Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

Trong bối cảnh môi trường đang ngày càng ô nhiễm, việc xử lý nước thải trở thành một nhu cầu cấp thiết để bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái. Một trong những phương pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường nhất hiện nay là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ về cách thức diễn ra quá trình này, những ưu nhược điểm của phương pháp, và các công trình xử lý nước thải hiện nay.

Cách thức diễn ra quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Quá trình này diễn ra trong ba giai đoạn chính:

1. Giai đoạn Oxy hóa chất hữu cơ: Tại đây, các vi sinh vật sẽ sử dụng oxy để oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ trong nước thải, từ đó tạo ra carbon dioxide, nước và các hợp chất vô cơ khác. Phương trình hóa học mô tả quá trình này như sau:
   Cx​Hy​Oz​N+(x+y/4+z/2)O2​→xCO2​+2y​H2​O+NH3​
2. Giai đoạn tổng hợp tế bào: Các vi sinh vật sẽ sử dụng các chất hữu cơ và amoniac để tổng hợp nên các tế bào mới. Quá trình này giúp tăng cường số lượng vi sinh vật cần thiết cho việc xử lý nước thải.
   Cx​Hy​Oz​N+NH3​+O2​→xCO2​+C5​H7​NO2​
3. Giai đoạn hô hấp nội bào: Giai đoạn này diễn ra khi các vi sinh vật tiêu thụ oxy và phân hủy các hợp chất hữu cơ để lấy năng lượng cho sự sống.
   C5​H7​NO2​+5O2​→xCO2​+H2​O

Các quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí có thể diễn ra trong điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Tương ứng với từng dạng vi sinh vật, quá trình sinh học hiếu khí nhân tạo được chia thành dạng lơ lửng và dạng dính bám.

• Dạng lơ lửng: Các vi sinh vật tồn tại trong nước, thường được sử dụng trong quá trình bùn hoạt tính và hồ làm thoáng.
• Dạng dính bám: Các vi sinh vật bám vào bề mặt của vật liệu lọc, được áp dụng trong bể lọc sinh học và đĩa quay sinh học.

Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học hiếu khí

Ưu điểm

1. Hiệu quả cao: So với các phương pháp xử lý khác như kỵ khí, công nghệ hiếu khí cho hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn. Chúng có thể loại bỏ tới 90% các chất ô nhiễm có trong nước thải.
2. Thân thiện với môi trường: Phương pháp hiếu khí không gây ô nhiễm thứ cấp, và các sản phẩm phụ chủ yếu là nước và CO₂, không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
3. Dễ vận hành: Quá trình xử lý hiếu khí thường dễ dàng để vận hành và kiểm soát, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người vận hành.
4. Chi phí thấp: Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn một chút, nhưng chi phí vận hành thường thấp do yêu cầu về năng lượng và nguyên liệu thấp hơn so với các phương pháp hóa học.

Nhược điểm

1. Yêu cầu không gian lớn: Phương pháp hiếu khí thường yêu cầu một diện tích đất lớn để xây dựng các công trình xử lý.
2. Chi phí đầu tư ban đầu cao: Mặc dù chi phí vận hành thấp, nhưng chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị có thể cao, đặc biệt trong các khu vực có mật độ dân cư cao.
3. Năng lượng tiêu tốn: Chi phí vận hành, đặc biệt cho năng lượng sục khí, có thể cao, và yêu cầu hệ thống bơm và máy khuấy.
4. Không có khả năng thu hồi năng lượng: Phương pháp này không cho phép thu hồi năng lượng từ quá trình xử lý như một số công nghệ khác.
5. Phát sinh bùn thải: Sau khi xử lý, một lượng bùn dư được tạo ra, và bùn này có thể không ổn định, do đó đòi hỏi phải có biện pháp xử lý bùn.

Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

1. Hồ sinh học hiếu khí

Hồ sinh học hiếu khí là các công trình mà ánh sáng có thể chiếu xuống đáy, tạo điều kiện cho quá trình quang hợp của tảo diễn ra. Nhờ vậy, oxy được cung cấp thông qua quá trình quang hợp và khuếch tán qua bề mặt nước. Hồ sinh học hiếu khí được chia thành hai loại chính: hồ tự nhiên và hồ nhân tạo (có sục khí).

2. Cánh đồng tưới và bãi lọc

Cánh đồng tưới và bãi lọc là hai công nghệ hiếu khí có thể hoạt động độc lập, nhưng trong một số trường hợp, chúng được kết hợp để tạo thành một dây chuyền công nghệ hoàn chỉnh. Cánh đồng tưới thường hỗ trợ cho cánh đồng lọc, giúp giảm lượng nước tưới và cải thiện chất lượng đất.

Phương pháp này thường áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, với tỉ lệ N:P đạt 5:1:2, rất phù hợp cho sự phát triển của thực vật. Cách hoạt động của hệ thống này dựa trên khả năng giữ lại cặn bã trên bề mặt đất, nơi nước thải sẽ thấm qua lớp đất, trong đó có vi sinh vật hiếu khí với lượng oxy có trong các mao quản của đất.

3. Bể bùn hoạt tính (bể hiếu khí Aerotank)

Bể bùn hoạt tính, hay còn gọi là bể Aerotank, là công trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó quá trình hiếu khí được thực hiện thông qua việc thổi khí và khuấy trộn. Vi sinh vật trong bể này tạo thành các hạt bùn hoạt tính lơ lửng trong pha lỏng.

Đây là phương pháp phổ biến trong xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp nhờ vào tính dễ xây dựng và vận hành. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn là việc sử dụng bơm để tuần hoàn bùn có thể dẫn đến việc tiêu tốn năng lượng.

Nguyên lý hoạt động của bể bùn hoạt tính diễn ra qua ba giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Tại giai đoạn này, tốc độ oxi hóa tương đương với tốc độ tiêu thụ oxy. Bùn hoạt tính bắt đầu hình thành và phát triển mạnh mẽ, dẫn đến sự tăng trưởng của vi sinh vật.
• Giai đoạn 2: Vi sinh vật đạt trạng thái ổn định và tốc độ tiêu thụ oxy không thay đổi. Đây là giai đoạn phân hủy mạnh nhất của các chất hữu cơ.
• Giai đoạn 3: Tốc độ oxi hóa bắt đầu giảm và sau đó tăng trở lại. Lúc này, quá trình phân hủy chất hữu cơ cũng giảm dần và nitrat hóa amoniac xảy ra. Cuối cùng, nhu cầu oxy giảm và quá trình của bể kết thúc.

Có nhiều loại bể bùn hoạt tính như bể truyền thống, bể tiếp xúc ổn định, bể cấp khí kéo dài và bể nạp nước thải theo bậc.

Xem thêm: Phương pháp xử lý khí thải lò đốt

4. Bể lọc sinh học

Bể lọc sinh học là một công trình nhân tạo cho phép nước thải đi qua lớp vật liệu lọc, trong đó vi sinh vật tạo thành lớp màng sinh học có hoạt tính cao. Màng sinh học hiếu khí giúp xử lý chất thải hiệu quả hơn so với bùn hoạt tính.

Cấu trúc của bể lọc sinh học gồm có các phần chính như hệ thống chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước và hệ thống thu hồi nước sau khi lọc. Bể này được chia thành hai loại: bể lọc có lớp vật liệu ngập trong nước và bể lọc không ngập trong nước.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong bể lọc sinh học bao gồm bản chất của chất hữu cơ ô nhiễm, tốc độ oxi hóa, cường độ thông khí và thành phần vi sinh vật.

5. Lọc sinh học nhỏ giọt

Bể lọc sinh học nhỏ giọt có nhiều biến thể như lọc sinh học nhỏ giọt quay và bể lọc sinh học thô. Công trình thường có dạng hình trụ hoặc hình chữ nhật.

Thiết bị này bao gồm năm phần chính: môi trường lọc đệm, bể chứa, hệ thống cung cấp nước thải, cống thoát ngầm và hệ thống thông gió. Nước thải sẽ được phân thành các màng nhỏ và chảy qua lớp vật liệu sinh học, nơi vi sinh vật sẽ phân hủy và loại bỏ các chất hữu cơ.

Ưu điểm của công nghệ này là tiết kiệm diện tích, chi phí đầu tư thấp và quy trình vận hành đơn giản, tự động.

6. Đĩa quay sinh học

Công nghệ này sử dụng đĩa quay để xử lý nước thải bằng cách tạo lớp màng vi sinh trên bề mặt vật liệu. RBC (Rotating Biological Contactor) có khả năng khử BOD và nitrat hiệu quả, thường được sử dụng trong xử lý nước thải chế biến thủy sản.

Trong quá trình hoạt động, các vi sinh vật sẽ sinh trưởng trên bề mặt đĩa. Khi đĩa quay, lớp màng vi sinh tiếp xúc với chất hữu cơ và không khí, từ đó hấp thụ oxy và tách các chất rắn thừa ra khỏi bề mặt nhờ lực ly tâm.

7. Mương oxi hóa

Mương oxi hóa là dạng cải tiến của aerotank với quá trình khuấy trộn hoàn chỉnh trong điều kiện hiếu khí kéo dài. Hệ thống này thường được sử dụng cho nước thải có độ ô nhiễm cao với BOD từ 1000 đến 5000 mg/l.

Mương oxi hóa có thể chia thành hai loại: liên tục và gián đoạn.

Ưu điểm của mương oxi hóa bao gồm đơn giản trong thiết kế, chi phí vận hành thấp và hiệu quả xử lý cao đối với BOD, nitơ và photpho. Ngoài ra, hệ thống này ít bị ảnh hưởng bởi sự biến động lớn về chất lượng và lưu lượng nước thải.

Xem thêm: Quy trình bảo trì hệ thống xử lý nước thải

8. Bể hiếu khí gián đoạn (SBR)

Bể SBR là loại bể phản ứng hoạt động theo chu kỳ, trong đó hai giai đoạn sục khí và lắng diễn ra trong cùng một bể. Hệ thống này rất hiệu quả trong việc xử lý nước thải chứa hợp chất hữu cơ và nitơ cao.

Quy trình xử lý diễn ra qua các bước sau:

• Pha làm đầy (filling): Nước thải được đưa vào bể SBR theo một lượng quy định, tạo điều kiện cho các vi khuẩn trong bùn hoạt tính phát triển.
• Pha sục khí (reaction): Các quá trình nitrit hóa và nitrat hóa diễn ra, đồng thời phân giải các hợp chất hữu cơ.
• Pha lắng (settling): Sau khi quá trình oxi hóa hoàn tất, quá trình lắng xảy ra trong môi trường tĩnh, bùn lắng xuống đáy bể và nước trong sẽ nổi lên.
• Xả cặn dư và nước: Sau thời gian lắng, nước nổi sẽ được xả ra ngoài bể và cặn dư cũng được loại bỏ.

9. Bể Unitank

Bể Unitank là một hệ thống xử lý nước thải gồm ba ngăn liên thông với nhau. Trong mỗi ngăn đều có thiết bị sục khí và cánh khuấy. Các ngăn này thực hiện chức năng sục khí và lắng.

Quy trình hoạt động của bể Unitank bao gồm hai giai đoạn chính với hai pha trung gian. Nước thải được đưa vào ngăn thứ nhất, sau đó hòa trộn với bùn hoạt tính và chuyển sang ngăn thứ hai để tiếp tục sục khí. Cuối cùng, nước thải được chuyển vào ngăn thứ ba để lắng, và nước trong sẽ được xả ra ngoài.

10. Bể Biofor

Bể Biofor là hệ thống lọc sinh học với vi khuẩn hiếu khí, nơi nước thải được phân phối đều lên trên nhờ hệ thống đĩa thổi khí. Trong quá trình này, các cặn lơ lửng trong nước thải sẽ được giữ lại, trong khi các vi sinh vật sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ thành chất vô cơ.

Thiết kế của bể Biofor giúp hạn chế phát sinh mùi, với khả năng giảm BOD-COD lên đến 85-90%. Những đặc điểm nổi bật của hệ thống này bao gồm khả năng loại bỏ BOD5 với nồng độ nhỏ hơn 300 mg/l và khử nitrat bằng không khí nén.

Lời kết

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí không chỉ là một giải pháp hiệu quả trong việc xử lý nước thải mà còn giúp bảo vệ môi trường sống. Với những ưu điểm vượt trội và tính thân thiện với môi trường, phương pháp này ngày càng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Nếu bạn đang tìm kiếm một giải pháp hiệu quả và bền vững cho vấn đề xử lý nước thải của mình, hãy đến với Môi trường Hồng Thái. Chúng tôi tự hào cung cấp các dịch vụ xử lý nước thải tiên tiến, đáp ứng nhu cầu và yêu cầu của khách hàng. Liên hệ ngay hôm nay để được tư vấn chi tiết!

Xem thêm: Sơ đồ công nghệ xử lý cấp nước