Khóa luận Nghiên cứu xử lý tss và độ màu trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học

măng và đá xây dựng. Bảng 1.5. Đặc tính nước rỉ rác Nam Sơn Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị pH - 8,31 COD mg/L 6.400 NH4+ mg/L 1.613 PO4- mg/L 17,4 Ca2+ mg/L 25,6 Mg2+ mg/L 65,7 TN mg/L 354 TP mg/L 22 (Nguồn Nguyễn Mạnh Khải và cộng sự, 2012) Bãi rác có hệ thống thu gom nước rỉ rác từ các giếng khoan và hệ thống thu và xả vào các hồ sinh học, mỗi ngày hồ chứa tiếp nhận gần 2000 m3 nước rỉ. Tuy nhiên, công suất xử lý của nhà máy chỉ khoảng 1500 m3/ngày. Chính vì vậy, nhà máy xử lý nước rỉ rác Nam Sơn trở nên quá tải. Mặt khác, bãi rác xây dựng gần khu dân cư nên ảnh hưởng tới sinh hoạt của người dân. 1.1.6. Các công trình nghiên cứu về xử lí nước rỉ rác 1.1.6.1. Các công trình nghiên cứu trong nước Tô Thị Hải Yến và các cộng sự [9] với công trình “Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy vi sinh rác và nước rỉ rác bằng thay đổi chế độ vận hành và môi trường hóa học trong bãi chôn lấp” đã cho thấy, khi chôn lấp rác thải sinh hoạt có thành phần lignin tới 15,2% trọng lượng khô làm phát thải khí metan không có lợi về kinh tế và môi trường. Với việc bổ sung thêm môi trường sunfat nhằm tạo điều kiện để phân hủy thành phần hữu cơ thể rắn trong rác chuyển sang dạng lỏng trong nước rỉ rác, vô cơ hóa thành phần chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước rỉ rác. Trong môi trường sunfat, hệ thống chỉ thực sự phát huy tác dụng từ ngày thứ 95 của 16 chu trình chôn lấp rác. Ngoài ra nhóm tác giả cũng đã cho thấy rằng việc tuần hoàn nước rỉ rác tạo khả năng oxy hóa – khử mạnh hơn cho môi trường phân hủy vi sinh các chất hữu cơ trong rác ở thể rắn và vô cơ hóa chất hữu cơ ở thể lỏng. Quý Tùng và cộng sự [12]đã nghiên cứu “Xử lý nước rỉ rác bãi rác Thùy Phương (Huế) bằng tác nhân UV - FENTON trong thiết bị gián đoạn”. Tính phân hủy sinh học của nước thải sau quá trình xử lý tăng lên đáng kể, tỷ lệ BOD5/COD tăng từ 0,15 đến 0,46. Kết quả khả quan với hiệu suất xử lý COD đạt 71% và màu nước rỉ rác đạt 90% ở điều kiện tối ưu: pH = 3, nồng độ H2O2 = 125 mg/L, nồng độ Fe2+ = 50 mg/L sau thời gian lưu 2 giờ. Trần Mạnh Trí [10] đã áp dụng quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) để xử lý nước rỉ rác đã qua xử lý sinh học ở nhà máy xử lý nước rỉ rác Gò Cát. Tác giả đã sử dụng quá trình Keo tụ - Tạo phức - Fenton - Perozon để xử lý nước rỉ rác sau phân hủy sinh học kỵ khí trong bể UASB (COD = 5424 mg/L) ở hệ thống xử lý nước rỉ rác Gò Cát. Quá trình keo tụ/Fenton được thực hiện bằng cách bổ sung polyferic sunphat (300 mg Fe3+/L) và sau khuấy nhanh bổ sung tiếp 500 mg H2O2/L vào và khuấy chậm 120 phút. Với quá trình xử lý này, hiệu suất xử lý COD rất cao (đạt 76%). Sau quá trình Keo tụ - Tạo phức - Fenton, nước rỉ rác tiếp tục được xử lý bằng Perozon đã xử lý được 97% các chất hữu cơ trong nước rỉ rác. 1.1.6.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới Top và cộng sự [23] đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác của một nhà máy tại Istanbul (Thổ Nhĩ Kỳ) bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với lọc màng nano. Nồng độ trung bình của COD, nitơ tổng và amoni trong nước rỉ rác ban đầu có giá trị lần lượt là 6200; 587,5 và 110 mg/L. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ dòng điện hợp lý là 15,9 mA/cm2 và thời gian xử lý hợp lý là 30 phút sẽ làm giảm tối đa COD, màu sắc, và loại bỏ phốtpho tương ứng là 45%, 60% và 91,8%. Tizaoui cùng cộng sự [21] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp ozon hóa và ozone kết hợp với hydrogen peroxide để xử lí nước rỉ rác tại Tunisia, được đặc trưng bởi COD cao, khả năng bị phân hủy sinh học thấp và màu sắc tối. Kết quả thu được cho thấy rằng hiệu quả ozon hóa đã gần như tăng gấp đôi khi kết hợp với 17 hydrogen peroxide khi nồng độ H2O2 là 2 g/L, nhưng khi nồng độ H2O2 cao hơn 2g/L lại cho hiệu quả thấp. pH có thể thay đổi không đáng kể do tác dụng của đệm bicarbonate. Nồng độ sulphate cũng giảm nhẹ. Ngược lại, nồng độ chloride ban đầu thì giảm, nhưng sau một thời gian thí nghiệm lại tăng lên để đạt được giá trị ban đầu của nó. Kết quả so sánh chi phí vận hành của 2 phương pháp cho thấy các hệ thống H2O2/O3 tại H2O2 nồng độ 2 g/L cho chi phí thấp nhất khoảng ~2.3 USD/kg COD được loại bỏ. Hệ thống xử lý nước rỉ rác được nghiên cứu bởi Ushikoshi cùng cộng sự [24] đã được lắp đặt tại Yachiyo Town ở quận Kanto của Nhật Bản, được đưa vào phục vụ vào tháng Tư năm 1999. Hệ thống này được trang bị module màng thẩm thấu ngược (RO) dạng đĩa - ống được gọi là DT - Module, đã hoạt động một cách hiệu quả trong nhiều năm qua, nước sau xử lý đạt chất lượng rất cao. Mặt khác tại Nhật Bản, vấn đề dioxin đã trở nên ngày càng nghiêm trọng, có mặt rất phổ biến trong các nước rỉ rác và hệ thống DT - Module cho thấy hiệu suất rất cao trong việc loại bỏ dioxin từ nước rỉ rác. Bằng cách áp dụng hệ thống DT - Module cùng với hệ thống lò thiêu kết đã tạo ra một hệ thống xử lý nước rỉ rác hoàn chỉnh: dioxin trong bùn từ các bể lắng và muối khô trong pha đặc của hệ thống RO được tiêu hủy trong lò thiêu kết với tỷ lệ loại bỏ dioxin bởi hệ thống DT - Module kết hợp lò thiêu kết là trên 99,9%. 1.2. Tổng quan về chất rắn lơ lửng (TSS) và độ màu 1.2.1. Khái niệm 1.2.1.1. Khái niệm về TSS Chất rắn lơ lửng (các chất huyền phù) là các hạt nhỏ (hữu cơ hoặc vô cơ) không tan trong nước. Khi vận tốc của dòng chảy bị giảm xuống (do nó chảy vào các hồ chứa lớn) phần lớn các chất rắn lơ lửng sẽ bị bị lắng xuống đáy hồ, những hạt không lắng được sẽ tạo thành độ đục (turbidity) của nước. Các chất lơ lửng hữu cơ sẽ tiêu thụ oxy để phân hủy làm giảm DO của nguồn nước. Các cặn lắng sẽ làm đầy các bể chứa làm giảm thể tích hữu dụng của các bể này (Lê Hoàng Việt, 2003). TSS được sử dụng như là một chỉ số về chất lượng nước. Trong TSS có thể chứa các độc chất như là axit sunphat đồng, oxit đồng, những độc chất thuộc clor, chất hữu cơ photpho, oxit nhôm, oxit sắt 18 1.2.1.2. Khái niệm về độ màu Màu của nước chủ yếu là do chất mùn, các chất hòa tan, keo hoặc do các sản phẩm từ sự pân hủy các chất hữu cơ tạo nên. Bên cạnh đó, sự có mặt của một số ion kim loại có màu ( Fe,Mn...), một số loài thủy sinh (tảo, rêu...) hay nước thải sinh hoạt và các chất thải công nghiệp khác cũng làm cho nước có màu. Độ màu trong nước biểu thị giá trị cảm quan về độ sạch của nước, nước cấp sạch thì thường không có màu. Riêng với nước thải, độ màu còn là chỉ tiêu đánh giá phần nào mức độ ô nhiễm nguồn nước. 1.2.2. Ảnh hưởng của TSS và độ màu 1.2.2.1. Ảnh hưởng của TSS TSS cao có thể chặn ánh sáng từ thực vật ngập nước, khi số lượng ánh sáng truyền qua nước bị giảm đến quá trình quang hợp giảm, điều này dẫn đến ít oxy hòa tan được đưa vào nước. Nếu ánh sáng hoàn toàn bị chặn, thực vật sống trong nước ngừng sản xuất oxy và sẽ chết. Khi cây đang phân hủy, vi khuẩn sẽ sử dụng oxy nhiều hơn từ nước. Oxy hòa tan có thể dẫn đến chết cá. TSS cao cũng có thể gây ra sự gia tăng nhiệt độ nước bề mặt, vì các hạt lơ lửng hấp thụ nhiệt từ ánh sáng mặt trời. Điều này có thể gây ra nồng độ oxy hòa tan giảm hơn nửa và có thể gây tổn hại cho đời sống thủy sinh. TSS cao có thể ảnh hưởng đến khả năng nhìn của cá trong tìm kiếm thực phẩm. Phù sa lơ lửng cũng có thể làm tắc nghẽn mang cá, làm giảm tốc độ tăng trưởng, giảm sức đề kháng với bệnh tật và ngăn chặn trứng và ấu trùng phát triển. TSS cao có thể là nồng độ cao hơn của vi khuẩn, các chất dinh dưỡng, thuốc trừ sâu và các kim loại trong nước. TSS cao có thể gây ra các trở ngại cho công nghiệp, nó có thể gây tắc nghẽn thiết bị, làm giảm chất lượng sản phẩm. 1.2.2.2. Ảnh hưởng của độ màu Độ màu cao cũng sẽ gây ảnh hưởng đến sự truyền và hấp thụ ánh sáng của nước, làm ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, sinh trưởng và phát triển của các loài thực vật ngập nước giống như TSS. Bên cạnh đó, độ màu của nước còn gây ra sự khó chịu về mặt cảm quan. 19 1.2.3. Các công trình nghiên cứu xử lí TSS và độ màu 1.2.3.1. Các công trình nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trên thế giới MuhammadIrfan cùng cộng sự [19] đã có bài: “Nghiên cứu loại bỏ COD, TSS và màu sắc trong nước thải nhà máy giấy theo quy trình đông kết - flocculation ở pH tối ưu”. Quá trình đông kết, kết tụ được thực hiện để tìm ra hiệu quả của chất flocculants và chất kết tụ khác nhau như phèn, sắt clorua, clorua nhôm, sulfat sắt, poly clorua nhôm (PAC) Tác động của tỷ lệ liều, thời gian giải quyết và pH được kiểm tra để giảm COD, TSS và màu sắc. Kết quả hiệu quả nhất thu được khi sử dụng kết hợp cation và anion polyacrylamide với clorua sắt và clorua nhôm và giảm 76% COD, 95% TSS và 95% màu ở pH < 3. Aziz và cộng sự (2012) [16] đã tiến hành: “Kết hợp Ozon và enton (O3/H2O2/Fe2+) trong cùng một thí nghiệm để xử lý nước rỉ rác (Bãi chôn lấp Pulau Burung, Malaysia)”. Các tác giả đã đánh giá tỉ lệ phân tử gam, nồng độ H2O2 và Fe2+ của hệ Fenton, giá trị pH, thời gian phản ứng. Hiêụ suất xử lý COD, độ màu, NH4+ tối ưu xác định được từ nghiên cứu này tương ứng là 65%, 98% và 12% sau 90, 31 phút phản ứng, tỉ lệ phân tử gam H2O2/Fe2+: 1 ở nồng độ 0,05 mol/l (1.700 mg/l) H2O2 và 0,05 mol/l (2.800 mg/l) Fe2+ ở pH= 7. Hiêụ suất xử lý NH3-N cao nhất đạt được là 19% sau 150 phút phản ứng. Hàm lượng O3 cần để xử lý được xác đinh là 0,63 kg O3/kg COD. Abu Amr và cộng sự (2013) [15] có bài nghiên cứu: “Kết hơp ozon và pesunphat (O3/S2O82-) để xử lý nước rỉ rác (bãi chôn lấp Pulau Burung, Malaysia)”. Điều kiện tối ưu cho xử lý đạt được là: thời gian phản ứng 120 phút, tỉ lệ O3/ S2O82- 1g/7g, pH 10. Ở điều kiện này, hiêụ suất xử lý COD, độ màu lần lượt đạt được là 72% và 93%, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,05 lên 0,29. Lượng O3 tiêu tốn là 0,76 kg O3/kg COD. Jamali và công sự (2009) [17] đã: “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác (bãi chôn lấp Tehran, Iran) với kết hợp keo tụ và ozon”. COD nước rỉ rác trước xử lý 130.000 mg/l. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiêụ suất xử lý COD và độ màu tương ứng là 41% và 81%, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,36 lên 0,45; hiệu suất xử lý độ màu đạt cao nhất là 81% ở mức hàm lượng O3 là 180g O3/l nước rỉ rác. 20 1.2.3.2. Các công trình nghiên cứu xử lý TSS và độ màu tại Việt Nam Ngô Thụy Diễm Trang [6] đã nghiên cứu: “Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tạo nền cát vận hành với mức tái nạp thủy lực cao”. Hệ thống được vận hành với hai mức tải nạp thủy lực (HLRs) là 31 và 62 mm/ngày. Khả năng xử lý TSS, lân hòa tan (PO4-P) và lân tổng (TP) là rất hiệu quả và không đổi cho cả hai mức HLRs với hiệu suất xử lý trung bình tương ứng khoảng 94, 99 và 99%, trong khi đó hiệu suất xử lý nhu cầu oxy sinh học (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng đạm Kjeldahl (TKN) và đạm amôn (NH4-N) giảm khi HLR tăng, và có giá trị trung bình nằm trong khoảng tương ứng là 47- 71%, 68-84%, 63-87% và 69- 91%. Kết quả cho thấy bằng cách sử dụng HSSF CWs trong việc xử lý nước thải sinh hoạt là phương pháp khả thi. Chất lượng nước thải đầu ra của hệ thống ở mức HLR cao 62 mm/ngày (tương đương 1200 L/ngày) đạt tiêu chuẩn Việt Nam cho phép xả thải vào nguồn nước mặt. Nguyễn Minh Kì và các cộng sự [5] đã: “Nghiên cứu xử lý nước thải dân cư bằng công nghệ màng lọc sinh học MBR (Membrane bioreactor)”. Mục đích của nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng xử lý nước thải dân cư bằng công nghệ màng lọc sinh học (MBR). Bể phản ứng được thiết kế với dung tích hữu ích 36 lít (L*W*H = 24*20*75 cm) và sử dụng module màng nhúng chìm có kích thước lỗ lọc tương đương 0,4 µm. Mô hình thí nghiệm MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và kỹ thuật tách sinh khối vi sinh bằng màng. Nghiên cứu bố trí thí nghiệm, đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dân cư trong thời gian 121 ngày với tải lượng chất hữu cơ dao động từ 1,7 đến 6,8 kgCOD/m3/ngày. Nhờ nồng độ sinh khối cao, MBR gia tăng hiệu quả xử lý nước thải so với phương pháp truyền thống. Hiệu quả xử lý trung bình TSS, BOD5, COD, TN, TP tương ứng lần lượt 89,4; 94,6; 92,6; 64,6 và 79,2%. Nhìn chung, công nghệ màng lọc có thể áp dụng để xử lý nguồn nước thải có tải lượng chất hữu cơ cao và là giải pháp hữu hiệu bảo vệ môi trường bền vững. Văn Hữu Tập cùng các cộng sự (2012) [13] tiến hành nghiên cứu: “Xử lý các chất hữu cơ trong NRR bãi chôn lấp chất thải rắn bằng UV/O3”. Để quá trình oxy 21 hóa các chất hữu cơ bằng ozon và perozon có hiệu quả cần thực hiện ở điều kiện tối ưu sau: pH 8 – 9; hàm lượng H2O2 (hệ Perozon) là 2.000mg/l; thời gian phản ứng đối với hệ Ozon đơn là 100 phút và hệ Perozon là 80 phút. Ở điều kiện này, kết quả thực nghiệm đã cho thấy hiệu suất xử lý độ màu, COD và TOC đạt được trung bình tương ứng 84%, 43% và 30% (hệ Ozon) và 81%, 51% và 31% (hệ Perozon). Hoàng Ngọc Minh [10] đã nghiên cứu: “Xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn Nam Sơn – Sóc Sơn bằng quá trình Ozon và Perozon”, nghiên cứu sử dụng nguồn O3 với máy phát công suất 4,5 g O3/giờ, nồng độ H2O2 mà 1.000 - 3.000 mg/l. Với nước rỉ rác có COD và độ màu đầu vào tương ứng là 455 mg/l và 397 mgPt-Co/l, sau 60 phút xử lý bằng Perozon, hiệu suất đạt tương ứng 41% và 58%. Theo nghiên cứu của tác giả thì pH thích hợp cho quá trình ozon hóa nước rỉ rác khoảng 8 - 9,5. Trương Quý Tùng và cộng sự (2009) [11] đã có bài nghiên cứu: “Xử lý nước rỉ rác phát sinh từ BCL Thủy Tiên - Thừa Thiên Huế bằng tác nhân UV/Fenton”. Nước rỉ rác có tỷ lệ BOD5/COD = 0,16 ± 0,2. Tác giả đã xử lý nước rỉ rác này bằng tác nhân Fenton với sự hỗ trợ của đèn UV (200 – 275 nm, 40W) được bố trí ngập vào trong thiết bị phản ứng để sử dụng tối đa năng lượng của đèn. Kết quả cho thấy, quá trình này có thể loại bỏ được 71% COD và 90% độ màu nước rỉ rác ở pH ~ 3, nồng độ H2O2 là 125 mg/l, nồng độ Fe2+ là 50 mg/l, sau thời gian phản ứng là 2 giờ. Ngoài ra, khả năng phân huỷ sinh học của nước rỉ rác sau xử lý đã tăng đáng kể, tỉ lê BOD5/COD tăng từ 0,15 lên 0,46. Hoàng Thị Thu Hiền (2012) [3] đã: “Nghiên cứu sử dụng UV/Ozon để xử nước rỉ rác”. Kết quả thí nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm xử lý nước rác từ bãi chôn lấp Nam Sơn. Từ kết quả thực nghiệm xử lý nước rỉ rác sau keo tụ, tác giả đã xác định được điều kiện tối ưu đạt được tại pH = 7,5 và thời gian phản ứng là 100 phút; hiệu suất xử lý COD và độ màu nước rỉ rác đạt tương ứng là 26% và 64% với hệ Ozon đơn và 35%, 82% với hệ UV/O3. Dư Thị Huyền Thanh (2012) [1] đã: “Nghiên cứu kết hơp Perozon và UV để xử lý nước rỉ rác”. Từ kết quả xử lý nước rỉ rác sau giai đoạn keo tụ, tác giả đã xác định được các điều kiện tốt nhất cho quá trình xử lý cho cả hệ O3/H2O2 và 22 O3/H2O2/UV là: pH = 7,5; tỉ lệ mol H2O2/O3 = 0,7; thời gian phản ứng là 80 phút. Với điều kiện tốt nhất 39 trên thì hiệu suất xử lý độ màu và COD đạt được tương ứng là 40% và 75% (hệ O3/H2O2); 90% và 64% (hệ O3/H2O2/UV). 1.3. Tổng quan về phương pháp lọc sinh học 1.3.1. Phân loại phương pháp lọc sinh học Dựa vào nguyên tắc hoạt động, phương pháp lọc sinh học được chia thành 3 loại là phương pháp sinh học sinh trưởng bám dính ngập nước, phương pháp sinh học sinh trưởng bám dính không ngập nước (lọc sinh học nhỏ giọt) và đĩa quay sinh học RBC. 1.3.1.1. Đĩa quay sinh học RBC (Rotating Biological Contactor) RBC là một đĩa quay sinh học bao gồm một số đĩa lớn (disk) bằng nhựa PVC hoặc PS, hình tròn được gắn cạnh nhau lắp trên cùng một trục (hub), các đĩa được phân ra nhờ các vách ngăn (partition). Các đĩa được quay nhờ có sự chuyển động bằng xích bánh lái (chain driving gear) và bánh xích (sprocket). Hệ được giữ cố định nhờ ổ đỡ trục (pillow). Sự kết hợp hài hòa giữa ổ đỡ trục và sự chuyển động của bằng xích và bánh xích giúp các đĩa này quay đồng tâm quanh trục truyền động (shaft) với tốc độ ổn định. Đây là thiết bị xử lý nước thải bằng kỹ thuật màng sinh học dựa trên sự dinh trưởng gắn kết của vi sinh vật trên bề mặt của vật liệu đĩa. Vật liệu thường gặp ở dạng đĩa, diện tích bề mặt khoảng 6 - 7,62 m2/m3, còn ở dạng lưới thì diện tích bề mặt từ 9,1-10,6 m2/m3 [11]. Hình 1.4. Đĩa quay sinh học RBC đĩa vách ngăn trục Trục chuyển động ổ đỡ trục bánh xích bánh lái 23 Khi khối đĩa quay lên, các vi sinh vật lấy oxy để oxy hoá các chất hữu cơ và giải phóng CO2. Tốc độ quay chỉ với vài vòng/ phút điều này cũng giúp điều chỉnh độ dày màng có chứa vi sinh là từ 1 - 2mm. Khi khối đĩa quay xuống, vi sinh vật nhận chất nền (chất dinh dưỡng) có trong nước. Trong quá trình luân chuyển, khoảng 40% diện tích bề mặt môi trường được tiếp xúc với nước thải. Việc quay vòng liên tục khiến vi sinh vật hiếu khí có điều kiện tốt để tiếp xúc với oxy, tạo môi trường thuận lợi cho các sinh vật nhân lên và tạo thành một lớp sinh khối mỏng. Sự gia tăng nhanh chóng của các vi sinh vật giúp khả năng tiêu thụ các chất trong chất thải tốt hơn, vì đây là nguồn thức ăn dinh dưỡng mà chúng cần, điều đó sẽ khiến các chất hữu cơ trong nước rỉ rác được giảm đi đáng kể. Khi lượng sinh khối tăng lên quá nhiều, nhanh vượt quá mức khả năng chịu đựng của giá đỡ thì được di chuyển xuống bể lắng của hệ thống RBC. Quá trình tiếp diễn như vậy cho đến khi hệ vi sinh vật sinh trưởng và phát triển sử dụng hết các chất hữu cơ có trong nước thải [20]. 1.3.1.2. Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước (lọc nhỏ giọt) Vật liệu lọc: đá cuội, đá dăm, sỏi đá Nước thải được phân phối trên bề mặt vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước (rotating influent distributer) tia thành nhỏ giọt. Khi làm việc, vật liệu màng sinh học khi bị ngấm nước khiến chúng nặng hơn, nên thông thường giá đỡ thường lấy giá trị an toàn là 500 kg/m3, khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường là 0,6 – 0,8 m. Sàn đỡ và thu nước giúp thu gom các mảnh vỡ của màng sinh học bị bong đồng thời phân bố khí (influent air) vào bể lọc để duy trì môi trường hiếu khí trong các khe rỗng. Nước sau quá trình lọc được tiếp tục cho đi quay li tâm (clarifier) để tách bùn cặn (sludge) và nước (treatment water), nước này lại tiếp tục quay trở lại quá trình lọc nhờ bơm (pump) hút lên hệ thống giàn quay phun nước tia. Quá trình nay được thực hiện đến khi nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn. 24 Hình 1.5. Cấu tạo của bể lọc nhỏ giọt Nước được chảy từ trên xuống qua toàn vật liệu lọc. Khi nước truyền đến lớp vật liệu thì sẽ được chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, tiếp xúc với màng sinh học trên bề mặt vật liệu. Khi nước thải tiếp xúc với lớp màng vi sinh trên bề mặt giá thể cũng là lúc chất hữu cơ được tiêu thụ. Các chất hữu cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO2 và H2O, phân hủy kị khí sinh ra CH4 và CO2 làm bong màng ra khỏi giá thể, trên giá thể tiếp tục hình thành lớp màng mới. 1.3.1.3. Lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước Cấu tạo tương tự như lọc sinh học với lớp vật liệu không ngập trong nước, tuy nhiên vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước. 1.3.2. Phương pháp lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước 1.3.2.1. Cấu tạo Bao gồm vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước, 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. giàn quay phun nước phân bố khí bơm bùn quay li tâm không khí nước đã xử lý mái vòm lọc đầu ra tái chế nước 25 Vật liệu lọc: giá thể vi sinh bám dính dạng tấm, vật liệu chế tạo bằng nhựa PPE 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. Hình 1.6. Giá thể vi sinh 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 đã 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. Ngoài ra, hệ lọc sinh học còn có bộ phận sục khí (air stone), ống thu nước đầu ra (outlet), ống thu bùn để xả cặn để rửa đáy bể lọc sinh học khi cần thiết. 26 Hình 1.7. Cấu tạo của bể lọc sinh học giá thể bám dính ngập nước 1.3.2.2. Nguyên tắc hoạt động 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. Oxy 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 oxi cho vi sinh vật trong bể. Chính vì thế mà lượng vi sinh vật 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 ngoài việc đóng vai trò là giá thể hỗ trợ cho việc tăng trưởng sinh khối. Giá thể vi sinh có thể oxi hóa được tất mực nước thải bộ phận sục khí nước đầu ra nước đầu vào dòng tuần hoàn 27 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. 1.3.2.3. Cơ chế diễn ra trong hệ lọc sinh học Trong quá trình lọc, nước thải được cho vào hệ thống lọc, các chất ô nhiễm trong nước thải sẽ được các vi sinh vật trên giá thể xử lý bằng cách sử dụng nước thải như là nguồn dinh dưỡng thiết yếu. Các chất gây ô nhiễm trong nước sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây diễn ra quá trình phân hủy chất ô nhiễm nhờ vi sinh vật ở môi trường hiếu khí và thiếu khí. Hình 1.8. Màng sinh học phát triển trên giá bám Màng sinh học có thể oxy hóa được tất cả các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải và các vi sinh vật sẽ phát triển dày trên giá thể làm cho vận tốc nước chảy qua màng chậm hơn. Điều này cũng giúp cho giá thể có khả năng hấp phụ, giữ lại các vi khuẩn cũng như tạp chất hóa học để oxy hóa và nước dần được làm sạch. 28 Cơ chế hoạt động của màng sinh học được chia làm 2 giai đoạn chính: • Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch: nước thải trong hệ lọc tiếp xúc với giá thể sau đó chuyển vào màng sinh học theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng sinh học diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Sản phẩm cuối cùng được đi ra khỏi màng và hòa lẫn với nước ở trong hệ lọc. • Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật: khi các vi sinh vật bám dính trên bề mặt giá thể cũng phải trải qua nhiều giai đoạn: + Khi màng vi sinh vật còn mỏng, chưa có khả năng bao phủ hết được giá thể thì khi đó chúng đều có điều kiện sinh trưởng giống nhau. + Tốc độ màng dày hơn, tuy nhiên ở giai đoạn này dường như sự phát triển của chúng ổn định hơn. Lượng cơ chất hấp thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật và không có sự gia tăng sinh khối. + Bề dày của lớp màng trở lên ổn định, tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm phân hủy nội bào, lúc này chúng dễ bị bong tróc ra khỏi giá thể và giá thể lại tiếp tục nhận một lượng vi sinh vật mới. Hệ lọc sinh học này hoạt động với chế độ thiếu – hiếu khí cơ chế hoạt động khá đa dạng. Khi hệ bắt đầu sục khí cũng là lúc hệ bắt đầu quá trình phân hủy hiếu khí: phân tử oxy (O2) luôn có mặt và đóng vai trò quyết định cách phân hủy. Khi có mặt oxy thì đây là chất oxy hóa duy nhất được sử dụng. Do đó, các sản phẩm hóa học cuối cùng của quá trình phân hủy sẽ là cacbon đioxit, nước và tế bào mới. Các sản phẩm cuối cùng là khí có m