Quá trình màng sinh học xử lí nước thải trong bể lọc sinh học biophin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN – ĐH QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA HÓA HỌC
_______*_______
∗∗∗∗∗∗∗
Quá trình màng sinh học xử lí nước thải trong
bể lọc sinh học biophin
Nhóm 2:

Nội dung Người phụ trách
1
1. Màng sinh học- sinh trưởng bám dính
Nguyễn Thị Duyến
2. Bể lọc sinh học (Bể biophin)
2.1. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập nước
Nguyễn Thị Hà
2.2. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước
3. Tính toán
Kết luận
Bùi Thị Hà
Mục Lục
Mục Lục 2
MỞ ĐẦU 3
KẾT LUẬN 14
TÀI LIỆU THAM KHẢO 15
2
MỞ ĐẦU
Việt Nam đang chuyển mình hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, do đó quá
trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa không nhừng phát triển và kết quả là kéo
theo quá trình đô thị hóa. Dân số tăng nhanh nên các khu dân cư tập trung dần
được quy hoạch và hình thành. Các hoạt động của con người đã gây nên sự ô
nhiễm cho môi trường đặc biệt là cho môi trường nước.Ô nhiễm nguồn ngước

hiện đang là vấn đề bức xúc hiện nay. Đã có nhiều phương pháp được áp dụng
nhằm xử lý ô nhiễm môi trường nước như phường pháp vật lý, phưng pháp hóa
học, phương pháp hấp phụ Trong đó phải kể đến phương pháp xử lí nước thải
ô nhiễm bằng phương pháp sinh học. Phương pháp sinh học có nhiều ưu điểm
nội trội mà các phương pháp không có được và hiện nay đang được sử dụng
rộng rãi. Một trong những phương pháp điển hình của phương pháp lọc sinh học
đó là sử dụng màng lọc sinh học.
3
1. Màng sinh học- sinh trưởng bám dính
1.1. Màng sinh học là gì?
Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật (chủ yếu
là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật có những loài
sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo, tạo thành màng. Màng
này cứ dầy dần thêm và thực chất đây là khối vi sinh vật dính bám hay cố định
trên các chất mang. Màng này có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ có trong
nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng hấp phụ
các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán,…
Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính
oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng.
1.2. Cấu tạo của màng sinh học
Hình 1.1. Cấu tạo màng vi sinh vật
Màng thường có độ dày từ 1-3mm và hơn nữa. Màu của màng thay đổi
theo thành phần của nước thải từ màu vàng sang đến màu nâu tối.
Màng được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật
khác nhau và có cả động vật nguyên sinh. Khác với vi sinh vật của bùn hoạt
4
tính, thành phần loài và số lượng các loài ở màng lọc tương đối đồng nhất. Mỗi
màng lọc có một quần thể cho riêng mình.
Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và các phin
lọc sinh học là các công trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải coi

đây là một hệ tùy tiện. Ngoài các vi khuẩn hiếu khí, màng còn có các vi khuẩn
tùy tiện và kị khí.
Màng sinh học gồm 4 lớp:
+ Lớp ngoài cùng lớp là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus.
+ Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes,
Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus.
+ Lớp sâu bên trong màng là kị khí, thấy có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh
và khử nitrat Desulfovibrio. Như vậy, hệ vi sinh vật trong màng sinh học của
phin lọc là các thể tùy tiện.
+ Phía dưới cùng của màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của động
vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng
một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên bề
mặt chất mang. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn
hoạt tính.
Nhìn chung ở vùng trên cùng của phin lọc có sinh khối nhiều nhất và màng
lọc cũng là dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới nữa là ít nhất. Màng vi
sinh vật sẽ tăng dần lên và dày thêm, các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với
cơ chất và ít nhận được oxi phải chuyển sang phân hủy kị khí.
1.3. Cơ chế hoạt động của màng sinh học
Màng sinh học có thể oxi hóa được tất cả các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy
có trong nước thải. Màng này dần dần bịt các khe giữa các hạt cát, phin lọc giữ
lại các tạp chất, các thành phần sinh học có trong nước làm cho vận tốc nước
qua lọc chậm dần và phin làm việc có hiệu quả hơn. Nó hấp phụ giữ lại các vi
khuẩn cũng như các tạp chất hóa học. Nó oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước
và nước được dần dần làm sạch. Nếu lớp màng quá dày ta có thể dùng nước rửa,
sục nước để loại bỏ màng và phin sẽ chảy nhanh hơn, hiệu quả của lọc có giảm
5
nhưng dần dần lại được hồi phục. Vận tốc lọc tốt nhất là vào khoảng 11000
m
3

/0,4 ha.ngày. Hiệu quả của phin lọc chậm có thể giữ được tới 99% vi khuẩn
có trong nước. Cơ chế hoạt động có thể chia thành các giai đoạn như sau:
 Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước
Lớp màng vi sinh vật phat triển trên bề mặt vật liệu đệm tiêu thụ cơ chất như
chất hữu cơ, oxi, nguyên tố vết…từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động
của mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: Đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp
xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng sinh học theo cơ chế khuếch
tán phân tử. Trong màng sinh học diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình
trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở chất rắn
dạng lơ lủng có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được chúng sẽ
phân hủy thành dạng phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục
quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng sinh học giống như trên. Sản phẩm
cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất
lỏng. Qúa trình vận chuyển được mô tả bởi công thức sau:
Chất hữu cơ + oxi + nguyên tố vết → sinh khối của vi sinh vật + sản phẩm cuối.
Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu,
những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Nếu một trong những cơ chất bị
hết ở một trong những chiều sâu nào đó của màng vi sinh vật, tại đó những phản
ứng sinh học có liên quan đến cơ chất này sẽ không xảy ra và cơ chất này được
gọi là cơ chất quá trình. Các nguyên tố vết như nito, photpho, và kim loại vi
lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỉ lệ phản ứng sinh học sẽ trở thành
yếu tố giới hạn trong màng sinh học.
 Quá trình sinh trưởng , phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật
Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu
thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: Quá trình vi sinh
vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn
6
Giai đoạn thứ nhất, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề
mặt rắn. Trong điều kiện này tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều
kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng.

Giai đoạn thứ hai độ dày màng trở lên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai
đoạn thứ hai tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không
thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang
phát triển cung không thay đổi trong trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất
tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia
tăng của sinh khối.
Trong giai đoạn thứ ba bề dày của lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ
phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân
hủy theo dây chuyền thực phẩm hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt dòng chảy. Trong
quá trình phát triển của màng vi sinh vật phát triển cả về số lượng và chủng loại.
2. Bể lọc sinh học (Bể biophin)
Dựa vào cấu tạo thiết bị xử lý, bể lọc sinh học chia làm 2 loại:
+ Bể lọc sinh học có vật liệu lọc không ngập nước (lọc nhỏ giọt)
+ Bể lọc sinh học có vật liệu lọc ngập nước
2.1.Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập nước (lọc nhỏ giọt)

Hình 2.1.Bể lọc sinh học nhỏ giọt Hình 2.2. Cấu tạo lọc sinh học nhỏ giọt
2.1.1. Cấu tạo
7
Lọc nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong
nước. Bể bao gồm vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước, sàn đỡ và thu nước.
•Vật liệu lọc
Vật liệu lọc khá phong phú: từ đá cuội, đá dăm, đá ong, vòng kim loại,
than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo tấm uốn lượn. Các loại đá nên chọn các
cục có kích thước trung bình 60 – 100 mm. Chiều cao lớp đá thường chọn 0,4m
– 2,5m – 4m, trung bình là khoảng 1,8 – 2,5m. Nếu kích thước của vật liệu nhỏ
sẽ làm giảm độ hở giữa các cục vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, nếu kích thước
quá lớn thì diện tích tiếp xúc sẽ giảm dẫn tới giảm hiệu suất xử lí. Bể với vật
liệu là đá giăm thường có dạng hình tròn.
Những năm gần đây, do kĩ thuật chất dẻo có nhiều tiến bộ, nhựa PVC, PP

được sử dụng rộng rãi do có đặc điểm là rất nhẹ.
Các vật liệu lọc cần đáp ứng các yêu cầu sau:
- Diện tích riêng lớn
- Chỉ số chân không cao để tránh lắng đọng
- Nhẹ, có thể sử dụng ở độ cao lớn
- Có độ bền cơ học đủ lớn.
•Hệ thống phân phối
nước:
Nước thải được phân phối trên bề mặt lớp vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn
quay phun nước thành tia hoặc nhỏ giọt. Khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt
vật liệu khoảng 0.2-0.3
m. (hình 2.1; 2.2)
•Sàn đỡ và thu nước
Sàn đỡ bằng bê tông và sàn
nung.
Khi làm việc, vật liệu dính màng sinh
học và ngậm nước nặng tới 300- 350 kg/m
3
. Để tính toán, giá đỡ thường lấy giá
trị an toàn là 500kg/m
3
. Khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường 0.6-
0.8 m. Sàn đỡ và thu nước thường có hai nhiệm vụ:
- Thu đều nước có các mảnh vỡ của màng sinh học bị
tróc.
8
- Phân phối đều gió vào bể lọc để duy trì MT hiếu khí trong các khe
rỗng.
2.1.2. Cơ chế hoạt động
Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích mặt tiếp xúc trong một đơn vị diện

tích là lớn nhất trong điều kiện có thể. Nước từ hệ thống phân phối nước đến vật
liệu lọc chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của
vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt của vật liệu và được
làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí và kị khí các chất hữu cơ có
trong nước. Các chất hữu cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO
2
và nước, phân hủy
kị khí sinh ra CH
4
và CO
2
làm tróc màng ra khỏi vật mang, bị nước cuốn theo.
Trên mặt giá mang là vật liệu lọc lại hình thành màng mới. Hiện tượng này
được lặp đi lặp lại nhiều lần. Kết quả là BOD của nước thải bị vi sinh vật sử
dụng làm chất dinh dưỡng và bị phân hủy kị khí cũng như hiếu khí: nước thải
được làm sạch.
Nước thải trước khi đưa vào sử lí ở lọc phun cần phải qua xử lí sơ bộ để
tránh các tắc nghẽn các khe trong vật liệu. Nước sau khi xủ lí ở lọc sinh học
thường chứa nhiều chất lơ lửng do các mảnh vỡ của màng sinh học cuốn theo,
vì vậy cần phải đưa vào lắng 2 và lưu ở đây thời gian thích hợp để lắng cặn.
Trong trường hợp này, khác với nước ra ở bể aroten: nước ra khỏi bể lọc sinh
học thường ít bùn cặn hơn bể aroten. Nồng độ bùn cặn ở đây thường nhỏ hơn
500mg/l, không xảy ra hiện tượng làm hạn chế. Tải trọng bề mặt của lắng 2 sau
lọc phun vào khoảng 16-25 m
3
/m
2
.ngày.
2.1.3. Phân loại bể lọc nhỏ giọt
Dựa vào các thông số khác nhau của bể lọc mà người ta chia ra làm hai

loại: bể lọc tải trọng thấp và bể lọc tải trọng cao. Sự khác nhau được đưa ra dưới
bảng 2.1.
9
Bảng 2.1. Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinh học nhỏ giọt
(các chỉ tiêu thiết kế)
Thông
số
Đơn vị đo Tải trọng thấp Tải trọng
cao
Chiều
cao lớp
VL
m 1-3 0,9-2,4
(đá)
6-8 (nhựa
tấm)
Loại VL Đá cục, than
cục, đá ong,
cuội lớn
Đá cục,
than, đá
ong, nhựa
đúc
Tải
trọng
theo
chất
kgBOD
5
/m

3
vật liệu ngày
0,08-0,4 0,4-1,6
Tải
trọng
thủy lực
theo
diện tích
bề nặt
m
3
/m
2
.ngày 1-4,1 4,1- 40,7
Hiệu
quả
BOD
% 80-90 65-85
Chú ý: tải trọng thủy lực nêu trong bảng là tỉ số của lưu lượng nước xử lý
(m
3
/ngày) cộng với lưu lượng tuần hoàn (m
3
/ngày) (nếu có) chia cho diện tích
bề mặt của bể lọc S (m
2
).
2.1.4. Ưu, nhược điểm của bể lọc sinh học nhỏ giọt
•Ưu điểm của bể lọc sinh học nhỏ giọt:
- Quá trình oxi hóa rất nhanh nên rút ngắn được thời gian xử lí.

- Điều chỉnh được thời gian lưu nước và tốc độ dòng chảy.
- Xử lí hiệu quả nước cần có quá trình khử nitrat hoặc phản nitrat hóa.
- Nước ra khỏi bể lọc sinh học thường ít bùn cặn hơn bể aroten.
10
•Nhược điểm của bể lọc sinh học:
- Không khí ra khỏi bể lọc thường có mùi hôi thối
- Khu vực xung quanh bể thường có nhiều ruồi muỗi
2.2. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước
2.2.1. Cấu tạo
Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước cũng bao gồm vật liệu lọc, hệ
thống phân phối nước, sàn đỡ và thu nước giống như bể lọc sinh học có vật liệu
không ngập nước. Tuy nhiên lớp vật liệu lọc được thiết kế ngập trong nước
(hình 2.3).
Hình 2.3. Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước
2.2.2 Cơ chế hoạt động
Trong quá trình làm việc, lọc có thể khử BOD và chuyển hóa NH
4
+
thành
NO
3
-
, lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng. Để tiếp tục khử được
BOD, NO
3
-
, và P người ta thường đăt 2 lọc liên tiếp.Giàn phân phối khí của lọc
sau khi ở giữa lớp vật liệu với độ cao sao cho lớp vật liệu nằm ở phía dưới là
vùng hiếu khí để khử NO
3

-
và P. Ở lọc này nước và không khí cùng chiều đi từ
dưới lên cho hiệu quả xử lí cao.
Kĩ thuật này được áp dụng cho việc xử lí nước thải sinh hoạt đô thị đồng
thời khử được những hợp chất hữu cơ cacbon và nito đồng thời loại bỏ được
huyền phù. Đối với nước sạch sinh hoạt phương pháp lọc sinh học với vật liệu
ngập nước rất thích hợp để nitrat hóa và khử nitrat hóa.
2.2.3. Ưu, nhược điểm của bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập nước
11
• Ưu điểm
Kĩ thuật này dựa trên hoạt động của quần thể vi sinh vật tập trung ở màng
sinh học có hoạt tính mạnh hơn ở bùn hoạt tính. Do đó phương pháp này có một
số ưu điểm sau:
- Chiếm ít diện tích
- Đơn giản dễ dàng cho việc bao che công trình, khử độc và đảm bảo mĩ
quan.
- Không cần phải rửa lọc
- Phù hợp với nước thải pha loãng
- Đưa vào hoạt động rất nhanh
- Dễ dàng tự động hóa
• Bên cạnh đó bể lọc sinh học có vật liệu ngập nước có nhược điểm:
- Tăng tổn thất tải lượng
- Giảm lượng nước thu hồi
- Tổn thất khí cấp cho quá trình
- Giảm khả năng giữ huyền phù
3. Tính toán
3.1. Hiệu suất lọc sạch
n
S
f

Q
H
Ak
S
S

0
=
Trong đó:
S
o
- BOD
5
của nước sau khi lắng 1 (mg/l)
S
f
- BOD
5
của nước ra khỏi lọc sau lắng 2 (mg/l)
A
S
– Diện tích riêng của vật liệu lọc (m
2
/m
3
)
H – chiều cao chứa vật liệu (m)
Q – Lưu lượng thủy lực tính bằng m
3
/ ngày.tiết diện của lớp đệm. Tải

lượng này không tính đến tải lượng tuần hoàn mà chỉ tính đến tải lượng đã xử lí
n- hệ số thực nghiệm: n=
S
A
48,21
91,0
−
12
k- hằng số thủy phân sinh học. Phụ thuộc vào bản chất của chất gây ô
nhiễm đem xử lí và nhiệt độ.
3.2. Thể tích cần thiết của khối vật liệu
0
q
Q
W =
Trong đó: Q – lưu lượng nước thải cần xử lí (m
3
/ngày)
q
0
– tải trọng thủy lực (m
3
/m
3
.ngày)
3.3. Tải trọng thủy lực
0
0
0
.

S
FC
q
a
=
(m
3
/m
3
.ngày)
Trong đó:
C
0
– tải trọng BOD
5
cho phép trên 1m
2
diện tích bề mặt lớp vật liệu
(gBOD
5
/m
2
/ngày)
F
a
– Diện tích bề mặt lớp vật liệu trong 1 đơn vị thể tích khối vật liệu
(m
2
/m
3

)
S
0
– Hàm lượng BOD
5
trong nước thải đầu vào (mg/l)
3.4. Trọng tải chất hữu cơ
η
T
KHP
C

0
=
(gBOD
5
/m
2
ngày)
Trong đó:
H – Chiều cao lớp vật liệu trong bể (m)
P – Độ rỗng của lớp vật liệu (%)
K
T
– Hằng số nhiệt độ,
)20(
047,1.2,0
−
=
T

T
K
η
- hệ số phụ thuộc vào hàm lượng BOD
5
đầu ra.
13
KẾT LUẬN:
Từ tiểu luận chúng ta có thể rút ra một số kết luận sau:
 Bể lọc sinh học ứng dụng cho quá trình nitrat hóa, bố trí sau bể aroten,
hoặc bể lọc sinh học bậc 1 khi nước thải đã bị loại bỏ hầu hết các chất
hữu cơ.
 Xử lý hợp chất hữu cơ (BOD), nito và chất lơ lửng SS
 Ứng dụng trong các công trình xử lý nước vừa và nhỏ trong công nghiệp.
 Sử dụng màng lọc sinh học trong bể lọc sinh học biophin có những ưu
điểm so với các loại bể khác:
- Đầu tiên đó là sự dễ dàng trong vận hành xử lý.
- Ngoài ra chất thải sau quá trình xử lý đó là lượng bùn dư sinh ra ít.
- Hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật ổn định ít phụ thuộc vào sự thay
đổi của nhiệt độ cũng như tải trọng lượng ô nhiễm.
14
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS. TS. Lương Đức Phẩm, công nghệ xử lý nước thải bằng phương
pháp sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục.
2. Thạc sĩ Lâm Vĩnh Sơn, bài giảng kĩ thuật xử lý nước thải.
3. Chuyên đề xử lý nước thải cao su bằng phương pháp lọc sinh ộc hiếu
khí.
15