CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ
I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nước là nguồn tài nguyên quý giá của tất cả các sinh vật sống trên trái đất.
Nếu không có nước thì sẽ không có sự sống xuất hiện.Vì vậy mà việc bảo vệ nguồn
nước sạch là việc làm rất quan trọng.Ngày nay, nhu cầu sử dụng nước sạch của
người dân cho hoạt động sinh hoạt và sản xuất tăng cao, nên lượng nước thải nhiễm
bẩn cũng sẽ tăng.Nếu lượng nước thải này không được xử lý mà xả thải trực tiếp sẽ
làm ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc
sống của người dân và hệ sinh thái môi trường. Để đảm bảo chất lượng nước thải
đầu ra đạt quy chuẩn xả thải, con người đã áp dụng các công nghệ xử lý nước thải
bằng phương pháp sinh học (kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí), hóa lý, cơ học để loại bỏ
chất bẩn ra khỏi dòng nước.
1-Vậy công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là gì?
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu là dựa vào hoạt động
sống của các vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Các vi sinh vật này sử
dụng các chất hữu cơ có trong nước thải và một số khoáng chất làm nguồn dinh
dưỡng cho hoạt động sống của chúng và đồng thời các chất hữu cơ này sẽ được
phân giải thành hợp chất vô cơ đơn giản. Mục đích của quá trình này là khử BOD
và COD.
2.Cơ sở chọn một công nghệ xử lý nước thải
Hệ thống xử lý nước thải là tổ hợp của nhiều công trình xử lý, trong đó nước
thải được xử lý từng bước theo từng giai đoạn, từ xử lý sơ bộ đến xử lý tinh, những
chất không hòa tan đến những chất keo và hòa tan. Khử trùng là khâu cuối cùng
trong một hệ thống xử lý nước thải.
Lựa chọn dây chuyền công nghệ là một bài toán kinh tế kỹ thuật phức tạp phụ
thuộc vào nhiều yếu tố. Để giúp cho doanh nghiệp có thêm thông tin và cơ sở cho
việc lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp, dưới đây chúng tôi đưa ra một số
tiêu chí sau:
o

Thành phần tính chất nước thải (xử lý sinh học hay xử lý hóa lý)

o

Mức độ xử lí cần thiết N6

o

Các yếu tố: điều kiện địa phương, khả năng tài chính, năng lượng, tính chất
đất đai, diện tích khu xây dựng, lưu lượng nước thải, công suất của nguồn tiếp
nhận…


Lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp với đặt tính nước thải.

o

3.Cơ sở lý thuyết `
Sự phân hủy kỵ khí là một loạt quá trình vi sinh vật phân hủy các hợp chất
hữu cơ thành khí metan( CH4)
Trong quá trình hiếu khí chỉ liên quan đến một số loài vi sinh vật, quá trình kỵ
khí lại lôi kéo hầu hết các loài vi khuẩn.
Người ta sử dụng quá trình kỵ khí để ổn định bùn trong công nghệ xử lý nước
thải.
Qúa trình sinh học kỵ khí để xử lý nước thải ô nhiễm nặng với hàm lượng
COD và BOD cao BOD> 10-30 g/l .Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm
việc để biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học.
Chất hữu cơ => CH4+CO2+H2+NH3+H2S
-

Các giai đoạn của quá trình kỵ khí :
Giai đoạn 1

Thủy phân:giai đoạn phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp thành
những đơn phân hòa tan

Giai đoạn 2

Acid hóa: vi khuẩn lên men chuyển hóa các hợp chất hòa tan thành chất
đơn giản acid béo dễ bay hơi

Giai đoạn 3

Acetic hóa: vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm cả giai đoạn
acid hóa thành acetat,CO2,H2

Giai đoạn 4

Metanhóa: Là giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí sản phẩm của 3
giai đoạn đầu thành CO2,CH4,sinh khối mới

II. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BIỆN
PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ
1.Phương pháp kỵ khí nhân tạo
a) Quá trình xử lý kỵ khí lơ lửng
 Bể UASB
Bể UASB (Upflow anearobic sludge blanket) là bể xử lý sinh học kỵ khí kiểu
đệm bùn dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí.UASB được thiết kế cho nước thải
có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp.Nồng độ COD đầu

vào được giới hạn ở mức min là 100mg/l, nếu SS>3000mg/l không thích hợp để xử
lý bằng UASB.

 Kỵ khí tiếp xúc
Gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh
bùn tuần hoàn.
b) Quá trình xử lý kỵ khí dính bám:
 Lọc sinh học kỵ khí
- Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí thường sử dụng để
xử lý nước thải có hàm lượng chất hưu cơ ( BOD và COD ) rất cao.
- Phương pháp này sử dụng rất nhiều các chủng vi sinh vật để xử lý, các chất khí
được tạo thành sau quá trình xử lý là CH4, H2S, H2, CO2, NH3.
2. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí tự nhiên
Hồ kỵ khí dùng để lắng và phân hủy cặn lắng và phương pháp sinh hóa tự nhiên
dựa trên cơ sở sống và hoạt động của vi sinh vật kỵ khí
- Chuyên xử lý những loại nước thải CN nhiễm bẩn, nước thải chứa hàm lượng các
chất hữu cơ cao.
- Trong hồ, các vi khuẩn kỵ khí phá vỡ các hợp chất hữu cơ trong dòng chảy, giái
phóng khí CH4 và CO2.
- Hồ kỵ khí làm giảm hàm lượng N, P, K và các vi sinh vật gây bệnh bằng cách tạo ra
bùn và giải phóng NH3 vào không khí


III. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:
1. Phương pháp kỵ khí nhân tạo:
- Bể UASB
- Kỵ khí tiếp xúc
- Lọc sinh học kỵ khí

a.Bể UASB


Hệ thống UASB
Cấu tạo bể UASB :
Bể UASB có thể xây dựng bằng bêtông cốt thép, thường xây dựng hình chữ
nhật.
Để dễ tách khí ra khỏi nước thải người ta lắp thêm tấm chắn khí có độ
nghiêng ≥ 35 độ C so vơí phương ngang. Thể tích ngăn lắng tính theo thời gian lưu
nước > 1h. Tổng chiều cao ngăn lắng khoảng 2 m, chiều cao phần lắng ≥ 1m
Hệ thống máng thu nước sau xử lý.
Hệ thống tách thu khí.
Nhiệt độ càng cao thì hiệu quả xử lí của bể UASB càng cao, do đó bể này áp dụng
rất tốt ở Việt Nam.


Cấu Tạo Bể UASB xử lý nước thải
Nguyên lý hoạt động:
- Nước thải được đưa vào bể UASB được phân phối từ dưới lên với vận tốc 0,6-0,9
m/h, qua lớp bùn kỵ khí , tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các
vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng vi sinh này.
- Hệ thống tách pha được thiết kế gồm các tấm chắn khí được đặt ở phía trên bể với
nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí.


- Phần nước và khí tiếp tục đi lên, các hạt cặn lơ lửng sẽ bám vào bọt khí và đi lên tới
thành tấm chắn sẽ bị va đập và rơi xuống. Khí theo ống dẫn qua bồn hấp thu chứa
dung dịch NaOH 5– 10%, bọt khí đi lên được thu lại qua ống thu khí.
- Bùn sẽ được giữ ở dưới đáy bể, nước trong sẽ được dâng lên trên và được thu hồi
theo ống dẫn đi sang công trình xử lý hiếu khí tiếp theo.

Ưu điểm của bể UASB
-

Ít tốn năng lượng vận hành

-

Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn

-

Bùn sinh ra sẽ dễ tách nước

-

Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng

-

Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí CH4

-

Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kỵ khí có thể phục hổi và hoạt động
được sau một thời gian ngưng không nạp nhiên liệu

Nhược điểm của bể UASB
-

Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn quá trình hiếu khí

-

Nhạy cảm hơn việc phân hủy chất độc

-

Quá trình khởi động cần nhiều thời gian

b) Kỵ khí tiếp xúc:
Cấu tạo:
Công trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều
chỉnh bùn tuần hoàn.

Hình ảnh: Kỵ khí tiếp xúc
Nguyên lý hoạt động: Nước thải chưa xử lý được khuấy trộn với vòng tuần
hoàn và sau đó được phân hủy trong bể phản ứng kín không cho không khí vào.


Sau khi phân hủy, hỗn hợp bùn nước đi vào bể lắng, nước trong đi ra và bùn được
lắng xuống đáy.
c)Lọc sinh học kỵ khí
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp lọc kỵ khí thường sử dụng để xử
lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ ( BOD, COD) rất cao (lên tới hàng ngàn
mg/l), phương pháp này sử dụng rất nhiều các chủng vi sinh vật để xử lý, các chất
khí được tạo thành sau quá trình xử lý là CH4 , H2S, H2, CO2, NH3.
Vật liệu lọc có thể là:
- Dạng tấm (chất dẻo).
- Vật liệu rời hạt, như hạt polyspiren có đường kính 3-5 mm.

Nguyên lý hoạt động:
- Nước thải được đưa vào bể lọc kỵ khí sẽ được phân phối đều theo diện tích đáy bể,
nước đi từ dưới lên chảy qua lớp vật liệu lọc, các chất hữu cơ sẽ bám lại tại vật liệu
lọc có chứa vi khuẩn yếm khí và tạo thành lớp màng vi sinh vật. Tại đây, các chất
hữu cơ sẽ được hấp thụ và phân hủy, bùn cặn sẽ được giữ lại trong khe rỗng của lớp
vật liệu lọc. Sau 2-3 tháng ta sẽ xả bùn dư một lần.
- Phần nước sau khi qua lớp vật liệu lọc sẽ được chảy vào máng thu và tiếp tục đi sang
công trình xử lý hiếu khí.
Ưu điểm của bể lọc kỵ khí
-

Khả năng khử BOD cao

-

Thời gian lưu nước ngắn


-

Vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải

-

Vận hành rất đơn giản, ít tốn năng lượng

-

Dễ kết hợp với các công trình xử lý khác như bể tự hoại hay bể xử lý hiếu khí

Nhược điểm của bể lọc kỵ khí
-

Theo thời gian hệ thống lọc thường bị tắc nghẽn

-

Giá thành cao, chi phí hoạt động cao

2.Quá trình xử lý bằng phương pháp kỵ khí tự nhiên
Ao hồ kỵ khí là loại ao sâu.Các VSV kỵ khí hoạt động sống không cần oxy
của không khí.

Cấu tạo
- Chiều sâu hồ từ 2,4-3,6m.
- Hồ thường được thiết kế với 2 ngăn (dự phòng).
- Thời gian lưu nước về mùa hè là >1,5 ngày còn về mùa đông > 5 ngày.
- S kỵ khí = 10-20% S hiếu khí.


Nguyên lý hoạt động:
Hồ kỵ khí thường có khả năng xử lý nước thải chứa chất hữu cơ cao (thường
> 100g BOD/m3 với độ sâu 3m hồ).Lượng chất hữu cơ có trong hồ có liên quan
mật thiết đến lượng oxy nạp vào hồ, nhằm duy trì điều kiện kỵ khí trên bề mặt
hồ.Hồ kỵ khí không có mặt của tảo, mặc dù mỗi khi chúng ta vẫn có thể bắt gặp có
sự hiện diện chủ yếu của loài Chlamydomonas trên bề mặt.Chúng hoạt động cực kỳ
hiệu quả trong điều kiện khí hậu ấm (có thể loại bỏ ñến 60 - 85% BOD). Hồ kỵ khí
làm giảm lượng N, P, K và các vi sinh vật gây bệnh bằng cách tạo ra bùn và giải
phóng NH3 vào không khí. Sau khi hoàn thành quá trình xử lý, hồ kỵ khí thường
đem lại kết quả sau:

- Chuyển đổi vật chất từ dạng vật liệu hòa tan thành dạng vật chất lắng đọng như bùn
đáy
- Hòa tan các dạng vật chất hữu cơ khác
- Phá vỡ quá trình phân hủy sinh học của các vật chất hữu cơ
- Chứa vật chất không hòa tan và không phân hủy như bùn đáy.
- Chứa vật chất không hấp thụ và ở dạng vô định hình như bùn đáy.
- Cho phép xử lý một phần dòng chảy đi qua.
Quá trình lên men và hoạt động của tiến trình oxy hóa kỵ khí trong hồ làm
giảm khoảng 70% lượng BOD5 trong dòng chảy.Đây là phương pháp rất hiệu quả
để làm giảm BOD5.Thông thường, một hồ kỵ khí đơn trong mỗi lần xử lý liên tục
sẽ đạt hiệu quả nếu nồng độ dòng thải vào nhỏ hơn 1.000 mg/l BOD5.Đối với nước
thải công nghiệp có nồng độ cao hơn, phải cần đến chuỗi 3 hồ kỵ khí mới có thể xử
lý tốt nhưng thời gian lưu ở mỗi hồ không nên ít hơn 1 ngày (McGarry and Pescod,
1970).
IV. TÍNH TOÁN
BOD: nếu có nước thải thì có thể đo được BOD. Nếu không có thể ước tính từ các
công thức bên dưới (Mara và Pearson, 1998):
Li=1000B/Q
Trong đó:
Li: BOD trong nước thải, mg/l
B: nồng độ BOD, g/ngày
Q: lưu lượng nước thải, m/ngày


THIẾT KẾ HỒ KỴ KHÍ
Hồ kỵ khí thường được thiết kế có diện tích bằng 10-20% diện tích hồ tùy
tiện. Thời gian lưu nước trong mùa hè là 1,5 ngày, trong mùa đông không quá 5
ngày. Đặc điểm cấu tạo của hồ:
+ Hồ nên có 2 ngăn làm việc để dự phòng khi xả bùn trong hồ
+ Cửa xả nước vào hồ phải đặt chìm, phải đảm bảo việc phân bố cặn lắng đồng

đều trong hồ, nếu diện tích hồ nhỏ hơn 0,5ha chỉ cần 1 miệng xả, nếu lớn hơn thì
phải bố trí thêm
+ Cửa thoát nước ra khỏi hồ thiết kế theo kiểu thu nước về mặt và có tấm ngăn để
bùn không thoát ra ngoài cùng với nước.
Hồ kỵ khí có thể thiết kế một cách hoàn chỉnh, không phát sinh mùi có hại và
khó chịu dựa trên thông số thế tích dòng chảy vào có BOD (lv,g/m/ngày), được cho
bởi:
lv=Li.Q/Va
Trong đó:
Li: dòng vào có BOD, mg/l (g/m)
Q: lưu lượng dòng chảy, m/ngày
Va: thể tích hồ kỵ khí, m
Các thông số thiết kế cho hồ kỵ khí (Mara and Pearson 1996)
Thể tích dòng vào
(g/mngày)
<10
100
10-20
10T-100
20-25
10T+100
>25
350
Nguồn: Hamzeh Ramadan, Victor M.Ponce,10/2006
Nhiệt độ T (C)

Loại bỏ BOD (%)
40
2T+20
2T+20

70

Lv có thể đạt đến 400g/m ngày, nhưng trong bảng trên lại quy định ở mức 350
nhằm đảm bảo mức độ an toàn đối với việc phát thải mùi. Lưu ý rằng thể tích BOD
dòng vào có thể chắp nhận được không nên nhỏ hơn 100g/m để duy trì điều kiện kỵ
khí. Điều này thường thích hợp cho xử lý nước thải trong nhà hay nước thải sinh
hoạt, với nồng độ SO4 nhỏ hơn 300 mg/l.
Thời gian lưu nước được xác định từ công thức:
q=Va/Q (tối thiểu trong 1 ngày, nếu tính toán cho ít hơn 1 ngày, giá trị 1 ngày có
thể dùng và giá trị Va nên phải tính toán lại).
Diện tích xây dựng hồ:


Aa=Li.Q/Dlv
Trong đó:
Aa: diện tích hồ kỵ khí, m
Li.Q: lượng BOD, g/ngày
D: độ sâu hồ, m
lv: thể tích dòng vào có BOD, g/mngày
THIẾT KẾ HỒ TÙY TIỆN
Hồ tùy tiện thường sâu tù 1,5-2,5m (4-8ft), trong đó mực nước duy trì trong
hồ thường là 1-2m (3-6 feet), với lớp hiếu khí nằm trên lớp kị khí (lớp kỵ khí
thường chưa lớp trầm tích lắng đọng), thời gian lưu thường dùng là 5-30 ngày. Sự
lên men kỵ khí xảy ra ở tầng bên dưới, và sự ổn đỉnh hiếu khí xảy ra ở tầng
trên.Thiết kế hồ tùy tiện thường dựa vào sự loại bỏ BOD. Khi nhiệt độ trung bình
trong mùa đông lên 15C, tải lượng BOD đầu vào nên nằm trong khoảng 45-90
kg/ha.ngày. Khi nhiệt độ trung bình trong mùa đông thay đổi từ 0-15, tải lượng các
chất hữu cơ khoảng 22-45 kg/ha.ngày. Khi nhiệt độ trung bình trong mùa đông
dưới 0C thì tải lượng chất hưu cơ chỉ nên từ 11-22kg/ha,ngày. tài lượng BOD dòng
vào ở ngăn đầu tiên chỉ nên giới hạn toiws40 kg/ha.ngày hoặc có thể nhỏ hơn, và

tổng thời gian lưu nước trong hệ thống là 120-180 ngày, trong điều kiện nhiệt độ
trung bình không khí dưới 0C. Trong điều kiện thời tiết ẩm với không khí trên 15C
thì tải lượng BOD dòng vào ở ngăn đầu tiên có thể đạt tới 100kg/ha.ngày.
Hiệu quả loại bỏ BOD có thể đạt đến 80-90%. Chiều sâu thiết kế hồ tùy tiện thường
là 1m, dùng để kiểm soát tốc độ tăng trưởng của thực vật. Hồ cũng có thể được
thiết kế sâu hơn nếu dùng để chứa bùn.
Thiết kệ độ sâu cho hồ tùy tiện
Trường hợp

Độ sâu,m

1

1

2

1,25

3

1,5

Ghi chú
Mô hình thiết kế phổ
biến, nhiệt độ rất đồng
đều bùn lắng tối thiểu
Điều kiện như trên như
lượng bùn lắng nhiều
hơn

Giống điều kiện 2
nhưng có thể dùng ở
những vùng có điều kiện
nhiệt độ thay đổi theo
mùa, dòng chảy trong


ngày có thể thay đổi bất
thường
Dùng để hòa tan các
chất thải có khả năng
4
>=2
phân hủy sinh học kém
và thời gian lưu được
kiểm soát.
Nguồn: Sherwood C. Reed,E. joe Middle Brook, Ronald W.Crites
Đặc điểm về cấu tạo hồ:
+ Tỷ lệ chiều dài, chiều rộng hồ thường lấy bằng 1:1 hay 2:1.Ở những vùng có
nhiều gió nên làm hồ có diện tích rộng, còn vùng ít gió nên làm hồ có nhiều ngăn.
+ Nếu đất đáy hồ dễ thấm nước thì phải phủ lớp set dày 15cm. Bờ hồ có mái dốc
1:1- 1,5:1 ở phía trong và 2:1 – 2,5:1 ở phía ngoài.
Thường hệ thống gồm 2 hay nhiều hồ (nối tiếp hoặc song song) được đề nghị sử
dụng trong xử lý, tải lượng chất hữu cơ đầu vào có thể lên đến 6,69 – 7,14 kg
BOD/ha.ngày. Đối với hệ thống hồ đơn khi sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt,
tải lượng chất hữu cơ đầu vào thường là 2,23 – 3,12 kg BOD/ha.ngày.
Thể tích xây dựng hồ tùy tiện trong xử lý nước thải như sau:
V= (3,5x10).Q.Laf.f’
Trong đó
V; thể tích hồ, m

Q: lưu lượng dòng chảy vào,1/ngày
La: các thông số cơ bản COD hay BOD ở dòng vào. mg/l
: hệ số thay đổi nhiệt độ
T: nhiệt độ hồ, C
f: tảo độc
f’: nhu cầu oxy sulfide
V. KẾT LUẬN
Phương pháp sinh học kỵ khí là phương pháp hiệu quả, nhưng tùy vào thành phần
chất ô nhiễm mà chúng ta có thể sử dụng kết hợp phương pháp sinh học kỵ khí và
hiếu khí để mang lại hiệu quả cao nhất.Chính vì vậy mà các nhà quan trắc môi
trường, doanh nghiệp và các nhà quản lý cần có sự nhận định đúng đắn để lựa chọn
công nghệ xử lý nước thải cho phù hợp.