NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU SỐC CỦA BỂ USBF THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI CÔNG SUẤT 20M3NGÀY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU SỐC CỦA BỂ USBF
THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI
CÔNG SUẤT 20M3/NGÀY

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG THỊ HUỲNH LIÊU
Ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Niên khóa: 2005 - 2009

Tháng 7/2009


NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU SỐC CỦA BỂ USBF
THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỦ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI
CÔNG SUẤT 20M3/NGÀY

Tác giả

TRƯƠNG THỊ HUỲNH LIÊU

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành
Kỹ thuật môi trường

Giáo viên hướng dẫn:
ThS. Phạm Trung Kiên

Tháng 7/2009

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo

CÔNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

KHOA CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

===oOo===

**************

1 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KLTN

KHOA
: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
NGÀNH
: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
HỌ VÀ TÊN SV : TRƯƠNG THỊ HUỲNH LIÊU
MSSV: 05127003
NIÊN KHOÁ
: KHOÁ 31 (2005 – 2009 )
1. Tên đề tài: “Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF. Áp dụng thiết kế hệ
thống xủ lý nước thải chăn nuôi theo TCVN 5945 – 2005, mức A, công suất 20m3/ngày
đêm”
2. Nội dung KLTN:

™ Tổng quan về bể USBF.
™ Xác định các thông số động học xử lý chất dinh dưỡng.
™ Nghiên cứu hiệu quả xử lý của bể USBF với thời gian lưu nước khác nhau.
™ Nghiên cứu khả năng xử lý các chất khi thay đổi thể tích mô hình.
™ Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF bằng cách không điều chỉnh nồng
độ khi chạy mô hình thí nghiệm.
™ Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF bằng cách thay đổi loại nước thải.
™ Tổng hợp số liệu và ứng dụng thiết kế hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi .
3. Thời gian thực hiện: Bắt đầu: 26/5/2008
Kết thúc 30/6/2009
4. Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS: Phạm Trung Kiên
Nội dung và yêu cầu KLTN đã được thông qua khoa và bộ môn
Ngày

Tháng

Năm 2009

Ban chủ nhiệm khoa
ThS. Nguyễn Vinh Quy
Kiên
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Người duyệt( chấm sơ bộ)………………………......
Đơn vị……………………………………………….
Ngày bảo vệ…………………………………………
Điểm tổng kết……………………………………….
Nơi lưu trữ luận văn……………………

Ngày

Tháng

Năm 2009

Giáo viên hướng dẫn
ThS. Phạn Trung


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

LỜI CẢM ƠN
Với tất cả tấm lòng kính trọng và biết ơn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
quý thầy cô của Khoa Công Nghệ Môi Trường – Trường Đại Học Nông Lâm TP. HCM,
những người đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức và những kinh
nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Xin đặc biệt cảm ơn người thầy, ThS. Phạm Trung Kiên. Cảm ơn thầy đã dành
nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình giúp đỡ cho em trong quá trình thực hiện khoá luận.
Xin cảm ơn quý thầy cô tại Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường & Tài
nguyên - Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM đã tạo điều kiện cho em phân tích và hoàn
thành đề tài.
Xin chân thành cảm ơn tập thể ĐH05MT - những người bạn luôn bên cạnh quan
tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn tốt
nghiệp.
Xin cảm ơn gia đình là nguồn động viên, là điểm tựa vững chắc, đã hỗ trợ và luôn
giúp con có đủ nghị lực để vượt qua khó khăn và hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình.
Dù đã cố gắng, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên không thể
tránh được những sai sót, kính mong nhận được sự góp ý và sửa chữa của thầy cô và các
bạn về khóa luận tốt nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn!
Trương Thị Huỳnh Liêu

i


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

TÓM TẮT KHOÁ LUẬN
Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF. Áp dụng thiết
kế hệ thống xủ lý nước thải chăn nuôi theo TCVN 5945 – 2005, mức A, công suất
20m3/ngày đêm” được tiến hành tại phòng thí nghiệm khó Môi trường và Tài nguyên
trường Đại học Nông Lâm TPHCM, thời gian từ 26/05/2008 đến 30/06/2009.
Kết quả thu được cho thấy mô hình USBF rất thích hợp cho xử lý nước thải có chất
dinh dưỡng cao, có khả năng chịu sốc khi nồng độ và tính chất nước thải thay đổi.
Bùn hoạt tính thích nghi rất nhanh với đặc tính của nước thải và điều kiện vận hành
của mô hình. Việc kết hợp 3 modul trong một quá trình xử lý tạo ra ưu điểm lớn trong việc
nâng cao hiệu quả xử lý. Với sự kết hợp này sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý, tiết kiệm vật
liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống.
Thể tích các ngăn hiếu khí, thiếu khí, lắng dễ thay đổi phù hợp theo yêu cấu tính
chất nước thải cần xử lý.
Ứng dụng thiết kế hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi quy mô nhỏ.

-

ii


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................................ I

TÓM TẮT KHOÁ LUẬN ........................................................................................................................II
MỤC LỤC ............................................................................................................................................. III
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................................................... V
DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................................................VII
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................................VIII
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................................................... 1

1.2

MỤC TIÊU ............................................................................................................................... 1

1.3

NỘI DUNG............................................................................................................................... 1

1.4

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................................. 2

1.5

PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................................................................ 2

1.6

Ý NGHĨA ................................................................................................................................. 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG USBF ............................................................................. 3
2.1

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG........................................................... 3

2.1.1

Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng đến môi trường và con người .......................................... 3

2.1.2

Một số phương pháp xử lý Nitơ và Photpho bằng phương pháp sinh học........................... 3

2.2

TỒNG QUAN BỂ USBF .......................................................................................................... 5

2.2.1

Cấu tạo ................................................................................................................................ 6

2.2.2

Nguyên lý hoạt động - Chế độ vận hành.............................................................................. 7

2.2.3

Các quá trình diễn ra trong hệ thống .................................................................................. 7

2.2.4

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống ............................................. 9

2.2.5

Những vấn đề thường gặp khi vận hành hệ thống USBF................................................... 12

2.2.6

Các nghiên cứu về hệ thống USBF xử lý nước thải. .......................................................... 19

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU KHÀ NĂNG CHỊU SỐC CỦA BỂ USBF TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI.
22
3.1

CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH............................................................................................................ 22

3.1.1

Vị trí lắp đặt mô hình......................................................................................................... 22

3.1.2

Mô hình thí nghiệm ............................................................................................................ 22

3.1.3

Mẫu nước thải.................................................................................................................... 23

3.1.4

Bùn hoạt tính...................................................................................................................... 23

3.2

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................................... 23

3.3

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH............................................................................................... 25

3.4

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................................................... 25

3.4.1

Kết quả phân tích thành phần nước thải ban đầu.............................................................. 25

3.4.2

Tính toán các thông số động học ....................................................................................... 26

3.4.3

Xác định hiệu quả xử lý các chất theo thời gian lưu nước................................................. 29

3.4.4

Xác định hiệu suất xử lý khi thay đổi thể tích vùng trong bể USBF .................................. 36

3.4.5

Xác định khả năng chịu sốc của hệ thống về nồng độ và tính chất nước thải. .................. 42

iii


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI .................................... 46
4.1
4.1.1
4.2

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ...................................................................................... 46
Lưu lượng và tính chất cửa nước thải chăn nuôi cần xử lý ............................................... 46
TÍNH TOÁN CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ XÂY DỰNG .................................................... 50

4.2.1

Bể điều hòa ........................................................................................................................ 50

4.2.2

Bể lắng đứng...................................................................................................................... 51

4.2.3

Bể USBF ............................................................................................................................ 51

4.2.4

Bể phản ứng kết hợp lắng .................................................................................................. 51

4.2.5

Bể khử trùng ...................................................................................................................... 51

4.2.6

Bể chứa bùn ....................................................................................................................... 52

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................... 53
5.1

KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 53

5.2

KIẾN NGHỊ............................................................................................................................ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................................... 54
PHỤ LỤC ................................................................................................................................................. 55

iv


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2-1. Các chất dinh dưỡng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào vi sinh vật .........11
Bảng 2-2. Giá trị dinh dưỡng cần thiết dể khử BOD( g/kg)................................................11
Bảng 2-3. Ảnh hưởng của sự thay đổi về sinh học, hoá học và lý học đến sự hình thành
bọt/váng ...............................................................................................................................16
Bảng 2-4. Những dạng bọt chính trong bùn hoạt tính.........................................................17
Bảng 2-5. Các nguyên nhân gây tạo bọt trong ngăn hiếu khí và cách khắt phục................18
Bảng 3-1. Bảng mô tả các thí nghiệm .................................................................................24
Bảng 3-2. Các phương pháp phân tích chỉ tiêu ...................................................................25
Bảng 3-3. Bảng kết quả phân tích thành phần nước thải.....................................................25
Bảng 3-4. Các biến số và thông số của các phương trình ...................................................27
Bảng 3-5. Các thông số dùng để tính tốc độ sử dụng cơ chất riêng K (ngày-1) và hằng số
bán tốc độ Ks (mg/l) .............................................................................................................27
Bảng 3-6. Các thông số dùng để tính hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại Y và hệ số
phân huỷ nội bào Kd ............................................................................................................28
Bảng 3-7. Kết quả thí nghiệm B1........................................................................................30
Bảng 3-8. Kết quả thí nghiệm B2........................................................................................31
Bảng 3-9. Kết quả thí nghiệm B3........................................................................................32
Bảng 3-10. Kết quả thí nghiệm B4.....................................................................................33
Bảng 3-11. Kết quả thí nghiệm B5......................................................................................34
Bảng 3-12. Hiệu quả xử lý Nitơ theo thời gian lưu nước....................................................34
Bảng 3-13.Kết quả thí nghiệm B3.1....................................................................................35
Bảng 3-14. Kết quả thí nghiệm C1......................................................................................36
Bảng 3-15. Kết quả thí nghiệm C2......................................................................................37
Bảng 3-16. So sánh hiệu suất xử lý COD khi thay đổi thể tích ngăn hiếu khí, ngăn thiếu
khí, nhưng vẫn giữ nguyên thể tích ngăn lắng ....................................................................38
Bảng 3-17. So sánh hiệu suất xử lý COD khi thay đổi thể tích ngăn hiếu khí, ngăn thiếu
khí, nhưng vẫn giữ nguyên thể tích ngăn lắng ....................................................................38
Bảng 3-18. Kết quả thí nghiệm C3......................................................................................40
Bảng 3-19. Kết quả thí nghiệm C4......................................................................................41

Bảng 3-20. Kết quả thí nghiệm D1......................................................................................43
Bảng 3-21. Kết quả thí nghiệm D1.1...................................................................................44
Bảng 3-22. Kết quả thí nghiệm D2......................................................................................45
Bảng 4-1. Kết quả phân tích tích chất nước thải chăn nuôi. ...............................................46
v


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

Bảng 4-2. Hiệu quả xử lý qua các công trình đơn vị..........................................................47
Bảng 4-3. Hàm lượng các chất đầu ra của hệ thống xử lý so với tiêu chuẩn ......................48

vi


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2-1.Quá trình A2O........................................................................................................3
Hình 2-2. Quá trình hoạt động của SBR................................................................................4
Hình 2-3. Quá trình hoạt động của hệ thống USBF ..............................................................4
Hình 2-4. Mô hình cấu tạo bể USBF.....................................................................................6
Hình 2-5. Bùn liên kết kém .................................................................................................13
Hình 2-6. Bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi......................................................................14
Hình 2-7. Bùn dạng bọt váng Nocardia...............................................................................16
Hình 2-8. Bể xử lý nước thải USBF ở Strathmore, Alberta, Anh .......................................20
Hình 2-9.Modular Expansion of a USBF™ WWTP...........................................................20
Hình 2-10. Sử dụng bể USBF xử lý nước thải Golf công suất 95m3/ngày.........................21
Hình 2-11. 1 MGPD (4,000 m³/d) Municipal WWTP using shop prefabricated steel sludge
filters ....................................................................................................................................21

Hình 3-1. Sự biến thiên 1/U theo 1/S ..................................................................................27
Hình 3-2. Sự biến thiên 1/θc theo U ....................................................................................28

vii


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BOD5 (Biochemical Oxygen Demand)

: Nhu cầu oxy sinh hóa 5

COD (Chemical Oxygen Demand)

: Nhu cầu oxy hóa học

DO (Dissolved Oxygen)

: Oxy hòa tan

F/M (Food and microorganism ratio)

: Tỷ số thức ăn/ vi sinh vật

HTXLNT

: Hệ thống xử lý nước thải

HRT (Hydraulic Retension Time)

: Thời gian lư nước

MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) : Chất rắn lơ lửng trong hỗn dịch
SS (Suspended Solids)

: Cặn lơ lửng

SRT(S Retension Time)

: Thời gian lưu bùn

SVI

: Chỉ số thể tích bùn

USBF (Upflow Sludge Blanket Filter)

: Lọc ngược dòng bùn sinh học

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TCVN 5945 - 2005
công ghiệp

: Tiêu chuẩn về chất lượng nước – nước thải

TP.HCM

: Thành phố Hồ Chí Minh

XLNT

: Xử lý nước thải

VSV

: Vi sinh vật

viii


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ô nhiễm môi trường đã và đang là một vấn đề quan trọng, hệ quả của một quá trình
phát triển trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa như Việt Nam. Sự phát triển
nhanh chóng của các ngành công nghiệp và dịch vụ, quá trình đô thị hoá và tập trung dân
cư nhanh chóng là những nguyên nhân gây nên hiện trạng quá tải môi trường ở những
thành phố lớn. Hiện nay ở TP. Hồ Chí Minh, ô nhiễm nước là một trong những vấn đề môi
trường bức xúc lôi cuốn sự quan tâm của các nhà quản lý và cộng đồng dân cư.
Nước thải không được xử lý hoặc xử lý không đầy đủ được xả thải trực tiếp vào
sông và kênh rạch gây nên hiện tượng ô nhiễm nguồn nước trầm trọng. Đặc biệt là các
ngành có hàm lượng chất dinh dưỡng cao.
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong công nghệ xử lý
nước thải. Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học đang được sử dụng phổ biến nhất
trong hầu hết các hệ thống xử lý. Thường thì một hệ thống xử lý được đánh giá bởi hiệu

quả của việc xử lý như khả năng loại bỏ BOD, nito hay phospho…, khả năng áp dụng của
chúng như giá thành của hệ thống, giá thành của một m3 nước được xử lý hay độ phức tạp
của công nghệ và quá trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị…
Để góp phần đa dạng hoá các công nghệ xử lý nước thải và đơn giản hoá hệ thống
xử lý. Trong đề tài này, tôi nghiên cứu khả năng chịu sốc của hệ thống USBF để xử lý các
loại nước thải có chất dinh dưỡng cao. Hệ thốngUSBF là công nghệ cải tiến của quá trình
bùn hoạt tính trong đó kết hợp ba quá trình anoxic, aeration và quá trình lọc sinh học dòng
ngược trong một đơn vị xử lý nước thải. Công nghệ này chưa được sử dụng rông rãi ở Việt
Nam
Với sự kết hợp này sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng
chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống. Đồng thời hệ thống có thể xử lý
nước thải có tải lượng hữu cơ, N và P cao.

1.2

MỤC TIÊU

Nghiên cứu hiệu quả xử lý của bể USBF
Xác định nồng độ tối ưu bể USBF có khả năng xử lý.
Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF trong xử lý nước thải
Thiết kế hệ thống xử lý nước thải đạt TCVN 5945 - 2005 loại A

1.3

NỘI DUNG

Tổng quan về bể USBF
Nghiên cứu hiệu quả xử lý của bể USBF
Xác định nồng độ tối ưu bể USBF có khả năng xử lý.

1


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF trong xử lý nước thải
Tổng hợp số liệu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi.

1.4

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thu thập tài liệu từ thầy cô, sách, báo, internet, ...
Chạy mô hình
Phân tích mẫu
Phân tích, thống kê, tổng hợp kết quả.

1.5

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nước thải chăn nuôi tại Trung tâm chăn nuôi thú y thuộc khoa Chăn nuôi thú y
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM.
Nước thải ngành khác
Mô hình bể USBF, thể tích 100 lít, được đặt tại phòng thí nghiệm khoa Công Nghệ
Môi Trường Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM
Các thông số nghiên cứu: pH, COD, N tổng, P tổng, SS, độ đục.
Thời gian nghiên cứu từ 26/5/2008 – 30/5/2009

1.6

Ý NGHĨA

Góp phần đa dạng hoá các công nghệ xử lý nước thải.
Hiện tại, tại Trung tâm chăn nuôi thú y thuộc khoa Chăn nuôi thú y Trường ĐH
Nông Lâm TPHCM chưa có hệ thống xử lý và hệ thống USBF ít tốn diện tích nên phù hớp
với điều kiện mặt bằng khu vực.

2


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
USBF
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT DINH DƯỠNG
2.1.1 Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng đến môi trường và con người
Trong nước thải có chứa hai loại chất dinh dưỡng cần sự quan tâm hàng đầu đó là
nitrogen và phosphorus. Các sinh vật đều cần hai dưỡng chất này để phát triển. Tuy nhiên
nếu chúng hiện diện ở số lượng lớn sẽ làm mất cân bằng dinh dưỡng.
Khi hàm lượng N-NH3-, N-NO2- và P trong nước dư thừa sẽ gây nên hiện tượng phú
dưỡng hoá nguồn nước là cho rong tảo và một số thực vật nước sinh trưởng và phát triển
quá độ gây ảnh hưởng xấu đế chất lượng nước sinh hoạt và các thuỷ vực nôi trồng thuỷ
sản.
Với người, ở nồng độ cao, N-NO3- có thể gây bệnh thiếu máu và nó là một tiền chất
của N-nitroso, nitrosamin, có khả năng gây ung thư.
2.1.2 Một số phương pháp xử lý Nitơ và Photpho bằng phương pháp
sinh học

Tuần hoàn bùn

Nước thải

Giai đoạn
kỵ khí

Giai đoạn

Giai đoạn

thiếu khí

hiếu khí

Tuần hoàn bùn

Hình 2-1.Quá trình A2O

3

Lắng


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

Làm đầy

kị khí
(khuấy)

hiếu khí

(khuấy)

thiếu

Lắng

Xả nước

Hình 2-2. Quá trình hoạt động của SBR

Hình 2-3. Quá trình hoạt động của hệ thống USBF
Nhận xét:
Qua ba phương pháp xử lý Nitơ và photpho trên ta thấy:
USBF kết hợp tất cả các công đọan xử lý vào một bể làm giảm kích thước các bể và
giảm chi phí đầu tư công trình.
Với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ, các thiết bị cơ động, vận hành theo chế
độ tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình và hạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành
và bảo trì.

4


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

Là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu cơ dạng carbon (BOD, COD) và chất
dinh dưỡng (N,P) nên chất lượng nước thải sau khi xử lý luôn đảm bảo tiêu chuẩn thải
theo yêu cầu nhất là hàm lượng chất dinh dưỡng mà các công trình xử lý sinh học thông
thường khác khó đạt được.
Dưới điều kiện phân hũy hiếu khí và nồng độ bùn lớn làm giảm những tác nhân gây
mùi. Bể USBF có thể lắp đặt tại những khu vực đông dân cư mà không sợ ảnh hưởng bởi

mùi.
Bể lắng hình cone trong bể tạo không gian trống để các phản ứng khác xảy ra chung
quanh và bản thân bể lắng cũng có thể thay đổi thể tích linh động, tác động lên thể tích của
các công đoạn còn lại. Bể USBF cũng có thể chịu được sự quá tải lưu lượng, khi lưu lượng
tăng cao, lớp bùn họat tính dâng cao hình thành diện tích lọc lớn hơn nên cũng ít ảnh
hưởng đến chất lượng nước đầu ra.
Do kết hợp nhiều quá trình xử lý trong một công trình nên USBF gần như một
công trình thiết kế hoàn chỉnh, mặt khác có kiểu dáng là hình khối chữ nhật nên rất thuận
tiện để thiết kế thành từng đơn nguyên. Việc đơn nguyên hóa công trình giúp việc thiết kế
công trình linh động hơn về mặt bằng, công suất hệ thống. Chính vì kiểu dáng đơn giản
nên có thể thiết kế công nghệ USBF để cải tạo các công trình cũ hay lắp đặt trong những
không gian có sẵn.

2.2

TỒNG QUAN BỂ USBF

Công nghệ lọc dòng ngược bùn sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filter)
được thiết kế dựa trên trên mô hình động học xử lý BOD, nitrate hoá (nitrification) và khử
nitrate hóa (denitrification) của Lawrence và McCarty, Inc. lần đầu tiên được giới thiệu ở
Mỹ những năm 1900 sau đó được áp dụng ở châu âu từ 1998 trở lại đây. Tuy nhiên, hiện
nay trên thế giới mô hình của Lawrence và McCarty được áp dụng kết hợp trên nhiều dạng
khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi nước.
Công nghệ USBF để xử lý nước thải đô thị, là công nghệ cải tiến của quá trình bùn
hoạt tính trong đó kết hợp 3 quá trình Anoxic, Aeration và lọc sinh học dòng ngược trong
một đơn vị xử lý nước thải. Đây chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh

5

Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

điển, thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp. Với sự kết hợp
này sẽ đơn giản hoá hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình
xây dựng và vận hành hệ thống. Đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải có tải lượng
hữu cơ, N và P cao.
2.2.1 Cấu tạo

Hình 2-4. Mô hình cấu tạo bể USBF
Cấu tạo của mô hình:
Mô hình gồm 3 module chính: ngăn thiếu khí (anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) và
ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF). Mương chảy tràn và thu nước đầu ra, ống thu
bùn, bộ phận sục khí… Các thiết bị cần thiết bao gồm: 1 máy bơm định lượng bơm nước
thải đầu vào, 1 máy bơm bùn và 1 máy thổi khí.
Bơm nước thải được trang bị van điều chỉnh lưu lượng kiểm soát và điều khiển lưu
lượng nước thải bơm vào hệ thống. Bơm có nhiệm vụ bơm nước thải từ thùng chứa đến
ngăn thiếu khí (anoxic) theo lưu lượng xác định trước.

6


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

Nước thải từ ngăn thiếu khí tự chảy đến ngăn hiếu khí theo nguyên lý bình thông
nhau qua khe hở ở phần dưới mô hình. Không khí được cấp vào ngăn hiếu khí bằng bơm
khí và phân phối đều trên diện tích đáy ngăn hiếu khí bằng các thanh phân phối (diffuser).
Lưu lượng khí được theo dõi và điều chỉnh bằng van khí và lưu lượng kế.
Nước thải tiếp tục di chuyển qua ngăn lắng theo nguyên lý bình thông nhau qua khe
hở giữa vách ngăn ngăn lắng và chảy ngược lên máng thu nước phía trên để xả ra ngòai.
Bùn lắng đọng dưới đáy bể lắng sẽ được tuần hoàn lại ngăn thiếu khí nhờ khe hở dưới

ngăn lắng, một phần sẽ được thải bỏ theo yêu cầu bằng máy bơm bùn.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động - Chế độ vận hành
Mô hình được thiết kế nhằm kết hợp các quá trình loại bỏ carbon (COD, BOD), quá
trình nitrat hoá/khử nitrat và quá trình loại bỏ dinh dưỡng (N và P). Nước thải được loại bỏ
rác vá các chất rắn. Sau đó, được bơm vào ngăn thiếu khí thu nước đầu vào cùng trộn lẫn
với dòng tuần hoàn bùn. Ngăn này có vai trò như là ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic
Selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi
chất (Metabolism Selection) để làm tăng cường hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm
tăng cường hoạt tính của bông bùn và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật hình sợi
gây vón bùn và nổi bọt.
Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này. Sau đó, hồn hợp
nước thải và bùn hoạt tính chảy vào ngăn hiếu khí, nhờ khe hở dưỡi đáy ngăn USBF. Ở
đây ô xy được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua một máy bơm. Nước thải sau ngăn
hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển tử dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng
xuống theo phương thẳng đứng. Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do
kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính.
Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy tràn vào mương thu nước đầu ra. Một
phần hỗn hợp nước thải và bùn trong ngăn này được tuần hoàn trở laị ngăn thiếu khí.
2.2.3 Các quá trình diễn ra trong hệ thống
Qui trình USBF (Upflow Sludge Blanket Filtration) được cải tiến từ qui trình bùn
hoạt tính cổ điển kết hợp với quá trình anoxic và vùng lắng bùn lơ lững trong một công

7


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

trình xử lý sinh học. Là một hệ thống kết hợp nên chiếm ít không gian và các thiết bị đi
kèm. Qui trình USBF được thiết kế để:
Khử chất hữu cơ dạng carbonate (BOD)

Khử BOD, nitrate hóa và khử nitrtate
Khử BOD, nitrate hóa/ khử nitrtate và khử phốt pho
Để khử carbonate, vùng anoxic được xem như vùng lựa chọn mà ở đó sự pha trộn
dòng thải sẽ làm tăng khả năng lắng và khống chế quá trình tăng trưởng vi sinh vật.
Để nitrate hóa, khử nitrate và khử phospho, vùng anoxic có thể đảm đương được
vai trò này Trong qui trình này, NH3-N bị oxy hóa thành nitrite và sau đó thành nitrate bởi
vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong từng vùng sục khí riêng biệt. Nitrate được
tuần hoàn trở lại vùng anoxic và được khử liên tục tối đa. Trong phản ứng này BOD đầu
vào được xem như nguồn carbon hay nguồn năng lượng để khử nitrate thành những phân
tử nitơ.
Sự khử phospho cơ học trong qui trình này tương tự trong chu trình phospho và cải
tiến từ qui trình Bardenpho. Trong qui trình USBF, sự lên men của BOD hòa tan xảy ra
trong vùng kỵ khí hay vùng anoxic. Sản phẩm của quá trình lên men cấu thành thành phần
đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ phospho. Trong giai đoạn xử lý hiếu khí,
phospho hòa tan được hấp thu bởi phospho lưu trữ trong vi sinh khuẩn (Acinetabacter) mà
chúng đã sinh trưởng trong vùng anoxic. Phospho sau đồng hóa sẽ được loại bỏ khỏi hệ
thống như xác vi sinh hay bùn dư. Khối lượng và hàm lượng phospho loại bỏ phụ thuộc
chủ yếu vào tỉ lệ BOD/P trong nước thải đầu vào.
Qui trình USBF được thiết lập trên nguyên lý bể lắng dòng chảy lên có lớp bùn lơ
lững (upflow sludge blanket clarifier). Ngăn này có dạng hình thang, nước thải sau khi
được xáo trộn đi từ dưới đáy bể lắng qua hệ thống vách ngăn thiết kế đặc biệt mà ở đó xảy
ra quá trình tạo bông thủy lực. Bể lắng hình thang tạo ra tốc độ dâng dòng chảy ổn định
trên toàn bề mặt từ đáy đến mặt trên bể lắng, điều này cho phép sự giảm gradient vận tốc
dần dần trong suốt bể lắng.

8


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật và khả năng xử lý
của hệ thống.
2.2.4.1 Ảnh hưởng của pH
pH là một yếu tố chính trong sự phát triển của vi sinh vật. pH lớn quá hay thấp quá
đều ảnh hưởng xấu tới đời sống vi sinh. Sự hình thành bông bùn tốt nhất ở pH nằm trong
khoảng 6.5 - 8.5. Khi pH < 6.5 và > 8.5, liên kết giữa các bông bùn trở nên yếu, bùn nổi
lên do các vi khuẩn không liên kết chặt chẽ.
2.2.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ phản ứng sinh hóa trong quá
trình xử lý nước thải. Nhiệt độ không những ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật mà
còn tác động lớn tới quá trình hấp thụ khí oxy vào nước thải và sự phát triển cũng như tính
lắng của bông bùn.
Khi nồng độ MLVSS cao (> 10,000 mg/l): sự thay đổi nhiệt độ sẽ gây ra ảnh hưởng
vật lý đến bông bùn. Nếu nhiệt độ giảm, nước thải sẽ trở nên nặng làm giảm tốc độ lắng
của bông bùn. Khi nhiệt độ tăng lên, nước thải ít nặng hơn nên tốc độ lắng của bông bùn
tăng lên.
Khi nồng độ MLVSS khá nhỏ, khoảng 2000 mg/l thì sự thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh
hưởng đến cấu trúc bông bùn. Khi nhiệt độ tăng lên, vi sinh hoạt động nhiều hơn làm sinh
ra nhiều chất không hòa tan được như lipids và dầu mỡ. Những chất này được bông bùn
hấp thụ nên vận tốc lắng giảm xuống.
2.2.4.3 Ảnh hưởng của kim loại nặng
Kim loại nặng trong nước thải ức chế hoạt động của những vi khuẩn khử cBOD và
nBOD. Khi có sự hiện diện của các kim loại nặng độc hại trong nước, các vi khuẩn chỉ
khử một lượng nhỏ cBOD (cacbon BOD), do vậy vi khuẩn chỉ sử dụng một lượng nhỏ N
và P. Vì thế nồng độ các ion amoni và orthophotphat trong nước thải sẽ cao. Do các vi
khuẩn nitrat hóa bị ức chế bởi các kim loại nặng, quá trình nitrat hóa sẽ bị chậm lại. Nếu
quá trình nitrát hóa bị chậm lại hay ngừng hẳn, sẽ xảy ra sự tích lũy của các ion nitrit. Vi

9

Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

khuẩn Nitrosomonas chuyển hóa amoni thành nitrit chịu được kim loại nặng tốt hơn
Nitrobacter – vi khuẩn chuyển hóa nitrit thành nitrat, cho nên nước thải đầu ra có nồng độ
cao các ion nitrit trong khi nồng độ các ion nitrat thì thấp. Khi quá trình nitrat hóa bị
ngừng hẳn, amoni không bị oxy hóa trong bể sục khí và được thải ra ngoài. Quá trình khử
BOD bị ngưng trệ thì oxy sẽ không được sử dụng cho các hoạt động của vi sinh vật, khi đó
nồng độ oxy trong ngăn hiếu khí sẽ cao.
2.2.4.4 Ảnh hưởng của các chất dầu mỡ trong nước thải
Chất béo và dầu mỡ thường bền vững và khó bị phân hủy. Trong quá trình bùn hoạt
tính, các hợp chất này sẽ bao phủ các bông bùn và can thiệp vào hoạt động vi khuẩn cũng
như cấu trúc bông bùn. Các chất béo, dầu, mỡ này có cấu trúc hoá học tương tự như lipid
của thành tế bào sẽ được hấp thụ vào thành tế bào vi khuẩn. Các hợp chất này khi ở trên bề
mặt tế bào sẽ làm tăng nồng độ MLVSS. Một số hợp chất béo, dầu mỡ khó phân hủy sẽ
tích tụ trong bông bùn và chuyển thành dạng kị khí gây độc như metan.
2.2.4.5 Ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt
Khi trong nước thải hiện diện các chất hoạt động bề mặt như xà bông hoặc thuốc
tây, hoạt động của các trùng tiên mao và các động vật đa bào sẽ bị gián đoạn hoặc ngừng
hẳn, các bông bùn trưởng thành bị yếu và hoạt động của chúng bị ngưng trệ. Khi đó, số
lượng lớn bông bùn nhỏ được hình thành dưới dạng rời rạc hoặc phân tán. Các chất hoạt
động bề mặt này còn làm tăng tổng chất rắn lơ lửng (TSS), làm giảm hiệu quả xử lý, tăng
chi phí vận hành. Ngoài ra, chúng còn làm thay đổi sức căng bề mặt của nước. Vì vậy đôi
khi cũng sinh ra bọt váng (foam). Một vài chất hoạt động bề mặt còn hiện diện như là độc
tố.
2.2.4.6 Nhu cầu oxy
Hàm lượng oxi hoà tan (DO): đây là một trong các thông số quan trọng nhất trong
xử lý nước thải. Nhu cầu DO tuỳ thuộc vào yêu cấu thiếu khí, hiếu khí hay kị khí. Khi oxy
bị giới hạn, các vi sinh vật dạng sợi sẽ chiếm ưu tế, làm bùn hoạt tính trở nên khó lắng, tạo

khối bùn. Nên duy trì DO trong ngăn hiếu khí: 2 - 4 mg/l. DO cao (> 2 mg/l) có thể cải
thiện tốc độ nitrat hoá với tải lượng BOD cao. Giá trị DO > 4 mg/l không cải thiện hoạt
động đáng kể trong khi chi phí làm thoáng tăng đáng kể.
10


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

2.2.4.7 Lượng dinh dưỡng
Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất dinh dưỡng N, P, BOD, làm thức ăn để
chuyển hóa chúng thành các chất trơ không tan và thành tế bào mới. Thiếu dinh dưỡng sẽ
gây ra một số vấn đề vận hành trong bùn hoạt tính bao gồm: mất bùn và gây bọt trên bề
mặt ngăn hiếu khí
Bảng 2-1. Các chất dinh dưỡng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào vi sinh vật
Các chất dinh dưỡng cần thiết

C, Ca, Cl, H, K, Mg, O,P,S

Các chất dinh dưỡng thứ yếu

B, Co, Cu, Cr, F, Fe, Mn, Mo, Se, Si, Zn

Theo Settleability Problem and loss of Solids in the Activated Sludge Proces
Nồng độ dinh dưỡng sẽ giới hạn khi nồng độ Nitơ và Photpho nằm trong khoảng Tỉ
lệ BOD:N :P thường là 100:5:1.Nước thải công nghiệp thường chứa một lượng lớn BOD
hòa tan phân hủy nhanh vì vậy cần phải cung cấp một lượng lớn chất dinh dưỡng. Khi
thiếu dinh dưỡng lâu dài, các vi khuẩn dạng sợi sẽ phát triển, xuất hiện bọt, bông bùn do
thiếu dinh dưỡng trở nên không tốt. Trong suốt quá trình thiếu dinh dưỡng, một phần BOD
không phân hủy được và sẽ chuyển sang dạng không tan polysaccharide hay bùn loãng.
Dạng này sẽ được hòa tan và phân hủy sau khi dinh dưỡng được bộ sung thêm. Bùn loãng

này ở bên ngoài tế bào, ảnh hưởng khả năng lắng và làm sản sinh, tích lũy bọt.
Bảng 2-2. Giá trị dinh dưỡng cần thiết dể khử BOD( g/kg)
Dinh dưỡng

Số lượng cần thiết (g)

N

50

P

10

Fe

12

Ca

6,2

K

4,5

Mg

2

Mo

0,43

11


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

Zn

0,16

Cu

0,15

Co

0,13

Na

0,05

Theo Activated Sludge Bulking and Foaming Control
2.2.4.8 Tỉ số F/M (Tỉ số thức ăn trên sinh khối)
Thông thường, xử lý nước thải với quá trình bùn hoạt tính có:
SRT = 5 - 7 ngày, F/M = 0,2 - 0,6 gBOD/gVSS.ngày
2.2.4.9 Lượng bùn tuần hoàn

Mục đích của tuần hoàn bùn là duy trì đủ nồng độ bùn hoạt tính trong bể làm
thoáng.
Lưu lượng tuần hoàn bùn khoảng 50 - 70% của lưu lượng nước thải trung
bình.
2.2.4.10

Thời gian lưu bùn

SRT là yếu tố quan trọng trong quá trình bùn hoạt tính, vì nó ảnh hưởng đến
quá trình xử lý, thể tích bể, lượng bùn sinh ra, nhu cầu oxy.
2.2.5 Những vấn đề thường gặp khi vận hành hệ thống USBF
2.2.5.1 Bùn phát triển phân tán (Dispersed growth)
Bùn phát triển phân tán khi vi khuẩn không tạo bông bùn mà phát triển phân
tán tự do dưới dạng những cá thể riêng biệt hay những cụm nhỏ có kích thước 10 – 20 μm.
Tốc độ lắng trọng lực của những cá thể hay những cụm nhỏ này rất chậm và không xuất
hiện vùng lắng trong ngăn lắng. Điều này có ảnh hưởng như sau:
- Hiệu suất ngăn lắng thấp, nước ra khỏi bể đục.
- Lượng bùn tuần hoàn lại ít, tuổi bùn nhỏ.
Các nguyên nhân gây ra hiện tượng bùn phát triển phân tán như sau:

12


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

- Trong nước thải có các thành phần hữu cơ khó phân hủy, tải trọng bùn lớn.
- Quá trình quang hợp của các vi sinh vật cũng bị hạn chế bởi sự hiện diện
của các chất độc hại, các hợp chất ức chế trong nước thải.
2.2.5.2 Bùn không kết dính được (Pinpoint flocs)

Hình 2-5. Bùn liên kết kém
Hiện tượng ban đầu của trường hợp này rất giống hiện tượng bùn phát triển phân
tán, nghĩa là nước ra ở ngăn lắng bị đục và chứa nhiều bùn. Tuy nhiên, ta có thể phân biệt
hai hiện tượng này khi quan sát bằng kính hiển vi. Khi bùn không kết dính được thì kích
thước của bùn không lắng lớn hơn (khoảng 50 – 100 μm). Chúng là những hình cầu hỗn
độn liên kết với nhau. Hiện tượng bùn không kết dính được là kết quả của sự phân hủy
những bông bùn lớn.
Nguyên nhân phân hủy bông bùn của hiện tượng bùn không kết dính được ngược
lại với hiện tượng bùn phát triển phân tán. Tuổi bùn lớn là một trong những nguyên nhân
gây ra hiện tượng bùn không kết dính được. Bông bùn liên tục kém tập trung chất nền bên
ngoài làm cho các polysaccharidic ngoại bào như C và năng lượng phá hủy mạng polymer
của bông bùn.

13


Nghiên cứu khả năng chịu sốc của bể USBF và thiết kế HTXLNT Chăn nuôi CS 20m3/ngày

2.2.5.3 Bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi (Filamentous bulking)
Hiện tượng bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi có ảnh hưởng đến tính nén bùn hơn
là tính lắng. Khi đó vùng lắng của ngăn lắng chứa quá nhiều bùn nén kém thì bùn sẽ dễ
dàng theo dòng chảy ra ngoài gây ra những hậu quả sau đây:
• Lượng bùn tuần hoàn ít
• Khó giữ lượng bùn cần thiết trong bể phản ứng
• Khả năng tách nước của bùn kém gây khó khăn trong việc xử lý bùn

Hình 2-6. Bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi
™ Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng bùn tạo khối
¾ DO thấp
Nồng độ DO thấp là nguyên nhân thường gặp nhất gây ra hiện tượng bùn tạo khối.

Thông thường, nồng độ DO thích hợp để duy trì cho quá trình bùn hoạt tính là 2 mg/l. Khi
nồng độ DO thấp, vi khuẩn trong bông bùn liên kết với nhau yếu làm cho bông bùn liên
kết với nhau không chặt.
¾ Nước thải lên men
Nước thải bị lên men biểu hiện ở mùi trứng thối (do khí H2S sinh ra) và thường có
màu đen (do kết tủa sunfua sắt). Thành phần của nước thải lên men chứa nhiều gốc sunfua

14