Luận văn công nghệ sinh học Nghiên cứu tái sử dụng nước thải chứa chất hữu cơ vào canh tác nông nghiệp

Trên thế giới gần đây, Bãi lọc trồng cây ( Constructed Wetland ) được biết là một công nghệ xử lý nước thải trong điều khiện tự nhiên. Chi phí thấp, vị trí ổn định, hiệu xuất cao, nhất là tăng năng xuất cây trồng. Sinh khối thực vật, bùn phân hủy, nước thải sau xử lý còn có giá trị kinh tế cao. Công nghệ xử lý này ở Việt Nam còn rất mới mẻ.

LỜI CẢM ƠN

Bài khóa luận hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân cùng sự giúp đỡ quýbáu tận tình của quý thầy cô, bạn bè và gia đình Em xin gửi lời cảm ơn chânthành tới :

Em chân thành cảm ơn thầy Thạc sĩ Lâm Vĩnh Sơn đã gợi mở , trực tiếphướng dẫn đề tài cho em

Quý thầy cô khoa Môi Trường và Công Nghệ Sinh Học suốt 3 năm qua đãtruyền đạt những kiến thức nền tảng cần thiết , động viên em trong thời gian thựchiện khóa luận

Cảm ơn đến các bạn lớp 07CSH, các anh chị khóa trên cùng nhau gắn bósuốt quãng đời sinh viên động viên giúp đỡ mình trong suốt thời gian thực hiệnkhóa luận

Và cuối cùng xin cảm ơn cha mẹ luôn ủng hộ , động viên con, là chỗ dựavững chắc trong suốt bước đưỡng học tập

Em chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện Đặng Thị Ngọc Mai

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ

trang

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 3

1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 4

1.4 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 4

1.5 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 4

1.6 TÍNH MỚI ĐỀ TÀI 4

1.7 Ý NGHĨA KHOA HỌC 4

1.8 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 5

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 6

2.1 Tổng quan về nước sạch 7

2.1.1 Khái niệm nước sạch 7

2.1.2 Định nghĩa nước thải 7

2.1.2.1 Nước thải sinh hoạt 8

2.1.2.2 Nước thải công nghiệp 8

2.1.2.3 Nước thải tự nhiên 8

2.1.2.4 Nước thải đô thị 8

2.1.2.5 Mục đích xử lý nước thải 8

2.1.3 Thành phần tính chất nước thải 9

1.1.3.1 Tính chất vật lý 9

1.1.3.2 Tính chất hóa học 9

2.1.4 Các thông số đánh giá ô nhiễm và yêu cầu xử lý 10

2.2 Tổng quan xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 12

2.2.1 Vi sinh vật trong quá trình xử lý 13

2.2.1.1 Khái niệm vi sinh vật và tầm quan trọng của vi sinh vật 13

2.2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học 14

2.2.3 Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa 16

2.2.4 Sự phát triển tế bào và động học của phản ứng lên men 18

2.2.5 Ảnh hưởng các yếu tố lên quá trình oxy hóa sinh hóa 21

2.2.5.1 Ảnh hưởng nhiệt độ 21

2.2.5.2 Ảnh hưởng của kim loại nặng 21

2.2.5.3 Hấp thụ và nhu cầu oxy 21

2.2.5.4 Các yếu tố dinh dưỡng và vi lượng 21

2.2.6 Cấu trúc và các chất ô nhiễm bùn hoạt tính 22

2.2.6.1 Quá trình oxy hóa sinh hóa và cấu trúc 22

2.2.6.2 Các dạng và cấu trúc các VSV tham gia xử lý 22

2.2.7 Các phương pháp yếm khí 23

a Quá trình xử lý kỵ khí sinh trưởng lơ lửng 24

b Quá trình xử lý sinh trưởng bám dính 24

2.2.7.1 Bể yếm khí 24

2.2.7.1.1 Nguyên lý chung 24

2.2.7.1.2 Quá trình công nghệ bể yếm khí 26

a Quá trình công nghệ 26

b Vi sinh vật tham gia xử lý 27

2.2.7.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu xuất phân hủy tạo khí mêtan

28

a Aûnh hưởng nhiệt độ 28

b Liều lượng nạp nhiên liệu 28

c Các chất dinh dưỡng 29

d pH và độ kiềm 29

e Độ mặn 29

2.2.7.2 Hồ yếm khí 30

2.2.8 Các phương pháp hiếu khí 31

2.2.8.1 Xử lý nước thải trong công trình nhân tạo 32

2.2.8.1.1 Xử lý tong các bể Arotenk 32

2.2.8.1.2 Bể Lọc sinh học( Biophin) 36

2.2.8.2 Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên 35

2.2.8.2.1 Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc 35

2.2.8.2.2 Cánh đồng tưới nông nghiệp 36

2.2.8.2.3 Hồ sinh học 37

a Hồ hiếu khí 38

b Hồ hiếu khí tùy nghi 39

c Hồ kỵ khí 40

2.2.9 Xử lý bùn cặn 41

CHƯƠNG III TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BÃI LỌC TRỒNG CÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP 44

3.1Tổng quan về bãi lọc trồng cây (Constructed Wetland) 46

3.1.1 Khái niệm 46

3.1.2 Các nguyên lý cơ bản trong bãi lọc 46

3.1.3 Các dạng Bãi lọc ngập nước nhân tạo 47

3.1.3.1 BLNT có dòng chảy bề mặt (FWS) 48

a Các nguyên lý cơ bản 48

b Tác dụng của cây trong FWS 48

c Cơ chế vận chuyển oxy trong FWS 49

3.1.3.2 BLNT có dòng chảy ngầm (SSF) 49

a Phân loại 49

b Các nguyên lý cơ bản 50

c Vận chuyển oxy trong SSF 50

d Loại bỏ P qua hấp phụ (phân hủy các phần tử P) 50

3.1.3.2.1 Hệ thống BLNT với dòng chảy ngầm ngang (HSF) 50

3.1.3.2.2 Hệ thống BLNT với dòng chảy ngầm thẳng đứng (VSF) .51

3.1.4 Cấu tạo và các cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong BLNT 52

3.1.4.1 Cấu tạo hệ thống BLNT 52

3.1.4.2 Cơ chế loại bỏ chất ôi nhiễm trong BLNT 54

a Quá trình vật lý 54

b Quá trình hóa học 55

c Quá trình sinh học 55

3.1.5 Khả năng xử lý của BLNT 57

3.1.6 Thực vật trong bãi lọc 59

3.1.6.1 Các nhóm thực vật thủy sinh 59

3.1.6.2 Vai trò của thực vật trong Bãi lọc 61

3.1.6.3 Khả năng chuyển hóa một số chỉ tiêu trong nước thải 62

3.1.7 Vi sinh vật trong bãi lọc nhân tạo 63

3.1.8 Vận hành và bảo dưỡng hệ thống BLNT 64

3.1.9 Ưu và nhược điểm của BLNT 66

3.2 Ứng dụng của BLNT trong canh tác nông nghiệp 68

3.2.1 Trên thế giới 68

3.2.2 Tại Việt Nam 70

CHƯƠNG IV MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN 72

4.1 Kết quả thí nghiệm 73

4.1.1 Quy mô phòng thí nghiệm 73

4.1.2 Mô hình nghiên cứu 73

4.1.2.1 Địa điểm thí nghiệm 73

4.1.2.2 Các công đoạn của mô hình 74

4.2 Kết quả và thảo luận 74

4.2.1 Kết quả 74

4.2.2 Thảo luận 78

4.2.2.1 Chiều cao cây X 79

4.2.2.2 Số lá cây Y 81

4.2.2.3 Diện tích lá Z 82

4.2.3 Các điều kiện ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của rau cải xanh 84

4.2.3.1 Aûnh hưởng thời tiết khí hậu 84

4.2.3.2 Chất dinh dưỡng 84

4.2.3.3 Các yếu tố môi trường 86

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

5.1 Kết luận 88

5.2 Kiến nghị 90 Tài liệu tham khảo

Phụ lục 1

Phụ lục 2

Phụ lục 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BOD5 Nhu cầu oxy hóa sinh học 5 ngày (Biological Oxygen Demand)COD Nhu cầu oxy hóa hóa học (Chemical Oxygen Demand)

DO Oxy hòa tan (Dissolved oxygen)

XLNT Xử lý nước thải

VSV Vi sinh vật

BLNT Bãi lọc nhân tạo

SS Chất rắn lơ lửng

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

ĐH Đại Học

DANH MỤC CÁC BẢNG

BẢNG 2.1 Xếp loại các VSV có trong phân người và gia súc theo mức độ

nguy hiểm 14

BẢNG 2.2 Thành phần % các khí sinh ra trong quá trình lên men 25

BẢNG 3.1 Giá trị KA và C* của một số thành phần nước thải đối với hệ thống FWS và SSF 54

BẢNG 3.2 Một số loài thực vật thủy sinh tiêu biểu 61

BẢNG 3.3 Tóm tắt các vai trò cơ bản của thực vật trongBLNT 62

BẢNG 3.4 Chất lượng nước sau bãi lọc nhân tạo Uggerhaine 69

BẢNG 3.5 Hiệu quả xử lý của cỏ Vetiver ở Úc 69

BẢNG 4.1 Các chỉ tiêu thông số đầu vào nước thải chế biến thịt 73

BẢNG 4.2 Các thông số mẫu nước giếng 73

BẢNG 4.3 Kết quả so sánh các nghiệm thức 79

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ

HÌNH 2.1 Đường cong sinh trưởng của VSV trong bể xử lý 19

HÌNH 2.2 Sơ đồ phân loại các hệ thống xử lý kỵ khí 23

HÌNH 2.3 Sơ đồ phân hủy yếm khí nước thải 26

HÌNH 2.4 Sơ đồ hồ yếm khí xử lý nước thải chế biến thịt 31

HÌNH 2.5 Các quá trình trong Bể lọc sinh học nhỏ giọt 34

HÌNH 2.6 Các quá trình xảy ra trong Hồ sinh học 37

HÌNH 2.7 Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và VSV trong Hồ hiếu khí 39

HÌNH 2.8 Sơ đồ Hồ hiếu khí tùy nghi 40

HÌNH 2.9 Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí 41

HÌNH 2.10 Sơ đồ phân hủy bùn cặn 42

HÌNH 3.1 Phân loại Bãi lọc nhân tạo 47

HÌNH 3.2 Mô hình BLNT có dòng chảy bề mặt (FWS) 48

HÌNH 3.3 Mô hình BLNT có dòng chảy ngầm ngang(HSF) 51

HÌNH 3.4 Mô hình BLNT có dòng chảy ngầm thẳng đứng(VSF) 52

HÌNH 3.5 Cấu tạo hệ thống BLNT 53

HÌNH 3.6 Quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm trong BLNT 58

HÌNH 3.7 Xử lý nước thải bằng cây sậy tại Đan Mạch 68

HÌNH 3.8 Mô hình xử lý nước thải bằng cây Dong Giềng và Mô hình xử lý nước thải tại cống thải nuôi heo ở Đồng Nai 71

HÌNH 3.9 Mô hình Bãi lọc trồng cây cỏ nến của trường ĐH nông lâm 71

HÌNH 4.1 Luống thứ 2 sau 5 ngày tuổi 75

HÌNH 4.2 Rau cải xanh sau 10 ngày tuổi 76

HÌNH 4.3 Sự hấp thụ chất dinh dưỡng và vận chuyển oxy vào rể thực vật76 HÌNH 4.4 Luống thứ 2 sau 20 ngày trồng thí nghiệm 78

HÌNH 4.5 Luống thứ 1 và thứ 2 sau 20 ngày 79

Sơ đồ Cánh Đồng tưới 35

DANH MỤC ĐỒ THỊ

ĐỒ THỊ 4.1 Chiều cao trung bình của Luống thứ 1 79

ĐỒ THỊ 4.2 Chiều cao trung bình của Luống thứ 2 80

ĐỒ THỊ 4.3 Kết quả so sánh chiều cao cây X 80

ĐỒ THỊ 4.4 Số lá Y cây rau cải xanh Luống thứ 1 81

ĐỒ THỊ 4.5 Số lá Y rau cải xanh Luống thứ 2 81

ĐỒ THỊ 4.6 Kết quả so sánh Số lá Y 82

ĐỒ THỊ 4.7 Diện tích lá Z của luống thứ 1 82

ĐỒ THỊ 4.8 Diện tích lá Z của Luống thứ 2 83

ĐỒ THỊ 4.9 Kết quả so sánh diện tích lá Z của 2 Luống rau cải 83

Chương I MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Môi trường và những vấn đề liên quan tới môi trường là đề tài được bànluận một cách sâu sắc trong kế hoạch phát triển bền vững của mỗi quốc gia trênthế giới Trái đất đang bị đe dọa bởi sự suy thoái và cạn kiệt dần nguồn tàinguyên Nguồn gốc của sự biến đổi về môi trường trên thế giới hiện này là docác hoạt động kinh tế - xã hội của con người Con người là một phần của hệ sinhthái môi trường,các hoạt động của con người ngày càng tác động đến môi trườngcàng rõ rệt Các hoạt động này, một mặt cải thiện cuộc sống của con người vàmôi trường, mặt khác lại mang hàng loạt các vấn đề như : khan hiếm, cạn kiệt tàinguyên môi trường và vấn đề nan giải nhất là ô nhiễm môi trường trên khắp thếgiới

Trong top 10 về vấn đề ô nhiễm hiện nay thì ô nhiễm nguồn nước là vấn đềmà xã hội hiện nay đang quan tâm nhiều nhất

Theo báo cáo của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, đến hết năm 2008 cảnước có khoảng 200 khu công nghiệp Ngoài ra còn có hàng trăm cụm, điểm côngnghiệp được Ủy ban nhân dân các tỉnh, thành phố trục thuộc Trung ương quyếtđịnh thành lập Theo báo cáo giám sát của Ủy ban Khoa học Công nghệ và môitrường của Quốc hội , tỉ lệ các khu công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải tậptrung ở một số địa phương rất thấp Một số khu công nghiệp có xây dựng hệthống xử ly nước thải nhưng không vận hành vì để giảm chi phí Đến nay, mới có

60 khu công nghiệp đã hoạt động đã có trạm xử lý nước thải tập trung ( chiếm42% số khu công nghiệp đã vận hành ) và 20 khu công nghiệp đang xây dựngtrạm xử lý nước thải

Ở nước ta hiện nay , phần lớn nước thải sinh hoạt từ các khu đô thị, ven đôthị, nông thôn đều chưa được xử lý đúng cách Nước thải từ các khu vệ sinh mớichỉ được xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại, chất lượng chưa được yêu cầu, xả ra môitrường là nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước Điều kiện nước ta hiện nay,

phần lớn các dự án thoát nước và xử lý nước thải còn chưa đến được mọi nơi, vànếu có thì cũng chỉ hướng tới giải quyết các vấn đề thoát nước mưa, khắc phụctình trạng ngập úng Khó khăn về kinh tế để duy trì vận hành bảo dưỡng hệthống đó, do đó việc nghiên cứu làm sạch nước thải tại chỗ cho hộ gia đình haycụm dân cư bằng công nghệ phù hợp, đơn giản, chi phí xây dựng và vận hànhthấp ,đảm bảo vệ sinh môi trường là một hướng giải quyết hợp lí và khả thi Trên thế giới gần đây, Bãi lọc trồng cây ( Constructed Wetland ) được biếtlà một công nghệ xử lý nước thải trong điều khiện tự nhiên Chi phí thấp, vị trí ổnđịnh, hiệu xuất cao, nhất là tăng năng xuất cây trồng Sinh khối thực vật, bùnphân hủy, nước thải sau xử lý còn có giá trị kinh tế cao Công nghệ xử lý này ởViệt Nam còn rất mới mẻ.

Trong phạm vi hạn hẹp về thời gian và kiến thức về khóa luận em chọn đề

tài “Nghiên cứu tái sử dụng nước thải chứa chất hữu cơ vào canh tác nông nghiệp” Công trình ứng dụng cho đề tài là hệ thống xử lý nước thải bằng Bãi lọc trồng cây.

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Sản xuất bền vững là hướng phấn đấu của ngành nông nghiệp nhiều nướctiên tiến trên thế giới hiện nay Tiêu chí của sản xuất nông nghiệp bền vững cónhiều vấn đề, nhưng tập trung là tạo ra sản phẩm sạch, an toàn và bảo vệ môitrường (trong đó có bảo vệ nguồn nước và bảo tồn tài nguyên đất)

Khai thác, sử dụng chất hữu cơ là một giải pháp để bảo tồn tài nguyên đấttrong sản xuất nông nghiệp bền vững Nước thải chứa chất hữu cơ cung cấp đủchất hữu cơ và các vitamin cho cây trồng Việc tận dụng nước thải chứa chất hữu

cơ vào canh tác nông nghiệp cần được khai thác và sử dụng

1.3 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu tái sử dụng nước thải chứa chất hữu cơ vào việc tăng năngxuất cây trồng bằng Bãi lọc trồng cây.

1.4 Nội dung của đề tài

- Thu thập số liệu , tài liệu đánh giá tổng quan về Bãi lọc trồng cây

- Khảo sát , phân tích các phương pháp xử lý nước thải của Bãi lọc trồngcây

- Các công nghệ xử lý kết hợp với phát triển nông nghiệp nước ta hiệnnay

- Xây dựng các hệ thống xử lý cho từng loại cây trồng nhằm làm tăngnăng xuất

1.5 Phương pháp thực hiện

- Phương pháp thu thập và khảo sát thực tế

- Phương pháp tổng hợp tài liệu

- Phương pháp kế thừa : kế thừa những kết quả số liệu của những nghiêncứu đã có

- Phương pháp phân tích đánh giá so sánh

- Tiến hành các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm

- Tiến hành thực hiện mơ hình ở thực tiễn

1.6 Tính mới của đề tài

Việc nghiên cứu tái sử dụng nước thải chứa chất hữu cơ vào canh tác nôngnghiệp là một vấn đề mới ở nước ta Hệ thống Bãi lọc trồng cây là một côngnghệ mới, hệ thống xử lý đơn giản và có thể ứng dụng vào phát triển nôngnghiệp

1.7 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chứa chất hữu cơ của Bãi lọc trồng câynhân tạo kết hợp với canh tác nông nghiệp

1.8 Ý nghĩa thực tiễn

Đưa ra hướng xử lý nước thải chứa chất hữu cơ, góp phần giải quyết tìnhtrạng ô nhiễm môi trường ở nước ta hiện nay

Chương II TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

2.1 Tổng quan về nước thải

2.1.1 Khái niệm về nước sạch

Quan niệm về mức độ sạch của nước thay đổi theo từng thời kỳ, tùy thuộcvào nhận thức, phong tục, tập quán

Tuy nhiên có thể định nghĩa chung “ Nước sạch là nước không có màukhông mùi, không vị, không có các chất tan và không tan độc hại cho con người,không có các vi khuẩn gây bệnh và không có tác động xấu đến sức khỏe conngười”

2.1.2 Định nghĩa nước thải

Tất cả các hoạt động sinh hoạt và sản xuất trong mỗi cộng đồng đều tạo racác chất thải, ở các thể khí, lỏng, rắn Chất thải lỏng hay nước thải (wastewater)được định nghĩa như một dạng hòa tan hay trộn lẫn giữa nước (nước dùng, nướcmưa, nước mặt, nước ngầm…) và chất thải từ sinh hoạt trong cộng đồng cư dân,các khu vực sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, thương mại, giao thôngvận tải, nông nghiệp… Sự ô nhiễm nước ( water - pollution) xảy ra khi các chấtnguy hại xâm nhập vào nước lớn hơn khả năng tự làm sạch của chính bản thânnguồn nước

“ Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người vàđã làm thay đổi tính chất ban đầu của chúng ”

Nước thải chứa chất hữu cơ là nước thải có hàm lượng các hợp chất hữu cơcao chiếm 80 – 90% gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hydrat cacbon

Chất vo cơ chiếm 10 – 20 % gồm các muối, đất, ure, amonium, muối chlorua

SO42-

Nước thải chưa xử lý là nguồn tích lũy các chất độc hại cho con người và cácsinh vật khác Sự phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải có thể tại ra các khínặng mùi

2.1.2.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vục hoạt độngthương mại, công sở, trường học hay các cơ sở khác Chúng chứa khoảng 58 %chất hữu cơ và 42% chất khoáng Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt làhàm lượng cao các chất hữu cơ không bền sinh học ( như Cacbonhydrat , protein,mỡ ) chất dinh dưỡng (photphat, nito) vi trùng, chất rắn,và mùi

2.1.2.2 Nước thải công nghiệp (hay nước thải sản xuất)

Nước thải công nghiệp là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động sản xuất.Trong quá trình công nghệ các nguồn nước thải có thể phân thành:

 Nước hình thành do phản ứng hóa học (chúng bị ô nhiễm bởi các tácchất và các sản phẩm phản ứng)

 Nước ở dạng ẩm tự do và liên kết trong nguyên liệu và chất ban đầu,được tách ra trong quá trình chế biến

 Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị

 Nước hấp thụ, nước làm nguội

2.1.2.3 Nước thải tự nhiên

Nước mưa được xem là nước thải tự nhiên Ở những thành phố hiện đại,nướcmưa được thu gom bằng hệ thống riêng

2.1.2.4 Nước thải đô thị

Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoátcủa một thành phố Đó là hỗn hợp các loại nước thải kể trên

2.1.2.5 Mục đích của xử lý nước thải

• Giảm thiểu bệnh tật, nguy hại

• Tránh ô nhiễm nước cấp

• Giữ nguồn tiếp nhận tốt cho sự sinh trưởng của thuỷ sinh

• Bảo vệ cho sử dụng giải trí, du lịch

• Bảo tồn nguồn nước

2.1.3 Thành Phần và Tính Chất Nước Thải

2.1.3.1 Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: màu sắc,mùi, nhiệt độ và lưu lượng

- Màu: thường là có màu xám có vẩn đục Màu sắc của nước thải sẽ thay

đổi đáng kể nếu như bị nhiễm khuẩn, khi đó sẽ có màu đen tối

- Mùi: có trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy các

hợp chất hữu cơ hay do một số chất được đưa thêm vào

- Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải thường cao hơn so với nguồn nước sạch

ban đầu, do có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máymóc sản xuất

- Lưu lượng: thể tích thực của nước thải cũng được xem là một đặc tính vật

lý của nước thải, có đơn vị m3/người/ngày Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theongày

2.1.3.2 Tính chất hóa học

Các thông số thể hiện tích chất hóa học thường là: độ kiềm, BOD, COD, cácchất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (hữu cơ, vô cơ, huyền phù vàkhông tan) và nước

 Độ kiềm: độ kiềm là môi trường đệm để giữ pH trung tính của nước thải

trong suốt quá trình xử lý sinh hóa

 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy

sinh hóa trong nước thải BOD5 trong nước thải sinh hoạt thường nằm trongkhoảng 100 – 300 mg/l

 Nhu cầu oxy hóa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hóa

trong nước thải COD thường trong khoảng 200 – 500 mg/l

 Các chất khí hòa tan: đây là những chất khí có thể hòa tan trong nước

thải Nước thải công nghiệp thường có lượng oxy hòa tan tương đối thấp

 Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi đối với

mỗi loại nước thải khác nhau

 pH: Nồng độ pH khoảng 1 – 14 Để xử lý nước thải có hiệu quả pH

thường trong khoảng 6 – 9,5 (hay tối ưu là 6,5 – 8)

 Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa P thường trong

khoảng 6 – 20 mg/l

 Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là

chất rắn

 Nước: luôn là thành phần cấu tạo chính của nước thải Trong một số

trường hợp, nước có thể chiếm từ 99,5% - 99,9% trong nước thải (thậm chí ngaycả ngay cả trong những loại nước thải ô nhiễm nặng nhất các chất ô nhiễm cũngchiếm 0,5%, còn đối nguồn nước thải được xem là sạch nhất thì nồng độ này là0,1%.)

2.1.4 Các thông số đánh giá ô nhiễm và yêu câu xử lý

2.1.4.1 Các thông số đánh giá

Các thông số cơ bản để đánh giá chất lượng nước là: độ pH, màu sắc, độđục, hàm lượng chất rắn, các chất lơ lửng, các kim loại nặng, oxy hòa tan vàđặc biệt là BOD và COD Ngoài các chỉ tiêu hóa học cần quan tâm tới chỉ tiêu

sinh học, đặc biệt là Escherichia.coli.

 Độ pH: Chỉ số này cho ta biết cần thiết phải trung hòa hay không và tính

lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý đông keo tụ, khử khuẩn

 Hàm lượng các chất rắn: Tổng chất rắn (TS) được xác định bằng trọng

lượng khô phần còn lại sau khi cho bay hơi 1 mẫu nước trên bếp cách thủy rồi sấykhô ở 1050C cho đến khi trọng lượng khô không đổi Đơn vị tính bằng mg hoặcg/l

 Màu: nước có thể có độ màu, đặc biệt là nước thải thường có màu nâu

đen hoặc đỏ nâu

 Độ đục: Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước Vi sinh

vật có thể bị hấp thụ bởi các hạt rắn lơ lửng sẽ gây khó khăn khi khử khuẩn Độđục càng cao độ nhiễm bẩn càng lớn

 Oxy hòa tan (DO – Dissolved oxygen): là một chỉ tiêu quan trọng của

nước Độ hòa tan của nó phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và các đặc tính củanước Phân tích chỉ số oxy hòa tan (DO) là một trong những chỉ tiêu quan trọngđánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp ta đề ra biện pháp xử lý thích hợp

 Chỉ số BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa – Biochemical Oxygen Demand):

nhu cầu oxy sinh hóa hay nhu cầu oxy sinh học là lượng oxy cần thiết để oxy hóacác chất hữu cơ có trong nước bằng vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoại sinh,hiếu khí BOD là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nướcthải

Phương trình tổng quát oxy hóa sinh học:

Chất hữu cơ + O2  CO2 + H2O

Vi sinh vậtQuá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất củachất hữu cơ, vào các chủng loại vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, cũng như một sốchất có độc tính xảy ra trong nước

 Chỉ số COD (Nhu cầu oxy hóa học – Chemical Oxygen Demand):

COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa họccác chất hữu cơ trong nước thành CO2 và H2O

Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hóađược xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hóa hóa học mạnh trong môi trườngaxit Chỉ số COD biểu thị cả lượng các chất hữu cơ không thể bị oxy hóa bằng visinh vật do đó nó có giá trị cao hơn BOD Đối với nhiều loại nước thải, giữa BODvà COD có mối tương quan nhất định với nhau

 Các chất dinh dưỡng: chủ yếu là N và P, chúng là những nguyên tố

cần thiết cho các thực vật phát triển hay chúng được ví như là những chất dinhdưỡng hoặc kích thích sinh học

+ Nito (N): nếu thiếu N có thể bổ sung thêm N để nước thải đó có thể xử lýbằng sinh học

+ Phospho (P): có ý nghĩa quan trọng trong xử lý nước thải bằng phươngpháp sinh học

 Chỉ thị về vi sinh của nước (Escherichia.coli):

Trong nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, bệnh viện, vùng du lịch,khu chăn nuôi nhiễm nhiều loại vi sinh vật Trong đó có nhiều loài vi khuẩngây bệnh, đặc biệt là bệnh về đường tiêu hóa, tả lị, thương hàn, ngộ độc thựcphẩm

Chất lượng về mặt vi sinh của nước thường được biểu thị bằng nồng độ của

vi khuẩn chỉ thị – đó là những vi khuẩn không gây bệnh và về nguyên tắc đó lànhóm trực khuẩn (coliform) Thông số được sử dụng rộng rãi nhất là chỉ số coli

2.2 Tổng quan xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải sinh hoạtcũng như nước thải sản xuất khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơnhư H2S, các sunfit, amoniac, nito…

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phânhủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng cácchất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượngtrong quá trình sinh trưởng Chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào,sinh trưởng và sinh sản Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi làquá trình oxy hóa sinh hóa

Nước thải được xử lý bằng vi sinh vật được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD vàCOD Để xử lý bằng phương pháp này nước thải cần không chứa các chất độchại, các muối kim loại nặng, và tỉ số BOD/COD ≥ 0,5

Có hai phương pháp xử lý bằng phương pháp sinh học :

 Phương pháp kỵ khí, sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trongđiều kiện không có oxy

 Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt độngtrong điều kiện cung cấp oxy liên tục

2.2.1 Vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải

2.2.1.1 Khái niệm vi sinh vật và tầm quan trọng của vi sinh vật.

 Khái niệm:

Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ, không quan sátđược bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi Nó bao gồm cả virus, vikhuẩn, Archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh

Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trongcuộc sống của con người Vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình tựlàm sạch các môi trường tự nhiên

 Đặc điểm chung:

- Kích thước nhỏ bé: kích thước vi sinh vật thường được đo bằng micromet

- Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh

- Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

- Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị.

- Phân bố rộng, chủng loại nhiều

- Do tính chất dễ phát sinh đột biến nên số lượng loài vi sinh vật tìm đượcngày càng tăng

- VSV gồm nhiều nhóm phân loại khác nhau, là những cơ thể đơn bào haytập hợp đơn bào, có kích thước hiển vi

 Vai trò của vi sinh vật:

+ Gây bệnh cho người, động – thực vật

+ Là nguyên nhân gây hư hỏng thực phẩm

Mức độ nguy hiểm cao Ký sinh trùng (Ancylostoma,

Ascaris, Trichuris và Taenia)

Mức độ nguy hiểm trung bình Vi khuẩn đường ruột (Chloera

vibrio, Sallmonella typhosa, Shigella và một số loại khác)

Mức độ nguy hiểm thấp Các vi rút đường ruột

Số lượng coliform hay E coli được biểu diễn bằng số khả hữu MPN (Most

Probable Number)

2.2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình

Cơ sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hóavật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các visinh vật dị dưỡng và tự dưỡng, có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hóa được rấtnhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải

Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình Amon hoá chất hữu cơ chứa nitơbởi các vi khuẩn Amôn hoá Nhờ các men ngoại bào của các vi khuẩn gây thối

như loài Pseudomonadales, Eubateriales… mà Protein bị phân huỷ thành các hợp

chất đơn giản hơn là các Polipeptit, Oligopeptit Các chất này hoặc tiếp tục đượcphân huỷ thành các Axit amin nhờ men Peptidaza ngoại bào hoặc được tế bàohấp thụ sau đó sẽ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các Axit amin Các axitamin một phần được vi sinh vật sử dụng để sinh tổng hợp Protein - xây dựng tếbào mới, một phần bị phân giải tiếp theo những con đường khác nhau để tạo NH3và nhiều sản phẩm trung gian khác

Với các Protein có chứa S, nhờ tác dụng của men Desunfuraza sẽ bị phân

hủy tạo ra H2S Sản phẩm phân giải bởi vi sinh vật kỵ khí còn cho Scatol, Indol,Mercaptan và một số khí khác Nhờ sự hoạt động của một số vi khuẩn như

Thiobacillus, Thiobacillus denitrificans, vi khuẩn lưu huỳnh dạng sợi thuộc giống Beggiatoa, Thiothrix và nhiều vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn hiếu khí khác quá trình

Sunfat hoá được thực hiện Ngược lại, quá trình khử Sunfat cũng xảy ra bởi các vi

khuẩn kỵ khí có trong bùn thối, nước thải thối (đại diện là Desunfovibrio

desunfuricans)

Ngoài ra còn thấy loài Clotridium nigrificans và loài Pseudomonas Zelinskii

cũng có khả năng khử Sunfat Trong điều kiện tự nhiên nhiều loài vi khuẩn như

loài Acinetobacter và nấm có khả năng phân giải và giải phóng photpho trong

xương động vật ở dạng rắn Ca3(PO4)2 sang dạng hoà tan Theo con đường thuỷ

phân trong điều kiện hiếu khí các vi khuẩn Pseudomonas, Bacillus, Actinomyces

và các loài nấm bậc cao chuyển hoá nhanh tinh bột thành đường và các loạiđường này một phần bị phân huỷ thành CO2 và nhiều sản phẩm khác nhau, mộtphần được chuyển hoá trong quá trình trao đổi chất Trong điều kiện kỵ khí tinh

bột bị phân huỷ bởi Clotridium Trong điều kiện hiếu khí Cytophaza và

Sporocytophaga là loài có khả năng phân huỷ xenluloza mạnh nhất.

Ngoài ra, các loài Pseudomonadales, Vibrio, Myxobacterium, Actinomycetes

và Cellvibrio cũng tham gia phân huỷ xenluloza Xenluloza bị phân huỷ bởi các

men ngoại bào thành các sản phẩm trung gian và đường Trong bùn lắng quá trình lên men kỵ khí chủ yếu bởi Clotridium phân huỷ xenluloza thành Etanol, Axit focmic, Axit axetic, Axit lactic, H2 và CO2

Trong tự nhiên còn xảy ra quá trình tự làm sạch nhờ các sinh vật sử dụngcác chất bẩn trong nước làm nguồn thức ăn Về mặt sinh học tham gia vào quátrình tự làm sạch có rất nhiều loài sinh vật như cá, chim, nguyên sinh động vật,nhuyễn thể…và vi sinh vật với mức độ khác nhau nhưng đóng vai trò quyết địnhvẫn là các vi sinh vật Ngoài ra còn thấy vai trò làm sạch của các loài tảo Thôngqua hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxy cho môi trường và các chất khángsinh để tiêu diệt các mầm bệnh có trong nước Một số loài tảo và loài nhuyễn thể

2 mảnh còn có khả năng hấp thụ các kim loại nặng và tia phóng xạ

Trong nước thải các vi sinh vật luôn có mối quan hệ rất phức tạp với nhau.Quan hệ cạnh tranh đã có ảnh hưởng quyết định đến thành phần vi sinh vật Quan

hệ “mồi thú” đã làm cho số lượng vi sinh vật trong nước thải thay đổi Ngoài 2mối quan hệ trên trong hệ vi sinh vật nước thải nhiều loài vi sinh vật đã sốngcộng sinh với nhau có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau Kết quả của các quan hệ nàyđã làm ảnh hưởng lớn đến khả năng, tốc độ và hiệu quả phân huỷ chất bẩn củacác vi sinh vật

2.2.3 Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa

Quá trình phân hủy chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinhhóa Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo các chấtphân tán nhỏ trong nước thải cẩn di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo

3 giai đoạn chính sau:

1 Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật

do khuếch tán đối lưu và phân tử

2 Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếchtán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào

3 Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sinh sảnnăng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới , với sự hấp thụ năng lượng Các hợp chất hóa học trải qua nhiều phản ứng chuyển hóa khác nhau trongnguyên sinh chất tế bào Phương trình tổng quát quá trính oxy hóa sinh hóa ở điềukiện hiếu khí:

CxHyO2N + ( X + Y/4 + Z/3 + ¾ ) O2 menvi sinh→XO2 + Y2−3H2O +NH3 +

H

CXHyO2N + NH3 + O2 MENVSV →

C5H7NO2 + CO2 + H Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hóa thì khi không đủ chất dinh dưỡng,quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hóa chất liệutế bào (phân hủy nội bào)

C5H7NO2 + 5O2 MENVSV→ 5 CO2 + NH3 + 2 H2O + H

Một loại vi sinh vật khác đó là vi sinh vật tự dưỡng sử dụng khí NH3 và CO2sinh ra làm nguồn dinh dưỡng để tạo nên sinh khối tế bào

NH3 + CO2 + O2 VSV(NITROZONONAS)→ Tế bào vsv + NO

-2

NO2 + CO2 + O2 VSV(NITROBACTE R)→ Tế bào vsv + NO

-3

NH3 + O2  →ENZYME HNO2 + O2 VISINHVAT→ HNO3

Vì vậy có thể xem đây là toàn bộ quá trình sinh trưởng , sinh sản và suy tàncủa vi sinh vật Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chấthữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệthống xử lý Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng tới tốcđộ sinh hóa là chế độ thủy động ,hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH,dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng

2.2.4 Sự phát triển tế bào và động học của phản ứng lên men

2.2.4.1 Sự phát triển tế bào

Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học có hiệu quả chúng ta phảinắm vững các kiến thức sinh học có liên quan đến quá trình xử lý Trong các bểxử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu, vì nó chịu tráchnhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải Trong các bể bùn hoạttính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí khôngbắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tếbào vi khuẩn mới

Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật ,quá trình pháttriển của chúng được chia thành 4 giai đoạn :

 Trong giai đoạn tiềm phát (Lag - phage): vi sinh vật chưa thíchnghi với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi và bắt đầu phân bào Tronggiai đoạn này tế bào chưa phân chia (nghĩa là chưa có khả năng sinh sản), nhưngthể tích và trọng lượng tế bào tăng lên do quá trình tổng hợp các chất (protein,enzym, axít nucleic, ) diễn ra mạnh mẽ

 Trong giai đoạn lũy thừa (Log-growth phase): vi sinh vật pháttriển với tốc độ riêng không đổi Sau một thời gian nhất định tổng số tế bào cũngnhư trọng lượng và lượng tế bào tăng lên gấp đôi Các tế bào vi khuẩn tiến hànhphân bào và tăng nhanh về số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời giancần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường Trong giaiđoạn này, vi sinh vật sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa.

Hình 2.1 : Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong bể xử lý

 Trong giai đoạn pha ổn định (Stationary – phase) : tốc độ pháttriển giảm dần tới mức cân bằng Nguyên nhân giai đoạn này là do các chất dinhdưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã sử dụng hết và sốlượng vi khuẩn sinh ra bằng số lượng vi khuẩn chết đi Ở các vi sinh vật cho sảnphẩm trao đổi chất thì giai đoạn này chính là giai đoạn hình thành sản phẩm nhưcác enzyme , acid hữu cơ, vitamin…

 Trong giai đoạn suy tàn (Log - death phase) : tốc độ sinh sản giảm

đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn ,dẫn đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanhvà bắt đầu có hiện tượng tự hủy ( phân hủy nội bào ) Nguyên nhân suy tàn chủyếu là do nguồn thức ăn trong môi trường đã cạn, sự tích lũy sản phẩm trao đổichất có tác động ức chế và đôi khi tiêu diệt cả vi sinh vật

Trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau, đồ thị tăng trưởng của vi sinhvật giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnhcủa đồ thị Trong một giai đoạn bất kỳ nào đó sẽ có một loài có số lượng chủ đạo

do ở thời điểm đó các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ phù hợp choloài đó Trong pha logarit ,sinh khối tăng theo biểu thức :

X dt

tốc độ tăng trưởng của sinh khối mg/l

X nồng độ của sinh khối ( mg/l )

µ hằng số tốc độ sinh trưởng ( l/

t thời gian

2.2.4.2 Động học phản ứng lên men

Quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật thực chất là một quá trình lênmen Xử lý nước thải với quá trình sinh trưởng lơ lửng rất gần với quá trình lênmen thu sinh khối ở công nghệ vi sinh vật Xử lý nước thải với quá trình sinhtrưởng bám dính rất gần với quá trình lên men theo phương pháp cố định tế bào.Chúng chỉ khác nhau là quá trình lên men cơ bản được thực hiện với giống vi sinhvật thuần chủng còn trong xử lý nước thải được thực hiện với giống là một quầnthể vi sinh vật tự nhiên

Trong trường hợp chung, tốc độ phản ứng lên men chịu ảnh hưởng của nhiềuyếu tố môi trường trong đó các yếu tố chính là: nhiệt độ, độ pH, nồng độ men,chất kìm hãm, chất hoạt hoá và nồng độ của cơ chất Ở các điều kiện nhiệt độ, độpH… không đổi trong trường hợp dư thừa cơ chất tốc độ phản ứng lên men tuyếntính bậc nhất với nồng độ men

Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng lên men vào nồng độ cơ chất S và nồng độmen E tuân theo phương trình Michaelis – Menten (1913):

v = {V.[S]} / {Km + [S]}

Trong đó:

v là tốc độ phản ứng lên men

V là tốc độ phản ứng lên men cực đại (mg/l.s)

[S] là nồng đ ộ cơ chất (mg/l)

Km là hằng số phân ly phức chất/hằng số Michaelis- Menten (mol/l)

2.2.5 Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên tốc độ oxy hóa sinh hóa

Tốc độ oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ, hàm lượngcác tạp chất và mức độ ổn định của dòng nước thải

2.2.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tốc độ phản ứng oxy sinh hóa tăng khi nhiệt độ tăng, nhưng trong thực tếnhiệt độ nước thải trong hệ thống xử lý được duy trì ở 200C – 300C Khi nhiệt độtăng quá ngưỡng có thể làm vi sinh vật bị chết ,còn nhiệt độ quá thấp tốc độ làmsạch sẽ bị giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường bị chậm lại Quá trình nitrat hóa, hoạt hóa, lắng bùn keo tụ giảm hiệu xuất

2.2.5.2 Ảnh hưởng kim loại nặng

Bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ các muối kim loại nặng, khi đó hoạt độngsinh hóa bị giảm

Theo mức độ độc hại các kim loại nặng có thể sắp xếp theo thứ tự :

Sb > Ag > Cu > Hg > CO > Ni > Pb > Cr > V > Cd > Zn > Fe

Muối của các kim loại này làm giảm mức độ làm sạch Nồng độ của cácchất độc để quá trình oxy hóa sinh hóa có thể xảy ra , phụ thuộc vào bản chất cácchất đó

2.2.5.3 Hấp thụ và nhu cầu oxy

Để oxy hóa các chất hữu cơ, các vi sinh vật cần có oxy và nó chỉ có thể sửdụng oxy hòa tan Để cung cấp oxy cho nước thải người ta tiến hành thông khí,khuếch tán dòng không khí thành các bóng nhỏ phân bố đều trong khối nước thải

2.2.5.4 Các yếu tố dinh dưỡng và vi lượng

Để có phản ứng sinh hóa nước thải cần chứa hợp chất của các nguyên tốdinh dưỡng và vi lượng Đó là các nguyên tố N, S, P, Na, Mg , K,Ca, Cl , Fe, Mn,

Zn, Cu Trong đó N, P , K là chủ yếu cần được bảo đảm một lượng cần thiết choxử lý sinh hóa

Thiếu Nito cản trở quá trình sinh hóa, các chất bẩn hữu cơ tạo ra bùn hoạttính khó lắng Thiếu Photpho,vi khuẩn dạng sợi sẽ phát triển, là nguyên nhân làmcho bùn hoạt tính bị phồng khó lắng

Các nguyên tố tốt nhất ở dạng hợp chất Hàm lượng các nguyên tố phụthuộc vào thành phần nước thải và tỉ lệ giữa chúng, tỉ lệ BOD : N : P = 100 : 5 : 1.Ngoài ra pH cũng ảnh hưởng tới quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấpthụ các chất dinh dưỡng pH tối ưu là 6,8 – 8,5

2.2.6 Cấu trúc và các chất ôi nhiễm bùn hoạt tính

2.2.6.1 Quá trình oxy hóa sinh hóa và cấu trúc của một số hợp chất hữu cơ.

Tác nhân tham gia vào quá trình phân hủy các chất bẩn hữu cơ là vi khuẩn ,xạ khuẩn, nấm và một số sinh vật bậc thấp

Quá trình oxy hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ phụ thuộc vào cấu trúc hóahọc của các chất đó và nhiều yếu tố khác nhau

Người ta phân chia vi sinh vật phân hủy các chất bền vững ra thành 3 nhóm :

1 Nhóm vi sinh vật phân hủy các chất mạch hở như : alcol mạch thẳng,aldehyt và acid

2 Nhóm vi sinh vật phân hủy các hợp chất thơm : benzen, phenol, tuluen,xylen

3 Nhóm vi sinh vật oxy hóa Hydrocacbon dãy Pholymetyl

Những hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn ,cấu trúc nhiều mạchnhánh là những chất không bị oxy hóa

2.2.6.2 Các dạng và cấu trúc các loại vi sinh vật tham gia xử lý nước thải

Bùn hoạt tính và màng sinh vật là tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau.Bùn hoạt tính có dạng bông màu vàng có kích thước 3 – 5 µm Những bông nàygồm các vi sinh vật sống và chất rắn ( 40%) Những vi sinh vật sống là vi sinhvật, vi khuẩn ,động vật bậc thấp, nấm men, mốc , xạ khuẩn …

Màng vi sinh vật phát triển ở bề mặt các hạt vật liệu lọc có dạng nhầy Dàyđến 1 – 3 mm Màu của màng thay đổi theo thành phần nước thải, màng sinh họccũng gồm vi khuẩn , nấm mốc và vi sinh vật khác

Những loài vi khuẩn tham gia vào quá trình xử lý thường là các loại trựckhuẩn không tạo nha bào gram âm Sự có mặt của vi khuẩn di dưỡng và nhiềukiểu trao đổi khác nhau sẽ làm cho bùn hoạt tính thích nghi với nhiều loại nướcthải khác nhau

2.2.7 Các phương pháp xử lý yếm khí

Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và vô

cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí

Theo trạng thái bùn,có thể chia quá trình kỵ khí thành :

 Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quátrình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process ) ,quá trình xử lý bằng lớp bùn

kỵ khí bằng với dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket –UASB)

 Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám nhưquá trình lọc kỵ khí ( Anaerobic Filter Process)

Hình 2.2 : Sơ đồ phân loại các hệ thống xử lý kỵ khí

a Quá trình xử lý kỵ khí sinh trưởng lơ lửng

Vi sinh vật sản sinh và phát triển trong các bông cặn bùn hoạt tính ở trạngthái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học Các vi sinh vật này tạo thành bùn hoạttính có vai trò phân hủy các chất hữu cơ để xây dựng tế bào mới và tạo thành sảnphẩm cuối cùng là dạng khí Chúng sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng và xáo trộncùng với nước, cuối cùng các chất dinh dưỡng cạn kiệt, các bông cặn lắng thànhbùn

b Quá trình sinh trưởng dính bám:

Trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủycác chất hữu cơ phát triển thành màng dính bám hay gắn kết các vật liệu trơ nhưđá, xỉ, gỗ, sành sứ, chất dẻo

Quá trình này còn gọi là màng sinh học hay màng cố định, xảy ra ở các quátrình xử lý nước thải, như lọc sinh học hoặc đĩa quay sinh học

2.2.7.1 Bể yếm khí

2.2.7.1.1 Nguyên lý chung

Các phương pháp yếm khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trongquá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải công

Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng

Vách ngăn Cơng nghệ xử lý

kỵ khí

nghiệp chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (BOD 4 - 5 g/l) Đây là phương phápdùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ trongđiều kiện không có oxy Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liênhệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên người ta thườngđơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây:

Tùy thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng , người ta phân loại quá trình nàythành: lên men rượi, lên men acid lactic, lên men metan….nhưng sản phẩm cuốicủa quá trình lên men là khí sinh học hay Biogas : cồn , các acid , axeton, khí CO2,H2, CH4

Bảng 2.2 – Thành phần % các khí sinh ra trong quá trình lên men

Để xử lý nước thải người ta sử dụng quá trình lên men khí metan Đó là quátrình phức tạp ,diễn ra theo nhiều giai đoạn,lên men khí metan gồm có hai pha :pha acid hay pha kiềm

Trong pha acid các vi khuẩn tạo acid ( bao gồm các vi khuẩn tùy tiện , và vikhuẩn yếm khí ) hóa lỏng các chất rắn hữu cơ rồi sau đó lên men các chất

Chất hữu cơ

lên men

->

-yếm khí

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + tế bàomới

hữu cơ phức tạp đó tạo thành các acid bậc thấp như acid béo, cồn,aminoacid, glyxerin, dihydrosunfua, CO2, H2

Trong pha kiềm các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khíchuyển hóa các sản phẩm trung gian trên tạo thành CH4 và CO2

Phản ứng chính tạo thành metan xảy ra như :

CO2 + 4H4A  CH4 + 4A +2H2 O

Trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro

Metan có thể tạo thành do phân rã acid acetic

Giai đoạn IIISinh CH4

Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc Cathy, 1981)

• Giai đoạn thuỷ phân: vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện có chứa các hệ men

ngoại bào như proteza, lipaza, cellulaza…phát triển nhiều trong tự nhiên

Trong đó có cả vi khuẩn E.coli.

• Giai đoạn lên men axít: Clostridium spp, Lactobacillus…vsv hiếu khí cũng

than gia ở đầu giai đoạn như: vi khuẩn khử sunfat Desulfovibrio, phân huỷ protit tạo hiđrosunfua như mốc Penicillium, Fusarium

• Giai đoạn lên men kiềm: vi khuẩn methan phát tiển và đóng vai trò chủ

yếu

2.2.7.1.2 Quá trình công nghệ của bể yếm khí

a Quá trình công nghệ : gồm 3 giai đoạn :

1 Giai đoạn phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử để vi khuẩn dễ sửdụng các chất dinh dưỡng

2 Giai đoạn tạo thành acid : H2A vikhuantaoacid→ các acid hữu cơ(CH3COOH, C2H5COOH,C3H7COOH …)

3 Giai đoạn tạo thành metan : Các acid hữu cơ VIKHUANTAOMETAN→ CH4 +

CO2

b Các nhóm vi sinh vật tham gia xử lý :

Nhóm vi khuẩn thuỷ phân :

Nhóm vi khuẩn acetic : Acetogenic bacteria

Nhóm vi khuẩn metan : Methanogens

Gồm vi khuẩn hình que và hình cầu thuộc : 3 bộ, 4 họ (Methanococcaceae,

Methanosarcinaceae, Methanocorpusclaceae, Methanomicrobiaceae), 17 loài.

2.2.7.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu xuất của quá trình phân hủy yếm khí tạo khí metan

a Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đếntốc độ phân hủy chất hữu cơ Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đếntrong quá trình xử lý yếm khí:

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí

 25 - 40oC: đây là khoảng nhiệt độ thích

hợp cho các vi sinh vật ưa ấm

 50 - 65oC: nhiệt độ thích hợp cho các vi

sinh vật ưa nhiệt

Khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng

nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 - 45oC thì tốc

độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn,nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãmhoàn toàn ở 65oC trở lên

Nhiệt độ tối ưu cho bể yếm khí là 350C Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩnmetan hầu như không hoạt động

b Liều lượng nạp nguyện liệu : (bùn ) và mức độ khuấy trộn Ảnh hưởng

của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:

 Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày

 Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT

Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giaiđoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩnmethane

Nguyên liệu nạp cho quá trình cần có hàm lượng chất rắn bằng 7 – 9 %.Tác dụng của khuấy trộn là phân bố đều chất dinh dưỡng, tạo điều kiện tiếpxúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng sản phẩm

c Các chất dinh dưỡng

Để bảo đảm năng suất sinh khí của bể, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạtđược tỉ số C/N từ 25/1 - 30/1 Bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sửdụng đạm từ 25- 30 lần Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọngđối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định

d Ảnh hưởng của pH và độ kiềm ( alkalinity)

pH cho quá trình này chỉnh ở mức 6,5 – 7,5 tối ưu trong khoảng 7 - 7,2 vì

vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạomethane bị ức chế ở pH đó pH của hồ có khi hạ xuống thấp hơn 6,5 do sự tích tụquá nhiều các acid béo do bể bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệunạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane Ngoài ra người ta có thể dùng vôiđể trung hòa pH của bể

Độ kiềm của bể nên giữ ở khoảng 1000 – 5000 mg/l để tạo khả năng đệmtốt cho nguyên liệu

e Ảnh hưởng của độ mặn

Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước Vi khuẩn tham gia trongquá trình sinh khí metan có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ănNaCl trong nước Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuần ,thời gian lưu ,cần đủ để đảmbảo hiệu xuất khử các chất gây ôi nhiễm và điều kiện không chứa các chất ôi nhiễm đặcbiệt là kim loại nặng

N/độ giới hạn

cho phép

(mg/l)

Khí sản phẩm quá trình lên men metan thường có hàm lượng CH4 65 – 70

% ,CO2 25 – 30 % , và lượng nhỏ các khí khác

Do bùn cặn của nước thải công nghiệp có bùn cặn nên phải lên men ở tảitrọng thấp hơn bình thường 25 – 50 %

Thể tích bể tiêu hủy yếm khí được tính theo tải lượng riêng ,thời gian tiêuhủy , sự giảm chất rắn và thời gian lưu trữ bùn Ta có công thức :

v v

+

−

Trong đó :

V là thể tích tiêu hủy m3

V1 lưu lượng bùn thô nạp vào bể (m3 / ng)

V2 lưu lượng bùn lưu giữ trong bể (m3 / ng)

T1 thời gian tiêu hủy / ngày

T2 thời gian bùn lưu giữ lại ở bể / ngày

2.2.7.2 Hồ yếm khí

Nguyên tắc tạo điều kiện yếm khí và làm việc của hồ được minh họa trênhình Ở đây các vi khuẩn yếm khí phân hủy chất hữu cơ thành sản phẩm cuốicùng ở dạng khí là CO2 ,CH4 và thêm vào đó là hợp chất trung gian phát sinh mùinhư các acid hữu cơ,H2S

Đặc tính của xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí là có hàm lượngchất hữu cơ cao, cụ thể là protein, mỡ, nhiệt độ tương đối cao, không chứa cácchất độc và dư chất dinh dưỡng

Các tiêu chuẩn vận hành đối với hồ yếm khí đạt hiệu xuất khử BOD = 75%tải trọng BOD = 320g BOD/m3,ngày

Thời gian lưu tối thiểu là 4 ngày.

Nhiệt độ tối thiểu là 250C

Hình 2.4 : Sơ đồ hồ yếm khí xử lý nước thải chế biến thịt.

Vấn đề thường gặp là sự giảm nhiệt độ, không được lớp dầu mỡ phủ kín đểcách nhiệt và tránh tác động khuấy trộn của gió

 Ưu điểm của hồ yếm khí so với hiếu khí là sinh ra ít bùn , không cầnthiết bị thông khí

 Nhược điểm là phân hủy không triệt để nên chất thải cần được xử lýbằng quá trình thứ cấp là quá trình hiếu khí ,mặt khác quá trình phân hủy yếm khícần nhiệt độ cao

2.2.8 Các phương pháp hiếu khí

Các quá trình hiếu khí trong xử lý sinh học có thể xảy ra ở điều kiện tựnhiên và các công trình nhân tạo

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn sau :

- Oxy hóa các chất hữu cơ :

CxHyOz + O2 enzyme →  CO2 + H2O + ∆H

- Tổng hợp tế bào mới :