Hồ sinh học là gì? Phân loại và kỹ thuật thiết kế chuẩn

Trong bối cảnh các doanh nghiệp đang ráo riết tìm kiếm những giải pháp xanh nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành, công nghệ hồ sinh học nổi lên như một điểm sáng nhờ tận dụng tối đa quy trình tự làm sạch của tự nhiên. Khác với các module xử lý cơ khí thuần túy phụ thuộc nhiều vào điện năng và hóa chất, hồ sinh học (hay còn gọi là hồ xử lý nước thải) là một hệ sinh thái thu nhỏ bao gồm các quần thể vi sinh vật, phiêu sinh, nấm và tảo. Chúng phối hợp nhịp nhàng để phân hủy các chất ô nhiễm từ nguồn thải sinh hoạt cho đến nước thải sản xuất, công nghiệp.

Ưu điểm lớn nhất khiến giải pháp này được nhiều chủ đầu tư quan tâm chính là: quy trình vận hành đơn giản, không yêu cầu kỹ thuật quá phức tạp, vốn đầu tư ban đầu thấp và chi phí duy trì cực kỳ kinh tế. Trong bài viết này, NTS Engineering sẽ cùng bạn phân tích chuyên sâu về khái niệm, phân loại cũng như các nguyên lý tính toán thiết kế hồ sinh học đạt chuẩn kỹ thuật.

Giới thiệu hồ sinh học xử lý nước thải

Khái niệm

Hồ sinh học (Waste Stabilization Ponds) là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn gọi là hồ oxy hóa, hồ ổn định nước thải, hồ xử lý nước thải, hồ sinh học. Hồ sinh học có thể xử lý hiệu quả nhiều loại nước thải khác nhau, từ nước thải sinh hoạt đến nước thải công nghiệp, kể cả những nguồn có thành phần ô nhiễm phức tạp, trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau. 

Trong hồ có nhiều vi sinh vật, phiêu sinh, nấm, tảo,… Các vi sinh vật trong hồ là những vi sinh vật kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí hay tuỳ nghi như interobacterium, streptococus, clostridium, achromobacter, cytophaga, micrococus, pseu-domonas, bacillus, lactobacillus… Chúng có vai trò rất quan trọng trong quá trình xử lý các chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải. 

Phân loại hồ sinh học

Hồ sinh học thường được chia thành các loại như sau: 

Các loại hồ sinh học xử lý nước thải

Hồ kỵ khí

Hồ kỵ khí dùng để lắng và phân hủy cặn lắng bằng quá trình sinh hóa tự nhiên, dựa trên cơ sở sống và hoạt động của vi sinh vật kỵ khí. 

Cấu tạo

• Hồ được thiết kế để không có sự hiện diện của oxi, không có sự góp mặt của tảo. 

• Hồ có chiều sâu từ 2 – 5m, có khả năng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao (thường > 100 gBOD/m3 với độ sâu > 3 m). 

Nguyên lý hoạt động

Vi sinh kỵ khí sẽ xử lý các chất hữu cơ trong nước thải, giải phóng khí CH4 và CO2. Quá trình xử lý sẽ giúp giảm nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải, đặc biệt là các chất ô nhiễm như N, P, K và vi sinh vật gây bệnh. 

Hồ kỵ khí hoạt động hiệu quả trong điều kiện khí hậu ấm, điều kiện này đem lại khả năng loại bỏ BOD 60 – 85%. 

Đối với nước thải công nghiệp có nồng độ cao, phải cần đến chuỗi 3 hồ kỵ khí mới có thể xử lý tốt nhưng thời gian lưu ở mỗi hồ không nên ít hơn một ngày (McGarry and Pescod, 1970) 

Hồ tùy tiện

Hồ tùy tiện có sự góp mặt của nhiều loại vi sinh (hiếu khí, thiếu khí, kỵ khí) nên có thể ứng dụng để xử lý được cho đa số loại nước thải phổ biến như nước thải sinh hoạt, sản xuất, dệt nhuộm. Hồ tùy tiện có 2 loại:  

• Hồ tùy tiện sơ cấp: Dùng để tiếp nhận và xử lý nguồn nước thải chưa qua xử lý. 

• Hồ tùy tiện thứ cấp: Dùng để tiếp nhận và xử lý nguồn thải đã qua xử lý (thường là dòng thải đã được xử lý từ hồ kỵ khí). 

Cấu tạo

Hồ tùy tiện có cấu trúc phân tầng: tầng hiếu khí ở lớp bề mặt, tầng thiếu khí ở lớp giữa hồ, tầng kỵ khí ở đáy. Hồ thường có độ sâu khoảng từ 1-2m.  

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động theo từng lớp của hồ tùy tiện là: 

• Lớp bề mặt (lớp hiếu khí): Có sự khuyết tán oxi từ không khí và quang hợp của tảo tạo ra oxi cung cấp cho hoạt động sống của vi sinh hiếu khí. Ở đây, tảo chủ yếu là các loài phù du quang hợp như Chlamydomonas, Pyrobotrys và Euglena. Lớp bề mặt các vi sinh hiếu khí sẽ giúp phân hủy các chất hữu cơ hiệu quả.  

• Lớp giữa (lớp thiếu khí): Đây là vùng chuyển đổi giữa lớp hiếu khí và kỵ khí, có nồng độ oxi hòa tan thấp. Ở đây diễn ra quá trình oxi hóa chất ô nhiễm nhờ các vi sinh thiếu khí. Thông thường, quá trình này diễn ra đồng thời với quá trình phân hủy methan ở lớp đáy.  

• Lớp đáy (lớp kỵ khí): Môi trường ở đây không có oxi, chủ yếu phát triển các vi sinh kỵ khí. Vi sinh này sẽ giúp xử lý các chất hữu cơ, đặc biệt là N, P trong nước hiệu quả. 

Tại bể tùy tiện của hồ xử lý sinh học, có một điểm đặc biệt về sự biến động oxy hòa tan vào các khoảng thời gian khác nhau trong ngày. Do hoạt động quang hợp của tảo phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, do đó nồng độ oxi hòa tan sẽ cao nhất vào buổi trưa và thấp nhất vào buổi tối. Do đó hiệu quả xử lý nước thải tại mỗi thời điểm sẽ có sự thay đổi và khác nhau.  

Hồ hiếu khí

Hồ hiếu khí hoạt động nhờ các vi sinh phát triển trong điều kiện hiếu khí. Hồ hiếu khí của hồ xử lý nước thải có 2 loại: 

• Hồ làm thoáng tự nhiên: oxi có trong hồ nhờ sự khuyết tán oxi từ không khí và quá trình quang hợp của tảo, rong.  

• Hồ làm thoáng nhân tạo: oxi trong hồ được cung cấp bằng các phương pháp nhân tạo như sử dụng máy khuấy, bơm khí nén. 

Cấu tạo

• Hồ làm thoáng tự nhiên: Hồ phải được thiết kế với chiều sâu của hồ phải nhỏ, tốt nhất là từ 0,3 – 0,5 m. Điều này giúp cho việc khuyết tán oxi được tốt và đảm bảo đủ nồng độ oxi cho quá trình xử lý. 

• Hồ làm thoáng nhân tạo: Chiều sâu của hồ thường lớn hơn dạng làm thoáng tự nhiên, do việc cung cấp oxi có thể chủ động. Lúc này chiều sâu của hồ có thể từ 2 – 4,5 m, sức chứa tiêu chuẩn theo chỉ tiêu BOD khoảng 400 kg/ha/ngày. 

Nguyên lý hoạt động

Bể hiếu khí là nơi diễn ra quá trình xử lý sinh học bằng vi sinh vật hiếu khí. Trong môi trường có đủ oxy, các vi sinh vật này sẽ sử dụng chất hữu cơ trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng và phân hủy chúng thành các chất vô cơ đơn giản hơn. Quá trình này tạo ra bùn hoạt tính – bao gồm xác vi sinh vật, các chất hữu cơ đã phân hủy và tạp chất lơ lửng. 

Sau quá trình xử lý, bùn hoạt tính sẽ được dẫn đến bể lắng để tách khỏi phần nước trong. Phần bùn đã lắng sẽ được đưa đến khu vực xử lý bùn, trong khi một phần nhỏ bùn hoạt tính sẽ được tuần hoàn trở lại bể hiếu khí nhằm duy trì mật độ vi sinh cần thiết cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo. 

Hồ sinh học kết hợp thực vật thủy sinh

Hồ sinh học có sự tham gia của thực vật thủy sinh sẽ giúp làm tăng hiệu quả xử lý nước thải. Thực vật thủy sinh có vai trò: 

• Tăng khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm. 

• Tạo giá thể cho vi sinh vật phát triển. 

• Cung cấp oxy thông qua quang hợp. 

• Giảm nhiệt độ nước, hạn chế phát triển tảo. 

Cấu tạo

Cấu tạo loại hồ này gồm nhiều lớp: lớp bùn đáy, lớp nước xử lý, lớp thực vật thủy sinh. Thông thường, thực vật thủy sinh sẽ được chia làm 3 nhóm chính:  

• Nhóm thực vật thuỷ sinh ngập nước: Thực vật ngập hoàn toàn trong nước, bao gồm các loại như rong Hydrilla Verticillata, Ceratophyllum… Nhóm này phát triển tốt ở độ sâu ≤ 50 cm, nơi ánh sáng mặt trời còn đủ mạnh để xuyên qua mặt nước. Do đó loại hồ này không được quá sâu. 

• Nhóm thực vật trôi nổi: Thực vật nổi trên mặt nước, bao gồm các loại bèo như: Eichhorinia crassipes (bèo Nhật Bản, Lục bình); spirodella; lema; Postia stratiotes… Loại hồ này độ sâu sẽ không bị hạn chế do thực vật chỉ sống trôi nổi trên mặt nước mà thôi. 

• Nhóm thực vật nửa ngập nước: Thực vật ngập một phần trong nước, bao gồm ngỗ trâu, cây sậy, thủy trúc, … Do thực vật chỉ ngập một phần, do đó loại hồ này cũng thường khá nông, chỉ dưới 50cm mà thôi. 

Nguyên lý hoạt động

Nhìn chung, nguyên lý cấu tạo của loại hồ này như sau: 

• Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh cung cấp oxi cho vi sinh hiếu khí. Đồng thời, thực vật thủy sinh hấp thụ chất dinh dưỡng (N, P), kim loại nặng (Zn, Cu, Cd, Hg…) để làm sạch nước thải. 

• Vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải, sau đó tạo thành bùn lắng xuống đáy hồ hoặc các chất khí không hại bay ra khỏi nước. 

• Bùn cặn và chất rắn lơ lửng lắng xuống đáy hồ tạo thành lớp bùn lắng, bùn này có thể được các đơn vị xử lý bùn thu gom và xử lý. 

Tùy thuộc vào loại thực vật thủy sinh mà cách hấp thụ và xử lý chất ô nhiễm của chúng cũng có đôi phần khác biệt: 

• Đối với nhóm thực vật thủy sinh ngập nước: quá trình quang hợp hay trao đổi chất diễn ra hoàn toàn trong môi trường nước. 

• Đối với nhóm thực vật trôi nổi:Loài thực vật này trôi nổi trên nước theo gió và dòng nước. Khi chúng di chuyển kéo theo rễ quét trong lòng nước, các chất dinh dưỡng thường xuyên tiếp xúc và hấp thụ qua rễ. Rễ của loài thực vật này còn là giá thể cho các loại vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải.  

• Nhóm thực vật nửa ngập nước: Phần rễ bám đất ngập nước nhận các chất dinh dưỡng có trong đất, chuyển nó lên lá trên mặt nước để tiến hành quá trình quang hợp. Loài thực vật này làm sạch chủ yếu phần lắng ở đáy lưu vực nước. 

Tính toán thiết kế các loại hồ sinh học 

Ở bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu đến bạn cách tính toán 3 loại hồ sinh học phổ biến nhất. Đó chính là hồ sinh học kỵ khí, hiếu khí và tùy tiện.  

Hồ kỵ khí

Hồ kỵ khí được thiết kế dựa trên tải trọng thể tích dòng vào BOD (Lv, g/m3.ngày), được cho bởi: 

Lv = Li×Q/Va 

Trong đó:

• Li: BOD nước thải, mg/l
• Q: Lưu lượng nước thải, m3/ngày
• Va: Thể tích hồ kỵ khí, m3 

(Nguồn: Hamzeh Rammadan, Victor M.Ponce, 10/2006) 

Bảng trên quy định mức Lv ở mức 350 g/m3.ngày nhằm đảo bảo an toàn đối với việc phát sinh mùi. Đồng thời không nên nhỏ hơn 100 g/m3 để duy trì điều kiện kỵ khí. 

Thời gian lưu nước được xác định: qa = Va/Q (tối thiếu 1 ngày) 

Diện tích xây dựng hồ 

Aa = Li×Q/D×Lv 

Trong đó: 

• Aa: Diện tích hồ kỵ khí, m2 

• Li, Q: Tải lượng BOD, g/ngày 

• D: Độ sâu hồ, m 

• Lv: Tải trọng thể tích dòng vào BOD, mg/m3.ngày 

Hồ tùy tiện

Thể tích xây dựng hồ tùy tiện trong xử lý nước thải sinh hoạt (theo Gloyna, 1976) như sau: 

V = (3,5 × 10-5) × Q.La/D×La×θ35-T × f × f’

Trong đó: 

• V: Thể tích hồ, m3 

• Q: Lưu lượng dòng vào, l/ngày 

• La: Các thông số cơ bản COD hay BOD ở dòng vào, mg/l 

• θ: Hệ số thay đổi nhiệt độ (θ = 1,085) 

• T: nhiệt độ hồ, oC 

• f: Hệ số tính đến ảnh hưởng của tảo độc 

• f’: nhu cầu oxy sunphit 

Đối với những vùng có nhiệt độ thay đổi theo mùa và dòng chảy chính dao động trong ngày thì nên thiết kế hồ có độ sâu 1,5 m. Yếu tố f được thống nhất là 1,0 (đối với nước thải sinh hoạt và một số loại nước thải công nghiệp) và f’ cũng coi là bằng 1,0 khi nồng độ ion sunphat tương đương nhỏ hơn 500 mg/l. Nhiệt độ được lựa chọn trong thiết kế thường dựa vào nhiệt độ trung bình của tháng lạnh nhất. 

Khi thiết kế hồ tùy tiện cần chú ý đến diện tích mặt nước sử dụng và các thông số lưu ý khi thiết kế hồ sinh học. Tăng diện tích mặt nước của hồ tùy tiện sẽ làm tăng hiệu suất của hồ. Cần chú ý rằng hồ tùy tiện phải được thiết kế dựa trên tải trọng BOD bề mặt (Lg; kg/ha/ngày) được cho bởi: 

Lg = 10×Li×Q/Ar

Trong đó: Ar: Diện tích hồ tùy tiện, m2 

• Thông số cụ thể như sau (Mara,1987) 

Lg = 350.(1,107 – 0,002T)T-25 

• Sau khi lựa chọn giá trị Lg và tính toán diện tích hồ, bước tiếp theo là tính toán thời gian lưu nước (trong ngày) của hồ tùy tiện: 

qf = Af.D/Qm 

Trong đó: 

• D: Độ sâu hồ, m 

• Q: Lưu lượng trung bình, m3/ngày 

• La: Các thông số cơ bản COD hay BOD ở dòng vào, mg/l 

Diện tích xây dựng hồ 

Af = 10.Li.Q/Ls 

Trong đó: 

• Af: Là diện tích hồ kỵ khí, m2 

• Li;Q: Lượng BOD, g/ngày 

• Ls: Tải trọng bề mặt, kgBOD5/ha.ngày 

Hồ hiếu khí

Đối với hồ hiếu khí làm thoáng tự nhiên, chiều sâu hồ phải nhỏ hơn 30 – 40 cm, tải trọng tiêu chuẩn theo BOD khoảng 250 – 300 kgBOD5/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 3 – 12 ngày. Hồ hiếu khí làm thoáng nhân tạo có chiều sâu từ 2 – 4,5 m, sức chứa tiêu chuẩn khoảng 400 kgBOD5/ha.ngày, thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày. 

Một số lưu ý quan trọng khi tính toán thiết kế hồ sinh học

• Hồ sinh học nên được bố trí cuối hướng gió, cách khu dân cư tối thiểu là 200 m (tốt nhất 500 m) và có thêm diện tích dự phòng đối với sự phát triển trong tương lai.  

• Trong khu vực xây dựng hồ sinh học cần hạn chế người qua lại cũng như bảo đảm an toàn và ngăn cấm trẻ nhỏ đến đó.  

• Mùi từ hồ, nhất là mùi từ hồ kỵ khí cần phải thiết kế đúng và quản lý vận hành hợp lý. 

• Để tận dụng gió làm xáo trộn các lớp nước trong hồ, hồ cần được bố trí sao cho kích thước lớn nhất của hồ (đường chéo) nằm trùng với hướng gió chủ đạo của địa phương đó. 

• Không nên chọn hồ có dạng không đều làm hồ sinh học, vì thường có nhiều vùng chết và tảo tích tụ ở góc hồ, khi chúng chết sẽ gây mùi. 

Lời kết

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm về mặt chi phí và vận hành, nhưng hồ sinh học không phải là một “ao chứa nước” thông thường. Để hệ thống đạt hiệu suất xử lý tối ưu, không phát sinh mùi hôi và tránh hiện tượng tảo độc chết hàng loạt gây ô nhiễm ngược, việc tính toán kỹ thuật phải cực kỳ chuẩn xác. Từ việc xác định tải trọng bề mặt, thời gian lưu nước cho đến những chi tiết nhỏ như bố trí hồ theo hướng gió chủ đạo, tất cả đều cần sự can thiệp của các kỹ sư có chuyên môn.

Với vai trò là đơn vị hơn 13 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế và thi công trọn gói hệ thống xử lý nước thải, NTS Engineering luôn hướng tới việc tối ưu hóa cấu trúc hệ thống dựa trên đặc thù nguồn thải thực tế của từng doanh nghiệp. Chúng tôi không chỉ giúp bạn xây dựng một công trình đạt chuẩn mà còn đồng hành giải quyết các bài toán tối ưu chi phí dài hạn.

Doanh nghiệp của bạn đang cần khảo sát địa hình, tính toán mặt bằng hoặc tìm kiếm giải pháp cải tạo trạm xử lý nước thải bằng hồ sinh học? Hãy liên hệ ngay với NTS Engineering qua hotline 0888 167 247 hoặc website https://ntse.vn/ để được hỗ trợ tư vấn kỹ thuật chuyên sâu.

>> Tham khảo các bài viết liên quan:

• 5 Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Trong Điều Kiện Tự Nhiên
• Top 6 quá trình xử lý nước thải bằng thực vật thuỷ sinh