Nghiên cứu mô hình thực nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học

nhiều hình thức dịch vụ ... Nước sử dụng cho những mục đích trên lại được thải lại vào chính nguồn nước nơi mà con người đã khai thác cho mục đích sử dụng của mình. Tất cả những hoạt động đó do thiếu quản lý hay hiểu biết đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước và ở nhiều lúc, nhiều nơi đã trở nên trầm trọng. Nước có vai trò quan trọng đối với sự sống nhưng nước không phải là vô tận. Khoảng 97% khối lượng nước trên bề mặt trái đất là nước mặn chỉ có một phần nhỏ là nguồn nước ngọt, con người có thể khai thác một phần nhỏ lượng nước ngọt phục vụ cho nhu cầu của mình . Nguồn nước ngọt vốn đã rất hạn chế đối với nhu cầu ngày càng tăng của con người vậy mà tại nhiều khu vực kể cả nước mặt lẫn nước ngầm đang bị ô nhiễm nghiêm trọn: như nước thải không được xử lý từ các nhà máy, xí nghiệp, từ các loại dịch vụ và từ các khu vực đô thị đã được thải vào các nguồn nước nhận. Đã có rất nhiều ví dụ về sự ô nhiễm nước tại một số khu vực trên thế giới, đặc biệt là tại các đô thị và khu công nghiệp lớn. ở Việt Nam bảo vệ tài nguyên nước bị cạn kiệt và tránh sự ô nhiễm gây ảnh hưởng đến sức khoẻ cộng đồng là vấn đề được xã hội quan tâm rất nhiều. Đã có nhiều chính sách được áp dụng nhằm bảo vệ nguồn nước, ngăn chặn các hành vi gây ô nhiễm nguồn nước. Nhiều công nghệ đã được nghiên cứu và áp dụng nhằm làm sạch lại nước thải sinh hoạt hay sản xuất đê có thể tái sử dụng lại cho những múc đích khác nhau. Để góp phần nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhằm làm sạch nước ô nhiễm và trên cơ sở đó có thể tái sử dụng nước, bảo vệ nguồn nước nhận, nhất là bảo vệ chất lượng nước các thuỷ vực gần khu vực dân cư, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu mô hình thực nghiệm có tên là : “ Nghiên cứu mô hình thực nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học”. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là: - Tìm hiểu một số quá trình lọc sinh học - Tìm hiểu và nghiên cứu sử dụng một mô hình xử lý nước thải sinh hoạt theo phương pháp của Nhật bản (Natural circulation system- NCS) có thể áp dụng được trong điều kiện Việt nam : Nguồn gốc hệ thống NCS. Nguyên lý, cấu tạo và chức năng của các bộ phận cơ bản trong hệ thống. Kết quả thực nghiệm. Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai. Phần 2 . Tổng quan 2.I. Sơ lược tình trạng ô nhiễm và ảnh hưởng của nước thải đối với môi trường xung quanh và sức khỏe con người . Nước là nhân tố không thể thiếu của mọi hoạt động của tất cả các hệ sinh thái bao gồm cả con ngươì. Chất lượng nước là yếu tố quyết định việc sử dụng nước cho mục đích gì. Nếu chất lượng nước kém so với yêu cầu sử dụng thì tức là nước đã bị ô nhiễm. Vì vậy người ta đã xây dựng các loại tiêu chuẩn để quy định chất lượng nước cho các mục đích sử dụng khác nhau, thí dụ nước dùng cho uống, nước dùng cho sinh hoạt, nước dùng cho nước cấp, nước nông nghiệp, công nghiệp .... Nói chung người ta sử dụng các thông số về tính chất vật lý, hoáhọc và sinh học để biểu hiện tính chất của nước, thí dụ: chất lượng vật lý: độ trong, độ đục, độ màu chất lượng hoá học: pH, oxy hoà tan (DO), BOD (nhu cầu oxy sinh hoá), COD (nhu cầu oxy hoá học), kim loại ... chất lượng sinh học: số lương khuẩn các loại ... Khi nước chịu tác động của các chất bẩn từ các hoạt động tự nhiên hay nhân tạo, chất lượng nước sẽ xấu đị so với yêu cầu hay so với tiêu chuẩn quy định, khi đó nước trở thành bị ô nhiễm. Nước ô nhiễm là nước có các chỉ tiêu lệch với tiêu chuẩn, thí dụ: pH vượt quá giới hạn 6-8,5 BOD5 lớn hơn 6 mg/L hàm lượng dầu vượt quá ... lượng Coliorm vượt quá .... thì khi đó nước không đủ tiêu chuẩn để làm nước cấp cho sinh hoạt nữa. Trong nhiều thập kỷ gần đây, do thiếu hiểu biết và thiếu các biện pháp quản lý cho nên nhiều nơi trên thế giới và ở Việt nam một số nguồn nước, bao gồm cả nước mặt và nước ngầm đã bị ô nhiễm bởi nhiều chất ô nhiễm khác nhau từ các nguồn ô nhiễm khác nhau. Chúng ta biết rắng 3/4 bề mặt trái đất là nước (khoảng 1,4 tỷ km3) trong đó chỉ có một phần rất nhỏ là nước ngọt bao gồm cả nước mặt (sông, ngòi , hồ , ao...) và nước ngầm chứa trong các tầng của địa quyển. Con người khai thác nước phục vụ cho nhu cầu của mình. Theo số liệu thống kê thì 73% lượng nước ngọt dùng cho sản xuất nông nghiệp, 21% dùng cho sản xuất công nghiệp và 6% dùng cho sinh hoạt của con người. Lượng nước ngọt vốn đã ít nhưng hiện nay đang chịu sự ô nhiễm nghiêm trọng do các hoạt động của con người gây ra dẫn đến kết quả làm ảnh hưởng đến chất lượng nước. Thay đổi giá trị pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4 , HN03, NaOH,…, khi pH thay đổi có nghĩa chất lượng nước bị thay đổi. Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên, trước hết là: Pb, Cu, Zn và PO42- , NO3- , NO2- . . . Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước cùng nước thải, từ khí thải và từ các chất thải rắn. Tăng hàm lượng các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là các chất khó bị huỷ bằng con đường sinh học ( chất hoạt động bề mặt dạng DBSA, các chất loại POP hay PAH . . . ) Giảm nồng độ oxy hoà tan trong nước làm giảm lượng oxy trong nước dùng cho các hoạt động của các thuỷ sinh Giảm độ trong của nước dấn đến ngăn cản sự truyền ánh sáng vào nước, và do đó dẫn đến làm giảm các phản ứng quang hợp đối với thực vật nước. Nước thải bị ô nhiễm khi thải vào môi trường làm thay đổi đặc tính của nước tự nhiên đẫn đến ảnh hưởng tới đời sống của các loài sinh vật trong đó có con người. Việc bảo vệ không tốt tài nguyên nước là nguyên nhân dẫn đến hàng năm khoảng 2/3 dân số thế giới không được cấp nước sạch và có 4,6 triệu trẻ em dưới 5 tuổi bị chết do các bệnh tật vì nước sinh hoạt không sạch. Nước thải sinh hoạt có chứa nhiều các hợp chất hữu cơ dễ hay khó phân huỷ và hệ vi sinh vật rất đa dạng trong đó có tất cả các vi sinh vật hiếu khí, yếm khí, virút gây bệnh, vi sinh vật gây bệnh đặc biệt là các bệnh truyền nhiễm , tiêu hoá (tả , lỵ . . . ) . Theo tổ chức Y tế thế giới (WHO) ở các nước đang phát triển có tới 60% dân số thiếu nước sạch để sử dụng và 80% bệnh tật có liên quan đến nguồn nước bị nhiễm bẩn. Trên thế giới, mỗi ngày có 25.000 người, mỗi năm có 25 triệu trẻ em bị chết vì phải dùng nước bẩn. Nguyên nhân là do bệnh tả một căn bệnh phổ biến do nguồn nước bị nhiễm bẩn. Thương hàn cũng là một căn bệnh lan truyền qua đường uống. 2.II. Phân loại nước thải và nguồn gốc gây ô nhiễm 2.II.1 Phân loại nước thải . Nước thải là nước sau khi đã sử dụng và được thải vào các nguồn tiếp nhận nước thải. Một trong các cách phân loại nước thải là có thể phân loại nước thải theo nguồn gốc phát sinh ra chúng, đó là cơ sở trong việc lựa chọn các biện pháp để quản lý hoặc công nghệ xử lý thích hợp. Theo cách phân loại này, có các loại nước thải sau : Nước thải sinh hoạt: Là nước thải được thải từ các khu dân cư, khu hoạt động thương mại, khu vực công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác. Nước thải công nghiệp va dịch vụ: Là nước thải được thải từ các quá trình công nghệ hay dịch vụ có sử dụng nước và thành phần của nước thải phụ thuộc vào công nghệ hay dịch vụ. Nước thải của sản xuất nông nghiệp : Thường là nước tưới tiêu trong trồng trọt hay nước ừ các khu vực nuôi và trồng : Chất hưũ cơ, phân hoá học, thuốc trừ sâu . Nước thải bệnh viện : Số lượng vi sinh vật lớn và đa dạng, nhiều vi sinh vật gây bệnh đặc biệt là các bệnh truyền nhiễm các hoá chất độc hại, nguy hiểm và có thể có phóng xạ. Nước từ các hoạt động thương mại như chợ chứa nhiều chất hữu cơ và rác Nước mưa nhiễm bẩn: Độ ô nhiễm của nước mưa phụ thuộc vào môi trường không khí, bề mặt ku vực có nước chảy tràn. 2.II.2 Nguồn gốc gây ô nhiễm 2.II.2.1 Nước thải sinh hoạt . Nước thải sinh hoạt ở các đô thị đông dân là nơi có nguồn nước thải lớn nhất. Nước thải từ các hộ gia đình với các bể tự hoại và nhà cầu chưa đạt tiêu chuẩn vệ sinh, nước thải chứa các thức ăn thực phẩm ôi thiu . . . đã làm ô nhiễm nguồn nước. Hiện nay, Hà Nội là thành phố có mật độ dân số cao, nhưng hệ thống cơ sở hạ tầng còn rất nghèo nàn, đa số đời sống của nhân dân còn nghèo, chỗ ở chật chội, các công trình phụ không hợp vệ sinh, nước thải được thải vào hệ thống cống không được mở rộng và sửa chữa nên dẫn đến việc ô nhiễm trầm trọng nước trong hệ thống cống nước thải. Và đặc biệt nghiêm trọng khi gặp tình trạng ngập lụt do mưa lũ: nước thải thành phố ô nhiễm bởi các vi khuẩn, vi trùng, vi rút gây bệnh cho con người và từ cống rãnh đã lan rông ra khắp địa bàn thành phố gây ra nhiều vấn đề về vệ sinh môi trường và cảnh quan. 2.II.2.2 Nước thải công nghiệp . Trong nước thải công nghiệp phụ thuộc và loại hình công nghiệp có các chất độc hại như kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ cao. Hàm lượng BOD, COD cao làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước và dẫn đến làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái của thuỷ vực. Một số nhà máy xí nghiệp tuy đã có hệ thống xử lý nước thải nhưng trang thiết bị và công nghệ cũ kỹ hoặc không có tiền bảo trì , do đó nước thải sau xử lý vẫn còn còn nhiều thông số chưa đạt tiêu chuẩn cho phép. Các chất hợp chất hữu cơ trong nước thải công nghiệp rất đa dạng, thí dụ như chất tẩy rửa tổng hợp, glixerin và dầu thực vật từ các xí nghiệp sản xuất bột giặt, nước thải từ các nhà máy chế biến lương thực – thực phẩm như nhà máy bia, rượu ... bao gồm nhiều hợp chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật, tuy có thể phân huỷ trong môi trường tự nhiên, nhưng rất dễ thối rữa gây ra ô nhiễm mùi và màu, và có đặc trưng là trị số BOD rất cao. Các nhà máy xí nghiệp dệt nhuộm thải ra môi trường ngoài xơ sợi, xút và axit, còn có nhiều hợp chất màu, chất trợ nhuộm, chất tảy ... là những hợp chất có thể khó phân huỷ và rất độc với môi trường thuỷ sinh. Nước thải ngành dệt nhuộm có đặc trưng là giá trị COD rất cao. Công nghiệp giấy và bột giấy thải ra nước thải có chứa nhiều chất xơ sợi từ tre gỗ nứa, các hợp chất dạng lignin rất khó phân huỷ, các chất hữu cơ khác cũng rất độc cho môi trường, được biểu hiện qua giá trị BOD , COD cao . . . 2.II.2.3 Nước thải từ hoạt động sản xuất nông nghiệp . Nước từ cánh đồng, vườn hoa quả mang theo một lượng lớn các chất bảo vệ thực vật. Các loại phân bón hóa học hay phân động vật bón cho đồng rộng theo nước mưa chảy tràn đã gây ra ô nhiễm nguồn nước, thí dụ làm giàu amoni và phospho trong nước thải nên gây tình trạng phì dưỡng (nồng độ nitơ và photpho cao, làm phát triển mạnh các loại tảo trong nước) cho ao, hồ. Đặc biệt là thuốc trừ sâu, diệt cỏ chứa chất hữu cơ và kim loại có độc tính cao đối với người và động vật. Trong nước thải từ hoạt đọng nông nghiệp còn có nước thải từ các chuồng trại chăn nuôi chứa nhiều phân động vật gây ra ô nhiễm hữu cơ. ô hiễm mùi và màu cho nguồn nước nhận. ở Việt nam sự ô nhiễm này là rất trầm trọng do lượng phân bón, thuốc trừ sâu được sử dụng với lượng lớn để đạt năng suất cây trồng cao. 2.II.2.4 Sự ô nhiễm nước từ các bãi rác và các chất thải rắn . Khi mưa, nước mưa cuốn trôi các chất thải rắn nhất là ở các bãi rác vào nguồn nước mặt đồng thời các chất bẩn cũng bị ngấm xuống nước ngầm gây ô nhiễm ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt và nước ngầm. Hiện nay ở Việt nam do các bãi rác chưa được thiết kế đúng tiêu chuẩn nên nước rác từ các nơi đổ rác không được thu gom và xử lý, dẫn đến việc nước rác làm ô nhiễm nguồn nước và đất. Nước rác chứa rất nhiều các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ có độc tính cao cho người và các hệ sinh thải trong nguồn nước nhận. Tính trung bình 1 ngày một người thải 0,5 kg chất thải rắn từ đó lượng rác chưa được đưa đến bãi rác nó tồn đọng trên đường phố cũng góp phần đáng kể cho sự ô nhiễm môi trường. Các rác thải độc hại trong nhà máy hay bệnh viện không được phân loại và xử lý là những nguồn ô nhiễm rất nguy hiểm. 2.II.2.5 Nước thải từ bệnh viện . Nước thải từ bệnh viện là nước thải chứa rất nhiều hoá chất, bệnh phẩm và vi trùng nếu không được qua xử lý mà thải ra cống rãnh chung sẽ là nguồn ô nhiễm rất nguy hiểm độc hại không chỉ cho nguồn nước nhận mà còn cho người và động thực vật. Tại Việt nam do nhiều nguyên nhân trong đó có nguyên nhân về kinh phí hạn hẹp nên ít bệnh viện lắp đặt hệ thống xử lý nước thải, cá biệt có trạm xử lý nhưng lại bị hạn chế về kinh phí để duy trì hoạt động và sửa chữa. Do đó nước thải bệnh viện hiện đang là nguồn ô nhiễm rất đáng kể. . 2.III. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải bằ con đường sinh học. Về nguyên tắc thì Phương pháp xử lý sinh học được dựa trên cơ sở sử dụng các quá trình hoạt động sống của vi sinh vật để phân huỷ các chất ô nhiễm trong nước thải. Quá trình hoạt động sống của vi sinh trong tự nhiên chính là quá trình trao đổi chất để duy trì sự sống của vi sinh trong tự nhiên. Trong sự trao đổi chất này vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, một số khoáng chất trong nước hoặc trong một số trường hợp cùng với nguồn ôxy trong không khí thải làm nguồn dinh dưỡng để chuyển hoá thành năng lượng và kết quả của các phản ứng sinh hoá này là khí thải CO2, nước và tạo ra những vi sinh vật mới, do đó làm tăng sinh khối của quần thể vi sinh vật. Quá trình này về thực chất là quá trình oxyhoá sinh học. Đồng thời, do lượng chất hữu cơ bị tiêu thụ cho quá trình trao đổi chất nên nồng độ chất hữu cơ sẽ giảm đi và kết quả là nước thải sẽ được làm sạch hơn bởi các vi sinh vật. 2.III.1 Điều kiện của nước thải có thể xử lý sinh học . Để cho quá trình chuyển hoá vi sinh xẩy ra đươc thì vi sinh vật phải tồn tại đươc trong môi trường xử lý. Muốn vậy thì nước thải được xử lý sinh học phải thoả mãn các điều kiện sau: - Nước thải không có chất độc với vi sinh vật như các kim loại nặng, dẫn xuất phenol và cyanua, các chất thuộc loại thuốc trừ sâu và diệt cỏ, hoặc nước thải không được có hàm lượng axit hay kiềm cao quá, không được chứa dầu mỡ - Trong nước thải hàm lượng các chất hữu cơ dễ phân huỷ so với các chất hữu cơ chung phải đủ lớn, điều này thể hiện qua tỷ lệ giá trị hàm lượng BOD / COD 0,5 . 2.III.2 Nguyên lý của quá trình ôxy hoá sinh học Cơ chế của quá trình : Quá trình ôxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ trong môi trường nước thải chính là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ của các vi sinh vật. Qúa trình này gồm ba giai đoạn, diễn ra với tốc độ khác nhau nhưng có quan hệ chặt chẽ với nhau. -Giai đoạn khuyếch tán chất hữu cơ từ nước thải tới bề mặt các tế bào vi sinh vật. Tốc độ của giai đoạn này do quy luật khuyếch tán và trạng thái thuỷ động của môi trường quyết định. -Giai đoạn chuyển các chất hữu cơ đó qua màng bán thấm của tế bào do sự chênh lệch bên trong và bên ngoài của tế bào . -Giai đoạn chuyển hoá sinh hoá các chất trong tế bào vi sinh vật, để tạo ra năng lượng, tổng hợp tế bào mới và có thể tạo ra các chất mới. 2.III.3 Tác nhân sinh học trong quá trình xử lý . Vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học là vi sinh vật. Hệ vi sinh vật trong nước nói chung và trong nước thải nói riêng rất đa dạng và phong phú, phụ thuộc vào bản chất của nước và nước thải cũng như các điều kiện về môi trường. Thường trong nước thải có chứa nhiều loài: vi khuẩn, nguyên sinh động vật, protoza... Vi sinh vật tham gia vào các quá trình xử lý nước thải được sử dụng chủ yếu dưới hai dạng: bùn hoạt tính hoặc màng màng sinh học. + Bùn hoạt tính: Là huyền phù vi sinh vật trong nước thải dưới dạng bông màu nâu vàng có kích thước 3 – 5 micromét, bông này khi tụ hợp lại với nhau thì dễ lắng. Bùn hoạt tính có cấu tạo gồm các vi sinh vật, vi khuẩn, các nguyên sinh động vật protoza... phát triển thành sinh khối nhầy và chắc. Hoạt tính của vi sinh vật là kết quả của sự vận chuyển ôxy vào bông sinh học. Trong điều kiện khuấy trộn và làm thoáng ở bể với bùn hoạt tính thông thường bông sinh học có một lớp phủ trên bề mặt được gọi là bề mặt hiếu khí. Tính chất lắng và nén của bùn hoạt tính là hai chỉ tiêu chính để đánh giá sự thành công của phương pháp xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính. Việc tạo bông liên quan chặt chẽ tới tốc độ phát triển của vi sinh vật và phụ thuộc vào bản chất của chất ô nhiễm, nồng độ ôxy hoà tan và mức độ chảy rối. + Màng sinh học ( Màng sinh vật ). Màng sinh học là một hệ thống vi sinh vật phát triển trên bề mặt các vật liệu xốp, tạo thành màng dày 1-3mm. Màng sinh học cũng bao gồm các vi khuẩn, nấm nguyên sinh động vật ... Màng sinh học tuy mỏng nhưng có cấu tạo gồm hai lớp : - Lớp yếm khí ở sát môi trường lọc. - Lớp hiếu khí ở bên ngoài lớp yếm khí. Qúa trình xảy ra ở màng sinh học(màng lọc sinh học) thường được xem như quá trình hiếu khí nhưng thực chất là hệ thống vi sinh vật hiếu – yếm khí. Khi dòng nước thải chảy trên lớp màng sinh vật, các chất hữu cơ và oxy hoà tan khuyếch tán qua màng và ở đó diễn ra các quá trình trao đổi chất. Sản phẩm của quá trình trao đổi chất (CO2)thải ra ngoài qua màng. Trong suốt quá trình, oxy hoà tan luôn được bổ xung từ không khí. Theo thời gian, màng sinh học dầy dần lên. 2.III.4 Các phương pháp sinh học xử lý nước thải và các hình thức xử lý nước thải 2.III.4.1 Các phương pháp sinh học xử lý nước thải. +Phương pháp hiếu khí : Sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí (để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp ôxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng200C - 400C) Phương trình sinh hoá tổng quát các phản ứng ôxy hoá sinh hoá ở điều kiện hiếu khí CxHyOzN+(x+y/3+z/3+3/4)O2 xCO2 +(y-3/2)H20+NH3 +E (1) CxHyOzN +NH3 +O2 C5H7NO2 +CO2 + E (2) trong đó : CxHyOzN là chất hữu cơ có trong nước thải C5H7NO2 là công thức theo tỉ lệ trung bình các nguyên tố chính của tế bào vi sinh vật E là năng lượng Phương trình (1) biểu diễn sự ôxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào. Phương rtình (2) biểu diễn quá trình tổng hợp để tạo ra tế bào hay vi khuẩn mới Lượng ôxy tiêu tốn cho các phản ứng này chính là giá trị tổng BOD của nước thải. Như vậy nếu tiếp tục quá trình ôxy hoá khi không còn đủ chất dinh dưỡng sẽ diễn ra quá trình ôxy hoá chất liệu tế bào C5H7NO2 + 502 vsv 5CO2 + NH3 + 2H2O +E NH3 +O2 v sv HNO2 + O2 vsv H NO3 + Phương pháp yếm khí : Là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hô hấp yếm khí, thực hiện quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hoá sinh hoá này là tạo ra các chất hữu cơ đơn giản có mạch cacbon ngắn hơn như CH4, CH3COOH, CO2 . . . Với nhiều công trình xử lý nước thải khác nhau ta thấy rằng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có hiệu quả xử lý cao nhưng thời gian xử lý kéo dài. Tuy nhiên một đặc trưng rất quan trọng đối với xử lý sinh học là quá trình này không gây ô nhiễm thứ cấp, tức là không tạo ra các sản phẩm có thể tiếp tục gây ô nhiễm nước. Ngoài ra xử lý sinh học còn có mọt số ưu điểm quan trọng sau đây: - Xử lý triệt để với hiệu suất cao. - ít sử dụng hoá chất, không gây độc hại. - Có hiệu quả kinh tế. Có thể tận dụng sản phẩm của quá trình xử lý (bùn sinh học và khí sinh học) để làm phân bón, khí đốt... 2.III.4.2 Các hình thức xử lý sinh học nước thải . Trong điều kiện tự nhiên . Cánh đồng lọc : Là phương pháp sử dụng các hệ động thực vật trên và trong lòng đất để xử lý các chất hữu cơ trog nước thải khi chúng được phun dưới dạng tưới trên một khoảng đất có cây cơ nào đó. Phương pháp này đòi hỏi phải có diện tích đất lớn. Tuy nhiên việc xử lý nước thải bằng phương pháp này đơn giản, hiệu quả xử lý cao : 90% các chất hữu cơ có thể được xử lý, không còn vi sinh vật gây bệnh trứng kí sinh trùng nhờ ánh sáng mặt trời . Phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện tự nhiên, đồng thời hệ thống mương dẫn hở và bụi sương nước thải khi hun có thể gây ra ô nhiễm thứ cấp cho môi trường không khí . Hồ sinh học : Trong hồ sinh học diễn ra các quá trình sinh hoá liên tiếp. Trước tiên, các chất hữu cơ bị vi sinh vật phân huỷ. Các sản phẩm tạo thành từ sự phân huỷ sẽ được rong tảo trong hồ sử dụng để làm nguồn dinh dưỡng. Hoạt động sống của rong tảo và các thực vật trong hồ lại là nguồn tạo ra oxy tự do hoà tan trong nước để vi sinh vật sử dụng để phát triển sinh khối. Có nhiều loại xử lý bằng phương pháp hồ sinh học như sau: Hồ yếm khí: Là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí phân huỷ các chất bẩn hoà tan và lắng trong lớp bùn trầm tích của hồ. Chất lượng nước sau xử lý do vậy cho hiệu quả không cao: BOD vẫn ở mức nồng độ : 100 300 mg / l . Hồ hiếu khí tuỳ tiện : Là loại hồ phổ biến trong thực tế xử lý nước thải. Trong hồ diễn ra hai quá trình song song. - Oxy hoá sinh hoá hiếu khí các chất bẩn hoà tan. - Lên men metan ( yếm khí ) cặn lắng ở đáy hồ. Hồ hiếu khí ( hồ hiếu khí làm thoáng tự nhiên ) Khi đó oxy được cấp vào nhờ khuyếch tán qua mặt thoáng chủ yếu nhờ khả năng quang hợp của rong tảo. Hồ sinh học có khả năng xử lý lượng nước thải lớn và có tải lượng ô nhiễm cao, chi phí vận hành thấp và sử dụng được nguồn vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên. Tuy nhiên đòi hỏi phải có diện tích mặt bằng lớn, thời gian lưu nước kéo dài, có thể gây ô nhiễm đến môi trường xung quanh. Do vậy, nên kết hợp chức năng làm sạch nước thải với các mục đích khác nhau như nuôi trồng thuỷ sản tưới tiêu cho nông nghiệp. Trong điều kiện nhân tạo. + Bể thông khí sinh học Aeroten. Là phương pháp làm sạch sinh học với bùn hoạt tính. Nguyên lý : Bể aeroten là một bể phản ứng sinh học trong đó khí được cung cấp liên tục bằng hệ thống sục khí, và trong quá trình này sinh khối bùn được khuấy trộn và làm thoáng đồng thời cùng với nước thải. Nước thải trước khi xử lý phải được lắng sơ bộ để tách các chất bẩn và phải xử lý sơ bộ để loại các chất độc hại đối với vi sinh vật. Nước ra khỏi bể aeroten được qua bể lắng đợt 2 để tách bùn. Một phần bùn tách ra được hoàn trở lại bể aeroten. Nước sau lắng đạt sẽ có thể đạt tiêu chuẩn thải. Các dạng aeroten Tuỳ thuộc vào tính chất của nước thải, hệ thống aeroten có những loại hình với đặc trưng khác nhau. @ Phân loại theo nguyên lý hoạt động. - aeroten thông thường Thích hợp cho xử lý nước thải phải có BOD 400 mg / l - aeroten tái sinh bùn . Sau khi bùn ra được vào bể phục hồi bùn rồi mới quay trở lại aeroten, sử dụng cho loại nước thải có chứa chất hữu cơ tạo keo khó tan, chậm chuyển hoá. @ Phân loại theo chế độ thuỷ động lực : aeroten kiểu đẩy . aeroten khuấy trộn . aeroten trung gian . @ Phân loại theo tải trọng : aeroten tải trọng thấp . aeroten tải trọng trung bình . aeroten cao tải . +Hệ thống lọc sinh học . a. Nguyên lý : Phương pháp lọc sinh học là một quá trình lọc nước thải qua môt hệ thống vật liệu lọc mà trên đó xẩy ra các phản ứng sinh hoá (oxy hoá sinh học các chất hữu cơ). quá trình lọc được thực hiện trong các bể lọc sinh học: là một hệ thống vi sinh vật sinh trưởng và được cố định tạo thành lớp màng bám trên bề mặt môi trường lọc. Nước thải chảy trên bề mặt đó và tiếp xúc với màng sinh vật, các chất hữu cơ và oxy hoà tan khuyếch tán qua màng và ở đó diễn ra quá trình trao đổi chất. Từ các quá trình trao đổi chất CO2 được thải ra ngoài màng. Bể lọc có thể có dạng hình hộp hoặc hình trụ,trong đó có chứa vật liệu lọc dạng xốp tự nhiên hay nhân tạo và có kích thước hạt thay đổi lọc 1,5 – 2cm. Nước thải được dẫn và phân phối đều trên bề mặt lớp vật liệu lọc và được “lọc” qua lớp vật liệu lọc rồi sau đó được dẫn ra ngoài hệ thống loc. Trong quá trình tiếp xúc với nước thải, sẽ hình thành dẫn dần trên bề mặt vật liệu một lớp hay màng vi sinh vật. Chính các vi sinh vật này thực hiện các quá trình làm sạch các chất hữu cơ (BOD và COD) thông qua các quá trình trao đổi chất và phát triển sinh khối trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Ưu điểm của phương pháp lọc sinh học . Đơn giản cả về kết cấu thiết bị cũng như vận hành. Tải trọng có thể thay đổi trong giới hạn rộng . Tiêu hao năng lượng thấp . Phương pháp lọc sinh hoc sẽ phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố sau: ã Bản chất của các hợp chất hữu cơ trong nước thải. ã Các điều kiện làm thay đổi tốc độ oxy hoá sinh học. ã Cường độ hô hấp của vi sinh vật. ã Chiều dày lớp màng sinh học và thành phần các vi sinh vật trong màng. ã Cường độ cấp khí, diện tích và chiều cao bể lọc . ã Các điều kiện vật lý để thực hiện quá trình như nhiệt độ ,tính chất vật lý của thiết bị ,tải trọng thuỷ lực... b. Bể lọc sinh học : Vật liệu lọc là các vật liệu xốp tự nhiên hay nhân tạo (thí dụ cuội, đá xốp ...) có đường kính dao động trong khoảng 20 30 mm Chiều cao lớp vật lọc trong các bể lọc khoảng 1,2 2 m Tải trọng nước thải của bể thấp 0,5 1,5 m3 nước / 1 m3 Hiệu suất xử lý nước thải theo BOD > 90% . c. Tháp lọc sinh học : Nước thải tưới lên mặt bể nhờ hệ thống phân phối Cấp khí cưỡng bức bằng hệ thống thông gió từ đáy tháp. Lượng khí cấp khoảng 8 12 m3 / m3 nước thải . - Vật liệu lọc thường là các loại cuội , đá . . . có đường kính 40 70mm . Có tải trọng thuỷ lực cao : 10 20 m3 nước / m3 mặt bể lọc . c. Đĩa lọc sinh học : Vật liệu lọc gồm những tấm nhựa lớn lắp trên một trục thành từng lớp trên bề mặt đĩa có một lớp màng sinh vật dày từ 1 4 mm. Khi đĩa quay sẽ đảm bảo cung cấp oxy và tiếp xúc với nước thải. Quá trình trao đổi chất diễn ra trên bề mặt đĩa. Sinh khối dư thừa sau trao đổi chất sẽ được tách ra ở bể lắng. Tải trọng thuỷ lực:10m3 nước thải/m3vật liệu lọc / ngày Tiêu hao năng lượng thấp (do thiết bị cơ khí đơn giản). Trên thế giới hiện nay phương pháp làm sạch nước thải bằng sinh học được sử dụng rộng rãi .Dựa trên nguyên lý của phương pháp làm sạch bằng sinh học, với tác nhân oxy hoá sinh học là các vi sinh vật có trong bùn hoạt tính hoặc màng sinh vật ,có rất nhiều loại công trình thiết bị xử lý được đưa ra nhằm nâng cao hiệu suất làm sạch, rút ngắn thời gian làm sạch. @ Phin lọc sinh học nhúng chìm. Phương pháp này doV.D.Mtredlisvili,V.B.Trantribadze và K.V.Trkuaselidze. Phin lọc sinh học nhúng chìm hoạt động theo nguyên lý làm việc của đĩa sinh học.Các tác giả đã tìm cách nâng cao hiệu quả sử dụng của thiết bị bằng cách phun nước thải lên các đĩa, đồng thời lắp thêm các túi gió bằng gốm có thành mỏng và phẳng, lắp ngay phía dưới và rìa mép đĩa ở cả hai đĩa. Số lượng túi gió có thể là 4 hoặc nhiều hơn 4. Khi trục quay, các đĩa quay theo chiều kim đồng hồ đây nước được tiễp xúc với oxy và sự oxy hoá nước thải diễn ra. Thiết bị này đảm bảo cung cấp oxy cho quá trình làm việc và do đó đẩy mạnh tốc độ oxy hoá nước thải. @ Phin lọc sinh học kiểu tang trống. Phương pháp này do A.Kondrattrev,I.Kraxnoborovko,A.Parianov. Phin lọc kiểu tang trống cấu tạo gồm một tang trống được lắp nghiêng góc 450-600 theo trục ngang, đặt trong thùng. Tác nhân làm sạch là màng sinh học. Màng sinh học phát triển các bề mặt bên trong và bên ngoài các khe hở của ống, trên các chất tải rỗng xốp,phía bên trong tang trống.Màng thực hiện trao đổi chất với các chất bẩn trong nước thải,đến độ dày nào đó màng sinh học rơi xuống làm tăng tốc độ phát triển cho phần màng còn bám lại. Vì vậy phin lọc tang trống đã nâng cao hiệu quả làm sạch nước thải do có sự lắng đọng các chất lơ lửng và màng sinh học dư thừa. Chương II. đối tượng và phương pháp nghiên cứu. II.1. Mục đích của đề tài: Có nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt là loại nước có chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân huỷ. Một trong những phương pháp đó là lọc sinh học. Lọc sinh học có thể có nhiều dạng cải biên khác nhau. Một trong những cải biên đó là lọc sinh học theo nguyên lý tuần hoàn tự nhiên của các tác giả Nhật Bản. Mục đích của đề tài này là kiểm chứng phương pháp Xử lý nước thải bằng phương pháp lọc sinh học theo phương pháp tuần hoàn tự nhiên của Nhât và xem khả năng áp dụng tại Việt nam. II. 2. Đối tượng nghiên cứu . II. 2.1. Nước thải Nước thải được lấy ở mương trước cổng Viện hoá học công nghiệp ( Cầu Diễn – Từ Liêm – Hà Nội ) và về cơ bản nó có nguồn gốc từ khu dân cư tập thể Viện hoá . Nước thải có thể có một phần nước thải mang đặc trưng nước thải công nghiệp do các hoạt động sản xuất nhỏ trong khu vực lẫn vào. II. 2.2 Mô hình . Như đã nói ở trên phương pháp này xuất phát trong những năm gần đây từ Trường Nông nghiệp thuộc Đại học Tông hợp Tokyo, Nhật. Mô hình này ở Nhật được gọi là hệ thống Shimato – gawa. ở đó họ đã ứng dụng phương pháp này rất thành công để xử lý nước sông và hồ. Hiện nay, chúng tôi tiến hành nghiên cứu mô hình này trong phòng thí nghiệm với vật liệu hỗn hợp: một số được mang từ Nhật về còn một số thay bằng vật liệu ở Việt Nam. II.I.2.1 Nguyên lý hoạt động của mô hình ( hệ thống ) Mô hình này về bản chất là mô hình lọc sinh học các các tầng lọc tĩnh và hoạt động xử lý nước thải dựa vào khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật hiếu khí và yếm khí trong nước thải. Hệ vi sinh vật hỗn hợp hiếu khí và yếm khí này sẽ được dần dần tăng trưởng về sinh khối ngay trên bề mặt và trong môi trường sống (vật liệu) được sử dụng làm vật liệu lọc trong các bể của hệ thống . Vào Ra 45 cm 50 cm 16 cm Hệ thống bể lọc theo mô hình này gồm một dãy 5 bể có các chức năng hoạt động khác nhau và được thể hiện bằng hình vẽ sau đây: Hình 2 . Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải . Nước thải vào Nước sạch ra LS LS LS PL LS CH PA BC DW PL2 PL1 sục khí sục khí Thùng1 Thùng2 Thùng 3 Thùng4 Thùng 5 Như trên chúng tôi nói hệ thống này bắt nguồn từ Nhật và một số vật liệu chúng tôi đem về thử nghiệm ở Việt Nam còn lại một số thay thế bằng vật liệu của mình . Các chữ viết tắt trên các cột thể hiện các loại vật liệu lọc khác nhau như sau: PL1 – ống nhựa . PL2 – Quả bóng nhựa . BC – Than hoạt tính có thấm chitosan (Vật liệu này chúng tôi sử dụng vật liệu của Nhật) CH – Than hoa ( than củi ) LS - Đá vôi đã qua xử lý . DW – Gỗ mục . PA - Đất mang tính axít . Vật liệu này là vật liệu khai thác ở Việt Nam. Mục đích cơ bản khi sử dụng mô hình này trong khuôn khổ của luận án nghiên cứu chỉ là tìm điều kiện thích hợp trong điều kiện nước thải sinh hoạt và điều kiện khí hậu của Việt Nam. Và trên cơ sở đó có thể ứng dụng để xử lý nước ở sông và hồ ở Việt Nam . Các chức năng của các bể khác nhau trong hệ thống bao gồm: Bể 1 : Bể này là bể lắng và được tiến hành trong điều kiện yếm khí ( không sục khí ). Khi đó trong bể sẽ xẩy ra quá trình sự kết tủa của các ion kim loại nặng. Chúng được giữ lại trên bề mặt dưới dạng sunphua kim loại vì ngay trong nước thải sinh hoạt có thể có nhiều hợp chất chứa (S ). Tại bể này khả năng oxy hoá và khử thấp lượng do oxy hoà tan thấp. Trong bể này các vi sinh vật yếm k._.