xử lý phospho trong nước thải chăn nuôi heo bằng phương pháp sinh học

trình bày xử lý phospho trong nước thải chăn nuôi heo bằng phương pháp sinh học

MỞ ĐẦU

Trong quá trình nghiên cứu đề tài “Xử lí phospho trong nước thải chăn nuôiheo bằng phương pháp sinh học” Em đã tham khảo một số tài liệu trong và ngoàinước và nhận thấy rằng:

Khi nước thải chứa các hợp chất hữu cơ cacbon, nitơ, phospho với nồng độcao, sau khi sử lí sinh học bình thường giảm được 98 – 100% lượng BOD và 30 –40% lượng nitơ và khoảng 30% lượng phospho còn lại là 60% nitơ và 70% lượngphospho đi ra khỏi công trình xử lí Nếu hàm lượng N > 30 (mg/l), P > 6 (mg/l),xảy ra hiện tượng phú dưỡng Nghĩa là N, P tạo nguồn thức ăn cho rong rêu, tảovà vi sinh vật trong nước phát triển, làm bẩn trở lại nguồn nước,vì các thành phần(nhiệt độ, ánh sáng, khí cacbonic, nitơ, phospho là một loạt các nguyên tố vilượng) Vì vậy việc khử phospho đến dưới nồng độ cho phép trước khi xả ranguồn tiếp nhận là rất cần thiết

Trong các công trình xử lý nước thải, các vi sinh vật hiếu khí và kỵ khíđóng một vai trò quan trọng trong việc chọn công nghệ và thiết bị xử lý Theoquan điểm từ trước đến nay, chúng phải được cho vào hai môi trường khác nhau ởhai điều kiện khác nhau trong hai thiết bị phản ứng khác nhau để thực hện tốt vaitrò của mình

Mãi đến những năm gần đây, các nhà công nghệ sinh học đã “ghép đôi”thành công hai loại vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và điều này là một bước đột pháquan trọng có ý nghĩa rất lớn đến sự phát triển của ngành công nghệ sinh học nóichung và kỹ thuật môi trường nói riêng Khi cùng sống chung trong một môitrường như vậy, người ta nhận thấy rằng thức ăn yêu thích của chúng là nước thải

giàu ammonium Đây là một dữ liệu rất tốt để phát triển một kỹ thuật mới choviệc xử lý nước thải giàu ammonium tiết kiệm và hiệu quả hơn.

Cho đến nay, các nhà vi sinh vật học vẩn nghĩ rằng Anammox kỵ khí và vi khuẩn Nitrosomonas hiếu khí không thể sống chung trong một thiết bị phản ứng.

Nhưng ở nồng độ oxy rất thấp và một lượng N-NH4 dư thì hai loại này có thể sốngchung được Khám phá này của nhà vi sinh vật học DELFT được gọi là Canon(Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) có nghĩa là quá trìnhloại bỏ hoàn toàn nitơ tự dưỡng có sự tham gia của nitrit Nhưng song song theođó thì lượng phospho cũng giảm một lượng rất đáng kể Chính vì vậy mà emquyết định thiết kế một mô hình xử lí phospho trong nước thải chăn nuôi heo theonguyên tắc hấp thu nội và ngoại bào bởi các nhóm vi khuẩn đã nêu trên

Chương 1:

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Đặc điểm chất thải chăn nuôi heo

Chất thải chăn nuôi là nguồn ô nhiễm quan trọng đối với môi trường sốngcủa người và gia súc, vì ngoài các thành phần gây ô nhiễm trong chất thải thì khicác hợp chất hữu cơ trong chất thải được phân giải tạo những khí bốc mùi khóchịu, tụ tập ruồi nhặng đến làm mất vệ sinh môi trường, đặc biệt khi có gia súcmắc bệnh thì đây là nguồn lan truyền dịch bệnh và giun sán nguy hiểm cho ngườivà gia súc

Chất thải chăn nuôi được đặc trưng về khối lượng và thành phần, hiểu biếtvề đặc tính chất thải giúp ta xác định hệ thống xử lý thích hợp và hiệu quả

1.1.1 Khối lượng chất thải chăn nuôi heo

Khối lượng chất thải trong chăn nuôi rất lớn Theo (Ioehr, 1970) sản phẩm

của chất thải gia súc lớn hơn người theo tỉ lệ sau: BOD 5/1, Ntổng 7/1, TS 10/1

Bảng 1: Lượng phân và nước tiểu gia súc trong một ngày

(Hill và Toler, 1974)

Khối lượng chất thải chăn nuôi thải ra tùy thuộc vào giống, tuổi, khẩu phầnthức ăn (nhiều xơ hay tinh bột) và thể trọng Riêng với heo, lượng phân và nước

Loại gia súc Lượng phân

tiểu tăng theo thể trọng Nếu tính trung bình trên thể trọng cơ thể thì ước tínhlượng phân mỗi ngày là:

Bảng 2: Lượng phân các loại gia súc, gia cầm thải ra mỗi ngày

tính trên phần trăm tỉ trọng (Lochr, 1984)

Lượng phân mỗi ngày

Ngoài phân và nước tiểu gia súc, thì khối lượng chất thải cũng tăng lên do sựđóng góp đáng kể từ nước rửa chuồng, tắm gia súc, thức ăn thừa Vì vậy, với khốilượng chất thải lớn như trên nếu được sử dụng hợp lý, xử lý hiệu quả thì sẽ manglại giá trị kinh tế cao, nhưng ngược lại không thể kiểm soát thì đây là nguồn ônhiễm môi trường đáng quan tâm

1.1.2 Các thành phần của chất thải chăn nuôi heo

Chất thải chăn nuôi bao gồm phân và nước tiểu gia súc, nước vệ sinh chuồngtrại, nước tắm rửa gia súc, các nguyên liệu chăn nuôi dư thừa (thức ăn thừa, thứcăn mất phẩm chất)

1.1.2.1 Thành phần của phân

Phân là chất liệu từ trong khẩu phần thức ăn mà cơ thể gia súc không sửdụng hay không tiêu hóa được và thải ra ngoài cơ thể

- Là những dưỡng chất không tiêu hoá được hoặc những dưỡng chất thoátkhỏi sự tiêu hóa vi sinh hay các men tiêu hóa (chất xơ, protein không tiêu hóađược, ) Các khoáng chất dư thừa cơ thể không sử dụng như P2O2, K2O,… phầnlớn xuất hiện trong phân

- Các thức ăn bổ sung: thuốc kích thích tăng trưởng (thường chứa đồng,kẽm), các kháng sinh hay men

- Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa ( trypsin, pepsin, … )

- Các mô tróc ra từ niêm mạc ống tiêu hóa và chất nhờn thì theo phân

- Vật chất dính vào thức ăn ( bụi, tro, )

- Các loại vi sinh bị nhiễm trong thức ăn hay trong ruột được tống rangoài

+ Thành phần phân gia súc phụ thuộc:

 Chế độ dinh dưỡng của gia súc: nếu có sự thay đổi hàm lượng các thànhphần muối khoáng như protein, carbonhydrate, natri, canxi, magie, các muốiphospho, và thức ăn bổ sung (đồng, kẽm, kháng sinh, men) trong các khẩu phầnsẽ làm thay đổi nồng độ những nguyên tố này và thay đổi khả năng phân hủy các

chất hữu cơ trong phân (Trương Thanh Cảnh, 1998).

 Chủng loại: do khả năng tiêu hoá khác nhau

 Giai đoạn tăng trưởng: gia súc trong thời kỳ tăng trưởng thì nhu cầu sửdụng dưỡng chất càng nhiều thì phân sẽ ít dưỡng chất và ngược lại

Bảng 3: Thành phần hoá học của phân heo từ 70 – 100 kg

(Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên, 1997-1998)

Đặc tính Đơn vị Giá trị

virus gây bệnh được đào thải qua phân và sống sót với thời gian từ 5-15 ngày

trong phân và đất, đáng lưu ý nhất là virus gây bệnh viêm gan Rheovirus, Adenovir

Theo các nghiên cứu của G.V Xoxibarov, 1994 và R Alexandrenus cùng cộng tác viên cho thấy trong 1kg phân có thể chứa 2100 – 5000 trứng giun sán chủ yếu gồm các loại sau 39 - 83% Ascaris suum, 60 - 68.7% là Oesophagostomum, 47 - 58.3% là Trichocephalus

Tóm lại, mỗi loại mầm bệnh có một hóa trị sinh thái riêng, điều kiện thuậnlợi cho mỗi loại tồn tại phát triển và gây hại phụ thuộc vào các điều kiện tự nhiên

như lượng mưa, nhiệt độ, ánh sáng, kết cấu độ ẩm của đất phân và môi trườngxung quanh

1.1.2.2 Thành phần nước tiểu

Thành phần nước tiểu gia súc chủ yếu là nước chiếm trên 90% tổng khốilượng nước tiểu, một lượng lớn nitơ (phần lớn dưới dạng urê) và phospho Đặcbiệt, urê trong nước dễ phân hủy trong điều kiện có oxy Do đó, khi động vật bàitiết ra ngoài chúng dễ dàng phân hủy tạo thành ammoniac gây mùi hôi, nhưngnếu dùng để bón cho cây trồng thì đây là nguồn phân bón giàu nitơ, phospho vàkali

Bảng 4: Thành phần hóa học của nước tiểu heo có trọng lượng từ 70-100

kg (Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên, 1997-1998)

1.1.2.3 Thành phần nước thải chăn nuôi

Nước tiểu, nước rửa chuồng và nước tắm gia súc tạo nên khối lượng nướcthải rất lớn Nước thải chăn nuôi chứa chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, nitơ, phosphovà các thành phần khác, đặc biệt là các vi sinh vật gây bệnh Trong thành phầnđóng góp vào nước thải chăn nuôi, có thể nói đến nước phân chuồng, là nước từcác đống phân chuồng chảy ra, phần lớn là nước tiểu gia súc có hòa lẫn nhiềuchất hòa tan của phân đặc và có chứa thêm một lượng nước rửa chuồng, nên nướcphân chuồng khá giàu chất dinh dưỡng dễ tiêu và có giá trị lớn về mặt phân bón

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào lượng thức ăn rơivãi, mức độ thu gom phân, phương thức thu gom chất thải trong chuồng hay lượngnước sử dụng khi vệ sinh chuồng trại hoặc tắm rửa gia súc.

Bảng 5: Tính chất nước thải chăn nuôi heo(Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên, 1997-1998)

Nước thải có độ ẩm từ 95 - 98.5%, trong phân thành phần chất hữu cơ

chiếm 70 - 80% gồm Cellulose, Protide, Acid amin, chất béo, carbonhydrate và

các dẫn xuất của chúng có trong phân, thức ăn thừa Hầu hết là các chất hữu cơdễ phân hủy Chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, urê, muối clorua,

SO42- các hợp chất hóa học trong phân và nước thải dễ dàng bị phân hủy

Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải công nghiệp(acid, kiềm, kim loại nặng, chất oxy hoá, hoá chất công nghiệp, ) nhưng nóchứa nhiều loại ấu trùng, vi trùng, trứng ấu trùng giun sán gây bệnh Theo

nghiên cứu của Nanxera, vi trùng gây bệnh đóng dấu Erysipelothrix insidiosa có thể tồn tại 92 ngày, Brucella 74 - 108 ngày, Salmonella 6 - 7 tháng, Leptospira 5 -

6 tháng, Virus lở mồm lông móng trong nước thải 100 - 120 ngày Các loại vi trùng nha bào như Bacillus antharacis có thể tồn tại hơn 10 năm, Bacillus tetani 3

- 4 năm

Trứng giun sán với các loại điển hình như Fasciola hepatica, Fasciola gigantica, Fasciola buski, Ascaris suum, Oesophagostomum sp, Trichocephalus dentatus có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6 - 28 ngày và tồn tại 5 -

6 tháng

Nghiên cứu của Bonde, 1967 cho thấy đa số các vi sinh vật gây bệnh không

thể phát triển lâu dài trong nước thải, số lượng của chúng giảm nhanh trongnhững ngày đầu sau đó chậm dần Các loại vi trùng tồn tại lâu trong nước ở vùng

nhiệt đới là Salmonella typhi và Salmonella paratyphi, E.coli, Shigella, Vibrio comma gây bệnh dịch tả, nhiều loại vi sinh vật có thể tồn tại và phát triển trong

các loài nhuyễn thể do đó tạo nguy cơ gây bệnh do tập tục ăn sống sò, ốc

1.1.2 Ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi heo

Chất thải chăn nuôi heo với hàm lượng các chất ô nhiễm cao như: các chấthữu cơ dễ phân hủy sinh học, chất dinh dưỡng giàu nitơ, phospho, các chấtkhoáng, kèm theo còn có các vi sinh vật mang mầm bệnh, lượng chất thải nàykhông được xử lý hợp lý sẽ gây tác động mạnh mẽ đến cả ba thành phần môitrường đó là môi trường nước, môi trường không khí, môi trường đất Từ đó, sẽgây ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của người dân sống trong khu vực chăn nuôi,công nhân viên của trại và gia súc

1.1.2.1 Ô nhiễm môi trường đất

Chất thải chăn nuôi chứa lượng lớn chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, cácchất dinh dưỡng giàu nitơ, phospho Đây là nguồn phân bón giàu dinh dưỡng,nhưng khi bón trực tiếp vào đất quá mức cho phép, cây trồng không hấp thụ hết,chúng sẽ tích tụ lại làm bão hòa hay quá bão hòa chất dinh dưỡng trong đất, gâymất cân bằng sinh thái đất, thoái hóa đất, gây các tác động như làm chết cây,

giảm sản lượng cây trồng, đồng thời tạo điều kiện cho vi sinh vật ưa nitơ, phosphophát triển, hạn chế chủng loại vi sinh vật khác gây mất cân bằng sinh thái đất.Thêm vào đó, một số trường hợp như ở các nước chăn nuôi công nghiệp,thức ăn gia súc thường bổ sung chất kích thích tăng trưởng (thành phần chủ yếu làhợp chất đồng, kẽm) Khi các chất này được thải ra cùng phân và nước tiểu giasúc, dần dần tích tụ thành lượng lớn trong đất, ảnh hưởng đến cây trồng và cuốicùng trở lại tác động vào con người.

Ngoài ra, trong phân tươi gia súc chứa rất nhiều vi sinh vật gây bệnh, chúng

có thể sinh sôi và phát triển, tồn tại rất lâu trong đất như Salmonella trong đất ở

độ sâu 50 cm và tồn tại được 2 năm, trứng ký sinh trùng cũng khoảng 2 năm

1.1.2.2 Ô nhiễm môi trường nước

Chất thải chăn nuôi không được xử lý hợp lý, lại thải trực tiếp vào môitrường nước sẽ làm suy giảm lượng oxy hòa tan do cơ chế tự làm sạch nhờ vi sinhvật hiếu khí, các vi sinh vật này sử dụng khí oxy để phân hủy các hợp chất hữu cơtừ phân và nước thải chăn nuôi Thêm vào đó, do trong chất thải chăn nuôi hàmlượng chất dinh dưỡng cao lại giàu nitơ, phospho nên dễ dàng tạo điều kiện chotảo phát triển, gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa ảnh hưởng rất lớn đến đời sốngsinh vật thủy sinh trong nguồn tiếp nhận Đồng thời, nước là môi trường đầy đủcác điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh sôi phát triển các vi sinh vật gây bệnhvốn hiện diện trong phân lợn rất nhiều Đặc biệt nghiêm trọng hơn, nếu các chấtthải thấm xuống đất đi vào mạch nước ngầm sẽ gây ô nhiễm nước ngầm, nhất làcác giếng mạch nông gần chuồng nuôi gia súc hay gần hố chứa chất thải khôngcó hệ hống thoát nước an toàn

Bảng 6 : Các chỉ tiêu ô nhiễm của chất thải tính cho 1000 kg

trọng lượng sống của lợn (ASEA standards)

Theo (Lê Trình, 1997) đối với nước thải chăn nuôi cần phân tích các thông

số:

- Các thông số bắt buộc khảo sát : BOD5, TSS, tổng N, P

- Các thông số bổ sung : vi khuẩn, độ đục, màu, pH

* Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm chính đến môi trường nước

- Chất hữu cơ

Trung bình 15% sinh khối thức ăn chuyển thành phân lợn khô Các thức ăn,dưỡng chất khó đồng hóa và hấp thụ cuối cùng được bài tiết ra bên ngoài theophân, nước tiểu cùng các sản phẩm trao đổi chất

Đa số các carbonhydrate, protein, chất béo trong chất thải có phân tử lượnglớn nên không thể thấm qua màng vi sinh Để chuyển hóa các phân tử này, vi

sinh phải phân hủy chúng ra thành các mảnh nhỏ để có thể thấm vào tế bào Vìthế quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ nhờ vi sinh vật trải qua 2 giai đoạn chủyếu sau:

 Giai đoạn 1: Thủy phân các chất phức tạp thành đơn giản nhưcarbonhydrate thành đường đơn, protein thành acid amin, chất béo thành acid béomạch ngắn

 Giai đoạn 2 : Phân hủy sinh học hiếu khí để chuyển các chất hữu cơ thànhkhí carbonic và nước

- Nitơ và Phospho

Bởi vì khả năng hấp thụ nitơ, phospho của gia súc tương đối thấp nên phầnlớn sẽ được bài tiết ra ngoài Vì vậy, hàm lượng nitơ, phospho trong chất thảichăn nuôi tương đối cao, nếu không được xử lý tốt sẽ gây nên hiện tượng phúdưỡng hóa nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái nước

 Nitơ : Theo Jongbloed và Lenis, 1992, đối với heo trưởng thành, trong 100

g nitơ tiêu thụ vào cơ thể có 30 g được giữ lại trong cơ thể, 50 g được bài tiết theonước tiểu dưới dạng urê là dạng dễ phân hủy sinh học và độc hại cho môi trường,

20 g được bài tiết theo phân dưới dạng nitơ vi sinh vật là dạng khó phân hủy và

an toàn cho môi trường Tùy theo sự có mặt của oxy trong nước mà nitơ chủ yếutồn tại ở các dạng NH4+, NO2-, NO3-

Khi nước tiểu và phân được bài tiết ra ngoài, nhóm vi khuẩn Urobacteria như Micrococcus ureae sẽ sản sinh ra enzym urease chuyển hóa urê thành NH3,ammoniac nhanh chóng phát tán vào trong không khí gây nên mùi hôi haykhuếch tán vào trong nguồn nước gây ô nhiễm nguồn nước

(NH2)2COH2O NH4OH CO2  NH3 H2OCO2  ( 1)

Nồng độ ammoniac tạo thành tùy thuộc vào lượng urê, pH chất thải vàđiều kiện lưu trữ chất thải.

Sau khi ammoniac khuếch tán vào nước, nó tiếp tục được chuyển hóathành NO2-, NO3- nhờ vi khuẩn nitrat hóa trong điều kiện có oxy Đến khi gặpđiều kiện kỵ khí nitrat lại bị vi sinh vật kỵ khí khử thành nitơ tự do tách khỏi nước.Lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ chứa nitơ trong nước thải chănnuôi chiếm 47% TOD (nhu cầu oxy lý thuyết)

( 3 )Dựa vào dạng của nitơ trong nguồn tiếp nhận, có thể xác định thời giannước bị ô nhiễm: nếu nitơ trong nước thải chủ yếu ở dạng ammoniac thì chứng tỏnguồn nước mới bị ô nhiễm, còn ở dạng nitrit (NO2-) là nước bị ô nhiễm một thờigian lâu hơn và ở dạng nitrat (NO3-) là nước đã bị ô nhiễm thời gian dài

Cả ba dạng ammoni (NH4+), nitrit (NO2-), hay nitrat (NO3-) đều có ảnhhưởng đến sức khỏe con người Vì khi đi vào cơ thể, gặp điều kiện thích hợp(NH4+), và (NO3-) có thể chuyển hóa thành NO2-, mà NO2- có ái lực mạnh vớihồng cầu trong máu mạnh hơn oxy nên khi nó thay thế oxy sẽ tạo thànhmethemoglobin, ức chế chức năng vận chuyển oxy đến các cơ quan của hồng cầu,ngăn cản quá trình trao đổi chất của cơ thể, làm cho các cơ quan thiếu oxy, đặcbiệt là ở não dẫn đến nhức đầu, mệt mỏi, hôn mê thậm chí là dẫn tới tử vong

NH3 + O2 Nitrosomonas NO2- + 2H+ + H2O

NO2- + O2 Nitrobacter NO3

- Phospho : Trong nước thải chăn nuôi, phosphat chiếm tỉ lệ cao, thường

tồn tại ở dạng orthophosphat (HPO42-, H2PO4, PO43-), metaphosphat hay(polyphosphat) và phosphat hữu cơ Phosphat không độc hại cho con người, nhưnglà một chỉ tiêu để giám sát mức độ chuyển hóa chất ô nhiễm của các công trìnhxử lý có hệ thống hồ sinh vật và cây thủy sinh

Trong các hồ nghèo dinh dưỡng nồng độ phospho là thấp và có xu hướngsuy giảm Và tỉ lệ nồng độ nitơ và phospho thường lớn hơn 12, do đó sự phúdưỡng hóa là do phospho khống chế Vì vậy có thể nói phospho là thông số giớihạn để đánh giá sự phú dưỡng do tác nhân ô nhiễm không bền vững

- Vi sinh vật

Nước thải cuốn theo phân chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh như Shigella, Salmonella, gây bệnh dịch tả, Taenia saginata gây bệnh giun sán, và có cả trứng giun sán như nhóm ký sinh trùng đường ruột Ascaris suum,Oesophagostomum,

Nếu không được xử lý tốt thì khi sử dụng nước thải tưới trực tiếp cho rau, quả làmlan truyền mầm bệnh

Trong môi trường chuồng trại kém vệ sinh, độ ẩm cao, đặc biệt là nơi nướcđọng nhiều ngày hay các mương dẫn thải, nơi lưu trữ thu gom chất thải từ cácchuồng trại là nơi có điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển

Khi kiểm tra đánh giá mức độ ô nhiễm nước do vi sinh vật (nhân tố gâybệnh), người ta chỉ tiến hành kiểm tra nhóm vi khuẩn chỉ danh Ba nhóm vi sinh

vật chỉ danh thường sử dụng : Escherichia coli, Streptococcus feacali, Coliform

Bảng 7 : Một số vi sinh vật gây bệnh trong phân heo (Lê Trình, 1997)

Tên ký sinh vật

Lượng ký sinh trùng

Khả năng gây bệnh

Điều kiện bị diệt

T 0 ( 0 C) T gian

(phút)

Escherichia Coli 105/100ml Viêm dạ dày 55 60

1.1.2.3 Ô nhiễm môi trường không khí

Các khí sinh ra trong chuồng nuôi gia súc và bãi chứa chất thải chăn nuôi là

do quá trình phân hủy kỵ khí và hiếu khí chất thải gia súc (chủ yếu là phân vànước tiểu) cũng như là quá trình hô hấp của chúng Các khí này có nồng độ khácnhau tùy thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài (nhiệt độ, độ ẩm, bứcxạ, ) cùng phương thức thu gom, lưu trữ, vận chuyển, xử lý chất thải

* Thành phần khí từ chuồng nuôi gia súc

Thành phần hóa học của chất thải chăn nuôi thay đổi một cách nhanh chóngtrong quá trình lưu trữ Trong quá trình lưu trữ chất thải chăn nuôi, một lượng lớnchất khí tạo thành bởi hoạt động của vi sinh vật, trong đó thì NH3, CH4, H2S, CO2,indol, skatol,… là các khí ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng, kháng bệnh củagia súc đồng thời ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe của công nhân Những khínày có thể được tạo thành với sản lượng tương đối lớn đặc biệt là ở những khuvực chuồng trại thiếu thông thoáng Nhiều nghiên cứu cho thấy các khí độc trongchăn nuôi có khả năng gây ra các bệnh về đường hô hấp Dựa vào tác dụng gây

độc của các khí này, tiến sĩ Trương Thanh Cảnh (1999) phân ra làm các nhóm sau:

- Nhóm 1: Các khí kích thích

- Nhóm 2: Các khí gây ngạt

- Nhóm 3: Các khí gây mê

- Nhóm 4: Nhóm chất kim loại vô cơ hoặc hữu cơ

Những chất này bao gồm các nguyên tố và hợp chất độc dễ bay hơi Chúngtạo ra các khí có nhiều tác dụng khác nhau sau khi được hấp thu vào cơ thể chẳnghạn như khí H2S ở nồng độ cấp tính

Giới hạn tiếp xúc (ppm)

Tác hại

NH 3 Hăng, Nhẹ hơn không khí, sinh 20 Kích thích mắt và

Bảng 8 : Đặc điểm các khí sinh ra từ quá trình phân hủy phân heo

(Ohio State University, U.S.A)

ra từ hoạt động của visinh vật kỵ khí và hiếukhí, tan trong nước

đương hô hấp trên,gây ngạt ở nồng độcao, dẫn đến tửvong

kỵ khí và hiếu khí

1 000

Gây uể oải, nhứcđầu, có thể gâyngạt, dẫn đến tửvong ở nồng độcao

H 2 S Trứng

thối

Nặng hơn không khí,ngưỡng nhận biết mùithấp, tan trong nước

10

Là khí độc, gâynhức đầu, buồnnôn, chóng mặt, bấttỉnh, tử vong

kỵ khí

1 000

Gây nhức đầu,ngạt Có thể gây nổ

ở nồng độ 5-15%trong không khí

* Ảnh hưởng khí, bụi, vi sinh vật trong không khí khu vực chuồng nuôi

Chất thải chăn nuôi với các thành phần như protein, carbohydrate, lipid quaquá trình phân hủy bởi các vi sinh vật kỵ khí tạo ra các sản phẩm khác nhau:

GVHD : ThS.Lê Công Nhất Phương

Protein

NH3Indol, Skatol, Phenol

H2SAcid hữu cơ mạch ngắn

Mackie (1994) chia hợp chất gây mùi từ phân lợn làm 4 nhóm hóa học:

- Acid béo dễ bay hơi (bao gồm isobutyric, 2-metyl butyric, isovaleric,valeric, caproic và acid capric)

- Các hợp chất Indol và phenol (gồm Indol, skatol, cresol và 4-metylphenole)

- Ammoniac và các amin dễ bay hơi (bao gồm putrescine, cadaverine vàcác acid béo như metylamin và etylamin)

- Các hợp chất chứa sulfur dễ bay hơi (như H2S, metylmercaptan và etylmercaptan)

1.2 Tổng quan về phospho và quá trình xử lí phospho

1.2.1 Tổng quan về phospho

1.2.1.1 Giới thiệu về phospho

* Vai trò sinh học

Theo thuật ngữ sinh thái học, phospho thường được coi là chất dinh dưỡnggiới hạn trong nhiều môi trường, tức là khả năng có sẵn của phospho điều chỉnhHình 1: Các sản phẩm từ quá trình phân hủy kỵ khí của chất thải chăn nuôi

(Trương Thanh Cảnh, 1999)

tốc độ tăng trưởng của nhiều sinh vật Trong các hệ sinh thái, sự dư thừa phosphocó thể là một vấn đề đặc biệt trong các hệ thủy sinh thái (sự dinh dưỡng tốt vàbùng nổ tảo).

Phospho là nguyên tố quan trọng trong mọi dạng hình sự sống đã biết.Phospho vô cơ trong dạng phosphat (PO43-) đóng một vai trò quan trọng trong cácphân tử sinh học như AND và ARN trong đó nó tạo thành một phần của phần cấutrúc cốt tủy của các phân tử này Các tế bào sống cũng sử dụng phosphat để vậnchuyển năng lượng tế bào thông qua adenoxin triphosphat (ATP) Gần như mọitiến trình trong tế bào có sử dụng năng lượng đều có nó trong dạng ATP ATPcũng là quan trọng phosphat hóa, một dạng điều chỉnh quan trọng trong tế bào.Các muối phosphat canxi đươc các động vât dùng để làm cứng xương của chúng.Trung bình trong cơ thể người chứa khoảng gần 1kg phospho và khoảng ¾ số đónằm trong xương và răng dưới dạng apatit Một người lớn ăn uống đầy đủ tiêu thụvà bài tiết ra khoảng 1 – 3 (g) phospho trong ngày ở dạng phosphat

* Sự phổ biến

Do độ hoạt động hóa học cao đối với oxy trong không khí và các hợp chấtchứa oxy khác nên phospho trong tự nhiên không tồn tại ở dạng đơn chất mà nóphân bổ rộng rãi trong các loại khoáng chất khác nhau Các loại đá phosphat,trong đó được phần cấu tạo là apatit (khoáng chất chứa phosphat tricanxi dạngkhông tinh khiết) là một nguồn quan trọng về mặt thương mại của nguyên tố này Thù hình màu trắng của phospho có thể được sản xuất theo nhiều công nghệkhác nhau Trong một qui trình, phosphat tricanxi thu được từ các loai đáphosphat, được nung nóng trong các lò nung với sự có mặt của cacbon và silica.Phospho dạng nguyên tố sau đó được giải phóng dưới dạng hơi và được thu thậpdưới dạng axit phosphoric

* Ứng dụng của phospho

Axit phosphoric đậm đặc, có thể chứa tới 70% - 75% P2O5 là rất quan trọngđối với ngành nông nghiệp do nó được dùng để sản xuất phân bón Nhu cầu vềphân bón đã dẫn tới sự tăng trưởng đáng kể trong sản xuất phospho trong nửa saucủa thế kỹ 20 Các sử dụng khác còn có:

- Các phosphat được dùng trong sản xuất các loai thủy tinh

- Tro xương, phosphat canxi được sử dụng trong sản xuất đồ sứ

- Tripolyphosphat natri sản xuất từ axit phosphoric có trong bột giặt

- Axit phosphoric sản xuất từ phospho nguyên tố, được ứng dụng trong trongnhiều lĩnh vực Axit này cũng là điểm khởi đầu để chế tạo các phosphat cấp thựcphẩm Các hóa chất này bao gồm phosphat monocanci được dùng trong bột nở vàtripolyphosphat natri và các phosphat của natri Trong số các ứng dụng khác, cáchóa chất này đươc dùng để cải thiện các đặc trưng của thịt hay pho mát đã chếbiến Người ta thường dùng nó trong thuốc đánh răng Phosphat trinatri đươc dùngtrong các chất làm sạch để làm mềm nước và chống ăn mòn cho các đường ống,nồi hơi

- Phospho được sử dụng rộng rãi để sản xuất các hợp chất hữu cơ chứaphospho thông qua các chất trung gian như cloruaphospho và sulfuaphospho Cácchất này có nhiều ứng dung bao gồm các chất làm dẻo, các chất làm chậm cháy,thuốc trừ sâu, các chất chiết và các chất xử lý nước

* Tính độc của phospho ( phòng ngừa )

Đây là nguyên tố có độc tính với 50 mg là liều trung bình gây chết người(phospho trắng nói chung được coi là dạng độc hại của phospho trong khiphosphat và orthophosphat lại là các chất dinh dưỡng thiết yếu) Thù hình

phospho trắng cần được bảo quản dưới dạng ngâm nước do nó có độ hoạt độnghóa học rất cao với oxy trong khí quyển và gây ra nguy hiểm cháy và thao tác vớinó cần đươc thực hiện bằng kẹp chuyên dụng và việc tiếp xúc trực tiếp với da cóthể sinh ra các vết bỏng nghiêm trọng Ngộ độc mãn tính phospho trắng đối vớicác công nhân không được trang bị bảo hộ lao động tốt dẫn đến chứng chết hoạixương hàm Nuốt phải phospho trắng có thể sinh ra tình trạng mà trong y tế gọi là

“hội chứng tiêu chảy khói” Các hợp chất hữu cơ của phospho tạo ra một lớp lớncác chất, một số trong đó là cực kỳ độc Các este florophosphat thuộc về số cácchất độc thần kinh có hiệu lực mạnh nhất mà ta đã biết Một loại các hợp chấthữu cơ chứa phospho được sử dụng bằng độc tính của chúng để làm các thuốc trừsâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm, Phần lớn các phosphat vô cơ là tương đốikhông độc và là các chất dinh dưỡng thiết yếu

Khi phospho trắng bị đưa ra ánh sáng măt trời hay bị đốt nóng thành dạnghơi ở 2500C thì nó chuyển thành dạng phospho đỏ và nó không tự cháy trongkhông khí, do vậy nó không nguy hiểm như phospho trắng Tuy nhiên việc tiếpxúc với nó vẩn cần sự thận trọng do nó cũng có thể chuyển thành phospho trắngtrong một khoảng nhiêt độ nhất định và nó cũng tỏa ra khói có độc tính cao chứacác oxit phospho khi bị đốt nóng

* Hợp chất phospho trong môi trường nước và axit phosphoric

Phospho có lớp vỏ electron 1s22s22p63s23p3 và ở nhóm VA Nó là phi kimhoạt động trung bình Khối lượng chủ yếu của phospho trong vỏ quả đất là ở dướidạng phosphat (V) các khoáng vật phosphoric Ca3(PO4)2, hydroxylapatit,

Ca5(PO4)3(OH)2, floapatit Ca5(PO4)F, Trong đó khoảng 95% nguồn phosphotrên thới giới tồn tại dưới dạng các Fluoapatit

Phospho có trong thành phần cơ thể động vật Hydroxylapatit là phầnkhoáng của răng và xương, còn những dẫn xuất hữu cơ phức tạp của phospho nằmtrong thành phần não và thần kinh.

Hợp chất của phospho và oxy, anhidrit phosphoric (P2O5), có chứa nguyên tửphospho hóa trị ( +5 ) P2O5 là bột màu trắng, có tác dụng rất mạnh với nướcthành axit meta phosphoric, sau đó thành axit orthophosphoric (gọi đơn giản làaxit phosphoric):

P2O5 + H2O  2HPO3 ( 4 )HPO3 + H2O  H3PO4 ( 5 ) Hai phương trình trên có thể viết dưới dạng sau :

Muối của các axit phospho gọi là phosphat Có 3 trạng thái tồn tại củaphospho trong nước là : orthophosphat (PO43-), polyphosphat và phosphat liên kếthữu cơ Các phosphat ngưng tụ mạch thẳng hay polyphosphat chứa anion có côngthức chung là PnO3n+1(n+2)-

Ví dụ: Như muối diphosphat hay còn gọi là pyrophosphat (M4P2O7) và muốitriphosphat (M5P3O10) (M là kim loại kiềm) Tất cả các dạng polyphosphat đều

chuyển hóa về dạng orthophosphat trong môi trường nước, quá trình chuyển hóađược thúc đẩy bởi nhiệt độ (nhất là ở gần điểm sôi) và trong môi trường axit Polyphosphat bị phân hủy nhanh nhờ quá trình thủy phân như sau :

P3O105- + 2H2O = 2HPO42- + H2PO4 ( 7 )Các phospho hữu cơ được oxy hóa và thủy phân thành orthophosphat Cácion phosphat trong nước thường bị thủy phân theo 3 bậc sau đây (do H3PO4 có 3nấc phân ly)

PO43- + 2H2O  HPO42- + OH- ( 8 )HPO42- + H2O  H2PO4- + OH- ( 9 )

H2PO4- + H2O  H3PO4 + OH- ( 10 )Khi có mặt muối ion Mg2+ và ion NH4+ ở trong dung dịch ammoniac, ion

PO43- tạo nên kết tủa màu trắng NH4MgPO4 không tan trong dung dịch amoniacnhưng tan trong axit như:

NH4+ + Mg2+ + PO43- = NH4MgPO4 (11)Khi có mặt của muối nhôm ammoni molypdat (NH4)2MoO4 trong dung dịchHNO3 ion PO43- tạo nên kết tủa amoni phosphomolydat{(NH4)3(PMo12O40)}, cómàu vàng không tan trong axit nitric nhưng tan trong kiềm và dung dịchammoniac

3NH4+PO43- + 12MoO42- + 24H+ = (NH4)3(Pmo12O40) + 12H2O (12) Những phản ứng này dùng để nhận biết ion PO43- ở trong dung dịch

1.2.1.2 Chu trình phospho trong tự nhiên

Môi trường sinh vật (Biological Environment) là thành phần hữu sinh củamôi trường Môi trường sinh vật bao gồm các hệ sinh thái, quần thể thực vật và

động vật Môi trường sinh vật tồn tại và phát triển trên cơ sở đặc điểm của cácthành phần môi trường vật lý và không thể tách khỏi môi trường vật lý.

Các thành phần của môi trường không tồn tại ở trạng thái tĩnh mà luôn có sựchuyển hóa trong tự nhiên, diễn ra theo chu trình và thông thường ở dạng cânbằng Chính sự cân bằng này đảm bảo cho sự sống trên trái đất phát triển ổn định.Các chu trình phổ biến nhất trong hệ tự nhiên, trong đó có chu trình của phospho,là quá trình luân chuyển các nguyên tố hóa học từ dạng vô sinh (đất, nước, khôngkhí) vào dạng hữu sinh (sinh vật) và ngược lại Một khi các chu trình này khôngcòn giữ ở mức cân bằng thì diễn biến bất thường về môi trường sẽ sảy ra, gây tácđộng xấu cho sự sống của con người và sinh vật ở một khu vực hoặc ở qui môtoàn cầu

Sinh vật chết

Trầm tích

Hình 2: Chu trình phospho trong tự nhiên

1.2.1.3 Những nguồn phát sinh phospho

+ Nguồn nước thải sinh hoạt

Các nguồn phospho đưa vào môi trường chủ yếu do hoạt động nhân tạo củacon người gây ra, trong đó nước thải sinh hoạt, nước thải từ khu dân cư hay nướcthải vệ sinh Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là trong đó có hàm lượngcao của chất hữu cơ không bền vững, chất dinh dưỡng ( phospho, nitơ ) Tổngphospho trung bình do một người hàng ngày đưa vào môi trường là khoảng 0,8 

4 (g)/người/ngày, trong đó phospho vô cơ bằng 0,7 tổng (P) và phospho hữu cơbằng 0,3 tổng (P)

Phospho trong nước thải sinh hoạt chủ yếu có từ nguồn gốc: phân người,nước tiểu, đồ thải thức ăn, chất tẩy rửa tổng hợp, chất chống ăn mòn từ các ốngdẫn nước Lượng phospho có nguồn gốc từ phân được ước tính là 0,2 – 1 kgP/người/năm hoặc trung bình là 0,6 kg Lượng phospho từ nguồn chất tẩy rửa tổnghợp được ước tính là 0,3 kg/người/năm Sau khi hạn chế hoặc cấm sử dụngphospho trong thành phần chất tẩy rửa, lượng phospho trên giảm xuống cònkhoảng 0,1 kg/người/năm

Thức ăn thừa: sữa, thịt, cá hoặc dụng cụ nấu ăn, đựng các loại trên khi vàonước cũng thải ra một lượng phospho đáng kể

+ Nguồn nước thải công nghiệp

Ô nhiễm do hợp chất phospho từ sản suất công nghiệp liên quan chủ yếu tớichế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề đặc biệt nhưchế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da, chế biến sữa, sản xuất bơ, phomát, chế biến nấm

Các chất hoạt động bề mặt dùng làm chất tẩy rửa khi tiếp xúc với các chấtgây cứng của nước (Ca2+, Mg2+) thì khả năng làm sạch của nó sẽ giảm đi Các

muối canxi tan làm mất khả năng tạo bọt của xà phòng, ta sẽ thấy có cặn vón

xám nhạt trên mặt nước Đó là kết tủa khó tan do anion xà phòng và ion canxi tạo

ra, các ion magie cũng tạo được kết tủa với xà phòng

Nước “cứng“ là nước có chứa các ion canxi và magie thường ở dạng

hydrocacbonat Vì vậy khi xà phòng natri stearat gặp nước cứng thì sẽ có canxi

stearat và magie stearat kết tủa Do vậy các anion xà phòng bị loại khỏi dung

dịch và không tham gia tẩy sạch nữa

2C17H35COO-Na+ + Ca2+  Ca(C17H35CO2)2(r) + 2Na+ (13)

Các “thể sáp“ không hòa tan này thường tạo ra những cặn bẩn bám lên vải

và trong máy giặt

Trong bột giặt có khoảng 20% là chất hoạt động bề mặt, còn lại là chất phụ

gia có thể là các chất silicat và phosphat, làm cho nước có môi trường bazơ yếu

Để loại trừ tính chất axit của bụi bẩn và dầu mỡ trong quần áo Với phosphate

như natri triphosphate ( Na5P3O10 ) sẽ tạo được phức với ion Ca2+ và Mg2+ như :

2P3O105- (aq) + 5Ca2+ (aq)  Ca5(P3O10)2 (aq) (14)

 Polyphosphat bị phân hủy nhanh nhờ quá trình thủy phân sau :

P3O105- + 2H2O = 2HPO42- + H2PO4- (15)

Vì phosphat thường gây ô nhiễm nguồn nước nên người ta đã thử thay thế

pentanatri tripolyphosphat bằng NTA (natritriaxetic) N(CH3COONa)3 nhưng đã

đình chỉ sử dụng do bị nghi là chất sinh quái thai

Một số ngành công nghiệp như: công nghiệp sản xuất phân lân, công nghiệp

thực phẩm trong nước đều có chứa phosphat

Ví dụ: Tại nước thải công nghiệp rượu bia, nồng độ N và P có thể đến 150

-200 mg/l và 15 - 30 mg/l

+ Nguồn thải từ nông nghiệp, chăn nuôi

Phân bón sử dụng trong nông nghiệp là một trong những nguyên nhân chínhgây ô nhiễm nguồn nước Tại vùng nông thôn nồng độ (P) ở các con sông caotrong thời điểm sử dụng phân nhiều, đặc biệt khi có mưa rửa trôi Ngoài ra còn cómột số chất như : Sắt phosphat từ các lớp cặn lắng có thể bị hòa tan trở lại trongkhi các nguồn nước có chứa nhiều chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm có thể tồn tạicác điều kiện khử hoặc giá trị pH thấp, quá trình sảy ra theo phương trình sau:Fe(PO4)r + H+ + e-  Fe2+(nước) + HPO42-(nước) (16)

 Chất khử có thể là H2S hoặc các hợp chất hữu cơ trong nước

Nồng độ hợp chất nitơ và phospho tăng đần theo thời gian lưu giữ nước thải

do lượng chất hữu cơ có khả năng sinh hủy rất lớn (BOD:2300 – 49000mg/l),trong thời gian lưu giữ chúng bị phân hủy yếm khí tạo ra khí metan vàcacbonic

Bảng 9: Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi

Phân loài nuôi Độ ẩm (%) N (%) P 2 O 2 (%) K 2 O (%)

1.2.1.4 Hiện tượng phú dưỡng

Phú dưỡng hóa (eutrophication) là việc gia tăng nồng độ của các chất dinhdưỡng đến mức tạo ra sự phát triển bùng nổ các loại tảo, rong trong môi trường

nước Quá trình phú dưỡng hóa đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền thựcphẩm của hệ sinh thái nước

Trong nước, tảo sử dụng cacbon dioxit, nitơ vô cơ, orthophosphat và các chấtdinh dưỡng khác với lượng vết để phát triển Tảo lại là thức ăn của động vật phù

du (zooplankton) Một số lớn cá nhỏ ăn động vật phù du và rong tảo, một số loạicá lớn lại ăn cá nhỏ Như vậy năng suất của dây chuyền thực phẩm lại phụ thuộcvào lượng N và P Khi nồng độ N và P cao, rong tảo phát triển mạnh tạo ra khốilượng lớn đến mức các loài động vật phù du không thể tiêu thụ hết, dẫn đến làmđục nước Đặc biệt trong nguồn nước tù (ao, đầm) có thể tạo ra nước chứa đầy tảonhư nước xúp Việc phân hủy tảo sẽ tạo ra mùi và tạo ra những chất cặn lắng, gâygiảm oxy hòa tan trong nước, từ đó gây cản trở việc phát triển hầu hết các loàicá Trong điều kiện đó thì chỉ có một số loài cá dữ mới có thể sống được

Với mật độ rong tảo cao, chất lượng nước sẽ bị suy giảm, gây ảnh hưởngđến công tác cấp nước sinh hoạt, gây ảnh hưởng đến mỹ quan.

Các vùng nước tù, đặc biệt là kênh rạch, các ao hồ ở Hà Nội, ở đồng bằngsông Cữu Long, đồng bằng sông Hồng, những khu vực trong thành phố Hồ ChíMinh, hiện nay đang bị phú dưỡng hóa nặng với biểu hiện của sự phát triểnmạnh của các loài tảo, bèo,

Tảo xanh

Cá đơn(loại ăn động vật)Nitơ và phospho

Cá nhỏ(loại ăn cỏ)

Động vật phù du

Dây chuyền thực phẩm bình thường

Dư thừa

Nitơ và phospho

Bùng nổ tảo

Cá ăn thịt

Gia tăng sinh khối tảo

Phát triển cỏ,lau

sậy ven bờ

Hình 3 : Tác động của sự phú dưỡng đến dây chuyền thực phẩm

trong hệ sinh thái nướcNước

đục,sánh Giảm oxy Tăng mùi

1.3 Quá trình khử phospho bằng sinh học

Khả năng thực hiện việc khử phospho bằng con đường sinh học là mục tiêucủa nhiều nghiên cứu khoa học Đó là giải pháp không cần sự hổ trợ của các chấtphản ứng và thực tế là không sản sinh ra lượng bùn dư thừa nào Những nghiêncứu này thực sự đã bắt đầu vào giữa những năm 60 với công trình của (Shapiro vàLevin) Các ông nhận thấy rằng bùn hoạt tính không được sục khí thì giải phóngphospho và ngay khi nồng độ oxy tăng lên bùn sẽ hấp thụ lại phospho Nguyêntắc của phospho hóa sinh học là có sự tích lũy phospho vào khối vi sinh Sự tíchlũy này có thể gây ra do:

- Sự kết tủa hóa học của phospho vô cơ xung quanh vi khuẩn trong nhữngđiều kiện riêng biệt của môi trường hẹp ;

- Chính bản thân các vi sinh ;

- Sự kết hợp của cả hai nguyên nhân trên

1.3.1 Quá trình kết tủa ngoài tế bào của phospho vô cơ

Nguyên nhân chính của việc tạo ra các kết tủa này là do sự tăng độ pH hoặcsự tăng nồng độ ion kết tủa (nhiều khảo sát đã xác nhận điều đó) Thực vậy, các

vi khuẩn nuôi cấy trong điều kiện kị khí sẽ giảm nồng độ canxi ngoại tế bào,trong khi đó chúng lại giải phóng phospho, kali và magiê (kali và magiê là nhữngion ổn định của polyphotphat nội tế bào) Do vậy, có thể là việc giải phóng cácion photphat làm giảm nồng độ canxi và từ đó có giả thuyết về sự kết tủa Khikhông có oxy, sự thay đổi độ pH gây ra do khử nitrat hóa là do lên men axit củacác sản phẩm hữu cơ liên tục biến đổi nhằm làm tăng nồng độ phospho và có thểlàm tăng hoặc giảm hậu quả của chúng

1.3.2 Tích lũy nội tế bào polyphotphat do vi sinh của bùn hoạt tính

Cùng với sự kết tủa ngoại tế bào dễ biến đổi, khó định lượng và khó kiểmsoát, ngày nay các vi khuẩn tích lũy polyphotphat (poly P) đóng vai trò chủ yếu

Việc lưu giữ polyphospho thường thực hiện được bằng vi sinh học, đặc biệtlà những trường hợp mất ổn định của môi trường dinh dưỡng Môi trường nàyngăn chặn việc tổng hợp axit nucleic Polyphosphat đã tích lũy được có thể dùngđể dự trữ năng lượng so sánh được với mạch phosphat ở hệ ATP/ADP, hoặc để dựtrữ phospho Các phân tích về cộng hưỡng từ hạt nhân magiê (RMN) trên bùnphosphat đã khẳng định sự hiện diện của một số lượng lớn poly P Poly P chủ yếutồn tại dưới dạng những hạt nhỏ được gọi là Valutin

1.3.3 Các yếu tố liên quan đến việc khử phosphat bằng sinh học

Việc khử phosphat bằng sinh học đòi hỏi sự lặp đi lặp lại của các quátrình kỵ khí và hiếu khí Tính lặp lại này làm thai đổi sự cân bằng enzim để điềuchỉnh việc tổng hợp poly P ở quá trình kỵ khí

Như vậy, đặc điểm chung của tất cả các phương án sử dụng biện pháp thảiloại phospho sinh học là sự luân phiên thai đổi của quá trình kị khí và quá trình ưakhí Ở quá trình kị khí thì các vi khuẩn tiếp xúc với cacbon hữu cơ của nước thải,còn ở quá trình ưa khí thì phospho đã bị khử trước đó được hấp thu trở lại

Có thể phân loại các phương án này thành hai nhóm lớn sau đây :

- Tất cả các phương án mà tại đây không có một chất phản ứng hóa họcnào được thêm vào Phospho được lưu giữ một cách “sinh học” ở trong bùn và dovậy chúng được thải ra cùng với bùn dư thừa Như thế hiệu suất việc khử phospho

Quá trình kị khí

Bùn dư thừaTuần hoàn

Axetat

Chất nền

hữu cơ

Vi sinh vậtpoly P( poly P )

Quá trình ưa khí

Vi sinh vậtpoly P( PHP )

P

Vi sinh vậtpoly P( PHP )

phụ thuộc hoàn toàn vào lượng phospho chứa trong bùn và sản sinh ra bùn dưthừa.

- Tất cả các phương án có sự khử phospho hỗn hợp sinh học và hóa-lí học.Phospho đã tích trữ bằng cách sinh học ở trong bùn được giải thoát vào một thểtích nước nhỏ Do vậy, nguồn ta thu được một nồng độ phospho cao trong nước và

ở nồng độ này các phản ứng hóa học được bổ sung

1.3.4 Sự phân giải phospho hữu cơ

Trong quá trình phân giải, chúng thường tổng hợp ra nhiều loại enzymkhác nhau Mỗi enzym thực hiện một phản ứng sinh hóa và cuối cùng tạo ra

Một số chất khác

Hình 5: Sự chuyển hóa axit nucleic bởi VSV có trong các chất thải

Bảng 10: Các loài VSV tham gia phân giải các hợp chất chứa phospho

1 Bacillus mycoides Chúng thuộc vi khuẩn hiếu khí, có khả năng phân

giải phospho hữu cơ, protit nhưng không tạo thành

3 Bacillus asterosporus Chúng thuộc loài vi khuẩn yếm khí tùy tiện, có khả

năng phân giải phospho hữu cơ nhưng không mạnh

4 Pseudomonas spp Loài này có nhiều trong chất thải hữu cơ giàu

protein, chúng phân giải protein và phospho khôngmạnh

5 Actinomyces spp Loài này phân giản cả protein, cellulóe và phospho,

chúng là các loài hiếu khí, có khả năng chịu nhiệtcao

1.3.5 Xử lí hợp chất phospho

Hầu như các hợp chất của phospho không tồn tại ở dạng bay hơi trongđiều kiện thông thường, vì vậy để tách phospho ra khỏi nước cần phải chuyển hóachúng về dạng không tan trước khi áp dụng các kỹ thuật tách chất lắng như: lọc,lắng hoặc tách trực tiếp qua màng thích hợp

Hợp chất phospho trong môi trường nước thải tồn tại trong các dạng:phospho hữu cơ, phosphat đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước,

polyphosphat (còn gọi là phospha trùng ngưng), muối phosphat và phospho trongtế bào sinh khối.

Bảng 11: Hợp chất phospho và khả năng chuyển hóa

Phospho hữu cơ Phân hủy thành phosphat đơn và trùng ngưng

Phosphate đơn Tan, phản ứng tạo muối, tham gia phản ứng sinh hóa

Polyphosphate Ít tan, có khả năng tạo muối tham gia phản ứng sinh hóaMuối phosphate Phần lớn không có độ tan thấp hình thành từ phosphat đơnPhospho trong tế

- Nâng cấp các hệ xử lí nước thải đang hoạt động một cách dể dàng, với giá thành hợp lí

+ Nhược điểm

- Diển biến của quá trình vi sinh phức tạp, vấn đề tách loại phospho được quan tâm chưa lâu nên các thông số kỹ thuật dùng trong thiết kế cũng như các yếu tố ảnh hưỡng tản mạn về giá trị và thậm chí trái ngược về kết quả dẫn đến việc tính toán dễ gặp sai sót thể hiện ở khâu vận hành

- Kiểm soát điều kiện vận hành rất chặt chẽ sau cho trong vùng yếm khí không tồn tại oxy và nitrat

1.4 Những phương pháp loại bỏ phospho trong nước thải

1.4.1 Loại bỏ Phospho bằng phương pháp hóa học

Bảng 12 : Giá trị số tan của hợp chất kém hòa tan

Hợp chất Tích số tan ( 25 o )

CaH2PO4+ <-> Ca2+ + H2PO4- 10 -2,7

CaHPO4 <-> Ca2+ + HPO4- 10 -6,6

Ca3 (PO4)2 <-> 3Ca2+ + 2PO43- 10 -26

Ca10 (PO4)6(OH)2 <-> 10Ca2+ +6PO43- + 2OH- 10 -114

Hydroxy apatit C10(PO4)6(OH)2 không bao giờ xuất hiện ngay trong quátrình hình thành mầm tinh thể cho dù nó là thành viên ổn định nhất về mặt nhiệtđộng và kém hòa tan nhất trong số các kết tủa phosphat canxi.

Bước đầu tiên liên quan đến sự kết tủa của phosphat canxi Ca3(PO10)2 vôđịnh hình, nó có cấu trúc tinh thể không ổn định và có độ tan thấp Các dạng vôđịnh hình này tái kết tinh nhanh hay chậm đều phải trải qua một số dạng hợp chấttrung gian cấu trúc không xác định trước khi tạo thành hydroxy apatit Hợp chấtnày có thể có thành phần khác với công thức hóa học về mặt tỷ lượng và có thểcó chứa những ion lạ

- Trong nước tụ nhiên, hàm lượng Ca2+có thể lên tới 100mg/l, nếu cho vôivào trong dung dịch sẽ hình thành CaCO3 kết tủa do HCO3 đã chuyển thành CO32-

ở pH cao và nếu như ion Mg2+ có mặt vừa đủ thì sẽ xuất hiện kết tủa Mg(OH)2

Ca2+

+ 2HCO3- + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O (17)

- Khả năng loại bỏ phosphat sẽ rất tốt ở giá trị > 10 , đặc biệt có hiệu quả ởgiá trị pH = 10,5 -11

- Đặc điểm của phương pháp dùng vôi: Dùng vôi làm tăng độ kiềm củanước thuận lợi cho phản ứng phân hủy sinh học của NH4+, không đưa anion mớivào nước thải(so với dùng muối để kết tủa phosphat)

- Canxi phosphat có thể dùng làm phân

1.4.1.2 Dùng muối sắt

Các muối sắt thường được sử dụng là: FeCl3, FeClSO4, FeSO4, khi đưa Fe3+

vào nước lập tức xảy ra quá trình thủy phân tạo ra các phức chất mang điện tíchdương như (ở pH < 8) Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe(OH)3 và một số dime, polymer tíchđiện dương Vì vậy, ngoài sự kết tủa còn xảy ra sự hấp phụ hydroxit sắt tạo thành

Các kết tủa của phosphat sắt hình thành thường ở dạng gen và hiếm khi cóthành phần ổn định Trong điều kiện pH thấp sẽ xuất hiện các kết tủa thiếu sắt(hàm lượng Fe < thành phần theo tỷ lượng) Quá trình cân bằng đạt từ từ ở pH >5,5 và pH đo được sẽ trải qua một thời gian biến động cao Trong môi trườngtrung tính và bazơ các ion OH- có ái lực với Fe lớn hơn so với PO43-.

Fe(PO4)n + mOH-  Fe(OH)m(PO4)n-m/3 + m/3 PO43- (18)Quá trình này PO43- của OH – có thể quan sát được sự thay đổi màu sắc kếttủa từ trắng sang vàng Kết tủa màu vàng khi dung dịch Fe3+tinh khiết Nếu dungdịch kém tinh khiết thì kết tủa sẽ chuyển sang màu đỏ Quá trình giảm độ tinhkhiết là do Fe3+trong dung dịch không ngừng bị thủy phân dẫn đến sự hình thànhcác phức bị thủy phân và cuối cùng tạo thành kết tủa Fe(OH)3

Tại một giá trị pH không đổi có kết tủa hoàn toàn phosphat với tỉ số mol

Fe3+/P từ 1,4 – 1,6 Nếu tỷ số Fe3+/P tăng thì lượng Fe(OH)3 cũng tăng nhưng hợpchất của phosphat vẫn có thành phần không thay đổi Ở tỷ lệ Fe3+/P xấp xỉ 1,22và 1,23 có sự hình thành phosphat bazơ dạng Fe(OH)2H2PO4

* Nhược điểm của phương pháp :

- Đưa vào nước những anion của muối

- Khi dùng dư muối sắt sẽ làm giảm pH của nước thải do phản ứng thủy phâncủa chúng giải phóng ra H+

1.4.2 Các công trình loại bỏ Phospho bằng phương pháp sinh học

Phospho không chỉ tiêu thụ cho tế bào hoạt động mà còn tích lũy để vi sinh vật sử dụng khi cần thiết, bùn chứa phospho dư sẽ được xả đi, hoặc khử hoặc xử lý để giải phóng phospho dư đó Như vậy, việc khử phospho bằng sinh học đòi hỏi

cả hai loại bể phản ứng kỵ khí và hiếu khí hoặc cả hai trong cùng một bể Cả hai quá trình đều tồn tại như trong hình sau : [ ]

1.4.2.1 Loại bỏ Phospho bằng phương pháp phối hợp

Khử phospho bằng biện phát sinh học thì được thực hiện ở hai loại bể phảnứng kị khí và hiếu khí hoặc kết hợp hai chế độ này ở trong cùng một bể phản ứng

Ở điều kiện hiếu khí, vi sinh vật cần nhiều (P) hơn ở điều kiện kị khí Ở anoxic,(P) có thể giải phóng ra khỏi tế bào vi sinh vật

Hiếu khí Tuần hoàn Bùn dư

Tách phospho

Kỵ khí

Bùn lắng

Tác nhân lắng

Keo tụ

Bùn dư Nước trong

vôi

Dòng tràn

Hình 6: Quá trình xử lý sinh học khử Phospho “Quá trình Phostrip”

Trong quá trình hoạt động cần theo dõi các chỉ số NH4+, PO4-3 để điều chỉnhlưu lượng tuần hoàn thích hợp cho việc khử hết các chất dinh dưỡng.

Trong quá trình xử lí, nếu sau vùng kị khí là vùng hiếu khí thì vi sinh vật sẽtích lũy phospho trên mức bình thường nhằm sử dụng khi cần thiết Bùn gồm sinhkhối vi sinh vật và một số cặn lơ lửng lắng xuống đáy, khi ấy sẽ giàu phosphochính là xả cặn bùn giàu phospho (P) Dịch bùn giàu PO4-3 có thể dùng nước vôikết tủa (phosphat canxi)

1.4.2.2 Hồ sinh vật

a Cấu tạo :

Hồ sinh vật hay oxy hóa hay hồ ổn định nước thải là loại công trình đượcsử dụng phổ biến để xử lý nước thải của thị trấn hay khu dân cư nhỏ Hồ thườngrộng và nông nên mức độ khuấy trộn sẽ tốt hơn những hồ hẹp và sâu Hồ thườngsâu từ 0,6 – 1,2 (m) và thậm chí 3 – 6 (m) tùy thuộc từng loại hồ Ngày nay,người ta sử dụng hồ sinh vật để xử lý bậc hai hoặc bậc ba là xử lý triệt để chấtthải