Luận văn Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng cho tất cảcác sinh vật trên trái ñất. Nếu không có nước thì chắc chắn không có sựsống xuất hiện, thiếu nước thì cảnền văn minh hiện nay cũng không tồn tại ñược. Từxưa, con người ñã biết ñến vai trò quan trọng của nước; các nhà khoa học cổ ñại ñã coi nước là thành phần cơbản của vật chất và trong quá trình phát triển của xã hội loài người thì các nền văn minh lớn của nhân loại ñều xuất hiện và phát triển trên lưu vực của các con sông lớn như: nền văn minh Lưỡng Hà ởTây Á nằm ởlưu vực hai con sông lớn là Tigre và Euphrate (thuộc Irak hiện nay); nền văn minh Ai Cập ởhạlưu sông Nil; nền văn minh sông Hằng ở Ấn Ðộ; nền văn minh Hoàng Hà ởTrung Quốc; nền văn minh sông Hồng ở Việt Nam .
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
LUẬN VĂN
XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SINH HỌC
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI .......... 7
1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI..................................................... 7
1.2 THÀNH PHẦN LÝ HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI .......................................... 9
1.2.1 Tính chất vật lý ............................................................................................. 10
1.2.2 Tính chất hóa học .......................................................................................... 10
1.3 NGUỒN GỐC PHÁT SINH CÁC LOẠI NƯỚC THẢI ðẶC TRƯNG............ 12
1.4 CÁC THÔNG SỐ ðÁNH GIÁ Ô NHIỄM VÀ YÊU CẦU CẦN THIẾT
PHẢI XỬ LÝ NƯỚC THẢI .................................................................................. 19
1.4.1. Các thông số ñánh giá ô nhiễm..................................................................... 19
1.4.2 Yêu cầu cần thiết phải xử lý nước thải........................................................... 25
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI ........................................................................................................ 26
2.1 PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC.................................................. 26
2.1.1 Biến ñổi sinh hóa........................................................................................... 27
2.1.2 Môi trường sinh hóa ...................................................................................... 28
2.1.3 Trình tự phản ứng của quá trình..................................................................... 29
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH........................................................ 29
2.3 CÂN BẰNG HÓA HỌC VÀ ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC .... 32
2.3.1 ðộng học phản ứng lên men quá trình xử lý nước thải .................................. 32
2.3.2. ðộng học chuyển hóa cơ chất hữu cơ trong quá trình xử lý theo sinh khối
bùn và thời gian. .................................................................................................... 34
CHƯƠNG III: VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI .... 35
3.1 KHÁI NIỆM .................................................................................................... 35
3.2 SINH THÁI, SINH LÝ, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT...................................... 35
3.2.1 Sinh thái, sinh lý vi sinh vật .......................................................................... 35
3.2.2 Phân loại vi sinh vật ...................................................................................... 39
3.2.2.1 Vi khuẩn..................................................................................................... 46
3.2.2.2 Eukarya (Sinh vật nhân thực) ..................................................................... 50
3.2.2.3 Archaea (cổ khuẩn) .................................................................................... 55
3.3 SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT ....................................... 56
3.3.1 Nuôi cấy tĩnh/ nuôi cấy theo mẻ. .................................................................. 56
3.3.2 Nuôi cấy liên tục/ dòng liên tục. ................................................................... 58
3.4 ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG ........................................ 59
3.4.1 Các ñặc trưng ñộng học của quá trình sinh trưởng......................................... 59
3.4.2 Các giai ñoạn phát triển của vi sinh vật trong quá trình sinh trưởng............... 60
3.4.2.1. Giai ñoạn chậm phát triển (giai ñoạn cảm ứng): ........................................ 61
3.4.2.2. Giai ñoạn phát triển theo hàm số mũ của vi sinh vật: ................................. 61
3.4.2.3. Giai ñoạn phát triển tuyến tính: ................................................................. 62
3.4.2.4. Giai ñoạn ổn ñịnh: ..................................................................................... 62
3.4.3 Sự phụ thuộc tốc ñộ phát triển của vi sinh vật vào nồng ñộ cơ chất: .............. 63
3.4.3.1 Phương trình Mono: ................................................................................... 63
3.4.3.2 Xác ñịnh KS và các thông số ñộng học theo phương pháp Lineweaver
Burk:...................................................................................................................... 64
3.4.4 ðộng học quá trình chết của vi sinh vật:........................................................ 65
3.5 CHỈ THỊ VI SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI 66
3.5.1 Vi sinh vật lên men kỵ khí ............................................................................. 66
3.5.2 Vi sinh vật lên men hiếu khí .......................................................................... 67
3.5.2.1 Tác nhân sinh trưởng lơ lửng:..................................................................... 67
3.5.2.2 Tác nhân sinh trưởng bám dính: ................................................................. 69
3.5.3 Vi sinh vật trong các hồ ổn ñịnh .................................................................... 73
3.6 ỨNG DỤNG.................................................................................................... 74
3.6.1 Thực phẩm .................................................................................................... 74
3.6.2 Nông nghiệp.................................................................................................. 75
3.6.3 Khai thác nguyên liệu.................................................................................... 75
3.6.4 Bảo vệ môi trường......................................................................................... 75
CHƯƠNG IV: ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC............................ 77
4.1 MÔ HÌNH ðỘNG HỌC HÌNH THỨC ............................................................ 77
4.1.1Phản ứng bậc 1............................................................................................... 77
4.1.2Phản ứng bậc 2............................................................................................... 78
4.1.3Phản ứng bậc bất kỳ ....................................................................................... 78
4.2MÔ HÌNH DỰA TRÊN CƠ CHẾ LÊN MEN XÚC TÁC ................................. 80
4.2.1 Phương trình ñộng học – phương trình Michaelis-Menten:........................... 80
4.2.2 Xác ñịnh các thông số ñộng học .................................................................... 82
4.3 MÔ HÌNH DỰA TRÊN CƠ CHẾ LÊN MEN SINH KHỐI.............................. 86
4.3.1 Mô hình dựa trên cơ chế lên men sinh khối ................................................... 86
4.3.2 Phương pháp xác ñịnh các thông số của mô hình........................................... 88
4.3.2.1 Phương pháp vi phân................................................................................. 88
4.3.2.2 Phương pháp tích phân............................................................................... 89
4.4 PHƯƠNG TRÌNH MICHAELIS-MENTEN TRONG DẠNG TÍCH PHÂN: ... 93
CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ ............................................ 96
5.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................... 96
5.2 CÁC CÔNG TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ ...................................................... 97
5.2.1 Các dạng bể xử lý kỵ khí............................................................................... 97
5.2.2 Sinh học kỵ khí hai giai ñoạn: ....................................................................... 98
5.2.3 Bể kỵ khí kiểu ñệm bùn dòng chảy ngược - UASB (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket reactor).......................................................................................... 99
5.2.4 Bể phản ứng khuấy liên tục - CSTR (Continuously stirred tank reactor)...... 102
5.2.5 Bể phản ứng dòng chảy ñều - PFR (plug flow reactor) ................................ 104
5.2.6 Lọc kỵ khí bám dính cố ñịnh - AFR (anaerobic filter reactor)...................... 104
5.2.7 Bể phản ứng kỵ khí có ñệm giãn - FBR, EBR (fluidized and expanded bed
reactor) ................................................................................................................ 105
5.3 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH .................................................................................... 106
5.4 YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ................................................................................ 108
5.5 THÔNG SỐ THIẾT KẾ ................................................................................. 109
5.6 THÔNG SỐ VẬN HÀNH.............................................................................. 111
5.7 ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG .......................................................................... 115
CHƯƠNG VI: CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIẾU KHÍ .................................... 116
6.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................... 116
6.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ....................................................................... 117
6.3 CÁC DẠNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIẾU KHÍ...................................... 119
6.3.1 Bùn hoạt tính............................................................................................... 119
6.3.1.1 Khuấy trộn hoàn toàn ............................................................................... 127
6.3.1.2 Dòng chảy nút (Bể bùn hoạt tính cấp khí giảm dần) ................................. 128
6.3.1.3 Thổi khí nhiều bậc (Bể bùn hoạt tính nạp nước thải theo bậc) .................. 129
6.3.1.4 Mương oxy hóa: ....................................................................................... 130
6.3.1.5 Thiết bị khí nâng (Airlift reactor) ............................................................. 133
6.3.1.6 Tăng trưởng hiếu khí của sinh khối trong các tháp kín A – B (Aerobic
growth of biomass in packed towers) ................................................................... 137
6.3.1.7 Bể hiếu khí gián ñoạn - SBR (Sequencing Batch Reactor)........................ 138
6.3.1.8 Unitank .................................................................................................... 140
6.3.2 Lọc sinh học................................................................................................ 142
6.3.2.1 RBC (Roltating Biological Contactor - ðĩa quay sinh học): ..................... 145
6.3.2.2 Lọc nhỏ giọt: ............................................................................................ 146
6.3.2.3 Lọc sinh học ngập nước (ñệm cố ñịnh, ñệm giãn nở)................................ 148
6.4 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN.............................................................................. 149
6.4.1 Tính toán bể Aerotank ................................................................................. 149
6.4.1.1 Aerotank năng suất cao với sự khoáng hóa bùn hoạt tính tách biệt............ 149
6.4.1.2 Tối ưu hóa công nghệ bể aerotank năng suất cao ...................................... 156
6.4.1.3 Kết cấu aerotank năng suất cao................................................................ 158
6.4.1.4 Aerotank sục khí kéo dài .......................................................................... 161
6.4.1.5 Ví dụ tính toán công nghệ hệ thống xử lý ................................................ 163
6.4.2 Các thông số thiết kế cụ thể......................................................................... 169
6.4.2.1 Quá trình phân hủy hiếu khí ..................................................................... 169
6.4.2.2 Các thông số thiết kế cho bể Aerotank:..................................................... 170
6.4.2.3 Các thông số thiết kế mương oxy hóa....................................................... 171
6.4.2.4 Thiết kế bể lọc sinh học nhỏ giọt .............................................................. 171
6.4.2.5 Thông số thiết kế bể lọc sinh học ngập nước ........................................... 172
6.5 THÔNG SỐ VẬN HÀNH.............................................................................. 174
6.5.1 Vận hành hệ thống xử lý hiếu khí ................................................................ 174
6.5.1.1 Các thông số kiểm tra trong quá trình vận hành........................................ 175
6.5.1.2 Kiểm soát quá trình xử lý ........................................................................ 176
6.5.1.3 Quan sát vận hành .................................................................................... 177
6.5.1.4 Ngừng hoạt ñộng...................................................................................... 177
6.5.1.5 Giải quyết sự cố ...................................................................................... 177
6.5.1.6 Những sự cố thường gặp .......................................................................... 178
6.5.2 Vận hành hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt ..................................................... 179
6.5.2.1 Theo dõi vận hành .................................................................................... 179
6.5.2.2 Kiểm soát các quá trình thử mẫu và kiểm tra ............................................ 180
6.5.2.3 Các vấn ñề thường gặp trong quá trình vận hành và cách khắc phục......... 180
6.5.3. Vận hành hệ thống bùn hoạt tính: ............................................................... 183
6.5.3.1 Các thông số vận hành hệ thống: .............................................................. 185
6.5.3.2 Kiểm soát vận hành hệ thống; .................................................................. 186
6.5.3.3 Các vấn ñề có thể xảy ra khi vận hành và cách khắc phục: ....................... 186
6.6 ỨNG DỤNG.................................................................................................. 195
CHƯƠNG VII: HỒ SINH HỌC........................................................................ 196
7.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................... 196
7.2 CÁC DẠNG HỒ SINH HỌC......................................................................... 196
7.2.1 Hồ tự nhiên, hồ nhân tạo: ............................................................................ 197
7.2.1.1 Hồ tự nhiên .............................................................................................. 197
7.2.1.2 Hồ nhân tạo.............................................................................................. 197
7.2.2 Hồ kỵ khí: ................................................................................................... 198
7.2.3 Hồ tùy tiện: ................................................................................................. 199
7.2.4 Hồ hiếu khí: ................................................................................................ 202
7.2.5 Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước: .......................................... 203
7.3 VI SINH VẬT HIỆN DIỆN ........................................................................... 204
7.3.1 Vi khuẩn hiếu khí: ....................................................................................... 205
7.3.2 Vi khuẩn kỵ khí: .......................................................................................... 206
7.3.3 Các vi sinh vật quang hợp: .......................................................................... 206
7.3.4 ðộng vật nguyên sinh và ñộng vật không xương sống:................................ 207
7.3.5 Hồ thực vật: ................................................................................................ 207
7.4 THÔNG SỐ THIẾT KẾ ................................................................................. 207
7.4.1 Thiết kế hồ kỵ khí ....................................................................................... 208
7.4.2 Thiết kế hồ tùy tiện ..................................................................................... 209
7.4.3 Thiết kế hồ hiếu khí..................................................................................... 213
7.4.4 Thiết kế hồ thực vật nước: ........................................................................... 214
7.5 THÔNG SỐ VẬN HÀNH.............................................................................. 215
7.6 ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG .......................................................................... 216
CHƯƠNG VIII: CÔNG NGHỆ SINH HỌC LAI HỢP ................................... 217
8.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................... 217
8.2 CÁC DẠNG HỆ THỐNG SINH HỌC LAI HỢP........................................... 218
8.2.1 Công nghệ kỵ khí hai giai ñoạn (acid hóa + lọc kỵ khí) ............................... 218
8.2.2 UASB + lọc kỵ khí...................................................................................... 218
8.2.4 Hệ thống hybrid kị khí tăng trưởng lơ lửng. ............................................... 221
8.2.5 Bùn hoạt tính + lọc màng ............................................................................ 224
8.2.6 Bùn hoạt tính + lọc sinh học........................................................................ 226
8.3 ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH ................................................................... 228
8.4 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN.............................................................................. 228
8.5 CÁC ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG ................................................................. 229
CHƯƠNG IX: XỬ LÝ CÁC CHẤT DINH DƯỠNG (N,P) BẰNG CÔNG
NGHỆ SINH HỌC............................................................................................. 230
9.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH...................................................... 230
9.2 ðỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH ................................................................... 236
9.2.1 ðộng học quá trình Nitrat hóa sinh học ....................................................... 236
9.2.2 ðộng học quá trình khử Nitrat sinh học....................................................... 239
9.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ....................................................................... 244
9.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ................................................................................ 246
9.4.1 Nitrat hóa và khử nitrat kết hợp................................................................... 246
9.4.2 Nitrat hóa và khử nitrat riêng biệt................................................................ 254
9.4.3 Khử P.......................................................................................................... 254
9.5 ỨNG DỤNG ðẶC TRƯNG .......................................................................... 255
CHƯƠNG X: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC CHO XỬ LÝ CÁC
LOẠI NƯỚC THẢI ........................................................................................... 257
10.1 BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ..................................................... 257
10.2 CƠ SỞ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ............................................................. 257
10.3 CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ...................................................... 260
10.4 YÊU CẦU THIẾT KẾ.................................................................................. 260
10.5 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SƠ BỘ NƯỚC THẢI SINH HOẠT (CHO KHU
DÂN CƯ) ............................................................................................................ 262
10.6 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÓ TÍNH CHẤT NGUY HẠI................................... 263
10.6.1 Xử lý nước thải dệt nhuộm ........................................................................ 263
10.6.2 Xử lý nước thải thuộc da .....................................................
