Xử lý nước thải chất hữu cơ cao là nhiệm vụ cần thiết để đáp ứng nhu cầu thực tiễn của các ngành sản xuất đang phát triển mạnh tại nước ta.
1. Nguồn và đặc tính của nước thải chất hữu cơ cao
Nước thải giàu chất hữu cơ bao gồm: Nước từ các công đoạn trong quá trình sản xuất thực phẩm, cơ sở giết mổ gia súc, nhà máy chế biến thủy sản, sản xuất bia, nước ngọt,…v.v…
Nước thải sinh hoạt hằng ngày của con người, đặc biệt là các khu dân cư khu hoạt động thương mại, công sở, trường học, chợ,… cũng có hàm lượng chất hữu cơ cao.
Đặc tính của nước thải giàu chất hữu cơ: nước thải này chủ yếu chứa các chất hữu cơ ít độc có nguồn gốc thực vật hoặc động vật. Chất thải có nguồn gốc từ thực vật đa phần là cacbonhydarat, từ động vật có thành phần chủ yếu là protein và chất béo, có hàm lượng chất rắn lơ lửng, BOD, COD cao,… Nguồn nước thải này nếu không được xử lý mà xả trực tiếp vào nguồn nhận thì sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường nước.
2. Một số thông số quan trọng đánh giá chất lượng nước thải chất hữu cơ cao
2.1. Chỉ số pH
Chỉ tiêu pH là một trong những chỉ tiêu kiểm tra chất lượng nước cấp và nước thải. Sự thay đổi giá trị pH có thể dẫn đến sự thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa. Mặc khác, nó cũng thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học, sinh học diễn ra trong nước.
2.2. Độ đục
Độ đục của nước do các hạt lơ lửng, các chất hữu cơ phân hủy hoặc do giới thủy sinh gây ra. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước, ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của vi sinh vật tự dưỡng trong nước, gây giảm thẩm mỹ và làm giảm chất lượng nước khi sử dụng. Độ đục càng cao nước nhiễm bẩn càng lớn.
2.3. Màu sắc
Nước thải xuất hiện màu do các chất hữu cơ trong xác động, thực vật phân rã tạo thành, hoặc nước có sắc hoặc mangan ở dạng keo hoặc hòa tan. Đối với nước thải công nghiệp, tùy thuộc vào bản chất từng loại nước thải khác nhau cho màu sắc khác nhau.
2.4. Hàm lượng chất rắn
Chất rắn tồn tại trong nước dưới các dạng: Các chất vô cơ ở dạng tan (các muối tan) hoặc không tan (đất, huyền phù); Các chất hữu cơ, các vi sinh vật, vi khuẩn, tảo, động vật nguyên sinh và các chất hữu cơ tổng hợp như phân bón, chất thải công nghiệp, chất thải sinh hoạt,…
Chất rắn ảnh hưởng đến chất lượng nước khi sử dụng cho sinh hoạt, cho sản xuất, cản trở hoặc tiêu tốn thêm hóa chất trong quá trình xử lý.
2.5. Hàm lượng oxy hòa tan (DO)
Hàm lượng oxy hòa tan trong nước là lượng oxy trong không khí có thể hòa tan vào nước trong điều kiện nhiệt độ và áp xuất xác định. Oxy hòa tan vào trong nước sẽ tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy trì năng lượng cho quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các vi sinh vật sống trong nước.
Chỉ số DO là chỉ tiêu quan trọng để duy trì điều kiện hiếu khí và là cơ sở để xác định nhu cầu oxy sinh học.
2.6. Chỉ số COD (Nhu cầu oxy hóa học)
Chỉ số COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ trong nước thành CO2 và H2O.
COD biểu thị lượng chất hữu cơ có thể oxy hóa bằng con đường hóa học. Chỉ số COD có giá trị cao hơn BOD vì nó bao gồm cả lượng chất hữu cơ không bị oxy hóa bằng vi sinh vật.
2.7. Chỉ số BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa)
Nhu cầu oxy sinh hóa hay là nhu cầu oxy sinh học thường viết tắt là BOD, là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong nước bằng vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoại sinh, hiếu khí. Quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa sinh học.
Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O
2.8. Tổng Nitơ (TN)
Hàm lượng chất chứa N có trong nước thải thường là các hợp chất protein và các sản phẩm phân hủy: amon, nitrat, nitrit. Chúng có vai trò quan trọng trong hệ sinh thái nước. Trong nước rất cần thiết có một lượng N thích hợp, đặc biệt có trong nước thải, mối quan hệ giữa BOD5 với N và P có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và khả năng oxy hóa của bùn hoạt tính. Chỉ tiêu hàm lượng N trong nước.
2.9. Hàm lượng Phospho (P)
Phospho tồn tại trong nước dưới dạng H2PO4–, HPO4–, PO43-, các nguồn polyphosphat như Na3(PO3)6 và phospho hữu cơ. Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thủy vực.
Trong nước thải người ta thường xác định hàm lượng P tổng số để xác định tỷ số BOD5:N:P nhằm chọn kỹ thuật bùn hoạt tính thích hợp cho quá trình xử lý. Ngoài ra cũng có thể xác lập tỷ số giữa P và N để đánh giá mức dinh dưỡng có trong nước.
2.10. Các chỉ tiêu vi sinh
Nước là một con đường lan truyền các nguồn bệnh và trong thực tế các bệnh lây lan qua môi trường nước là nguyên nhân chính gây ra các bệnh tật, nhất là ở các nước đang phát triển. Chất lượng về mặt vi sinh của nước thường được biểu thị bằng nồng độ của vi khuẩn chỉ thị, đó là những vi khuẩn không lây bệnh, về nguyên tắc thì đó là nhóm trực khuẩn. Thông số biểu thị được sử dụng rộng rãi nhất là chỉ số E-coli.
3. Xử lý nước thải chất hữu cơ cao bằng phương pháp sinh học
3.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải
* Nguyên tắc:
Dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật có sẵn trong nước thải. Các vi sinh vật có khả năng sử dụng các chất hữu cơ trong nước thải làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để thực hiện quá trình sinh trưởng và phát triển.
Phương pháp sinh học được thực hiện sau khi đã xử lý sơ bộ nước thải, được áp dụng thích hợp với các loại nước thải có tỷ số BOD/COD trong khoảng 0,5 – 1.
* Điều kiện để xử lý sinh học
Phương pháp sinh học dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ. Vì vậy nước thải phải đảm bảo các điều kiện sau để đảm bảo môi trường sống của quần thể sinh vật:
+ Tỷ lệ BOD5 : N : P = 100:5:1 là thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật.
+ Tỷ lệ BOD/COD ≥ 0,5 phù hợp với xử lý nước thải có lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao.
+ Nhiệt độ, pH, oxi phải phù hợp, tùy theo quá trình xử lý hiếu khí hay kỵ khí.
+ Hàm lượng độc tố nhỏ (kim loại nặng) để không cản trở hoạt động sống của vi sinh vật.
+ Các yếu tố dinh dưỡng và vi lượng: N, S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Zn, Cu,… trong đó N, P và K là các nguyên tố chủ yếu cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong xử lý sinh hóa.
* Đặc điểm của quá trình xử lý nước thải
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học bao gồm ba giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: khuếch tán và chuyển hóa chất ô nhiễm trong nước thải đến bề mặt các tế bào vi sinh vật.
+ Giai đoạn 2: Khuếch tán và hấp phụ các chất ô nhiễm từ bề mặt ngoài của màng tế bào qua màng thấm.
+ Giai đoạn 3: quá trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán và hấp phụ ở trong tế bào vi sinh vật thành năng lượng và tổng hợn các chất mới của tế bào.
Sau khi qua ba giai đoạn trên, nồng độ các chất ô nhiễm xung quanh tế bào giảm dần, phần thức ăn mới từ nước thải lại tiếp tục quá trình tiếp theo. Thông thường, quá trình khuếch tán trong môi trường chậm hơn quá trình hấp thụ qua màn tế bào. Vai trò chủ yếu của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình diễn ra bên trong tế bào.
3.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí
Nguyên tắc:
Dựa trên hoạt động của vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong nước thải.
Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều.
3.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí
– Nguyên tắc:
Xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí được thực hiện bởi các vi sinh vật trong điều kiện hoàn toàn không có oxy. Cơ chế loại chất hữu cơ trong xử lý sinh học kỵ khí:
+ Phân hủy thành CO2, CH4,… (dị hóa)
(C,H,O,N,S) → CO2 + CH4 + H2S + NH3 + … + Năng lượng
+ Tổng hợp tế bào vi khuẩn (đồng hóa)
(C,H,O,N) + Năng lượng → C5H7O2N
– Phân hủy kỵ khí gồm có 6 quá trình:
+ Thủy phân các polymer: thủy phân Protein, thủy phân polysaccarit, thủy phân Lipit.
+ Lên men các amino axit và đường.
+ Phân hủy kỵ khí các axit béo mạch dài và rượu.
+ Phân hủy kỵ khí các axit béo dễ bay hơi (trừ axit axetic).
+ Hình thành khí metan từ axit axetic.
+ Hình thành khí metan từ CO2 và H2.
– Các quá trình trên gồm 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn thủy phân: quá trình này xảy ra chậm.
Các phức chất và chất không tan như polysaccarit, protein, lipit được chuyển hóa bởi các enzyme do vi khuẩn tiết ra, tạo thành các chất đơn giản hơn hoặc chất hòa tan như đường, các axit amin, axit béo.
+ Giai đoạn axit hóa:
Các chất béo, polysaccarit, protein được lên men bởi emzyme do vi khuẩn tiết ra tạo thành các axit hữu cơ như: axit axetic, axit lactic, axit propionic, axit butyric,… và các chất trung tính như: rượu, andehit, axeton, các chất khí như: CO2, H2, H2S, NH3 và một lượng nhỏ khí indol, scatol,…
+ Giai đoạn tạo khí metan:
Các sản phẩm từ giai đoạn lên men sẽ được khí hóa nhờ các vi khuẩn metan. Các vi sinh vật này chỉ hoạt động trong môi trường yếm khí nghiêm ngặt. Tốc độ phát triển của chúng chậm hơn nhiều so với các vi sinh vật khác.
Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas gồm:
Methan (CH4) 55 -65%
Carbon dioxide (CO2) 35 -45%
Nitrogen (N2) 0,3%
Hydrogen (H2) 0,1%
Hydrogen Sulphide (H2S) 0,1%
3.4. Xử lý nước thải chất hữu cơ cao bằng phương pháp UASB
Ưu điểm:
+ Xử lý các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ rất cao, COD= 15000mg/l.
+ Hiệu suất xử lý COD có thể đến 80%
+ Ít tiêu tốn năng lương vận hành.
+ Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn.
+ Bùn sinh ra dễ tách nước.
+ Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng.
+ Có khả năng thu hồi khí metan.
+ Bùn kỵ khí có thể hồi phục và hoạt động lại sau một thời gian ngưng nạp liệu.
– Nước thải được bơm vào bể phản ứng vi sinh kỵ khí qua hệ thống ống phân phối đặt song song và phân bố đều ở đáy bể.
– Trong bể phản ứng có 3 lớp: dưới đáy là lớp bùn vi sinh kỵ khí đậm đặc, phía trên là hỗn hợp “nước – bùn – khí sinh học” và trên cùng là hệ thống các tấm tách ba pha (pha nước, pha bùn, pha khí).
Trong quá trình lưu chuyển xuyên qua các tầng bùn vi sinh từ đáy lên đỉnh bể phản ứng, các chất hữu cơ trong nước được các vi sinh kỵ khí hấp thụ và chuyển đổi thành các khí sinh học như là CH4, CO2.
– Hỗn hợp “nước – bùn – khí sinh học” khi di chuyển lên tầng trên được phân tách thành từng pha riêng biệt nhờ hệ thống các tấm tách 3 pha đặt trên đỉnh bể.
– Bùn lắng xuống đáy bể tiếp tục quy trình xử lý và được xả bớt ra ngoài khi số lượng vượt quá nhu cầu.
– Nước trong đi theo hệ thống, chảy bằng trọng lực đi ra bể tiếp theo.
