I. SƠ ĐỒ CÁC QUI TRÌNH XỬ LÝ
Sử dụng
bể tự hoại và bãi lọc ngầm để xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt
Phần thiết kế bể tự hoại và
bãi lọc ngầm sẽ được trình bày kỹ trong môn Xử Lý Nước Thải.
Các qui
trình để xử lý nước cống rãnh hoặc nước thải các nhà máy công nghiệp
II.SƠ LƯỢC CÁC
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Nước thải nói
chung có chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, đòi hỏi phải xử lý bằng những
phương pháp thích hợp khác nhau. Sau đây là tổng quan các phương pháp xử lý nước
thải.
Các phương pháp
xử lý nước thải được chia thành các loại sau:
- Phương pháp xử
lý lý học;
- Phương pháp xử
lý hóa học và hóa lý;
- Phương pháp xử
lý sinh học.
1. Phương pháp xử lý lý học
Trong nước thải
thường chứa các chất không tan ở dạng lơ lửng. Để tách các chất này ra khỏi nước
thải. Thường sử dụng các phương pháp cơ học như lọc qua song chắn rác hoặc lưới
chắn rác, lắng dưới tác dụng của trọng lực hoặc lực li tâm và lọc. Tùy theo
kích thước, tính chất lý hóa, nồng độ chất lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức
độ cần làm sạch mà lựa chọn công nghệ xử lý thích hợp.
1.1. Song chắn
rác
Nước thải dẫn
vào hệ thống xử lý trước hết phải qua song chắn rác. Tại đây các thành phần có
kích thước lớn (rác) như giẻ, rác, vỏ đồ hộp, rác cây, bao nilon… được giữ lại.
Nhờ đó tránh làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước quan trọng nhằm
đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử lý nước thải.
Tùy theo kích
thước khe hở, song chắn rác được phân thành loại thô, trung bình và mịn. Song
chắn rác thô có khoảng cách giữa các thanh từ 60 – 100 mm và song chắn rác mịn
có khoảng cách giữa các thanh từ 10 – 25 mm. Theo hình dạng có thể phân thành
song chắn rác và lưới chắn rác. Song chắn rác cũng có thể đặt cố định hoặc di động.
Song chắn rác được
làm bằng kim loại, đặt ở cửa vào kênh dẫn, nghiêng một góc 45 – 600 nếu làm sạch thủ công hoặc nghiêng một
góc 75 – 850 nếu làm sạch bằng máy. Tiết diện của song chắn có thể tròn, vuông
hoặc hỗn hợp. Song chắn tiết diện tròn có trở lực nhỏ nhất nhưng nhanh bị tắc bởi
các vật giữ lại. Do đó, thông dụng hơn cả là thanh có tiết diện hỗn hợp, cạnh
vuông góc phía sau và cạnh tròn phía trước hướng đối diện với dòng chảy. Vận tốc
nước chảy qua song chắn giới hạn trong khoảng từ 0,6 -1m/s. Vận tốc cực đại
giao động trong khoảng 0,75 -1m/s nhằm tránh đẩy rác qua khe của song. Vận tốc
cực tiểu là 0,4m/s nhằm tránh phân hủy các chất thải rắn.
1.2. Lắng cát
Bể lắng cát được
thiết kế để tách các tạp chất vô cơ không tan có kích thước từ 0,2mm đến 2mm ra
khỏi nước thải nhằm đảm bảo an toàn cho bơm khỏi bị cát, sỏi bào mòn, tránh tắc
đường ống dẫn và tránh ảnh hưởng đến các công trình sinh học phía sau. Bể lắng
cát có thể phân thành 2 loại: bể lắng ngang và bể lắng đứng. Ngoài ra để tăng
hiệu quả lắng cát, bể lắng cát thổi khí cũng được sử dụng rộng rãi.
Vận tốc dòng chảy
trong bể lắng ngang không được vượt qua 0,3 m/s. Vận tốc này cho phép các hạt
cát, các hạt sỏ và các hạt vô cơ khác lắng xuống đáy, còn hầu hết các hạt hữu
cơ khác không lắng và được xử lý ở các công trình tiếp theo.
1.3. Lắng
Bể lắng có nhiệm
vụ lắng các hạt cặn lơ lửng có sẵn trong nước thải (bể lắng đợt 1) hoặc cặn được
tạo ra từ quá trình keo tụ tạo bông hay quá trình xử lý sinh học (bể lắng đợt
2). Theo dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang và bể lắng đứng.
Trong bể lắng
ngang, dòng nước chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc không lớn hơn 0,01
m/s và thời gian lưu nước thừ 1,5 – 2,5h. Các bể lắng ngang thường được sử dụng
khi lưu lượng nước thải lớn hơn 15000 m3/ngày. Đối với bể lắng đứng, nóc thải
chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với vận tốc từ 0,5
– 0,6 m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động khoảng 45 – 120 phút. Hiệu suất
lắng của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 – 20 %.
1.4. Tuyển nổi
Phương pháp tuyển
nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng rắn hoặc lỏng) phân tán
không tan, tự lắng kém khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp, quá trình này
còn được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Trong xử
lý nước thải, quá trình tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ lửng,
làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là có thể khử hoàn
toàn các hạt nhỏ, nhẹ, lắng chậm trong thời gian ngắn.
Quá trình tuyển
nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ vào pha lỏng. Các bọt khí này
sẽ kết dính với các hạt cặn. Khi khối lượng riêng của tập hợp bọt khí và cặn nhỏ
hơn khối lượng riêng của nước, cặn sẽ theo bọt nổi lên bề mặt.
Hiệu suất quá
trình tuyển nổi phụ thuộc vào số lượng, kích thước bọt khí, hàm lượng chất rắn.
Kích thước tối ưu của bọt khí nằm trong khoảng 15 – 30 micromet (bình thường từ
50 – 120 micromet). Khi hàm lượng hạt rắn cao, xác xuất va chạm và kết dính giữa
các hạt sẽ tăng lên, do đó, lượng khí tiêu tốn sẽ giảm. Trong quá trình tuyển nổi,
việc ổn định kích thước bọt khí có ý nghĩa quan trọng.
2. Phương pháp xử
lý hóa học và hóa lý
2.1. Trung hòa
Nước thải chứa
acid vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa đưa pH về khoảng 6,5 – 8,5 trước khi thải
vào nguồn nhận hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo. Trung hòa nước thải
có thể thực hiện bằng nhiều cách:
Trộn lẫn nước thải
acid và nước thải kiềm
Bổ sung các tác
nhân hóa học;
Lọc nước acid
qua vật liệu có tác dụng trung hòa;
Hấp thụ khí acid
bằng nước kiềm hoặc hấp thụ ammoniac bằng nước acid.
2.2. Keo tụ – tạo
bông
Trong nguồn nước,
một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước các
hạt thường dao động từ 0,1 – 10 micromet. Các hạt này không nổi cũng không lắng,
và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt
và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng.
Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút
Vander Waals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay
khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra nhờ chuyển động
Brown và do tác động của sự xáo trộn.
Tuy nhiên trong
trường hợp phân tán cao, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh
điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích
dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các
nhóm hoạt hóa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh
điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của
chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hòa
điện tích có thể liên kết với các hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước
lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông.
3. Phương pháp
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 H2S, Sunfit, ammonia, Nito… 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 để làm thức ăn. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý
sinh học có thể phân thành 2 loại:
- Phương pháp kị
khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị 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 chất phân tán nhỏ trong
nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính
như sau:
– Chuyển các chất
ô nhiễm từ pha lỏng đến 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
oxy hóa sinh hóa phụ thộc 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 hoá là chế độ thủy động,
hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và các yếu tố vi lượng.
3.1. Phương pháp
sinh học kỵ khí
Quá trình phân hủy
kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm
trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên phương trình phản ứng sinh hóa
trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:
Vi sinh vật
Chất hữu cơ ——————>
CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới
Một cách tổng
quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
- Giai đoạn 1:
thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;
- Giai đoạn 2:
acid hóa;
- Giai đoạn 3:
acetate hóa;
- Giai doạn 4:
methan hóa.
Các chất thải hữu
cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates,
celluloses, lignin,…trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo những phân
tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein
thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid
béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển
hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic
acid, propionic acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu
đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrate. Vi
sinh vật chuyển hóa methan chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định
như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines, và CO.
Tùy theo trạng
thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:
- Quá trình xử
lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ
khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng
nước đi từ dưới lên (UASB);
- Qúa trình xử
lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí
(Anaerobic Filter Process).
3.2. Phương pháp
xử lý sinh học hiếu khí trong xử lý nước thải
Quá trình xử lý
sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn:
- Oxy hóa các chất
hữu cơ;
- Tổng hợp tế
bào mới;
- Phân hủy nội
bào.
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 gián đoạn, quá trình
lên men phân hủy hiếu khí. Trong số các 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 với
màng cố định.
Kỹ sư Phan Kiêm
Bảo Long
Ghi chú: trên đây chỉ là một số sơ đồ tiêu biểu,
tùy theo điều kiện chúng ta có thể lắp thêm hoặc thay đổi các thành phần của
qui trình.
Các điểm
cần chú ý khi thiết kế các qui trình xử lý
- Tính khả
thi của qui trình xử lý: tính khả thi của qui trình xử lý dựa trên kinh
nghiệm, các số liệu, các ấn bản về các nghiên cứu trên mô hình và thực tế.
Nếu đây là những qui trình hoàn toàn mới hoặc có các yếu tố bất thường,
các nghiên cứu trên mô hình là rất cần thiết.
- Nằm trong
khoảng lưu lượng có thể áp dụng được. Ví dụ như các hồ ổn định nước thải
không thích hợp cho việc xử lý nước thải có lưu lượng lớn.
- Có khả
năng chịu được sự biến động của lưu lượng (nếu sự biến động này quá lớn,
phải sử dụng bể điều lưu)
- Đặc tính
của nước thải cần xử lý (để quyết định qui trình xử lý hóa học hay sinh
học)
- Các chất
có trong nước thải gây ức chế cho quá trình xử lý và không bị phân hủy bởi
quá trình xử lý.
- Các giới
hạn do điều kiện khí hậu: nhất là nhiệt độ vì nó ảnh hưởng đến tốc độ phản
ứng của các quá trình hóa học và sinh học.
- Hiệu quả
của hệ thống xử lý: thường được chỉ thị bằng tính chất của nước thải đầu
ra.
- Các chất
tạo ra sau quá trình xử lý như bùn, chất rắn, nước và khí đều phải được
ước tính về số lượng. Thông thường thì người ta dùng các mô hình để xác
định phần này.
- Xử lý bùn:
việc chọn qui trình xử lý bùn nên cùng lúc với việc lựa chọn qui trình xử
lý nước thải để tránh các khó khăn có thể xảy ra sau này đối với việc xử
lý bùn.
- Các giới
hạn về môi trường: hướng gió thịnh trong năm, gần khu dân cư, xếp loại
nguồn nước... có thể là các yếu tố giới hạn cho việc lựa chọn hệ thống xử
lý.
- Các hóa
chất cần sử dụng: nguồn và số lượng, các yếu tố làm ảnh hưởng đến việc
tăng lượng hóa chất sử dụng và giá xử lý.
- Năng lượng
sử dụng: nguồn và ảnh hưởng của nó đến giá xử lý.
- Nhân lực:
kể cả công nhân và cán bộ kỹ thuật. Cần phải tập huấn đến mức độ nào.
- Vận hành
và bảo trì: cần phải cung cấp các điều kiện, phụ tùng đặc biệt nào cho quá
trình vận hành và bảo trì.
- Độ tin cậy
của hệ thống xử lý bao gồm cả trường hợp chạy quá tải hay dưới tải.
- Độ phức
tạp của hệ thống xử lý.
- Tính tương
thích với các hệ thống và thiết bị có sẵn.
- Diện tích
đất cần sử dụng, kể cả khu vực đệm cho hệ thống xử lý.
