Thử nghiệm công nghệ Swim bed xử lý nước thải chế biến thủy sản mô hình phòng thí nghiệm

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨUĐánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải chếbiến thủy sản theo công nghệ swim-bed với thiết kế bể hiếu khí và giá thể nhúngchìm.. Ý NGHĨA

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.6 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG 4

1.6.1 Phạm vi nghiên cứu 4

1.6.2 Đối tượng nghiên cứu 4

1.7 Ý NGHĨA KHOA HỌC 4

1.8 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 4

1.9 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 6

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN 7

2.1.1 Thành phần và tính chất nước thải chế biến thủy sản 7

2.1.2 Nguồn gốc phát sinh và tác động của nước thải chế biến thủy sản tới môi trường 8

2.1.3 Tác động của nước thải chế biến thủy sản tới môi trường: 9

2.2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 11

2.2.1 Sinh học tự nhiên 13

2.2.2 Sinh học nhân tạo 15

2.2.3 Vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải 19

2.2.4 Các quá trình sinh hóa xảy ra trong xử lý nước thải 29

2.3 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐƯỢC XỬ DỤNG PHỔ BIẾN ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN HIỆN NAY 36

2.4 CÔNG NGHỆ SWIM-BED 39

2.4.1 Giới thiệu 39

2.4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 40

2.4.3 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước 40

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

3.1 VẬT LIỆU 43

3.1.1 Nước thải 43

3.1.2 Mô hình 43

3.1.3 Giá thể 45

3.1.4 Bùn 46

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

3.2.1 Xác định các thông số của bùn và của nước thải đầu vào 47

3.2.1.1 Xác định các thông số của bùn 47

3.2.1.2 Xác định các thông số đầu vào của nước thải 47

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

4.1 GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI 50

4.1.1 Hiệu quả xử lý COD 50

4.1.2 Hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng 52

4.2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ 53

4.2.1 Hiệu quả xử lý COD 53

4.2.2 Hiệu quả xử lý dinh dưỡng 54

4.2.2.1 Hiệu quả xử lý Nitơ: 54

4.2.2.2 Hiệu quả xử lý phospho: 57

4.3 ĐÁNH GIÁ SINH KHỐI TẠO THÀNH: 58

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 59

5.1 KẾT LUẬN 60

5.2 ĐỀ XUẤT 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các thông số ô nhiễm đặc trưng của nước thải thuỷ sản 7

Bảng 2.2: Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu được ứng dụng để xử lý nước thải 12

Bảng 2.3: Một số vi khuẩn tham gia vào quá trình sinh học xử lý nước thải 23

Bảng 3.1: Các phương pháp phân tích nước thải 47

Bảng 4.1: Sự biến thiên của COD 50

Bảng 4.2 Sự biến thiên các thông số cuối giai đoạn thích nghi 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn sự tăng trưởng của vi sinh vật trong nước thải 20

Hình 2.2: Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải 22

Hình 2.3: Desulfovibrio 25

Hình 2.4: Vi khuẩn Pseudomonas 26

Hình 2.5:Bacillus 27

Hình 2.6: Cytophaga 27

Hình 2.7: Zooglea 28

Hình 2.8: Microthrix parvicella 28

Hình 2.9: Chuyển hóa nitơ trong quá trình xử lý sinh học 32

Hình 2.10: Quá trình bùn hoạt tính 34

Hình 2.11: Sơ đồ dây chuyền xử lý phospho 35

Hình 2.12: Sơ đồ dây chuyền khử nitơ và phospho kết hợp 35

Hình 2.13: Quy trình xử lý nước thải của nhà máy chế biến thủy sản Gia Hòa 37

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm 44

Hình 3.2: Giá thể biofringe 45

Hình 3.3 Cấu trúc giá thể bio-fringe 46

Hình 4.1: Đồ thị biến thiên COD và hiệu quả xử lý theo thời gian 51

Hình 4.2: Đồ thị biến thiên COD đầu vào, đầu ra và hiệu suất theo thời gian 53

Hình 4.4: Đồ thị biến thiên T-N đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý nitơ theo thời gian 54

Hình 4.5: Đồ thị biến thiên N- NO2- theo thời gian 55

Hình 4.6: Đồ thị biến thiên N-NO3- theo thời gian 56

Hình 4.7: Sự biến thiên pH đầu vào và ra theo thời gian 57

Hình 4.8: Đồ thị biến thiên phopho đầu vào, đầu ra và hiệu suất xử lý phospho theo thời gian 57

Hình 4.9: Sinh khối dính bám trên giá thể 58

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DO: oxy hòa tan (Biological Oxygen Demand)

BOD: Nhu cần oxy sinh hóa (Chemical Oxygen demand)

COD: Nhu cầu oxy hóa học (Suspended Solid)

SS: Tổng chất rắn lơ lững (total slid)

T-N: Tổng Nitơ (total nitrogen)

TKN: Tổng nitơ kjeldal (total kjeldal nitrogen)

T-P: tổng phsphor (total phosphorus)

MLSS: Hàm lượng chất rắn lơ lững trong hỗn hợp bùn (mixed liquor

supended solids)

CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nước Việt Nam với đường bờ biển kéo dài và nằm trong khu vực nhiệt đớigió mùa khí hậu ôn hòa nên có nguồn thủy sinh rất phong phú Với điều kiệnthuận lợi như thế Việt Nam nhanh chóng phát triển ngành nuôi trồng và chế biếnthủy sản Đặc biệt là trong những năm gần đây với việc gia nhập tổ chức thươngmại thế giới WTO thì mặt hàng thủy sản của nước ta đã có mặt trên thị trườngnhiều nước trong khu vực và trên thế giới Ngành chế biến thủy sản đã đem lạimột nguồn lợi lớn cho nền kinh tế nước ta Tuy nhiên việc phát triển ngành chếbiến thủy sản lại đặt ra một vấn đề khó khăn và cấp bách là nước thải từ các nhàmáy chế biến thủy sản có mức độ ô nhiễm rất cao không những thế còn có mùihôi rất khó chịu Hiện nay, nước thải này được xử lý bằng nhiều biện pháp khácnhau tuy nhiên nhìn chung hiệu quả xử lý chưa cao Vấn đề đặt ra là nghiên cứutìm ra giải pháp mới có thể nâng cao hiệu quả xử lý nhằm đem lại hiệu quả kinh

tế, kỹ thuật đồng thời giải quyết vấn đề về môi trường Kenji Furukawa và cộng

sự thuộc trường Đại học Tổng hợp Kumamoto đã nghiên cứu công nghệ mới xử

lý nước thải bằng phương pháp sinh học kết hợp giữa bể phản ứng giá thể cốđịnh và bể phản ứng tầng sôi gọi là công nghệ Swim-bed Theo nghiên cứu củaKenji Furukawa và cộng sự công nghệ swim-bed có hiệu quả xử lý có thể đạt80%COD ở tải trọng thể tích cao đến 12 kg/m3ngày với thời gian lưu nước ngắn,

do đó sẽ có tính khả thi khi áp dụng để xử lý nước thải chế biến thủy sản Trên

cơ sở đó đề tài này sẽ nghiên cứu thử nghiệm việc xử lý nước thải chế biến thủysản theo công nghệ swim-bed với mô hình thử nghiệm đặt trong phòng thínghiệm là bể hiếu khí với giá thể nhúng chìm theo kiểu swim-bed

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải chếbiến thủy sản theo công nghệ swim-bed với thiết kế bể hiếu khí và giá thể nhúngchìm

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Áp dụng công nghệ swim-bed xử lý nước thải chế biến thủy sản thay thếcho các công nghệ hiện hành để nâng cao hiệu quả xử lý

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Lấy nước thải của nhà máy chế biến thủy sản và phân tích các thông sốđặc trưng

- Thiết kế mô hình xử lý sinh học hiếu khí với giá thể nhúng chìm theo kiểuswim-bed trong phòng thí nghiệm

+ Nitrit + Đánh giá sinh khối tạo thành

N-NO2-1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tham khảo tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước

- Thiết kế và vận hành nghiên cứu mô hình với quy mô phòng thí nghiệm

- Phương pháp lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu

- Phương pháp phân tích, xử lý số liệu, vẽ đồ thị và viết báo cáo

1.6 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG

1.6.1 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu được thực hiện với quy mô phòng thí nghiệm

- Các thông số theo dõi:

+ Nitrit + Đánh giá sinh khối tạo thành

N-NO2-1.6.2 Đối tượng nghiên cứu

- Nước thải của nhà máy chế biến thủy sản được lấy sau bể lắng 1 của khu chế

biến và kinh doanh thủy hải sản thuộc Trung tâm thương mại Bình Điền.

- Giá thể: bio-fringe được sản xuất tại Nhật

- Bùn hoạt tính được lấy từ bể hiếu khí của khu chế biến và kinh doanh thủy

hải sản thuộc Trung tâm thương mại Bình Điền.

- Mô hình sinh học hiếu khí với giá thể nhúng chìm theo kiểu swim-bed, có thể tích 11 lít được thiết kế ở quy mô phòng thí nghiệm

1.7 Ý NGHĨA KHOA HỌC

Công nghệ swim-bed là sự kết hợp quá trình sinh trưởng lơ lững và quátrình sinh trưởng dính bám Điều này giúp nâng cao nồng độ và hoạt tính củasinh khối Từ đó tăng tốc độ phân hủy các chất hữu cơ của vi sinh vật, nâng caohiệu quả xử lý

1.8 Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Với công nghệ Swim-bed các thành phần gây ra ô nhiễm trong nước thảichế biến thủy sản được xử lý tương đối triệt để nâng cao hiệu quả xử lý có thểđảm bảo nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn về mặt môi trường Ngoài ra, côngnghệ này có lượng bùn sinh ra thấp, thể tích công trình nhỏ, tiết kiệm diện tích

và dễ dàng cho việc nâng cấp và nâng cao tải trọng xử lý

1.9 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay các công nghệ sử dụng để xử lý nước thải chế biến thủy sản cònnhiều hạn chế, hiệu quả xử lý chưa cao Công nghệ swim-bed với giá thể nhúngchìm cho phép tập trung nồng độ sinh khối cao do đó sẽ rất thích hợp cho việc

xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và dinh dưỡng cao như nước thải chế

biến thủy sản Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ swim-bed vào xử

lý nước thải chế biến thủy sản là một công nghệ mới và cần thiết

Công nghệ Swim-bed đối với Việt Nam hiện còn khá mới mẻ Các nghiêncứu về công nghệ Swim-bed vẫn còn nhiều hạn chế và chỉ mới dừng lại ở việcthử nghiệm hiệu quả xử lý

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN

Nước thải chế biến thủy sản là dung dịch thải từ nhà máy, công ty, xínghiệp…sử dụng các quy trình công nghệ sản xuất các sản phẩm thủy sản như:đông lạnh, đồ hộp, nước mắm, bột cá, agar…

2.1.1 Thành phần và tính chất nước thải chế biến thủy sản

Nước thải nhà máy chế biến thủy sản được đặc trưng bởi hàm lượng ônhiễm chất hữu cơ và nitơ cao Cho phép xử lý nước thải theo phương pháp sinhhọc đạt hiệu quả cao

Mỗi công ty, nhà máy, phân xưởng, xí nghiệp… thì sẽ có thành phần vàtính chất nước thải khác nhau phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, cơ sở côngnghệ, tình trạng máy móc, quy mô sản xuất, … Theo kết quả khảo sát tại một sốcông ty chế biến thủy sản thì các thông số đặc trưng của nước thải thủy sản cóthể dao động trong khoảng của bảng sau:

Bảng 2.1: Các thông số ô nhiễm đặc trưng của nước thải thuỷ sản

Nước thải các cơ sở chế biến thủy sản chứa các thành phần chất hữu cơ vàcác chất dinh dưỡng với hàm lượng cao, nếu thải ra môi trường sẽ tạo điều kiệncho các vi sinh vật phát triển mạnh, gây ô nhiễm môi trường nặng nề.

2.1.2 Nguồn gốc phát sinh và tác động của nước thải chế biến thủy sản

tới môi trường

Các nguồn gây ô nhiễm chủ yếu trong các công ty chế biến thủy sản thườngđược phân chia thành 3 dạng: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí Trongquá trình sản xuất còn gây ra các nguồn ô nhiễm khác như tiếng ồn, độ rung vàkhả năng gây cháy nổ

Chất thải rắn

Chất thải rắn thu được từ quá trình chế biến tôm, mực, cá,sò có đầu vỏ tôm,

vỏ sò, da, mai mực, nội tạng… Thành phần chính của phế thải sản xuất các sảnphẩm thuỷ sản chủ yếu là các chất hữu cơ giàu đạm, canxi, phốtpho Toàn bộphế liệu này được tận dụng để chế biến các sản phẩm phụ, hoặc đem bán chodân làm thức ăn cho người, thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm hoặc thuỷ sản.Ngoài ra còn có một lượng nhỏ rác thải sinh hoạt, các bao bì, dây niềng hưhỏng hoặc đã qua sử dụng với thành phần đặc trưng của rác thải đô thị

Chất thải khí

Khí thải sinh ra từ công ty có thể là:

- Khí thải Chlor sinh ra trong quá trình khử trùng thiết bị, nhà xưởng chế biến

2.1.3 Tác động của nước thải chế biến thủy sản tới môi trường:

Nước thải chế biến thuỷ sản có hàm lượng các chất ô nhiễm cao nếu khôngđược xử lý sẽ gây ô nhiễm các nguồn nước mặt và nước ngầm trong khu vực.Đối với nước ngầm tầng nông, nước thải chế biến thuỷ sản có thể thấmxuống đất và gây ô nhiễm nước ngầm Các nguồn nước ngầm nhiễm các chấthữu cơ, dinh dưỡng và vi trùng rất khó xử lý thành nước sạch cung cấp cho sinhhoạt

Đối với các nguồn nước mặt, các chất ô nhiễm có trong nước thải chế biếnthuỷ sản sẽ làm suy thoái chất lượng nước, tác động xấu đến môi trường và thủysinh vật, cụ thể như sau:

Các chất hữu cơ

Các chất hữu cơ chứa trong nước thải chế biến thuỷ sản chủ yếu là dễ bịphân hủy Trong nước thải chứa các chất như cacbonhydrat, protein, chất béo khi xả vào nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do visinh vật sử dụng ôxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ Nồng độ oxy hòa tandưới 50% bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng tới sự phát triển của tôm, cá Oxyhòa tan giảm không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm giảm khảnăng tự làm sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinhhoạt và công nghiệp.

Chất rắn lơ lửng

Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu, nó hạn chế độ sâutầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng tới quá trình quang hợpcủa tảo, rong rêu Chất rắn lơ lửng cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đếntài nguyên thủy sinh đồng thời gây tác hại về mặt cảm quan (tăng độ đục nguồnnước) và gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè…

Chất dinh dưỡng (N, P)

Nồng độ các chất nitơ, photpho cao gây ra hiện tượng phát triển bùng nổcác loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây nên hiện tượngthiếu oxy Nếu nồng độ oxy giảm tới 0mg/l gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnhhưởng tới chất lượng nước của thủy vực Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặtnước tạo thành lớp màng khiến cho bên dưới không có ánh sáng Quá trìnhquang hợp của các thực vật tầng dưới bị ngưng trệ Tất cả các hiện tượng trêngây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thuỷ sinh, nghề nuôitrồng thuỷ sản, du lịch và cấp nước

Amonia rất độc cho tôm, cá dù ở nồng độ rất nhỏ Nồng độ làm chết tôm,

2.2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Xử lý nước thải bắng phương pháp sinh học là dựa trên cơ sở sử dụng cáchoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ra ô nhiễm Các

vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinhdưỡng và năng lượng để duy trì sự sống của chúng Trong quá trình sống, chúngnhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinhkhối của chúng được tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinhvật còn được gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa

Như vậy, nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học cuối cùng sẽlàm cho các chỉ tiêu COD và BOD giảm đến mức cho phép Để có thể xử lýbằng phương pháp này, nước thải không được chứa chất độc và tạp chất, cácmuối kim loại nặng, hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cựcđại cho phép và có tỷ số BOD/COD >= 0,5

Bảng 2.2 : Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu được ứng dụng để xử lý nước thải

Quá trình hiếu khí

Tăng trưởng lơ

lửng

Quá trình bùn họat tính Khử CBOD, nitrat hoá

Hồ làm thoáng Khử CBOD, nitrat hoáPhân huỷ hiếu khí Ổn định , khử CBODTăng trưởng bám

dính

Tiếp xúc sinh học quay Khử CBOD, nitrat hoá

trừ mầm bệnhTăng trưởng bám

dính

Kị khí tầng vật liệu cố định

và lơ lửng

Khử CBOD,ổn định chấtthải, khử nitrat

Bể kị khí dòng

chảy ngược

Xử lý kị khí dòng chảy ngược

qua lớp bùn( UASB)

Khử CBOD, đặc biệt là chất thải có nồng độ bẩn cao

Tăng trưởng lơ

lửng

Quá trình một hay nhiều bậc,mỗi quá trình có đặc trưng khác nhau

Khử CBOD,nitrat hoá,khử nitrat và loại bỏ photpho

Quá trình hồ

Hồ xử lý triệt để Hồ xử lý triệt để Khử CBOD,nitrat hoá

thải

2.2.1 Sinh học tự nhiên

Dựa vào các quá trình sinh học trong điều kiện tự nhiên ( đất, hồ nước ) để

xử lý Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp, thân thiện với môi trường Xử lý sinh học tự nhiên bao gồm các quá trình:

2.2.1.1 Ao sinh học

Ao sinh học là dãy ao gồm 3-5 bậc, qua đó nước thải được chảy với vận tốcnhỏ, được lắng trong và xử lý sinh học Các ao được ứng dụng để xử lý sinh học

và sử lý bổ sung trong tổ hợp các cxông trình xử lý khác Ao được chia ra làm

ao thông khí tự nhiên và nhân tạo Ao thông khí tự nhiên không sâu (0,5-1m),hấp thu nhiệt từ ánh sáng mặt trời và có chứa các hệ vi sinh vật Vi khuẩn sửdụng oxy trong sinh ra trong quá trình quang hợp của rêu, tảo và oxy tự nhiêntrong không khí để oxy hóa các chất ô nhiễm Rêu tảo tiêu thụ CO2, phosphate,nitrat amon, sinh ra từ sự phân hủy sinh học các chất hữu cơ Để hoạt động bìnhthường, ao sinh học cần phải đạt pH và nhiệt độ tối ưu Nhiệt độ trong nướckhông được thấp hơn 60C Trong tính toán, ta cần đảm bảo thời gian lưu cần

thiết và tốc độ oxy hóa ( được đánh giá theo BOD của chất phân hủy chậmnhất).

Để tăng vận tốc hòa tan oxy, nghĩa là tăng vận tốc oxy hóa, có thể phối hợpnhiều ao thông khí Sự thông khí được tiến hành bằng cơ khí hoặc cơ động Việcthông khí cho phép tăng tải trong lên 3-3,5 lần và tăng chiều sâu đến 3,5m

Để nạp không khí trong thông khí bằng khí động, người ta sử dụng máy nén

áp suất thấp Khi đó, ngoài sự bão hòa oxy, trong nước còn diễn ra sự khuấytrộn

Hệ thực vật trong nước như rêu, tảo cũng ảnh hưởng không nhỏ đến hiệuquả xử lý, và nó cũng tiêu thụ một phần các chất dinh dưỡng trong nước

2.2.1.2 Cánh đồng lọc và cánh đồng tưới

Đây là khu đất đồng thời sử dụng cho hai mục đích là xử lý nước thải vàgieo trồng Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên diễn ra dưới sự tác dụng của

hệ vi sinh vật trong đất, thực vật, ánh sáng mặt trời và không khí

Hệ vi sinh vật trong đất gồm có vi khuẩn, nấm, men, tảo, rêu, động vậtnguyên sinh và động vật không xương sống, ngoài ra trong nước thải cũng cónhiều vi khuẩn Trong lớp đất tích cực xuất hiện sự tương tác phức tạp của các

vi sinh vật có bậc cạnh tranh

Số lượng và thành phần của các vi sinh vật trong cánh đồng tưới phụ thuộcvào thời tiết trong năm Vào mùa đông số lượng vi sinh vật nhỏ hơn rất nhiều sovới mùa hè Nếu chỉ được xử lý sinh học nước thải và không gieo trồng thìchúng được gọi là cánh đồng lọc nước

Cánh đồng tưới, sau khi xử lý sinh học nước thải, làm ẩm và bón phânđược sử dụng để gieo trồng cây có hạt và cây ăn tươi, cỏ, rau cũng như câykhóm và cây bụi

Trong quá trình xử lý sinh học, nước thải đi qua lớp đất lọc, trong đó cáchạt lơ lững và keo được giữ lại, tạo thành màng trong lỗ xốp của đất Sau đó,màng này tiếp tục hấp phụ các hạt keo và các chất tan trong nước thải Oxy từ

không khí xâm nhập vào lỗ xốp, oxy hóa các chất hữu cơ, chuyển chúng thànhchất vô cơ Oxy khó xâm nhập vào lớp đất trong sâu, vì vậy quá trình oxy hóadiễn ra mãnh liệt nhất ở lớp đất phía trên (0,2-0,4m) Nếu không đủ oxy, trongđất sẽ xảy ra quá trình yếm khí Các cánh đồng lọc và cánh đồng tưới tốt nhấtnên bố trí trên cát, đất sét thịt và đất đen.Nước ngầm không được quá 1,25m tính

từ mặt đất, nếu không thì phải lắp hệ thồng thoát nước

Cánh đồng tưới và cánh đồng lọc có những ưu điểm vượt trội là:

+ Chi phí thấp, dễ vận hành

+ Nước thải không ra ngoài phạm vi diện tích tưới

+ Đảm bảo được mùa cây công nghiệp lớn và bền

+ Phục hồi đất bạc màu

2.2.2 Sinh học nhân tạo

2.2.2.1 Công nghệ kỵ khí

Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí:

vi sinh vật

Chất hữu cơ  CO2 + H2O + NH3 + H2S + tế bào mới

Sinh học kỵ khí bao gồm các quá trình:

- Thủy phân polymer

- Lên men amino acid và đường

- Phân hủy kị khí các acid béo mạch dài và rượu (acohol)

- Thủy phân các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic)

- Hình thành khí methan từ acid acetic

- Hình thành khí methan từ hydro và cacbonic

+ Giai đoạn thủy phân:

Trong giai đoạn này dưới tác dụng của enzyme tiết ra, các phức chất và chấtkhông tan (như polysaccharides, proteins, lipits) chuyển hóa thành các phức chấtđơn giản hơn hoặc chất hòa tan (như đường, các amono acids béo).

Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt

và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất Các chất béo thủy phân rất chậm

+ Giai đoạn acid hóa :

Trong giai doạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành cácchất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2,

NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành acid có thể làm giảm pH xuống 4,0 + Giai đoạn acetic hóa:

Trong giai đoạn này, vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai doạntrước( acid hóa ) thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới

+ Giai đoạn methan hóa:

Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình kỵ khí, cacetic, H2, acid formic vàmethanol chuyển hóa thành methan, CO2, và sinh khối mới

4H2 + CO2  CH4 + H2O4HCOOH  3CO2 + CH4 + 2 H2O

CH3COOH  CH4 + CO24CH3OH  CO2 + 3CH4 + 2 H2O4(CH3)N + H2O  3CO2 + 9CH4 + 6 H2O + 4NH3

Lưu ý: trong ba giai đoạn đầu ( thủy phân, acid hóa, acetic hóa ) COD trong dung dịch hầu như không giảm COD chỉ giảm trong giai đoạn methan hóa.

Ngược với quá trình hiếu khí, quá trình kỵ khí tải trọng tối đa không bị hạn chếbởi chất phản ứng như oxy, nhưng trong công nghệ kỵ khí cần lưu ý đến hai yếu

tố quan trọng:

 Duy trì sinh khối càng nhiều càng tốt

 Tạo tiếp yếu tố trên được đáp ứng công trình kỵ khí có thể được áp dụngvới tải trọng rất cao.xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi sinh vật

Khi hai yếu tố trên được đáp ứng công trình kỵ khí có thể được áp dụng với tảitrọng rất cao.

2.2.2.2 Công nghệ hiếu khí

Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện hiếu khí:

vi sinh vật Chất hữu cơ + O2  CO2+ H2O + sinh khối mớiQuá trình sinh học hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: oxy hóa các chất hữu cơ:

enzyme

CxHyOz + O2  CO2 + H2OGiai đoạn 2: tổng hợp tế bào mới:

enzyme

CxHyOz + NH3 + O2  CO2 + H2O + C5H7NO2Giai đoạn 3: phân hủy nội bào:

enzyme

C5H7NO2 + 5O2  5CO2 + 2H2O + NH3Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khínhân tạo có thể chia thành xử lý sinh học hiếu khí lơ lững và xử lý sinh học hiếukhí dạng dính bám

Quá trình bùn hoạt tính là quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinhvật, chúng sống tập trung kết dính lại với nhau thành hạt bùn hoặc những bôngbùn với trung tâm là chất nền rắn lơ lững (40%), những bông bùn này còn đượcgọi là bùn hoạt tính có kích thước từ 50-200 micromet Bùn hoạt tính có màuvàng nâu dễ lắng

Bùn hoạt tính là khối quần thể vi sinh vật có khả năng ổn định chất thảidưới điều kiện hiếu khí Chất nền trong bùn hoạt tính có thể chiếm tới 90% là

chất rắn, rong, rêu, tảo Những vi sinh vật có trong bùn hoạt tính thường là vikhuẩn đơn bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh, một số

vi sinh vật bậc thấp Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trongnước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới Chỉ có một phầnchất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-…

Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn( vật liệu lọc ) với các chất hữu cơ, muối khoáng và oxy Việc dính bám đượcthực hiện nhờ một chất phụ trợ và keo động vật có nguồn gộc từtempfile_9392.docđầu được thực hiện ở một số điểm, và từ những điểm nàymàng sinh học bắt đầu nhân ra cho đến khi toàn bộ bề mặt chất rắn được baophủ một lớp màng đơn bào Từ đó các lớp tế bào sinh ra và bao phủ lên lớp banđầu Trên bề mặt ccác lớp màng nhầy này chủ yếu chứa các vi khuẩn Chất hữu

cơ trong nước thải thì được các vi khuẩn phân giải tạo thành CO2 và H2O

Oxy và các thức ăn đồng hóa được nước thải vận chuyển và khuếch tán qua

bế mặt dày lớp màng sinh học cho đến khi các tế bào nằm ở phần sâu nhấtkhông thể tiếp xúc được với oxy và thức ăn đồng hóa trực tiếp nữa Sau một thờigian nhất định xuất hiện sự phân tầng với những lớp hiếu khí chồng lên nhữnglớp kỵ khí Ở lớp hiếu khí có sự khuếch tán oxy còn lớp kỵ khí thì không Lớpmàng kỵ khí không được tiếp xúc với oxy sẽ bị phân hủy kỵ khí sinh ra H2S,amoniac, axit hữu cơ … Những sản phẩm này được các vi khuẩn hiếu khí oxyhóa để tạo thành H2SO4, HNO3, CO2, H2O

Chất nến không còn khuếch tán tới nữa các vi sinh vật trong lớp ưa khí sẽ

bị chết cà tự tiêu đi Do đó xuất hiện các khoảng trống tế bào cho những sinh vậthiếu khí và kị khí khác Khi chất nền thực sự can kiệt, việc tiêu hủy các tế bàocòn lại làm cho lớp màng bị tách rời từng vùng ra khỏi bề mặt Bề mặt này lạisẵn sàng tiếp nhận các vi sinh vật mới Sự bong tróc của màng vi sinh vật đượctạo ra và thúc đẩy bởi dòng nước chảy qua bề mặt

Dù cho lớp vật liệu lọc có làm bằng loại gì đi nữa thì quá trình xử lý cũngtuân thủ theo nguyên lý trên.

2.2.3 Vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải

2.2.3.1 Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Sự sinh trưởng của vi sinh vật là sự tăng sinh khối của nó do hấp phụ,đồng hóa các chất dinh dưỡng Theo nghĩa rộng, sinh trưởng hay sự tăng sinhkhối là tăng trọng lượng, kích thước hoặc số lượng tế bào

Như vậy, hiệu quả của sự sinh trưởng là quá trình tổng hợp các bộ phậncủa cơ thể, tế bào và sự tăng sinh khối – sức sinh trưởng (giảm BOD) Các quátrình diễn ra không đồng đều theo thời gian và không gian trong tế bào vi sinhvật

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Hình 2.1: đồ thị biểu diễn sự tăng trưởng của vi sinh vật trong nước thải

 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 khuẩnthích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào Trong giai đoạnnày vi sinh vật hầu như không tăng (hoặc tăng không đáng kể) về số lượng + Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vikhuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng Tốc độ phân bào phụthuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môitrường Giai đoạn này cần được kéo dài để tăng hiệu quả và tải trọng xử lý.+ Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn đượcgiữ ở một số lượng ổn định Nguyên nhân của giai đoạn này là: thứ nhất các chấtdinh dưỡngcần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết,thứ hai là số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi Trongthức tế ta không mong muốn đạt đến trạng thái này, vì đây là lúc vi sinh vật tăngtrưởng cực đại tuy nhiên nó sẽ nhanh chóng chuyển sang pha suy vong sau khivừa đạt giá trị tăng trưởng cực đại

+ Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩnchết 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 làđặc điểm của môi trường

Cần chú ý rằng rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vikhuẩn đơn độc Thực tế trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thịtăng trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũngnhư đỉnh của đồ thị Trong một giai đoạn bất kỳ nào đó sẽ có một loài có sốlượng chủ đạo do ở thời điểm đó các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệtđộ phù hợp cho loài đó

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Hình 2.2 Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý

nước thảiNhư đã nói ở trên vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong xử lýnước thải Do đó chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích vớilưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể Phải tính toán chính xác thời gian tồnlưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn cóthể sinh sản được 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 thuậnlợi nhất cho vi khuẩn

2.2.3.2 Đặc điểm chung của vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải

- Kích thước rất nhỏ, chỉ có thể đo bằng micromet thậm chí là nanomet

- Hấp thụ nhiều, chuyển hóa nhanh

- Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

- Năng lực thích ứng mạnh, dễ sinh biến dị Trong quá trình tiến hóa lâudài, để tồn tại, vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất

để thích ứng với điều kiện sống bất lợi của môi trường Vi sinh vật rất dễ phátsinh biến dị bởivì thường đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếpxúc trực tiếp với môi trường sống Tần số biến dị của vi sinh vật thường là từ 10-

5-10-10 Hính thức biến dị thường là đột biến gen và dẫn đến những thay đổi vềhình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đế kháng,…

- Phân bố rộng, chủng loại nhiều

2.2.3.3 Một số vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải

Bảng 2.3: Một số vi khuẩn tham gia vào quá trình sinh học xử lý nước thải

1 Pseudomonas Phân huỷ Hiđrat cacbon, Protein, … và phản

Nitrat

5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (Polisaccarit), chất keo

tụ

6 Acinetobacter Tích luỹ Poliphosphat, phản Nitrat

9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêu mao, phân huỷ các chất hữu

cơ

10 Alkaligenes Phân huỷ Protein, phản Nitrat hoá

14 Acinetobacter Phản Nitrat hoá (khử nitrat thành N2)

15 Hyphomicrobium Phản Nitrat hoá (khử nitrat thành N2)

Ngoài các vi sinh vật có trong bảng thì một số vi sinh vật khác được chia thànhcác nhóm – sắp xếp theo chế độ hấp thụ các chất dinh dưỡng trong nước thải

Họ Pseudomonas (chiếm 50-80 lượng vi khuẩn) được chia làm các nhóm:

- Methannomonas : vi sinh vật lên men methan

- Nitrosomonas : vi sinh vật oxy hóa nitrit

- Hydrogenomonas : vi sinh vật oxy hóa phân tử Hydro, ngoài ra còn tích

cực phân giải các hợp chất thơm và các chất hữu cơ mạch vòng

- Sulfomonas, Thiobacillus : vi sinh vật hồi phục các hợp chất hữu cơ lưu huỳnh Ngoài ra Sulfomonas còn hấp thụ tốt ác chất hữu cơ.

Họ Bacterium (gồm 30 loài) chia thành:

- Bact Aliphacitum, Bact Naphtalinicus, Bact Benzoni, Bact Cycloclastes

có khả năng hấp phụ dầu, sáp, phenol, mỡ…

- Bact Mycoides có khả năng phân giải các hợp chất chứa Nitơ.

- Thyo Bacterium, Phiotrix có khả năng oxy hóa các hợp chất chứa lưu

huỳnh

Hình 2.3: DesulfovibrioKhử sulfat, khử nitrat

Hình 2.4: Vi khuẩn Pseudomonas

phân hủy hydratcacbon, protein, hợp chất hữu cơ và phản ứng nitrat hóa

Hình 2.7: Zooglea

Tạo chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ

Vi khuẩn hình sợi – tác nhân bám dính:

Hình 2.8: Microthrix parvicella