tiểu luận bùn hoạt tính

2 Sinh học của bùn hoạt tính Hai mục đích của hệ thống bùn hoạt tính là 1 oxy hóa những chất hữu cơ có thể phân hủy trong bể thông khí chất hữu cơ hòa tan được chuyển thành sinh khối tế

BÙN HOẠT TÍNH

1 Giới thiệu

Bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học nước thải trong đó vi sinh vật tăng sinh Xử lý kiểu này được bắt đầu áp dụng ở Anh quốc vào đầu thế kỷ 20 Từ đó, quá trình này đã được phát triển rộng rãi trên thế giới trong xử lý thứ cấp cho nước thải sinh hoạt

Quá trình này về cơ bản bao gồm xử lý hiếu khí để oxy hóa chất hữu cơ thành

CO2 và H2O, NH4 và sinh khối tế bào Không khí được cung cấp bằng việc thông khí khuếch tán hoặc cơ học Tế bào vi sinh tạo thành những bông được lắng ở bể lắng

2 Sinh học của bùn hoạt tính

Hai mục đích của hệ thống bùn hoạt tính là (1) oxy hóa những chất hữu cơ có thể phân hủy trong bể thông khí (chất hữu cơ hòa tan được chuyển thành sinh khối tế bào mới); và (2) kết bông, nghĩa là tách những sinh khối mới tạo thành ra khỏi nước thải ra

2.1 Khảo sát vi sinh vật hiện diện trong bông bùn hoạt tính

Bông bùn hoạt tính chứa những tế bào vi khuẩn cũng như

các hạt hữu cơ và vô cơ Bông bùn có kích thước thay đổi từ < 1

µm (kích thước của một vài tế bào vi khuẩn) cho đến 1000 µm hay hơn nữa (hình 9.1)

Hình 9.1 Một số vi khuẩn dạng sợi trong bùn hoạt tính

Những tế bào còn sống trong bông bùn, được đo lường bởi hoạt tính ATP và dehydrogenase chiếm khoảng 5% đến 20% tổng số tế bào Một số nhà nghiên cứu cho rằng phần vi khuẩn còn sống trong bông bùn hoạt tính chỉ chiếm khoảng 1-3% tổng số vi khuẩn

Sau đây là những vi sinh vật được tìm thấy trong bông bùn hoạt tính

2.1.1 Vi khuẩn

Vi khuẩn chiếm phần chủ yếu trong bông bùn hoạt tính Hơn 300 chủng vi khuẩn phát triển trong bùn hoạt tính Vi khuẩn hoạt động sẽ oxy hóa chất hữu cơ và để chuyển hóa chất dinh dưỡng, chúng tạo thành polysccharides và những chất polymer khác giúp cho

việc tạo bông của sinh khối vi sinh vật Những chi thường gặp trong bông bùn là Zooglea,

Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus, Achromobacter, Corynebacterium, Comomonas, Brevibacterium, và Acinetobacterium, cũng như những loài vi sinh vật sợi

Một số loại sinh vật sợi là loại có bao (thí dụ Sphaerotilus) và vi khuẩn trượt (thí dụ

Beggiatoa, Vitreoscilla) thường gặp trong sự cố bung bùn Khi nồng độ oxy trong bông bị

giới hạn, số lượng vi khuẩn hiếu khí giảm khi kích thước bông gia tăng Phần bên trong của bông bùn tương đối lớn tạo thuận lợi cho những vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt như những vi khuẩn tạo metan Người ta giải thích rằng sự hiện diện của vi sinh vật tạo metan là do sự tạo thành của những hốc kỵ khí trong bông bùn hoặc là do sự dung nạp của một số

vi sinh vật tạo metan đối với oxy Do đó, bùn hoạt tính có thể là một vật liệu “mầm” tiện lợi và có hiệu quả cho bể phản ứng kỵ khí

Tổng số vi khuẩn hiếu khí trong bùn hoạt tính tiêu chuẩn khoảng vài 108 CFU/mg bùn Việc phân tích thành phần quinone của bùn hoạt tính cho thấy

ubiquinone Q-8 là tiền thân của quinone Caulobacter, một vi khuẩn có nhánh

thường được thấy trong nước thải ít chất hữu cơ, được phân lập trong nhà máy xử lý nước thải nói chung và bùn hoạt tính nói riêng

Zooglea là những vi khuẩn tạo ra polysaccharide ngoại bào, có hình dạng những nhánh

hình ngón tay và được tìm thấy trong nước thải và những môi trường giàu chất hữu cơ Chúng được phân lập bằng cách sử dụng môi trường làm giàu chứa m-butanol, tinh bột hay m-toluate làm nguồn carbon Chúng được tìm thấy trong những giai đoạn khác nhau của xử lý nước thải, số lượng của chúng chỉ chiếm 0,1% đến 1% tổng số vi khuẩn trong hỗn dịch Tính quan trọng của những vi khuẩn này trong xử lý nước thải cần được nghiên cứu kỹ hơn nữa

Bông bùn hoạt tính cũng có những vi khuẩn tự dưỡng như vi khuẩn nitrát hóa và vi khuẩn quang dưỡng như vi khuẩn tím không sulfur (Rhodospirillaceae) được phát hiện ở nồng độ 105 tế bào cho mỗi ml Vi khuẩn tím và xanh sulfur cũng được

tìm thấy ở nồng độ thấp hơn nhiều Vi khuẩn quang dưỡng có lẽ chỉ có vai trò nhỏ trong việc loại bỏ BOD của bùn hoạt tính

2.1.2 Nấm

Bùn hoạt tính thường không thuận lợi cho sự phát triển của nấm mặc dù một số sợi nấm đôi khi được thấy ở trong bông bùn hoạt tính Nấm có thể mọc nhiều dưới những điều kiện đặc hiệu của pH thấp, độc chất, chất thải thiếu nitơ Các chi nấm thường gặp trong

bùn hoạt tính là Geotrichum, Penicillium, Cephalosporium, và Alternaria.

Hiện tượng bung bùn có thể do sự tăng sinh nhiều của Geotrichum candidum,

đặc biệt thuận lợi khi có pH thấp trong nước thải acid

2.1.3 Protozoa

Protozoa là vi sinh vật chủ yếu ăn vi khuẩn trong bùn hoạt tính cũng như trong môi trường nước tự nhiên Protozoa săn bắt vi khuẩn có thể được xác định thực nghiệm bằng việc đo lượng tiêu thụ vi khuẩn đánh dấu 14C hay 35S hay đánh dấu huỳnh quang Việc săn bắt vi khuẩn đó có thể giảm đáng kể khi có sự hiện diện của

độc chất Thí dụ, Aspidisca costata săn bắt vi khuẩn trong bùn hoạt tính bị giảm

khi có cadmium

Hình 9.2 Một số protozoa trong bùn hoạt tính

3 Hiện tượng bung và lên bọt bùn hoạt tính

3.1 Giới thiệu

Từ khi ra đời bể bùn hoạt tính – bể phản ứng dòng liên tục, hiện tượng bung bùn đã trở thành một trong những vấn đề chính ảnh hưởng đến việc xử lý nước thải

Trong một hệ thống bùn hoạt tính hoạt động tốt, vi khuẩn không dính kết với bông bùn thường bị tiêu diệt bởi những protozoa Sự hiện diện của chúng dưới dạng những tế bào phân tán riêng rẽ khiến cho nước thải ra bị đục Việc phát triển càng nhiều vi khuẩn phân tán có nghĩa là quá trình tạo bông thất bại Hiện tượng này xảy ra do tải lượng BOD cao và do giới hạn oxy Sự hiện diện các yếu tố gây độc

(thí dụ kim loại) có thể gây nên sự phát triển phân tán của vi khuẩn trong bùn hoạt tính

Bung bùn không có sợi (dispersed growth)

Hiện tượng này đôi khi được gọi là bung bùn zooglea và xảy ra do việc sản sinh

quá mức những exopolysaccharides bởi vi khuẩn (thí dụ Zooglea) thường được tìm

thấy trong bùn hoạt tính Nó khiến cho tính lắng và tính nén giảm Loại bung bùn này ít gặp và được hiệu chỉnh bằng chlor hóa

Bông bùn điểm (pinpoint flocs)

Bông bùn điểm xuất hiện do việc phá hủy những bông bùn thành những mảnh rất nhỏ có thể đi vào nước thải ra bùn hoạt tính Một số nhà quan sát tin rằng những vi khuẩn sợi tạo ra xương sống của bông bùn hoạt tính khi xuất hiện với số lượng thấp sẽ khiến cho bông bùn mất cấu trúc và gây nên kém lắng và cho nước ra đục

Lên bùn (rising sludge)

Lên bùn là do việc khử nitrát quá mức làm cho thiếu oxy trong bể lắng Những hạt bùn bám dính vào những bọt nitơ và tạo thành một lớp bùn ở bề mặt của bể làm trong Kết cuộc là nước thải ra bị đục và tăng BOD5 Một giải pháp khắc phục hiện tượng lên bùn là giảm thời gian lưu bùn (đó là tăng tốc độ tái tuần hoàn của bùn hoạt tính) trong bể lắng

Việc tạo thành bọt và váng (foaming/scum formation)

Vấn đề tạo thành váng là do việc tăng sinh của Nocardia và Microthrix trong bể

thổi khí của bùn hoạt tính

Bung bùn có sợi (filamentous bulking)

Nguyên nhân bung bùn là do tính lắng kém và tính nén kém của chất rắn trong bể làm trong của hệ thống bùn hoạt tính Hiện tượng bung bùn có sợi thường do nhiều vi sinh vật dạng sợi gây ra Đây là hiện tượng phổ biến sẽ được giải thích chi tiết ở phần 9.3.2 ngay dưới đây

Bảng 9.1 Tóm tắt nguyên nhân và hậu quả của những sự cố trong bùn hoạt tính

Sự cố Nguyên nhân Hậu quả

Sự phát triển phân tán vi sinh vật không tạo thành bông

nhưng khuếch tán, tạo thành những cụm nhỏ hay tế bào đơn lẻ

Nước ra đục: không có vùng lắng trong bùn

Nhày: bung bùn có nhớt

(cũng có thể gọi là việc

bung bùn không sợi)

Vi sinh vật hiện diện với số lượng lớn trong lớp màng ngoại bào

Giảm tính lắng và tốc độ nén Trên thực tế không có việc phân tách, trong những trường hợp nghiêm trọng, tạo nên chảy tràn của lớp bùn trong bể lắng đợt hai Bông bùn điểm Những bông bùn nhỏ, chắc, yếu và

có cấu hình được tạo thành lắng nhanh Những khối tụ nhỏ hơn lắng chậm

Chỉ số thể tích bùn SVI thấp và nước thải ra đục

Bung bùn Những vi sinh vật sợi bành trướng

khỏi bông bùn và cản trở việc nén và lắng của bùn

Chỉ số thể tích SVI cao - nước ra rất trong

Lên bùn (lên lớp bùn) Việc khử nitrát trong bể lắng đợt

hai tạo ra những bóng khí nitơ, bám dính với những bông bùn hoạt tính và nổi lên trên bề mặt bể lắng đợt hai

Lớp váng của bùn hoạt tính được tạo thành trên mặt của bể lắng đợt hai

Sự tạo thành bọt và váng Gây nên: (1) những chất hoạt diện

bề mặt không bị thoái biến và (2) sự hiện diện của những loài

Nocardia và đôi khi bởi (3) sự

hiện diện của Microthrix parvicella

Lượng lớn bọt nổi của chất rắn trong bùn hoạt tính tới bề mặt của đơn vị xử lý Bọt được tích lũy và có thể bị thối Chất rắn có thể chảy tràn vào bể lắng đợt hai hay có thể tràn lên lối đi.

3.2 Bung bùn có sợi

Lập lại, bung bùn là do việc tăng trưởng quá mức những vi khuẩn dạng sợi trong bùn hoạt tính Những vi khuẩn này là thành phần thông thường trong bông bùn hoạt tính nhưng có thể cạnh tranh với những vi khuẩn tạo bông dưới những điều kiện đặc trưng

3.2.1 Đo tính lắng của bùn

Tính lắng của bùn được xác định bằng cách đo lường chỉ số thể tích bùn (Sludge Volume Index - SVI), cho bởi công thức sau:

SVI = V x 1000 / MLSS (9.1)

Trong đó:

V = thể tích của bùn lắng sau 30 phút (mL/L)

MLSS = chất rắn lơ lửng hỗn dịch (mg/L)

SVI được biểu thị bằng mL trên mỗi gram và do đó là thể tích chiếm bởi trọng lượng của 1 gram bùn SVI cao (> 150 ml/g) cho thấy tình trạng bung bùn, trong khi SVI thấp dưới 70 ml/g cho thấy những bông bùn nhỏ chiếm chủ yếu

3.2.2 Quan hệ giữa vi khuẩn sợi và vi khuẩn tạo bông

Dựa trên quan hệ giữa vi khuẩn tạo bông và vi khuẩn tạo sợi, người ta tìm thấy có 3 loại bông bùn được thấy trong bùn hoạt tính:

Bông bình thường: Có sự cân đối giữa vi khuẩn tạo bông và vi khuẩn sợi do

những bông cứng chắc giữ được sự toàn vẹn trong hồ thông khí và lắng tốt trong bể lắng

Bông bùn nhỏ: Trong những bông bùn này, vi khuẩn sợi không có hay có với số

lượng thấp Điều này khiến cho nó không lắng tốt Nước thải ra thứ cấp bị đục mặc dù bùn có SVI thấp

Bung bùn sợi: Bung bùn sợi gây nên do sự chiếm ưu thế của vi sinh vật sợi

Những sợi cản trở sự lắng và nén bùn Việc lắng kém, biểu thị bằng SVI, được quan sát khi chiều dài của sợi vượt quá 107 µm/mg chất rắn lơ lửng Hơn 20 loại vi sinh vật sợi đã được nhận dạng trong bùn hoạt tính bị bung

Có sự khác nhau về sinh lý quan trọng giữa vi khuẩn tạo bông và vi khuẩn tạo sợi Sự khác biệt này được tóm tắt ở bảng 9.2 Những vi khuẩn sợi có tỷ số bề mặt trên thể tích cao hơn vi khuẩn tạo bông, và điều này khiến nó tồn tại được trong

điều kiện có ít oxy và dinh dưỡng kém Chúng có hằng số bán bão hòa thấp (Ks

trong phương trình Monod; xem chương 2) và có ái lực cao đối với những cơ chất, và

do đó nó tồn tại theo lối thiểu dưỡng và sống tốt trong điều kiện bị đói Những vi khuẩn sợi có thể chiếm ưu thế dưới điều kiện oxy hòa tan thấp, tỷ số F/M thấp, dinh dưỡng kém, và nồng độ sulfur cao Dù vậy, dường như nguyên nhân chủ yếu của việc bung bùn trong nhà máy xử lý nước thải là F/M thấp Sự khác biệt giữa vi khuẩn sợi và vi khuẩn tạo bông có thể được ứng dụng để kiểm soát việc bung bùn sợi trong bùn hoạt tính

Bảng 9.2 So sánh đặc tính sinh lý của

vi sinh vật tạo bông và vi sinh vật sợi

Giảm tốc độ phát triển đặc hiệu do nồng độ cơ chất thấp Đáng kể Vừa phải

Giảm tốc độ phát triển đặc hiệu do oxy hòa tan thấp Đáng kể Vừa phải

Khả năng hấp thụ chất hữu cơ khi có nhiều Cao Thấp

Khả năng sử dụng nitrát làm chất nhận điện tử Có Không

3.2.3 Những loại vi sinh vật sợi

Có khoảng 25-30 loại vi sinh vật sợi gây sự cố bung bùn trong bùn hoạt tính Khảo sát sự cố bung bùn trong các nhà máy bùn hoạt tính ở Hoa Kỳ cho thấy

khoảng 15 loại vi sinh vật sợi, trong đó loại giữ vai trò chủ yếu là Nocardia

(actinomycete gây hiện tượng tạo bọt) và type 1701 (bảng 9.3); loại 021N được tìm thấy trong 19% số mẫu trong tổng số hơn 400 mẫu bùn bung; trong tất cả những đợt bùn bung do type 021N 80% có liên quan đến việc xử lý nước thải công nghiệp hay hỗn hợp nước thải công nghiệp và sinh hoạt Một khảo sát khác của 17 nhà máy xử lý nước thải ở Pennsylvania cho thấy bốn loại vi sinh vật sợi thường thấy là

type 0041, type 1701, Haliscomenobacter hydrosis, và type 021N cũng được phát

hiện với tần suất tương đối là 13% và 21% trong hai nhà máy xử lý nước thải ở Berlin

Actinomycete được phân lập dòng #NRRL B 16216 là vi sinh vật tạo bung bùn ít gặp hơn, chúng gây nên bung bùn trong bể phản ứng quy mô nhỏ được dùng để xử

lý nước thải nhà máy sản xuất thức uống Cyanobacterium, Schizothrix calcicola gây

hiện tượng lên bùn nhiều lần trong nhà máy xử lý nước thải Ohio

Bảng 9.3 Vi sinh dạng sợi chủ yếu trong bùn hoạt tính bị bung ở Hoa Kỳ a

Thứ tự Vi sinh vật sợi % nhà máy xử lý nước thải bị sự

cố bùn bung và vsv sợi ưu thế b

9 Haliscomenobacter hydrosis 9

Loại khác <1

a Nguồn: Jenkins và Richard (1985)

b Phần trăm trong 525 mẫu từ 270 nhà máy xử lý có vấn đề bung bùn

3.3 Kỹ thuật để phân lập và xác định vi sinh vật sợi

Vi khuẩn sợi từ lâu đã được xem là một loại vi sinh vật khó phân lập trong các sách giáo khoa vi sinh học cổ điển Những công trình đầu tiên của Eikelboom và Van Buijen đã phát triển được phương pháp phân lập và định danh vi khuẩn này trong bùn hoạt tính

Gần đây, người ta tiến hành nghiên cứu phân lập vi khuẩn sợi sulfur trong bùn

hoạt tính (Thiothrix, Beggaitoa, và type 021N) Những vi khuẩn này phát triển trên

môi trường ít carbon hữu cơ với nguồn sulfur khử (sulfur hay thiosulfate)

Ammonium và acid hữu cơ từ 2 tới 4 carbon trợ giúp cho việc phát triển tất cả

những vi khuẩn sợi sulfur Microthrix parvicella cũng được nuôi cấy thành công

trong một môi trường được xác định về mặt hóa học chứa chủ yếu Tween 80 và nitơ khử và hợp chất sulfur

Việc ứng dụng kỹ thuật cổ điển để định danh những vi sinh vật sợi rất khó khăn và tốn thời gian Những vấn đề khác là tốc độ phát triển chậm và khó khăn để có được môi trường cấy tinh khiết từ mẫu bùn hoạt tính Do đó vi sinh vật sợi được khảo sát nhanh bằng cách soi kính hiển vi, chủ yếu là kính hiển vi tương phản pha Để định danh, phải có những thông tin thêm về đặc tính sinh hóa của chúng

Hình dạng sợi Sợi có thể thẳng, cong, liên thông hoặc xoắn Kích thước và hình dạng tế bào trong sợi (thí dụ, hình que hay hình cầu)

Phân nhánh Nấm và actinomycete như Nocardia có sợi phân nhánh Một số vi khuẩn sợi như Sphaerotilus natans có phân nhánh giả.

Tính di động của sợi Beggiatoa, di chuyển bằng cách trượt trên một bề mặt.

Sự hiện diện của bao Một số vi khuẩn sợi tạo thành bao, một cấu trúc ống bao quanh tế bào Mặc dù khó thấy, cấu trúc này có thể quan sát khi được chuẩn bị để

làm mất tế bào Nhuộm với 0,1% tím tinh thể là một phương pháp phổ biến để tìm

thấy vỏ bao Dù vậy, đối với một số loài vi khuẩn như Thiothrix, bao có thể có trong

một số chủng nhưng không có ở một số chủng khác

pH tối ưu cho bể bùn hoạt tính là 7 – 7.5 pH thấp hơn 6 có thể tạo điều kiện

thích hợp cho nấm phát triển (Geotrichum, Candida, Trichoderma) và tạo bùn sợi

Sự tăng trưởng vượt mức của nấm trong bể bùn hoạt tính sau 30 ngày tạo ra pH 4-5

3.4 Khống chế hiện tượng bung bùn

Xử lý bằng chất oxy hóa mạnh

Vi khuẩn dạng sợi có thể được xử lý bằng cách cho chlorine hoặc H2O2 vào bùn tuần hoàn để tiêu diệt một cách có chọn lọc các vi khuẩn dạng sợi Xử lý bùn nổi bằng chlorine là phương pháp được sử dụng rộng rãi cách nay hơn 50 năm Chlorine có thể được cho vào bể hiếu khí hoặc bùn tuần hoàn

Người ta bổ sung chlorine dạng khí (Cl2) hoặc NaOCl vào bùn tuần hoàn khoảng

3 lần mỗi ngày Nồng độ chlorine khoảng 10-20 mg/L (trên 20mg/L có thể gây hiện tượng bùn không lắng được (phá bông) và tạo thành bùn nhuyễn (pinpoint flocs)