Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp yếm khí

Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp yếm khí

Mở đầu

Nớc là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con ngời Nớc trong tự nhiênbao gồm toàn bộ các đại dơng, biển vịnh sông hồ, ao suối, nớc ngầm, hơi nớc ẩmtrong đất và trong khí quyển Trên trái đất khoảng 94% là nớc mặn, 2-3% là nớcngọt, nó chiếm một tỷ lệ rất nhỏ Nớc ngọt dạng lỏng thờng ở các tầng ngầm, chiếmkhoảng 2,24% tổng lợng nớc ngọt Nh vậy, chỉ có khoảng 0,03% lợng nớc trên hànhtinh là có thể sử dụng đợc

Nớc cần cho mọi sự sống và phát triển Nớc giúp cho các tế bào sinh vật trao

đổi chất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới Vì vậy, cóthể nói rằng ở đâu có nớc là ở đó có sự sống

Nớc đợc dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ.Sau khi sử dụng nớc trở thành nớc thải, bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau Ngàynay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của công nông nghiệp đã

để lại nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trờng nớc Vấn đề này

đang đợc nhiều sự quan tâm của mọi ngời, mọi quốc gia trên thế giới

ở nớc ta hiện nay phần lớn nớc đợc thải ra sông hồ mà cha qua xử lý Vì vậy,dẫn đến tình trạng các con sông đó bị ô nhiễm bốc mùi khó chịu, làm mất cảnh quan

và ảnh hởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con ngời

Hiện nay, ngời ta đã đa ra nhiều phơng pháp xử lý nớc thải sinh hoạt Mộttrong những phơng pháp đó là xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học Để gópphần nhỏ vào việc bảo vệ môi trờng, trong bản khoá luận này bớc đầu chúng tôinghiên cứu công nghệ xử lý nớc thải sinh hoạt bằng phơng pháp yếm khí

Chơng 1: tổng quan

ô nhiễm môi trờng nớc và các phơng pháp xử lý

Cùng với sự phát triển của nền văn minh nhân loại, nhu cầu về nớc ngày càngnhiều, lợng nớc công nghiệp cũng nh lợng nớc sinh hoạt thải ra đa vào các nguồn n-

ớc tự nhiên ngày càng lớn, gây ô nhiễm đáng kể đến nớc bề mặt và môi trờng

Để đánh giá chất lợng nớc cũng nh mức độ ô nhiễm nớc cần dựa vào một sốthông số cơ bản so sánh với các chỉ tiêu cho phép về thành phần hoá học và sinh học

đối với từng loại nớc sử dụng cho các mục đích khác nhau

Các thông số cơ bản để đánh giá chất lợng nớc là: độ pH, mầu sắc, độ đục,hàm lợng chất rắn, các chất lơ lửng (huyền phù ), các kim loại nặng, oxi hoà tan và

đặc biệt là hai chỉ số COD và BOD

1.1 Các thông số biểu thị độ nhiễm bẩn của nớc thải sinh hoạt

1.1.1 Màu sắc[1,6]

Màu sắc của nớc là do các chất bẩn trong nớc gây nên Màu sắc của nớc ảnhhởng tới chất lợng của sản phẩm khi sử dụng nớc có mầu trong sản xuất

Màu của nớc là do:

 Các chất hữu cơ và phần chiết của thực vật gọi là mầu thực, màu này rấtkhó xử lý bằng phơng pháp đơn giản ví dụ các chất mùn humic làm nớc có màuvàng, các loài thuỷ sinh, rong tảo làm nớc có màu xanh

 Các chất vô cơ là những hạt rắn có màu gây ra, gọi là màu kiến, màu này

xử lý đơn giản hơn Ví dụ, các hợp chất của sắt hoá trị +3 không tan làm nớc có màunâu đỏ

Cờng độ màu của nớc xác định bằng phơng pháp so màu sau khi đã lọc bỏcác chất vẩn đục

1.1.2 Mùi vị [1]

Nớc sạch không màu, không mùi, khôngvị Nếu nớc có mùi vị khó chịu là triệuchứng nớc bị ô nhiễm Mùi vị trong nớc gây ra do hai nguyên nhân chủ yếu sau:

 Do các sản phẩm phân huỷ các chất hữu cơ trong nớc

 Do nớc thải có chứa những chất khác nhau, màu mùi vị của nớc đặc trngcho từng loại

Mùi của nớc đợc xác định theo cờng độ qui ớc, ví dụ nếu mẫu nớc có mùinhẹ và pha loãng bằng nớc sạch đến thể tích bằng 1:1; mà mùi biến mất thì chỉ sốngỡng có mùi (TON) bằng 1, còn nếu pha loãng gấp đôi mùi mới biến mất thì chỉ sốmùi bằng 2 Nếu pha loãng mùi gấp 4, 5, 8, 100 mùi mới biến mất thì chỉ số ngỡngmùi tơng ứng là 4, 5, 8

1.1.3 Độ đục [1]

Nớc tự nhiên thờng bị vẩn đục do những hạt keo lơ lửng trong nớc, các hạtkeo này có thể là mùn, vi sinh vật, sét Nớc đục làm giảm sự chiếu sáng của ánhsáng mặt trời qua nớc Độ đục của nớc đợc xác định bằng phơng pháp so độ đục vớimột độ đục của một thang chuẩn.

1.1.4 Nhiệt độ [1]

Nguồn gốc ô nhiễm chính là nguồn nớc thải từ các bộ phận làm nguội ở cácnhà máy Nhiệt độ trong loại nớc thải này thờng cao hơn 10 -200C so với nớc th-ờng

ở những vùng nhiệt đới nh nớc ta, nhiệt độ nớc thải vào sông, hồ tăng sẽ làmgiảm lợng oxy tan vào nớc và tăng nhu cầu oxy của cá lên hai lần, tăng nhiệt độ cònxúc tiến sự phát triển của các sinh vật phù du

Nhiệt độ nớc thờng đợc đo bằng nhiệt kế

1.1.5 Chất rắn trong nớc [1]

Nớc có hàm lợng chất rắn cao là nớc kém chất lợng

Chất rắn trong nớc gồm hai loại: chất rắn lơ lửng và chất rắn hoà tan, và tổnghai chất rắn trên gọi là tổng chất rắn

 Chất rắn lơ lửng thờng làm cho nớc bị đục, là một phần của chất rắn cótrong nớc ở dạng không hoà tan Căn cứ vào tổng hàm lợng chất rắn lơ lửng có trongnớc, ta có thể xét đoán hàm lợng mùn, sét và những phần tử nhỏ khác có trong nớc.Chúng có thể có hại vì làm giảm tầm nhìn của các động vật sống trong nớc và độdọi của ánh sáng mặt trời qua nớc Tuy nhiên nớc có chất rắn lơ lửng là đất mùn( nh nớc phù sa ) đợc dùng làm nớc tới cho nông nghiệp rất tốt

Để xác định tổng chất rắn lơ lửng, mẫu nớc lấy về phải đợc làm ngay hoặcphải đợc bảo quản ở 4oC nhằm ngăn ngừa sự phân huỷ chất hữu cơ bởi vi sinh vật.Lấy một thể tích nớc nhất định, lọc qua giấy lọc đã biết khối lợng Cặn trên giấy lọc

đem sấy khô ở 105oC ( thờng dùng 180oC ), cân và tính ra mg/l

 Chất rắn hoà tan, mắt thờng không nhìn thấy đợc, thờng làm cho nớc cómùi, vị khó chịu, đôi khi cũng làm cho nớc có màu Các chất rắn tan trong nớc th-ờng là các chất khoáng vô cơ và đôi khi cả một số chất hữu cơ nh các muối clorua,cacbonat, hiđrocacbonat, nitrat, sunfat, phôtphat của một số kim loại nh Na, K,

Ca, Mg, Fe, ,các phân bón

Nớc có hàm lợng các chất rắn hoà tan cao không dùng trong sinh hoạt đợc,không dùng để tới trong nông nghiệp trong thời gian dài đợc vì sẽ gây mặn cho đất.Nớc có chứa nhiều chất rắn tan có thể dẫn tới các vi sinh vật trong nớc bị hoại sinh,oxi bị tiêu thụ nhiều và nớc trở nên kị khí, dẫn đến hậu quả cá bị chết và do quátrình kị khí chiếm u thế nên giải phóng các bọt khí nh CO2, NH3, H2S, CH4 làmcho nớc có mùi Nớc có hàm lợng các chất tan lớn cũng không dùng đợc trong côngnghiệp vì các chất rắn sẽ dẫn đến đóng cặn trong bể chứa, nồi hơi, máy móc, gây ra

ăn mòn kim loại

Để xác định tổng hàm lợng các chất rắn tan trong nớc, ta lọc mẫu nớc quagiấy lọc băng xanh để tách những phần tử lơ lửng không tan trong nớc Lấy 250mlnớc đã lọc, làm bay hơi trên bếp cách thuỷ đến cạn khô, sau đó sấy cặn ở 180oC,

đem cân cặn và tính tổng hàm lợng chất rắn tan có trong nớc ra mg/l

1.1.6 Độ dẫn điện [1]

Các muối tan trong nớc tồn tại ở các dạng ion nên làm cho nớc có khả năngdẫn điện Độ dẫn điện của nớc phụ thuộc vào nồng độ, tính linh động và hoá trị củacác ion ( ở nhiệt độ nhất định) Nh vậy khả năng dẫn điện của nớc phản ánh hàm l-ợng chất rắn tan trong nớc

Để xác định độ dẫn điện ngời ta đo điện trở hoặc dùng máy đo độ dẫn trựctiếp với đơn vị là milisimen (mS) Độ dẫn điện của mẫu nớc đợc so với độ dẫn điệncủa dung dịch chuẩn KCl ở 25oC độ dẫn điện tơng ứng của dung dịch KCl với cácnồng độ khác nhau nh sau :

Dung dịch 0,001M KCl có độ dẫn điện tơng ứng là 141 mS

Dung dịch 0,01M KCl có độ dẫn điện tơng ứng là 147,3 mS Dung dịch 0,05M KCl có độ dẫn điện tơng ứng là 666,8 mS

Dung dịch 0,1M KCl có độ dẫn điện tơng ứng là 1290,0 mS

1.1.7 Độ cứng của nớc [1]

Độ cứng của nớc do các kim loại kiềm thổ, chủ yếu là canxi và magie gâynên Nớc cứng thờng không đợc gọi là ô nhiễm vì không gây hại tới sức khoẻ conngời Nhng nớc cứng lại gây nên hàng loạt các hậu quả: nớc cứng pha chè khôngngấm, xà phòng không tạo bọt vì xà phòng tạo kết tủa với ion Ca2+, Mg2+ Độ cứng

có hai dạng :

 Độ cứng tạm thời do muối hidrocacbonat của canxi và magie tạo nên Độcứng này sẽ mất khi đun sôi nớc vì các muối này bị phân huỷ tạo thành kết tủa, đó làdạng đóng cắn ở đáy và thành ấm đun nớc

 Độ cứng vĩnh cửu do các muối clorua, sunfat, nitrat của canxi và magiêtạo nên

Độ cứng thờng đợc biểu thị bằng số milimol của các ion canxi và magiê cótrong một lít nớc (trớc đây thờng đợc biểu thị bằng số mg CaO/lit hay bằng số mgCaCO3 /lit)

Để xác định độ cứng của nớc ngời ta thờng dùng phơng pháp chuẩn độcomplexom với dung dịch đệm NH3 + NH4Cl có pH =10 Với chất chỉ thị làEriocrom T đen

1.1.8 Độ axit [1]

Độ axit đợc định nghĩa là hàm lợng của các chất có trong nớc tham gia phảnứng với kiềm mạnh (NaOH hay KOH) Độ axit của nớc đợc xác định bằng lợngkiềm đợc dùng để trung hoà nớc

Đối với các loại nớc thiên nhiên thờng gặp, độ axit của nớc phụ thuộc vào ợng CO2 trong nớc Các chất mùn và các axit hữu cơ có trong nớc cũng tạo nên một

l-phần độ axit của nớc thiên nhiên Trong tất cả các trờng hợp đó, pH của nớc thờngkhông nhỏ hơn 4,5.

Đối với nớc thải, chứa các loại axit mạnh tự do chứa các muối tạo bởi axitmạnh và bazơ yếu sẽ dẫn đến độ axit của nớc cao Trong những trờng hợp này pHcủa nớc không lớn hơn 4,5

Để xác định độ axit của nớc, ngời ta chuẩn độ nớc bằng dung dịch chuẩnNaOH hay KOH, lợng dung dịch kiềm tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chỉthị là metyl da cam tơng ứng với lợng axit tự do của nớc, còn nếu dùng chất chỉ thị

là phenolphtalein thì tơng ứng với độ axit chung của nớc Nếu pH của nớc ≥ 8,3 thì

độ axit của nó bằng không

1.1.8.1.Độ kiềm [1]

Độ kiềm đợc định nghĩa là hàm lợng của các chất có trong nớc phản ứng với các axit mạnh Để xác định độ kiềm của nớc ngời ta sử dụng phơng pháp chuẩn độ nớc bằng dung dịch axit mạnh

Đối với nớc thiên nhiên, độ kiềm của nó phụ thuộc chủ yếu vào hàm lợngmuối cacbonat, hidrocacbonat của các kim loại kiềm thổ Trong trờng hợp này pHcủa nớc thờng ≥ 8,3

Để xác định độ kiềm của nớc, ngời ta chuẩn độ mẫu nớc bằng dung dịchchuẩn HCl, lợng dung dịch axit tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chị thị làphenolphlalein (pHtđ) tơng ứng với lợng kiềm tự do chất chỉ thị là metyl da cam(pHtđ = 4,5) Tơng ứng với độ kiềm toàn phần của nớc

Để xác định độ pH của nớc ngời ta thờng dùng máy đo pH

1.1.9 Oxi hoà tan trong nớc (DO: dissoled oxygen) [1]

Oxi tan trong nớc rất ít Độ tan bão hoà của oxi trong nớc sạch ở O0C vàokhoảng 14-15 ppm (hay mg/l) Thông thờng nớc ít bão hoà oxi mà chỉ có 70-80% sovới mức bão hoà Đôi khi do các thực vật nổi và các loại thực vật sống trong nớcthực hiện quá trình quang hợp mạnh nên giải phóng ra oxi nhiều làm cho oxi trongnớc đạt trên mức bão hoà (200% gọi là siêu bão hoà )

ở các hệ sinh thái nớc, trừ ban ngày có quá trình quang hợp xảy ra mạnh cònnói chung DO là nhân tố hạn chế và đôi khi gây nên tình trạng thiếu oxi và làm chếtcác sinh vật ở nớc

Trị số DO cho biết mức độ ô nhiễm của nguồn nớc, ví dụ khi có nhiều chấthữu cơ trong nớc thì DO giảm đáng kể Nớc bình thờng có giá trị DO là 14-16 mg/l,nếu thấp hơn giá trị này là nớc ô nhiễm

Trị số DO cho biết mức độ ô nhiễm của nguồn nớc, ví dụ khi có nhiều chấthữu cơ trong nớc thì DO giảm đáng kể Nớc bình thờng có giá trị DO là 14-16 mg/l,nếu thấp hơn giá trị này là nớc ô nhiễm

1.1.11 Nhu cầu oxi sinh hoá (BOD: Biochemical Oxygen Demand) [1]

BOD là lợng oxi vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxi hoá các chất hữucơ.

Chất hữu cơ + O2 vi sinh vật CO2 + H2O + sảnphẩm cố định

Oxy sử dụng trong quá trình này là oxy hoà tan trong nớc

Chỉ tiêu BOD là chỉ tiêu thông dụng nhất để đánh giá mức độ ô nhiễm củamột nguồn thải Nó biểu thị cho lợng chất hữu có thể bị phân huỷ bởi vi sinh vật

Chỉ số BOD cao chứng tỏ lợng chất hữu cơ là chất bẩn có khả năng phân huỷsinh học trong nớc càng lớn

Trong thực tế ngời ta không thể xác định lợng oxy hoá hoàn toàn chất hữu cơbởi vi sinh vật vì đòi hỏi phải phải có nhiều thời gian Vì vậy để xác định gần đúnggiá trị BOD ngời ta chỉ cần xác định trong 5 ngày và có kí hiệu BOD5

1.1.12 Nhu cầu oxi hoá học (COD:Chemical Oxygen Demand) [1]

COD là lợng oxi cần thiết cho quá trình oxi hoá hoá học các chất hữu cơ cótrong nớc thành CO2 và H2O

COD là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nớc vì nó cho biếthàm lợng chất hữu cơ có trong nớc

Chỉ số COD biểu thị cả lợng chất hữu cơ không thể oxi hoá bằng vi sinh vật,

do đó giá trị COD bao giờ cao hơn giá trị BOD

Ngoài BOD và COD, ngời ta thờng dùng một số chỉ số khác để đo hàm lợngcác chất hữu cơ trong nớc nh: tổng cacbon hữu cơ (TOC- Total Organic Cacbon) vànhu cầu theo lý thuyết (ThOD: Theoretical Oxygen Demand) TOC chỉ dùng đợckhi hàm lợng các chất hữu cơ có trong nớc thải tạo thành CO2 + H2O, nhng đại lợngnày chỉ tính đợc khi biết công thức hóa học của các chất hữu cơ, mà các chất hữu cơ

có trong nớc rất phức tạp nên không thể tính đợc nhu cầu oxy theo lý thuyết nhngchắc chắn là:

ThOD > COD > BODcuối > BOD5

Bảng1 Tiêu chuẩn chất lợng nớc mặt TCVN 5942 1995 [5]– –

27 Tæng ho¸ chÊt b¶o vÖ thùcvËt (trõ DDT) mg/l 0,15 0,15

- PhÌn Al2(SO4)3 n H2O ( n = 13 -18);

- S« ®a kÕt hîp víi phÌn: Na2CO3 + Al2(SO4)3 ;

- Sắt sunfát FeSO4.7H2O;

- Nớc vôi Ca(OH)2;

- Natri aluminat Na2Al2O4;

- Sắt (III) clorua và sắt (III) sunfat;

- Dùng phèn thì phản ứng tạo photphat kết lắng nh sau:

Al2(SO4) + 2 PO43- → 2 AlPO4 + 3 SO42- pH tối u 5,6-8

- Dùng vôi loại bicacbonat, cacbonat photphat và magie theo các phản ứngsau:

Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2 CaCO3 + 2 H2O Ca(OH)2 + H2CO3 → CaCO3 + H2O

- Dùng sắt (III) clorua để tạo phôtphat

FeCl3 +6H2O +PO43- → FePO4 +3 Cl - + 6H2O

- Dùng natri aluminat để loại photphat

Na2Al2O4 +2 PO43- +4 H2O → 2AlPO4 + 2NaOH + 6OH

-Những chất kết lắng thành bùn và trong bùn chứa nhiều hợp chất khó tan.Việc sử dụng bùn này làm phân bón có thể làm cho cây trồng khó tiêu hóa

1.2.2 Phơng pháp hấp phụ [3]

Phơng pháp này dựa trên nguyên tắc là các chất ô nhiễm tan trong nớc có thể

đợc hấp phụ trên bề mặt một số chất rắn ( chất hấp phụ) Các chất hấp phụ thờngdùng trong mục đích này là than hoạt tính dạng hạt hoặc dạng bột, than bùn sấy khôhoặc có thể là đất sét hoạt tính diatomit, betomit

Các chất hữu cơ kim loại nặng và các chất màu dễ bị hấp phụ Lợng chất hấpphụ sử dụng tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lợng chất bẩn có

ở trong nớc Phơng pháp này có tác dụng tốt có thể hấp phụ đợc 85-95% các chấthữu cơ và màu

Để loại bỏ kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại ngời ta dùng thanbùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ

1.2.3 Phơng pháp trung hòa [3]

Nớc có độ axit cao cần cho qua lọc với vật liệu lọc có tính kiềm nh với vôi,

đá vôi đolomit hoặc dùng nớc vôi trung hoà trực tiếp Cũng có khi dùng dung dịchkiềm (NaOH hoặc Na2CO3 ) vào mục đích này

Nớc thải có độ axít cao cần cho qua lọc với vật liệu lọc có tính kiềm nh với vôi, đávôi đolomit hoặc dùng nớc vôi trung hòa trực tiếp Cũng có khi dùng dung dịch

Nớc thải có tính kiềm dùng axít kỹ thuật pha loãng để trung hòa Trớc khitrung hòa cần chuẩn bị và tính toán sao cho sau khi trung hòa đợc độ pH của nớcmong muốn với lợng hóa chất vừa đủ.

1.2.4 Phơng pháp dùng chất sát khuẩn [3]

Nớc thải sau khi xử lý bằng các biện pháp cần thiết trớc khi đa vào sông hồhoặc các nguồn nớc khác, cũng nh quay lại để cấp nớc sinh hoạt phải cần sát khuẩn.Chất sát khuẩn cần dùng và không gây độc hại là khí clo (Cl2) Việc clo hóa nhằmmục đích diệt các vi sinh vật tảo và làm giảm mùi của nớc Các hợp chất clo dùng ở

đây là clo lỏng đợc chứa trong các bình thép (bom clo) vôi clorua có độ hoạt độngcủa clo là 25 - 35% các hypoclorit NaOCl, Ca(OCl)2 vừa có hoạt tính của clo vừa cóhoạt tính oxy hóa nên có thể phân hủy nhiều chất độc hữu cơ thành chất không độc

1.2.5 Các bể chứa và lắng [3]

Các bể này có thể là bể bê tông hoặc ao hồ đợc gia cố nền móng sao cho nớcthải ít ngấm vào các tầng đất sâu Nớc thải vào các bể này và đợc lu lại trong thờigian 2 - 10h Thực tế đây là sự mô phỏng quá trình lắng đọng tự nhiên của nớc trongcác thủy vực Sau thời gian 3 h thì hầu hết các chất rắn dễ lắng và 30 - 40% nhữngchất rắn ở dạng lơ lửng huyền phù đợc lắng xuống đáy bể

Phần nớc ở trên đợc đa vào các qúa trình xử lý tích cực với các phơng pháplên men, hiếu khí, thiếu khí hoặc kị khí tùy tiện

Các phần lắng cắn tùy từng công đoạn có thể làm phân bón cho cây trồnghoặc đem thiêu hủy

1.3 Xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học

1.3.1 Nguyên lý chung [4]

Phơng pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷcác chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nớc thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữucơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dỡng và tạo năng lợng Trong qúa trìnhdinh dỡng, chúng nhận các chất dinh dỡng để xây dựng tế bào, sinh trởng và sinhsản nên sinh khối của chúng đợc tăng lên Qúa trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ

vi sinh vật gọi là qúa trình oxy hóa sinh hóa

Để thực hiện qúa trình oxy hoá sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chấtkeo và phân tán nhỏ trong nớc thải cần đợc di chuyển vào bên trong tế bào của visinh vật Theo quan điểm hiện đại nhất, qúa trình xử lý nớc thải hay nói đúng hơn làviệc thu hồi các chất bẩn từ nớc thải và việc vi sinh vật hấp phụ các chất bẩn đó làmột qúa trình gồm ba giai đoạn:

 Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinhvật do khuếch tán đối lu và phân tử

 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

 Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinhnăng lợng và qúa trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lợng

Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và qúa trình chuyển hóacác chất đóng vai trò chính trong qúa trình xử lý nớc thải.

Ngời ta có thể phân loại các phơng pháp sinh học dựa trên các cơ sơ khácnhau Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau: xử lý sinh họchiếu khí và xử lý sinh học yếm khí

1.3.2 Phơng pháp hiếu khí [2,4 ]

Đây là phơng pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí Để đảm bảohoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trongkhoảng 20 đến 40 0C

Phơng trình tổng quát các phản ứng tổng hợp của quá trình oxy hoá sinh hóa

ở điều kiện hiếu khí nh sau:

CxHy Oz N +(x+y/4- z/2 - 3/4) O2 vi sinh vật x CO2 + (y-3) /2 H2O +

NH3 + ∆H (1)

CxHy Oz N + NH3 + O2 vi sinh vật C5H7 NO2 + CO2 + ∆H(2)

Trong phản ứng trên, CxHy Oz N là tất cả các chất hữu cơ của nớc thải, còn

C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinhvật, ∆H là năng lợng

Phản ứng (1) là phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng ợng của tế bào, còn phải ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào Lợng oxytiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nớc thải

l-Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì không đủ chất dinh dỗng, quátrình chuyển hoá các chất của tế bào xảy ra theo giai đoạn sau:

Các yếu tố chính ảnh hởng đến quá trình phân huỷ hiếu khí:

 pH: Đây là yếu tố có ảnh hởng rất nhiều đến quá trình xử lý Khoảng pHtối u cho quá trình xử lý thờng là nằm gần vùng trung tính

 Lợng oxy cung cấp cho quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào sự khuấytrộn, sục khí, Lợng oxy cung cấp càng nhiều thì càng làm tăng tốc độ quá trình xửlý

 Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hóa tăng Trong thực tế nhiệt

độ nớc thải trong hệ thống xử lý đợc duy trì trong khoảng 20oC đến 30oC Khi nhiệt

độ tăng quá ngỡng vi khuẩn sẽ bị chết, còn ở nhiệt độ thấp thì tốc độ xử lý sẽ giảm,quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trờng mới sẽ bị chậm lại

 Các nguyên tố dinh dỡng và vi lợng: Để có phản ứng sinh hóa nớc thảicần chứa các hợp chất của các nguyên tố dinh dỡng và vi lợng Đó là các nguyên tố

N, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Trong đó N, K, P là các nguyên tố chủ yếu

1.3.3 Phơng pháp yếm khí

1.3.3.1 Nguyên lý chung [2,3,4]

Đây là phơng pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí

(CHO)nNS + O2→ CO2 + H2O + sinh khối vi sinh + sản phẩm chính + các chất trung gian + CH4 + H2 + NH4 + H2S + năng lợng

ở điều kiện yếm khí sinh khối vi sinh vật đợc tạo thành ít, ngoài các chấttrung gian tới (70%) có một sản đợc quan tâm nhiều là metan Vì ngời ta cũng dựavào qui trình này để thu metan và quá trình này còn đợc gọi là lên men metan

Các phơng pháp yếm khí đợc dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quátrình xử lý bằng phơng pháp sinh học, cũng nh nớc thải công nghiệp chứa hàm lợngcác chất hữu cơ cao (BOD = 4 ữ 5 g/l) Đây là phơng pháp cổ điển nhất dùng để ổn

định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ

Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, ngời ta phân loại quá trình nàythành: lên men rợu, lên men axit lactic, lên men metan Những sản phẩm cuối cùngcủa quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4

Để xử lý nớc thải ngời ta sử dụng quá trình lên men khí metan Đó là quátrình phức tạp, diễn ra theo nhiều giai đoạn Cơ chế của quá trình này cha đợc biết

đến một cách chính xác và đầy đủ Nhng ngời ta giải thích quá trình lên men khímetan gồm hai pha: pha axit và pha kiềm ( hay pha metan)

 Trong pha axit Các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tuỳ tiện và vi

khuẩn yếm khí) hóa lỏng chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp

đó tạo thành các axit bậc thấp nh axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton

đihydrosunfua, CO2, H2

Các vi khuẩn kị khí thờng là vi khuẩn gram âm, không hình thành bào tửphân huỷ polysacarit để biến thành axit axetic, axit butyric và CO2 Có tới 30% sốchủng loại đã phân lập có khả năng tạo thành hydro Thành phần loài phụ thuộc vào

sự thay đổi của môi trờng

Khi có mặt xenlulo, các vi khuẩn sau đây sẽ chiếm đa số: Bacillus cereus, B.megateruim, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas riboflavina, Ps reptilovora,Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris Các vi khuẩn này đã đ-

ợc phân lập từ bể tiêu hoá kị khí sinh metan

Phế liệu giàu tinh bột tạo điều kiện cho Micrococcus candidus, M varians, M.urea, Bacillus cereus, B megaterium và Pseudomonas spp sinh trởng và phát triển

Phế liệu giàu protein thích hợp cho quần thể vi khuẩn sau đây: Clostridium,Bacillus cereus, B circulans B sphaericus, B subtilis, Micrococcus varians,Escherichia coli, Baracolo beterium intermedium, Pseudomonas coliforme vàPseudomonas spp.

Dầu béo thực vật kích thích sinh trởng của Micrococcus, Bacillus,Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas tại các bể tiêu hoá kị khí

Trong số vi khuẩn phân huỷ protein, cần chú ý đến giống Clostridium Chúng

có khá nhiều trong nớc thải chứa protein Các loài thuộc giống này kị khí, phân huỷrất mạnh protein và chia thành 3 nhóm:

 Clostridium nhóm I (Clostridium butylicum) phân huỷ trực tiếp tinh bột,sinh axit axetic chủ yếu là axit butylic

 Clostridium nhóm II phân huỷ protein sinh axit izovaleric và axit axetic

 Clostridium nhóm III (Clostridium perfringens), phân huỷ protein, khôngphân huỷ đờng, thu nhận năng lợng từ chuyển hoá các axit amin

Bảng2 Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ

Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ

(toC) Sản phẩmBacillus cereus 5.2 25 - 35 Axetic, lactic

Bacillus knolfekampi 5.2 - 8.0 25 - 35 Axetic, lactic

Bacillus megaterium 5.2 - 7.5 28 - 35 Axetic, lactic

Bacteroides succinigenes 5.2 - 7.5 25 - 35 Axetic, sucxicnicClostridium carnefectium 5.0 - 8.5 25 - 37 Formic, axetic

Clostridium cellobinharus 5.0 - 8.5 36 - 38 Lactic, etanol, CO2

Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 -51 Formic, axeitc

Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Lactic, sucxinic

Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Formic, axetic

Clostridium

thermocellulaseum 5.0 - 8.5 55 - 65

Lactic, sucxinic, etanol

Pseudomonas 2 3 - 42 Lactic, axetic, lactic, sucxinic, etanolRuminococcus sp

2 33 - 48 Formic, axetic,

sucxinic

 Trong pha kiềm Các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí

chuyển hoá các sản phẩm trung gian trên tạo thành CO2 và CH4

Những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinh trởng

và phát triển rất chậm Vi khuẩn sinh metan đợc chia thành 4 giống theo hình thái vàkhả năng bào tử:

 Methanobacterium hình que, không sinh bào tử

 Methanobacillus hình que, sinh bào tử

 Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi

 Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối

Đặc điểm của quá trình sinh metan là do tác dụng của một quần thể vi khuẩn.Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính gram âm, không di động, đa sốsinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt Chúng có thể sử dụng NH3 làm nguồn nitơ.Chúng phát triển rất chậm Sau khi cấy trên môi trờng dinh dỡng vài tuần mới pháttriển thành những dạng hoạt động

Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với môi trờng, đặc biệt là rất bị ứcchế bởi sự có mặt của các kim loại có trong môi trờng

Nguồn cacbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản, nh các axitfocmic, butiric, propionic, axetic, rợu metanol, etanol, khí H2, CO2, CO Để các vikhuẩn metan phát triển bình thờng trong môi trờng cần phải có đủ CO2 và các chấtchứa nitơ Nếu trờng hợp môi trờng lên men thiếu thì phải bổ sung Nguồn nitơ tốtnhất đối với vi khuẩn metan là amon cacbonat và amon clorua Đặc biệt là vi khuẩnmetan không sử dụng nitơ trong các axit amin Để quá trình lên men tiến hành bìnhthờng thì lợng nitơ cần thiết trong môi trờng theo tỉ lệ sau: C/N là 20:1

Bảng 3 Một số vi khuẩn sinh metan

Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ(0C) Axit bị chuyển hoáMethanobacterium

omelianskii 6,5 - 8 37 - 40 CO2, H2, rợu I và II

Methanoformicum H2, CO2, formic axit

Methanosuboxydans Axit butyric, axit

valeric, caprionicMethanoruminanticum H2, axit formicMethanococcus vanirielii 1,4 - 9,0 Axit formic và H2

Methanococcuss mazei 30 - 37 Axit axetic, axit butyricMethanosarcina

methanica 35 -37 Axit axetic, butyricMethanosarcina barkerli 7,0 30 CO2, H2, axit axetic,

toàn bộ quá trình gần nh bằng không Do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trờng

có thể giảm mạnh

Phản ứng chính tạo thành metan có thể xảy ra nh sau:

CO2 + 4 H2A → CH4 + 4 A + 2 H2O trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro

Cũng có thể xảy ra các phản ứng khác (khi có và khi không có hydro ):

vi khuẩn khử sunfat sẽ khử SO42- thành H2S nh sau:

5 H2A + SO42- → 5 A + H2S + 4 H2O Ngoài ra còn có cả quá trình đề nitrat hoá:

6 H2A + 2 NO3- → 6 A + H2O + N2 Tóm lại quá trình lên men metan gồm ba giai đoạn:

 Giai đoạn lỏng hoá nguyên liệu đầu để vi khuẩn dễ sử dụng các chất dinhdỡng

 Giai đoạn tạo thành axit:

H2A → các axit hữu cơ (CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH)

 Giai đoạn tạo thành mêtan:

đều dinh dỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng khi sảnphẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng – rắn.

 Tỷ số C/N: Tỷ số C/N tối u cho quá trình là (25 ữ 30)

 pH: pH tối u cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 đến7,5

Do lợng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trớc khi quan sát thấy pH thay đổi,nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thìhàm lợng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo CH4

 Ngoài ra phải kể đến ảnh hởng của dòng vi khuẩn, thời gian lu cần đủ để

đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hoá chất

độc, đặc biệt là các kim loại nặng (Cu, Ni, Zn ), hàm lợng NH3 và sunfua quá dcùng một số hợp chất hữu cơ khác

1.3.3.2 Vai trò của dị dỡng trong qúa trình xử lý yếm khí [5]

Các sinh vật mà sử dụng cacbon từ các hợp chất hữu cơ cho sự sinh trởng

đ-ợc gọi là dị dỡng

Dị dỡng là nguyên nhân làm giảm các chất thải Bằng việc tiêu hoá yếm khí

này, các vi sinh vật yếm khí đã xử lý bùn từ quá trình xử lý nớc thải công nghiệp vànớc thải thành phố kể cả trờng hợp nớc thải công nghiệp có nồng độ đậm đặc Cácsinh vật thuộc nhóm này bao gồm các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc hoặc vi sinh vật

kỵ khí không bắt buộc Mật độ của dị dỡng trong sự tiêu hoá vi sinh vật kị khí cóthể là 109 ữ 1010 tế bào / ml

Trong sự tiêu hoá vi sinh vật yếm khí hỗn hợp các đại phân tử hữu cơ baogồm sinh khối vi sinh vật, đợc khử trùng hợp (sự phân ly các hợp chất phân tử thànhcác phân tử nhỏ) sau đó là các quá trình trao đổi chính tạo thành các axit béo, CO2

và khí H2 Khí H2 ngay sau đó có thể đợc sử dụng để tạo ra CH4 Trong xử lý chấtthải bằng yếm khí , một số lợng lớn các sinh vật khác tham gia trong quá trình này,bao gồm các sinh vật hydrolyzing, các vi sinh vật tạo axit, các vi sinh vật tạo khímetan Metan đợc tạo ra bằng cách khử trực tiếp các nhóm metyl hoặc bằng cáchkhử CO2 thành CH4, khí H2 đợc sử dụng nh là tác nhân khử Vài vi khuẩn dị dỡngtrong sự tiêu hoá vi sinh vật yếm khí là :

Clostridium Mạng tế bào, protêin và làm giảm axit nucleicBacteroides Mạng tế bào, protêin và làm giảm tinh bột

Ruminococcus Làm giảm mạng tế bào

Bacillus Làm giảm mạng tế bào

Succinimonas Làm giảm tinh bột

Streptococcus Làm giảm tinh bột

Anaerovibrio Làm giảm chất béo

Succinovibrio Lên men gluco

Eubacterium Lên men gluco

Lactobacillus Lên men gluco

Veillonella Làm giảm sự tiết ra sữa

Methanobacterium Sản xuất metan

Methanobrevibacter Sản xuất metan

Methanococcus Sản xuất metan

Methanosarcina Sản xuất metan

1.3.3.3 Vai trò của tự dỡng trong quá trình xử lý nớc thải [5]

Vi khuẩn tự dỡng đóng vai trò quan trọng trong sự tuần hoàn các nguyên tốtrong môi trờng tự nhiên và trong các quá trình xử lý nớc thải Các sinh vật này nhậncacbon từ cacbondioxit và do vậy nó không trực tiếp đóng góp trực tiếp đến nhu cầuoxi sinh hoá (BOD) Chúng nhận năng lợng từ sự oxi hóa các hợp chất vô cơ có mặttrong chất thải hoặc lấy từ việc phá huỷ các chất dinh dỡng bằng dị dỡng Ví dụ, cácchất nền cho sự tự dỡng bao gồm: NH3, NO2-, H2S, S và khí H2 Hầu hết sự dị dỡnghoá học là vi khuẩn a khí bắt buộc, tất cả các vi khuẩn quang tự dỡng (ngoại trừcyanobacteria ) là các vi khuẩn yếm khí Các nhóm vi khuẩn dị dỡng hoá học lớn vànguồn năng lợng của chúng là:

Nhóm Loại Oxi hoá chất nền và sản

Vi khuẩn Fe Sphaerotilus fero → ferit

Leptothrix fero → feritCrenothrix fero → feritGallionella fero → ferit

1.3.3.4 Các chu trình trong xử lý yếm khí [5]

Trong môi trờng trung tính và trong các quá trình xử lý nớc thải, các vi sinhvật không có chức năng trong sự cô lập nhng nó sẽ có tác động lẫn nhau để tiếnhành vận chuyển nớc Một số vi sinh vật tiến hành bẻ gẫy các phân tử lớn (nh mạng

tế bào của thực vật và các protein) ở đó có sự làm giảm các sản phẩm khác của hoạt

động trao đổi chất của chúng (nh gluco và aminoaxit ) Vài vi sinh vật phải làm việccùng với nhau để làm giảm chất đơn giản Do đó, để có kết qủa xử lý cao cần phải

có sự tác động thích hợp của tự dỡng và dị dỡng Tác động sinh học của nhiều vikhuẩn là có ý nghĩa nhất trong chu trình sinh học của các nguyên tố

 Chu trình cacbon Cacbon đợc quay vòng giữa CO2 và các chất hữu cơ đợcchỉ ra ở hình 1.

Hình 1 Chu trình cacbon

Các thực vật và các sinh vật quang tổng hợp có liên quan tới sự chuyển đổi tựdỡng của CO2 không khí thành sinh khối CO2 đợc quay vòng trở lại không khí bằng

sự tự dỡng nhờ sự hô hấp của vi khuẩn hiếu khí và lên men Trong điều kiện hoạt

động của các vi sinh vật yếm khí, các chất hữu cơ có thể không bao giờ bị oxi hoáhoàn toàn thành CO2 Tỷ lệ của chất nền ban đầu phải đợc sử dụng nh là chất nhậnelectron cuối cùng, mà thông qua sự lên men sẽ tạo ra các hợp chất hữu cơ có phân

tử lợng nhỏ nh: axetat, lactat, etanol và metan

 Chu trình nitơ Những hoạt động của các sinh vật là thiết yếu trong sự duytrì hoạt của chu trình nitơ đợc chỉ ra ở hình 2

Cáchợp chất hữu cơ

CH2O

Sinh tr ởng và hô hấp của thực vật,

động vật và vi sinh vật

Các hợp chất hữu cơ

CH2O

Sự lên men

Sự hô hấp của vi sinh vật yếm khí

Vi khuẩn ánh sáng

Sinh khối các hợp chất của nitơ

Hình 2 Chu trình nitơ

Amoni đợc giải phóng ra đầu tiên từ các hợp chất hữu cơ, nh protein bằng dị ỡng Mặc dù vài amoni không thể kết lại bằng các sinh vật khi chúng tăng trởng,phần còn lại đợc giải phóng vào môi trờng Dới các điều kiện yếm khí , amonikhông thể bị oxi hoá Chỉ một lợng nhỏ có thể đợc chuyển đi bằng sự đồng hoá đểphát triển các vi sinh vật Dới các điều kiện yếm khí, nitrat có thể đợc chuyển thànhkhí N2 bằng vi khuẩn dị dỡng denitrat hoá Điều này đòi hỏi sự có mặt của các hợpchất hữu cơ để sử dụng khi có nguồn năng lợng khử

d- Chu trình sunfua Mặc dù đựợc đòi hỏi một lợng nhỏ nitơ nhng lu huỳnh

là một chất dinh dỡng cần thiết Việc làm giảm chất thải thành phố bằng vi khuẩn dịdỡng là kết quả của việc giải phóng ra sunfat Chu trình sunfua đợc chỉ ra ở hình 3

Đồng hoá cho

định nitỏ

Các chất thải hữu cơ chứa S

Hình 3 Chu trình sunfua

Dới các điều kiện yếm khí, các hợp chất hữu cơ đợc oxi hóa và sunfat đợckhử H2S bằng Desulfovibrio H2S không trao đổi chất dới các điều kiện kị khí ngoạitrừ vi khuẩn quang tự dỡng mà sử dụng H2S nh chất cho electron

1.3.3.5 Xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học kị khí [4]

1.3.3.5.1 Lên men bùn cặn

Phơng pháp này đợc dùng để xử lý nớc thải công nghiệp chứa hàm lợng cácchất hữu cơ cao (BOD = 4 ữ 5g/l) Đây là phơng pháp cổ điển nhất dùng để ổn địnhbùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ

Do bùn cặn của nớc thải công nghiệp thờng có hàm lợng ẩm, các muối kimloại và các chất khử bẩn cao nên cần phải tiến hành quá trình lên men ở tải lợng thấphơn bình thờng 25 ữ 50%

Quá trình tạo khí metan đợc tiến hành trong các bể lên men có nguyên lý cấutạo nh sau:

Bùn thô

Vùng chứa bùn

Vùng phânhủy mạnh

Gia nhiệt bùn

N ớc raVùng n ớc

Khí sản phẩm ra

Két khí