TIỂU LUẬN môn học xử lý nước THẢI hồ sinh học trong xử lý nước thải

Cơ chế và nguyên tắc xử lý nước thải của hồ sinh học Các hoạt động diễn ra trong hồ sinh học là kết quả của sự cộng sinh phức tạp giữa nấm và tảo, giúp ổn định dòng nước và làm giảm các

I Các khái niệm 1

II Cơ chế và nguyên tắc xử lý nước thải của hồ sinh học 2

1 Hệ động thực vật trong hồ sinh học 2

2 Cơ chế xử lý nước thải của hồ sinh vật 6

II Các loại công trình hồ sinh học và nguyên tắc hoạt động 12

1 Hồ tự nhiên 13

2 Hồ nhân tạo 13

3 Hồ kỵ khí 14

4 Hồ tùy tiện 15

5 Hồ hiếu khí 16

6 Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước 18

III Đề xuất dây chuyền công nghệ 20

III Tài liệu tham khảo 26

TIỂU LUẬN MÔN HỌC: XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Đề tài: Hồ Sinh học trong Xử lý nước thải

Hồ sinh học được ứng dụng rộng rãi hơn cánh đồng lọc và cánh đông tưới Ưu điểm lớn nhất của hồ sinh học là chiếm diện tích nhỏ hơn cánh đồng lọc sinh học

Ngoài ra hồ sinh học còn có những tác dụng hữu ích sau:

 Nuôi trồng thuỷ sản;

 Cung cấp nước cho trồng trọt;

 Điều hoà dòng chảy mùa mưa và hệ thống thoát nước đô thị;

 Không đòi chi phí cao;

 Bảo trì, điều hành đơn giản

II Cơ chế và nguyên tắc xử lý nước thải của hồ sinh học

Các hoạt động diễn ra trong hồ sinh học là kết quả của sự cộng sinh phức tạp giữa nấm và tảo, giúp ổn định dòng nước và làm giảm các vi sinh vật gây bệnh

Hồ sinh học có thể dùng để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau: nước thải công nghiệp hay sinh hoạt phức tạp, trong những điều kiện thời tiết khác nhau

Các quá trình diễn ra trong ao, hồ sinh học cũng tương tự như quá trình tự làm

sạch ở các sông hồ tự nhiên Vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý chất thải hữu cơ

Hg, Zn) để cho sự đồng hoá và phát triển sinh khối Để tồn tại trong những môi trường nước khác nhau đồi hỏi mỗi loại vi khuẩn phải có sự tiến hoá, thích nghi rất cao Tuỳ theo từng điều kiện cụ thể mà hình thành nên các nhóm thực vật thuỷ sinh và trong các

nhóm thực vật thuỷ sinh này chỉ có một số có những tính chất phù hợp cho việc xử lý môi trường nước ô nhiễm

Thực vật thuỷ sinh dùng để xử lý nước thải chia làm ba nhóm lớn:

 Nhóm thực vật thuỷ sinh ngập nước:

Đặc điểm quan trọng của nhóm thực vật thuỷ sinh ngập nước là chúng tiến hành quá trình quang hợp hay trao đổi chất diễn ra hoàn toàn trong lòng nước Chính vì vậy nhóm thực vật thuỷ sinh này chỉ có thể phát triển tốt ở một khoảng độ sâu nhất định

của nước và chiều sâu này thường từ 50cm (tính từ bề mặt nước) trở lại vì ở chiều sau này thì ánh sáng mặt trời có tác dụng tốt nhất Nhóm thực vật ngập nước này cũng gây nên những tác hại như làm tăng độ đục của nước, ngăn cản khả năng khuếch tán của ánh sáng vào nước Do đó các loại thủy sinh này không hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải

Nhóm này bao gồm các lạo như rong Hydrilla Verticillata, Caratophyllum…hấp thụ các chất dinh dưỡng và các nguyên tố cần thiết khác qua thân, lớp vỏ, đây là quá

trình lọc và hấp thụ các chất hòa tan Hiệu quả thu hồi các chất dinh dưỡng nitơ của laoij thực vật này từ 200-1560 kg/ha

Thực vật ngập nước bậc cao đóng vai trò lớn trong việc cung cấp oxy cho vi

khuẩn tham gia phân hủy các chất hữu cơ Tuy nhiên cũng cần thiết thường xuyên thu hồi các loại thực vật nổi và thực vật ngập nước ra khỏi hồ để tránh hiện tượng nhiễm

bẩn nước

 Nhóm thục vật trôi nổi:

Các loài thực vật này phát triển trên bề mặt nước gồm hai phần: phần lá và phần thân mềm nổi trên mặt nước, đây là phần nhận ánh sáng trực tiếp từ mặt trời, phần dưới là rễ, rễ của các loài thực vật này là rễ chùm Chúng phát triển trong lòng môi trường nước, nhận các chất dinh dưỡng trong nước và chuyển lên lá thực hiện quá trình quang hợp

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 là giá thể cho các loại vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải So với loài thực vật ngập nước, loài thực vật trôi nổi này có khả năng xử lý các chất ô nhiễm rất cao

Nhóm này bao gồm các loại bèo như: Eichhorinia crassipes (bèo Nhật Bản, Lục bình); spirodella; lema; Postia statiotes… Sinh khối của bèo tăng rất nhanh trong điều kiện môi trường thuận lợi sau sáu ngày nuôi cấy chúng có thể tăng sinh khối đến 250

kg chất khô/ha.ngày đêm (Theo O’ Bien 1981) Trong quá trình nghiên cứu bèo trong

hồ sinh học, các nhà khoa học nhận thấy rằng bộ rễ của bèo là nơi cư trú của nhiều loài

vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa các chất hữu cơ ở tầng bề mặt nước Hiệu quả xử lý BOD đạt 95%; khả năng khử N-NH3, P đến 97% Ngoài bèo trong hồ sinh học còn có các loại thực vật nổi khác như rau muống, họ sen súng Đây đều là loại thực vật có khả năng chuyển hóa vật chất rất cao

Dưới đây là bảng thống kê một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu:

Thực vật ngập nước

Water milfoil Myriophyllum spicatum

Thực vật trôi nổi

Lục bình (water hyacinth) Eichhornia crassipes

Bèo tấm (duck week) wolfia arrhiga

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

Salvinia Salvinia spp

Thực vật nửa ngập nước

Cỏ lõi bấc (bulrush) Scirpus spp

2 Cơ chế xử lý nước thải của hồ sinh vật

Khi nước thải vào hồ do vận tốc nước chảy nhỏ, các loại cặn lắng có tỷ trọng lớn được lắng xuống đáy; các chất bẩn hữu cơ còn lại lơ lửng trong nước sẽ được vi khuẩn hấp phụ và oxy hoá Ở gần sát mặt nước tồn tại nhiều vi sinh vật hiếu khí; tại đây oxy được cung cấp từ quá trình hoà tan từ không khí do chuyển động của sóng, gió Lượng oxy này không nhiều nhưng khá ổn định; lượng oxy co trong tầng nước nhờ sự quang hợp của tảo Nhờ có oxy quá trình chuyển hoá hiếu khí của vi sinh vật xảy ra mạnh, chất hữu cơ nhanh chóng bị phân huỷ thành các sản phẩm là sinh khối,

2

CO , các muối nitrat, nitrit,

Khí CO2 và hợp chất N, P lại được trong tảo sử dụng trong quá trình quang hợp

Trong quá trình này sẽ giải phóng oxy, cung cấp cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ của vi khuẩn Sự hoạt động của rong tảo tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chất của vi khuẩn Như vậy vi khuẩn hiếu khí và tảo tạo ra một vòng khép kín của sự chuyển hoá vật chất Tuy nhiên trong trường hợp nước thải đậm đặc chất hữu cơ, tảo có thể chuyển từ hình thức tự dưỡng sang dị dưỡng và tham gia vào quá trình oxy hoá chất hữu cơ Nấm, xạ khuẩn có trong nước thải cũng thực hiện vai trò tương tự

Dưới đây là Sơ đồ thể hiện Thuyết hỗ sinh về vi khuẩn và tảo:

Ở phần đáy hồ, các chất hữu cơ có tỷ trọng lớn lắng xuống thường đây là các chất khó phân huỷ; trong môi trường đáy hồ rất thiếu oxy nên phát triển vi sinh vật yếm khí Các vi sinh vật này tham gia chuyển hoá chất hữu cơ thành các acid hữu cơ, rượu để các vi sinh vật khác tiếp tục chuyển hoá thành khí CH4, CO2, H S2 , NH3 Trong đó

3

NH và CO2 có ý nghĩ giúp rong tảo phát triển mạnh; ngược lại trong quá trình phát

triển của rong tảo tạo ra oxy là yếu tố không thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật yếm khí Tuy nhiên rong tảo chỉ phát triển mạnh ở phần gần ánh sáng mặt trời nên một phần oxy tạo ra bay vào không khí, một phần được vi sinh vật hiếu khí sử dụng nên sự ảnh hưởng đến vi sinh vật yếm khí không đáng kể; phần đáy hồ khi rong tảo chết thì xác của nó là chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật đáy hồ phát triển Như vậy, rong tảo

không chỉ có tác dụng tích cực đến sự chuyển hoá vật chất (quá trình quang hợp) mà còn tác động tích cực đối với vi sinh vật hiếu khí và vi sinh vật yếm khí

Như vậy vi sinh vật, tảo, các loại thực vật trong hồ có mối quan hệ thông qua oxy và các chất dinh dưỡng Oxy giúp sự phát triển của sinh vật hiếu khí nhưng đồng thời cũng là yếu tố tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh trong hồ Lượng oxy cung cấp cho hồ có sự chênh lệch giữa ngày và đêm; ban đêm lượng oxy không nhiều chỉ tập trung vùng bề mặt, vào ban đêm thì lượng oxy cao hơn Điều này chứng tỏ rằng lượng oxy có trong hồ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên là do quá trình quang hợp của tảo và thực vật

Yếu tố chính đảm bảo quá trình chuyển hoá chất hữu cơ trong hồ sinh học là oxy và nhiệt độ Ở tầng nước mặt do có oxy khuếch tán từ không khí và oxy quang hợp, quá trình oxy hoá chất hữu cơ diễn ra mạnh, thế năng oxy hoá khử trong hồ giảm dần theo chiều sâu hồ Ở tầng nước sau, hàm lượng oxy hoà tan giảm tạo điều kiện

yếm khí, vi khuẩn phải sử dụng oxy liên kết từ NO2, NO3, 2

4

SO  để oxy hoá chất hữu

cơ Trong lớp cặn đáy, các chất hữu cơ thường phân huỷ bằng cách lên men, sản phẩm tạo ra là CH4,H S2

Theo chiều chuyển động của nước thải, hồ sinh học chia làm ba vùng khác nhau:

 Vùng Polyxaprobe (P): Tại đây diễn ra quá trình phân huỷ chất hữu cơ

dễ bị oxy hoá sinh hoá, lên men cặn lắng nhờ vi khuẩn

 Vùng -mezoxaprobe (-m): Tại đây phân huỷ mạnh các chất hữu cơ, các hợp chất nitơ tồn tại dưới dạng amoni Hàm lượng oxy hoà tan thấp, vi khuẩn tuỳ tiện phát triển mạnh

 Vùng -mezoxaprobe (-m): Đây là vùng ổn định với BOD không cao

Hàm lượng NO3 và 3

4

PO  lớn, là nguyên nhân gây nên hiện tượng phú dưỡng

Trong vùng này xuất hiện nhiều loại tảo lục đơn bào, động vật nguyên sinh

Bên cạnh xử lý nước thải, hồ sinh học còn sử dụng với nhiều mục đích khác:

 Nuôi bèo hoặc thực vật nước:

Khi xem xét khả năng ứng dụng các loại hồ sinh học ở Việt Nam, có ý kiến cho rằng nên kết hợp việc xử lý nước thải trong hồ với việc nuôi bèo ở trong hồ vì bèo là loài thực vực có khả năng ‘làm sạch” nước, đồng thời khi bèo phát triển có thể làm thức ăn chăn nuôi cũng như làm nguyên liệu chế biến thành phân hữu cơ Tuy nhiên khi nuôi bèo phải chú ý không để bèo phủ kín mặt nước làm cản trở nguồn ánh sáng, vùng nước phía dưới thiếu ánh sáng làm giảm khả năng phát triển của các sinh vật có trong nước

 Nuôi trồng tảo:

Nước thải chứa nhiều chất dinh dưỡng thuận lợi cho sự phát triển của tảo và các sinh vật khác Tảo phát triển mạnh trong hồ sẽ cung cấp oxy hoà tan cho các sinh vật khác phát triển theo làm tăng nhanh quá trình phân huỷ các chất ô nhiễm, chuyển hoá

thành sinh khối Sinh khối tảo lại là nguồn thức ăn rất tốt cho chăn nuôi và nuôi trồng thuỷ sản

Dưới đây là đặc điểm một số dạng của tảo:

II Các loại công trình hồ sinh học và nguyên tắc hoạt động

1 Hồ tự nhiên

- Hồ được hình thành do quá trình kiến tạo bề mặt trái đất;

- Hồ tự nhiên trước đây, khi chưa chịu tác động đáng kể của con người thường

là những hồ sinh thái có độ đa dạng sinh học cao, là nơi cư trú của nhiều loài động thực vật

- Đến nay dưới tác động của bàn tay con người, một số hồ đã bị xoá sổ, một số được khai thác cạn kiệt các tài nguyên trong hồ hay phải gánh chịu những vấn đề ô nhiễm môi trường do con người tạo ra

2 Hồ nhân tạo

- Hồ nhân tạo được hình thành do những tác động của con người nhằm những

mục đích này hay mục đích khác, như đắp chắn dòng sông ngăn lũ, lưu trữ nước cho nhà máy phát điện, cung ứng cho tưới tiêu chống hạn tạo những hồ sinh thái ở khu vực thượng nguồn

- Hồ còn do quá trình đào đắp đất hoặc khai thác đất đá, khoáng sản tạo thàng các hố sâu rộng, theo thời gian nước được lấp đầy do mưa tạo thành những lòng hồ, làm môi trường sống cho các loại động vật thuỷ sinh…

Một dạng hồ sinh học nhân tạo

- Có khả năng xử lý nước thải chứa hàm lượng hữu cơ cao

- Hồ kỵ khí làm giảm lượng N, P, K và các vi sinh vật gây bệnh bằng cách tạo

ra bùn và giải phóng NH3 vào không khí

Hồ kỵ khí

Hiệu quả của hồ kỵ khí được mô tả như sau:

- Chuyển đổi vật chất từ dạng vật liệu hòa tan thành dạng vật chất lắng đọng như bùn đáy

- Hòa tan các dạng vật chất hữu cơ khác

- Phá vỡ quá trình phân hủy sinh học của các vật chất hữu cơ

- Chứa vật chất không hòa tan và không phân hủy như bùn đáy

- Chứa vật chất không hấp thụ và ở dạng vô định hình như bùn đáy

- Cho phép xử lý một phần dòng chảy đi qua

4 Hồ tùy tiện

Có hai loại hồ tùy tiện:

 Hồ tùy tiện nguyên thủy, tiếp nhận nguồn thải nguyên chất chưa qua

xử lý;

 Hồ tùy tiện thứ cấp, tiếp nhận nguồn thải đã qua xử lý (thường là dòng thải từ

hồ kỵ khí)

Hồ tuỳ tiện

Khi quá trình hoàn thành, hồ tùy tiện sẽ đáp ứng:

- Tăng cường xử lý dòng thải vào từ xử lý kỵ khí thông qua việc phân chia, phân hủy và tiêu hóa các vật chất hữu cơ

- Xử lý hiếu khí phá vỡ hầu hết các dạng hữu cơ còn lại ở gần bề mặt hồ

- Làm giảm số lượng vi sinh vật có khả năng gây bệnh

5 Hồ hiếu khí

- Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí Có thể phân

loại hồ này thành hai nhóm: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo

- Hồ hiếu khí được thiết kế với tác dụng ngăn không cho tảo phát triển Điều này được thực hiện thông qua 2 điều kiện

 Sự trộn lẫn hiệu quả  tất cả sinh khối ở tình trạng lơ lửng, cung cấp

độ đục cần thiết để làm giảm sự xâm nhập của ánh sáng vào trong cột nước  thời gian lưu bùn cân bằng với thời gian lưu nước

 Thời gian lưu nước được kiểm soát ít hơn thời gian lưu bùn làm giảm sự phát triển của tảo Bởi vì tảo đã bị ngăn chặn không cho phát triển, oxy được cung cấp với nghĩa thụ động

- Hồ này có thể được thiết kế với nhiều mục tiêu khác nhau, bao gồm:

 Chuyển hóa các vật liệu hữu cơ đã bị vi khuẩn làm cho thối rữa thông qua việc chuyển đổi thành sinh khối;

 Sự ổn định của vật chất hữu cơ (bao gồm cả sinh khối tổng hợp) thông qua sự phân hủy hiếu khí, và sự chuyển hóa của sinh khối tổng hợp do lắng đọng

tự nhiên

Một số hồ hiếu khí

6 Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước

- Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước (hồ thực vật) là phương pháp

xử lý được xem là lâu đời nhất (trên 3.000 năm) có khả năng xử lý các chất hữu cơ, nitơ, phospho

- Việc áp dụng hồ thực vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất nước thải: BOD, dinh dưỡng, các chất độc hại, nhiệt độ nước thải; điều kiện khí hậu, thời tiết: nhiệt độ, bức xạ, tính chất nguồn nước tiếp nhận (hàm lượng muối, độ kiềm, độ cứng);

- Thực vật nước có mặt trong các hồ sinh học chủ yếu là một số loại tảo, phiêu sinh thực vật và các thực vật nổi:

 Pleustophyte (tăng trưởng trên mặt nước, lá nổi trên bề mặt): Lục bình, cỏ vịt, rau muống, bèo hoa dâu, bèo tây, bèo nhật bản;

 Heltophyte (rễ nằm ngập trong nước): Lau sậy, cỏ chỉ, Iris, cỏ năng, lác;

 Hydrophytes (ngập trong nước): Elodea, cỏ thi;

 Phiêu sinh thực vật (Phytoplankton): Tảo chlorella, Euglena, Scenedesmus

Cơ chế hoạt động của hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước như sau:

Vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ tạo thành CO2 và H2O; acid hữu cơ trong điều kiện yếm khí;

Tảo sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời, CO2 và các chất vô cơ trong nước

để tổng hợp nguyên sinh chất, giải phóng oxy;

Oxy cung cấp cho vi khuẩn bổ sung từ nước (không khí, gió xáo động khuấy trộn nước hồ, nhiệt độ, hàm lượng muối ảnh hưởng đến oxy hòa tan) và oxy nhân tạo;

Hiện tượng lắng cặn cũng xảy ra trong hồ sinh học có tham gia của thực vật nước

Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước

Sự hiện diện và phát triển của các loài vi sinh vật trong hồ thực vật dưới các điều kiện môi trường khác nhau sẽ rất khác nhau

Khi tải trọng hữu cơ cao phát triển các loài: phytoplagenllata, Euglena cạnh tranh với sự phát triển của vi khuẩn như: Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes

Vi khuẩn E coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các loài vi khuẩn khác

Đồng thời, xuất hiện các loài cillata giả túc như: colpidium, paramecium, glaucoma, protozoa, rotifer, sử dụng vi khuẩn làm nguồn thức ăn

Khi tải trọng hữu cơ thấp, phát triển các loài như Daphnia, Rotozoa

III Đề xuất dây chuyền công nghệ