Các phương pháp xử lý nước thải thường sử dụng

I. Phương pháp xử lý cơ học

Xử lý cơ học (hay còn gọi là xử lý bậc I) nhằm mục đích loại bỏ các tạp chất không tan (rác, cát nhựa, dầu mỡ, cặn lơ lửng, các tạp chất nổi…) ra khỏi nước thải; điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải.

Các công trình xử lý cơ học thông dụng bao gồm:

1. Song chắn rác

Song chắn rác thường đặt trước hệ thống xử lý nước thải hoặc có thể đặt tại các miệng xả trong phân xưởng sản xuất nhằm giữ lại các tạp chất có kích thước lớn như: nhánh cây, gỗ, lá, giấy, nilông, vải vụn và các loại rác khác, đồng thời bảo vệ các công trình bơm, tránh ách tắc đường ống, mương dẫn.

2. Lưới lọc

Lưới lọc dùng để khử các chất lơ lửng có kích thước nhỏ, thu hồi các thành phần quý không tan hoặc khi cần phải loại bỏ rác có kích thước nhỏ. Kích thước mắt lưới không quá 5mm để chắn giữ rác. Lưới lọc thường được bao bọc xung quanh khung rỗng hình trụ quay tròn (hay còn gọi là trống quay) hoặc đặt trên các khung hình đĩa.

3. Bể lắng cát

Bể lắng cát đặt sau song chắn, lưới chắn và đặt trước bể điều hòa, trước bể lắng đợt I. Nhiệm vụ của bể lắng cát là loại bỏ cặn thô nặng như cát, sỏi, mảnh vỡ thủy tinh, kim loại, tro tán, thanh vụn, vỏ trứng… để bảo vệ các thiết bị cơ khí dễ bị mài mòn, giảm cặn nặng ở các công đoạn xử lý tiếp theo. Theo nguyên tắc chuyển động của nước ở trong bể lắng, phân biệt như sau: Bể lắng ngang, lắng cát có dòng chảy xoáy, bể lắng ly tâm, bể lắng sục khí.

4. Bể tách dầu mỡ

Các loại công trình này thường được ứng dụng khi xử lý nước thải công nghiệp, nhằm loại bỏ các tạp chất có khối lượng riêng nhỏ hơn nước. Các chất này sẽ bịt kín lỗ hổng giữa các hạt vật liệu lọc trong các bể sinh học…và chúng cũng phá hủy cấu trúc bùn hoạt tính trong bể Aerotank, gây khó khăn trong quá trình lên men cặn.

5. Bể điều hòa

Bể điều hòa được dùng để duy trì dòng thải và nồng độ vào công trình xử lý ổn định, khắc phục những sự cố vận hành do sự dao động về nồng độ và lưu lượng của nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình xử lý sinh học. Bể điều hòa có thể được phân loại như sau:

– Bể điều hòa lưu lượng:

– Bể điều hòa nồng độ

– Bể điều hòa cả lưu lượng và nồng độ:Thường đặt sau bể lắng cát, trước bể lắng đợt I, loại bể này phải có đủ dung tích để điều hòa lưu lượng và nồng độ và bên trong phải có thiết bị khuấy để đảm bảo sự xáo trộn đều toàn bộ thể tích.

6. Bể lắng

Bể lắng dùng trong xử lý nước thải được thiết kế để loại bỏ ra khỏi nước ba loại chất rắn khác nhau: Cặn cứng (cát), chất rắn lơ lửng, bông cặn

– Có thể phân loại các loại bể lắng như sau:

+ Theo chế độ làm việc: Bể lắng hoạt động gián đoạn và liên tục

+ Theo chiều nước chảy trong bể: Bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng radian

Bể lắng có cấu tạo mặt bằng là hình chữ nhật hay hình tròn được thiết kế để loại bỏ bằng trọng lực các chất rắn có trong nước theo dòng chảy liên tục vào bể và ra bể tách các chất lơ lửng có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải.

II. Phương pháp xử lý hoá học và hóa lý

1. Đông tụ và keo tụ

Phương pháp đông tụ-keo tụ được sử dụng để tách các hạt có kích thước nhỏ ở dạng keo bằng cách làm tăng kích cỡ các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được. Muốn vậy, trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, tiếp đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hòa điện tích các hạt được gọi là quá trình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ.

Các chất đông tụ thường dùng là các muối nhôm: Al₂(SO₄)₃.18H₂O, muối sắt: FeSO₄.7H₂O, Fe₂(SO₄)₃.2H₂O, Fe₂(SO₄)₃.3H₂O, FeCl₃…

Ưu điểm: có thể tách được các hạt cặn nhỏ như các chất gây ô nhiễm ở dạng keo và hòa tan, có thể xử lý hàm lượng kim loại nặng ở trong nước thải như Cr, Ni, Hg, Cu… với hiệu suất xử lý cao.

Nhược điểm: Phải tiến hành quá trình keo tụ ở điều kiện pH thích hợp với từng loại muối sử dụng.

2. Phương pháp trung hoà

Dùng để đưa môi trường nước thải có chứa các axit vô cơ hoặc kiềm về trạng thái pH=6.5¸8.5. Trung hoà nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách như trộn nước thải chứa axit và nước thải chứa kiềm, cho thêm hoá chất vào nước thải, lọc qua lớp vật liệu lọc có tác dụng trung hoà, hấp phụ khí chứa axit bằng nước thải chứa kiềm

3. Phương pháp oxy hoá-khử

Để xử lý những loại nước thải chứa các chất vô cơ độc hại hoặc chất khó phân huỷ sinh học, thông dụng nhất là phương pháp oxy hoá khử. Trong quá trình oxy hoá, khử các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hại hơn và được chuyển ra khỏi nước. Các phương pháp: Oxy hoá bằng Chlor, peroxit, oxy trong không khí, pyroluzit, Ozon hoá.

4. Tuyển nổi

Là quá trình dính bám phân tử của các hạt chất bẩn đối với bề mặt phân chia của hai pha khí-nước và xảy ra khi có năng lượng tự do trên bề mặt phân chia, đồng thời cũng do các hiện tượng thấm ướt bề mặt xuất hiện theo chu vi thấm ướt ở những nơi tiếp xúc khí-nước.

III. Phương pháp xử lý sinh học          

Phương pháp sinh học là sử dụng các vi sinh vật để phân giải các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải. Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng để xây dựng tế bào, đồng thời để khai thác năng lượng cho quá trình sống. Nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, các chất ô nhiễm được chuyển hoá và nước thải được làm sạch.

Quá trình xử lý sinh học nước thải có thể chia làm hai quá trình là phân huỷ yếm khí và phân huỷ hiếu khí, có thể xử lý trong điều kiện tự nhiên hay trong điều kiện nhân tạo.

1. Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên

Cơ sở của phương pháp xử lý này là dựa vào hoạt động sống của hệ vi sinh vật có trong đất, nước mặt để chuyển hoá các hợp chất ô nhiễm.

– Xử lý nước thải trong hồ sinh học: thực chất của quá trình xử lý này là sử dụng khu hệ vi sinh vật ( vi khuẩn, tảo, nguyên sinh vật,…) tự nhiên có trong nước mặt để làm sạch nước.

– Xử lý nước thải bằng hồ tùy nghi: Hồ sinh học tùy tiện sâu từ 1.5 – 2m. Ngoài tầng hiếu khí phía trên hồ còn có các tầng kỵ khí tùy tiện, kỵ khí lớp bùn cặn lắng phía dưới. Thời gian lưu nước trong hồ từ 3 – 5 ngày. Ôxi cung cấp cho quá trình chuyển hóa chất hữu cơ trong hồ chủ yếu là do quang hợp của tảo và khuếch tán từ không khí qua bề mặt hồ. [6]

2. Xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo bằng phương pháp hiếu khí
3. a) Nguyên tắc: Các vi sinh vật sử dụng O₂ không khí để oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng chuyển hoá sinh học được, đồng thời cũng chính vi sinh vật cũng sử dụng một phần chất hữu cơ và năng lượng khai thác được từ quá trình oxi hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng.
4. b) Cơ chế:

+ Oxy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ (Gluxit, hyđrocacbua, pectin, axit hữu cơ, các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ khác…)

                C_xH_yO_z +   ( )O₂ –> xCO₂ + H₂O

+ Oxy hoá các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ (Protein, Peptit, axitamin…)

   C_xH_yO_zN + ( + )O₂ –> xCO₂ + H₂O + NH₃ H

+ Quá trình oxy hoá luôn kèm theo quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào, tức là sinh khối của vi sinh vật tăng lên.

C_xH_yO_zN + NH₃+ ( – 5)O₂ –> C₅H ₇NO₂+(x – 5)CO₂+ H₂O+NH₃+ E                

+ Quá trình tự hủy của bùn: C₅H₇NO₂     +   5O_{2 –>} 5CO₂ + 2 H₂O + NH₃ + E

+ Ngoài ra trong hệ thống còn xảy ra các quá trình nitrit và nitrat hoá:

– Nitrit hoá : NH₄⁺ + 3/2 O₂ + H₂O –> NO₂^– + 2 H₃O⁺ + E.

– Nitrat hoá: NO₂^– + ½ O₂   –> NO₃

Phương trình tổng quát : NH₄⁺ + 2O₂ + H₂O –> NO₃^– + 2H₃O⁺

Quá trình phản nitrat xảy ra ở vùng thiếu oxy hoặc ở trong bể lắng thứ cấp.

+ Oxy hoá các hợp chất vô cơ: S, P…             SO₄ ^2-, PO₄ ^3-

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí bao gồm: pH, nhiệt độ, thành phần dinh dưỡng, oxy hòa tan, tỷ lệ F/M, các chất độc…

1. Các dạng xử lý hiếu khí:

Các công trình xử lý hiếu khí nước thải tồn tại chủ yếu dưới hai dạng: bể oxi hoá và lọc sinh học. Các dạng xử lý hiếu thường dùng bao gồm:

• Xử lý bằng bể Aeroten:

Nguyên tắc hoạt động: Nước thải sau bể lắng đợt I được cấp khí liên tục vào bể cùng với bùn hoạt tính tuần hoàn. Hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính trong bể được khuấy trộn để tiếp xúc với oxy được cấp bằng hệ thống cấp khí. Các vi sinh vật sẽ oxy hoá các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải và chuyển hoá thành các khí (CO₂, NH₃,…) và một phần sinh khối dưới dạng bông bùn hoạt tính. Hỗn hợp bông bùn và nước được dẫn qua bể lắng, bùn được tách ra và được tuần hoàn một phần trở lại bể Aeroten để duy trì hàm lượng sinh khối trong bể.

• Bể Aeroten kết hợp lắng hoạt động gián đoạn theo mẻ (SBR –Sequencing Batch Reactor)

Bể aeroten hệ SBR có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, hiệu quả xử lý cao, khử được các chất dinh dưỡng nitơ, dễ vận hành. Sự dao động lưu lượng nước thải ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Nhược điểm chính của bể là công suất xử lý nước thải nhỏ. Để bể hoạt động có hiệu quả người vận hành phải có trình độ và theo dõi thường xuyên các bước xử lý nước thải.

Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả nước thải và xả bùn dư. Trong bước một, khi cho nước thải vào bể, nước thải được trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trước. Sau đó, hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước hai với thời gian thổi khí đúng như thời gian yêu cầu. Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ được oxy hoá trong giai đoạn này. Bước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh. Tiếp đến, nước trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể. Bước cuối cùng là xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải lên trạm xử lý nước thải liên tục.

Hệ thống aeroten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử được nitơ và phốt pho sinh hoá do có thể điều chỉnh được các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp ôxy.

• Mương oxy hóa

Mương ôxy hóa là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh có dạng vòng hình chữ O làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài với dung dịch bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động tuần hoàn liên tục trong mương.

• Xử lý nước thải bằng lọc sinh học

Lọc sinh học – Biofilter là công trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các vật chất hữu cơ có trong nước thải nhờ quá trình ôxy hóa diễn ra trên bề mặt vật liệu tiếp xúc. Trong bể chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Có 2 dạng:

Bể lọc sinh học nhỏ giọt: là bể lọc sinh học có vật liệu lọc không ngập trong nước. Bể lọc sinh học cao tải: lớp vật liệu lọc được đặt ngập trong nước

• Ưu nhược điểm khi sử dụng phương pháp hiếu khí

+ Ưu điểm:

Thời gian xử lý nhanh, tải trọng lớn, xử lý triệt để BOD, COD hơn phương pháp yếm khí, khử nitơ trong nước thải tốt hơn phương pháp yếm khí.

+ Nhược điểm:

Lượng bùn phát sinh lớn, yêu cầu BOD, COD đầu vào nhỏ, khó phân huỷ được một số chất béo và chất rắn lơ lửng, trong điều kiện tự nhiên xử lý không hiệu quả do thiếu oxi, trong điều kiện nhân tạo tốn nhiều năng lượng cho việc sục khí, khuấy trộn.

3. Xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo bằng phương pháp yếm khí

Xử lý sinh học bằng vi sinh yếm khí là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải khi không có oxi, quá trình này dùng để ổn định cặn và xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ COD, BOD cao.

Các công trình xử lý yếm khí nước thải tồn tại chủ yếu dưới hai dạng: bể yếm khí UASB và lọc sinh học yếm khí.

Ưu điểm của phương pháp yếm khí là lượng bùn phát sinh nhỏ, có thể xử lý BOD, COD đầu vào cao, phân huỷ được các chất béo, prôtêin và các chất hữu cơ lơ lửng, tạo ra khí biogas làm nhiên liệu.

Nhược điểm: Thời gian xử lý chậm, thiết bị xử lý lớn, cần duy trì ở dải nhiệt độ thích hợp, xử lý không triệt để BOD, COD, xử lý nitơ trong nước thải