Phương pháp nguyên cứu khoa học potx

Nội dung chínhXỬ LÝ NƯỚC THẢI • các chương trước quá trình xử lý sinh học thường theo sau quá trình xử lý cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩ

Phương pháp nguyên cứu

khoa học

Huỳnh Ngọc Tường

Lớp 08 sh112

Dùng vi sinh vật để sử lý

nước thải

• Lý do chon dề tài

hiện nay môi trường bi ô nhiễm khá nặng nề,từ nhiều dạng và nhiều hình thức các chất thải trong môi trường rất da dạng,rắn lỏng,khí,bụi,hơi.chúng làm giảm hệ sinh

thái,phá hủy bầu khí quyền

• Mục tiêu

tìm ra giải pháp tốt nhất dùng sinh vật có sẵn làm giảm ô nhiễm môi trường ít tốn

chi phí hơn Vấn đề còn lại là cơ chế tài chính và cơ chế thanh quyết toán cho các công trình đã và đang làm

• Đối tượng

các khu chế xuất,các khu công

nghiệp,các chất hữu cơ nông nghiệp,các công ty có nhiều nước thải độc hại

Nội dung chính

XỬ LÝ NƯỚC THẢI

• các chương trước quá trình xử lý sinh học thường theo

sau quá trình xử lý cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩn Tùy

theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau Tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng

ao hồ có sẵn hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý.

• Quá trình hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc (tùy

nghi)

• Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học có hiệu

quả chúng ta phải nắm vững các kiến thức sinh học có liên quan đến quá trình xử.

• lý Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu

cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành

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

giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium,

Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát

hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và

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

trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính Ví dụ như các nguyên

sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra

sạch hơn về mặt vi sinh

khuẩn có sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi khuẩn Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định có thể dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như là một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn:

• Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào

hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào

bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng Tốc

độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào

và lượng thức ăn trong môi trường

được giữ ở một số lượng ổn định Nguyên nhân của giai đoạn này

là (a) các chất dinh dưỡngcần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi

vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường

• Một đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý

• Cũng cần nó thêm rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng

trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc Thực tế

trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thị tăng trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về

thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của 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 cho loài đó Sự biến

động về các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lý được biểu diễn trong hình bên dưới Khi thiết kế và vận hành hệ

thống xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật này, không nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật.

• Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh

vật trong bể xử lý nước thải

• Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse,

disposal, 1991

•

• Như đã nói ở trên vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng

đầu trong các bể xử lý nước thải Do đó trong các bể

này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể Điều này có thể thực hiện thông qua quá trình thiết kế và vận hành Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán

chính xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý

và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn có thể sinh sản được Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn ) phải được điều

chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn

• Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của các công trình xử lý nước

thải hiếu khí

• LoạiCác yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công trìnhBùn hoạt

tínhLoại bể phản ứngThời gian lưu của nước thải trong bể phản ứngChế độ nạp nước thải và các chất hữu cơHiệu suất sục khíThời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứngTỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M)Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về

bể phản ứngCác chất dinh dưỡngCác yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH)Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu nàyChế độ nạp nước thải và các chất hữu cơHiệu suất thông khíTỉ lệ hoàn lưuCách sắp xếp các cột lọcCách phân phối lưu lượng

nướcĐĩa quay sinh họcSố bể, đĩaChế độ nạp nước thải và các chất hữu cơBộ phận truyền độngMật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩaVận tốc quayCác

trục quayĐộ ngập nước của đĩaTỉ lệ hoàn lưuLoạiCác yếu tố ảnh hưởng

đến hoạt động của công trìnhBùn hoạt tínhLoại bể phản ứngThời gian

lưu của nước thải trong bể phản ứngChế độ nạp nước thải và các chất hữu cơHiệu suất sục khíThời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứngTỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M)Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứngCác chất dinh

dưỡngCác yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH)Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu nàyChế độ nạp nước thải và các chất hữu cơHiệu suất thông khíTỉ lệ hoàn lưuCách sắp xếp các cột lọcCách phân phối lưu lượng nướcĐĩa quay sinh họcSố bể, đĩaChế độ nạp nước thải và các chất hữu cơBộ phận truyền độngMật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩaVận tốc quayCác trục quayĐộ ngập nước của đĩaTỉ lệ hoàn lưu

• Quá trình yếm khí

• Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng

phương trình sau đây:

• Chất hữu cơlên men -> yếm khíCH4 + CO2 + H2

+ NH3 + H2SHỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas Thành phần của Biogas như sau:

•

• Methane (CH4) 55 ¸ 65%Carbon dioxide (CO2) 35 ¸

45%Nitrogen (N2) 0 ¸ 3%Hydrogen (H2) 0 ¸ 1%Hydrogen Sulphide (H2S) 0 ¸ 1%

• Methane có nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m3) Do

đó, nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500 ¸ 6.000

kcal/m3, tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong Biogas.

giai đoạn chính như sau:

IITạo axid acetic, H2 Giai đoạn IIISinh CH4

• Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí

chóng nếu như chất thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng

để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt động vào mẻ ủ) Hàm

lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều

chỉnh ở mức 5 ¸ 10%, 90 ¸ 95% còn lại là nước

•

hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí:

ưa ấm

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 hãm hoàn

toàn ở 65oC trở lên

• Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường

thấp; do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí sản xuất được giảm

mạnh Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp,

hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm ủ Ngoài ra người ta còn dùng các tấm nhựa trong

để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5 ¸

10oC, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên

bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ.

• Ảnh hưởng của độ mặn

• Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước

TTNLM đã tìm hiểu khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước Kết quả cho thấy vi

khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí

không bị giảm đáng kể Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 1988).

•

• Các chất dinh dưỡng

• Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu

nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 ¸ 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25 ¸ 30 lần Các nguyên tố khác như P, Na, K và

Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định.

• Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity)

• pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 ¸ 7,6 tối

ưu trong khoảng 7 ¸ 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đó pH của hầm ủ có khi hạ

xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn methane Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ

để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại

người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để

trung hòa pH của hầm ủ.

• Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 ¸

5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu

nạp.

• Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp

tố sau:

VS/m3/ngày

khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane

•

tiêu cực đến quá trình sinh khí methane Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí

kháng Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác Hiện tượng đối kháng

là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác

• Xử lý nước thải bằng tảo

• Tảo là nhóm vi sinh vật có khả năng quang hợp, chúng có thể ở dạng đơn bào (vài loài có kích thước nhỏ hơn một số vi khuẩn), hoặc đa bào (như các loài rong biển, có chiều dài tới vài mét) Các nhà phân loại thực vật dựa trên các loại sản phẩm mà tảo tổng hợp được và chứa trong tế bào của chúng, các loại sắc tố của tảo để phân loại chúng.

• Tảo có tốc độ sinh trưởng nhanh, chịu đựng được các thay đổi của môi trường, có

khả năng phát triển trong nước thải, có giá trị dinh dưỡng và hàm lượng protein cao,

do đó người ta đã lợi dụng các đặc điểm này của tảo

• 1 Xử lý nước thải và tái sử dụng chất dinh dưỡng Các hoạt động sinh học trong

các ao nuôi tảo lấy đi các chất hữu cơ và dinh dưỡng của nước thải chuyển đổi

thành các chất dinh dưỡng trong tế bào tảo qua quá trình quang hợp Hầu hết các loại nước thải đô thị, nông nghiệp, phân gia súc đều có thể được xử lý bằng hệ thống

ao tảo

• 2 Biến năng lượng mặt trời sang năng lượng trong các cơ thể sinh vật Tảo

dùng năng lượng mặt trời để quang hợp tạo nên đường, tinh bột Do đó việc sử dụng tảo để xử lý nước thải được coi là một phương pháp hữu hiệu để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng của cơ thể sống

• Tiêu diệt các mầm bệnh Thông qua việc xử lý nước thải bằng cách nuôi tảo các

mầm bệnh có trong nước thải sẽ bị tiêu diệt do các yếu tố sau đây:

• Sự thay đổi pH trong ngày của ao tảo do ảnh hưởng của quá trình quang hợp

• Các độc tố tiết ra từ tế bào tảo

• Và sự tiếp xúc của các mầm bệnh với bức xạ mặt trời (UV)

• Thông thường người ta kết hợp việc xử lý nước thải và sản xuất và thu hoạch tảo để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải Tuy nhiên tảo rất khó thu hoạch (do kích thước rất nhỏ), đa số có thành

• tế bào dày do đó các động vật rất khó tiêu hóa, thường bị nhiễm bẩn bởi

kim loại nặng, thuốc trừ sâu, các mầm bệnh còn lại trong nước thải.

• Thủy sinh thực vật là các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước,

nó có thể gây nên một số bất lợi cho con người do việc phát triển nhanh và phân bố rộng của chúng Tuy nhiên lợi dụng chúng để xử lý nước thải, làm phân compost, thức ăn cho người, gia súc có thể làm giảm thiểu các bất lợi gây ra bởi chúng mà còn thu thêm được lợi nhuận

• Các loại thủy sinh thực vật chính

• Thủy thực vật sống chìm: loại thủy thực vật này phát triển dưới mặt nước

và chỉ phát triển được ở các nguồn nước có đủ ánh sáng Chúng gây nên các tác hại như làm tăng độ đục của nguồn nước, ngăn cản sự khuyếch tán của ánh sáng vào nước Do đó các loài thủy sinh thực vật này không hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải.

• Thủy thực vật sống trôi nổi: rễ của loại thực vật này không bám vào đất mà

lơ lửng trên mặt nước, thân và lá của nó phát triển trên mặt nước Nó trôi nổi trên mặt nước theo gió và dòng nước Rễ của chúng tạo điều kiện cho

vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải.

• Thủy thực vật sống nổi: loại thủy thực vật này có rễ bám vào đất nhưng

thân và lá phát triển trên mặt nước Loại này thường sống ở những nơi có chế độ thủy triều ổn địn

• I QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ CỦA VI KHUẨN

•

• 1 Những đặc tính chính

•

chuyển hoá các hợp chất hữu cơ thành khí methan Quá trình tạo ra khí methan là một hiện tượng thông thường trong một số môi

trường tự nhiên khác nhau, như băng sơn, các lớp trầm tích, đầm lầy, dạ dày các loài ăn cỏ hay ở các giếng dầu Quá trình hình

thành khí methan của vi sinh tự nhiên được phát hiện từ hơn một thế kỷ trước Các cơ thể vi sinh liên quan đến quá trình hiếu khí,

yếm khí hầu hết đều từ vi khuẩn

•

chất bùn thải Tuy nhiên trong những năm gần đây, nó mới được dùng để xử lý nước thải Điều này đã có thể trở thành một sự hiểu biết đầy đủ hơn về quá trình vi sinh học này và thông qua các cải tiến trong thiết kế các bồn phản ứng

•

• Quá trình phân hủy yếm khí dùng CO2 có sẵn như một tác nhân

nhận điện tử làm nguồn ôxy của nó Quá trình này không đòi hỏi ôxy vì việc cung cấp ôxy sẽ làm tăng đáng kể chi phí xử lý nước thải

20 lần so với quá trình hiếu khí), vì năng lượng do vi khuẩn yếm khí tạo ra tương đối thấp Hầu hết năng lượng rút ra từ sự phân hủy chất nền là từ sản phẩm cuối cùng đó là CH4 Đối với việc tạo tế bào 50% cácbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối

trong các điều kiện yếm khí Khối lượng tịnh của tế bào được tạo

ra trên một tấn COD (nhu cầu oxygen hóa học) đã phân hủy là từ

20 đến 150 kg, so với 400 đến 600 kg của quá trình phân hủy hiếu khí

methan Chất khí này có chứa 90% năng lượng, có thể dùng để đốt tại chỗ cho các lò phân hủy chất thải, hay dùng để sản xuất điện năng Khoảng 3 -5% bị thải bỏ dưới hình thức nhiệt Việc tạo ra mêtan góp phần làm giảm BOD (nhu cầu oxygen sinh hóa) trong bùn đã bị phân hủy

• 4 Các yếu tố kiểm soát quá trình phân hủy yếm khí

độ pH, thành phần hoá chất của nước thải, sự cạnh tranh giữa các nhóm vi khuẩn tạo mêtan và nhóm giảm sulfate và sự hiện diện của các chất độc

•

Trong các qui trình xử lý nước thải, quá trình phân hủy yếm khí diễn

ra ở phạm vi nhiệt độ ôn hoà từ 25 đến 40oC, nhiệt độ tối ưu vào khoảng 35oC, trong trường hợp này sẽ cho làm cho công suất hoạt động cao hơn và dẫn đến tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh Một hạn chế của nó là rất nhạy với các chất độc Bởi vì sự sinh trưởng của

nó chậm hơn so với nhóm vi khuẩn tạo axít, nhóm tạo mêtan rất

nhạy đối với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ dẫn đến làm giảm tỷ lệ sinh trưởng riêng tối đa đồng thời làm tăng hệ số bán bão hoà Như thế nên thiết kế bồn phân hủy ở nhiệt độ ôn hoà từ 30 đến 35oC để

có thể hoạt động một cách tối ưu

•