Vấn đề tăng sinh khối trong hệ thống xử lý nước thải

21/07/2023 640 lượt xem quantri
Các nhà vận hành và quản lý của nhà máy xử lý nước thải công nghiệp đang ngày một chịu áp lực gia tăng để đáp ứng yêu cầu chất lượng nước thải đầu ra.
Áp lực này là do nhiều yếu tố, bao gồm các giới hạn môi trường đang thắt chặt mức độ xả thải cuối cùng cho phép và tăng áp lực đối với công ty để duy trì sự tuân thủ môi trường tuyệt đối.

>>> Tính toán thiết kế và vận hành bể tự hoại (Septic)

Nhiều hệ thống xử lý nước thải công nghiệp có ít khả năng đáp ứng nhu cầu ở các điều kiện thông thường hoặc lý tưởng. Vào những lúc hệ thống bị trục trặc, chẳng hạn như tải trọng cao hoặc nhiệt độ thấp, nhiều hệ thống đơn giản không có khả năng cung cấp kết quả mong muốn mà chẳng quan tâm gì cả và một số hệ thống tăng sinh khối bằng cách thêm hóa chất hoặc vi khuẩn.
Sử dụng hóa chất thêm vào hệ thống xử lý nước thải đã là một ứng dụng thực tiễn được áp dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ. Một số ứng dụng , chẳng hạn như quá trình lắng tách dầu trong nước và ép bùn, đã liên tục hoặc tiếp tục thêm vào hóa chất là một quy tắc thông thường. Trong các khu vực như chất chống tạo bọt hoặc polyme trong quá trình lắng thứ cấp, các ứng dụng có thể hoặc là sử dụng liên tục hoặc là không liên tục.
Hơn hai mươi năm qua, thêm các vi khuẩn được chọn lọc vào hệ thống xử lý sinh học đã được sử dụng rộng rãi như là một chất bổ sung thích hợp, hoặc thay thế cho nhiều ứng dụng hóa học. Ứng dụng này được biết đến như là bài toán tăng sinh khối, công nghệ này cung cấp nhiều lợi ích, bao gồm hiệu quả chi phí, thân thiện với môi trường và có khả năng xác định được một số sự cố xử lý bằng sinh học mà không cần xử lý bằng hóa chất.
Các ví dụ của các sự cố không bị ảnh hưởng bởi các giải pháp hóa học truyền thống bao gồm tăng cường xử lý loại bỏ nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), quá trình nitrate hóa sinh học và phục hồi sinh khối vi sinh bị tổn thất do bị sốc của chất độc hại.
Bởi vì các tác động của sinh khối đôi lúc là khó nhìn thấy được (subtle) và các hệ thống sinh học là vận động và thậm chí là thay đổi, trong lịch sử rất khó để định lượng các tác động của chương trình tăng sinh khối. Hầu hết các bộ hồ sơ (documentation) làm bằng chứng cho việc ứng dụng thành công trước và sau khi thu thập dữ liệu, dành cho một số hoặc tất cả sự tin cậy cho việc cải thiện trong chương trình tăng sinh khối. Giải pháp này là chứng thực cho việc bán hàng tốt và các trường hợp nghiên cứu, tuy nhiên các nhà phê bình nhanh chóng chỉ ra rằng trong nhiều ứng dụng điển hình của sự tăng sinh khối, nhiều thay đổi trong các hệ thống xảy ra (chủ ý hay không chủ ý) cũng có khả năng góp phần vào việc cải thiện hệ thống đã được quan sát. Các nhà phê bình cũng cho rằng vì khả năng thích nghi đối với môi trường của sinh khối, quần thể bản địa (indigenous population) cuối cùng sẽ tự tối ưu hóa. Mục đích cuối cùng là một số vi khuẩn thường được sử dụng là không đủ để có một tác động đến quần thể trong hệ thống. Đây là sự phản đối thứ 3 mà trong bài viết này sẽ cố gắng trình bày.
Nói chung, các ứng dụng tăng sinh khối có thể được chia thành bốn hạng mục:
1. Nhanh chóng xây dựng một chương trình tăng sinh khối trong một hệ thống mới khởi động hoặc phục hồi hệ thống bị sự cố.
2. Tăng cường hiệu suất hoạt động sinh học chỉ xử lý một lần cho toàn bộ hệ thống (once-through systems) thông qua tiếp tục nuôi cấy bổ sung (supplemental inoculation).
3. Tiếp tục tăng cường quần thể vi sinh có trong bùn hoạt tính
4. Làm giảm các chất rắn
Mỗi hạng mục này sẽ được thảo luận chi tiết và ảnh hưởng tiềm năng của tăng sinh khối sẽ được trình bày trong các thuật ngữ toán học.
Hình thành tăng sinh khối một cách nhanh chóng
Trong lịch sử, nhiều nhà vận hành hệ thống bùn hoạt tính đã thực hiện một dạng của sự tăng sinh khối khi họ lấy bùn từ các nhà máy bên cạnh để nuôi cấy hoặc tái nuôi cấy cho hệ thống. Trong khi đây là một giải pháp có giá trị và chấp nhận được, việc dùng môi trường nuôi cấy thông dụng (commercial cultures) được sử dụng kết hợp hoặc ở nơi bùn được thu lại.
Việc dùng môi trường nuôi cấy thông dụng (commercial cultures) cho một vài lợi thế:
1. Sản phẩm có sẵn dễ tìm và có thể được giữ lại để xử lý trong tình huống cần giải quyết nhanh. Nếu một nhà máy bị tách biệt về mặt địa lý, có lẽ khó khăn để có được bùn.
2. Tính nhất quán sản phẩm được đảm bảo về mật độ vi khuẩn (concentration of bacteria) và các chủng loại vi khuẩn hiện có.
3. Không có rủi ro của việc lấy bùn từ một hệ thống khác, chẳng hạn như sự cố của vi sinh dạng sợi (filamentous) hoặc bung bùn vi khuẩn zoogloeal (zoogloeal bulking) đưa vào trong hệ thống của bạn.
4. Nếu lựa chọn thích hợp môi trường nuôi cấy thông dụng sẽ cung cấp cho việc tăng trưởng sinh học nhanh chóng được đòi hỏi để đưa hệ thống trở về mức hiệu suất mong muốn.
5. Các lợi ích khác bao gồm thời gian và nhân lực liên quan đến việc có được một chiếc xe tải và các nhà vận hành, vận chuyển bùn từ nơi này đến nơi khác, đổ bùn thành đống và lại làm sạch xe tải vì thế xe tải được sử dụng lại để chuyên chở bùn.
Một số khu vực có sự hình thành tăng sinh khối sẽ cần thiết bao gồm:
1. Khởi động một nhà máy mới
2. Khởi động lại khi hệ thống ngừng hoạt động hoặc giảm thời gian sản xuất
3. Tổn thất tăng sinh khối là do tẩy rửa hoặc bị sốc của chất độc hại.
4. Sự cố quá trình khử trùng bằng clo để kiểm soát bung bùn vi sinh dạng sợi.
5. Trong các tháng mùa động (thời tiết lạnh) khi hoạt động tăng sinh khối chậm xuống là do nhiệt độ giảm (một log tăng trưởng tính cho mỗi 10 độ)
6. Với sự bắt đầu của hệ thống vòng khép kín (closed loop systems) nơi nước tái chế là quan trọng
Khi so sánh việc sử dụng môi trường nuôi cấy thông dụng (commercial cultures) với việc vận chuyển bùn trong xe tải, người ta phải so sánh từ những tiêu chuẩn chung (apples to apples).
Bởi vì mật độ vi khuẩn tự nhiên của các sản phẩm, nhiều người không nhận ra hoặc đánh giá sai số lượng vi khuẩn có thể được đưa vào hệ thống thông qua bài toán tăng sin khối, nếu áp dụng đúng cách.
Với việc chở bùn bằng xe tải, phần lớn là bạn chở nước. Thậm chí những chất rắn mà bạn nhận được là tương đối thấp có vi khuẫn khả thi trong thực tế. Còn về giai đoạn phát triển của vi khuẩn thì sao, sự hiện diện của các vi sinh dạng sợi, khả năng tương thích của nguồn thực phẩm? Cộng với việc không đảm bảo rằng không có vi khuẩn gây mầm bệnh có mặt. Với môi trường nuôi cấy thông dụng (commercial cultures), các sản phẩm là những chủng vi sinh có mật độ cao, ổn định, và thực sự có khả năng “lớn lên” (“grown up”) trước khi ứng dụng, giúp tăng cường mạnh hiệu quả xử lý.
Hình 1 cho thấy tiềm năng tăng trưởng của một sản phẩm điển hình được sử dụng để phục hồi sự cố. Công thức toán học được trình bày chi tiết trong Phụ lục.
Hình 2 cho thấy khoảng 5 – 10 pound (2.3 – 4.6 kg) của một chế phẩm vi sinh thương mại dạng bột tiêu biểu có khả năng cung cấp nhiều vi khuẩn bằng với số lượng 4.000 gallon (15.142 lít) bùn hoạt tính.
Tùy thuộc vào tình huống, chế phẩm vi sinh thương mại có lẽ thực sự ít tốn kém hơn so với chi phí lấy bùn từ các nhà máy khác. Ngay cả việc nếu chỉ nghĩ về tiết kiệm chi phí vận chuyển bùn đi chăng nữa, thì công việc duy trì một nguồn cung cấp vi sinh để xử lý hệ thống bị sự cố ngay tại chỗ đem lại nhiều lợi ích. Một khả năng cải thiện để đáp ứng nhanh chóng ngăn chặn hệ thống không bị rối loạn tránh khỏi từ sự cố này đến sự cố khác (escalating into a crisis).
Nuôi cấy bổ sung (supplemental inoculation) chỉ một lần xuyên suốt hệ thống
Như hàm ý trong cái tên, một lần xuyên suốt hệ thống (Once-through systems) có ít hoặc không có sự tái chế để tiếp tục tái nuôi cấy vi khuẩn trong bể hiếu khí.
Nguồn chính của vi khuẩn là vi khuẩn bản địa (indigenous bacteria) có sẵn trong nước thải đầu ra từ nhà máy sản xuất được xử lý.
Quần thể địa phương (indigenous population) có thể thay đổi bằng cách càng nhiều như hai loại quan trọng bậc nhất về số lượng vi khuẩn và cũng có thể thay đổi về các loại vi khuẩn hiện có.
Thiếu bùn tái chế và đặc tính dòng chảy thêm vào (plug flow) hầu hết các bể cho một lần xuyên suốt trong hệ thống có nghĩa là cơ bản hệ thống phải dựa vào vi khuẩn hiện có trong nước thải đầu vào để phát triển, tái sinh sản và phân hủy các hợp chất hữu cơ trong dòng nước thải và không đủ thời gian hệ thống phải cung cấp không gây ra các sự cố về TSS hoặc BOD trong nước thải đầu ra cuối cùng, giảm BOD5 cho một lần xuyên suốt  trong hệ thống là một chức năng của nhiều hệ số (factors), bao gồm công suất thổi khí, phân bổ thời gian lưu, chất dinh dưỡng có sẵn và sự tăng trưởng của vi khuẩn. Nếu “thiết kế” các hệ số riêng biệt của hệ thống như mô hình dòng chảy (flow pattern) và công suất thổi khí được tối ưu hóa và các chất dinh dưỡng thích hợp có sẵn, sau đó thêm vào các vi khuẩn bổ sung có thể đẩy mạnh số lượng vi khuẩn và gia tăng sự loại bỏ BOD qua hệ thống.
Bao nhiêu vi khuẩn thêm vào hệ thống có được để loại bỏ BOD sẽ phụ thuộc vào mức độ sống được của vi khuẩn trong nước thải đầu vào, phân bổ thời gian lưu nước trong hệ thống (mô hình dòng chảy và thời gian lưu) và nồng độ oxy thích hợp sẵn có và chất dinh dưỡng.
Trong khi ảnh hưởng thực sự của tính toán tăng sinh khối (bioaugmentation) sẽ thay đổi giữa các hệ thống khác nhau, có thể cho thấy việc nuôi cấy trong tính toán tăng sinh khối được áp dụng thích hợp có thể góp phần thêm vào 30% mật độ vi khuẩn có trong nước thải đầu vào.
Bổ sung bài toán tăng sinh khối cho một lần xuyên suốt trong hệ thống không giống với phương pháp phục hồi sự cố. Phương pháp cho một lần xuyên suốt trong hệ thống, chương trình tính toán tăng sinh khối thường thường cần thực hiện trên cơ bản đều đặn. Không có bùn tái chế, không có nghĩa là quần thể tự duy trì chính nó và vì vậy, tính toán tăng sinh khối có lẽ đòi hỏi làm thường xuyên để thực hiện khả năng xử lý. Trong một số trường hợp, việc sử dụng có thể thay đổi theo mùa để thực hiện giải quyết các sự cố trong suốt các tháng mùa đông hoặc nồng độ BOD cho phép trong nước thải đầu ra thấp trong những tháng mùa hè. Có thể gây ra sự cố TSS trong một lần xuyên suốt những tháng mùa hè (once-through during summer months), các sự cố về tảo và D.O bị thiếu hụt trong những tháng mùa hè.
Liên tục tăng cường quần thể vi sinh của bùn hoạt tính
Thực hiện tính toán tăng sinh khối liên tục trong bùn hoạt tính dựa vào một giả thiết đơn giản. Mặc dù nhiều chủng loại hoặc loài vi khuẩn có thể hoàn thành một công việc được giao, khác nhau trong hiệu quả và tốc độ với sự phân hủy các hợp chất khác nhau.
Mục đích của tính toán tăng sinh khối liên tục là cung cấp thêm vi sinh vật đem lại hiệu quả hơn hoặc có ảnh hưởng so với vi khuẩn nội địa khi phân hủy các hợp chất hữu cơ khác nhau và hình thành một sinh khối có khả năng lắng tốt. Các vi khuẩn thêm vào thường được lựa chọn các chủng loại khỏe mạnh hơn, cứng cáp hơn và có khả năng chống lại các cú sốc tốt hơn.
Hình 5 dựa trên các khái niệm phân loại sinh khối trong quần thể A (vi sinh vật bản địa theo mong muốn), quần thể B (lấp đầy phần còn lại, vi vinh vật bản địa ít hoạt động hoặc không như mong muốn) và quần thể C (sinh vật được chọn trong tính toán tăng sinh khối). Mục đích của chương trình tính toán tăng sinh khối là tăng cường sự tăng trưởng của quần thể A, thiết lập các vi sinh vật được chọn của quần thể C và giảm thiểu quần thể B.
Đây là lý do tại sao các sản phẩm tăng sinh khối phải được cho vào liên tục sau khi liều lượng sản phẩm nuôi cấy ban đầu cho vào một nhà máy bùn hoạt tính. Một nhà máy bùn hoạt tính là một hệ thống động lực, nơi mà vi khuẩn vi khuẩn thường xuyên được loại bỏ thông qua việc xả thải và cộng thêm các vi khuẩn nội địa được đưa vào liên tục thông qua nước thải đầu vào và các nguồn khác. Do hệ thống gặp sự cố và thành phần nước thải đầu vào thay đổi, một liều lượng duy trì được yêu cầu để giữ cho quần thể đa dạng theo mong muốn.
Liều lượng sử dụng của sản phẩm liên tục như là việc “duy trì sinh khối” nhằm mục đích duy trì vi khuẩn ở mộ mật độ định sẵn (pre-determined level). Việc kiểm soát phù hợp của hệ thống sử dụng quá trình kiểm soát thống kê, kết hợp với phương pháp phân tích vi sinh vật sẽ cung cấp thông tin cần thiết để duy trì quần thể mong muốn. Bằng cách sử dụng phương pháp phân tích bằng kính hiển vi và kỹ thuật nhuộm tiên tiến (advanced plating  techniques), một phương pháp có thể tương quan với việc xác định đặc tính của quần thể vi khuẩn với hiệu suất của nhà máy cho một hệ thống xử lý chất thải cụ thể. Bởi vì mỗi hệ thống là duy nhất, quần thể tối ưu sẽ khác nhau từ nhà máy này đến nhà máy khác.
Ảnh hưởng của tăng sinh khối vi sinh đến tổng chi phí hóa chất
Tóm tắt
Trong khi thừa nhận bài toán tăng sinh khối tiếp tục phát triển, vẫn còn có một số hoài nghi (skeptical) về giá trị kỹ thuật của phương pháp này. Các ví dụ tính toán trong bài viết này không có ý định cung cấp sự kiểm chứng cuối cùng về hiệu quả hoặc tính hợp pháp của tính toán tăng sinh khối. Hơn nữa, tính toán tăng sinh khối được triển khai để cung cấp cho độc giả một viễn cảnh khác biệt và mới của công nghệ.
Khó giải thích tại sao một hiệu suất của hệ thống sinh học khác nhau mỗi ngày giống như là đang cố gắng giải thích tại sao một đội thể thao đặc biệt thắng hay thua trận. Trong cả hai trường hợp, có nhiều yếu tố tác động đến kết quả cuối cùng, và nhiều trong các yếu tố không được hiểu đầy đủ hoặc được đánh giá cao.
Tính toán tăng sinh khối nên được áp dụng chỉ trong các trường hợp ở trên, mà là phương pháp tiếp cận công nghệ đúng đắn. Tăng sinh khối là quan trọng để giữ cả hai lợi ích tiềm năng và sự hạn chế của tính toán tăng sinh khối trong viễn cảnh khi áp dụng công nghệ này. Nếu viễn cảnh này được duy trì, tính toán tăng sinh khối có thể giúp cung cấp các giải pháp cho nhiều sự cố xử lý nước thải.
Phụ lục
Tác động nuôi cấy vi sinh bằng bài toán tăng sinh khối liên tục cho một lần xuyên suốt đầm phá: Số học
Giả định:
Lưu lượng 40 MGD
Thời gian lưu và thổi khí thích hợp
Lưu lượng cơ bản thêm vào
10 lbs/ngày sản phẩm sinh học (yếu tố tăng trưởng 70/6 x giá trị trung bình 109 cfu/g)
Trường hợp 1:
TVC trong nước thải đầu là 1 x 107 cfu/mL
Sinh vật bản địa nuôi cấy hàng ngày = 1.5 x 1018 cfu
Vi khuẩn thêm vào do sản phẩm sinh học được cho vào  = 1.9 x 1015 cfu
Đóng góp tối thiểu của sản phẩm sinh học = 0.13%
Trường hợp 2:
TVC trong nước thải đầu là 1 x 105 cfu/mL
Sinh vật bản địa nuôi cấy hàng ngày = 1.5 x 1017 cfu
Vi khuẩn thêm vào do sản phẩm sinh học được cho vào  = 1.9 x 1015 cfu
Đóng góp tối thiểu của sản phẩm sinh học = 12.7%
Hoạt động trong mùa hè
Bạn có bao giờ tự hỏi tại sao bể lắng trong mùa hè trông giống như bọt bóng ở trong núi lửa?
Bạn có biết hoạt động sinh học trong mùa hè cao hơn đáng kể so với hoạt động sinh học trong mùa đông, vì vậy bạn cần mang MLSS ít hơn trong hệ thống. Đối với nhiệt độ thay đổi mỗi 100F, hoạt động của vi khuẩn tăng lên một tốc độ tăng trưởng (one log’s growth). Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ 45 – 500F bạn cần mang nhiều MLSS hơn so với nhiệt độ 80 – 900F trong mùa hè.
Vì hoạt động của vi khuẩn cao hơn trong mùa hè, có vi khuẩn ít hơn để cùng làm một lượng công việc giống nhau. Một điều khác hãy luôn ghi nhớ là sự thay đổi của nồng độ oxy biến đổi trong mùa hè.
Nồng độ oxy thấp sẽ lưu lại trong nước trong các tháng mùa hè so với các tháng mùa đông cùng với nhiệt độ cao hơn trong nước thải, vì vậy bể lắng của bạn cạn kiệt không khí nhanh chóng hơn với hoạt động vi sinh cao hơn và chuyển đổi oxy thấp hơn.
Hãy đảm bảo chỉ giữ các chất rắn lâu như là cần thiết trong bể lắng vào mùa hè, hoặc bể sẽ có khí thoát ra (gassing), sự hình thành khí H2S (septicity) và sự tăng trưởng của vi sinh dạng sợi có khả năng gây ra các sự cố bung bùn và tăng chi phí xử lý bùn (dewatering costs).
Sản phẩm BFL 4000SU giúp tăng sinh khối nhanh chóng trong các hệ thống bị chậm trễ về tiến độ cho các nhà máy khởi động mới hoàn toàn hoặc các nhà máy gặp sự cố. Giúp tạo ra một sinh khối ổn định và có sức chịu đựng cao cho việc xử lý nước thải. Hãy ghi nhớ “Quy tắc Tỷ lệ vàng”, “Quy tắc Bàn tay vàng”, “Quy tắc Number One”, “Quy tắc Ngón tay cái”.
Theo Archmodel

—————————-💧💧💧—–—————————-
CÔNG TY CỔ PHẦN WESTERNTECH VIỆT NAM

🏢 Tầng 12, Tòa nhà Licogi 13, Số 164 Khuất Duy Tiến, Thanh Xuân, Hà Nội
☎️ +84 2466 638 759
📧 info@westerntechvn.com

🌐 http://www.westerntechvn.com

21/07/2023 640 lượt xem quantri

Có thể bạn quan tâm