quá trình xử lý sinh học kị khí nước thải công ty lg vina

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA 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 bằng phương pháp

Trong giai đoạn hiện nay đi đôi với quá trình phát triển của nền công nghiệp, lượng chất ô nhiễm do công nghiệp thải ra ngày một gia tăng, điều này đã gây ra nhiều tác động xấu đến đời sống con người và động thực vật trên trái đất

Chất hoá dẻo đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm nhựa phục vụ cho đời sống con người Cũng như các ngành công nghiêïp khác, công nghiệp sản xuất chất hoá dẻo thải ra một lượng nước chứa các nguyên liệu và thành phẩm còn sót lại trong quá trình sản xuất Lượng nước này nếu thải trực tiếp ra nguồn sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường, do đó cần phải xử lý trước khi thải ra

Đề tài nghiên cứu đặt ra được giới hạn ở quá trình xử lý sinh học kị khíù nước thải công ty LG ViNa

2 Mục đích nghiên cứu:

Mục đích của nghiên cứu được đặt ra là: đánh giá hiêïu quả của quá trình lọc kị khí dính bám trong quá trình xử lý sinh học nước thải chứa chất hoá dẻo (DOP)

3 Nội dung nghiên cứu:

Khảo sát mức độ ô nhiễm cũng như khả năng xử lý sinh học kị khí của nước thải công ty LG ViNa

Nghiên cứu quá trình tuyển nổi thu hồi chất hoá dẻo

Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải bằng mô hình lọc sinh học trong phòng thí nghiệm, bao gồm:

 Xác định hiệu quả loại bỏ COD của nước thải

 Xác định động học của quá trình xử lý nước thải công ty LG ViNa bằng phương pháp lọc sinh học theo mô hình thí nghiệm

 Phân tích đặc tính xử lý của quá trình lọc sinh học theo mô hình thí nghiệm

Chương 1: TỔNG QUAN CÔNG TY VÀ

QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẤT HOÁ DẺO

1.1 GIỚI THIỆU CÔNG TY:

Nhà máy DOP của công ty liên doanh hóa chất LG Vina nằm ở khu công nghiệp Gò Dầu, xã Phước Thái , huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai với diện tích xây dựng là 20.000m2 Công suất thiết kế là 30.000 tấn dầu hóa dẻo DOP (Di-Octyl Pthalate) mỗi năm Hiện nay đây là nhà máy duy nhất tại Việt Nam sản xuất dầu hóa dẻo, là một nguyên liệu quan trọng cho ngành nhựa, đặc biệt là nhựa PVC

Địa điểm của nhà máy: nằm trong khu công nghiệp Gò Dầu, xã Phước Thái ,huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai Khu công nghiệp này có vị trí thuận lợi về giao thông đường thủy (sông Thị Vải, cảng Gò Dầu) lẫn đường bộ (Quốc lộ 51), nằm cách thị trấn Long Thành khoảng 17km và cách Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 65km Nhà máy có sáu hạng mục chính, bao gồm :

 Nhà sản xuất chính

 Nhà sản xuất Nitơ

 Khu vực sản xuất chất thải và tháp giải nhiệt

 Khu vực bồn chứa

 Khu vực ống thùng

 Nhà kho

Theo qui hoạch đây là khu công nghiệp gồm các nhà máy hóa chất công nghiệp có mức độ ô nhiễm cao (Shell, Mobil, UIC, JVF, TPC, Dyno Chem, Taicera, Super lân Long Thành, DOP …)

Đặc điểm thủy văn: nhà máy phân bố cạnh sông Thị Vải (cách khoảng 500 mét về phía Tây tính theo đường chim bay)

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CHẤT HÓA DẺO:

1.2.1 Khái niệm chất hoá dẻo:

Là nguyên liệu được kết hợp với nhựa để dễ dàng gia công và tăng tính uốn dẻo hay khả năng phân phối: giảm độ nhớt nóng chảy, giảm nhiệt độ thủy tinh hóa hoặc giảm module đàn hồi của nhựa Vì DOP là chất hóa dẻo tối ưu được chọn để dùng cho nhựa PVC và có nhiều ứng dụng khác nên nó là chất hóa dẻo thông dụng nhất trên thế giới, và DOP cũng tạo ra sự kết hợp tốt nhất cho việc hình thành tính chất của PVC và các loại nhựa khác đồng thời làm giảm chi phí trong việc gia công

1.2.2 Chức năng của chất hóa dẻo:

 Hỗ trợ gia công:

- Giảm độ nhớt nóng chảy

- Ổn định nhựa

- Giảm độ dính của nhựa

- Gia tăng sức căng

- Giảm nhiệt độ gia công

- Giảm độ dính khuôn

- Gia tăng độ nhớt

- Hóa dẻo:

- Làm mềm nhựa

- Gia tăng độ giãn

- Gia tăng khả năng uốn dẻo

- Gia tăng khả năng chống va đập

- Tăng khả năng chịu xé

- Tăng khoảng nhiệt độ sử dụng

- Tăng độ dai

1.3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẤT HOÁ DẺO:

DOP là sản phẩm tạo thành từ phản ứng ester hóa giữa PA và 2-EH với sự có mặt của chất xúc tác

Các bước chính của qui trình:

1 Giai đoạn Monoester hóa

2 Giai đoạn phản ứng Diester hóa

3 Tách rượu dư (trích 2-EH và cất 2-EH)

4 Giai đoạn làm sạch (Trung hòa, Loại nước, Tẩy màu-mùi, Lọc )

Nhà máy sản xuất chất hóa dẻo của công ty liên doanh hóa chất LG VINA chọn công nghệ sản xuất theo mẻ với xúc tác là TPT nhằm mục đích sản xuất ra DOP chất lượng cao và làm giảm lượng nước thải cho phù hợp với qui tắc về môi trường

1.3.1 Mô tả qui trình công nghệ:

1 Giai đoạn Monoester hóa:

MOP là sản phẩm được tạo thành từ giai đoạn Monoester hóa có mặt chất xúc tác và nhiệt độ thích hợp PA và 2-EH được cho vào bình phản ứng MOP có những ống gia nhiệt bằng hơi nước bên trong và sau đó thêm vào xúc tác TPT

Sau khi nhập liệu, gia nhiệt hỗn hợp lên tới nhiệt độ cần thiết (110 -> 1200C) ở áp suất khí quyển và khuấy bằng cánh khuấy Ở giai đoạn này với sự có mặt chất xúc tác TPT, PA và 2-EH được chuyển hóa thành MOP

Phương trình phản ứng:

C6H4(CO)2O + C8H17OH  ( COOH)C6H4( COOC8H17)

148,13 130,23 178,36

Chất xúc tác:

Tên gọi: TPT (Tetra iso Propyl Titanate)

2 Giai đoạn phản ứng Diester hóa:

Trong giai đoạn này MOP chuyển hóa thành DOP Đầu tiên, hỗn hợp chất phản ứng ở bình MOP được chuyển sang bình phản ứng, sau đó được gia nhiệt tới nhiệt độ cần thiết cho phản ứng (218 ->2220C) và được khuấy trộn kỹ ở áp suất khí quyển

Khí Nitơ được cấp cho bình phản ứng hơi nhằm mục đích loại trừ nhanh chóng nước tạo ra từ phản ứng và ngăn không cho hỗn hợp phản ứng tiếp xúc với Oxy không khí

Nước sinh ra, rượu được bay hơi và ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ sau đó được tách trong thiết bị lắng

Phương trình phản ứng:

( COOH )C6H4( COOC8H17) + C8H17OH  C6H4(COOC8H17)2 + H2O

MOP 2-EH DOP

Trong giai đoạn này:

Phản ứng Diester hóa giữa Monoester và rượu xảy ra khá chậm so với phản ứng ban đầu Để phản ứng xẩy ra theo chiều thuận:

Loại bỏ nước bằng chưng cất hỗn hợp đẳng phí

Tiến hành với lượng rượu dư

Tiến hành với chất xúc tác

3 Tách rượu dư:

Sau khi phản ứng kết thúc, DOP thô sẽ được tiến hành nhằm loại bỏ rượu dư ở áp suất thấp Điều kiện chuẩn cho giai đoạn này là khoảng 2000C và 100  20 Torr, vào thời điểm này dùng hơi nước để cất rượu

Khi lượng rượu dư giảm đến mức độ mong muốn, ngừng cất rượu Sau khi lấy mẫu, mẫu không còn mùi rượu

Rượu dư trong bình phản ứng sẽ được bay hơi như một hỗn hợp đẳng phí từ đỉnh của bình phản ứng và được ngưng tụ, tách ra bằng thiết bị lắng trọng lực

Điều kiện của quá trình cất:

Lưu lượng hơi nước: 600 Kg/h

Aùp suất bình phản ứng: 100  20 Torr

Aùp suất hơi cấp: 2Kg/cm2.G

4 Giai đoạn làm sạch:

Ở giai đoạn này gồm: trung hòa, loại nước, tẩy màu và lọc Quá trình này được mô tả như sau:

- Trung hòa:

Sau khi cất rượu DOP thô được chuyển đến bình tẩy màu và sau đó DOP thôđược làm mát đến khoảng 1000C nhờ thiết bị làm lạnh (HE-1103) DOP thô vẫn còn chứa MOP, PA, TPT vì vậy thêm vào dung dịch NaOH 2% để trung hòa DOP thô DOP thô được khuấy trộn kỹ với dung dịch NaOH 2% ở áp suất khí quyển trong vòng 20 phút

- Loại nước (gia nhiệt 10 phút; loại nước 35 phút):

Trung hòa xong, quá trình tách nước được thực hiện trong vòng 60’ ở áp suất 100 

50 Torr, 110 0C Mục đích quá trình là loại nước trong quá trình trung hòa và nước có trong dung dịch NaOH

- Tẩy màu:

Sau trung hòa, nhập AC, DE vào bình tẩy màu để tẩy màu, làm tăng độ tinh khiết bằng cách hấp thụ tạp chất Quá trình này thực hiện trong vòng 30 phút và được khuấy trộn ở áp suất khí quyển khoảng 950C

- Lọc:

Sau khi tẩy màu xong DOP thô được tuần hoàn qua bình tẩy màu và lọc nhằm đắp tác nhân lọc và AC trong 30 phút DOP thô tiếp tục tuần hoàn thêm 30 phút để đạt được màu mong muốn Sau khi tuần hoàn, DOP sản phẩm đã được loại bỏ đi chất xúc tác, muối soda, tác nhân lọc và tạp chất khác Sau khi kiểm tra mẫu nếu đạt chất lượng, DOP sẽ chuyển tới bồn kiểm tra

Cuối cùng sau khi nhận bảng phân tích chất lượng từ phòng thí nghiệm nếu đạt, DOP sẽ được chuyển tới bồn chứa chính

1.3.2 Cơ chế phản ứng:

Bước 1: Monoester hóa:

1.4 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG CỦA NHÀ MÁY:

Nhà máy sản xuất dầu hóa dẻo DOP (Di Octyl Phthalate) từ PA (Phthalic

Anhydric, nguyên liệu rắn) và 2-EH (2-Ethyl Hecxyl Alcohol hay Octanol, nguyên liệu lỏng) Nguyên liệu rắn và sản phẩm là các hydro cacbon có mạch vòng nên có nằm trong danh mục hóa chất nguy hại Nguyên liệu lỏng có dạng dầu có mùi hắc

và nhẹ hơn nước nên có khả năng gây ô nhiễm nguồn nước nếu thoát ra ngoài

Trong quy trình này bỏ qua sự thất thoát DOP và nguyên liệu thô

Nước tạo thành

Khuấy trộn dung dịch

Phản ứng

Trích 2-EH dư Cất 2-EH bằng hơi nước

HỒI LƯU 2-EH

Chất thải lỏng bao gồm :

Nước phát sinh trong công nghệ (nước tạo thành trong phản ứng diester hóa, nước ngưng trong quá trình chưng cất lôi cuốn hơi nước, nước hình thành từ phản ứng trung hòa), nước làm mát các cánh khuấy, bơm ly tâm, nước làm kín cho bơm chân không, nước ngưng tụ trong quá trình gia nhiệt phản ứng monoester hóa và tách loại nước, nước vệ sinh máy móc nhà xưởng

DOP và Octanol hòa tan hoặc bị lôi cuốn theo dòng nước thải từ các công đoạn sản xuất Ước tính lượng thải lỏng khoảng 100 m3/ngày đêm, với các chỉ số tải lượng nước thải trước xử lý trung bình như sau :

COD : 2800 mg /L BOD5 : 500 mg /L

SS : 40 mg /L

PH : 4,0 Nhà máy có hệ thống xử lý nước thải sản xuất nhưng nước thải đầu ra sau xử lý chưa đạt so với tiêu chuẩn loại B

Nước thải sinh hoạt khoảng 20 m3 / ngày đêm Xử lý bằng bể tự hoại

a Chất thải rắn bao gồm :

Bã lọc mà thành phần chính là đất sét hoạt tính và chất trợ lọc có chứa các muối

Na và muối Titan, MOP, PA Ước tính lượng bã thải là 500 đến 600kg / ngày đêm (Khoảng 150 đến 180 tấn / năm)

Bùn phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải (Khoảng 5 tấn / năm)

b Khí thải :

Phát sinh từ công nghệ được thu gom đưa về trạm xử lý khí thải để xử lý Các nguồn phát sinh khí thải là từ bơm chân không và hệ thống thông hơi của các bình phản ứng Khí thải chủ yếu là khí Nitơ và không khí có lẫn hơi nước và hơi DOP, Octanol

Ngoài ra còn một nguồn phát sinh khí thải nữa là từ ống khói của hệ thống lò đốt dầu HTM dùng để gia nhiệt cho phản ứng diester hóa

Khí Oxy thải ra từ hệ thống sản xuất khí Nitơ cũng là một nguồn khí phát sinh khí thải tuy không có hại cho môi trường

1.5 HỆ THỐNG XỬ LÝ CHẤT THẢI CỦA NHÀ MÁY:

1 Hệ thống xử lý nước thải :

Nước thải sản xuất của nhà máy bao gồm:

 2 – EH thải ra từ bộ phận tái sinh cồn Lượng 2 – EH thải trung bình là1 – 3kg/tấn DOP, hay 30 – 90 tấn/năm, hay 100 – 300kg/ngày (tính theo số ngày làm việc: 300 ngày/năm)

 Nước thải từ nguồn cung cấp hơi cho sản xuất, lượng thải ước tính 50 Kg/tấn DOP, 1500 tấn/năm khi nhà máy hoạt động hết công suất hay 5 m3/ngày

 Nước thải từ hệ thống xử lý nước của nhà máy như: hệ thống khử sắt nếu nhà máy sử dụng nước ngầm và hệ thống khử khoáng, chủ yếu là nước thải của khâu hoàn nguyên hệ thống

Nguồn nước thải này rất ít và chủ yếu chứa các bùn sắt và lượng Ca2+, Mg2+ … loại khỏi nước

 Nước giải nhiệt: lưu lượng trung bình khoảng 50 m3/giờ Công suất sử dụng cao nhất khoảng 200 m3/giờ

Nước thải của nhà máy được thu gom về bể chứa, sau đó bơm ra bể tách dầu để tách phần DOP, EH trên bề mặt Nước thải tiếp tục được xử lý bằng hệ thống xử lý sinh học kết hợp với hóa học Biofor up flow để đạt tiêu chuẩn loại B trước khi xả

ra sông Thị Vải Tuy nhiên do số liệu về tải lượng chất ô nhiễm khi thiết kế ban đầu không phù hợp (nhỏ hơn gần ba lần so với thực tế) nên việc xử lý không đạt yêu cầu, cần phải có sự đầu tư và thay đổi càng sớm càng tốt Mô tả về qui trình xử lý nước thải sẽ được trình bày trong phần sau

2 Hệ thống xử lý khí thải :

Khí thải được hút vào dưới một tháp đệm Tại đây khí thải được làm nguội và các chất hữu cơ phân tán (EH, DOP ) trong dòng khí được lôi cuốn bằng dòng nước phun vào từ đỉnh tháp Nước và khí thải tiếp xúc với nhau qua lớp đệm sứ trong tháp Hàng ngày, bơm phần nước lẫn dầu trên mặt bể tuần hoàn đến hệ thống xử lý

nước thải để xử lý Nước sạch được cấp bổ sung vào sao cho mực nước trong bể tuần hoàn luôn đảm bảo đủ cho việc xử lý

Ngoài ra còn có thêm nước thải sinh hoạt, nước thải này được ước tính sơ bộ như sau: 78 người x 200 lít/ ngày = 15,6 m3/ ngày

Hiện nay lượng nước thải ra trung bình ngày khoảng 100 m3/ngày (tính theo các ngày có sản xuất)

1.6 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA NHÀ MÁY:

1.6.1 Giới thiệu trạm xử lý nước thải hiện tại của nhà máy:

Trạm xử lý nước thải sản xuất của nhà máy DOP được thiết kế với công suất 100 đến 120 m3/ngày (khoảng 4,5m3/giờ)

1 Nước thải đầu vào theo thiết kế ban đầu:

BOD5: 300 – 500 mg/l

COD: 500 – 1000 mg/l

SS: 150 – 200 mg/l

PH < 5,5

2 Nước thải sau xử lý theo thiết kế ban đầu:

Nước thải sau xử lý cần đạt tiêu chuẩn Việt Nam cho nước thải công nghiệp TCVN-5945 Đối với nguồn nước mặt cấp nước B Bởi nguồn tiếp nhận là sông Thị Vải, sông nước lợ chỉ dùng cho mục đích giao thông vận tải

Theo TCVN-5945, nguồn tiếp nhận cấp B yêu cầu các hợp chất gây ô nhiễm, trên một số chỉ tiêu chủ yếu, phải có các giá trị giới hạn nhỏ hơn các giá trị nêu sau đây:

BOD5 < 50 mg/l

COD < 100 mg/l

SS < 100 mg/l

PH > 5,5

3 Khái quát về qui trình xử lý:

Do nồng độ COD trong nước thải đầu vào rất lớn và lượng dầu trong nước thải cao nên qui trình xử lý phải sử dụng kết hợp cả hoá lý, sinh học và hóa học Chủ yếu thiết kế xây dựng theo qui trình tuần hoàn bùn và làm sạch sinh học hiếu khí với cấu trúc áp dụng kiểu Biofor –up flow gồm có 3 bậc

- Nước thải từ bể chứa nước thải (TK-1101) được bơm ra bể tách dầu (TK-1601), tại đây sau khi qua 6 ngăn của bể này dầu (EH, DOP) trong nước thải nổi lên, bùn (trợ lọc) lắng xuống, nước thải ở ngăn cuối cùng của bể rất ít bùn và váng dầu Lớp dầu trên mặt định kỳ được bơm hút lên bồn thu hồi dầu TK-1602

- Sau đó nước thải được bơm từ ngăn cuối của TK-1601 sang bể chứa nước thải và lược rác (TK-1603) Nước thải từ đây chảy tràn qua bể điều hoà (TK-1604) Tại TK-1604, nước thải liên tục được bơm lên hệ thống xử lý

- Nước thải được bơm vào bình lọc sinh học số 1 (B-1601), gió được thổi vào qua hệ thống chụp lọc có đuôi kiểu Degremon (50 cái/m2) Bình này có nhiệm vụ tạo bùn hoạt tính và các chất rắn lơ lửng bằng cách tiếp nhận bùn từ bình 3 hoà vào nước thải đã châm xút NaOH pha loãng được châm vào dòng nước thải từ bình 1 sang bình 2 (hàm lượng khoảng 50mg/lít nước thải) nhằm tạo môi trường kiềm trong nước thải và hình thành các hợp chất mới, ví dụ các hợp chất có nguồn gốc phốtpho:

4Na+ + PO43- + OH- < - > Na4(PO4)OH

2Na+ + CO32- < - > Na2CO3

- Nước thải đã châm xút chảy tràn qua bình lọc sinh học số 2 (B-1602), gió được thổi vào qua hệ thống chụp lọc có đuôi kiểu Degremon Phèn được châm vào dòng nước thải từ bình 2 sang bình 3 (hàm lượng khoảng 100mg/lít nước thải) nhằm keo tụ các hợp chất rắn lơ lửng, ví dụ các hợp chất có nguồn gốc phốtpho:

Al3+ + PO43- < - > AlPO4

Al3+ + 3OH- < - > Al(OH)3

Thời gian lưu nước và tiếp nhận oxy trong các bình 1 và 2 là:

(V bình 1 + V bình 2) / 4,5 m3giờ = 14,5 m3 / 4,5m3giờ = 3,22 giờ

- Nước thải đã châm phèn chảy tràn qua bình lọc sinh học số 3 (B-1603), hoạt động như một bể lọc các keo tụ lơ lửng tạo thành bùn mà một phần bùn được bơm tuần hoàn về bình 1 Trong bình lọc số 3 có đổ than củi và than antracid cỡ hạt 4 –

6 mm Chính khối vật liệu này đã tạo ra khả năng lưu giữ bùn và bơm tuần hoàn về bình 1 để hình thành sinh khối

- Clo được châm vào dòng nước thải chảy tràn từ bình 3 vào bể tiếp xúc (TK-1606) với hàm lượng khoảng 5mg/lít nước thải để khử trùng

- Lượng bùn dư hàng ngày được xả vào bể phân hủy bùn kỵ khí Dung tích bể phân hủy bùn đã được tính để sau mỗi chu kỳ 18 đến 24 tháng mới phải hút bùn

- Hàng ngày chỉ mở và đóng nhanh trong 5 giây tại mỗi van B1 và C1, cốt để hoà trộn bùn và xả một lượng rất nhỏ bùn đã bị phân hủy hiếu khí thành bùn trơ Các van B2 và C2 cũng chỉ để xả kiệt khi trạm ngưng hoạt động Hàng tuần chỉ mở và đóng nhanh van D2 trong 5 giây để xả cặn rắn hình thành trong quá trình thổi gió

- Ta phải tiến hành rửa phin lọc khi nước trong ống inox trong bình 3 bị tràn khi đã khống chế đúng lưu lượng Khi rửa phin lọc thì thì đóng van nước đã xử lý không xả ra môi trường mà mở van cho chảy tuần hoàn qua hầm chứa bùn (TK-1605) Sau mỗi lần rửa phin lọc sẽ cần phải châm phèn với hàm lượng tăng gấp đôi trong vòng 24giờ vì sau khi rửa trong lớp vật liệu lọc không còn bùn hoạt tính nên giảm khả năng giữ cặn mịn và nhẹ Tăng cường việc châm phèn sẽ sẽ làm cho cặn mịn từ bình 2 sang bình 3 bị keo tụ và sẽ bị giữ lại trong lớp vật liệu lọc ở bình 3

1.6.2 Hiện trạng việc xử lý nước thải hiện tại của nhà máy:

- Do tính toán thiết kế ban đầu chưa đúng, tải lượng chất ô nhiễm trong nước thải đầu vào cao hơn nhiều so với số liệu dự kiến (BOD, COD cao hơn 3 đến 4 lần), do vậy hoạt động của trạm không đạt yêu cầu

COD = 2800 đến 3000mg/l COD = 1200 đến 1500 mg/l BOD5 = 700mg/l BOD5 = 350mg/l

- Hoạt động của bể tách dầu chưa được hiệu quả Lớp váng dầu tràn qua cả các ngăn cuối của bể tách dầu, bơm vào xử lý sẽ không hiệu quả Đặc biệt ảnh hưởng

- Thời gian lưu của nước thải trong hai bể lọc sinh học Biofor là 3.22 giờ là khá thấp so với yêu cầu của xử lý hiếu khí Mặt khác bên trong hai bể lọc này lại không có lớp giá thể để vi sinh vật bám dính tạo màng sinh học trong quá trình sinh trưởng và phát triển nên giai đoạn xử lý sinh học không đạt hiệu quả

- Vị trí châm xút, châm phèn chưa phù hợp Lượng NaOH, phèn cũng cần điều chỉnh lại

- Lớp lọc than hoạt tính thường xuyên bị nghẹt do bùn vô cơ từ đông tụ

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA 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 bằng phương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và bám dính lên trên bề mặt 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 phương pháp:

 Phương pháp vận chuyển kết gắn

 Phương pháp bẫy

 Phương pháp liên kết chéo

Quá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương pháp vận chuyển kết gắn

2.1.2 Phân loại:

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

 Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): phương pháp này dựa trên nguyên tắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước Phương pháp này còn được chia thành nhiều loại trên các 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 dụng một lượng lớn các đĩa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nước thải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặt của đĩa

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

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

Có hai quá trình lọc sinh học: quá trình kị khí và quá trình hiếu khí

Trong quá trình lọc kị khí, vật liệu lọc là vật liệu rắn trơ dùng làm giá thể cố định cho vi sinh vật kị khí sống bám trên bề mặt Giá thể đó có thể là đá, sỏi, than, vòng sứ, tấm nhựa… Dòng thải phân bố đều từ dưới lên tiếp xúc với màng vi sinh trên giá thể Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn tới lượng vi sinh trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài Vì vậy thời gian lưu nước nhỏ có thể vận hành ở tải lượng cao

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

Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật liệu rắn (vật liệu lọc) với các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và oxy Việc dính bám được thực hiện nhờ một chất phụ trợ và keo động vật có gốc từ exopolymeres polymer do các

vi khuẩn sinh ra Việc xâm chiếm bề mặt lúc đầu được thực hiện ở một số điểm và từ những điểm này màng sinh học tiếp tục phát triển cho đến khi toàn bộ bề mặt vật rắn được bao phủ một lớp đơn bào Từ đó các tế bào mới sinh ra và bao phủ lên lớp ban đầu Trên bề mặt của lớp màng nhày này chủ yếu chứa các vi khuẩn Chất hữu cơ trong nước thải thì được các vi khuẩn sử dụng để thực hiện phân huỷ tạo

CO2 và H2O

Oxy và các thức ăn đồng hoá được nước thải vận chuyển và khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh học cho tới khi nào các đám tế bào ở sâu nhất không được tiếp xúc với oxy và thức ăn đồng hoá trực tiếp nữa Sau một thời gian nhất định xuất hiện sự phân tầng với lớp hiếu khí chồng lên lớp kị khí Ơû lớp hiếu khí có sự khuêùch tán oxy, lớp kị khí sâu hơn không có oxy Lớp màng sinh học không được tiếp xúc với oxy bị phân huỷ kị khí tạo thành H2S, amoniac, axit hữu cơ… những sản phẩm này lại được vi khuẩn hiếu khí oxy hoá để tạo thành H2SO4, HNO3, và CO2 + H2O Khi chất nền không còn khuếch tán nữa, các vi sinh có trong lớp ưa khí sẽ bị chết và tự tiêu đi Do vậy sẽ xuất hiêïn những khoảng trống tế bào cho những vi sinh ưa khí hoặc kị khí khác Khi chất nền thực sự cạn kiệt, việc tiêu huỷ các tế bào còn lại làm cho màng sinh học bị tách rời từng vùng ra khỏi bề mặt Bề mặt này lại sẵn sàng tiếp nhận các vi sinh mới Sự phân tách màng vi sinh học được tạo ra và thúc đẩy bởi dòng nước chảy qua bề mặt

Dù cho vật liệu lọc sử dụng là loại gì thì sinh trưởng dính bám của màng vi sinh đều hoạt động theo cùng một nguyên tắc như đã nói ở trên Trong các công trình áp dụng để xử lý nước thải, việc làm thoáng thường bằng cách tự nhiên Thoáng gió cưỡng bức với dòng chảy ngược chiều ít được sử dụng

Các phản ứng làm sạch được minh hoạ ở hình 2.1

Hình 2.1: Sự tiêu hoá hợp chất hữu cơ trong màng vi sinh

2.2.1 Cấu tạo màng vi sinh vật:

Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu trúc

cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật bao gồm:

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

lên men

sản phẩm Oxy hoà tan Oxy khí quyển

sự tiêu bằng vi khuẩn

vi khuẩn

kị khí

hợp chất hữa cơ

chất nền

vi khuẩn

ưa khí

Rượu, axit

vật liệu phụ trợ

màng kị khí hô hấp CO2 màng ưa khí

nước cần xử lý

Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm Lớp màng vi sinh được chia làm hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film)

Hình 2.2: Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng vi sinh vật có cấu tạo bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết nhau trong mạng lưới cấu tạo bởi các polymer ngoại bào (gelatin) do

vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất và quá trình phân huỷ tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của các polymer ngoại bào này là polysaccharide, protein

Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu tạo

cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật (hình 2.2)

Đối với màng vi sinh vật kị khí có cấu tạo phức tạp hơn Đầu tiên một số vi khuẩn methane hoá, sulfide hoá sẽ liên kết với các giá thể theo cơ chế giống như phẩy khuẩn, sau quá trình đó sẽ hình thành một lớp vi khuẩn filamentous dính bám trên bề mặt và cuối cùng sẽ hình thành một mạng lưới filamentous Cấu trúc lỗ xốp sẽ là nơi lưu giữ các vi sinh có khả năng dính bám kém

Trước đây, hầu hết các mô hình về hệ thống màng vi sinh vật chỉ quan tâm tới màng nền mà không chú ý tới lớp màng bề mặt Nhưng nhờ sự phát minh các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của

Lớp màng sinh học

Màng hiếu khí

Lớp hiệu quả

lớp màng nền dần được làm sáng tỏ Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong cấu trúc ma trận polymer ngoại bào tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiều đứng và những kênh vận chuyển theo chiều ngang Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất, từ chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ Chất lỏng có thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu, quá trình thẩm thấu và khuếch tánđem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theo mọi hướng trong đó Do đó hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxi hoá)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số của hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý

2.2.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất và làm sạch nước:

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxi, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt đông của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đó vận chuyển vào màng vi sinh vật theo cơ chế khuếch tán phân tử Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ

cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử lượng lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân huỷ thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên Sản phẩm cuối của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng Quá trình tiêu thụ cơ chất đối với màng kị khí được mô tả bởi công thức chung như sau:

Chất hữu cơ + nguyên tố vết -> sinh khối vi khuẩn + sản phẩm cuối

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 cho vi sinh vật xảy ra không đồng đều Chẳng hạn nếu một trong những

cơ chất bị hết ở một chiềøu sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học sẽ không tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của quá 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, phốtphát, kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỷ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng Khi đó lớp màng bị tróc ra tạo điều kiện hình thành lớp màng mới

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 phát triển dính bám trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau trong cùng điều kiện, sự phát triển giống quá trình vi sinh vật lơ lửng

 Giai đoạn 2: độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày màng hiệu quả, trong giai đoạn này tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng không thay đổi trong suốt quá trình này.lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự tăng sinh khối Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối

 Giai đoạn 3: bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm do phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy

Sự tích luỹ của lớp màng vi sinh vật được xác định trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Xác định sự tích luỹ của màng vi sinh vật

Phân loại Phương pháp phân tích

(A) Xác định trực tiếp khối

lượng màng vi sinh vật:

Bề dày màng; khối lượng màng

(B) Xác định không trực tiếp

màng vi sinh vật: thành phần

màng vi sinh vật xác định

Polysaccaharide, tổng carbon hữu

cơ, COD, protein

(C) Xác định không trực tiếp

màng vi sinh vật: vi sinh vật

hoạt động bên trong màng

Đếm tế bào nhìn thấy được, ATP, lipopolysaccharide, tốc độ loại bỏ

cơ chất

(D) Xác định không trực tiếp

màng vi sinh vật: ảnh hưởng

của màng vi sinh vật tới các

đặc tính chuyển động

Ma sát, ngăn cản truyền nhiệt

Trong quá trình phát triển của màng vi sinh vật, vi sinh vật phát triển cả về chủng loại và số lượng, được thể hiện trong hình 2.3

Lúc đầu hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đó là protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật và làm giảm lượng bùn dư Tuy nhiên trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước Nghiên cứu của Inamori cho thấy có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật Một loài ăn vi khuẩn lơ lửng và thải ra chất kết dính, kết quả làm tăng tốc độ làm sạch nước Loài kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán sinh khối Nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hoá chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao

2.3 NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH MÀNG VI SINH VẬT:

Quá trình màng vi sinh vật gọi chung cho những hình thái rất khác biệt và đa dạng nhưng có chung những đặc tính và động lực học của quá trình làm sạch nước Tất cả những đặc tính của quá trình màng vi sinh vật đều đặc trưng cho quần thể vi sinh vật làm sạch nước sống trong màng vi sinh vật Do vậy để nhận biết được những ưu điểm cũng như nhược điểm của quá trình màng vi sinh vật, và để làm tốt công việc thiết kế, vận hành và bảo dưỡng quá trình này, điều quan trọng là phải nhận biết những khác biệt cùa vi sinh vật trong các thiết bị phản ứng

2.3.1 Đặc tính dính bám của màng sinh học:

Khả năng dính bám của màng sinh học trên bề mặt rắn là một trong những nhân tố quan trọng của quá trình màng sinh học vì nó ảnh hưởng đến tốc độ phát triển và những khó khăn liên quan đến viêïc tẩy rửa màng sinh học Có 2 nhân tố hoá lý ảnh hưởng đến khả năng dính bám của màng sinh học: tác nhân thứ nhất là hiện tượng tĩnh điện Sự vận chuyển điện tích trên bề mặt của vi sinh vật là nguyên nhân của sự phân ly các gốc cơ bản amino, cacboxyl, phosphate, và các gốc tương đương, vì vậy tình trạng vận chuyển điện tích ảnh hưởng đến pH của dung dịch Bề mặt của

vi sinh vật có sự vận chuyển điện tích (mang điện tích) rõ ràng khi pH của dung dịch nhỏ hơn giá trị mà ở đó bề mặt không có sự vận chuyển điện tích (điểm đẳng điện) Khi mà điểm đẳng điện của bề mặt vi sinh vật thay đổi trong vùng axit (pH =

4 -> 5), một tế bào trong nước trung tính được coi như là hạt keo với sự vận chuyển điện tích âm Hơn nữa một lực kéo tĩnh điện hoạt động giữa các vi sinh vật và các phần tử hay bề mặt rắn với một sự vận chuyển điện tích rõ ràng, vì vậy chúng có

thể dính chặt dễ dàng Mặt khác sự dính bám của vi sinh vật lên các phần tử hay các bề mặt rắn với sự vận chuyển điện tích âm rất khó nhận ra Ơû vùng lân cận của các bề mặt mang điện, một lớp điện tích kép được hình thành, và dẫn đến hai phần tử cùng loại đến gần nhau hơn, lực đẩy sinh ra bởi sự chồng chập của hai lớp điện tử và lực của Van de wall sẽ hoạt động cùng nhau Lý thuyết của vấn đề này được gọi là DLVO (Deraguin, Laudau, Verwey, Overbeek) lý thuyết về tổng năng lượng, VT của sự tương tác giữa hai phần tử thì tương đương tổng lực đẩy, VR của sự chồng chập các lớp điện tích kép và nặng lượng của lực Van de wall, VA là:

V T = V R + V A

Hình 2.4 chỉ ra giá trị VR và VA là hàm số theo khoảng cách giữa hai phần tử, và

đường cong V T được xác định bởi tổng hai năng lượng này Thực tế là khi khoảng

cách giữa hai phần tử rất nhỏ, các bề mặt sẽ đẩy lẫn nhau (lực đẩy Born), vì vậy

V T sẽ tăng nhanh theo sự giảm khoảng cách Giá trị cực đại của V (Vmax) là hàng rào năng lượng mà các phần tử phải vượt qua và chiềøu cao này sẽ giảm mạnh khi độ dày của lớp điện tích kép bị khử bởi sự điều chỉnh pH hoặc dung dịch các chất điện phân

Hình 2.4 Năng lượng tương tác giữa 2 phần tử

Khi sự tương tác năng lượng giữa tế bào vi sinh vật và bề mặt rắn chứa đựng năng lượng của lực đẩy Born được diễn tả ở hình 2.4.b, có sự tồn tại của 2 điểm ở đó tổng năng lượng là cực tiểu và điểm gần bề mặt rắn được gọi là điểm cực tiểu thứ nhất, điểm kia là điểm cực tiểu thứ hai Ơû điểm cực tiểu thứ nhất, tổng năng lượng là cực nhỏ, tế bào vi sinh vật bị hấp phụ với độ vững chắc cao, nhưng để vượt đến điểm này, tế bào vi sinh vật phải vượt qua rào cản điện thế Vmax Độ cao của mức năng lượng này cao hơn rất nhiều so với năng lượng chuyển động hỗn độn của Brown hoặc sự chuyển động hỗn độn của các roi, tua của vi sinh vật Kết quả là 1/x (độ dày lớp điện tích kép)

chúng không thể đến gần Mức năng lượng của điểm cực tiểu thứ 2 không đủ thấp để tạo ra sự hấp phụ vững chắc, nhưng các tế bào vi sinh vật sẽ được hấp phụ tạm thời ở điểm này và sau đó sự hấp phụ được tăng cường bởi các tiêm mao hoặc các hợp chất cao phân tử của tế bào Dựa vào giả thuyết này, các chủng vi sinh vật có khả năng tạo ra các hợp chất cao phân tử, đó chính là nhân tố kiểm soát cho quá trình hấp phụ của chủng vi sinh vật Nhân tố hoá lý thứ 2 của quá trình hấp phụ của tế bào vi sinh vật là trên bề mặt vật rắn với khả năng hút nước của chúng Quy luật tổng quát là: sự kết hợp của 2 thực thể kỵ nước với nhau hoặc với thực thể ưa nước cũng luôn ổn định dưới góc nhìn năng động tự do Sự kết hơp dưới cơ chế gọi là sự tương tác của tính kỵ nước, và không cần thiết để nói rằng quy luật này có thể ứng dụng đến sự hấp phụ tế bào vi sinh vật lên bề mặt vật rắn Ví dụ tảo lục và tảo lam được phân tích thành 2 loại: loại trôi nổi (plantonic type) trôi nổi trong nước và loại

sinh vật đáy (bentonic type) hấp phụ lên các bề mặt vật rắn Fattom et al đã phát

biểu rằng giữa các mẩu tảo lam và tảo lục tìm được từ những trường hợp khác nhau, tất cả các loại tảo đáy đều kỵ nước Và tất cả các tảo trôi nổi đều ưa nước Sự phát triển tính ưa nước của tế bào vi sinhvật ngẫu nhiên, một số trở nên rất kỵ nước và số khác thì ưa nước Hơn nữa xem xét năng lượng tự do thay đổi bởi sự hấp phụ kết luận rằng bề mặt của các vật liệu kỵ nước mạnh như polystyrene, polyetylene và silicondioxide (SiO2 )… hấp phụ các vi sinh vật ưa nước Giữa các đặt tính vật lý của bề mặt vật rắn có thể ảnh hưởng đến khả năng dính bám của màng vi sinh, sự gồ ghề là một trong những đăc tính có thể xác nhận Các quan sát cho thấy bề mặt gồ ghề có ảnh hưởng quan trọng đến thời kì hình thành lớp màng ban đầu và số lượng gắn kết nhiều hơn so với bề mặt nhẵn Nhưng sự ghồ ghề của bề mặt không phải là nhân tố quan trọng trong tổng lượng màng vi sinh được thành lập Theo nghiên cứu của một số nhà khoa học khi so sánh đặt tính dính bám của màng sinh học trên các vật liệu: polyvynylchloride (bề mặt không xử lý) và polyethylene (A), vật liệu cùng loại được chà nhám bằng giấy nhám mịn (B), chà bằêng giấy thô (C) và dáng chúng vào cùng một đĩa trong đơn vị lọc sinh học tiếp xúc quay Và kết quả chỉ ra rằng tốc độ kết dính như sau A< B<C Vậy độ ghồ ghề có thể ảnh hưởng ít đến sự kết hợp của màng vi sinh trên bề mặt rắn, nó chỉ ra rằng độ ghồ ghề của bề mặt có ảnh hưởng đến mức độ cao hỏn của lượng màng bám dính và đặc tính dính bám thay đổi dựa trên điều kiện sinh lý của vi sinh vật Điều

Sự liên quan đến hiệu quả dòng chảy qua bề mặt màng, Hekejekian nhận thấy rằng tốc độ cao sẽ làm chậm trễ quá trình hình thành lớp màng cơ bản, nhưng một khi đã thành lập thì tốc độ dòng chảy càng cao thì sự sinh trưởng của màng càng tăng nhanh Theo Sander và Characklis, tốc độ cao nhất trong khoảng (0.1-1 ft/s) Ảnh hưởng này được quy cho dòng chảy mạnh mang nhiều cơ chất từ chất lỏng lên bề mặt lớp màng, các lớp màng nhầy có thể chống lại lực cắt vượt quá 10-15(dyn/cm2) và màng phát triển ở tốc độ cao càng bám chặt vào bề mặt rắn Cần chú ý rằng sự phân phối các chủng loại vi sinh trên lớp màng thay đổi với mức độ hỗn loạn

2.3.2 Sinh khối và đặc tính loại bỏ cơ chất:

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

Nói chung, sinh khối ứng dụng trong quá trình màng vi sinh vật 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 vật sinh sản ra ít bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn Thương số của tổng chất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hàng ngày (S) cho ta thời gian lưu bùn (hay tuổi bùn AS):

AS = S/S Tuổi bùn AS cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý Trong trạng 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 số loài vi sinh vật (n) trong bùn sinh học được cho bởi phương trình:

n A A

n n dt

dn

S S

)

1( 

Bảng 2.2: Tốc độ tăng trưởng của các loài vi sinh vật

Vi sinh vật Các thông số tốc độ tăng trưởng T( o C) Khối lượng khô

của một tế bào

0.66 0.64 0.97 2.5 1.9

8.3

3.3 1.6 3.6 1.4 5.3 5.5 0.75 1.2

0.28 0.23 0.31 0.35 0.12 0.12

0.52 0.28 2.4 12.7 0.44

25.0 25.9 17.1 6.7 8.7

2.0

5.0 10.2 4.7 12.0 3.1 3.0 22.1 13.6

59.1 72.0

54 47.3

- 1.8  10 -4

- 3.8  10 -4

6.6  10 -3

-

Trong quá trình màng vi sinh vật, lượng chất rắn sinh học trong thiết bị xử lý lớn, và nếu lượng bùn dư nhỏ thì As sẽ rất lớn Do đó số lượng loài vi sinh vật trong màng trở nên phong phú, và vi sinh vật chiếm vai trò cao hơn trong chuỗi thức ăn Loài metazoas (Rotatoria, Nematoda, Insecta, Shellfish, Oligochaeta …) có kích thước lớn, với chiều dài từ vài mm tới vài cm lấy thức ăn là màng vi sinh vật và làm giảm lượng bùn dư Hơn nữa một hệ sinh thái với hệ vi sinh đa dạng cao là một hệ thống ổn định với một hiệu quả xử lý ổn định Những loài vi khuẩn sử dụng cơ chất đồng hoá chậm hay cơ chất có giá trị phát triển sinh khối thấp sẽ có tốc độ phát triển nhỏ tương ứng Như vậy, quá trình màng vi sinh vật có những ưu điểm lớn trong quá trình loại bỏ những cơ chất như vậy

2.3.2.2 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 xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính Sự khác biệt chủ yếu ở hai quan điểm:

Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi hai yếu tố, đó là sự khuếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng Quá trình khuếch tán sẽ là quá trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới một giá trị đủ lớn Quá trình khuếch tán là một quá trình hoá lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học như sự trao đổi chất hay sự tiêu thụ cơ chất Trong quá trình màng vi sinh 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 dễ hoà trộn với vi sinh vật, được tiêu thụ, trao đổi chất ngay lập tức Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn lơ lửng hầu như không thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuếch tán phân tử của cơ chất tỷ lệ với khối lượng phân tử của chúng, hệ số khuếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử lên tới hàng ngàn đvC 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 vào màng, quá trình thuỷ phân phải được diễn ra trước để bẻ gãy các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn

2.3.3 Động học của quá trình màng vi sinh vật:

2.3.3.1 Động học phản ứng trong màng vi sinh vật:

Những phân tích lí thuyết cho thấyđđộng học phản ứng trong màng vi sinh vật phức tạp hơn rất nhiều so với động học phản ứng của quá trình bùn hoạt tính; bởi vì tốc đđộ phản ứng làm sạch nước trong quá trình bùn hoạt tính chỉ chịu ảnh hưởng của tốc đđộ trao đđổi chất của vi sinh vật Trong khi đó, trong quá trình màng vi sinh vật, các yếu tố ảnh hưởng tốc đđộ phản ứng bao gồm tốc đđộ vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật bởi quá trình khuếch tán phân tử và tốc đđộ phản ứng sinh học của vi sinh vật Ngoài ra phản ứng thuỷ phân các chất hữu cơ cao phân tử trên bề mặt của màng vi sinh vật thành những chất hữu cơ có phân tử lượng thấp hơn để chúng có thể khuếch tán vào trong màng vi sinh cũng là một yếu tố hạn chế của tốc độ phản ứng sinh hóa trong quá trình màng vi sinh vật

Màng vi sinh vật có thể coi như một hệ thống phản ứng với xúc tác enzyme tĩnh Trong hệ thống tồn tại pha lỏng - nước thải, pha rắn – màng vi sinh vật và pha khí (đđối với quá trình hiếu khí)

Cơ chế của quá trình loại bỏ cơ chất trong hệ thống màng vi sinh vật có thể đđược miêu tả như sau: nước thải chảy qua bề mặt màng vi sinh vật với vận tốc chảyđđều,

cơ chất có khối lượng phân tử nhỏ dễ dàng từ nước thải tiếp xúc màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ và trao đổi chất bởi vi sinh vật Những sản phẩm cuối của quá trình phản ứng sinh học đđi ngược trở ra khỏi màng Như vậy, quá trình tiêu thụ và làm sạch nước bởi màng vi sinh vật bị ảnh hưởng bởi các bước sau:

 Vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật từ chất lỏng tiếp xúc với màng

 Quátrình khuếch tán phân tử chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật

 Tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật

 Vận chuyển sản phẩm cuối ra khỏi màng

2.3.3.2 Phương trình động học thực nghiệm Eckenfelder:

Dựa vào phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị lọc sinh học Eckenfelder xây dựng các phương trình biểu diễn dựa trên phương trình tốc độ loại bỏ cơ chất:

- 1 dS = - kS (2.1)

X :nồng đđộ trung bình của VSV trong bể lọc sinh học, kgVSV/m3 vật liệu lọc

Se : nồng đđộ cơ chất trong dòng nước thải sau xử lí, kgCOD/m3

S0 : nồng đđộ cơ chất trong nước thải vào bể lọc, kgCOD/m3

t : thời gian tiếp xúc của nước thải với màng VSV

Nồng độ trung bình của VSVX tỉ lệ với diện tích bề mặt riêng của vật liệu lọc As :

Q : lưu lượng nước thải theo tính tốn thiết kế, m3/ngày

A : diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m2

2.3.4 Tổng quan về quá trình xử lý sinh học kỵ khí nước thải chứa hợp chất mạch vòng:

Theo kết luận của các nhà nghiên cứu trong vài thập niên qua thì hợp chất nhân thơm có khả năng phân huỷ bằng biện pháp sinh học Hầu hết các hợp chất mạch vòng đơn giản với ít nhất một nhóm phenol hoặc carboxylic có thể bị phân huỷ hoàn toàn thành methane và carbon dioxide trong môi trường mêtan hoá với môït điều kiện năng lượng nhất định Điển hình một số hydrocacbon thơm như toluene và ortho-xylene có thể bị khoáng hoá trong quá trình mêtan hoá

PAE tồn tại trong môi trường thông thường bao gồm một số chất như ethylhexylphthalate và di-n-butyl phthalate Ngoài ra nước thải công ty LG VINA có hàm lượng di-octyl phthalate rất cao Những hợp chất này tồn tại trong môi trường tự nhiên với thời gian tự phân huỷ của chúng khá chậm từ 4 tháng đến 100năm, phương pháp loại bỏ chủ yếu trong môi trường tự nhiên là hoạt động của

di-2-vi sinh vật Cả hai môi trường di-2-vi sinh vật kị khí và hiếu khí điều có khả năng phân huỷ PAE Quá trình khoáng hoá bằng phương pháp kị khí hoàn toàn đã được kiểm chứng đối với dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dibutyl phthalate và butyl-benzy phthalate

Trong môi trường kị khí, vòng thơm không bị phân huỷ bởi enzym cắt mạch 2 oxy (dioxygenases) và sự phân huỷ mạch vòng vì thế chỉ chuyển sang những giai đoạn khác sau khi có sự giảm những hợp chất thơm, lý thuyết này được đề xuất bởi Evans Trước khi bị tách vòng, hợp chất thơm vào vùng ngoại biên nhờ sự loại bỏ hay thay thế bằng những nhóm chức được trình bày trong hình 2.4 chất trung gian phổ biến nhất trong quá trình phân huỷ kị khí các hợp chất thơm là benzoyl – CoA

p-Cresol aniline

acohol

benzyl- acetate

benzoate

3-chloro-benzaldehyde toluene

yoxylate

benzyl-s uccinate

Trong 2 thập niên qua, nhiều thuyết trao đổi chất đã được đề xuất cho quá trình phân huỷ kị khí của benzoate và một trong những biến đổi sau cùng được trình bày bởi Koch et al, được biểu diễn trong hình 2.5

5 6

OOC

H2O

Hình 2.5: Quá trình phân huỷ kị khí của benzoate thành acetate

S(substrate):chất nền, I (intermediate): chất trung gian, P(product): sản phẩm

Dưới điều kiện tiêu chuẩn, hầu hết sự biến đổi của benzoate thành acetate và hydrrogen theo phản ứng sau:

C7H5O2- + H2O  3 C2H3O2- + 3 H+ + 3 H2 + HCO3- G0 = 63.1kJ/phản ứng Một số loại vi sinh vật phân huỷ phthalate trong môi trường hiếu khí bao gồm