Bài giảng Các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường - Chương 4: Quá trình sinh trưởng bám dính (Phần 1)

BK TPHCM BÀI GIẢNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Chương IV: QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH-P1 (Attached-Growth Treatment Processes) (Biofilm reactor) GVHD: TS. Lê Hoàng Nghiêm Email: hoangnghiem72@gmail.com hoangnghiem72@yahoo.com BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM2 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH ™ Quá trình sinh học bám dính (STBD) là quá trình trong đĩ màng sinh học (biological slimes) hình thành trên các giá thể (media) để đồng hĩa (assimilate) và oxy hĩa (oxidize) các chất ơ nhiễm trong nước thải. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM3 QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH (STBD)ÙÙ ÛÛ ÙÙ ™ Trong quá trình STBD, VSV bám dính (màng sinh học) trên các giá thể trơ sẽ chuyển hóa và khử hợp chất hữu cơ hoặc chất dinh dưỡng. ™ Quá trình STBD có thể họat động như quá trình hiếu khí hay kị khí. ™Giá thể cố định có thể đặt ngập trong nước hoặc không đặt ngập. ™Biofilm được sử dụng trong các cơng trình lọc sinh học, RBC, hiếu khí tiếp xúc (contact aerator), lọc ngập (SAF), MBBR. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM4 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH TRƯỞNG BÁM DÍNHÙÙ ÛÛ ÙÙ ÛÛ ÙÙ ™Màng sinh học gồm có những VSV, cặn/hạt, và polymer ngoại bào bám dính và bao phủ bề mặt giá thể (nhựa, đá) . ™ Độ dày màng sinh học = 100μm đến 10mm. ™ Trong thực tế lớp màng sinh học rất phức tạp, cấu trúc không đồng đều. ™ Nồng độ VSS của màng sinh học có thể khoảng từ 40 – 100 g/L. ™ Không có sự phát triển đồng đều của MSH trong lớp giá thể vật liệu, bởi vì chúng sẽ bị bong ra khỏi giá thể theo định kì. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM5 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH HIẾU KHÍ (AEROBIC ATTACHED-GROWTH TREATMENT PROCESSES) ÙÙ ÛÛ ÙÙ ÛÛ ÙÙ ÁÁ ™Quá trình tăng trưởng hiếu khí bám dính được sử dụng đễ khử chất hữu cơ và thực hiện quá trình nitrat hóa. ™Các công trình sử dụng quá trình này bao gồm: 9 Lọc sinh học nhỏ giọt (trickling filter) 9 Lọc sinh học cao tải (roughing filter) 9 Bể sinh học tiếp xúc quay (rotating biological contactor - RBC) 9 Bể nitrat hóa màng dính bám (fix-film nitrification reactor) 9 Bể lọc sinh học ngập nước hiếu khí (Submerged aerated biofilter) ™Các công trình này có thể chịu được tải trọng shock và sự thay đổi nhiệt độ. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM6 PHÂN LOẠI BỂ SINH HỌC STBD HIẾU KHÍ ÏÏ ÅÅ ÏÏ ÁÁ CƠNG TRÌNH SINH HỌC TĂNG TRƯỞNG LƠ LỮNG •Bùn hoạt tính •SBR •MBR •Mương oxy hĩa (OD) CƠNG TRÌNH SINH HỌC TĂNG TRƯỞNG BÁM DÍNH •Lọc sinh học •Bể sinh học tiếp quay (RBC) •Lọc sinh học hiếu khí vật liệu ngập (submerged aerated biofilter – SAF) •Bể sinh học tầng giá thể động (moving bed bioreactor - MBBR) CƠNG TRÌNH LAI HỢP •Lọc sinh học bùn hoạt tính. •Bể sinh học hiếu khí tiếp xúc (contact aerator). BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM7 Cấu tạo màng vi sinh vật ™ Lớp màng vi sinh vật chia thành hai lớp: Lớp màng kị khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài. ™Màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kị khí và vi sinh vật hiếu khí ™ Oxy hoà tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng CO2 O2 Sản phẩm sau cùng Chất hữu cơ M a ø n g v i s i n h v a ä t Nước thải Q, S G i a ù t h e å Lớp nước tĩnh Nước thải Q, S+(ΔS/∆z)dz z z + dz BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM8 Cấu tạo màng vi sinh vật Hình vẽ: Mô hình hóa lớp màng vi sinh vật CO2 O2 Sản phẩm sau cùng Chất hữu cơ M a ø n g v i s i n h v a ä t Nước thải Q, S G i a ù t h e å Lớp nước tĩnh Nước thải Q, S+(ΔS/∆z)dz z z + dz 0L x Sb Ss x + dx x xx f se dx dS AD Δ+ − x f se dx dS AD− BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM9 DÒNG CƠ CHẤT TRONG MÀNG SINH HỌCØØ ÁÁ ØØ ÏÏ ™ Dịng cơ chất xuyên qua lớp nước tĨnh là một hàm số của hệ số khuếch tán cơ chất và nồng độ cơ chất: ™ Sử dụng dấu (-) vì nồng độ cơ chất giảm dần dọc theo lớp nước tĩnh và cơ chất được loại bỏ từ khối chất lỏng Dw = hệ số khuếch tán cơ chất trong nước, m2/ngày dS/dx = gradient nồng độ cơ chất, g/m3.m Sb = nồng độ cơ chất trong khối chất lỏng, g/m3 Ss = nồng độ cơ chất trên bề mặt màng sinh học, g/m3 L = Độ dày hiệu quả của màng nhầy, m ).()( 14 L SSD dx dSD sbww −−=− BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM10 DÒNG CƠ CHẤT TRONG MÀNG SINH HỌCØØ ÁÁ ØØ ÏÏ ™ Qúa trình truyền khối trong màng sinh học được mơ tả bởi định luật Fick’s cho sự khuếch tán trong dung dịch: rbf = Tốc độ dịng cơ chất trong màng sinh học do truyền khối, g/m2.ngày De = Hệ số khuếch tán trong màng sinh học, m2/ngày ∂Sf /∂x = gradient nồng độ cơ chất, g/m3.m ™ Tốc độ sử dụng cơ chất trong màng sinh học ở mọi điểm: rsu = Tốc độ sử dụng cơ chất trong màng sinh học, g/m2.ngày Sf = Nồng độ cơ chất ở 1 điểm trong màng sinh học, g/m3 ).( 24 x S Dr febf ∂ ∂−= ).( 34 fs f su SK XkS r +−= BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM11 CÂN BẰNG KHỐI LƯỢNG CƠ CHẤT CHO MÀNG SINH HỌC ÈÈ ÁÁ ÏÏ ÁÁ ØØ ÏÏ ™ Cân bằng khối lượng cơ chất cho vi phân thể tích xung quanh (dx) trong màng sinh học: ™ Trong điều kiện ổn định, cân bằng khối lượng là: Tích lũy = vào - ra + phát sinh As = Diện tích MSH tiếp xúc với dịng cơ chất, m2 ∆x = Khoảng biến thiên, m Tốc độ tích lũy cơ chất trong phần vi phân = Tốc độ dịng cơ chất vào phần vi phân - Tốc độ dịng cơ chất r a khỏi phần vi phân + tốc độ sử dụng cơ chất trong phần vi phân ).( 440 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +Δ−+−= Δ+ fs f s xx f se x f se SK XkS xA dx dS AD dx dS AD BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM12 CÂN BẰNG KHỐI LƯỢNG CƠ CHẤT CHO MÀNG SINH HỌC ÈÈ ÁÁ ÏÏ ÁÁ ØØ ÏÏ ™ Chia 2 vế cho As và dx, và lấy biên từ ∆x đến 0 Ỵ thu được phương trình cho sự thay đổi nồng độ cơ chất trong MSH. ™ Để giải phương trình trên cần 2 điều kiện biên: 9Dịng cơ chất ở bề mặt màng sinh học bằng với dịng cơ chất xuyên qua lớp màng tĩnh 9Khơng cĩ dịng ở bề mặt giá thể. ).( 5402 2 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +− fs ff e SK XkS dx Sd D ).( 640= =Lx f dx dS BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM13 BỂ LỌC SINH HỌC (TRICKLING FILTER)ÅÅ ÏÏ ÏÏ ™ Bể lọc SH nhỏ giọt ứng dụng quá trình STBD, nước thải được phân phối đều khắp diện tích bề mặt của bể chứa những giá thể cố định không đặt ngập. ™Những vật liệu cố định có thể bằng đá, nhựa plastic, xỉ than được thiết kế sao cho chiếm khoảng 90 – 95% thể tích của tháp gồm có những khe hở. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM14 BỂ LỌC SINH HỌC Disinfectant (chlorine) Treated effluent Fine bar screens Primary sedimentation tank Raw Grit chamber sewage disposal screenings grit scum Primary sludge Primary treatment Anaerobic digestion Sludge thickening Belt press or sludge lagoon Sludge disposal Sludge treatment Secondary sedimentation tank Secondary treatment High rate trickling filter Recycled flow Q, So Qr Q, S BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM15 BỂ LỌC SINH HỌC BỂ LẮNG II BỂ LỌC SINH HỌC Vào Tới xử ̉ lý ́ bù̀n Ra ™ Màng nhầy vi sinh vật phủ lên bê ̀ mặt vật liệu lọc. Màng nhầy là quần thê ̉ vi sinh chu ̉ yếu VK di ̣ dưỡng hiếu khi ́ oxy hĩa CHC khi NT đi qua. ™ Vật liệu lọc: Đá, sỏi, nhựa tổng hợp ™ Khi màng VS phát triển dày lớp màng VS bên trong thiếu oxy va ̀ chất dinh dưỡng → giảm tốc đợ oxy hĩa → tế bào chết, mất khả năng bám dính màng VS trĩc ra khỏi VL lắng lại ở bê ̉ lắng II ™ Áp dụng: Tương tự BHT ™ Thuận lợi: Tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí QL và VH thấp ™ Bất lợi: Địi hỏi diện tích rộng, cĩ mùi hơi. Vịi phun Vật liệu lọc sàn thu nước Lỡ ̃ thơng hơi BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM16 Cấu tạo màng vi sinh vật BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM17 BỂ LỌC SINH HỌCÅÅ ÏÏ ÏÏ BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM18 BỂ LỌC SINH HỌCÅÅ ÏÏ ÏÏ BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM19 GIÁ THỂ TRONG BỂ LỌC SINH HỌCÙ Å Å Ï Ï BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM20 THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG BỂ LỌC SINH HỌC ÁÁ ËË ÅÅ ÏÏ ÏÏ ).( lọc bểtích Diện thải nước lượng Lưu=mặt bềtrọng Tải 1842 3 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡+= ngaym m A QQ r ™ Tải trọng thuỷ lực hay tải trọng bề mặt (Hydraulic loading rate - HRT): ).( 194 Q QR r= ™ Tỉ số tuần hoàn (Recirculation ratio): ).( lọc bểtích Thể BOD trọng Tải=cơ hữutrọng Tải 2043 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡×= ngaym kgBOD V SQ o ™ Tải trọng hữu cơ (Organic loading rate - OLR): BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM21 PHÂN LO ÏÏ I BỂÅ LỌÏ C SINH HỌÏ C • Bể lọc sinh học được phân loại bằng tải trọng thủy lực (HRT) hay tải trọng hữu cơ (OLR). • Bể lọc sinh học sử dụng đá làm vật liệu lọc được phân loại thành tải trọng thấp, tải trọng trung bình và tải trọng cao. • Bể lọc sinh học sử dụng vật liệu plastic đặc trưng cho bể lọc sinh học cao tải. Tuy nhiên, giá thể tiếp xúc plastic cũng được ứng dụng cho tải trọng hữu cơ thấp. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM22 PHÂN LO ÏÏ I BỂÅ LỌÏ C SINH HỌÏ C Lọc tải trọng thấp (Trickling filter) (1) ™ Lọc tải trọng thấp tương đối tương giản, bể lọc cĩ hình dạng trịn hoặc hình chữ nhật. Thơng thường, lưu lượng được cung cấp từ bể trộn nước thải vào và dịng tuần hồn. ™ Bể trộn nhỏ, thường thời gian lưu nước chỉ 2 phút dựa trên lưu lượng thiết kế trung bình, Ở những hệ thống nhỏ, lưu lượng vào ban đêm ít lượng nước đầu vào bị gián đoạn và dịng tuần hồn cần thiết để giữ độ ẩm cho giá thể tiếp xúc (US.EPA, 1974). ™ Nếu dịng vào bể lọc ngừng lâu hơn 1 hoặc 2 giờ, hiệu quả của xử lý của bể lọc kém hơn vì tính chất chất nhờn sinh học thay đổi do thiếu độ ẩm. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM23 PHÂN LO ÏÏ I BỂÅ LỌÏ C SINH HỌÏ C Lọc tải trọng thấp (Trickling filter) (2) ™ Phần lớn lọc sinh học tải trọng thấp, giá thể tiếp xúc cao nhất khoảng 0,6 đến 1,2 m sẽ cĩ chất nhờn sinh học đáng kể. Kết quả là những vi trí phía dưới của vật liệu lọc cĩ thể là nơi cư trú của những vi khuẩn tự dưỡng nitrat hố, oxi hố ammonia thành dạng nitrit và nitrat. ™ Nếu mật độ VK nitrat hố đã thích nghi tốt, và nếu điều kiện khí hậu và đặc tính nước thải thuận lợi thì lọc tải trọng thấp hoạt động tốt cĩ thể xử lý BOD và nitrat hố hiệu quả cao. ™Mùi là vấn đề cần quan tâm, đặc biệt nếu nước thải ơi hoặc gây thối, hoặc nếu thời tiết ấm. Lọc sinh học tải trọng thấp khơng nên đặc ở những vị trí mà mùi sẽ gây nên mùi khĩ chịu. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM24 PHÂN LO ÏÏ I BỂÅ LỌÏ C SINH HỌÏ C Lọc tốc độ cao và trung bình ™ Lọc tải trọng cao cũng sử dụng đá hoặc giá thể tiếp xúc plastic. Lọc thường được tuần hồn và lưu lượng vào liên tục. ™ Tuần hồn đầu ra của lọc hay đầu ra cuối cùng với tải trọng hữu cơ cao, cung cấp lưu lượng cao cho lọc để cải thiện sự phân bố nước thải; điều khiển chiều dày lớp nhờn, cung cấp nhiều oxi trong lưu lượng nước thải đầu vào; và tuần hồn những vi sinh vật cĩ thể tồn tại. ™ Tuần hồn cũng giúp ngăn chặn và làm giảm mùi và ruồi (US.EPA, 1974). ™ Lọc sinh học tải trọng cao và trung bình cĩ thể được thiết kế là quá trình 1 hoặc 2 bậc. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM25 PHÂN LO ÏÏ I BỂÅ LỌÏ C SINH HỌÏ C Lọc thơ ™ Lọc thơ là dạng lọc tải trọng cao xử lý tải lượng hữu cơ lớn hơn 1,6 kg/m3.ngày và tải lượng thủy lực trên 190 m3/m2.ngày. ™ Trong phần lớn trường hợp, lọc thơ được ứng dụng để xử lý nước thải trước khi đến xử lý bậc 2. Phần lớn lọc thơ được thiết kế sử dụng giá thể tiếp xúc plastic (WPCF, 1998). ™ Một trong những thuận lợi lọc thơ là nhu cầu năng lượng thấp cho việc khử BOD của nước thải nồngđộ cao cũng như so với bùn hoạt tính. ™ Lượng BOD khử trên đơn vị năng lượng truyền tăng. ™ Nhu cầu năng lượng đối với lọc thơ khoảng từ 2 đến 4 kg BOD5/kWh so với 1,2 đến 2,4 kg BOD5/kWh đối với xử lý bùn hoạt tính. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM26 PHÂN LO ÏÏ I BỂÅ LỌÏ C SINH HỌÏ C Lọc sinh học 2 bậc ™Hệ thống lọc 2 bậc với bể lắng ở giữa để loại bỏ cặn phát sinh từ bể lọc thứ nhất, phần lớn được ứng dụng với nước thải cường độ cao. ™Hệ thống 2 bậc cũng được ứng dụng thực hiện nitrat hố được yêu cầu. ™Hệ thống 1 bậc gồm lọc bậc và bể lắng trung gian làm giảm CBOD, và thực hiện nitrat hố xảy ra trong bậc 2. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM27 PHÂN LO ÏÏ I BỂÅ LỌÏ C SINH HỌÏ C Nitrat hố ™ Cả việc khử BOD và nitrat hố cĩ thể hồn tồn trong lọc sinh học nhỏ giọt giá thể tiếp xúc đá hoặc plastic ở tải lượng hữu cơ thấp (Stenquist với cộng sự ,1974; Parker và Richards, 1986). ™ Vi khuẩn dị dưỡng với hệ số sản lượng cao và tốc độ phát triển nhanh, cạnh tranh nhiều hơn vi khuẩn nitrat hố đối với khoảng trống trên giá thể tiếp xúc màng cố định. Do đĩ, nitrat hố chỉ xảy ra sau khi nồng BOD giảm đáng kể. ™ Bruce với cộng sự (1975) đã chứng minh rằng BOD đầu ra thấp hơn 30 mg/L thì nitrat hố mới bắt đầu và BOD <15 mg/L nitrat xảy ra hồn tồn. ™ Harremoes (1982) đã xem xét kỹ BOD hồ tan, và đã kết luận rằng nồng độ BOD <20 mg/L cần để nitrat hố xảy ra. BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM28 THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỦA BỂ LỌC SINH HỌC ÁÁ ÁÁ ÁÁ ÛÛ ÅÅ ÏÏ ÏÏ Thông số Thấp tải Trung tải Cao tải (đá) Cao tải (nhựa) Tải trọng thuỷ lực [m/d] 1 to 4 4 to 10 10 to 40 40-200 Tải trọng hữu cơ [kg BOD5 /d m3] 0.08 to 0.32 0.24 to 0.48 0.32 to 1.0 0.8 to 6.0 Chiều sâu, [m] 1.5 to 3 1.5 to 2.5 1 to 2 4.5-12 Tỉ số tuần hoàn 0 0 to 1 1 to 3 0 to 4 Vật liệu lọc đá, xỉ đá, xỉ đá, xỉ, VL t. hợp VL tổng hợp Nhu cầu năng lượng [kW/103 m3] 2-4 2-8 6-10 10-20 Ruồi nhiều thay đổi ít ít/không Bong bùn gián đoạn thay đổi liên tục liên tục Chất lượng nước đầu ra nitrate hoá tốt Nitrate hoá trung bình Nitrate hoá ở thấp tải Nitrate hoá ở thấp tải Hiệu quả, % 80 to 85 50 to 70 65 to 80 65 to 85 BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM29 Những đặc tính lý học của giá thể tiếp xúc lọc nhỏ giọt Vật liệu tiếp xúc Kích thước, cm Đơn vị khối lượng, kg/m3 Diện tích bề mặt riêng, m2/m3 Độ rỗng, % Ứng dụng Đá (nhỏ) 2,5-7,5 1250-1450 60 50 N Đá (lớn) 10-13 800-1000 45 60 C, CN, N Plastic thường 61 x 61 x 122 30-80 90 >95 C, CN, N Plastic- diện tích bề mặt riêng cao 61 x 61 x 122 65-95 140 >94 N Giá thể tiếp xúc plastic tùy tiện- thơng thường. Thay đổi 30-60 98 80 C, CN, N Diện tích bề mặt riêng Thay đổi 50 -80 150 70 N BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM30 THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỦA BỂ LỌC SINH HỌC ÁÁ ÁÁ ÁÁ ÛÛ ÅÅ ÏÏ ÏÏ Giá thể tiếp xúc Diện tích bề mặt riêng, m 2/m3 Hệ số hiệu chỉnh cho Np Đá 45 2 Plastic 100 1,3 Plastic 140 1,6 Plastic ngẫu nhiên 100 1,6 ™Tổn thất áp lực qua bể lọc sinh học tính bằng cơng thức Dow Chemical: Trong đĩ: D = chiều cao vật liệu lọc, m L tải trọng thủy lực, kg/h A = diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m2 ™Hệ số hiệu chỉnh Np lấy theo bảng sau: )/)(,()(, ALp eDN 5103613310 −×=