bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí

Đặc biệt là nước thải chăn nuôi có chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao, có thể xử lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí để thu hồi khí sinh học tạo nănglượng là biogas và phân hữu cơ để bón

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU.

I.1 Lý do hình thành đề tài:

Lên men sinh metan là hình thức biến đổi sinh khối thành năng lượng đã đượcbiết từ lâu Về bản chất đó là quá trình lên men kỵ khí các dạng nguyên liệu rất khácnhau: phế thải nông nghiệp, phế thải các nhà máy thực phẩm, nhà máy đường, nướcthải sinh hoạt của các thành phố cụm dân cư thành năng lượng tái sinh là CH4 và

CO2 Quá trình lên men tạo CH4 được thực hiện bởi quần thể của nhiều loài vi sinhvật khác nhau ở điều kiện kỵ khí

Theo tính toán nếu tận dụng hết các nguồn phế thải trên trái đất thì hang nămchúng ta có thể tạo được khoảng 200 tỉ m3 khối khí sinh học, tương đương khoảng

150 - 200 triệu tấn nhiên liệu và khoảng 20 triệu tấn bã là nguồn phân bón hữu cơchất lượng cao

Việt Nam là nước có mật độ dân số cao Dân số chủ yếu là sản xuất nông nghiệp.Trong những năm gần đây công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa được xem làchìa khóa để phát triển đất nước Do đó, hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất

và các cơ sở sản xuất đã và đang được hình thành Từ đó các vấn đề ô nhiểm môitrường cũng phát sinh và ngày càng nóng bỏng

Trong quá trình sản xuất nông nghiệp ngoài những sản phẩm thu được còn tạo ramột lượng chất thải cũng như nước thải khá lớn Phần lớn lượng nước thải này chưađược xử lý Đặc biệt là nước thải chăn nuôi có chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao,

có thể xử lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí để thu hồi khí sinh học tạo nănglượng là biogas và phân hữu cơ để bón cho cây trồng Ngược lại nếu nước thải loạinày không được xử lý triệt để sẽ dể dàng gây ra mùi hôi thối, khó chịu, ô nhiễm môitrường xung quanh

Mặt khác sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa cũng phát sinh ra nhiềuloại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ rất cao, như nước thải từ các nhà máy sảnsuất chế biến thực phẩm Các loại nước thải này không thể xử lý đạt hiệu quả bằngcác phương pháp sinh học hiếu khí, hay các phương pháp cơ học, hóa học và hóa lý

do đặc trưng ô nhiểm chất hữu cơ nồng độ cao của chúng

Để giải quyết những khó khăn trên thì phương pháp xử lý nước thải bằng visinh vật trong điều kiện kỵ khí là một lựa chọn khá phù hợp, xét trên cả chi phí đầu

tư và chi phí vận hành

Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này đã và đang áp dụng tại một số hệ thống

xử lý nước thải và chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao, nhưng tài liệu lý thuyếtcủa phương pháp vẫn còn rất hạn chế, chưa được nghiên cứu nhiều, tài liệu còn rờirạc chưa sắp xếp lại thành hệ thống có tính logic chặt chẽ

Do đó, đề tài “bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử

lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí” được hình thành với mong muốn bổ sung và

hoàn chỉnh hơn cơ sở lý thuyết có liên quan về quá trình phân hủy kỵ khí nước thảisinh hoạt và công nghiệp

I.2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu:

I.2.1 Mục tiêu nghiên cứu:

Xây dựng bổ sung, biên hội, sắp xếp, lựa chọn tài liệu làm cơ sở lý thuyết chophương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí

I.2.2 Nội dung nghiên cứu:

 Tổng quan về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải

 Tổng quan quá trình sinh học trong xử lý nước thải

 Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí: hóa sinh học của quátrình, vi sinh vật học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵkhí, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình,…

I.2.3 Phương pháp nghiên cứu:

 Do đề tài chỉ hình thành trên cở sở lý thuyết mà không tiến hành thí nghiệm hay tiến hành làm thực nghiệm nên phương pháp nghiên cứu ở đây chủ yếu là phương phương pháp hồi cứu:

 Trong quá trình thực hiện đề tài, tiến hành thu thập, sưu tầm các thông tin, tàiliệu, số liệu, có liên quan đến nội dung nghiên cứu từ các tạp chí, sách báo,giáo trình, internet,…từ đó các kiến thức sẽ được lựa chọn và tổng hợp lại làm

cơ sở cho quá trình thực hiện đề tài

I.2.4 Giới hạn của đề tài:

Thời gian nghiên cứu: 12 tuần

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI

II.1 Tổng quan về nước thải:

II.1.1 Khái niệm:

Nước thải là nước đã qua sử dụng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc nước chảy trànqua các vùng ô nhiễm tùy vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nướcthải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải là nước mưa chảy tràn

Như vậy nước bị ô nhiễm các có nguồn gốc từ tự nhiên và do con người gây ra:

 Nguồn gốc tự nhiên: do mưa, lũ lụt, gió bão,…các tác nhân trên đưa vàonguồn nước các chất thải bẫn, các vi sinh vật có hại, kể cả xác chết của chúng

 Nguồn gốc con người: là các chất thải độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng do cáchoạt động của con người gây ra như: nước thải sau khi đã dùng trong sinhhoạt, công nghiệp, nông nghiệp, bệnh viện,…

II.1.2 Phân loại nước thải:

II.1.2.1 Nước thải sinh hoạt:

Là nước thải sau khi được con người sử dụng vào các mục đích như tắm, giặt, nhà

vệ sinh, nước rửa, hồ bơi…Chúng chứa khoảng 52% chất hữu cơ và 48% chấtkhoáng Ngoài ra, trong nước thải sinh hoạt còn chứa nhiều loài sinh vật gây bệnh vàcác độc tố của chúng Phần lớn các virut, vi khuẩn gây bệnh tả, vi khuẩn gây bệnh lỵ,

vi khuẩn gây bệnh thương hàn Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàmlượng chất hữu cơ cao và không bền sinh học Nước thải sinh hoạt phát sinh từ các

hộ dân cư, có lưu lượng nhỏ nhưng bố trí trên địa bàn rộng lớn, khó thu gom triệt đểđược xếp vào nguồn phát tán

Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chất như protein(40 – 50%); hydratcacbon (40 – 50%); và các chất béo (5 – 10%) Ở những khu dân

cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý làmột trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường trầm trọng

Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mứcsống và các thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước cấp Nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt quá cảyêu cầu cho xử lý sinh học

Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các hợpchất hữu cơ đều có thể phân hủy sinh học và khoảng 20 – 40% BOD thoát ra khỏiquá trình xử lý sinh học cùng với bùn lắng.

Bảng 2.1: Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt

Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng

Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO – 1992

Bảng 2.2: Thành phần trung bình của nước thải sinh hoạt

STT

Các chất có trong nước thải (mg/l)

Mức độ ô nhiễm Nặng Trung bình Nhẹ

500 350 150 350 8 0 50 20 30 0,05 0,2 100 100 20 8

200 120 8 120 4 0 25 10 15 0 0,1 15 50 0 -

Nguồn: Nguyễn Văn Phước - xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh hoc - 2007.

II.1.2.2 Nước thải công nghiệp:

Là nước thải sau quá trình sản xuất, phụ thuộc vào loại hình công nghiệp xuấthiện khi khai thác và chế biến các nguyên liệu hữu cơ và vô cơ Nước thải côngnghiệp thường có lưu lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm cao và có mức độ rấtkhác nhau tùy thuộc vào từng loại hình công nghiệp và công nghệ lựa chọn Nhìnchung, nước thải của các nhà máy thực phẩm chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng thíchhợp cho xử lý sinh học Còn nước thải của các nhà máy hóa chất lại chứa rất nhiềucác chất không thích hợp cho phương pháp sinh học

Bảng 2.3: Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải một số ngành công nghiệp.Ngành công nghiệp Các chất ô nhiễm Nồng độ (mg/l)

NH3-N 200

N hữu cơ 100

Nhà máy luyện thép Phenol 2.000

Xi mạ Cr+6 3 – 550

Nhựa dẻo

COD 23.000 TOD 8.800

Hồ thải từ công đoạn dán gỗ

COD 2.000 Phenol 200 – 2.000 P-PO4 9 – 15 Phân bón BOD5 4.500

Chất rắn lơ lửng 10.000Giết mổ gia xúc BOD5 400 – 2.500

Chất rắn lơ lửng 400 – 1.000Bột giấy và giấy BOD5 100 – 350

Chất rắn lơ lửng 75 – 300 Thuộc da BOD5 700 – 7.000

Chất rắn lơ lửng 4.000 – 20.000

Nguồn: Nguyễn Văn Phước - xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học - 2007.

II.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải:

Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khácnhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và những hợp chất tantrong nước Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thểđưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng Để đạt được những mục đích đó chúng

ta thường dựa vào đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lýthích hợp

II.2.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học:

Trong nước thải thường có các loại tạp chất cỡ khác nhau cuốn theo, như rơm cỏ,

gỗ mẩu, bao bì chất dẻo, giấy, giẻ, dầu mỡ nổi, cát sổi, các vụn gạch ngói,…Ngoài ra

còn có các loại hạt lơ lửng ở dạng huyền phù rất khó lắng Tùy theo kích cỡ, các hạthuyền phù được chia thành hạt chất rắn lơ lửng có thể lắng được, hạt chất rắn keođược khử bằng đông tụ.

Các loại tạp chất trên dùng các phương pháp xử lý cơ học là thích hợp nhất (trừhạt dạng chất rắn keo)

Phương pháp này dùng để tách các chất không hòa tan và một phần các chất ởdạng keo ra khỏi nước thải Sau đây là một số công trình xử lý nước thải bằngphương pháp cơ học phổ biến

II.2.1.1 Song chắn rác:

Có chức năng giữ lại những rác thô, như giẻ, giấy, rác,vỏ hợp, mẩu đất đá, gỗ,…nhằm đảm bảo cho máy bơm, các công trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổnđịnh Tùy vào kích thước mà ta phân loại song chắn rác thô, trung bình, hay songchắn rác tinh Song chắn rác làm bằng sắt tròn hoặc vuông (sắt tròn có đường kính từ

8 – 10mm), hai thanh cách nhau một khoảng bằng 60 – 100mm để chắn vật liệu thô

và 10 – 20mm để chắn vật liệu nhỏ hơn, đặt nghiêng theo dòng chảy một góc

Người ta còn thiết kế lưới lọc hình tang trống cho nước chảy từ ngoài vào hay từtrong ra

Trước chắn rác còn có khi lắp thêm máy nghiền để nghiền nhỏ các tạp chất

II.2.1.3 Thiết bị nghiền rác:

Dùng để cắt và nghiền rác thành các hạt, mảnh nhỏ hơn để trành làm tắc ốngkhông gây hại cho bơm Tuy nhiên trong thực tế việc dùng máy nghiền rác thay choxong chắn rác gặp nhiều khó khăn cho các công trình xử lý tiếp theo do lượng cặntăng lên gây tắc nghẽn hệ thống phân phối khí và các thiết bị làm thoáng khí trongcác bể ( đĩa, lỗ phân phối khí và các tuabin…)

II.2.1.4 Bể lắng cát:

Dựa vào nguyên lý trọng lực, dòng nước thải được cho chảy qua bể lắng Bể lắng

là các loại bể, hố, giếng,…cho nước thải chảy vào theo nhiều cách khác nhau : theotiếp tuyến, theo dòng chảy ngang, theo dòng từ trên xuống và tỏa ra chung quanh,…Nước qua bể lắng dưới tác dụng của trọng lực cát nặng sẽ lắng xuống đáy và kéotheo một phần chất đông tụ

Cát lắng ở đáy bể thường ít chất hữu cơ Sau khi lấy ra khỏi bể lắng cát, sỏi đượcloại bỏ

II.2.1.5 Tách dầu mỡ:

Nước thải của một số xí nghiệp ăn uống, chế biến bơ sữa, các lò mổ, xí nghiệp épdầu,…thường có lẫn dầu mỡ Các chất này thường nhẹ hơn nước và nổi lên trên mặtnước Nước thải sau khi xử lý không có lẫn dầu mỡ mới được phép cho chảy vào cácthủy vực Hơn nữa, nước thải có lẫn dầu mỡ khi vào xử lý sinh học sẽ làm bít các lỗhổng ở vật liệu lọc, ở pin lọc sinh học và còn làm hỏng cấu trúc bùn hoạt tính trongaeroten…

Ngoài cách làm các gạt đơn giản bằng các tấm sợi quét trên mặt nước, người tachế tạo ra các thiết bị tách dầu, mỡ đặt trước dây chuyền công nghệ xử lý nước thải

II.2.1.6 Lọc cơ học:

Lọc được dùng trong xử lý nước thải để tách các tạp chất phân tán nhỏ khỏi nước

mà bể lắng không lắng được Trong các loại phin lọc thường có loại phin lọc dùngvật liệu lọc dạng tấm và loại hạt Vật liệu lọc dạng tấm có thể làm bằng tấm thép cóđục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken, đồng thau,…và cả các loại vảikhác nhau (thủy tinh, amiăng, bông, len, sợi tổng hợp Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủbền và dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc

Vật liệu lọc dạng hạt là các thạch anh, than gầy, than cốc, sỏi, đá nghiền, thậmchí cả than nâu, than bùn hay than gỗ

II.2.2 Phương pháp hóa lý:

Cơ sở của phương pháp hóa lý để xử lý nước thải là dựa vào các phản ứng hóahọc và các quá trình hóa lý diễn ra giữa chất bẩn trong nước thải và hóa chất thêmvào

II.2.2.1 Trung hòa:

Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau Muốn nước thải được xử lý tốtbằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về vùng6,6 – 7,6.

Trung hòa bằng cách dung dung dịch axit hoặc kiềm để trung hòa dịch nước thải

II.2.2.2 Keo tụ:

Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kíchthước ≥10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lằng được Bằng phươngpháp keo tụ ta có thể làm tăng kích thước các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạtphân tán liên kết lại với nhau để có thể lắng được

Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương Các hạt có nguồngốc silic và các hợp chất hữu cơ mang diện tích âm, các hạt hydroxit sắt và hydroxitnhôm mang điện tích dương Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mangđiện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các hạt bông keo, các hạt bông keo này cótác dụng làm tăng tốc độ lắng và giảm thời gian lắng

Các chất keo tụ thường dung là muối sắt (Fe2(SO4)3.2H2O, FeSO4.7H2O,…),muối nhôm (Al2(SO4)3.18H2O,…) hoặc hỗn hợp của chúng

II.2.2.3 Hấp phụ:

Phương pháp hấp phụ được dùng để loại bỏ hết các chất bẩn hòa tan trong nước

mà phương pháp sinh học và các phương pháp khác không thể loại bỏ được với hàmlượng rất nhỏ Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hay các chất

có màu và mùi vị khó chịu

Các chất hấp phụ thường dung là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keonhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất, như xỉ tro, xỉ mạt sắt,…Trong đó than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất Lượng chất hấp phụ tùy thuộcvào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước Phươngpháp này có thể hấp phụ được 58 – 95% các chất hữu cơ và màu

II.2.2.4 Tuyển nổi:

Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước cókhả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bềmặt nước Sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước Thực

chất đây là quá trình tách bọt hoặc làm đặc bọt Trong một số trường hợp, quá trìnhnày cũng được dung để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt.

Phương pháp tuyển nổi được dung rộng rãi trong luyện kim, thu hồi khoáng sảnquý và cũng được dung trong lĩnh vực xử lý nước thải

II.2.2.5 Trao đổi ion:

Phương pháp này được dung làm sạch nước nói chung, trong đó có nước thải,loại ra khỏi nước các ion kim loại như: Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd,…cũng như cáchợp chất chứa asen, phosphor, xianua và chất phóng xạ Phương pháp này được dùngphổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca+2 và Mg+2 ra khởi nước cứng

Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiênhoặc tổng hợp

II.2.2.6 Phương pháp trích ly:

Trích ly là phương pháp tách các chất bẩn hoà tan ra khỏi nước thải bằng dungmôi nào đó nhưng với điều kiện dung môi đó không tan trong nước và độ hoà tanchất bẩn trong dung môi cao hơn trong nước

II.2.2.7 Xử lý bằng màng:

Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khácnhau Nó có thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung môi hoặcthậm chí cả một chất lỏng Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độthấm của các hợp chất đó qua màng

Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trìnhtương tự khác ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải

dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào các mục đích sử dụng khác

Các chất khử khuẩn hay dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước javel, vôi clorua,…

II.2.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ hòa tan cótrong nước thải và một số hợp chất vô cơ như H2S, sunfit, nitơ,…dựa trên cơ sở hoạtđộng của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm, vi sinh vật sử dụng chấthữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển

Có hai loại công trình trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

 Trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng lọc, hồ sinh học Các quá trình biến đổihiếu khí và kỵ khí đều xảy ra đan xen lẩn nhau trong các công trình tự nhiên

 Trong điều kiện nhân tạo: có thể chia thành 2 loại:

+ Phương pháp hiếu khí (nhân tạo): sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạtđộng trong điều kiện cung cấp oxy liên tục Gồm các công trình như: bể lọc sinhhọc, bể aerotank…

+ Phương pháp kỵ khí (nhân tạo): sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt độngtrong điều kiện không có oxy Gồm các công trình như: bể UASB, sinh học kỵ khíhai giai đoạn, lọc kỵ khí bám dính cố định,…(như đã trình bày ở trong phần IV.7)

II.2.3.1 Cánh đồng lọc:

Trong môi trường tự nhiên, các quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra khi đất, nước,sinh vật và không khí tác động qua lại với nhau Lợi dụng các quá trình này, người tathiết kế các hệ thống tự nhiên để xử lý nước thải Các quá trình xảy ra trong tự nhiêngiống như các quá trình xảy ra trong các hệ thống nhân tạo, ngoài ra còn có thêm cácquá trình quang hợp, quang oxy hóa, hấp thu dưỡng chất của hệ thực vật Trong các

hệ thống tự nhiên các quá trình diễn ra ở vận tốc "tự nhiên" và xảy ra đồng thời trongcùng một hệ sinh thái, trong khi trong các hệ thống nhân tạo các quá trình diễn ratuần tự trong các bể phản ứng riêng biệt

Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của mộtcánh đồng với lưu lượng tính toán để đạt được một mức xử lý nào đó thông qua quátrình lý, hóa và sinh học tự nhiên của hệ đất - nước - thực vật của hệ thống Ở cácnước đang phát triển, diện tích đất còn thừa thải, giá đất còn rẻ do đó việc xử lý nướcthải bằng cánh đồng lọc được coi như là một biện pháp rẻ tiền

Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt được ba mục tiêu:

 Xử lý nước thải

 Tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để sản xuất.

 Nạp lại nước cho các túi nước ngầm

So với các hệ thống nhân tạo thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ítnăng lượng hơn Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần năng lượng để vận chuyển

và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cầnnăng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hoàn lưu nước thải và bùn Do

ít sử dụng các thiết bị cơ khí, việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thảibằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằngcánh đồng lọc cũng có những hạn chế như cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc vàocấu trúc đất và điều kiện khí hậu

Tùy theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chiacánh đồng lọc ra làm 3 loại:

Hồ sinh học được ứng dụng trong xử lý nước thải đô thị hoặc nước thải công nghiệp.Với ưu điểm chi phí thấp, vận hành đơn giản, ở những nới có diện tích mặt bằng lớn việc

áp dụng công trình này là rất thích hợp

Hồ sinh học còn được dùng trong công đoạn tiền xử lý đối với các công trình xử lýcông nghiệp, do đó khi đưa nước thải vào xử lý không cần qua giai đoạn xử lý sơ bộ Ngoài việc xử lý nước thải còn có nhiệm vụ:

 Nuôi trồng thuỷ sản

 Nguồn nước để tưới cho cây trồng

 Điều hoà dòng chảy

Có các loại hồ sinh học sau đây:

25 – 100 mm, chiều sâu lớp vật liệu dao động trong khoảng 0,9 – 2,5 m, trung bình

là 1,8m Bể lọc với vật liệu đá dâm thường có dạng tròn Nước thải được phân phốitrên lớp vật liệu lọc nhờ bộ phận phân phối Bể lọc với vật liệu lọc là chất dẻo có thể

có dạng tròn, vuông hoặc nhiều dạng khác nhau với chiều cao biến đổi từ 4 – 12 m Các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày0,1 – 0.2 mm và bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiếu khí Khi vi sinh vật sinh trưởng vàphát triển, bề dày lớp màng tăng lên, do đó oxy đã bị tiêu thụ trước khi khuếch tánhết chiều dày lớp màng sinh vật Như vậy, môi trường kỵ khí được hình thành ngaysát bề mặt vật liệu lọc

Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hoá chất hữu cơ xảy ra trước khichúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu liệu lọc, và bị rửa trôi

Bể lọc sinh học có các loại sau:

 Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước

 Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước

Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếukhí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng tổng hợp các chất hữu cơ

thành tế bào vi khuẩn mới Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống

Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter.

Ngoài ra còn có các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix,

Lecicothrix và Geotrichum Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai

trò quan trọng trong bể bùn hoạt tính như: các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn

các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh

Quá trình sinh học xảy ra theo 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: hình thành bùn hoạt tính.

 Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzyme đạt tối đa và

kéo dài trong thời gian tiếp theo

 Giai đoạn 3: tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng

lên

Bể bùn hoạt được phân loại theo nhiều cách: chế độ thủy động lực dòng chảyvào, chế độ làm việc của bùn hoạt tính, cấu tạo của bể bùn,…

II.3 Vai trò của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn vànhiều phương pháp khác nhau Trong đó mỗi phương pháp xử lý hiệu quả đối với cácchất nhiểm bẩn khác nhau Do đó ta không thể chỉ sử dụng một phương pháp để xử

lý hiệu quả cho một loại nước thải nào đó

Phương pháp cơ học có khả năng loại bỏ các tạp chất rắn không tan như bao bì,rơm cỏ, giấy, giẻ, dầu mở, cát sỏi, vụn gạch ngói,…Ngoài ra còn có các hạt lơ lửng ởdạng huyền phù Đây là một bước đệm để đảm bảo cho các công trình sau được xử lý

dễ dàng hơn, tránh tắt nghẽn thiết bị

Phương pháp hóa lý và hóa học có thể loại bỏ được các hạt nhỏ hơn mà phươngpháp cơ học không thể loại bỏ được, điều chỉnh giá trị pH của nước thải và khửkhuẩn nước sau xử lý để đảm bảo tiêu chuẩn đầu ra

Nhìn chung, bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học vàphương pháp hóa lý là quá trình chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác chứkhông xử lý triệt để Cho nên nếu xử lý nước thải bằng phương pháp cơ hay phươngpháp hoá lý thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao Do đó, xử lý nước thải bằng

phương pháp sinh học để xử lý các chất hữu cơ là phương pháp mang lại hiệu quảcao và chi phí thấp.

Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật có thể phân huỷ đượctất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhântạo Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ,

độ hoà tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác

Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoánglàm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng Quá trình dinh dưỡng làm cho chúngsản sinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hoà tanhoặc các hạt keo phân tán nhỏ Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏcác tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ Đối với cáctạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chấtsulfite, muối amon, nitrate…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn Sản phẩm của quátrình phân huỷ này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat…

CHƯƠNG III: TỒNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH

HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

III.1 Nguyên tắc chung của quá trình:

Cở sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hóa vậtchất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật

dị dưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hóa được rất nhiều nguồn

cơ chất khác nhau có trong nước thải

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có thể chia thành hai loại:

 Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trongđiều kiện cung cấp oxy liên tục.

 Phương pháp kỵ khí: sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điềukiện không có oxy

Quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng các vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinhhóa Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ và mức

độ ổn định của lưu lượng nước vào hệ thống Đồng thời cũng chịu ảnh hưởng của cácyếu tố như: chế độ thủy động, hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ, các chất dinh dưỡng,…

Để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đạt hiệu quả thì nước thải đưa vàophải đạt được các điều kiện sau:

 Nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chấthữu cơ có trong nước thải

 Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nướcthải (Sb > Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb > Cr+3 > Cd > Zn > Fe)

 Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon vànăng lượng cho vsv (hydratcarbon, protein, lipit hòa tan)

 Tỉ số COD/BOD≤2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5 thì áp dụng phương pháp xử lýsinh học hiếu khí

 Nếu nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ quá cao hoặc có chứa các chấthữu cơ khó phân hủy (cellulose, hemixenlulose, protein, tinh bột chưa tan) thì

xử lý bằng phương pháp sinh học kị khí

III.2 Các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải:

Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là nước thải công nghiệp đã quacông đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật Nước thải trong

hệ thống thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn cũng đủ điều kiện để vi sinh vậtthích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc,chất ức chế hoặc diệt vi sinh vật, như các loại nước thải có hàm lượng các kim loạinặng, các chất hữu cơ và vô cơ có tính độc,…) Sau một thời gian sinh trưởng, chúngtạo thành quần thể vi sinh vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển củacác giới thủy sinh

Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau Mỗi loại nước thải

có hệ vi sinh vật thích ứng Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinhvật hoại sinh và dị dưỡng Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vậtliệu tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu

cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu để xây dựng tế bào, đồng thờichúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2

và H2O hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, indol, mecaptan, scatol, N2,…) Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài racòn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng Các dạng này tiếpxúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ visinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa vàđồng hóa Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy chất hữu cơ có khối lượng phân tửlớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượngthấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào đểchuyển vào quá trình phân hủy nội bào (hô hấp hay oxy hóa tiếp) hay chuyển sangquá trình đồng hóa

Quá trình tự làm sạch trong nước xảy ra rất phức tạp Có 3 quá trình tự làm sạchtrong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học và tự làm sạch sinh học Quátrình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyếtđịnh mức độ tự làm sạch toàn diện của nước Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra

do động vật, thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọngnhất Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn

 Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật

 Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tếbào vi sinh vật

 Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp cácvật liệu mới cho tế bào vi sinh vật

Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ Kết quả là nồng độ các chấtnhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu

cơ ô nhiễm thấp hơn ở vùng xa Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vật tiết ra thìngược lại Phân hủy các chất hữu cơ xảy ra chủ yếu trong tế bào vi sinh vật

Trong nước thải có rất nhiều các loại vi sinh vật khác nhau tham gia và quá trìnhphân hủy chất hữu cơ như: vi khuẩn, vi nấm, virus, tảo, nguyên sinh động vật,…Trong số đó vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu của quá trình phân hủy các chất hữu cơ,cùng với các khoáng chất khác dùng làm vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời làmsạch nước thải.

III.2.1 Vi khuẩn:

Các vi khuẩn được phân thành 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên haytrạng thái tồn tại của chúng Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn hình cầu, dạng thứ hai làcác vi khuẩn hình que, dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong Đại đa

số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu

cơ thành chất ổn định tạo thành bong cặn dễ lắng

Vi khuẩn ký sinh là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đãđược vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong ruột của người và động vật, đi vàonước thải theo phân và nước tiểu

Vi khuẩn hoại sinh dung chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân hủycặn chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặnhữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ Bằng quá trình hoạt động như vậy, vikhuẩn hoại sinh đống vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải Nếukhông cò hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ không xảy

ra Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗicông đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗiloài sẽ tự chết khi hoàn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó

Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần có thức ăn và oxy để đồng hóa Một

số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hòa tan trong nước gọi là vikhuẩn hiếu khí, còn quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếukhí hay quá trình oxy hóa Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồntại được khi có oxy hòa tan trong nước Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí

và quá trình phân hủy gọi là quá trình kỵ khí, quá trình này tạo ra các chất có mùikhó chịu Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân hủy chất hữu cơ,nếu thiếu hoàn toàn oxy hòa tan, chúng có thể điều chỉnh để thích nghi với môitrường gọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi Ngược lại, cũng tồn tại một số loài vi

khuẩn kỵ khí, khi có oxy hòa tan trong nước chúng không bị chết mà lại làm quenđược với môi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn kỵ khí lưỡng nghi Sự tự điều chỉnh đểthích nghi với môi trường có sự thay đổi của oxy hòa tan của vi khuẩn hoại sinh làrất quan trọng trong quy trình phân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các côngtrình xử lý.

Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của

vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh

mẽ ở nhiệt độ 20 – 40oC Một số loài vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển ởnhiệt độ 50 – 60oC Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy,

độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽđạt hiệu quả cao nhất

Tuy nhiên, không phải tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hóa, mộtvài trong số chúng là loài gây hại Có hai loại vi khuẩn gây hại có thể phát triển trong

hệ thống hiếu khí và thiếu khí Một là vi khuẩn dạng sợi là các dạng phân tử trunggian, thường kết với nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên trên mắt nước và gây cản trởquá trình lắng đọng trầm tích, làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối sẽkhông gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã qua xử lý ra ngoài Một dạng vikhuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hóa,phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống

Các sinh vật có hại thường xuất hiện trong hệ thống xử lý kỵ khí là các vi khuẩnkhử sunfat Nhìn chung, lợi ích thu được từ thiết kế vận hành hệ thống xử lý nướcthải kỵ khí là tạo ra sản phẩm khí metan có giá trị kinh tế Tuy nhiên, nếu trong nướcthải chứa sunfat ở nồng độ quá cao, lúc đó các vi khuẩn khử sunfat sẽ phải cạnh tranhvới các chất nhường điện tử, kết quả là tạo ra sản phẩm sunfat Điều này khôngnhững ảnh hưởng đến sản lượng khí metan tạo thành, mà còn tạo các sản phẩmkhông có lợi cho quá trình vận hành hệ thống

III.2.2 Vi nấm:

Có cấu tạo cơ thể đa bào, sống hiếu khí, không quang hợp và là loài hóa dị dưỡng.Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải Cùng với vi khuẩn, nấmchịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải Về mặt sinh thái họcnấm có hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm có thể phát triển trong điều kiện ẩm độ

thấp và pH thấp Không có sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và cácchất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong môi trường.

 Nấm men:

Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, có hình dạng khác nhau và hầu như không ổnđịnh Thường chúng có hình cầu, hình elip, hình bầu dục và cả hình dài Tế bào nấmmen thường có kích thước lớn gấp từ 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn Kích thước trungbình của nấm men có chiều dài 9 – 10µm, chiều rộng 2 - 7µm Chúng có thể lên menmột số đường thành rượu, axit hữu cơ, glycerin và phát triển tăng sinh khối trongđiều kiện kỵ khí

 Nấm mốc (nấm sợi).

Nấm mốc có khả năng phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy như xenlulozo,hemixnlulozo và lignin Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên, không phải là loàithuộc thực vật, cũng không phải là động vật và hoàn toàn khác vi khuẩn và nấm men Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranhvới các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinhtrưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậykhông tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học Nói cách khác, khi cung cấpkhông đủ oxy và nitơ, hoặc khi pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra cácvấn đề ảnh hưởng tương tự như vi khuẩn dạng sợi

III.2.3 Virut và thể thực khuẩn:

Virut là một dạng sống khá đơn giản, có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ 10 450µm Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào; thành phần hóahọc rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa AND hoặcARN; không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp; một số cókhả năng tạo thành ty thể

Sự hiện diện của virut trong nước thải sẽ có ảnh hưởng không tốt cho quá trình

xử lý Vì chúng sinh trưởng bằng cách tấn công vào tế bào vật chủ (động vật, thựcvật, vi khuẩn,…) mà các vi khuẩn thì đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình xử

lý nước thải

Thể thực khuẩn là virus của vi khuẩn, có khả năng làm tan tế bào vi khuẩn rấtnhanh Trong nước thải có những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, bên

cạnh đó cũng có thể thực khuẩn tương ứng với từng loại vi khuẩn đó Do đó khi thấythể thực khuẩn trong nước thải người ta có thể kết luận sự có mặt của vi khuẩn tươngứng.

III.2.4 Tảo:

Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ởchổ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các chất hữu cơ từ vô cơ dướitác dụng của ánh sang mặt trời

Các loại tảo khác nhau có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chủ yếu gồmcác dạng sau:

 Dạng đơn bào chuyển động: gồm các cơ thể đơn bào có khả năng chuyểnđộng, thường có hình cầu, hình bầu dục hay hình quả lê Tế bào thường cótiên mao Những tảo này có khả năng hình thành các chân giả rất mảnh và dài

 Dạng tập đoàn chuyển động: gồm những tế bào đồng nhất về hình dạng vàchức phận, thường tập hợp trong một tập đoàn chuyển động

Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinhsản hữu tính

Mặc dù tảo không phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng có thể gây ra một số vấn

đề trong quá trình xử lý nước thải Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, thực chất

là những màu sắc của tảo

 Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Alabaena microcistic,…làm cho nước

có màu xanh lam

 Tảo Oscilatoria rubecent làm cho nước có màu hồng

 Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu vàng nâu, Chrisophit làmcho nước có màu vàng nhạt

 Tảo phát triển làm cho nước có nhiều mùi có chịu như mùi cỏ, mùi thối,…

III.2.5 Nguyên sinh động vật (Protozoa):

Động vật nguyên sinh cũng góp phần quan trọng trong quá trình xử lý nước thải,

là một tổ chức lớn nằm trong nhóm eukaryotic với hơn 50.000 loài đã được biết đến.Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tạphơn, lớn hơn các vi khuẩn Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trongkhoảng từ 4 – 500mm, chúng sống trôi nổi trên mặt nước, hầu hết sống hiếu khí hoặc

yếm khí không bắt buộc chỉ có một số loài sống yếm khí Các nguyên sinh động vật

quan trọng trong xử lý nước thải bao gồm các chi Amoeba, Flagellate, và Viliate.

Các nhóm chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng Dạng thứnhất là mastigophora, là các động vật nguyên sinh có nhiều roi – flagella Dạng thứhai là ciliophora, có rôi ngắn hơn hay còn gọi là long mao – cilia Dạng thứ ba làSarcodina, có kiểu chuyển động như amip

Các động vật nguyên sinh ăn chất hữu cơ để sống và thức ăn ưa thích của chúng

là các vi khuẩn do đó nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinhvật trong các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Các yếu tố như:chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng

Các động vật nguyên sinh có thể coi là chất chỉ thị của nước thải, vì sự xuất hiệncủa các động vật nguyên sinh cũng có nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất cótrong nước thải

III.2.6 Archaea (cổ khuẩn):

Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa Khác với vi khuẩn, lipit củamàng tế bào Archaea chứa lien kết ether giữa axit béo và glycerol, trong đó hai loạilipit chính là glycerol diether và diglycerol tetraether Archaea còn chứa một lượnglớn axit béo không phân cực

Archaea có phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và

có thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành metan Chúng bao gồmcác nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong các môi trường cực đoan Nhữngnghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng có mặt trong các loại môi trườngsống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải bằng phương phápsinh học, chúng đóng vai trò khá quan trọng trong việc tạo ra CH4

III.3 Quá trình tăng trưởng của tế bào vi sinh vật:

Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản và tăng sinh khối quần thể visinh vật Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý diễn ra trong tế bào được tổnghợp thành khái niệm “phát triển” Sinh sản cũng là một kết quả của sự phát triển Trong nước thải và quá trình xử lý nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng sốlượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào Kích thước tế bào dao động xungquanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng

sinh khối của vi sinh vật Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiệnbên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằngcách phân đôi tế bào Thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi sinh vật tối thiểu đượcgọi là thời gian sinh trưởng/thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày Khi cácchất dinh dưỡng cạn kiệt, pH, nhiệt độ và các điều kiện khác của môi trường thay đổingoài các chỉ số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại.

Các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng, chúng cần có trongmôi trường các chất hữu cơ có thể đồng hóa làm cơ chất dinh dưỡng ở nước thảiđược biểu thị là BOD Ngoài ra các chất dinh dưỡng nguồn nitơ là NH4 và nguồnphotpho là PO43-, các nguyên tố khoáng khác như K, Ca, Mg và các nguyên tố vilượng (sắt, đồng, kẽm, mangan,…) Các chất khoáng và vi lượng này thường có đủtrong nước thải sinh hoạt Các nguồn C, N, P dinh dưỡng cần cho sinh trưởng của vikhuẩn thường theo tỷ lệ BOD:N:P = 100:5:1 Khi xử lý nước thải công nghiệp (trừcông nghiệp thực phẩm) nhiều trường hợp phải bổ xung nguồn N và P hoặc phải khửtrước các kim loại nặng gây độc hại cho đời sống vi sinh vật

III.3.1 Nuôi cấy tĩnh (nuôi cấy theo mẻ):

Phương pháp nuôi cấy này thì quá trình sinh trưởng của tế bào chia thành 5 giaiđoạn

 Giai đoạn thích nghi

 Giai đoạn sinh sản bằng cách phân đôi tế bào theo cấp số nhân

 Giai đoạn chậm dần

 Giai đoạn ổn địn

 Giai đoạn suy vong

Hình 3.1: Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật.

Vùng 1: Giai đoạn làm quen/pha tiềm phát/ pha lag.

Pha lag bắt đầu từ lúc nuôi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trưởng Trong phanày nồng độ bùn X = X0 (X0 là sinh khối ở thời điểm t = 0) Tốc độ sinh trưởng: rg =dX/dt = 0

Gần cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng tức tăng về kíchthước, thể tích và khối lượng do tạo ra protein, axit nucleic, men proteinaza, amilazanhưng chưa tăng về khối lượng

Vùng 2: Giai đoạn sinh sản theo cách phân đôi tế bào (theo cấp số nhân)/giai

đoạn sinh trưởng logaric/pha số mũ (pha log)

Trong pha log chất dinh dưỡng đáp ứng đầy đủ cho vi sinh vật sinh trưởng và pháttriển theo lũy thừa Sinh trưởng và sinh sản đạt mức độ cao nhất Sinh khối và khốilượng tế bào tăng theo phương trình: N = N0 x 2n (n là số lần phân chia tế bào của tếbào ban đầu) Tốc độ sinh trưởng tăng tỷ lệ thuận với X (từ đó có đường cong hàmmũ) theo phương trình

rg = dX/dr = µ.X (3 – 1) trong đó:

 rg: tốc độ tăng trưởng vi sinh vật (mg/l.s)

 X: nồng độ sinh khối/nồng độ bùn (mg/l)

 µ: hằng số tốc độ sinh trưởng hay tốc độ sinh trưởng riêng vi sinh vật (l/s)

Đường cong cho thấy sinh khối của bùn có xu hướng tăng theo cấp số nhân thuộcpha tiềm phát và pha sinh trưởng logaric Trong pha sinh trưởng logaric tốc độ phânđôi tế bào trong bùn sẽ ổn định và đạt giá trị tối đa Phần giữa của đường cong tốc độsinh trưởng gần như tuyến tính với nồng độ sinh khối tương ứng với nồng độ chấtdinh dưỡng dư thừa.

Vùng 3: Giai đoạn sinh trưởng chậm dần/ pha sinh trưởng chậm dần.

Trong giai đoạn này chất dinh dưỡng trong môi trường đã giảm sút và bắt đầu cạnkiệt cùng với sự biến mất của một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởnghoặc do môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế vi sinh vật, được sinh ra trong quátrình chuyển hóa chất trong tế bào ở pha log Sự sinh sản của vi sinh vật gần đạt đếntiệm cận tùy thuộc vào mức độ giảm nồng độ chất dinh dưỡng X tiếp tục tăng nhưngtốc độ sinh trưởng giảm dần khi chuyển dần dần từ pha sinh trưởng sang pha ổn định

và đạt mức cân bằng ở cuối pha

Vùng 4: Giai đoạn sinh trưởng ổn định/pha ổn định:

Chất dinh dưỡng trong pha này có nồng độ thấp, nhiều sản phẩm của quá trìnhtrao đổi chất được tích lũy X đạt tối đa, số lượng tế bào đạt cân bằng Sự sinh trưởngdừng lại, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt

Vùng 5: Giai đoạn suy tàn/pha suy vong/pha oxy hóa nội bào.

Pha này biểu thị sự giảm sinh khối bùn bởi quá trình tự oxy hóa diễn ra Trongpha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo lũy thừa, các tế bào bị chết và tỷ

lệ chết cứ tăng dần lên mà nguyên nhân là do chất dinh dưỡng đã quá nghèo hoặc đãhết, sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác dụng ức chế và đôi khi tiêu diệt cả visinh vật Các tính chất lý, hóa môi trường thay đổi không có lợi cho tế bào, các tếbào già bị chết bị chết một cách tự nhiên,…

Quá trình nuôi cấy tỉnh vi sinh vật được ứng dụng trong công nghệ xử lý nướcthải ở điều kiện tĩnh và hoạt hóa bùn Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật theothời gian đều đúng cho cả hai môi trường hiếu khí và kỵ khí Giá trị các thông số củaquá trình phụ thuộc vào các loài vi sinh vật, hàm lượng cơ chất, nhiệt độ và độ pHmôi trường mà vi sinh vật sống trong đó

III.3.2 Nuôi cấy liên tục:

Ngược với nuôi cấy tĩnh, nuôi cấy liên tục là phương pháp mà trong suốt thời giannuôi cấy, liên tục cho thêm các chất dinh dưỡng mới vào và tiến hành loại bỏ các sảnphẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất ra khỏi môi trường nuôi cấy Do đó visinh vật luôn luôn ở trong điều kiện ổn định về chất dinh dưỡng cũng như sản phẩmtrao đổi chất và tốc độ sinh sản phụ thuộc vào tốc độ cung cấp chất dinh dưỡng Quátrình nuôi cấy liên tục, tốc độ sinh trưởng rg được biểu thị bằng phương trình:

rg = dX/dt = (µ - D) X (3 – 2) trong đó:

 X: nồng độ sinh khối ban đầu/nồng độ bùn (mg/l)

CHƯƠNG IV: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG

VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN KỴ KHÍ

IV.1 Lược sử phát triển quá trình và xu hướng hiện nay:

Quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là một trong những kỹ thuật ứngdụng cổ xưa nhất Khí sinh học đã được sử dụng để làm nóng nước tắm ở Assyria từthế kỷ thứ 10 trước công nguyên Cho đến thế kỷ 17, quá trình mới bắt đầu nghiêncứu một cách khoa học Năm 1776, Count Alessandro Volta đã khẳng định có mốilien hệ giữa lượng chất hữu cơ phân hủy và lượng khí cháy được tạo thành Sau đó,năm 1808, Sir Humphry Davy đã chứng minh được sự tạo thành khí metan qua quátrình phân hủy kỵ khí phân gia súc

Quá trình được ứng dụng mang tính công nghiệp đầu tiên là một nhà máy xâydựng ở Bombay, Ấn độ vào năm 1859 để sau đó nó bắt đầu thâm nhập vào anh.Những tiến bộ của ngành vi sinh vật học khi đó có tác dụng hỗ trợ phát triển kỹ thuậttrong đó nghiên cứu của Buswell những năm 1930 đã đặt nền móng cho việc xácđịnh các loài vi khuẩn kỵ khí và các điều kiện thúc đẩy sự sinh khí.

Khi những hiểu biết về quá trình đầy đủ hơn, các kỹ thuật áp dụng trong vận hành

và điều khiển ngày càng hoàn thiện với sự ra đời của những bể ủ kín cùng các thiết bịhâm nóng và khuấy đảo Tuy nhiên, vì lúc đó giá than đá rẻ và trữ lượng dầu mỏ cònrất lớn nên khí sinh học không được quan tâm, một phần do sự phát triển mạnh mẽcủa các hệ thống phân hủy kỵ khí Quá trình công nghiệp hóa cùng với giá điện rẻ đãdẫn tới kết quả là các kỹ thuật phân hủy hiếu khí chế biến compost và chôn lấp trởthành sự lựa chọn để xử lý nước thải cho tới ngày nay Trong khí đó các hệ thốnglên men kỵ khí cỡ nhỏ mọc lên rất nhiều tại các nước chậm phát triển hơn như TrungQuốc, Ấn độ chủ yếu tạo nguồn năng lượng phụ

Rồi hai cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973 và năm 1979 đã phát động mốiquan tâm mới tới kỹ thuật phân hủy kỵ khí đơn giản thu metan làm năng lượng Tuynhiên những hiểu biết về quá trình còn hạn chế đã dẫn tới sự thất bại của 50% hầm ủ

ở Ấn độ, Trung Quốc và 80% hầm ủ ở Mỹ và châu Âu Tuy nhiên, đó lại chính làđộng lực để thúc đẩy sự nghiên cứu sâu hơn về quá trình Cùng với thời gian, kỹthuật phân hủy kỵ khí không chỉ được áp dụng để xử lý chất thải nông nghiệp haychăn nuôi mà thậm chí để xử lý nước thải đô thị hay công nghiệp (chế biến hóa chất,sản xuất thực phẩm các loại…) Gần đây kỹ thuật phân hủy kỵ khí càng được lựachọn nhiều hơn dưới áp lực của giá dầu mỏ cao và những quy định ngày càng chặtchẽ về môi trường để kiểm soát khắt khe về mùi và khối lượng của phần chất hữu cơchôn lắp Đức và Đan Mạch đã tăng sản lượng khí sinh học sản suất gấp đôi vào năm

2000 và gấp ba vào năm 2005

Ở Việt Nam, sản xuất khí sinh học đã được giới thiệu và áp dụng từ hơn 20 nămqua để thắp sang do thiếu điện một số khu vực ở nông thôn Một loạt các hầm ủ sinhhọc vật liệu xi măng với thiết kế khác nhau đã được đưa vào thử nghiệm ở các vùngnông thôn dưới sự tài trợ của chính phủ Việt Nam và quốc tế, từ các hầm ủ kiểu Ấn

độ đến kiểu Trung Quốc Tuy nhiên, vì hầm ủ xi măng có giá cao, khó lắp đặt và sửa

chữa nên thực tế còn ít được áp dụng Sự ra đời của túi ủ hình ống bằng vật liệu PEsau đó đã giảm được đáng kể chi phí đầu tư và chi phí vận hành nên nhận được sựủng hộ của nhiều hộ nông dân nghèo Trong vòng 10 năm trở lại đây hơn 20.000 túi

ủ như thế đã ra đời ở Việt Nam và đa phần do nông dân tự trang trải chi phí Túi ủvới giá thành rẽ cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì Tuynhiên, những nghiên cứu về quá trình phân hủy đối với rác thải nông thôn Việt Nam(với một số đặc trưng riêng) để làm căn cứ khoa học và ứng dụng còn rất hạn chế

IV.2 Cơ sở lý thuyết:

Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do quần thể vi sinh vậthoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗnhợp khí có CH4 , CO2, N2, H2,…trong đó thông thường có tới 60 – 65% là CH4 Vìvậy quá trình này còn có thể gọi là quá trình lên men metan Các vi sinh vật kỵ khí sửdụng một phần chất hữu cơ trong nước thải để xây dựng tế bào, tăng sinh khối

Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí:

(CHO)n →CO2 + H2O +CH4 +NH4 + H2 + H2S + tế bào VSV +…

Trong 10 năm trở lại đây, do các phương pháp sinh học phát triển, quá trình xử lý

kỵ khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lý các loại bả cặn chất thải côngnghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơcao: BOD đến 10 – 30 (g/l)

Hiện nay, đã có hàng trăm nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải ở các nướcnhư: Hoa Kỳ, Hà Lan, Đức, Việt Nam,…đi vào hoạt động, do phương pháp này cócác ưu điểm sau:

 Thiết kế đơn giản

 Thể tích công trình nhỏ

 Chiếm ít diện tích mặt bằng

 Công trình có thiết kế đơn giản và giá thành không cao

 Chi phí vận hành về năng lượng thấp

 Khả năng thu hổi năng lượng cao, không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinhdưỡng

 Lượng bùn sinh ra ít hơn 10 – 20 lần so với phương pháp hiếu khí và cótính ổn định tương đối cao.

 Có thể tồn trữ trong một thời gian dài và là một nguồn phân bón có giá trị

 Tải trọng phân hủy chất bẩn hữu cơ cao

 Chịu được sự thay đổi đột ngột về lưu lượng

Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thì công nghệ này cũng gặp phải một số khó khăn như:

 Rất nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thải đổi bất thường về tải trọng của công trình

 Những hiểu biết về các vi sinh vật kỵ khí còn hạn chế

 Thiếu kinh nghiệm về vận hành công trình

 Xử lý nước thải chưa triệt để

IV.3 Mô tả quá trình sinh học kỵ khí:

Sự tạo thành khí sinh vật là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều phảnứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 và CO2 và một số chất khác Quá trình này được thựchiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí đã phânhủy từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một lượngđáng kể chuyển thành khí và dạng chất hòa tan Một yếu tố bất lợi đối với bất kỳ giaiđoạn nào đều có thể gây ra sự cố và kìm hãm cả quá trình Các giai đoạn đó có thểđược mô tả bằng sơ đồ trong hình 4.1

THỦY PHÂN

ACETAT HÓA

AcetatHydro, cacbonic

METAN HÓA

Lipit Protein Hydratcacbon

Axit béo dài Glycerin Axit amin Đường đơn

Axit béo bay hơi (số C>2)

AXIT HÓA