Bài giảng Công nghệ sinh học - Chương 2: Xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học - Lê Quốc Tuấn

Nội dung text: Bài giảng Công nghệ sinh học - Chương 2: Xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học - Lê Quốc Tuấn

1. CHÖÔNG 2 Xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoaït baèng CNSH TS. Leâ Quoác Tuaán Khoa Moâi tröôøng vaø Taøi nguyeân Ñaïi hoïc Noâng Laâm TP. Hoà Chí Minh
2. Giôùi thieäu ™Nöôùc thaûi laø nguoàn goác gaây neân oâ nhieãm soâng hoà vaø bieån ™Nöôùc thaûi gaây neân caùc loaïi dòch beänh lan truyeàn trong moâi tröôøng nöôùc ™Xöû lyù nöôùc thaûi laø vieäc aùp duïng caùc quaù trình Sinh - Hoùa - Lyù nhaèmlaømgiaûmcaùc chaát gaây oâ nhieãm coù trong nöôùc ™Vieäc xöû lyù nöôùc thaûi thöôøng lieân keát vôùi vieäc cung caáp nöôùc saïch
3. Söï oâ nhieãm ™ Söï gia taêng caùc chaát gaây oâ nhieãm trong nöôùc ñaëc bieät laø caùc chaát höõu cô khoù phaân huûy. ™ Chaát gaây oâ nhieãm thöôøng toàn taïi ôû daïng raén vaø loûng. ™ Nguoàn gaây oâ nhieãm xuaát phaùt töø quaù trình sinh hoaït, saûn xuaát, caùc beänh vieän ™ Trong nöôùc coù moät löôïng lôùn vi sinh tham gia xöû lyù chaát thaûi, tuy nhieân coù raát nhieàu vi sinh vaät gaây beänh ™ Caùc quaù trình sinh hoïc xaûy ra trong nöôùc thaûi ñoùng vai troø quan troïng trong vieäc phaân huûy chaát thaûi. ™ Söï maát caân baèng trong chuoãi sinh thaùi moâi tröôøng nöôùc seõ gaây neân hieän töôïng oâ nhieãm
4. Voøng tuaàn hoaøn nöôùc vaø nöôùc thaûi Ngöôøi söû duïng Khu xöû lyù nöôùc caáp Khu xöû lyù nöôùc thaûi Caùc soâng, hoà, nöôùc ngaàm Nöôùc saïch Nöôùc saïch Nöôùc chöa clo hoùa ñaõ clo hoùa baån
5. Chaát thaûi ™ Chaát höõu cô hoøa tan, chaát raén lô löõng, vi sinh vaät (maàm beänh) vaø moät soá caùc thaønh phaàn khaùc ™ Noàng ñoä chaât thaûi bieán ñoäng theo töøng ngaøy vaø theo muøa ™ Trong nöôùc thaûi ñieån hình, 75% SS vaø 40% chaát hoøa tan laø höõu cô. 2- 3- ™ Chaát voâ cô laø sodium, Ca, Mg, Cl, SO4 , PO4 , - - + CO3 , NO3 , NH4 vaø moät ít kim loaïi naëng. ™ BOD5 töø 200 – 600 mg/l.
6. Caùc thoâng soá cuûa maãu nöôùc thaûi sinh hoaït ñieån hình Thaønh phaàn Noàng ñoä (mg/l) Toång chaát raén 300 – 1200 Chaát raén lô löõng 100 – 350 Toång carbon höõu cô 80 – 290 BOD5 110 – 400 COD 250 – 1000 Toång nitrogen 20 – 85 + Ammonia (NH4 ) 12 – 50 - Nitrite (NO2 ) 0 - Nitrate (NO3 ) 0 Toång phosphorus 4 - 15
7. Chöùc naêng cuûa caùc heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi  Chöùc naêng chính cuûa caùc heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoaït laø laøm giaûm thaønh phaàn höõu cô toái ña ñeå ñoå ra soâng vaø nöôùc ven bôø maø khoâng gaây neân söï oâ nhieãm döôõng chaát  Heä thoáng xöû lyù loaïi chaát höõu cô lô löõng, giaûm thaønh phaàn gaây beänh, loaïi nitrate, kim loaïi naëng vaø caùc hoùa chaát nhaân taïo.
8. Chöùc naêng cuûa caùc heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi  Chaát löôïng nöôùc ñaõ ñöôïc xöû lyù ñi vaøo nguoàn tieáp nhaän phuï thuoäc vaøo theå tích, tình traïng nguoàn tieáp nhaän vaø khaû naêng pha loaõng nöôùc thaûi cuûa noù, thöôøng thì 20mg/l BOD5 : 30 mg/l SS vaø pha loaõng 8 laàn.  Vôùi löôïng nöôùc thaûi raát lôùn haøng ngaøy ñoøi hoûi moät quy moâ raát lôùn cho vieäc xöû lyù nhöng ñoái vôùi coâng ngheä sinh hoïc thì vaán ñeà ñoù seõ ñöôïc giaûi quyeát moät caùch hieäu quaû.
9. Sô ñoà quy hoaïch heä thoáng XLNT sinh hoaït Nöôùc thaûi töø cuïm daân cö Xöû lyù taäp trung Xöû lyù taïi choã Thu gom luaân Thu gom Thu gom Xöû lyù chuyeån vaø chöùa vaø xöû lyù Xöû lyù Beå töï hoaïi Heä thoáng Xöû lyù maàm xöû lyù beänh Töôùi tieâu Chaát dinh hoaëc thaûi ra döôõng, vi nguoàn tieáp sinh laøm nhaän phaân boùn
10. Quy trình xöû lyù nöôùc thaûi
11. Caùc giai ñoaïn xöû lyù nöôùc thaûi Tieàn xöû Xöû lyù sô Xöû lyù caáp Xöû lyù caáp lyù caáp II III Nöôùc thaûi Laéng sô Oxy hoùa Laéng thöù caáp sinh hoïc caáp Song chaén Ao hieáu khí Ao sinh hoïc raùc Loïc sinh hoïc Chlore hoùa Ñeäm caùt Buøn hoaït tính Loïc caùt Buøn sô Buøn caáp Thaûi / Söû duïng Phaân huûy kî khí
12. Caùc giai ñoaïn xöû lyù nöôùc thaûi ¾Xöû lyù caáp 1: cho pheùp laéng töø 1.5 – 2.5 giôø ñeå loaïi SS vaø laøm giaûm BOD5 töø 40 – 60%. ¾Xöû lyù caáp 2: nöôùc thaûi töø XLC1 chöùa 40-50% chaát raén lô löõng. Trong giai ñoaïn naøy caùc quaù trình sinh hoïc dieãn ra ñeå loaïi thaûi chaát höõu cô ¾Quaù trình kî khí vaø hieáu khí, xöû lyù hieáu khí thöôøng nhanh vaø ñöôïc öùng duïng nhieàu. ¾Quaù trình xöû lyù kî khí hoaëc hieáu khí thöôøng ñöôïc söû duïng nhö ao sinh hoïc, loïc nhoû gioït, buøn hoaït tính, beå tieáp xuùc sinh hoïc quay vaø phaân huûy kî khí. ¾Xöû lyù caáp 3: loaïi thaûi phosphate, nitrate vaø vi sinh vaät nhaèm laøm cho nöôùc coù theå uoáng ñöôïc vaø ngaên caûn phuù döôõng. ¾Keát tuûa hoùa hoïc, khuû truøng baèng chlorine, loïc qua caùt vaø söû duïng ao laéng.
13. Moâ hình moâ taû caùc giai ñoaïn xöû lyù nöôùc thaûi XL caáp 1 XL caáp 2 XL caáp 3
14. Hoà sinh hoïc ¾Thöôøng aùp duïng cho nhöõng vuøng coù nhieàu aùnh saùng ¾Ao tuøy nghi thöôøng noâng (1-2.5 m) vaø caùc quaù trình sinh hoïc dieãn ra nhö ôû hình (laøm saïch nöôùc thaûi baèng vi taûo vaø vi sinh vaät). ¾Ao hieáu khí noâng hôn ao tuøy nghi, thöôøng 1 m ñeå aùnh saùng coù theå chieáu xuyeân ñeán ñaùy ñöôïc. ¾Ao sinh hoïc toác ñoä cao nhaèm baûo ñaûm quaù trình ñoàng hoùa cuûa taûo dieãn ra maïnh taêng sinh khoái taûo.
15. Quaù trình laøm saïch nöôùc thaûi baèng taûo vaø vi sinh vaät theo W. J. Oswald (1977) Saûn phaåm phuï ñöôïc söû duïng OÂ nhieãm höõu cô Carbon Oxygen Sinh khoái taûo Nitrogen phosphore Vi khuaån Vi taûo C68H95O27N4 C106H181O45N16P Nöôùc thaûi ñöôïc xöû lyù Sinh khoái vi Thöùc aên ñoàng khuaån hoùa tröïc tieáp Böùc xaï maët trôøi + 3- CO2, NH4 , PO4 CO2 trong khoâng khí
16. ¾Ao laéng coù keát caáu gioáng vôùi ao tuøy nghi nhöng ñöôïc söû duïng ôû giai ñoaïn 3 vôùi thôøi gian löu nöôùc laâu hôn töø 7 – 15 ngaøy cho pheùp chaát raén coù theå ñöôïc laéng tröôùc khi nöôùc ñöôïc thaûi ra ngoaøi. ¾Ao kî khí chuû yeáu ñöôïc söû duïng ñeå xöû lyù nöôùc thaûi tröôùc khi ñi vaøo ao tuøy nghi. Caùc ao thích hôïp cho giaù trò BOD cao 300 mg/l. 9Caùc ñieàu kieän kî khí ñöôïc duy trì baèng caùch taêng ñoä saâu cuûa ao töø 1 – 7m vaø taêng taûi löôïng BOD. Thôøi giai löu nöôùc töø 2 – 160 ngaøyvôùi khaû naêng loaïi thaûi BOD töø 70 – 80% 9Ao kî khí khoâng gioáng caùc ao khaùc ñöôïc söû duïng trong xöû lyù caáp I cuûa nöôùc thaûi sinh hoaït vaø nöôùc thaûi coâng nghieäp.
17. ThThöùöù ttöïöï cacaùcùc aoao duduøngøng chocho xxöûöû lylyùù nnööôôùcùc thathaûiûi Ao kî khí Ao tuøy nghi Ao laéng BOD giaûm 50-70% trong 1- 5 ngaøy 20-40 ngaøy 1-7 ngaøy Nöôùc thaûi Nöôùc ñaàu ra Giai ñoaïn II Giai ñoaïn III (BOD < 25mg/l) Giai ñoaïn sô caáp (BOD treân(BOD 300 mg/l)
18. Ao kî khí
19. Caùc daïng ao hieáu khí
20. So saùnh hieäu quaû xöû lyù nöôùc thaûi tröôùc vaø sau khi aùp duïng Ao hieáu khí
21. Ao tuøy nghi
22. Caùc thoâng soá ñoái vôùi ao tuøy nghi Thoâng soá Ñôn vò Giaù trò Ñoä saâu m 1 – 3 Thôøi gian löu nöôùc ngaøy 7 – 50 Taûi löôïng BOD kg/acre/ngaøy 9 – 22 BOD5 ñöôïc xöû lyù % 70 – 95 Noàng ñoä taûo mg/l 10 – 100 Noàng ñoä chaát raén lô mg/l 100 - 350 löõng ñaàu ra
23. Loïc nhoû gioït ™Haàu heát vi sinh vaät trong töï nhieân thöôøng baùm vaøo beà maët chaát raén vaø ñöôïc bieát laø maøng sinh hoïc. ™Maøng sinh hoïc phaùt trieån treân beà maët vaät lieäu, ñöôïc caáu taïo chuû yeáu laø vi khuaån vaø naám. ™Maøng sinh hoïc ngaøy caøng daøy theâm, caùc lôùp seõ ñöôïc taùch ra vaø nhöõng chaát raén lô löõng naøy ñöôïc thu laïi trong moät beå laéng.
24. Loïc nhoû gioït ™Caùc heä thoáng loïc ñöôïc söû duïng roäng raõi cho xöû lyù caáp II bôûi vì 9 Chi phí xaây, vaän haønh vaø baûo döôõng thaáp 9Thích öùng vôùi söï thay ñoåi cuûa caùc thaønh phaàn nöôùc thaûi. ™Loïc sinh hoïc ñöôïc söû duïng trong moät quaù trình ñôn, cho nöôùc ñaàu ra coù tieâu chuaån cao.
25. CaáuHình taïo 2.3 Beå. Beå loïc loïc sinh sinh hoïc hoïc nhoû nhoû gioït gioït Vaät lieäu loïc
26. Loïc nhoû gioït
27. ÖÙng duïng loïc nhoû gioït ngoaøi thöïc teá
28. Quaù trình buøn hoaït tính Trong quaù trình naøy chaát thaûi ñöôïc ñöa vaøo trong beå tieáp xuùc vôùi noàng ñoä vi sinh vaät cao trong ñieàu kieän hieáu khí Chaát thaûi töø giai ñoaïn I chaûy lieân tuïc vaøo trong beå hieáu khí ñeå taïo neân doøng chaûy nôi maø söï ñoàng hoùa sinh khoái caùc thaønh phaàn höõu cô, taïo neân nhieàu teá baøo hôn vaø sinh khoái . Söï vaän haønh bình thöôøng vaø heä thoáng doøng chaûy trong moät beå hình chöõ nhaät, thöôøng roäng 6 – 10 m vaø daøi 30 –100 m saâu 4 – 5 m .
29. Nguyeân taéc quaù trình buøn hoaït tính Nöôùc ñaõ Caáp khí xöû lyù Nöôùc thaûi Beå laéng Beå suïc khí Tuaàn hoaøn buøn Buøn Thaûi Xöû lyù buøn
30. Caùc cô cheá phaûn öùng trong quaù trình buøn hoaït tính Vuøng 1 Vuøng 2 Vuøng 3 Kî khí Thieáu khí Hieáu khí
31. Lieân keát vôùi caùc quaù trình khaùc
32. Membrane Activated Sludge Process / Membrane Bio- Reactors
33. Tích hôïp caùc quaù trình buøn hoaït tính
34. ÖÙng duïng trong thöïc teá
35. Thôøi gian löu nöôùc, buøn Thôøi gian löu nöôùc ôû beå hieáu khí ít nhaát laø 5 giôø Taûi löôïng höõu cô ñoái vôùi loïc nhoû gioït töø 0.4 – 1.2 kg BOD/m3/ngaøy. Taûi löôïng buøn laø tæ soá giöõa chaát höõu cô phaân huûy ñöôïc so vôùi sinh khoái hoaït hoùa Löu löôïng x BOD Taûi löôïng buøn = Theå tích x sinh khoái Taûi löôïng buøn giao ñoäng trong khoaûng 0.15, nhöng ñoái vôùi heä thoáng buøn hoaït tính coù theå leân ñeán 0.6. Ñoä tuoåi cuûa buøn 2-3 ngaøy vaø thôøi gian löu nöôùc töø 5 – 14 giôø
36. Suïc khí Vì buøn hoaït tính laø moät quaù trình hieáu khí ñöôïc xem laø hieäu quaù khi ñöôïc taêng cöôøng cung caáp oxygen vaø traùnh giôùi haïn oxygen Khí ñöôïc caáp qua caùc heä thoáng loã mòn vaø coù theå ñöôïc phun vôùi aùp suaát cao, vôùi muïc ñích ñaùnh tan caùc chaát raén dính baùm treân beà maët thieát bò . Giai ñoaïn tieáp xuùc thöôøng 0.5 – 1.0 giôø, chaát thaûi ñöôïc oån ñònh vaø trôû laïi beà suïc khí khoaûng 5 giôø ñeå hoaøn taát quaù trình oxy hoùa
37. Suïc khí Caùc heä thoáng luaân phieân cuûa quaù trình buøn hoaït tính goàm: hieáu khí truyeàn thoáng, suïc khí giaûm, oån ñònh tieáp xuùc, hieáu khí töøng böôùc, buøn taêng cöôøng Nhöõng thuaän lôïi cuûa heä thoáng laø söï suïc khí taêng cöôøng, cho pheùp taêng taûi löôïng BOD, vaø coù khaû naêng chòu ñöïng soác BOD. Söï khoâng thuaän lôïi laø buøn sinh ra khoù oån ñònh hôn
38. Suïc khí truyeàn thoáng Suïc khí giaûm daàn
39. OÅn ñònh tieáp xuùc
40. Suïc khí töøng böôùc
41. Buøn taêng cöôøng
42. Nhöõng chænh söûa cho caùc quaù trình ñang toàn taïi
43. Thaùpsinhhoïc OÁng ñöa nöôùc vaøo nöôùc
44. Truïc quay tieáp xuùc sinh hoïc
45. Phaûn öùng qua lôùp dòch loûng Khí sinh hoïc Nöôùc ñaõ xöû lyù Dòch loûng Hoaøn löu buøn Ñóa phaân phoái Nöôùc thaûi vaøo
46. Phaûn öùng truïc saâu
47. Beå sinh hoïc maøng vi loïc
48. Maøng vi loïc chìm trong nöôùc
49. MBR laø moät coâng trình ñôn vò trong cuïm coâng trình xöû lyù nöôùc thaûi
50. Loaïi thaûi hôïp chaát coù chöùa nitrogen
51. Quaù trình amoân hoùa ™Amoân hoùa ureâ. Thöïc hieän bôûi VSV: Planosarcina urea, Micrococcus urea, Bacillus amylovorum, Proteus vulgaris CO(NH2)2 + 2 H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O ™Amoân hoùa protein. Thöïc hieän bôûi VK: Bacillus mycoides, B. subtilis, Pseudomonas fluorescens, Xaï khuaån Streptomyces griseus Vi naám coù Aspergillus oryzae, Penicilium camemberti R-CH(NH2)COOH R=CHCOOH + NH3 R-CH(NH2)COOH + H2O R-CH2OH-COOH + CO2 + NH3 R-CH(NH2)COOH + ½ O2 R-CO-COOH + NH3
52. Quaù trình nitrate hoùa ™Giai ñoaïn nitrite hoùa. Thöïc hieän bôûi VSV: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus vaø Nitrosospira chuùng ñeàu thuoäc loaïi töï döôõng baét buoäc. + - NH4 + 3/2 O2 NO2 + H2O + 2 H + Q 9 Naêng löôïng sinh ra trong quaù trình naøy duøng ñeå ñoàng hoùa CO2 thaønh chaát höõu cô. ™Amoân hoùa protein. Thöïc hieän bôûi VK: Nitrobacter, Nitrospira vaø Nitrococcus. - - NO2 + ½ O2 NO3 + Q
53. Quaù trình phaûn nitrate hoùa ™Thöïc hieän phaûn öùng khöû nitrate thaønh khí nitô. Amoân hoaù nitrate NH2OH NH3 NO 3 NO 2 NO N2O N2 Phaûn nitrate hoaù ™Thuoäc nhoùm töï döôõng hoaù naêng coù Thiobacillus denitrificans, Hydrogenomonas agilis ™Thuoäc nhoùm dò döôõng coù Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis soáng trong ñieàu kieän kî khí, trong nhöõng vuøng ñaát ngaäp nöôùc. ™Naêng löôïng taïo ra duøng ñeå toång hôïp ATP
54. Sô ñoà phaûn öùng phaûn chuyeånhoùa nitrogen
55. Sô ñoà phaûn öùng loaïi thaûi nitrogen
56. Sô ñoà phaûn öùng loaïi thaûi nitrogen
57. Sô ñoà phaûn öùng loaïi thaûi nitrogen
58. Xöû lyù buøn —Quaù trình buøn hoaït tính sinh ra moät löôïng lôùn buøn. —Löôïng buøn naøy chuû yeáu laø sinh khoái cuûa vi sinh vaät —Sinh khoái cuûa vi sinh vaät chieám ñeán 50% veà khoái löôïng cuûa buøn hoaït tính. Khoaûng 20% ñöôïc taùi tuaàn hoaøn cho caùc coâng trình tieàn xöû lyù. —Hieän nay coù moät soá phöông phaùp xöû lyù buøn ñöôïc aùp duïng ñeå xöû lyù löôïng buøn dö ñöôïc taïo ra: —Choân trong loøng bieån —Baõi choân laáp —Ñoát —Laøm kho⠗Laøm phaân —Phaân huyû kî khí.
59. Quaù trình xöû lyù buøn ñieån hình
60. Bể nén bùn
61. Máyépbùn
62. ÖÙng duïng ngoaøi thöïc teá
63. Phaânhuûykîkhí —Chaát thaûi loûng ñaõ ñöôïc xöû lyù kî khí töø laâu trong caùc ao hoà töï nhieân hoaëc nhaân taïo. —Thuaän lôïi cuûa phaân huûy kî khí laø taïo ra ít buøn, sinh khí methane vaø khoâng caàn phaûi suïc khí —Baát tieän cuûa phaân huûy kî khí laø phaûi coù heä thoáng troän toát, nhieät ñoä yeâu caàu laø 370C, BOD cao 1.2 – 2 g/L, thôøi gian löu nöôùc daøi 30 – 60 ngaøy. —Phaân huûy kî khí laø moät quaù trình hoaøn chænh lieân quan ñeán moät loaït caùc phaûn öùng vôùi 3 nhoùm vi sinh vaät vaø qua 4 giai ñoaïn
64. Phaânhuûykîkhí Chaát beùo Carbonhydrates Protein Pha thuûy phaân 4% 76% Ñöôøng Caùc giai Acid beùo Amino Pha acid ñoaïn phaân acid hoùa huûy kî khí 24% chaát thaûi CO2 H2 Chaát beùo Pha acid Acid acetic acetic 52% 28% Acid acetic Pha 72% methane hoùa Methane H2S
65. Phaânhuûykîkhí —Nhoùm sinh vaät methane hoùa lieân quan vôùi nhoùm sinh vaät acetate hoùa. —Vi khuaån methane chuyeån hoùa H2, CO2, thaønh methane Butyric acid Acid beùo Röôïu CO2 Acetate Pha Acetate Pha Methane H2 Acetate Methane
66. Beå phaân huûy kî khí
67. Khí sinh hoïc Khí sinh hoïc Nöôùc Nöôùc saïch saïch Beå laéng Beå laéng Nöôùc thaûi Nöôùc thaûi Tuaàn hoaøn buøn Tuaàn hoaøn buøn Beå kî khí coù doøng chaûy ngöôïc Beå kî khí coù doøng chaûy ngöôïc qua lôùp vaät lieäu coá ñònh qua lôùp vaät lieäu lô löõng