Công nghệ xử lý nước thải CXNT-M3226A-C03-100305.doc

CHƯƠNG 3
CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ
DẠNG TĂNG TRƯỞNG LƠ LỬNG
3.1 TOÅNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng
như một số chất vô cơ như H
2
S, sunfit, ammonia, nitơ,… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật
để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất
làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể
phân chia thành 2 loại:
- Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy;
- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp
oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện
quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di
chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn chính như sau:
- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật;
- Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên
ngoài tế bào;
- Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.
Tốc độ quá trình oy hóa sinh hóa phục thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và
mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các
yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong
nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng.
3.2 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT
3.2.1 Sinh Trưởng Của Tế Bào (Cell Growth)
Tốc độ sinh trưởng của tế bào vi khuẩn: r
g
= -µX
- r

g
: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (khối lượng/thể tích.thời gian)
- µ : tốc độ sinh trưởng đặc biệt (thời gian
-1
)
- X : nồng độ vi sinh vật (khối lượng/thể tích)
Xr
dt
dX
g
µ
==
1
3 -
3.2.2 Sinh Trưởng Trong Điều Kiện Giới Hạn
Phương trình Monod:
SK
S
S
m
+
×=
µµ
- µ : tốc độ sinh trưởng đặc biệt (thời gian
-1
)
- µ
m
: tốc độ sinh trưởng đặc biệt cực đại (thời gian
-1

)
- S : nồng độ cơ chất giới hạn sự sinh trưởng (khối lượng/ thể tích)
- K
S :
hằng số tốc độ 1/2 , nồng độ cơ chất ở vị rí có tốc độ sinh trưởng bằng ½ tốc độ sinh
trưởng cực đại
SK
XS
r
s
m
g
+
=
µ
3.2.3 Quá Trình Sinh Trưởng Của Tế Bào Và Sự Tiêu Thụ Cơ Chất
r
g
= -Y.r
su
- r
g
: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (khối lượng/thể tích.thời gian)
- Y : hệ số thu hoạch cực đại (mg/mg) – khối lượng tế bào hình thành/khối lượng cơ chất bị
tiêu thụ
- r
su
: tốc độ tiêu thụ cơ chất (khối lượng/thể tích.thời gian)
Y phụ thuộc vào:
- Trạng thái oxy hóa của nguồn carbon và nguyên tố cung cấp dinh dưỡng;

- Mức độ polyme hóa cơ chất;
- Chu trình trao đổi chất;
- Tốc độ sinh trưởng;
- Các thông số vật lý khác của quá trình nuôi cấp vi sinh vật.
Tốc độ tiêu thụ cơ chất:
( )
SK
kXS
SKY
XS
r
SS
m
su
+
−=
+
=
µ
3.2.4 Ảnh Hưởng Của Quá Trình Trao Đổi Chất Nội Bào
Tốc độ phân hủy nội bào:
r
d
= -k
d
X
- k
d
= hệ số phân hủy nội bào (thời gian
-1

)
- X = nồng độ tế bào (khối lượng/thể tích)
( )
Xk
SKY
XS
r
d
S
m
g
−
+
=
µ
'
r
g
’
= -Yr
su
- k
d
X
2
3 -
Trong đó:
- r
g
’

= tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật (khối lượng/thể tích.thời gian)
d
S
m
k
SK
S
−
+
×=
µµ
'
- µ
m
’
= tốc độ sinh trưởng đặc biệt thực (thời gian
-1
)
3.2.5 Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ
r
T
= r
20
θ
(T-20)
- r
T
: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t
o
C;

- r
20
: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ 20
o
C;
- θ : hệ số hoạt độ;
- T : nhiệt độ.
Bảng 3.1 Hệ số hoạt độ của các quá trình xử lý sinh học
Quá trình
Giá trị θ
Khoảng dao động Đặc trưng
Bùn hoạt tính 1,00-1,08 1,040
Hồ thổi khí 1,04-1,10 1,080
Lọc nhỏ giọt 1,02-1,08 1,035
3.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH HIẾU KHÍ DẠNG TĂNG
TRƯỞNG LƠ LỬNG
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau:
- Oxy hóa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O
2
CO
2
+ H
2
O + ∆H
- Tổng hợp tế bào mới:
CxHyOz + NH
3
+ O
2

Tế bào vi khuẩn + CO
2
+ H
2
O + C
5
H
7
NO
2
- ∆H
- Phân hủy nội bào:
C
5
H
7
NO
2
+ 5O
2
5CO
2
+ 2H
2
O + NH
3
± ∆H
Các quá trình xử lý sinh học 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
sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều. Tùy theo trạng thái tồn tại

của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo có thể chia thành:
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử
chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bể phản ứng hoạt động
3
3 -
Enzyme
Enzyme
Enzyme
gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí. Trong số những quá trình này, quá trình bùn
hoạt tính là quá trình phổ biến nhất.
- Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình bùn hoạt tính
dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate hóa với màng cố
định.
3.3.1 Động Học Quá Trình Bùn Hoạt Tính Hiếu Khí
THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN HOÀN TOÀN KHÔNG TUẦN HOÀN
(COMPLETE-MIX REACTOR WITHOUT RECYCLE)
Giả thiết
- Hỗn hợp trong thiết bị được khuấy trộn hoàn toàn.
Cân bằng sinh khối
Tích Lũy = Vào – Ra + Sinh Trưởng
'
0
.
g
VrQXQXV
dt
dX
+−=
Ở trạng thái ổn định:









−
+
×+−= Xk
SK
SX
VQX
d
S
m
µ
00
d
S
m
k
SK
S
−
+
=
µ
θ
1

Trong đó, θ là thời gian lưu nước.
Nồng độ cơ chất của nước thải sau khi xử lý:
( )
( )
( )
( )
1
1
1
1
−−
+
=
−−
+
=
d
dS
dm
dS
kYk
kK
k
kK
S
θ
θ
µθ
θ
Cân bằng cơ chất

Tích lũy = Vào – Ra – Tiêu Thụ
4
3 -
V, X, S
Q
S
0
X
0
Q
S
X
su
VrQSQSV
dt
dS
+−=×
0
Ở trạng thái ổn định:








+
−−=
SK

kSX
VQSQS
s
0
0
( )








+
=−
SK
kSX
VSSQ
s
0
SK
kSXSS
S
+
=
−
θ
0
Nồng độ sinh khối trong nước thải sau xử lý

S
Y
SKSS
kS
SKSS
X
m
SS
µ
θθ
+
×
−
=
+
×
−
=
00
( ) ( )
θ
θ
θ
d
d
k
SSY
k
SSY
X

+
−
=
+
×
−
=
1
1
1
00
Xác định thông số động học
- Từ
kS
SK
SS
X
SK
kSXSS
S
S
+
=
−
⇔
+
=
−
0
0

θ
θ
Hay
kSk
K
SS
X
s
11
0
+×=
−
θ
- Từ
( )
θθ
dd
k
Y
SS
X
k
SSY
X
+
=
−
⇔
+
−

=
11
0
0
Hay
θ
11
0
×+=
−
Y
k
YX
SS
d
5
3 -
S
1
SS
S
−
0
θ
k
1
k
K
tg
S

=
α
THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘNG HOÀN TOÀN, CÓ TUẦN HOÀN BÙN
Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time – HRT)
- Tại bể thổi khí
Q
V
=
θ
- Đối với cả hệ thống
Q
VV
L
+
=
θ
Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time)
rWee
c
XQXQ
VX
+
=
θ
hoặc
XQXQ
VX
Wee
c
+

=
θ
Giả thiết
- Hỗn hợp trong bể thổi khí được khuấy trộn hoàn toàn
- Quá trình phân hủy sinh học chỉ xảy ra trong bể thổi khí.
Cân bằng sinh khối
Tích Lũy = Vào – Ra + Sinh Trưởng
'
00 grWee
VrXQXQXQV
dt
dX
+−−=
6
3 -
V, X, S
Q
S
0
X
0
Q
e
S
e
X
e
Bể lắng
Q
r

, X
r
Q
W
, X
r
V, X, S
Q
S
0
X
0
Q
e
S
e
X
e
Bể lắng
Q
r
, X
r
Q
W
, X