Bước đầu nghiên cứu hiệu quả của thiết bị hợp khối trong xử lý nước thải của sản xuất bia

và xây dựng hệ thống xử lý cần biết chính xác lưu lượng, các đặc tính của nước thải để lựa chọn phương pháp xử lý khả thi với hiệu quả cao. Bảng II.5 thể hiện các nguồn nước thải chính và đặc trưng của mỗi loại, trong đó nguồn phát sinh gây ô nhiễm lớn nhất đó là từ quá trình rửa chai, bom, vệ sinh thiết bị, nhà xưởng. Bảng II.6 chỉ ra những đặc tính điển hình của nước thải từ sản xuất bia. Hàm lượng BOD5 và SS của nước thải sản xuất bia khá cao (BOD5 = 450 mg/l, SS = 244 – 650 mg/l) , trong khi đó tổng nitơ lại thấp (24 – 50 mg/l). Bảng II.5. Các nguồn nước thải của sản xuất bia và đặc trưng [1] Nguồn phát sinh Thành phần trong nước thải Đặc trưng - Nấu, đường hoá - Lắng, tách bã - Rửa thiết bị lên men - Rửa thiết bị lọc - Rửa chai, bom Bã hạt, đường Protein, đường Nấm men, bia, protein Diatomit, nấm men, bia Bia, xút, nhãn chai BOD, SS BOD BOD SS, BOD pH cao, BOD, SS Bảng II.6. Đặc trưng điển hình của nước thải nhà máy bia [1] Đặc trưng Khoảng giá trị pH SS, mg/l BOD5 200C, mg/l (trung bình) COD, mg/l (trung bình) Tổng nitơ, mg/l 5,5 - 7,4 244 - 650 450 590 24 - 50 II.2.4. Các nguồn ô nhiễm khác Ô nhiễm nhiệt Trong ngành sản xuất bia, các công đoạn nấu, nồi hơi, thanh trùng... có các bộ phận gia nhiệt làm tăng nhiệt độ trong khu vực sản xuất, ảnh hưởng đến sự bay hơi, phát tán bụi và các chất khí gây ô nhiễm. Điều này yêu cầu nhà máy phải bố trí hệ thống thông gió hợp lý để giảm ô nhiễm cục bộ. Tương tự với các cơ sở sản xuất cũ dùng hầm lạnh cần trang bị áo chống lạnh cho công nhân. Ô nhiễm tiếng ồn Tiếng ồn trong các nhà máy bia chỉ xảy ra cục bộ của từng phân xưởng khi thiết bị hoạt động, từ khâu xay nghiền nguyên liệu, xưởng động lực... Khi sử dụng các thiết bị cũ, tiếng ồn thường xuyên lên tới trên 85 dB. Tuy nhiên các bộ phận sinh ồn lớn đều có thể khống chế giảm tác động tới bên ngoài bằng cách đóng kín cửa, ghi biển báo. Môi trường vi khí hậu và an toàn lao động Mùi gây ra trong nhà máy bia do nhiều nguồn như nước dịch đường khâu nấu, nồi hơi, bộ phận xử lý nước thải hoặc cống thải... Tác động của mùi tới con người phụ thuộc rất nhiều vào việc bố trí nhà xưởng theo hướng gió hợp lý. Tại một số cơ sở nhỏ, công nhân vẫn phải dùng sức người vận chuyển nguyên liệu, sản phẩm, dễ gây bệnh đau lưng nghề nghiệp. Các cơ sở cần quan tâm giải quyết thiết bị vận chuyển hợp lý. Tùy theo quy mô, mức độ hiện đại cũng như mối quan tâm tới hiện trạng môi trường của ban lãnh đạo mà mỗi cơ sở sản xuất bia có một vài đặc thù riêng về môi trường. CHƯƠNG III CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA III.1. Các phương pháp bổ trợ xử lý sinh học Phương pháp bổ trợ cho quá trình xử lý sinh học phổ biến nhất đó là phương pháp cơ học. Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải thường sử dụng các quá trình thủy cơ (gián đoạn hoặc liên tục): lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng dưới tác dụng của lực trọng trường hoặc lực ly tâm và lọc. Việc lựa chọn phương pháp xử lý tùy thuộc vào kích thước của hạt, tính chất hóa lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức độ làm sạch cần thiết. [8] Quá trình lắng thường được tiến hành trước xử lý sinh học (lắng sơ cấp) và sau xử lý sinh học (lắng thứ cấp). III.2. Các phương pháp xử lý sinh học Phương pháp phổ biến và kinh tế nhất để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ là phương pháp sinh học. Các quá trình xử lý sinh học sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành 2 loại chính: Các quá trình xử lý hiếu khí và các quá trình xử lý yếm khí. Trong các hệ thống hiếu khí, các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ có thể chuyển hóa sinh học. Còn các hệ thống yếm khí không cần cung cấp oxy, vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ thông qua quá trình lên men. Tùy theo hàm lượng chất hữu cơ có trong nước thải và các điều kiện khác như thành phần, tính chất nước thải, lưu lượng dòng thải, mặt bằng xây dựng, kinh phí cho phép, các điều kiện địa lý, thủy văn của nguồn nước, nơi tiếp nhận nước thải và mức độ cần thiết xử lý nước thải... mà có thể lựa chọn phương pháp khác nhau như xử lý yếm khí, hiếu khí bằng bùn hoạt tính hay lọc sinh học. III.2.1. Phương pháp xử lý yếm khí Phương pháp này chủ yếu sử dụng cho nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao (COD>1500 mg/l), hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) hoặc bã thải rắn lớn (bã malt, bã men, cặn protein). Đối với nước thải quá trình sản xuất bia khi chưa được phân luồng, hàm lượng COD, BOD5 không quá lớn do đó không nên sử dụng phương pháp xử lý yếm khí. Tuy vậy, trong hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy bia, để xử lý bùn dư (sản phẩm của quá trình xử lý sinh học) có thể áp dụng phương pháp yếm khí, hầm tiêu hủy bùn. Hơn nữa, quá trình yếm khí ngoài CH4 được tạo ra còn có H2S, NH3 sẽ gây mùi khó chịu cho khu vực xung quanh. [1] III.2.2. Phương pháp xử lý hiếu khí III.2.2.1. Cơ chế Bản chất là quá trình oxy hóa. Các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hóa các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ có thể chuyển hóa sinh học được có trong nước thải, đồng thời chính các vi sinh vật sử dụng một phần hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxy hóa để tổng hợp nên sinh khối của chúng. Cơ chế của quá trình oxy hóa: Oxy hóa các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ: CxHyOz + (x + - ) O2 ® xCO2 + H2O - Oxy hóa các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ: CxHyOzN + (x + - - ) O2 ® xCO2 + H2O + NH3 + E - Oxy hóa các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ tổng hợp sinh khối: CxHyOz + NH3 + (x + - - 5) O2 ® (x – 5)CO2 +H2O + C5H7NO2 + E - Oxy hóa các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ tổng hợp sinh khối: CxHyOzN + NH3 + (x + - - )O2 ® (x – 10)CO2 +H2O + 2C5H7NO2 +E - Quá trình tự hủy của sinh khối vi khuẩn: C5H7NO2 + 5O2 ® 5CO2 + 2H2O + NH3 + E - Oxy hoá các chất vô cơ: Fe2+ ® Fe3+ S2- (trong xistein) ® SO42- P ® PO43- Mn2+ ® Mn4+ III.2.2.2. Tác nhân sinh học Vi sinh vật trong quá trình xử lý hiếu khí bao gồm 2 nhóm chính: Vi khuẩn (gồm các vi khuẩn hô hấp hiếu khí hoặc tùy tiện) và nguyên sinh vật. Các nhóm vi khuẩn hô hấp hiếu khí quan trọng là: Pseudomonas, đặc biệt là P. putida và P. stutzeri Aerobacter aerogenes Nitrosomonas vinogradski (có khả năng nitrit hóa) Bacillus subtilis (đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân protein) Flavobacterium và Alcaligenes (đối với nước thải giàu Fe, S) Các nhóm vi khuẩn hô hấp tùy tiện gồm: Cellulomonas bizotera (có khả năng oxy hóa celluloza) Nitrobacter ( có khả năng nitrat hóa) Rhodopseudomonas (sắc tố màu đỏ) : làm bùn hoạt tính (trong hệ thống aeroten) có màu hồng. Microthirix, Thiothrix (dạng sợi): làm bùn hoạt tính trắng, xốp. Các nguyên sinh vật Trùng roi (Euglena) Trùng tơ (Ciliatae) Các nguyên sinh vật này có kích thước lớn (30 – 50 m), khả năng lắng nhanh, ăn được vi khuẩn, bông bùn kích thước nhỏ, làm nước trong. Quy luật phát triển của vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy Vi sinh vật chuyển hóa các hợp chất hữu cơ nhờ hệ enzym mà chúng tổng hợp được. Các hợp chất được chuyển hóa chính là nguồn nguyên liệu để tổng hợp sinh khối và khai thác năng lượng cho quá trình trao đổi chất. Trong môi trường nước, vi sinh vật phát triển theo các giai đoạn khác nhau tùy thuộc vào đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của chúng. Quá trình phát triển của vi sinh vật được chia thành nhiều giai đoạn như minh họa trên hình III.1 [8] Hàm lượng sinh khối X, mg/l D C E F (1) A B (2) Thời gian t Hình III.1. Đường cong sinh trưởng của tế bào (1) và biến thiên BOD (2) - Giai đoạn tiềm phát (A-B): vi sinh vật chưa thích nghi với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi. Đến cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng. Các tế bào mới tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng. - Giai đoạn sinh trưởng lũy tiến (pha logarit hay pha chỉ số) (B-C): vi sinh vật phát triển với tốc độ riêng không đổi. Sau một thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng như trọng lượng tế bào tăng lên gấp đôi. - Giai đoạn giảm tốc độ (C-D): do dinh dưỡng đã cạn kiệt, vi sinh vật không còn sinh trưởng ở mức độ cực đại, nhiều tế bào đã già, tốc độ phát triển giảm dần tới mức cân bằng ở cuối pha. - Giai đoạn cân bằng (giai đoạn dừng) (D-E): số lượng tế bào sống được giữ ở mức không đổi, nghĩa là số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới sinh ra. Tính chất sinh lý của tế bào vi sinh vật bắt đầu thay đổi, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. - Giai đoạn suy vong (E-F): sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế và tiêu diệt vi sinh vật, tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn, dẫn đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự hủy. Trong pha logarit, sinh khối tăng theo biểu thức: trong đó: - tốc độ tăng trưởng của sinh khối, mg/l.t X - hàm lượng sinh khối, mg/l m - tốc độ sinh trưởng riêng, l/t t - thời gian, h. III.2.2.3. Các phương pháp hiếu khí xử lý nước thải 1. Xử lý hiếu khí trong điều kiện tự nhiên Cánh đồng lọc và cánh đồng tưới Nước thải được đưa vào cánh đồng tưới nhờ hệ thống cống, mương dẫn. Các chất ô nhiễm có trong nước thải được hấp thụ và giữ lại trong đất. Nhờ khu hệ vi sinh vật tự nhiên trong đất, nước sẽ phân hủy chúng thành các chất đơn giản để cây trồng hấp thụ. Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng, phần còn lại chảy vào hệ thống tiêu nước ra sông hồ hoặc bổ sung cho nước ngầm. Cánh đồng tưới có 2 chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng. Khi cánh đồng chỉ làm chức năng xử lý nước thải thì sẽ được gọi là cánh đồng lọc. Nước thải trước khi đưa vào cánh đồng tưới hoặc cánh đồng lọc cần qua xử lý sơ bộ để loại bỏ rác, các vật thô cứng, cát sỏi, dầu mỡ, các chất huyền phù... để tránh cho các lỗ hổng và mao quản lớp đất mặt bị bít kín làm giảm sự thoáng khí, ảnh hưởng xấu đến khả năng oxy hóa các chất bẩn của hệ vi sinh vật. Phương pháp này đơn giản, không tốn kém, kết hợp xử lý nước thải và canh tác nhưng ít được sử dụng vì cần diện tích đất lớn, phải có hệ thống kênh mương dẫn từ nguồn thải đến nơi xử lý. Phương pháp này đòi hỏi địa điểm phải cách xa khu dân cư, không ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm, nước thải không có vi sinh vật gây bệnh, không chứa chất thải độc hại, hàm lượng chất hữu cơ không quá lớn. Hồ sinh học Hồ sinh học hay còn được gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định. Đó là một chuỗi hồ gồm từ 3 đến 5 hồ. Nước thải chảy qua hệ thống hồ trên với một vận tốc không lớn. Trong hồ nước thải được làm sạch bằng các quá trình tự nhiên bao gồm cả tảo và các vi khuẩn nên tốc độ oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy học lớn (30 đến 50 ngày). [8] Xử lý nước thải trong hồ sinh học là biện pháp xử lý đơn giản. Phương pháp này không yêu cầu kỹ thuật cao, chi phí đầu tư , vận hành ít, quản lý đơn giản, thích hợp sử dụng khi có nhiều diện tích đất và khi không đòi hỏi chất lượng cao đối với nước sau xử lý. Hồ sinh học được phân thành các loại sau: + Hồ tự nhiên: tác nhân vi sinh vật trong tự nhiên, chủ yếu là các vi khuẩn (hô hấp hiếu khí, yếm khí, tùy tiện), các loại thủy nấm, các nguyên sinh vật, tảo. + Hồ hiếu khí: Nước thải chảy qua hồ với vận tốc không lớn. Nguồn oxy cung cấp cho hồ là sự làm thoáng không khí qua bề mặt hồ. Các loại tảo và phù du thực vật đóng vai trò lớn trong việc cung cấp oxy cho hồ. Các vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ không khí để phân hủy các chất thải hữu cơ. Còn tảo sử dụng CO2, NH4+, photphat được giải phóng ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ để thực hiện quá trình quang hợp. Độ sâu tối ưu của hồ từ 0,6 – 1,2 m để đáp ứng được nhu cầu oxy hòa tan trong nước một cách tốt nhất. Loại hồ này thường sử dụng kết hợp với nuôi trồng thủy sản, chủ yếu là cá. Nhược điểm của hồ là không thể xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Thông thường các hồ hiếu khí tự nhiên chỉ tải được nước thải có chỉ số BOD5 < 300 mg/l. + Hồ tùy tiện: vi sinh vật trong hồ bao gồm các vi khuẩn (hô hấp hiếu khí, yếm khí và tùy tiện), tảo, nguyên sinh vật, thủy nấm, động vật hạ đẳng và các sinh vật khác. Chúng có quan hệ tương hỗ và đóng vai trò cơ bản đối với sự chuyển hóa các chất gây ô nhiễm. Độ sâu tối ưu của hồ là khoảng 2,5 m. Hồ tùy tiện không tải được nước thải có độ ô nhiễm cao (chỉ số BOD5 khoảng 200 mg/l) . Trong hồ tùy tiện xảy ra 3 quá trình: - Phân hủy yếm khí các chất hữu cơ tan và không tan dưới dạng huyền phù và cặn lắng ở lớp nước sâu cũng như trong lớp bùn đáy. - Oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan ở lớp nước mặt, nơi có độ oxy hòa tan cao do khuếch tán bề mặt và một lượng nhỏ từ quang hợp của tảo. - Quang hợp của tảo ở lớp nước phía trên nhờ năng lượng mặt trời. 2. Xử lý hiếu khí trong điều kiện nhân tạo Quá trình oxy hóa bằng lọc sinh học Quá trình lọc sinh học dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật dưới dạng màng sinh học. Màng sinh học hiếu khí là một canh trường tập trung gồm chủ yếu là các vi khuẩn hô hấp hiếu khí và hô hấp tùy tiện. Hệ thống lọc sinh học (biofiltre) còn được gọi là lọc tia hay lọc nhỏ giọt (trickfiltre). Thiết bị phản ứng sinh học chính của hệ thống này có 2 dạng kết cấu chính: Tháp lọc và bể lọc sinh học. Dạng khác của xử lý hiếu khí bằng màng sinh học là đĩa lọc sinh học và dạng màng bám dính. Dạng tháp lọc chiếm ít mặt bằng hơn, nguyên tắc làm việc của thiết bị này là tạo ra bề mặt giá thể trong tháp bằng cách cho các vật liệu đệm (như đá, gỗ, các vật liệu đệm bằng nhựa PVC dạng bóng, hoa, tấm...). Chất lỏng được tưới từ trên xuống chảy thành màng trên bề mặt giá thể, không khí được thổi từ dưới lên sục qua lớp màng tạo ra bề mặt tiếp xúc pha giữa pha khí và lỏng (giống như một tháp đệm). Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ do oxy hóa hiếu khí nhờ màng vi sinh vật: Các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy nhờ vi sinh vật hô hấp hiếu khí và tùy tiện ở lớp ngoài của màng. Khi lớp màng dày, ở lớp trong của màng sát với bề mặt cứng của vật liệu lọc, do không có oxy các vi khuẩn hô hấp tùy tiện phát triển có thể chuyển sang phân hủy yếm khí làm tróc lớp màng ra khỏi vật liệu lọc dễ gây tắc cục bộ, tạo các vùng yếm khí làm giảm hiệu quả xử lý. Vì vậy trong công nghệ, việc tạo màng sinh học sao cho màng có kích thước 150 – 350 m, độ dày tối ưu cho quá trình oxy hóa mang tính quyết định, màng sinh học tái tạo không gây tắc đệm, không tạo vùng yếm khí. Hiệu quả oxy hóa của tháp lọc sinh học phụ thuộc vào các yếu tố: các chỉ tiêu sinh hóa, trao đổi khối, chế độ thủy lực và kết cấu thiết bị. Theo chiều cao của tháp và tải trọng thủy lực, với một số loại nước thải công nghiệp có thể đạt hiệu suất 90%. Xử lý nước thải bằng tháp lọc sinh học có nhiều ưu điểm: [1] Ít nhạy cảm khi tải trọng thay đổi nên thiết bị vận hành ổn định hơn. Thiết bị dạng tháp nên chiếm ít mặt bằng. Bề mặt tiếp xúc pha lớn, cấp khí cưỡng bức nên quá trình chuyển hóa nhanh, thiết bị gọn. Tốn ít năng lượng cho cấp khí. Tuy nhiên, hệ thống này lại có nhược điểm: Chi phí lớn, vận hành phức tạp. Yêu cầu có khu hệ vi sinh vật ổn định. Quá trình oxy hóa bằng bể aeroten Aeroten là bể oxy hóa được cấp khí cưỡng bức. Trong hệ thống, các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại dưới dạng bông sinh học (bùn hoạt tính). Việc cấp khí đáp ứng 2 yêu cầu của quá trình: Đảm bảo độ oxy hòa tan, giúp cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm. Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước cần xử lý, tạo ra hỗn hợp lỏng - huyền phù, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình tiếp xúc giữa 3 pha: rắn, lỏng, khí, đảm bảo hiệu quả oxy hóa. Trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải, lượng sinh khối (bùn hoạt tính) được tạo thành, một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể aeroten để ổn định hàm lượng sinh khối trong bể, phần còn lại được đưa về bể xử lý bùn dư. Hiệu suất xử lý nước thải trong hệ thống phụ thuộc vào thành phần và tính chất nước thải, điều kiện thủy động học và điều kiện môi trường như: nhiệt độ, pH của nước thải, sự có mặt của các nguyên tố dinh dưỡng... Phương pháp này vận hành tương đối đơn giản, ổn định, chi phí xây dựng tương đối thấp. Tuy nhiên một hạn chế rất lớn của hệ thống này là chi phí cho cấp khí khá lớn. Thực tế cho thấy, chi phí vận hành hệ thống chủ yếu là chi phí do cấp khí. Mặc dù còn hạn chế, hệ thống Aeroten là hệ thống xử lý có hiệu quả và đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và bước đầu đã được áp dụng tại một số nhà máy sản xuất đường, bia... ở Việt Nam. III.2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa trong bể aeroten 1. Độ oxy hòa tan (DO) Điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho bể aeroten hoạt động có hiệu quả là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy hòa tan trong môi trường lỏng một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu oxy hóa của vi sinh vật. Để đảm bảo tốc độ oxy hóa, độ oxy hòa tan trong bể cần đạt giá trị DO ³ 4 mg/l. Thiếu oxy hoà tan cũng là một trong những nguyên nhân gây hiện tượng “phồng” của bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh. Việc cung cấp đủ oxy hoà tan còn có tác dụng làm phân giã các khối bông lớn do lắng đọng, tránh các điểm chết trong thiết bị phản ứng, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu của nước thải trong hệ thống xử lý. Độ oxy hòa tan phụ thuộc nhiều yếu tố như phương thức cấp khí (thổi khí hoặc nén khí), chiều cao cột nước, kết cấu thiết bị phân phối khí (đường kính hạt khí càng giảm thì bề mặt riêng càng lớn, hàm lượng DO càng tăng). Hiệu suất sử dụng oxy hoà tan phụ thuộc nhiệt độ xử lý, tính chất nước thải, tỷ số F/M ( Food/ Microorganismes) là tỷ lệ giữa nguồn dinh dưỡng – chất hữu cơ và lượng sinh khối dùng để xử lý, tốc độ sinh trưởng, đặc tính sinh lý và đặc trưng của vi sinh vật. 2. Nhiệt độ và pH Nhiệt độ nước thải trong bể aeroten có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của các vi sinh vật. Tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng cực đại tại giá trị nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ này thường nằm trong khoảng 16 – 37oC. Khi nhiệt độ nước thải tăng, độ oxy hòa tan trong nước sẽ giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hóa được thể hiện qua biểu thức sau: [8] rT = r20 . q (T – 20) trong đó: rT, r20 - Tốc độ phản ứng ở ToC và 20oC tương ứng q - Hệ số nhiệt độ (có giá trị trung bình 1,04 đối với hệ thống bùn hoạt hóa) T - Nhiệt độ, oC Nhiệt độ cao có thể làm chết các vi sinh vật, còn nhiệt độ quá thấp, tốc độ oxy hóa sẽ giảm đáng kể và quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường bị chậm lại. Giá trị pH tối ưu đối với hệ thống aeroten nằm trong khoảng từ 6,5 đến 8,5. 3. Hàm lượng sinh khối (MLSS) và tỷ lệ F/M Để có tốc độ oxy hoá tối ưu, phải lựa chọn phương pháp xử lý, thiết bị và nồng độ sinh khối thích hợp nhằm duy trì sự trao đổi chất ổn định trong suốt quá trình xử lý. Trong các hệ thống aeroten , sinh khối được tách khỏi nước đã xử lý trong bể lắng thứ cấp và được tuần hoàn lại một phần vào bể aeroten. Tuy nhiên với các loại nước thải giàu chất hữu cơ, nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp sinh khối phong phú nên lượng sinh khối tạo thành lớn. Hàng ngày phải loại ra một tỷ lệ nào đó sao cho lượng sinh khối có trong bể ổn định, đảm bảo tốc độ oxy hoá và hiệu quả xử lý nước thải. Đối với bể aeroten, hàm lượng sinh khối trong bể có thể từ 500 – 3000 (mg/l). Tùy theo hàm lượng và bản chất của các chất ô nhiễm trong nước thải cũng như hoạt lực của bùn hoạt tính mà hàm lượng sinh khối sẽ khác nhau: Các hệ thống cao tải thường sử dụng hàm lượng sinh khối cao 1500 – 3000 (mg/l) Với các hệ thống aeroten thông thường hàm lượng sinh khối dao dộng trong khoảng từ 500 – 1500 (mg/l). Tỷ lệ F/M (Food/Microorganism = Thức ăn/ Vi sinh vật) cũng là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong bể aeroten. Nếu F/M <1: hàm lượng sinh khối tạo thành ít, kích thước bông bùn tối ưu, bùn lắng nhanh, bể hoạt động hiệu quả. Nếu F/M >1: vi khuẩn phát triển nhanh, không tạo nha bào nên không kết dính với nhau lại thành bông, kích thước bông bùn giảm, bùn khó lắng làm nước ra sau xử lý không đạt độ trong yêu cầu. 4. Thành phần dinh dưỡng Để tăng tốc độ phản ứng sinh hoá, duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo quá trình làm sạch nước theo yêu cầu thì dòng thải phải được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng C, N, P và một số nguyên tố khoáng cho vi sinh vật phát triển. Các nguyên tố vi lượng thường có sẵn trong nước thải nhưng thành phần nitơ và photpho của nước thải sản xuất bia thường thấp. Sự thiếu hụt các thành phần này sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, hạn chế quá trình oxy hoá sinh học. Thiếu nitơ và photpho trong thời gian dài là một trong những nguyên nhân thay đổi tương tác trong khu hệ vi sinh vật của hệ thống aeroten. Các vi khuẩn vi khuẩn dạng sợi thuộc nhóm Mircrothrix, Thiothrix phát triển được trong nước thải nghèo nitơ, photpho. Vì chúng phát triển mạnh, lấn át trực khuẩn làm cho khối bùn trong bể tăng lên. Hiện tượng này gọi là sự phồng lên cuả bùn. Khi đó bùn xốp, khó lắng, dễ bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý, làm giảm sự sinh trưởng của bùn hoạt tính, giảm cường độ quá trình oxy hoá. Chỉ số thể tích bùn lớn gây khó khăn cho quá trình lắng bùn ở bể lắng thứ cấp sau xử lý nước thải. Tương tác giữa các thành phần dinh dưỡng phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và tỷ lệ của chúng được xác định bằng thực nghiệm. Người ta thường lấy tỷ lệ COD : N : P = 100 : 5 : 1. Trong xử lý sinh học, nguồn nitơ được sử dụng dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo tính chất của nước thải. Có thể dùng muối nitrat, muối amôn, urê... Cũng như nitơ, photpho là thành phần không thể thiếu được trong quá trình phát triển của vi sinh vật. Ngoài tác dụng cung cấp nguồn dinh dưỡng, muối photpho còn tạo tính đệm ổn định cho môi trường, duy trì pH ổn định cho quá trình xử lý. Photpho thường được bổ xung dưới dạng muối photphat KH2PO4, (NH4)2HPO4 và supephotphat... 5. Các chất độc Việc kiểm soát hàm lượng các chất độc trong nước thải cũng là một trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo sự hoạt động của hệ thống aeroten. Việc xác định này chỉ cho ta thấy loại nước thải nào có thể xử lý bằng bùn hoạt tính trong bể aeroten được hay không. 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 lý bằng phương pháp bùn hoạt tính, còn nếu là các chất độc như kim loại nặng, các chất độc hữu cơ thì phải tiến hành phân tích cẩn thận và có biện pháp xử lý riêng biệt (hấp phụ, trao đổi ion...), sau đó mới có thể xử lý bằng phương pháp sinh học. III.2.2.5. Các dạng bể aeroten và phương thức cấp khí 1. Các dạng bể aeroten Bể aeroten có nhiều loại, phạm vi ứng dụng rộng. Có nhiều loại bể aeroten khác nhau tuỳ theo cách phân loại. [8] Theo chế độ làm việc của bùn hoạt tính Bể aeroten không tái sinh bùn. Bể aeroten có tái sinh bùn. Theo chế độ thuỷ động Aeroten đẩy. Aeroten khuấy trộn. Aeroten trung gian. Theo tải lượng bùn Aeroten tải trọng cao. Aeroten tải trọng trung bình. Aeroten tải trọng thấp. Theo số bậc cấu tạo trong aeroten Aeroten 1 bậc . Aeroten 2 bậc. Aeroten nhiều bậc. Theo chiều dẫn nước thải vào Xuôi chiều. Ngược chiều. Trong thực tế , một số dạng hệ thống aeroten thường được sử dụng gồm: Hệ thống aeroten truyền thống Hình III.2. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten truyền thống Nước thải sau bể lắng sơ cấp được trộn đều với bùn hoạt tính tuần hoàn ở ngay đầu bể aeroten. Đối với nước thải có độ ô nhiễm trung bình, lưu lượng tuần hoàn thường từ 20 – 30% lượng nước thải đi vào. Dung tích bể được thiết kế với thời gian lưu nước để làm thoáng trong bể từ 6 – 8 giờ đối với dùng khí nén, hoặc 9 – 12 giờ đối với cấp khí cơ học. Bể aeroten có hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dòng chảy Hình III.3. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten cấp khí giảm dần theo dòng chảy Sơ đồ này áp dụng khi thấy rằng ở đầu vào của bể cần lượng oxy lớn hơn do đó phải cấp không khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp sau để đáp ứng cường độ tiêu thụ không đều oxy trong toàn bể. Ưu điểm của sơ đồ này là: - Giảm được lượng không khí cấp vào tức là giảm công suất của máy nén khí. - Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất chứa nitơ. Bể aeroten có hệ thống cấp khí theo tầng Hình III.4. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten cấp khí theo tầng Ưu điểm của hệ thống này là nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn tức thời sao cho nồng độ các chất được phân bố đều tại mọi điểm trong bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể. Hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn Hình III.5. Sơ đồ làm việc của hệ thống aeroten có bể tái sinh bùn Nước thải từ bể lắng sơ được trộn đều với bùn hoạt tính đã được tái sinh (bùn đã được xử lý đến ổn định trong bể tái sinh) đi vào bể aeroten, ở đây, nước thải được xử lý rồi cùng với bùn chảy sang bể lắng thứ cấp. Bùn lắng ở đáy bể lắng thứ cấp được bơm tuần hoàn để tái sinh. Ở bể tái sinh, bùn được làm thoáng trong thời gian từ 3 – 6 giờ để oxy hóa hết các chất hữu cơ đã hấp thụ, bùn sau khi tái sinh trở thành ổn định. Bùn dư được xả ra ngoài trước ngăn tái sinh. Ưu điểm của sơ đồ này là bể aeroten có dung tích nhỏ, chịu được sự dao độ