Đề tài Nguyên lý quy trình xử lý nước thải

1 1 Mục lục A. Thành phần nước thải …………………………………………………3 B. Các chất ô nhiễm trong nước thải 1) Nhu cầu oxi sinh hóa (BOD)……………………………………..8 2) Nhu cầu oxi hóa học (COD)……………………………………..9 3) pH của dung dịch ……………………………………………….9 4) Các loại muối …………………………………………………..10 5) Chất rắn trong nước thải…………………………………………10 6) Các kim loại độc và hợp chất hữu cơ độc trong nước thải……..12 7) Sự tiêu thụ oxi…………………………………………………...12 8) Nhiệt …………………………………………………………….13 9) Màu ……………………………………………………………...14 10) Các chất tạo bọt………………………………………………….14 11) Các chất gây trở ngại…………………………………………….14 12) Vi khuẩn và VSV khác trong nước thải…………………………15 C. Ước lượng tải lượng ô nhiễm của nước thải 1. Tải lượng các chất gây ô nhiễm …………………………………21 2. Nồng độ các chất gây ô nhiễm ………………………………….22 3. Dân số tương đương ……………………………………………..23 D. Các yếu tố cần thiết để lựa chon thông số xử lý………………………..23 E. Sơ đồ quy trình xử lý……………………………………………………25 F. Các phương pháp xử lý I. Song chắn rác……………………………………………………..28 1. Chức năng và cấu tạo…………………………………………28 2. Mở rộng kênh nơi đặt song chắn……………………………...29 3. Kích thước song chắn…………………………………………29 II. Bể lắng cát………………………………………………………..31 1. Chức năng và vị trí……………………………………………31 2. Các công thức tính…………………………………………….34 3. Bể lắng cát có sục khí..………………………………………..38 4. Bể lắng cát đứng có dòng chảy xoáy………………………… 38 III. Bể điều lưu……………………………………………………….38 1. Thành phần nước thải sinh hoạt và sự biến động………………38 2. Các loại nước thải khác…………………………………………40 3. Các bước tiến hành……………………………………………...40 IV. Lưu lượng kế……………………………………………………….44 V. Khuấy trộn………………………………………………………… .44 VI. Bể lắng sơ cấp………………………………………………………48 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ………………………………………….50 2. Ảnh hưởng của cặn lắng…………………………………………51 VII. Bể lọc bằng các hạt lọc…………………………………………….51 VIII. Bể tuyển nổi……………………………………………………….54 2 2 IX. Bể lọc sinh học nhỏ giọt…………………………………………… 55 Phương pháp hấp phụ………………………………….............59 X. Keo tụ và tạo bông…………………………………………………...60 XI. Sơ lược về quá trình xử lý nước bằng VSV………………………... 61 1. Quá trình hiếu khí, tùy nghi……………………………………..61 2. Quá trình yếm khí……………………………………………….64 • Quá trình hiếu khí, yếm khí……………………………...68 • Các thiết bị xử lý hiếu khí………………………………..69 • Bể bùn hoạt tính………………………………………….70 • Đĩa tiếp xúc sinh học……………………………………..79 XII. Phương pháp kết tủa………………………………………………..82 XIII. Phương pháp quang xúc tác……………………………………….87 XIV. Phương pháp oxi hóa ……………………………………………..89 XV. Quá trình nitrat, nitric hóa………………………………………….92 1. Quá trình nitrát…………………………………………………..92 2. Quá trình khử nitrát……………………………………………..93 XVI. Phương pháp khử trùng…...……………………………………….93 G. Tái sử dụng…………………………………………………………...98 1. Sản xuất nông nghiệp……………………………………………98 2. Sản xuất biogas…………………………………………………..98 3. Sản xuất thủy sản………………………………………………..99 4. Tái sử dụng gián tiếp…………………………………………….99 H. Quản lý nguồn nước………………………………………………….99 QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỰ NHIÊN……………………....105 I. Quá trình tự làm sạch nguồn nước…..………………………..105 1. Quá trình tự làm sạch nguồn nước…………………………...105 2. Quá trình xáo trộn nước thải…………………………………106 II. Quá trình xử lý nước thải bằng thủy sinh vật………………….106 1. Xử lý bằng tảo………………………………………………...106 2. Quy trình thiết kế……………………………………………..108 3. Xử lý bằng các sinh vật có kích thước lớn……………………109 4. Các loài sinh vật chính………………………………………..109 III. Cánh đồng chảy tràn….………………………………………..112 IV. Cánh đồng lọc…………………………………………………..115 1. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc……….…………………115 • Cánh đồng lọc chậm……………………………………117 • Cánh đồng lọc nhanh…………………………………...120 3 3 A. THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI Trên b́nh diện toàn cầu, nước là một tài nguyên vô cùng phong phú nhưng nước chỉ hữu dụng với con người khi nó ở đúng nơi, đúng chỗ, đúng dạng và đạt chất lượng theo yêu cầu. Hơn 99% trữ lượng nước trên thế giới nằm ở dạng không hữu dụng đối với đa số các mục đích của con người do độ mặn (nước biển), địa điểm, dạng (băng hà). Phân bố và dạng của nước trên Trái đất Địa điểm Diện tích (km2) Tổng thể tích nước (km3) % tổng lượng nước Các đại dương và biển (nước mặn) 361.000.000 1.230.000.000 97.2000 Khí quyển (hơi nước) 510.000.000 12.700 0,0010 Sông, rạch ------- 1.200 0,0001 Nước ngầm (đến độ sâu 0,8 km) 130.000.000 4.000.000 0,3100 Hồ nước ngọt 855.000 123.000 0,0090 Tảng băng và băng hà 28.200.000 28.600.000 2.1500 Nguồn: US Geological Survey Con người khai thác các nguồn nước tự nhiên để cung cấp nước cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Sau khi sử dụng nước bị nhiễm bẩn do chứa nhiều vi trùng và các chất thải khác. Nếu không được xử lư trước khi thải vào các nguồn nước công cộng, chúng sẽ làm ô nhiễm môi trường. V́ vậy nước thải trước khi thải vào sông, hồ (nguồn nước) cần phải được xử lư thích đáng. Mức độ xử lư phụ thuộc vào nồng độ bẩn của nước thải; khả năng pha loăng giữa nước thải với nước nguồn và các yêu cầu về mặt vệ sinh, khả năng "tự làm sạch của nguồn nước". Theo các qui định về bảo vệ môi trường của Việt Nam, ô nhiễm nước là việc đưa vào các nguồn nước các tác nhân lư, hóa, sinh học và nhiệt không đặc trưng về thành phần hoặc hàm lượng đối với môi trường ban đầu đến mức có khả năng gây ảnh hưởng xấu đến sự phát triển b́nh thường của một loại sinh vật nào đó hoặc thay đổi tính chất trong lành của môi trường ban đầu. Theo một định nghĩa khác "Ô nhiễm nước mặt diễn ra khi đưa quá nhiều các tạp chất, các chất không mong đợi, các tác nhân gây nguy hại vào các nguồn nước, vượt khỏi khả năng tự làm sạch của các nguồn nước này" Để thiết kế các công tŕnh xử lư nước thải, trước tiên chúng ta phải biết đặc điểm, thành phần của các chất gây ô nhiễm. 4 4 Các đặc điểm lý học, hóa học và sinh học của nước thải và nguồn sinh ra nó 5 5 Đặc điểm Nguồn Lý học • Màu Nước thải sinh hoạt hay công nghiệp, thường do sự phân hủy của các chất thải hữu cơ. • Mùi Nước thải công nghiệp, sự phân hủy của nước thải • Chất rắn Nước cấp, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, xói ṃòn đất. • Nhiệt Nước thải sinh hoạt, công nghiệp Hóa học • Carbohydrate Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Dầu, mỡ Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Thuốc trừ sâu Nước thải nông nghiệp • Phenols Nước thải công nghiệp • Protein Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Chất hữu cơ bay hơi Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Các chất nguy hiểm Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Các chất khác Do sự phân hủy của các chất hữu cơ trong nước thải trong tự nhiên • Tính kiềm Chất thải sinh hoạt, nước cấp, nước ngầm • Chlorides Nước cấp, nước ngầm • Kim loại nặng Nước thải công nghiệp • Nitrogen Nước thải sinh hoạt, công nghiệp • pH Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Phosphorus Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp; rửa trôi • Sulfur Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp; nước cấp 6 6 • Hydrogen sulfide Sự phân hủy của nước thải sinh hoạt • Methane Sự phân hủy của nước thải sinh hoạt • Oxygen Nước cấp, sự trao đổi qua bề mặt tiếp xúc không khí - nước Sinh học • Động vật Các ḍạng chảy hở và hệ thống xử lý • Thực vật Các ḍạng chảy hở và hệ thống xử lý • Eubacteria Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý • Archaebacteria Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý • Viruses Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Các chất ô nhiễm quan trọng cần chú ý đến trong quá tŕnh xử lý nước thải Chất gây ô nhiễm Nguyên nhân được xem là quan trọng Các chất rắn lơ lửng Tạo nên bùn lắng và môi trường yếm khí khi nước thải chưa xử lý được thải vào môi trường. Biểu thị bằng đơn vị mg/L. Các chất hữu cơ có thể phân hủy bằng con đường sinh học Bao gồm chủ yếu là carbohydrate, protein và chất béo. Thường được đo bằng chỉ tiêu BOD và COD. Nếu thải thẳng vào nguồn nước, quá tŕnh phân hủy sinh học sẽ làm suy kiệt oxy ḥòa tan của nguồn nước. Các mầm bệnh Các bệnh truyền nhiễm có thể lây nhiễm từ các vi sinh vật gây bệnh trong nước thải. Thông số quản lư là MPN (Most Probable Number). Các dưỡng chất N và P cần thiết cho sự phát triển của các sinh vật. Khi được thải vào nguồn nước nó có thể làm gia tăng sự phát triển của các loài không mong đợi. Khi thải ra với số lượng lớn trên mặt đất nó có thể gây ô nhiễm nước ngầm. Các chất ô nhiễm nguy hại Các hợp chất hữu cơ hay vô cơ có khả năng gây ung thư, biến dị, thai dị dạng hoặc gây độc cấp tính. Các chất hữu cơ khó phân hủy Không thể xử lý được bằng các biện pháp thông thường. Ví dụ các nông dược, phenols... Kim loại nặng Có trong nước thải thương mại và công nghiệp và cần loại bỏ khi 7 7 tái sử dụng nước thải. Một số ion kim loại ức chế các quá tŕnh xử lý sinh học Chất vô cơ ḥa tan Hạn chế việc sử dụng nước cho các mục đích nông, công nghiệp Nhiệt năng Làm giảm khả năng băo ḥòa oxy trong nước và thúc đẩy sự phát triển của thủy sinh vật Ion hydrogen Có khả năng gây nguy hại cho TSV Nguồn: Wastewater Engineering: Treatment, Diposal, Reuse, 1989 Low-maintenance Mechanically Simple Wastewater Treatment systems, 1980 Ở các thành phố có nhiều nhà máy, khu công nghiệp, nước thải công nghiệp ảnh hưởng rất lớn đến thành phần nước thải chung của thành phố, thị trấn và nó chứa nhiều các chất gây ô nhiễm ở nồng độ cao và tùy theo từng nhà máy thành phần chất gây ô nhiễm rất phức tạp. Do đó để giảm thiểu chi phí cho việc quản lý và xử lý, mỗi nhà máy cần phải có các hệ thống xử lý riêng để nước thải thải vào các nguồn nước công cộng phải đạt đến một tiêu chuẩn cho phép nào đó. Các loại chất thải và các nguồn thải chính Loại chất thải Từ cống rănh, kênh thoát nước Từ các nguồn chảy tràn Nước thải sinh hoạt Nước thải công nghiệp Chảy tràn từ khu sx nông nghiệp Chảy tràn ở khu vực thành thị Các chất thải cần oxy để phân hủy ´ ´ ´ ´ Dưỡng chất ´ ´ ´ ´ Các mầm bệnh ´ ´ ´ ´ Chất rắn lơ lửng/cặn lắng ´ ´ ´ ´ Muối ´ ´ ´ Kim loại độc ´ ´ Chất hữu cơ độc ´ ´ Nhiệt ´ 8 8 B. CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI 1.Nhu cầu oxi sinh hóa (BOD) Nhu cầu oxy sinh hóa là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ trong một khoảng thời gian xác định và được ký hiệu bằng BOD được tính bằng mg/L. Chỉ tiêu BOD phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ của nước thải. BOD càng lớn thì nước thải (hoặc nước nguồn) bị ô nhiễm càng cao và ngược lại. Thời gian cần thiết để các vi sinh vật oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ có thể kéo dài đến vài chục ngày tùy thuộc vào tính chất của nước thải, nhiệt độ và khả năng phân hủy các chất hữu cơ của hệ vi sinh vật trong nước thải. Để chuẩn hóa các số liệu người ta thường báo cáo kết quả dưới dạng BOD5 (BOD trong 5 ngày ở 20oC). Mức độ oxy hóa các chất hữu cơ không đều theo thời gian. Thời gian đầu, quá trình oxy hóa xảy ra với cường độ mạnh hơn và sau đó giảm dần. Ví dụ: đối với nước thải sinh hoạt và nước thải của một số ngành công nghiệp có thành phần gần giống với nước thải sinh hoạt thì lượng oxy tiêu hao để oxy hóa các chất hữu cơ trong vài ngày đầu chiếm 21%, qua 5 ngày đêm chiếm 87% và qua 20 ngày đêm chiếm 99%. Để kiểm tra khả năng làm việc của các công trình xử lý nước thải người ta thường dùng chỉ tiêu BOD5. Khi biết BOD5 có thể tính gần đúng BOD20 bằng cách chia cho hệ số biến đổi 0,68. BOD20 = BOD5 : 0,68 Hoặc tính BOD cuối cùng khi biết BOD ở một thời điểm nào đó người ta có thể dùng công thức: BODt = Lo (1 - e-kt) hay BODt = Lo (1 - 10-Kt) trong đó BODt: BOD tại thời điểm t (3 ngày, 5 ngày...) Lo: BOD cuối cùng k: tốc độ phản ứng (d-1) tính theo hệ số e K: tốc độ phản ứng (d-1) tính theo hệ số 10, k = 2,303(K) Giá trị K và k tiêu biểu cho một số loại nước thải Loại nước thải K (20oC) (day-1) k (20oC) (day-1) Nước thải thô 0,15 ¸ 0,30 0,35 ¸ 0,70 Nước thải đã được xử lý tốt 0,05 ¸ 0,10 0,12 ¸ 0,23 9 9 Nước sông bị ô nhiễm 0,05 ¸ 0,10 0,12 ¸ 0,23 Để tính giá trị k ở nhiệt độ T ta có công thức Giải: • Xác định BOD cuối cùng BODt = Lo (1 - e-kt) 200 mg/L = Lo (1 - e-0,23 × 5) Lo = 293 mg/L • Xác định BOD ngày thứ nhất BODt = Lo (1 - e-kt) BODt = 60 mg/L 2. Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand, COD) Chỉ tiêu BOD không phản ánh đầy đủ về lượng tổng các chất hữu cơ trong nước thải, vì chưa tính đến các chất hữu cơ không bị oxy hóa bằng phương pháp sinh hóa và cũng chưa tính đến một phần chất hữu cơ tiêu hao để tạo nên tế bào vi khuẩn mới. Do đó để đánh giá một cách đầy đủ lượng oxy cần thiết để oxy hóa tất cả các chất hữu cơ trong nước thải người ta sử dụng chỉ tiêu nhu cầu oxy hóa học. Để xác định chỉ tiêu này, người ta thường dùng potassium dichromate (K2Cr2O7) để oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ, sau đó dùng phương pháp phân tích định lượng và công thức để xác định hàm lượng COD. Khi thiết kế các công trình xử lý nước thải công nghiệp hoặc hỗn hợp nước thải sinh hoạt và công nghiệp cần thiết phải xác định BOD và COD. 3. pH của nước thải pH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý. Các công trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học làm việc tốt khi pH nằm trong giới hạn từ 7 ÷ 7,6. Như chúng ta đã biết môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩn phát triển là môi trường có pH từ 7 ÷ 8. Các nhóm vi khuẩn khác nhau có giới hạn pH hoạt động khác nhau. Ví dụ vi khuẩn nitrit phát triển thuận lợi nhất với pH từ 4,8 ÷ 8,8, còn vi khuẩn nitrat với pH từ 6,5 ÷ 9,3. Vi khuẩn lưu huỳnh có 10 10 thể tồn tại trong môi trường có pH từ 1 ÷ 4. Ngoài ra pH còn ảnh hưởng đến quá trình tạo bông cặn của các bể lắng bằng cách tạo bông cặn bằng phèn nhôm. Nước thải sinh hoạt có pH = 7,2 ÷ 7,6. Nước thải công nghiệp có pH rất khác nhau phụ thuộc từng loại công nghiệp. Các xí nghiệp sản xuất có thể thải ra nước thải có tính acid hoặc kiềm rất cao chẳng những làm cho nguồn nước không còn hữu dụng đối với các hoạt động giải trí như bơi lội, chèo thuyền mà còn làm ảnh hưởng đến hệ thủy sinh vật. Nồng độ acid sulfuric cao làm ảnh hưởng đến mắt của những người bơi lội ở nguồn nước này, ăn mòn thân tàu thuyền, hư hại lưới đánh cá nhanh hơn. Nguồn nước lân cận một số xí nghiệp có thể có pH thấp đến 2 hoặc cao đến 11; trong khi cá chỉ có thể tồn tại trong môi trường có 4,5 < pH < 9,5. Hàm lượng NaOH cao thường phát hiện trong nước thải ở các xí nghiệp sản xuất bột giặt, thuộc da, nhuộm vải sợi... NaOH ở nồng độ 25 ppm đã có thể làm chết cá 4. Các loại muối Nhiều loại xí nghiệp có nước thải chứa hàm lượng muối khá cao; ngoài ra ở các nước ôn đới người ta còn dùng muối để rãi lên mặt đường vào mùa đông và muối bị rửa trôi vào hệ thống cống rãnh. Hàm lượng muối cao sẽ làm cho nguồn nước không còn hữu dụng cho mục đích cấp nước hay tưới tiêu, làm hoa màu bị thiệt hại và đất bị ô nhiễm. Các loại muối khóang Ca, Mg còn làm cho nguồn nước bị "cứng", đóng cặn trong các đường ống gây thất thoát áp lực trên đường ống. Nước cứng làm ảnh hưởng đến việc nhuộm vải sợi, sản xuất bia và chất lượng của các sản phẩm đóng hộp. Nước cứng còn gây đóng vẩy trong các đường ống của lò hơi làm giảm khả năng truyền nhiệt. Magnesium sulfate gây xổ nhẹ ở người, ion chloride làm tăng độ dẫn điện của giấy cách điện, ion sắt gây các vết bẩn trên vải sợi và giấy, carbonat tạo vẩy cứng đóng trên đậu Hà Lan trong quá trình chế biến và đóng hộp chúng. Các loại muối có chứa Nitrogen và phosphorus làm cho tảo phát triển nhanh gây hiện tượng tảo nở hoa, làm ảnh hưởng đến hệ thủy sinh vật và mất mỹ quan. 5. Chất rắn trong nước thải Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất rắn có khả năng lắng, các hạt keo và chất rắn hòa tan. Tổng các chất rắn (Total solid, TS) trong nước thải là phần còn lại sau khi đã cho nước thải bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ từ 103 ÷ 105oC. Các chất bay hơi ở nhiệt độ này không được coi là chất rắn. Tổng các chất rắn được biểu thị bằng đơn vị mg/L. Tổng các chất rắn có thể chia ra làm hai thành phần: chất rắn lơ lửng (có thể lọc được) và chất rắn hòa tan (không lọc được). Chất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ (hữu cơ hoặc vô cơ) trong nước thải. 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 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. 11 11 Để xác định hàm lượng các chất rắn lơ lửng phải tiến hành phân tích chúng bằng cách lọc qua giấy lọc bằng sợ thủy tinh Whatmann 934AH và 948H (Whatmann GF/C) có kích thước các lổ khoảng 1,2 micrometter (μm) hoặc của Đức loại A/E. Lưu ý là các giấy lọc cấu tạo bằng Polycarbonate cũng có thể sử dụng được, tuy nhiên các số liệu có thể chênh lệch do cấu trúc của các loại giấy này khác nhau. Các chất rắn lơ lửng bị giữ lại ở giấy lọc. Đem giấy lọc này sấy khô tuyệt đối ở nhiệt độ 105oC. Hàm lượng chất rắn lơ lửng sẽ được tính bằng công thức: trong đó TSS: tổng các chất rắn lơ lửng (mg/L) A: trọng lượng của giấy lọc và các chất rắn lơ lửng sau khi sấy khô tuyệt đối (mg) B: trọng lượng ban đầu của giấy lọc (mg) V: thể tích mẫu nước thải qua lọc (L) Hàm lượng chất rắn lơ lửng phụ thuộc chủ yếu vào lượng nước sử dụng hàng ngày của một người. Lượng nước tiêu thụ càng lớn thì hàm lượng các chất rắn lơ lửng nói riêng và các chất gây ô nhiễm nói chung càng nhỏ và ngược lại. Tùy theo kích thước hạt, trọng lượng riêng của chúng, tốc độ dòng chảy và các tác nhân hóa học mà các chất lơ lửng có thể lắng xuống đáy, nổi lên mặt nước hoặc ở trạng thái lơ lửng. Để xác định hàm lượng các chất rắn có khả năng lắng (settable solid) ngưới ta dùng một dụng cụ thủy tinh gọi là nón Imhoff có chia vạch thể tích. Cho 1 lít nước thải vào nón Imhoff để cho lắng tự nhiên trong vòng 45 phút, sau đó khuấy nhẹ sát thành nón rồi để cho lắng tiếp trong vòng 15 phút. Sau đó đọc thể tích chất lơ lửng lắng được bằng các vạch chia bên ngoài. Hàm lượng chất rắn lơ lửng lắng được biểu thị bằng đơn vị mL/L. Chỉ tiêu chất rắn có khả năng lắng biểu diễn gần đúng lượng bùn có thể loại bỏ được bằng bể lắng sơ cấp. Ngoài các chất lắng được, trong nước thải còn chứa các tạp chất nổi (floating solid) có trọng lượng riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng nước. Khi lắng các chất này nổi lên bề mặt công trình. Theo các tính toán của Sở KHCN & MT Cần Thơ lượng chất rắn lơ lửng tổng cộng do một người ở khu vực Cần Thơ thải ra trong một ngày đêm là 200 g. Các chất rắn hòa tan (không lọc được bao gồm các hạt keo và các chất hòa tan. Các hạt keo có kích thước từ 0,001 ÷ 1 mm, các hạt keo này không thể loại bỏ bằng phương pháp lắng cơ học. Các chất hòa tan có thể là phân tử hoặc ion của chất hữu cơ hay vô cơ. Để xác định hàm lượng hữu cơ của các chất rắn lơ lửng người ta sử dụng chỉ tiêu VSS (volatile suspended solid) bằng cách đem hóa tro các chất rắn ở 550 ± 50oC trong 1 giờ. Phần bay hơi là các chất hữu cơ (VSS), phần còn lại sau khi hóa tro là các chất vô cơ FSS (Fixed suspended solid). Lưu ý hầu hết các muối vô cơ đều không bị phân hủy ở nhiệt độ dưới 825oC, chỉ trừ magnesium carbonate bị phân hủy thành MgO và CO2 ở nhiệt độ 350oC. Chỉ tiêu VSS của nước thải thường được xác định để biết rõ khả năng phân hủy sinh học của nó. 12 12 Mối quan hệ giữa các thành phần chất rắn trong nước và nước thải Nguồn: Wastewater Engineering: Treatment, Diposal, Reuse, 1989 Bài tập 1.1: Cho các số liệu sau Trọng lượng của đĩa dùng chứa mẫu là 53,5433 g Trọng lượng của đĩa và các chất rắn còn lại sau khi cho nước thải bay hơi ở 105oC là 53,5793 g Trọng lượng của đĩa và các chất rắn còn lại sau khi hóa tro nước thải ở 550oC là 53,5772 g Trọng lượng giấy lọc Whatmann là 1,5433 g Trọng lượng giấy lọc Whatmann và các chất rắn trên giấy lọc sau khi lọc mẫu là 1,5553 g Trọng lượng sau khi hóa tro là 1,5531g Tất cả các mẫu thử đều có thể tích là 50 mL. Xác định TS, VS, SS, VSS 13 13 Giải: 6 .Các kim loại độc và các chất hữu cơ độc Nước chảy tràn ở khu vực sản xuất nông nghiệp có chứa dư lượng thuốc trừ sâu và thuốc trừ cỏ, trong khi nước chảy tràn ở các khu đô thị chứa chì và kẽm (chì từ khói xe ô tô, kẽm từ việc bào mòn các lớp xe). Nhiều ngành công nghiệp thải ra các loại kim loại và chất hữu cơ độc khác. Các chất này có khả năng tích tụ và khuếch đại trong chuỗi thức ăn, do đó cần phải được quản lý tốt. Hàm lượng chloride 4000 ppm gây độc cho cá nước ngọt, Cr6+ gây độc cho cá ở nồng độ 5 ppm. Đồng ở hàm lượng 0,1 ÷ 0,5% đã gây độc cho vi khuẩn và một số sinh vật khác. P2O5 ở nồng độ 0,5 ppm gây trở ngại cho quá trình tạo bông cặn và lắng trong các nhà máy nước. Phenol ở nồng độ 1 ppb đã gây nên vấn đề cho các nguồn nước. 7. Sự tiêu thụ oxy Để quá trình tự làm sạch diễn ra một cách bình thường ở nguồn nước thì cần phải có một lượng dự trữ oxy hòa tan (DO). Việc tiêu thụ lượng oxy hòa tan do quá trình oxy hóa các chất hữu cơ bởi các vi khuẩn (quá trình oxy hóa sinh hóa) thực hiện qua 2 giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất: oxy hóa các chất hữu cơ cao phân tử tạo cacbonic và nước (phương trình 1.1) Giai đoạn thứ hai: oxy hóa các chất chứa nitơ thành nitrit và sau đó thành nitrat (phương trình 1.7 đến phương trình 1.10). 14 14 Sự hòa tan oxy vào nước nguồn Song song với quá trình tiêu thụ oxy, để oxy hóa các chất hữu cơ trong nguồn nước luôn xảy ra quá trình bổ sung lượng oxy mới. Nguồn bổ sung oxy là không khí. Chúng hòa tan vào nguồn nước qua mặt thoáng của nguồn nước. Ngoài ra còn có một lượng oxy bổ sung vào nước nguồn còn do quá trình quang hợp của thực vật sống trong nước. Các thực vật này đồng hóa cacbon từ axít cacbonic tan trong nước và giải phóng oxy tự do (pt 1.6). Như các chất khí khác, độ hòa tan của oxy phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ mặn của nước. Độ hòa tan của oxy vào nước phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa hai pha oxy và nước. Vì vậy trong điều kiện như nhau, độ hòa tan đó phụ thuộc vào mức độ xáo trộn gây ra bởi dòng chảy cũng như các tác nhân như gió trên mặt thoáng của dòng chảy. Lượng oxy hòa tan của không khí vào nước theo nhiệt độ và độ mặn ở 1atm ToC DO mg/L ToC DO mg/L 0 ppm salinity 5 ppm salinity 0 ppm salinity 5 ppm salinity 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 11,28 11,02 10,77 10,53 10,29 10,07 9,86 9,65 9,45 9,26 9,08 10,92 10,67 10,43 10,20 9,98 9,77 9,56 9,36 9,17 8,99 8,81 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 8,90 8,73 8,56 8,40 8,24 8,09 7,95 7,81 7,67 7,54 7,41 8,64 8,48 8,32 8,16 8,01 7,87 7,73 7,59 7,46 7,33 7,21 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, disposal, reuse (1991) 15 15 8 .Nhiệt Các nước thải từ nhà máy nhiệt điện và lò hơi của một số ngành công nghiệp có nhiệt độ rất cao. Khi thải ra môi trường, nó làm tăng nhiệt độ của các thủy vực ảnh hưởng đến một số thủy sinh vật và làm suy giảm oxy hòa tan trong nguồn nước (do khả năng bão hòa oxy trong nước nóng thấp hơn và vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ sẽ hoạt động mạnh hơn). 9. Màu (color) Các nước thải từ nhà máy dệt, giấy, thuộc da, lò mổ... có độ màu rất cao. Nó có thể làm cản trở khả năng khuếch tán của ánh sáng vào nguồn nước gây ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của hệ thủy sinh thực vật. Nó còn làm mất vẽ mỹ quan của nguồn nước nên rất dễ bị sự phản ứng của cộng đồng lân cận. 10. Các chất tạo bọt (foam-producing matter) Các nước thải từ nhà máy dệt, giấy, các nhà máy hóa chất có chưá các chất tạo bọt, đây là một dạng ô nhiễm dễ phát hiện và gây phản ứng mạnh của cộng đồng lân cận. 11. Các chất gây trở ngại cho quá trình xử lý • Lông vũ làm tắt nghẽn đường ống, dầu bơm. • Các mảnh mỡ nhỏ làm nghẹt các đầu bơm. • Cỏ rác làm nghẹt các đầu bơm. • Các chất khí độc gây nguy hại trực tiếp đến công nhân vận hành. • Các chất có khả năng gây cháy nổ. VI KHUẨN VÀ SINH VẬT KHÁC TRONG NƯỚC THẢI Các vi sinh vật hiện diện trong nước thải bao gồm các vi khuẩn, vi rút, nấm, tảo, nguyên sinh động vật, các loài động và thực vật bậc cao. Các vi khuẩn trong nước thải có thể chia làm 4 nhóm lớn: nhóm hình cầu (cocci) có đường kính khoảng 1 ÷ 3 mm; nhóm hình que (bacilli) có chiều rộng khoảng 0,3 ÷ 1,5 mm chiều dài khoảng 1 ÷ 10,0 mm (điển hình cho nhóm này là vi khuẩn E. coli có chiều rộng 0,5 mm chiều dài 2 mm); nhóm vi khuẩn hình que cong và xoắn ốc, vi khuẩn hình que cong có chiều rộng khoảng 0,6 ÷ 1,0 mm và chiều dài khoảng 2 ÷ 6 mm; trong khi vi khuẩn hình xoắn ốc có chiều dài có thể lên đến 50 mm; nhóm vi khuẩn hình sợi có chiều dài khoảng 100 mm hoặc dài hơn. Các vi khuẩn có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như trong các bể xử lý. Do đó đặc điểm, chức năng của nó phải được tìm hiểu kỹ. Ngoài ra các vi khuẩn còn có khả năng gây bệnh và được sử dụng làm thông số chỉ thị cho việc ô nhiễm nguồn nước bởi phân. Điều này sẽ bàn kỹ trong phần sau. Nấm có cấu tạo cơ thể đa bào, sống hiếu khí, không quang hợp và là loài hóa dị dưỡng. Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải. Cùng với vi khuẩn, nấm chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Về mặt sinh thái học nấm có hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm có thể phát triển trong điều kiện ẩm độ thấp và pH. Không có sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và các chất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong môi trường. 16 16 Tảo gây ảnh hưởng bất lợi cho các nguồn nước mặt vì ở điều kiện thích hợp nó sẽ phát triển nhanh bao phủ bề mặt ao hồ và các dòng nước gây nên hiện tượng "tảo nở hoa". Sự hiện diện của tảo làm giảm giá trị của nguồn nước sử dụng cho mục đích cấp nước bởi vì chúng tạo nên mùi và vị. Nguyên sinh động vật có cấu tạo cơ thể đơn bào, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí không bắt buộc chỉ có một số loài sống yếm khí. Các nguyên sinh động vật quan trọng trong quá trình xử lý nước thải bao gồm các loài Amoeba, Flagellate và Ciliate. Các nguyên sinh động vật này ăn các vi khuẩn và các vi sinh vật khác do đó, nó đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh vật trong các hệ thống xử lý sinh học. Một số nguyên sinh động vật gây bệnh cho người như Giardalamblia và Cryptosporium. Động vật và thực vật bao gồm các loài có kích thước nhỏ như rotifer đến các loài giáp xác có kích thước lớn. Các kiến thức về các loài này rất hữu ích trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguồn nước cũng như độc tính của các loại nước thải. Vi rút là các loài ký sinh bắt buộc, các loại vi rút phóng thích ra trong phân người có khả năng lây truyền bệnh rất cao. Một số loài có khả năng sống đến 41 ngày trong nước và nước thải ở 20oC và 6 ngày trong nước sông bình thường. Nước thải có chứa một lượng khá lớn các sinh vật gây bệnh bao gồm vi khuẩn, vi rút, nguyên sinh động vật và các loại trùng. Nguồn gốc chủ yếu là trong phân người và gia súc. Năm 1986, Shuval và các cộng sự viên đã xếp loại các nhóm vi sinh vật này theo mức độ gây nguy hiểm của nó đối với con người. Ông cũng đưa ra nhận xét là các tác hại lên sức khỏe con người chỉ xảy ra đáng kể khi sử dụng hoặc phân tươi hoặc phân lắng chưa kỹ, và các biện pháp xử lý thích đáng sẽ góp phần đáng kể trong việc bảo vệ sức khỏe con người. Các vi sinh vật chỉ thị việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân Coliforms và Fecal Coliforms: Coliform là các vi khuẩn hình que gram âm có khả năng lên men lactose để sinh ga ở nhiệt độ 35 ± 0.5oC, coliform có khả năng sống ngoài đường ruột của động vật (tự nhiên), đặt biệt trong môi trường khí hậu nóng. Nhóm vi khuẩn coliform chủ yếu bao gồm các giống như Citrobacter, Enterobacter, Escherichia, Klebsiella và cả Fecal coliforms (trong đó E. Coli là loài thường dùng để chỉ định việc ô nhiễm nguồn nước bởi phân). Chỉ tiêu tổng coliform không thích hợp để làm chỉ tiêu chỉ thị cho việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân. Tuy nhiên việc xác định số lượng Fecal coliform có thể sai lệch do có một số vi sinh vật (không có nguồn gốc từ phân) có thể phát triển ở nhiệt độ 44oC. Do đó số lượng E. coli được coi là một chỉ tiêu thích hợp nhất cho việc quản lý nguồn nước. Fecal streptococci: nhóm này bao gồm các vi khuẩn chủ yếu sống trong đường ruột của động vật như Streptococcus bovis và S. equinus; một số loài có phân bố rộng hơn hiện diện cả trong đường ruột của người và động vật nhu S. faecalis và S. faecium hoặc có 2 biotype (S. faecalis var liquefaciens và loại S. faecalis có khả năng thủy phân tinh bột). Các loại biotype có khả năng xuất hiện cả trong nước ô nhiễm và không ô nhiễm. Việc đánh giá số lượng Faecal streptococci trong nước thải được tiến hành thường xuyên; tuy nhiên nó có các giới hạn như có thể lẫn lộn với các biotype sống tự nhiên; F. streptococci rất dễ chết đối với sự thay đổi nhiệt độ. Các thử nghiệm về sau vẫn khuyến khích việc sử dụng chỉ tiêu này, nhất là trong việc so sánh với khả năng sống sót 17 17 của Salmonella. Ở Mỹ, số lượng 200 F. coliform/100 mL là ngưỡng tới hạn trong tiêu chuẩn quản lý các nguồn nước tự nhiên để bơi lội. Clostridium perfringens: đây là loại vi khuẩn chỉ thị duy nhất tạo bào tử trong môi trường yếm khí; do đó nó được sử dụng để chỉ thị các ô nhiễm theo chu kỳ hoặc các ô nhiễm đã xảy ra trước thời điểm khảo sát do độ sống sót lâu của các bào tử. Trong việc tái sử dụng nước thải chỉ tiêu này được đánh giá là rất hiệu quả, do các bào tử của nó có khả năng sống sót tương đương với một số loại vi rút và trứng ký sinh trùng. Việc phát hiện, xác định từng loại vi sinh vật gây bệnh khác rất khó, tốn kém thời gian và tiền bạc. Do đó để phát hiện nguồn nước bị ô nhiễm bởi phân người ta dùng các chỉ định như là sự hiện diện của Fecal Coliforms, Fecal Streptocci, Clostridium perfringens và Pseudomonas acruginosa. Cũng cần phải nói thêm rằng mối quan hệ giữa sự chết đi của các vi sinh vật chỉ thị và vi sinh vật gây bệnh chưa được thiết lập chính xác. Ví dụ khi người ta không còn phát hiện được Fecal Coliform nữa thì không có nghĩa là tất cả các vi sinh vật gây bệnh đều đã chết hết. Trong quá trình thiết kế các hệ thống xử lý các nhà khoa học và kỹ thuật phải hạn chế tối đa các ảnh hưởng của chất thải tới sức khoẻ cộng đồng. Mỗi nước, mỗi địa phương thường có những tiêu chuẩn riêng để kiểm tra khống chế. Do kinh phí và điều kiện có giới hạn các Sở KHCN & MT thường dùng chỉ tiêu E. coli hoặc tổng coliform để qui định chất lượng các loại nước thải. Xếp loại các vi sinh vật có trong phân người và gia súc theo mức độ nguy hiểm Mức độ nguy hiểm cao Ký sinh trùng (Ancylostoma, Ascaris, Trichuris và Taenia) Mức độ nguy hiểm trung bình Vi khuẩn đường ruột (Chloera vibrio, Sallmonella typhosa, Shigella và một số loại khác) Mức độ nguy hiểm thấp Các vi rút đường ruột Số lượng coliform hay E. coli được biểu diễn bằng số khả hữu MPN (Most Probable Number). Và sau khi có kết quả nuôi cấy ta có thể dùng công thức Thomas để tính số MPN: trong đó Np: số ống nghiệm phát hiện coliform (possitive) Vn: thể tích mẫu trong các ống nghiệm không phát hiện coliform (negative) Vt: tổng thể tích mẫu trong tất cả các ống nghiệm. Bài tập: Khi nuôi cấy để xác định số lượng coliform, người ta có các kết quả sau Thể tích mẫu (mL) Ống dương tính Ống âm tính 10.0 4 1 18 18 1.0 4 1 0.1 2 3 0.01 0 5 Giải: Số ống dương tính: 4 + 4 + 2 + 0 = 10 Thể tích mẫu trong các ống âm tính: (1 × 10) + (1 × 1,0) + (3 × 0,1) + (5 × 0,01) = 11,35 mL Thể tích mẫu trong tất cả các ống: (5 × 10) + (5 × 1,0) + (5 × 0,1) + (5 × 0,01) = 55,55 mL Số coloform khả hữu/100mL mẫu Việc xác định các vi sinh vật gây bệnh chủ yếu Các loài này chỉ xác định được trong phòng thí nghiệm bởi những kỹ thuật viên với trình độ thích hợp. Salmonella spp.: một vài loài Salmonella có thể hiện hiện trong nước thải đô thị, kể cả S. typhi (gây bệnh thương hàn). Doran et al, 1977 cho rằng số lượng 700 Salmonella/L; khoảng chừng đó Shigellae và khoảng 1.000 Vibrio cholera/L thường phát hiện trong nước thải đô thị của khu vực nhiệt đới. Shigellae và Vibrio cholera nhanh chóng chết đi khi thải ra môi trường. Do đó nếu chúng ta sử dụng một biện pháp xử lý nào đó để loại được Salmonella thì cũng có thể bảo đảm là phần lớn các vi khuẩn kia đã bị tiêu diệt. Enteroviruses: có thể gây các bệnh nguy hiểm như sởi, viêm màng não. Rotaviruses: gây bệnh vùng vị trường. Số lượng của chúng tương đối thấp hơn enteroviruses. Người ta đã chứng minh được rằng việc loại bỏ các loài vi rút có quan hệ mật thiết với việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Ký sinh trùng: thường thì các bệnh ký sinh trùng chủ yếu là do Ascaris lumbricoides, trứng của loài ký sinh trùng này có kích thước lớn (45 ÷ 70 mm × 35 ÷ 50 mm) và các phương pháp để xác định ký sinh trùng đã được thiết lập bởi WHO, 1989. 19 19 Các vi sinh vật chỉ thị dùng để quản lý cho các nguồn nước có mục đích sử dụng khác nhau Mục đích sử dụng của nguồn nước Vi sinh vật chỉ thị Nước uống Coliform tổng số (Total coliform) Nguồn nước ngọt cho các dịch vụ giải trí Fecal coliform E. coli Enterococci Nguồn nước lợ cho các dịch vụ giải trí Fecal coliform Coliform tổng số (Total coliform) Enterococci Khu vực sinh trưởng của các loài ốc, sò... Fecal coliform Coliform tổng số (Total coliform) Tưới tiêu trong nông nghiệp Coliform tổng số (Total coliform) cho nước thải đã xử lý Nước thải sau khi khử trùng Fecal coliform Coliform tổng số (Total coliform) The linked image cannot be displayed. The file may have been moved, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location. Đôi khi chúng ta cần phải xác định là nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi phân người hay phân gia súc để có những biện pháp quản lý thích hợp. Khi đó người ta thường sử dụng tỉ lệ Fecal coliform trên Fecal streptococci. Các số liệu về tỉ lệ Fecal coliform/Fecal streptococci được trình bày trong bảng 1.7. Số lượng các vi sinh vật chỉ thị trên đầu người và đầu gia súc Sinh vật TB mật độ cá thể/g phân TB số cá thể cho ra/đầu.24 h Fecal coliform (106) Fecal streptococci (106) Fecal coliform (106) Fecal streptococci (106) Tæ leä FC/FS Gà 1,3 3,4 240 620 0,4 Bò 0,23 1,3 5.400 31.000 0,2 20 20 Vịt 33,0 54,0 11.000 18.000 0,6 Ngöôøi 13,0 3,0 2.000 450 4,4 Heo 3,3 84,0 8.900 230.000 0,04 Cöøu 16,0 38,0 18.000 43.000 0,4 Gaø loâi 0,29 2,8 130 1.300 0,1 Qua bảng 1.7 chúng ta thấy tỉ lệ FC/FS của các gia súc, gia cầm đều dưới 1 trong khi tỉ lệ FC/FS của người lớn hơn 4. Nếu FC/FS nằm trong khoảng từ 1 ÷ 2 và mẫu được lấy cận khu vực nghi ngờ bị ô nhiễm bởi phân, ngưới ta có thể suy luận là nguồn nước bị ô nhiễm bởi cả phân người và phân gia súc. Để việc suy luận đạt được độ tin cậy, các điều kiện sau đây phải được thỏa: • pH của mẫu phải từ 4 - 9 để bảo đảm không có ảnh hưởng xấu đến cả hai nhóm vi khuẩn này. • Mỗi mẫu phải được đếm í nhất 2 lần. • Để giảm thiểu sai số do tỉ lệ chết khác nhau, mẫu phải được lấy tại nơi cách nguồn gây ô nhiễm không quá 24 h (tính theo vận tốc dòng chảy). • Chỉ những cá thể Fecal coliform phát hiện ở phép thử ở 44oC mới được dùng để tính tỉ lệ FC/FS Loại và số lượng các vi sinh vật trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý Sinh vật Số lượng cá thể/mL Tổng coliform 105 - 106 Fecal coliform 104 - 105 Fecal streptococci 105 - 104 Enterococci 102 - 103 Shigella Hiện diện Salmonella 100 - 102 Pseudomonas aeroginosa 101 - 102 Clostrium perfringens 101 - 103 Mycobacterium tuberculosis Hiện diện Cyst nguyên sinh động vật 101 - 103 Cyst của Giardia 10-1 - 102 21 21 Cyst của Cryptosporium 10-1 - 101 Trứng ký sinh trùng 10-2 - 101 Vi rút đường ruột 101 - 102 Mức độ nhiễm bẩn vi sinh vật của nguồn nước phụ thuộc nhiều vào tình trạng vệ sinh trong khu dân cư và nhất là các bệnh viện. Đối với nước thải bệnh viện, bắt buộc phải xử lý cục bộ trước khi xả vào hệ thống thoát nước chung hoặc trước khi xả vào sông hồ. Nguồn nước bị nhiễm bẩn sinh học không sử dụng để uống được, thậm chí nếu số lượng vi khuẩn gây bệnh đủ cao thì nguồn nước này cũng không thể dùng cho mục đích giải trí như bơi lội, câu cá được. Các loài thủy sản trong khu vực ô nhiễm không thể sử dụng làm thức ăn tươi sống được vì nó là ký chủ trung gian của các ký sinh trùng gây bệnh. Số lượng 1 số vi sinh vật gây bệnh trong phân và nước cống rãnh (của một cộng đồng 50.000 dân ở nhiệt đới) Vi sinh vật gây bệnh Tỉ lệ nhiễm (%) (a) Số VSV/g phân (b) Tổng VSV/ 1 người bị nhiễm/ ngày ( = 100 g phân) (c) Tổng VSV/ngày của TP Nồng độ/L trong nước cống rãnh (b) Vi rút Enteroviruses 5 106 108 2, x 1011 5.000 Vi khuẩn E.Coli (e) ? 108 1010 ? ? Salmonella spp 7 106 108 3.5 x 1011 7.000 Shigella spp 7 106 108 3,5 x 1011 7.000 Vibrio Cholerae 1 106 108 5 x 1010 1.000 Protozoa Entamoeba histolyca 30 15 ´ 104 15 ´ 106 2,5 ´ 1011 4.500 Ký sinh trùng Ascaris lambricoides 60 104f 106 3 ´ 1010 600 Hook worm 40 800f 8 ´ 104 1,6 ´ 109 32 Schistosoma 25 40f 4 ´ 103 5 ´ 107 1 22 22 mansoni Taenia saginata 1 104 106 5 ´ 109 10 Trichuris trichiara 60 2 ´ 103f 2 ´ 105 6 ´ 109 120 Nguồn: Feachem et al. 1983, trích bởi Chongrak 1989 ? Không có số liệu chính xác a. Tỉ lệ nhiễm nhưng chưa có triệu chứng bệnh b. Những VSV dưới đây có khả năng tồn tại ngoài cơ thể chủ khác nhau. Một vài loài chết nhanh chóng ngay sau khi thải ra. Lượng VSV ở trong nước cống rãnh được tính toán dựa trên cơ sở mỗi người sử dụng 100 lít nước/ngày và 90% lượng VSV trong phân đã bị vô hiệu hóa sau vài phút kể từ lúc phân được thải ra ngoài. c. Giả sử rằng trung bình mỗi ngày một người thải ra 100g d. Tính luôn polio, echo và coxsackieviruses e. Tổng các loại E.Coli f. Số lượng trứng ký sinh thải ra. g. Ancyclostoma duodenale và Necator americanes Đặc tính của nước thải sinh hoạt (mg/L) Chæ tieâu Noàng ñoä Cao Trung bình Thaáp BOD5 400 220 110 COD 1.000 500 250 Đạm hữu cơ 35 15 8 Đạm amôn 50 25 12 Đạm tổng số 85 40 20 Lân tổng số 15 8 4 Tổng số chất rắn 1.200 720 350 23 23 Chất rắn lơ lửng 350 220 100 Nguồn: Metcalf and Eddy, 1979, trích bởi Chongrak 1989 C. ƯỚC LƯỢNG TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM CỦA NƯỚC THẢI 1. Tải lượng các chất gây ô nhiễm Trong quá trình tính toán các công trình xử lý, như đã trình bày ở trên cần phải biết thành phần của nước thải qua phân tích hóa học. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp khi thiết kế trạm xử lý nước thải cho thành phố, thị trấn... những nơi chưa có hệ thống thoát nước đang hoạt động để có thể lấy mẫu nước phân tích về thành phần của chúng. Trong trường hợp thiết kế các công trình xử lý cho xí nghiệp công nghiệp có thể tham khảo các số liệu về thành phần nước thải của các xí nghiệp công nghiệp tương tự. Khi thiết kế khôi phục hoặc cải tạo những thành phố thì thành phần của nước thải phải được xác định bằng tính toán. Để tính toán cần phải biết tải lượng ô nhiễm của một người có sử dụng hệ thống thoát nước trong một ngày đêm tính. Lượng các chất ô nhiễm có thể tham khảo theo bảng sau Tải lượng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tính cho một người trong ngày đêm Tác nhân gây ô nhiễm Tải lượng Chất rắn lơ lửng (SS) (g/ngđ) 200 BOD5 (g/ngđ) 45 ¸ 54 COD (g/ngđ) 1,8 ´ COD Tổng Nitơ (g/ngđ) 6 ¸ 12 Tổng Photpho (g/ngđ) 0,8 ¸ 4,0 Dầu mỡ (g/ngđ) 10 ¸ 30 Tổng Coliform (cá thể) 106 ¸ 109 Fecal Coliform (cá thể) 105 ¸ 106 Trứng giun sán 103 Nguồn: Sở KHCN & MT Cần Thơ (ĐTM Xí Nghiệp Thuộc Da MeKo,1995) Ngoài ra cũng cần phải biết lượng nước tiêu thụ của một đầu người. Ở các thành phố của những nước phát triển đang phát triển có hệ cống rãnh để dẫn các nước thải sinh hoạt đến khu xử lý trung tâm. Nước thải này bao gồm phân, nước tiểu người, nước nhà cầu, tắm giặt và được pha loãng tùy thuộc vào lượng nước được sử dụng của một đầu người. Theo White (1977), đối với cư dân nông thôn không có nước máy mỗi đầu người hàng ngày tiêu thụ từ vài lít tới 25 lít nước. Đối với các hộ gia đình có một robinet nước thì mỗi đầu người tiêu thụ từ 15 ÷ 90 lít và có nhiều robinet thì khoảng 30 ÷ 300 lít mỗi ngày. 24 24 2. Nồng độ các chất gây ô nhiễm Nồng độ các chất gây ô nhiễm được xác định bằng công thức: Trong đó C: nồng độ chất gây ô nhiễm TP: Tải lượng ô nhiễm (mg) Q: Lượng nước tiêu thụ (L/ngđ) Nhiều khi nước thải sinh hoạt được trộn lẫn với nước thải công nghiệp, do đó ảnh hưởng đến thành phần của nước thải. Trong trường hợp đó, cần xác định nồng độ chất gây ô nhiễm của hỗn hợp nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Nồng độ chất gây ô nhiễm của hỗn hợp nước thải sinh hoạt và công nghiệp được tính theo công thức: Trong đó Chh: nồng độ chất gây ô nhiễm của hỗn hợp nước thải (mg/L) Csh và Qsh: nồng độ và lưu lượng của nước thải sinh hoạt Ccn và Qcn: nồng độ và lưu lượng của nước thải công nghiệp 3. Dân số tương đương Dân số tương đương là dân số gây ra một lượng chất gây ô nhiễm tương đương với lượng chất gây ô nhiễm do nước thải của một xí nghiệp nào đó tạo nên. Trong đó Np: dân số tương đương Tp: tải lượng ô nhiễm của 1 đầu người Ccn, Qcn: nồng độ và lưu lượng nước thải công nghiệp Dân số tính toán để thiết kế trạm xử lý được tính bằng tổng dân số thành phố và dân số tương đương. 25 25 D. CÁC YẾU TỐ CẦN THIẾT ĐỂ LỰA CHỌN HỆ THỐNG XỬ LÝ Như đã trình bày ở phần trước, nước thải trước khi xả vào nguồn cần thiết phải được xử lý để không làm ô nhiễm môi trường. Tùy theo loại nguồn nước mà chất thải sẽ xả vào chúng ta sẽ tham khảo bảng "giới hạn nồng độ tối đa của các chất ô nhiễm trong nước thải" để biết mức độ cần thiết phải làm sạch nước thải. Tùy theo điều kiện tài chíïnh, diện tích, nhân lực của xí nghiệp để lựa chọn các hệ thống xử lý phù hợp. Để bảo đảm cho việc thiết kế hệ thống xử lý cần thiết phải thu thập các số liệu sau: Qui trình sản xuất của xí nghiệp (trong đó phải xác định khâu nào sinh ra nước thải? thành phần? bao nhiêu? kế hoạch giảm thiểu nước thải nếu có?) Về lưu lượng nước thải cần thiết phải xác định tổng lượng nước thải/ng.đ, lưu lượng nước thải theo từng giờ trong ngày, sự biến thiên lưu lượng nước thải theo giờ, ca, mùa vụ sản xuất. Về thành phần nước thải: nên xác định các chỉ tiêu như BOD, COD, màu, SS, VSS, Total coliform, hàm lượng các hóa chất khác nếu có (theo đặc trưng của từng loại hình sản xuất) Các qui định của Sở KHCN & MT về tiêu chuẩn nước thải. Khi thiết kế hệ thống xử lý nhớ chú trọng đến các điểm sau: a. Nhu cầu của chủ nhân hệ thống xử lý Đây là một yếu tố quan trọng nhất là đối với các cộng đồng nhỏ chưa có kinh nghiệm về xây dựng và vận hành các hệ thống xử lý. Nó liên hệ đến vấn đề vốn đầu tư, khả năng vận hành, nhân sự điều hành hệ thống, các thiết bị, kinh nghiệm và khả năng ảnh hưởng đến môi trường. Đối với tất cả các đề án, điều cần thiết nhất là kỹ sư thiết kế và chủ nhân phải hiểu rõ các mục tiêu, mục đích chung để thỏa mãn được nhu cầu của chủ nhân mà vẫn bảo đảm được yêu cầu cơ bản trong việc lựa chọn phương pháp xử lý (đạt tiêu chuẩn nước thải cho phép thải vào nguồn nước công cộng, có hiệu quả kinh tế, giảm nhẹ các ảnh hưởng xấu đến môi trường...) b. Kinh nghiệm Các kinh nghiệm về thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý giúp ta có thể dự đoán trước các khả năng và hạn chế của hệ thống xử lý để có những biện pháp hỗ trợ, cải tiến thích hợp. Kiến thức về các hệ thống xử lý giúp cho các kỹ sư loại bỏ được các yếu tố không an toàn và tính toán sai dẫn đến các thiết kế không phù hợp, lãng phí. Đối với các qui trình mới, người kỹ sư chưa có kinh nghiệm thì qui trình này phải được thử nghiệm cẩn thận ở các mô hình cũng như trong thực tiễn. c. Yêu cầu của các cơ quan quản lý môi trường Ở Việt Nam tiêu chuẩn nước thải được phép thải vào nguồn nước công cộng được ban hành bởi Bộ KHCN & MT. Trên nguyên tắc, các Sở KHCN & MT có quyền đưa ra các tiêu chuẩn riêng của mình nhưng các tiêu chuẩn này không được thấp hơn tiêu chuẩn của Bộ. Do đó việc tìm 26 26 hiểu các qui định, tiêu chuẩn của cơ quan quản lý là hết sức cần thiết để thiết kế hệ thống xử lý đạt yêu cầu của các cơ quan này. d.Tương thích với những thiết bị hay hệ thống sẵn có Đối với việc nâng công suất, mở rộng một hệ thống xử lý sẵn có phải chú ý đến qui trình và thiết bị mới phải tương thích với những cái có sẵn để có thể tận dụng được nguồn nhân lực, vật lực sẵn có, tránh lãng phí. e. Tài chính Khả thi về mặt tài chính, các phân tích về mặt kinh tế nên dựa trên các chỉ tiêu như NPV (net present value), B/C (benefit/cost ratio), IRR (internal rate of return)... Các yếu tố về lạm phát cũng nên đưa vào để tính toán. Phải ước tính được giá vận hành và bảo trì hệ thống bao gồm các chi phí về nhân công vận hành, năng lượng, vật tư và hóa chất cung cấp cho hệ thống. Các hệ thống nên mang lại hiệu quả kinh tế (thu lại do không phải trả thuế môi trường, từ nguồn năng lượng, phân bón thu được) f. Các vật tư, thiết bị Các thiết bị sử dụng phải là các loại có sẵn và dễ tìm trên thị trường để bảo đảm nhu cầu về phụ tùng thay thế khi có sự cố, không làm gián đoạn việc vận hành hệ thống xử lý và tiến độ xây dựng. Phải dự trù về khả năng cung cấp các loại vật tư sử dụng cho hệ thống kể cả điện năng trong tương lai để hệ thống không bị gián đoạn do vấn đề khan hiếm các loại vật tư này. g. Nhân sự Nhân sự để vận hành và bảo trì hệ thống sau này kể cả những kỹ thuật viên. Các nhân sự này phải được tập huấn về cơ chế xử lý, các sự cố có thể xảy ra, cách khắc phục... Các hệ thống xử lý phải tương ứng với trình độ kỹ thuật của địa phương, có thể tận dụng nguồn nhân lực địa phương (giảm chi phí đầu tư, cũng như dễ dàng tìm nhân sự vận hành các thiết bị). h.Tính mềm dẻo Có khả năng nâng công suất khi nhà máy có yêu cầu tăng sản lượng. E. SƠ ĐỒ CÁC QUI TRÌNH XỬ LÝ Sử dụng bể tự hoại và bãi lọc ngầm để xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt 27 27 Phần thiết kế bể tự hoại và bãi lọc ngầm sẽ được trình bày kỹ trong môn Xử Lý Nước Thải II. Các qui trình để xử lý nước cống rãnh hoặc nước thải các nhà máy công nghiệp 28 28 Ghi chú: trên đây chỉ là một số sơ đồ tiêu biểu, tùy theo điều kiện chúng ta có thể lắp thêm hoặc thay đổi các thành phần của qui trình. Các điểm cần chú ý khi thiết kế các qui trình xử lý 1. Tính khả thi của qui trình xử lý: tính khả thi của qui trình xử lý dựa trên kinh nghiệm, các số liệu, các ấn bản về các nghiên cứu trên mô hình và thực tế. Nếu đây là những qui trình hoàn toàn mới hoặc có các yếu tố bất thường, các nghiên cứu trên mô hình là rất cần thiết. 2. Nằm trong khoảng lưu lượng có thể áp dụng được. Ví dụ như các hồ ổn định nước thải không thích hợp cho việc xử lý nước thải có lưu lượng lớn. 3. Có khả năng chịu được sự biến động của lưu lượng (nếu sự biến động này quá lớn, phải sử dụng bể điều lưu) 4. Đặc tính của nước thải cần xử lý (để quyết định qui trình xử lý hóa học hay sinh học) 5. Các chất có trong nước thải gây ức chế cho quá trình xử lý và không bị phân hủy bởi quá trình xử lý. 6. Các giới hạn do điều kiện khí hậu: nhất là nhiệt độ vì nó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng của các quá trình hóa học và sinh học. 7. Hiệu quả của hệ thống xử lý: thường được chỉ thị bằng tính chất của nước thải đầu ra. 8. Các chất tạo ra sau quá trình xử lý như bùn, chất rắn, nước và khí đều phải được ước tính về số lượng. Thông thường thì người ta dùng các mô hình để xác định phần này. 9. Xử lý bùn: việc chọn qui trình xử lý bùn nên cùng lúc với việc lựa chọn qui trình xử lý nước thải để tránh các khó khăn có thể xảy ra sau này đối với việc xử lý bùn. 10. Các giới hạn về môi trường: hướng gió thịnh trong năm, gần khu dân cư, xếp loại nguồn nước... có thể là các yếu tố giới hạn cho việc lựa chọn hệ thống xử lý. 11. Các hóa chất cần sử dụng: nguồn và số lượng, các yếu tố làm ảnh hưởng đến việc tăng lượng hóa chất sử dụng và giá xử lý. 12. Năng lượng sử dụng: nguồn và ảnh hưởng của nó đến giá xử lý. 13. Nhân lực: kể cả công nhân và cán bộ kỹ thuật. Cần phải tập huấn đến mức độ nào. Nước thải Bùn hoặc chất rắn 29 29 14. Vận hành và bảo trì: cần phải cung cấp các điều kiện, phụ tùng đặc biệt nào cho quá trình vận hành và bảo trì. 15. Độ tin cậy của hệ thống xử lý bao gồm cả trường hợp chạy quá tải hay dưới tải. 16. Độ phức tạp của hệ thống xử lý. 17. Tính tương thích với các hệ thống và thiết bị có sẵn. 18. Diện tích đất cần sử dụng, kể cả khu vực đệm cho hệ thống xử lý. F. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Theo bản chất của phương pháp xử lý nước thải, người ta có thể chia chúng thành phương pháp lý học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học. Một hệ thống xử lý hoàn chỉnh thường kết hợp đủ các thành phần kể trên. Tuy nhiên tùy theo tính chất của nước thải, mức độ tài chính và yêu cầu xử lý mà người ta có thể cắt bớt một số các công đoạn. Theo mức độ xử lý người ta có thể chia làm xử lý sơ cấp, xử lý thứ cấp, xử lý tiên tiến hay xử lý cấp ba. 1. Các phương pháp lý học (cơ học) 2. Các phương pháp sinh học 3. Xử lý sơ cấp 4. Xử lý thứ cấp 5. Xử lý cấp ba I. SONG CHẮN RÁC 1.Chức năng, cấu tạo và vị trí Song chắn rác dùng để giữ lại các chất thải rắn có kích thước lớn trong nước thải để đảm bảo cho các thiết bị và công trình xử lý tiếp theo. Kích thước tối thiểu của rác được giữ lại tùy thuộc vào khoảng cách giữa các thanh kim loại của song chắn rác. Để tránh ứ đọng rác và gây tổn thất áp lực của dòng chảy người ta phải thường xuyên làm sạch song chắn rác bằng cách cào rác thủ công hoặc cơ giới. Tốc độ nước chảy (v) qua các khe hở nằm trong khoảng (0,65m/s ≤ v ≤ 1m/s). Tùy theo yêu cầu và kích thước của rác chiều rộng khe hở của các song thay đổi. Các giá trị thông dụng để thiết kế song chắn rác Chỉ tiêu Cào rác thủ công Cào rác cơ giới Kích thước của các thanh • Bề dầy (in) 0,2 ¸ 0,6 0,2 ¸ 0,6 • Bề bản (in) 1,0 ¸ 1,5 1,0 ¸ 1,5 Khoảng cách giữa các thanh (in) 1,0 ¸ 2,0 0,6 ¸ 3,0 Độ nghiêng song chắn rác theo trục thẳng đứng 30 ¸ 45 0 ¸ 30 30 30 (độ) Vaän toác doøng chaûy (ft/s) 1,0 ¸ 2,0 2,0 ¸ 3,25 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: in x 25,4 = mm ft/s x 0,3048 = m/s Song chắn rác với cào rác thủ công chỉ dùng ở những trạm xử lý nhỏ có lượng rác < 0,1m3/ng.đ. Khi rác tích lũy ở song chắn, mỗi ngày vài lần người ta dùng cào kim loại để lấy rác ra và cho vào máng có lổ thoát nước ở đáy rồi đổ vào các thùng kín để đưa đi xử lý tiếp tục. Song chắn rác với cào rác cơ giới hoạt động liên tục, răng cào lọt vào khe hở giữa các thanh kim loại; cào được gắn vào xích bản lề ở hai bên song chắn rác có liên hệ với động cơ điện qua bộ phận truyền động. Cào rác cơ giới có thể chuyển động từ trên xuống dưới hoặc từ dưới lên theo dòng nước. Khi lượng rác được giữ lại lớn hơn 0,1 m3/ng.đ và khi dùng song chắn rác cơ giới thì phải đặt máy nghiền rác. Rác nghiền đưọc cho vào hầm ủ Biogas hoặc cho về kênh trước song chắn. Khi lượng rác trên 1 T/ng.đ cần phải thêm máy nghiền rác dự phòng. Việc vận chuyển rác từ song đến máy nghiền phải được cơ giới hóa. Song chắn rác được đặt ở những kênh trước khi nước vào trạm xử lý. Hai bên tường kênh phải chừa một khe hở đủ để dễ dàng lắp đặt và thay thế song chắn. Vì song chắn làm co hẹp tiết diện ướt của dòng chảy nên tại vị trí đặt song chắn tiết diện kênh phải được mở rộng. Để tránh tạo thành dòng chảy rối kênh phải mở rộng dần dần với một góc ϕ = 20o. 2. Mở rộng kênh nơi đặt song chắn rác (Trần Hiếu Nhuệ & Lâm Minh Triết, 1978) Song chắn rác phải đặt ở tất cả các trạm xử lý không phân biệt phương pháp dẫn nước tới là tự chảy hay có áp. Nếu trong trạm bơm đó có song chắn rác với khe hở 16 mm thì có thể không đặt song chắn rác ở trạm xử lý nữa. Hiệu suất của song chắn phụ thuộc rất nhiều vào mức độ chính xác trong tính toán kích thước và tổn thất áp lực của nước qua nó. 31 31 3. Kích thước song chắn Số khe hở n giữa các thanh của song chắn rác được xác định theo công thức: q = WVS = b. n . h1 .VS (4.1) (4.2.) trong đó qmax: lưu lượng tối đa của nước thải (m3/giây) b: chiều rộng khe hở giữa các thanh (m) W: diện tích tiết diện ướt của song chắn (m2) (W không nhỏ hơn 2Wk khi cào rác thủ công và không nhỏ hơn 1,2Wk khi cào rác cơ giới, với Wk diện tích tiết diện ướt của kênh dẫn nước vào) VS: tốc độ nước qua song chắn (m/sec), chọn Vs = 0,7 m/giây khi lưu lượng trung bình và > 1 m/giây khi lưu lượng tối đa để tránh va chạm giữa rác và song chắn h1: chiều sâu lớp nước qua song chắn (m), thường bằng chiều sâu lớp nước trong kênh dẫn vào. Công thức (4.2) không tính tới độ thu hẹp của dòng chảy khi dùng cào rác cơ giới. Để tính tới độ thu hẹp người ta đưa hệ số ko = 1,05. Khi đó: (4.2a) Chiều rộng tổng cộng của song chắn là: BS = b(n - 1) + S.n (4.3) với S: chiều dày của mỗi thanh Chiều dài đoạn kênh mở rộng trước song chắn rác: (4. 4) Nếu ϕ = 20o thì L1 = 1,37 (BS - BK) (4 .4a) với BK: chiều rộng của kênh dẫn vào 32 32 Chiều dài đoạn thu hẹp lại sau song chắn chọn bằng: L2 = 0,5 L1 (4.5) Trong trường hợp song chắn rác đặt chéo một góc γ so với hướng nước chảy trên mặt bằng (hình 4.4) có thể chọn: BS = 0,83 BS (Các công thức trên trích dẫn từ tài liệu của Trần Hiếu Nhuệ & Lâm Minh Triết, 1978) Để tránh lắng cặn, tốc độ của nước ở đoạn kênh mở rộng trước song chắn không được dưới 0,4 m/giây khi lưu lượng nhỏ nhất. Hiện nay ở một số nước trên thế giới người ta còn dùng máy nghiền rác (communitor) để nghiền rác có kích thước lớn thành rác có kích thước nhỏ và đồng nhất để dễ dàng cho việc xử lý ở các giai đoạn kế tiếp, máy nghiền rác đã được thiết kế hoàn chỉnh và thương mại hóa nên trong giáo trình này không đưa ra các chi tiết của nó. Tuy nhiên nếu lắp đặt máy nghiền rác trước bể lắng cát nên chú ý là cát sẽ làm mòn các lưỡi dao và sỏi có thể gây kẹt máy. Mức giảm áp của dòng chảy biến thiên từ vài inches đến 0,9 m. Sơ đồ lắp đặt của một máy nghiền rác Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposa II. BỀ LẮNG CÁT 1. Chức năng, vị trí Bể lắng cát nhằm loại bỏ cát, sỏi, đá dăm, các loại xỉ khỏi nước thải. Trong nước thải, bản thân cát không độc hại nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các công trình và thiết bị trong hệ thống như ma sát làm mòn các thiết bị cơ khí, lắng cặn trong các kênh hoặc ống dẫn, làm giảm thể tích hữu dụng của các bể xử lý và tăng tần số làm sạch các bể này. Vì vậy trong các trạm xử lý nhất thiết phải có bể lắng cát. 33 33 Bể lắng cát thường được đặt phía sau song chắn rác và trước bể lắng sơ cấp. Đôi khi người ta đặt bể lắng cát trước song chắn rác, tuy nhiên việc đặt sau song chắn có lợi cho việc quản lý bể lắng cát hơn. Trong bể lắng cát các thành phần cần loại bỏ lắng xuống nhờ trọng lượng bản thân của chúng. Ở đây phải tính toán thế nào để cho các hạt cát và các hạt vô cơ cần giữ lại sẽ lắng xuống còn các chất lơ lửng hữu cơ khác trôi đi. Có ba loại bể lắng cát chính: bể lắng cát theo chiều chuyển động ngang của dòng chảy (dạng chữ nhật hoặc vuông), bể lắng cát có sục khí hoặc bể lắng cát có dòng chảy xoáy. 34 34 Các giá trị tham khảo để thiết kế bể lắng cát theo chiều chuyển động ngang của dòng chảy (hình chữ nhật) Thông số Giá trị Khoảng biến thiên Giá trị thông dụng Thời gian lưu tồn nước (giây) 45 - 90 60 35 35 Vận tốc chuyển động ngang ft/s 0,8- 1,3 1,0 Tốc độ lắng của các hạt ft/min • Giữ lại trên lưới  0,21 mm 3,2 - 4,2 3,8 • Giữ lại trên lưới  0,15 mm 2,0 - 3,0 2,5 Độ giảm áp % độ sâu diện tích ướt trong kênh dẫn 30 - 40 36 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: ft/s × 0,3048 = m/s ft/min × 0,3048 = m/min Chú ý thời gian lưu tồn nước nếu quá nhỏ sẽ không bảo đảm hiệu suất lắng, nếu lớn quá sẽ có các chất hữu cơ lắng. Các bể lắng thường được trang bị thêm thanh gạt chất lắng ở dưới đáy, gàu múc các chất lắng chạy trên đường ray để cơ giới hóa việc xả cặn. Loại bể lắng cát theo chiều chuyển động ngang của dòng chảy hình vuông được áp dụng hơn 50 năm qua và có thể lắp đặt thêm bộ phận cơ giới để lấy cát ở đáy bể. 36 36 Diện tích cần thiết cho bể lắng cát có trọng lượng riêng 2,65 (oF - 32 = oC) 2. Các công thức tính: Kích thước bể lắng cát ngang phải được xác định chính xác, nếu quá nhỏ sẽ không bảo đảm hiệu quả lắng, nếu quá lớn thì cặn lắng sẽ chứa nhiều chất bẩn hữu cơ. Chiều dài bể xác định theo công thức: L = Vmax . t (4.6) trong đó Vmax: tốc độ dòng chảy khi lưu lượng tối đa (m/sec) t: thời gian nước lưu lại trong bể (chọn bằng 30 ÷ 60 sec) Từ điều kiện liên tục của dòng chảy ta có: (4.7) trong đó Ω : diện tích tiết diện ướt của bể (m2) qmax: lưu lượng tối đa của nước thải (m3/sec) Số ngăn trong bể: (4.8) trong đó b: chiều rộng của mỗi ngăn (thường chọn 0,6 ÷ 1,6 m đối với bể lắng cát thông thường và 4 ÷ 6 m đối với bể lắng cát có thanh gạt) h1: chiều sâu công tác của bể, chọn lớn hơn chiều sâu dòng nước trong kênh dẫn nước vào bể một chút nhưng không quá 1,2 (thường h1 = 0,5 ÷ 1,2m) n: phải là một số tròn. 37 37 Sau khi xác định được kích thước của bể phải kiểm tra lại để trường hợp nước chảy với lưu lượng nhỏ nhất (qmin) vẫn bảo đảm có vận tốc Vmin > 0,15 m/giây. Chiều sâu lớp cặn lắng xuống h2 phụ thuộc lượng cặn lắng và thời gian giữa hai lần xả. Thể tích phần cặn lắng xuống là: (m3) (4.9) trong đó Ntt: dân số tính toán theo chất lơ lửng (người) P: lượng cặn theo đầu người, đối với nước thải sinh hoạt P = 0,02 L/ng.ng.đ T: thời gian giữa hai lần xả cặn, thường T = 2 ÷ 4 ngày đêm. Ở các bể lắng cát ngang làm việc tốt thì cặn lắng xuống có độ tro tới 85% trong đó cát chiếm 60%. Độ ẩm của cặn 60% và trọng lượng thể tích 1,5 T/m3. Chiều sâu lớp cặn h2 là: (4.10) Đối với hệ thống thoát nước chung, thể tích cặn lắng trong bể lắng cát tăng gấp 1,5 ÷ 2 lần. Chiều sâu tổng cộng của bể lắng cát: H = h1 + h2 + h3 (4.11) với h3: chiều cao phần tường kể từ mặt nước trở lên. Chọn h3 = 0,2 ÷ 0,4m. 3. Bể lắng cát có sục khí Được thiết kế để loại các hạt cát có kích thước lớn hơn 0,2 mm. Các ống phân phối khí đặt cách đáy bể 0,45 ÷ 0,6 m. Các giá trị tham khảo để thiết kế bể lắng cát có sục khí Thông số Giá trị Khoảng biến thiên Giá trị thông dụng Thời gian lưu tồn nước ở lưu lượng cưc đại (phút) 2 ÷ 5 3 38 38 kích thướt • Sâu(ft) 7 ÷ 16 • Dài (ft) 25 ÷ 65 • Rộng (ft) 8 ÷ 23 • tỉ lệ sâu : rộng 1:1 ÷ 5:1 1,5:1 • tỉ lệ dài : rộng 3:1 ÷ 5:1 4:1 Lượng không khí cần (ft3/min.ft chiều dài) 2,0 ÷ 5,0 Lượng cát ft3/Mgal 0,5 ÷ 27 2 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: ft/s × 0,3048 = m/s ft/min × 0,3048 = m/min ft3/min.ft chiều dài × 0,0929 = m3/min.m ft3/Mgal × 0,00748 = m3/103 m3 Sơ đồ bể lắng cát có sục khí và dòng chảy trong bể 39 39 Tính toán: (m2) (4.12) trong đó qmax: lưu lượng tối đa của nước thải (m3/sec) Vt: tốc độ thẳng của dòng chảy (m/sec) n: số ngăn bể W: tiết diện ngang của bể Từ đó xác định được kích thước của tiết diện. Nên chọn tỉ lệ giữa chiều rộng : chiều sâu tổng cộng là1 :1,5, dài : rộng = 4 :1 4. Bể lắng cát đứng có dòng chảy xoáy a. Sân phơi cát Cặn xả ra từ bể lắng cát còn chứa nhiều nước nên phải phơi khô ở sân phơi cát hoặc hố chứa cát đặt ở gần bể lắng cát. Chung quanh sân phơi cát phải có bờ đắp cao 1 ÷ 2 m. Kích thước sân phơi cát được xác định với điều kiện tổng chiều cao lớp cát h chọn bằng 3 ÷ 5 m/năm. Cát khô thường xuyên được chuyển đi nơi khác. Diện tích hữu ích của sân phơi cát xác định theo công thức sau: (m) (4.37) trong đó p: lượng cặn lắng tính theo đầu người. Chọn p = 0,02 L/ng.ng.đ Ntt: dân số tính toán theo chất lơ lửng. Số ô của sân phơi cát phải chọn không quá 2. Sân phơi cát có thể xây dựng trên nền đất tự nhiên hoặc nhân tạo. 40 40 Khi đất thấm tốt (cát, á cát) thì xây dựng sân phơi cát với nền tự nhiên. Nếu là đất thấm nước kém hoặc không thấm nước (á sét, sét) thì phải xây dựng nền nhân tạo. Khi đó phải đặt hệ thống ống ngầm có lỗ để thu nước thấm xuống. Nước này có thể dẫn về trước bể lắng cát. III. BỂ ĐIỀU LƯU 1. Nước thải sinh hoạt và sự biến động về lưu lượng của nó theo thời gian và không gian Theo định nghĩa của một số nước, nước thải sinh hoạt (domestic wastewater) là nước thải của các hộ dân cư, khu vực thương mại, các cơ quan và các khu vui chơi, giải trí. Đối với những khu dân cư đã phát triển ổn định, việc xác định lưu lượng nên tiến hành bằng cách đo trực tiếp. Đối những khu còn đang xây dựng và qui hoạch phát triển, lưu lượng nước thải được ước tính theo các biện pháp được trình bày sau đây (lưu ý rằng lưu lượng nước thải cho một khu dân cư có từ 1.000 người trở xuống hòan toàn khác hẳn với các khu dân cư lớn hơn). Khu dân cư: đối với khu vực dân cư, lượng nước thải chủ yếu được xác định dựa trên dân số và lượng nước thải bình quân trên đầu người. Các số liệu về lượng nước thải trên đầu người ở các khu vực dân cư ở Mỹ được trình bày trong bảng 2.1. Đối với các khu còn trong tình trạng phát triển và khu dân cư lớn nên dựa trên dân số và qui hoạch sử dụng đất để dự báo lưu lượng nước thải. Nếu có thể nên so sánh với số liệu của một khu dân cư có qui mô và qui hoạch tương tự (nên chọn các khu trong cùng khu vực). Trước đây việc dự báo dân số của khu vực là trách nhiệm của các kỹ sư, nhưng ngày nay các số liệu này có thể tìm thấy dễ dàng ở các cơ quan quy hoạch cấp địa phương, khu vực hay quốc gia. Lượng nước tiêu thụ trên đầu người cũng rất biến động theo điều kiện cấp nước. Lưu lượng nước thải tiêu biểu ở các khu dân cư Mỹ Nguồn thải Đơn vị tính Lưu lượng, gal/đơn vị.ngày Khoảng biến thiên Thông dụng Các hộ chung cư • nhà lầu Một đầu người 35 ÷ 75 50 • nhà trệt Một đầu người 50 ÷ 80 65 Khách sạn Một người khách 30 ÷ 55 45 Các hộ tư • nhà thông thường Một đầu người 45 ÷ 90 70 41 41 • nhà tiện nghi hơn Một đầu người 60 ÷ 100 80 • các hộ giàu Một đầu người 75 ÷ 150 95 • các ngôi nhà cũ Một đầu người 30 ÷ 60 45 • các nhà để nghỉ hè Một đầu người 25 ÷ 50 40 Các trạm xe lửa Một đầu người 30 ÷ 50 40 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Khu thương mại: các khu thương mại có lưu lượng rất biến thiên theo loại hình phục vụ. Thường người ta biểu diễn đơn vị lưu lượng nước thải ở các khu thương mại bằng gal/acre.d (m3/ha.d) dựa trên các dữ liệu hiện tại hoặc các qui hoạch tương lai. Ở Mỹ lưu lượng nước thải trung bình cho khu vực thương mại từ 7,5 ÷ 14 m3/ha.d. Lưu lượng nước thải cho từng loại hình phục vụ được tổng kết trong bảng 4.2. Các cơ quan và khu vui chơi giải trí: lưu lượng nước thải ở các cơ quan thường tính bằng gal/nhân viên.ngày và biến động rất lớn theo địa phương, khí hậu và các tiện nghi lắp đặt trong cơ quan. Nước thải ở các khu vui chơi, giải trí biến động lớn theo mùa. 2. Các nguồn nước khác có thể có trong hệ thống thu gom nước thải Nước thải được thu gom, đưa đến các hệ thống xử lý nước thải bằng các đường cống hay rãnh hở. Các loại nước khác như nước ngầm thấm vào cống qua các mối nối không kỹ của đường cống, nước mưa có thể đi vào các hệ thống thu gom làm thay đổi lưu lượng của nước thải khi đến bể xử lý. "Cô lập, làm kín" các hệ thống thu gom sẽ mang lại các lợi ích như không gây hiện tượng quá tải cho hệ thống xử lý, không gây úng, ngập các đường cống. 3. Các bước để tính toán, thiết kế một bể điều lưu cho một xí nghiệp Ở khu vực dân cư (nước thải sinh hoạt) và khu vực sản xuất (nước thải công nghiệp) nước thải được thải ra với lưu lượng biến đổi theo giờ, thời vụ sản xuất, mùa (mưa, nắng). Trong khi đó các hệ thống sinh học phải được cung cấp nước thải đều đặn về thể tích cũng như về các chất cần xử lý 24/24 giờ. Do đó sự hiện diện của một bể điều lưu là hết sức cần thiết. Bể điều lưu có chức năng điều hòa lưu lượng nước thải và các chất cần xử lý để bảo đảm hiệu quả cho các qui trình xử lý sinh học về sau, nó chứa nước thải và các chất cần xử lý ở các giờ cao điểm, phân phối lại trong các giờ không hoặc ít sử dụng để cung cấp ở một lưu lượng nhất định 24/24 giờ cho các hệ thống xử lý sinh học phía sau. 42 42 Các lợi ích của bể điều lưu như sau: Bể điều lưu làm tăng hiệu quả của hệ thống sinh học do nó hạn chế hiện tượng "shock" của hệ thống do hoạt động quá tải hoặc dưới tải về lưu lượng cũng như hàm lượng các chất hữu cơ, giảm được diện tích xây dựng các bể sinh học (do tính toán chính xác). Hơn nữa các chất ức chế quá trình xử lý sinh học sẽ được pha loãng hoặc trung hòa ở mức độ thích hợp cho các hoạt động của vi sinh vật. Chất lượng của nước thải sau xử lý và việc cô đặc bùn ở đáy bể lắng thứ cấp được cải thiện do lưu lượng nạp các chất rắn ổn định. Diện tích bề mặt cần cho hệ thống lọc nước thải giảm xuống và hiệu suất lọc được cải thiện, chu kỳ làm sạch bề mặt các thiết bị lọc cũng ổn định hơn. Cách tính toán bể điều lưu: Bước 1: đo lưu lượng nước thải từng giờ từ 0 giờ ngày hôm trước đến 0 giờ ngày hôm sau (có thể thông qua việc đo lưu lượng nước sử dụng trừ đi lượng nước giữ lại trong các sản phẩm). Bước 2: tính toán tổng lượng nước thải ra môi trường theo từng giờ (Ví dụ lưu lượng nước thải ở 0 ÷ 1 giờ là 10 m3/h, lưu lượng nước thải ở 1 ÷ 2 giờ là 20 m3/h, lưu lượng nước thải ở 2 ÷ 3 giờ là 20 m3/h , Tổng lượng nước thải thải ra môi trường ở 0 giờ là 0 m3, 1 giờ là 10 m3, 2 giờ là 30 43 43 m3. Vẽ đồ thị biểu diễn tổng lượng nước thải ra môi trường theo từng giờ và tổng lượng nước thải theo lưu lượng trung bình thải ra môi trường theo từng giờ. Bước 3: xác định điểm bụng của đồ thị, vẽ đường tiếp tuyến với đồ thị tại điểm bụng, hiệu số khoảng cách thẳng đứng chiếu từ điểm bụng của đường biểu diển tổng lượng nước thải ra môi trường theo từng giờ đến đường biểu diễn tổng lượng nước thải theo lưu lượng trung bình thải ra môi trường theo từng giờ là thể tích cần thiết của bể điều lưu. Trong thực tế bể điều lưu thường được thiết kế lớn hơn thể tích tính toán từ 10 ÷ 20% để phòng ngừa các trường hợp không tiên đoán được của sự biến động hàng ngày của lưu lượng; trong một số hệ thống xử lý người ta có thể bơm hoàn lưu một số nước thải về bể điều lưu (mặc dù điều này không được khuyến cáo). Nên lưu ý thêm yếu tố biến động của nước thải theo mùa vụ sản xuất trong năm. Sơ đồ cách tính thể tích cần thiết của bể điều lưu Bài tập: Tiến hành đo lưu lượng nước thải của một xí nghiệp, người ta ghi nhận được các số liệu được trình bày trong bảng bên dưới; hãy xác định thể tích bể điều lưu cần thiết. Giờ Lưu lượng trung bình (ft3/s) Lưu lượng cộng dồn (1000 ft3)g Thực tế Trung bình M 0 0 0 1 9.7 34.9 38.88 44 44 2 7.8 63 77.76 3 5.8 83.9 116.64 4 4.6 100.5 155.52 5 3.7 113.8 194.4 6 3.5 126.4 233.28 7 4.2 141.5 272.16 8 7.2 167.4 311.04 9 12.5 212.4 349.92 10 14.5 264.6 388.8 11 15 318.6 427.68 N 15.2 373.3 466.56 1 15 427.3 505.44 2 14.3 478.8 544.32 3 13.6 527.8 583.2 4 12.4 572.4 622.08 5 11.5 613.8 660.96 6 11.5 655.2 699.84 7 11.6 697 738.72 8 12.9 743.4 777.6 9 14.1 794.2 816.48 10 14.1 844.9 855.36 11 13.4 893.2 894.24 M 12.2 937.1 933.12 Avg 10.8 45 45 Giải: Vẽ đồ thị thể tích nước thải cộng dồn theo lưu lượng thực tế và theo lưu lượng trung bình. Xác định điểm bụng của đường biểu diễn thể tích cộn dồn nước thải theo lưu lượng thực tế và vẽ đường tiếp tuyến tại điểm này. Tính khoảng giữa điểm bụng và điểm chiếu của nó lên đường biểu diễn thể tích nước thải cộng dồn theo lưu lượng trung bình. Đó chính là thể tích bể điều lưu theo lý thuyết. Thể tích bể điều lưu theo thực tế là (+20%) 180000 ft3 IV. LƯU LƯỢNG KẾ Các thiết bị đo lưu tốc đã được thương mại hóa. Tuy nhiên việc lựa chọn, sử dụng và bảo trì cho các thiết bị đo lưu tốc chính xác là một yếu tố quan trọng cho việc vận hành các hệ thống xử lý đạt hiệu quả. Một thiết bị đo lưu tốc bao gồm hai bộ phận là (1) đầu dò; (2) bộ phận chuyển đổi các tín hiệu từ đầu dò sang kết quả trên bảng số của thiết bị. Hiện nay có nhiều loại lưu tốc kế của nhiều hãng khác nhau, trước khi lựa chọn nên tham khảo các thông tin từ nhà sản xuất và nên lưu ý đến các yếu tố sau: Loại lưu tốc kế đó thích hợp cho việc đo lưu tốc trong ống cống hay các rãnh hở? Kích thước của nó có phù hợp với dòng chảy cần khảo sát hay không? Các thành phần của nước thải có phù hợp cho lưu tốc kế hay không? Độ chính xác và tin cậy? 46 46 Việc lắp lưu tốc kế vào dòng chảy có làm giảm áp dòng chảy hay không? Các yêu cầu về lắp đặt, vận hành và bảo trì? V. KHUẤY TRỘN Khuấy trộn là một hoạt động quan trọng trong nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình xử lý nước thải nhằm: (1) trộn lẫn hoàn toàn chất này với chất khác; (2) khuấy trộn duy trì các chất rắn lơ lửng ở trạng thái lơ lửng; (3) khuấy trộn các giọt chất lỏng ở trạng thái lơ lửng; (4) trộn lẫn các chất lỏng; (4) tạo bông cặn; (5) trao đổi nhiệt. Thường quá trình khuấy trộn còn tạo ra được hiệu quả phụ đó là việc cung cấp thêm oxy hoà tan cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí. Trong xử lý nước thải, người ta thường sử dụng hai kiểu khuấy trộn: Khuấy trộn nhanh, liên tục (continuous rapid mixing): thời gian khuấy từ 30 giây trở xuống nhằm trộn các hóa chất vào nước. Quá trình khuấy trộn này có thể diễn ra bởi (1) việc thay đổi áp suất đột ngột ở các rãnh; (2) các ống hay máng khuếch tán; (3) trong đường ống; (4) bởi các bơm; (5) thiết bị khuấy tĩnh; (6) các thiết bị khuấy cơ học (moteur gắn cánh khuấy). Khuấy liên tục (continuous mixing): để giữ các hạt chất rắn, lỏng trong bể ở trạng thái lơ lửng. Quá trình khuấy trộn này có thể diễn ra bởi (1) các thiết bị khuấy cơ học; (2) khuấy khí động học; (3) khuấy tĩnh và (4) bơm. Hai loại thiết bị khuấy 47 47 Ảnh một thiết bị khuấy trộn (cơ học) Ảnh một số loại thiết bị khuấy tĩnh 48 48 Ảnh thiết bị khuấy khí động học VI. BỂ LẮNG SƠ CẤP Để giữ lại các chất hữu cơ không tan trong nước thải trước khi cho nước thải vào các bể xử lý sinh học người ta dùng bể lắng sơ cấp. Bể lắng sơ cấp dùng để loại bỏ các chất rắn có khả năng lắng (tỉ trọng lớn hơn tỉ trọng của nước) và các chất nổi (tỉ trọng nhẹ hơn tỉ trọng của nước). Nếu thiết kế chính xác bể lắng sơ cấp có thể loại được 50 ÷ 70% chất rắn lơ lửng, 25 ÷ 40% BOD của nước thải. Nếu bể lắng sơ cấp được thiết kế như là giai đoạn sửa soạn cho quá trình xử lý sinh học thì các thông số tính toán có thể thay đổi như là thời gian lưu tồn ngắn hơn lưu lượng nạp cho một đơn vị diện tích lớn hơn so với trường hợp bể lắng sơ cấp là phương pháp xử lý duy nhất. 49 49 Trước khi vào bể lọc sinh học hoặc bể aeroten, hàm lượng chất lơ lửng trong nước không được quá 150mg/l. Thời gian lắng khi đó chọn không dưới 1,5 giờ. Nếu hàm lượng chất lơ lửng cho phép lại trong nước đã lắng trên 150 mg/l (chẳng hạn khi xử lý nước thải ở cánh đồng lọc, cánh đồng tưới) thời gian lắng có thể giảm xuống 0,5 ÷ 1 giờ. Bể lắng sơ cấp có thể có hình chữ nhật hoặc hình trụ tròn, được trang bị thêm thiết bị gạt váng trên bề mặt và cặn dưới đáy bể, các thiết bị này đã được thương mại hóa nên trong giáo trình này không đề cập đến vấn đề tính toán thiết kế. Phân loại các hiện tượng lắng trong việc xử lý nước thải Loại Mô tả Ứng dụng Lắng từng hạt riêng lẻ Xảy ra đối với nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng thấp. Các hạt được lắng xuống riêng lẻ, không xảy ra phản ứng đáng kể nào đối với các hạt lân cận. Loại bỏ đá, cát trong nước thải. Tạo bông cặn Trong quá trình lắng các hạt liên kết lại với nhau hoặc tạo thành bông cặn do đó tăng trọng lượng và lắng nhanh hơn. Loại bỏ một phần SS ở nước thải chưa xử lý và nước thải sau quá trình xử lý sinh học. Lắng theo vùng Lực tương tác giữa các hạt đủ lớn để ngăn cản các hạt bên cạnh. Mặt phân cách giữa chất lỏng và chất rắn xuất hiện ở phía trên khối lắng Xảy ra ở bể lắng thứ cấp đặt sau bể xử lý sinh học. Nén Diễn ra khi hàm lượng chất các hạt đủ để tạo nên một cấu trúc nào đó và các hạt này phải được đưa lên tục vào cấu trúc đó. Diễn ra ở đáy của các bể lắng thứ cấp và trong các thiết bị cô bùn. Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Các số liệu tham khảo để thiết kế bể lắng sơ cấp Thông số Giá trị Khoảng biến thiên Thông dụng Bể lắng sơ cấp đi trước các hệ thống xử lý khác Thời gian lưu tồn (giờ) 1,5 ÷ 2,5 2,0 Lưu lượng gal/ft2.d 50 50 • Trung bình 800 ÷ 1200 • Tối đa 2000 ÷ 3000 2500 Lưu lượng qua băng phân phối nước gal/ft.d 10000 ÷ 40000 20000 Bể lắng sơ cấp có hoàn lưu bùn hoạt tính Thời gian lưu tồn (giờ) 1,5 ÷ 2,5 2 Lưu lượng gal/ft2.d • Trung bình 600 ÷ 800 • Tối đa 1200 ÷ 1700 1500 Lưu lượng qua băng phân phối nước gal/ft.d 10000 ÷ 40000 20000 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Chú ý: gal/ft2.d × 0,0407 = m3/m2.d gal/ft.d × 0,0124 = m3/m.d Các số liệu tham khảo để thiết kế bể lắng sơ cấp hình chữ nhật và trụ tròn Thông số Giá trị Khoảng biến thiên Giá trị thông dụng Hình chữ nhật • Sâu(ft) 10 ÷ 15 12 • Dài(ft) 50 ÷ 300 80 ÷ 130 • Rộng(ft) 10 ÷ 80 16 ÷ 32 • Vận tốc thiết bị gạt váng và cặn (ft/min) 2 ÷ 4 3 Hình trụ tròn 51 51 • Sâu(ft) 10 ÷ 15 12 • Đường kính (ft) 10 ÷ 200 40 ÷ 150 • Độ dốc của đáy (in/ft) 0,75 ÷ 2 1 • Vận tốc thiết bị gạt váng và cặn (ft/min) 0,02 ÷ 0,05 0,03 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Chú ý : ft × 0,3048 = m in/ft × 83,333 = mm/m 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ của nước nguồn cũng có ảnh hưởng đáng kể đến chế độ oxy của nguồn nước. Về mùa hè khi nhiệt độ của nước nguồn tăng, quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ xảy ra với cường độ mạnh hơn. Trong khi đó độ hòa tan của oxy vào nước lại giảm xuống. Vì vậy về mùa hè, độ thiếu hụt oxy tăng nhanh hơn so với mùa đông. Về mùa đông nhiệt độ nước nguồn thấp nên độ hòa tan tăng, tuy nhiên với nhiệt độ thấp các vi khuẩn hiếu khí tham gia vào quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ sẽ hoạt động yếu. Do đó quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ xảy ra chậm chạp. Nói một cách khác, về mùa đông quá trình tự làm sạch của nước nguồn xảy ra một cách chậm chạp. 2. Ảnh hưởng của cặn lắng Khi xả nước thải chưa xử lý vào nguồn nước, các chất lơ lửng sẽ lắng xuống đáy nguồn và khi tốc độ dòng chảy trong nguồn không lớn lắm thì các chất đó sẽ lắng ở ngay cạnh cống xả. Các chất hữu cơ của cặn lắng bị phân hủy bởi vi khuẩn. Nếu lượng cặn lắng lớn và lượng oxy trong nước nguồn không đủ cho quá trình phân hủy hiếu khí thì oxy hoà tan của nước nguồn cạn kiệt (DO = 0). Lúc đó quá trình phân giải yếm khí sẽ xảy ra và sản phẩm của nó là chất khí H2S, CO2, CH4. Các chất khí khi nổi lên mặt nước lôi kéo theo các hạt cặn đã phân hủy, đồng thời các bọt khí vỡ tung và bay vào khí quyển. Chúng làm ô nhiễm cả nước và không khí xung quanh. Cần chú ý rằng quá trình yếm khí xảy ra chậm hơn nhiều so với quá trình hiếu khí. Bởi vậy khi đưa cặn mới vào nguồn thì quá trình phân giải yếm khí có thể xảy ra liên tục trong một thời gian dài và quá trình tự làm sạch nguồn nước có thể coi như chấm dứt. Nguồn như vậy không thể sử dụng vào mục đích cấp nước, cá sẽ không thể sống và có thể có nhiều thiệt hại khác nữa. Vì vậy trước khi xả vào sông hồ, cần phải loại bỏ bớt chất rắn lơ lửng có trong nước thải. 52 52 VII.BỂ LỌC NƯỚC THẢI BẰNG CÁC HẠT LỌC Bể lọc được dùng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng (và cả BOD) của nước thải sau khi qua xử lý sinh học hoặc hóa học. Các hạt lọc thường dùng là sỏi, than…. 53 53 54 54 Sơ đồ một số bể lọc VIII. BỂ TUYỂN NỔI Bể tuyển nổi được sử dụng để loại bỏ các hạt rắn hoặc lỏng ra khỏi hỗn hợp nước thải và cô đặc bùn sinh học. Không khí được thổi vào bể tạo nên các bọt khí, các bọt khí này kết với các hạt và nổi lên trên mặt nước thải và bị loại bỏ bằng các thiết bị gạt bọt. Một số loại hóa chất như phèn nhôm, muối ferric, silicat hoạt tính có thể được thêm vào nước thải để kết dính các hạt lại làm cho nó dể kết với các bọt khí để nổi lên bề mặt hơn. Một chỉ số quan trọng để tính toán cho bể tuyển nổi là tỉ lệ A/S (air/solid ratio), theo thực nghiệm tỉ lệ tối ưu nằm trong khoảng 0,005 ÷ 0,060 [mL (air)/mg (solid)]. 55 55 Sơ đồ bể tuyển nổi kết hợp với cô bùn Các chất rắn được đưa lên mặt bể tuyển nổi Một bể tuyển nổi điển hình 56 56 IX. BỂ LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT Bể lọc sinh học nhỏ giọt đã được dùng để xử lý nước thải hơn 100 năm. Bể lọc nhỏ giọt đầu tiên xuất hiện ở Anh năm 1893, hiện nay được sử dụng ở hầu khắp các nước với các trạm xử lý công suất nhỏ. Ở nước ta bể lọc sinh học nhỏ giọt đã được xây dựng tại nhà máy cơ khí Hà Nội, xí nghiệp chế biến thuốc thú y Hà Tây, bệnh viện đa khoa Gia Lâm v.v... Nước thải được phân phối đều trên bề mặt nguyên liệu lọc (hoạt động như giá bám cho vi khuẩn) theo kiểu nhỏ giọt hoặc phun tia. Lượng không khí cần thiết cho quá trình được cấp vào nhờ quá trình thông gió tự nhiên qua bề mặt hở phía trên và hệ thống thu nước phía dưới của bể lọc. Ngày nay người ta thường sử dụng chu trình lọc 2 pha bao gồm 2 bể lọc nối tiếp nhau. Bể lọc sinh học nhỏ giọt chia ra bể lọc vận tốc chậm, bể lọc vận tốc trung bình và nhanh, bể lọc cao tốc, bể lọc thô (xử lý nước thải sơ bộ trước giai đoạn xử lý thứ cấp), bể lọc hai pha. Bể lọc vận tốc chậm: có hình trụ hoặc chữ nhật, nước thải được nạp theo chu kỳ, chỉ có khoảng 0,6 ¸ 1,2 m nguyên liệu lọc ở phía trên có bùn vi sinh vật còn lớp nguyên liệu lọc ở phía dưới có các vi khuẩn nitrat hóa. Hiệu suất khử BOD cao và cho ra nước thải chứa lượng nitrat cao. Tuy nhiên cần phải lưu ý đến vấn đề mùi hôi và sự phát triển của ruồi Psychoda. Nguyên liệu lọc thường dùng là đá sỏi, xỉ. Bể lọc vận tốc trung bình và nhanh: thường có hình trụ tròn, lưu lượng nạp chất hữu cơ cao hơn, nước thải được bơm hoàn lưu trở lại bể lọc và nạp liên tục, việc hoàn lưu nước thải giảm được vấn đề mùi hôi và sự phát triển của ruồi Psychoda. Nguyên liệu lọc thường sử dụng là đá sỏi, plastic. Bể lọc cao tốc: có lưu lượng nạp nước thải và chất hữu cơ rất cao, khác với bể lọc vận tốc nhanh ở điểm có chiều sâu cột lọc sâu hơn do nguyên liệu lọc làm bằng plastic, do đó nhẹ hơn so với đá sỏi. Bể lọc thô: lưu lương nạp chất hữu cơ lớn hơn 1,6 kg/m3.d, lưu lượng nước thải là 187m3/m2.d bể lọc thô dùng để xử lý sơ bộ nước thải trước giai đoạn xử lý thứ cấp. Bể lọc hai pha: thường sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao và cần nitrat hóa đạm trong nước thải. Giữa 2 bể lọc thường có bể lắng để loại bỏ bớt chất rắn sinh 57 57 ra trong bể lọc thứ nhất. Bể lọc thứ nhất dùng để khử BOD của các hợp chất chứa carbon, bể thứ hai chủ yếu cho quá trình nitrat hóa. Một số giá trị tham khảo để thiết kế bể lọc sinh học nhỏ giọt Thông số VT chậm VT trung bình VT nhanh Cao tốc Lọc thô Hai pha Nguyên liệu lọc đá sỏi, xỉ đá sỏi, xỉ đá sỏi plastic plastic đá sỏi, plastic Lưu lượng nước thải nạp gal/ft2. min 0,02 ¸ 0,06 0,06 ¸ 0,16 0,16 ¸ 0,64 0,2 ¸ 1,2 0,8 ¸ 3,2 0,16 ¸ 0,64 Mgal/ac re.d 1 ¸ 4 4 ¸ 10 10 ¸ 40 15 ¸ 90 50 ¸ 200c 10 ¸ 40c Lưu lượng nạp BOD lb/103ft3.d 5 ¸ 25 15 ¸ 30 30 ¸ 60 30 ¸ 100 100 ¸ 500 60 ¸ 120 Bề sâu cột lọc ft 6 ¸ 8 6 ¸ 8 3 ¸ 6 10 ¸ 40 15 ¸ 40 6 ¸ 8 Tỉ lệ hoàn lưu 0 0 ¸ 1 1 ¸ 2 1 ¸ 2 1 ¸ 4 0,5 ¸ 2 Ruồi Psychoda nhiều ít rất ít rất ít - không rất ít - không rất ít - không Làm sạch cột lọc chu kỳ chu kỳ liên tục liên tục liên tục liên tục Hiệu suất khử BOD % 80 ¸ 90 50 ¸ 70 65 ¸ 85 65 ¸ 80 40 ¸ 65 85 ¸ 95 Nước thải nitrat hóa cao nitrat hóa một phần ít nitrat hóa ít nitrat hóa không nitrat hóa nitrat hóa cao Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: c: không kể lưu lượng hoàn lưu gal/ft2.min × 58,674 = m3/m2.d 58 58 lb/103ft3.d × 0,0160 =kg/m3.d Tính toán các thiết bị cơ khí Vận tốc quay của hệ thống phân phối nước trong đó QT: tổng lưu lượng nước thải nạp cho bể QT = Q + Qr Q: lưu lượng nước thải đầu vào Qr: lưu lượng nước thải hoàn lưu A: số cánh của hệ thống phân phối nước DR: dosing rate, in/pass Một số giá trị DR tham khảo Lưu lượng nạp tính theo BOD lb BOD5/103ft3 Dosing rate (in/pass) < 25 3 50 6 75 9 100 12 150 18 200 24 Ghi chú: lb/103ft3 × 0,0160 = kg/m3 in × 2,54 = cm Một số đặc tính lý học của các loại nguyên liệu lọc Nguyên liệu lọc Kích thước thông dụng (in) Trọng lượng riêng (lb/ft3) Diện tích bề mặt (ft2/ft3) Độ rỗng trong cột lọc (%) Đá sỏi ở sông Nhỏ 1 ¸ 2,5 78 ¸ 90 17 ¸ 21 40 ¸ 50 Lớn 4 ¸ 5 50 ¸ 62 12 ¸ 50 50 ¸ 60 59 59 Xỉ lò Nhỏ 2 ¸ 3 56 ¸ 75 17 ¸ 21 40 ¸ 50 Lớn 3 ¸ 5 50 ¸ 62 14 ¸ 18 50 ¸ 60 Plastic b Thông dụng 24 ´ 24 ´ 48 2 ¸ 6 24 ¸ 30 94 ¸ 97 Loại có diện tích bề mặt lớn 24 ´ 24 ´ 48 2 ¸ 6 30 ¸ 60 94 ¸ 97 Cao su Redwood b 48 ´ 48 ´ 20 9 ¸ 11 12 ¸ 15 70 ¸ 80 Random pack 1 ¸ 3,5 3 ¸ 6 38 ¸ 85 90 ¸ 95 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: b: kích thước của một module in × 25,4 = mm lb/ft3 × 16,0815 = kg/m3 ft2/ft3 × 3,2808 = m2/m3 Nguyên liệu lọc lý tưởng phải có diện tích bề mặt lớn, giá rẻ, độ bền cao và ít bị tắc nghẽn. Trước những năm 1960 người ta thường sử dụng đá sỏi và xỉ, nhưng sau đó người ta thường sử dụng plastic hoặc cao su redwood để tăng độ rỗng của cột lọc, giảm thiểu việc tắc nghẽn cột lọc. PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ Quá trình hấp phụ là quá trình tập hợp các chất hòa tan trong dung dịch lên bề mặt chung của chất lỏng và khí, hai chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và chất rắn thích hợp. Trong giáo trình này chúng ta chỉ đề cập đến quá trình hấp phụ xảy ra trên bề mặt chung của chất lỏng và chất rắn. Xử lý bằng bột than hoạt tính: bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước thải sau xử lý sinh học) được cho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định bột than hoạt tính được cho lắng, hoặc lọc. Do than hoạt tính rất mịn nên phải sử dụng thêm các chất trợ lắng polyelectrolyte. Bột than hoạt tính còn được cho vào bể aeroten để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải. Than hoạt tính sau khi sử dụng thường được tái sinh để xử dụng lại, phương pháp hữu hiệu để tái sinh bột than hoạt tính chưa được tìm ra, đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên bề mặt của chúng, trong quá trình tái sinh 5 ÷ 10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế bằng các hạt Khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt được tính bằng công thức: [8,34lb/Mgal.(mg/L)] 60 60 với (X/m)b: khả năng hấp phụ tối đa của than hoạt tính dạng hạt, lb/lb hoặc g/g (thực tế, bằng khoảng 25 ÷ 50% giá trị lý thuyết) Xb: trọng lượng của chất hữu cơ bị hấp phụ bởi các hạt than hoạt tính lb hoặc g Mc: trọng lượng than hoạt tính sử dụng cho cột lọc Q: lưu lượng nước thải, Mgal/d Ci: hàm lượng chất hữu cơ của nước thải, mg/L Cb: hàm lượng chất hữu cơ bị hấp phụ (lý thuyết), mg/L tb: thời gian cần thiết cho quá trình hấp phụ X. BỂ KEO TỤ VÀ TẠO BÔNG CẶN Thực tế phương pháp này là phương pháp kết hợp giửa phương pháp hoá học và lý học. Mục đích của phương pháp này nhằm loại bỏ các hạt chất rắn khó lắng hay cải thiện hiệu suất lắng của bể lắng. Cấu tạo của bể này là loại bể lắng cơ học thông thướng, nhưng trong quá trình vận hành, chúng ta thêm vào một số chất keo tụ như phèn nhôm, polymere để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ và tạo bông cặn để cải thiện hiệu suất lắng. Quá trình tạo bông cặn có thể đơn giản hoá trong hình dưới đây. 61 61 Các chất thường dùng cho quá trình keo tụ là muối sắt và muối nhôm. Các chất thường dùng để tạo bông cặn là polyacrilamids. Nếu kết hợp với các loại muối kim loại sẽ cho hiệu suất tốt hơn. XI. SƠ LƯỢC VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH TRONG BỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI Như đã nói ở các chương trước quá trình xử lý sinh học thường theo sau quá trình xử lý cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩn. Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau. Tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng ao hồ có sẵn hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý. 1. Quá trình hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc (tùy nghi) Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học có hiệu quả chúng ta phải nắm vững các kiến thức sinh học có liên quan đến quá trình xử lý. Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh. Khi bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn có sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi khuẩn. Trong 62 62 thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định có thể dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như là một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý. Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào. Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường. Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là (a) các chất dinh dưỡngcần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi. Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường. Một đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý Cũng cần nó thêm rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc. Thực tế trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thị tăng trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của đồ thị. Trong một giai đoạn bất kỳ nào đó sẽ có một loài có số lượng chủ đạo do ở thời điểm đó các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ... phù hợp cho loài đó. Sự biến động về các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lý được biểu diễn trong hình bên dưới. Khi thiết kế và vận hành hệ thống xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật này, không nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật. 63 63 Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Như đã nói ở trên vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý nước thải. Do đó trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể. Điều này có thể thực hiện thông qua quá trình thiết kế và vận hành. Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn có thể sinh sản được. Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn...) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của các công trình xử lý nước thải hiếu khí Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công trình Bùn hoạt tính Loại bể phản ứng Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M) Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH) Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất thông khí Tỉ lệ hoàn lưu Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước 64 64 Đĩa quay sinh học Số bể, đĩa Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hoàn lưu Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công trình Bùn hoạt tính Loại bể phản ứng Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất sục khí Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M) Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng Các chất dinh dưỡng Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH) Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Hiệu suất thông khí Tỉ lệ hoàn lưu Cách sắp xếp các cột lọc Cách phân phối lưu lượng nước Đĩa quay sinh học Số bể, đĩa Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ Bộ phận truyền động Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa Vận tốc quay Các trục quay Độ ngập nước của đĩa Tỉ lệ hoàn lưu Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 2. Quá trình yếm khí Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây: Chất hữu cơ lên men -----------> yếm khí CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas như sau: 65 65 Methane (CH4) 55 ¸ 65% Carbon dioxide (CO2) 35 ¸ 45% Nitrogen (N2) 0 ¸ 3% Hydrogen (H2) 0 ¸ 1% Hydrogen Sulphide (H2S) 0 ¸ 1% Methane có nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m3). Do đó, nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500  6.000 kcal/m3, tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong Biogas. Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau: 1. Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử. 2. Tạo nên các axít. 3. Tạo methane. Giai đoạn I Thủy phân và lên men Giai đoạn II Tạo axid acetic, H2 Giai đoạn III Sinh CH4 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981) Ba nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình là nhóm vi sinh vật thủyphân ch6át hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo acid bao gồm các loài Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli, và nhóm vi sinh vật sinh methane gồm các loài dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina). Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí Quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ 66 66 ủ). Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 5 ÷ 10%, 90 ÷ 95% còn lại là nước. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí: 25 ÷ 40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm. 50 ÷ 65oC: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt. Nói chung khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 ÷ 45oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hoàn toàn ở 65oC trở lên. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ (Price and Cheremisinoff, 1981, trích dẫn bởi Chongrak, 1989) Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường thấp; do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm ủ. Ngoài ra người ta còn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5 ÷ 10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ. Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity) pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 ÷ 7,6 tối ưu trong khoảng 7 ÷ 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đó. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các 67 67 acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ. Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 ÷ 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp. Ảnh hưởng của độ mặn Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. TTNLM đã tìm hiểu khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể. Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 1988). Các chất dinh dưỡng Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 ÷ 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25 ÷ 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định. Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau: Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane. Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp Các chất khóang trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí methane. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí. Các chất khóang này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác. Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá trình lên men yếm khí (EPA, 1979, trích dẫn bởi Chongrak, 1989) Cations gây độc Cations cộng hưởng Cations đối kháng 68 68 Ammonium - N Ca, Mg, K Na Ca Ammniu - N, Mg K, Na Mg Ammonium - N, Ca K, Na K K, Na Na Ammonium - N, Ca, Mg K Khuấy trộn Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ. QUÁ TRÌNH HIẾU KHÍ, QUÁ TRÌNH YẾM KHÍ Do chất thải của người và gia súc là chất thải hữu cơ do đó khi thải vào ao hồ, sông rạch nó sẽ làm thức ăn cho vi sinh vật dị dưỡng. Vi sinh vật dị dưỡng này phân hủy các hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn giản và tạo nên năng lượng cho quá trình tổng hợp tế bào của chúng. 1. Quá trình hiếu khí * Quá trình oxy hóa (hay dị hóa) (COHNS) + O2 + VK hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng (1.1) Chất hữu cơ * Quá trình tổng hợp (đồng hóa) (COHNS) + O2 + VK hiếu khí + năng lượng → C5H7O2N (tb vi khuẩn mới) (1.2) 2. Quá trình yếm khí Trong điều kiện yếm khí (không có oxy), vi khuẩn yếm khí sẽ phân hủy chất hữu cơ như sau: (COHNS) + VK yếm khí → CO2 + H2S + NH3 + CH4 + các chất khác + năng lượng (1.3) Ghi chú: C5H7O2N là công thức hóa học thông dụng để đại diện cho tế bào vi khuẩn. (COHNS) + VK yếm khí + năng lượng → C5H7O2N (tb vi khuẩn mới) (1.4) 69 69 Trong điều kiện không có chất hữu cơ thì vi khuẩn sẽ trải qua quá trình hô hấp nội bào hay là tự oxy hóa sử dụng chính bản thân chúng làm nguyên liệu. C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + NH3 + 2H2O + năng lượng (1.5) trong đó CO2 và NH3 là chất dinh dưỡng đối với các loài tảo. Trong điều kiện ánh sáng thích hợp, quá trình quang hợp của tảo diễn ra như sau: NH3 + 7,62CO2 + 2.53H2O → C7,62H8,06O2,53N + 7,62O2 (1.6) (tb tảo mới) Đối với các nguồn nước tự nhiên nhận một lượng chất hữu cơ thấp thì lượng oxy sản sinh ở phương trình (1.6) sẽ đáp ứng cho hoạt động của vi khuẩn ở phương trình (1.1) và (1.2), và chu trình hoạt động cứ tiếp diễn. Chu trình này gọi là "cộng sinh tảo và vi khuẩn", đây là một chu trình tự nhiên và các hoạt động của tảo và vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động. Chu trình cộng sinh vi khuẩn - tảo trong hệ thống xử lý nước thải (Oswald và Gotaas, 1955; trích dẫn bởi Chongrak, 1989) Tảo sau đó sẽ bị các loại cá ăn thực vật sử dụng, cá ăn động vật sẽ ăn cá ăn thực vật và sau cùng con người sẽ ăn cá. Đây là một trong những cơ chế tự làm sạch các nguồn nước mà chúng ta sẽ bàn đến trong phần sau. Việc thải các chất thải chưa được xử lý vào nguồn nước sẽ gây nên sự mất cân bằng về mặt sinh học. Khi lượng chất thải hữu cơ lên cao thì vi khuẩn cần nhiều oxy hơn cho quá trình oxy hóa và tổng hợp của chúng, đưa đến việc suy giảm oxy hòa tan trong các nguồn nước gây nguy hại cho các thủy sinh vật. Mặc dù quá trình quang hợp của tảo tạo nên oxy, nhưng về đêm khi không có ánh sáng, tảo sẽ hô hấp và tiêu thụ oxy và việc này