CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 1. Phương pháp xử lý cơ học Phương pháp xử lý cơ học được sử dụng dựa vào các lực vật lý như lực trọng trường, lực ly tâm… để tách các chất không hòa tan, các hạt lơ lửng có kích thước đáng kể ra khỏi nước thải, Phương pháp này tương đối đơn giản, rẻ tiền và hiệu quả xử lý chất lơ lửng tốt nên thường được áp dụng rộng rãi. Các công trình thường được sử dụng chủ yếu như: Song lưới chắn rác, Thiết bị nghiền rác, Bể điều hòa, Khuấy trộn, Lắng, Lắng cao tốc, Tuyển nổi, Lọc, Hòa tan khí, Bay hơi và tách khí, Việc áp dụng các công trình này được tóm tắt dưới bảng sau: Bảng 1 : Công dụng các công trình cơ học trong xử lý nước thải: Công trình Áp dụng (1) Song chắn rác Tách các chất rắn có kích thước lớn hay nhỏ.
Nghiền các chất rắn thô đến kích thước nhỏ hơn và đồng (2) Nghiền rác nhất. (3) Bể điều hòa Điều hòa lưu lượng, tải trọng BOD và SS. Khuấy trộn hóa chất hay khí vào trong nước thải nhưng vẫn (4) Khuấy trộn giữ cặn ở trạng thái lơ lửng. Tạo các hạt cặn nhỏ thành các hạt có kích thước lớn hơn để (5) Lắng tách cặn bằng lắng trọng lực và nén bùn.
Tách các hạt cặn lơ lửng nhỏ và các hạt cặn có tỷ trọng xấp (6) Tuyển nổi xỉ tỷ trọng nước, hoặc sử dụng để nén bùn sinh học. (7) Lọc Tách các hạt lơ lửng còn lại sau xử lý sinh học hoặc hóa học. (8) Vận chuyển khí Bổ sung hoặc tách khí. (9) Bay hơi và bay khí Bay hơi các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ra khỏi nước thải.
Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý Chủ yếu dựa vào các đặc tính hóa học, các phản ứng hóa học để xử lý nước thải. Mặc dù hiệu quả xử lý cao nhưng do chi phí xử lý tốn kém và đặc biệt là có khả năng tạo thành các sản phẩm phụ độc hại nên phương pháp này thường ít được sử dụng. Bảng 2: Công dụng các quá trình hóa học trong xử lý nước thải: 7 Thiết kế và xử lý nước thải khu dân cư 100.000 dân Đồ án Kỹ thuật xử lý nước thải đô thị - Nhóm thực hiện: Nhóm 7 Quá trình Áp dụng Tách photpho và nâng cao hiệu quả của việc tách cặn Kết tủa lơ lửng ở bể lắng bậc 1. Tách chất hữu cơ không được xử lý bằng phương Hấp phụ pháp hóa học thông thường hoặc bằng phương pháp sinh học.
Khử trùng Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh. Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh, Chlorine Khử trùng bằng Chlorine là chất được sử dụng rộng rãi nhất. Khử Chlorine Tách lượng Clo dư còn lại sau quá trình Clo hóa. Khử trùng bằng ClO2 Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh.
Khử trùng bằng BrCl2 Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh. Khử trùng bằng Ozone Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh. Khử trùng bằng tia UV Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh. Phương pháp sinh học Phương pháp sinh học thường được áp dụng xử lý nước thải sinh hoạt, Mục đích xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ và tách các hạt keo không lắng, ổn định( phân hủy) các chất hữu cơ nhờ sự hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí.
Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí như: CO 2, N2, CH4 ,H2S, các chất vô cơ như NH4+, PO43- và các tế bào mới. Do VSV đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý sinh học nên tùy vào tính chất hoạt động của chúng, phương pháp xử lý sinh học có thể chia thành 2 loại hiếu khí và kị khí, ngoài ra trong một số trường hợp, người ta cũng sử dụng kết hợp cả 2 quá trình kị khí và hiếu khí. Hoặc có thể được phân loại thành các công trình sinh học trong điều kiện tự nhiên và nhân tạo. 8 Thiết kế và xử lý nước thải khu dân cư 100.000 dân Đồ án Kỹ thuật xử lý nước thải đô thị - Nhóm thực hiện: Nhóm 7 Kết hợp Hiếu khí Kị khí Thiếu khí hiếu-kị khí Ao hồ hiếu Tự nhiên Nhân tạo Tự nhiên Nhân tạo khí - kị khí Ao sinh học Lọc sinh Ao sinh học UASB hiếu khí học kị khí Cánh đồng Aerotank Lọc kị khí tưới Kị khí tiếp Đĩa quay xúc Mương oxy hóa Hình 1: Sơ đồ các phương pháp Phương pháp kị khí Phương pháp kị khí sử dụng nhóm VSV kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxi.
Quá trình phân hủy kị khí các CHC là các quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hoá trong điều kiện kị khí có thể biểu diễn như sau: Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kị khí thành: + Quá trình xử lý kị khí với VSV sinh trưởng dạng lơ lửng. + Quá trình xử lý kị khí với VSV sinh trưởng dạng dính Xử lý nước bằng phương pháp xử lý sinh học kị khí với VSV sinh trưởng dạng lơ lửng 9 Thiết kế và xử lý nước thải khu dân cư 100.000 dân Đồ án Kỹ thuật xử lý nước thải đô thị - Nhóm thực hiện: Nhóm 7 + UASB: lớp bùn được lắng dưới đáy bể, dưới tác dụng của VSV kị khí chúng được chuyển hóa thành metan và cacbon dioxide. + Ao hồ kị khí: các VSV kị khí hoạt động sống không cần oxy của không khí Xử lý nước bằng phương pháp xử lý sinh học kị khí với VSV sinh trưởng dạng bám dính + Quá trình xử lý nước thải bằng lọc sinh học kị khí: lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ.
Phương pháp hiếu khí Điều kiện sử dụng: + Trong nước thải có pH dao động trong khoảng 6,5 ÷ 8,5, tỷ lệ BOD :N : P = 100 : 5 : 1. + Nếu tỉ số COD/BOD ≤ 2 thì việc xử lý mới diễn ra tốt. Khi COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozo, hemixenlulozo, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học kị khí. Sử dụng nhóm VSV hiếu khí, quá trình xử lý diễn ra trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí gồm 3 giai đoạn: Oxy hóa các chất hữu cơ: Tổng hợp tế bào mới: Phân hủy nội bào: 10 Thiết kế và xử lý nước thải khu dân cư 100.000 dân Đồ án Kỹ thuật xử lý nước thải đô thị - Nhóm thực hiện: Nhóm 7 VSV sinh trưởng dạng dính bám như quá trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate với màng cố định. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo: + Quá trình hiếu khí sinh trưởng lơ lửng (Aerotank): là xử lý nước thải bằng vi sinh có dạng bể, được thực hiện nhờ bùn hoạt tính và cung cấp oxy bằng khí nén hoặc làm thoáng, khuấy đảo liên tục. Bùn phát triển ở trạng thái lơ lửng và hiệu suất xử lý các hợp chất hữu cơ là khá cao. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật có trong nước thải, tạo thành những bông cặn có khả năng hấp thu và phân hủy các CHC khi có mặt oxy.
+ Quá trình hiếu khí sinh trưởng dính bám (Lọc sinh học hiếu khí): là hoạt động nhờ quá trình dính bám của một số vi khuẩn hiếu khí trên lớp vật liệu giá thể. Do quá trình dính bám tốt lên lượng sinh khối tăng lên, thời gian lưu bùn kéo dài nên xử lý tải trọng cao. Vi sinh xử lý BOD, COD và một phần Nitơ, phospho. + Đĩa quay sinh học: khi quay màng sinh học tiếp xúc với CHC có trong nước thải, nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa được tiếp xúc với không khí vừa tiếp xúc được với CHC trong nước thải.Vì vậy, CHC được phân hủy nhanh.
+ Mương oxy hóa: là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh làm việc trong điều kiện hiếu khí kéo dài với bùn hoạt tính. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí tự nhiên: + Cánh đồng tưới và bãi lọc: Trong nước thải sinh hoạt chứa hàm lượng nitơ, Phosphor, kali khá đáng kể. Sử dụng VSV trong tự nhiên để xử lý CHC, quá trình xử lý diễn ra chậm. + Ao hồ sinh học: VSV thường dùng oxy sinh có từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxy hóa từ không khí để oxy hóa các chất hữu cơ.
Rong, tảo lại tiêu thụ CO2, Phosphat và nitrat amoni sinh ra từ sự phân hủy, oxy hóa các CHC bởi vi sinh. Hồ sinh học xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu dựa vào quá trình tự làm sạch của hồ 11 Thiết kế và xử lý nước thải khu dân cư 100.000 dân Đồ án Kỹ thuật xử lý nước thải đô thị - Nhóm thực hiện: Nhóm 7 Phương pháp thiếu khí Nước thải chỉ giảm được 90-98% BOD, nhưng tổng Nitơ (N) chỉ giảm được 30- 40% và khoảng 30% P, hàm lượng N, P cao vượt ngưỡng cho phép cần xử lý bổ sung bằng phương pháp thiếu khí. Trường hợp thiếu oxy, các loại vi khuẩn khử Nitơrat denitrificans (dạng kị khí tùy tiện) sẽ tách oxy của Nitơrat và nitrit để oxy hóa chất hữu cơ. Nitơ phân tử tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
Quá trình chuyển: NO3 – NO2 – NO – N2O – N2 (NO, N2O, N2: dạng khí). Tuy nhiên để cho quá trình này diễn ra thì cần phải xảy ra thêm 2 quá trình Nitrit hóa và Nitrat hóa ở điều điện hiếu khí. Quá trình nitrit hóa: NH4 + O2 —Nitrosomonas—> NO2- Quá trình nitrat hóa: NH4 + O2 —Nitrobacter—> NO3- Nhưng để xử lý được Nitơ cũng đòi hỏi có nguồn Cacbon để tổng hợp tế bào. Do nước thải đã được nitrat hóa thường chứa ít vật chất chứa Cacbon nên đòi hỏi phải bổ sung thêm nguồn Cacbon từ ngoài vào.
Trong một số hệ khử nitrit sinh học, nước thải chảy tới hoặc tế bào chất thường là nguồn cung cấp Cacbon cần thiết. Khi xử lý nước thải công nghiệp thường thiếu Cacbon hữu cơ nên người ta thường dùng rượu metylic (CH3OH) làm nguồn Cacbon bổ sung.