Phân tích lựa chọn công nghệ và tính toán thiết kế công nghệ hệ thống xử lý nước thành phố du lịch công suất 3500 m3/ngày

Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 1 MỞ ĐẦU Vấn đề môi trường được đề cập nhiều trong những năm gần đây, và là một thách thức lớn đối với sự phát triển bền vững của sự sống. Xử lý nước thải là một trong các nhiệm vụ cơ bản trong công tác bảo vệ môi trường, nhất là môi trường nước của các nguồn tiếp nhận nước thải: sông, hồ, biển. Nguồn nước bị ô nhiễm sẽ phá vỡ cân bằng sinh thái nguồn nước, mất đi vẻ mỹ quan đô thị. Bảo vệ nguồn nước khỏi bị ô nhiễm có ý nghĩa to lớn nhằm giữ gìn được chất lượng nước phục vụ lâu dài và bền vững cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội. Để làm được điều này, trong những năm gần đây hệ thống mạng lưới thoát nước ở các thành phố của nước ta, đặc biệt là ở những thành phố du lịch không ngừng nâng cấp và hoàn thiện hơn hàng ngày nước thải sinh hoạt từ các thành phố thải ra rất lớn, tính trung bình trên đầu người vào khoảng 150 – 200 lít/người/ngày, có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao. Đây là nguồn gây ô nhiễm lớn tới môi trường nước cần được xử lý, đảm bảo đạt tiêu chuẩn thải vào nguồn nước mặt của khu vực tiếp nhận. Mặt khác, cùng với tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở Việt Nam trong 20 năm gần đây đã tạo sức ép lớn đối với môi trường. Trong sự phát triển kinh tế xã hội, tốc độ đô thị hóa ngày càng gia tăng. Hiện nay (tính đến năm 2006), cả nước có 722 đô thị từ loại đặc biệt đến loại 5, tổng số dân trên 25 triệu người (bằng 27% dân số cả nước) với tổng lượng nước thải sinh hoạt và sản xuất chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt theo tiêu chuẩn môi trường là 3110000 m3/ngày. Lượng nước thải này được xả trực tiếp vào nguồn nước sông, hồ và biển ven bờ, dẫn đến mức độ ô nhiễm nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm đang ngày càng trầm trọng. Vì vậy, đứng trước thách thức đó, chúng ta cần phải có các biện pháp hữu hiệu để xử lý ô nhiễm nước thải, bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Đề tài “Phân tích lựa chọn công nghệ và tính toán thiết kế công nghệ hệ thống xử lý nước thành phố du lịch công suất 3500 m3/ngày”, góp một phần nhỏ vào vấn đề bảo vệ môi trường nước, và nội dung của đề tài xin được trình bày như sau: + Mở đầu. + Chương 1: Tổng quan về nước thải của thành phố du lịch. + Chương 2: Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải. + Chương 3: Phân tích lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp cho thành phố du lịch. + Chương 4: Tính toán thiết kế công nghệ và thiết bị hệ thống xử lý nước thải. + Kết luận Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CỦA THÀNH PHỐ DU LỊCH 1.1. Nguồn gốc phát sinh của nước thải Nước thải từ những thành phố du lịch là nước thải được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của nhân viên, khách du lịch: như tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh….Mặt khác, chúng cũng được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác. Nhưng khi đề cập đến vấn đề xử lý nước thải của thành phố du lịch thì không chỉ xử lý nước thải được hình thành từ những nguồn gốc trên, mà trong nước thải thành phố có một lượng rất lớn là nước mưa; ngoài ra còn có nước thải công nghiệp như các cơ sở luyện kim, các lò giết mổ gia súc, các xí nghiệp sản xuất bánh kẹo… do hầu hết ở các thành phố của nước ta chỉ có duy nhất một hệ thống cống thoát nước chung, cho nên nước thải sinh hoạt cùng với nước thải công nghiệp và nước mưa đều thoát theo tuyến cống này. Lượng nước thải sinh hoạt của một thành phố nó phụ thuộc vào các yếu tố chính như dân số, tiêu chuẩn cấp nước, thải nước, đặc điểm của hệ thống thoát nước, trang thiết bị vệ sinh,…và phụ thuộc vào mức sống của người dân ở thành phố đó cũng như tiêu chuẩn của thành phố và được nêu trong bảng 1.1. Ngoài ra, còn một yếu tố không kém phần quan trọng đó là nước mưa và nước thải công nghiệp. Bảng 1.1. Tiêu chuẩn thải nước của một số cơ sở dịch vụ và công trình công cộng [9]. Nguồn nước thải Đơn vị tính Lưu lượng (l/đơn vị tính.ngày) Nhà ga, sân bay Hành khách 7,5 - 15 Khách 152 – 212 Khách sạn Nhân viên phục vụ 30 – 45 Nhà ăn Người ăn 7,5 – 15 Siêu thị Người làm việc 26 – 50 Giường bệnh 473 – 908 Bệnh viện Nhân viên phục vụ 19 – 56 Trường Đại học Sinh viên 56 – 113 Bể bơi Người tắm 19 – 45 Khu triển lãm, giải trí Người tham quan 15 – 30 Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 3 1.2. Đặc trưng của nước thải thành phố du lịch Nước thải là một hệ đa phân tán thô bao gồm nước và các chất bẩn. Các chất bẩn trong nước thải thành phố có nguồn gốc từ các hoạt động của con người. Các chất bẩn này với thành phần hữu cơ và vô cơ, tồn tại dưới dạng cặn lắng, các chất rắn không lắng được và các chất hòa tan. Thành phần chất bẩn trong nước thải thành phố được biểu diễn theo sơ đồ 1.1. Đặc trưng của nước thải thành phố là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 50 đến 70% là chất hữu cơ, 30 đến 50 % là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật. Phần lớn các vi sinh vật trong nước thải thường ở dạng vi rút và vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn…. Đồng thời trong nước thải cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải. Bảng 1.2. Phân loại mức độ theo thành phần hóa học điển hình của nước thải thành phố [3]. Sơ đồ 1.1. Thành phần chất bẩn trong nước thải thành phố. Mặt khác, trong hoạt động hàng ngày của các hộ dân, các khách sạn, nhà hàng,… nguồn gây ô nhiễm môi trường là nước thải của khu vệ sinh, nấu ăn của từng hộ và khu du lịch (quán ăn, nhà hàng...). Nước thải từ các khu vệ sinh có hàm lượng chất hữu cơ cao BOD = 200 – 300 (mg/l), SS = 350 – 600 (mg/l), đặc biệt hàm lượng chất rắn lơ lửng sau bể tự hoại có thời điểm lên tới SS = 1000 (mg/l). Nước thải tại nhà bếp, ngoài hàm lượng chất hữu cơ cao, còn có hàm lượng dầu mỡ động thực vật tương đối lớn. Theo kết quả phân tích nước thải sinh hoạt nhiều năm qua ở các thành phố của bộ môn cấp thoát nước, thành phần và tính chất của nước thải thành phố nêu ở bảng 1.3 [8]. Ion kim loại Các chất vô cơ Các chất hữu cơ 50 – 70 % 30 - 50 % Muối Cát Cacbonhydrat Các chất béo 25 % 10 % Protein Nước thải 65 % Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 4 Hơn nữa, trong nước thải thành phố nói chung còn chứa một số loại vi khuẩn gây bệnh như Colifom... , rất có hại cho con người. Với thành phần như trên, thì nguồn nước thải này sẽ là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường của chính khu vực và cả môi trường xung quanh. Bảng 1.2. Thành phần hóa học điển hình của nước thải thành phố. Mức độ ô nhiễm TT Các chất Đơn vị Nặng Trung bình Thấp 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Tổng chất rắn Chất rắn hòa tan Chất rắn không tan Tổng chất rắn lơ lửng Chất rắn lắng được Hàm lượng BOD5 Lượng oxy hòa tan Tổng Nitơ Nitơ hữu cơ Nitơ amoniac Nitơ NO2 Nitơ NO3 Hàm lượng Clorua Độ kiềm Chất béo Tổng photpho (P) mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mgCaCO3/l mg/l mg/l 1000 700 300 600 12 300 0 - 1 85 35 50 0,1 0,4 175 200 40 - 500 350 150 350 8 200 2 - 3 50 20 30 0,05 0,20 100 100 20 8 200 120 8 120 4 100 3 - 4 25 10 15 0 0,1 15 50 0 - Bảng 1.3. Thành phần và tính chất của nước thải thành phố. TT Các chỉ số Nước thải cống chung Nước thải cống riêng 1 2 3 4 5 pH SS (mg/l) Oxy hòa tan (mg/l) BOD5 (mg/l) COD (mg/l) 7,0 – 7,8 100 – 250 0,5 – 2 80 – 250 129 – 400 7,2 – 7,8 150 – 350 0 – 1,5 150 – 350 180 – 600 Một đặc điểm quan trọng khác của nước thải ở các thành phố là hệ thống bể tự hoại thường bị quá tải nên thời gian lưu không đủ để có thể phân hủy các chất hữu cơ Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 5 như phân, thịt nội tạng động vật, cặn thực phẩm khi chế biến món ăn... dẫn tới nước thải sau bể tự hoại hàm lượng chất ô nhiễm giảm đi không đáng kể. Đồng thời một tính chất đặc trưng nữa của nước thải thành phố là không phải tất cả các chất hữu cơ đều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20 đến 40% BOD5 thoát ra khỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn. 1.3. Hiện trạng môi trường 1.3.1. Môi trường nước mặt ở khu vực thành phố ngày càng bị ô nhiễm hơn Nguồn nước thải từ sinh hoạt, dịch vụ và sản xuất vẫn chưa được xử lý và ngày càng gia tăng, đã vượt quá khả năng tự làm sạch của tất cả các sông, hồ trong nội thành. Điển hình như ở Hà Nội theo thống kê của cơ quan chức năng vào ngày 20/04/2007, Hà Nội hiện có 369 nhà máy, xí nghiệp, 15880 cơ sở sản xuất tư nhân, 10 khu công nghiệp, 29 bệnh viện và hơn 1000 cơ quan, trường học. Trong số các cơ quan, đơn vị kể trên chỉ có 40 nhà máy, xí nghiệp, 25 cơ sở dịch vụ và 10 bệnh viện đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải, số nước thải còn lại đều xử thẳng vào hệ thống thoát nước chung của thành phố. Mặc dù, Hà Nội đã được đầu tư hàng trăm tỷ đồng để xây dựng các trạm xử lý nước thải nhưng hiệu quả đem lại vẫn chưa cao. Đi dọc những con sông của Hà Nội, người ta dễ dàng nhìn thấy tình trạng ô nhiễm nước thải đã ở mức báo động. Ven bờ các sông Nhuệ, Tô Lịch, Kim Ngưu... có hàng trăm cống tiêu thoát nước đã xả thẳng xuống lòng sông mang theo ” trăm thứ ” từ bùn đất, rác thải sinh hoạt, rác thải y tế, và cả chất thải công nghiệp chảy ra từ các cơ sở sản xuất. Vì nước thải chưa qua xử lý, lại lưu trữ lâu ngày tạo nên màu đen và rất hôi tanh. Cứ vài thàng, công ty thoát nước Hà Nội lại tiến hành nạo vét lòng sông nhưng rốt cuộc đâu cũng vào đó bỡi vì lượng bùn đất lắng đọng dưới lòng sông quá lớn. Tại các đầu cống thoát, không chỉ có rác thải sinh hoạt, rác thải y tế đơn thuần như bông băng mà còn có bệnh phẩm sau phẩu thuật. Đây thực sự là nguồn gây bệnh lớn, ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Trong số 29 bệnh viện trên địa bàn Hà Nội có 10 bệnh viện lớn như Bạch Mai, Nhi, bệnh viện Trung Ương Quân Đội (108)... có trạm xử lý nước thải cục bộ, số còn lại nước thải đều xả thẳng vào hệ thống tiêu thoát chung của thành phố. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 6 Theo số liệu quan trắc về mức độ ô nhiễm nước thải của công ty Thoát nước Hà Nội cho thấy hàm lượng các chất bẩn, các chất hữu cơ, kim loại nặng gây ô nhiễm tại các nhánh cống thoát nước thải ở mức độ cao. Hàm lượng Amoni ở các sông cao hơn gấp 12 đến 59 lần tiêu chuẩn cho phép, hàm lượng BOD5 dao động từ 35 – 220 mg/l, hàm lượng COD thường xuyên cao gấp 1,5 – 1,9 lần so với tiêu chuẩn cho phép, lượng oxy hòa tan trong nước thấp dễ gây mùi hôi thối, đặc biệt vào những ngày thời tiết ôi bức. Nguyên nhân dẫn đến thực trạng trên, là do lượng nước thải trung bình của thành phố mỗi ngày thải ra khoảng 450000 m3, trong khi đó chỉ có 5% nước thải qua khâu xử lý, còn lại 95% được đổ thẳng xuống sông hồ. Loại trừ 10 bệnh viện và một số khu công nghiệp lớn, hàng chục ngàn cơ quan, đơn vị và các khu dân cư khác đều không có trạm xử lý nước thải nội bộ. Điều này dẫn đến hệ thống thoát nước chung của thành phố luôn trong tình trạng quá tải và nguồn nước mặt ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Trước những đòi hỏi bức xúc, trong vài năm gần đây Ủy Ban Nhân Dân thành phố đã đầu tư xây dựng 3 trạm xử lý nước thải là: Trúc Bạch, Kim Liên, Bắc Thăng Long – Vân Trì. Hiện tại, các trạm xử lý nước thải đã đi vào hoạt động nhưng hiệu quả chưa được như mong muốn. Nhưng không chỉ ở Hà Nội mà ở các thành phố khác cũng đang đứng trước nguy cơ ô nhiễm tiềm tàng đặc biệt là các thành phố du lịch lượng nước thải nhiều. Nước thải sinh hoạt sinh ra từ những thành phố là nguyên nhân chính (chiếm 70 – 80%) gây ra ô nhiễm các chất hữu cơ đối với môi trường nước mặt ở khu vực nội thành và ngoại thành, [8]. Hầu như tất cả các thành phố đều không có hệ thống xử lý nước thải tập trung. mặc dù trong thời gian qua ở nhiều thành phố, đặc biệt ở những thành phố du lịch đã tiến hành nạo vét, kè bờ sông hồ, kênh rạch..., việc này không thể làm giảm lượng thải chất ô nhiễm, cho nên dự báo quá trình gia tăng ô nhiễm nước mặt ở các thành phố còn tiếp diễn 10 đến 20 năm nữa. 1.3.2. Sự hình thành hệ thống thoát nước và các yêu cầu giải quyết thoát nước, xử lý nước thải tại các thành phố nước ta Việt Nam nằm ở khu vực nhiệt đới gió mùa với đặc trưng khí hậu là nhiệt ẩm: mưa nhiều, độ ẩm lớn, nhiệt độ và độ bức xạ cao. Chế độ khí hậu được chia làm hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô. Lượng mưa trung bình hàng năm ở nước ta 2000 mm, tuy nhiên sự phân bố mưa không đều theo không gian và thời gian sẽ ảnh hưởng rất lớn đến thoát nước và chất lượng môi trường nước ở các đô thị. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 7 Các thành phố và các khu trung tâm kinh tế ở nước ta là phần lớn tập trung tại các châu thổ các sông lớn và vùng duyên hải. Đây là vùng địa hình tương đối bằng phẳng, thường bị ảnh hưởng của mưa lũ và chế độ triều. Trước đây tốc độ đô thị hóa của Việt Nam chậm. Nhưng trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa tăng lên rõ rệt, các thành phố ở nước ta có nhiều loại và phân ra làm 5 cấp với quy mô từ hàng nghìn đến hàng triệu dân. Kết cấu hạ tầng kỹ thuật cơ sở các thành phố nước ta đặc biệt là hệ thống thoát nước lại rất yếu kém không đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt ngày càng tăng của xã hội, cũng như quá trình đô thị hóa nhanh ở nước ta. Các thành phố của nước ta chỉ có hệ thống thoát nước chung, ở nhiều thành phố hệ thống thoát nước chưa được hình thành rõ nét như thành phố Quy Nhơn, thành phố Tuy hòa... Trong nội thành chủ yếu tồn tại các tuyến cống thoát nước mưa có tiếp nhận cả nước thải, phần lớn các tuyến cống xây dựng từ thời Pháp. Mạng lưới cống thu gom và thoát nước thiếu, cho nên úng ngập thường xuyên xảy ra trong các thành phố, hầu hết nước thải từ các thành phố, thị xã, thị trấn, các khu dân cư, các khách sạn, nhà hàng, khu giải trí... chưa được xử lý, xả trực tiếp ra sông, hồ gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới sức khỏe của người dân và mất mỹ quan thành phố, đặc biệt là ở những thành phố du lịch. Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tốc độ phát triển ở những thành phố và khu công nghiệp sẽ tăng lên rõ rệt. Ở những thành phố thành phố và khu công nghiệp là đối tượng sử dụng nước và xả nước thải tập trung lớn nhất. Vấn đề này cùng với lượng nước mưa không đều và quá lớn gây nên sự quá tải đối với các cơ sở hạ tầng, phát sinh ra những vấn đề ô nhiễm môi trường tiềm tàng. Giải quyết tốt vấn đề thoát nước và xử lý nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận là một yêu cầu cấp bách nhằm bảo vệ môi trường đảm bảo sức khỏe cho người dân và tạo điều kiện cho thành phố du lịch, cũng như các thành phố khác trên toàn quốc ngày càng phát triển ổn định, bền vững. Định hướng phát triển thoát nước ở các thành phố đến năm 2020 của bộ xây dựng đã chỉ rõ mục tiêu trước mắt là ưu tiên giải quyết thoát nước mưa, cải tạo nâng cấp hệ thống thoát nước thải trong các thành phố, và xây dựng hệ thống thoát nước mưa đạt tiêu chuẩn Quốc gia, hoặc Quốc Tế ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, đặc biệt là ở các thành phố lớn. Mục tiêu lâu dài đến năm 2020 là giải quyết một cách cơ bửn vấn đề thoát nước đô thị, bao gồm cả nước mưa và nước thải nhằm đảm bảo cho môi trường đô thị được bảo vệ và nâng cấp. Một trong những biện pháp chủ yếu thực hiện mục tiêu phát triển thoát nước ở thành phố là hiện đại hóa công nghệ, áp dụng Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 8 công nghệ thoát nước thải phù hợp với tính chất, quy mô từng thành phố cộng với các điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội trong quy hoạch tổng thể thành phố. 1.4. Một số giải pháp làm giảm ô nhiễm nguồn nước ở các thành phố Tiến hành xử lý nước thải cục bộ trước khi thải ra môi trường tiếp nhận. Chẳn hạn nước thải sinh hoạt từ những khách sạn, nhà hàng, khu giải trí... phải thu gom, xử lý trước khi xử ra cống thoát nước chung của thành phố. Xây dựng mạng lưới hệ thống thoát nước đáp ứng với được nhu cầu phát triển của từng thành phố. Tiến hành xây dựng hệ thống thu gom nước mưa để tái sử dụng hoặc xây dựng hệ thống thoát nước mưa riêng. Vận động người dân thực hiện việc tiết kiệm nước, xây dựng bể tự hoại đạt tiêu chuẩn ở từng hộ gia đình. Yêu cầu các cơ sở sản xuất phải có hệ thống xử lý nước thải sơ bộ trược khi thải ra cống thoát nước chung của thành phố. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 9 Chương 2 TỔNG QUAN MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học Trong nước thải thường có các loại tạp chất rắn với kích cỡ khác nhau bị cuốn theo dòng thải, như rơm rạ, cây cành, bao bì chất dẻo, dầu mỡ nổi, cát, sỏi…. Ngoài ra, còn có các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù rất khó lắng. Tùy theo kích cỡ, các hạt huyền phù được chia thành hạt rắn lơ lửng có thể lắng được, hạt chất rắn keo được khử bằng đông tụ. Các loại tạp chất trên dùng các phương pháp xử lý cơ học là thích hợp (trừ hạt dạng chất rắn keo). Trong xử lý nước thải đô thị việc đầu tiên là đưa nước thải vào đường cống có các song chắn rác, nước thải công nghiệp cũng qua song chắn rác và có thể thêm lưới chắn rác (với kích thước lỗ nhỏ hơn). 2.1.1. Song chắn rác Song chắn rác nhằm giữ lại các vật thô, như, giấy, rác, vỏ hộp, mẫu đất đá, gỗ…. Song được làm bằng những thanh kim loại không gỉ, sắp xếp cạnh nhau và hàn cố định trên khung thép, được đặt trên mương dẫn nước. Thanh dùng làm song chắn thường có dạng hình tròn hoặc hình bầu dục. Song chắn rác đặt nghiên theo chiều dòng chảy một góc 50 đến 900, ta chọn góc nghiên 600 để dễ dàng kéo rác lên nhờ động cơ. Song chắn rác có những ưu nhược điểm như sau: + Ưu điểm ™ Cấu tạo đơn giản. ™ Dễ dàng lắp đặt, vận hành, thay thế. ™ Tổn thất thuỷ lực nhỏ. 2.1.2. Lưới lọc Cấu tạo gồm các tấm thép mỏng có đục lỗ hoặc dây thép đan với nhau có chiều rộng mắt lưới không lớn hơn 5 mm. Lưới lọc cũng có những ưu nhược điểm như sau: Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 10 + Ưu điểm ™ Giữ lại được rác có kích thước nhỏ, các sản phẩm cần thu hồi. ™ Nước thải sau khi đi qua lưới lọc có cặn rác ít. + Nhược điểm ™ Cấu tạo tương đối phức tạp. ™ Rất khó thay thế, sửa chữa. ™ Rất khó vệ sinh lưới. ™ Lưới lọc chỉ thích hợp khi xử lý nước thải công nghiệp cần thu hồi sản phẩm trong nước thải. Vậy với yêu cầu hiệu quả, đơn giản trong xây dựng, vận hành và không phải thu hồi các rác trong nước thải thì việc chọn song chắn rác là phù hợp và kinh tế hơn. 2.1.3. Lắng cát Bể lắng cát dùng để loại những hạt cặn lớn vô cơ chứa trong nước thải mà chủ yếu là cát. Trên trạm xử lý nước thải nếu để cát lắng lại trong các bể lắng sẽ gây khó khăn cho công tác lấy cặn. Trong cặn có cát làm cho các ống dẫn bùn không hoạt động được, máy bơm chóng hỏng. Đối với bể metan và bể lắng hai vỏ thì cát là chất thừa…. Do đó việc xây dựng bể lắng cát trên các trạm xử lý khi lưu lượng nước thải lớn hơn 100 m3/ngày là cần thiết. Dưới tác dụng của lực trọng trường, các phần tử rắn có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng của nước sẽ được lắng xuống đáy trong quá trình nước thải chuyển động qua bể lắng cát. Bể lắng cát phải được tính toán với tốc độ dòng chảy đủ lớn (0,3 m/s) để các phần tử hữu cơ nhỏ không lắng được và nó phải đủ nhỏ (0,15 m/s) để cát và các tạp chất rắn vô cơ giữ lại được trong bể. Bể thường được tính toán để giữ lại các hạt cát có độ lớn thủy lực 18 – 24 mm/s (đường kính hạt 0,2 – 0,25 mm), dựa vào sự chuyển động của dòng nước mà người ta có thể phân loại bể lắng cát như sau: 1. Bể lắng cát ngang Bể lắng cát ngang có dạng hình chữ nhật, nước thải chảy từ đầu bể tới cuối bể, tốc độ dòng nước chảy trong bể thay đổi từ 0,15 đến 0,3 mm/s, chiều sâu công tác của bể từ 0,25 đến 1 m. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 11 + Ưu điểm ™ Hiệu suất lắng cao, chế độ làm việc ổn định. ™ Xây dựng, vận hành đơn giản. ™ Có thể thu cát bằng thủ công hoặc bằng cơ giới. ™ Chiều cao xây dựng nhỏ cho nên chi phí xây dựng thấp. + Nhược điểm ™ Chiếm nhiều diện tích xây dựng. ™ Thời gian lưu nước lớn. 2. Bể lắng cát đứng Bể lắng cát đứng có dạng hình tròn hay hình vuông, nguyên tắc hoạt động là nước dâng từ dưới lên trên theo thân bể. Chuyển động của nước thải vòng quanh phần hình trụ của bể và dâng từ dưới lên trên tạo nên một chuyển động vừa xoay tròn vừa xoắn theo thân bể dâng lên. Trong khi đó các hạt cát tập trung về phía ống trung tâm, chuyển động ngược lại do lực hấp dẫn và rơi xuống đáy bể, nhờ vậy mà cát được rửa sạch từng phần khỏi những chất hữu cơ bám dính. + Ưu điểm ™ Cát lắng sạch, ít chất hữu cơ dính bám. ™ Xây dựng và vận hành đơn giản. ™ Tải trọng bề mặt cao. ™ Chiếm ít diện tích. + Nhược điểm ™ Chiều cao xây dựng lớn nên chi phí xây dựng cao. ™ Hiệu suất lắng thấp hơn bể lắng cát ngang. ™ Xây dựng nhiều bể. 3. Bể lắng Radian Nước thải chảy từ ống trung tâm ra thành bể, các hạt cát được tách ra khỏi dòng nước nhờ trọng lực. Cát, cặn lắng xuống đáy được máy gạt cào về hố thu cặn, nước thải sau khi lắng được dẫn ra khỏi bể qua máng thu xung quanh bể. + Ưu điểm ™ Hiệu suất lắng cao, chế độ làm việc ổn định. ™ Vận hành dễ dàng. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 12 ™ Diện tích xây dựng nhỏ hơn so với bể lắng cát ngang. + Nhược điểm ™ Xây dựng tương đối phức tạp. ™ Chiều cao xây dựng lớn, không phù hợp với những địa điểm có mực nước ngầm cao và kính phí xây dựng lớn. ™ Thời gian lưu nước dài Vì với yêu cầu xây dựng và vận hành đơn giản, hiệu suất lắng cao, chiều cao xây dựng thấp thì việc lựa chọn bể lắng cát ngang nước chuyển động thẳng là thích hợp nhất. 2.1.4. Bể lắng sơ cấp 1. Bể lắng ngang Nước thải chảy theo phương ngang từ đầu bể đến cuối bể. Các hạt cặn được tách ra khỏi nước thải nhờ trọng lực. + Ưu điểm ™ Chiều cao xây dựng nhỏ. ™ Xây dựng và vận hành đơn giản. ™ Hiệu suất lắng cao. ™ Có thể áp dựng với lưu lượng nước thải lớn. + Nhược điểm ™ Chiếm nhiều diện tích xây dựng. ™ Thời gian lưu nước lớn. 2. Bể lắng đứng Bể lắng đứng thường mặt bằng hình tròn hoặc hình vuông, đáy có dạng hình nón hay hình chóp cụt. Nước thải được dẫn vào ống trung tâm và sau khi ra khỏi ống trung tâm nước thải va vào tấm chắn và thay đổi hướng đứng sang hướng ngang rồi dâng lên theo thân bể. Nước thải sau khi lắng được dẫn ra ngoài bằng máng thu đặt xung quanh thành bể. + Ưu điểm ™ Chiếm diện tích xây dựng ít hơn so với bể lắng ngang. ™ Thuận tiện trong công tác xả cặn. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 13 + Nhược điểm ™ Hiệu suất lắng thấp. ™ Chiều cao xây dựng lớn nên không thích hợp với nơi có mực nước ngầm cao và làm tăng giá thành xây dựng. ™ Số lượng bể nhiều. 3. Bể lắng Radian Bể Radian có mặt bằng hình tròn, nước thải đưa vào xử lý chảy từ trung tâm ra xung quanh thàn. Nước thải chảy theo ống trung tâm từ dưới lên trên rồi phân phối vào bể. Các hạt cặn tách ra khỏi dòng nước nhờ trọng lực, bùn cặn lắng xuống đáy được máy gạt cặn cào về hố thu cặn. Nước sau khi lắng được dẫn ra khỏi bể bằng máng thu xung quanh bể. + Ưu điểm ™ Hiệu suất lắng cao, chế độ làm việc ổn định. ™ Vận hành dễ dàng. ™ Diện tích xây dựng nhỏ hơn so với bể lắng ngang. + Nhược điểm ™ Xây dựng tương đối phức tạp. ™ Chiều cao xây dựng lớn, không thích hợp với những vùng có mực nước ngầm cao. Thời gian lưu nước lâu. Với những yêu cầu như xây dựng và vận hành đơn giản, hiệu suất lắng cao, chiều cao thấp thì việc lựa chọn bể lắng ngang là thích hợp nhất. 2.1.5. Bể tách dầu mỡ Trên mạng lưới thu gom nước thải của đô thị có thể có các nhà máy xí nghiệp xả nước thải có lẫn dầu mỡ vào. Để tách lượng dầu mỡ này, phải đặt thiết bị thu gom trước cửa xả vào cống chung hoặc trước bể điều hòa ở nhà máy. 2.1.6. Lọc cơ học. Lọc được dùng trong nước thải để tách các tạp chất phân tán nhỏ khỏi nước thải mà bể lắng không lắng được. Trong các loại phin lọc thường có loại phin lọc dùng vật liệu lọc dạng tấm và loại hạt. Vật liệu lọc dạng tấm có thể làm bằng tấm thép có đục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken… và cả các loại vải khác nhau. Tấm lọc Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 14 cần có trở lực nhỏ, đủ bền và dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc. Vật liệu lọc dạng hạt là cát thạch anh, than gầy (anthracit), than cốc, sỏi, đá nghiền, thậm chí cả than nâu, than bùn hay than gỗ. 2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý 2.2.1. Phương pháp tuyển nổi Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất rắn tan hoặc không tan hoặc lỏng có tỷ trọng nhỏ hơn tỷ trọng của chất lỏng làm nền. Trong xử lý nước thải tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ lửng và nén bùn cặn. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử được hoàn toàn các hạt nhỏ nhẹ, lắng chậm trong thời gian ngắn. Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: Các phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt nước. Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước. Thực chất đây là quá trình tách bọt hoặc làm đặc bọt, trong một số trường hợp được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Phương pháp tuyển nổi được dùng rộng rãi trong luyện kim, thu hồi khoáng sản quý và cũng được dùng trong lĩnh vực xử lý nước thải. Quá trình này được thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trong nước thải. Các bọt khí dính các hạt lơ lửng lắng kém và nổi lên mặt nước. Khi nổi lên các bọt khí tập hợp thành bông hạt đủ lớn, rồi tạo thành một lớp bọt chứa nhiều các hạt bẩn. Tuyển nổi bọt nhằm tách các chất lơ lửng không tan và một số chất keo hoặc hòa tan ra khỏi pha lỏng. Kỉ thuật này có thể dùng cho xử lý nước thải đô thị và nhiều lĩnh vực công nghiệp như chế biến dầu béo, thuộc da, dệt, chế biến thịt… Tuyển nổi có thể đặt ở giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi xử lý cơ bản, bể tuyển nổi có thể thay thế cho bể lắng, trong dây chuyền nó đứng trước hoặc sau bể lắng, đồng thời cũng có thể ở giai đoạn xử lý bổ sung sau xử lý cơ bản. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 15 22.2. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải chứa các chất bẩn hòa tan trong nước, đặc biệt các chất mầu, các chất hữu cơ khó phân hủy, mùi nhưng ở nồng độ thấp. Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, Zeolite, Diatomite... Trong số này than hoạt tính được dùng phổ biến nhất, than hoạt tính có hai dạng: dạng hạt và dạng bột đều được dùng để hấp phụ. Các chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất mầu dễ bị than hấp phụ. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, alkylbenzen, thuốc nhuộm các chất vòng thơm. 2.2.3. Phương pháp trao đổi ion Thực chất của phương pháp trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này còn gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước. Phương pháp này được dùng làm sạch nước nói chung, trong đó có nước thải, loại ra khỏi nước các ion như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn…cũng như các hợp chất chứa asen, photphot xyanua và cả chất phóng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca2+ và Mg2+ ra khỏi nước cứng. Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có gốc tự nhiện hoặc nhân tạo. + Các chất vô cơ: Các chất này có nguồn gốc tự nhiên, gồm có zeolite, đất sét, nhôm silicat Na2.Al3O3.nSiO2.mH2O (có tính chất trao đổi cation), chất fluor apatit [Ca5(PO4)3]F và hidroxit apatit [Ca5(PO4)3]OH. Các chất vô cơ tổng hợp có khả năng trao đổi ion là silicagen, pecmutit (chất làm mềm nước), các oxit có mang điện tích (Cr2O7-) và hidroxit của một số kim loại như nhôm, crom, ziriconi… Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 16 + Các chất hữu cơ: Các chất trao đổi ion là hợp chất hữu cơ tổng hợp rất phong phú. Chúng là các cao phân tử, có bề mặt riêng lớn. Các gốc hidro của chúng tạo thành lưới không gian với các nhóm có chức năng trao đổi ion cố định. Các loại nhựa tổng hợp cũng có tính chất trao đổi ion, người ta chia làm hai loại: nhựa anionit và cationit. Nhựa anionit có độ bền nhiệt kém hơn nhựa cationit. 2.2.4. Phương pháp đông tụ và keo tụ Những hạt rắn có kích thước quá nhỏ như các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan thì khó có thể tách khỏi nước thải bằng quá trình lắng thông thường. Để tách các hạt rắn này ra cần làm tăng kích thước và trọng lượng riêng, trên cơ sở đó mà làm tăng vận tốc lắng của chúng bằng cách thực hiện các quá trình đông tụ và keo tụ. Các hạt lơ lửng trong nước hầu hết mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt có nguồn gốc Silic và các hợp chất hữu cơ mang điện tích âm, các hạt hidroxit sắt và hidroxit nhôm mang điện tích dương. Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau tạo thành tổ hợp các phân tử, nguyên tử hay các ion tự do. Các tổ hợp này chính là các bông keo. Các chất đông tụ thường được dùng trong mục đích này là các muối sắt hoặc muối nhôm hoặc hỗn hợp của chúng. Các muối nhôm gồm có: Al2(SO4)3.18H2O; NaAlO2; Al2(OH)5Cl; Kal(SO4)2.12H2O; NH4Al(SO4)2.12H2O. Trong số này dùng phổ biến nhất là Al2(SO4)3.18H2O vì chất này hòa tan tốt trong nước, giá rẻ và hiệu quả đông tụ cao trong khoảng pH từ 5 – 7,5. 2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học Các phương pháp hóa học dùng trong trong xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa và khử. Tất cả các phương pháp này đều dùng các tác nhân hóa học nên nó là phương pháp đắt tiền. Người ta sử dụng các phương pháp hóa học để khử các chất hòa tan và trong các hệ thống cấp nước khép kín. Đôi khi các phương pháp này được dùng để xử lý sơ bộ trước khi xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là một phương pháp xử lý nước thải lần cuối để thải vào nguồn nước. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 17 2.3.1. Phương pháp trung hòa Nước thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa để đưa pH về khoảng 6,5 đến 8,5 trước khi thải vào nguồn tiếp nhận hoặc sử dụng cho công đoạn xử lý tiếp theo. + Trung hòa nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau: + Trộn nước thải axít với nước thải kiềm. + Bổ sung các tác nhân hóa học như là: axít, kiềm. + Lọc nước thải axít qua vật liệu có tác nhân trung hòa. + Hấp phụ khí axít bằng nước kiềm hoặc hấp phụ amoniac bằng nước axít… Việc lựa chọn phương pháp trung hòa là tùy thuộc thể tích và nồng độ của nước thải, chế độ thải nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của tác nhân hóa học. Trong quá trình trung hòa, một lượng bùn cặn được tạo thành. Lượng bùn này phụ thuộc và nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng các tác nhân sử dụng cho quá trình. 2.3.2. Phương pháp oxy hóa Để làm sạch nước thải người ta có thể sử dụng các chất oxy hóa như clo ở dạng khí và hóa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi và natri, penmanganat kali, bicromat kali, peoxythydro (H2O2), oxy của không khí, ozon,... Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước. Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa hóa học chỉ được dùng trong những trường hợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác. Ví dụ như khử xyanua hay hợp chất hòa tan của asen. Hoạt độ của các chất oxy hóa được xác định bởi đại lượng thế oxy hóa. Trong các chất được biết trong tự nhiên, flour là chất oxy hóa mạnh nhất, nhưng cũng chính vì vậy mà nó không được ứng dụng trong thực tế. Thế oxy hóa của một số chất thể hiện trên bảng 2.1. Chất oxy hóa O3 Cl2 H2O2 KMnO4 Thế oxy hóa 2,07 0,94 0,68 0,59 Bảng 2.1. Thế oxy hóa của một số chất oxy hóa. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 18 2.3.3. Phương pháp khử Phương pháp làm sạch nước thải bằng quá trình khử được ứng dụng trong các trường hợp khi nước thải chứa các chất dễ bị khử. Phương pháp này được dùng rộng rãi để tách các hợp chất thủy ngân, crom, asen… ra khỏi nước thải. Chẳn hạn như xử lý nước thải chứa hợp chất thủy ngân ở dạng vô cơ, người ta khử thành thủy ngân kim loại và tách ra khỏi nước bằng quá trình lắng, lọc hoặc tuyển nổi. Còn các hợp chất thủy ngân hữu cơ thì trước tiên chúng bị oxy hóa để phá vỡ hợp chất, sau đó khử cation Hg thành Hg kim loại… 2.4. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải sinh hoạt cũng như nước thải sản xuất có chứa chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ… Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình ding dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Như vậy, nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặt trưng bỡi chỉ tiêu BOD hoặc COD. Để có thể xử lý bằng phương pháp này nước thải cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, có trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn cho nước thải được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí thông thường như H2S, CH4, CO2, NH3… và nước. Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sở khác nhau. Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau: 2.4.1. Phương pháp sinh học kị khí 1. Cơ chế Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 19 Các phương pháp kị khí thường được dùng để xử lý nước thải có hàm lượng các chất hữu cơ cao (4000 – 5000 mg/l). Phương pháp này xảy ra trong điều kiện không có oxy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ vi sinh vật và sản phẩm cuối cùng của quá trình này là các chất khí như: CH4, CO2, NH3, H2S….Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kị khí chử yếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các giai đoạn sau đây. + Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của các enzim thủy phân Hydrolaza của vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ phức tạp như: Gluxit, Lipit, Protein…được phân giả thành các chất hữu cơ đơn giản, dễ tan trong nước như: đường, Peptit, Glyxerin, axit hữu cơ, axit amin… khi đó các chất này đóng vai trò là nguồn thức ăn và năng lượng cho các vi sinh vật sống và hoạt động. + Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men các axit hữu cơ: Các sản phẩm thủy phân ở giai đoạn trước sẽ được phân giải yếm khí tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn như axit butyric, axit propionic, axit axetic, axit foocmi. Trong qua trình lên men axit hữu cơ, một số axit béo phân tử lượng lớn được chuyển hóa tạo thành axit axetic dưới tác dụng của vi khuẩn Axetogen. Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: rượu, andehyt, axeton, các chất khí CO2, H2, NH3, H2S và một lượng nhỏ khí Indol, Sactol... Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể, đặc biệt độ pH của môi trường sẽ giảm mạnh, bỡi vì giai đoạn này tạo ra nhiều axit cho nên pH sẽ giảm xuống. + Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo khí Metan: Trong này là một trong những giai đoạn quan trọng nhất. Dưới tác dụng của các vi khuẩn metan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính... bị phân giải tạo thành khí metan. Đồng thời sự hình thành khí metan có thể xảy ra theo hai cơ chế như sau: - Do Decacboxyl hóa các axit hữu cơ (khoảng 70% CH4 được hình theo cơ chế này). 24 hoaMetan VK 3 OH COCHCOCH +⎯⎯⎯⎯ →⎯ - Do khử CO2 trong đó chất nhường điện tử là H2 hoặc các chất mang H+ trung gian (khoảng 30% CH4 được tạo thành theo cơ chế này). Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 20 OHCHHCO oaVKMe 24 tanh 22 24 +⎯⎯⎯ →⎯+ CH4 + 2H2O CO2 Nói tóm lại, cơ chế của quá trình này được chia làm hai pha: pha axit và pha kiềm (pha metan). + Trong pha axit, các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tùy tiện và vi khuẩn kị khí) hóa lỏng các chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp đó tạo thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton, dihydrosunfua, CO2, H2. + Trong pha kiềm, các vi khuẩn tạo metan chỉ có các vi khuẩn yếm khí chuyển hóa các sản phẩm trung gian trên tạo thành CH4 và CO2, và quá trình trao đổi chất được thể hiện trên hình 2.1. 15% 35% 72% 13% 17% 15% 15% 65% 100% COD 20% CH4 AXIT AXETIC AXIT PROPIONIC AXIT TRUNG GIAN NU? C TH?I H? N H? P Hình 2.1. Sơ đồ phân hủy yếm khí nước thải. 2. Các yếu tố ảnh hưởng Các yếu tố môi trường làm ảnh hưởng tới quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp xử lý yếm khí như là: + Nhiệt độ: Nhiệt độ của quá trình xử lý được chia làm hai khoảng nhiệt độ, bỡi vì dựa vào tính chất ưa nhiệt của vi khuẩn metan hóa, mỗi chủng vi khuẩn metan hóa 8NADH+ 8NAD Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 21 có tính ưa nhiệt khác nhau. Ở nhiệt độ 35 – 370C phù hợp với các vi khuẩn metan ưa ấm, ở nhiệt độ này quá trình xử lý xảy ra chậm hơn ở nhiệt độ 55 – 600C, bỡi vì ở nhiệt độ này quá trình phân hủy xảy ra nhanh, dòng đối lưu trong nước mạnh làm cho khí thoát ra nhanh. + Liều lượng nạp nguyên liệu và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp cho quá trình cần có hàm lượng chất rắn bằng 7 – 9%. Tác dụng của khuấy trộn là phân bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc các vi sinh vật và giải phóng sản phẩm khí ra khỏi hỗn hợp lỏng - rắn. + Tỷ số C/N: Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí hệ số tạo sinh khối thấp hơn nhiều so với phương pháp xử lý hiếu khí tỷ lệ C/N tối ưu là: 30/1. Nếu tỷ lệ C/N >30/1 chứng tỏa môi trường thiếu nitơ, tế bào vi sinh vật tăng trưởng chậm, tế bào già chết đi làm cho hàm lượng ít dần, làm giảm quá trình chuyển hóa các chất, cho nên hiệu quả xử lý thấp. Nếu tỷ lệ C/N < 30/1 thì môi trường thừa nitơ, nên tồn tại dưới dạng NH3, NH4+ gây ức chế vi khuẩn metan hóa, làm cho axit hữu cơ tăng cho nên pH giảm, nên hiệu quả xử lý thấp. + Độ pH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 đến 7,5 (trong thực tế dải pH tối ưu cho quá trình này là 7,2 – 7,8). Ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 các vi khuẩn thủy phân và axit hóa các hợp chất hữu cơ làm cho pH của môi trường thấp. Ở giai đoạn sau các vi khuẩn metan hóa tiếp tục thực hiện quá trình khử các axit tạo ra ở giai đoạn 2 làm cho pH của môi trường lại tăng lên. Do vậy nếu thấy pH giảm mạnh thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả làm chết các vi khuẩn tạo metan. Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn, thời gian lưu cần thiết để đủ đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hóa chất độc, đặc biệt là các kim loại nặng (Cu, Ni, Zn…), hàm lượng NH3 và sunfua quá dư cùng một số hợp chất hữu cơ khác như các nhân tố được trình bày ở bảng 2.2. Bảng 2.2. Các nhân tố ảnh hưởng. Các chất Toluen Axeton Benzen Crom (Cr3+/Cr6+) Đồng Nồng độ giới hạn cho phép (mg/l) 200 200 200 25/3 25 3. Phân loại a.Phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 22 Trong các quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ, xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí với sinh trưởng lơ lửng được dùng phổ biến. Đó là quá trình phân hủy kị khí xáo trộn hoàn toàn và được thực hiện trong công trình thường được gọi là bể metan. Ngoài ra, hai quá trình tiếp xúc kị khí, quá trình với lớp bùn hoạt tính có dòng hướng lên… cũng đang được ứng dụng rộng rãi. Phân hủy kị khí với sinh trưởng lơ lửng là một trong những quy trình xử lý bùn cặn lâu đời nhất. Trong quy trình này không cần có mặt oxy. Bể lọc ngược qua tầng bùn kị khí (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Trong bể UASB, các chất bẩn hữu cơ trong nước thải được giữ lại và bị oxy hóa trong điều kiện yếm khí ngay trong lớp bung hoạt tính kị khí ở vùng đáy bể. Các chất khí tạo thành trong quá trình lên men trong lớp bùn này sẽ thoát lên cuốn theo các hạt bùn và được tách khỏi, các hạt bùn này được tách khỏi nhờ va vào tấm chắn phía trên. Các hạt bùn được rơi quay lại tầng cặn, khí thu được dẫn ra ngoài thùng chứa khí hoặc đem xử lý. Nước thải sau khi lắng tách bùn cặn được thu về máng nước trong phía trên và dẫn ra khỏi bể. Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể UASB được nêu ở hình 2.2. 5 4 3 1 2 1 - Nu?c th?i vào 2 - Nu?c th?i ra 3 - T?ng c?n lo l?ng 4 - Vùng tách các pha 5 - M?c nu?c 6 - ? ng d?n khí Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên tác hoạt động của bể UASB Bể tự hoại: Bể tự hoại là công trình xử lý nước thải bậc một (xử lý sơ bộ) đồng thời thực hiện hai chức năng: lắng nước thải và lên men kị khí. Bể có dạng hình chữ nhật hoặc hình tròn trên mặt bằng, xây dựng bằng gạch, bêtông cốt thép. Bể được chia làm 2 hoặc 3 ngăn, do phần lớn cặn lắng tập trung trong ngăn thứ nhất nên dung tích ngăn này chiếm 50 – 75% dung tích toàn bể. Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 23 Các ngăn bể tự hoại được chia làm hai phần: phần lắng nước thải (phía trên) và phần lên men cặn lắng (phía dưới). Nước thải vòa với thời gian lưu lại trong bể từ 1 đến 3 ngày. Do vận tốc trong bể bé nên phần lớn cặn lơ lửng được lắng lại. Hiệu quả lắng cặn trong bể tự hoại từ 40 đến 60% phụ thuộc vào nhiệt độ và chế độ quản lý, vận hành bể. Ngày nay người ta thường xây dựng bể tự hoại kết hợp với các ngăn lọc kị khí. Ngăn lọc kị khí của bể tự hoại hoạt động theo nguyên lý lọc ngược từ dưới lên với chiều dày lớp vật liệu lọc khoảng 0,5 – 0,6 (m) phân bố từ trên xuống dưới như hình 2.3. 7 1 Sô ñoà nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa heä thoáng beå töï hoaïi keát hôïp vôùi caùc ngaên loïc kò khí doøng chaûy ngöôïc. 1 - Nöôùc thaûi vaøo 2 - Buøn caën laéng 3 - Vaùng 4 - Vaät lieäu loïc 5 - Taám ñôõ 6 - Nöôùc ra 7 - Thu khí Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tác hoạt động của bể tự hoại b. phương pháp kị khí với sinh trưởng gắn kết Đây là phương pháp xử lý kị khí dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám với vi khuẩn kị khí trên các giá mang. Hai quá trình phổ biến của phương pháp này là lọc kị khí và lọc với lớp vật liệu trương nở, được dùng để xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ. Các loại bể lọc kị khí là các loại bể kín, phía trong chứa vật liệu lọc đóng vai trò như giá thể của vi sinh vật dính bám. Nước thải đưa vào bể có thể phân phối đều ở phía dưới hay phía trên bể. Vật liệi lọc của bể lọc kị khí là các loại cuội sỏi, than đá, xỉ…. Kích thước và chủng loại vật liệu, được xác định dựa vào công suất công trình xử lý nước thải, hiệu quả khử COD…. Các loại vật liệu, cần đảm bảo độ rỗng lớn (từ 90 – 300 m3/m2 bề mặt Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 24 bể). Tổng bề mặt của vật liệu lọc có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ các chất hữu cơ. Nếu quản lý, vận hành tốt hiệu quả khử BOD của bể lọc kị khí có thể đạt tới 70 – 90%. Bể lọc kị khí thường được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp có hàm lượng cặn lơ lửng nhỏ. Nước thải trước khi đưa đi lọc kị khí cần phải được lắng sơ bộ. Bể lọc kị khí có một nhiều ưu điểm như khả năng tách các chất bẩn hữu cơ (BOD) cao, thời gian lưu nước ngắn, vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải, quản lý vận hành đơn giản, ít tốn năng lượng và dễ hợp khối với bể tự hoại và các công trình xử lý nước thải khác. Tuy nhiên cũng như các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học khác, thời gian đưa công trình vào hoạt động dài, bể thường hay xảy ra sự cố tắc nghẽn, hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải ra khỏi bể lớn. 2.4.2. Phương pháp sinh học hiếu khí 1. Nguyên lý và cơ chế Khi đưa nước thải vào công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ở điều kiện hiếu khí, các chất hữu cơ ở trạng thái hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ sẽ được hấp phụ lên bề mặt vi khuẩn. Sau đó chúng được chuyển hóa và phân hủy nhờ vi khuẩn. Quá trình này gồm ba giai đoạn như sau: + Các chất hữu cơ hòa tan được dịch chuyển từ môi trường nước thải xung quanh tới bề mặt của tế bào vi sinh vật, do quá trình khuếch tán phân tử, khuếch tán rối. + Oxy hóa ngoại bào và vận chuyển các chất bẩn từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm của tế bào do gradient nồng độ giữa phía trong và phía ngoài tế bào. + Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật do các phản ứng men và đồng thời tạo ra năng lượng, tổng hợp các chất liệu mới của tế bào nhờ vi khuẩn hiếu khí với sự hấp thụ năng lượng. Các quá trình trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hóa các chất diễn ra trong tế bào vi sinh vật đóng vai trò chính trong việc làm sạch nước thải. Các chất đầu tiên bị oxy hóa để tạo thành năng lượng là cacbonhydrat và một số chất hữu cơ khác. Quá trình này được thực hiện trên bề mặt tế bào vi khuẩn nhờ xúc tác của men ngoại bào. Một phần chất bẩn được vận chuyển qua màng tế bào vi khuẩn Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 25 (màng bán thấm) vào bên trong và tiếp tục oxy hóa để giải phóng ra năng lượng hoặc tổng hợp thành tế bào chất. Sinh khối vi sinh vật sẽ tăng lên, khi điều kiện môi trường thiếu dinh dưỡng, tế bào chất lại bị oxy hóa nội bào đêt tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động sống. Nói chung quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra qua ba giai đoạn như sau: + Giai đoạn thứ nhất (quá trình đồng hóa): Tốc độ oxy hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxy. Ở giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển, hàm lượng oxy cần cho vi sinh vật sinh trưởng, đặc biệt ở thời gian đầu thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này chưa nhiều. Sau khi vi sinh vật thích nghi viứi môi trường, chúng sính trưởng rất mạnh theo cấp số nhân. Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần và có thể biểu diễn theo phương trình phản ứng sau: HNHOHyxCOOzyxNOHC VSVzyx Δ++−+⎯→⎯++++ 3222 2 3) 4 3 34 ( + Giai đoạn thứ hai (quá trành dị hóa): Ở giai đoạn này vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxy cũng ở mức gần như ít thay đổi. Chính ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Hoạt lực enzim của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéo dài trong một thời gian tiếp theo. Điểm cực đại của enzim oxy hóa của bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính tới mức ổn định. Qua các thông số hoạt động ở điều kiện hiếu khí cho thấy ở giai đoạn thứ nhất tốc độ tiêu thụ oxy rất cao, có khi gấp 3 lần ở giai đoạn này. +NOHC zyx Năng lượng 275 NOHCVSV⎯→⎯ (Tế bào chất) + Giai đoạn thứ ba (tự phân hủy): Sau một thời gian khá dài tốc độ oxy hóa cầm chừng (hầu như ít thay đổi) và có chiều hướng giảm, vì môi trường lúc này không còn đủ chất dinh dưỡng, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hóa chất liệu tế bào. HOHNHCOONOHC VSV Δ+++⎯→⎯+ 2322275 255 2. Các yếu tố ảnh hưởng a. Độ oxy hòa tan (DO) Đồ án tốt nghiệp Viện khoa học công nghệ và môi trường Võ Thành Hiểu CNMT K47-QN 26 Muốn quá trình xử lý hiếu khí đạt hiệu quả cao thì yếu tố đầu tiên phải đảm bảo cung cấp lượng oxy hòa tan đủ và đều đặn, mà chủ yếu là oxy hòa tan trong môi trường lỏng, để đảm bảo nhu cầu oxy hóa của vi sinh vật. Độ oxy hòa tan trong bể đạt giá trị DO ≥ 4 (mg/l) xem như là đảm bảo hoặc khi nước thải ra khỏi bể lắng thứ cấp có nồng độ oxy hòa tan là 2 mg/l. Thiếu oxy hòa tan là một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng phồng bùn, do vi sinh vật dạng sợi phát triển, làm cho hiệu quả xử lý không cao. Cung cấp đủ lượng oxy hòa tan còn có tác dụng làm xáo trộn đều đặn khối nước thải với bùn hoạt tính trong bể và nâng cao hiệu quả làm sạch nước thải. Độ oxy hòa tan nó phụ thuộc vào bản chất của chất ô nhiễm hay còn gọi là hệ số oxy hóa của bùn hoạt tính. Hệ số oxy hóa của bùn hoạt tính là đại lượng đặc trưng cho khả năng oxy hóa cảu một đơn vị bùn hoạt tính trong thời gian 1 giờ. Thường có giá trị như sau: KCOD = 0,68 kBOD = 1,42 kNitơ hữu cơ = 4,57 1 5 =BODk 32,4 4 =+NHk b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Mỗi loại vi sinh vật thích nghi với một giải nhiệt độ nhất định, do vậy nhiệt độ của nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của vi sinh vật. Tốc độ phản ứng oxy hóa sinh hóa tăng khi nhiệt độ tăng. Song trong thực tế nhiệt độ của nước thải trong hệ thống xử lý được duy trì trong khoảng 20 – 300C. Khi nhiệt độ tăng quá ngưỡng trên có thể