Hồ sinh học xử lý nước thải

Dù ¸n: Biªn so¹n tµi liÖu gi¶ng d¹y vÒ VÖ sinh chi phÝ thÊp vµ bÒn v÷ng (Dù ¸n LCST) M· sè: ASI/B7-301/98/679-024 §¬n vÞ tµi trî: Khèi Céng ®ång Ch©u ¢u (EU) Thuéc ch−¬ng tr×nh: Céng ®ång ch©u ¢u liªn kÕt víi Ch©u ¸ (EU ASIA link program) C¸c ®¬n vÞ tham gia Dù ¸n: •Tr−êng §¹i häc X©y dùng Hµ néi (ViÖt nam) •Tr−êng §¹i häc Tæng hîp Linkoeping (Thuþ ®iÓn) •Tr−êng §¹i häc Tæng hîp Leeds (Anh) •Tr−êng §¹i häc Kü thuËt Hamburg - Harburg (§øc) Chñ nhiÖm dù ¸n: TS. NguyÔn ViÖt Anh Bé m«n CÊp tho¸t n−íc, Khoa Kü thuËt M«i tr−êng, §HXD Hµ Néi §Þa chØ liªn hÖ: §¹i häc X©y dùng Hµ Néi, 55 ®−êng Gi¶i Phãng, Hµ Néi, ViÖt Nam. §T: +84-4-869 83 17, 628 15 80. Fax: +84-4-628 15 80. E-mail: lcst@fpt.vn, vietanhctn@hotmail.com "The contents of this publication is the sole responsibility of LCST project manager and can in no way be taken to reflect the views of the European Union". ‘’Néi dung cña tµi liÖu nµy thuéc vÒ tr¸ch nhiÖm cña Ban chñ nhiÖm Dù ¸n LCST vµ kh«ng thÓ hiÖn quan ®iÓm cña Céng ®ång ch©u ¢u d−íi bÊt kú h×nh thøc nµo’’. Xö lý n−íc th¶i trong Hå sinh häc Gi¸o s− Duncan Mara Tr−êng §HTH Leeds, V−¬ng quèc Anh Hå sinh häc Andora Giai ®o¹n I Nairobi, Kenya -1980 Hå tuú tiÖn: 700 × 300 m Hå hiÕu khÝ: 300 × 300 m C«ng suÊt thiÕt kÕ: 30 000 m3/ ngµy 1992: Dandora G.®o¹n II- s¸u ®¬n nguyªn bæ sung C.suÊt thiÕt kÕ giai ®o¹n I vµ II: 80 000m3/ ngµy Giai ®o¹n II: x©y dùng thªm hå sinh vËt kþ khÝ tr−íc tõng ®¬n nguyªn trong sè 8 − C.suÊt thiÕt kÕ sÏ lµ: 160 000 m3/ ngµy Tr¹m xö lý n−íc th¶i T©y Melbourne, Australia 1667 ha WSP, xö lý ~366 000 m3/ ngµy ← Ca’ng VÞnh Phillip Melbourne: 1 trong 3 hÖ thèng WSP “55 §«ng” ‘Hå thø nhÊt cao t¶i: phÇn kþ khÝ s©u , phÇn n«ng h¬n ®−îc sôc khÝ 9 hå sinh vËt hiÕu khÝ nh»m lo¹i bá FC vµ N Mçi hå réng: 200 × 1500 m Chappelle Thouaroult, Brittany, Ph¸p Ph¸p: >2500 hÖ thèngWSP, ®øc: >3000 (phôc vô chñ yÕu cho sè d©n <2000) USA: ~7500 sè d©n <5000) Ginebra, Valle del Cauca, Colombia Hå sinh häc kþ khÝ, thêi gian l−u n−íc 2 ngµy Hå sinh vËt tuú tiÖn, l−u n−íc 5 ngµy MÝa ®−îc t−íi n−íc hå N−íc hå sinh vËt tuú tiÖn vµ hiÕu khÝ cã mµu xanh do t¶o sinh tr−ëng trong n−íc hå T¶o tù di chuyÓn ®−îc th−êng cã mét hoÆc nhiÒu ‘roi’ T¶o di chuyÓn ®−îc vµ kh«ng di chuyÓn ®−îc ThuyÕt hç sinh vÒ vi khuÈn vµ t¶o T¶o ¸nh s¸ng TÕ bµo míi Vi khuÈn O2 CO2 BOD n−íc th¶i TÕ bµo míi Sù quang hîp • T¶o sö dông n¨ng l−îng ¸nh s¸ng ®Ó ‘cè ®Þnh’ carbon dioxide, vµ oxy lµ s¶n phÈm phô ®−îc sinh ra tõ n−íc: 106CO2 + 236H2O + 16NH4 + + HPO4 2- C106H181O45N16P + 118O2 + 171H2O + 14H+ ¸NH S¸NG t¶o 1 g t¶o s¶n xuÊt ~1.5 g O2 t−¬ng ®−¬ng ≈ 1.5 g BODu ≈ 1 g BOD5 Sè liÖu tÝnh víi NT t¹i Mü * * = §Üa läc sinh häc X©y dùng hå rÊt ®¬n gi¶n, chØ cÇn ®µo ®Êt Ph¶i lãt nÕu ®Êt cã ®é thÊm cao and reliable Nh−îc ®iÓm cña c¸c quy tr×nh xö lý truyÒn thèng t¹i c¸c n−íc ®ang ph¸t triÓn • chi phÝ − rÊt cao, xÐt vÒ vèn ®Çu t− vµ chi phÝ VH&BD • - nhu cÇu ngo¹i hèi lín • (kÓ ca’ mua t.bÞ, phô tïng thay thÕ) • ®ßi hái Nh©n c«ng lµnh nghÒ ®Ó ®¶m b¶o VH&BD tèt • Kh¶ n¨ng lo¹i bá mÇm bÖnh tõ ph©n rÊt kÐm – chØ 90 – 99 % — chØ 90−99% ?? .... Æ N−íc th¶i th«: 107−108 khuÈn coli / 100 ml ƒ Lo¹i bá 90−99% cã nghÜa lµ: Dßng th¶i ®Çu ra : 105–107 khuÈn c«li trong 100 ml ™Nh− vËy lo¹i bá 90−99% lµ gÇn nh− kh«ng lo¹i bá g×! So s¸nh gi÷a xö lý n−íc th¶i trong ®k tù nhiªn vµ XLNT truyÒn thèng ™C¬ b¶n lµ sù lùa chän gi÷a ®Êt vµ ®iÖn: • Chi phÝ mua ®Êt lµ mét kho¶n ®Çu t− • Chi phÝ mua ®iÖn mÊt ®i vÜnh viÔn hå kþ khÝ • T¶i träng chÊt h÷u c¬ (BOD) cao→ kh«ng cã «xy hoµ tan • ®é s©u tõ 1–5 m; tuú thuéc vµo ®iÒu kiÖn ®Êt – th«ng th−êng 2–4 m • kh«ng cã (hoÆc rÊt Ýt) ta’o→ diÖn tÝch bÒ mÆt kh«ng quan träng T¶o:th−êng lµ Chlamydomonas chÞu sulphide, t¹o líp máng trªn bÒ mÆt vËn hµnh hå sinh vËt kþ khÝ • l¾ng c¸c chÊt r¾n cã thÓ l¾ng ®−îc vµ • ph©n huû kþ khÝ m¹nh (>15oC) vµ l−îng khÝ sinh häc (CH4 & CO2) sinh ra lín • HiÖu suÊt lo¹i bá BOD & SS cao • Ho¹t ®éng t−¬ng tù mét bÓ phèt hë ‘Biogas’: CH4, CO2 líp bïn líp v¸ng Kho¶ng 30% dßng BOD ®Çu vµo tho¸t ra lµ biogas ƒ C¸c vi khuÈn kþ khÝ cã mÆt t−¬ng tù nh− trong bÓ phèt vµ c¸c bÓ ph©n huû kþ khÝ kh¸c → ®ßi hái c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng gièng nh− c¸c tr−êng hîp trªn (vÝ dô nh−, pH >6,5) ThiÕt kÕ hå sinh vËt kþ khÝ C¨n cø vµo t¶i träng thuû lùc BOD, λv λV = LiQ/V g/m3.ng® = Li/θa V Li Q Li = BOD ®Çu vµo mg/l (= g/m3) Q = l−u l−îng, m3/ng® V = thÓ tÝch, m3 V/Q = θ (thêi gian l−u n−íc, ng®) θa≮ 1 ng® c¸c gi¸ trÞ thiÕt kÕ lo¹i bá λv & BOD NhiÖt ®é T¶i träng % t.to¸n BOD5 BOD (oC) (g/m3 ngµy) bÞ lo¹i bá ≤10 100 40 10–20 20T – 100* 2T + 20* 20–25 10T + 100* 2T + 20* >25 350 70 * Néi suy tuyÕn tÝnh (T = nhiÖt ®é, oC) Thêi gian l−u n−íc tèi thiÓu • TÝnh θa • Min θa = 1 ngµy • NÕu gi¸ trÞ tÝnh to¸n cña θa <1 ngµy thi` lÊy θa = 1 ngµy vµ tÝnh diÖn tÝch tÝnh to¸n dùa theo c«ng thøc: Aa = (Q × 1)/Da • Cho Da = 3 m B©y giê ta tÝnh Le mïi • chñ yÕu lµ do khÝ hydrogen sulphide (H2S) • trong hå sinh vËt kþ khÝ, sulphates (SO4 2−) bÞ khö nhê vi khuÈn kþ khÝ khö sulphate (nh−, Desulfovibrio spp.) thµnh sulphides (H2S, HS−, S2−) • Tû lÖ sulphide tån t¹i d−íi d¹ng H2S phô thuéc vµo ®é pH: H2S S=HS- ¶nh h−ëng cña ®é pH lªn c©n b»ng H2S – HS- - S2- (hydrogen sulphide−bisulphide−sulphide) Mïi (tiÕp) • Hå th−êng kh«ng g©y mïi khã chÞu nÕu hµm l−îng sulphate (SO4 2− ) <500 mg/l ™ kiÓm tra hµm l−îng sulphate trong n−íc cÊp t¹i ®Þa ph−¬ng (max = 250 mg/l) • do ®ã th«ng th−êng kh«ng cÇn ph¶i kiÓm so¸t mïi, tuy nhiªn cã thÓ khö mïi b»ng c¸ch ®æ thªm v«i hoÆc bét natri cacbonat (Soda) ®Ó duy tr× ®é pH >7 (hoÆc t¹o vßng tuÇn hoµn n−íc tõ hå hiÕu khÝ, nh−ng c¸ch nµy tèn kÐm vµ cÇn b¶o d−ìng b¬m) Lß mæ trung t©m CYPRUS BOD trung b×nh = 1500−2000 mg/ Hå sinh vËt kþ khÝ, Cyprus Hå sinh vËt tuú tiÖn ‰ cã thÓ tiÕp nhËn n−íc th¶i th«: “hå sinh vËt tuú tiÖn XL s¬ bé”; hoÆc n−íc th¶i sau khi l¾ng (vÝ dô nh− n−íc tõ hå sinh vËt kþ khÝ hoÆc hÖ thèng ‘cèng ®· t¸ch cÆn’): “hå sinh vËt tuú tiÖn bËc hai” ‰ xuÊt hiÖn rÊt nhiÒu c¸c lo¹i vi t¶o, phÇn lín di ®éng ®−îc – Nång ®é chlorophyll a kho¶ng 500−2000 µg/l. Bëi vËy n−íc hå sinh vËt tuú tiÖn th−êng (hoÆc ph¶i) mang mµu xanh ®Ëm. ‰ thuyÕt hç sinh vÒ vi khuÈn vµ t¶o: t¶o s¶n xuÊt ra O2, l−îng O2 nµy ®−îc c¸c vi khuÈn dÞ d−ìng tiªu thô vµ ®Õn l−ît m×nh sinh ra CO2 ®ù¬c tiªu thô bëi t¶o. ‰ mét líp bïn máng d−íi ®¸y hå sinh vËt tuú tiÖn XL n−íc th¶i th« (ph©n huû kþ khÝ m¹nh & sinh ra CH4). ‰ Gi¶m BOD ®Çu ra chñ yÕu nhê t¶o (70– 90%). BOD “t¶o” nµy rÊt kh¸c biÖt víi BOD “n−íc th¶i”. T¶o s¶n xuÊt O2, chØ trong thêi gian cã ¸nh s¸ng ban ngµy ∴ c¸c møc biÕn ®æi DO hµng ngµy trong hå: ○ ~10 cm ● ~80 cm d−íi bÒ mÆt Sù biÕn ®æi ®é pH ban ngµy: • T¶o quang hîp - tiªu thô CO2 • NÕu tèc ®é tiªu thô CO2 nhanh h¬n tèc ®é cung cÊp CO2 tõ qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt cña VK hoÆc tõ khÝ quyÓn th× c¸c ion Bicarbonate vµ Carbonate sÏ t¸ch ra: 2HCO3− → CO32− + H2O + CO2 CO32− + H2O → CO2 + 2OH− CO2 bÞ t¶o tiªu thô; OH− tÝch luü l¹i, do ®ã pH t¨ng lªn • pH cã thÓ t¨ng lªn ®Õn h¬n 9, thËm chÝ tíi 10. ¾ RÊt quan trong trong qu¸ tr×nh lo¹i trõ vi khuÈn cã mÆt trong ph©n: pH >9.4 nhanh chãng lo¹i trõ vi khuÈn trong ®ã cã E. coli − ngo¹i lÖ chÝnh lµ Vibrio cholerae (vi khuÈn nµy sÏ bÞ sulphides trong hå sinh vËt kþ khÝ lo¹i trõ). §é s©u cña hå sinh vËt tuú tiÖn • Th«ng th−êng 1–2 m (phæ biÕn lµ 1.5 m) • NÕu <0.9 m, vÊn ®Ò sÏ lµ: thùc vËt n−íc (emergent plant) ph¸t triÓn vµ kÐo theo ®ã lµ muçi cã ®iÒu kiÖn s¶n sinh: <0.9 m Khe tèi lµ n¬i tró ngô cña muçi Tû lÖ dµi – réng cña hå sinh vËt tuú tiÖn ‰ 2-3 – 1 nÕu hå tiÕp nhËn n−íc th¶i th« [nÕu nhiÒu h¬n, bïn sÏ ®äng l¹i gÇn cöa vµo cña hå (thay v× ph©n bè ®Òu d−íi lßng hå) vµ cã thÓ → lµm xuÊt hiÖn c¸c ®èng bïn nhá lµm t¾c cöa vµo hå] ‰ cã thÓ >3 – 1 nÕu hå tiÕp nhËn dßng th¶i ®Çu ra cña hå sinh vËt kþ khÝ ThiÕt kÕ hå sinh vËt tuú tiÖn dùa vµo t¶i träng bÒ mÆt Bod λs, kg BOD/ha ngµy ‰ Ta’i träng thiÕt kÕ lµ hµm cña nhiÖt ®é: Li = BOD ®Çu vµo, mg/l * Q = l−u l−îng, m3/day A = diÖn tÝch hå, m2 L−u ý ®¬n vÞ !! * = g/m3 λs = 10LiQ/A C«ng thøc quan träng! c«ng thøc thiÕt kÕ chung: ™ C¨n cø vµo: (a) T = 8 °C, λs = 80 kg/ha ngµy [kinh nghiÖm ë Ch©u ¢u & NZ] (b) T = 25 °C, λs = 350 kg/ha ngµy [Kinh nghiÖm cña TB Brazil] (c) T = 35 °C, λs = 500 kg/ha ngµy [giíi h¹n trªn] 25 °C λs = 350(1.107 − 0.002T)T−25 tr×nh tù thiÕt kÕ hå sinh vËt tuú tiÖn 1. TÝnh diÖn tÝch dùa vµo t¶i träng BOD [ = f(T)] 2. Lùa chän ®é s©u (~1.5 m) 3. TÝnh thêi gian l−u n−íc, kÓ ®Õn l−îng n−íc bay h¬i − xÐt→ 4. TÝnh BOD ch−a läc cña dßng th¶i ®Çu ra b»ng ph−¬ng tr×nh bËc 1 (k1 = 0.1 day−1) − xÐt→ 5. TÝnh BOD ®· läc cña dßng th¶i ®Çu ra ( = 0.3 × BOD ch−a läc) Bay h¬i e = l−îng bay h¬i thùc tÕ = bay h¬i – l−îng m−a, mm/ ngµy Nguån: BC cña tr¹m khÝ t−îng thuû v¨n mm/ th¸ng Hå sinh vËt tuú tiÖn: θf = AfD/Qm ∴ θf = AfD/[(Qi + Qe)/2] ∴ Qe = Qi – 0.001eAf ∴ θf = 2AfD/(2Qi – 0.001eAf) trong ®ã Qm = trung b×nh céng cña dßng ®Çu vµo Qi vµ dßng ®Çu ra Qe Thêi gian l−u n−íc tèi thiÓu • Min θf = 4 ngµy • NÕu gi¸ trÞ tÝnh to¸n cña θf <4 ngµy, ta lÊy θf = 4 ngµy vµ tÝnh l¹i diÖn tÝch hå theo c«ng thøc: Af = (Q × 4)/Df • Cho Df = 1.5 m Li 1 + k1(V/Q) Li 1 + k1θ V/Q lµ thêi gian l−u n−íc trung b×nh, ngµy (ký hiÖu: θ) Le = Le = Trong hå sinh vËt tuú tiÖn XL bËc hai k1 trong c«ng thøc tÝnh hiÖu qu¶ xö lý BOD thay ®æi theo nhiÖt ®é: k1(T) = 0.1(1.05)T−20 B O D 20 °C Hå sinh vËt tuú tiÖn: ‰ Ta ®· tÝnh ®−îc diÖn tÝch, chän chiÒu s©u, tÝnh thêi gian l−u n−íc vµ BOD ®Çu ra ‰ Giê ta kiÓm tra kh¶ n¨ng sö dông n−íc th¶i sau xö lý ®Ó t−íi h¹n chÕ cho c©y trång (H−íng dÉn míi cña WHO): • ≤105 E. coli /100 ml, • ≤1 trøng giun/l (nh−ng ≤0.1 trøng/l ®èi víi trÎ d−íi 15 bÞ ph¬i nhiÔm) 1. Lo¹i bá E. coli • Ph−¬ng tr×nh tæng qu¸t: Ne = Ni / [(1+ kBθan)(1+ kBθfac)(1+ kBθmat)n] • Do kh«ng cã hå hiÕu khÝ nªn: Ne(fac) = Ni / [(1+ kBθan)(1+ kBθfac)] 2. Lo¹i bá trøng giun • Ph−¬ng tr×nh: R (%) = 100[1 − exp(−0.41θ + 0.0085θ2)], LÊy: r = [1 − exp(−0.41θ + 0.0085θ2)] • ®Çu tiªn tÝnh víi Hå kþ khÝ (θa), sau ®ã víi hÒ tuú tiÖn (θf); sau ®ã: ‰ L−îng trøng giun trong n−íc ra khái hå tuú tiÖn = [(L−îng trøng giun trong NT th«) × (1 − ra) × (1 − rf)] ChÊt l−îng n−íc sau hå sinh häc BOD ch−a läc hay ®· läc? ‰ BOD ‘ch−a läc’ bao gåm c¶ BOD t¶o ‰ BOD ‘®· läc’ kh«ng bao gåm t¶o ¾ Läc qua giÊy läc GF/C (gi¶m c¶ BOD do mét phÇn nhá kh«ng ph¶i lµ BOD t¶o − nh−ng ta’o chiÕm tíi 70−90% gi¸ trÞ cña BOD ®Çu ra) Tiªu chuÈn chÊt l−îng n−íc th¶i ®« thÞ (91/271/EEC) cu¶ Céng ®ång Ch©u ¢u: §èi víi NT ®Çu ra cña hå sinh häc: ≤25 mg BOD ®· läc/l & ≤150 mg SS/l Vietnam Nu«i c¸ n−íc th¶i lµ h×nh thøc t¸i sö dông n−íc th¶i phæ biÕn ö ViÖt Nam – do vËy th−êng kh«ng cÇn hå hiÕu khÝ