Khóa luận Nghiên cứu xử lý amoni trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học

ý khoa học thì những chất độc xâm nhập vào đất sẽ tiêu diệt nhiều loài sinh vật có ích cho đất như: giun, vi sinh vật, nhiều loài động vật không xương sống, ếch nhái làm cho môi trường đất bị giảm tính đa dạng sinh học và phát sinh nhiều sâu bọ phá hoại cây trồng. 1.1.4.2. Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến sức khỏe con người Nước rỉ rác ảnh hưởng gián tiếp đến sức khỏe con người. Cụ thể, qua đường tiêu hóa, đường hô hấp, tiếp xúc qua da Thông qua quá trình sinh hoạt, sử dụng nguồn nước, thức ăn bị nhiễm độc (Ví dụ: rau muống trồng ở gần ven sông, ao có khả năng hấp phụ kim loại nặng tốt và tôm cá ở ao hồ, sông, suối) dẫn đến các chất ô nhiễm độc hại đi vào cơ thể con người làm cho con người có thể mắc các bệnh như: bệnh đường tiêu hóa; nhiễm độc kim loại nặng; kích thích đến sự hô hấp của con người và kích thích nhịp tim đập nhanh gây ảnh hưởng xấu đối với những người mắc bệnh tim mạch. 1.1.5. Các phương pháp xử lý nước rỉ rác ❖ Nguyên tắc để lựa chọn công nghệ xử lý nước rỉ rác: Trong điều kiện ở Việt Nam, việc lựa chọn công nghệ xử lý nước rỉ rác phải theo nguyên tắc: - Công nghệ xử lý phải đảm bảo chất lượng nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn vào nguồn. Nước sau khi xử lý có thể xả vào sông hoặc hồ gần nhất, ngoài ra có thể dùng cho trồng trọt. - Công nghệ xử lý phải đảm bảo mức độ an toàn trong trường hợp có sự thay đổi lớn về lượng mưa, nồng độ nước rỉ rác trong mùa mưa và mùa khô. - Công nghệ xử lý phải đơn giản, dễ vận hành, có tính ổn định cao, chi phí và vốn đầu tư phải phù hợp. - Công nghệ xử lý phải phù hợp với điều kiện Việt Nam, nhưng phải mang tính hiện đại và có khả năng sử dụng trong thời gian dài. - Công nghệ xử lý dựa vào: Lưu lượng và thành phần nước rác; tiêu chuẩn thải nước rác sau khi xử lý vào nguồn; điều kiện thực tế về quy hoạch, xây dựng và vận hành của BCL; điều kiện về địa chất công trình và địa chất thuỷ văn; điều kiện về kỹ thuật (xây dựng, lắp ráp và vận hành); khả năng vốn đầu tư. - Công nghệ xử lý phải có khả năng thay đổi dễ dàng khi áp dụng các quy trình xử lý mới đem lại hiệu quả cao. - Công nghệ xử lý mới có khả năng tái sử dụng nguồn chất thải (năng lượng, 13 phân bón...). Hiện nay có rất nhiều công nghệ xử lý nước thải đang được ứng dụng trong thực tiễn. Nhưng 2 phương pháp xử lý cơ bản được áp dụng trong xử lý nước rỉ rác là phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. - Phương pháp hóa lý: keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxy hóa, kết tủa và phương pháp màng lọc, lắng. - Phương pháp sinh học: xử lý vi sinh yếm khí, hiếu khí, thiếu khí và tổ hợp của chúng. Với biện pháp xử lý mang tính sinh vật học thì phương pháp sinh học có các công đoạn thay đổi như phương pháp bùn hoạt tính, thông khí tiếp xúc, tháp lọc sinh học, xử lý bằng phương pháp kỵ khí, đặc biệt gần đây chuyển sang công đoạn loại bỏ nitơ. Tuy nhiên nước rỉ rác có nồng độ cao và hàm lượng độc nhiều, do phải duy trì sức chứa nên tiêu tốn đất xử lý với quy mô lớn và sau khoảng thời gian nhất định có nhược điểm là chức năng của phần xử lý tính kỵ khí giảm. Phương pháp xử lý mang tính vật lý hóa học với các phương pháp như: keo tụ, ozon hóa lọc cát, hấp phụ than hoạt tính, oxy hóa Fenton, phân ly màng. Với phương pháp hóa học, chủ yếu thường dùng phương pháp kết tủa đông hay oxy hóa Fenton nhưng chi phí khá tốn kém và cần chú ý vận hành. Với phương pháp vật lý, chủ yếu là sử dụng thẩm thấu ngược (R/O: Reverse Osmosis Membrane) và cũng có hiệu quả đáng kể, tuy nhiên cũng cần chú ý đến nhược điểm của phương pháp này trước khi xử lý nhằm ngăn ngừa tích tụ bẩn do các chất vô cơ và hữu cơ. Dó đó để mang lại kinh tế trong quá trình xử lý nước rỉ rác cần phải biết cách kết hợp giữa các phương pháp xử lý mang tính sinh vật học với phương pháp mang tính vật lý - hóa học. 1.1.6. Các công trình nghiên cứu về xử lý nước rỉ rác 1.1.6.1. Các công trình nghiên cứu trong nước Xử lý nước rỉ rác ở Việt Nam mới được quan tâm từ khoảng thời gian không quá 10 năm trở lại đây, nên những nghiên cứu về công nghệ chưa nhiều. Các hệ thống được xây dựng để xử lý nước rác được hình thành chủ yếu là tính bức xúc của xã hội tại địa phương nơi có bãi chôn lấp rác. Do tính chất của địa phương nên công nghệ xử lý nước rác cũng có tính đặc thù rất cao. Một số hệ thống xử lý nước rỉ rác tại Việt Nam: - Hệ thống xử lý nước rỉ rác tại Tây Mỗ - Hà Nội: trạm được xây dựng từ năm 1998 với công nghệ sinh học đơn giản đã hoạt động không hiệu quả ngay sau khi 14 vận hành, thành phần nước thải đầu vào và đầu ra hầu như không thay đổi và từ đó đến nay thì trạm không được vận hành. - Trạm xử lý nước rỉ rác tại Nam Sơn - Sóc Sơn - Hà Nội: trạm được xây dựng từ năm 2000 với sự kết hợp của tuyển nổi và xử lý sinh học những sau khoảng 2 tháng vận hành xử lý kém hiệu quả và sau khi đã có những hiệu chỉnh thì một thời gian hệ thống hoạt động vẫn không có hiệu quả. Và hiện nay thì hệ thống đã dần ổn định. - Trạm xử lý do Liên hiệp khoa học và sản xuất hóa học UCE tiến hành với công nghệ xử lý chủ yếu là hóa học và hóa lý để oxy hóa và keo tụ chất thải trong nước rỉ rác. Công nghệ này được đề xuất để xử lý nước thải tồn đọng trong ô chôn lấp số 3 bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn - Hà Nội, nước thải sau khi xử lý không đạt yêu cầu của TCVN 5945-1995 cột B về COD, tổng N và hiện nay thì trạm đã được tháo dỡ. - Trạm xử lý do xí nghiệp điện lạnh và môi trường - công ty cơ khí thủy sản tiến hành với mục đích xử lý nước rỉ rác khẩn cấp cho bãi chôn lấp chất thải Nam Sơn - Sóc Sơn - Hà Nội. Công nghệ này đã vận dụng hệ thống hồ sinh học để giảm tải đáng kể hàm lượng COD và BOD. - Trạm xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Gò Cát - tp Hồ Chí Minh. Trạm bắt đầu vận hành từ năm 2001 cho đến nay đã có 3 loại hình công nghệ xử lý khác nhau được áp dụng : 1. Phương pháp xử lý bằng màng lọc - Công ty VerMeer, Hà Lan. 2. Phương pháp xử lý sinh học - Trung tâm môi trường CENTEMA. 3. Phương pháp sinh học kết hợp lọc màng - Trung tâm môi trường CEO. Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác tại BCL Gò Cát 15 Theo nhận định ban đầu, đây là một trạm xử lý nước rỉ rác theo công nghệ của Hà Lan khá hiện đại với công nghệ chủ yếu được áp dụng là công nghệ lọc màng. Tuy nhiên từ năm 2007 trạm đã ngừng hoạt động. 1.1.6.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay trên thế giới với mục đích bảo vệ môi trường, các nước Nhật bản, Mỹ, Hàn Quốc đã có hướng nghiên cứu mới đó là tăng cường sự phân hủy rác tại các bãi chôn lấp bằng biện pháp tái tuần hoàn nước rỉ rác chứa nhiều oxy. Với nước rỉ rác tuần hoàn có hàm lượng oxy tự do hoặc liên kết dưới dạng sunfat, nitrat cao, vi khuẩn sẽ lấy oxy từ đó để phân hủy hiếu khí hoặc thiếu khí (thông qua quá trình khử sunfat, nitrat) các chất hữu cơ trong rác thải. Ngoài ra, một trong những phát kiến gây được sự chú ý lớn trong việc quản lý chất thải rò rỉ trên khắp thế giới là chôn lấp với công nghệ hoạt hóa sinh học. Công nghệ này đã thay đổi mục đích của một bãi chôn lấp với chức năng lưu giữ chất thải một cách thông thường thành một hệ thống xử lý chất thải hiệu quả. a. Xử lý nước rỉ rác tại Mỹ Công ty DEQ đã xây dựng hệ thống xử lý nước rỉ rác: - Đánh giá lưu lượng nước thải sinh ra từ bãi rỉ rác. - Đánh giá đặc trưng ô nhiễm của nước rỉ rác, dự báo diễn biến ô nhiễm theo thời gian. - Xác định tình trạng của nguồn nước nhận, giá thành xử lý, hậu quả đối với môi trường, khó khăn về phương diện kỹ thuật, tiêu chuẩn thải. - Xác định các chỉ tiêu chung và đặc thù. - Xác định giá thành xây dựng và vận hành hệ thống xử lý nước rỉ rác. Trên cơ sở đặc trưng của nguồn nước nhận sẽ tiến hành các giải pháp công nghệ khác nhau, ví dụ hòa trộn lẫn với hệ nước thải sinh hoạt, sử dụng để tưới tiêu, xử lý tại chỗ và xả vào nguồn nước mặt hoặc phương thức khác. b. Xử lý nước rỉ rác tại Nhật Bản Công nghệ xử lý nước rỉ rác của hãng Tsukishima kikai (TKS): - Công nghệ tách ion canxi. - Công nghệ xử lý vi sinh sử dụng các thiết bị: tiếp xúc sinh học, tấm sục khí. Các thiết bị thích hợp cho nước thải loãng, tiết kiệm năng lượng, không xử lý thích hợp chất nitơ. - Kĩ thuật ngưng tụ và kết tủa. Công nghệ xử lý nước rỉ rác của hãng Kubota Corporation: 16 - Công nghệ chống kết tủa các chất lắng đọng từ nước rác trong đường ống. - Công nghệ xử lý sinh học. - Khử nitrat nếu cần thiết. - Tách loại các hợp chất hữu cơ, sử dụng biện pháp keo tụ với sắt (III) clorua để tách một phần chất hữu cơ. c. Xử lý nước rỉ rác tại Hàn Quốc Ở các bãi rác sinh hoạt tại Hàn Quốc có khoảng 50 điểm dùng cách xử lý sinh hoạt trước rồi sau đó dẫn về trạm xử lý chung; 92 điểm đưa thẳng nước rỉ rác về trạm xử lý chung; 102 điểm tự xử lý hoàn toàn rồi cho thoát ra ngoài. Kể từ khi ban hành cho tiêu chuẩn nitơ amoni năm 1999 và sau đó năm 2001 thì phần lớn các trạm xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp đã được bổ sung hoặc lắt đặt mới các thiết bị xử lý nitơ; trong đó phần lớn công nghệ xử lý nitơ vận hành theo kiểu MLE (Modified Ludzacck Ettinger); cũng có hơn 10 bãi rác nhỏ dùng phương pháp RO sau công nghệ sinh học. 1.2. Tổng quan về amoni 1.2.1. Amoni trong nước rỉ rác Trong môi trường nước, amoni có thể tồn tại ở dạng phân tử (NH3) hoặc ion (NH4+) tùy thuộc vào pH của nước. Ở dạng phân tử, amoni thường gọi amoniac là một chất khí không màu, mùi và sốc [8]. Amoniac tan khá tốt trong nước và độ tan phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ dung dịch. Ở 0oC, độ tan của amoniac có thể lên đến 50% trong nước, ở 20oC giảm xuống còn khoảng 35% và ở 100oC thì độ tan của amoniac hầu như bằng 0%. Dung dịch amoniac lỏng bán ngoài thị trường thường có nồng độ amoniac từ 25 - 27%. Khi tan trong nước, amoniac kết hợp với ion H+ của nước tạo thành một dung dịch kiềm yếu theo cân bằng: NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH- (1) Amoni cũng có thể bị oxy hoá dưới tác dụng của các tác nhân oxy hoá tạo thành N2, NO2-, NO3- . Với sự có mặt của oxy, amoni chuyển thành nitrat theo phương trình: NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ (2) 1.2.2. Tác động có hại của amoni trong nước Trong môi trường nước amoni tồn tại lâu có thể chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người khi đi vào cơ thể, vì nó có khả năng chuyển hóa thành các hợp chất Nitrosamine là chất có khả năng gây 17 ung thư cho con người [14]. Vì vậy quy định về amoni trong nước là rất thấp (theo QCVN 08-MT: 2015/BTNMT là 0,3 mg/L theo cột A và 0,9 mg/L với cột B). Trong nước, amoni làm giảm hiệu suất của giai đoạn clo hóa sát trùng nước (bước phổ biến trong công nghệ xử lý nước hiện hành), do xảy ra phản ứng nhanh giữa amoni và clo để chuyển hóa clo thành cloramin có tác dụng sát khuẩn yếu so với clo khoảng 100 lần. Amoni cùng với một số chất vi lượng trong nước (hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan...) là nguồn dinh dưỡng - thức ăn để vi khuẩn, tảo phát triển, gây hiện tượng không ổn định sinh học của chất lượng nước sau xử lý. Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống ống dẫn, bể chứa. Chính vì vậy, hàm lượng amoni trong nước luôn là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm. Độ độc của amoni phụ thuộc cao vào pH nước. Chẳng hạn như nó sẽ chuyển hóa thành ion amoni kém độc hơn ở pH thấp (pH < 7), amoni bắt đầu tồn tại chủ yếu ở dạng ion, nhưng ở pH > 7 các mức độc của amoni tăng lên do tăng dạng phân tử. Mức amoni tổng (NH3 + NH4+) chỉ ở khoảng 0,25 mg/L đã có thể gây nguy hại cho cá và các loài sinh vật nước khác. Riêng dạng phân tử (NH3), chỉ cần ở nồng độ rất thấp (0,01 - 0,02 mg/L) cũng đã có thể giết chết cá [18]. 1.2.3. Một số phương pháp và công trình nghiên cứu xử lý amoni 1.2.3.1. Các phương pháp xử lý amoni a, Phương pháp clo hóa Clo là chất oxy hóa mạnh có khả năng oxy hóa amoni/amoniac ở nhiệt độ phòng thành N2. Khi hòa tan clo trong nước tùy theo pH của nước mà clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- [3] do có phản ứng theo phương trình: Cl2 + H2O → HCl + HClO (pH < 7) HClO → H+ + ClO- (pH > 8) (3) (4) Khi trong nước có NH4+ sẽ xảy ra phản ứng sau: HClO + NH3 → H2O + NH2Cl (Monocloramin) HClO + NH2Cl → H2O + NHCl2 (Dicloramin) HClO + NHCl2 → H2O + NCl3 (Tricloramin) (5) (6) (7) Nếu có clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân hủy các Cloramin: HClO + 2NH2Cl → N2 + 3Cl- + H2O (8) Khi amoni phản ứng gần hết, clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều hợp chất clo có mùi đặc trưng khó chịu [11]. b, Phương pháp trao đổi ion Quá trình trao đổi ion là một quá trình hóa lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bề mặt hoặc 18 bên trong các pha rắn tiếp xúc với nó. Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật bảo toàn điện tích. Mức độ trao đổi ion phụ thuộc vào [3]: - Kích thước hóa trị của ion. - Nồng độ ion có trong dung dịch. - Bản chất của chất trao đổi ion. - Nhiệt độ. c, Phương pháp sinh học Đối với phương pháp sinh học nó bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hóa và khử nitrat hóa như sau: - Quá trình nitrat hóa: Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học: NH4+ + 3 2 O2 → NO2-+ 2H+ + H2O NO2- + 1 2 O2 → NO3- (9) (10) Phương trình tổng: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O (11) Theo phản ứng hóa học diễn ra, đầu tiên, amoni được oxy hóa thành các nitrit nhờ các vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion nitrit bị oxy hóa thành nitrat nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại tự dưỡng hóa năng [12]. Năng lượng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa được vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào. Nguồn cacbon để sinh tổng hợp ra các tế bào vi khuẩn tế bào mới là cacbon vô cơ (HCO3- là chính). Quá trình nitrat hóa thường được thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính bám trên các vật liệu mang giá thể vi sinh. Vận tốc quá trình oxy hóa nitơ amoni phụ thuộc vào tuổi thọ của bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng amoni, oxy hòa tan, vật liệu lọc Các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính bám cũng có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tương quan sản phẩm của phản ứng sinh hóa. Sử dụng vật liệu mang phù hợp làm giá thể cố định vi sinh cho phép giữ được sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bùn, nâng cao và ổn định hiệu suất xử lý trong cùng một khối thể tích cũng như tránh được những ảnh hưởng do thay đổi điều kiện môi trường bên ngoài [18]. Quá trình nitrat hóa có hiệu quả cao khi hàm lượng oxy hòa tan lớn hơn 4 mg/L [8]. 19 - Quá trình khử nitrat hóa: Để loại bỏ nitrat trong nước, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khâu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu khí (anoxic). Nitrit và nitrat sẽ chuyển thành dạng khí N2, NO, N2O là những khí có ảnh hưởng không đáng kể với môi trường [11]. Quá trình khử nitrat hóa là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau: NO3- → NO2- → NO → N2O → N2 (12) Vi khuẩn khử tham gia vào quá trình khử nitrat hóa bao gồm: Balicilus, Pseudomnas, Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, [16]. Để thực hiện phương pháp này, người ta cho nước qua bể lọc kỵ khí với vật liệu lọc, nơi bám dính và sinh trưởng của vi sinh vật khử nitrat. Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có thể là chất hữu cơ, H2S, Nếu trong nước không có oxy nhưng có mặt của các hợp chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ được trong môi trường anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3- như nguồn oxy để oxy hóa chất hữu cơ (chất nhường điện tử), còn NO3- (chất nhận điện tử) bị khử thành khí nitơ. 1.2.3.2. Một số công trình nghiên cứu xử lý amoni Amoni là một trong những đối tượng được quan tâm nghiên cứu loại bỏ trong nước thải vì hàm lượng cao cũng như tính chất độc hại của nó. Có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và có những kết quả khả quan. Dưới đây là một số ví dụ cụ thể: Li và cộng sự [14] đã nghiên cứu xử lý amoni có trong nước rỉ rác tại một nhà máy ở Trung Quốc bằng phương pháp keo tụ hóa học. Nồng độ amoni (NH4+) giảm xuống còn 112 mg/L so với nồng độ ban đầu (5618 mg/L). Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý amoni tốt nhất ở điều kiện pH = 8 và có bổ sung thêm hỗn hợp 2 muối: MgCl2.6H2O và Na2HPO4.12H2O. Mpenyana và cộng sự [15] đã nghiên cứu việc loại bỏ amoni từ nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học gián đoạn hai quá trình: nitrat hóa và khử nitrat tạo N2. Kết quả cho thấy sau quá trình nitrat hóa hàm lượng amoni giảm 84%. Sau 10 tuần thí nghiệm hiệu suất xử lý amoni tăng lên lên tới 99%. Sang đến quá trình khử nitơ thì hầu như NO3- đã được loại bỏ và tạo N2. Bên cạnh đó, kết quả cũng cho thấy khả năng xử lý COD là rất thấp, chỉ đạt 36% hiệu suất. Kabdasli và cộng sự [13] đã nghiên cứu việc loại bỏ amoni từ bãi chôn lấp rác thải mới bằng việc tạo lắng magie amonium phosphate (MAP) trong môi trường nước nhiều amoni, đồng thời loại bỏ khí NH3+ vào không khí. Trong nghiên cứu này, amoni được xử lý trong điều kiện kỵ khí. Kết quả cho thấy, ở điều kiện pH = 12 hàm 20 lượng NH4+ được loại bỏ cao từ 85 đến 90%. Bên cạnh đó, COD được xử lý với hiệu suất lên tới 80%. Nicole và cộng sự [16] đã nghiên cứu loại bỏ amoni từ bãi chôn lấp rác thải cũ bằng việc sử dụng nồi phản ứng sinh học tại chỗ (Bioreactor). Hàm lượng amoni sau khi được xử lý tuy chưa có kết quả chính xác nhưng nằm trong khoảng thấp hơn giới hạn cho phép trong môi trường. Zhu Liang và Junxin Liu [20] đã nghiên cứu về xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp oxy hóa amoni yếm khí kết hợp với hệ thống thẩm thấu đất. Amoni và nitrit sẽ được oxy hóa trực tiếp thành N2 dưới điều kiện yếm khí. Quá trình này bao gồm một lò phản ứng nitrat hóa, một lò phản ứng oxy hóa NH4+ kỵ khí và hai hệ thống thẩm thấu đất. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng các chất thải còn lại có hàm lượng thấp: 22 – 58 mg NH4+/L, 32 - 250 mg COD/L với hiệu suất tương ứng là 97 và 89%. Phương pháp này có hiệu quả với nước rỉ rác có hàm lượng amoni cao và có khả năng hoạt động ổn định một thời gian dài. Yang Deng và Casey M. Ezyske [19] đã nghiên cứu xử lý đồng thời chất hữu cơ ô nhiễm và amoni có trong nước rỉ rác bằng phương pháp oxy hóa tiên tiến gốc sunfua. Trong nghiên cứu này, tất cả các thí nghiệm được tiến hành trong một lò phản ứng hàng loạt có sự kiểm soát nhiệt độ. Kết quả nghiên cứu đã tìm ra được điều kiện tối ưu cho hiệu quả xử lý cao là: pH = 3 – 4 và nhiệt độ môi trường cao có thể loại bỏ được 79% COD và 91% NH4+. 1.3. Tổng quan về phương pháp lọc sinh học 1.3.1. Định nghĩa về bể lọc sinh học sinh học Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước cũng như không khí. Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu được bao phủ bởi màng VSV. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ VSV tùy tiện. Ở ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ thấy là các trực khuẩn bacillus ở giữa các vi khuẩn tùy tiện. Lớp sâu bên trong màng là các động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxy hóa chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy, chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học sẽ tăng lên. Màng vi sinh chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học. 1.3.2 Cấu tạo của bể lọc sinh học. Bể lọc sinh học là thiết bị gồm có ba phần chính: 1. Vật liệu lọc. 21 2. Hệ thống phân phối nước. 3. Sàn đỡ và thu nước. Hình dáng: Hệ lọc sinh học có cấu tạo là một hình hộp chữ nhật, ở trong có phân bố 3 ngăn chính: ngăn thiếu khí, ngăn hiếu khí và ngăn lắng. Các ngăn này không tách rời nhau mà được kết nối với nhau nhờ khe hở dưới đáy của các ngăn. Vật liệu lọc: giá thể vi sinh bám dính dạng tấm, vật liệu chế tạo bằng nhựa PE với diện tích bề mặt là 200 m2/m3, diện tích bề mặt tiếp xúc trên một đơn vị thể tích lớn, độ bám dính vi sinh cao. Giá thể giúp vi sinh bám vào bề mặt của giá thể tạo thành lớp màng. Vi sinh vật bắt đầu phát triển trên lớp màng và bắt đầu quá trình phân hủy sinh học. Khi vi sinh phát triển, lớp màng đã dày lên, hiệu suất phân hủy sinh học đạt giá trị cao nhất. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối, lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối. Sau khi phát triển đến độ dày nhất định, lớp màng không dày lên nữa và trở nên ổn định, vi sinh vật bong ra khỏi bề mặt của giá thể. Sự trao đổi chất diễn ra để phân hủy chất hữu cơ thành CO2 và nước. Lượng cơ chất phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không vi sinh sẽ thiếu dinh dưỡng và bắt đầu phân hủy nội bào để cân bằng với cơ chất và sinh khối, tức là nếu thiếu lượng thức ăn thì vi sinh vật có thể sẽ bị chết. Hệ thống phân phối nước: Nước thải được phân phối trên lớp vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt. Khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt vật liệu khoảng 0,2 - 0,3 m. Sàn đỡ và thu nước: Sàn đỡ bằng bê tông và sàn nung. 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. Khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường 0,6 - 0,8 m. Sàn đỡ và thu nước thường có 2 nhiệm vụ: - Thu đều nước có các mãnh vỡ của màng sinh học bị tróc. - Phân phối đều gió vào bể lọc để duy trì môi trường hiếu khí trong các khe rỗng. Ngoài ra, hệ lọc sinh học còn có bộ phận sục khí, ống thu nước đầu ra, ống thu bùn để xả cặn để rửa đáy bể lọc sinh học khi cần thiết [1]. 1.3.3. Nguyên lý Nước thải sau khi đã được loại bỏ cặn lắng được dẫn vào bể, nước thải trong bể được phân phối đều vào cả hai ngăn hiếu khí và thiếu khí nhờ ngăn trên cùng của bể và khe hở dưới đáy bể. 22 Oxi được cung cấp nhờ máy thổi khí ở ngăn hiếu khí. Máy sục khí giúp nước thải được trộn lẫn với bùn được dễ dàng hơn, tạo thành dòng nước tuần hoàn trong bể từ ngăn hiếu khí sang ngăn thiếu khí, tạo thành dòng nước luân chuyển trong bể, đồng thời cung cấp oxy cho vi sinh vật trong bể. Chính vì thế mà lượng VSV có nhiều khả năng được tiếp xúc với nước thải hơn. Lượng nước thải trong 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn lắng cân bằng với nhau, khi lượng nước thải được thêm vào khiến ngăn hiếu khí và thiếu khí tăng lên đồng thời nước ở ngăn lắng cũng nâng lên, lượng nước được dâng lên trong ngăn lắng cũng chính là lượng nước đã qua xử lý ở trong bể. Phần nước trong ở trong ngăn lắng sẽ được thoát ra ngoài nhờ van nhỏ được lắp bên cạnh ngăn lắng. Hỗn hợp bùn được lắng dưới đáy ngăn sẽ được tuần hoàn trở lại khi hệ thống tiến hành quá trình sục. Đây cũng là một ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học dùng chính khối bùn hoạt tính. Bể lọc sinh học với giá thể dạng vật liệu ngập nước đóng vai trò là giá thể hỗ trợ cho việc tăng trưởng sinh khối. Giá thể vi sinh có thể oxy hóa được tất cả các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải, các thành phần sinh học có trong nước làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và quá trình lọc sẽ hiệu quả tốt hơn. Tuy nhiên khi lớp màng quá dày tức là lúc đó lớp sinh khối trên giá thể dư thừa cần định kỳ rửa ngược để giảm sự tắc nghẽn khi nước thải đi qua khối vật liệu lọc. Hiệu quả xử lý giảm nhưng dần được hồi phục. Trong quá trình vận hành của bể lọc giá thể sinh học, sự sinh trưởng và chết của màng sinh học xảy ra không ngừng. Khi màng sinh vật chết sẽ văng ra khỏi giá thể và lơ lửng trong nước sau đó lắng dần xuống đáy bể. Trong quá trình làm việc, lọc có thể khử được BOD và chuyển hóa NH4+ thành NO3-. Lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng, hệ thống thổi khí giúp không làm tắc nghẽn khi hệ vận hành. Hình 1.2. Sơ đồ hệ lọc sinh học 23 1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lí Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong thiết bị lọc sinh học là bản chất của chất hữu cơ ô nhiễm, nhiệt độ, pH, vận tốc oxy hóa, cường độ thoáng khí, tiết diện màng sinh học, thành phần VSV. - Nồng độ oxy: ảnh hưởng mạnh mẽ tới quá trình. Cần phải cung cấp oxy một cách đầy đủ và liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng >2mg/L. - Tải trọng chất hữu cơ thường thấp hơn so với xử lý kỵ khí, thường BOD toàn phần <1000mg/L (đối với bể aerotank), còn bể sinh học thì <500mg/L. - Các nguyên tố vi lượng và dinh dưỡng cũng rất cần thiết nên phải bổ sung thích hợp. Các nguyên tố như: K, Ca, Mg, Fe, Cu, Zn, S theo nước thải mà có yêu cầu về dinh dưỡng khác nhau. - pH cũng là yếu tố quan trọng cho VSV phát triển và hoạt động, pH tối ưu cho VSV phát triển 6,5 – 8,5 sẽ thúc đẩy nấm phát triể