NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ TỪ CỐNG XẢ NGUYỄN BIỂU, QUẬN 5, TP.HCM TRÊN MÔ HÌNH AEROTEN

Thế kỉ 21 - thế kỉ của sự phát triển mạnh mẽ khoa học, kĩ thuật, kinh tế xã hội, cùng với đó là tình trạng dân số gia tăng nhanh chóng đang trở thành một trong những thách thức lớn đối với nhân loại khi nhu cầu sử dụng các nguồn tài nguyên, nhất là nước đang tăng lên một cách đáng kể.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS LƯƠNG ĐỨC PHẨM

Thành phố Hồ Chí Minh - 2009

MỞ ĐẦU

 Tính cấp thiết của đề tài

Thế kỉ 21 - thế kỉ của sự phát triển mạnh mẽ khoa học, kĩ thuật, kinh tế xã hội, cùng với đó là tình trạng dân số gia tăng nhanh chóng đang trở thành một trong những thách thức lớn đối với nhân loại khi nhu cầu sử dụng các nguồn tài nguyên, nhất là nước đang tăng lên một cách đáng kể

Ngày nay, nhiều đô thị lớn, các khu công nghiệp lớn đã đang và sẽ được thành lập, do đó lượng nước dùng cho sinh hoạt và sản xuất ngày càng gia tăng Tp.HCM - một trong những đô thị lớn nhất nước ta với sự phát triển mạnh các ngành công nghiệp, dịch vụ và với số dân khoảng 8,5 triệu người (theo thống kê năm 2007) nên nhu cầu sử dụng nước rất lớn Phần lớn các nhà máy xí nghiệp ít được trang bị các loại công trình xử lý nước ô nhiễm hoặc xử lý nên chưa đạt yêu cầu thải xả, nước thải sinh hoạt chủ yếu chỉ được xử lý trong các bể tự hoại ở từng hộ riêng rẽ hoặc tập trung ở bể tự hoại lớn của các khu chung cư Như vậy, lượng nước thải đô thị phần lớn được xả trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý, các chỉ tiêu ô nhiễm ngày càng vượt xa tiêu chuẩn cho phép gấp nhiều lần Theo nghiên cứu,

cứ 1 m3 nước thải bẩn khi xả ra sông, ao, hồ sẽ làm nhiễm bẩn khoảng 40 - 60 m3 nước sạch

Hiện nay, công tác xử lý nước thải ở Tp.HCM đang được quan tâm đúng mức, các đề tài nghiên cứu xử lý nước thải đang được triển khai rộng rãi nhằm kiểm soát tình hình ô nhiễm nước, có rất nhiều giải pháp xử lý nước được nghiên cứu và đã ứng dụng thành công ở nhiều nơi Một trong những giải pháp xử lý nước thải đô thị đang được áp dụng rộng rãi hiện nay là xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí nhân tạo Nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm nước thải đô thị ở địa bàn

Tp.HCM, đề tài triển khai “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị từ cống xả Nguyễn Biểu, quận 5,

Tp.HCM trên mô hình aeroten” với mong muốn góp phần nhỏ bé vào việc làm sạch nước thải của

thành phố và làm cho môi trường sống của chúng ta trong lành hơn

 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị từ khu dân cư thông qua các thông số môi trường

- Nghiên cứu quá trình làm sạch các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải sinh hoạt bằng vi sinh vật ở khu vực khu dân cư hai bên đường Nguyễn Biểu thải nước thải vào cống xả chung Nguyễn Biểu, quận 5, thành phố Hồ Chí Minh và bước đầu xử lí chất bẩn chứa N và P bằng phương pháp bùn hoạt tính dựa trên mô hình aeroten

- Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lý thông qua các thông số môi trường

 Ý nghĩa của đề tài

* í nghĩa khoa học

Quá trình xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí trong điều kiện nhân tạo đã được nghiên cứu từ rất lâu, thích hợp với các loại nước thải có BOD < 500mg/l Nước thải sau

xử lý thường phân hủy được một lượng lớn các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật có sẵn trong nước thải, lượng BOD thường giảm từ 90-95%, đảm bảo đủ tiêu chuẩn thải ra môi trường tự nhiên

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Nước thải và phân loại nước thải [3, 11, 13, 23, 32]

Nước thải là nước được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu Nó chứa các loại chất bẩn như phân, rác hữu cơ, chất vô cơ và tồn tại ở những trạng thái khác nhau như hòa tan, keo, lơ lửng, rắn…

Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng

1.1.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí…

Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là có hàm lượng lớn các chất hữu cơ dễ phân hủy

(hidratcacbon, protein, lipit), các chất vô cơ sinh dưỡng (photphat, nitơ), các vi khuẩn (có cả các vi

khuẩn gây bệnh), trứng giun sán…

Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào điều kiện sống, chất lượng bữa ăn, lượng nước sử dụng và hệ thống tiếp nhận nước thải

1.1.2 Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp hay còn gọi là nước thải sản xuất Là nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp sản xuất công nghiệp, thủ công nghiệp, giao thông vận tải…

Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà tùy thuộc vào các quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm

Nước thải công nghiệp thường chứa một lượng lớn các chất độc hại như kim loại nặng, các hợp chất độc, các hợp chất hữu cơ bền vững khó tan… và nếu các nhà máy xí nghiệp không xử lí nước thải trước khi xả vào môi trường thì sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và ảnh hưởng đến khả năng

tự làm sạch nguồn nước

1.1.3 Nước mưa hay nước chảy tràn trên mặt đất

Loại nước thải này ít bẩn nhất Chủ yếu là nước mưa đợt đầu sau khi rơi xuống mặt đất, chứa nhiều tạp chất vô cơ, hữu cơ như cát, bụi, rác, phân súc vật trên đường phố cùng với vi sinh vật trong công trình cấp thoát nước theo nước chảy tràn

1.1.4 Nước thải đô thị

Nước thải đô thị là một thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên, thường có khoảng 50 – 60% nước thải sinh hoạt

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải [10, 13, 22, 23, 32 ]

1.2.1 Hàm lượng các chất rắn

Tổng chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan Chất rắn ở trong nước làm trở ngại cho việc sử dụng và lưu chuyển nước, làm giảm chất lượng nước sinh hoạt và sản xuất, gây trở ngại cho việc nuôi trồng thủy sản

Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải, được xác định bằng trọng lượng khô phần còn lại sau khi cho bay hơi 1lít nước trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 1030C cho đến khi trọng lượng không đổi, đơn vị tính bằng mg hoặc g/l

Chất rắn lơ lửng ở dạng huyền phù (SS): được xác định bằng trọng lượng khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc, khi lọc 1lít mẫu nước rồi sấy khô ở 103 - 1050C tới khi trọng lượng không đổi Đơn vị tính bằng mg hoặc g/l

Chất rắn hòa tan (DS): hàm lượng chất rắn hòa tan là hiệu số của tổng chất rắn với huyền phù:

DS = TS - SS Đơn vị tính bằng mg hoặc g/l

Chất rắn bay hơi (VS) - biểu thị cho chất hữu cơ có trong nước: hàm lượng chất rắn bay hơi là trọng lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù SS ở 5500C trong khoảng thời gian xác định, thời gian này phụ thuộc vào loại mẫu nước (nước cống, nước thải hoặc bùn) Đơn vị tính là mg/l hoặc phần trăm của SS hay TS

1.2.2 Hàm lượng oxi hòa tan - DO

Oxi hòa tan trong nước rất cần cho sinh vật hiếu khí, nó duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất Bình thường oxi hòa tan trong nước khoảng 8 - 10mg/l, độ hòa tan của oxi phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và các đặc tính của nước (các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh sống trong nước…)

Khi thải các chất thải vào nước, môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxi được dùng nhiều cho các quá trình hóa sinh làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong các nguồn nước này, có thể đe dọa sự sống của các thủy sinh vật trong nước

Phân tích chỉ số DO là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp đề ra biện pháp xử lí thích hợp

1.2.3 Chỉ số BOD - Nhu cầu oxi sinh hóa

Nhu cầu oxi sinh hóa là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải của công nghiệp

Nhu cầu oxi sinh hóa là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí (chủ yếu là vi khuẩn) Quá trình này gọi là quá trình oxi hóa sinh học Quá trình được tóm tắt:

Chất hữu cơ + O2 COVi khuẩn 2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm cố định

Quá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, các chủng giống vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, một số chất có độc tính trong nước… Bình thường 70% nhu cầu oxi được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo, 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21

Trong kĩ thuật môi trường, chỉ tiêu BOD được dùng rộng rãi để:

+ Tính gần đúng lượng oxi cần thiết oxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải + Xác định kích thước các công trình xử lí

+ Xác định hiệu suất xử lí của một số quá trình

+ Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lí được phép thải vào các nguồn nước

1.2.4 Chỉ số COD - Nhu cầu oxi hóa học

Nhu cầu oxi hóa học được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên

Nhu cầu oxi hóa học là tổng lượng oxi cần thiết để oxi hóa hoàn toàn các chất hữu cơ đến CO2

và H2O bằng phương pháp hóa học Để xác định COD người ta thường sử dụng các chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit Chất oxi hóa hay được dùng là kalibicromat (K2Cr2O7) Thể hiện qua phản ứng :

Nhu cầu COD càng cao thì mức độ ô nhiễm của nước thải càng lớn Đây là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải và người ta cũng thường sử dụng chỉ tiêu BOD, COD làm những chỉ tiêu cơ bản trong việc qui định tiêu chuẩn và phân loại nước thải

i = BOD5/ COD 0<i<1

Giá trị i càng gần 0 thì phần chất hữu cơ không bị phân hủy sinh học càng lớn Ngược lại, giá trị

i càng gần 1 thì phần chất hữu cơ bị phân hủy sinh học càng lớn

1.2.5 Hàm lượng nitơ (N)

Trong nước thải, các hợp chất chứa N thường là các hợp chất protein và các sản phẩm phân hủy: amon, nitrat, nitrit Chúng có vai trò quan trọng trong hệ sinh thái nước, đặc biệt là trong nước thải, mối quan hệ giữa BOD5 với N và P có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và khả năng oxi hóa của bùn hoạt tính Vì vậy, trong xử lí nước thải người ta cần xác định chỉ số N tổng

Ngoài ra, người ta còn xác định các chỉ số N- NH3, NO3- và NO2- để đánh giá mức độ và giai đoạn phân hủy chất hữu cơ chứa Nitơ trong nước thải, đồng thời đề ra các biện pháp khử nitrat nếu quá lượng cho phép và tạo điều kiện cho vi khuẩn nitrat hóa hoạt động chuyển về dạng Nitơ phân tử

1.2.6 Hàm lượng photpho (P)

Phospho tồn tại trong nước ở các dạng H2PO-4, HPO4-2, PO4-3, các olyphosphate và phosphor hữu cơ Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thủy vực

Trong nước thải người ta thường xác định hàm lượng P - tổng số để xác định tỉ số BOD5: N: P nhằm chọn kĩ thuật bùn hoạt tính thích hợp cho quá trình xử lí

1.2.7 Độ pH

Độ pH là một trong những chỉ tiêu để xác định chất lượng đối với nước cấp và nước thải Chỉ số này cho thấy có cần thiết phải trung hòa hay không và cho phép tính lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý đông tụ, khử khuẩn…

Sự thay đổi giá trị pH làm thay đổi các quá trình hòa tan hoặc keo tụ, làm tăng, giảm vận tốc các phản ứng hóa sinh xảy ra trong nước

1.2.8 Các chỉ tiêu vi sinh

Trong nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, nhiễm nhiều vi sinh vật có sẵn ở trong phân người và phân súc vật Trong đó có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là các bệnh về đường tiêu hóa như tả, lị thương hàn, các vi khuẩn gây ngô độc thực phẩm

Trong ruột người, động vật có vú khác không kể lứa tuổi có những nhóm vi sinh vật cư trú, chủ yếu là vi khuẩn Các vi khuẩn này thường có ở trong phân

Vi khuẩn đường ruột gồm 3 nhóm:

- Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli ( E.coli)

- Nhóm Streptococcus đặc trưng là Streptococcus faecalis

- Nhóm Clostridium đặc trưng là Clostridium perfringens

Trong các nhóm vi sinh vật ở trong phân người ta thường chọn E.coli làm vi sinh vật chỉ thị cho

chỉ tiêu vệ sinh với lí do:

- E.coli đại diện nhóm vi khuẩn quan trọng nhất trong việc đánh giá mức độ vệ sinh và nó có đủ các

tiêu chuẩn lí tưởng cho vi sinh vật chỉ thị

- Nó có thể được xác định theo các phương pháp phân tích vi sinh vật học thông thường ở các phòng thí nghiệm

Việc xác định coliform dễ dàng hơn các nhóm vi sinh vật khác vì việc xác định các nhóm vi sinh vật khác phức tạp hơn

1.3 Nước thải đô thị

Tính gần đúng, nước thải đô thị thường gồm khoảng 50 - 60% là nước thải sinh hoạt, 14% là các loại nước thấm (nước mưa hay hay nước vệ sinh đường phố) và 26 - 36% là nước thải sản xuất Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố

1.3.1 Đặc điểm của nước thải đô thị [ 3, 5, 13, 25, 32]

Nước thải đô thị là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, trong đó chất bẩn hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hòa tan, dạng keo và dạng hòa tan Thành phần, tính chất nước thải đô thị phụ thuộc vào nhiều yếu tố (điều kiện tự nhiên, tập quán sinh hoạt, mức sống, các lĩnh vực sản xuất công nghiệp…) và được xác định bằng các chỉ tiêu hóa lí vi sinh nước thải

Các chất bẩn trong nước thải được chia thành các chất không hòa tan dạng lơ lửng, huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi; các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt; các chất bẩn dạng tan

Nồng độ các chất bẩn trong nước thải có thể đậm đặc hoặc loãng tùy thuộc lượng nước thải sinh hoạt được dùng và lượng nước thải công nghiệp lẫn vào

Nước thải thường chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ (Fe, Mg, Ca, Si…), nhiều chất hữu cơ sinh hoạt (phân, nước tiểu…), các chất thải khác (cát, sét, dầu mỡ…) Các chất hữu cơ trong nước thải

có thể chia thành các chất chứa nitơ (urê, protein, axit amin) và các chất chứa cacbon (mỡ, xà phòng, hydrocacbon, xenlulozơ…)

Nước thải sinh hoạt chứa lượng lớn vi sinh vật từ 105 - 106 tế bào/1ml Nguồn chủ yếu đưa vi sinh vật vào nước là phân, nước tiểu và đất cát Các vi sinh vật hoạt động, tăng trưởng để phân hủy phần hữu cơ còn lại của nước thải

Vi sinh vật xử lí nước thải có thể phân thành 3 nhóm: vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh Thức ăn chính của nguyên sinh động vật là vi khuẩn, do đó nguyên sinh động vật là chất chỉ thị quan trọng thể hiện hiệu quả xử lí của các công trình xử lí sinh học nước thải

1.3.2 Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam và Tp.HCM [1, 2, 18, 24]

Hà Nội và Hải Phòng là 35% - 40% và còn thấp hơn nữa ở các thành phố khác Nước thải của thành phố Hà Nội mới có khoảng 5% được xử lý

Trong số 82 khu công nghiệp mới trên toàn quốc, chỉ có khoảng 20 khu công nghiệp có trạm xử

lý nước thải tập trung như các khu công nghiệp Bắc Thăng Long, Nội Bài ở Hà Nội; khu công nghiệp Nomura ở Hải Phòng; khu công nghiệp Việt Nam - Singapore ở Bình Dương…

Theo khảo sát năm 2002, 90% doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn nước thải xả ra môi trường, 73% doanh nghiệp không có các hệ thống xử lý nước thải, 60% số công trình xử lý nước thải hoạt động vận hành nhưng không đạt tiêu chuẩn cho phép thải xả Đa số các cơ sở sản xuất nhỏ tự phát và các làng nghề đều không có hệ thống xử lý nước thải mà thải xả trực tiếp ra mương, rạch, ao

hồ, sông ngòi gây ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân

Thêm nữa, nước thải bệnh viện là loại nước thải đặc biệt, thường ô nhiễm nặng gấp tiêu chuẩn thải nhiều lần, nhất là các loại vi khuẩn gây bệnh Trên cả nước cũng chỉ có 1/3 số bệnh viện có hệ thống xử lý nước thải nhưng chủ yếu tập trung ở trung ương, tỉnh còn các bệnh viện huyện hầu như không có hệ thống xử lý nước thải

Các dòng sông trên khắp cả nước, nhất là những nơi tập trung nhiều các khu công nghiệp, đang quằn quại do nước thải Sông Thị Vải với nước thải của Vedan và các xí nghiệp bên dòng sông đang làm cho dòng sông “chết”, sông Cầu,sông Đáy, sông Nhuệ và nhiều dòng sông khác đang kêu cứu!

Như vậy, vấn đề sử dụng nước, tiêu thoát nước và xử lý nước thải hiện nay đang trở nên hết sức cấp bách

1.3.2.2 Ở Tp.HCM

Khu vực Tp.HCM có tổng lượng nước thải lên đến khoảng 1,5 - 1,7 triệu m3/ngày Mỗi ngày các hệ thống kênh rạch và sông Sài Gòn phải hứng chịu trên 1 triệu m3 nước thải sinh hoạt, trên 500.000m3 nước thải công nghiệp, trong tổng lượng nước thải đó hầu hết đều không qua xử lý hoặc có

xử lý nhưng không đạt yêu cầu thải xả.

Theo báo cáo của Sở Giao thông công chính Tp.HCM, hệ thống thoát nước là chung cho tất cả các loại nước mưa và nước thải, tổng chiều dài cống thoát nước cấp 2, 3 là 777km và xả ra hệ thống 27 kênh chính và 16 kênh nhánh bằng 412 cửa xả Hệ thống kênh rạch trong khu vực nội thành Tp.HCM

có tổng chiều dài khoảng 76 km với 5 lưu vực chính, gồm hệ thống các kênh: Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hóa - Lò Gốm, Tàu Hủ - Kênh Đôi, Kênh Tẻ - Bến Nghé, Tham Lương - Bến Cát - Vàm Thuật Với tốc độ phát triển đô thị rất nhanh chóng thì các hệ thống thoát nước này không đủ để phục vụ thoát nước cho Tp.HCM, do đó vào mùa mưa thường gây ra ngập úng trên diện rộng Theo thống kê, có khoảng 60 - 70% chiều dài của các tuyến kênh rạch trong nội thành đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, có nhiều kênh rạch đang dần biến thành “kênh chết” như kênh Rạch Dừa ( Q Gò Vấp), kênh Nước Đen ( Q.Bình Tân) …

Tp.HCM là nơi tập trung rất nhiều ngành công nghiệp sản xuất với qui mô lớn, bên cạnh đó là một bộ phận không nhỏ các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, lượng nước thải do các cơ sở này thải ra hệ thống kênh rạch mà đã qua xử lý chỉ chiếm 20% Một số lượng lớn nước thải từ các hệ thống kênh rạch này

sẽ đổ vào sông Sài Gòn ảnh hưởng đến chất lượng nước cấp cho thành phố Nhóm nghiên cứu thuộc khoa môi trường, trường Đại học Bách khoa TP.HCM và khoa kỹ thuật đô thị, trường Đại học Kỹ thuật

Tokyo (Nhật Bản) mới đây có khảo sát đánh giá về tình hình ô nhiễm do Mn, sắt và Coliforms trên

sông Sài Gòn, với kết luận nồng độ Mn tổng và sắt tổng vượt quá tiêu chuẩn dành cho nước mặt loại A,

pH đạt tiêu chuẩn nước loại B (5,5 - 9), chỉ tiêu vi sinh cao vượt tiêu chuẩn chất lượng nước mặt sử dụng làm nước cấp Với tình hình như hiện nay, nếu không có những biện pháp mạnh mẽ thì chất lượng nước sông Sài Gòn sẽ ngày càng ô nhiễm nặng

1.3.3 Số liệu phân tích thành phần nước thải đô thị [3, 4]

Bảng 1.1 Đặc tính của nước thải sinh hoạt

Nồng độ (mg/l) Chỉ tiêu

PO43- , mg/l - - 12.5

Coliform,

MPN/100ml - - 13.106

Nguồn: (1) A.Raman and others–Lowcost Waste Treatment, CPHERI, Nagpur, 1972

(2) F.valdez-Zamudio, Science of the total Environment 2,406 (1974) (3) A.Meron and others- Journal of the Water Polltion Control Federation 37,1657 (1965) (4) Báo cáo đề tài NCKH B94-34-06 ‘Mô hình các trạm XLNT công suất nhỏ trong điều kiện ViệtNam, “Hà Nội tháng 12, 1995 [9]

Bảng1.3 Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư Chỉ tiêu Trong khoảng Khu Kim Liên Hà Nội (4)

{Nguồn: Metcalf&Eddy Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse, Fourth Edition, 2004}

1.4 Các phương pháp xử lí nước thải [5, 10, 13, 23]

1.4.1 Phương pháp cơ học

Phương pháp xử lý cơ học được dùng để tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải Phương pháp này có thể loại bỏ khỏi nước thải được 60% các tạp chất không hòa tan và 20% BOD

Phương pháp xử lý cơ học thường là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi qua xử lý sinh học Trong một số trường hợp thì sau khi xử lí cơ học nước thải được khử trùng và xả vào nguồn

Những công trình xử lý cơ học bao gồm:

- Song chắn rác dùng để chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hoặc ở dạng sợi như giẻ, giấy, rau, cỏ, rác, mẫu đất đá, gỗ… ở trước song chắn Sau chắn rác, để loại bỏ các tạp chất rắn có kích cỡ nhỏ hơn, mịn hơn ta có thể đặt thêm lưới lọc

- Bể lắng cát dùng để loại các tạp chất vô cơ không tan có kích thước từ 0,2 - 2mm ra khỏi nước thải Điều đó đảm bảo cho các quá trình làm trong, không ảnh hưởng xấu đến các thiết bị xử lí, tránh tắc các đường ống dẫn, xử lí sinh hóa nước thải, xử lí cặn bã

- Bể lắng tách các chất lơ lửng có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải Chất lơ lửng nặng sẽ từ từ lắng xuống đáy, các chất nhẹ hơn sẽ nổi lên bề mặt, nhờ các thiết bị thu gom

và vận chuyển lên công trình xử lí cặn

- Bể tách dầu mỡ dùng để loại các tạp chất nổi có khối lượng riêng nhỏ hơn nước (dầu, mỡ) khỏi nước thải, nhất là nước thải công nghiệp Điều này giúp cho các quá trình xử lí sinh học không bị ảnh hưởng

- Bể lọc dùng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ ra khỏi nước thải mà các bể lắng không thể loại được chúng Người ta tiến hành bằng cách cho nước thải đi qua lớp vật liệu lọc, chủ yếu dùng cho nước thải công nghiệp

1.4.2 Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học thường được áp dụng để xử lí nước thải công nghiệp Người ta đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để khử các chất hòa tan, biến đổi hóa học, gây tác động với các tạp chất bẩn

Phương pháp này dùng để xử lí sơ bộ trước xử lí sinh học hoặc xử lí nước thải lần cuối trước khi thải ra môi trường

- Phương pháp trung hòa dùng để đưa nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm về trạng thái trung tính có pH từ 6,5 - 7,5 Phương pháp này có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau: bổ sung thêm các tác nhân hóa học, lọc qua vật liệu có tác dụng trung hòa, sử dụng khí axit trung hòa nước thải kiềm, trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm, trung hòa nước thải axit bằng nước vôi là biện pháp rẻ

và dễ nhất

- Phương pháp keo tụ dùng để làm trong và khử màu nước thải bằng cách dùng các chất keo tụ (muối sắt, muối nhôm, vôi, phèn…) và chất trợ keo tụ để liên kết các chất rắn dạng lơ lửng và keo trong nước thải thành những bông có kích thước lớn hơn

- Phương pháp ôzôn hóa dùng để khử các tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, các vị lạ và mùi của nước thải bằng cách oxi hóa cả các chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước thải

- Phương pháp điện hóa học dùng để phá hủy các tạp chất độc hại trong nước thải bằng cách oxi hóa điện hóa trên cực anốt hoặc dùng để phục hồi các chất quí (đồng, chì, sắt…)

1.4.3 Phương pháp hóa lý

- Phương pháp hấp phụ dùng để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ và khí hòa tan ( những chất này không phân hủy bằng con đường sinh học và có độc tính cao) sau khi xử lí sinh học bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn, hoặc tương tác giữa các chất bẩn hòa tan với các chất rắn

- Phương pháp trích ly dùng để tách các chất bẩn hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách bổ sung một chất dung môi không hòa tan vào nước

- Phương pháp chưng bay hơi dùng để chưng nước thải, để các chất bẩn hòa tan bay hơi lên theo nước, khi ngưng tụ, hơi nước và chất bẩn dễ bay hơi sẽ hình thành các lớp riêng biệt và dễ dàng tách chất bẩn ra

- Phương pháp tuyển nổi dùng để loại bỏ các tạp chất ra khỏi nước bằng cách làm cho chúng bám theo các bọt khí nổi lên bề mặt nước

- Phương pháp trao đổi ion dùng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi các ion kim loại (Zn, Cr,

Ni, Hg, Pb, Cd…), các hợp chất của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ bằng cách dùng các chất trao đổi ion

- Phương pháp tách bằng màng dùng để tách các chất tan khỏi các hạt keo bằng cách dùng các màng xốp bán thấm không cho các hạt keo đi qua

1.4.4 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học dựa vào khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ dạng keo và hòa tan trong nước thải

Phương pháp sinh học thường được dùng sau giai đoạn xử lí cơ học

Quá trình xử lí sinh học trong điều kiện nhân tạo không loại trừ triệt để các loại vi khuẩn, nhất

là vi sinh vật gây bệnh và truyền bệnh Do đó, trước khi xả ra môi trường, nước thải cần được khử trùng

- Những công trình xử lí sinh học trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng tưới, bãi lọc, hồ sinh học , quá trình xử lí diễn ra chậm

- Những công trình xử lí sinh học trong điều kiện nhân tạo: bể lọc sinh học, bể aeroten…, quá trình xử lí diễn ra nhanh và cường độ mạnh hơn

1.5 Các biện pháp sinh học xử lý nước thải

1.5.1 Điều kiện để xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học[(13, 16]

Nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải Do đó:

- Nước thải chứa thành phần các chất hữu cơ hòa tan, dễ bị oxi hóa hoặc các hạt keo phân tán nhỏ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng cho các vi sinh vật

- Nồng độ các chất độc hại, các kim loại nặng phải nằm trong giới hạn cho phép với vi sinh vật Khi xử lý nước thải phải điều chỉnh nồng độ các chất này sao cho phù hợp để vi sinh vật có thể phát triển

- Nước thải đưa vào xử lí sinh học có hai thông số đặc trưng là BOD và COD Tỉ số của hai thông số này là: COD/BOD ≤ 2, BOD/COD ≥ 0,5 thì đưa vào xử lí sinh học hiếu khí Nếu COD lớn

hơn BOD nhiều lần thì phải qua xử lí sinh học kị khí, trong quá trình xử lý một phần lớn chất hữu cơ khó phân hủy có thể chuyển thành dễ phân hủy (tức là từ COD  BOD)

Ngoài ra, các điều kiện môi trường như lượng oxi, pH, nhiệt độ của nước thải nằm trong giới hạn nhất định để bảo đảm sự sinh trưởng, phát triển bình thường của các vi sinh vật tham gia trong xử

- Vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sử dụng các chất ô nhiễm làm nguồn dinh dưỡng Vi khuẩn trong nước thải chủ yếu là các loài dị dưỡng hoại sinh Các loài này có khả năng phân hủy các chất hữu

cơ, oxi hóa các chất này thành các chất đơn giản, sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước

Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính:

+ Vi khuẩn dị dưỡng: sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển…

1.5.2.2 Động vật nguyên sinh

- Bên cạnh vi khuẩn, động vật nguyên sinh cũng là nhóm động vật quan trọng sống trôi nổi trong nước Chúng là sinh vật chỉ thị quí giá cho nước vì có mặt chúng trong nước nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất có trong nước, chất lượng quá trình oxi hóa và không có mặt các chất độc hại… Trùng bánh xe chỉ thị cho hệ thống sinh học đặc biệt ổn định

- Động vật nguyên sinh ăn tảo, vi khuẩn, với đặc tính này người ta lợi dụng chúng để khử các vi khuẩn gây bệnh có hại trong nước thải Người ta còn thấy một số loài động vật nguyên sinh có mặt trong bùn hoạt tính, và được sử dụng như chỉ số quan trọng để đánh giá kết quả xử lí nước thải

1.5.2.3 Tảo

Tảo là sinh vật tự dưỡng quang hợp, chúng trôi nổi trong nước hay móc vào các giá đỡ (các loài thực vật khác) Nước giàu nguồn N và P sẽ là điều kiện rất tốt cho tảo phát triển, nếu không có biện pháp tách tảo hoặc loại tảo ra khỏi nước, khi chết tảo sẽ tự phân làm cho nước bị ô nhiễm thứ cấp

1.5.3 Vai trò vi sinh vật trong xử lí nước thải

Vi sinh vật trong nước thải hầu hết là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng Chúng phân hủy các chất hữu cơ, các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nuớc cùng NH3 trong điều kiện hiếu khí hoặc tạo thành các loại khí khác ( CH4, NH3, H2S, indol, mercaptan, scatol, N2…) trong điều kiện kị khí, ngoài ra còn thấy có các loại khí NO2, NO3-, N2O, N2

Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa

Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn sau:

- Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật

- Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật

- Chuyển hóa các chất này vào trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào

Trong nước thải các chất hữu cơ bị phân hủy do hoạt động sống của vi sinh vật Các phản ứng chuyển hóa các chất hữu cơ là các phản ứng thủy phân hay các phản ứng oxi hóa khử trong quá trình

hô hấp của vi sinh vật Có hai loại phản ứng hay hai quá trình phân hủy: phân hủy các chất hữu cơ hiếu khí nhờ các vi sinh vật hiếu khí và phân hủy kị khí do các vi sinh vật kị khí không cần có oxi

Cơ chất của các phản ứng hóa sinh ở đây là các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, được thể hiện bằng BOD Có thể xem BOD là nguồn cơ chất cacbon của vi sinh vật trong nước thải, nó đóng vai trò chủ yếu là nguồn dinh dưỡng cacbon, ngoài ra còn là nguồn nitơ và photpho hữu cơ dinh dưỡng

Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là vi khuẩn hiếu khí, kị khí hoặc kị khí tùy

tiện Có các giống vi khuẩn sau: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga,

Micrococcus, Lactobacillus, Achromobacter, Spirochaeta, Clostridium và hai giống nhiễm từ phân Enterobacterium, Streptococcus

1.5.3.1 Quá trình phân hủy hiếu khí

Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động, cần

có oxi để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào nước Các vi sinh vật muốn phân hủy được các chất hữu cơ phải có khả năng sinh tổng hợp các enzim tương ứng Quá trình phân hủy các chất hữu cơ xảy

ra bên ngoài tế bào nhờ các enzim thủy phân, gọi là quá trình phân hủy ngoại bào Các chất này được tiếp tục phân hủy hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới xảy ra bên trong tế bào, gọi

là quá trình nội bào

Oxi cung cấp cho quá trình phân hủy chất hữu cơ có thể chia thành hai pha: pha cacbon - phân hủy các hợp chất hidrocacbon, giải phóng năng lượng, CO2, nước cùng một số vật liệu tế bào; pha nitơ

- phân hủy các hợp chất hữu cơ có chứa N trong phân tử và giải phóng ra NH3 hay NH4+ (là nguồn nitơ

dinh dưỡng được vi sinh vật sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào), trong pha này các quá trình phân hủy protein xảy ra lần lượt từ protein  polypeptit  oligopeptit  axit amin  NH3

Lượng NH3 được tạo ra không được dùng hết cho xây dựng tế bào sẽ được các loại vi khuẩn tham gia chuyển hóa trong điều kiện hiếu khí và vi hiếu khí

+ Ở điều kiện hiếu khí:

Vi khuẩn Nitrosomonas chuyển NH3 thành NO2- và từ NO2- chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn

Nitrobacter

+ Ở điều kiện thiếu khí:

Các vi khuẩn tự dưỡng sẽ khử NO3- theo hai bước:

Chuyển hóa NO3- thành NO2-

Từ NO2-  NO  N2O  N2 Tham gia vào các quá trình này là các vi khuẩn phản nitrat hóa hoạt động trong điều kiện thiếu

khí (gần như kị khí), đó là các vi khuẩn: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus,

Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirilum

1.5.3.2 Quá trình phân hủy kị khí

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí sinh ra sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí, trong đó CH4 chiếm tới 60 – 75% Vì vậy quá trình này còn được gọi là lên men metan

Lên men metan gồm hai pha điển hình: pha axit ứng với giai đoạn thủy phân; pha kiềm ứng với giai đoạn tạo khí

+ Pha axit: hidratcacbon dưới tác dụng của các enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra sẽ bị phân hủy và tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp Một phần axit béo cũng chuyển thành axit hữu

cơ Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy thành các hợp chất amon, amin, muối của axit cacbonic, hỗn hợp khí CO2, N2, CH4, H2 … nên pH của môi trường tăng lên và từ axit chuyển sang trung tính và kiềm Mùi rất khó chịu do trong hỗn hợp khí thối có chứa H2S, indol, scatol và mercaptan

+ Pha kiềm - pha tạo khí CH4 : các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho lên men metan và được tạo thành CO2, CH4, pH chuyển hoàn toàn sang kiềm, các khí thối sinh ra nhiều hơn

Tham gia vào quá trình lên men metan có tới hàng trăm loài vi khuẩn kị khí bắt buộc và không bắt buộc Thời gian lên men khá dài, với các điều kiện tối ưu và ở nhiệt độ 45 - 550C thời gian lên men khoảng 10 - 15 ngày, nếu nhiệt độ thấp hơn thì thời gian lên men lên tới hàng tháng hoặc vài tháng

Các vi khuẩn tham gia quá trình này được chia làm hai nhóm : nhóm vi khuẩn không sinh metan

và nhóm vi khuẩn sinh metan

+ Nhóm vi khuẩn không sinh metan gồm cả vi khuẩn kị khí và kị khí tùy tiện

Khi có mặt xenlulozơ, có các loài sau : Bacillus cereus, B.megaterium, Pseudomonas

riboflavina, Ps reptilorova, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris

Khi có mặt tinh bột, có các loài : Micrococcus candidus, M.varians, M.urea, Bacillus cereus,

B.megaterium và Pseudomonas spp

Khi môi trường giàu protein, có các loài: Clostridium, Bacillus cereus, B.circulans, B

sphaericus, B.subtilis, Micrococcus varians, E.coli, các dạng coliforme và Pseudomonas spp

Môi trường giàu chất béo thực vật có các giống: Bacillus, Micrococcus, Streptomyces,

Alcaligenes và Pseudomonas

+ Vi khuẩn sinh metan : những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, sinh trưởng và phát triển

rất chậm, gồm : Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus, Methanosarcina

1.5.4 Các công trình xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học

Xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải Các vi sinh vật hoạt động sẽ phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn thành các chất vô cơ, chất khí đơn giản và nước

Các vi sinh vật có thể phân hủy được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo với mức độ và thời gian phân hủy khác nhau

Vi sinh vật trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển tăng số lượng tế bào và đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ

Có ba phương pháp sinh học xử lí nước thải:

1.5.4.1 Xử lí bằng hồ sinh học [5, 10, 13, 17 ]

Trong số những công trình xử lí trong điều kiện tự nhiên thì hồ sinh học được sử dụng rộng rãi hơn cả

Hồ sinh học còn được gọi là hồ oxi hóa hoặc hồ ổn định

Xử lí nước thải ở hồ sinh học là lợi dụng quá trình tự làm sạch của hồ tiếp nhận nước thải Lượng oxi cho quá trình sinh hóa chủ yếu là do không khí xâm nhập qua mặt thoáng hồ và do quá trình quang hợp của thực vật nước

Quá trình tự làm sạch của nước liên quan đến hoạt động sống của giới thủy sinh Quá trình hoạt động sống của chúng dựa trên quan hệ cộng sinh (hoặc hội sinh) của toàn bộ quần thể sinh vật có trong nước Theo chiều sâu của ao hồ sẽ chia ra thành 3 vùng: vùng kị khí ở đáy, vùng kị khí tùy nghi ở giữa

và vùng hiếu khí Các vùng có các khu hệ vi sinh vật tương ứng (chủ yếu là vi khuẩn)

Các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thành các chất vô cơ (khoáng hóa) cung cấp cho các thực vật thủy sinh, trước hết là tảo Tảo và các thực vật thủy sinh (rong đuôi chó, rong xương cá, lau lác, các loại bèo…) là giá thể để vi sinh vật bám vào, cung cấp oxi cho vi khuẩn hiếu khí và những hoạt chất sinh học cần thiết; ngược lại vi khuẩn cung cấp cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình (CO2, NH4+, photphat) và che chở vi khuẩn khỏi bị chết dưới ánh nắng mặt trời Để hồ sinh học làm việc bình thường cần duy trì pH và nhiệt độ tối ưu

Hồ sinh học được phân thành các loại sau:

+ Hồ oxi hóa cấp ba - hồ làm sạch lần cuối

ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, dòi , giun…

Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 - 1012 /1mg chất khô, phần lớn

là Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium…, ngoài ra còn

có các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa NH3 thành N2: Nitrosomonas, Nitrobacter,

Acinetobacter, Hyphomicrobium, Thiobacillus, Sphacrotilus và Cladothirix

Trong bùn hoạt tính còn thấy các loài thuộc động vật nguyên sinh Chúng đóng vai trò khá quan trọng trong bùn, tham gia phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi cho quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh

Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lí nước thải dựa trên kĩ thuật bùn hoạt tính là các bể phản ứng sinh học được làm hiếu khí bằng cách thổi khí nén hoặc khuấy đảo cơ học hoặc kết hợp cả hai làm cho vi sinh vật tạo thành các hạt bùn hoạt tính lơ lửng trong khắp pha lỏng Các công trình bao gồm: bể phản ứng hiếu khí - bể aeroten, mương oxi hóa, bể oxiten, giếng trục sâu

Các công trình xử lí kị khí với giải pháp vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng qua lớp cặn lơ lửng trong

bể UASB, hỗn hợp bùn kị khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (70 - 80% CH4 và 20 - 30% CO2) và nước Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí được sinh ra nổi lên trên các bề mặt làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn

lơ lửng, khi hạt cặn nổi lên va phải tấm chắn bị vỡ ra, khí thoát lên trên, cặn rơi xuống dưới

1.5.4.3 Xử lí bằng màng sinh học [7, 13, 17]

Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau (vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh)

có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng Phần lớn các vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và oxi có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn (vật liệu lọc: cát, sỏi, đá, than gỗ ) Các chất hữu cơ trong nước thải được các vi khuẩn sử dụng để thực hiện phân hủy tạo CO2 và H2O Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn các vi khuẩn tùy tiện và kị khí Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính

Mặc dù màng sinh học rất mỏng nhưng cũng được chia thành các lớp với các đặc trưng vi sinh vật riêng:

+ Ngoài cùng là lớp hiếu khí dầy nhất, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus

+ Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện mỏng hơn, điển hình như: Pseudomonas, Alcaligenes,

Flavobacterium, Micrococcus, Bacillus

+ Lớp sâu bên trong màng là lớp kị khí mỏng nhất, có các vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử

nitrat Desulfovibrio, ngoài ra còn có động vật nguyên sinh và các sinh vật khác

Các chất hữu cơ có trong nước thải khi chảy qua hoặc tiếp xúc với màng sinh học sẽ được oxi hóa bởi các quần thể vi sinh vật Các chất hữu cơ dễ phân hủy sẽ được vi sinh vật sử dụng trước với vận tốc nhanh, và số lượng quần thể tương ứng cũng phát triển nhanh Các chất hữu cơ khó phân hủy

sẽ được sử dụng sau với vận tốc chậm hơn và quần thể vi sinh vật tương ứng cũng phát triển muộn hơn

Trong quá trình phân giải các chất hữu cơ, màng sinh học sẽ tăng dần lên, dày hơn và dần dần bịt các khe giữa các hạt cát nên làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần, lúc này phin lọc làm việc có hiệu quả cao hơn Vì màng dày hơn nên các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất, ít nhận được oxi nên chuyển sang phân hủy kị khí tạo các axit hữu cơ, các alcol Các chất này sẽ được các vi sinh vật khác sử dụng trước khi khuếch tán ra ngoài Nước dần được làm sạch

Các công trình hiếu khí nhân tạo dựa trên kĩ thuật màng sinh học: lọc sinh học, đĩa quay sinh học

Các công trình kị khí dựa trên kĩ thuật màng sinh học: lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ (ANAFIZ), lọc kị khí với vật liệu giả lỏng trương nở (ANAFLUX)

1.5.4.4 Xử lí bằng quá trình hợp khối [31]

Quá trình hợp khối trong xử lí nước thải là quá trình kết hợp các phương pháp hiếu khí, kị khí

và thiếu khí nhằm xử lí nước thải một cách triệt để

Quá trình hợp khối thường được ứng dụng để khử các chất dinh dưỡng (muối nitơ và photpho) Người ta tạo ra một vùng thiếu khí trong công trình xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính Trong quá trình

xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính hiếu khí, nitơ amoni sẽ được chuyển thành nitrat nhờ các loại vi

khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, khi môi trường thiếu oxi, các loại vi khuẩn khử nitrat sẽ tách oxi

của nitrat và nitrit để oxi hóa các chất hữu cơ và tạo ra phân tử nitơ thoát ra khỏi nước Đối với các muối dinh dưỡng photpho (polyphotphat hoặc orthophotphat), người ta ứng dụng quá trình photphoril

hóa của vi khuẩn kị khí tùy tiện Acinetobacter sp để khử photpho

Dựa trên các nguyên lý này, người ta đã thiết lập một qui trình xử lí nước thải theo phương pháp bùn hoạt tính để khử BOD, N, P trong hệ thống Bardenpho (gồm hệ thống các bể kị khí, bể thiếu khí,

bể hiếu khí ) Xử lí nước thải bằng hệ thống này sẽ tách được một lượng lớn photpho ra khỏi nước thải dưới dạng polyphotphat trong bùn dư, và khử được nitrat trong các bể thiếu khí

1.6 Aeroten và kĩ thuật bùn hoạt tính [13, 23, 14, 22, 29]

1.6.1 Đặc điểm và nguyên lí làm việc của aeroten

Aeroten là công trình xử lí hiếu khí nước thải bằng bùn hoạt tính Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể aeroten và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hòa tan và tăng cường quá

trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước

Nguyên lí của phương pháp là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí dưới dạng bùn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện có oxi hòa tan liên tục

Quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong aeroten qua ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1 :

Cấu trúc aeroten phải thỏa mãn ba điều kiện:

+ Giữ được liều lượng bùn cao trong aeroten

+ Cho phép vi sinh vật phát triển liên tục ở giai đoạn “ trẻ “

+ Bảo đảm lượng oxi cần thiết của vi sinh ở mọi điểm trong aeroten

- Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi gần như ít thay đổi ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất

Hoạt lực enzym của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéo dài trong một thời gian tiếp theo

Điểm cực đại của enzym oxi hóa của bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính đạt mức ổn định

- Giai đoạn 3: sau một thời gian tốc độ oxi hóa hầu như ít thay đổi và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc

độ tiêu thụ oxi tăng lên Đây là giai đoạn nitrat hóa

Sau cùng, nhu cầu oxi lại giảm, quá trình làm việc của aeroten kết thúc

1.6.2 Bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở trong nước Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 - 150 àm

Bông bùn hoạt tính chứa những vi sinh vật sống cũng như các hạt hữu cơ và vô cơ Những vi sinh vật này chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, dòi, giun

Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 -1012/1mg chất khô Hơn 300 chủng vi khuẩn phát triển trong bùn hoạt tính Chúng chịu trách nhiệm oxi hóa chất hữu cơ và chuyển hóa chất dinh dưỡng, chúng tạo thành polysacarit và những chất polymer khác giúp cho việc tạo bông

của sinh khối vi sinh vật Những chi thường gặp trong bông bùn là Pseudomonas, Bacillus,

Alcaligenes, Achomobacter, Micrococcus, Corynebacterium, Brecibacterium, Flavobacterium, Zooglea Đặc biệt Zooglea là các vi khuẩn sinh màng nhầy có khả năng dính bám cao

Các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa NH3 và NO3- cũng thấy có mặt trong bùn, như

Nitrosomonas, Acinetobacter, Hyphomicrobium, Thiobacillus Ngoài ra còn thấy Sphacrotilus và Cladothirix

Bảng 1.4 Một số giống chính trong quần thể vi khuẩn có trong bùn hoạt tính

Phân hủy hidratcacbon, protein, các chất hữu cơ khác và phản nitrat hóa

Phân hủy hidrocacbon Phân hủy hidrocacbon, protein

Phân hủy các polyme Tạo thành chất nhầy (polysacarit), hình thành chất keo tụ Tích lũy polyphosphat, phản nitrat

Nitrit hóa Nitrat hóa Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ Phân hủy protein, phản nitrat hóa

Phân hủy protein

Tùy thuộc vào điều kiện bên trong cũng như bên ngoài của nước thải, các nhóm vi sinh vật tồn tại trong bùn sẽ khác nhau Chúng có khả năng thích ứng với điều kiện sống mới

Thành phần nước thải thay đổi sẽ làm thay đổi chủng loại, thành phần, tăng giảm số lượng từng loài trong quần thể vi sinh vật của bùn hoạt tính

1.7 Các công trình xử lí nước thải bằng aeroten trên thế giới và Việt Nam [18, 34]

1.7.1 Trên thế giới

Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học đã được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới trước nguy

cơ ô nhiễm thứ cấp do các biện pháp xử lý khác Các nhà nghiên cứu ngày càng tìm ra nhiều biện pháp

xử lý khác nhau, có thể bằng thực vật thủy sinh, bằng vi sinh vật, bằng sự kết hợp của hệ sinh thái trong nước thải

Ngày nay công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học được áp dụng nhiều trong thực tế

ở các nhà máy hay các trạm xử lý nước là công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí

Ở các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, các nước châu Âu thì biện pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính đã được ứng dụng rộng rãi Hiện nay nhiều nhà máy xử lý nước thải ở nước ta đang sử dụng công nghệ này của các quốc gia như Thụy Điển, Nhật Bản…

Đối với một số quốc gia, nước là một nguồn tài nguyên cực kì quí hiếm, do đó họ tận dụng nó hết sức triệt để kể cả nước thải đã qua sử dụng Chẳng hạn như Ixaren, luật pháp Ixrael qui định nước thải cũng là tài sản quốc qia, mọi đối tượng phải hoàn trả lại sau khi sử dụng nước để làm sạch và sử dụng lại tại các trạm xử lý nước thải tập trung Do đó, tỉ lệ nước thải được xử lý ở quốc gia này là 100% Hiện nay ở Ixrael có gần 600 trạm xử lý nước thải tập trung Điển hình như trạm xử lý nước thải Dan Region có công suất 500.000m3/ngđ vận hành tự động, diện tích phục vụ 220km2 tương đương với 1,7 tiệu người Công nghệ sử dụng là bùn hoạt tính, kết hợp hai quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa, nước sau xử lý được lọc qua một số qui trình khác để có thể phục vụ cho tưới tiêu nông nghiệp hoặc các mục đích sử dụng khác

Trong xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính, các quốc gia không ngừng nâng cao công nghệ nhằm tìm ra biện pháp xử lý hiệu quả mà lại ít tốn chi phí nhất.Giáo sư Yasuzo Sakai thuộc Khoa hóa học ứng dụng tại Đại học Utsunomiya (Nhật Bản) và các cộng sự đã bổ sung một lượng nhỏ bột manhetit (Fe3O4) vào bùn hoạt tính tạo thành bùn hoạt tính nhiễm từ làm giảm chi phí đáng kể khi xử

lý nước thải, GS đã xây dựng một nhà máy pilot theo công nghệ mới này với dung tích 16m3 và từ năm

2003 đến hè năm 2005 nhà máy đã hoạt động đúng như tính toán lý thuyết ( theo Chemical & Engineering News, 12/2005)

Hiện nay có rất nhiều công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học khác nhau, thế nhưng các quốc gia vẫn rất chú trọng đến công nghệ bùn hoạt tính vì những lợi ích mà nó đem lại

1.7.2 Ở Việt Nam

Nền kinh tế Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển với sự xuất hiện của nhiều ngành công nghiệp khác nhau, cùng với đó là nhu cầu sử dụng nước tăng dần, nếu không tận dụng được nguồn

nước, xử lý nước thì nguy cơ thiếu nước là rất cao Các đô thị lớn của Việt Nam hiện nay đang phải đối mặt với một thách thức lớn, đó là vấn nạn ô nhiễm nguồn nước mặt Nhiều biện pháp xử lý được đưa ra nhằm tìm giải pháp hữu hiệu bảo vệ nguồn nước và hiện nay người ta ưu tiên cho xử lý nước bằng biện pháp sinh học vì mang tính an toàn cao, không ảnh hưởng đến hệ sinh thái

Hiện nay, ý thức bảo vệ môi trường nói chung, nguồn nước nói riêng đã được nâng lên một cách đáng kể Các khu đô thị lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội đang triển khai nhiều dự án cải tạo môi trường nước với sự trợ giúp của Ngân hàng thế giới, Ngân hàng phát triển Châu Á và một số những nhà tài trợ khác Cụ thể ở TP.HCM có các dự án như: Dự án nghiên cứu hệ thống thoát nước và

xử lý nước thải đô thị (Dự án Jica - Nhật), Dự án nâng cấp đô thị và làm sạch kênh Tân Hóa - Lò Gốm (Dự án 415 - Bỉ), Dự án cải tạo kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè (Dự án CDM - Mỹ) Dự án Jica đã nghiên cứu và lựa chọn công nghệ bùn hoạt tính truyền thống cho nhà máy xử lý trên cơ sở 5 công nghệ xử lý:

hồ ổn định, hồ làm thoáng (hồ sục khí), mương oxi hóa, bùn hoạt tính truyền thống, máy khuấy sinh học

Các cụm khu công nghiệp hoặc các nhà máy lớn cũng đã có mức quan tâm đến chất lượng nước một cách đúng đắn bằng cách đầu tư vào hệ thống xử lý nước thải Điển hình như năm 2004, công ty Vissan đã đưa vào hoạt động hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ vi sinh, sau khi xử lý nước đạt tiêu chuẩn loại A trước khi được thải ra sông Sài Gòn Nhà máy xử lý nước thải tập trung KCN Biên Hòa II với tổng công suất thiết kế 8000m3/ngày tiếp nhận toàn bộ nước thải của KCN Biên Hòa I và Biên Hòa II, sử dụng công nghệ UNITANK của công ty Seghers Better Technology For Water (Vương Quốc Bỉ) - đây là công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí kiểu bể luân phiên theo mẻ liên tục

Vừa qua KCN Tiên Sơn - Bắc Ninh vừa đưa vào hoạt động trạm xử lý nước thải công suất 2000m3/ngày, tiếp nhận và xử lý toàn bộ nước thải sinh hoạt và công nghiệp của KCN đảm bảo đủ tiêu chuẩn trước khi thải ra hệ thống thoát chung của khu vực Trạm xử lý này được sử dụng công nghệ “xử

lý sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính”, kết quả là nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường TCVN 5945 - 2005 loại A

Ở các đô thị lớn như Tp.HCM, Hà Nội, Đà Nẵng … cũng đều có các nhà máy xử lý nước thải tập trung mặc dù số lượng các trạm xử lý này vẫn chưa đáp ứng xử lý toàn bộ nước thải, nhưng đó cũng là một tín hiệu tốt thể hiện sự quan tâm của xã hội đối với môi trường Ở Tp.HCM nhiều nhà máy

xử lý nước đã đang và sẽ đi vào hoạt động, như nhà máy xử lý nước thải tại xã Bình Hưng, huyện Bình Chánh theo công nghệ bùn hoạt tính được xây dựng với nguồn vốn ODA, công suất dự kiến 141.000m3/ngđ, dự tính sẽ khánh thành vào tháng 12/2008

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU2.1 Địa điểm nghiên cứu

2.1.1 Địa điểm lấy mẫu nước thải

Cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, Tp.HCM từ cụm dân cư thải xả ra kênh Tàu Hũ

2.1.2 Nơi tiến hành thí nghiệm

- Phòng thí nghiệm vi sinh, sinh hóa trường ĐHSP Tp.HCM

- Khu vực đặt mô hình aeroten trong vườn trường

2.2 Các dụng cụ, thiết bị và hóa chất dùng trong nghiên cứu

K2HPO4 : Việt Nam Glucose:

KH2PO4 : Việt Nam KOH: Việt Nam

K2Cr2O7: Đức NaOH: Việt Nam

Fe(NH4)SO4.6H2O: Muối Morh KI: Trung Quốc

FeCl3.6H2O: Đức I2: Trung Quốc

CaCl2: Việt Nam HgSO4: Trung Quốc

Tinh bột tan: Trung Quốc Na2SO3: Việt Nam CMC: Trung Quốc Casein:

2.3 Môi trường nuôi cấy

2.3.1.Môi trường MPA

2.3.4 Môi trường thử hoạt tính amylase, protease, cellulase của vi khuẩn

Môi trường cơ sở

Enzyme cần thử Thành phần môi trường

Amylase Môi trường cơ sở + thay Glucoza bằng 1% tinh bột tan

Protease Môi trường cơ sở + thay Glucoza bằng 1% casein hoặc 20

ml sữa đặc

Cellulase Môi trường cơ sở + thay Glucoza bằng 0,3 - 0,5% CMC

2.3.5 Môi trường thử hoạt tính enzyme amylase, protease, cellulase của bùn hoạt tính

Enzyme cần thử

Thành phần môi trường

Amylase Môi trường MPA + 1% tinh bột tan

Protease Môi trường MPA+ 1% casein

Cellulase Môi trường MPA + 1% CMC

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp lấy mẫu nước

2.4.1.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm

Theo phương pháp lấy mẫu nước thải theo TCVN 5999:1995, ISO 5667 - 10:1992, ISO 5667-1

Lấy mẫu tổ hợp theo dòng chảy bằng cách lấy các mẫu đơn có thể tích từ 200 - 300 ml ở những thời điểm có dòng chảy khác nhau, các mẫu đơn được bảo quản ở 0 - 40C

2.4.1.2 Phương pháp lấy mẫu để xử lý trong mô hình aeroten

Lấy mẫu với số lượng lớn nên không cần bảo quản như trên Trước khi đưa vào xử lý sẽ phân tích các chỉ số từ mẫu nước thải lấy từ thùng chứa

2.4.2 Phương pháp hóa môi trường

- Chuẩn bị mẫu: chọn thể tích mẫu thích hợp để lượng cặn còn lại khoảng 2,5 - 200 mg Cho lượng mẫu thích hợp vào bát sứ, sấy khô trong tủ sấy đến khối lượng không đổi, sau đó đem cân

a: khối lượng cặn và bát sứ sau khi sấy (mg)

a: khối lượng cặn và giấy lọc sau khi sấy (mg)

b: khối lượng giấy lọc (mg)

V: thể tích mẫu (ml)

2.4.2.3 Xác định nồng độ bùn MLSS [17]

MLSS gồm bùn hoạt tính và chất rắn lơ lửng còn lại chưa được vi sinh vật kết bông Thực chất đây là hàm lượng bùn cặn (có cả bùn hoạt tính và chất rắn vô cơ dạng lơ lửng chưa được tạo thành bùn hoạt tính)

Lấy một lượng xác định (ml) bùn hoạt tính cho vào bát sứ rồi xác định theo phương pháp xác định chất rắn bay hơi (đã trình bày ở trên) Đơn vị của MLSS lấy theo mg/l Đây là thông số quan trọng trong xử lí nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính

2.4.2.4 Phương pháp xác định nồng độ bùn tối ưu [17]

Bằng cách xác định chỉ số thể tích của bùn hoạt tính SVI:

Chỉ số thể tích SVI được định nghĩa là số ml nước thải đang xử lý lắng được 1 gam bùn ( theo chất khô không tro) trong 30 phút và được tính như sau:

MLSS: khối lượng hỗn hợp lỏng - rắn thu được sau khi lắng trong (mg/l)

V: thể tích mẫu thử (nước thải đang xử lí đem lắng) để lắng trong ống đong 1 lít trong 30 phút (ml/l)

M: số gam bùn khô ( không tro)

1000: hệ số qui đổi mg ra gam

Giá trị SVI đánh giá khả năng kết lắng của bùn hoạt tính Giá trị điển hình của SVI đối với hệ thống bùn hoạt tính làm việc ở nồng độ MLSS từ 2000 đến 3500mg/l thường nằm trong khoảng 80 – 150mg/l

2.4.2.5 Phương pháp hoạt hóa bùn

Cho bùn giống vào nước thải theo tỉ lệ 1 : 5, bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết vào hỗn hợp bùn - nước thải theo tỉ lệ BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 Sục khí khoảng 4 - 5 giờ, sau đó cho lại vào aeroten để dùng cho mẻ tiếp theo

Nitơ trong nước thải được chuyển về dạng amonisunphat Để xác định Nitơ ở dạng này ta dùng phương pháp chuẩn độ

- Cất và chuẩn độ xác định ammoniac:

Dùng kiềm đặc NaOH 40% cho vào bình nước cất chứa dung dịch sau khi phá mẫu, khi đó xảy

ra phản ứng:

(NH4)2SO4 + 2 NaOH 2NH3 + H2O + Na2SO4

Dùng axit boric 3 % để hấp phụ NH3, sử dụng chỉ thị màu taxiro:

b a

100.28.0)

( 

a: số ml H2SO4 0,02 N dùng để chuẩn độ mẫu phân tích

b: số ml H2SO4 0,02 N dùng để chuẩn độ mẫu trắng

0,28: số mg Nitơ ứng với 1 ml H2SO4 0,02 N

m: số ml mẫu đem đi phá mẫu

V: số ml mẫu lấy để phân tích từ bình định mức 100 ml

100: thể tích bình định mức

2.4.2.7 Xác định pH

Để xác định pH của mẫu nước, chúng tôi kiểm tra bằng máy đo pH

2.4.2.8 Xác định COD (TCVN 6491:1999, ISO 6060: 1989- Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxi

hóa học)

a Hóa chất

- Bạc sunfat - axit sunfuric (Ag2SO4 - H2SO4)

Cho 10g bạc sunfat (Ag2SO4) và 35ml nước Cho từ từ 965 ml axit sunfuric đặc (ủ = 1.84g/ml),

để 1 hoặc 2 ngày cho tan hết Khuấy dung dịch để tăng thêm nhanh sự điều hòa

- Dung dịch kali bicromat

Cân 12,259 g kali bicromat đã sấy khô ở 1050C trong 2 giờ, hòa tan vào nước cất và định mức đến 1000ml

- Dung dịch muối Mohr: Sắt (II) amoni sunfat, dung dịch chuẩn có nồng độ, c[(NH4)2Fe(SO4)2.6H2O]  0.12mol/l

Hòa tan 47.0g sắt (II) amoni sunfat ngậm 6 phân tử nước (Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O) vào nước cất Thêm 20ml axit sunfuric đặc (ủ = 1.84g/ml) Để nguội và thêm nước cất cho đủ 1000ml (Chuẩn lại dung dịch muối Mohr bằng dung dịch K2Cr2O7 trước khi dùng)

Dung dịch này phải chuẩn lại hàng ngày theo cách như sau:

Pha loãng 10.0ml dung dịch kali dicromat đến khoảng 100ml với axit sunfuric Chuẩn độ dung dịch này bằng dung dịch sắt (II) amoni sunfat nói trên sử dụng 2 hoặc 3 giọt chỉ thị feroin

Nồng độ c của sắt (II) amoni sunfat (mol/l) được tính theo công thức:

V là thể tích dung dịch sắt (II) amoni sunfat tiêu (ml)

- Thủy ngân sunfat (HgSO4): loại tinh dùng cho phân tích hóa học

V1: thể tích của sắt (II) amoni sunfat sử dụng khi chuẩn độ mẫu trắng (ml)

V2: thể tích của sắt (II) amoni sunfat sử dụng khi chuẩn độ mẫu thử (ml)

8000: khối lượng mol của 1/2 O2 (mg/l)

2.4.2.9 Phương pháp xác định BOD 5 bằng phương pháp Winkler cải tiến [26]

a Nguyên tắc

BOD là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi sinh vật (chủ yếu

là vi khuẩn) hoại sinh, hiếu khí Đây là một đại lượng để đánh giá mức độ ô nhiễm (về mặt chất hữu cơ

và vi sinh vật của nước)

Phương pháp Winkler dựa trên sự oxi hóa Mn+2 thành Mn+4 bởi lượng oxi hòa tan trong nước

Nếu nước không có oxi hòa tan thì kết tủa Mn(OH)2 vẫn giữ màu trắng sau khi thêm dung dịch iodua - kiềm vào mẫu có sẵn MnSO4

Nếu mẫu có oxi hòa tan thì một phần Mn+2 bị oxi hóa thành Mn+4 có màu nâu theo phản ứng:

Lượng oxi hòa tan trong phản ứng trên được định phân gián tiếp qua lượng iod sinh ra khi MnO2 tiếp tục tác dụng với iodua khi thêm dung dịch iodua – kiềm vào mẫu theo phản ứng:

Mn+2 + 2OH- + 1/2O2 MnO2 + H2O

- Dung dịch Na2S2O3 0,025N: hòa tan 6,205 g Na2S2O3.5H2O và định mức thành 1000 ml bằng nước cất

* Hóa chất pha loãng:

- Dung dịch đệm phosphate: hòa tan 8,5 g KH2PO4 và 1,7 g NH4Cl vào bình định mức 1 lít, định mức đến 1000 ml bằng nước cất Dung dịch phải có pH = 7.2

- Dung dịch MgSO4: hòa tan 22,5 g MgSO4.7H2O trong nước cất và định mức thành 1000 ml

- Dung dịch CaCl2: hòa tan 27.5 g CaCl2 trong nước cất và định mức thành 1000 ml

- Dung dịch FeCl3: hòa tan 0,25 g FeCl3.6H2O trong nước cất và định mức thành 1000 ml

- Dung dịch axit và kiềm 1 N: dùng để điều chỉnh pH nếu cần

* Chuẩn bị dung dịch pha loãng mẫu

Lấy chai to miệng rộng, cho tương ứng các dung dịch đệm phosphate, MgSO4, FeCl3 mỗi loại 1

ml và thêm nước cất vào thành 1000 ml Thổi không khí sạch ở 200C vào nước và lắc nhiều làm cho oxi bão hòa (thường thổi khí khoảng hơn 2 giờ)

* Tỉ lệ pha loãng: Tùy thuộc vào loại nước mẫu mà ta pha loãng với các mức độ khác nhau

Thứ tự Nguồn

lấy mẫu

Khoảng giá trị BOD 5 (mg/l)

Thể tích mẫu (ml)

Thể tích dung dịch pha loãng (ml)

Hệ số pha loãng (lần)

Trong đó:

L: hồ

R: sông hoặc hồ chứa

E: nước cống sau khi xử lí sinh học

S: nước cống ổn định hoặc nước thải công nghiệp nhẹ

C: nước cống thô ( chưa xử lí hoặc ổn định)

I: nước thải công nghiệp ô nhiễm nặng

c Cách tiến hành:

Rót đầy mẫu vào chai BOD có dung tích 300 ml, tránh bọt bám trên thành chai, đậy nút loại bỏ mẫu thừa ủ 5 ngày, tưới nước cất lên nắp bình vào mỗi buổi sáng để tránh bọt khí, sau đó phủ lên bình bằng giấy báo Buồng ủ có nhiệt độ 200C

* Xác định DO 5 :

- Cho 2 ml dung dịch Mix I và 2 ml dung dịch Mix II vào mẫu sau khi ủ 5 ngày rồi đậy nút và lắc mạnh để phản ứng xảy ra hoàn toàn

- Đợi kết tủa lắng yên, cho thêm 2 ml H2SO4 98% rồi lắc mạnh để hòa tan hết kết tủa

- Dùng ống đong lấy 203 ml mẫu sau khi cho hóa chất

- Chuẩn độ bằng dung dịch Na2S2O3 0,025N tới lúc mẫu chuyển sang màu vàng chanh thì cho thêm 1 - 3 giọt hồ tinh bột, sau đó lắc nhẹ và chuẩn độ tiếp cho đến khi mẫu bắt đầu mất màu

- Ghi lại thể tích Na2S2O3 (ml) đã dùng, thể tích này đúng bằng nồng độ DO5 (mg/l)

- Tiến hành song song với một mẫu nước cất có sục khí bão hòa

Chú ý: cứ 1 ml dung dịch Na2S2O3.H2O 0,025N tương ứng 0,2 mg DO nên mỗi ml chuẩn độ tương ứng

1 mg DO/l khi mẫu nước ban đầu là 203 ml (1ml O2 = 0,7*1mg O2/l)

Trong đó:

DO0: nồng độ DO của hỗn hợp mẫu và dung dịch cấy trước khi ủ

DO5: nồng độ DO của hỗn hợp mẫu và dung dịch cấy sau khi ủ 5 ngày

P: V1/V2

a Pha loãng mẫu

- Hút 1 ml nước thải vào ống nghiệm thứ nhất có chứa 9 ml nước cất vô khuẩn

- Trộn đều dung dịch bằng cách hút lên rồi thổi xuống 3 - 5 lần Độ pha loãng mẫu lúc này là 10

-1

- Tiếp tục hút 1 ml ở ống nghiệm thứ nhất cho vào ống nghiệm thứ hai chứa 9 ml nước cất vô khuẩn

- Trộn đều như trên Độ pha loãng mẫu lúc này là 10-2

- Cứ tiếp tục như vậy để có mẫu ở các độ pha loãng 10-3, 10-4, 10-5, 10-6,…

Tùy theo nồng độ vi sinh vật ước đoán trong mẫu mà tiến hành pha loãng mẫu với các tỉ lệ khác nhau

- Các đĩa petri đã được cấy dịch tế bào, gói kín và đặt úp ngược đĩa trong tủ ấm 370C Sau 24 giờ đếm số khuẩn lạc trong mỗi đĩa

c Cách đếm

- Lấy bút chì kẻ hai đường vuông góc dưới đáy đĩa Petri và đánh dấu thứ tự từng vùng I, II, III,

IV

- Đếm số khuẩn lạc trong từng vùng, nhớ đánh dấu các khuẩn lạc đã đếm

- Số lượng tế bào vi sinh vật trong 1 ml mẫu được tính theo công thức sau đây:

Trong đó:

n: số khuẩn lạc trung bình trong một đĩa petri ở một độ pha loãng nhất định

v: thể tích dịch mẫu đem cấy

D: hệ số pha loãng

2.4.3.2 Phương pháp phân lập vi khuẩn từ bùn hoạt tính [2, 21, 28, 33]

a Pha loãng mẫu ( tiến hành tương tự như trên)

b Cấy mẫu

- Thể tích các mẫu được cấy lên thạch đĩa thường là 0,1 ml

- Lấy que gạt vô khuẩn phân bố đều mẫu trên bề mặt thạch Đậy nắp đĩa lại để thấm hút hết mẫu trong vài phút

- Úp ngược đĩa thạch rồi đem ủ trong tủ ấm ở 370C

c Chọn khuẩn lạc đặc trưng và xác định hình thái khuẩn lạc

- Chọn những khuẩn lạc đặc trưng, lấy một vòng que cấy khuẩn lạc cho vào nước cất vô trùng, sau đó pha loãng với các nồng độ thích hợp, chọn nồng độ pha loãng sao cho khi cấy 0,1 ml vào đĩa thạch sẽ xuất hiện các khuẩn lạc giống nhau riêng rẽ

- Đặt vào tủ ấm 370C trong 24 giờ

- Tiến hành quan sát các khuẩn lạc này từ các phía (từ trên xuống, từ bên cạnh), chú ý về kích thước, hình dạng mép, hình dạng khuẩn lạc, bề mặt, độ dày, có núm hay không, độ trong, màu sắc (trên, dưới, có khuếch tán ra môi trường hay không)

2.4.3.3 Phương pháp nhuộm Gram [6, 19 ]

Đây là phương pháp nhuộm vi khuẩn của Christian Gram Nhuộm Gram không những giúp phân biệt vi khuẩn nhờ các đặc điểm hình thái và sự sắp xếp của tế bào mà còn cung cấp thông tin về lớp vỏ tế bào Khi nhuộm theo phương pháp này, tế bào vi khuẩn Gram dương có lớp vỏ tế bào dày tạo bởi peptidoglycan sẽ có màu tím, còn vi khuẩn Gram âm có lớp vỏ tế bào mỏng hơn (do có ít peptidoglycan hơn) và được bao bọc bởi một lớp màng mỏng sẽ có màu hồng

b Cách tiến hành

- Dùng que cấy lấy từ 1 đến 2 giọt canh trường chứa vi khuẩn cần quan sát bôi lên phiến kính rồi để khô

- Cố định vết bôi bằng cách hơ nhẹ phiến kính lên ngọn lửa đèn cồn

- Nhuộm tím gentian trong 1 phút rồi rửa bằng nước cất không quá 2 giây (cho dòng nước chảy nhẹ qua tiêu bản, tránh không xối lên vết bôi)

- Ngâm trong dung dịch lugol 1 phút

- Tẩy màu bằng cồn trong 30 giây và rửa lại bằng nước cất

- Làm khô vết bôi và nhuộm bổ sung bằng dung dịch fuchsin trong 1 - 2 phút

- Rửa lại bằng nước cất rồi hơ qua đèn cồn cho khô

- Quan sát dưới kính hiển vi quang học có độ phóng đại 1000 lần

- Kết quả: Tế bào bắt màu tím là vi khuẩn Gram +, tế bào bắt màu hồng là vi khuẩn Gram -

2.4.3.4 Phương pháp nhuộm bào tử ( Phương pháp M.A Peskop) [19]

- Rửa kĩ vết bôi cho đến khi hết màu

- Nhuộm đỏ trung tính 0,5% trong 1 phút

- Rửa nước, làm khô và quan sát trên kính hiển vi với vật kính dầu (x 100)

- Kết quả: bào tử màu xanh, tế bào chất màu đỏ

2.4.3.5 Phương pháp kiểm tra khả năng di động [2]

a Vật liệu:

Chuẩn bị ống nghiệm chứa môi trường thạch bán lỏng (0,3 – 0,6% thạch)

b Cách tiến hành:

- Dùng que cấy có đầu nhọn cấy vikhuẩn theo kiểu chích sâu vào môi trường thạch bán lỏng

- Đặt ống nghiệm thẳng đứng, ủ ở nhiệt độ thích hợp và quan sát sau 1 – 3 ngày, có khi lâu hơn

- Kết quả:

Vi khuẩn mọc lan rộng quanh vết cấy tức là chúng có khả năng di động

Vi khuẩn chỉ mọc theo vết cấy tức là chúng không có khả năng di động

2.4.3.6 Phương pháp xác định sự có mặt của vi khuẩn nitrate hóa

Pha một lượng nước có (NH4)2SO4 và một lượng nước thải với bùn, lắc trong một thời gian thích hợp (khoảng 1 -2h), phân tích lượng NH4+ đầu và cuối, nếu NH4+ giảm thì chứng tỏ có vi khuẩn nitrate hóa Sau khi lắc để yên, phân tích lượng NO3- đầu và cuối, nếu giảm thì chứng tỏ có vi khuẩn phản nitrate hóa

2.4.4 Phương pháp hóa sinh

2.4.4.1 Phương pháp xác định các hoạt tính enzyme của bùn hoạt tính

Khi các enzyme amylase, protease, cellulose tác dụng lên cơ chất thích hợp lần lượt là tinh bột tan, casein, CMC trong môi trường thạch, cơ chất bị phân giải làm cho độ đục của môi trường bị giảm

đi, môi trường trở nên trong suốt Độ trong suốt được tạo ra của môi trường tỉ lệ với độ hoạt động của enzyme

Cách tiến hành:

- Chuẩn bị môi trường thạch có chứa cơ chất thích hợp (tinh bột tan, casein, CMC) được phân đều vào các đĩa petri Sau khi thạch đông, đục những giếng nhỏ có đường kính 0,4 cm trên bề mặt thạch, dùng pipetman lấy dịch bùn cấy vào các lỗ khoan, giữ ở 370C Sau 24 giờ, kiểm tra vòng phân giải của bùn

- Sau một thời gian thí nghiệm

+ Nhỏ dung dịch lugol, nếu bùn có hoạt tính sinh enzyme amylase và cellulose sẽ tạo thành các vòng sáng xung quanh giếng thạch

+ Nhỏ dung dịch HgCl2, nếu bùn có hoạt tính sinh enzyme protease sẽ tạo thành các vòng sáng

xung quanh giếng thạch

2.4.4.2 Phương pháp kiểm tra hoạt tính amylase, protease, cellulase của các loại vi khuẩn

Khi các enzyme amylase, protease, cellulase tác dụng lên cơ chất thích hợp (tinh bột tan, casein, CMC) trong môi trường thạch, cơ chất bị phân giải làm cho độ đục của môi trường bị giảm đi, môi trường trở nên trong suốt Độ trong suốt được tạo ra của môi trường tỉ lệ với độ hoạt động của enzyme