Luận văn công nghệ môi trường Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của người dân, một lượng nước thảisinh hoạt không nhỏ chưa được xử lý đã được thải ra môi trường dẫn đến tình trạng ônhiễm mùi và hàm lượng chất hữu c

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI.

Việt Nam là một nước đang phát triển Công nghiệp hóa - hiện đại hóa được xemnhư chìa khóa để phát triển đất nước Hiện nay với hơn 800.000 cơ sở sản xuất côngnghiệp và gần 70 khu chế xuất, khu công nghiệp tập trung đã đóng góp một phần lớnvào GDP của đất nước Bên cạnh sự phát triển của các ngành kinh tế, sự phồn vinh củađất nước thì vấn đề luôn đi kèm với sự phát triển là ô nhiễm môi trường, một vấn đềnhức nhối và chưa được quan tâm đúng mức Các chất thải đủ loại của các ngành côngnghiệp với hàm lượng cao của các chất độc hại, các chất hữu cơ và kim loại nặng được

xả thẳng ra môi trường đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời hệ sinh thái cũng như sứckhỏe con người

Ngoài ra, nước ta cũng là một quốc gia có tỉ lệ tăng dân số cao trong khu vực vàtrên thế giới Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của người dân, một lượng nước thảisinh hoạt không nhỏ chưa được xử lý đã được thải ra môi trường dẫn đến tình trạng ônhiễm mùi và hàm lượng chất hữu cơ cao

Do đó, vấn đề được đặt ra là làm thế nào để giảm bớt nồng độ ô nhiễm của nướcthải đến mức độ cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam trước khi thải ra môi trường Vìvậy, xử lý nước thải là một việc làm rất cần thiết và cấp bách Thực tế là trong số cácbiện pháp kiểm soát ô nhiễm, xử lý nước thải đã và đang được coi là biện pháp chủlực

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau như: phương pháp cơ học, phươngpháp hoá học, phương pháp nhiệt…nhưng phương pháp luôn được hướng tới trong cácnghiên cứu và ứng dụng là xử lý sinh học, do công nghệ đơn giản, chi phí vận hànhthấp nhờ dựa vào tác nhân chủ đạo là các vi sinh vật Cho đến nay người ta đã xác địnhđược rằng các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiênnhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo Vì vậy, việc xử lý nước thải bằng

phương pháp sinh học là một bước cực kì quan trọng và cần thiết trong tất cả các hệthống xử lý nước thải nói chung Trong đó việc sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để xử

lý nước thải là phương pháp phổ biến nhất trong các công trình xử lý hiện nay

Tuy phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí là rấtphổ biến và đã được nghiên cứu nhiều nhưng các tài liệu liên quan còn khá phân tán,rải rác, khó nắm bắt tổng thể Từ những băn khoăn trên và để góp phần làm rõ thêm vềvai trò của các loại vi sinh vật trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu

khí, đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho

phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí” đã ra đời.

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng visinh vật hiếu khí nhằm giảm thiểu ô nhiễm các chất hữu cơ trong nước thải gây ra chomôi trường

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải nói chung

- Tổng quan về các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải

- Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí: các biến đổi hoá sinhhọc và vi sinh học, động học của quá trình, các thông số ảnh hưởng, các dạng côngtrình xử lý vi sinh hiếu khí

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thu thập, sắp xếp và tổng hợp những tài liệu cần thiết có liên quan đến đề tài thànhmột hệ thống logic và hoàn chỉnh.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

2.1.1 Khái niệm về nước thải và sự ô nhiễm nước

- Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng cho tất cả các sinh vật trên trái đất.Nếu không có nước thì chắc chắn không có sự sống xuất hiện, thiếu nước thì cả nền vănminh hiện nay cũng không tồn tại được Từ xưa, con người đã biết đến vai trò quantrọng của nước; các nhà khoa học cổ đại đã coi nước là thành phần cơ bản của vật chất

và trong quá trình phát triển của xã hội loài người thì các nền văn minh lớn của nhânloại đều xuất hiện và phát triển trên lưu vực của các con sông lớn như: nền văn minhLưỡng Hà ở Tây Á nằm ở lưu vực hai con sông lớn là Tigre và Euphrate (thuộc Irakhiện nay); nền văn minh Ai Cập ở hạ lưu sông Nil; nền văn minh sông Hằng ở Ấn Ðộ;nền văn minh Hoàng Hà ở Trung Quốc; nền văn minh sông Hồng ở Việt Nam

- Nước đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình diễn ra trong tự nhiên và trongcuộc sống của con người Từ 3.000 năm trước Công Nguyên, người Ai Cập đã biết dùng

hệ thống tưới nước để trồng trọt và ngày nay con người đã khám phá thêm nhiều khảnăng của nước đảm bảo cho sự phát triển của xã hội trong tương lai: nước là nguồn cungcấp thực phẩm và nguyên liệu công nghiệp dồi dào, nước rất quan trọng trong nôngnghiệp, công nghiệp, trong sinh hoạt, thể thao, giải trí và cho rất nhiều hoạt động kháccủa con người Ngoài ra nước còn được coi là một khoáng sản đặc biệt vì nó tàng trữ mộtnguồn năng lượng lớn và lại hòa tan nhiều vật chất có thể khai thác phục vụ cho nhu cầunhiều mặt của con người Trong công nghiệp, người ta sử dụng nước làm nguyên liệu vànguồn năng lượng, làm dung môi, làm chất tải nhiệt và dùng để vận chuyển nguyên vậtliệu

- Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại lànước ngọt Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ônhiễm môi trường, nó còn là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật,

chiếm từ 50%-97% trọng lượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm 70% trọnglượng cơ thể và ở Sứa biển nước chiếm tới 97% Trong 3% lượng nước ngọt có trên quảđất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước mà con người không sử dụng được vì nó nằm quásâu trong lòng đất, bị đóng băng, ở dạng hơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lụcđiạ chỉ có 0, 5% nước ngọt hiện diện trong sông, suối, ao, hồ mà con người đã vàđang sử dụng Tuy nhiên, nếu ta trừ phần nước bị ô nhiễm ra thì chỉ có khoảng 0,003%

là nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được và nếu tính ra trung bình mỗi

n g ư ờ i đ ư ợ c cung cấp 879.000 lít nước ngọt đ ể s ử d ụ n g Nước tự nhiên là nước

mà chất lượng và số lượng của nó được hình thành dưới ảnh hưởng của các quá trình tựnhiên không có sự tác động của con người Tùy theo độ khoáng, nước chia ra làm:nước ngọt (lượng muối < 1g/l), nước lợ (10 - 50 g/l) và nước muối (> 50 g/l) Nướcngọt chia làm: nước khoáng ít (đến 200mg/l), khoáng trung bình (200 - 500mg/l), nướckhoáng cao (từ 500 - 1000 mg/l)

- Nước thải là nước đã dùng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua vùng đất ônhiễm Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinhhoạt, nước khí quyển và nước thải công nghiệp

Hình 2.1 tỉ lệ giũa các loại nước trên thế giới (liêm 1990)

- Nước thải sinh hoạt: là nước nhà tắm, giặt, hồ bơi, nhà ăn, nhà vệ sinh, nước rửa

sàn nhà Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng đặc điểm cơ bảncủa nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu cơ không bền sinh học (nhưcacbonhydrat, protein, mỡ); chất dinh dưỡng (photphat, nitơ); vi trùng; chất rắn và mùi

- Nước khí quyển: được hình thành do mưa và chảy ra từ đồng ruộng Chúng bị ô

nhiễm bởi các chất vô cơ và hữu cơ khác nhau Nước trôi qua khu vực dân cư, khu sảnxuất công nghiệp, có thể cuốn theo chất rắn, dầu mỡ, hóa chất, vi trùng Còn nướcchảy ra từ đồng ruộng mang theo chất rắn, thuốc sát trùng, phân bón

- Nước thải công nghiệp: xuất hiện khi khai thác và chế biến các nguyên liệu hữu cơ và

vô cơ Trong các quá trình công nghệ các nguồn nước thải là:

a Nước hình thành do phản ứng hóa học (chúng bị ô nhiễm bởi các tác chất và các sảnphẩm phản ứng)

b Nước ở dạng ẩm tự do và liên kết trong nguyên liệu và chất ban đầu, được tách ratrong qua trình chế biến

c Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị

d Dung dịch nước cái

e Nước chiết, nước hấp thụ

f Nước làm nguội

g Các nước khác như: nước bơm chân không, từ thiết bị ngưng tụ hòa trộn, hệ thốngthu hồi tro ướt, nước rửa bao bì, nhà xưởng, máy móc

2.1.2 Phân loại nước thải

2.1.2.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinhhoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân…Chúng chứa khoảng 58%chất hữu cơ và 42% chất khoáng Ngoài ra, trong nước thải sinh hoạt còn chứa nhiềuloài vi sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng, phần lớn là các virus, vi khuẩn gâybệnh…,và chúng thường chứa các thành phần dinh dưỡng rất cao Đặc điểm cơ bảncủa nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu cơ không bền sinh học(hydratcarbon, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn vàmùi Nước thải sinh hoạt thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnhviện, chợ và các công trình công cộng khác Lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cưphụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước

Bảng 2.1 Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt

Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng Tải lượng ô nhiễm (kg/

Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

- Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh

- Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh họat : cặn bã từ nhà bếp, các chất rửatrôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà

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

500350150350805020300,050,2

20012081204025101500,1

15500-

Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007.

- Nước thải sinh họat chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngòai ra còn

có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Chất hữu cơchứa trong nước thải sinh họat bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydratcacbon (40 - 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo, và các chất béo (5 -10%) Nồng độchất hữu cơ trong nước thải sinh họat dao động trong khỏang 150 –450% mg/l theotrọng lượng khô Có khỏang 20 – 40% chất hữu cơ khó phân hủy sinh học Ở nhữngkhu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh họat không được xử

lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

- Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống

và các thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước được cấp Giữalượng nước thải và tải trọng chất thải của chúng biểu thị bằng các chất lắng hoặc BOD5

có 1 mối tương quan nhất định

- Nước thải sinh hoạt có hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả yêucầu cho quá trình xử lý sinh học

- Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các chấthữu cơ đều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20-40% BOD thoát rakhỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn

2.1.2.2 Nước thải công nghiệp

Là lọai nước thải sau quá trình sản xuất, có thành phần và tính chất phức tạp hơn sovới nước thải sinh hoạt và phụ thuộc vào loại hình công nghiệp Đặc tính ô nhiễm vànồng độ của nước thải công nghiệp rất khác nhau phụ thuộc vào lọai hình công nghiệp

và chế độ công nghệ lựa chọn

Bảng 2.3 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải của một số ngành công

Hồ thải từ công đoạn dán gỗ

Phân bón Chất rắn lơ lửngBOD5 10.0004.500

Chất rắn lơ lửng 400 – 1.000

Chất rắn lơ lửng 75 – 300Thuộc da Chất rắn lơ lửngBOD5 4.000 – 20.000700 – 7.000

Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học, PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007.

- Trong công nghiệp, nước được sử dụng như là một loại nguyên liệu thô hay phươngtiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho các mục đích truyền nhiệt Nướccấp cho sản xuất có thể lấy mạng cấp nước sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồnnước ngầm hay nước mặt nếu xí nghiệp có hệ thống xử lý riêng Nhu cầu về cấp nước

và lưu lượng nước thải trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố Lưu lượng nướcthải của các xí nghiệp công nghiệp được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm đượcsản xuất

- Thành phần nước thải sản xuất rất đa dạng, thậm chí ngay trong một ngành côngnghiệp, số liệu cũng có thể thay đổi đáng kể do mức độ hoàn thiện của công nghệ sảnxuất hoặc điều kiện môi trường.

2.1.2.3 Nước thải là nước mưa

- Đây là lọai nước thải sau khi mưa chảy tràn trên mặt đất và lôi kéo theo các chất cặn

bã, dầu mỡ,… khi đi vào hệ thống thóat nước

- Những nơi có mạng lưới cống thoát riêng biệt: mạng lưới cống thoát nước thải riêngvới mạng lưới cống thoát nước mưa Nước thải đi về nhà máy xử lý gồm: nước sinhhoạt, nước công nghiệp và nước ngầm thâm nhập, nếu sau những trận mưa lớn không

có hiện tượng ngập úng cục bộ, nếu có nước mưa có thể tràn qua nắp đậy các hố gachảy vào hệ thống thoát nước thải Lượng nước thâm nhập do thấm từ nước ngầm vànước mưa có thể lên tới 470m3/ha.ngày

- Nơi có mạng cống chung vừa thoát nước thải vừa thoát nước mưa Đây là trườnghợp hầu hết ở các thị trấn, thị xã, thành phố của nước ta Lượng nước chảy về nhà máygồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước ngầm thâm, và một phần nướcmưa

- Trong những tác động mạnh nhất của mưa đến môi trường nước là hiện tượng mưaacid Mưa acid là sự lắng tụ các chất khí tạo ra acid như CO2, SOx NOx Cl2…bởi tuyết,sương mù, bụi và các tác nhân gây sự lắng đọng khác từ không khí Tác động dễ nhậnthấy sau những trận mưa acid là làm chua đất, chua nước Ảnh hưởng rất xấu đất khu

hệ sinh vật đất và khu hệ sinh vật nước

2.1.3 Các chất gây nhiễm bẩn nước

- Các yếu tố vật lý: nhiệt độ cao hay thấp, pH, biến đổi màu nước

- Các yếu tố hóa học: các chất hữu cơ, vô cơ, các hợp chất chứa nitơ, hợp chất chứaphotpho và các kim loại nặng

+ Các chất hữu cơ khó phân hủy: thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm, các chất đavòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ,…Chúng tồn tại lâu dài trong môi trường và

cơ thể sinh vật gây độc tích lũy Hàm lượng các chất này trong nguồn nước tự nhiênrất thấp.

+ Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: là các hợp chất protein, hydratcacbon, chất béo cónguồn gốc động vật và thực vật Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trongnước thải sinh hoạt, từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm Các chất này chủ yếu làmsuy giảm các chất hòa tan trong nước

+ Các kim loại nặng: hầu hết các kim loại nặng đều có độc tính cao đối với người vàđộng vật Trong nước thải công nghiệp thường chứa các kim loại nặng là chì, thủyngân, crom, cadimi, asen…

+ Các ion vô cơ: các ion vô cơ có nồng độ cao trong nước tự nhiên, đặc biệt là nướcbiển Trong nước thải có một lượng khá lớn các hợp chất vô cơ tùy thuộc vào cácnguồn nước thải

- Các yếu tố sinh học: virus, vi khuẩn gây bệnh, vi nấm nguyên sinh động vật, cácloài giun sán

2.2 THÀNH PHẦN LÝ HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI

Nước thải chứa rất nhiều loại hợp chất khác nhau, với số lượng và nồng độ cũng thayđổi rất khác nhau Có thể phân loại tính chất nước thải như sau:

2.2.1 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 (dòng chảy)

- Màu: nước thải mới có màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn chung màu nước thải

thường là màu xám có vẩn đục Màu sắc của nước thải sẽ bị thay đổi đáng kể nếu như

nó bị nhiễm khuẩn, khi đó nước thải sẽ có màu đen tối

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

các hợp chất hữu cơ hay do có một số chất được đưa thêm vào trong nước thải Nướcthải sinh hoạt thông thường có mùi mốc, nhưng nếu nước thải bị nhiễm khuẩn thì nó sẽchuyển sang mùi trứng thối do sự tạo thành H2S trong nước

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

sạch ban đầu, bởi vì có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máymóc thiết bị công nghiệp Tuy nhiên, chính những dòng nước thấm qua đất và lượngnước mưa đổ xuống mới là nhân tố làm thay đổi một cách đáng kể nhiệt độ của nước

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

vật lý của nước thải, có đơn vị là m3/người.ngày Hầu hết các thiết bị xử lý được thiết kế để

xử lý nước thải có lưu lượng 0,378 – 0,756 m3/người.ngày Vận tốc dòng chảy luôn thayđổi trong ngày

2.2.2 Tính chất hóa học

- Các thông số mô tả tính chất hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ, chất vô

cơ và chất khí Để đơn giản hơn, ta có thể xác định tính chất hóa học của nước thảithông qua các thông số: độ kiềm, BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chấtNito, pH, P, các chất rắn (hữu cơ, vô cơ, huyền phù và không tan), và nước

- Độ kiềm: đặc trưng cho khả năng trung hòa axit, thường là độ kiềm bicarbonate,

carbonate, và hydroxide Độ kiềm thực chất là môi trường đệm (để giữ pH trungtính) 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, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 20oC BOD5 trongnước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100 – 300mg/l

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

thải COD thường nằm trong khoảng 200 – 500 mg/l Tuy nhiên, trong nước thảicông nghiệp, nồng độ này có thể gia tăng một cách đáng kể

- Các chất khí hòa tan: đây là những khí có thể hòa tan được trong nước thải Nước

thải công nghiệp thường có nồng độ oxy tương đối thấp

- Hợp chất chứa N: số lượng và các loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi trong từng

dạng nước thải khác nhau (nước thải chưa xử lý và nước thải sau xử lý ở dòng ra) Nthường đi kèm vòng tuần hoàn oxy hóa và nồng độ của nó sẽ giảm dần Phần lớn N chưađược xử lý trong nước thải sẽ chuyển sang dạng N hữu cơ hay N-NH3 Nồng độ Ntrong nước thải thường là 20 – 85 mg/l; trong đó N hữu cơ thường ở khoảng 8 – 35 mg/l,còn nồng độ N-NH3 thường từ 12 – 50 mg/l

- pH: đây là cách để nhanh chóng phát hiện tính axit của nước thải Giá trị pH dao

động trong khoảng từ 1 – 14 Để xử lý nước thải một cách có hiệu quả thì pH chỉ nênnằm trong khoảng 6,5 – 9 (lý tưởng hơn là từ 6,5 – 8)

- Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa, nhưng chỉ nên hiện diện

với một lượng tối thiểu, hoặc sẽ được loại bỏ sau quá trình xử lý bậc hai Số lượng P dưthừa có thể gây rối dòng chảy và làm tăng trưởng quá mức các loại tảo Nồng độ Pthường trong khoảng 6 – 20 mg/l Quá trình loại bỏ hợp chất photphat trong các chấttẩy rửa có ảnh hưởng quan trọng đến khối lượng P trong nước thải

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

chất rắn Mục đích của việc xử lý nước thải là nhằm loại bỏ các chất rắn hoặcchuyển chúng sang dạng ổn định hơn và dễ xử lý Các chất rắn có thể được phân loạidựa vào thành phần hóa học của chúng (hữu cơ hay vô cơ), hoặc bởi các đặc tính vật

lý (có thể lắng đọng, nổi trên mặt nước, hay ở dạng keo) Nồng độ tổng các chất rắntrong nước thải thường dao động trong khoảng 350 – 1200 mg/l

+ Các chất rắn hữu cơ: bao gồm C, H, O, N, và có thể được chuyển thành CO2 và

H2O khi cháy ở nhiệt độ 550oC

+ Các chất rắn vô cơ: thường không bị ảnh hưởng bởi sự cháy

+ Các chất rắn lơ lửng: loại chất rắn này thường bị giữ lại bởi các bể lọc đệm vật liệu xơ,

và có thể được phân loại nhỏ hơn như: tổng các chất răn lơ lửng (TSS), các chất rắn lơ

lửng dễ bay hơi (VSS), và các chất rắn lơ lửng cố định Ngoài ra chúng còn được phânloại thành 3 thành phần dựa vào khả năng lắng đọng: các chất rắn có khả năng lắngđọng, các chất rắn nổi trên mặt và dạng keo Tổng hàm lượng các chất rắn lơ lửng trongnước thải thường từ 100 – 350 mg/l.

+ Các chất rắn tan: loại chất rắn này sẽ đi qua được các bể lọc đệm vật liệu xơ, và cũngđược phân loại thành: tổng hàm lượng các chất rắn tan được (TDS), các chất rắn tan dễbay hơi, và các chất rắn tan cố định Tổng hàm lượng các chất rắn tan được nằm trongkhoảng 250 – 850 mg/l

- Nước: luôn là thành phần cấu tạo chính của nước thải Trong một số trường hợp, nước

có thể chiếm đến từ 99,5% - 99,9% trong nước thải (thậm chí ngay cả trong nước thải ônhiễm nặng nhất thì hàm lượng các chất bẩn cũng chỉ chiếm 0,5%; còn đối với nguồnnước thải được xem là sạch nhất thì nồng độ này là 0,1%)

2.3 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau:

từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và những hợp chất tan trongnước Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước

đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng Để đạt được những mục đích đó chúng ta thườngdựa vào những đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lý thíchhợp

Thông thường có các phương pháp xử lý nước thải như sau:

- Xử lý bằng phương pháp cơ học

- Xử lý bằng phương pháp hoá lý và hoá học

- Xử lý bằng phương pháp sinh học

2.3.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học

Quá trình xử lý cơ học thường được áp dụng ở giai đoan đầu của quá trình xử lýnước thải hay còn gọi là quá trình xử lý sơ bộ hay là quá trình tiền xử lý Qúa trình này

dùng để loại bỏ các tạp chất không tan có trong nước thải, bao gồm các tạp chất vô cơ

và hữu cơ có trong nước Nó là một bước đệm nhằm đảm bảo tính an toàn cho cáccông trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệ thống xử lý nước thải

Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học có nhiều phương pháp khác nhau, tuynhiên tuỳ theo thành phần và tính chất nước thải xử lý mà các công trình sau đây cóthể áp dụng:

2.3.1.1 Thiết bị chắn rác

Thiết bị chắn rác có thể là song chắn rác hoặc lưới chắn rác, có chức năng chắn giữnhững rác bẩn thô (giấy, rau, cỏ, rác…), nhằm đảm bảo đảm cho máy bơm, các côngtrình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định Song và lưới chắn rác được cấu tạobằng các thanh song song, các tấm lưới đan bằng thép hoặc tấm thép có đục lỗ… tùytheo kích cỡ các mắt lưới hay khoảng cách giữa các thanh mà ta phân biệt loại chắnrác thô, trung bình hay rác tinh

Thiết bị chắn rác thường đặt trước hệ thống xử lý nước thải hoạc có thể đặt trướcmiệng xả của nhà máy sản xuất

Lưới chắn rác thường đặt nghiêng một góc 45 - 60º so với phương thẳng đứng, kherộng mắt lưới thường 10 - 20mm

Theo cách thức làm sạch thiết bị chắn rác ta có thể chia làm 2 loại: loại làm sạchbằng tay, loại làm sạch bằng cơ giới

2.3.1.2 Thiết bị nghiền rác

Là thiết bị có nhiệm vụ cắt và nghiền vụn rác thành các hạt, các mảnh nhỏ lơ lửngtrong nước thải để không làm tắc ống, không gây hại cho bơm Trong thực tế cho thấyviệc sử dụng thiết bị nghiền rác thay cho thiết bị chắn rác đã gây nhiều khó khăn chocác công đoạn xử lý tiếp theo do lượng cặn tăng lên như làm tắc nghẽn hệ thống phânphối khí và các thiết bị làm thoáng trong các bể (đĩa, lỗ phân phối khí và dính bám vàocác tuabin… Do vậy phải cân nhắc trước khi dùng

2.3.1.3 Bể điều hòa

Là đơn vị dùng để khắc phục các vấn đề sinh ra do sự biến động về lưu lượng vàtải lượng dòng vào, đảm bảo hiệu quả của các công trình xử lý sau, đảm bảo đầu ra sau

xử lý, giảm chi phí và kích thước của các thiết bị sau này

Có 2 loại bể điều hòa:

− Bể điều hòa lưu lượng

− Bể điều hòa lưu lượng và chất lượng

Các phương án bố trí bể điều hòa có thể là bể điều hòa trên dòng thải hay ngoàidòng thải xử lý Phương án điều hòa trên dòng thải có thể làm giảm đáng kể dao độngthành phần nước thải đi vào các công đoạn phía sau, còn phương án điều hòa ngoàidòng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động đó Vị trí tốt nhất để bố trí bể điềuhòa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý, và phụ thuộc vào loại xử lý, đặctính của hệ thống thu gom cũng như đặc tính của nước thải

2.3.1.4 Bể lắng cát

Nhiệm vụ của bể lắng cát là loại bỏ cặn thô, nặmg như: cát, sỏi, mảnh thủy tinh,mảnh kim loại, tro, than vụn… nhằm bảo vệ các thiết bị cơ khí dễ bị mài mòn, giảmcặn nặng ở các công đoạn xử lý sau

Bể lắng cát thường đặt sau song chắn rác và đặt trước bể điều hoà lưu lượng

− Bể lắng đợt 1: Được đặt trước công trình xử lý sinh học, dùng để tách các chất rắn,

chất bẩn lơ lửng không hòa tan

− Bể lắng đợt 2: Được đặt sau công trình xử lý sinh học dùng để lắng các cặn vi sinh,

bùn làm trong nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận

Căn cứ vào chiều dòng chảy của nước trong bể, bể lắng cũng được chia thành cácloại giống như bể lắng cát ở trên: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng tiếp tuyến (bểlắng radian)

2.3.1.6 Quá trình lọc

Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ khỏi nước thải,

mà các bể lắng không thể loại được chúng Người ta tiến hành quá trình lọc nhờ cácvật liệu lọc, vách ngăn xốp, cho phép chất lỏng đi qua và giữ các tạp chất lại

Vật liệu lọc được sử dụng thường là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi, thậm chí cảthan nâu, than bùn hoặc than gỗ Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy thuộc vào loại nướcthải và điều kiện địa phương

Có nhiều dạng lọc: lọc chân không, lọc áp lực, lọc chậm, lọc nhanh, lọc chảyngược, lọc chảy xuôi…

2.3.1.7 Quá trình tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắnhoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng Trong một số trường hợpquá trình này cũng được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt.Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách hay lám đặc bọt

Trong xử lý nước thải về nguyên tắc tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất

lơ lửng và làm đặc bùn sinh học

Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là khôngkhí) vào trong pha lỏng Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi tập hợp cácbóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo các hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đó chúng tập hợplại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng banđầu

Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử hoàn toàn cáchạt nhỏ nhẹ, lắng chậm trongthời gian ngắn

2.3.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá lý và hoá học

Bản chất chung của quá trình xử lý hoá lý và hoá học là áp dụng các quá trình vật lý

và hoá học để loại bớt các chất ô nhiễm mà không thể dung phương pháp cơ học loại

bỏ được

Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hoá học diễn ra giữa các chất ô nhiễm

và các hoá chất thêm vào Các phương pháp thường được sử dụng là oxy hoá và trunghoà Đi đôi với các phương pháp này còn kèm theo các quá trình kết tủa và nhiều hiệntượng khác

Các công trình tiêu biểu của phương pháp này bao gồm:

2.3.2.1 Quá trình keo tụ, tạo bông

Quá trình keo tụ tạo bông được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các hạtkeo có kích thước rất nhỏ Các chất này tồn tại ở dạng khuếch tán và không thể loại bỏbằng quá trình lắng vì tốn rất nhiều thời gian Để tăng hiệu quả lắng, giảm bớt thờigian lắng của chúng thì ta nên thêm vào nước thải một số hoá chất như phèn nhôm,phèn sắt, polymer… các chất này có tác dụng kết dính các chất khuếch tán trong dungdịch thành các hạt có kích cỡ và tỉ trọng lớn hơn nên sẽ lắng nhanh hơn

Trong khi tiến hành quá trình keo tụ, tạo bông cần chú ý:

- pH của nước thải

- Bản chất của hệ keo

- Sự có mặt của các ion trong nước

- Thành phần của các chất hữu cơ trong nước

- Nhiệt độ

Các phương pháp keo tụ có thể là keo tụ bằng chất điện li, keo tụ bằng hệ keongược dấu trong quá trình xử lý nước thải bằng chất keo tụ, sau khi kết thúc giai đoạnthuỷ phân các chất keo tụ (phèn nhôm, phèn sắt, phèn kép), giai đoạn tiếp theo là giaiđoạn hình thành bông cặn Để cho quá trình tạo bông cặn diễn ra thuận lợi người taxây dựng các bể phản ứng đáp ứng các chế độ khuấy trộn Bể phản ứng theo chế độ

khuấy trộn được chia làm 2 loại: thuỷ lực và cơ khí Thông thường, sau khi diễn ra quátrình keo tụ tạo bông, nước thải sẽ được đưa qua bể lắng để tiến hành loại bỏ các bôngcặn có kích thước lớn mới được hình thành.

Phương pháp keo tụ có thể làm trong nước và khử màu nước thải vì sau khi tạobông cặn, các bông cặn lớn lắng xuống thì những bông cặn này có thể kéo theo cácchất phân tán không tan gây ra màu

2.3.2.2 Phương pháp trung hoà

Nước thải sản xuất của nhiều ngành công nghiệp có thể chứa axit hoặc kiềm Đểngăn ngừa hiện tượng xâm thực và để tránh cho quá trình sinh hóa ở các công trìnhlàm sạch và nguồn nước không bị phá hoại, ta cần phải trung hòa nước thải Trung hòacòn nhằm mục đích tách loại một số ion kim loại nặng ra khỏi nước thải Mặt khácmuốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa vàđiều chỉnh pH về 6.6 - 7.6

Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềmhoặc oxit kiềm để trung hòa dịch nước thải

Ngoài ra, có thể tận dụng nước thải có tính acid trung hòa nước thải có tính kiềmhoặc ngược lại

2.3.2.3 Phương pháp hấp phụ

Hấp phụ là phương pháp tách các chất hữu cơ và khí hoà tan ra khỏi nước thải bằngcách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) hoặc bằng cách tươngtác giữa các chất bẩn hoà tan với các chất rắn (hấp phụ hoá học)

Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng

và pha rắn Khả năng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt

độ Nhiệt độ thấp quá trình hấp phụ xảy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì có thể diễn raquá trình khứ hấp phụ Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phục hồi khả năng hấpphụ của các hạt rắn khi cần thiết

Những chất hấp phụ có thể là : than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năngtrao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đôlômit, cao lanh, tro và các

dung dịch hấp phụ lỏng Bông cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) vàbùn hoạt tính từ bể aeroten cũng có khả năng hấp phụ.

2.3.2.4 Phương pháp trích ly

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

Kỹ thuật trích ly có thể tiến hành như sau : cho dung môi vào trong nước thải vàtrộn đều cho tới khi đạt trạng thái cân bằng Tiếp đó cho qua bể lắng Do sự chênh lệch

về trọng lượng riêng nên hỗn hợp sẽ phân ra hai lớp và để tách biệt chúng ra bằngphương pháp cơ học

2.3.2.5 Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắntrao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chấtnày gọi là ionit (chất trao đổi ion) Chúng hoàn toàn không tan trong nước

Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để xử lý nước thải khỏi các kim loại như

Zn, Cu, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn,… cũng như các hợp chất của Asen, Photpho, Xyanua vàchất phóng xạ Phương pháp này được dùng phổ biến làm mềm nước, loại ion Ca+2 và

2.3.2.6 Phương pháp xử lý bằng màng

Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khác nhau

Nó có thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung môi hoặc thậm chí cảmột chất lỏng Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm của cáchợp chất đó qua màng

Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương

tự khác ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải

2.3.2.7 Khử khuẩn

Dùng các hoá chất có tính độc đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giunsán…để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng.Khử khuẩn có thể dùng hoá chất hoặc các tác nhân vật lý như ozon, tia tử ngoại

Hoá chất sử dụng để khử khuẩn phải đảm bảo có tính độc đối với vi sinh vật trongmột thời gian nhất định, sau đó phải được phân huỷ hoặc bay hơi, không còn dư lượnggây 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 javen, vôi clorua, cáchipoclorit, cloramin B…Đây là các hợp chất của clo, đảm bảo là những chất khửkhuẩn đáp ứng được các yêu cầu trên, đồng thời cũng là các chất oxi hoá

Trong quá trình xử lý nước thải, công đoạn khử khuẩn thường được đặt ở cuối quátrình trước khi làm sạch nước triệt để và chuẩn bị đổ vào nguồn

2.3.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống và hoạt độngcủa vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải, có khả năngphân hoá những hợp chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành nhữngchất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước

Có 2 loại công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

- Điều kiện tự nhiên: bao gồm các công trình: cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc,cánh đồng tưới nông nghiệp, hồ sinh học

- Điều kiện nhân tạo: có thể chia thành 2 loại:

+ Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trongđiều kiện môi trường được cung cấp oxi liên tục, gồm các công trình như: bể lọc sinhhọc, bể aerotank…

+ Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kị khí: các vi sinh vật hoạt động trong điềukiện môi trường không có oxi, gồm các công trình như bể UASB, bể UAF…

2.3.3.1 Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc

Trong nước thải sinh hoạt chứa một hàm lượng N, P, K khá đáng kể Như vậy,nước thải là một nguồn phân bón tốt có lượng N thích hợp với sự phát triển của thựcvật

Để sử dụng nước thải làm phân bón, đồng thời giải quyết xử lý nước thải theo điềukiện tự nhiên người ta dùng cánh đồng tưới công cộng và cánh đồng lọc

Cánh đồng tưới, bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi có độ dốc tự nhiên,cách xa khu dân cư về cuối hướng gió Xây dựng ở những nơi đất cát, á cát, cũng cóthể ở nơi đất á sét, nhưng với tiêu chuẩn tưới không cao và đảm bảo đất có thể thấmkịp

2.3.3.2 Cánh đồng tưới nông nghiệp

Từ lâu người ta cũng đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn phân bón đểtưới lên các cánh đồng nông nghiệp ở những vùng ngoại ô

Theo chế độ nước tưới người ta chia thành 2 loại:

- Thu nhận nước thải quanh năm

- Thu nước thải theo mùa

Trước khi đưa vào cánh đồng , nước thải phải được xử lý sơ bộ qua song chắn rác,

bể lắng cát hoặc bể lắng Tiêu chuẩn tưới lấy thấp hơn cánh đồng công cộng và có ýkiến chuyên gia nông nghiệp

2.3.3.3 Hồ sinh học

Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn gọi là hồ oxyhóa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa cácchất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác

Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu Nhiệt độkhông được thấp hơn 6ºC

Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làmsạch của hồ.

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:

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

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

+ Bể lọc sinh học có lớp vật liệu là các hạt cố định

+ Đĩa quay sinh học RBC

2.3.3.5 Bể xử lý sinh học bằng quá trình bùn hoạt tính (aerotank).

Là bể chứa hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể đểtrộn đều và giữ cho bùn ở tình trạng lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxi cho vi sinhvật oxy hoá chất hữu cơ có trong nước thải

Vị trí của bể aerotank là sau bể lắng 1 và trước bể lắng 2

Nguyên tắc hoạt động: nước thải sau khi qua bể lắng 1 có chứa các chất hữu cơ hoàtan và chất lơ lửng đi vào bể aerotank, tại đây các vi khuẩn và vi sinh vật trong bểchuyển hoá các chất hữu cơ phức tạp này thành các chất đơn giản hơn là các chất trơkhông hoà tan và thành các tế bào mới

Có 2 quá trình sinh hoá xảy ra trong bể aerotank là:

+ Quá trình tăng sinh khối của vi sinh vật.

+ Quá trình hoạt động của enzyme hay quá trình chuyển hoá vật chất hữu cơ có trongnước thải ở các bể aerotank

2.3.3.6 Bể UASB

Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải

đi lên qua nền bùn rồi tiếp tục vào bể lắng đặt cùng với bể phản ứng Khí metan tạo ra

ở giữa lớp bùn Hỗn hợp khí lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng Vớiquy trình này bùn tiếp xúc được nhiều với chất hữu cơ và quá trình phân huỷ xảy ratích cực Các loại khí tạo ra trong điều kiện kị khí sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ,giúp việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định Bọt khí và hạtbùn có khí bám vào sẽ nổi lên trên bể Khi va phải lớp lưới chắn phía trên các bọt khí

sẽ vỡ và hạt bùn được tách ra và lắng xuống Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng,vận tốc dòng hướng lên phải ở khoảng 0.6-0.9m/h

2.3.3.7 Bể lên men có thiết bị trộn và có bể lắng riêng (ANALIFT).

Công trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điềuchỉnh bùn tuần hoàn Giữa 2 thiết bị chính có đặt một thiết bị khử khí để loại khí tắctrong các cục vón

Bể phản ứng có lớp chống ăn mòn ở phía trong, có lớp cách nhiệt để duy trì nhiệt

độ mong muốn Khuấy trộn bằn cách bơm khí vào bình chứa làm bằng vật liệu khônggỉ

Bể lắng coi như một thiết bị cô đặc, vì bùn tách ra có nồng độ cao và từ đây chobùn hồi lưu trở lại bể phản ứng Tỉ lệ bùn tuần hoàn khoảng 50-100%

Phương pháp này ít chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng, thích hợp đối với việc xử lýphân chuồng, xử lý các nước thải đặc như trong công nghiệp đồ hộp, cất cồn, côngnghiệp hoá chất, bột giấy, đường

Hiệu quả của phương pháp: loại bỏ được BOD5 tới 80-95%, COD từ 65-90%

2.2 VAI TRÒ CỦA PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIẾU KHÍ TRONG QUÁ

TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn và được

sử dụng bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó, mỗi phương pháp giúp loại bỏmột loại chất thải khác nhau:

- Quá trình xử lý cơ học: thường được áp dụng để loại bỏ các tạp chất không tan,

các loại tạp chất rắn có kích cỡ lớn có trong nước thải, bao gồm các tạp chất vô cơ vàhữu cơ có trong nước thải như rơm cỏ, gỗ mẩu, bao bì, giấy, cát sỏi, dầu mỡ… Ngoài

ra còn có các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù khó lắng Nó là một bước đệm nhằm đảmbảo tính an toàn cho các công trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệthống xử lý nước thải

- Quá trình xử lý hoá học: là sử dụng hoá chất giúp loại bỏ các loại vật chất lơ lửng

phân tán rất nhỏ, hệ keo mà phương pháp xử lý cơ học không thể loại bỏ được hết.Ngoài ra còn giúp chuyển dịch pH nước thải về pH trung tính và làm lắng các muốikim loại nặng để tách chúng ra khỏi nước thải

Tuy nhiên, nếu các hợp chất hữu cơ trong nước thải được xử lý bằng phương pháphoá học thì chi phí xử lý sẽ rất lớn và lại gây ra một số vấn đề về môi trường vì khi đóchất ô nhiễm không được xử lý mà chỉ chuyển từ dạng ô nhiễm này sang dạng ô nhiễmkhác Cho nên nếu xử lý các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp cơ học kết hợp vớiphương pháp hoá lý nói chung thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao Do đó, để xử lýnước thải nhiều chất hữu cơ dạng keo và hoà tan thì áp dụng phương pháp xử lý sinhhọc và hay gặp là phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí vìhiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải cần xử lý

là không quá cao

- Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí: được ứng dụng để xử lý

các hợp chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải như hydratcacbon, protein, lipid… và

một số hợp chất vô cơ như: H2S, sulfite, nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinhvật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước 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, độhoà 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 chúng sảnsinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hoà tan hoặccác hạt keo phân tán nhỏ Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạpchất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ Đối với các tạp chất vô

cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sulfite, muốiamon, nitrate…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn Sản phẩm của quá trình phân huỷnày là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat…

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH HỌC

TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

3.1 NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH

Phương pháp xử lý sinh học có thể chia thành 2 loại chính:

- Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trong

môi trường được cung cấp oxy liên tục

- Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kỵ khí: các vi sinh vật hoạt động trong môi

trường không có oxy

Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxi hoá sinhhoá Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hoà tan, các chất keo tụ và các chấtphân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giaiđoạn chính sau:

- Chuyển các chất từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật Khuếch tán từ bề mặt tếbào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào

- Chuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tếbào mới

- Tốc độ quá trình oxi hoá sinh hoá phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượngcác tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý Ở mỗiđiều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá làchế độ thuỷ động, hàm lượng oxi trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên

tố vi lượng

Điều kiện áp dụng phương pháp sinh học vào xử lý nước thải phải thoả mãn:

- Nước thải không có chất độc hại làm chết hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong nướcthải

- Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và nănglượng cho vi sinh vật (hydratcarbon, protein, lipit hoà tan)

- Tỉ số COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0.5 thì có thể áp dụng phương pháp xử lýsinh học

Ngoài ra cần phải chú ý chọn quần thể vi sinh vật thích ứng với từng loại nước thải

3 2 VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật rất nhỏ bé, có thể tập hợp lại thành một nhómlớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng không xác định, chúng có thể

tồn tại dưới dạng đơn phân tử, đa phân tử hoặc một nhóm phân tử Có thể nói, phần lớn

vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa sinh hóa, chúng

có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độchất hữu cơ trong các dòng chảy Các loài vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình

xử lý sinh hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dòng vào, điều kiện môi trường,quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống Do đó, để tăng cường vai trò hệ visinh vật hoạt động trong xử lý nước thải thì cần phải thiết kế điều kiện môi trường phùhợp, ví dụ đối với đa số quá trình xử lý hiếu khí, cần có các điều kiện thích hợp như:môi trường phải đủ thông thoáng để cung cấp oxy, đủ các vật chất hữu cơ (làm thức ăn),

đủ nước, đủ N và P (chất dinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hóa, có pH phù hợp (6,5 – 9), vàkhông có các chất gây độc

Tuy nhiên, không phải tất cả các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hóatrong xử lý nước thải Nếu như các điều kiện môi trường không còn phù hợp cho hoạtđộng của các loài vi sinh vật, hoặc số lượng các vi sinh trong hệ thống xử lý tăng độtbiến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lýnước thải

3.3 SINH THÁI, SINH LÝ, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT

3.3.1 Sinh thái, sinh lý vi sinh vật

Vi sinh vật không phải là một nhóm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cảcác sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rõ được bằng mắt thường, do đó phải sửdụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử Ngoài ra muốn nghiên cứu vi sinhvật người ta phải sử dụng tới phương pháp nuôi cấy vô khuẩn Vi sinh vật có các đặc điểmchung sau đây: [2]; [7]; [8]; [18]

Kích thước nhỏ bé :

Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1mm= 1/1000mm hay 1/1.000.000m) Virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nn=1/1.000.000mm hay 1/1.000.000.000m) Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt

của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn Chẳng hạn đường kính của 1 cầu khuẩn

(Coccus) chỉ có 1mm, nhưng nếu xếp đầy chúng thành 1 khối lập nhưng có thể lích là

1cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới 6 m2 !

Light microscope : KHV quang học Electron microscope : KHV điện tử Most bacteria: Phần lớn vi khuẩn

Hình 3.1 Kích thước các loài vi sinh vật

Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh :

Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và

chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắc tic (Lactobacillus)

trong 1 giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100 – 10.000 lần so

với khối lượng của chúng Tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1.000 lần sovới đậu tương và gấp 100.000 lần so với trâu bò.

Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh :

Chẳng hạn, 1 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thích hợp

chỉ sau 12 - 20 phút lại phân cắt một lần Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờphân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.366.500.000.000.000.000.000

tế bào (4 722 366 1017), tương đương với 1 khối lượng … 4.722 tấn Tất nhiêntrong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếuoxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất có hại…) Trong loài lên men với các điềukiện nuôi cấy thích hợp, từ 1 tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000 –1.000.000.000 tế bào Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu

(Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví

dụ với tảo Tiểu cầu (Chlorella) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ…Có thể nói

không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật

Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị :

Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoàtrao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất khác nhau, kể cả những điềukiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường không thể tồn tại được Có vi sinh vậtsống được ở môi trường nóng đến 1300C, lạnh đến 0 - 50C, mặn đến nồng độ 32%muối ăn, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7; áp suất cao đếntrên 1.103 at Hay có độ phóng xạ cao đến 750.000 rad Nhiều vi sinh vật có thể pháttriển tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày đặc trong

bể ngâm tử thi với nồng độ Formol rất cao…

Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trựctiếp với môi trường sống … do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị Tần số biến dịthường ở mức 10-5-10-10 Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rấtlớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn

trong sản xuất Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/mldịch lên men (1943) thì nay đã có thể đạt trên 100.000 đơn vị/ml Khi mới phát hiện raacid glutamic chỉ đạt 1 - 2g/l thì nay đã đạt đến 150g/ml dịch lên men (VEDAN-ViệtNam).

Phân bố rộng, chủng loại nhiều :

+ Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núicao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồvật…

+ Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh - địa -hoáhọc (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuầnhoàn P, vòng tuần hoàn S, vòng tuần hoàn Fe…

+ Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông(limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthiczone)

+ Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít Số lượng vi sinh vậttrong không khí ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trênmặt biển và nhất là trong không khí ở Bắc cực, Nam cực…

+ Hầu như không có hợp chất carbon nào (trừ kim cương, đá graphít…) mà không làthức ăn của những nhóm vi sinh vậ nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol.Dioxin…) Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau : quang tự dưỡng(photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy), hoá tự dưỡng(chemoautotrophy), hoá dị dưỡng (chemoheterotrophy), tự dưỡng chất sinh trưởng(auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph)…

Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất :

Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vếtcủa sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lại vết tíchtrong các tầng đá cổ Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện là những dạngrất giống với Vi khuẩn lam ngày nay Chúng được J.William Schopf tìm thấy tại cáctầng đá cổ ở miền Tây Australia Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đếnvài chục mm với đường kính khoảng 1 - 2 mm và có thành tế bào khá dày Trước đó

các nhà khoa học cũng đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis có niên đại cách đây 1,5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya có niên đại cách đây 950 triệu năm.

Hình 3.2 Vết tích một số loài vi khuẩn đầu tiên

3.3.2 Phân loại vi sinh vật:

Từ trước đến nay có rất nhiều hệ thống phân loại sinh vật Các đơn vị phân loại sinhvật nói chung và vi sinh vật nói riêng đi từ thấp lên cao là Loài (Species), Chi(Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom).Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain)

Xưa kia John Ray (1627-1705) và Carl Von Linnaeus (1707-1778) chỉ chia ra 2giới là Thực vật và động vật Năm 1866 E H Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giớiNguyên sinh (Protista) Năm 1969 R H Whitaker (1921-1981) đề xuất hệ thốngphân loại 5 giới : Khởi sinh (Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật(Plantae) và động vật (Animalia).

+ Khởi sinh bao gồm Vi khuẩn (Bacteria) và Vi khuẩn lam (Cyanobacteria)

+ Nguyên sinh bao gồm động vật nguyên sinh (Protzoa),

+ Tảo (Algae) và các Nấm sợi sống trong nước (Water molds)

Hình 3.3 Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật

Gần đây hơn có hệ thống phân loại 6 giới - như 5 giới trên nhưng thêm giới Cổ vikhuẩn (Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) (P H.Raven, G B Johnson, 2002).

Hình 3.4 Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật

T Cavalier-Smith (1993) thì lại đề xuất hệ thống phân loại 8 giới:

+ Thực vật (Plantae),

+ Động vật (Animalia)

Theo R Cavalier-Smith thì: Cổ trùng (như Giardia) bao gồm các cơ thể đơn bàonguyên thuỷ có nhân thật, có ribosom 70S, chưa có bộ máy Golgi, chưa có ty thể(mitochondria) chưa có thể diệp lục (Chloroplast), chưa có peroxisome Sắc khuẩn baogồm phần lớn các cơ thể quang hợp chứa thể diệp lục trong các phiến (lumen) của mạnglưới nội chất nhăn (rough endpplasmic reticulum) chứ không phải trong tế bào chất

(cytoplasm), chẳng hạn như Tảo silic , Tảo nâu, Cryptomonas, Nấm noãn.

Hình 3.5 Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật

Năm 1980, Carl R Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử phát hiệnthấy Cổ khuẩn có sự sai khác lớn trong trật tự nucleotid ở ARN của ribosom 16S và18S Ông đưa ra hệ thống phân loại ba lĩnh giới (Domain) bao gồm: Cổ khuẩn(Archae), Vi khuẩn (Bacteria) và Sinh vật nhân thực (Eucarya)

quan có màng

Thành tế bào

Hầu hết cópeptidoglycanchứaacid muramic

Nhiều loại khácnhau, không chứaacid muramic Không chứa acidmuramic

Màng lipid Chứa liên kết este,

các acid béo mạch

thẳng

Chứa liên kết ete,các chuỗi aliphaticphân nhánh

Chứa liên kếteste, các acid béomạch thẳng

ARN vận chuyển

Thymine có trongphần lớn tARNtrongphần lớn tARN

Không có thymineTrong nhánh Thoặc TyC củatARN

Có thymine

tARN

mở đầu chứaN-formylmethionine

tARN mở đầuchứa methionine

tARN mở đầuchứa methionine

Yếu tố kéo dài

EF2 Không phản ứng với

độc tố bạch hầu Có phản ứng Có phản ứng

Nguồn: Nguyễn Lân Dũng, 2005.

Phần lớn vi sinh vật thuộc về ba nhóm Cổ khuẩn, Vi khuẩn và Nguyên sinh Tronggiới Nấm, thì nấm men (yeast), nấm sợi (filamentous Fungi) và dạng sợi (mycelia)của mọi nấm lớn đều được coi là vi sinh vật Như vậy là vi sinh vật không có mặttrong hai giới động vật và Thực vật Người ta ước tính trong số 1,5 triệu loài sinh vật cókhoảng 200.000 loài vi sinh vật (100.000 loài động vật nguyên sinh và tảo, 90.000 loàinấm, 2.500 loài vi khuẩn lam và 1.500 loài vi khuẩn) Tuy nhiên hàng năm, có thêmhàng nghìn loài sinh vật mới được phát hiện, trong đó có không ít loài vi sinh vật).Theo hệ thống 3 lĩnh giới thì Archaezoa bao gồm Diplomonad, Trichomonad vàMicrosporidian Euglenozoa bao gồm Euglenoid và Kinetoplastid Alveolata baogồm Dinoflagellate, Apicomplexan, và Ciliate Strmenopila bao gồm Tảo silic

(Diatoms) , Tảo vàng (Golden algae), Tảo nâu (Brown algae) và Nấm sợi sống trongnước (Water mold) Rhodophyta gồm các Tảo đỏ (Red algae) Riêng Tảo lục (Greenalgae) thì một phần thuộc Nguyên sinh (Protista) một phần thuộc Thực vật (Plantae).

3.3.2.1 Vi khuẩn

Theo quan điểm hiện đại (NCBI- National Center for Biotechnology Information,

2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây : Aquificae –Thermotogae Thermodesulfobacteria – Deinococcus - Thermus - Chrysiogenetes - Chloroflexi – Nitrospirae - Defferribacteres - Cyanobacteria - Proteobacteria - Firmicutes – Actinobacteria - Planctomycetes - Chlamydiae/Nhóm Verrucomicrobia –Spirochaetes -Fibrobacteres /Nhóm Acidobacteria - Bacteroidetes/Nhóm Chlorobia - Fusobacteria - Dictyoglomi Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý,

-sinh hóa, -sinh thái Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong ADN người ta xây dựng được câyphát sinh chủng loại (Phylogenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhóm sau đây:Nhóm Oxy hoá Hydrogen -Nhóm Chịu nhiệt -Nhóm Vi khuẩn không lưu huỳnh

màu lục -Nhóm Deinococcus -Nhóm Vi khuẩn lam -Nhóm Proteobacteria -Nhóm Chlamydia -Nhóm Planctomyces -Nhóm Spirochaetes (Xoắn thể) -Nhóm Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục -Nhóm Cytophaga -Nhóm Vi khuẩn Gram dương.

Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na,

Ca, Cl và một lượng nhỏ sắt, silic và magie Chúng sinh sôi nảy nở nhờ hình thức tựphân đôi Vi khuẩn có thể coi là một trong những sinh vật sống nhỏ nhất, có đường kính0,5 – 2mm và chiều dài từ 1 – 10mm

Các vi khuẩn được phân thành 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạngthái tồn tại của chúng Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn hình cầu, còn được gọi là

Cocci (khuẩn cầu) Dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus Dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong, gọi là Spirilla 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 tạothành bông cặn dễ lắng