Ứng Dụng Phương Pháp Sục Khí Luân Phiên Trong Xử Lý Nước Thải

Quy trình (b) là quy trình có thể tận dụng ngay nguồn cơ chất hữu cơ sẵn có trong nước thải mà không cần bổ sung thêm nguồn cacbon từ bên ngoài. Quy trình này đơn giản, chi phí đầu tư thấp nhưng nhược điểm là hiệu suất khử nitrat phụ thuộc vào tỷ lệ dòng hồi lưu nước sau bể nitrat hoá. Hiệu suất xử lý Nitơ đạt 60 – 70%, tỷ lệ hồi lưu so với dòng vào là từ 1 – 4 lần [20].

Quy trình (c) là quy trình được ứng dụng để xử lý đồng thời N, P trong nước thải. Hiệu suất xử lý tương tự như quy trình (b).

1.3.3. Ứng dụng phương pháp sục khí luân phiên trong xử lý nước thải

Phương pháp sục khí luân phiên (Intermittent Aeration methods) là một dạng công trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính theo mẻ. Thiết bị giống quá trình bùn hoạt tính, tuy nhiên chế độ sục khí không liên tục mà theo chu kỳ, bao gồm các chu trình sục khí (hiếu khí)/ngừng sục khí (thiếu khí) luân phiên nhau. Hệ thống sục khí luân phiên là hệ thống được áp dụng để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ và Nitơ cao mà không cần phải bổ sung cơ chất cho quá trình khử nitrat.

 Ưu điểm:

 Xử lý đồng thời COD, Nitơ, photpho.

 Thay đổi được chế độ làm việc một cách linh động để nâng cao hiệu quả xử lý Nitơ và có thể làm việc liên tục.

 Thiết bị tương đối đơn giản so với các hệ thiết bị hiếu khí – thiếu khí kết hợp.

 Tiết kiệm năng lượng so với phương pháp hiếu khí – thiếu khí truyền thống.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 64 trang tài liệu này.

 Tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu.

 Nhược điểm:

 Công nghệ và thiết bị chưa được nghiên cứu đầy đủ tại Việt Nam.

 Hiệu suất xử lý Nitơ phụ thuộc chế độ vận hành (nước thải khác nhau cần chế độ vận hành tối ưu khác nhau).

Trong nước cũng như trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu phòng thí nghiệm và quy mô pilot về phương pháp sục khí luân phiên ứng dụng trong xử lý nước thải với đặc tính chứa nhiều chất hữu cơ, hợp chất Nitơ và photpho... Cụ thể, tác giả Trần Thị Thu Lan (2013) (Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Trường đại học Khoa học Tự nhiên – ĐH QGHN) [3] đã nghiên cứu xử lý đồng thời các thành phần hữu cơ và Nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng phương pháp sục khí luân phiên. Sau hơn 10 tháng nghiên cứu, vận hành hệ thiết bị thí nghiệm với 3 chế độ sục – ngừng sục luân phiên khác nhau, kết quả cho thấy hiệu suất xử lý COD ở các chu kỳ sục khí luân phiên khác nhau đều đạt khá cao (80 – 88%); hiệu quả xử lý N – NH4+ đạt rất cao và ổn định, xấp xỉ 100% và không bị ảnh hưởng bởi các chế độ khác nhau. Chu kỳ sục – ngừng sục luân phiên cách nhau 3 giờ được xác định là tương đối phù hợp để xử lý T

– N (hiệu suất đạt 72 – 86%).

Nhóm tác giả Koottatep S. và cộng sự (1994) [24] đến từ Chiangmai, Thái Lan đã nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt cho một khu dân cư nhỏ bằng mô hình thí điểm hồ sục khí đặt tại Đại học Chiangmai. Kết quả cho thấy 45% T – N bị loại bỏ với tổng thời gian sục và ngừng sục mỗi chu kỳ là 12 giờ và chế độ sục khí luân phiên không ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý chất hữu cơ.

Nhóm tác giả Kousei Sasaki và cộng sự (1994) [25] từ Kanagawa, Nhật Bản đã nghiên cứu xử lý đồng thời Nitơ và photpho bằng quá trình bùn hoạt tính 2 bể sục khí luân phiên khuấy trộn hoàn toàn và nối tiếp với nhau. Quá trình sục khí, ngừng sục khí kết hợp khuấy trộn được lặp lại định kỳ trong mỗi chu trình làm việc 2 giờ, lưu lượng nước thải đầu vào 225 l/ngày, thời gian lưu nước trong mỗi bể là 16 giờ. Sau 2 tháng vận hành, kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý đạt được khá ổn định, cụ thể đối với TOC là 94,9%, T – N là 89,4% và T – P là 95,5%.

Tác giả Katsuto Inomae và nnk. (1987) [23] đến từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật, Đại học Saga, Nhật Bản đã nghiên cứu quá trình loại bỏ Nitơ trong hệ mương oxy hóa có sục khí luân phiên. Tác giả đã chỉ ra rằng các điều kiện vận hành tối ưu để có thể đạt được hiệu quả loại bỏ Nitơ cao chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa. Mô hình thí nghiệm trong

nghiên cứu được vận hành với chu kỳ 45 phút trong đó tỷ lệ quá trình hiếu khí là 0,42; hiệu quả xử lý Nitơ đạt được lên đến 81% mà không cần bổ sung độ kiềm và nguồn carbon hữu cơ.

1.3.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và Nitơ nói chung bằng các biện pháp sinh học là rất phổ biến trong đại đa số các ngành công nghiệp sản xuất bởi tính khả thi và tính kinh tế cao của các phương pháp này mang lại. Bên cạnh đó, phương pháp xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt là hiệu quả xử lý cao ở thời gian lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học

a. Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các loại chất thải có đặc trưng chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ và Nitơ đã được nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp, hệ thống xử lý một cách rộng rãi và khoa học. Nhìn chung, các nghiên cứu vẫn chủ yếu được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot thí điểm.

Gần đây, bước đầu đã có một số nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi. Nhóm tác giả Ngô Kế Sương và cộng sự (2006) [6] đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên mô hình thử nghiệm 30 m3/ngày – đêm bằng hệ thống bể yếm khí – bể lọc yếm khí – hồ sinh học tại Xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao. Hiệu quả xử lý các thành phần hữu cơ, Nitơ và chất rắn lơ lửng (SS) của hệ thống này khá cao, đạt trên 95%. Tuy nhiên thời gian lưu nước thải của hệ thống lớn (bể yếm khí – 22,4 h; bể lọc yếm khí – 16 h; hồ sinh học 720 m2 (24 m2/1 m3 nước thải), thể tích thiết bị và mặt bằng xây dựng lớn, vì vậy khả năng áp dụng trong thực tế là chưa cao.

Tác giả Trương Thanh Cảnh (2010) đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng bùn ngược [1]. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình tương đối thích hợp cho việc xử lý nước thải chăn nuôi với hiệu quả xử lý vào khoảng 97; 80 và 90% tương ứng với các chỉ tiêu COD; BOD5 và N. Việc kết hợp 3 modul trong một quá trình xử lý (3 quá trình thiếu khí, hiếu khí và lọc sinh học bằng dòng bùn ngược) tạo ra ưu điểm lớn trong

việc nâng cao hiệu quả xử lý, với sự kết hợp này sẽ đơn giản hóa hệ thống, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống.

Về nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn ở Việt Nam, tác giả Lê Công Nhất Phương (2009) (Đề tài luận văn tiến sĩ, Viện Môi trường và Tài nguyên, Trường ĐHQG TP. HCM) đã bước đầu nghiên cứu làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ bùn ở bể UASB của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn và nghiên cứu thử nghiệm xử lý amoni trên mô hình thí nghiệm 10 L/ngày [5]. Kết quả cho thấy thời gian làm giàu nhóm vi khuẩn Anammon từ 4 – 5 tháng, hiệu suất loại bỏ amoni của quá trình nitrit hóa – Anammox kết hợp trên thiết bị phòng thí nghiệm là 80 – 97%. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng việc điều khiển khống chế quá trình nitrit hóa để đạt được tỷ lệ N – NH4+/N – NO3- xấp xỉ 1/1 là rất quan trọng, quyết định đến hiệu suất xử lý tổng của quá trình và tỷ lệ COD/T – N cao sẽ ảnh hưởng không tốt đến hoạt động xử lý Nitơ của vi khuẩn Anammox, do cạnh tranh yếu hơn so với các nhóm vi khuẩn kỵ khí khác. Đây là một phương pháp có nhiều triển vọng trong tương lai, tuy nhiên cần có thêm nhiều nghiên cứu đầy đủ, đặc biệt là về mặt kỹ thuật kiểm soát quá trình và làm chủ công nghệ, đồng thời cần được phát triển để phù hợp với điều kiện trang trại Việt Nam.

Nhóm tác giả Nguyễn Văn Phước và cộng sự Viện Môi trường Tài nguyên, ĐHQG – HCM, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM (2009) đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột mì được lấy tại cơ sở sản xuất quy mô hộ gia đình – Thủ Đức, TP. HCM (Số 5 – Đường số 9 – KP4 – phường Bình Chiểu) trên mô hình thử nghiệm với công nghệ HYBRID (lọc sinh học – aerotank) [4]. Sau 58 ngày vận hành trong đó thời gian thích nghi là 10 ngày, nghiên cứu đã thu được những kết quả khả quan như sau:

 Mô hình HYBRID kết hợp lọc sinh học hiếu khí với Aerotank có khả năng xử lý nước thải tinh bột mì đạt hiệu xuất xử lý cao (đối với COD là 87 – 95% và đối với N – NH3 là 60 – 98%). Tải trọng 1 kg COD/m3/ngày được chọn là tải trọng tối ưu, tương ứng hiệu quả xử lý COD và N – NH3 lần lượt là 95 và 98%.

 Nước sau xử lý mất mùi, trong, pH trung tính. Điều kiện vận hành COD vào 1000 mg/L với thời gian lưu nước thích hợp là 1 ngày.

Nhìn chung kết quả thu được sau quá trình nghiên cứu là rất khả quan, tuy nhiên một số loại mỳ đặc biệt có hàm lượng photpho cao nên trong quá trình xử lý cần áp dụng công nghệ khử P, cùng với đó là cần tiếp tục nghiên cứu trong thời gian dài việc ứng dụng công nghệ lai hợp lọc sinh học và aerotank trên những loại nước thải có tính chất tương tự.

Tác giả Lê Quang Huy và nnk. (2009) đã nghiên cứu ứng dụng quá trình thiếu khí từng mẻ để xử lý oxit Nitơ nồng độ cao trong nước rác cũ [2]. Mô hình thiếu khí sinh học từng mẻ sử dụng trong bài nghiên cứu (Anoxic Sequencing Batch Reactor – ASBR) được áp dụng nhằm xử lý TNOx (các oxit Nitơ gồm nitrit và nitrat) trong nước rỉ rác của bãi rác cũ với nồng độ TNOx vào khoảng 1000 mg/L bằng biện pháp sinh học thiếu khí (anoxic). Hiệu quả khử Nitơ qua cơ chế khử nitrit lại cho hiệu quả cao khi bổ sung đủ nguồn C cho quá trình. Tỷ lệ COD bổ sung/N – NO2 thích hợp là 1,5/1 và tỷ lệ COD khử/NO2 khử là 2,2/1,0 trong đó 30% COD khử là COD sẳn có trong nước thải. Hiệu quả khử nitrit có thể đạt đến 95% với tải trọng Nitơ đạt 0,115 kg N – NO2 khử/g MLSS/ngày. Với kết quả này đem lại hiệu quả khử Nitơ ammonia của cả quá trình xử lý sinh học đạt 80 – 85%.

b. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Quá trình xử lý amoni trong nước bằng vi sinh dựa trên hai quá trình sinh học nối tiếp và rất khác nhau là nitrat hoá và khử nitrat. Bước 1: vi khuẩn nitrat hoá oxy hoá NH4+ thành NO2-, rồi sau đó thành NO3-, phản ứng này được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng (là nhóm vi khuẩn dùng cacbon vô cơ trong nước để tổng hợp tế bào). Bước 2: vi khuẩn khử nitrat khử NO3- (và cả NO2-) thành N2. Nhóm vi khuẩn này phải dùng cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào mới, chúng là nhóm dị dưỡng.

Nhìn chung, các vi khuẩn dị dưỡng – vi khuẩn khử nitrat hoá "khoẻ" hơn các vi khuẩn tự dưỡng. Chính vì vậy, để tăng lượng sinh khối đến mức cần thiết nhằm giảm thời gian phản ứng thì các phương pháp lọc sinh học với vật liệu

mang vi sinh thích hợp có thể thực hiện được điều này và tỏ ra có ưu thế tuyệt đối trong các kỹ thuật sinh học để xử lý amoni.

Những kỹ thuật thường được áp dụng là lọc sinh học ngập nước, lọc cát nhanh, lọc với lớp đệm mở rộng hoặc giả lỏng (fluidized hoặc expanded bed reactor), và lọc với lớp vật liệu lọc là than hoạt tính.

Những thông báo đầu tiên trong lĩnh vực này thuộc về người Anh. Họ sử dụng bể lọc với vật liệu lọc là đá, dày 2m, tốc độ lọc 0,8 – 2,8 m/h để xử lý nước sông Thames với nồng độ amoni 2 – 3 mg/l. Do vật liệu lọc thô, không có hệ sục khí nên sau 1 năm hoạt động hệ chỉ đạt hiệu suất 80%, ngoài ra nhiệt độ thấp và sự thiếu ôxy cũng ảnh hưởng xấu đến hiệu quả xử lý.

Ở Oberding CHLB Đức có một nhà máy giết mổ động vật. Nhà máy này sản xuất tới 380 tấn sản phẩm/tuần với công nghệ tách mỡ theo phương pháp “khô” nên lượng nước thải thấp. Lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý là 1,9

– 2,1m3/h. Quy trình xử lý nước thải: xử lý sơ bộ và xử lý sinh học. Nước thải qua xử lý có pH đầu ra: 7,2 – 7,6; COD: 200 – 300mg/l; N – amoni: 270 – 700 mg/l.

Một số nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của phương pháp SBR cũng đã được thực hiện. Nghiên cứu của Bortone và cộng sự về xử lý nước thải chăn nuôi lợn [16] cho thấy chế độ cấp nước thải 2 lần trong chu kỳ xử lý cho hiệu suất cao hơn chế độ cấp nước thải 1 lần. Hiện nay người ta cũng cải tiến hệ thống SBR bằng cách bổ sung thêm bể hoạt hóa bùn sinh học vào phía trước hệ thống và hồi lưu bùn trở lại nhằm làm tăng hoạt tính của bùn. Phương pháp SBR được coi là một công nghệ xử lý hiệu quả đối với nhiều loại nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Nghiên cứu loại bỏ carbon và Nitơ từ nước thải của một phòng thí nghiệm chế biến sữa công nghiệp do Garrido và cộng sự đăng trên Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Nước tập 43, số 3 năm 2001.

 Các công trình xử lý nước thải có đặc tính giàu chất hữu cơ và Nitơ đã áp dụng trong nước và trên thế giới

c. Trong nước

Hệ thống xử lý nước thải giết mổ Lương Yên bắt đầu hoạt động từ tháng 3 năm 2002, công suất 18 – 20 m3/ngày đêm, công nghệ xử lý bằng các biện pháp hóa – lý kết hợp sinh học (lọc sinh học), hiệu quả xử lý đạt được là tương đối cao (COD 96%, T – N 95%)

Hệ thống xử lý nước thải chế biến hải sản Phước Cơ tại Vũng Tàu được xây dựng và chính thức hoạt động từ tháng 11 năm 2005 nhằm xử lý nước thải từ quá trình chế biến hải sản đông lạnh với công suất 180 m3/ngày. Công nghệ xử lý của hệ thống là chủ yếu là xử lý bằng biện pháp sinh học bao gồm các bể tuyển nổi, bể xử lý hiếu khí, bể lắng…cho nước thải đầu ra đạt loại C TCVN 5945:2005 (nay được thay thế bằng Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc Gia về nước thải Công nghiệp – QCVN 40:2011).

Một loại hình nước thải khác có tính chất giàu chất hữu cơ và Nitơ là nước thải chế biến mủ cao su. Hiện nay trong nước đang có hệ thống xử lý nước thải mủ cao su Xuân Lập được khởi công xây dựng từ năm 2004 với các đơn vị xử lý như bể gạn mủ, bể DAF và hồ hoàn thiện.

Nhà máy xử lý nước rác Nam Sơn sau gần 5 tháng thi công và 3 tháng đưa vào chạy thử đã chính thức đưa vào hoạt động trong năm 2005. Nước thải từ bãi rác qua 15 khâu trước khi đưa ra hệ thống thoát nước chung, các khâu xử lý sinh học có thể kể đến như là hồ kỵ khí, hồ hiếu khí, bể kỵ khí, bể xử lý gián đoạn... Công suất nhà máy đạt từ 500 m3 nước thải/ngày đêm và được điều khiển tự động hoàn toàn.

d. Trên thế giới

Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại thành phố Ebina, tỉnh Kangawa Nhật bản với công suất 12 m3/ngày được xây dựng và đi vào hoạt động từ tháng 3 năm 1969 với công nghệ xử lý sinh học bằng hệ thống mương oxy hóa. Hiệu suất xử lý COD và T – N tương ứng đạt 97 và 95%

Tại Shangdong Trung Quốc, hệ thống xử lý nước thải giết mổ với công nghê MBR đã được xây dựng và hoạt động từ tháng 11 năm 2008. Công suất xử lý của nhà máy lên đến 8000 m3/ngày, nước thải sau khi xử lý đạt đủ tiêu chuẩn có thể tái sử dụng.

Hệ thống xử lý nước thải mủ cao su tại Nhật Bản (tháng 6 năm 1959) với công nghệ xử lý hiếu khí (quá trình bùn hoạt tính) kết hợp xử lý bậc cao (kết tủa hóa học và lọc cát), công suất xử lý đạt trung bình 5500 m3/ngày và lớn nhất là 7800 m3/ngày, hiệu quả xử lý tương ứng đối với COD và T – N là 88 và 70%.