành nitrit) được sử dụng để tạo thành CO2, 2 – 11% được sử dụng cho quá trình tổng hợp sinh khối, điều này giải thích cho lý do vì sao hiệu suất tạo sinh khối của quá trình nitrat hóa nhỏ. Hiệu suất sinh khối tối đa của vi khuẩn nitrat hóa khoảng 0,1 – 0,15 g/g NH4+-N [20].

(iv) Các biến thể:

Mục đích chính của các cải biến này là: (1) ổn định mật độ vi sinh; (2) ổn định hệ thống cũng như chất lượng nước sau xử lý; và (3) khởi động hệ thống đơn giản hơn. Ngày nay có nhiều biến thể công nghệ trên cơ sở Hình 1.5 và Hình 1.6, các nghiên cứu công bố cho thấy, cho đến nay các cải tiến chủ yếu liên quan đến sử dụng vật liệu mang vi sinh, với cách thức sử dụng vật liệu mang trong bể khác nhau (cố định, di động, . . .) sẽ sinh ra các kiểu và thuật ngữ khác nhau của hệ thống này (chẳng

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 143 trang tài liệu này.

hạn: giá thể cố định hoặc di động đều có thể gọi là quá trình hoặc công nghệ màng sinh học; với vật liệu mang cố định có thuật ngữ Fixed Bed- FBBR; với vật liệu mang di động còn có thuật ngữ là màng vi sinh chuyển động- Moving Bed –MBBR).

1.2.4. Giá thể sinh học

1.2.4.1. Kỹ thuật dính bám

Là kỹ thuật mà ở đó, vi khuẩn được tạo điều kiện dính bám và phát triển trên bề vật mang rắn (vật liệu rắn này còn được gọi là đệm, vật liệu mang vi sinh). Có ba kiểu kĩ thuật này:

a) Kĩ thuật lọc nhỏ giọt thường dùng để xử lí nước thải sinh hoạt: nước thải được rải đều từ trên xuống lớp vật liệu mang vi sinh có chiều cao ít nhất là 2 m, ôxi không khí tự được cấp nhờ dòng khí đối lưu.

b) Kĩ thuật đĩa sinh học quay: vật liệu mang vi sinh được chế tạo dưới dạng các đĩa đồng trục để ngập nước phần dưới trục gắn các đĩa, cả xếp đĩa này được quay liên tục, khi đó lớp vi sinh trên mặt đĩa lúc phơi ra không khí sẽ lấy ôxi, lúc ngập vào trong nước sẽ dùng ôxi ôxi hóa chất bẩn. Hai kĩ thuật này chỉ thích hợp cho nước thải loãng (kiểu nước thải sinh hoạt) nên sẽ không đề cập tiếp ở đây.

c) Kỹ thuật lọc sinh học ngập nước với lớp vật liệu mang vi sinh cố định (fixed filter):

được ra đời vào năm 1957 bởi Coulter và năm 1969 bởi Young and McCarty [21].

Lọc sinh học ngập nước (với lớp vật liệu mang vi sinh cố đinh) có thể chia thành 02 loại khác nhau theo chiều dòng nước thải vào: (1) lọc sinh học ngập nước với dòng nước vào đi từ trên xuống; (2) lọc sinh học ngập nước với dòng nước vào đi từ dưới lên; tải hữu cơ đầu vào 13 kgCOD/m3/ngày (Anderson et al.,1994). Hiệu

quả xử lý tăng khi diện tích bề mặt riêng của vật liệu lọc vi sinh lớn.

Các kĩ thuật lọc sinh học ngập nước sử dụng vật liệu cố định vi sinh dạng khối rỗng tổ ong, dạng cầu, trụ rỗng … khá hiệu quả. Tuy nhiên chúng sẽ có ba nhược điểm: thứ nhất là chi phí: ngoài chi phí xây dựng bể phản ứng thể tích V sẽ phải chi thêm (0,5÷0,6)V thể tích vật liệu mang (giá nước ngoài khoảng US$ 200÷300/m3; giá vật liệu sản xuất trong nước ~2÷8 triệu/m3); thứ hai là khả năng mang vi sinh tỷ lệ

thuận với diện tích bề mặt riêng của vật liệu A (thường A~100÷200m2/m3 vật liệu) mà A là giới hạn, khi đó nếu muốn lưu giữ mật độ sinh khối cao là không thể, vi sinh thoát ra sẽ tồn tại dưới dạng lơ lửng, trường hợp này ta có hệ phản ứng hỗn hợp (vi sinh lơ lửng + vi sinh dính bám) và vi sinh sẽ có khả năng thoát ra khỏi bồn; thứ ba: khả năng vi sinh quá nhiều gây tắc, cản trở quá trình vận chuyển chất là yếu tố quyết định trong các hệ phản ứng dị thể, điều này đã gặp nhiều ở các hệ sử dụng vật liệu nội địa dạng khối tổ ong do tính cơ-lí không đảm bảo, vật liệu bị nén và gây tắc.

1.2.4.2. Trên thế giới

Đối với xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí với sinh trưởng bám dính, năm 1865, tại Berlin – Đức, bác sĩ Alexander Mueller đã chứng minh được rằng nước thải có thể được lọc sạch bởi những sinh vật sống có trong một cột lọc.

Năm 1868, ông Edward Frankland, một thành viên của Hội đồng Anh đã nghiên cứu phương thức lọc đối với nước thải ở London với một cột bên trong có chứa vật liệu dạng tấm từ sỏi thô và đất có than bùn.

Năm 1882, Warrington đã chứng minh rằng có thể làm giảm chất ô nhiễm trong nước bằng sỏi sạch.

Hệ thống lọc sinh học đầu tiên được thiết lập tại trại thực nghiệm Lawrence, bang Matsachuset, nước Mỹ. Năm 1901, hệ thống lọc sinh học đầu tiên được giới thiệu áp dụng tại Madison – Wisconsin. Đến năm 1940 ở nước này đã có 60% hệ thống xử lý nước thải áp dụng công nghệ lọc sinh học.

Năm 1960, đĩa quay sinh học đầu tiên được áp dụng ở CHLB Đức. Ở Mỹ và Canada, 70% hệ thống đĩa quay sinh học được sử dụng để loại bỏ BOD và 30 % để loại bỏ Nitrate.

Năm 1995, Guitonas và Alexious đã tiến hành thí nghiệm sử dụng một bể lọc sinh học hai giai đoạn, hiếu khí và kị khí kết hợp với giá thể bằng chất dẻo. Hiệu quả xử lý Nito đạt được khá cao đối với nước thải đô thị ở nhiệt độ cao.

Năm 1990, Warnakula và cộng sự, thuộc Viện Nghiên cứu cây cao su của Sri Lanka đã bắt đầu nghiên cứu về việc sử dụng xơ dừa làm giá thể trong xử lý nước thải cao su bằng phương pháp hiếu khí và kị khí. Nghiên cứu này cho thấy, vật liệu mới này tạo ra nhiều khoảng trống cho VSV phát triển. Kết quả nghiên cứu đã được

công bố trong hội nghị Quốc tế về công nghệ xử lý nước thải trong các nhà máy chế biến cao su từ ngày 8 đến 13 tháng 3 năm 1999.

Những thập nên gần đây, do kĩ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC, PP được làm thành tấm lượn són, gấp nếp, dạng cầu khe hở, dạng vành hoa, dạng vách ngăn, dạng sợi v.v… có đặc điểm là rất nhẹ. Phần lớn, các vật liêu hiện có trên thị trường đều đáp ứng được các yêu cầu như diện tích bề mặt riêng lớn; chỉ số chân không cao; nhẹ; độ bền cơ học đủ lớn; quán tính sinh học cao và ổn định hóa học.

Vật liệu là chất dẻo khác nhau về hình dạng, được xác định bằng tỉ số giữa diện tích bề mặt/ thể tích; trọng lượng/thể tích và độ xốp của vật liệu.

Tuổi thọ trung bình của vật liệu chất dẻo vào khoảng vài chục năm. Việc thay chúng do nhiều nguyên nhân như quá bẩn, bị vỡ hay giá đỡ bị hỏng.

Với quần thể VSV bám vào vật liệu lọc làm cho quá trình oxi hóa diễn ra rất nhanh. Chính vì vậy, đã rút ngắn được thời gian xử lý; giảm việc trông coi; tiết kiệm năng lượng và đồng thời có thể xử lý hiệu quả nitrate có trong nguồn nước thải.

Công nghệ màng sinh học giá thể di động (MBBR - Moving Bed Biological Reactor) được biết đến với nhiều ưu thế, có thể xử lý đồng thời chất hữu cơ, chất dinh dưỡng nitơ, phốt pho với chất lượng và hiệu quả cao, thời gian xử lý ngắn và tạo ra ít chất thải thứ cấp hơn. Trong thập kỷ qua, công nghệ này đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải đô thị [22], nước thải công nghiệp giấy và bột giấy [23], nước thải chứa phenol, nước thải dược phẩm [24], nước thải nhà máy sữa, lọc dầu và chất thải cơ sở giết mổ, nuôi trồng thủy sản…[25], mang lại hiệu quả cao nhờ loại bỏ 60-90% COD, 75-97% BOD5, 40-85% tổng nitơ và các chất dinh dưỡng khác ở mức độ nhất định tùy từng loại nước thải. MBBR là công nghệ kết hợp giữa các điều kiện thuận lợi của quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí và bể lọc sinh học. Bể MBBR xử lý bằng lớp màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá thể di chuyển tự do trong bể phản ứng nhờ hệ thống sục khí cấp oxy. Bể MBBR không cần quá trình tuần hoàn bùn giống như các phương pháp xử lý bằng màng biofilm khác, vì vậy nó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính trong bể, bởi vì sinh khối ngày càng được tạo ra trong quá trình xử lý [26].

Đệm vi sinh MBBR (giá thể vi sinh di động MBBR) là vật liệu rất quan trọng để tạo ra hệ sinh thái tinh tế tự nhiên cho các vi khuẩn phát triển và tham gia vào quá trình nitrat hóa. Đệm vi sinh MBBR cung cấp diện tích bề mặt hoạt động tối đa cho vi khuẩn xâm nhập hiệu quả gấp nhiều lần so với các loại đệm vi sinh tĩnh truyền thống, giúp loại bỏ cả Amoniac và nitrit có hại khỏi nước. Khi đệm vi sinh chuyển động trong các hệ thống xử lý, chúng làm cho các vi khuẩn chết già bám dính bên ngoài tách ra khỏi bề mặt và rơi xuống đáy bể theo chu kỳ xã đi. Điều này tạo mới không gian bề mặt cho vi khuẩn mới, trẻ hơn dễ xâm nhập một cách nhanh chóng lên đệm vi sinh MBBR. Bên trong vòng bánh xe là một bề mặt bảo vệ cho phép tạo nên một quần thể các vi khuẩn tự nhiên theo vòng đời của chúng trưởng thành, chết đi và sau đó thúc đẩy các giai đoạn sau của chu trình nitrat hóa. Đệm vi sinh MBBR được thiết kế để cung cấp môi trường sống tốt nhất có thể cho vi khuẩn có lợi trưởng thành và phát triển.

Không giống như đệm vi sinh dạng sợi, dạng thảm, dạng cầu hoặc các hình thức khác của đệm vi sinh dạng tĩnh, đệm vi sinh MBBR được thiết kế để di chuyển tự do trong bộ lọc. Sự chuyển động hỗn loạn liên tục của không khí từ máy bơm làm cho đệm vi sinh tự sạch và do đó không cần bảo trì, bảo dưỡng. Điều này cho phép các bộ lọc đạt được hiệu quả tối ưu mà không cần làm sạch định kỳ, tránh tổn thất không cần thiết của vi khuẩn trong bộ lọc. Cứ 50 lít đệm vi sinh MBBR sẽ xử lý lên đến 250 gram thức ăn (phân hủy chất hữu cơ) mỗi ngày [27].

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của công nghệ MBBR là vật liệu làm giá thể mang VSV và đã có nhiều vật liệu loại này được nghiên cứu và phát triển trên thế giới. Một trong những đặc điểm quan trọng của giá thể mang VSV là diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao để có thể làm không gian cho các VSV bám dính và phát triển, tạo màng biofilm [28]. Ngoài ra, khối lượng riêng càng nhẹ sẽ giúp các VSV có thể được di động nhiều, tạo thuận lợi cho quá trình tồn tại và phát triển của chúng. Một số giá thể mang VSV đã có mặt trên thị trường như Hel-X Chip, Kaldnes... Hiện nay, một số vật liệu được làm từ cellulose, tuy nhiên độ bền của các vật liệu này trong hệ thống xử lý rất kém [29]. Hạt lọc Kaldnes là một loại vật liệu có thể thả nổi trong bể sinh học hiếu khí, thiếu khí hoặc bể xử lý nước thải hồ cá. Sau

10-20 phút vận hành, màng vi sinh sẽ được hình thành và ổn định, phát huy hiệu quả xử lý nước thải một cách triệt để [30]. Với cấu trúc đặc biệt, các giá thể vi sinh Hel- X Chip tạo môi trường lý tưởng cho các vi khuẩn trong quá trình anammox phát triển bám dính lên bề mặt và bên trong các lỗ rỗng. Màng vi sinh có thể kết hợp xử lý cả quá trình hiếu khí (Aerobic) và thiếu khí (Anoxic), giúp cho quá trình xử lý: COD, BOD, Amoni… với tải trọng cao và đặc biệt xử lý Amoni hiệu quả hơn các giá thể vi sinh bám dính khác. Tuy nhiên, số lượng VSV phụ thuộc vào diện tích bề mặt có sẵn cho sự phát triển VSV, Hel-X Chip tạo điều kiện sống tối ưu cho vi khuẩn [28]. Công nghệ MBBR có ưu thế của cả quá trình bùn hoạt tính và màng sinh học khi sử dụng đệm nổi chuyển động tự do để đạt được diện tích bề mặt màng sinh học mong muốn [31,32].

So sánh với công nghệ bùn hoạt tính và đệm cố định, MBBR có ưu điểm với thiết bị bể phản ứng gọn hơn, không bị tắc nghẽn màng, không cần quá trình rửa ngược [24,25].

Nồng độ sinh khối trong MBBR dễ dàng tăng lên bởi sự hỗ trợ của vật liệu làm giá thể sinh học [33,34].

Hệ thống này có thể chịu được nồng độ sinh khối cao, thời gian lắng nhanh hơn. Hơn nữa, MBBRs có khả năng phục hồi nhanh trong các điều kiện bị sốc tải hoặc độc tố [35,36]. Quá trình tróc màng luôn xảy ra trong khi MBBR chuyển động và được coi là quá trình liên tục tự đào thải làm mới VSV [37].

Điểm ưu thế của công nghệ MBBR là không cần quá trình tuần hoàn bùn tạo ra, có khả năng hoạt động tốt trong điều kiện lưu lượng, tải lượng ô nhiễm cao; Diện tích trạm xử lý nhỏ hơn so với các công nghệ truyền thống khác; Hiệu suất xử lý cao (BOD > 90% COD > 80%); loại bỏ được cả N và P trong nước thải [38,39]; có khả năng tự động hóa cao; dễ vận hành, không đòi hỏi kỹ thuật cao; giảm chi phí bảo trì hệ thống; có khả năng lắp đặt ở dạng thiết bị hợp khối (dạng thiết bị hay moduls) nên dễ dàng cho công tác lắp đặt cũng như di dời khi cần.

Công nghệ MBBR hiếu khí, màng sinh học thuộc loại sinh trưởng dính bám, của VSV hiếu khí [38]. Một màng sinh học màng tổ hợp chất nhày, bao gồm các VSV

và các vật liệu hữu cơ và vô cơ bám trên bề mặt [40,41,42], thành phần chủ yếu của màng sinh học là polysaccharides ngoại bào hoặc chất polyme ngoại bào (EPS) bao quanh các tế bào và chiếm gần 90% các polyme bao phủ màng [43,44]. Màng sinh học được ví như ‘ngôi nhà’ của cộng đồng VSV, nó chính nơi trú ẩn và bảo vệ vi khuẩn tránh khỏi tác động tiêu cực như chất khử trùng, môi trường thay đổi, thiếu dinh dưỡng, điều thường xảy ra trong nước thải công nghiệp. Màng sinh học có những đặc tính thích nghi với môi trường bởi sự đa dạng của cộng đồng VSV, sự gắn kết của các tế bào, sự trưởng thành và phát triển cấu trúc màng sinh học [42,45,46]. Đặc điểm của giá thể sinh học trong bể MBBR là cần đáp ứng các yêu cầu về tỷ trọng nhẹ hơn nước để lơ lửng; luôn chuyển động và phân tán đều trong bể phản ứng bởi các thiết bị cấp khí và phân tán khí; thể tích giá thể < 50% thể tích bể [47].

Tùy thuộc vào từng loại giá thể, khả năng màng bám khác nhau và là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả xử lý nước thải [48]. Các yếu tố quan trọng đánh giá giá thể là diện tích bề mặt, hình dạng, kích thước, độ xốp, trọng lượng riêng, độ thấm hút, … Hiện nay, giá thể nhiều dạng như polyethylene, polyvinyl alcohol gels, than hoạt tính dạng hạt, polymer dạng bọt, … và đều được khẳng định là phù hợp với bể phản ứng MBBR. Polyethylene có khả năng loại bỏ khoảng 94,96% đối với COD, 99,07% đối với BOD và 87,32% đối với TOC [49,50] cho thấy polymer bọt biển có khả năng loại bỏ COD (97,52 ± 1,63%) và NH4+- N (95,3 ± 4,6%), và cho rằng polymer bọt biển có độ xốp cao, có khả năng cố định cộng đồng VSV lớn, do đó có khả năng tạo thành màng sinh học lớn trên giá thể [47]. Khả năng lấp đầy màng trên giá thể tính đến hiệu suất xử lý của MBBR là tỷ lệ thuận với diện tích màng sinh học, diện tích màng có thể tăng lên bằng cách thêm giá thể. Tỷ lệ lấp đầy màng trong giá thể được định nghĩa tỷ lệ diện tích bề mặt màng dính bám, được tính toán dựa trên việc đo kích thước, độ dày màng [51]. Phần làm dày màng khoảng 30 – 70% tổng thể tích của bể phản ứng [51]. Tuy nhiên, một số nghiên cứu chỉ ra rằng có những hạn chế đối với sự chuyển động của đệm khi mức độ lấp đầy ở mức 70%. Một số kết quả lại chỉ ra rằng ở mức độ lấp đầy 67% cũng không hiệu quả hơn so với lấp đầy ở 30% [49].

1.2.4.3. Ở trong nước

Vật liệu dùng làm giá thể trong xử lý nước thải bằng quá trình sinh học dính bám khá phong phú, từ đá giăm, đá cuội, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo tấm uốn lượn v.v…Các loại đá thường được chọn có kích thước trung bình 60÷100 mm. Chiều cao lớp đá được chọn khoảng 0,4÷2,5 m. Nếu kích thước hạt nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa vật liệu, gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc bị giảm nhiều dẫn đến hiệu suất xử lý giảm. các thanh gỗ, đặc biệt là loại gỗ đỏ ở Mỹ và các tấ chất dẻo lượn sóng hoặc tấm gấp nếp được sắp xếp thành những khối bó chặt được gọi là modum vật liệu Các modum này được xếp lên giá đỡn, khối lượng toàn bộ của vật liệu giảm đi nhiều và làm cho chiều cao của lớp lọc tăng lên đáng kể.

Một số các nghiên cứu ứng dụng đã lựa chọn các loại đệm lọc để tăng hiệu quả xử lý, kết quả chỉ ra rằng, đối với mỗi loại đệm lọc, màng sinh học phát triển hầu hết ở bề mặt vật liệu. Màng sinh học thường được hình thành một đến vài tuần. Quá trình khởi động hệ thống đối với màng sinh học dính bám thành công và thực hiện quá trình xử lý là 22÷24 ngày [52]. Với mức độ lấp đầy màng khoảng 30÷60%, vật liệu phổ biến là polyethylene hoặc polypropylene.

Năm 1996, tại nhà máy xử lý nước thải KCN Việt Nam – Singapore đã áp dụng hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí với giá thể gắn kết, sử dụng tấm PVC nhám làm giá thể dính bám cho VSV, hiệu quả xử lý BOD đạt trên 70%.

Trịnh Xuân Lai (2000), dựa trên cơ sở sinh trưởng bám dính với vi khuẩn kị khí trên các giá thể mang. Hai quá trình phổ biến của phương pháp này là lọc kị khí và lọc với vật liệu trương nở, được dùng để xử lý nước thải chứa các chất carbon hữu cơ. Quá trình xử lý với sinh trưởng gắn kết cũng được dùng để khử nitratre.

Bể lọc yếm khí do công ty Cấp thoát nước số 2-Hà Nội nghiên cứu đã đưa vào vận hành cho kết quả là cột lọc dùng vật liệu nổi polysprence, đường kính hạt 3÷5 mm, chiều dày 2 m. Nước thải đi vào bể được phân phối đều theo diện tích ở đáy bể. Sau đó dòng nước thải đi ngược lên và tiếp xúc với khối bùn lơ lửng rồi đến khối hạt lọc có vi khuẩn yếm khí bám dính. Chất hữu cơ hòa tan trong nước thải được hấp thụ