MỞ ĐẦU

Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là

vấn đề thời sự nóng bỏng được cả thế giới quan tâm.

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần

thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng.

Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm xử lý ô

nhiễm môi trường nước như phường pháp vật lý, phưng

pháp hóa học, phương pháp hấp phụ.. Trong đó phải kể

đến phương pháp xử lí nước thải ô nhiễm bằng phương

pháp sinh học.

1. Màng sinh học- sinh trưởng bám dính

1.1. Màng sinh học là gì?

Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ,

các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám

trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật có những loài

sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất

dẻo, tạo thành màng. Màng này cứ dầy dần thêm và thực

chất đây là khối vi sinh vật dính bám hay cố định

trên các chất mang. Màng này có khả năng oxi hóa các

chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc,

ngoài ra màng này còn có khả năng hấp phụ các chất

bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán,…

Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh

vật khác nhau, có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ

có trong nước khi tiếp xúc với màng.

1.2. Phân loại

Dựa vào cấu tạo thiết bị xử lý, quá trình màng

sinh học chia làm 3 loại:

+ Bể lọc sinh học có vật liệu lọc không ngập nước

(lọc nhỏ giọt)

+ Bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập nước

+ Đĩa quay sinh học RBC

Trong bài tiểu luận này chúng tôi chỉ tìm hiểu về bể

lọc sinh học có vật liệu lọc không ngập nước.

1.3. Cấu tạo của màng sinh học

Hình 1.1. Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng thường có độ dày từ 1-3mm và hơn nữa. Màu của

màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu

vàng sang đến màu nâu tối.

Màng được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào

vi khuẩn, các vi sinh vật khác và có cả động vật

nguyên sinh. Khác với vi sinh vật của bùn hoạt tính,

thành phần loài và số lượng các loài ở màng lọc tương

đối đồng nhất. Mỗi màng lọc có một quần thể cho riêng

mình.

Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi

khuẩn hiếu khí và các phin lọc sinh học là các công

trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải coi

đây là một hệ tùy tiện. Ngoài các vi khuẩn hiếu khí,

màng còn có các vi khuẩn tùy tiện và kị khí.

Màng sinh học gồm 4 lớp:

+ Lớp ngoài cùng lớp là lớp hiếu khí, rất dễ

thấy loại trực khuẩn Bacillus.

+ Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như

Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus

và cả Bacillus.

+ Lớp sâu bên trong màng là kị khí, thấy có vi

khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat

Desulfovibrio. Như vậy, hệ vi sinh vật trong màng

sinh học của phin lọc là các thể tùy tiện.

+ Phía dưới cùng của màng là lớp quần thể vi sinh

vật với sự có mặt của động vật nguyên sinh và một số

sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng

một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các

lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang. Quần thể vi

sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt

tính.

Nhìn chung ở vùng trên cùng của phin lọc có sinh

khối nhiều nhất và màng lọc cũng là dày nhất, ở vùng

giữa ít hơn và vùng dưới nữa là ít nhất. Màng vi sinh

vật sẽ tăng dần lên và dày thêm, các tế bào bên trong

màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận được oxi phải

chuyển sang phân hủy kị khí.

1.4. Cơ chế hoạt động của màng sinh học

Màng sinh học có thể oxi hóa được tất cả các hợp

chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải. Màng này

dần dần bịt các khe giữa các hạt cát, phin lọc giữ

lại các tạp chất, các thành phần sinh học có trong

nước làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và phin

làm việc có hiệu quả hơn. Nó hấp phụ giữ lại các vi

khuẩn cũng như các tạp chất hóa học. Nó oxi hóa các

chất hữu cơ có trong nước và nước được dần dần làm

sạch. Nếu lớp màng quá dày ta có thể dùng nước rửa,

sục nước để loại bỏ màng và phin sẽ chảy nhanh hơn,

hiệu quả của lọc có giảm nhưng dần dần lại được hồi

phục. Vận tốc lọc tốt nhất là vào khoảng 11000 m3/0,4

ha.ngày. Hiệu quả của phin lọc chậm có thể giữ được

tới 99% vi khuẩn có trong nước. Cơ chế hoạt động có

thể chia thành các giai đoạn như sau:

Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phat triển trên bề mặt vật liệu

đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxi, nguyên tố

vết…từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động của

mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: Đầu tiên cơ

chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó

chuyển vận 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. Đối với những loại cơ chất ở chất rắn

dạng lơ lủng có phân tử khối lớn không thể khuếch tán

vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng phân tử

khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá

trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng sinh học

giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao

đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng.

Qúa trình vận chuyển được mô tả bởi công thức sau:

Chất hữu cơ + oxi + nguyên tố vết → sinh khối của vi

sinh vật + sản phẩm cuối.

Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi

sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học

sẽ xảy ra không đều. Nếu một trong những cơ chất bị

hết ở một trong những chiều sâu nào đó của màng vi

sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học có liên quan

đến cơ chất này sẽ không xảy ra và cơ chất này được

gọi là cơ chất quá trình. Các nguyên tố vết như nito,

photpho, và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong

nước thải theo tỉ lệ phản ứng sinh học sẽ trở thành

yếu tố giới hạn trong màng sinh học.

Quá trình sinh trưởng , phát triển và suy thoái

của màng vi sinh vật

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi

sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước

thải và làm sạch nước thải như sau: Quá trình vi sinh

vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm

3 giai đoạn

Giai đoạn thứ nhất, khi màng vi sinh vật còn mỏng

và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này

tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều

kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật

lơ lửng.

Giai đoạn thứ hai độ dày màng trở lên lớn hơn bề

dày hiệu quả. Trong giai đoạn thứ hai tốc độ phát

triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả

không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp

màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cung

không thay đổi trong trong suốt quá trình này. Lượng

cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất

của vi sinh vật, và không có sự gia tăng của sinh

khối.

Trong giai đoạn thứ ba bề dày của lớp màng trở nên

ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với

tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy

theo dây chuyền thực phẩm hoặc bị rửa trôi bởi lực

cắt dòng chảy. Trong quá trình phát triển của màng vi

sinh vật phát triển cả về số lượng và chủng loại.

2. Bể lọc sinh học (Bể biophin)

2.1. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập nước

(lọc nhỏ giọt)

Hình 2.1.Bể

lọc sinh học nhỏ giọt Hình 2.2. Cấu tạo lọc

sinh học nhỏ giọt

2.1.1. Cấu tạo

Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu

tiếp xúc không ngập trong nước. Bể bao gồm vật liệu

lọc, hệ thống phân phối nước, sàn đỡ và thu nước.

Vật liệu lọc

Vật liệu lọc khá phong phú: từ đá cuội, đá dăm, đá

ong, vòng kim loại, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất

dẻo tấm uốn lượn. Các loại đá nên chọn các cục có

kích thước trung bình 60 – 100 mm. Chiều cao lớp đá

thường chọn 0,4m – 2,5m – 4m, trung bình là khoảng

1,8 – 2,5m. Nếu kích thước của vật liệu nhỏ sẽ làm

giảm độ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục

bộ, nếu kích thước quá lớn thì diện tích tiếp xúc sẽ

giảm dẫn tới giảm hiệu suất xử lí. Bể với vật liệu là

đá giăm thường có dạng hình tròn.

Những năm gần đây, do kĩ thuật chất dẻo có nhiều

tiến bộ, nhựa PVC, PP được sử dụng rộng rãi do có đặc

điểm là rất nhẹ.

Các vật liệu lọc cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Diện tích riêng lớn

- Chỉ số chân không cao để tránh lắng đọng

- Nhẹ, có thể sử dụng ở độ cao lớn

- Có độ bền cơ học đủ lớn.

Hệ thống phân phối nước:

Nước thải được phân phối trên bề mặt 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. (hình 2.1; 2.2)

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 500kg/m3. Khoảng cách từ sàn phân phối

đến đáy bể thường 0.6-0.8 m. Sàn đỡ và thu nước

thường có hai nhiệm vụ:

- Thu đều nước có các mảnh vỡ của màng sinh học bị

tróc.

- Phân phối đều gió vào bể lọc để duy trì MT hiếu

khí trong các khe rỗng.

2.1.2. Cơ chế hoạt động

Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp

xúc trong một đơn vị diện tích là lớn nhất trong điều

kiện có thể. Nước từ hệ thống phân phối nước đến vật

liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành

lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc

với màng sinh học ở trên bề mặt của vật liệu và được

làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí và

kị khí các chất hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ

phân hủy hiếu khí sinh ra CO2 và nước, phân hủy kị khí

sinh ra CH4 và CO2 làm tróc màng ra khỏi vật mang, bị

nước cuốn theo. Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại

hình thành màng mới. Hiện tượng này được lặp đi lặp

lại nhiều lần. Kết quả là BOD của nước thải bị vi

sinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng và bị phân hủy

kị khí cũng như hiếu khí: nước thải được làm sạch.

Nước thải trước khi đưa vào sử lí ở lọc phun cần

phải qua xử lí sơ bộ để tránh các tắc nghẽn các khe

trong vật liệu. Nước sau khi xủ lí ở lọc sinh học

thường chứa nhiều chất lơ lửng do các mảnh vỡ của

màng sinh học cuốn theo, vì vậy cần phải đưa vào lắng

2 và lưu ở đây thời gian thích hợp để lắng cặn. Trong

trường hợp này, khác với nước ra ở bể aroten: nước ra

khỏi bể lọc sinh học thường ít bùn cặn hơn bể aroten.

Nồng độ bùn cặn ở đây thường nhỏ hơn 500mg/l, không

xảy ra hiện tượng làm hạn chế. Tải trọng bề mặt của

lắng 2 sau lọc phun vào khoảng 16-25 m3/m2.ngày.

2.1.3. Phân loại bể lọc nhỏ giọt

Dựa vào các thông số khác nhau của bể lọc mà người

ta chia ra làm hai loại: bể lọc tải trọng thấp và bể

lọc tải trọng cao. Sự khác nhau được đưa ra dưới bảng

2.1.

Bảng 2.1. Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinhhọc nhỏ giọt

(các chỉ tiêu thiết kế)

Thôngsố

Đơn vị đo Tải trọngthấp

Tải trọngcao

Chiềucao lớp

VL

m 1-3 0,9-2,4(đá)

6-8 (nhựatấm)

Loại VL Đá cục,than cục,đá ong,cuội lớn

Đá cục,than, đáong, nhựa

đúcTải

trọngtheochất

kgBOD5/m3vật liệu

ngày

0,08-0,4 O,4-1,6

Tảitrọngthủylựctheodiện

tích bềnặt

m3/m2.ngày 1-4,1 4,1- 40,7

Hiệuquả BOD

% 80-90 65-85

Chú ý: tải trọng thủy lực nêu trong bảng là tỉ số của

lưu lượng nước xử lý (m3/ngày) cộng với lưu lượng tuần

hoàn (m3/ngày) (nếu có) chia cho diện tích bề mặt của

bể lọc S (m2).

2.1.4. Ưu, nhược điểm của bể lọc sinh học nhỏ giọt

Ưu điểm của bể lọc sinh học nhỏ giọt:

- Quá trình oxi hóa rất nhanh nên rút ngắn được

thời gian xử lí.

- Điều chỉnh được thời gian lưu nước và tốc độ

dòng chảy.

- Xử lí hiệu quả nước cần có quá trình khử nitrat

hoặc phản nitrat hóa.

- Nước ra khỏi bể lọc sinh học thường ít bùn cặn

hơn bể aroten.

Nhược điểm của bể lọc sinh học:

- Không khí ra khỏi bể lọc thường có mùi hôi thối

- Khu vực xung quanh bể thường có nhiều ruồi muỗi

2.2. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước

2.2.1. Cấu tạo

Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước cũng bao

gồm vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước, sàn đỡ và

thu nước giống như bể lọc sinh học có vật liệu không

ngập nước. Tuy nhiên lớp vật liệu lọc được thiết kế

ngập trong nước (hình 2.3).

Hình 2.3. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước

2.2.2 Cơ chế hoạt động

Trong quá trình làm việc, lọc có thể khử BOD và

chuyển hóa NH4+ thành NO3

-, lớp vật liệu lọc có khả

năng giữ lại cặn lơ lửng. Để tiếp tục khử được BOD,

NO3-, và P người ta thường đăt 2 lọc liên tiếp.Giàn

phân phối khí của lọc sau khi ở giữa lớp vật liệu với

độ cao sao cho lớp vật liệu nằm ở phía dưới là vùng

hiếu khí để khử NO3- và P. Ở lọc này nước và không khí

cùng chiều đi từ dưới lên cho hiệu quả xử lí cao.

Kĩ thuật này được áp dụng cho việc xử lí nước thải

sinh hoạt đô thị đồng thời khử được những hợp chất

hữu cơ cacbon và nito đồng thời loại bỏ được huyền

phù. Đối với nước sạch sinh hoạt phương pháp lọc sinh

học với vật liệu ngập nước rất thích hợp để nitrat

hóa và khử nitrat hóa.

2.2.3. Ưu, nhược điểm của bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước

Ưu điểm

Kĩ thuật này dựa trên hoạt động của quần thể vi sinh

vật tập trung ở màng sinh học có hoạt tính mạnh hơn ở

bùn hoạt tính. Do đó phương pháp này có một số ưu

điểm sau:

- Chiếm ít diện tích

- Đơn giản dễ dàng cho việc bao che công trình,

khử độc và đảm bảo mĩ quan.

- Không cần phải rửa lọc

- Phù hợp với nước thải pha loãng

- Đưa vào hoạt động rất nhanh

- Dễ dàng tự động hóa

Bên cạnh đó bể lọc sinh học có vật liệu ngập nước có

nhược điểm:

- Tăng tổn thất tải lượng

- Giảm lượng nước thu hồi

- Tổn thất khí cấp cho quá

trình

- Giảm khả năng giữ huyền phù

2.3. Đĩa quay sinh học RBC

2.3.1. Cấu tạo

Đĩa quay sinh học gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng được

làm bằng PVC hoặc PS, lắp trên một trục. Các đĩa này

được đặt vào nước một phần (khoảng 30-40% theo đường

kính có khi ngập tới 70-90%) và quay chậm khi làm

việc. Đây là công trình hay thiết bị xử lý nước thải

bằng kĩ thuật màng sinh học dựa trên sự sinh trưởng

gắn kết của vi sinh vật trên bề mặt của vật liệu đĩa.

Vật liệu thường gặp ở dạng đĩa có diện tích bề mặt

khoảng 6 - 7,62 m2/m3, dạng lưới có diện tích bề mặt

tử 9,1 – 10,6 m2/m3. Dạng đĩa được chế tạo từ nhựa

cứng polystyren còn dạng lưới làm từ polyetylen.

2.3.2. Cơ chế hoạt động

Khi quay, màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ

trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxi khi ra

khỏi nước thải. Đĩa quay sinh học nhờ moto hoặc sức

gió. Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc

được với không khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ

trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ được phân hủy

nhanh.

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới hoạt động của

RBC là lớp màng sinh học. Khi bắt đầu vận hành các vi

sinh vật trong nước bám vào vật liệu và phát triển ở

đó cho đến khi tất cả vật liệu được bao bởi lớp màng

nhầy dầy chừng 0,16-0,32 cm. Sinh khối bám chắc vào

RBC tương tự như ở màng lọc sinh học.

Hình 2.4. Đĩa quay

Vi sinh vật trong màng bám dính trên đĩa quay bao gồm

các vi khuẩn kị khí tùy tiện như Pseudomonas,

Alcaligenes, Flavobavterium,Micrococcus, các vi sinh

vật hiếu khí như Bacillusthif thường có ở lớp trên

của màng. Khi kém khí hoặc yếm khí thì tạo thành lớp

màng vi sinh vật yếm khí. Trong điều kiện yếm khí vi

sinh vật thường tạo mùi khó chịu. Nám và các vi sinh

vật hiếu khí phát triển ở lớp màng trên, và cùng tham

gia vào việc phân hủy các chất ự đóng góp của nấm chỉ

đặc biệt quan trọng trong trường hợp pH của nước thải

thấp hoặc các loại nước thải công nghiệp đặc biệt vì

nấm không thể cạnh tranh với các loại vi khuẩn về

thức ăn trong điều kiện bình thường. pH tối ưu cho

RBC là tử 6,5 -7,8.

Nhiệt độ nước thải ở mức 13 – 32oC không ảnh hưởng

nhiều đến quá trình hoạt động. Tuy nhiên khi nhiệt độ

giảm xuống dưới 13oC thì hiệu quả xử lý giảm. Để đạt

được hiệu quả cao thì nước thải phải được giữ ở điều

kiện thoáng khí trong toàn bộ hệ thống để đảm bảo quá

trình oxi hóa hidrocacbon và nitrat hóa

Hình 2.5. Sơ đồ điển hình của hệ thống xử lý RBC

a- Hệ thống xử lý bằng RBC

b,c – cách đặt các đĩa quay

3. Tính toán

3.1. Hiệu suất lọc sạchS0Sf

=k.AS.HQn

Trong đó:

So- BOD5 của nước sau khi lắng 1 (mg/l)

Sf - BOD5 của nước ra khỏi lọc sau lắng 2 (mg/l)

AS – Diện tích riêng của vật liệu lọc (m2/m3)

H – chiều cao chứa vật liệu (m)

Q – Lưu lượng thủy lực tính bằng m3/ ngày.tiết

diện của lớp đệm. Tải lượng này không tính đến tải

lượng tuần hoàn mà chỉ tính đến tải lượng đã xử lí

n- hệ số thực nghiệm: n= 0,91−

21,48AS

k- hằng số thủy phân sinh học. Phụ thuộc vào bản

chất của chất gây ô nhiễm đem xử lí và nhiệt độ.

3.2. Thể tích cần thiết của khối vật liệu

W=Qq0

Trong đó: Q – lưu lượng nước thải cần xử lí

(m3/ngày)

q0 – tải trọng thủy lực (m3/m3.ngày)

3.3. Tải trọng thủy lực

q0=C0.FaS0 (m3/m3.ngày)

Trong đó:

C0 – tải trọng BOD5 cho phép trên 1m2 diện tích bề

mặt lớp vật liệu (gBOD5/m2/ngày)

Fa – Diện tích bề mặt lớp vật liệu trong 1 đơn vị

thể tích khối vật liệu (m2/m3)

S0 – Hàm lượng BOD5 trong nước thải đầu vào (mg/l)

3.4. Tải trọng chất hữu cơ

C0=P.H.KT

η (gBOD5/m2ngày)

Trong đó:

H – Chiều cao lớp vật liệu trong bể (m)

P – Độ rỗng của lớp vật liệu (%)

KT – Hằng số nhiệt độ, KT=0,2.1,047(T−20 )

η - hệ số phụ thuộc vào hàm lượng BOD5 đầu ra.