cơ sở lý thuyết quá trình lọc sinh học

trình bày cơ sở lý thuyết quá trình lọc sinh học

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC

2.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI:

2.1.1 Định nghĩa:

Quá trình màng sinh học là một trong các quá trình xử lý nước thải bằngphương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và bám dính lên trênbề mặt các vật liệu rắn để tiếp xúc thường liên tục hay gián đoạn với nước thải.Phương pháp dùng vi sinh vật cố định để xử lý nước thải được phân làm 3 phươngpháp: là phương pháp vận chuyển kết gắn, phương pháp bẫy và phương pháp liênkết chéo trong đó quá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương phápvận chuyển kết gắn Tuy nhiên, quá trình xử lý sinh học sử dụng sinh khối cố địnhvới hai phương pháp còn lại có thể được xem như quá trình xử lý bằng màng sinhhọc bởi vì chúng có cùng cơ chế làm sạch và đặc tính xử lý Trong phần này, chỉthảo luận trong phạm vi hẹp về quá trình xử lý bằng màng sinh học hiếu khí

2.1.2 Phân loại:

Dựa vào nguyên tắc hoạt động, quá trình lọc sinh học được chia thành 3 loại:

 Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): phương pháp này dựa trên nguyêntắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước Phương pháp này còn được chiathành nhiều loại dựa trên cách hoạt động của giá thể: nền cố định (fixed bed),nền mở rộng (expanded bed) và nền giả lỏng (fluidized bed)

 Thiết bị sinh học tiếp xúc quay (rotating contactor) Đĩa quay sinh học sử dụngmột lượng lớn các đĩa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nướcthải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặtcủa đĩa

 Thiết bị lọc nhỏ giọt (trickling filter): ở phương pháp này dòng nước được chảytừ trên xuống qua tầng vật liệu lọc Lọc sinh học nhỏ giọt gồm một bể tròn haychữ nhật có chứa lớp vật liệu lọc (đá, ống nhựa, nhựa miếng…), nước thải đượctưới liên tục hay gián đoạn từ một ống phân phối thích hợp đặt bên trên bể Khi

nước thải chảy vào liên tục và đi qua lớp vật liệu lọc, lớp màng vi sinh vật tiếpxúc với nước thải và phát triển trên vật liệu lọc nên nước thải được làm sạch.

2.2 CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÀNG VI SINH VẬT:

2.2.1 Cấu tạo màng vi sinh vật:

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những quần thể vi sinh vật và mộtsố vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào(gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổichất và quá trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếucủa các loại polymer ngoại tế bào nay là polysaccharide, protein

Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấutrúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật (hình 3.1) bao gồm:

Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều loại kích thước và hình dạngkhác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật

Màng kỵ khí

NO3

-NO2

-Màng hiếu khí Lớp màng sinh học

Lớp hiệu quả

Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, nhữnghình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra Phát hiệnmới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm nhữngcụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymerngoại tế bào; tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngangvà chiều đứng Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiềuđứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngan, kết quả là sự phân bố sinhkhối trong màng vi sinh vật không đồng nhất Và quan trọng hơn là sự vận chuyển

cơ chất từ chấât lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bịchi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ Chất lỏng có thể lưuchuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩmthấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thểxảy ra theo mọi hướng trong đó Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trìnhvận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hóa)… giữa pha lỏng và màng visinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằngsố hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý

Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chiathành hai lớp (chỉ đúng trong trường hợp quá trình màng vi sinh vật hiếu khí): lớpmàng kỵ khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài (hình 3.2.1) Trongmàng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí; bởi vìchiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxyhòa tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phíangoài trở thành lớp hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxytrở thành lớp màng kỵ khí

2.2.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất:

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu

cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vậttừ nước thải tiếp xúc với màng

Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc vớibề mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phântử Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổichất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng

hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phânhủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tụcquá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên Sản phẩm cuối củaquá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng Quá trìnhtiêu thụ cơ chất được mô tả bởi công thức chung như sau:

Màng hiếu khí:

Chất hữu cơ + oxy + nguyên tố vết  sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.

Màng kỵ khí:

Chất hữu cơ + nguyên tố vết  sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.

Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật,không chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh vật

Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu,những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều Chẳng hạn, nếu một trong những cơchất bị hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứngsinh học sẽ không tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn củaquá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ

vị trí đó Các nguyên tố vết như nitơ, photphat, và kim loại vi lượng nếu không cóđủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn củaphản ứng Tương tự, chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạntrong màng hiếu khí Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếpxúc với màng thấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan sẽ trở thành yếu tố giớihạn Do đó, ngay cả trong trường hợp màng hiếu khí, lớp màng ở bên trong vị trítiêu thụ hết oxy trở thành thiếu khí (anoxic) hoặc kỵ khí (anaerobic) Lớp màng kỵkhí không đóng vai trò trực tiếp trong việc làm sạch nước thải Tuy nhiên, trong lớpmàng kỵ khí có thể diễn ra các quá trình hóa lỏng, lên men acid chất hữu cơ dạnghạt rắn, oxy hóa chất hữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate, hoặc khửnitrat, nitrit tạo ra từ lớp màng hiếu khí Vì vậy, sự đồng tồn tại của hoạt động hiếukhí và kỵ khí trong lớp màng vi sinh vật là một yếu tố rất quan trọng trong quátrình màng vi sinh vật

2.2.3 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật:

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ

cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật pháttriển bám dính trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn :

Giai đoạn thứ nhất có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưabao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau,cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả Trong giaiđoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thayđổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang pháttriển cũng không đổi trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng đểduy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối Lượng cơchất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinhkhối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất vàsinh khối

Trong giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ pháttriển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theodây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy Hình 3.2 cho

bacteria

protozoa

algae

metazoa

Hình 3.2.: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh

Thời gian , ngày

thấy sự tích lũy của lớp màng vi sinh vật Trong quá trình phát triển của màng visinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng (hình 3.2) Lúc đầu, hầu hếtsinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hìnhthành nên một hệ sinh thái Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật và làmgiảm lượng bùn dư Tuy nhiên, trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạnđiều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ănquá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước Nghiên cứucủa Inamori cho thấy có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật Một loàiăn vi khuẩn lơ lửng và thải ra chất kết dính, kết quả là làm tăng tốc độ làm sạchnước Loài còn lại ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tánsinh khối Và nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hóa chấthữu cơ và làm sạch nước sẽ cao.

Bảng 3.2.3 Xác định sự tích lũy của màng vi sinh vật.

(A) Xác định trực tiếp khối lượng màng vi

sinh vật:

Bề dày màng; Khối lượng màng

(B) Xác định không trực tiếp lượng màng vi

sinh vật: Thành phần màng vi sinh vật xác

định

Polysaccharide; Tổng carbon hữu cơ; COD; Protein

(C) Xác định không trực tiếp lượng màng vi

sinh vật: Vi sinh hoạt động bên trong màng

Đếm tế bào nhìn thấy được; ATP;Lipopolysaccharide; Tốc độ loại bỏ cơchất

(D) Xác định không trực tiếp lượng màng

vi sinh vật: Aûnh hưởng của màng vi sinh

vật tới các đặc tính chuyển động

Ma sátNgăn cản truyền nhiệt

2.3 NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH MÀNG VI SINH.

2.3.1 Đặc tính dính bám của màng sinh học:

Khả năng dính bám của màng sinh học trên bề mặt rắn là 1 trong những nhântố quan trọng của quá trình màng sinh học vì nó thường ảnh hưởng đến tốc độ phát

triển và những khó khăn liên quan đến việc tẩy rửa màng sinh học Có 2 nhân tốhoá lý ảnh hưởng đến khả năng dính bám của màng sinh học: tác nhân thứ nhất làhiện tượng tĩnh điện Quy luật tổng quát là: sự kết hợp của 2 thực thể kỵ nước vớinhau hoặc với thực thể ưa nước cũng luôn ổn định dưới góc nhìn năng lượng tự do.Sự kết hợp dưới cơ chế gọi là sự tương tác của tính kỵ nước, và không cần thiết đểnói rằng quy luật này có thể ứng dụng đến sự hấp phụ tế bào vi sinh vật lên bề mặtvật rắn

Giữa các đặc tính vật lý của bề mặt vật rắn có thể ảnh hưởng đến khả năngdính bám của màng vi sinh, sự gồ ghề là 1 trong những đặc tính có thể xác nhận.Các quan sát cho thấy bề mặt gồ ghề có ảnh hưởng quan trọng đến thời kì hìnhthành lớp màng ban đầu và số lượng gắn kết nhiều hơn nhiều so với bề mặt nhẵn.Nhưng sự gồ ghề của bề mặt không phải là nhân tố quan trọng trong tổâng lượngmàng vi sinh được thành lập Theo nghiên cứu của 1 số nhà khoa học khi so sánhđặc tính dính bám của màng sinh học trên các vật liệu : polyvynylchloride (bề mặtkhông xử lý) và polyethylene (A) , vật liệu cùng loại được chà láng bằng giấynhám mịn (B) , chà bằng giấy thô (C) và dán chúng vào cùng 1 đĩa trong đơn vị lọcsinh học tiếp xúc quay Và kết quả chỉ ra rằng tốc độ kết dính và tổng lượng dếtdính như sau A<B<C Vậy độ gồ ghề có thể ảnh hưởng ít đến sự kết hợp của màng

vi sinh trên bề mặt rắn, nó chỉ ra rằêng độ gồ ghề của bề mặt có ảnh hưởng đến mứcđộ cao hơn của lượng màng bám dính và đặc tính dính bám thay đổi dựa trên điềukiện sinh lý của vi sinh vật Điều nay dễ nhận ra dựa trên những cơ chế kết dínhđã đề cập ở trên

Sự liên quan đến hiệu quả dòng chảy qua bề mặt màng, Hekejekian nhận thấyrằng tốc độ cao sẽ làm chậm trễ quá trình hình thành lớp màng cơ bản , nhưng 1 khiđã thành lập thì tốc độ dòng chảy càng cao thì sự sinh trưởng của màng càng tăngnhanh Sander và Characklis tốc độ cao nhất ở mức cao của tốc độ trong khoảng(0.1-1 ft/s) Aûnh hưởng này được quy cho dòng chảy mạnh mang nhiều cơ chất từchất lỏng lên bề mặt lớp màng, các lớp màng nhờn có thể chống lại lực cắt vượtquá 10 -15 (dyn/ cm2) và màng phát triển ở tốc độ cao càng bám chặt vào bề mặtrắn Cần chú ý rằng sự phân phối các chủng loại vi sinh trêm lóp màng thay đổi vớimức độ hỗn loạn

Hình 3.3.:Năng lượng tương tác giữa 2 phần tử

2.3.2 Đặc tính sinh học:

2.3.2.1 Sinh khối trong thiết bị xử lý và đa dạng sinh học:

Nói chung, sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng quá trình màng vi sinhvật tương đối lớn Nồng độ sinh khối (giống như MLSS) khoảng 20 – 40 kg/m3

trong thiết bị tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m3 trong thiết bị lọc ngập nước, và 5 – 7 kg/

m3 trong thiết bị lọc nhỏ giọt Mặc khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ítbùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn Thương số của tổngchất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hàng ngày (DS) cho ta thời gian lưu bùn (haytuổi bùn As):

ΔSS S s

Tuổi bùn As cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý Trongtrạng thái tĩnh, bùn dư trong hệ thống cân bằng với lượng bùn lấy ra khỏi hệ thống.Trong hệ thống như vậy, sự thay đổi về số lượng của một loài vi sinh vật (n) trongbùn sinh học được cho bởi phương trình:

n s

A 1

μ s

Bảng 3.2 Tốc độ tăng trưởng của các loài vi sinh vật.

Vi sinh vật

Thông số tốc độ tăng trưởng Nhiệt độ

( o C)

Khối lượng khô của tế bào (mg)

0.52 0.28 2.4 12.7 0.44

30 37 34 25 37

3,8.10 -9

4,0.10 -10

- 1,5.10 -10

25.0 25.9 17.1 6.7 8.7

25 25 25 25 25

- - - 1,9.10 -8

5.0 10.2 4.7 12.0 3.1 3.0 22.1 13.6

20 20 20 20 25 30 19 20

3,9.10 -6

1,6.10 -6

59.1 72.0 54 47.3 138

20 20 20 20 20

1,8.10 -4

3,8.10 -4

-6,6.10 -3

-Pristina sp.

Dero sp

0.12 0.07

138 238

20 20

Thêm vào đó, sự tồn tại đồng thời của lớp màng hiếu khí và kỵ khí có khảnăng loại bỏ nitơ trong nước thải, bởi vì đồng thời xảy ra quá trình nitrat hóa và khửnitrat hóa Lượng oxy hoà tan tối ưu trong nước thải sẽ cho sự loại bỏ nitơ tối đa.Đó là lý do cần phải có sự sục khí thích hợp để có được sự loại bỏ nitơ lớn nhất

(c) màng rất dầy (nhưng độ dày của lớp hiếu khí vẫn bằng (b))

Hình 3.4: Màng kỵ khí và hiếu khí trong màng sinh học

3.3.3 Những đặc tính về sự loại bỏ cơ chất:

Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xavới quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính Sự khác biệt chủ yếu ở hai quanđiểm:

 Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi hai yếu tố, làsự khuếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng Quá trình khuếch tán sẽ là quátrình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới một giá trị đủ lớn Quá trình khuếchtán là một quá trình hóa lý, ít chịu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạtđộng sinh học như sự trao đổi chất hay sự tiêu thụ cơ chất Trong quá trình màng visinh vật, do đó, sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt độ thường ít hơn

so với trong quá trình vi sinh vật lơ lửng, và khả năng xử lý là ổn định hơn

 Quan điểm thứ hai quan tâm đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng,cũng như vấn đề liên quan tới sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán.Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễhoà trộn với vi sinh vật, và được tiêu thụ, trao đổi chất ngay lập tức Trong quátrình màng vi sinh vật, các chất rắn lơ lửng hầu như không thể xâm nhập vào trongmàng vì hệ số khuếch tán phân tử của cơ chất tỉ lệ với khối lượng phân tử củachúng, hệ số khuếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử lêntới hàng ngàn đơn vị C nhỏ hơn nhiều những hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ.Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng, và trước khi có thể xâm nhập vàomàng, quá trình thủy phân phải được diễn ra trước để bẻ gãy các phân tử lớn thànhcác phân tử nhỏ hơn