Tóm tắt tài liệu "Bài giảng về hệ thống bùn hoạt tính" do Lê Hoàng Việt biên soạn

"Bài giảng về hệ thống bùn hoạt tính" do Lê Hoàng Việt biên soạn, trình bày một cái nhìn tổng quan toàn diện về hệ thống bùn hoạt tính (BAS) được sử dụng để xử lý nước thải. Tài liệu này hướng đến việc trang bị cho sinh viên kiến thức vững chắc về quá trình xử lý, cơ chế hoạt động, các thông số thiết kế cần thiết và cách vận hành hệ thống.

I. Mục tiêu và yêu cầu của bài học

Mục tiêu chính của bài học là giúp sinh viên:

• Nắm vững quy trình xử lý nước thải bằng hệ thống bùn hoạt tính.
• Hiểu rõ các cơ chế hoạt động của hệ thống xử lý.
• Biết được các thông số cần thiết để thiết kế quy trình xử lý.
• Nắm vững cách vận hành hệ thống xử lý.

Sau khi học xong bài này, sinh viên phải có khả năng:

• Tính toán được kích thước cần thiết cho các bể xử lý.
• Xử lý được các sự cố xảy ra trong quá trình vận hành hệ thống xử lý.

II. Tổng quan về hệ thống bùn hoạt tính

Nước sau khi khai thác và sử dụng cho các mục tiêu sinh hoạt hay sản xuất công nghiệp sẽ bị ô nhiễm và cần được xử lý trước khi thải vào môi trường. Hệ thống bùn hoạt tính là một trong những hệ thống xử lý nước thải được làm sạch trước khi thải vào môi trường. Hệ thống bùn hoạt tính được phát minh bởi Arden và Lockett (1914, Anh) và hiện nay được ứng dụng rất phổ biến trong việc xử lý nước thải.

Hệ thống bùn hoạt tính có nhiều phiên bản khác nhau, bao gồm:

• Truyền thống
• Khuấy trộn hoàn toàn
• Thông khí giảm dần
• Nạp nước thải ở nhiều điểm
• Thông khí cải tiến
• Quy trình Kraus
• Tiếp xúc, cố định
• Thông khí kéo dài
• Thông khí cao tốc
• Bể phản ứng theo chuỗi
• Sử dụng oxy tinh khiết
• Rãnh oxy hóa
• Bể kết hợp nitrat hóa
• Nitrat hóa độc lập
• Bể phản ứng trục sâu

III. Cấu trúc cơ bản và quá trình hoạt động

Hệ thống bùn hoạt tính cơ bản bao gồm hai bể chính:

1. Bể bùn hoạt tính (Bể sục khí): Trong bể này, vi khuẩn được cung cấp đầy đủ oxy và các điều kiện môi trường thích hợp khác. "Chúng sẽ phân hủy các chất hữu cơ thành CO2, H2O và các chất khoáng khác, một phần các chất hữu cơ sẽ được đồng hóa trong tế bào vi khuẩn." Sau đó, nước thải có chứa các tế bào vi khuẩn sẽ được chuyển sang bể lắng.
2. Bể lắng: Tại bể lắng, các điều kiện tối nhất (thời gian tồn lưu, lưu lượng nạp...) được tạo ra để "các tế bào vi khuẩn có thể lắng xuống đáy bể lắng." Một phần bùn dưới đáy bể lắng sẽ được hoàn lưu cho bể bùn hoạt tính để duy trì mật độ sinh khối cao (vài g/l) cho bể này. Phần còn lại sẽ được thải bỏ, nước thải ra khỏi bể lắng có ít tế bào vi khuẩn hơn, do đó, BOD của nước thải đầu ra sẽ thấp hơn.

Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bao gồm các thành phần: Nước thải đầu vào -> Song chắn rác (loại bỏ rác) -> Bể lắng cát (loại bỏ sỏi, cát) -> Bể lắng sơ cấp -> Bể bùn hoạt tính -> Bể lắng thứ cấp -> Bể khử trùng -> Nước thải đầu ra.

• Hoàn lưu bùn từ bể lắng thứ cấp về bể bùn hoạt tính là một yếu tố quan trọng.

IV. Vi sinh vật trong bể bùn hoạt tính

Vi khuẩn:

• "Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải."
• Một phần chất thải hữu cơ trong bể bùn hoạt tính sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và thiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới.
• Các giống vi khuẩn phổ biến trong bể bùn hoạt tính bao gồm Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter.
• Ngoài ra còn có các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum.

Nguyên sinh động vật:

• "Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính."
• Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh.

Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý gồm 4 giai đoạn:

1. Giai đoạn chậm (lag-phase): Xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào.
2. Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): Trong giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường.
3. Giai đoạn cân bằng (stationary phase): Lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân là (a) các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi.
4. Giai đoạn chết (log-death phase): Trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này có thể do các loại có kích thước khá kiến hoặc là đặc điểm của môi trường.

Biểu đồ "Sự thay đổi về số lượng của các loài vi sinh vật trong bể xử lý" minh họa sự biến đổi số lượng của các loài vi sinh vật khác nhau (Bacteria, Free swimming ciliates, Suctoria, Zoo flagellates, Stalked ciliates, Phytoslagellates, Sarcodina, Rotifers) theo thời gian trong quá trình xử lý.

V. Các phản ứng xảy ra trong bể bùn hoạt tính

a. Oxy hóa chất hữu cơ và tổng hợp tế bào vi khuẩn: COHNS + O2 + dưỡng chất (dưới tác động của vi khuẩn hiếu khí) → CO2 + NH3 + C5H7NO2 + các sản phẩm khác.

b. Hô hấp nội bào: C5H7NO2 + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + năng lượng. Tỷ lệ 113 (C5H7NO2) và 160 (5O2) là 1:1,42.

c. Quá trình nitrat hóa: Là quá trình oxy hóa sinh hóa nitơ của các muối amon đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat trong điều kiện thích ứng (có oxy và nhiệt độ trên 4°C).

• Nitrosomonas: (NH4)2CO3 + 3O2 = 2HNO2 + CO2 + 3 H2O
• Nitrobacter: 2HNO2 + O2 = 2HNO3

d. Quá trình khử nitrat hóa: Xảy ra trong điều kiện thiếu khí: NO3-N → N2↑ (Khí nitơ bay lên).

VI. Các điều kiện môi trường cần thiết cho vi sinh vật hoạt động

• pH: 6,5 - 9
• Nhiệt độ:Ưa lạnh: 10-30 °C (Tối ưu: 12-18 °C)
• Ưa ấm: 20-50 °C (Tối ưu: 25-40 °C)
• Ưa nhiệt: 35-75 °C (Tối ưu: 55-65 °C)
• Dưỡng chất: C:N:P = 100: 5: 1
• Các dưỡng chất vô cơ chính là N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na và Cl.
• Các chất vi lượng quan trọng gồm có Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V và W.
• Oxygen: Cần thiết cho các quá trình hiếu khí.

VII. Cơ chế các quá trình xảy ra trong bể lắng

Bể lắng dùng để tách các hạt chất rắn lơ lửng (tế bào vi khuẩn) ra khỏi nước thải. Có 04 kiểu lắng chính:

1. Lắng các hạt riêng lẻ: Các hạt chất rắn lắng riêng lẻ từng hạt, sự tương tác với các hạt bên cạnh không đáng kể. Ứng dụng để loại sỏi, cát khỏi nước thải.

• Phân tích quá trình lắng bằng định luật Newton và định luật Stokes. Các công thức được cung cấp để tính lực đẩy nổi (Fg), lực kéo nhám (Fd) và vận tốc lắng (v), bao gồm việc sử dụng số Reynolds (NR) và hệ số nhám (CD).
• Đối với dòng chảy phân tầng, Stokes đưa ra công thức tính lực kéo nhám Fd = 3πμvd và vận tốc lắng v = g(ρs - ρ)d² / 18μ.

1. Lắng bông cặn: Loại bỏ chất rắn trong nước thải có hàm lượng chất rắn thấp, các chất rắn kết hợp với nhau để tạo thành bông cặn có trọng lượng lớn hơn, do đó tốc độ lắng nhanh hơn. Ứng dụng ở bể lắng sơ cấp, phần trên của bể lắng thứ cấp.

• Hiệu suất của quá trình lắng chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm trên các cột lắng có chiều sâu 3 m đường kính 150 mm (có các điểm lấy mẫu cách nhau 0,6 m).

1. Lắng có trở ngại: Lực tương tác giữa các hạt đủ lớn để gây cản trở tốc độ lắng của hạt bên cạnh nó. Các hạt có khuynh hướng giữ vị trí tương đối của nó với hạt bên cạnh và các chất rắn có khuynh hướng lắng từng khối. Phía trên tạo thành một lớp mặt ngăn cách giữa chất rắn và chất lỏng. Ứng dụng ở bể lắng thứ cấp.
2. Nén: Hàm lượng các chất rắn đủ lớn để tạo thành các cấu trúc. Sự lắng chỉ có thể diễn ra bởi việc nén các cấu trúc này. Quá trình này chỉ xảy ra khi các hạt chất rắn ở dung dịch nước thải phía trên liên tục lắng xuống. Xảy ra ở đáy của bể lắng thứ cấp.

Các khu vực trong bể lắng được minh họa bằng hình ảnh của một cốc đong chứa dung dịch bùn với 4 lớp: Lắng từng hạt, Tạo bông cặn, Lắng có trở ngại, Nén.

VIII. Các bước cần thiết để thiết kế bể bùn hoạt tính

1. Chọn thời gian cư trú trung bình của vi khuẩn trong bể. Các yếu tố cần biết:

• BOD5 của nước thải đầu ra (tiêu chuẩn cần đạt)
• SS của nước thải đầu ra
• Khả năng chịu đựng của bể đối với sự biến động lớn của nước thải đầu vào (lưu lượng, hàm lượng chất gây ô nhiễm)
• Nhu cầu về năng lượng cho các thiết bị cung cấp khí
• Nhu cầu về dưỡng chất

1. Cách tính thời gian tồn lưu trung bình của vi khuẩn trong bể (θMc): θMc là thời gian tồn lưu tối thiểu của vi khuẩn trong bể. θMc là thời gian tồn lưu mà ở đó tốc độ thải bỏ các tế bào vi khuẩn nhanh hơn tốc độ sinh sản của chúng trong bể phản ứng (lưu ý là θMc thì S0). Công thức: 1 / θMc = Y * (kS0 / (Ks + S0)) - kd Trong đó:

• Y: Hệ số năng suất tối đa (mg/mg) (tỷ lệ giữa trọng lượng của các tế bào được tạo thành với trọng lượng của chất nền bị tiêu thụ ở thời điểm cuối của giai đoạn log).
• Ks: Hằng số bán vận tốc, nồng độ của chất giới hạn sinh trưởng ở 1/2 tốc độ sinh trưởng cực đại (trọng lượng/đơn vị thể tích; mg/L).
• μ: Tốc độ sinh trưởng riêng (thời gian⁻¹).
• S0: Nồng độ của chất giới hạn sinh trưởng trong dung dịch nuôi cấy (trọng lượng/đơn vị thể tích; mg/L).
• k: Tốc độ sử dụng chất nền tối đa trên một đơn vị trọng lượng VSV. k = μmax / Y.
• kd: Hệ số phân hủy nội bào (thời gian⁻¹).

1. Thời gian tồn lưu tế bào thiết kế cho bể bùn hoạt tính là: θc = θm.SF Với SF là hệ số an toàn có giá trị từ 2-20.
2. Công thức tính thể tích bể (Vr): Vr.X / (QwXw + QeXe) = θc Với:

• Vr: Thể tích bể (m³). θ = thời gian lưu tồn của nước [4-8 giờ].
• X: Hàm lượng VSS trong bể, mg/L [1500-3000].
• Xw: Hàm lượng VSS trong bùn thải bỏ, mg/L [10.000-50.000].
• Qw: Lưu lượng bùn thải bỏ, (m³/d).
• Xe: Hàm lượng VSS trong nước thải đầu ra, mg/L.
• Qe: Lưu lượng nước thải đầu ra, (m³/d).

Tài liệu này cung cấp một nền tảng vững chắc về nguyên lý, hoạt động và thiết kế của hệ thống bùn hoạt tính, nhấn mạnh vai trò trung tâm của vi sinh vật và các yếu tố môi trường trong việc xử lý nước thải hiệu quả.
Link download full tiếng Việt: https://drive.google.com/file/d/1T2VQiKofe4Wssediw7AdG-5g0UenQpEE/view?usp=sharing