Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

Trong quá trình công nghiệp, các nguồn nước thải có thể phân thành: - Nước hình thành do phản ứng hóa học chúng bị ô nhiễm bởi các chất và sản phẩm phản ứng.. -Các tính chất vật lýMàu Mù

XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH

HỌC HIẾU KHÍ I.Đặt vấn đề

Việt Nam là một nước đang trên đà phát triển Công nghiêp hóa – hiện đại hóa được xem như chìa khóa để phát triển Song bên cạnh sự phát triển các ngành kinh tế, sự xuất hiện ngày càng nhiều các đô thị, sự phồn vinh của đất nước thì vấn đề luôn đi kèm cùng sự phát triển là ô nhiễm môi trường Đây được xem là vấn đề hết sức nghiêm trọng, cấp bách không chỉ với Việt Nam mà với toàn thế giới, nhưng chưa thực sự được quan tâm đúng mức và triệt để

Các chất thải đủ loại của các ngành công nghiệp với hàm lượng cao các chất độc hại, chất hữu cơ

và kim loại nặng được xả thẳng ra môi trường đã ảnh hưởng nghiêm trọng tới hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người

Ngoài ra nước ta cũng là một quốc gia có tỉ lệ tăng dân số cao trong khu vực và trên thế giới Trong quá trình sinh hoạt hằng ngày của người dân, với một lượng lớn dân cư như vậy thì lượng nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý thải ra môi trường rất lớn làm cho tình trạng ô nhiễm ngày càng gia tăng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống con người và toàn sinh giới

Do đó, vấn đề bức thiết đặt ra làm thế nào để giảm bớt nồng độ ô nhiễm của nước thải đến mức cho phép theo tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường Vì vậy xử lý nước thải là việc làm vô cùng cần thiết và cấp bách Thực tế là trong các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm thì xử lý nước thải

đã, đang được coi là biện pháp chủ lực

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau như: phương pháp cơ học, phương pháp hóa học,… nhưng phương pháp luôn được hướng tới trong các nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn là xử lý sinh học đã đem lại hiệu quả cao Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các

vi sinh vật có thể phân hủy được các chất hữu cơ trong tự nhiên và cả tổng hợp nhân tạo Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một bước vô cùng quan trọng trong tất cả các hệ thống

xử lý nước thải nói chung Trong đó việc sử dụng các vi sinh vật hiếu khí là phương pháp phổ biến nhất trong các công trình xử lý hiện nay

II Vật liệu, phương pháp nghiên cứu

A.Tổng quan về nước thải:

1, Khái niệm

- Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã làm thay đổi tích chất ban đầu của nước

- Nước thải là nước đã dùn trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua các vùng đất ô nhiễm Phụ thuộc điều kiện hình thành, nước thải được chia thành: nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nước thải tự nhiên và nước thải đô thị

+ Nước thải sinh hoạt:

Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công

sở, trường học hay các cơ sở khác Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu cơ không bền sinh học (như cacbohydrat, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat,nito), vi trùng, chất rắn và mùi

+ Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động sản xuất Trong quá trình công nghiệp, các nguồn nước thải có thể phân thành:

- Nước hình thành do phản ứng hóa học( chúng bị ô nhiễm bởi các chất và sản phẩm phản ứng)

- Nước ở dạng âm tự do và liên kết trong nguyên liệu và chất ban đầu, được tách ra trong quá trình chế biến

- Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị

- Nước hấp thụ, nước làm nguội

+Nước thải tự nhiên:

Nước mưa được xem là nước thải tự nhiên Ở những thành phó hiện đại, nước mưa được

thu gom bằng hệ thống riêng

+Nước thải đô thị:

Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố Đó là hỗn hợp các loại nước thải kể trên

2, Các tính chất đặc trưng của nước thải:

Bảng nguồn gốc của các tính chất nước thải

Tính chất Nguồn gốc

-Các tính chất vật lý

Màu

Mùi

Chất rắn

Nhiệt độ:

- thành phần hóa học

+Nguồn hữu cơ:

Cacbohidrat

mỡ, dầu, dầu nhờn

thuốc trừ sâu

Phenol

Protein

Chất hoạt động bề mặt

Các chất khác

Các chất thải sinh hoạt sinh hoạt và công nghiệp, sự phân rã tự nhiên của các chất hữu cơ

Sự thối rữa nước thải và các chất thải công nghiệp

Cấp nước cho sinh hoạt, các chất thải sinh hoạt và sản xuất, xói mòn đất, dòng thấm, chảy vào hệ thống cống

Các chất thải sinh hoạt và sản xuất

Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất

Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất

Chất thải nông nghiệp

Chất thải công nghiệp

Các chất thải sinh hoạt và thương mại

Các chất thải sinh hoạt và sản xuất

Phân rã tự nhiên các chất hữu cơ

+Nguồn vô cơ

Độ kiềm

Clorua

Kim loại nặng

Nito

pH

phospho

Lưu huỳnh

Các hợp chất độc

Các khí: H 2S

CH 4

Oxy

-Thành phần sinh học

Các động vật

Thực vật

Sinh vật nguyên sinh,

virut

Nước thải sinh hoạt, cấp nước sinh hoạt, sự thấm của nước ngầm Cấp nước sinh hoạt, các chất thải sinh hoạt,sự thấm của nước ngầm Các chất thải công nghiệp

Chất thải sinh hoạt và nông nghiệp

Các chất thải công nghiệp

Các chất thải sinh hoạt và công nghiệp

Cấp nước sinh hoạt, nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Chất thải công nghiệp

Phân ủy các hợp chất sinh hoạt

Phân hủy các hợp chất sinh hoạt

Cấp nước sinh hoạt, sự thấm của nước bề mặt

Các dòng nước hở và nhà máy xử lý

Các dòng nước hở và nhà máy xử lý

Chất thải sinh hoạt và nhà máy xử lý các chất thải sinh hoạt

Cụ thể: Nước thải có đặc trưng:

* Tính chất vật lý:

-Màu: có màu nâu xám vẩn đục, khu bị nhiễm khuẩn sẽ có màu đen

-Mùi:

-Nhiệt độ: có nhiệt độ cao hơn so với nguồn nước sạch ban đầu

-Lưu lượng: thể tích thực của nước thải cũng được xem là một đặc tính vật lý của nước thải, đơn vị m3 / người.ngày Vận tốc dòng chảy luôn thay đổi theo ngày

* Tính chất hóa học: các thông số thể hiện tính chất hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ,

vô cơ và khí Hay để đơn giản hóa, người ta xác định các thông số như: độ kiềm, BOD,COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N,P,các chất rắn( hữu cơ, vô cơ, huyền phù và không tan) và nước -Độ kiềm: thực chất độ kiềm là môi trường đệm để giữ pH trung tính của nước thải trong suốt quá trình xử lý sinh hóa

-Nhu cầu oxy sinh hóa(BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh hóa trong nước thải, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt đô 200độ C, kí hiệu BOD5

-Nhu cầu oxy hóa học (COD): dung để xác định lượng chất bị oxy hóa trong nước thải COD thường nằm trong khoảng 200- 500mg/l Tuy nhiên một số loại nước thải công nghiệp BOD có thể tăng lên rất nhiều

-Các chất khí hòa tan: đây là những chất khí cos thể hòa tan trong nước thải Nước thải công nghiêp thường có lượng oxy hòa tan tương đối thấp

-Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi với mỗi loại nước thải khác nhau

-pH: là cách xác định nhanh nhất tính axit của nước thải Để xử lý nước thải có hiệu quả pH thường trong khoảng 6-9,5( hay tối ưu là 6,5 -8)

-Phospho: thường trong khoảng 6-20 mg/l

-Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chất rắn

-Nước: là thành phần cấu tạo chính của nước thải Trong một số trường hợp nước có thể chiếm đến 99,5%- 99,9% trong nước thải Nước thải ô nhiễm nặng các chất ô nhiễm cũng chỉ chiếm 0,5%, còn với nước thải được xem là sạch nhất thì nồng độ này là 0,1%

* Chỉ thị về vi sinh của nước (E.coli):

Trong nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, bệnh viện, vùng du lịch, khu chăn nuôi… nhiễm nhiều loại vi sinh vật Trong đó có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là các bệnh về đường tiêu hóa, tả lị, thương hàn, ngộ độc thực phẩm Chất lượng về mặt vi sinh của nước thường được biểu thị bằng nồng độ vi khuẩn chỉ thị- đó là những vi khuẩn không gây bệnh và về nguyên tắc

đó là nhóm trực khuẩn (coliform) Thông số được sử dụng rộng rãi nhất là chỉ số coli Tuy tổng

số coliform thường được sử dụng như một chỉ số chất lượng của nước về mặt vệ sinh, nhưng ở điều kiện nhiệt đới, chỉ số này chưa đủ ý nghĩa về mặt vệ sinh

B, Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

1.Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học:

-Cơ sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hóa vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải

-Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amon hóa chất hữu cơ chứa nito bởi các vi khuẩn Amon hóa Nhờ các men ngoại bảo của các vi khuẩn gây thối như loài Pseudomonadales, Eubateriales,… mà protein bị phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn

là các polipeptit, oligopeptit Các chất này hoặc tiếp tục được phân hủy thành các acid amin nhờ men peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp phụ sau đó sẽ phân hủy tiếp trong tế bào thành các acid amin Các acid amin một phần được vi sinh vật sử dụng để sinh tổng hợp protein- xây dựng tế bào mới, một phần bị phân giải tiếp theo những con đường khác nhau để tạo NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác

-Với các protein chứa S, nhờ tác dụng của men Desunfuraza sẽ bị phân hủy thành H 2S sản phẩm phân giải bởi vi sinh vật kỵ khí còn cho Scatol, Indol, Mercaptan và một số khí khác Nhờ hoạt động của một số vi khuẩn như Thiobacillus, Thiobacillus detnitrificans, vi khuẩn lưu huỳnh dạng sợi thuộc giống Beggiatoa, Thiothrix và nhiều vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn hiếu khí khác quá trình Sunfat hóa được thực hiện Ngược lại quá trình khử Sunfat được thực hiện bởi Clotridium nigrificans và loài Pseudomonas Zelinskii

-Trong điều kiện tự nhiên nhiều loài vi khuẩn như loài Acinetobacter và nấm có khả năng phân giải và giải phóng photpho trong xương động vật ở dạng rắn sang dạng hòa tan

-Theo con đường thủy phân trong điều kiện hiếu khí các vi khuẩn Pseudomonas, Bacillus, actinomyces và các loài nấm bậc cao chuyển hóa nhanh tinh bột thành đường, tiếp tục bị phân hủy thành CO2 và nhiều sản phẩm khác nhau, một phần được chuyển hóa trong quá trình trao đổi chất Trong điều kiện hiếu khí Cytophaza và Sporocytophaga là loài có khả nảng phân hủy xenluloza mạnh nhất

-Trong tự nhiên còn xảy ra quá trình tự làm sạch nhờ các vi sinh vật sử dụng các chất bẩn trong nước làm thức ăn Về mặt sinh học tham gia vào việc tự làm sạch có rất nhiều loài sinh vật như cá, chim, động vật nguyên sinh,… và vi sinh vật với mức độ khác nhau nhưng quyết định vẫn là vi sinh vật Ngoài ra còn thấy vai trò làm sạch của các loài tảo.Thông qua hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxy cho môi trường và chất kháng sinh để tiêu diệt các mầm bện có trong nước Một số loài tảo còn có khả năng hấp thụ các kim loại nặng và tia phóng xạ

2.Nguyên lý của quá trình xử lý sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là lợi dụng quá trình sống, phân giải của các vi sinh vật hiếu khí và tùy tiện để phân hủy các chất hữu cơ và một số chất vô cơ có thể chuyển hóa sinh học được có trong nước thải trong điều kiện có oxi Đồng thời các vi sinh vật sẽ sử dụng một phần một phần hữu cơ và năng lượng khai thác được để tổng hợp nên sinh khối

3 Cơ chế của quá trình

Quá trình xử lý sinh học là quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ đồng thời tăng sinh khối hay phân hủy nội bào theo cơ chế sau:

• Oxi hóa các hợp chất hữu cơ không chứa nito:

• Oxi hóa các hợp chất hữu cơ chứa nito:

• Tổng hợp sinh khối

• Phân hủy nội bào

4 Phân loại

• ™ QÚA TRÌNH HIẾU KHÍ SINH TRƯỞNG LƠ LỬNG

1. Aerotank (Phổ biến)

- Aerotank là công trình xử lý nước thải có dạng bể được thực hiện nhờ bùn hoạt tính và cấp oxy bằng khí nén hoặc làm thoáng, khuấy đảo liên tục Với điều kiện như vậy, bùn được phát triển ở trạng thái lơ lửng và hiệu suất phân hủy (oxy hóa) các hợp chất hữu cơ là khá cao

Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật có trong nước thải, hình thành những bông cặn có khả năng hấp thu và phân hủy các chất hữu cơ khi có mặt oxy Bảng – Vi khuẩn tồn tại trong quá trình bùn hoạt tính

Pseudomonas Phân hủy hidratcacbon, protein, các hợp chất hữu cơ khác và

phần nitrat hóa

Bacillus

Cytophaga

Zooglea

Acinetobacter

Nitrosomonas

Nitrobacter

Sphaerotilus

Alcaligenes

Flavobacterium

Nitrococcus

Dennitrificans

Thiobacillus

Denitrigficans

Acinetobacter

Hyphomicrobium

Desulfovibrio

Phân hủy hidratcacbon Phân hủy hidratccbon và protein…

Phân hủy các polymer Tạo thành chất nhầy, hình thành chất keo tụ Tích lũy polyphosphate, phản nitrat

Nitrit hóa Nitrit hóa Sinh nhiều tiên mao Phân hủy protein, phản nitrat Phân hủy protein

Nitrat hóa

Khử sulfat, khử nitrat

-Cơ chế bể Aerotank :

+ Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục Việc sục khí nhằm cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng

+ Vi sinh vật sinh trưởng bằng cách phân đôi Thời gian cần để phân đôi tế bào gọi là thời gian sinh sản, có thể kéo dài 20 phút đến hằng ngày

+ Quá trình chuyển hóa cơ chất, oxi hóa và tổng hợp tế bào :

Chất hữu cơ + O2 => CO2 +H2 O+ tế bào mới+ sản phẩm trung gian

-Trong môi trường nước, khi quá trình oxi hóa sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan (COD) là lượng oxy cần thiết để oxi hóa các hợp chất hóa học trong nước bao gồm cả vô

cơ và hữu cơ Toàn bộ oxy sử dụng cho các phản ứng trên được lấy từ oxy hòa tan trong nước(DO) Tiếp theo diễn ra quá trình khử nito và nitrat hóa.Hợp chất hữu cơ chứa nito NH4+, sinh khối tế bào vi sinh vật, tế bào sống, tế bào chết theo bùn ra ngoài Do quá trình thủy phân bởi enzim của vi khuẩn và quá trình khử nito tạo ra các khí NO3, NO2,O2 chúng sẽ thoát ra vào không khí Để quá trình trong Aerotank diễn ra thuận lợi thì phải khuấy trộn hoàn toàn để nén sục oxy tinh khiết

-Trong quy trình này bể thiếu khí( Anoxic) được bổ sung vào nhằm xử lý triệt để hàm lượng nito trong nước thải, đảm bảo sau xử lý đạt tiêu chuần xả thải

-Bản chất của phương pháp là phân hủy sinh học hiếu khí với cung cấp oxy cưỡng bức và mật độ

vi sinh vật được duy trì cao( 2.000mg/l -5.000mg/l) do vậy tải trọng phân hủy hữu cơ cao và cần

ít mặt bằng cho hệ thống xử lý đồng thời cũng tiêu hao lượng lớn năng lượng Nồng độ oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt 2 không được nhỏ hơn 2mg/l để đảm bảo duy trì ổn định cung cấp oxy cho suốt quá trình

- Để sử dụng tốt phương pháp này cần lưu ý các yêu cầu chung khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí :

+ Cân bằng dinh dưỡng cho môi trường lỏng theo tỉ lệ BOD5 : P : N =100 :5 :1, kéo dài

là 200 :5 :1

+Nước thải đưa vào đưa vào hệ thống cần có hàm lượng SS không vượt quá 150mg/l +Hàm lượng sản phẩm dầu mỏ không quá 25mg/l

+Môi trường pH=6,5 -8,5, nhiệt độ trong khoảng 6-370C

-Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của Aerotank :

+Lượng oxy hòa tan trong nước : Để đảm bảo cho Aerotank có khả năng oxi hóa chất bẩn hữu cơ với hiệu suất cao cần phải đảm bảo đủ lượng oxy đáp ứng nhu cầu hiếu khí của vi sinh vật trong bùn hoạt tính, chủ yếu là oxy hòa tan trong môi trường lỏng Lượng oxy được coi

là đủ khi nước thải ra khỏi bể lăng đợt 2 là 2 mg/l

+Thành phần dinh dưỡng với vi sinh vật : Thành phần dinh dưỡng chủ yếu trong nước thải là nguồn C(Được gọi là cơ chất hay chất nền được thể hiện bằng BOD) Ngoài ra còn lưu ý nguồn nito( thường ở dạng NH4+) và nguồn phospho( ở dạng muối photphat) và một số các thành phần khoáng khác như magie,kali,canxi,… thiếu dinh dưỡng sẽ ảnh hưởng đến mức đọ sinh trưởng, phát triển, tăng sinh khối của vi sinh vật, thể hiện bằng bùn hoạt tính giảm, ức chế các quá trình oxi hóa chất hữu cơ gây nhiễm bẩn

+pH :thích hợp là 6,5-8,5

+Nhiệt độ : hầu hết vi sinh trong nước là ưa ấm, chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là

400C, tối thiểu là 50C Vì vậy nhiệt độ xử lý nước thải chỉ trong 15-350 C

+Nồng độ chất lơ lửng(SS) ở dạng huyền phù : nước thải đưa vào xử lý cần có hàm lượng SS không quá 150mg/l

-Để tạo bùn hoạt tính cần phải chú ý đến một số yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật có trong bùn hoạt tính :

+Nhiệt độ nước thải nếu cao thì phải đưa về 25-300C

+ Điều chỉnh pH nước thải về 6,5-7,5