Phục hồi sinh học pha bùn

Mở đầu

Như đã đề cập ở trên, có hai loại nồi phản ứng, là nồi phản ứng theo đợt kế tiếp nhau, SBR (hình9.1) và nồi phản ứng “từng đợt nửa vời” (hình 9.2). Lưu ý rằng trên hình 9.1 trình bày các bước kế tiếp nhau về thời gian, diễn ra trong cùng một nồi phản ứng, còn trên hình 9.2 là các bước kế tiếp nhau diễn ra trong các nồi khác nhau, tương ứng.

Hình 9.1. Sơ đồ bước vận hành một nồi phản ứng SBR. Thời gian cần thiết cho mỗi bước thì phụ thuộc vào nguyên liệu đang được xử lý.

Hình 9.2. Sơ đồ hệ thống nồi phản ứng “theo đợt nửa vời”, trong đó sự bổ sung nước, sự phản ứng, và sự tách các chát rắn được diễn ra trong các nồi tách biệt nhau.

Điều cần nhấn mạnh là, ở cả hai kiểu nồi trên đây, các bước có thể thao tác theo kỹ thuật như đã liệt kê ở phần 9.2 có thể được gộp thành các bước có tính nguyên lý sinh học, chung cho cả hai loại nồi là:

• Pha loãng đất ô nhiễm (hoặc bùn ô nhiễm) thành huyền dịch tới độ quánh đặc mong muốn, kết hợp với bổ sung chất dinh dưỡng, và chủng giống (nếu cần) .
• Tạo điều kiện và để cho quá trình xử lý diễn ra.
• Tách chất rắn ra khỏi chất lỏng; và giải quyết nốt các phần việc còn lại, hoặc xử lý tiếp nếu cần.

Thời gian cần thiết để pha loãng huyền dịch đất hoặc bùn tới độ quánh mong muốn, cũng như để bổ sung chất dinh dưỡng và bổ sung các vật liệu khác thì phụ thuộc vào công suất của các máy bơm và lượng vật chất có trong nồi phản ứng.

Thơì gian phản ứng (hay thời gian thực sự xử lý) thì phụ thuộc khả năng bị phân huỷ của các chất gây ô nhiẽm, mật độ các vi sinh vật có mặt, và sự phân bố của các chất gây ô nhiễm giữa pha lỏng và các pha rắn. Như đã đề cập trong hai chương 4 và 5 , các vi sinh vật thu nhận toàn bộ chất dinh dưỡng của mình từ pha lỏng, do vậy sự phân bố các chất gây ô nhỉễm giữa các pha và/ hoặc tốc độ vận chuyển vật chất vào tế bào là những nhân tố cực kỳ quan trọng trong thiết kế nồi phản ứng dành cho bùn.

Cuối cùng, thời gian tách chất rắn ra khỏi chất lỏng (lắng, gạn chắt) thì phụ thuộc các tính chất của hạt đất và mật độ huyền dịch. Vận tốc lắng giảm khi kích thước hạt và nồng độ hạt giảm xuống.

Mô hình hoá nồi phản ứng theo mẻ

Với các nồi phản ứng bùn ở quy mô lớn thì rất khó có thể khuấy trộn thật đều như người ta luôn luôn mong muốn. Trong những nồi phản ứng theo mẻ hoạt động thật hoàn hảo, có một mối tương quan giữa khối lượng các chất gây ô nhiễm và tốc độ phản ứng như sau:

trong đó:M = khối lượng của các chất gây ô nhiễm trong nồi phản ứng

t = thời gian, ngày

V = khối lượng nồi phản ứng, m³

r0 = tốc độ phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm, kg/m³ .ngày

Ở đây, khối lượng chất lỏng được coi là tương đương với khối lượng tổng số V(tức Vlỏng+ Vrắn). Khối lượng chất rắn là không đáng kể so với khối lượng chất lỏng, trong hầu hết trường hợp . Trong các trường hợp không như vậy thì các phương trình 9.1- 9.5 cần phải được sửa đổi.

Khối lượng của các chất gây nhiễm có mặt bao gồm cả những chất hấp phụ lên các chất rắn cũng như các chất trong dung dịch:

M = s X sV + CV (9.2)

trong đó :

s = khối lượng của các chất gây ô nhiễm hấp phụ trên đơn vị khối lượng của các chất rắn có mặt trong nồi phản ứng, kg/kg

Xs= nồng độ khối lượng của các chất rắn (coi rằng đó là đất ô nhiễm), kg/m³

C = Nồng độ khối lượng của các chất gây ô nhiễm hoà tan, kg/m³

Khi phản ứng diễn ra chậm thì các điều kiện cân bằng là gần đúng, và khi ấy các chất hoà tan có tương quan với nhau theo hệ số phân bố trong đất, KSD (xem chương 3, phần thảo luận đầy đủ về hệ số phân bố trong đất)

Khi phản ứng diễn ra nhanh thì các điều kiện là không cân bằng, và cần phải tính các cân bằng vật chất riêng rẽ cho pha hấp phụ và pha lỏng.

Cho pha hấp phụ:

Cho pha lỏng:

trong đó:

KL= hệ số tốc độ vận chuyển khối, m/ngày

a = vùng phân cách trên mỗi đơn vị khối lượng, m^-1

Cs = nồng độ trong pha lỏng lúc cân bằng với pha rắn,

như được quy định theo phương trình (9.3) , kg/m³.

Trong rất nhiều trường hợp, các điều kiện cân bằng là gần đúng, và phương trình (9.1) có thể được viết là:

Bài toán 9.1: Sự phân huỷ sinh học trong nồi phản ứng bùn

Một đất ô nhiễm được phục hồi trong một nồi phản ứng bùn. Nồng độ chất gây ô nhiễm, được đo theo COD, là 800mg/kg đất khô, và nồng độ cho phép (do độ độc) là 40mg/kg. Dựa theo các nghiên cứu ở phòng thí nghiệm, KSD= 0,2 m³/ kg, và sự phân huỷ sinh học có thể được mô tả như một hàm số bậc nhất của nồng độ COD hoà tan. Đã xác định được một giá trị của hệ số tốc độ bậc nhất là 0,05 mỗi ngày. Có thể đạt được một sự khuấy trộn thoả đáng ở nồng độ chất rắn là 10kg/m³. Hãy tính thời gian cần thiết để phục hồi đất này. Tỷ trọng của đất là 2.600 kg/m³.

Bài giải

1. Xác định khối lượng nước cần thiết cho mỗi kg đất để bùn có nồng độ 10kg/m³.

Vw= 0,1 m³ /kg đất

2. Xác định các nồng độ đầu và cuối của chất ô nhiễm trong pha lỏng (tính trên 1 kg đất).

C = s

K SD

M = 8 x 10^{- 4} kg = s (1kg) + VC

=( KSD+ V)C =(0,2 + 0,1) C

3. Hãy áp dụng phương trình (9.6b) để xác định thời gian cần thiết cho sự phục hồi.

Tích phân từ C0 đến Cf và từ 0 đến t

t = - 59,9 ln 0,05 = 179 ngày.

Cung cấp oxy

Như đã biết, oxy là cần thiết cho sự phân huỷ sinh học hiếu khí chất gây ô nhiễm. Trong những điều kiện nào đó thì có thể thay oxy bằng NO₃^-, NO₂^-, hoặc SO₄^2- để dùng làm chất nhận điện tử cuối cùng. Trong những trường hợp còn lại, vốn là phổ biến, thì vẫn nên dùng oxy, vì nó có khả năng oxy hoá nhiều chất hơn,

Có ba phương thức cung cấp oxy cho các nồi phản ứng xử lý bùn:

• Sự thông khí nhờ khuyếch tán
• Sự phun khí kết hợp với hoạt động của tuabin
• Sự thông khí từ bề mặt

Sự thông khí nhờ khuyếch tán (hình 9.3a)

Theo phương pháp này, oxy được cung cấp nhờ sự thổi không khí qua những dụng cụ khuyếch tán có nhiều lỗ nhỏ, chẳng hạn như bằng gốm, được đặt ở đáy bể. Khi các bóng khí nổi lên, oxy khuyếch tán qua bề mặt ranh giới giữa hai pha khí và lỏng của các bóng ấy.

Hiệu quả vận chuyển oxy của phương pháp này phụ thuộc vào kích thước của bóng khí và thời gian tiếp xúc. Thời gian tiếp xúc phụ thuộc vào chiều cao của khối chất lỏng; hầu hết các bể được thông khí theo kiểu khuyếch tán có chiều sâu 5 m trở lên.

Sự phun khí kết hợp với hoạt động của tuabin (hình 9.3b)

Như tên gọi của phương pháp đã cho thấy, ở đây, một dụng cụ thông khí được đặt dưới một tuabin dẹt ở đáy nồi phản ứng, sao cho không khí phun ra làm quay tuabin; tuabin này hoạt động làm khuấy trộn vật chất chứa trong nồi, do đó làm cho không khí tạo thành các bóng khí nhỏ, cũng là làm tăng hiêụ quả trộn đều và hiệu quả vận chuyển oxy. Ở các nồi phản ứngcó chiều sâu lớn có thể còn phải lắp đặt thêm các cánh khuấy và một tuabin ở lưng chừng nồi để đảm bảo một sự khuấy trộn hoàn hảo.

Sự thông khí từ bề mặt (hình 9.3c)

Sự thông khí này được thực hiện nhờ một tuabin đặt ở bề mặt pha lỏng. Khi tubin ở bề mặt quay, nước được kéo lên phía trên và văng ra ngoài thành các giọt nhỏ. Các gọt này làm tăng tổng diện tích bề mặt của nước có thể tiếp nhận oxy. Hoạt động của tuabin này cũng có tác dụng khuấy trộn. Sự khuấy trộn này chỉ giới hạn ở một độ sâu nào đó trong nồi, mặc dù có thể lắp đặt thêm các ống đặc biệt để làm tăng độ sâu khuấy trộn có hiệu quả.

Hình9.3. Sơ đồ minh hoạ các định nghĩa về các hệ thống vận chuyển oxy trong phục hồi sinh học.

Đối với một huyền dịch loãng, ví dụ nước thải đô thị đang được xử lý, thì tốc độ vận chuyển oxy thường là từ 1,2 đến 2,5 kg O₂ .kw.h cho cả ba hệ thống trên đây. Tuy nhiên, tốc độ vận chuyển oxy giảm xuống khi nồng độ chất rắn trong huyền dịch tăng lên, và cần phải thận trọng trong việc lựa chọn các thiết bị cho các quá trình phục hồi sinh học pha bùn. Nếu nồng độ chắt rắn vào khoảng 10% thì tốc độ vận chuyển oxy có thể thấp hơn nhiều so với giá trị 1kg O₂ .kw.h.

Tốc độ vận chuyển oxy cần đạt đến thì phụ thuộc vào tốc độ phân huỷ chất hữu cơ ro và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật rg. Tốc độ hấp thụ oxy, và do đó tốc độ vận chuyển oxy cần đạt đến là nhỏ hơn so với tốc độ loại bỏ COD, bởi vì một phần chất hữu cơ được dùng vào việc tạo ra các vi khuẩn mới chứ không phải bị oxy hoá. Đáng tiếc là trong một hệ thống xử lý pha bùn thì việc xác định sinh khối vi khuẩn là cực kỳ khó khăn. Một tương quan gần đúng cho tốc độ hấp thụ oxy, tốc độ này dựa trên thiét kế xử lý nước thải [197] được nêu trong phương trình (9.7) dưới đây.

trong đó r_O2 = tốc độ tiêu thụ oxy

T = thời gian lưu giữ chất rắn, ngày.

trong đó VR = khối lượng các chất rắn lắng xuống được giữ trong bể, m³

t = thời gian phản ứng, ngày.

Bài toán 9.2. Về yêu cầu vận chuyển oxy trong một nồi phản ứng dành cho pha bùn.

Hãy tính yêu cầu vận chuyển oxy cho hệ thống phục hồi sinh học của của bài toán 9.1 nếu khối lượng của phần giữ được trong mỗi lần xử lý là 10%.

Bài giải

1. Xác định thời gian lưu giữ các chất rắn T

T = 1,1 t = 1,1(18 ngày) = 19,8 ngày

1. Xác định r_O2

r_O2= rO(1 - 0,6 )

1+ 0,05 T

= - kC (1 - 0,6 ) = - 0,7 kC

1+ 0,05 T

C = CO e^-kt = COe^{- 0,0167} t

r_O2 = - 0,7(0,05) COe^{- 0,0167} t=-0,035 COe^{- 0,0167} t

C_O = 2,67 x 10^-3 kg/m³

r_O2 = 9,35 x 10^-5e^{- 0,0167} tkg/m³. ngày

3. Tốc độ hấp thụ oxy (giá trị tuyệt đối) sẽ giảm khi COD giảm (hình 9.4)- nghĩa là khi sự phục hồi sinh học diễn ra. Tốc độ vận chuyển oxy cần đạt đến là tương đương với tốc độ tiêu dùng oxy. Mặc dù tốc độ vận chuyển cần đạt đến thì giảm tới một giá trị rất thấp, nhưng vẫn cần phải khuấy trộn như cũ để giữ đất ở trạng thái huyền dịch. Vì thế không thể giảm tốc độ tuabin khi nhu cầu oxy giảm xuống.

Hình 9.4. Tốc độ vận chuyển oxy là hàm số của thời gian phản ứng trong bài toán 9.1 và 9.2.

Khuấy trộn

Sự khuấy trộn làm cho chất lỏng trong nồi phản ứng được đầy lên. Nếu trong nồi phản ứng bùn có những gradien nồng độ hoặc nhiệt độ thì tốc độ phản ứng tại các điểm khác nhau trong nồi sẽ là khác nhau. Trong một vài trường hợp……….

Trong một nồi phản ứng bùn, thường phải khuấy trộn chất lỏng thật đồng đều, để đạt được các gradien nồng độ nhỏ nhất, nghĩa là để đạt được các tốc độ phản hấp phụ lớn nhất, và độ độc với vi sinh vật là nhỏ nhất.

Lý thuyết về sự khuấy trộn đã được đề ra cho các nồi phản ứng tương đối nhỏ (<50m³), trong khi đó các hệ thống xử lý pha bùn thường có dung tích lớn hơn nhiều (> 500m³). Việc lựa chọn thiết bị khuấy trộn thường dựa theo kinh nghiệm trong những điều kiện cụ thể. Trong nhiên, trong trường hợp của các nồi lên men lớn bắt đầu đưa vào sử dụng lần đầu thì cần phải kết hợp giữa kinh nghiệm với sự giới thiệu của nhà sản xuất, cũng như phải làm thử nghiệm để lưa chọn được thiết bị khuấy phù hợp.

Vì trong nồi phản ứng pha bùn thì đất lắng xuống nhanh nên chế độ khuấy trộn sẽ phải thay đổi. Bán kính tác dụng của một máy khuấy trộn kiểu tuabin được dùng cho các huyền dịch đất thường bằng 2-3 lần đường kính vòng quay của máy khuấy ấy. Như vậy để có thể khuấy trộn kỹ bằng một máy khuấy có đường kính 5m trong một nồi có đáy vuông, mỗi cạnh 60m thì cần từ 16 đến 36 máy.

Mức độ khuấy trộn do máy khuấy tạo ra có thể được biểu thị bằng đại lượng Reynolds (N_Rei ) của máy khuấy:

N_Rei= NDi2p

ỡ

trong đó:

N = tốc độ quay của máy khuấy, vòng/giây (rps)

Di = đường kính vòng quay của cánh khuấy, m

p = mật độ huyền dịch, kg/m³

ỡ = độ nhớt động lực của huyền dịch, kg/m.giây

Để duy trì được các trạng thái khuấy trộn trong vùng khuấy trộn, hoặc vùng tác dụng, thì cần các trị số N_Rei lớn hơn 10.000. Đối với một máy khuấy có đường kính 5m và một huyền dịch có các đặc tính gần giống như của nước (p_w = 1.000 kg/m³, ỡ ≈ 0,001 kg/m.giây), tốc độ quay N sẽ được sẽ chỉ cần lớn hơn 0,024 phút ^-1.

Tuy nhiên, trong vận hành thông thường, các trị số N là từ 40 đến 60 vòng/phút, tức 0,7 đến 1 vòng/giây, và các trị số N_Reilà từ 1 đến 3ì10⁷.

Nhu cầu năng lượng cho việc khuấy trộn được xác định theo kinh nghiệmvà theo các đặc điểm kỹ thuật của thiết bị khuấy trộn. Thông thường, để khuấy trộn kỹ những huyền dịch có độ đậm đặc vừa phải thì cần từ 20 đến 50kw/1000m³. Còn đối với các huyền dịch có độ đậm đặc cao thì có thể cần từ 100 đến 250kw/1000m³, và bán kính tác dụng của máy khuấy trộn sẽ giảm xuống đáng kể. Vì lẽ đó, các huyền dịch đậm đặc được xử lý dễ dàng trong một nồi phản ứng sâu và có đường kính nhỏ, hơn là trong một nồi nông có đường kính lớn.

Các nhu cầu dinh dưỡng

Muốn biết được có cần bổ sung dinh dưỡng vào các nồi phản ứng bùn hay không thì phải căn cứ vào các nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm về sự phân huỷ chất gây ô nhiễm. Như đã đề cập ở một phần trên đây, nếu trong nồi phản ứng có một lượng lớn các chất vô cơ dạng hạt thì khó đo được sinh trưởng của vi sinh vật, và vì thế cũng khó xác định được nhu cầu về nitơ, photpho và các nguyên tố khác.

Để vượt qua khó khăn này, có thể dùng một phương pháp tương tự như phương pháp xác định nhu cầu oxy. Thông thường, nitơ chiếm khoảng 10-14% sinh khối vi sinh vật, và photpho chiếm khoảng 0,5-2%. Tốc độ tiêu dùng nitơ, N, phụ thuộc tốc độ sinh trưởng của tế bào vi sinh vật, mà tốc độ sinh trưởng này thì phụ thuộc vào tốc độ loại bỏ chất hữu cơ. Nếu tốc độ loại bỏ chất hữu cơ được đo bằng đơn vị nhu cầu oxy (COD hoặc BODU) thì tốc độ tiêu dùng nitơ có thể được tính gần đúng theo phương trình (9.10).

rN ≈ 0,06 ro (9.10)

1 + 0,05 T

Nitơ có thể được bổ sung dưới dạng NH₄⁺ hoặc NO₃^- , và lượng muối được bổ sung để cung cấp lượng N cần thiết có thể là rất lớn. Ví dụ, nếu dùng NaNO₃ thì cần tới 6,1g muối để cung cấp 1g N. Kết quả là nồng độ tổng số của các chất rắn hoà tan tăng lên nhiều.

Một dạng tương tự với phương trình (9.10) có thể được dùng để xác định tốc độ tiêu dùng photpho. Lưu ý rằng photpho thường được cung cấp dưới dạng ortophotphat, PO₄^-3, và khoảng 3g được cung cấp để có được1g photpho.

rP ≈ 0,01 ro (9.11)

1 + 0,05 T

Nên tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm nhằm xác định các nhu cầu dinh dưỡng, bởi vì phép tính hệ số tỷ trọng của các quá trình phản ứng nhờ vi sinh vật thì rất khác nhau.

Sự phân huỷ các chất phức tạp, như các chất thường thấy trong đất ô nhiễm, thường dẫn đến một thu hoạch tế bào thấp đến mức đáng ngạc nhiên, và do đó có những đòi hỏi về dinh dưỡng rất thấp. Các nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm có thể được tiến hành trong đó chúng ta cung cấp một chất gây ô nhiễm hữu cơ riêng lẻ ở nồng độ dư thừa, và sự phân huỷ nó được theo dõi trong một khoảng nào đó của các nồng độ dinh dưỡng. Khi các chất dinh dưỡng bổ sung được làm cạn kiệt thì có thể thấy tốc độ loại bỏ chất hữu cơ gỉam đi rõ rệt. Sau đó có thể xác định được nhu cầu dinh dưỡng dựa theo phép tính hệ số tỷ lượng, đó là tỷ số giữa lượng chất dinh dưỡng được bổ sung và sự thay đổi về lượng chất hữu cơ, như đã nêu trong hình 9.

Mở đầu

Mục đích của việc xử lý sơ bộ (hay tiền xử lý, pretreatment) đối với đất ô nhiễm là để loại bỏ các vật liệu không ô nhiễm hoặc ít ô nhiễm, cũng như loại bỏ các vật liệu không phù hợp với quy trình xử lý bùn.

Các chất gây ô nhiễm thường ít nhiều có tính kỵ nước, và sẽ bị liên kết với phần mịn hơn của đất là phần vốn có tỷ lệ bề mặt / khối lượng lớn hơn. Đá, sỏi, và cát nói chung là tương đối sạch và có thể được tách khỏi đất định xử lý trong nồi phản ứng bùn. Những vật liệu này khó tồn tại trong huyền dịch và dễ lắng xuống tại những điểm nào đó ít bị khuấy trộn trong nồi phản ứng, và đó cũng là lý do để cần phải bỏ loại chúng. Ngoài ra những vật rắn lớn nhỏ như cành cây, đồ vật bằng chất dẻo, các bộ phận máy móc, vật liệu xây dựng v.v..., phải bị loại bỏ trước khi xử lý pha bùn.

Có hai phương pháp tiền xử lý đất ô nhiễm

• Sự tách phân đoạn đất (soil fractionation)
• Sự rửa đất (soil washing)

Tách phân đoạn đất

Người ta sàng đất bằng các loại sàng có kích thước lỗ sàng khác nhau. Các mảnh vụn lớn như gỗ, chất dẻo, nhựa đường v.v... được loại bỏ ngay, đồng thời các hạt thô trong đất như sỏi và cát thì được tách khỏi các hạt mịn hơn như phù sa, sét, mùn.

Mục đích của việc tách bỏ các hạt lớn ra khỏi các hạt mịn là để tập trung và giảm khối lượng đất cần thiết đưa vào xử lý trong nồi phản ứng bùn. So với các hạt lớn thì các hạt nhỏ có tỷ lệ bề mặt/khối lượng lớn hơn, và có hoạt tính là bề mặt lớn hơn, do đó hấp phụ một lượng lớn các chất gây ô nhiễm, tính trên một đơn vị khối lượng. Lượng chất hữu cơ trong các phần khác nhau của đất được nêu trong bảng 9.1. Đó là các số liệu thu được từ những nghiên cứu về đất tại một cơ sở sản xuất hoá chất. Trong những trường hợp khác thì các con số cụ thể của bảng này sẽ khác đi nhiều, tuỳ thuộc đặc tính của chất gây ô nhiễm cũng như của đất, nhưng mẫu chung về sự phân bố chất hữu cơ trong đất thì về cơ bản là như đã nêu trong bảng đó. Hắc ín bao gồm chủ yếu là những chất lỏng không phải nước, và chúng thường có mặt với những lượng nhỏ trong đất ô nhiễm. Nếu có thể thì cần loại bỏ riêng chúng

Bảng 19.1. Sự phân bố COD theo các hợp phần của đất

Hợp phần	% khối lượng	% COD
Các hạt thôCác hạt mịnHắc ínNước	29550,315,7	2,988,88,80

Rửa đất

Việc rửa đất có cùng mục tiêu như việc tách phân đoạn đất, đó là tách các hạt mịn bị ô nhiễm nhiều ra khỏi các hạt lớn bị ô nhiễm ít hơn . Tuy nhiên, do trong quá trình rửa có sự hoà tan chất gây ô nhiễm, nên các hạt lớn có thể được làm sạch đến mức có thể vứt bỏ đi một cách ít tốn kém. Như vậy, đôi khi việc rửa đất được dùng như một công nghệ riêng rẽ về xử lý nhằm giảm đáng kể khối lượng đất ô nhiễm. Rửa đất là một quá trình tốn kém, được cơ giới hoá cao, và nói chung là không kinh tế, trừ khi hơn 70% khối lượng đất đem rửa phải được rửa tới mức sạch [183].

Tại Mỹ, việc rửa đất được áp dụng lần đầu tiên vào thập kỷ 1980 [188]. Một số hãng đã đưa ra những cải tiến so với những khái niệm cơ sở mà hầu hết vốn dựa trên những cơ chế và nguyên tắc được dùng trong khai mỏ và chế biến quặng.

Hầu hết các quá trình rửa đất bắt đầu bằng việc sàng thô đất để loại bỏ các mảnh vụn lớn và những vật liệu không mong muốn khác, như vật liệu bằng chất dẻo và các viên đá lớn. Sau đó nước được bổ sung để tạo thành bùn. Sau đó là việc làm sạch các hạt lớn, được tiến hành trong các hộp cọ xát [183]. Các cánh khuấy quay để tạo ra sự va chạm cơ học nhằm phá vỡ các cục đất. Sự cọ rửa bùn như vậy dẫn đến việc phân tách giữa các hạt đất nhỏ và lớn, và việc rửa các hạt lớn bởi sự cọ xát bề mặt. Sự rửa các hạt cũng có thể đạt được nhờ một dòng ngược.

Sau khi rửa, người ta tiến hành phân loại sơ bộ các hạt dựa theo kích thước của chúng, nhờ các kỹ thuật trống quay (trommels), tức sàng quay (rotary screens), xoáy thuỷ lực (hydrocyclones), hoặc sàng rung (vibrating screens).

Các hạt có đường kính lớn hơn 74ỡm thường sạch đến mức có thể loại bỏ [188]. Các chất rắn còn lại mà đi qua sàng thì sau đó được tách khỏi nước rửa nhờ sự sa lắng (các hạt nặng) hoặc nhờ sự tuyển nổi (các hạt nhẹ). Cần theo dõi mức độ tập trung kim loại vì những vấn đề về độc tính có thể nảy sinh. Nước rửa có thể tái tuần hoàn và được dùng như nước nguyên (sạch) ở dòng vào, hoặc có thể được xử lý trước khi thải vào hệ thống cống rãnh chung.

Sụ rửa đất có thể có một số thay đổi như:

• Làm nóng nước để rửa, nhằm tăng cường sự hoà tan của các chất gây ô nhiễm.
• Bổ sung các chất hoạt động bề mặt hoặc các chất khác, để tăng cường sự giải hấp và sự hoà tan các chất kị nước.
• Bổ sung axit để kết tủa kim loại, và đôi khi
• Bổ sung kiềm để cải thịên sự tách chiết axit hữu cơ, như trường hợp của pentaclorophenol [188].

Lưu ý rằng các chất bổ sung có thể làm cho quá trình xử lý sơ bộ trở nên phức tạp hơn, cả với đất cũng như với nước rửa thải ra, và vì thế phải được dùng rất thận trọng.

Dưới góc độ kinh tế thì rửa đất là một xử lý thích hợp cho các loại đất pha cát, đất thô, hơn là cho các loại đất sét. Với các loại đầu, thì một phần lớn khối lượng đất đem rửa có thể thu hồi thành đất sạch, vì trong đất đem rửa ấy, phần chủ yếu là các hạt lớn. Cần tiến hành các nghiên cứu khả thi để xác định xem liệu trong một trường hợp cụ thể, xử lý sơ bộ bằng cách rửa đất có kinh tế hay không. Vì những mục đích của xử lý pha bùn, việc tách phân đoạn đất đạt được mục đích giống như của xử lý theo kiểu rửa đất, đó là loại bỏ các hạt lớn hơn, và chúng dễ đựơc huyền dịch hoá và được trộn hơn. Việc tách phân đoạn có thể được áp dụng nhiều hơn khi các nồng độ thấp của chất gây ô nhiễm chiếm ưu thế , và chất gây ô nhiễm tập trung ở các hạt nhỏ. Tuy nhiên, việc xử lý các hạt đất lớn hơn có thể vẫn là cần thiết.

Mở đầu

Trên đây đã nói rằng xử lý pha bùn có thể được tiến hành theo một trong ba phương thức: kiểu từng đợt, kiểu nửa vời, hoặc kiểu dòng liên tục. Những xử lý bên trong (in situ) nhỏ thường được tiến hành theo kiểu từng đợt. Những khu vực lớn để ngăn cách bùn ô nhiễm hoặc đất thải bỏ có thể được xử lý in situ bằng cách chia chúng thành nhiều ô bằng các thanh đóng sâu xuống như cọc. Các ô đó có thể được xử lý tuần tự bằng các máy khuấy trộn di chuyển được, cùng với các thiết bị thông khí, nếu thời gian xử lý không bị giới hạn.

Về phần các xử lý tại chỗ (on site), trong đó dùng các nồi xử lý tách biệt nhau cho việc bổ sung hoá chất, cũng như cho việc tách các chất rắn (xem hình 9.1), thì thích hợp nếu khối lượng cần xử lý là nhỏ hoặc nếu thời gian xử lý không bị hạn chế.

Về phía các xử lý theo kiểu dòng liên tục, như trên đã đề cập, chúng ít phổ cập do phải có thời gian lưu nước lâu và do khó có thể di chuyển đất và bùn [184].

Vật liệu cấy

Để tạo ra và sử dụng vật liệu cấy cho mỗi phản ứng pha bùn thì cần cân nhắc ba điều đặc biệt quan trọng sau đây:

• Tạo ra một quần thể vi sinh vật thích hợp
• Đưa vào nồi xử lý một mật độ vi sinh vật phù hợp, và
• Kiểm soát độ độc.

Quần thể vi sinh vật

Một loài, hoặc mỗi chủng trong một loài, chỉ có thể thực hiện một số phản ứng phân huỷ. Trong hầu hết các trường hợp thì nếu một loài có khả năng mỏ đầu sự phân huỷ hiếu khí một chất nào đó thì nó có khả năng oxy hoá các nguyên tử cacbon trong đó tới CO₂ . Một phần bộ khung cacbon của các chất phức tạp có thể được trở lại pha lỏng bởi vì một cấu trúc liên kết đặc biệt có thể không bị phá vỡ. Trong những trường hợp như vậy, các loài khác có thể sinh trưởng trên các sản phẩm mà loài mở đầu tạo ra. Vào lúc mà phần không bị phá phuỷ có thể là độc đối với vi khuẩn phân huỷ mở đầu, và không có loài thứ hai tiêu dùng nó đi thì độ độc có thể tích luỹ tới mức làm cho hệ thống dừng hoạt động. Thông thường, mỗi bứơc phản ứng của sự phân huỷ là do một số loài thực hiện, và số lượng tương đối của mỗi loài hoặc mỗi nhóm có mặt thì phụ thuộc vào cácđiều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, sự có mặt của những kim loại đặc biệt, ...). Các quần thể hỗn hợp hoặc các giống hỗn hợp hầu như luôn luôn bền vững hơn so với các giống thuần khiết, trong quá trình xử lý. Loài có mặt thực sự có thể thay đổi nhiều theo thời gian, đó là những thay đổi môi trường tại nơi xử lý hoặc ở phạm vi rộng hơn. Tuy nhiên, nếu dùng giấy hỗn hợp thì có thể giảm thiểu ảnh hưởng của những thay đổi về điều kiện môi trường tới quá trình xử lý, vì có nhiều loài có thể thực hiện các phản ứng phân huỷ.

Việc tạo ra vật liệu cấy

Hình 9.6 và bảng 9.2 minh hoạ các bước tiến hành để tạo ra vật liệu cấy dùng cho mục đích phục hồi sinh học. Bước đầu tiên thường là thu thập các mẫu từ một số nguồn được biết là có chứa một phổ rộng các loài vi khuẩn, ví dụ từ các trạm xử lý nước thải theo phương pháp bùn hoạt tính, hoặc từ các đất nông nghiệp . Đất ô nhiễm và bùn ô nhiễm cần được xử lý cũng có thể là một nguồn vi sinh vật như vậy, nhưng nếu thế thì có một câu hỏi nảy ra là “ Tại sao đất hay bùn ấy vẫn còn ô nhiễm”?. Một hỗn hợp các nguyên vật liệu từ mỗi nguồn nói trên có thể được dùng để mở đầu việc nuôi trong phòng thí nghiệm. Đầu tiên, người ta nuôi một số chủng bằng cách dùng: các cơ thể của từng nguồn nói trên nuôi riêng rẽ, hỗn hợp giữa các cơ thể, và các đối chứng. Nừu không biết gì về tính độc của vật liệu bị ô nhiễm thì cần phải thử một dãy nồng độ . Nừu xử lý pha bùn đã là một sự lựa chọn đúng đắn thì các chất gây ô nhiễm thường không bay hơi, và khi ấy có thể thông khí cho các mẫu xử lý bằng biện pháp thông khí nhờ khuyếch tán hoặc hoặc bằng cách lắc. Nếu có khả năng sinh ra khí độc thì các khí thoát ra phải được cho qua than hoạt tính và nồng độ cuối cùng phải được theo dõi . Nồng độ chất gây ô nhiễm có thể được đo thông qua thông số đại diện, như COD chẳng hạn. Đôi khi việc đo COD là không thích hợp, ví dụ như một chất gây ô nhiễm đặc biệt có mặt tại ở nồng độ tương đối thấp cần phải được loại bỏ mà không cần quan tâm đến sự loại bỏ toàn bộ các chất hữu cơ.

Hình 9.6. Trình tự các bước trong việc tạo ra các chủng giống vi sinh vật để dùng cho các nồi phản ứng pha bùn. Các bước tiến hành đối với nguồn A cũng là cho các nguồn khác. Những chủng sinh trưởng tốt có thể được hỗn hợp với nhau ở bước cuối cùng.

Các số liệu về giai đoạn đầu tiên của sự phát triển quần thể sẽ là cơ sở để nuôi các vi sinh vật thích hợp, và dẫn đến thông tin ban đầu về các nồng độ có thể xử lý. Trong nhiều trường hợp có thể tạo ra các chủng giống có khả năng xử lý những nồng độ cao hơn nhiều so với được quan sát thấy trong hàng loạt đầu tiên của các thực nghiệm. Nguyên nhân có thể là do sự phát triển chậm của các quần thể thứ cấp, những quần thể này phân huỷ các sản phẩm phụ có tính độc. Trong bất kỳ trường hợp nào thì việc nghiên cứu hơn nữa về các nồng độ giới hạn cũng đều là thích hợp.

Các chủng giống được cho là thích hợp sẽ được cho sinh trưởng trong những nuôi cấy tích luỹ trong đó có bổ sung liệu ô nhiễm, thông khí và khuấy trộn, cho tới khi các chất ô nhiễm bị phân huỷ, cho phép các chất rắn được tách ra, loại bỏ chất lỏng nổi phía trên, và bổ sung thêm nữa bùn ô nhiễm. Việc theo dõi số lượng tế bào bằng các kỹ thuật vi sinh vật học chuẩn mực (ví dụ việc đếm trên đĩa thạch) cũng rất nên làm. Những mật độ vi sinh vật trong nồi phản ứng bùn lúc bắt đầu hoạt động sẽ là lớn hơn 10⁸ tế bào/mL.

Bảng 9.2. Các bưpớc tiến hành để tạo ra chủng giống vi sinh vật cho các nồi phản ứng bùn

Bước	Mục tiêu	Nhận xét
1.Lựa chọn các nguồn vi sinh vật	Tìm các nhóm hoặc các loài vi sinh vật có khả năng phân huỷ các chất gây ô nhiễm	Nên dùng trên một nguồn, trong đó luôn luôn có đất và bùn hoạt tính
2.Nuôi các chủng giống trong phòng thí nghiệm	Chọn các nguồn vi sinh vật tốt nhất để dùng về sau	Việc trộn hỗn hợp các nguồn có thể là sự lựa chọn tốt nhất
3. Xác định động học và các thông số của phép tính hệ số tỷ lượng	Xác lập thiết kế và các thông số vận hành	Bước này quy định việc thiết kế hệ thống vận chuyển oxy và các nhu cầu bổ sung dinh dưỡng
4. Xác định các giới hạn về độc tính	Xác lập các giới hạn về nồng độ trong vận hành	Tính độc với vi sinh vật là một vấn đề phổ biến
5. Tăng mật độ quần thể	Cung cấp vi sinh vật cho các quá trình xử lý	Nói chung, mật độ quần thể càng cao thì càng tốt.

Lựa chọn nồi phản ứng

Nếu khối lượng đất cần sử lý không lớn, và thời gian để xử lý không bị hạn chế thì nên dùng các nồi phản ứng theo mẻ (batch reutor). Có thể phải dùng đến các thùng (holding tanks) để pha chế hỗn hợp dinh dưỡng để chứa chủng giống vi sinh vật sẽ đưa vào bùn để xử lý. Xử lý theo kiểu đợt là có ích nếu động học của sự phân huỷ là một hàm số bậc nhất của nồng độ chất gây ô nhiễm, khi ấy sự phân huỷ ban đầu hầu như rất nhanh, khi mà nồng độ chất gây ô nhiễm là cao nhất. Thông thường thì sự phân huỷ này trải qua một giai đoạn mở đầu (tiềm phát, lag period), bởi vì trong hầu hết trường hợp, vật liệu cấy được chế tạo từ một chủng ở dạng dịch thể, và vì các vi sinh vật dùng để xử lý – mặc dù chúng là các cơ thể bản địa (indigenous), nhưng chúng vẫn cần một thời gian để thích ứng với các điều kiện môi trường mới của nồi phản ứng bùn.

Ví dụ 9.3. Sự giới hạn tốc độ giải hấp

Người ta tiến hành phục hồi một bùn đất ô nhiễm trong nồi phản ứng bùn; bùn này có nồng độ chất rắn 10kg/m3. Nồng độ chất gây ô nhiễm trong đất, s, tính theo COD đo đượclà 320mg/kg đất khô , và nồng độ trong chất lỏng có thể cho phép (vì độ độc) là 50mg/L. Dựa trên các nghiên cứu phòng thí nghiệm thì KSD= 2x10 -2 m3/kg, hệ số tốc độ giảI hấp KLa = 2 mỗi ngày , và sự phân huỷ sinh học là hàm số bậc nhất của nồng độ COD hoà tan với hệ số tốc độ k = 0,05 mỗi ngày.

Hãy tính thời gian cần thiết để loại bỏ 90% các chất gây ô nhiễm ra khỏi đất. Giả thiết rằng có thể đạt được sự khuấy trộn đồng đều, và rằng sự loại bỏ được tính theo đơn vị khối lượng.

Bài giải

1. Viết các phương trình cân bằng khối lượng đối với đất và đối với pha lỏng (phương trình 9.4a và 9.5b)

2. Phương trình thay thế (9.3)

M_đất = (1m³)(10kg/m³)(s kg/kg)

= (10kg)(KSD m³)(Cs kg/m³)

= (0,2m³)(Cs kg/m³) = (0,2m³)(Cs mg/L)

3. Xác định các điều kiện ban đầu dựa trên cơ sở khối lượng đơn vị:

so = 3,2 x 10 ^-4 kg COD/kg đất

= 1,6 x 10^-2 m³/ kg = 16 mg/L

4. Các phương trình vi phân thông thường có thể được giản bằng số học . Thời gian cần thiết để xóa bỏ 90% các chất ô nhiễm ra khỏi đất kà khoảng 250 ngày, được biểu thị trên hình 9.7

Hình 9.7. Tổng lượng chất gây ô nhiễm trong đất và trong chất lỏng phụ thuộc vào thời gian, trong ví dụ 9.3

Về phần các vận hành theo kiểu dòng liên tục , chúng có một số ích lợi được trình bày dưới đây:

• Thường không có giai đoạn mở đầu: Một dòng hồi lưu từ dòng ra của hệ thống có tác dụng cung cấp cho dòng vào rất nhiều vi sinh vật có hoạt tính cao và đã thích ứng.
• Điều này đặc biệt có ích khi dòng vào chứa các chất bay hơi. Nếu không có giai đoạn mở đầu thì sự phân huỷ các hơi chất bay hơi bắt đầu ngay khi dòng vào đi vào nồi phản ứng, và lượng chất bay hơi giảm xuống.
• Việc duy trì một mật độ vi sinh vật nhờ sự hồi lưu cũng có thể là cần thiết nếu tốc độ phân huỷ phụ thuộc vàosố lượng vi sinh vật có hoạt tính.
• Sự pha loãng nhanh chóng trong dòng vào. Những nồng độ cao của các chất gây ô nhiễm hoặc các chất gây độc như các kim loại chẳng hạn được pha loãng ngay, như vậy làm hiệu quả ức chế có thể có của chúng đối với vi sinh vật.
• Có thể áp dụng để xử lý một số lọai đất trong một khoảng thời gian ngắn hơn so với bằng phương pháp xử lý từng mẻ(= đợt), vì đất được đưa liên tục vào nồi phản ứng và không có thời gian chờ đợi giữa các mẻ. Tuy nhiên, do sự bơm liên tục mà chi phí có thể là quá cao, nhất là phảI tính đến điều là các quá trình xử lý pha bùn đòi hỏi thời gian lưu tính bằng ngày hoặc tuần , trong khi đó phương pháp bùn hoạt tính dựa trên cùng nguyên lý nhưng có thời gian lưu ngắn hơn nhiều.

Còn các xử lý theo mẻ không hoàn toàn, chúng là giải pháp trung gian giữa kiểu theo mẻ và kiểu dòng liên tục.

• So với phương pháp dòng liên tục, chúng đòi hỏi chi phí ít hơnvề năng lượng vì các bơm chỉ hoạt động gián đoạn.
• So với phương pháp theo mẻ, việc xử lý đất là nhanh hơn vì không có thời gian trống giữa các mẻ.

• Ngoài ra là các lợi ích khác có được do đặc thù của kiểu xử lý này:
• Với các nồi phản ứng được lắp đặt kế tiếp nhau, nồi thứ nhất có thể được dùng để tạo bùn , nồi thứ hai cho việc thông khí và khuấy trộn, còn nồi thứ ba cho việc làm lắng và tách chất lỏng ra khỏi chất rắn. Một dòng hồi lưu từ nồi cuối cùng tới nồi đầu tiên có thể cung cấp các vi sinh vật đã thích ứng và có hoạt tính.
• Vì rằng cùng một lúc sự phân huỷ có thể diễn ra ở cả ba nồi phản ứng nên thời gian lưu có hiệu quả có thể được tăng lên.

Về kích thước của mỗi nồi phản ứng thì phải căn cứ vào thời gian trữ nước (hydranlic retention time, HRT) cần thiết cho xử lý:

V = Q ^HRT

Trong đó : V là khối lượng nồi phản ứng và Q là tốc độ dòng bùn. Thời gian trữ nước thì phụ thuộc vào khả năng phân huỷ sinh học của chất gây ô nhiễm, các nồng độ ban đầu và mức độ xử lý cần đạt đến . Thông thường , động học của sự phân huỷ được đơn giản hoá thành dạng bậc nhất:

C = Co e^-kt

Trong đó C = nồng độ , kg/m³, ở thời gian t, ngày

Co = nồng độ ban đầu, kg/m³

k = hằng số tốc độ phân huỷ, mỗi ngày.

Ví dụ 9.4. Thiết kế nồi phản ứng bùn

Trong bột khu vực có các bồn chứa ngầm, đất bị ô nhiễm chứa khoảng 650 ppm hydrocacbon dầu mỏ tổng số ( total petroleum hydrocacbons, TPH) dưới dạng diesel. Khi sử lý đất này ở quy mô phòng thí nghiệm thì sự phân huỷ những hdrcacbon dầu mỏ có thể được biểu thị gần đúng bằng một mô hình tốc độ bậc một với thời gian bán huỷ là 15 ngày. Nếu dùng một nồi phản ứng pha bùn theo kiểu dòng liên tục thì:

a/ Hãy xác định thời gian trữ nước cần thiết để giảm nồng độ các chất

gây ô nhiễm tới bằng hoặc dưới 100 ppm.

b/ Nồi phản ứng ấy phải có dung tích bao nhiêu nếu tốc độ dòng bùn là 6m³/ngày.

c/ Cần bao nhiêu thời gian để xử lý 400m³ đất, biết rằng 1m³ tạo thành

4m³ bùn.

Bài giải:

1. Tính hằng số tốc độ phân huỷ, dựa vào thờig gian bán huỷ 15 ngày:

C = Co e^{– kt}

Trong đó:

C = 0,5 = e^{– k(15)}

2. Sau đó có thể tính thời gian trữ nước bằng cách thay thế các trị số của Co, C, và k trong phương trình (9.13):

<