Phân hủy sinh học là một quá trình sử dụng vi sinh vật, nấm, cây xanh và enzyme của chúng để loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi môi trường tự nhiên hoặc biến đổi chúng trở thành vô hại. Để làm sạch nước một cách kinh tế và an toàn nhất, gần đây phân hủy sinh học đã được ứng dụng trong xử lý nước thải.
1. Phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ
Phương pháp hóa học, vật lý và sinh học được sử dụng rộng rãi nhằm loại bỏ các hợp chất hữu cơ khỏi nước thải, trong đó, phương pháp sinh học được chú ý nhiều hơn nhờ ưu thế về kinh tế và sinh thái của nó. Một số chất gây ô nhiễm hữu cơ như thuốc trừ sâu organophospho có độ hòa tan trong nước cao và độc tính cấp tính thấp nên dễ bị phân hủy. Tuy nhiên, đối với một số chất gây ô nhiễm hữu cơ POP và xenobiotic, chẳng hạn như biphenyls polychlorin hóa (PCB), hydrocarbon đa lượng (PAHs), các hợp chất dị vòng, các chất dược phẩm, có tính tích lũy sinh học và tính độc sinh học cao hơn, vật liệu hữu cơ có thể được phân hủy bằng yếm khí.
2. Phân hủy sinh học hiếu khí
Nguyên lý của quá trình phân hủy sinh học hiếu khí là sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá. Vi khuẩn và nấm có thể tạo ra oxyase và peroxidase, giúp oxy hóa và làm suy giảm chất ô nhiễm hữu cơ. Nhìn chung, có hai loại mối quan hệ giữa vi sinh vật và các chất ô nhiễm hữu cơ: một là các vi sinh vật sử dụng chất ô nhiễm hữu cơ làm nguồn carbon và năng lượng duy nhất, hai là các vi sinh vật sử dụng chất tăng trưởng làm nguồn carbon và năng lượng, khi một hợp chất hữu cơ không thể cung cấp carbon, tài nguyên năng lượng cũng bị suy thoái, đó là sự trao đổi chất.
Các lò phản ứng phân hủy sinh học hiếu khí bao gồm lò phản ứng bùn than hoạt tính và lò phản ứng sinh học màng.
Công nghệ xử lý nước thải bùn hoạt tính hiếu khí
Bùn hoạt tính trong quy trình xử lý nước thải sử dụng không khí kết hợp với một khối sinh học bao gồm vi khuẩn và động vật nguyên sinh. Quá trình này đã đưa oxy vào hỗn hợp nước thải được xử lý sơ bộ hoặc sàng lọc, kết hợp với các sinh vật để tạo ra một khối sinh học (phần lớn bao gồm các vi sinh vật như vi khuẩn hoại sinh, vi khuẩn nitrobacteria và vi khuẩn khử nitơ), làm giảm hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ và biến đổi sinh học amoniac trong nước thải.
Công nghệ này có thể loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ, chất nitrogene trong nước thải khi có đủ oxy và thời gian lưu thủy lực. Tuy nhiên, nước ô nhiễm luôn trong trạng thái thiếu oxy, gây ra bùn cặn, làm giảm chất lượng nước. Để tăng nồng độ oxy, cần tích hợp thêm thiết bị sục khí trong hệ thống.
Công nghệ xử lý sinh học màng
Bể phản ứng sinh học màng hay còn gọi là màng MBR là sự kết hợp giữa quá trình lọc màng vi lọc hoặc siêu lọc với lò phản ứng sinh học lơ lửng. Đây là công nghệ xử lý nước thải tiên tiến đang được sử dụng rộng rãi trong cho nước thải đô thị và công nghiệp.
Nguyên lý của công nghệ này gần giống với công nghệ xử lý nước thải bùn hoạt tính hiếu khí, nhưng thay vì tách nước và bùn thông qua quá trình lắng, phương pháp MBR sử dụng màng hiệu quả hơn và ít phụ thuộc vào nồng độ oxy của nước.
MBR xử lý chất ô nhiễm hữu cơ, amoniac và xử lý nước thải với nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp tốt hơn so với bùn than hoạt tính, do đó giảm thể tích lò phản ứng mà vẫn đạt được tốc độ xử lý tương tự.
Tuy nhiên, sự tắc nghẽn màng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất, nó lafmt ăng đáng kể áp suất xuyên màng, tăng thời gian kháng thủy lực, do đó, cần thường xuyên làm sạch và thay thế màng, làm tăng đáng kể chi phí vận hành.
3. Phân hủy sinh học kỵ khí
Kỵ khí là một phản ứng sinh hóa phức tạp được thực hiện ở một số bước của một số loại vi sinh vật đòi hỏi ít hoặc không có oxy để sống. Trong quá trình này, một loại khí chủ yếu gồm khí methane và carbon dioxide, cũng được gọi là khí sinh học được sản xuất. Lượng khí sản sinh ra khác nhau tùy vào số lượng chất thải hữu cơ làm thức ăn và nhiệt độ ảnh hưởng tỷ lệ phân hủy và sản sinh khí đốt (gas).
Phân hủy sinh học kỵ khí xảy ra trong bốn bước:
- Thủy phân: chất hữu cơ phức tạp bị phân hủy thành các phân tử hữu cơ hòa tan đơn giản sử dụng nước để phân chia các liên kết hóa học giữa các chất.
- Lên men hoặc Acidogenesis: Sự phân hủy hóa học của tinh bột bằng enzyme, vi khuẩn, nấm men, mốc trong sự vắng mặt của oxy.
- Acetogenesis: Các sản phẩm lên men được chuyển đổi thành acetate, hydro và carbon dioxide được gọi là vi khuẩn acetogenic.
- Methanogenesis: hình thành từ acetate và hydro/carbon dioxide do vi khuẩn men vi sinh methanogenic.
Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra chậm và không hiệu quả bằng phân hủy hiếu khí. Tuy nhiên, sự phân hủy kỵ khí không chỉ làm giảm COD và BOD trong nước thải mà còn tạo ra năng lượng tái tạo. Hơn nữa, vi khuẩn kỵ khí có thể phá vỡ một số chất ô nhiễm hữu cơ dai dẳng, như lignin và PAH trọng lượng phân tử cao. Ngoài ra, các quá trình kỵ khí có thể xử lý nước thải với lượng lớn vật liệu hữu cơ dễ phân hủy (chất thải của ngành công nghiệp đường, nhà máy giết mổ, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp giấy,…) một cách hiệu quả và ít tốn kém. Những lợi thế này làm cho việc nghiên cứu và ứng dụng khoáng hóa vi khuẩn kỵ khí trong nước ô nhiễm hữu cơ trở nên quan trọng.
Bể xử lý sinh học kỵ khí UASB
Nước thải được phân phối theo hướng từ dưới lên và đi qua lớp bùn kỵ khí. Tại đây các chất hữu cơ sẽ phân hủy bởi các vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng vi sinh này, do vậy các chuyên viên sẽ bổ sung thêm chế phẩm vi sinh kỵ khí (thiếu oxy) nhằm tăng lượng vi sinh vật và hiệu quả xử lý. Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn, lỏng và khí, ngăn ngừa sự mất sinh khối của bùn thông qua việc thải khí và xả nước. Qua đó, các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, phần bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau khi xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua quy trình xử lý tiếp theo. Ưu điểm của hệ thống này là nó chứa nồng độ cao vi khuẩn cố định tự nhiên với đặc tính lắng tuyệt vời, có thể loại bỏ được các chất ô nhiễm hữu cơ khỏi nước thải một cách hiệu quả, đồng thời, nồng độ sinh khối cao có thể đạt được mà không cần vật liệu hỗ trợ, làm giảm chi phí. Những lợi thế này giúp tăng hiệu suất ổn định và hiệu quả của hệ thống này.
Bộ lọc sinh học kỵ khí
Bộ lọc sinh học kỵ khí hay còn được gọi là lò phản ứng UASB được đặt ở trên cùng của bộ tách ba pha khí, chất rắn và chất lỏng lỏng, phần dưới của lớp bùn và đáy bùn, khu vực bùn thải, bùn được đưa đến từ đáy lò phản ứng và phản ứng hoàn toàn bùn kỵ khí, chất hữu cơ bị phân hủy thành vi sinh vật kỵ khí biogas. Hỗn hợp dạng lỏng, khí và dạng rắn chảy tới bộ tách ba pha, giữ được sự tách biệt tốt làm cho hơn 80% chất hữu cơ được chuyển thành mêtan, hoàn thành quá trình xử lý nước thải.
4. Kết hợp phân hủy sinh học hiếu khí và kỵ khí
So với các lò phản ứng kỵ khí và hiếu khí đơn lẻ, sự kết hợp của lò phản ứng kỵ khí và hiếu khí hiệu quả hơn trong việc phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. Những ưu điểm của hệ thống kết hợp phân hủy sinh học hiếu khí và kỵ khí:
- Quá trình kỵ khí có thể loại bỏ các chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng trong nước thải, giảm tải lượng hữu cơ của quá trình phân hủy hiếu khí cũng như sản xuất bùn hiếu khí, giảm khối lượng của các lò phản ứng.
- Nước thải được xử lý bằng công nghệ kỵ khí ổn định hơn, giảm dao động nước thải, từ đó giảm nhu cầu oxy của quá trình thoái hóa hiếu khí.
- Quá trình kỵ khí có thể thay đổi tính chất sinh hóa của nước thải, làm cho quá trình hiếu khí hiệu quả hơn.
Mương oxy hóa
Mương Oxy hóa có cấu tạo hình oval, với chiều sâu của lớp nước là 1m-1,5m, vận tốc dòng nước trong mương từ 0,1m/s – 0,4m/s. Để đảm bảo sự tiếp xúc tốt nhất giữa bùn, nước và cung cấp oxy cho quá trình phát triển sinh khối, người ta thường bố trí thiết bị khuấy trộn dạng guồng quay trục ngang.
Bùn hoạt tính được thêm vào mương để các vi sinh vật oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Trong thực tế xây dựng, người ta thường bố trí mương oxy hóa theo hình ziczac nhằm tăng chiều dài mượng cũng như giảm diện tích xây dựng.
Mương oxy hóa có quá trình vận hành đơn giản, chi phí duy trì hệ thống thấp, hoạt động ổn định. Thế nhưng do đòi hỏi tiếp xúc giữa bùn và nước thải trong suốt quá trình chảy nên cần diện tích xây dựng lớn.
