Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NƯỚC THẢI 1.1. Phân loại nước thải và đặc tính của nước thải Để hiểu và lựa chọn công nghệ xừ lý nước thải cần phải phân biệt các loại nước thải khác nhau. Có nhiều cách hiểu về các loại nước thải, trong tài liệu này chúng tôi đưa ra 3 loại nước thải dựa trên mục đích sử dụng và cách xả thải như sau. 1.1.1. Phân loại nước thải a. Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh họat là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rữa, vệ sinh cá nhân,…chúng thường được thải ra từ các các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng khác. Lượng nước thải sinh họat của khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thóat nước. Thành phần của nước thải sinh họat gồm 2 lọai: − Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh; − Nước thải nhiễm bẫn do các chất thải sinh họat : cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà. Nước thải sinh họat chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngòai ra còn có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh họat bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydrat cacbon (40 - 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo; và các chất béo (5 -10%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh họat dao động trong khoảng 150 – 450mg/l. Có khoảng 20 – 40% chất hữu cơ khó phân hủy Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NƯỚC THẢI
1.1. Phân loại nước thải và đặc tính của nước thải
Để hiểu và lựa chọn công nghệ xừ lý nước thải cần phải phân biệt các loại nước
thải khác nhau. Có nhiều cách hiểu về các loại nước thải, trong tài liệu này chúng tôi
đưa ra 3 loại nước thải dựa trên mục đích sử dụng và cách xả thải như sau.
1.1.1. Phân loại nước thải
a. Nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh họat là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh
hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rữa, vệ sinh cá nhân,…chúng thường được thải
ra từ các các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng
khác. Lượng nước thải sinh họat của khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn
cấp nước và đặc điểm của hệ thống thóat nước.
Thành phần của nước thải sinh họat gồm 2 lọai:
− Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh;
− Nước thải nhiễm bẫn do các chất thải sinh họat : cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa
trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà.
Nước thải sinh họat chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngòai ra còn
có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ
chứa trong nước thải sinh họat bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydrat
cacbon (40 - 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo; và các chất béo (5 -10%). Nồng độ
chất hữu cơ trong nước thải sinh họat dao động trong khoảng 150 – 450mg/l. Có
khoảng 20 – 40% chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đông đúc,
điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh họaat không được xử lý thích đáng là một
trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức
sống và các thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước được cấp.
Nước thải sinh hoạt có thành phần với các giá trị điển hình như sau: COD=500
Xác định số lượng Ecoli có trong mẫu thử được biểu diễn bằng chỉ số coli (coli –
index) và chuẩn độ coli (coli – titre).
Chỉ số coli là số lượng tế bào coli có trong 1 đơn vị thể tích hoặc đơn vị khối
lượng.
Chuẩn độ coli là số đơn vị thể tích hoặc đơn vị khối lượng của mẫu thử có một tế
bào E.coli.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 8
Ecoli
Giữa chỉ số coli và chuẩn độ coli có mối quan hệ: 1000/chuẩn độ Coli = chỉ số
Coli. Thí dụ: chuẩn độ coli của mẫu nước 250, có nghĩa là 250 ml nước có 1 tế bào
coli và như vậy chỉ số coli sẽ là: 1000/250 = 4, như vậy 1 lít mẫu nước có 4 trực khuẩn
đường ruột này.
Phương pháp lên men theo Vincent là phương pháp dùng phổ biến ở nước ta để
xác định chuẩn độ coli. Phương pháp dựa trên đặc điểm của E.coli phát triển tốt trên
môi trường dịch dạ dày có axit phenic, ở 420C lên men đường lactozơ và sinh hơi, sinh
indol trên môi trường có pepton.
Cũng có thể xác định E.coli theo cách sau: lấy 0,1ml đã pha loãng 102 – 104 lần (có
khi còn phải pha loãng tiếp theo) cho vào môi trường agaz – eosin – metylen. Giữ ở
370C 10C trong 48 giờ. Sau đó soi trên kính hiển vi, đếm số E.coli trong 100ml mẫu
nước.
Tiêu chuẩn của WHO quy định nước đạt vệ sinh: không quá 10 tế bào coli trong
100ml nước, của Việt Nam 20/100ml nước.
1.2. Sự nhiễm bẩn nguồn nước
Do việc xả các loại chất thải (nước thải công nghiệp, sinh hoạt, bệnh viện, nước
tưới tiêu nông nghiệp: N, P) vào nguồn.
Các loại nguồn tiếp nhận nước thải: Sông, Hồ, Vùng biển
Dấu hiệu nguồn nước bị nhiễm bẩn
- Xuất hiện các chất nổi trên bề mặt và cặn lắng ở đáy,
- Thay đổi tính chất vật lý (độ nhìn thấy, màu sắc, mùi vị,…),
- Thay đổi thành phần hóa học (phản ứng, số lượng chất hữu cơ, chất
khoáng và chất độc hại),
- Lượng ôxy hòa tan giảm xuống,
- Thay đổi hình dạng và số lượng vi trùng gây và truyền bệnh.
1.2.1. Sự ô nhiễm nước sông
Hệ số pha loãng
Nồng độ của chất gây ô nhiễm sau khi trộn nước thải với nước sông
Trong đó:
: nồng độ chất ô nhiễm trong dòng sông tại điểm thải;
: lưu lượng dòng sông;
: nồng độ của chất gây ô nhiễm trong dòng ;
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 9
: lưu lượng của nước thải xả vào sông;
: nồng độ chất ô nhiễm trong dòng nước thải .
Quá trình tự làm sạch: Khả năng của nguồn nước tự giải phóng khỏi những
chất nhiễm bẩn và biến đổi chúng theo quy luật ôxy hóa tự nhiên gọi là khả năng tự
làm sạch của nguồn, và diễn biến đó được gọi là quá trình tự làm sạch.
- Các yếu tố chi phối quá trình tự làm sạch của một dòng sông đối với các chất ô
nhiễm hữu cơ sẽ là:
+ Lưu lượng dòng chảy.
+ Thời gian chảy xuôi.
+ Nhiệt độ nước.
+ Quá trình tái sinh ôxy bằng hấp thụ.
- Một dòng sông bị nhiễm bẩn do các chất hữu cơ được chia thành bốn vùng theo
dòng chảy:
+ Vùng ngay sau điểm thải là vùng phân rã, ở đây nồng độ ôxy hòa tan giảm rất
nhanh do các vi khuẩn đã sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải.
+ Vùng phân hủy mạnh các chất hữu cơ, nồng độ ôxy hòa tan giảm tới mức
thấp nhất. Trong vùng này thường xảy ra quá trình phân hủy kỵ khí bùn ở đáy sông,
phát sinh mùi hôi thối. Đây là môi trường không thuận lợi cho các động vật bậc cao
như cá sinh sống. Ngược lại vi khuẩn và nấm phát triển mạnh nhờ sự phân hủy các
hợp chất hữu cơ làm giảm BOD và tăng hàm lượng amoniac.
+ Vùng tái sinh, tốc độ hấp thụ ôxy lớn hơn tốc độ sử dụng ôxy nên nồng độ
ôxy hòa tan tăng dần, amoniac được các vi sinh vật nitrat hóa. Các loài giáp xác và các
loài cá có khả năng chịu đựng,… tái xuất hiện và tảo phát triển mạnh do hàm lượng
các chất dinh dưỡng vô cơ từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ tăng lên.
+ Vùng nước sạch nồng độ ôxy hòa tan được phục hồi trở lại bằng mức ban
đầu, còn chất hữu cơ hầu như đã bị phân hủy hết. Môi trường ở đây đảm bảo cho sự
sống bình thường của các loài thực vật và động vật.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 10
Hình 1.1. Ảnh hưởng của ô nhiễm do các chất hữu cơ tới chất lượng dòng sông
1.2.2. Sự ô nhiễm nước hồ
Hình 1.2: Sơ đồ hệ sinh thái hồ
- Nguyên nhân: Nước thải đô thị, nước thải sản xuất và nước từ các vùng đất
canh tác dư thừa phân bón đã làm tăng thêm các chất dinh dưỡng (C, N, P), kích thích
sự phát triển của tảo, thực vật trôi nổi và làm giảm chất lượng của nước.
- Hậu quả:
+ Sự phát triển bùng nổ của tảo, thực vật trôi nổi làm cho nước trở nên đục.
+ Tảo dư thừa chết kết thành khối trôi nổi trên mặt nước, khi phân hủy phát
sinh mùi và làm giảm nồng độ ôxy hòa tan trong nước, ảnh hưởng trực tiếp đến các
loại động vật sống dưới nước,…
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 11
CHƯƠNG 2: XỬ LÝ SƠ BỘ VÀ TIỀN ỔN ĐỊNH
2.1. Song chắn rác2.1.1. Vai trò
Song chắn rác dùng để giữ lại các chất thải rắn có kích thước lớn trong nước thải
để đảm bảo cho các thiết bị và công trình xử lý tiếp theo. Kích thước tối thiểu của rác
được giữ lại tùy thuộc vào khoảng cách giữa các thanh kim loại của song chắn rác. Để
tránh ứ đọng rác và gây tổn thất áp lực của dòng chảy người ta phải thường xuyên làm
sạch song chắn rác bằng cách cào rác thủ công hoặc cơ giới. Tốc độ nước chảy (v) qua
các khe hở nằm trong khoảng (0,65m/s v 1m/s). Tùy theo yêu cầu và kích thước
của rác chiều rộng khe hở của các song thay đổi.
2.1.2. Cấu tạo
Song chắn rác với cào rác thủ công chỉ dùng
ở những trạm xử lý nhỏ có lượng rác
<0,1m3/ng.đ. Khi rác tích lũy ở song chắn, mỗi
ngày vài lần người ta dùng cào kim loại để lấy
rác ra và cho vào máng có lổ thoát nước ở đáy
rồi đổ vào các thùng kín để đưa đi xử lý tiếp
tục. Song chắn rác với cào rác cơ giới hoạt động
liên tục, răng cào lọt vào khe hở giữa các thanh
kim loại; cào được gắn vào xích bản lề ở hai
bên song chắn rác có liên hệ với động cơ điện
qua bộ phận truyền động.
Cào rác cơ giới có thể chuyển động từ trên xuống dưới hoặc từ dưới lên theo dòng
nước.
Khi lượng rác được giữ lại lớn hơn 0,1 m3/ng.đ và khi dùng song chắn rác cơ giới
thì phải đặt máy nghiền rác. Rác nghiền đưọc cho vào hầm ủ Biogas hoặc cho về kênh
trước song chắn. Khi lượng rác trên 1T/ng.đ cần phải thêm máy nghiền rác dự phòng.
Việc vận chuyển rác từ song đến máy nghiền phải được cơ giới hóa.
Song chắn rác được đặt ở những kênh trước khi nước vào trạm xử lý. Hai bên
tường kênh phải chừa một khe hở đủ để dễ dàng lắp đặt và thay thế song chắn. Vì song
chắn làm co hẹp tiết diện ướt của dòng chảy nên tại vị trí đặt song chắn tiết diện kênh
phải được mở rộng. Để tránh tạo thành dòng chảy rối kênh phải mở rộng dần dần với
một góc = 20o.
Song chắn rác phải đặt ở tất cả các trạm xử lý không phân biệt phương pháp dẫn
nước tới là tự chảy hay có áp. Nếu trong trạm bơm đó có song chắn rác thì có thể
không đặt song chắn rác ở trạm xử lý nữa.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 12
Hình 2.Hình 2.1: Song chắn rác
Hiện nay ở một số nước trên thế giới người ta còn dùng máy nghiền rác
(communitor) để nghiền rác có kích thước lớn thành rác có kích thước nhỏ và đồng
nhất để dễ dàng cho việc xử lý ở các giai đoạn kế tiếp, máy nghiền rác đã được thiết kế
hoàn chỉnh và thương mại hóa nên trong giáo trình này không đưa ra các chi tiết của
nó. Tuy nhiên nếu lắp đặt máy nghiền rác trước bể lắng cát nên chú ý là cát sẽ làm
mòn các lưỡi dao và sỏi có thể gây kẹt máy. Mức giảm áp của dòng chảy biến thiên từ
vài inches đến 0,9 m.
- Các tiêu chí thiết kế:
+ Phải kiểm soát tốc độ dòng chảy trước song chắn.
+ Khả năng dung nạp của quy trình xử lý.
+ Công suất vận chuyển và lưu giữ của hệ thống xử lý nước thải.
Bảng 2.1. Tiêu chí thiết kế - thủy lực
Hệ số thiết kếLàm sạchthủ công
Làm sạchbằng máy
- Vận tốc qua máng (m/s)- Kích cỡ thanh: + Chiều rộng thanh (mm) + Chiều sâu (mm)- Khoảng cách trống giữa các thanh (mm)- Độ nghiêng so với phương ngang (độ)- Tổn thất áp suất cho phép, mm
0,3 0,6
4 825 5025 7545 60
150
0,6 1,0
8 1050 7510 5075 85
150
Hình 2.2: Cấu tạo và phương pháp lắp đặt song chắn
Tính toán thiết kế song chắn rác:
Số lượng khe hở của song chắn:
Trong đó:
Qmax : lưu lượng tối đa của nước thải, m3/s;
v : tốc độ nước chảy qua song chắn, m/s;
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 13
hmax : chiều cao của nước qua song chắn, m;
l : khoảng cách giữa các khe, m.
K = 1,05: hệ số tính đến hiện tượng thu hẹp dòng chảy.
Chiều rộng song chắn:
Bs = s(n 1) + l.n
Trong đó:
s: chiều dày của các thanh, mm (Chọn s = 8 15 mm);
n – 1: số lượng thanh đan song chắn.
Chiều dài đoạn kênh mở rộng:
Trong đó:
Bs: chiều rộng của song chắn,
Bk: chiều rộng mương dẫn nước tới và ra khỏi song chắn.
Thông thường
khi
Xác định hs (tổn thất áp lực) qua song:
Trong đó:
vmax : tốc độ nước chảy trong mương trước song chắn, m/s (ứng với lưu lượng
lớn nhất)
ξ : hệ số tổn thất cục bộ tại song chắn rác phụ thuộc vào tiết diện các
thanh.
: góc nghiêng song chắn so với mặt phẳng ngang,
: phụ thuộc vào tiết diện ngang và hình dáng thanh.
Hình 2.3 Giá trị ứng với các kiểu tiết diện song chắn khác nhau
Chiều cao xây dựng:
hxd = hmax + 0,5
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 14
2.2. Lưới lọc
2.2.1. Vai trò
Để loại bỏ cặn bẩn và vật thô có kích thước nhỏ hoặc thu hồi các sản phẩm có giá
trị. Thường áp dụng cho các trạm xử lý nước thải công nghiệp. (dệt, giấy, da).
2.2.2. Cấu tạo
Có 2 loại:
- Lưới có kích thước lỗ từ 0,5 – 1 mm.
- Tang trống quay với vận tốc 0,1 – 0,5 m/s.
- Cơ chế: Nước thải được lọc qua trống bằng hai cách: Qua bề mặt trong hay
qua bề mặt ngoài tùy thuộc vào sự bố trí đường dẫn nước thải vào.
Hình 2.4: Cấu tạo lưới lọc dạng tang trống quay
1. Cửa dẫn nước thải vào
2. Cửa dẫn nước thải ra
3. Cửa tháo vật rắn
4. Cửa tháo cạn
5. Thùng quay với lưới lọc
6. Vòi phun nước rửa
7. Máng thu gom nước rửa.
- Tổn thất áp lực qua lưới chắn:
+ Dựa vào catalog của nhà sản xuất.
+ Tính theo công thức thực nghiệm:
Trong đó:
C: hệ số thải (giá trị C điển hình cho lưới lọc sạch bằng 0,60);
Q: lưu lượng nước thải đi qua lưới lọc, m3/s;
A: diện tích ngập chìm hữu ích của lưới lọc, m2;
g: gia tốc trọng trường, g = 9,8 m/s2;
hp: tổn thất áp suất, m.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 15
Các hệ số C, A có thể tra bảng catalog của nhà cung cấp và được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào các thông số thiết kế như kích thước gờ, đường kính lỗ lưới, kết cấu, phần trăm diện tích bề mặt lưới làm việc hữu ích.
- Diện tích hữu ích của lưới lọc được tính theo công thức:
Trong đó:
Fc: tổng diện tích hữu ích;
Qmax: lưu lượng lớn nhất của nước thải;
u: vận tốc của chất lỏng chảy qua khe lưới thường 0,7 m/s.
2.3. Bể lắng cát
2.3.1. Vai trò và phân loại
2.3.1.1. Vai trò
Bể lắng cát nhằm loại bỏ cát, sỏi, đá dăm, các loại xỉ khỏi nước thải. Trong nước
thải, bản thân cát không độc hại nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các
công trình và thiết bị trong hệ thống như ma sát làm mòn các thiết bị cơ khí, lắng cặn
trong các kênh hoặc ống dẫn, làm giảm thể tích hữu dụng của các bể xử lý và tăng tần
số làm sạch các bể này. Vì vậy trong các trạm xử lý nhất thiết phải có bể lắng cát.
2.3.1.2. Phân loại
Bể lắng cát thường được đặt phía sau song chắn rác và trước bể lắng sơ cấp. Đôi
khi người ta đặt bể lắng cát trước song chắn rác, tuy nhiên việc đặt sau song chắn có
lợi cho việc quản lý bể lắng cát hơn. Trong bể lắng cát các thành phần cần loại bỏ lắng
xuống nhờ trọng lượng bản thân của chúng. Ở đây phải tính toán thế nào để cho các
hạt cát và các hạt vô cơ cần giữ lại sẽ lắng xuống còn các chất lơ lửng hữu cơ khác trôi
đi.
Bể lắng cát gồm những loại sau:
Bể lắng cát ngang: Có dòng nước chuyển động thẳng dọc theo chiều dài của
bể. Bể có tiết diện hình chữ nhật, thường có hố thu đặt ở đầu bể.
Bể lắng cát đứng: Dòng nước chảy từ dưới lên trên theo thân bể. Nước được
dẫn theo ống tiếp tuyến với phần dưới hình trụ vào bể. Chế độ dòng chảy khá phức
tạp, nước vừa chuyển động vòng, vừa xoắn theo trục, vừa tịnh tiến đi lên, trong khi đó
các hạt cát dồn về trung tâm và rơi xuống đáy.
Bể lắng cát tiếp tuyến: là loại bể có thiết diện hình tròn, nước thải được dẫn
vào bể theo chiều từ tâm ra thành bể và được thu và máng tập trung rồi dẫn ra ngoài.
Bể lắng cát làm thoáng: Để tránh lượng chất hữu cơ lẫn trong cát và tăng hiệu
quả xử lý, người ta lắp vào bể lắng cát thông thường một dàn thiết bị phun khí. Dàn
này được đặt sát thành bên trong bể tạo thành một dòng xoắn ốc quét đáy bể với một
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 16
vận tốc đủ để tránh hiện tượng lắng các chất hữu cơ, chỉ có cát và các phân tử nặng có
thể lắng.
2.3.2. Bể lắng cát ngang
- Dòng nước thải chảy theo phương nằm ngang qua bể.
- Vận tốc dòng chảy trong bể v = 0,15 – 0,3 m/s.
- Số bể n 2
- Việc cạo cặn có thể tiến hành bằng thủ công hoặc cơ giới tùy thuộc vào quy mô của bể.
Bảng 2.2. Các thông số điển hình thiết kế bể lắng cát loại ngang
Các thông số Khoảng Điển hìnhThời gian lưu, sVận tốc dòng chảy, m/sVận tốc lắng để tách hạt, m/phút- đường kính 0,21 mm- đường kính 0,15 mmTổn thất áp suất
45 – 900,25 – 0,4
1,0 – 1,30,6 – 0,930 – 40
600,3
1,150,7536
Hình 2.5: Cấu tạo bể lắng cát ngang và phân phối nước2.3.3. Bể lắng cát ngang có thổi khí
Dọc theo một tường bể bố trí ống phân phối khí, đặt cách nhau một khoảng 0,2 – 0,8 m.
Bảng 2.3. Các thông số điển hình thiết kế bể lắng cát có sục khí
Các thông số Khoảng Điển hìnhKích thước: - chiều sâu, m - chiều dài, m
2 – 57,5 – 202,5 – 7
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 17
- chiều rộng, mTỷ số chiều rộng/chiều sâuThời gian lưu, phútCấp không khí, m3/m chiều dài phút
1:1 – 5:12 – 5
0,15 – 0,45
1,5 – 13
0,3
Hình 2.6: Cấu tạo bể lắng cát có sục khí
2.3.4. Bể lắng đứng
Bể lắng đứng là bể chứa hình trụ (hoặc tiết diện
vuông ) có đáy chóp. Nước thải được cho vào theo
ống trung tâm. Sau đó nước chảy từ dưới lên trên
vào các rãnh chảy tràn. Như vậy, quá trình lắng cặn
diễn ra trong dòng đi lên, vận tốc nước là 0,5-
0,6m/s. Chiều cao vùng lắng 4-5m.
2.4. Sân phơi cát
Cát sau khi lấy ra khỏi bể lắng thường chứa nhiều nước, nên cần phải phơi khô
chúng trước khi dùng vào các mục đích khác nhau. Để thực hiện điều này người ta
dùng sân phơi cát.
Sân phơi cát là khoảng đất trống được giới hạn bởi các bờ chắn, cao 1 – 2 m. Kích
thước sân phơi xác định từ điều kiện lớp cát chất cao 3 – 5 m/năm.
Diện tích hữu ích của sân phơi cát
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 18
Hình 2.7: Cấu tạo bể lắng đứng
m2
Trong đó:
a: lượng cát tính theo đầu người, chọn a = 0,02l/người ng.đêm
Ntt: dân số tính toán
h: chiều cao lớp cát, m/năm.
2.5. Tiền ổn định
2.5.1. Các loại bể tiền ổn định
Chủ yếu áp dụng cho các quá trình sinh học:
- Ổn định hóa lưu lượng, pH, nhiệt độ. Áp dụng cho các quá trình xử lý sinh học
và hóa lý.
- Các nguồn sinh khối, cấp các chủng vi khuẩn. Áp dụng trong xử lý sinh học, ví
dụ: Ngành dệt.
- Các nguồn dinh dưỡng, cần phải thêm dinh dưỡng (Ví dụ: N,P) nếu cần đủ cho vi
sinh vật sinh sống. Áp dụng trong xử lý sinh học, ví dụ: Ngành giấy và bột giấy.
Thông thường, lưu lượng, nhiệt độ, hàm lượng các chất ô nhiễm v.v... trong dòng
thải thay đổi theo thời gian. Sự tăng giảm của các đại lượng trên gây khó khăn cho sự
hoạt động của hệ thống xử lý và ảnh hưởng tới việc thải vào nguồn tiếp nhận. Yêu cầu
đặt ra trong thiết kế là phải thực hiện theo giá trị lớn nhất về lưu lượng của dòng thải.
Trong các quá trình xử lý, nếu lưu lượng dòng vào tăng đột ngột với biên độ lớn sẽ
làm cho quá trình xử lý bị quá tải như trường hợp láng,lọc,... hay mất tác dụng như
trường hợp phải xử lý hoá học hay sinh học. Vai trò của bể điều hoà nhằm hạn chế các
dao động trên.Trong những trường hợp đơn giản, có thể kết hợp nhiệm vụ xử lý sơ bộ
và điều hòa dòng thải trong cùng một thiết bị.
2.5.2. Bể điều hòa
2.5.2.1. Ảnh hưởng của sự biến đổi lưu lượng và nồng độ
Lưu lượng, thành phần tính chất nước thải của các xí nghiệp công nghiệp tùy
thuộc vào dây chuyền sản xuất, loại nguyên liệu sử dụng và thành phẩm, thường
không đều theo các giờ trong ngày đêm. Sự dao động lưu lượng, nồng độ nước thải sẽ
dẫn đến những hậu quả tai hại về chế độ công tác của mạng lưới và các công trình xử
lý, đồng thời gây tốn kém nhiều về xây dựng và quản lý. Khi lưu lượng dao động thì rõ
ràng phải xây dựng mạng lưới bên ngoài với tiết diện ống hoặc kênh lớn hơn vì phải
ứng với lưu lượng giờ lớn nhất. Ngoài ra điều kiện công tác về mặt thủy lực sẽ kém đi.
Nếu lưu lượng nước thải chảy đến trạm bơm thay đổi thì dung tích bể chứa, công suất
trạm bơm, tiết diện ống đẩy cũng phải lớn hơn.
Khi lưu lượng, nồng độ nước thải thay đổi thì kích thước các công trình (các bể
lắng, bể trung hòa và các công trình xử lý sinh học) cũng phải lớn hơn, chế độ làm việc
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 19
của chúng mất ổn định. Chẳng hạn bể lắng tính với lưu lượng trung bình giờ thì sẽ làm
việc kém khi lưu lượng lớn hơn, ngược lại nếu tính theo lưu lượng giờ lớn nhất thì giá
thành công trình sẽ đắt hơn. Nếu nồng độ các chất bẩn trong nước thải chảy vào các
công trình xử lý sinh học đột ngột tăng lên nhất là các chất độc hại đối với vi sinh vật
thì sẽ làm cho công trình hoàn toàn mất tác dụng.
Các công trình xử lý bằng phương pháp hóa học sẽ làm việc rất kém khi lưu
lượng, nồng độ thay đổi hoặc muốn làm việc tốt thì thường xuyên phải thay đổi nồng
độ hóa chất cho vào. Điều này đặc biệt khó khăn khi điều kiện tự động hóa chưa cho
phép. Kết quả sau khi ra khỏi công trình xử lý nước thải hoặc chưa được làm sạch
hoàn toàn hoặc là còn chứa một lượng hóa chất dư nào đó.
Vì vậy để mạng lưới thoát nước và các công trình xử lý nước thải làm việc bình
thường với hiệu suất cao và kinh tế phải xây dựng các bể điều hòa lưu lượng và nồng
độ nước thải.
2.5.2.2. Phân loại và vị trí các bể điều hòa
Theo chức năng người ta phân biệt: các bể điều hòa lưu lượng, các bể điều hòa
nồng độ hoặc đồng thời điều hòa lưu lượng, nồng độ nước thải. Bể điều hòa lưu lượng
nên đặt gần nơi tạo ra nước thải, bể điều hòa nồng độ (với lưu lượng ít hoặc không
thay đổi) có thể đặt trong phạm vi trạm xử lý. Khi đó trong dây chuyền sơ đồ dây
chuyền công nghệ trạm xử lý, bể điều hòa có thể đặt sau bể lắng nếu nước thải chứa
một lượng lớn các tạp chất không tan vô cơ, có độ lớn thủy lực từ 4 – 5 mm/s trở lên,
kích thước các hạt d 0,2 mm hoặc đặt ở trước bể lắng nếu nước thải chứa chủ yếu là
các chất bẩn không tan hữu cơ. Nếu trong sơ đồ trạm xử lý có bể trộn (với hóa chất)
thì nên đặt bể điều hòa trước bể trộn.
Theo chế độ hoạt động người ta phân biệt: bể điều hòa hoạt động gián đoạn theo
chu kỳ, bể điều hòa hoạt động liên tục. Bể điều hòa hoạt động gián đoạn theo chu kỳ là
những bể chứa (phải có ít nhất hai bể) trong đó một bể tích lũy nước còn bể kia xả
nước đi và ngược lại.
Theo nguyên tắc chuyển động của nước, các bể điều hòa hoạt động liên tục lại
được chia ra: bể điều hòa làm việc theo nguyên tắc đẩy (chế độ chảy tầng) và bể điều
hòa hoạt động theo nguyên tắc xáo trộn (chế độ chảy rối).
Các bể làm việc theo nguyên tắc xáo trộn lại được chia ra: xáo trộn cưỡng bức
(bằng máy hướng trục, máy cánh quạt, bằng khí nén hoặc bằng bơm ly tâm) và bể xáo
trộn tự nhiên nhờ gió thổi hoặc nhờ khuếch tán do sự khác nhau về nhiệt độ, tỷ trọng,
nồng độ của các loại nước chảy tới.
2.5.2.3. Yêu cầu vị trí đặt bể điều hoà
Tuỳ thuộc vào hệ thống sản xuất của cơ sở sản xuất và phương án xử lý chất thải
mà lựa chọn vị trí đặt bể điều hoà thích hợp. Thông thường, các bể điều hoà lưu lượng
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 20
được bố trí ở tại các nguồn tạo ra nước thải, còn với bể điều hoà nồng độ (khi lưu
lượng ít hoặc không thay đổi) được bố trí ở trong khu vực trạm xử lý. Khi đó, trong sơ
đồ dây chuyền công nghệ của trạm xử lý, bể điều hoà được bố trí phía sau bể lắng thô,
nếu nước thải có chứa một lượng lớn các tạp chất vô cơ không tan với kích thước lớn.
Bể điều hoà cũng có thể đặt trước bể láng đó, nếu nước thải chứa chủ yếu là các chất
hữu cơ không tan. Trường hợp trong quy trình xử lý có bể trung hòa thì bể điều hòa
giúp quá trình phản ứng được tiến hành thuận lợi.
Trong một số trường hợp, bể điều hoà được bố trí đặt ở vị trí phía sau bể xử lý sơ
cấp và trước bể xử lý sinh học. Điều này sẽ làm giảm được lượng bùn và bọt ở trong
bể điều hòa. Nếu là một bể điều hoà lưu lượng dòng thì cần phải bố trí nó ở trước cả bể
lắng sơ cấp và bể xử lý sinh học và phải thiết kế hệ thống khuấy trộn mạnh để ngăn
cản sự lắng của huyền phù, cũng như làm giảm bớt sự chênh lệch nồng độ và đôi khi ở
đây còn bố trí cả bộ phận sục khí để làm giảm sự bốc mùi khó chịu trong các thiết bị
xử lý tiếp theo.
2.5.2.4. Nguyên lý cấu tạo và làm việc của bể điều hoà
Có một số loại bể điều hòa như sau:
a. Bể điều hoà có tường ngăn: Loại hình chữ nhật, các tường ngăn có thể bố trí
theo chiều dọc hoặc theo chiều ngang. Dòng chảy khi đi qua bể phải giữ ở chế độ
xoáy.
b. Bể điều hoà hình tròn: Dẫn nước vào theo đường chuyển tiếp: Nước thải được
dẫn vào theo đường tiếp tuyến với chu vi ở vị trí đáy bể và được dẫn ra theo đường
ống trung tâm nằm ở vị trí phía trên của bể.
c. Bể điều hoà có cánh khuấy cơ khí: Loại này rất phổ biến, có thể dùng máy
khuấy loại mái chèo, loại chân vịt hoặc tuốc bin. Sự lựa chọn loại máy khuấy và tốc độ
khuấy tuỳ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng. Với các bể lớn thường ta bố trí làm nhiều
cánh khuấy và cố gắng giảm thấp không gian chết trong bể để chống hiện tượng lắng
đọng.
d. Bể điều hoà có sục khí: Loại này thường dùng cho chất lỏng có độ nhớt thấp.
Không khí nén được dẫn vào hệ thống ống có đục lỗ, đặt ở đáy bể điều hoà. Không khí
nén qua lỗ tạo thành các bong bóng làm khuấy đảo lớp nước phía trên (lỗ thường được
đục ở mặt dưới của ống để tránh tắc). Tuỳ theo cách đục lỗ là một hàng dọc hoặc hai
hàng dọc, tuỳ theo chiều dài ống sẽ tạo được 1 dòng hoặc 2 dòng tuần hoàn theo mặt
cắt ngang của bể.
2.5.2.5. Điều hòa lưu lượng
Điều hòa lưu lượng được sử dụng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi,
khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng
cao hiệu suất của quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Các kỹ thuật điều hòa được ứng
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 21
dụng cho từng trường hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống thu gom nước thải. Các
phương án bố trí bể điều hòa lưu lượng có thể là điều hòa trên dòng thải hay ngoài
dòng thải xử lý.
Phương án điều hòa trên dòng thải có thể làm giảm đáng kể dao động thành phần
nước thải đi vào các công đoạn phía sau, con phương án điều hòa ngoài dòng thải chỉ
giảm được một phần nhỏ sự dao động đó.
Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hòa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử
lý. Vì tính tối ưu của nó phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom và
đặc tính của nước thải.
Để xác định thể tích cần thiết của bể điều hòa có thể sử dụng phương pháp đồ thị
trên cơ sở thực nghiệm về quan hệ giữa thể tích tích lũy của lưu lượng nước thải ở
dòng vào theo thời gian. Hình 2.8 minh họa bằng đồ thị hai trường hợp điển hình. Để
xác định thể tích cần thiết, vẽ đường tiếp tuyến với đường cong thể tích dòng vào song
song với đường lưu lượng trung bình hàng ngày của điểm xuất phát từ gốc tọa độ. Thể
tích cần thiết khi đó sẽ bằng khoảng cách theo chiều đường thẳng đứng từ tiếp điểm
đến đường thẳng biểu diễn lưu lượng trung bình hàng ngày (trường hợp a) hoặc bằng
khoảng cách giữa hai tiếp điểm theo chiều thẳng đứng song song với trục tung (trường
hợp b).
Bể điều hòa được thiết kế với chiều sâu từ 1,5 – 2 m. Thể tích của bể điều hòa có
thể tính theo công thức sau:
Trong đó:
Q: lưu lượng nước thải, m3/h;
kn: hệ số dập tắt dao động;
: thời gian thải đột biến, h;
Cmax, Ctb, Ccf: giá trị cực đại, trung bình, cho phép nồng độ các chất gây ô nhiễm, g/m3.
Khi kn 5, thể tích bể điều hòa được tính theo công thức sau:
Vdh = kn.Q.
Thể tích bể điều hòa dùng để dập tắt sự dao động có chu kỳ của thành phần các chất ô nhiễm sẽ được tính theo công thức sau:
Vdkc = 0,16,kn.Q.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 22
Hình 2.8: Sơ đồ xác định thể tích cần thiết của bể điều hòa
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 23
CHƯƠNG 3: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ
HỌC
3.1. Lắng nước thải
Trong xử lý nước thải, quá trình lắng được sử dụng để loại các tạp chất ở dạng
huyền phù thô ra khỏi nước. Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực.
3.1.1. Phân loại bể lắng
- Căn cứ theo chế độ làm việc phân biệt bể lắng hoạt động liên tục và bể lắng hoạt
động gián đoạn.
+ Bể lắng hoạt động gián đoạn thực chất là một bể chứa mà ta cứ việc xả nước
thải vào đó và cho đứng yên trong một khoảng thời gian nhất định. Nước đã được lắng
tháo ra và cho lượng nước mới vào. Bể lắng kiểu này áp dụng trong trường hợp lượng
nước thải ít và chế độ thải không đồng đều, ví dụ nước thải từ xí nghiệp giặt là...
+ Bể lắng hoạt động liên tục: nước thải cho qua bể liên tục.
- Căn cứ theo chiều nước chảy trong bể người ta phân biệt bể lắng ngang, bể lắng
đứng và bể lắng ly tâm.
+ Bể lắng ngang: nước chảy theo phương ngang từ đầu bể đến cuối bể.
+ Bể lắng đứng: nước chảy từ dưới lên theo phương thẳng đứng.
+ Bể lắng rađian: nước chảy từ trung tâm ra quanh thành bể hoặc có thể ngược
lại. Trong trường hợp thứ nhất gọi là bể lắng ly tâm, trong trường hợp thứ hai gọi là bể
lắng hướng tâm.
Ngoài ra còn có loại bể lắng trong đó quá trình lắng nước được lọc qua tầng cặn lơ
lửng gọi là bể lắng trong.
- Phân loại bể lắng theo chức năng
+ Bể lắng cát.
+ Bể lắng cấp 1: có nhiệm vụ tách các chất rắn hữu cơ (60%) và các chất rắn
khác.
+ Bể lắng cấp 2: có nhiệm vụ tách bùn sinh học ra khỏi nước thải.
+ Bể lắng cấp 3: có nhiệm vụ tách sinh khối của quá trình khử N và P.
3.1.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình lắng nước thải
- Trong thể tích nước tĩnh, dưới tác dụng của trọng lực các hạt cặn rơi theo phương
thẳng đứng xuống dưới.
- Tốc độ rơi của hạt phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, tỷ trọng của hạt, đồng
phụ thuộc vào lực cản của nước tác dụng vào hạt rơi.
- Quy luật chuyển động của hạt cặn trong nước khi lắng tự do theo trọng lực và
không có vận tốc ban đầu, ta xét hạt rắn hình cầu, không thay đổi hình dạng và kích
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 24
thước trong quá trình lắng và không bị dính kết với các hạt cặn khác (cặn thiên nhiên
không đánh phèn).
- Tại thời điểm bất kỳ t, hạt chuyển động với vận tốc u mm/s.
- Các lực tác lên hạt đang chuyển động theo phương thẳng đứng gồm:
+ Lực quán tính:
(1)
+ Lực trọng trường:
(2)
+ Lực cản của môi trường: dưới dạng tổng quát, lực cản khi hạt chuyển
động trong chất lỏng được biểu diễn bằng biểu thức:
(3)
Theo định luật Newton, ta viết phương trình cân bằng lực theo phương thẳng
đứng:
(4)
Trong đó:
: khối lượng riêng của hạt rắn;
: khối lượng riêng của chất lỏng;
d: đường kính của hạt hình cầu;
: hệ số sức cản phụ thuộc vào số Raynold: ;
: độ nhớt của nước;
g: gia tốc trọng trường.
Nhận xét: Với hạt cặn có kích thước không đổi thì tốc độ rơi của hạt sẽ biến
thiên theo thời gian tính từ thời điểm hạt bắt đầu rơi, tuy nhiên tới một thời điểm đạt
trạng thái cân bằng (xảy ra trong thời gian 0,2 – 0,5 phút). Sau đó hạt sẽ tiếp tục
lắng xuống với vận tốc không đổi u = const dưới tác dụng của lực quán tính I.
Ta chỉ nghiên cứu và xem xét sự rơi của hạt ở giai đoạn tốc độ không đổi
phương trình (4) được viết lại:
Từ đó
(5)
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 25
Hệ số sức cản = f(Re)
- Re < 2: Quá trình lắng xảy ra ở trạng thái chảy tầng. (Re là chế độ thủy động
lực của dòng chảy được đánh giá bằng chuẩn số Reynold, ).
- Thay vào (3) ta được:
Lực cản tỷ lệ bậc nhất với vận tốc của các hạt: Fc = f( , u, d)
Thay vào (5) ta được:
2 < Re < 500 (chế độ quá độ) độ nhớt không còn ảnh hưởng đến chuyển động
của hạt. Hệ số cản không còn phụ thuộc và Raynold.
3.1.3. Quá trình lắng trong bể lắng ngang
So với bể lắng đứng, hệ quả lắng với dòng nước chuyển động theo phương nằm
ngang đạt hiệu quả cao hơn. Ở đây một phần các hạt cặn có tốc độ lắng nhỏ hơn giá trị
cũng được giữ lại. Để tìm ra quy luật chuyển động của hạt cặn, ta hãy xét
trường hợp bể lắng ngang với những điều kiện tối ưu nhất:
- Dòng nước chuyển động theo phương nằm ngang ở trong chế độ chảy tầng, tốc
độ dòng chảy tại mọi điểm trong bể đều bằng nhau. Thời gian lưu lại của mọi phần tử
nước đi qua bể đều bằng nhau và bằng dung tích bể chia cho lưu lượng dòng chảy.
- Trên mặt cắt ngang vuông góc với chiều dòng chảy ở đầu bể, nồng độ các hạt cặn
có cùng kích thước tại mọi điểm đều bằng nhau.
- Hạt cặn ngừng chuyển động khi chạm đáy bể.
Để thõa mãn các điều kiện trên, trong bể lắng ngang có 4 vùng phân biệt: vùng
phân phối đảm bảo đưa nước vào và phân phối đều nước, cặn trên trên toàn bộ mặt cắt
ngang đầu bể, vùng lắng, vùng chứa cặn, vùng thu nước.
Xét chuyển động của hạt cặn tự do trong bể lắng ngang, ngoài lực rơi tự do hạt cặn
còn chịu lực đẩy theo phương nằm ngang của dòng chảy. Quỹ đạo của các hạt cặn tự
do là vectơ tổng hợp của hai lực nói trên. Nếu gọi các kích thước cơ bản của vùng lắng
bằng ký hiệu, chiều sâu H, chiều rộng B và chiều dài L. Giá trị các lực cơ bản được
biểu thị bằng:
;
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 26
;
.
Trong đó:
vo: tốc độ chuyển động của dòng nước, m/s;
Q: lưu lượng dòng nước qua vùng lắng, m3/s;
F: diện tích bề mặt vùng lắng, m2.
Các công thức trên cho thấy tốc độ lắng cặn (hay hiệu quả lắng) chỉ phụ thuộc vào
diện tích bề mặt bể, hoàn toàn không phụ thuộc các yếu tố khác như chiều sâu hoặc
thời gian nước lưu lại.
Hình 3.1: Sơ đồ quỹ đạo chuyển động của các hạt cặn tự do trong bể lắng ngang
Theo sơ đồ trên, hiệu quả lắng bằng tổng số cặn có tốc độ lắng hoặc bằng tốc độ
uo, và một phần cặn có tốc độ lắng nhỏ hơn uo. Hiệu quả lắng các hạt cặn có tốc độ
lắng nhỏ có thể xác định theo tương quan.
.
h: xuất phát điểm của các hạt cặn có tốc độ lắng nhỏ.
3.1.4. Lắng cặn keo tụ trong bể lắng đứng
Trong bể lắng đứng, nước chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên,
ngược chiều với hướng rơi của các hạt cặn lắng. Nếu gọi tốc độ của dòng nước đi lên
là (hình 3.3) thì chỉ có các hạt cặn có tốc độ lắng u > uo mới lắng được xuống
đáy bể, còn các hạt có thì lơ lửng và bị dòng nước cuốn ra ngoài. Khi lắng các
hạt cặn không có khả năng keo tụ, hiệu quả lắng có trị số đúng bằng tỷ lệ tính theo
phần trăm của trọng lực các hạt lớn u > uo trên tổng số trọng lực các loại hạt cặn có
trong nước, hiệu quả lắng thấp, vì thế không dùng bể lắng đứng để lắng các hạt cặn tự
do không có khả năng keo tụ.
Trong trường hợp lắng các hạt cặn keo tụ. Hiệu quả lắng đạt cao hơn, ban đầu các
hạt có tốc độ lắng nhỏ hơn tốc độ dòng nước (u < uo) sẽ bị đẩy dần đi lên, các hạt cặn
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 27
L
H
h U < U0
U > U0
U < U0
U0
V
va chạm và dính kết với nhau, tăng dần kích thước, cho đến khi có tốc độ lắng lớn hơn
tốc độ dòng nước đi lên thì rơi xuống đáy bể.
Vì vậy khi lắng các hạt cặn keo tụ trong bể lắng đứng, hiệu quả lắng không chỉ
phụ thuộc vào diện tích bề mặt bể Q/F mà còn phụ thuộc vào chiều cao lắng H và thời
gian lưu nước trong bể T.
Hình 3.2: Sơ đồ lắng đứng các hạt cặn keo tụ
Bể lắng đứng: bể lắng đứng thường được xây dựng kết hợp với ngăn phản ứng tạo
bông cặn đặt ở giữa. Bể có cấu tạo gồm bốn vùng: vùng phân phối nước vào, vùng
lắng, vùng thu nước ra, vùng chứa cặn (hình 3.4).
Hình 3.3. Sơ đồ cấu tạo bể lắng đứng
1. Bể phản ứng tạo bông cặn và vùng phân phối nước vào
2. Vùng lắng
3. Vùng thu nước ra
4. Vùng thu cặn.
Tính toán bể lắng đứng
- Diện tích bề mặt bể lắng đứng xác định theo công thức:
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 28
u > u0
u < u0
Q/F = u0
Nước thải vào
Nước trong ra
Xả bùn
1
4
3
2
,
Trong đó:
Q: lưu lượng nước vào bể lắng, m3/s;
uo: tốc độ lắng của hạt cặn, m/s, uo tra theo biểu đồ đường cong lắng theo
hiệu quả lắng R% mong muốn. Khi không có số liệu có thể chọn uo từ 0,0022
đến 0,0007 m/s;
: hệ số dự phòng kể đến việc phân phối nước không đều trên toàn bộ
mặt cắt ngang của bể. Giá trị của hệ số phụ thuộc vào tỷ số giữa đường kính
và chiều cao vùng lắng.
D/H 1 1,5 2 2,5
1,3 1,5 1,75 2
- Bề mặt bể lắng đứng có thể là hình tròn hoặc hình vuông, thời gian lưu nước
trong bể từ 2 – 3 giờ.
- Chiều cao lắng chọn phụ thuộc vào sơ đồ cao trình thủy lực của các công trình
trong dây chuyền xử lý, thường từ 3 – 5 m.
Nếu bể xây dựng kết hợp với ngăn phản ứng đặt ở giữa, đường kính bể tính theo
công thức.
- Đường kính bể:
, m
Trong đó:
Fo: diện tích vùng lắng, m2;
f: diện tích bề mặt ngăn phản ứng, m2.
Phần đáy bể phản ứng cấu tạo dạng hình côn nếu bể là hình tròn và dạng hình
chóp nếu bể là hình vuông. Góc của tường nghiêng phần hình chóp so với phương nằm
ngang chọn 60o, để có thể xả cặn bằng thủy lực.
- Máng thu nước đặt theo chu vi bể và các máng hình nan quạt tải trọng thu nước
từ 1,5 – 3 l/s.m dài theo mép máng.
- Xả cặn bằng độ chênh áp lực thủy tĩnh giữa mực nước trong bể và mực nước ở
miệng xả của ống tháo cặn ra ngoài. Đường kính ống tháo cặn tính theo lưu lượng xả:
q = W/T.
T: thời gian xả cặn thường chọn 3 – 5 phút, vận tốc xả tính theo chênh lệch mực
nước . Ống xả cặn không được nhỏ hơn 100 mm.
- Thời gian giữa hai lần xả cặn tính theo công thức:
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 29
h
Trong đó:
W: thể tích vùng chứa cặn, m3 theo cấu tạo bể;
: nồng độ cặn chọn theo bảng;
Q: lưu lượng nước vào bể, m3/h;
Mo: nồng độ cặn trong nước đi vào bể, g/m3;
M: hàm lượng cặn trong nước khi ra khỏi bể lấy 8 – 10 g/m3.
Do khó khăn trong việc phân phối đều nước theo mặt cắt ngang của bể nên bể lắng
đứng chỉ áp dụng cho các trạm xử lý có công suất nhỏ hơn hoặc bằng 2000 m3/ng.đ.
3.2. Tuyển nổi
3.2.1. Khái niệm
Tuyển nổi là một quá trình tách các hạt cặn trong pha lỏng khi khối lượng riêng
của các hạt này nhỏ hơn khối lượng riêng của nước.
Bản chất của quá trình tuyển nổi: Thực chất của quá trình tuyển nổi là sự dính
kết của chất bẩn với bề mặt phân chia khí và nước. Sự dính kết diễn ra được là do có
năng lượng tự do trên bề mặt phân chia đó, và nhờ hiện tượng bề mặt đặc biệt gọi là
hiện tượng thấm ướt. Hiện tượng này xuất hiện ở những nơi tiếp xúc giữa ba pha (lỏng
- khí - rắn), tức xuất hiện theo chu vi tẩm ướt.
3.2.2. Cơ sở hóa lý của quá trình tuyển nổi
Hiện tượng tẩm ướt
Trong nước các phần tử chất bẩn chỉ dính bám vào bề mặt bọt khí khi chúng
không hoặc kém bị thấm ướt đối với nước. Khả năng thấm ướt một số chất lỏng nói
chung tùy thuộc vào độ phân cực của nó. Độ phân cực của chất lỏng càng cao thì nó
càng khó thấm ướt đối với vật rắn. Nước có thể thấm ướt tất cả các vật trừ một số mỡ
hữu cơ.
Khả năng thấm ướt của chất lỏng được đánh giá bằng giá trị của sức căng bề
mặt của nó tại biên giới phân chia khí - lỏng, đồng thời bằng sự phân cực ở biên giới
lỏng - rắn. Sức căng bề mặt của chất lỏng và hiệu phân cực càng nhỏ thì vật rắn càng
dễ bị thấm ướt.
Hình 3.4: Những trường hợp tẩm ướt: R - rắn; K – khí; L - lỏng.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 30
R
K
L
R
L
K
K
KLR
K
R
K
L
Mức độ thấm ướt chất lỏng đối với vật rắn (khi thấm ướt không hoàn toàn) được
biểu thị bằng đại lượng gọi là góc thấm ướt biên tính từ pha lỏng (hình 3.5).
Góc này được đo bằng giọt nước rỏ trên bề mặt vật rắn khô hoặc bằng bọt không
khí dính vào bề mặt khí dính vào bề mặt vật rắn dưới giọt nước.
Khi chất bẩn dính vào bọt khí thì năng lượng bề mặt tự do sẽ thay đổi theo phương
trình:
,
- : năng lượng bề mặt ở biên giới phân chia nước và không khí.
- Đại lượng = F gọi là độ tuyển nổi.
+ Đối với những hạt ưa nước thì , thì F=0.
+ Đối với những hạt kỵ nước , thì F đạt giá trị tối đa:
.
Sự tương tác các hạt rắn với nước, giữa hạt với oxy hòa tan trong nước sẽ ảnh
hưởng tới độ thấm ướt (tức là tới sự dính kết của bọt khí với hạt rắn). Sự tương tác với
oxy có thể làm tăng độ thấm ướt do tạo thành lớp oxit, còn sự tương tác lưỡng cực của
nước sẽ tạo ra một màng hiđrat hóa (dày tới 0,1 ), nên sẽ làm tăng độ thấm ướt
ngăn cản sự dính bám của bọt khí.
Có thể tạo thành các màng hiđrat khi năng lượng liên kết giữa các cực của nước
với nhau nhỏ hơn năng lượng liên kết giữa các cực của nước với bề mặt hạt rắn. Các
màng hiđrat rất mỏng (0 – 400 A0) thì không cản trở sự dính kết của bọt khí.
Như vậy sự tẩm ướt là do tính chất của chất lỏng quyết định và phụ thuộc vào tính
chất của chất rắn.
Đối với nước, chất rắn có thể chia thành các chất kỵ nước, ưa nước hay ở vị trí
trung gian.
Những chất kỵ nước là những chất có cấu tạo phân tử theo kiểu không phân cực và
do đó không có khả năng hiđrat hóa. Chúng có độ thấm ướt nhỏ nhất và do đó dễ
tuyển nổi nhất. Hạt càng khó hiđrat hóa thì màng hiđrat càng dễ vỡ ra khi hạt đến gần
bọt không khí, và do đó dễ dính vào bọt khí (vì ở trạng thái đó năng lượng tự do của
hạt đạt giá trị nhỏ nhất). Những chất ưa nước cấu tạo theo kiểu phân cực thì rất dễ
hiđrat hóa trong nước nên rất dễ bị thấm ướt và không thể tuyển nổi được.
Những chất cấu tạo phân tử kiểu dị cực (một đầu phân cực, một đầu không phân
cực) thì phía nhóm phân cực sẽ có khả năng bị hiđrat hóa, còn phía các nhóm
hiđrocacbon sẽ kỵ nước và có thể dính vào các bọt khí. Những chất như vậy đóng vai
trò quan trọng trong việc tuyển nổi.
Đối với các hạt ưa nước, để có thể tuyển nổi được người ta tạo cho chúng tính kỵ
nước. Muốn vậy người ta cho vào nước chất tập hợp tức là chất hoạt tính bề mặt với
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 31
các phân tử phân cực và không phân cực. Những chất này sẽ hấp phụ trên bề mặt của
hạt kỵ nước. Các nhóm hiđrocacbon kỵ nước sẽ quay ra phía môi trường xung quanh
tạo thành lớp hấp phụ và do đó làm hạt trở thành kỵ nước, tạo điều kiện tốt cho quá
trình tuyển nổi.
Trong thực tế tuyển nổi, các chất tập hợp phổ biến nhất được phân ra theo cấu tạo
của các nhóm ưa nước của chúng:
- Dầu mỡ và hỗn hợp các sản phẩm chế biến từ dầu, than đá, gỗ (dầu lửa
keroxin, dầu mazut, nhựa,...);
- Axit với các gốc hiđrocacbon (axit béo và muối của chúng natri olenat, axit
Nếu sắt ở dạng các hợp chất hữu cơ hoặc keo thì ta ứng dụng phương pháp ozon
hoá.
4.1.6.5. Xử lý các hợp chất mangan
Các hợp chất mangan chứa trong nước thải nhà máy luyện kim, chế tạo máy và
hoá chất. Khi nồng độ mangan lớn hơn 0,05 mg/l nước có màu tối. Loại mangan ra
khỏi nước có thể ứng dụng các phương pháp sau:
− Xử lý bằng permanganat kali.
− Sục khí với sự vôi hoá.
− Lọc nước qua cát mangan hoặc cation mangan.
− Ozon hoá, clo hoá hoặc oxy hoá bằng dioxit clo.
Khi xử lý bằng permanganat kali sẽ hình thành dioxit mangan:
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 47
3 Mn2+ + 2 MnO4- + 2 H2O → 5 MnO2 ↓ + 2 H2 ↑
Khi pH= 9,5 mangan được loại hoàn toàn, còn khi pH< 7,5 nó gần như không bị
oxy hoá bởi oxy không khí. Để kết thúc quá trình oxy hoá sau khi sục khí cho thêm
vào nước Ca(OH)2 hoặc sođa để tăng pH.
Mn(II) có thể loại ra khỏi nước nhờ oxy hoá bởi clo, ozon hoặc dioxit clo. Tiêu
hao clo cho oxy hoá 1 mg Mn là 1,3 mg, tiêu hao ClO2 là 1,35 mg và O3 là 1,45 mg.
Tuy nhiên để sử dụng các chất khử này cần xây dựng các thiết bị phức tạp nên trong
thực tế chúng không được ứng dụng. Trong các phương pháp trên hiệu quả nhất là
phương pháp xử lý bằng permanganat kali vì nó không đòi hỏi thiết bị phức tạp và dễ
kiểm tra.
4.2. Đông tụ, keo tụ
4.2.1. Nguyên lý đông tụ, keo tụ
Hình 4.1. Cơ chế đông tụ
Đông tụ là quá trình thô hóa các hạt phân tán và chất nhũ tương trong hệ keo.
Phương pháp đông tụ hiệu quả nhất khi được sử dụng để tách các hạt keo phân tán có
kích thước 1-100µm.
Trong xử lí nước thải, sự đông tụ diễn ra dưới tác động của chất đông tụ. Chất
đông tụ trong nước tạo thành các bông hydroxit kim loại, lắng nhanh trong trường
trọng lực. Các bông này có khả năng hút các hạt keo và hạt lơ lửng kết hợp chúng với
nhau. Các hạt keo có điện tích âm yếu còn các bông đông tụ có điện tích dương yếu
nên chúng hút nhau.
4.2.2. Cơ sỏ lý thuyết lắng keo tụ và vai trò
Lắng là quá trình tách khỏi nước cặn lơ lửng hoặc bông cặn hình thành trong giai
đoạn keo tụ tạo bông hoặc các cặn bùn sau quá trình xử lý sinh học
Tính chất lắng của các hạt có thể chia thàng 3 dạng như sau :
Lắng dạng I: lắng các hạt rời rạc. Quá trình lắng được đặt trưng bởi các hạt lắng
một cách rời rạc và ở tốc độ lắng không đổi. Các hạt lắng một cách riêng lẽ không có
khả năng keo tụ,
không dính bám vào nhau suốt quá trình lắng. Để có thể xác định tốc độ lắng ở dạng
này có
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 48
thể ứng dụng định luật cổ điển của Newton và Stoke trên hạt cặn. Tốc độ lắng ở dạng
này hoàn toàn có thể tính toán được.
Lắng dạng II: lắng bông cặn. Quá trình lắng được đặt trưng bởi các hạt ( bông cặn)
kết dính với nhau trong suốt quá trình lắng. Do quá trình bông cặn xảy ra trên các bông
cặn tăng dần kích thước và tốc độ lắng tăng. Không có một công thức toán học thích
hợp nào để biểu thị giá trị này. Vì vậy để có các thông số thiết kế về bể lắng dạng này,
người ta thí nghiệm xác định tốc độ chảy tràn và thời gian lắng ở hiệu quả khử bông
cặn cho trước từ cột lắng thí
nghiệm, từ đó nhân với hệ số quy mô ta có tốc độ chảy tràn và thời gian lắng thiết kế.
Lắng dạng III: lắng cản trở. Quá trình lắng được đặt trưng bởi các hạt cặn có nồng
độ cao (>1000mg/l). Các hạt cặn có khuynh hướng duy trì vị trí không đổi với các vị
trí khác, khi đó cảkhối hạt như là một thể thống nhất lắng xuống với vận tốc không
đổi. Lắng dạng này thướng thấy ở bể nén bùn.
Thực tế phương pháp này là phương pháp kết hợp giửa phương pháp hoá học và lý
học. Mục đích của phương pháp này nhằm loại bỏ các hạt chất rắn khó lắng hay cải
thiện hiệu suất lắng của bể lắng. Cấu tạo của bể này là loại bể lắng cơ học thông
thướng, nhưng trong quá trình vận hành, chúng ta thêm vào một số chất keo tụ như
phèn nhôm, polymere để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ và tạo bông cặn để cải
thiện hiệu suất lắng. Quá trình tạo bông cặn có thể đơn giản hoá trong hình dưới đây.
Quá trình hình thành các bông đông tụ diễn ra như sau:
Me3+ + 3HOH Me(OH)3 + 3H+
Chất đông tụ thường dùng là muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng. Việc chọn
chất đông tụ phụ thuộc thành phần, tính chất hóa lí và giá thành của nó, nồng độ tạp
chất trong nước, pH và giá thành phần muối của nước. Các muối nhôm được làm chất
đông tụ là Al2(SO4)3.18H2O; NaAlO2, Al2(OH)5Cl; KAl(SO4)2.12H2O và
NH4Al(SO4)2.12H2O. Trong số đó, phổ biến nhất là sunfat nhôm. Nó hoạt động hiệu
quả khi pH = 5-7,5. Sunfat nhôm tan tốt trong nước và có giá thành tương đối rẻ. Nó
được sử dụng ở dạng khô hoặc dạng dung dịch 50%. Quá trình tạo bông đông tụ của
một số muối nhôm như sau:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2
Các muối sắt được dùng làm chất đông tụ là Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O,
FeSO4.7H2O và FeCl3. Hiệu quả lắng trong cao hơn khi sử dụng dạng khô hoặc dung
dịch 10-15%. Các sunfat được dùng ở dạng bột. Liều lượng chất đông tụ phụ thuộc pH
của nước thải. Đối với Fe3+ pH = 6÷9, còn đối với Fe2+ pH ≥ 9,5. Để kiềm hóa nước
thải dùng NaOH và Ca(OH)2. Quá trình tạo bông đông tụ diễn ra theo phản ứng:
FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl
Fe2(SO4)3 + 6H2O 2Fe(OH)3 + 3H2SO4
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 49
Khi kiềm hóa:
2FeCl3 + 3Ca(OH)2 2Fe(OH)3 + 3CaCl2
Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 2Fe(OH)3 + 3CaSO4
Muối sắt có ưu điểm so với muối nhôm:
− Hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ nước thấp.
− Giá trị tối ưu pH trong khoảng rộng hơn.
− Bông bền và thô hơn.
− Có thể ứng dụng cho nước có khoảng nồng độ muối rộng hơn.
− Có khả năng khử mùi độc và vị lạ do có mặt của H2S.
− Tuy nhiên, chúng cũng có một số nhược điểm:
− Có tính axit mạnh, làm ăn mòn thiết bị.
− Bề mặt các bông ít phát triển hơn.
− Tạo thành các phứa nhuộm tan mạnh
Ngoài các chất nêu trên còn có thể sử dụng chất đông tụ là các loại đất sét khác
nhau, các chất thải sản xuất chứa nhôm, các hỗn hợp, dung dịch tẩy rửa, xỉ chứa dioxit
silic.
Khi sử dụng hỗn hợp Al2(SO4)3 và FeCl3 với tỉ lệ từ 1:1 đến 1:2 thu được kết quả
đông tụ tốt hơn khi dùng tác chất riêng lẻ.
4.2.3. Phương pháp thực hiện keo tụ điện hóa
4.2.3.1. Trợ keo tụ - Flocculation
Trợ keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử
vào nước. Khác với quá trình đông tụ, khi trợ keo tụ sự kết hợp diễn ra không chỉ do
tiếp xúc trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ
trên các hạt lơ lửng.
Trợ keo tụ thúc đẩy quá trình tạo bông
hydroxit nhôm và sắt nhằm tăng vận tốc lắng
của chúng. Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho
phép giảm chất đông tụ, giảm thời gian đông
tụ và tăng vận tốc lắng.
Chất trợ keo tụ có thể là hợp chất tự
nhiên và tổng hợp. Chất trợ keo tụ tự nhiên là
tinh bột, este, xenlulô, dectrin (C6H10O5)n.
Chất trợ keo tụ vô cơ là dioxit silic đã hoạt
hóa (xSiO2.yH2O). Chất trợ keo tụ hữu cơ
tổng hợp là [-CH2-CH-CONH2]n, poliacrilamit
kĩ thuật (PAA), PAA hydrat hóa.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 50
Liều lượng PAA tối ưu để xử lí nước thải công nghiệp dao động trong khoảng
0,4÷1g/m3. PAA hoạt động trong khoảng pH của môi trường rộng. Tuy nhiên, vận tốc
lắng bông keo tụ giảm khi pH > 9.
Cơ chế làm việc của chất trợ keo tụ dựa trên các hiện
tượng sau: hấp phụ phân tử chất keo tụ trên bề mặt hạt keo, tạo thành mạng lưới phân
tử chất trợ keo tụ. Sự dính lại của các hạt keo do lực Van der Waals. Dưới tác động
của chất trợ keo tụ giữa các hạt keo tạo thành cấu trúc ba chiều, có khả năng tách
nhanh và hoàn toàn ra khỏi nước. Nguyên nhân xuất hiện cấu trúc này là sự hấp phụ
các phân tử chất trợ keo tụ trên một số hạt tạo thành các cầu nối polime giữa chúng.
Các hạt keo được tích điện âm nên thúc đẩy quá trình keo tụ với các hydroxit nhôm
hoặc sắt. Khi cho thêm silicat hoạt tính sẽ làm tăng 2-3 lần vận tốc lắng và tăng hiệu
quả lắng trong.
Quá trình xử lí nước thải bằng đông tụ và keo tụ gồm các giai đoạn sau: định
lượng và trộn tác chất với nước thải, tạp bông và lắng xuống.
Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống xử lí nước thải bằng đông tụ
1- Bình chứa để chuẩn bị dung dịch
2- Máy định lượng
3- Máy trộn
4- Buồng tạo bông
5- Thiết bị lắng cặn.
Nước thải trộn với chất trơ keo tụ ở tốc độ chậm để không phá vỡ bông cặn. Sau
đó, nước được đưa vào buồng tạo bông. Sự tạo bông diễn ra chậm sau 10-30 phút.
Nước thải trộn với chất đông tụ theo ống đi vào ngăn tách không khí. Sau đó nước đi
theo ống trung tâm đến các ống phân phối, là các vòi phun để phân phối và quay nước
trong vùng vành ngăn. Các hạt lơ lửng cùng với bông đông tụ tạo thành trong vùng
vành khăn. Các hạt lơ lửng cùng với bông lắng xuống đáy và được lấy ra khỏi thiết bị.
Nước trong chảy qua các lỗ vào rãnh thoát nước.
Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử vào
nước. Khác với quá trình đông tụ, khi keo tụ sự kết hợp diễn ra không chỉ do tiếp xúc
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 51
Hình 4.2: Cơ chế trợ lắng
trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên các
hạt lơ lửng.
Keo tụ không có tác chất hay keo tụ điện hóa diễn ra bằng cách dẫn nước qua các
tấm nhôm được xếp cách nhau 10-20 mm. Bản chất của quá trình là hòa tan anot của
các tấm nhôm được nối lần lượt với các cực dương và cực âm của nguồn điện có
cường độ cao và hiệu điện thế thấp. Khi đó ion nhôm sẽ chuyển vào nước và tạo thành
hydroxit. Ưu điểm của quá trình này là hình thành và lắng nhanh các sợi bông dai và
không cần điều chỉnh pH. Nhược điểm của nó là chi phí điện năng cao.
Phương pháp này có thể được dùng để xử lý nước phù sa ở các tỉnh thuộc đồng
bằng Sông Cửu Long, nhưng do mạng lưới điện chưa được lắp đặt đầy đủ và chi phí
điện cao nên còn bị hạn chế.
4.2.3.2. Keo tụ điện hóa
Keo tụ không có tác chất hay keo tụ điện hóa diễn ra bằng cách dẫn nước qua các
tấm nhôm được xếp cách nhau 10-20 mm. Bản chất của quá trình là hòa tan anot của
các tấm nhôm được nối lần lượt với các cực dương và cực âm của nguồn điện có
cường độ cao và hiệu điện thế thấp. Khi đó ion nhôm sẽ chuyển vào nước và tạo thành
hydroxit. Ưu điểm của quá trình này là hình thành và lắng nhanh các sợi bông dai và
không cần điều chỉnh pH. Nhược điểm của nó là chi phí điện năng cao.
Phương pháp này có thể được dùng để xử lý nước phù sa ở các tỉnh thuộc đồng bằng
Sông Cửu Long, nhưng do mạng lưới điện chưa được lắp đặt đầy đủ và chi phí điện
cao nên còn bị hạn chế.
4.2.3.3. Bể phản ứng xoáy
Bể phản ứng xoáy hình trụ
− Ống hình trụ đặt ở tâm bể lắng đứng( công suất < 3000m3/ngđ).
− Nước được trộn đều chất phản ứng từ bể trộn chuyển qua.
− Nước ra khỏi miệng vf = 2 –3 m/s.
− Đường kính vòi phun: chọn theo tốc độ.
− Khoảng cách từ miệng phun đến thành bể phản ứng là 0.2Db.
− t: thời gian lưu, t = 15 –20 phút
− H: 2.6 –5 m
− n: số bể phản ứng.
− Tổn thất áp lực do vói phun: h= 0.06 vf
Bể phản ứng xoáy hình phễu
Bể có dạng như một cái phiễu lớn, góc nghiêng giữa 2 thành bể cần lấy trong
khoảng 50o -70o tuỳ theo chiều cao bể. Thời gian lưu nước trong bể ngắn từ 6 -10 phút
(nước đục lấy giới hạn dưới và nước màu lấy giới hạn trên). Tốc độ nước vào bể ở
phía dưới lấy bằng 0.7÷1.2 m/s. Tốc độ nước đi tại chỗ ra khỏi bể lắng 4 ÷5 mm/s.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 52
Bộ phận dẫn nước từ bể phản ứng sang bể lắng phải tính đến tốc độ nước chảy
trong máng, trong ống và qua lỗ không được lớn hơn 0.1 m/s đối với nước đục và 0.05
m/s đối với
nước màu để đảm bảo bông cặn được hình thành và không bị phá vỡ. Khoảng cách dẫn
nước sang bể lắng càng ngắn càng tốt.
Trong quá trình nước dâng lên, do tiết diện dòng chảy tăng dần, nên tốc độ nước
sẽ giảm dần. Tốc độ nước phân bố không đều trên tiết diên ngang, tốc độ nước càng
lớn khi càng gần tâm bể và dòng nước luôn có xu hướng phân tán dần dần ra phía
thành bể.
Ưu điểm: hiệu quả cao, tổn thất áp lức trong bể nhỏ, dung tích bể nhỏ (thời gian
lưu nước ngắn).
Nhược điểm: khó tính cấu tạo của bộ phận thu nước trên bề măt theo hai yêu cầu:
thu nước đều và không phá vỡ bông cặn, khó xây dựng khi dung tích lớn.
4.2.3.4. Bể phản ứng kiểu vách ngăn
Nguyên lý cấu tạo cơ bản của bể là dùng các vách ngăn để tạo ra sự đổi chiều liên
tục của dòng nước. Bể có cấu tạo hình chữ nhật, bên trong có các vách ngăn hướng
dòng nước chuyển động zic zăc theo phương nằm ngang hoặc phương thẳng đứng.
Phía sau đầu bể phản ứng có một ngăn cho nước chảy thẳng vào bể lắng ngang khi cần
sửa chữa bể phản ứng hay khi không cần keo tụ. Số lượng vách ngăn được tính theo
hai chỉ tiêu: dung tích bể phụ thuộc vào thời gian lưu nước và tốc độ chuyển động của
dòng nước giữa hai vách ngăn. Thời gian lưu nước trong bể lấy là 20 phút khu xử lý
nước đục và 30 - 40 phút khi xử lý nước có màu. Tốc độ chuyển động của dóng nước
giảm dần từ 0.3m/s ở đầu bể xuống 0.1m/s ở cuối bể. Chiều sâu trung bình của bể là 2
- 3m. Độ dốc đáy bể là 0.02 - 0.03 để xả cặn. Bể có vách ngăn ngang : công suất
≥30.000m3/ngđ. Bể có vách ngăn đứng ≥6.000m3/ngđ. Thường Kết hợp bể lắng ngang.
Khoảng cách giữa các vách ngăn không được nhỏ hơn 0.7m nếu bể có vách ngăn
ngang và có thể nhỏ hơn 0.7m đối với bể có vách ngăn thẳng đứng.
Ưu điểm: đơn giản trong xây dựng và quản lý vận hành.
Nhược điểm: khối lượng xây dựng lớn do có nhiều vách ngăn và bể có đủ chiều
cao thỏa mãn tổn thất áp lực trong toàn bể
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 53
CHƯƠNG 5: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SINH HỌC HIẾU KHÍ
5.1. Khái niệmThực chất của phương pháp sinh hóa để xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống
và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Các vi sinh
vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng khác làm nguồn dinh dưỡng và tạo
năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng
tế bào cũng như sinh trưởng và sinh sản và do vậy nên sinh khối được tăng lên và hệ
quả là nước thải được làm sạch.
5.2. Nguyên lý chung của quá trình xử lý sinh học
Để thực hiện quá trình ôxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo, các
chất phân tán nhỏ trong nước thải là tổ hợp các quá trình gồm ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Các chất gây ô nhiễm (các chất hữu cơ hòa tan, các chất phân tán
nhỏ,…) được dịch chuyển từ môi trường nước thải xung quanh đến bề mặt tế bào vi
sinh vật do quá trình khuếch tán đối lưu và phân tử.
- Giai đoạn 2: Dịch chuyển các chất bẩn từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm của tế
bào bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngời tế bào.
- Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh
năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thu năng lượng.
Ba giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và giai đoạn chuyển hóa các
chất diễn ra trong tế bào vi sinh vật đóng vai trò chính trong việc làm sạch nước thải.
Các phản ứng của quá trình ôxy hóa sinh hóa ở điều kiện hiếu khí
- Ôxy hóa các chất hữu cơ
- Tổng hợp để xây dựng tế bào
: tất cả các chất hữu cơ của nước thải.
: công thức hóa học của tế bào vi sinh vật ở thời điểm bình thường
(có hô hấp nội bào).
: năng lượng
- Hô hấp nội bào (ôxy hóa các chất liệu của tế bào).
Nếu quá trình ôxy hóa diễn ra đủ dài thì sau khi sử dụng hết các chất hữu cơ có
sẵn trong nước thải, sẽ bắt đầu diễn ra quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bằng
việc ôxy hóa các chất liệu của tế bào.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 54
Sơ đồ chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải khi ôxy hóa sinh hóa hiếu
khí.
1 - Chất bẩn trước khi xử lý,
2 - Chất bẩn bị giữ lại trên bề mặt tế bào,
3 - Các chất bẩn còn lại trong nước thải sau khi xử lý,
4 - Các chất bẩn bị oxy hóa trực tiếp thành CO2, H2O
và sinh năng lượng,
5 - Các chất bị đồng hóa được tổng hợp để tăng
sinh khối,
6 - Tự oxy hóa của vi sinh vật thành CO2 và H2O
do men hô hấp nội bào,
7 - Phần dư của vi sinh vật.
Nguyên tắc các phương pháp xử lý hiếu khí:
Phương pháp hiếu khí dùng để loại các chất hữu cơ dễ bị vi sinh phân huỷ ra khỏi nguồn nước. Các chất này được các loại vi sinh hiếu khí oxy hoá bằng oxy hòa tan trong nước.
Vi sinhChất hữu cơ + O2 → H2O + CO2 + năng lượng Vi sinhChất hữu cơ + O2 → Tế bào mới Năng lượngTế bào mới + O2 → CO2 + H2O + NH3
Tổng cộng:
Chất hữu cơ + O2 → H2O + CO2 + NH3…
Trong phương pháp hiếu khí ammoni cũng được loại bỏ bằng oxy hoá nhờ vi sinh
tự dưỡng (quá trình nhật hoá)
Nitrosomonas2NH4 + 3O2 → 2NO2
+ 4H+ + 2H2O + Năng lượng Nitrobacter2NO2
+ O2 → 2NO3
Vi SinhTổng cộng: NH4 + 2O2 → NO3 + 2H+ + H2O + Năng lượng
Điều kiện cần thiết cho quá trình: pH = 5,5 - 9,0, nhiệt độ 5 - 40oC.
5.3. Sự phát triển của vi sinh vật
Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học có hiệu quả chúng ta phải nắm vững
các kiến thức sinh học có liên quan đến quá trình xử lý. Trong các bể xử lý sinh học
các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 55
31
2
6
7
5
4
Hình 5.1. Sơ đồ chuyển hóa các chất bẩn hữu cơ khi oxy
hóa sinh hóa nước thải
thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu
cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng
lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong
bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter,
Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat
hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như
Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn
các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ
như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch
hơn về mặt vi sinh.
Khi bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn có sẵn
trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ
cấy vi khuẩn. Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định
có thể dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như là
một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý. Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn
trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn
của các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi
với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào.
Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn
tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời
gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường.
Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở
một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là (a) các chất dinh dưỡngcần
thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn
sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi.
Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết
đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm
nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của
môi trường.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 56
Hình 5.2: Đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý
Cũng cần nó thêm rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi
khuẩn đơn độc. Thực tế trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thị tăng
trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh
của đồ thị. Trong một giai đoạn bất kỳ nào đó sẽ có một loài có số lượng chủ đạo do ở
thời điểm đó các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ... phù hợp cho loài đó.
Sự biến động về các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lý được biểu diễn trong hình bên
dưới. Khi thiết kế và vận hành hệ thống xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật
này, không nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật.
Hình 5.3: Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật
trong bể xử lý nước thải
Như đã nói ở trên vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý
nước thải. Do đó trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương
thích với lưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể. Điều này có thể thực hiện thông qua
quá trình thiết kế và vận hành. Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính
xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi
khuẩn có thể sinh sản được. Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá
trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn...) phải được
điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 57
5.4. Động học của quá trình xử lý sinh hóa
Để đảm bảo cho quá trình sinh hóa diễn ra có hiệu quả, phải tạo ra được điều kiện
môi trường như pH, nhiệt độ, các chất dinh dưỡng,…tốt nhất cho hệ vi sinh vật. Khi
các điều kiện trên được đảm bảo thì quá trình xử lý sinh học diễn ra theo các giai đoạn
sau:
5.4.1. Tăng trưởng tế bào
Ở cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ hay nuôi cấy trong bể phản ứng dòng chảy
liên tục. Nước thải trong các bể này phải được khuấy trộn một cách hoàn chỉnh và liên
tục và tốc độ tăng trưởng của các tế bào vi sinh vật có thể được biểu diễn bằng các
công thức sau:
Trong trường hợp tổng quát:
S: chất nền (BOD), mg/l;
P: photpho vô cơ, mg/l;
N: Nitơ vô cơ, mg/l.
C
5.4.2. Chất nền và sự giới hạn tăng trưởng
Trong trường hợp nuôi cấy theo mẻ: Khi cơ chất và chất dinh dưỡng cần thiết cho
sự tăng trưởng của vi sinh vật chỉ có số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng
đến cạn kiệt khi đó quá trình dinh dưỡng sẽ dừng lại.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 58
µ
µmax
µmax
2
KS S, mg/l
Hình 5.4: Đồ thị ảnh hưởng của cơ chất lên tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật
Trong trường hợp nuôi cấy liên tục: Dòng cơ chất và các chất dinh dưỡng được bổ
sung liên tục thì khi đó ảnh hưởng của việc giảm dần cơ chất và chất dinh dưỡng được
biểu thị bằng phương trình Monod:
rg: tốc độ tăng sinh khối;
X: sinh khối;
: tốc độ tăng trưởng riêng.
Ngoài ra, khi xét đến ảnh hưởng của các yếu tố khác đến tốc độ tăng trưởng: DO,
t0, pH, các chất độc,…
5.4.3. Sự tăng trưởng của tế bào và việc sử dụng chất nền
Trong cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ và liên tục, một phần cơ chất được
chuyển thành tế bào mới, một phần được ôxy hóa thành các chất vô cơ. Do số tế bào
mới phải tiếp tục sử dụng các chất nền trong nước thải và sinh sản tiếp. Ta lập được
quan hệ giữa sự tăng trưởng của tế bào và việc sử dụng chất nền:
Y: Hệ số tạo sinh khối (hệ số đồng hóa), mg/l;
rs: Tốc độ suy giảm cơ chất (tốc độ sử dụng cơ chất), mg/l.t;
Với : tốc độ sử dụng cơ chất trong một đơn vị sinh khối
5.4.4. Ảnh hưởng của hô hấp nội bào
Trong các công trình xử lý nước thải không phải tất cả các tế bào vi sinh vật đều
có tuổi như nhau và đều ở giai đoạn tăng trưởng log mà có một số tế bào ở giai đoạn
sinh trưởng chậm và giai đoạn chết.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 59
Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật, ta phải xét đến tổ hợp của các
hiện tượng này và ta giả thuyết sự giảm khối lượng của tế bào do chết và tăng trưởng
chậm tỉ lệ với nồng độ của vi sinh vật có trong nước thải. Ta gọi sự giảm khối lượng
này là hô hấp nội bào và quá trình hô hấp nội bào được biểu thị bằng phản ứng sau:
113 160
1 1,42
Nhận xét: Từ phản ứng trên có thể thấy, nếu tất cả tế bào được ôxy hóa hoàn toàn
thì lượng ôxy bằng 1,42 lần nồng độ của tế bào.
Tốc độ hô hấp nội bào
Kd: hệ số phân hủy nội bào, 1/t;
X: sinh khối, mg/l (g/m3,….).
Kết hợp với quá trình phân hủy nội bào: Tốc độ tăng trưởng thực của tế bào như
sau:
: tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn, mg/l.t (mg/l.ngày, g/m3.ngày).
Tốc độ tăng trưởng riêng thực:
, 1/t (1/ngày).
Tốc độ tăng sinh khối bùn hoạt tính:
5.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí
Ảnh hưởng của độ pH
Các hệ thống xử lý sinh học hiếu khí có thể hoạt động được trong dải pH khá rộng
từ 5 – 9. Tuy nhiên pH tối ưu trong khoảng 6,5 – 8,5. Nước thải có pH ngoài ngưỡng
cho phép được điều chỉnh trong bể điều hòa.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong xử lý sinh học, nhiệt độ có vai trò quan trọng quyết định vận tốc của phản
ứng ôxy hóa, các quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Với đa số vi sinh
vật, nhiệt độ trong các hệ thống xử lý có thể biến động từ 16 – 370C, nhiệt độ tối ưu 25
– 300C. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh học thể hiện qua biểu thức:
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 60
KT, K20: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ xử lý và ở 200C;
: hệ số nhiệt độ (có giá trị từ 1,00 – 1,04);
T: nhiệt độ xử lý, 0C.
Nhiệt độ còn ảnh hưởng tới việc hấp thụ ôxy vào nước thải.
Ảnh hưởng của thành phần và nguồn dinh dưỡng
Để duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo đảm bảo quá trình làm sạch nước
thải cần đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật. Các nguyên tố ảnh hưởng quyết
định tới quá trình ôxy hóa là C, N và P. Thành phần dinh dưỡng phụ thuộc nhiều vào
bản chất các chất dinh dưỡng có trong nước thải. Thực nghiệm cho thấy tỉ lệ C:N:P tối
ưu là 100:5:1. Các nguyên tố khoáng và vi lượng thường có sẵn trong nước thải. Do
đặc trưng công nghệ, một số loại nước thải nghèo N và P. Sự thiếu hụt này sẽ kìm hãm
sự phát triển của một số vi sinh vật có vai trò quan trọng trong quá trình ôxy hóa.
Thiếu N và P trong một thời gian dài là một trong những nguyên nhân làm thay
đổi tương tác giữa các nhóm vi khuẩn có trong bùn hoạt tính. Các vi khuẩn dạng sợi
phát triển mạnh làm bùn xốp (>200 ). Hiện tượng này được gọi là sự phồng lên của
bùn. Bùn sẽ xốp, khó lắng. chỉ số thể tích lắng tăng gây khó khăn cho quá trình tách
bùn ở bể lắng thứ cấp.
Ảnh hưởng của các chất độc đối với vi sinh vật
Các chất độc hữu cơ, vô cơ, nhất là các kim loại nặng, các ion halogen có khả
năng ức chế thậm chí vô hoạt hệ enzim ôxy hóa khử ở vi sinh vật. Vì vậy cần kiểm tra
và đảm bảo hàm lượng của chúng không quá giới hạn cho phép.
Ví dụ: Các kim loại nặng 2 mg/
Phenol và hợp chất chứa phenol < 140 mg/l
Các muối xyanua < 60 mg/l.
Ảnh hưởng của độ ôxy hòa tan
Để thực hiện quá trình ôxy hóa, vi sinh vật cần O2 dưới dạng hòa tan. Trong các hệ
thống xử lý hiếu khí, ôxy được cung cấp liên tục để đáp ứng nhu cầu ôxy cho quá trình
ôxy hóa.
Thiếu O2 cũng là một trong những nguyên nhân làm phồng bùn do vi khuẩn dạng
sợi phát triển. Việc cung cấp O2 còn có tác dụng tạo ra độ đồng nhất trong thiết bị, làm
rã các khối bông lớn, giảm các “điểm chết” trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch
và rút ngắn thời gian lưu của nước trong hệ thống xử lý.
Hiệu suất sử dụng O2 trong thiết bị xử lý phụ thuộc không chỉ vào phương pháp
cấp khí (công suất thiết bị, áp lực nén, đặc trưng của hệ thống phân phối khí, chiều cao
lớp nước) mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất nước thải, F/M (nguồn dinh dưỡng
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 61
– Food và lượng sinh khối – Microorganismes), tốc độ sinh trưởng, đặc trưng hình thái
và sinh lý của vi sinh vật.
Để đảm bảo tốc độ ôxy hóa, độ O2 hòa tan cần đạt ít nhất là 4 mg/l. Theo Edeline,
nhu cầu O2 ở các bể còn phụ thuộc tải trọng của hệ thống xử lý.
5.6. Các công trình xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên
Trong môi trường tự nhiên, các quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra khi đất, nước,
sinh vật và không khí tác động qua lại với nhau. Lợi dụng các quá trình này, người ta
thiết kế các hệ thống tự nhiên để xử lý nước thải. Các quá trình xảy ra trong tự nhiên
giống như các quá trình xảy ra trong các hệ thống nhân tạo, ngoài ra còn có thêm các
quá trình quang hợp, quang oxy hóa, hấp thu dưỡng chất của hệ thực vật. Trong các hệ
thống tự nhiên các quá trình diễn ra ở vận tốc "tự nhiên" và xảy ra đồng thời trong
cùng một hệ sinh thái, trong khi trong các hệ thống nhân tạo các quá trình diễn ra tuần
tự trong các bể phản ứng riêng biệt.
5.6.1. Ao hồ sinh học
Ao sinh học là dãy ao gồm 3 – 5 bậc, qua đó nước thải chảy với vận tốc nhỏ, được
lắng trong và xử lý sinh học. Các ao được ứng dụng để xử lý sinh học và xử lý bổ sung
trong tổ hợp với các công trình xử lý khác. Ao được chia thành 2 loại: ao thông khí tự
nhiên và ao nhân tạo. Ao thông khí tự nhiên không sâu (0,5 – 1m) được sưởi nóng
bằng mặt trời và các vi sinh vật nước. Để hoạt động bình thường cần phải đạt pH tối
ưu và nhiệt độ không thấp hơn 6oC. Kích thước ao phải bảo đảm thời gian lưu cần thiết
của nước thải và vận tốc oxy hóa được đánh giá theo BOD của chất phân huỷ chậm
nhất.
5.6.2. Ao hồ hiếu khí
5.6.2.1. Ao hồ sinh học (Ao hồ ổn định nước thải)
Xử lí nước thải trong các ao hồ ổn định là phương pháp xử lí đơn giản nhất và đã
được áp dụng từ thời xa xưa. Phương pháp này không yêu cầu kĩ thuật cao, vốn đầu tư
ít, chi phí hoạt động rẻ tiền, quản lí đơn giản và hiệu quả cũng khá cao9.
Qui trình xử lí theo phương pháp ao hồ sinh học khá đơn giản và được tóm tắt như
sau:
Nước thải loại bỏ rác, cát sỏi… Các ao hồ ổn định Nước đã xử
lí.
Cơ sở khoa học của phương pháp là dựa vào khả năng tự nhiên làm sạch của nước,
chủ yếu là vi sinh vật và các thủy sinh khác, các chất nhiễm bẩn bị phân hủy thành các
chất khí và nước. Như vậy, quá trình làm sạch không phải thuần nhất là quá trình hiếu
khí, mà còn có cả quá trình tùy tiện và kị khí.
Phương pháp này có một số ưu điểm như sau:
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 62
Đây là phương pháp rẻ nhất, dễ thiết kế và xây dựng, dễ vận hành, không đòi
hỏi cung cấp năng lượng (sử dụng năng lượng Mặt Trời).
Có khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh nhiễm trong nước thải xuống
tới mức thấp nhất.
Có khả năng loại được các chất hữu cơ, vô cơ tan trong nước thải xuống tới
mức thấp nhất.
Có khả năng loại được các chất hữu cơ, vô cơ tan trong nước
Hệ vi sinh vật hoạt động ở đây chịu đựng được nồng độ các kim loại năng
tương đối cao (>= 30 mg/l).
Đồng thời phương pháp này cũng có những nhược điểm cơ bản như sau:
Thời gian xử lí khá dài ngày
Đòi hỏi mặt bằng rộng
Trong quá trình xử lí phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết tự nhiên, nhiệt độ
thấp của mùa đông kéo dài thời gian và hiệu quả làm sạch hoặc gặp mưa sẽ làm tràn ao
hồ gây ô nhiễm các đối tượng khác
Ngoài ra các ao hồ sinh học, đặc biệt là ao hồ kị khí thường sinh ra các mùi hôi thối
khó chịu làm ảnh hưởng đến môi trường sống xung quanh.
Phương pháp này vốn là phương pháp tự làm sạch nước đã được áp dụng từ xa
xưa, đặc biệt là được dùng nhiều trong các nước phát triển từ thế kỉ trước cho đến nay.
5.6.2.2. Ao hồ hiếu khí
Ao hồ hiếu khí là loại ao nông 0.3-0.5m có quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ
chủ yếu nhờ các vi sinh vật hiếu khí. Loại ao hồ này gồm có: hồ làm thoáng tự nhiên
và hồ làm thoáng nhân tạo.
Hồ hiếu khí tự nhiên: Oxi từ không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên
và ánh sáng Mặt Trời chiếu dọi, làm cho tảo phát triển, tiến hành quang hợp thải ra
oxi. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiếu sâu của hồ phải nhỏ, thường là 30-40 cm.
Do chiều sâu như vậy diện tích của hồ cũng lớn hơn càng tốt. Tải của hồ (BOD)
khoảng 250-300 kg/ha.ngày. Thời gian lưu của nước từ 3-12 ngày.
Do ao nông, diện tích lớn đảm bảo điều kiện hiếu khí cho toàn bộ nước trong ao (từ
mặt thoáng đến đáy). Nước lưu trong ao tương đối dài, hiệu quả làm sạch có thể tới
80-95% BOD, màu nước có thể chuyển dần sang màu xanh của tảo.
Hồ có sục khuấy: Nguồn oxi cung cấp cho vi sinh vật hiếu khí trong nước hoạt
động là các thiết bị khuấy cơ học hoặc khí khí nén (chủ yếu là khuấy cơ học). Nhờ
vậy, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn, đều hơn và độ sâu của hồ cũng lớn hơn
(2-4.5 m). Tải BOD của hồ khoảng 400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ
khoảng 1-3 ngày có khi dài hơn.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 63
Quá trình xử lí nước thải trong hồ hiếu khí làm thoáng nhân tạo về cơ bản giống
quá trình xử lí Aeroten, chỉ khác hai điểm:
+ Không dùng bùn hoạt tính hồi lưu từ lắng 2. Vì vậy, nồng độ bùn trong hồ là rất
nhỏ. Có thể coi phản ứng BOD ở đây là phản ứng bậc một xẩy ra trong điều kiện
khuấy trộn hoàn chỉnh.
+ Tuổi của bùn c tính bằng thời gian lưu nước trong hồ t= V/Q. Thơi gian lưu gần
đúng dựa trên áp dụng môđen của Monod cho hồ khuấy trộn hoàn toàn.
Khả năng khử BOD5 tính theo công thức:
S/S0 = 1/(1+ KT.t)
Trong đó: S0 và S là BOD5 trước và sau khi xử lí (vào và ra hồ) (tính bằng
mg/l)
t: Thời gian lưu nước (ngày)
KT: Phụ thuộc vào nhiệt độ T0C: KT = K20 .(T-20)
Trong thực tế, xây ngăn hồ sục khí với trang bị bộ sục khí hợp lí sẽ cho hiệu quả
xử lí cao. Ngược lại, sự phân tán bóng kết tủa của bùn hoạt tính thấp (độ tuổi bùn hoạt
tính nhỏ, mức độ ổn định bị hạn chế) cũng như sự phát triển của tảo làm cản trở sự
phân tán các chất lơ lửng. Do vậy, khi xử lí nước thải đô thị, nồng độ các chất huyền
phù dao động trong khoảng 50 – 20 mg/l.
Sau hồ sục khí nên xây dựng 1 bể lắng (lắng 2) sẽ giảm được chỉ số này. Thời gian
lưu nước ở hồ sục khí là 10 ngày, trong điều kiện khí hậu ôn hòa giảm BOD được 80 –
90%, nếu ở nhiệt độ cao hơn sẽ rút ngắn được thời gian. Hiệu quả khử vi khẩn phụ
thuộc vào thời gian lưu nước ở trong hồ. Về mặt này, hồ có sục khí không bằng các ao
hồ tự nhiên khác. Chính vì vậy, các ao hồ tự nhiên còn có tên là các ao hồ ổn định.
Bể lắng 2 ở đây có thể làm bằng đất, sâu từ 1 – 2 m, nên đất nện hoặc đáy lát đá
hoặc tấm bê tông, nếu nền đất yếu có hiện tượng xói lở. Không nên để lưu nước trong
bể lắng quá 2 ngày để tránh rong tảo phát triển.
5.6.2.3. Ao hồ kị khí
Ao hồ kị khí là loại ao sâu, ít có hoặc không có điều kiện hiếu khí. Các vi sinh vật
kị khí hoạt động sông không cần oxi của không khí. Chúng sử dụng oxi ở các hợp chất
như nitrat, sulfat… để oxi hóa các chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các loại rượu và
khí CH4, H2S, CO2… và nước.
Ao hồ kị khí thường dùng để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy. Loại ao hồ này
có thể tiếp nhận loại nước thải (kể cả nước thải công nghiệp) có độ nhiễm bẩn lớn, tải
BOD cao và không cần vai trò quang hợp của tảo. Nước thải lưu ở hồ kị khí thường
sinh ra mùi hôi thối khó chịu. Vì vậy không nên bố trí các loại ao hồ này gần khu dân
cư và xí nghiệp chế biến thực phẩm.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 64
Để duy trì điều kiện kị khí và giữ ấm nước trong hồ trong những ngày mùa đông
giá lạnh, chiều sâu là khá lớn (từ 2 – 6 m, thông thường lấy ở khoảng 2,5 – 3,5 m).
Khi xây dựng hồ kị khí thường tính toán theo kinh nghiệm: chiều sâu như trên đã
đề cập, diện tích mặt thoáng không cần lớn (thường vào khoảng 10 – 20% diện tích ao
hồ tùy nghi). Thời gian lưu nước có thể là dài, nhưng cần tính toán sao cho mùa hè chỉ
cần lưu nước từ 1,5 đến 2 ngày vào mùa đông là 5 ngày. BOD trong hồ này trong mùa
hè có thể khử tới 6,5 – 80 % và mùa đông có thể khử tới 45 – 65%.
Cấu tạo của hồ trên có 2 ngăn: 1 ngăn làm việc và 1 ngăn dự phòng khi vét bùn
cặn.
Cửa dẫn nước vào ao hồ nên đặt chìm đảm bảo cho việc phân phối cặn đồng đều
các đầm hồ kị khí để xử lí nước thải. Trên thế giới đã có thành phần xử lí nước thải
trong hồ có bề mặt tới 5km2.
Các hồ hiếu khí hoặc kị khí có thể xây dựng một bậc hoặc nhiều bậc. Chiều sâu của
bậc sau lớn hơn bậc trước. Hồ một bậc thường có diện tích 0.5 – 7 ha, nhiều bậc diện
tích mỗi bậc 2,25 ha. Tùy theo yêu cầu xử lí, có thể xây dựng một hệ thống gồm nhiều
hồ.
5.6.2.4. Ao hồ hiếu khí – kị khí (Ao hồ tùy nghi)
Loại ao hồ này rất phổ biến trong thực tế. Đó là loại kết hợp có hai quá trình song
song phân hủy các chất hữu cơ hòa tan có đều ở trong nước và phân hủy kị khí (sản
phẩm chủ yếu là CH4) cặn lắng ở vùng đáy.
Đặc điểm của ao hồ tùy nghi xét theo chiều sâu có 3 vùng: lớp trền là vùng hiếu khí
(vi sinh vật hiếu khí hoạt động), vùng giữa là vùng kị khí tùy tiện (vi sinh vật tùy nghi
hoạt động) và vùng phía đáy sâu là vùng kị khí (vi khuẩn lên men metan hoạt động).
Nguồn oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước
nhờ khuếch tán qua mặt nước do sóng gió và nhờ tảo quang hợp dưới tác dụng của ánh
sáng Mặt Trời. Nồng độ oxi hòa tan ban ngày nhiều hơn ban đêm. Vùng hiếu khí chủ
yếu ở lớp nước phía trên mặt ao hồ có độ sâu tới 1m.
Vùng kị khí xẩy ra ở lớp đáy hồ. Ở đây các chất hữu cơ bị phân hủy kị khí sinh ra
các khí CH4, H2S, H2, N2, CO2 (chủ yếu là CH4. Do quá trình phân hủy kị khí các chất
hữu cơ còn gọi là quá trình lên men metan xẩy ra nhanh hơn. Phân hủy kị khí các chất
hữu cơ thường sinh ra các sản phẩm dạng khí có mùi thối khó chịu và có thể còn bị
cháy nổ hoặc gây nhiễm độc bầu không khí, có khi gây chết người khi ngửi phải hỗn
hợp khí thoát ra từ các bể kị khí với nồng độ cao.
Trong hồ thường hình thành hai tầng phân cách nhiệt: tầng nước phía trên có nhiệt
độ cao hơn tầng dưới. Tầng trên có tảo phát triển, tiêu thụ CO2 làm cho pH chuyển
sang kiềm (có khi tới 9,8). Tảo phát triển mạnh thành lớp dày rồi chết và tự phân làm
cho nước thiếu oxi hòa tan, ảnh hưởng đến vi sinh vật hiếu khí, còn các vi sinh vật kị
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 65
khí tùy tiện hoạt động manh. Trong trường hợp này nên khuấy đảo nước hồ để tránh
cho hồ bị quá tải chất hữu cơ.
Xây dựng hồ nên chọn chiều sâu khoảng 1 – 1,5m, tỉ lệ chiều dài và chiều rộng là
1:1 hoặc 2:1. Những nơi có nhiều gió, diện tích hồ nên cho rộng, còn những nơi ít gió,
xây hồ có nhiều ngăn. Đáy hồ cần phải lèn chặt để chống thấm, có thể phải phủ một
lớp đất sét dầy 15cm. Bờ hồ nên gia cố chắc chắn tránh xói lở.
Nếu trường hợp ở trong nước có nồng độ kim loại nặng cao thì cần phải dùng biện
pháp hấp phụ, trao đổi ion…hoặc các biện pháp thích hợp khác để loại chúng làm
giảm nồng độ của chúng. Kim loại nặng cũng như các chất có độc tính khác ảnh hưởng
ức chế hoặc tiêu diệt trước hết là các vi sinh vật, sau đến các giới thủy sinh khác và
cuối cùng ảnh hưởng đến môi trường sống của con người. Nếu các chất độc này nhiễm
vào nước sinh hoạt, nước uống sẽ gây độc rất nguy hiểm cho người và động vật. Quần
thể vi tảo trong ao hồ rất mẫn cảm với độ độc của ion kim loại. Người ta đã đề ra
phương pháp dùng tảo chỉ thị mức độ nhiễm độc của các ion kim loại nặng trong nước.
Bảo dưỡng và vận hành các ao hồ sinh học khá đơn giản: với ao hồ hiếu khí và tùy
nghi cần phải loại bùn và tảo, thay nước và làm cỏ thường xuyên (có thể vài tuần phải
làm một lần). Với ao hồ kị khí thì 2 – 3 năm mới loại bùn một lần.
5.6.2.5. Ao hồ ổn định xử lí bậc III
Nước thải sau khi xử lí cơ bản (bậc II bằng Aeroten, lọc sinh học hay xử lí kị khí
hoặc qua các thiết bị xử lí hóa lí, vật lí…chưa đạt tiêu chuẩn là nước sạch để xả vào
nguồn thì có thể phải xử lí bổ sung (bậc III). Một trong các công trình xử lí bậc III là
ao hồ ổn định sinh học kết hợp với thả bèo, nuôi cá.
Đây là loại ao hồ tùy tiện, nông sâu, rộng hẹp tùy điều kiện cho phép. Trong nước
thải đã xử lí còn một lượng BOD5 nào đó (thí dụ: khoảng 60 – 80 mg/l), còn nitơ ở các
dạng NH4+, NO-
3 và phosphat (nguồn P). Trong ao hồ, hệ vi sinh vật, chủ yếu là vi
khuản, sẽ hoạt động ở 3 vùng: kị khí ở đáy, tùy tiện ở vùng giữa và hiếu khí ở vùng
trên gần mặt nước. Vi sinh vật hoạt động sẽ phân hủy nốt phần BOD còn lại hoặc phần
COD được chuyển sang dễ phân hủy. Ở vùng hiếu khí, tảo phát triển sẽ sử dụng
nguồn N và P cho việc tăng sinh khối, đồng thời thải ra O2 phục vụ cho vi sinh vật
hiếu khí. Ngược lại, vi sinh vật hiếu khí họat động sẽ thải ra CO2 cung cấp nguồn
cacbon phục vụ cho tảo và các loài thực vật thủy sinh khác cho quá trình quang hợp.
Thực vật thủy sinh ở ao hồ ổn định xử lí bậc III thường là bèo cái, bèo tây, rau
muống…Các loại này phát triển, ngoài cung cấp oxi cho vi sinh vật còn có bộ rễ cho
vi khuẩn hiếu kí bám, bộ lá che ánh sáng mặt trời để cho vi khuẩn khỏi bị chết bởi tia
tử ngoại…và như vậy thúc đẩy nhanh quá trình làm sạch nước. Các thực vật thủy sinh
và tảo còn có khả năng hấp thụ kim loại nặng.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 66
Các ao hồ loại này có thể dùng cho các loại nước thải chỉ qua xử lí sơ bộ, nếu còn
đặc thì pha loãng với nước được quy định là sạch theo tỉ lệ 1:3 hoặc 1:5. Việc nuôi cá
cân tham khảo ý kiến của ngành thủy sản.
5.6.3. Cánh đồng tưới và bãi lọc
Đó là khu đất được chuẩn bị riêng biệt để sử dụng đồng thời hai mục đích: Xử lý
nước thải và gieo trồng. Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên diễn ra dưới tác dụng
của hệ vi thực vật dưới đất, mặt trời, không khí và dưới ảnh hưởng của thực vật.
Trong đất, cánh đồng tưới có vi khuẩn, men, nấm, rêu tảo, động vật nguyên sinh và
động vật không xương sống. Nước thải chứa chủ yếu là vi khuẩn. Trong lớp đất tích
cực xuất hiện sự tương tác phức tạp của các vi sinh vật có bậc cạnh tranh.
Số lượng vi sinh vật trong cánh đồng tưới phụ thuộc vào thời tiết trong năm. Vào
mùa đông, số lượng vi sinh vật nhỏ hơn rất nhiều so với mùa hè. Nếu trên các cánh
đồng không gieo trồng cây nông nghiệp và chúng chỉ được dùng để xử lý sinh học
nước thải thí chúng được gọi là các cánh đồng lọc nước. Các cánh đồng tưới sau khi
xử lý sinh học nước thải, làm ẩm và bón phân được xử dụng để gieo trồng cây có hạt
và cây ăn tươi, cỏ, rau cũng như để trồng cây lớn và cây nhỏ (dạng cây bụi, khóm).
Cánh đồng tưới có các ưu điểm sau so với các Aeroten:
1. Giảm chi phí đầu tư và vận hành.
2. Không thải nước ra ngoài phạm vi diện tích tưới.
3. Bảo đảm được mùa cây nông nghiệp lớn và bền.
4. Phục hồi đất bạc màu.
Trong quá trình xử lý sinh học, nước thải đi qua lớp đất lọc, trong đó các hạt lơ
lửng và keo được giữ lại, tạo thành màng trong lỗ xốp của đất.
Sau đó màng được tạo thành này hấp thụ các hạt keo và các chất tan trong nước
thải. Oxy từ không khí xâm nhập vào lỗ xốp oxy hóa các chất hữa cơ, chúng chuyển
thành các hợp chất vô cơ. Oxy khó xâm nhập và lớp đất dưới sâu, vì vậy sự oxy hóa
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 67
Hình 5.5: Các quá trình diễn ra ở cánh đồng tưới và bãi lọc
mãnh liệt nhất diễn ra trong lớp đất phía trên (0,2 –0,4m). Nếu không đủ oxy sẽ xảy ra
các quá trình yếm khí. Các cánh đồng tưới tốt nhất nên bố trí trên cát, đất sét thịt và đất
đen. Nước ngầm không được cao hơn 1,25m tính từ mặt đất. Nếu nước ngầm cao hơn
thì cần phải lắp hệ thống thoát nước.
Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh
đồng với lưu lượng tính toán để đạt được một mức xử lý nào đó thông qua quá trình lý,
hóa và sinh học tự nhiên của hệ đất - nước - thực vật của hệ thống. Ở các nước đang
phát triển, diện tích đất còn thừa thải, giá đất còn rẻ do đó việc xử lý nước thải bằng
cánh đồng lọc được coi như là một biện pháp rẻ tiền.
Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt được ba mục tiêu:
Xử lý nước thải
Tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để sản xuất
Nạp lại nước cho các túi nước ngầm
So với các hệ thống nhân tạo thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít
năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần năng lượng để vận chuyển và
tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng
lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hoàn lưu nước thải và bùn... Do ít sử
dụng các thiết bị cơ khí, việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng
cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh
đồng lọc cũng có những hạn chế như cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc vào cấu trúc
đất và điều kiện khí hậu.
Tùy theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia
cánh đồng lọc ra làm 3 loại:
Cánh đồng lọc chậm (SR)
Cánh đồng lọc nhanh (RI)
Cánh đồng chảy tràn (OF)
Các cơ chế xử lý nước thải trong cánh đồng lọc
Các cơ chế lý học:
Khi nước thải ngấm qua các lổ rỗng của đất, các chất rắn lơ lửng sẽ bị giữ lại do
quá trình lọc. Độ dày của tầng đất diễn ra quá trình lọc biến thiên theo kích thước của
các chất rắn lơ lửng, cấu trúc đất và vận tốc của nước thải. Lưu lượng nước thải càng
cao, các hạt đất càng lớn thì bề dày của tầng đất diễn ra quá trình lọc càng lớn. Đối với
cánh đồng lọc chậm do lưu lượng nước thải áp dụng cho hệ thống thấp nên các chất
rắn lơ lửng có kích thước lớn sẽ bị giữ lại ngay trên bề mặt đất, các chất rắn lơ lửng có
kích thước nhỏ và vi khuẩn bị giữ lại ở vài centimet đất mặt. Các chất hòa tan trong
nước thải có thể bị pha loãng do nước mưa, các quá trình chuyển hóa hóa học và sinh
học có thể loại bỏ được các chất này. Tuy nhiên ở những vùng khô hạn có tốc độ bốc
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 68
hơi nước cao, các chất này có thể bị tích tụ lại (ví dụ các muối khoáng). Một điều khác
cần chú ý là nếu hàm lượng chất lơ lửng quá cao nó sẽ lắp đầy các lổ rỗng của đất làm
giảm khả năng thấm lọc của đất, cũng như làm nghẹt các hệ thống tưới. Trong trường
hợp này ta nên cho cánh đồng lọc "nghỉ" một thời gian để các quá trình tự nhiên phân
hủy các chất rắn lơ lửng tích tụ này, phục hồi lại khả năng thấm lọc của đất.
Các cơ chế hóa học:
Hấp phụ và kết tủa là hai cơ chế xử lý hóa học quan trọng nhất trong quá trình.
Quá trình trao đổi cation chịu ảnh hưởng bởi khả năng trao đổi cation của đất (CEC),
thường khả năng trao đổi cation của đất biến thiên từ 2 - 60meq/100g. Hầu hết các loại
đất có CEC nằm trong khoảng 10 - 30. Quá trình trao đổi cation quan trọng trong việc
khử nitogen của amonium. Phospho được khử bằng cách tạo thành các dạng không
hoặc ít hòa tan. Ở các vùng khô hạn khó tránh khỏi việc tích tụ của các ion Natri làm
phá hủy cấu trúc đất và giảm khả năng thấm lọc của đất. Để đánh giá mức độ nguy hại
của quá trình này người ta thường dùng tỉ lệ hấp phụ natri (SAR) trong đó Na, Ca, Mg
là nồng độ các cation tương ứng có trong nước thải được tính bằng meq/L.
Khi dùng cánh đồng lọc để xử lý nước thải công nghiệp cần phải có bước tiền xử
lý nhằm khống chế pH của nước thải trong khoảng 6,5 - 9 để không làm hại thảm thực
vật. Nếu nước thải có SAR cao phải tìm cách loại bỏ Natri để khống chế SAR không
lớn hơn 8 - 10.
Cơ chế sinh học:
Các quá trình sinh học thường diễn ra ở phần rể của thảm thực vật. Số lượng vi
khuẩn trong dất biến thiên từ 1- 3 tỉ/g đất, sự đa dạng của chúng cũng giúp cho quá
trình phân hủy các chất hữu cơ tự nhiên hoặc nhân tạo. Sự hiện diện hay không của
oxy trong khu vực này cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phân hủy và sản phẩm
cuối cùng của hệ thống. Hàm lượng oxy có trong khu vực này tùy thuộc vào cấu trúc
(độ rỗng) của đất. Do sự phân hủy của các vi sinh vật đất, các chất nitrogen,
phosphorus, sulfur chuyển từ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ và phần lớn được đồng hóa
bởi hệ thực vật. Lưu ý quá trình khử nitrát cũng có thể diễn ra nếu lưu lượng nạp chất
hữu cơ quá cao, đất quá mịn, thường xuyên ngập nước, mực thủy cấp cao, pH đất
trung tính hoặc kiềm nhẹ, nhiệt độ ấm...
Các mầm bệnh, ký sinh trùng bị tiêu diệt do tồn tại bên ngoài ký chủ một thời gian
dài, cạnh tranh với các vi sinh vật đất, bám trên các bộ phận của thảm thực vật sau đó
bị tiêu diệt bởi tia UV trong bức xạ mặt trời.
5.7. Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lý nước thải
5.7.1. Bể phản ứng sinh học hiếu khí - Aeroten
Xử lí nước thải bằng Aeroten được nhà khoa học người Anh đề xuất từ năm 1887,
nhưng đến năm 1914 mới được áp dụng trong thực tế và tồn tại, phát triển rộng rãi cho
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 69
đến ngày nay. Quá trình hoạt động sống của quần thể sinh vật trong Aeroten thực chất
là quá trình nuôi vi sinh vật trong các bình phản ứng sinh học (bioreacter) hay các bình
lên men (fermenter) thu sinh khối. Sinh khối vi sinh vật ở trong công nghê vi sinh
thường là từ một giống thuần chủng, còn trong xử lí nước thải là quần thể vi sinh vật,
chủ yếu là vi khuẩn, có sẵn trong nước thải.
5.7.1.1. Đặc điểm và nguyên lí làm việc của Aeroten
Bể phản ứng sinh học hiếu khí – Aeroten là công trình bê tông cốt thép hình khối
chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp người ta chế tạo các Aeroten bằng sắt
thép hình khối trụ. Thông dụng nhất hiện nay là các Aeroten hình bể khối chữ nhật.
Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường
oxi hòa tan và tăng cường quá trình oxi hóa chất hữu cơ có trong nước.
Nước thải sau khi đã được xử lí sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng
hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào Aeroten. Các chất lơ lửng làm nơi vi khuẩn bám
vào để cư trú, sinh sản và phát triển, dần thành các hạt cặn bông. Các hạt này dần dần
to và lơ lửng trong nước. Chính vì vậy, xử lí nước thải ở Aeroten được gọi là quá
trình xử lí với sinh trưởng lơ lửng của quần thể vi sinh vật. Các hạt bông cặn này cũng
chính là bùn hoạt tính (xem chương II). Bùn hoạt tính là các bông cặn có màu nâu sẫm,
chứa các chất hữu cơ hấp phụ từ nước thải là nơi cư trú cho các vi khuẩn cùng với các
vi sinh vật bậc thấp khác, như nguyên sinh động vật sống và phát triển. Trong nước
thải có những hợp chất hữu cơ hòa tan – loại hợp chất dễ bị vi sinh vật phân hủy nhất.
Ngoài ra, còn có loại hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy hoặc loại hợp chất hòa tan, khó
hòa tan ở dạng keo – các dạng hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được vi khuẩn
tiết ra enzim ngoại bào, phân hủy thành những chất vật liệu cho tế bào hoặc sản phẩm
cuối cùng là CO2 va nước. Các hợp chất hữu cơ ở dạng keo hoặc ở dạng các chất lơ
lửng khó hòa tan là các hợp chất bị oxi hóa bằng vi sinh vật khó khăn hoặc xảy ra
chậm hơn.
Hình 5.6: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của AerotenQuá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ xẩy ra trong Aeroten qua ba giai đoan:
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 70
- Giai đoạn thứ nhất: tốc độ oxi hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxi. Ở giai đoạn này
bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Hàm lượng oxi cần cho vi sinh vật sinh trưởng,
đặc biệt ở thời gian đầu tiên, thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng
sinh khối trong thời gian này rất ít. Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường,
chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân. Vì vậy, lượng tiêu thụ oxi tăng cao dần.
- Giai đoạn hai: 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 hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất.
Hoạt lực enzim của bùn hoạt tính trong giai đoạn của enzim oxi hóa của bùn hoạt tính
thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính (sinh khối vi sinh vật) tới mức ổn
định. Qua các thông số hoạt động của Aeroten cho thấy giai đoạn thứ nhất tốc độ tiêu
thụ oxi (hay tốc độ oxi hóa) rất cao, có khi gấp 3 lần ở giai đoạn hai.
- Giai đoạn ba: sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hóa cầm chừng (hầu như ít
thay đổi) và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây là giai
đoạn nitrat hóa các muối amon.
Sau cùng, nhu cầu oxi lại giảm và cần phải kết thúc quá trình làm việc của Aeroten
(làm việc theo mẻ). Ở đây cần lưu ý rằng, sau khi oxi hóa được 80 – 90% BOD trong
nước thải, nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí, bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy, cần
phải lấy bùn cặn ra khỏi nước. Nếu không kịp thời tách bùn, nước sẽ bị ô nhiễm thứ
cấp, nghĩa là sinh khối sinh vật trong bùn (chiếm tới 70% khối lượng cặn bùn) sẽ bị tự
phân. Tế bào vi khuẩn có hàm lượng protein rât cao (60 – 80% so với chất khô), ngoài
ra còn có các hợp chất chứa chất béo, hidratcacbon, các chất khoáng…khi bị tự phân
sẽ làm ô nhiễm nguồn nước.
5.7.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm sạch nước thải của
Aeroten
- Lương oxi hòa tan trong nước: Điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho Aeroten có
khả năng oxi hóa các chất bẩn hữu cơ với hiệu suất cao là phải đảm bảo cung cấp đủ
lượng oxi, mà chủ yếu là oxi hòa tan trong môi trường lỏng, một cách liên tục, đáp ứng
đầy đủ cho nhu cầu hiếu khí của vi sinh vật trong bùn hoạt tính. Lượng oxi có thể được
coi là đủ khi nước thải ra khỏi bể lắng 2 có nồng độ oxi hòa tan là 2mg/l.
Để đáp ứng được nhu cầu oxi hòa tan trong Aeroten người ta thường chọn giải
pháp:
+ Khuấy cơ học với các dạng khuấy ngang, khuấy đứng. Song, biện pháp này
không hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu oxi.
+ Thổi và sục khí bằng hệ thống khí nén với các hệ thống phân tán khí thành
các dòng hoặc tia lớn nhỏ khác nhau.
+ Kết hợp nén khí với khuấy đảo.
- Thành phần dinh dưỡng với vi sinh vật
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 71
Trong nước thải, thành phần dinh dưỡng chủ yếu là nguồn cacbon (được gọi là cơ
chất hoặc chất nén được thể hiện bằng BOD) – Chất bẩn hữu cơ bị phân hủy (hoặc bị
oxi hóa) bởi vi sinh vật. Ngoài ra BOD, cần lưu ý tới hai thành phần khác: nguồn nitơ
(thường ở dạng NH4+) và nguồn phosphat (ở dạng muối phosphat). Những hợp chất
này (ở dạng muối amon va phosphat) là những chất dinh dưỡng tốt nhất đối với vi sinh
vật. Vi sinh vật phát triển còn cần tới một loạt các chất khoáng khác như Mg, K, Ca,
Mn, Fe, Co…Thường các nguyên tố này ở dạng ion đều có mặt trong nước thải, không
những chúng đáp ứng cho nhu cầu sinh lý của vi sinh vật mà trong nhiều trường hợp
còn quá thừa dư.
Thiếu dinh dưỡng trong nước thải (coi nước thải là môi trường nuôi cấy) sẽ giảm
mức độ sinh trưởng, phát triển sinh khối của vi sinh vật, thể hiện bằng lượng bùn hoạt
tính tạo thành giảm, kìm hãm và ức chế quá trình oxi hóa các chất hữu cơ gây nhiễm
bẩn.
Nếu thiếu nitơ một cách kéo dài, ngoài việc cản trở các quá trình hóa sinh còn làm
cho bùn hoạt tính khó lắng, các hạt bông bị phồng lên trôi nổi theo dòng nước ra làm
cho nước khó trong và chứa một lượng lớn vi sinh vật, làm giảm tốc độ sinh trưởng
cũng như cường độ oxi hóa của chúng.
Nếu thiếu phosphat, vi sinh vật dạng sợi phát triển và cũng làm cho bùn hoạt tính
lắng chậm và giảm hiêu quả xử lí.
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 vi sinh vật. 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 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 vi sinh vật trong Aeroten phát triển mạnh và bùn hoạt
tính cũng được tạo thành nhiều nhất (nhất là 1 – 2 ngày đầu tiên). Còn quá trình xử lí
kéo dài thì tỉ lệ này cần là 200:5:1 (thời gian xử lí có thể tới 20 ngày). Để cân đối dinh
dưỡng có thể dùng các muối amon và phosphat bổ sung vào nước thải để tăng nguồn N
và P. Có thể dùng uree hoặc superphosphat vào mục đích này.
Trường hợp dư thừa lượng N và P, vi sinh vật sử dụng không hết, phải khử các
thành phần này bằng các biện pháp đặc biệt tiếp theo (xem chương VIII, mục 8.6.1 và
8.6.2) hoặc xử lí bằng ao hồ ổn định với việc nuôi trồng bèo, rau muống và các thực
vật nổi khác.
- Nồng độ cho phép của chất bẩn hữu cơ có trong nước thải để đảm bảo cho
Aeroten làm việc có hiệu quả.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 72
Nồng độ cơ chất trong môi trường ảnh hưởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật.
Nói chung chúng đều có nồng độ cơ chất tới hạn hoặc cho phép, nếu vượt quá sẽ ức
chế đến sinh lí và sinh hóa của tế bào vi sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình trao
đổi chất, đến việc hình thành enzim, thậm chí có thể bị chết. Như vậy, vi sinh vật sẽ bị
ức chế và bị kìm hãm quá trình hoạt động sống trong trường hợp nồng độ chất bẩn hữu
cơ cao hơn nồng độ cho phép.
Nói chung, các loại nước thải có thể xử lí bằng Aeroten có lựợng BOD vào khoảng
500 mg/l, còn trường hợp cao hơn (không quá 1000mg/l) phải xử lí bằng Aeroten
khuấy trộn hoàn chỉnh. Nếu BOD cao quá mức trên đây thì ta phải pha loãng bằng
nước được quy ước là sạch (như nước sông, hồ không bị ô nhiễm) hoặc nước đã qua
xử lí có lượng BOD ở dòng ra thấp. Cũng có thể phải xử lí kị khí trước xử lí hiếu khí.
- Các chất có độc tính ở trong nước thải ức chế đến đời sông 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 trước nước thải làm môi trường dinh dưỡng để nuôi
vi sinh vật có thích hợp không, có kìm hãm, ức chế đến sinh trưởng và tăng sinh khối
của chúng hay không?
Tiến hành xác định độc tính đối với vi sinh vật, có thể dùng nước thải để nguyên
hoặc pha loãng rồi cân đối dinh dưỡng, sau đó cấy giống vi sinh vật (có thể là giống
thuần chủng hoăc cặn bùn của nước thải).
Việc xác định này chỉ cho ta thấy loại nước thải nào có thể xử lí bằng kĩ thuật bùn
hoạt tính trong Aeroten được hay không, chứ không thể suy ra được được tính độc của
các yếu tố (trong đó có kim loại nặng hoặc các chất độc khác) đối với vi sinh vật.
Nồng độ muối vô cơ trong nước thải không quá 10 g/l. Nếu là muối vô cơ thông
thường, có thể pha loãng nước thải và xử lí bằng phương pháp bùn hoạt tính, còn nếu
làn chất độc như kim loại nặng, các chất độc hữu cơ phải tiến hành phân tích cẩn thận
và có biện pháp xử lí riêng biệt (hấp phụ, trao đổi ion…), sau đó mới có thể xử lí bằng
phương pháp sinh học.
- pH của nước thải có ảnh hưởng nhiều đến các quá trình hóa sinh của vi sinh
vật, quá trình tạo bùn và lắng. Nói chung, pH thích hợp cho xử lí nước thải ở Aeroten
là 6,5 – 8,5. Trong thời gian cuối, nước thải trong Aeroten có pH chuyển sang kiềm, có
thể là các hợ chất nitơ được chuyển thành NH3 hoặc muối amon.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ nước thải trong nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt
động sống của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật có trong nước thải là các thể ưa ấm
(mesophile): chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 400C và tối thiểu 50C. Vì vậy,
nhiệt độ xử lí nước thải chỉ trong khoảng 6 – 370C, tốt nhất là 15 – 350C.
Như chúng ta đã biết, nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến chuyển hóa của vi sinh vật
mà còn ảnh hưởng nhiều tới quá trình hòa tan oxi vào nước cũng như khả năng kết
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 73
lắng của các bông cặn bùn hoạt tính. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hóa
sinh thường tính theo phương trình
rT = r20. (T-20)
Trong đó: rT: Tốc độ phản ứng ở T0C
r20: Tốc độ phản ứng ở 200C
: Hệ số hoạt động do nhiệt độ
T: Nhiệt độ nước (0C)
Giá trị trong quá trình xử lí sinh học dao động từ 1,02 đến 1,09 thường lấy là
1,04.
- Nồng độ các chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù
Sau khi xử lí sơ bộ, tùy thuộc nồng độ lơ lửng có trong nước thải mà xác định
công trình xử lí cơ bản thích hợp như lọc sinh học hoặc Aeroten.
Nếu nồng độ các chất lơ lửng không quá 100mg/l thì loại hình xử lí thích hợp là bể
lọc sinh học cơ bản thích hợp như lọc sinh học hoặc Aeroten.
Con số này cũng chỉ quy ước trong thực nghiệm đối với những Aeroten thông
thường, còn với các Aeroten hiếu khí tích cực (khuấy đảo hoàn chỉnh) nồng độ các
chất rắn lơ lửng có thể là cao hơn.
Song, với lượng chất răng lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lí. Vì
vậy, đối với những nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng quá cao cần phải qua lắng
1 trong giai đoạn xử lí sơ bộ một cách đầy đủ có thể loại bỏ vẩn cặn lớn và một phần
các chất rắn lơ lửng.
5.7.1.3. Phân loai Aeroten
Có nhiều cách phân loại Aeroten:
- Phân loại theo chế độ thủy động: Aeroten đẩy, Aeroten khuấy trộn và
Aeroten hỗn hợp.
- Phân loại theo chế độ làm việc của bùn hoạt tính: Aeroten có ngăn hoặc bể
tái sinh (hoạt hóa) bùn hoạt tính tách riêng và loại không có ngăng tái sinh bùn hoạt
tính tách riêng.
- Theo tải trọng BOD trên 1 gam bùn trong một ngày ta có: Aeroten tải trọng
cao, Aeroten tải trọng trung bình và Aeroten tải trọng thấp.
- Theo số bậc cấu tạo trong Aeroten (xây dựng có nhiều ngăn hoặc hành lang)
ta có các Aeroten 1bậc, 2 bậc, 3 bậc…
5.7.1.4. Một số Aeroten thường dùng trong xử lí nước thải
a. Bể Aeroten truyền thống
Bể Aeroten truyền thống được mô tả theo sơ đồ công nghiệp ở hình 5.7
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 74
Hình 5.7: Sơ đồ làm việc của bể Aeroten truyền thống
Nước thải sau lắng 1 được trộn đều với bùn hoạt tính hồi lưu ở ngày đầu bể
Aeroten. Lượng bùn hồi lưu so với lượng nước thải có độ ô nhiễm trung bình khoảng
20 – 30%. Dung tích bể tính toán sao cho khi dùng khí nén sục khối nước trong bể
sau 6 – 8h, hoặc làm thoáng bề mặt khuấy cơ học trong 9 – 12 giờ đã đảm bảo hiệu
suất xử lí tới 80 – 95%.
Với Aeroten kiểu này thường dùng để xử lí nước thải có BOD < 400mg/l. Lượng
không khí cấp cho Aeroten làm việc 55 – 65m3 không khí cho 1 kg BOD. Chỉ số thể
tích của bùn (SVI) là 50 – 150ml/g. Tuổi của bùn là 3 – 15 ngày.
Aeroten kiểu này cần có ngăn trong bể hoặc ngoài bể để hoạt hóa (tái sinh) bùn
hoạt tính. Ngăn hay bể phục hồi hoạt tính còn được gọi là ngăn tái sinh hoặc ngăn hoạt
hóa. Nồng độ bùn sau khi phục hồi đạt tới 7 – 8g/l (trong bể Aeroten làm việc chỉ cần
ở nồng độ bùn là 2 – 3g/l).
b. Aeroten tải trọng cao
Nước thải đi vào bể có độ nhiễm bẩn cao, thường là BOD > 500mg/l. Tải trọng
trên bùn hoạt tính là 400 – 1000 mg BOD/g bùn (không tro) trong một ngày đêm.
Nước thải khi xử lí sơ bộ được trộn đều với bùn hồi lưu (lượng bùn khoảng 10 -
20%) rồi vào bể Aeroten. Nồng độ bùn hoạt tính trong bể <= 1000mg/l. Sau 1 – 3 giờ
sục khí đã khử được 60 – 65% BOD và nước ra đã có thể đạt loại C hoặc gần loại B.
Bể loại này thường áp dụng để xử lí nước thải công nghiệp chế biến thịt, sữa. Các
loại bể truyền thống hoặc thông thường có thể thực hiện hiếu khí kéo dài và khử BOD
gần như hoàn toàn. Trong các loại bể này các chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy sẽ bị
oxi hóa trước hết, sau đó là các chất khó phân hủy hơn ở dạng keo hoặc các dạng hạt
nhỏ lơ lửng sẽ bị vi sinh vật hấp thụ rồi bị phân hủy tiếp sau.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 75
c. Bể Aeroten được cấp khí giảm dần theo dòng chảy
Hình 5.8: Bể Aeroten được cấp khí giảm dần theo dòng chảy
Thường nước thải và bùn hoạt tính được đưa vào đầu bể. Thường ở đây có nồng
độ chất hữu cơ nhiễm bẩn lớn nhất, sẽ xảy ra cường độ oxi hóa cao, nhu cầu lượng oxi
lớn nhất. Do đó nhu cầu không khí nhiều nhất và giảm dần theo chiều dài của bể.
Ưu điểm của bể này là:
Giảm được lượng không khí cấp, tức là giảm công suất máy nén khí, giảm điện
năng.
Không có sự làm hiếu khí quá mức ngăn cản sinh trưởng và hoạt động của các
vi sinh khuẩn khử các hợp chất chứa nitơ, trong đó có khâu khử nitrat thành N2 bay
vào không khí.
Thời gian sục khí nước thải cùng bùn hoạt tính (kê cả lượng bùn hồi lưu) là 6 – 8
giờ. Lượng bùn sau hoạt hóa được hồi lưu thường bằng 25 – 50% lưu lượng dòng
vào.
d. Bể Aeroten nhiều bậc
Hình 5.9: Bể Aeroten nhiều bậc
Nước thải sau khi lắng 1 được đưa vào Aeroten bằng cách đoạnh hay theo bậc, dọc
theo chiều dài bể (khoảng 50 – 60%), bùn tuần hoàn đi vào đầu bể.
Cấp khí đều dọc theo chiều dài.
Cấp khí theo cách này sẽ dư oxi một chút ở phần cuối Aeroten. Song, Aeroten
được xây thành nhiều ngăn thì sẽ khắc phục được dễ dàng. Mỗi ngăn ở đây là một bậc.
Nạp theo bậc có tác dụng làm cân bằng tải trọng BOD theo thể tích bể, làm giảm sự
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 76
thiếu hụt oxi ở đầu bể và lượng oxi được trải đều theo dọc bể làm cho hiệu suất sử
dụng oxi tăng lên, hiệu suất xử lí sẽ cao hơn.
Các loại bể nhiều bậc xây dựng bêtông cốt thép thường có mặt bằng hình chữ nhật
chia thành nhiều ngăn. Mỗi ngăn có một hoặc nhiều hành lang, ngăn cách bằng tường
dọc lơ lửng không kéo dài tới cạnh đối diện. Nước thải chảy nối tiếp theo chiều hành
lang. Tiết diện của mỗi hành lang có thể là hình vuông hoặc hình chữ nhật. Hình 6.4
giới thiệu các hành lang trong cấu tạo của Aeroten.
Aeroten một hành lang được dùng với trạm xử lí nhỏ và làm việc với quy trình
không hoạt hóa bùn hoạt tính. Nước thải sau khi lắng 1 và bùn hoạt tính hồi lưu từ lắng
2 đều cho vào đầu hành lang (máng phân phối nước nằm ở phía trên, còn máng phân
phối bùn nằm ở phía dưới).
Aeroten hai hành lang thường có ngăn tái sinh (hoạt hóa) bùn hoạt tính. Dùng một
hành lang làm ngăn tái sinh. Thể tích ngăn này thường 50% tổng thể tích
Aeroten.Aeroten kiểu này gần giống Aeroten có ngăn ổn định và ngăn tiếp xúc.
Thường được dùng ở các trạm xử lí nhỏ và trung bình.
Aeroten ba hành lang làm việc thuận tiện khi không cần phục hồi (tái sinh) bùn
hoạt tính. Song, cũng có thể để riêng 1 hành lang (33% tổng thể tích Aeroten) làm
ngăn hoạt hóa bùn hồi lưu.
Aeroten bốn hành lang làm việc có nhiều ưu việt, làm việc thuận tiện hơn bất kì
quy trình công nghệ nào. Có thể dành 25 – 75% tổng thể tích Aeroten để tái sinh bùn
hoạt tính. Aeroten kiểu này có lượng bùn hoạt tính với khả năng oxi hóa khá cao và
hiệu suất khử BOD tương đối lớn.
e. Bể Aeroten có ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định
(Aeroten ổn định- tiếp xúc)
Hình 5.10: Sơ đồ công nghệ xử lí nước thải bằng bể ổn định – tiếp xúc
Bùn hồi lưu được đưa vào ngăn tái sinh (hay ngăn phục hồi hoặc còn gọi là ngăn
hoạt hóa). Ở đây môi trường tái sinh là nước thải có hoặc không được cân bằng dinh
dưỡng, nhưng nhất thiết phải sục khí và khuấy đảo (cũng có thể chỉ cần một trong hai
biện pháp hiếu khí). Bùn được phục hồi ở ngăn này khoảng 2 – 3 giờ, có khi tới 6 giờ
để oxi hóa hết các chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt và các khe hở của hạt bùn, tới khi
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 77
ổn định (đạt lượng bùn tối đa và các thông số khác đạt yêu cầu, đặc biệt là khả năng
oxi hóa là cao nhất và ổn định).
Nước thải từ lắng 1 được trộn đều với bùn hoạt tính tái sinh đã ổn định đưa ngăn
tiếp xúc. Ở đây bùn hoạt tính hấp phụ các chất keo, các chất lơ lửng và đồng thời hấp
phụ các chất hữu cơ ở dạng hòa tan có trong nước thải, quá trình oxi hóa lơ lửng và
đồng thời hấp phụ các chất hữu cơ ở dạng hòa tan có trong nước thải, quá trình oxi hóa
các chất này xẩy ra tức thì và diễn ra trong thời gian 30 – 60 phút. Sau khi xử lí hỗn
hợp bùn - nước đi sang bể lắng 2. Bùn thu được ở bể lắng 2 được hồi lưu đưa vào ngăn
tái sinh để làm ổn định. Bùn dư được xả ra ngoài để đưa đi xử lí bùn.
Ưu điểm của bể: thông khí tích cực có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động lớn
của lưu lượng và chất lượng nước thải, hiệu suất xử lí khá cao. Quy trình này được
ứng dụng và làm việc cho hiệu suất cao trong xử lí nước thải sinh hoạt và nước thải
công nghiệp thực phẩm.
f. Aeroten thông khí kéo dài
Aeroten thông khí kéo dài được dùng xử lí nước thải có tỉ số là F/M (tỉ lệ giữa
BOD5 trong nước thải và bùn hoạt tính – mg BOD/mg bùn hoạt tính) thấp, tải trọng
thấp, thời gian thông khí thường là 20 – 30 giờ để duy trì hệ vi sinh vật làm việc ở pha
hô hấp nội bào (hay là pha hoạt động nội sinh).
Công suất thích hợp cho Aeroten loại này là <= 3500 m3/ngày. Trong sơ đồ công
nghệ không cần bể lắng, nước chỉ cần loại rác đi thẳng vào Aeroten. Toàn bộ bùn ở
lắng 2 được tuần hoàn lại Aeroten. Bùn dư được đưa lên sân phơi.
Tải trọng của bể này (tính theo BOD trên đơn vị thể tích bể): 240
mgBOD/m3.ngày
Lượng không khí cần cấp theo BOD
Bể sâu 1,8m cần 280 m3/kg BOD5
Bể sâu 2,7m cần 187 m3/1kg BOD5
Nếu làm thoáng bằng máy khuấy cơ học trên bề mặt thì cần không ít hơn 2
kgO2/1kgBOD5
g. Aeroten thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh
Bể hiếu khí có tốc độ thông khí cao và khuấy đảo hoàn chỉnh là loại Aeroten
tương đối lí tưởng để xử lí nước thải có độ ô nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng
cao. Aeroten loại này sẽ có thời gian làm việc ngắn. Rút ngắn được được thời gian
thông khí vận hành ở tỉ số F/M cao, giảm tuổi của bùn hoạt tính (thời gian lưu nước
trong bể ngắn).
Trong bể Aeroten khuấy đảo hoàn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxi hóa hòa tan
được khuấy trộn đều, tức thời. Do vậy, nồng độ bùn hoạt tính và oxi hòa tan được
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 78
phân bố đều ở mọi nơi trong bể và dẫn đến quá trình oxi hóa được đồng đều, hiệu quả
cao.
Ưu điểm của quy trình công nghệ này là:
+ Pha loãng ngay tức khắc nồng độ chất nhiễm bẩn, kể cả các chất độc hại (nếu
có).
+ Không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở một nơi nào trong bể.
+ Thích hợp cho xử lí nước thải có tải trọng cao, chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó
lắng.
Hình 5.11: Sơ đồ công nghệ của bể Aeroten thông khí cao có khuấy đảo hoàn
chỉnh
5.7.1.5. Cung cấp oxi cho Aeroten
Các vi sinh vật trong Aeroten chủ yếu ở dạng hiếu khí. Chúng cần oxi để duy trì
hoạt động sống: tăng trưởng số lượng tế bào và oxi hóa các chất hữu cơ nhiễm bẩn
nước. Trong nước thải có một ít oxi hòa tan được vi sinh vật sử dụng trong thời gian
đầu của quá trình sinh trưởng, sau đó lượng oxi này cạn kiệt. Nhu cầu oxi của vi khuẩn
hiếu khí trong Aeroten rất lớn. Các nguồn oxi do không khí khuếch tán vào nước và có
thể do tảo sinh ra trong quá trình quang hợp cũng không thể đáp ứng được nhu cầu
này. Do vậy, việc cung cấp oxi cho Aeroten – bể phản ứng sinh học hiếu khí và các
dạng công trình hiếu khí khác như các sinh học, mương oxi hóa…là vô cùng quan
trọng.
Trong một số quyển sách về vấn đề này thường được gọi là “Hệ thống làm
thoáng” Thực chất ở đây là cung cấp oxi, mà chủ yếu là oxi hòa tan pha lỏng (nước),
cho nhu cầu sinh lí của v Trong một số quyển sách về vấn đề này thường được gọi là
“Hệ thống làm thoáng” Thực chất ở đây là cung cấp oxi, mà chủ yếu là oxi hòa tan pha
lỏng (nước), cho nhu cầu sinh lí của vi sinh vật.
Cung cấp oxi có các biện pháp:
+ Thổi, nén khí.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 79
+ Làm thoáng cơ học
+ Thổi nén khí kết hợp với khuấy đảo cơ hoc.
Các trạm xử lí lớn cần hiếu khí tích cực cho các Aeroten, người ta thường trang bị
một trạm khí nén. Không khí được nén qua các máy nén khí (Compressor) và đưa vào
bình chứa với áp lực cao rồi xả dần qua các ống dẫn khí vào hệ thống phân phối khí
trong Aeroten.
Hệ thống khí nén cần có bình tách dầu mỡ để tránh làm tắc các lỗ phân phối khí
thành tia hoặc bọt nhỏ, cũng có thể có bình làm nguội khí nén để tránh hiện tượng làm
cho nước thải trong Aeroten tăng nhiệt độ quá giới hạn làm việc.
Việc phân phối khí đều trong các lớp nước ở Aeroten có ý nghĩa rất lớn. Nó ảnh
hưởng trực tiếp đến độ hòa tan của oxi, hệ số sử dụng oxi của vi sinh vật, đến hiệu quả
xử lí và công suất sử dụng điện năng, chi phí quản lí…Để phân phối khí người ta hay
dùng hệ thống ống lắp theo hình xương cá đặt trong lòng Aeroten; ống có đục lỗ nhỏ
để phun thành tia khí hoặc không đục lỗ mà cho phun thành dong bọt lớn; lắp ở đầu
khí ra là các ống xốp, tấm xốp hình vòng tròn, hình nón..
Kích thước các lỗ phân phối khí như sau:
d <= 0,1 mm cho bọt khí nhỏ
d từ 2 đến 5 mm cho bọt khí trung bình,
d từ 5 đến 25 mm cho bọt khí lớn.
Phổ biến nhất là phương pháp phân phối khí qua tấm xốp. Khí ra khỏi các lỗ nhỏ
của tấm xốp thành tia bọt khí làm cho hỗn hợp nước bùn chuyển động thành vòng
xoắn. Diện tích các tấm xốp chiếm tới 6 – 10% diện tích đáy bể.
Tấm xốp vuông thường có kích thước 0,3 x 0,3 x 0,04m. Đĩa xốp có đường kính
khoảng gần như thế. Vật liệu xốp được chế bằng oxit nhôm trộn với keramzit, đá thạch
anh, than cốc, backelit và bột thủy tinh rồi nung chảy.
Dùng tấm xốp có nhiều ưu điểm hơn so với ống đục lỗ: hệ số sử dụng không khí
tăng 1,75 lần. Song, biện pháp này cũng có nhược điểm là các lỗ của tấm xốp dễ bị kín
làm tắc dòng khí do cac nguyên nhân: bụi bẩn dầu mỡ trong không khí, gỉ sắt hoặc vi
khuẩn, nấm mốc phát triển ở trong các lỗ đó.
Phân phối khí bằng ống đục lỗ, sau một thời gian sử dung các lỗ này có thể bị vít
kín với các nguyên nhân giống như trên. Trong số ống đục lỗ người ta có thể dùng ống
có lỗ khoan với d = 2,5 mm. Các ống này đặt lơ lửng cách mặt nước là 0,8 – 1 m. Hoặc
có thể dùng quạt gió thổi mạnh thay máy nén khí.
Làm thoáng (hiếu khí) bằng các máy khuấy đảo cơ học. Các loại máy khuấy đảo
cơ học có thể là rất khác nhau, nhưng nguyên lí công tác đều giống nhau: khi thiết bị
làm việc sẽ tạo ra vùng áp thấp để không khí thâm nhập vào nước.
Các thiết bị làm thoáng cơ học có thể phân theo:
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 80
+ Hiệu ứng: loại xâm nhập sâu, loại xâm nhập bề mặt;
+ Mặt phẳng đặt trục quay của cánh khuấy: loại nằm ngang, loại đứng;
+ Cấu tạo của cánh khuấy: loại nón, đĩa, trục, bánh xe, tuốc bin và xoắn ốc.
Lắp hệ thống khuấy cơ học với các thiết bị thường không ngập quá sau trong
nước. Phần môtơ điện ở phía trên mặt nước làm quay hệ thống khuấy đảo để không
khí thâm nhập vào nước. Trong thời gian gần đây người ta chế tạo thiết bị làm thoáng
cơ học di động để khuấy đảo nước thải trong các hồ sinh học.
Với máy khuấy cơ học, có ý kiến cho rằng, nếu đảm bảo độ hiếu khí thì bùn hoạt
tính trong Aeroten sẽ lắng đọng tốt hơn, giá thành quản lí thấp hơn 15% so với khí
nén. Khuấy đảo cơ học có thể áp dụng cho Aeroten có công suất 800 – 3000 m3/ngày.
Hệ thống hiếu khí kết hợp gồm sục khí nước bằng khí nén và khuấy đảo bằng cơ
hoc. Hệ thống này có thể là các thiết bị tách rời: hệ thống khí nén và khuấy đảo riêng
biệt như đã giới thiệu ở trên hoặc đưa khí nén vào trục máy khuấy đứng có một hoặc
vài tua bin. Ở dưới tuốc bin cuối cùng ngập sâu ở trong nước, người ta gắn một vành
đục lỗ phân tán khí. Không khí đi ra khỏi lỗ nhỏ của vành thành tia kết hợp khuấy trộn
của cánh tuốc bin sẽ được hòa tan tốt hơn.
Hiếu khí khuấy trộn hòan chỉnh gồm hai hệ thống: sục khí nén và khuấy trộn bề
mặt tích cực thường trang bị cho các Aeroten xử lí các loại nước thải có chỉ số thể tích
bùn cao, cặn khó lắng và có thể là nước thải có BOD cao cần pha loãng ngay tức khắc
trong toàn thể tích bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ.
5.7.1.6. Mương oxi hóa
Năm 1950, lần đầu tiên ở Hà Lan, công trình đưa mương oxi hóa vào xử lí nước
thải do tiến sĩ Pasveer công tác tại Viện nghiên cứu Pulic Engineering chủ trì. Đến nay
mương oxi hóa có nhiều cải tiến và được áp dụng rộng rãi, đặc biệt ở các trạm xử lí
với quy mô nhỏ.
Mương oxi hóa là một dạng cải tiến của Aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc
trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính (sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật
trong nước thải) chuyển động tuần hoàn trong mương. Nước thải có độ nhiễm bẩn cao
BOD20 = 1000 – 5000 mg/l có thể đưa vào xử lí ở mương oxi hóa. Đối với nước thải
sinh hoạt chỉ cần qua chắn rác, lắng cát và không qua lắng 1 và có thể đưa vào mương
oxi hóa. Tải trọng của mương tính theo bùn hoạt tính vào khoảng 200g BOD5/kg.ngày.
Một phần bùn được khoáng hóa ngay trong mương. Do đó, số lượng bùn giảm khoảng
2,8 lần. Thời gian xử lí hiếu khí 1 – 3 ngày.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 81
Hình 5.12: Cấu tạo mương oxi hóa
Mương oxi hóa có dạng hình chữ nhật, hình tròn hay hình elíp. Đáy và bờ có thể
làm bằng bê tông cốt thép hoặc đào (đắp) đất có gia cố. Chiếu sâu công tác từ 0,7 đến
1,0 m. Tốc độ chuyển động nước trong mưong >= 0,3 m/s, làm thoáng (khuấy đảo)
bằng thiết bị cơ học với trục nằm ngang.
5.7.2. Lọc sinh học
5.7.2.1. Nguyên lý
Phương pháp lọc nước nói chung loài người đã biết từ lâu, song đưa đưa nó thành
một biện pháp công nghệ xử lí nước nói chung và nước thải nói riêng mãi tới thể kỷ
XIX mới được xác lập. Lọc sinh học lần đầu tiên được áp dung ở Mĩ năm 1891 và ở
Anh năm 1893. Khái niệm về sinh học lọc nhỏ giọt được phát triển từ khi dùng các bể
lọc tiếp xúc được chứa đầy các đá hòn bị đập vỡ và cho nước đi qua. Nước chảy qua
lọc, tiếp xúc với mọi vật liệu lọc trong khoảng thời gian ngắn.
Về nguyên lí của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi
sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các màng sinh
học, là tập thể các vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong
nước. Các màng sinh học, là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kị
khí và kị khí tùy tiện. Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở phần lớp ngoài của màng
sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá màng là các vật liệu lọc (được gọi là
sinh trưởng gắn kết hay sinh trưởng dính bám).
Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống,
sau đó nước thải đã làm sạch được thu gom xả vào lắng 2. Nước vào lắng 2 có thể theo
những mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra khi lọc làm việc. Trong thực tế, một phần
nước đã qua lắng 2 được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm
đặc trướ khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc.
Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng
sinh học. Màng này thường dầy khoảng 0,1 – 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị
phân hủy bở vi sinh vật hiếu khí. Sau khi thấm sâu vào màng, nước hết oxi hòa tan và
sẽ chuyển sang phân hủy bởi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 82
cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng kết
dính cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Hiện tượng này gọi là “tróc màng”.
Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện.
5.7.2.2. Phân loại
Lọc sinh học đang được dùng hiện này chia làm hai loại:
+ Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước
+ Lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước.
5.7.2.3. Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước
a. Lọc phun hay nhỏ giọt (Trickling filter)
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động
Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước. Các vật
liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong
điều kiện có thể. Nước đến lớp vật liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy
thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên
bề mặt vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí và kị khí
các chất hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO 2 và
nước, phân hủy kị khí sinh ra CH4 và CO2 làm tróc màng ra khỏ vật mang, bị nước
cuốn theo. Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại hình thành lớp màng mới. Hiện tượng
này được lặp đi lặp lại nhiều lần. Kết quả là BOD của nước thải vi sinh vật sử dụng
làm chết chất dinh dưỡng và bị phân hủy kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm
sạch.
Hình 5.13: Nguyên lý cấu tạo bể lọc sinh học nhỏ giọtNước thải trước khi đưa vào xử lí ở lọc phun (nhỏ giọt) cần phải xử lí sơ bộ để
tránh tắc nghẽn các khe trong vật liệu. Nước sau khi xử lí ở lọc sinh học thường nhiều
chất lơ lửng do các mảnh vỡ của màng sinh học cuốn theo, vì vậy cần phải đưa vào
lắng 2 và lưu ở đây thời gian thích hợp để lắng cặn. Trong trường hợp này, khác với
nước ra ở bể Aeroten: nước ra khỏi lọc sinh học thường ít bùn cặn hơn ra từ Aeroten.
Nồng đọ bùn cặn ở đây thường nhỏ hơn 500 mg/l, không xảy hiện tượng lắng hạn chế.
Tải trọng bề mặt của lắng 2 sau lọc phun vào khoảng 16 – 25 m3/m2.ngày.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 83
Vật liệu lọc
Vật liệu lọc khá phong phú: từ đá dăm, đá cuội, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm,
than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo tấm uốn lượn…Các loại đá nên chọn các cục có
kich thước trung bình 60 – 100mm. Chiều cao lớp đá chọn khoảng 0,4 – 2,5 – 4m,
trung bình là 1,8 – 2,5m, kích thước hạt, cục vật liệu nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa các
cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc bị hở
giảm nhiều dẫn đến giảm hiệu suất xử lí. Bể với vật liệu là đá dăm thường có dạng
hình tròn. Nước thải được phân phối trên bề mặt lớp vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn
quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt.
Các thanh gỗ, đặc biệt là gỗ đỏ ở Mĩ, và các tấm chất dẻo (plastic) lượn sóng hoặc
gấp nếp được xếp thành những khối bó chặt được gọi là môđun vật liệu. Các modun
này được xếp trên giá đỡ, khối lượng toàn bộ của vật liệu giảm đi nhiều và làm cho
chiều cao của lọc có thể tăng đáng kể (tới 9 hoặc 12 – 16m), giúp ta thiết kế những
tháp lọc
Những thập niên gần đây, do kĩ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC
(polyvinyl clorit), PP ( polypropylen) được làm thành tấm lượn sóng, gấp nếp, dạng
cầu khe hở, dạng vành hoa (plasdek), dạng vách ngăn…có đặc điểm là rất nhẹ
Phần lớn các vật liệu lọc có trên thị trường đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Diện tích riêng lớn, thay đổi từ 80 – 220 m2/m3
+ Chỉ số chân không cao để tránh lắng đọng ( thường cao hơn 90%)
+ Nhẹ có thể sử dụng ở độ cao lớn ( từ 4 đến 10 m hoặc cao hơn)
+ Có độ bền cơ học đủ lớn. Khi làm việc, vật liệu dính màng sinh học và ngậm
nước nặng tới 300 – 350 kg/m3. Để tính toán, giá đỡ thường lấy giá trị an toàn là 500
kg/m3
+ Quán tính sinh học cao
+ 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; tính xốp của vật liệu, bản chất của vật liệu.
Tuổi thọ trung bình của vật liệu chất dẻo vào khoảng chục năm. Việc thay chúng
do nhiều nguyên nhân: do quá bẩn, giá đỡ bị hỏng…
Hệ thống lọc sinh học được thiết lập đầu tiên tại trại thực nghiệm Lawrence, bang
Matsachusét, nước Mĩ năm 1891. Đến năm 1940 ở nước này đã có 60% hệ thống xử lí
nước thải áp dụng công nghệ lọc sinh học. Năm 1946 Hội đồng nghiên cứu của liên
bang về vấn đề lọc nước đã khuyến cáo dùng toán học để thiết kế các hệ thống lọc sinh
học. Sự phát triển các chất polime đã tạo điều kiện cho biện pháp công nghệ xử lí nước
thải bằng lọc sinh học được sử dụng rộng rãi.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 84
Trước đây vật liệu lọc thường là đá dăm, đá cuội có kích thước 25x100 mm với bể
lọc cao khoảng 1 – 25m, đến nay, nhờ có plastic làm vật liệu lọc, bể lọc có thể cao tới
9 – 10m hoặc 12 – 18 m (tháp lọc). Tùy thuộc vào đặc tính cũng như hàm lượng các
chất nhiễm bẩn ở trong nước, người ta thiết kế hệ đưa nước thải vào lọc bằng hệ thống
phun hoặc nhỏ giọt quay có điều chỉnh được thời gian nước ở lọc và tốc độ dòng chảy.
Với quần thể vi sinh vật bám vào các vật liệu lọc như đá granit, vòng gốm, nhựa
plastic…Qúa trình oxi hóa diễn ra rất nhanh. Do vậy, hệ thống này có những ưu điểm:
+ Rút ngắn được thời gian xử lí
+ Đồng thời có thể xử lí hiệu quả nước cần có quá trình khử nitrat hoặc phản
nitrat hóa.
Tuy vậy, hệ thống này có tác nhược điểm là không khí ra khỏi lọc thường có mùi
hôi thối và xung quang lọc có nhiều ruồi muỗi.
Thông khí ở bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học làm việc trong điều kiện thoáng khí. Ngoài việc cấp oxi cho vi
sinh vật ở màng sinh học hoạt động, thoáng khí còn có tác dụng loại ra khỏi lọc các
khí tạo thành do quá trình phân hủy các chất hữu cơ có trong nước, như CO2 và có thể
có cả CH4, H2S…
Thông khí ở đây có thể bằng cách tự nhiên hoặc nhân tạo. Thông khí tự nhiên là
do sự chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài bể lọc. Nếu nhiệt độ của nước thải lớn hơn
nhiệt độ của không khí thì không khí sẽ đi ra từ cửa thông khí ở thành phía dưới gần
đáy bể, qua lớp vật liêu lọc đi lên. Ngược lại, nếu nhiệt độ của nước thải thấp hơn
nhiệt độ của không khí thì hợp nhiệt độ của nước thải và không khí bằng nhau thì bể
lọc không thông khí. Trường hợp này khắc phục bằng thông khí nhân tạo.
Trong thông khí nhân tạo, người ta dung quạt gió thổi vào khoảng trống ở đây bề
mặt và không khí từ đó đi lên qua các khe hở của lớp vật liệu.
Lượng không khí cần thiêtd cho lọc sinh học tính theo công thức:
WKK = BOD20(g/m3.ngày)/21
WKK: lượng không khí cần thiết (m3/m2 nước thải.ngày)
21: tỉ lệ % của oxi trong không khí
Qua thực tế xác định được lượng oxi sử dụng trong lọc sinh học và trong các công
trình sinh học thường không quá 7 – 8% lượng oxi cung cấp.
Khi nhiệt độ dưới 60C, quá trình oxi hóa chất hữu cơ trong nước thải không xảy ra
b. Thiết bị lọc đĩa quay
Nước sau khi qua lọc phun hoặc nhỏ giọt, nhất là đối với lọc cao tải, có thể chưa
đạt yêu cầu, có thể cho nước tuần hoàn trở lại với mục đích tăng thời gian tiếp xúc
giữa nước thải với màng sinh học để tăng hiệu quả xử lí. Khi tuần hoàn nước trở lại
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 85
cũng làm tăng tải trọng thủy lực làm cho màng dễ bị vỡ và tróc khỏi vật liệu, đẩy mạnh
quá trình tạo màng
Hình 5.14: Lọc dạng đĩa quay
Đĩa quay sinh học được áp dụng đầu tiên ở CHLB Đức năm 1960 sau đó ở Mĩ và
Canada, 70% hệ thống RBC được sử dụng để loại BOD, 25% để loại BOD và nitrat,
5% để loại nitrat. Hệ đĩa quay gồm những đĩa tròn polystyren hoặc polyvinyl clorit đặt
gần sát nhau nhúng chìm khoảng 40 – 90% trong nước thải hoặc quay với vận tốc
chậm. Tương tụ như bể lọc sinh học, một lớp màng sinh học được hình thành và bám
chắc vào vật liệu đĩa quay
Khi quay, màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp
xúc với oxi hóa khi ra khỏi nước thải. Đĩa quay được nhờ môtơ hoặc sức gió. Nhờ
quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với không khí vừa tiếp xúc được
với chất hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ được phân hủy nhanh.
Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hoạt động của RBC là lớp màng sinh học.
Khi bắt đầu vận hàng các vi sinh vật trong nước bám vào vật liệu và phát triển ở đó
cho đến khi tất cả vật liệu được bao bởi lớp màng nhầy dầy chừng 0,16 – 0,32 cm.
Sinh khối bám chắc vào RBC tương ứng như ở màng sinh học.
Vi sinh vật trong màng bám trên đĩa quay gồm các vi khuẩn kị khí tùy tiện như
Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus,… Các vi sinh vật hiếu khí
như Bacillus thì thường có ở lớp trên của màng. Khi kém khí hoặc yếm khí thì tạo
thành lớp màng vi sinh vật mỏng và gồm các chủng vi sinh vật thường mùi khó chịu.
Nấm và các chất hữu cơ. Sự đóng góp của nấm chỉ quan trọng trong trường hợp pH
nước thải thấp hoặc các loại nước thải công nghiệp đặc biệt, vì nấm không thể cạnh
tranh với các loại vi khuẩn về thức ăn trong điều kiện bình thường. Tảo mọc trên bề
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 86
mặt lớp màng vi sinh vật làm tăng cường sức chịu đựng CO2 của lớp màng sinh học.
Nói chung pH tối ưu cho RBC là từ 6,5 – 7,8, khi để oxi hóa các chất hidratcacbon thì
pH thích hợp là 8,2 – 8,6. Để nitrat hóa, pH tối ưu khoảng 7,2 – 7,8. Quá trình nitrat
hóa có thể đưa tới việc kiềm hóa môi trường vì vậy thêm các chất kiềm như vôi chẳng
hạn là điều kiện cần thiết.
Các chất dinh dưỡng vô cơ trong nước thải sinh hoạt đủ cho sự phát triển của vi
sinh vật, vì vậy không cần thiết phải thêm chất dinh dưỡng. Tuy nhiên đối với nước
thải công nghiệp thì cần phải thêm chất dinh dưỡng, tỉ lệ thường đề nghị BOD 5: N:P là
100: 5 :1.
Nhiệt độ nước thải ở mức 13 – 320C không ảnh hưởng nhiều đến quá trình hoạt
động. Tuy nhiên khi nhiệt độ giảm dưới 130C thì hiệu quả xử lí giảm. Để đạt được hiệu
quả cao, nước thải phải được giữ ở điều kiện thoáng khí trong toàn bộ hệ thống để đảm
bảo quá trình oxi hóa hidratcacbon và nitrat hóa. Có đề nghị cho rằng nên giữ lượng
oxi hòa tan ở mức 1 – 2 mg/l trong bón xử lí để phòng việc thiếu oxi làm hạn chế mức
độ xử lí ở lớp dưới.
Mật độ trung bình 9300 m2/ trục dài 8m, mật độ cao từ 11000 – 16700 m2/ trục 8
m, thể tích thích hợp là 51/m2. Như vậy, sử dụng vật liệu lọc có bề mặt lớn sẽ có hiệu
quả cao. Vật liệu dạng lưới nói chung là tốt hơn dạng đĩa, vì bề mặt của dạng lưới lớn
hơn. Nhưng dùng dạng này ở giai đoạn đầu dễ bị tắc nghẽn dẫn đến việc đưa chất thải
vào chậm làm giảm hiệu lực của thiết bị. Vận tốc quay của điã khoảng 0,3 m/s.
Trong quá trình vận hành, sự sinh trưởng của vi sinh vật được gắn kết vào bề mặt
các đĩa và sẽ hình thành lớp màng mỏng trên các bề mặt xấp nước đĩa. Khi đĩa quay,
lần lượt sẽ làm cho lớp màng sinh học (sinh khối) tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước
thải với khí quyển để hấp thụ oxi. Đĩa quay sẽ ảnh hưởng tới sự vận chuyển oxi và
đảm bảo cho sinh khối tồn tại trong điều kiện hiếu khí. Đĩa quay cũng là một cơ chế để
tách chất rắn đã bị tróc màng. Một số mảng vỡ được tách khỏi đĩa, ở trạng thái lơ lửng
để sau đó theo dòng nước chuyển sang bể lắng. Đĩa sinh học có thể dùng để xử lí bậc
hai đồng thời cũng có thể hoạt động như kiểu quá trình theo mùa, nitrat hóa và khử
nitrat.
Đĩa quay sinh học thường được thiết kế trên cơ sở yếu tố tải trọng rút ra từ kết quả
nghiên cứu ở trạm thử nghiệm, mô hình sản xuất, mặc dù (có thể phân tích) năng suất
của nó theo phương pháp tiệm cận, tương tự như đối với các bể lọc sinh học. Cả hai
chỉ tiêu tải trọng thủy lực và tải trọng chất hữu cơ đều được dùng để xác định kích
thước công trình xử lí bậc hai. Các loại tải trọng đối với thời tiết ấm áp và toàn năm về
nitrat hóa sẽ thấp hơn nhiều so với tải trọng khi xử lí bậc hai.
Năng suất tải của đĩa RBC vào khoảng 0,5 – 1 kg BOD/m3.ngày. Nên giảm bớt
chất hữu cơ vào ơ giai đoạn đầu để đề phòng xảy ra hiện tượng thiếu oxi. Tải lượng
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 87
nước trên bề mặt vật liệu của RBC thay đổi trong khoảng 0,03 – 0,06 m3/m2.ngày với
nước thải xử lí lần 2 và 0,01m3/m2.ngày với nước cần xử lí nitrat. Mối liên quan giữa
thể tích bồn chứa và bề mặt vật liệu có ý nghĩa rất lớn. Dung tích tối ưu của bồn chứa
xử lí nước sinh hoạt là khoảng 4,88 1/m2 bề mặt vật liệu và thời gian lưu nước khoảng
40 – 90 phút cho oxi hóa các hợp chất cacbon hữu cơ và 90 – 240 phút cho nitrat hóa.
Về phương diện thiết kế RBC và thực tế thấy rằng, ở đĩa sinh học luợng sinh khối M
tồn tại là lớn và do đó tỉ số F/M là nhỏ. Chính vì lẽ đó các RBC có tải trọng thủy lực
cao và tải trọng các chất hữu cơ cũng cao, dẫn đến xử lí nước thải rất có hiệu quả.
Giáo viên biên soạn: Thái Mạnh Công 88
CHƯƠNG 6: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SINH HỌC KỊ KHÍ
6.1. Khái niệm
Phương pháp xử lý kị khí dùng để loại bỏ các chất hữu cơ trong phần cặn của nước
thải bằng vi sinh vật tuỳ nghi và vi sinh kị khí.
Hai cách xử lý yếm khí thông dụng là:
• Lên men axit: Thuỷ phân và chuyển hoá các sản phẩm thuỷ phân (như axit
béo, đường) thành các axit và rượu mạch ngắn hơn và cuối cùng thành khí cacbonic.
• Lên men metan: Phân huỷ các chất hữu cơ thành metan (CH4) và khí cacbonic
(CO2) việc lên men metan nhạy cảm với sự thay đổi pH. pH tối ưu cho quá trình là từ